[연재] (34) 석유에너지산업의 안전 및 건전성 확보 방안
[연재] (34) 석유에너지산업의 안전 및 건전성 확보 방안
  • 승인 2007.11.16
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진동에 의한 용접부 균열
▲ 쉘 장치안전팀장 김동섭 박사
일반적으로 정유 화학 공장에서 진동에 의해 설비가 파손되는 경우는 그리 흔치 않다. 하지만 이러한 경우가 한번 발생하면 근본적인 해결책을 마련하는 것은 참으로 어려운 일이다.

진동에 의한 설비의 파손 현상은 외부 진동체에 의한 것과 내부 유체로 인한 진동으로 구분할 수 있다. 이중 유체(two phase flow)나 다른 유체에 의해 발생하는 균열 현상이나 또는 급격한 온도 변화, T-section에서 발생된 열응력으로 발생하는 균열은 자주 경험하는 편이다.

열응력에 의한 균열의 현실적인 해결책은 sleeve를 부착하는 것인데 이것도 설계상 다방면으로 고려 돼야 적절한 효과를 볼 수 있다.

고출력의 컴프레서가 요구되는 파이프 시스템을 가진 장치설비에서는 진동에 의한 균열에 특별히 주의를 기울여야 한다. 한 예로 최근 어느 에틸렌 플랜트의 Process Gas Compressor(PGC)에서 그 사례가 발생한 바 있다. 에틸렌 플랜트 Process Gas Compressor의 5번째 discharge 라인에 30인치 파이프에 3인치 노즐이 있는데 그 곳에서 균열 현상이 발생해 전체 에틸렌 크랙커 히터의 가동을 중단 시키고 많은 양을 플레어로 유체를 흘려보내는 사고가 발생했다.

유체와 온도변화 열응력 주원인
설계상 다방면의 고려 선행돼야

다행히 문제를 일찍 발견해 폭발 등의 사고로 이어지지는 않았지만 작은 구경 파이프나 브랜치 connection의 용접부에서 진동에 의해 발생되는 균열은 추후 파이프 파단 및 대형사고로 이어질 가능성이 매우 높다. 특히 십수년 노후한 파이프 시스템은 Compressor 진동의 정도와 파이프의 모니터링 시스템을 고려할 필요가 있다.

여기서 좀 더 깊이 살펴보면 사실상 소구경 진동(vibration of small bore piping)의 문제는 어제 오늘의 문제가 아니지만 마땅한 해결책은 없다. 그나마 손쉬운 해결 방법으로 진동 발생지의 주파수와 파이프의 natural frequency를 비교해 공진 여부를 검진해보고 서로간의 공진이 되지 않도록 설계하는 방법과 진동 발생원인을 제거하는 방법 등이 바로 설계적인 측면에서 문제점을 해결하는 방법이다. 또한 진동이 발생하는 근원지 주변에 댐퍼를 부착하는 방법도 위험도를 줄일 수 있다. 이중 가장 흔히 쓰이는 방법으로는 90도 간격의 부착대(brace)를 설치하는 방법이 아주 현실적이고 효과적인 것으로 보고돼 있다.

이제 당면한 문제는 그러면 공장에 그렇게 많은 노즐이나 소구경 파이프들을 어떠한 기준으로 부착대를 설치하거나 진동 주파수를 검토하는지, 아니면 주기적으로 검사를 해야 하는지 우선순위를 결정하는 것이다.

이 문제는 이미 10년 전부터 유럽에서 MTS와 ISO에서 종합 공동 연구를 통해 위험도 산정법에 의한 소구경 또는 브랜치 파이프의 검사 기준 및 검사·보수 우선순위 결정법이라는 메뉴얼로 발표된 바 있다. 각 공장마다 소구경 파이프의 진동 때문에 골머리를 않고 있다면 이 ISO 규정이나 부착대 또는 extruded nozzle 등으로 설비의 파손 확률을 감소시킬 필요가 있다.

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