파이프와 튜브 규격 마스터 시리즈 (2/5)

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:

1. 재질 선택:
   • 316L 스테인리스 스틸(저탄소)
   • 전해연마(EP) 내부 표면
   • 낮은 조도(Roughness) 값: Ra ≤ 0.25μm
2. 연결 방식:
   • 궁극적 안전성: 궤도 용접(Orbital Welding)
   • 고순도 피팅: VCR, VCO 타입
   • 금기: 나사산 연결, 일반 압축 피팅
3. 세정 및 처리:
   • 산세척(Acid Cleaning)
   • 전해연마(Electropolishing)
   • 고순도 가스 퍼지(Purge)
4. 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:

1. 팽창 루프(Expansion Loop) 설치
2. 팽창 조인트(Expansion Joint) 사용
3. 오프셋(Offset) 설계
4. 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:

1. 적절한 재질 선택
2. 표면 처리 및 코팅
3. 캐소드 보호(Cathodic Protection)
4. 부식 억제제(Corrosion Inhibitor) 사용
5. 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

1. 시스템 최대 압력과 온도 조건을 정확히 파악했는가?
2. 가스 특성에 적합한 배관 재질을 선택했는가?
3. 작동 환경(부식성, 고온/저온 등)을 고려했는가?
4. 열팽창에 대한 대비책이 있는가?
5. 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.

 

 

 

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