파이프와 튜브 규격 마스터 시리즈 (3/5)

연결 시스템 및 피팅 완전정복

1. 파이프 연결 방식: 나사식(Threaded), 플랜지(Flange), 용접(Welded)

산업용 가스 시스템에서 파이프 연결 방식은 안전성과 직결되는 중요한 요소입니다. 각 연결 방식은 고유한 장단점을 가지고 있어 적용 환경에 따라 신중하게 선택해야 합니다.

 

나사식 연결(Threaded Connection):

• 표준 규격:
  • NPT(National Pipe Thread): 미국식 테이퍼 나사
  • BSPT(British Standard Pipe Taper): 영국식 테이퍼 나사
  • BSPP(British Standard Pipe Parallel): 영국식 평행 나사
• 특징:
  • 분해/재조립 용이
  • 특수 공구 없이 현장 설치 가능
  • 밀봉을 위해 PTFE 테이프나 실런트 필요
• 압력 한계: 일반적으로 50 bar 이하 권장
• 적용 범위: 저압/중압 시스템, 소구경 라인, 자주 분해가 필요한 지점

플랜지 연결(Flange Connection):

• 표준 규격:
  • ASME B16.5: 미국 표준
  • EN 1092: 유럽 표준
  • KS B 1503: 한국 표준
• 주요 유형:
  • 웰딩 넥(Welding Neck): 고압용, 응력 분산 우수
  • 슬립 온(Slip-On): 경제적, 설치 용이
  • 소켓 웰드(Socket Weld): 소구경용, 용접 필요
  • 블라인드(Blind): 라인 종단 마감용
• 압력 등급: Class 150부터 2500까지 (20~420 bar)
• 적용 범위: 중대형 배관, 고압 시스템, 빈번한 분해 필요 지점

용접 연결(Welded Connection):

• 주요 용접 방식:
  • 버트 용접(Butt Weld): 두 배관 단면 직접 용접
  • 소켓 용접(Socket Weld): 소켓에 배관 삽입 후 용접
  • 궤도 용접(Orbital Weld): 자동화된 고정밀 용접(고순도용)
• 특징:
  • 최고 수준의 기밀성과 강도
  • 영구적 연결로 누설 위험 최소화
  • 설치 후 분해 어려움
• 압력 한계: 용접 품질에 따라 초고압까지 가능
• 적용 범위: 고압 시스템, 고순도 요구 시스템, 영구 설치 라인

연결 방식별 누설률 비교:

연결 방식	평균 누설률(atm-cc/sec)	신뢰성 등급
나사식	10^-3 ~ 10^-5	낮음
플랜지	10^-5 ~ 10^-7	중간
용접	10^-8 ~ 10^-10	높음

실무 팁: 산소와 같은 산화성 가스나 수소와 같은 폭발성 가스 시스템에서는 가능한 나사식 연결을 피하고, 용접이나 고품질 플랜지 연결을 사용하는 것이 안전합니다.

2. 튜브 연결 시스템: 압축 피팅(Compression Fitting), 플레어 피팅(Flare Fitting)

튜브 연결 시스템은 정밀 제어와 유연한 설계가 필요한 가스 시스템에서 중요한 요소입니다.

 

압축 피팅(Compression Fitting):

• 작동 원리: 페룰(Ferrule)이 튜브 외부를 압착하여 밀봉
• 주요 브랜드/유형:
  • Swagelok: 더블 페룰 시스템으로 높은 신뢰성
  • Parker A-LOK: 전방/후방 페룰 조합
  • HAM-LET Let-Lok: 높은 진동 저항성
• 특징:
  • 분해/재조립 가능(제한적)
  • 설치 간편, 특수 공구 최소 필요
  • 다양한 재질 선택 가능
• 압력 한계: 일반적으로 ~400 bar(재질, 크기에 따라 다름)
• 적용 범위: 계측 라인, 분석기 연결, 소구경 가스 공급 라인

플레어 피팅(Flare Fitting):

• 작동 원리: 튜브 끝을 확장(플레어)하여 피팅 표면에 밀착
• 주요 유형:
  • 37° JIC: SAE J514 표준, 유압 시스템에 보편적
  • 45° SAE: 자동차/냉동 시스템 일반적
  • AN(Army-Navy): 항공우주 분야 표준
• 특징:
  • 고압/고진동 환경에 우수
  • 설치에 플레어링 도구 필요
  • 재조립 시 누설 가능성 증가
• 압력 한계: ~500 bar까지 가능
• 적용 범위: 고압 가스 시스템, 진동 환경, 안전 중요 시스템

