배관의 신축이음 및 배관지지대

1. 배관지지장치(Pipe support)

배관지지 장치는 배관의 자중에 의한 처짐을 지지하고, 온도 변화에 따른 신축(Thermal movement), 진동 등으로 인한 배관의 Stress를 줄여주는 역할을 한다.

1) 종류

① 배관 서포트 : 형강, 콘크리트 블럭 등을 이용하여 배관을 아래에서 지지하는 방식

② 배관 행어(Pipe hanger) : 배관 위의 천정구조물 또는 측면에서 매하는 형식으로 지지하는 방식

가. Rigged hanger

나. Spring hanger

     가). Variable spring hanger : 코일 스프링의 압축에 의해 배관을 지지하는 방식으로 제한적인 열 신축을 허용한다.

     나). Constant spring hanger : 하우징 내의 코일 스프링과 레버에 의해 일정범위의 배관 움직임을 완충시켜 배관의 진동을 방지

다. Restraint Type

     가). Anchor type

     나). Guide type

     다). Stop type

 라. Brace : 앞의 중량 또는 열팽창 등에 의한 외력 이외의 힘(진동, 충격)에 의한 배관계의 이동을 제한한다.

마. Snubber type : 열팽창과 자중외의 배관의 급격한 움직임이 발생하는 부위에 설치되어 급격한 변위를 완화시켜 배관의 Stress를 감소시킨다.

 

2) 배관지지대의 구성

① Anchor : 배관의 움직임을 구속하기 위해 배관의 일부를 용접이나 볼팅으로 완전히 고정하는 방식
② Tie : 배관의 움직임을 제한하기 위해 부착하는 하나이상의 Rod 나 Bar
③ Dummy Support : 배관을 지지하기 위해 Elbow에 Pipe 혹은 형강을 연장하여 고정한 것.
④ Guide : 배관의 좌우방향을 고정하고, 길이방향 신축은 허용하기 위해 설치
⑤ Shoe : 배관의 하부에 부착한 지지구로서 배관 Sliding시 배관의 마모를 방지하기 위해 부착한다.
⑥ Saddle : 배관을 지지하기 위한 Support의 상부 면
⑦ Sliding Plate : 배관과 지지대 사이에 배관의 Sliding을 허용하여 온도변화에 의한 배관 변형을 억제하고, 마찰시 발생하는 응력(Stress)을 감소시킨다.
⑧ U-bolt : 배관을 Support에 고정하기 위해 체결하는 볼트

 

 

2. 배관의 열팽창

1) 열팽창

• 배관 내 유체열에 의한 부피 변화로서, 온도 증가와 비례하며, 배관에서는 신축의 형태로 나타난다.
• 플랜트를 포함한 배관의 대부분은 금속제로서 사용유체의 온도 또는 외기 온도에 따라 수축과 팽창을 반복하여 배관에 응력발생 또는 변형을 수반할 수 있다.
• 따라서 열팽창을 고려한 적절한 설계가 필요하다.

2) 열팽창의 계산

3) 열팽창의 영향

① 배관의 치수 변화
② 배관의 이동과 위치 변화
③ 배관재의 응력발생
④ 배관 및 기계 구성품의 손상 발생

4) 방지책

① 적합한 신축 이음을 이용한 배관재의 선정
② Free-floating 시스템의 적용 : 필요에 따라 Anchor 및 Guide를 사용하여 배관시스템이 자유로이 움직여 응력이 발생하지 않도록 하는 방법

5) 결론

① 배관 설계 시 설계 안전성, 외기온도, 재질, 유체의 종류, 주변환경, 운전조건, 설계 요구조건 등을 만족시켜야 한다.
② 그 중에서도 열팽창은 아주 중요한 사항이며, 특히 배관 구경이 크고 온도가 높은 구간에서는 반드시 배관의 열팽창 및 수축 반복을 고려해야 한다.

 

 

3. 신축 이음(Expansion Joint) : 열팽창 신축이음

배관은 이송유체 및 대기온도 등에 따라 팽창, 수축하므로 관의 영구 변형, 크리프 등이 발생하지 않도록 신축이음을 설치한다.

1) 슬리브 형

관이음 사이에 슬리브 관을 삽입하여 축방향 이동을 자유롭게 한다. 크랜드 패킹으로 기밀을 유지하고, 신축을 조절한다. 

- 신축량이 크고, 신축으로 인한 응력이 생기지 않는다.

- 배관에 곡선부가 있는경우, 비틀림에 의한 파손의 원인이 된다.

- 장시간 사용시 패킹의 의한 마모로 누수이 원인이 된다.

 

2) 벨로우즈형 Expansion Joint

적절한 신축이 이뤄질 수 있도록 관과 관사이에 파형 주름이 설치된 형식

- 설치공간이 적다.

- 고압 배관에는 부적합하다.

- 자체 응력 및 누설이 없다.

3) 루프형(신축 곡관)

배관의 축방향 변위를 흡수할 수 있는 신축이음

- 구조가 간단. 내구성 우수

- 고온, 고압용이며, 내구성 우수

4) 볼 조인트

볼 조인트와 옵셋 배관을 이용하여 신축을 흡수

- 평면변위 , 입체변위 모두 흡수가 가능

- 어떠한 형상의 신축에서도 안전

5) 스위블 조인트

2개 이상의 엘보를 이용하여 이음부의 나사회전에 의해 배관의 신축과 진동을 흡수

- 설치비가 저가, 설치가 간단함

- 신축량이 큰 배관에서 나사이음부의 누설 우려

- 굴곡부의 압력이 강하