산업용 가스 시스템을 위한 배관 선택 가이드
1. 압력 등급(Pressure Rating)에 따른 배관 선택
산업용 가스 시스템에서 압력은 배관 선택의 가장 중요한 요소입니다. 압력 등급은 특정 온도에서 배관이 안전하게 견딜 수 있는 최대 압력을 의미합니다.
파이프 압력 등급:
- Class 150: 최대 20 bar (290 psi)
- Class 300: 최대 50 bar (725 psi)
- Class 600: 최대 100 bar (1,450 psi)
- Class 900: 최대 150 bar (2,175 psi)
- Class 1500: 최대 250 bar (3,625 psi)
- Class 2500: 최대 420 bar (6,090 psi)
압력에 따른 파이프 스케줄 선택 가이드:
| 압력 범위 | 권장 스케줄 | 용도 예시 |
| 저압 (<10 bar) | Sch 10, Sch 40 | 저압 질소공급, 배기라인 |
| 중압 (10-50 bar) | Sch 40, Sch 80 | 일반 공정 가스라인 |
| 고압 (50-200 bar) | Sch 80, Sch 160 | 고압 가스 저장 연결부 |
| 초고압 (>200 bar) | XXS, 특수 고압관 | 수소 압축기 연결부 |
튜브 압력 용량: 튜브의 압력 용량은 다음 공식으로 계산할 수 있습니다:
P = (2 × S × t) / (OD - 0.8 × t)
여기서:
- P: 최대 허용 압력(psi)
- S: 재질의 허용 응력(psi)
- t: 튜브 벽 두께(인치)
- OD: 튜브 외경(인치)
실무 팁: 안전을 위해 항상 최대 예상 작동 압력(Maximum Expected Operating Pressure, MEOP)의 최소 1.5배 이상의 압력 등급을 가진 배관을 선택하십시오.
2. 가스 종류별 최적 배관 재질: 산소(Oxygen), 수소(Hydrogen), 질소(Nitrogen)
산소(Oxygen) 배관:
- 권장 재질: 316/316L 스테인리스 스틸, 구리
- 금기 재질: 알루미늄, 티타늄, 탄소강(비처리)
- 주요 요구사항:
- 무유(Oil-Free) 처리 필수
- 전해연마(Electropolished) 내부 권장
- 비금속 부품은 산소호환성(Oxygen Compatibility) 확인 필수
수소(Hydrogen) 배관:
- 권장 재질: 316/316L 스테인리스 스틸
- 주의 재질: 고강도 강철(수소 취성 위험)
- 주요 요구사항:
- 수소 취성(Hydrogen Embrittlement) 방지 설계
- 용접부 최소화 및 100% 검사
- 누설 검출 시스템 필수
질소(Nitrogen) 배관:
- 권장 재질: 304/316 스테인리스 스틸, 탄소강, 구리
- 주요 요구사항:
- 일반적으로 덜 엄격한 기준 적용
- 저온 응용 시 저온 취성(Low Temperature Embrittlement) 고려
불활성 가스(Inert Gases) 배관:
- 대상 가스: 아르곤(Argon), 헬륨(Helium), 네온(Neon)
- 권장 재질: 304/316 스테인리스 스틸, 구리, 황동
- 주요 요구사항: 누설 최소화(고가 가스)
부식성 가스(Corrosive Gases) 배관:
- 대상 가스: 염소(Chlorine), 암모니아(Ammonia), 이산화황(Sulfur Dioxide)
- 권장 재질: 특수 합금(Hastelloy, Monel), 테플론 라이닝
- 주요 요구사항:
- 화학적 호환성(Chemical Compatibility) 철저 검토
- 정기적 비파괴 검사(Non-Destructive Testing) 권장
3. 고순도 가스(High-Purity Gas) 시스템 요구사항
반도체, 의약품, 분석 장비 등의 산업에서는 고순도 가스 시스템이 필수적입니다.