특수 고순도 피팅(High-Purity Fittings):

• VCR(Vacuum Coupling Radiation):
  • 금속 가스켓으로 금속간 밀봉
  • 초고진공/초고순도 시스템용
  • 유지보수 시 가스켓 교체 필요
• VCO(Vacuum Coupling O-ring):
  • O-링 기반 밀봉, 반복 조립에 유리
  • 고순도 시스템용(VCR보다 낮은 등급)
• 특징:
  • 전해연마(EP) 내부 표면
  • 초저 배출(Ultra-Low Emission) 설계
  • 고가, 특수 설치 절차 필요
• 압력 한계: ~300 bar(설계에 따라 다름)
• 적용 범위: 반도체, 의약품, 분석 장비

튜브 피팅 조립 시 주의사항:

1. 튜브 절단면 직각 유지 및 버(Burr) 완전 제거
2. 튜브 외경 치수 정확성 확인
3. 제조사 권장 토크값 준수(과도/과소 조임 방지)
4. 비금속 튜브는 보강 슬리브(Insert) 사용
5. 세정된 피팅은 오염 방지를 위해 포장 개봉 직전까지 밀봉 유지

3. 특수 피팅: 푸시핏(Push-fit), 퀵 커넥트(Quick Connect), VCR

특수 목적을 위한 다양한 형태의 피팅은 특정 환경이나 사용 목적에 맞게 설계되었습니다.

 

푸시핏 피팅(Push-fit/Push-to-Connect):

• 작동 원리: 튜브를 밀어 넣으면 내부 그립 메커니즘과 O-링이 자동 밀봉
• 특징:
  • 도구 없이 빠른 설치 가능
  • 분리 시 콜렛(Collet) 해제 메커니즘 사용
  • 진동에 약할 수 있음
• 압력 한계: 일반적으로 ~20 bar(저압용)
• 적용 범위: 저압 시스템, 임시 연결, 테스트 장비

퀵 커넥트 커플링(Quick Connect Coupling):

• 작동 원리: 원터치 방식으로 연결/분리 가능한 기계적 잠금 메커니즘
• 주요 유형:
  • 싱글 액션(Single Action): 한 번의 동작으로 연결/분리
  • 더블 액션(Double Action): 안전 잠금 기능 포함
  • 드라이 브레이크(Dry Break): 분리 시 누설 방지
• 특징:
  • 빈번한 연결/분리에 최적
  • 대부분 자체 밸브 기능 포함
  • 다양한 안전 기능 옵션
• 압력 한계: 설계에 따라 ~300 bar까지
• 적용 범위: 휴대용 장비, 실린더 연결, 테스트 포인트

VCR(Vacuum Coupling Radiation) 피팅:

• 작동 원리: 금속 가스켓을 이용한 금속간 접촉 밀봉
• 구성 요소:
  • 두 개의 피팅 본체(Male/Female)
  • 금속 가스켓(일반적으로 316L 스테인리스)
  • 너트 및 나사
• 특징:
  • 초고순도 가스용 최고 등급 피팅
  • 열순환에 강한 내구성
  • 연결/분리 시 새 가스켓 필요(일반적)
• 압력 한계: ~300 bar(설계에 따라 다름)
• 적용 범위: 반도체 가스 캐비닛, 초고순도 분석기, 진공 시스템

특수 피팅 비교표:

피팅 유형	설치 용이성	재사용성	누설 저항성	비용	적용 압력 범위
푸시핏	매우 쉬움	좋음	중간	낮음	저압
퀵 커넥트	쉬움	우수	좋음	중간	저압~고압
VCR	어려움	제한적	최상	높음	중압~고압

실무 팁: 가스 순도가 중요한 시스템에서는 푸시핏과 같은 편의성 위주 피팅보다 VCR이나 압축 피팅과 같은 안정적인 피팅을 선택하는 것이 바람직합니다.

4. 파이프-튜브 변환(Conversion): 어댑터(Adapter)와 레듀서(Reducer)

가스 시스템에서 파이프와 튜브 사이의 변환은 자주 필요한 연결 방식입니다.

