아낌없이 주는 나무

▣ 배관내 사용압력이 1.2 [MPa] 이상일 경우에는 압력 배관용 탄소강관이나 이와 동등 이상의 강도, 내식성 및 내열성을

    가진 것으로 하여야 한다.

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1. 실제 사용압력의 적용

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사용압력이란 펌프에서 발생하는 압력을 말한다. 배관 규격의 적정성 여부를 판단하려면 펌프의 정격 상태에서 토출압력인 설계압력을 적용하기 보다는 가장 불리한 조건인 펌프 토출측에서 측정한 최대압력을 기준으로 정해야 한다. 때문에 정격 압력 보다는 펌프에서 발생할 수 있는 최대압력인 체절압력으로 적용해야 한다.

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2. 배관의 내압기준

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배관용 탄소강관 (KS D 3507)의 내압시험기준은 "2.5 [MPa]의 수압시험을 실시하여 이에 견디며 누수가 없어야 한다"라고 규정하고 있다. 따라서 배관 자체의 내압 기준만으로는 1.2 [MPa] 이상일 경우 압력 배관을 사용하는 것은 과도한 기준이라 할 수 있다.

실제 소화설비 배관의 취약 부위는 배관 자체 보다는 플랜지나 각종 접합 부분이다. 국내의 경우 철강제 플랜지의 압력 (KS B 1501)에 의하면 호칭 압력 10 K 의 경우 최고 사용압력이 1.38 [MPa]로 되어 있기 때문에 이 부분을 고려해야 한다.

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3. 압력 배관의 적용

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펌프의 사용압력이 1.2 [MPa]일 경우 사용하는 압력 배관용 탄소강관 (SPPs)은 전기용접 (ERW) 또는 이음매 없는 관으로 제조한다. 압력 배관의 경우 외경은 일반 탄소 강관과 동일하고 관 두께가 다를 뿐 배관의 호칭지름 및 두께로 나타낸다. 관의 두께를 구하는 방법은 스케줄 번호를 이용하는 방법과 배관의 두께 계산식을 이용하는 방법이 있다.

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◈ Schedule 번호를 이용하는 방법

스케줄 번호에는 SCH 10, 20, 30, 40, 60, 80, 100, 120, 140 등이 있다.

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⊙ SI 단위 SCH 1번호​

여기서, P : 최고 사용압력 [MPa], S : 허용인장응력 [N/㎟]

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◈ 배관의 두께 계산식을 이용하는 방법

  ▣ 배관을 양끝에서 잡아 당길 때 가해지는 힘에 의해 변형이 될 경우 이는 배관 단면에 수직으로 작용하는 압력에 의한

        것으로 이를 인장 응력이라고 한다.

        이 경우 배관에 힘을 가해도 변형이 일어나지 않는 범위내에서 일정한 범위까지는 허용할 수 있는 응력을 허용 응력

        또는 인장 응력이라고 한다.

   ⊙ 최대 강도 : 배관에 힘을 가할 경우 재료가 견딜 수 있는 한계를 말한다. 최대 강도를 초과하게 되면 재료는 파괴된다.                              그러므로 안전을 위해서는 최대 강도에 비해 1/4 또는 1/10 정도의 압력만을 허용하며 이 때의 4 ~ 10을

                          안전율이라고 한다.

   ⊙ 최대 인장 강도 = 허용 인장 응력 × 안전율

   ⊙ 배관의 최소 두께 계산

       배관의 최소 요구 두께를 tm 이라고 하자.