순도 등급 정의:
- 일반 산업용: 99.5~99.9% (2.5~3.0)
- 고순도: 99.99~99.999% (4.0~5.0)
- 초고순도: 99.9999~99.99999% (6.0~7.0)
고순도 가스 배관 요구사항:
- 재질 선택:
- 316L 스테인리스 스틸(저탄소)
- 전해연마(EP) 내부 표면
- 낮은 조도(Roughness) 값: Ra ≤ 0.25μm
- 연결 방식:
- 궁극적 안전성: 궤도 용접(Orbital Welding)
- 고순도 피팅: VCR, VCO 타입
- 금기: 나사산 연결, 일반 압축 피팅
- 세정 및 처리:
- 산세척(Acid Cleaning)
- 전해연마(Electropolishing)
- 고순도 가스 퍼지(Purge)
- 설치 환경:
- 청정실(Clean Room) 조건
- 입자 제어(Particle Control)
- 수분 관리(Moisture Control)
실무 팁: 고순도 시스템 설계 시 데드 레그(Dead Leg)를 최소화하고, 6D 규칙(배관 직경의 6배 이하 데드 레그)을 준수하십시오.
4. 온도 영향(Temperature Effect)과 열팽창계수(Thermal Expansion Coefficient)
온도는 배관 재질의 강도와 팽창에 영향을 미치므로 설계 시 반드시 고려해야 합니다.
온도에 따른 압력 감소(Temperature Derating):
일반적으로 온도가 상승하면 배관의 압력 등급이 감소합니다.
| 온도(°C) | 압력 등급 감소율(스테인리스 스틸) |
| 20 | 0% (기준) |
| 100 | 약 10% 감소 |
| 200 | 약 20% 감소 |
| 300 | 약 35% 감소 |
| 400 | 약 55% 감소 |
주요 재질별 열팽창계수(Thermal Expansion Coefficient):
- 탄소강: 11.7 × 10^-6 /°C
- 304 스테인리스 스틸: 17.3 × 10^-6 /°C
- 316 스테인리스 스틸: 16.0 × 10^-6 /°C
- 구리: 16.5 × 10^-6 /°C
- 알루미늄: 23.1 × 10^-6 /°C
열팽창 계산 공식: ΔL = α × L × ΔT
여기서:
- ΔL: 길이 변화(mm)
- α: 열팽창계수(/°C)
- L: 초기 길이(mm)
- ΔT: 온도 변화(°C)
열팽창 관리 방법:
- 팽창 루프(Expansion Loop) 설치
- 팽창 조인트(Expansion Joint) 사용
- 오프셋(Offset) 설계
- 적절한 지지대(Support) 배치
실무 팁: 온도 변화가 클 것으로 예상되는 가스 라인의 경우, 매 30미터마다 팽창 루프를 설계하는 것이 좋습니다.
5. 부식 환경(Corrosive Environment)에서의 배관 선택
부식은 가스 배관 시스템의 안전성과 수명에 직접적인 영향을 미치는 중요한 요소입니다.
부식 유형별 대응 방안:
| 부식 유형 | 설명 | 대응 재질 |
| 일반 부식(General Corrosion) | 전체 표면 부식 | 스테인리스 스틸, 코팅 탄소강 |
| 갈바닉 부식(Galvanic Corrosion) | 두 금속 간 접촉 부식 | 절연 피팅, 동종 금속 사용 |
| 공식(Pitting) | 국소적 깊은 부식 | 316L, 특수 합금 |
| 틈새 부식(Crevice Corrosion) | 좁은 틈새에서 발생 | 용접 연결, 틈새 최소화 설계 |
| 응력 부식 균열(SCC) | 응력과 부식 환경 복합 작용 | 저응력 설계, 응력 제거 열처리 |
환경별 권장 재질:
| 환경 | 권장 재질 | 금기 재질 |
| 염분 환경 | 316L, 듀플렉스 스테인리스 | 탄소강, 304 |
| 산성 환경 | Hastelloy, 테플론 라이닝 | 일반 스테인리스, 탄소강 |
| 알칼리 환경 | 스테인리스 316, 티타늄 | 알루미늄, 아연 |
| 황화물 환경 | 특수 합금(Alloy 20, 625) | 일반 스테인리스 |
부식 방지 방법:
- 적절한 재질 선택
- 표면 처리 및 코팅
- 캐소드 보호(Cathodic Protection)
- 부식 억제제(Corrosion Inhibitor) 사용
- 정기적 검사 및 유지보수
실무 팁: 가능하면 배관 시스템에서 서로 다른 금속 사이에 최소 3개 이상의 전기적 저항값이 되도록 설계하여 갈바닉 부식을 방지하십시오.
