최소 유량 배관 Sizing과 Orifice 선정

최소 유량 배관(Minimum Flow Line)의 구경(Sizing) 산정과 오리피스(Orifice) 선정은 펌프 보호뿐만 아니라 배관 내 유속, 압력 강하, 소음 및 진동을 제어하기 위해 매우 중요하다.

 

 

 

최소 유량 배관 Sizing과 Orifice 선정

최소 유량 배관 구경(Sizing) 계산법

배관 구경은 선정된 최소 유량(Qₘᵢₙ)을 기준으로 유체의 선속도(Velocity)와 압력 손실을 검토하여 결정한다.

1. 설계 유속 기준 (Velocity Criteria)

일반적인 탄소강(Carbon Steel) 배관에서의 권장 유속 범위는 다음과 같다.

• 펌프 토출측 (Liquid): 1.5 ~ 3.0 m/s
• 바이패스 라인 (Bypass Line): 2.0 ~ 4.0 m/s (간헐 운전 시 유속을 약간 높게 설정 가능함)

2. 배관 내경 계산 방식

유량과 유속의 관계를 이용하여 내경(D)을 산출한다.

• D = √( (4 · Qₘᵢₙ) / (π · v) ) (여기서 D: 내경(m), Qₘᵢₙ: 최소 유량(m³/s), v: 설계 유속(m/s)이다.)

3. 압력 강하 검토

바이패스 라인은 토출측 고압에서 흡입측 저압(탱크)으로 연결되므로 큰 차압이 발생한다. 배관 구경이 너무 작으면 마찰 손실로 인해 요구 유량을 보낼 수 없고, 너무 크면 오리피스 전후단에서 심한 플래싱(Flashing)이나 진동이 발생할 수 있다.

 

 

최소 유량 오리피스(Minimum Flow Orifice) 선정 기준

고정 오리피스(Fixed Orifice)는 펌프 토출 압력을 흡입측 압력까지 떨어뜨리면서 정확한 Qₘᵢₙ을 유지하는 역할을 한다.

1. 오리피스 구멍 크기(d) 계산

일반적인 오리피스 유량 공식을 변형하여 사용한다.

• Qₘᵢₙ = C_d · A · √( (2 · ΔP) / ρ ) (여기서 C_d: 유출 계수(약 0.6 ~ 0.62), A: 오리피스 구멍 면적(m²), ΔP: 오리피스 전후단 차압(Pa), ρ: 유체 밀도(kg/m³)이다.)

2. 단단(Single-stage) vs 다단(Multi-stage) 선정

차압(ΔP)이 매우 큰 경우(보통 30 ~ 50 bar 이상), 단단 오리피스를 사용하면 오리피스 후단에서 압력이 유체의 증기압 이하로 떨어져 캐비테이션이나 극심한 소음이 발생한다.

• 단단 오리피스 (Single-stage Orifice): 저압 펌프나 차압이 낮은 경우에 사용한다.
• 다단 감압 오리피스 (Multi-stage Restriction Orifice, RO): 고압 펌프에 사용하며, 압력을 여러 단계에 걸쳐 서서히 떨어뜨려 기포 발생과 소음을 억제한다.

3. 재질 선정 (Material Selection)

최소 유량 오리피스는 고속의 유체가 흐르므로 침식(Erosion)에 강해야 한다. 일반적으로 스테인리스강(SS316) 이상의 등급을 사용하며, 부식성 유체의 경우 스텔라이트(Stellite) 코팅 처리를 검토한다.

 

 

설계 시 주의사항 (Checklist)

• 설치 위치: 오리피스는 가급적 환수되는 탱크 쪽 배관 끝단에 설치하는 것이 유리하다. 오리피스 전단 배관을 고압 상태로 유지하여 배관 내 유체의 기화를 방지할 수 있기 때문이다.
• 배관 규격 (Pipe Schedule): 바이패스 라인의 오리피스 전단은 펌프 토출 압력을 견뎌야 하므로, 주 배관(Main Discharge Line)과 동일한 설계 압력 및 배관 스케줄을 적용한다.
• 소음 제어: 오리피스 통과 유속이 음속에 가깝거나 차압이 클 경우 소음이 85 dB(A)를 초과할 수 있다. 이 경우 다단 오리피스나 소음기(Silencer) 부착을 검토한다.

 

 

설계 기준 요약

구분	설계 기준	비고
배관 유속	2.0 ~ 4.0 m/s	소음 및 침식 방지 목적
오리피스 형식	ΔP < 30 bar (단단), ΔP ≥ 30 bar (다단)	캐비테이션 방지 목적
설치 위치	펌프 체크 밸브 전단 분기 후 탱크 환수	운전 효율 및 계통 안정성 확보
주요 재질	스테인리스강(SS316), 하드 페이싱 적용	고속 유동에 의한 침식 방지