       여기서 최소 요구 두께는 유체의 설계 압력, 부식 및 마모 등을 고려하여 두께를 결정해야 한다.​

  여기서,   P : 내부 설계 압력 [kPa]

                Do : 배관의 바깥지름 (외경) [㎜]

                 S : 배관 재질의 허용 응력 [kPa]

                 y : 배관 재질의 온도에 따른 보정 계수

                 E : 용접 이음 효율 계수

                 F : 주조 품질 계수

                 A : 추가 두께

                 d : 배관 내경

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<소방 유체>

  ◈ 배관의 허용 응력​

    여기서, σw : 허용응력 [MPa],          P : 배관압력 [MPa]

                  ℓ : 배관의 길이 [㎝],            t : 배관의 두께 [㎝]

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◈ 용기의 두께​

         여기서,   t : 용기의 두께 [㎜]

                       P : 내부 허용 최고 압력 [MPa]

                       D : 용기의 내경

                     σw : 용기의 허용압력 [MPa]

                       E : 용접 효율

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배관에서 SCH 40, SCH 80, SCH 10S 등의 용어는 배관의 두께를 나타낸다. 왜 배관의 두께를 스케줄 번호를 사용하여 나타내게 되었을까 ? 초기 배관산업의 역사를 살펴보자.

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배관의 크기와 두께

배관의 크기는 내경 (ID : Inside Diameter)과 외경 (OD : Outside Diameter)으로 표현할 수 있다. 내경은 유체가 이동하는 단면적이다. 이것은 유량과 직결되는 요소이다. 유속이 일정한 경우 단면적이 증가할 수록 유량도 증가한다. 외경은 배관의 두께를 포함한 전체 크기를 나타낸다. 내경은 일정하지만 두께에 따라 외경은 변하게 된다. 그렇다면 두께는 어떤 요소에 따라 달라질까 ?

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배관 두께를 결정하는 요소

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배관의 두께는 사용재질, 사용압력 및 온도의 영향을 크게 받는다. 같은 재질을 사용한 배관의 경우 사용압력 및 온도가 증가할 경우 배관의 두께는 두꺼워진다. 사용압력 및 온도가 다양하지 않는 경우에는 한가지 두께의 배관을 사용하는 것이 편리하다.

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IPS (Iron Pipe Size)의 규격

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초기 산업시대의 배관은 철 (Iron)을 이용해서 만들어졌다. 이 때문에 초기산업시대에 사용되던 배관 규격이 IPS이다. 이 때의 배관 사용 압력 및 온도는 지금처럼 다양하지도 않았다.

다양한 두께가 필요없던 초기 산업시대에는 한가지 두께만을 사용하게 되었는데 이것이 STD (Standard) 또는 STD WT (Standard Weight)로 불리우는 두께이다.

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IPS 규격은 배관의 내경을 기준으로 사용하는데 한가지 두께만을 사용하던 시기에 두께를 포함한 외경은 의미가 없었다. 산업이 발달하면서 다양한 압력이 사용되기 시작하였다. 같은 재질을 사용하여 보다 높은 압력에 견디게 하기 위해서는 기존에 사용하던 STD (Standard) 두께 보다 두꺼운 Extra Strong (XS) 두께를 사용하게 된다. Extra Strong (XS) 또는 Extra Heavy (XH)로 불리기도 한다. Double Extra Strong (XXS) 또는 Double Extra Heavy (XXH)로 불리우는 두께는 한단계 더 두꺼운 것임을 직관적으로 알 수 있다. Extra Heavy, Double Extra Heavy와 같이 두께에 무게 단위가 들어 가는 이유는 두께를 측정하는 방법에서 기인한다. 철의 무게와 배관의 부피를 알고 있다면 제작된 배관의 무게를 달아 보는 것만으로도 두께를 측정할 수 있는 것이다.

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배관 재질의 발전

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산업이 발전하면서 다양한 산업환경에서 배관이 사용되기 시작하면서 단순히 두께만을 조절하여 환경 요구에 대응하는 것이 비효율적으로 되면서 배관 재질 연구가 활발하게 진행된다. 이러한 배관 재질에 대한 관심은 현재 사용되는 다양한 종류의 배관을 낳게 한다.