6. 사례 연구: 반도체 가스 배관 vs 일반 산업용 가스 배관
반도체 특수가스 배관 설계 특성:
- 순도: 6.0N(99.9999%) 이상 요구
- 배관: 전해연마 316L 스테인리스 스틸
- 연결: 궤도 용접, VCR 피팅 전용
- 청결도: SC-01 등급(SEMI 표준)
- 누설률: 10^-9 atm-cc/sec 미만
- 모니터링: 연속 순도/누설 감시
일반 산업용 가스 배관 설계 특성:
- 순도: 2.0~4.0N(99.0~99.99%) 일반적
- 배관: 일반 316/304 스테인리스 또는 탄소강
- 연결: 용접, 압축 피팅, 플랜지
- 청결도: 산업 표준 세정
- 누설률: 10^-6 atm-cc/sec 허용
- 모니터링: 정기 검사 중심
핵심 차이점:
| 항목 | 반도체 가스 배관 | 일반 산업용 가스 배관 |
| 비용 | 4~10배 고비용 | 기준 |
| 표면 조도 | Ra ≤ 0.25μm | Ra ≤ 1.6μm |
| 용접 검사 | 100% 검사(X-ray 등) | 샘플링 검사 |
| 설치 환경 | 청정실 조건 | 일반 환경 |
| 세정 방식 | 특수 세정 + 퍼지 | 표준 세정 |
| 설계 여유 | 더블 차단(Double Block) | 단일 차단 |
실제 사례: 반도체 공장 특수가스 배관 설계
최근 국내 반도체 제조사의 특수가스 배관 시스템은 모든 배관에 궤도 용접을 적용하고, 6D 규칙을 엄격하게 준수하며, 밸브마다 퍼지 포트를 설치하여 가스 교체 시 잔류 가스를 완전히 제거할 수 있도록 설계되었습니다. 이는 일반 산업 시설보다 약 5배 높은 비용이 발생했지만, 가스 오염으로 인한 제품 불량을 획기적으로 줄였습니다.
실무자를 위한 핵심 체크포인트
- 시스템 최대 압력과 온도 조건을 정확히 파악했는가?
- 가스 특성에 적합한 배관 재질을 선택했는가?
- 작동 환경(부식성, 고온/저온 등)을 고려했는가?
- 열팽창에 대한 대비책이 있는가?
- 순도 요구사항에 맞는 표면 처리와 연결 방식을 선택했는가?
다음 시리즈에서는 연결 시스템 및 피팅에 대해 자세히 알아보겠습니다.
출처
한국가스안전공사. (2023). 고압가스 설비 기술 기준(KGS FU551). 한국가스안전공사 출판부.
한국산업규격. (2022). KS D 3595: 고순도 가스 배관용 스테인리스 강관. 한국표준협회.
송영근, 박지원. (2021). 반도체 특수가스 공급시스템 설계. 화학공학회지, 59(3), 32-41.
Semiconductor Equipment and Materials International. (2023). SEMI F-01: Specification for Semiconductor Process Gas Line Materials. SEMI.
American Society of Mechanical Engineers. (2022). ASME B31.3 Process Piping. ASME.
(주)세화하이테크
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