✅ 허용압력 계산이 중요한 이유 – 설계와 안전의 핵심 지표
배관 설계에서 가장 중요한 요소 중 하나는 바로 **‘허용압력(Allowable Pressure)’**입니다.
이는 파이프가 장기적으로 안전하게 견딜 수 있는 최대 내부 압력을 의미하며,
잘못된 허용압력 설정은 파이프 파손, 폭발, 시스템 붕괴로 이어질 수 있어 치명적인 결과를 초래할 수 있습니다.
허용압력 계산은 단순히 파이프의 두께뿐 아니라, 재질의 기계적 특성(항복강도, 인장강도), 설계온도, 용도, 제작 방식 등 다양한 요인에 의해 결정됩니다.
ASME B31.3, B31.1 등에서 규정하는 계산 공식을 기준으로, 각 재질에 적합한 안전계수와 온도보정계수 등을 적용해야 합니다.
✅ ASME B31.3 기준 허용압력 공식과 요소 정리
ASME B31.3 공정배관 코드에 따르면, 파이프의 허용내압은 아래의 공식으로 계산할 수 있습니다:
P = (2 × S × t) / (D – t × Y)
기호 설명:
- P: 허용압력 (Allowable Internal Pressure)
- S: 허용응력(Allowable Stress, psi 또는 MPa)
- t: 파이프 벽 두께 (mm 또는 inch)
- D: 외경 (Outside Diameter)
- Y: 두께보정계수 (온도와 제조방식에 따라 결정, 일반적으로 0.4~1.0)
예를 들어, 외경 114.3mm, 두께 6.02mm의 TP304 파이프에 대해 계산해보면:
- S = 137.8 MPa (20℃ 기준)
- Y = 0.4
- D = 114.3 mm
- t = 6.02 mm
P = (2 × 137.8 × 6.02) / (114.3 – 6.02 × 0.4)
≈ 17.2 MPa = 172 bar
이처럼 공식 하나로도 계산이 가능하지만, 온도상승에 따른 허용응력 감소, 부식여유(CA) 고려 등으로 실설계에선 추가 조정이 필요합니다.
✅ 주요 파이프 재질별 허용응력 정리 (ASME 기준)
ASME에서는 각 재질의 온도별 허용응력값을 제공하고 있으며, 이는 허용압력 계산의 핵심이 됩니다.
다음은 대표적인 재질들의 20℃ 기준 허용응력(S) 정리입니다. (단위: MPa)
| ASTM A106 Gr.B | 탄소강 | 일반 배관 | 약 138 MPa |
| ASTM A312 TP304 | 스테인리스 | 화학, 식품 | 약 137.8 MPa |
| ASTM A312 TP316 | 스테인리스 (몰리브덴 함유) | 내식성 | 약 137.8 MPa |
| ASTM A790 S31803 | 듀플렉스강 | 고압, 해양 | 약 275 MPa |
| ASTM B88 C12200 | 동관 | 냉각수, 가스 | 약 69 MPa |
📌 참고: 온도가 올라가면 허용응력은 일반적으로 감소합니다.
예를 들어 TP304는 100℃에서 129.3 MPa로 낮아집니다.
고온·고압용 설비나 부식성이 강한 환경에서는 듀플렉스강(S31803, S32750), 인코넬(625) 등의 고성능 재질이 선택되며, 이들은 허용응력값이 매우 높아 동일 두께 대비 높은 압력을 견딜 수 있습니다.
✅ 온도와 부식여유에 따른 허용압력 조정
실제 설계 시에는 단순 계산값에 그대로 의존하지 않고, 여러 보정값을 적용해 실제 허용압력을 산출합니다.
가장 일반적인 보정 요소는 아래와 같습니다:
① 온도보정계수
- 온도가 상승하면 재질이 연화되어 허용응력이 감소합니다.
- 예: TP304의 허용응력
- 20℃: 137.8 MPa
- 200℃: 113.8 MPa
- 400℃: 82.7 MPa
② 부식여유(Corrosion Allowance, CA)
- 배관 두께에서 부식 여유를 제외하고 순수한 구조 두께로 계산해야 함
- 일반적으로 1~3mm 사용
- 설계 공식: t = t_req + CA
③ 제작 허용오차 고려
- 파이프 제조공차(Tolerance)가 ±12.5%인 경우, 실제 두께는 표기보다 얇을 수 있음
- 설계 시 ‘최소 보장 두께(minimum thickness)’ 기준 적용 필수
이런 보정 요인을 종합적으로 반영한 뒤 실제 허용압력을 산출해야 현장과 도면이 일치하고, 위험 없이 운전이 가능합니다.
✅ 재질별 허용압력 비교 사례 – TP304 vs A106 vs 듀플렉스
아래는 같은 크기(2인치, SCH 40) 파이프라도 재질에 따라 허용압력이 어떻게 달라지는지 비교한 예입니다.
| ASTM A106 Gr.B | 3.91 | 60.3 | 138 MPa | 약 91 bar |
| ASTM A312 TP304 | 3.91 | 60.3 | 137.8 MPa | 약 91 bar |
| ASTM A790 S31803 | 3.91 | 60.3 | 275 MPa | 약 182 bar |
✔ 듀플렉스 스테인리스강은 같은 두께에서도 2배 이상 높은 허용압력을 가지므로, 고압설비에서 강력한 장점이 있습니다.
✔ 그러나 가공성, 가격, 용접성 등을 종합 고려해야 하며 단순 허용압력 수치만으로 결정해서는 안 됩니다.
이러한 비교는 엔지니어에게 매우 중요하며, 재질 선택 초기단계에서 설계사양서(Spec Sheet) 작성을 통해 구조, 비용, 납기, 가공성까지 포함한 종합 검토가 필요합니다.
✅ 마무리 – 허용압력 계산은 설계 신뢰도를 좌우한다
허용압력 계산은 단순한 수치계산을 넘어, 배관의 안전성, 시공 경제성, 운전 신뢰성까지 직결되는 핵심 설계 요소입니다.
엔지니어는 다음 사항을 항상 고려해야 합니다:
- ASME 또는 KEPIC 기준에 따른 정확한 공식 사용
- 재질별 허용응력 데이터 정확히 확인
- 온도 및 부식 보정 계수 적용
- 설계 여유율(Factor of Safety) 포함
- 현장 여건과 정비성까지 고려한 재질 선택
공정 배관 설계, 플랜트 기본설계(FEED), 배관 상세 설계(P&ID, Isometric)까지
모든 단계에서 허용압력 계산은 반복적으로 활용되며, 그 정확도가 프로젝트의 품질과 안전성, 더 나아가 설계자의 신뢰도를 결정합니다.
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