배관의 열 팽창 및 수축

모든 배관 재료는 설치 온도보다 크거나 낮은 온도에 노출될 때 팽창하거나 수축한다.

 

 

 

배관의 열 팽창 및 수축(Piping Thermal Expansion and Contraction)

 

배관의 열 팽창 및 수축 개요

모든 배관 재료는 온도의 증감에 따라 팽창 및 수축을 한다.

유체 온도 또는 태양/플레어 복사 등으로 인해 파이프 재료의 온도가 증가하면 파이프가 팽창하고, 어떤 사유로 인해 설치 온도보다 온도가 감소하면 수축한다.

파이프 재료에 따라 이러한 파이프 팽창 또는 수축의 정도는 달라진다. 배관 시스템 설계 중에 이러한 배관 팽창 또는 수축이 해결되지 않으면 운전 중 배관 시스템 고장으로 안전 및 비용 문제가 발생할 수 있다.

 

발전소 배관 시스템은 일반적으로 매우 높은 온도와 압력에 노출된다. 따라서 시스템의 안전성과 신뢰성을 위해 배관 시스템 설계 중에 최대 설계 온도에서 최소 설계 온도까지의 길이 변동을 고려해야 한다.

예를 들어 파이프 끝의 양쪽 끝을 고정하고 가열하는 경우 온도 변화로 인한 라이너 파이프 팽창은 파이프 재료에 압축 응력을 발생시킨다. 발생응력이 배관재료의 허용응력을 초과할 정도로 높아지면 배관, 지지대, 배관부품 등이 손상될 수 있다. 그러한 손상의 심각성에 따라, 발전소는 수리를 수행하거나 배관 시스템을 조기에 교체하기 위해 일시적인 정지하여 작업을 수행해야 한다.

 

따라서 온도 변화에 따른 배관 팽창 및 수축이 불가피하기 때문에 발생된 배관 열변위는 배관 시스템 자체에서 흡수되어야 한다.

 

 

배관의 열 팽창 또는 수축 계산

배관 팽창 또는 수축에 영향을 주는 세 가지 매개변수가 있다:

● 열팽창계수(α): 이 매개변수는 각 단위 온도 변화로 인한 파이프 선형 팽창의 양을 의미한다. 열팽창 계수의 값은 재료마다 다르다. 즉, 같은 파이프 길이의 경우라도 CS, SS, 알루미늄, 구리 또는 플라스틱 파이프에 대한 팽창량이 다르다.

(예 : Carbon Steel = 12.2 x 10^-6, Copper = 16.4 x 10^-6, Stainless Steel (Ferrictic) = 10.9 x 10^-6, Stainless Steel (Austenitic) = 16.3 x 10^-6)

● 파이프 길이(L): 파이프의 길이가 길수록 파이프 팽창 또는 수축이 증가한다.

● 온도 변화(ΔT): 플랜트 배관 시스템은 사용 수명 동안 최대 설계(hottest) 온도에서 최소 설계(coldest) 온도까지 설계된다.

 

배관 팽창/수축(ΔL)의 양은 다음 방정식을 사용하여 계산할 수 있다:

 

∆L = L α ∆T (모든 값은 일치하는 단위로 입력해야 함)

 

다음 그림은 +50℃ 온도 차가 있는 50m 길이의 파이프에 대한 다양한 파이프 재료의 열팽창 보여주고 있다.(참고 자료: walraven.com)

 

<그림 1> Pipe Thermal Expansion Comparison

 

 

열팽창 및 수축을 위한 배관 시스템 설계

앞에서 언급한 바와 같이 설계 단계 중에 배관 팽창 및 수축 문제를 해결하여 이후 단계에서 발생될 수 있는 중대한 문제를 방지해야 한다. 무결성과 신뢰성을 잃지 않고 배관/배관 시스템 내부의 배관 확장을 수용하기 위해 사용할 수 있는 방법은 다음 네 가지 방법이 있다:

 

1. Changes of Direction(방향 변경)

2. Expansion Offsets(신축(伸縮) 오프셋)

3. Expansion Loops(신축(伸縮) 루프)

4. Expansion Joints(신축(伸縮) 이음)

 

 

1. 파이프 방향 변경:

파이프 경로는 일반적으로 연속적인 직선 길이를 따르지 않는다. 본 방법은 자연스럽게 모든 배관 및 파이프라인 시스템에는 방향 변경이 포함되어 있어, 배관 시스템 내에서 배관 열팽창을 수용하는 자연스러운 방법이다. 필요한 경우 파이프 elbows 및 bends를 포함하여 의도적으로 방향 변경을 추가할 수 있다. 주어진 파이프 run에 수직으로 이어지는 파이프의 길이를 흡수 길이라고 한다. 인접한 파이프와 함께 elbow는 어느 정도 열팽창을 허용한다.

<그림 2> Pipe Direction changes to account Pipe Expansion

 

 

2. 파이프 신축(伸縮) 오프셋:

신축 오프셋은 일반적으로 파이프 런의 중앙에 배치된다. 각 elbow는 파이프 신축을 어느 정도를 해결한다. 소량의 열팽창 또는 수축에 대해서는 파이프 오프셋이 효과를 발휘한다.

 

3. 파이프 신축(伸縮) 루프:

배관 신축 루프는 배관 팽창 및 수축 문제를 처리하기 위해 널리 사용되는 의도적인 방법이다. 신축 루프는 큰 파이프 편향을 쉽게 수용할 수 있다. 앵커가 신축 루프의 양쪽에 제공되어 파이프 팽창 및 수축을 신축 루프 내부로 유도한다. 배관 또는 파이프라인 시스템이 사용할 수 있는 다양한 유형의 신축 루프가 있다.

 

<그림 3> Pipe Expansion Loops

 

 

4. 파이프 신축 이음:

신축 이음매는 신축 루프 또는 오프셋을 포함할 수 없는 밀폐된 공간에서 주로 사용된다. 신축 이음매는 파이프의 열팽창 또는 수축을 흡수할 수 있는 특수 조립품이다. 이것은 일반적으로 비싼 옵션이며 최후의 수단으로 사용된다. 대부분의 프로젝트 사양 및 코드는 확장 조인트의 사용을 최대한 피하도록 지시하고 있다.

 

<그림 4> Expansion joints for industrial applications(Source: https://en.wikipedia.org/wiki/Metal_expansion_joint)

 

Reference : https://whatispiping.com/piping-thermal-expansion-contraction/