1) 신축 이음쇠(Expansion Joint)의 설치 필요성
배관 시스템은 운전 중 온도 변화, 압력 변화, 지반 침하, 진동 등 다양한 요인으로 인해 신축(Expansion) 및 수축(Contraction)이 발생합니다. 이러한 배관의 움직임은 다음과 같은 문제를 야기할 수 있으므로 신축 이음쇠의 설치가 필수적입니다.
- 배관 자체의 응력 증가 및 파손: 온도 변화에 따라 배관 재료가 팽창하거나 수축하면서 구속된 부분에 과도한 응력이 발생하여 배관의 변형, 균열, 파단 등을 초래할 수 있습니다.
- 지지 구조물의 손상: 배관의 움직임이 지지대, 앵커, 건물 구조 등에 전달되어 과도한 하중을 유발하고 손상을 입힐 수 있습니다.
- 기기 연결부의 손상: 펌프, 밸브, 탱크 등 고정된 장비와 연결된 배관에 신축이 발생하면 연결부에 무리한 힘이 가해져 누설이나 파손을 일으킬 수 있습니다.
- 소음 및 진동 발생: 배관의 신축 및 수축 과정에서 소음이나 진동이 발생하여 시스템의 안정성을 저해하고 작업 환경을 악화시킬 수 있습니다.
- 시스템 성능 저하: 배관의 변형은 유체의 흐름을 방해하거나 열전달 효율을 저하시켜 전체 시스템의 성능 저하를 유발할 수 있습니다.
따라서 신축 이음쇠는 배관 시스템의 안전성, 신뢰성, 수명 연장, 성능 유지 및 소음/진동 감소를 위해 필수적으로 설치됩니다. 신축 이음쇠는 배관의 신축 및 수축 움직임을 흡수하여 이러한 문제점들을 예방하는 역할을 합니다.
2) 신축 이음쇠(Expansion Joint) 종류별 설계 시 고려사항
신축 이음쇠는 다양한 종류가 있으며, 각각의 특징과 적용 분야가 다릅니다. 설계 시에는 배관 시스템의 운전 조건, 설치 공간, 허용 변위량, 비용 등을 종합적으로 고려하여 적절한 종류를 선택해야 합니다. 주요 신축 이음쇠 종류별 설계 시 고려사항은 다음과 같습니다.
(1) 벨로우즈형 신축 이음쇠 (Bellows Expansion Joint)
- 종류: 단일 벨로우즈, 복식 벨로우즈, 구속형 벨로우즈 (앵커형, 가이드형, 힌지형) 등
- 설계 시 고려사항:
- 사용 조건: 온도, 압력, 유체 종류, 부식성 등을 고려하여 벨로우즈 재질 (스테인리스강, 탄소강 등) 및 두께를 선정합니다.
- 변위량: 예상되는 축방향, 횡방향, 각방향 변위량을 정확히 산정하여 적절한 벨로우즈 길이 및 주름 수를 결정합니다.
- 피로 수명: 반복적인 변위 발생 횟수를 고려하여 벨로우즈의 피로 수명을 예측하고 안전율을 확보합니다.
- 지지 및 안내: 특히 구속형 벨로우즈의 경우, 앵커, 가이드, 힌지 등의 지지 구조물을 적절히 설계하여 벨로우즈에 과도한 응력이 가해지지 않도록 합니다. 앵커는 압력 추력을 견디도록 설계하고, 가이드는 축방향 이동만 허용하며, 힌지는 각방향 회전만 허용합니다.
- 설치 공간: 벨로우즈의 설치 및 유지 보수를 위한 충분한 공간을 확보합니다.
- 유체 특성: 유체의 흐름 저항을 최소화하는 벨로우즈 형상을 선택합니다.
- 안전: 설계 압력 및 시험 압력을 고려하여 안전성을 확보하고, 필요한 경우 보호 커버 등을 설치합니다.
(2) 슬리브형 신축 이음쇠 (Sleeve Expansion Joint)
- 종류: 단식 슬리브, 복식 슬리브
- 설계 시 고려사항:
- 사용 조건: 온도, 압력, 유체 종류, 부식성 등을 고려하여 슬리브 및 패킹 재질을 선정합니다.
- 변위량: 예상되는 축방향 변위량을 고려하여 슬리브의 이동 거리를 결정합니다. 슬리브의 길이가 길어질수록 안내 지지 간격이 중요해집니다.