 

파이프-튜브 어댑터:

• 주요 구성:
  • 한쪽은 파이프 연결(NPT, BSPT 등)
  • 다른 쪽은 튜브 연결(압축, 플레어 등)
• 일반적 형태:
  • Male NPT to Tube: 수나사-튜브 연결
  • Female NPT to Tube: 암나사-튜브 연결
• 재질 고려사항:
  • 갈바닉 부식 방지를 위한 호환성
  • 가스 종류에 적합한 재질 선택
• 적용 사례: 레귤레이터 출구, 게이지 연결, 밸브 인터페이스

레듀서(Reducer) 및 크기 변환:

• 유형:
  • 컨센트릭(Concentric): 중심선 일치, 균일한 유동
  • 편심(Eccentric): 한쪽 정렬, 기포 방지용
• 일반적 형태:
  • 부싱(Bushing): 나사산 크기 축소
  • 니플(Nipple): 양쪽 나사, 다른 크기
  • 레듀싱 티(Reducing Tee): T자 분기 크기 변화
• 설계 고려사항:
  • 급격한 크기 변화는 압력 강하 유발
  • 유동 패턴 변화로 인한 난류 고려
• 적용 사례: 메인라인에서 분기, 장비 입출구 연결

크로스오버 피팅(Crossover Fitting):

• 목적: 서로 다른 표준/브랜드 간 연결
• 일반적 변환:
  • NPT - BSPT/BSPP 변환
  • 미터계 - 인치계 변환
  • 브랜드A - 브랜드B 호환(예: Swagelok-Parker)
• 설계 고려사항:
  • 실제 스레드 프로필 완벽 호환 확인
  • 압력 등급 중 낮은 쪽으로 시스템 평가
• 적용 사례: 국제 프로젝트, 기존 시스템 확장/수정

사이즈 변환 시 주의사항:

1. 급격한 크기 변화는 0.5~1인치 단위로 단계적 변환
2. 축소 시 압력 증가 고려(특히 고압 가스)
3. 확대 시 유속 감소와 침전물 발생 가능성 고려
4. 중요 분기점에는 적절한 지지대 설치

5. 밀봉 시스템(Sealing System): 가스켓(Gasket), O-링(O-ring), 테프론 테이프(PTFE Tape)

밀봉 시스템은 가스 누설 방지의 핵심 요소로, 가스 종류와 작동 조건에 맞게 선택해야 합니다.

 

가스켓(Gasket):

• 주요 재질:
  • 비금속: PTFE, 고무, 그래파이트, 파이버
  • 금속: 연성강, 스테인리스 스틸, 구리, 니켈
  • 복합: 메탈 삽입 PTFE, 스파이럴 와운드
• 플랜지용 가스켓 선택 기준:
  • 압력/온도 등급
  • 화학적 호환성
  • 압축 회복성
  • 크리프(Creep) 저항성
• 일반적 규격: ASME B16.20, ASME B16.21, EN 1514
• 적용 범위: 플랜지 연결, 맨홀, 장비 접속부

O-링(O-ring):

• 주요 재질:
  • 탄성체: NBR, EPDM, FKM(Viton), Kalrez
  • 플라스틱: PTFE, PCTFE, PEEK
  • 금속: 알루미늄, 은, 구리(극한 조건용)
• 가스 호환성:
  • 산소용: PTFE, FKM(세정 필수)
  • 수소용: EPDM, PTFE
  • 불활성 가스: 대부분 호환
  • 부식성 가스: 특수 재질 필요
• 설계 고려사항:
  • 경도(Shore A): 일반적으로 70~90
  • 단면 직경 vs 그루브 깊이
  • 압축률: 이상적으로 15~30%
• 적용 범위: VCO 피팅, 밸브 시트, 실린더 연결부

테프론 테이프(PTFE Tape):

• 등급 분류:
  • 일반용: 밀도 0.2~0.3g/cm³, 백색
  • 고밀도: 0.6~0.8g/cm³, 핑크/노랑(가스용)
  • 산소용: 특수 세정, 녹색/파랑(무유)
• 사용 방법:
  • 나사산 방향으로 감기(일반적으로 시계 반대 방향)
  • 첫 나사산 비우기(맨 앞 나사산)
  • 적절한 장력 유지(너무 느슨하거나 팽팽하지 않게)
• 주의사항:
  • 과도 사용 시 나사산 손상 위험
  • 시스템 오염 방지 위해 부스러기 제거
• 적용 범위: 나사식 연결, 임시 밀봉, 중/저압 시스템

액체 실란트(Liquid Thread Sealant):