철에 일정량의 탄소 (Carbon)를 첨가하면 강도는 증가하지만 연성 (Ductility)관 용접성 (Weldavility)이 낮아 지게 된다. 산업적으로 사용하기에 적절한 성질을 갖도록 탄소를 첨가하여 만든 것이 바로 탄소강 (Carbon Steel)이다. 탄소강은 현재 가장 널리 쓰이는 강의 종류이다. 탄소강은 부식에 취약한 성질이 있는데 이러한 점을 개선하기 위해 개발한 것이 스테인리스강 (Stainless Steel)이다. 일정량의 크롬을 첨가해 표면에 산화막을 형성하여 부식을 방지하는 스테인리스강은 첨가물의 종류 및 양에 따라 그 성질이 다양하게 된다.

이러한 배관 재질의 발전은 보다 얇은 두께로 높은 압력을 견딜 수 있게 하였고 배관 두께를 표현하는 방식에 다양성을 요구하게 된다. 또한 기존의 IPS 규격으로 제작된 배관과 함께 사용하기에는 큰 문제가 발생하게 되었는데 그것이 바로 외경이 맞지 않는 문제였다.

기존의 IPS 규격은 내경을 기준으로 제작되었는데 두께가 일정하였기 때문에 사용에 큰 문제가 없었다. 하지만 재질의 발전으로 인해 다양한 두께의 배관이 사용됨에 따라 내경을 기준으로 하는 IPS 규격은 더 이상 사용할 수 없었다.

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NPS (Nominal Pipe Size) 규격

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NPS 규격은 배관의 외경을 기준으로 사용한다. 인치 (Inch) 단위를 사용하여 국내에서는 '공칭경'이란 용어로 사용되기도 한다. 'NPS 4'라고 하면 '외경의 크기가 약 4인치인 배관'을 말한다. NPS 12 이하의 배관은 실제 외경이 공칭경 보다 크고 NPS 14이상의 배관은 실제 외경이 공칭경과 같다. 예를 들면 공칭경 NPS 2 는 실제 외경이 약 2.375 인치이다. 2.375 인치는 2인치 보다 큰 것이다. 하지만 NPS 14 이상의 배관은 실제 외경과 공칭경이 일치한다.

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DN (Diameter Nominal)

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배관의 크기를 나타내는 규격중에 DN 이라는 것이 있다. 이것은 ISO 에서 인치 단위로 표현된 NPS 규격을 미터법으로 변환한 것이다. 우리나라에서는 미터법을 사용하지만 미국에서는 인치 단위를 사용한다. 아래는 NPS 규격과 DN 규격 비교표이다.

NPS 규격의 스케줄 번호

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NPS 규격은 배관의 두께를 나타내기 위해 스케줄 번호를 이용한다. 산업적으로 사용하기 편리한 두께를 배관 사이즈 마다 정해 놓고 각 두께를 숫자를 이용해서 나타낸다.

5, 10, 20, 30, 40, 60, 80, 100, 120, 140, 160

Schedule (SCH)은 운전압력 (P)을 배관 재질의 최대 허용압력 (S) 값으로 나눈 값에 1,000 을 곱한 것으로써 압력과 최대 허용 응력의 단위는 psi (Pound per square inch)를 사용한 것이다. 스케줄 번호가 같다고 해서 실제 두께가 다 같지 않음을 유의해야 한다.

SCH 40 이라고 하면 NPS 4 에서는 6.02 ㎜ 이지만 NPS 6 에서는 7.11 ㎜ 를 나타낸다.

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Letter 'S'

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5S, 10S, 20S 하는 식으로 스케줄 번호 뒤에 붙어 있는 알파벳 S가 있다. 이것은 스테인리스강의 스케줄을 나타내는 것이다. 스테인리스강은 탄소강 보다 연성이 좋아서 보다 얇은 두께로 같은 압력을 견딜 수 있다. 따라서 두께를 표현함에 있어서 구별하기 위해서 S를 붙인다. IPS 규격에서 배관의 두께를 나타내는 STD, XS, XXS 등의 표현은 NPS 규격에 상응하는 두께에 함께 표현된다. NPS 8 이하의 배관은 SCH 40이 STD 두께이고 NPS 8 이하의 배관에서 SCH 80 은 XS 두께이다. 자세한 수치는 ASME B 36. 19 와 B36.10 을 참고하면 된다.

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