- 누설 방지: 슬리브와 케이싱 사이의 밀봉을 위한 적절한 패킹 재질 및 압축 방식을 선정하고, 주기적인 패킹 점검 및 교체 계획을 수립합니다.
- 마찰 저항: 슬리브의 원활한 이동을 위해 마찰 계수가 낮은 재질을 사용하거나 윤활 방안을 고려합니다.
- 설치 공간: 슬리브의 이동을 위한 충분한 공간을 확보합니다.
- 유체 특성: 슬리브 내부의 부식 및 스케일 형성을 방지하기 위한 재질 선정 및 유지 보수 방안을 고려합니다.
(3) 루프형 신축 이음쇠 (Loop Expansion Joint)
- 설계 시 고려사항:
- 사용 조건: 온도, 압력, 유체 종류 등을 고려하여 배관 재질 및 두께를 선정합니다.
- 변위량: 예상되는 축방향 변위량을 흡수할 수 있도록 루프의 크기 및 곡률 반경을 적절히 설계합니다. 루프의 크기가 클수록 변위 흡수 능력이 커지지만, 설치 공간도 커집니다.
- 지지: 루프 자체의 무게 및 유체 하중을 지지하고, 바람 등의 외부 하중에 대한 안정성을 확보하기 위한 지지 구조물을 적절히 설계합니다.
- 배관 응력: 루프 형상으로 인해 발생하는 배관의 추가적인 응력을 평가하고 허용 범위 내에 있도록 설계합니다.
- 설치 공간: 넓은 설치 공간이 필요하므로, 공간 제약을 고려하여 적용 가능성을 판단합니다.
- 유체 흐름: 유체의 흐름 저항을 최소화하는 루프 형상을 고려합니다.
(4) 볼 조인트형 신축 이음쇠 (Ball Joint Expansion Joint)
- 설계 시 고려사항:
- 사용 조건: 온도, 압력, 유체 종류, 부식성 등을 고려하여 볼 및 시트 재질을 선정합니다.
- 변위량: 예상되는 각방향 및 횡방향 변위량을 고려하여 볼 조인트의 회전 각도 및 개수를 결정합니다.
- 누설 방지: 볼과 시트 사이의 밀봉을 위한 적절한 패킹 또는 실링 방식을 선정합니다.
- 마찰 저항: 볼의 원활한 회전을 위해 마찰 계수가 낮은 재질을 사용하거나 윤활 방안을 고려합니다.
- 지지: 볼 조인트 자체의 무게 및 유체 하중을 지지하고, 압력 추력을 견딜 수 있도록 앵커를 적절히 설계합니다.
- 설치 공간: 볼 조인트의 회전 및 변위를 위한 충분한 공간을 확보합니다.
(5) 고무형 신축 이음쇠 (Rubber Expansion Joint)
- 설계 시 고려사항:
- 사용 조건: 온도, 압력, 유체 종류, 부식성, 진동 흡수 요구 등을 고려하여 고무 재질 (EPDM, NBR, Neoprene 등) 및 보강재를 선정합니다.
- 변위량: 예상되는 축방향, 횡방향, 각방향 변위량 및 진동 흡수 요구량을 고려하여 고무 벨로우즈의 형상 및 길이를 결정합니다.
- 압력 지지: 고무 자체의 압력 지지 능력이 제한적이므로, 필요한 경우 플랜지 연결부에 진공 링이나 압력 보강 링을 적용합니다.
- 수명: 온도, 압력, 화학적 노출, 반복적인 변위 등을 고려하여 고무 재질의 수명을 예측하고 교체 주기를 설정합니다.
- 설치 공간: 고무 벨로우즈의 변위를 위한 충분한 공간을 확보합니다.
- 진동 흡수: 진동 주파수 및 진폭을 고려하여 적절한 감쇠 특성을 갖는 고무 재질 및 형상을 선택합니다.
이 외에도 다양한 종류의 신축 이음쇠가 있으며, 각각의 설계 시 고려사항은 상이할 수 있습니다. 따라서 배관 시스템 설계자는 각 신축 이음쇠의 특징을 정확히 이해하고, 시스템의 요구 조건에 최적화된 신축 이음쇠를 선정 및 설계해야 합니다. 또한, 신축 이음쇠의 효율적인 작동을 위해서는 적절한 지지 구조물 설계 및 설치가 병행되어야 합니다.