• 유형:
  • 혐기성 실란트: 공기 차단 시 경화
  • 실리콘 기반: 유연한 밀봉
  • PTFE 입자 함유: 강화된 밀봉성
• 장점:
  • 불규칙한 나사산 표면 메움
  • 진동 저항성 우수
  • 분해 시 테이프보다 용이
• 주의사항:
  • 시스템 오염 가능성
  • 경화 시간 필요
  • 재질 호환성 확인 필수
• 적용 범위: 영구 설치, 고진동 환경, 미세 누설 방지

실무 팁: 산소 시스템에서는 일반 테프론 테이프나 실란트가 아닌 반드시 산소 호환성이 인증된 제품을 사용해야 합니다. 또한 과도한 실란트 사용은 시스템 오염이나 필터 막힘의 원인이 될 수 있습니다.

6. 피팅 재질 호환성(Material Compatibility) 가이드

가스 시스템에서 피팅 재질은 안전성과 수명을 결정짓는 중요한 요소입니다.

 

주요 피팅 재질 특성:

재질	장점	단점	적합 가스	부적합 가스
316/316L 스테인리스	우수한 내부식성, 고압 적합	비용 높음, 중량	대부분의 산업 가스	일부 할로겐 화합물
황동(Brass)	가공성 좋음, 경제적	산화성 가스에 취약	불활성 가스, 연료 가스, 산소(산소 서비스용 세정 후),아세틸렌	암모니아
알루미늄	경량, 열전도성 우수	내식성 제한적	불활성 가스	산소, 산성 가스
PEEK	내화학성 우수, 경량	압력 한계, 고비용	부식성 가스	초고압 시스템
모넬(Monel)	내식성 뛰어남, 해수 환경	고비용, 가공 어려움	불소, 염소	비용 중시 시스템

 

갈바닉 부식(Galvanic Corrosion) 방지:

• 갈바닉 시리즈 고려: 전기화학적 전위차가 클수록 부식 위험 증가
• 절연 피팅 사용: 서로 다른 금속 사이에 절연 피팅 삽입
• 표면 처리: 코팅, 도금으로 접촉면 보호
• 전해질 접촉 방지: 습기 차단 설계

가스별 권장 피팅 재질:

가스 종류	최적 재질	허용 재질	피해야 할 재질
산소	세정된 316 스테인리스	세정된 황동, 모넬	일반 황동(비세정), 알루미늄, 티타늄
수소	316L 스테인리스	모넬, 인코넬	고강도 탄소강
질소	스테인리스, 황동	대부분 금속	특별 제한 없음
암모니아	스테인리스, 탄소강	철	황동, 구리, 아연
염소	모넬, 하스텔로이	PTFE 라이닝	스테인리스, 알루미늄

 

특수 환경 고려사항:

• 저온 환경: -45°C 미만에서는 저온 취성 방지 재질 필요
• 고온 환경: 200°C 이상에서는 크리프 저항성 고려
• 해양/해안 환경: 염해 저항성 재질(듀플렉스 스테인리스, 모넬)
• 방폭 요구 환경: 스파크 방지 재질(비철 금속) 고려

실무 팁: 가스 시스템 설계 시 가장 약한 연결 지점(weakest link)이 전체 시스템의 안전성을 결정합니다. 따라서 모든 피팅과 연결부의 재질 호환성을 철저히 검토해야 합니다.

 

실무자를 위한 핵심 체크포인트

1. 시스템 압력과 운영 조건에 적합한 연결 방식을 선택했는가?
2. 가스 종류와 호환되는 피팅 재질을 사용하고 있는가?
3. 필요한 곳에 적절한 밀봉 시스템을 적용했는가?
4. 파이프-튜브 변환 지점에서 적절한 어댑터를 선택했는가?
5. 모든 피팅이 제조사 지침에 따라 올바르게 설치되었는가?

다음 시리즈에서는 가스 안전기기와 배관 시스템 설계에 대해 자세히 알아보겠습니다.

 

출처

한국가스안전공사. (2024). 고압가스 시설 설치기준(KGS FP111). 한국가스안전공사 출판부.

이상규, 김동현. (2023). 플랜트 배관 설계와 피팅 선택 가이드. 기계기술출판사.

대한기계학회. (2022). 기계설비공학 핸드북 - 배관 및 부속품. 도서출판 대한기계학회.

Fluid System Components, Inc. (2023). 산업용 배관 피팅 기술 메뉴얼. FSC Technical Publications.

American Society of Mechanical Engineers. (2022). ASME B31.3 Process Piping. ASME.

 

 

 

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