Part 23. 설비는 얼마나 견뎌야 하는가 - Design Pressure & Temperature

맥주 공장을 만든다고 했습니다.

 

우리는 앞선 과정에서 이 공장이 무엇을 만들 것인지 정했고, 하루에 얼마나 생산할지도 결정했습니다.

 

그리고 공장을 몇 시간 동안 운전할지, 정상적으로 운전할 때 어느 정도의 압력과 온도를 사용할지도 정했습니다.

 

이제 엔지니어에게 또 하나의 질문이 들어옵니다.

“그런데 설비가 꼭 정상 운전조건까지만 견디면 되는 것 아닌가요?”

 

얼핏 보면 맞는 말처럼 들립니다.

 

예를 들어 어떤 배관의 정상 운전조건이 8 barg, 40℃라고 해보겠습니다.

 

그렇다면 배관도 8 barg, 40℃를 견디도록 설계하면 될 것 같습니다.

 

하지만 실제 플랜트 설계에서는 그렇게 단순하게 결정하지 않습니다.

 

공장은 항상 정상적인 상황에서만 움직이지 않기 때문입니다.

 

밸브가 닫힐 수도 있고, 유체가 갇힐 수도 있습니다.

 

열교환기가 비정상적으로 가열될 수도 있고, 압력이 예상보다 상승할 수도 있습니다.

 

반대로 운전 정지 과정에서 온도가 급격히 떨어질 수도 있습니다.

 

그리고 이런 상황까지 고려하여 설비가 안전하게 견딜 수 있는 한계를 정하는 것이 바로 Design Pressure와 Design Temperature입니다.

 

 

1. Operating Condition과 Design Condition은 다릅니다

 

먼저 가장 중요한 개념부터 구분해야 합니다.

 

Operating Condition은 실제 공장을 운전하기 위한 조건입니다.

 

반면 Design Condition은 설비를 설계하기 위해 설정하는 조건입니다.

 

예를 들어 다음과 같은 조건을 생각해 보겠습니다.

 

구분	Pressure	Temperature
Normal Operating	8 barg	40℃
예상 운전범위	7~9 barg	30~50℃
Design Condition	10 barg	60℃

 

공장은 평소에 8 barg, 40℃에서 운전할 수 있습니다.

 

하지만 엔지니어는 설비를 8 barg, 40℃에서만 견디도록 만드는 것이 아니라 10 barg, 60℃까지 고려하여 설계할 수 있습니다.

이 차이가 중요합니다.

 

Operating Condition은 공장을 어떻게 운전할 것인가를 나타내고, Design Condition은 설비를 어디까지 견디도록 만들 것인가를 나타냅니다.

 

ASME B31.3 역시 배관 설계에서 Design Conditions와 Design Criteria를 별도로 다루며, Design Pressure와 Design Temperature를 주요 설계조건으로 취급합니다.

 

따라서 엔지니어 입장에서 다음과 같이 생각하면 이해하기 쉽습니다.

Operating Condition = 평소에는 이렇게 운전한다.
Design Condition = 문제가 생겨도 이 정도까지는 견뎌야 한다.

 

 

 

2. 왜 정상 운전조건보다 높게 설계하는가

 

여기서 자연스럽게 질문이 하나 생깁니다.

“그럼 그냥 최대 운전조건으로 설계하면 되는 것 아닌가요?”

 

일부 경우에는 그렇게 접근할 수 있지만, 실제 설계에서는 단순히 운전범위의 최댓값을 가져오는 것으로 끝나지 않습니다.

 

중요한 것은 설비가 실제로 경험할 수 있는 가장 불리한 조건을 찾는 것입니다.

 

예를 들어 어떤 탱크가 정상적으로는 5 barg에서 운전한다고 해보겠습니다.

 

그런데 출구 밸브가 닫힌 상태에서 상류의 압력이 계속 공급된다면 탱크 내부 압력이 올라갈 수 있습니다.

 

또는 탱크 내부에 액체가 갇힌 상태에서 외부 열원에 의해 온도가 상승하면 내부 압력이 증가할 수도 있습니다.

 

냉각되는 설비라면 반대로 내부 압력이 떨어져 진공에 가까워지는 상황도 생각해야 합니다.

 

따라서 설계조건을 결정할 때는 단순히

정상 운전압력 = 설계압력

 

이라고 결정하지 않습니다. 엔지니어는 먼저 다음과 같은 질문을 던집니다.

 

• 정상 운전 중 최대 압력은 얼마인가?
• 밸브가 닫히면 압력은 얼마나 올라갈 수 있는가?
• 펌프나 압축기가 계속 공급하면 어떻게 되는가?
• 열이 갇히면 압력은 어떻게 변하는가?
• Shutdown 과정에서 진공이 발생할 수 있는가?
• Steam, Hot Water, Cooling Water 등의 Utility 이상이 영향을 줄 수 있는가?
• Relief Valve가 작동하기 전까지 설비가 견뎌야 하는 압력은 얼마인가?

이러한 검토를 통해 최종적으로 설계압력과 설계온도를 결정하게 됩니다.

 

 

3. Design Pressure란 무엇인가

 

Design Pressure, 즉 설계압력은 간단하게 말하면 다음과 같이 이해할 수 있습니다.

설비가 설계상 안전하게 견딜 수 있도록 설정하는 압력 기준

 

여기서 중요한 점이 있습니다.

 

Design Pressure는 단순히 “평소에 사용하는 압력”이 아닙니다.

 

설비의 압력경계(Pressure Boundary)를 설계할 때 기준이 되는 값입니다.

 

예를 들어 다음과 같은 조건을 가정해 보겠습니다.

 

• Normal Operating Pressure = 8 barg
• Maximum Operating Pressure = 9 barg
• Design Pressure = 10 barg

이 경우 설비의 압력부는 최소한 10 barg를 기준으로 설계되어야 합니다.

 

배관이라면 Pipe Wall Thickness, Fitting, Flange, Valve 등의 선정에 영향을 줍니다.

 

압력용기라면 Shell과 Head의 두께, Nozzle, Flange 등의 설계에 영향을 줍니다.

 

즉, Design Pressure 하나가 결정되면 뒤에서 수많은 설계가 따라옵니다.

 

ASME B31.3의 설계 흐름에서도 Design Conditions를 결정한 뒤 Pressure Design을 수행하고, 이후 배관 두께와 재질 및 구성품을 선정하는 구조로 이어집니다.

 

 

4. Design Temperature도 같은 방식으로 생각한다

 

압력만 중요한 것은 아닙니다.

 

온도 역시 설비 설계에 상당한 영향을 미칩니다.

 

예를 들어 동일한 압력이라도 40℃에서 견디는 설비와 150℃에서 견디는 설비는 같은 방식으로 설계할 수 없습니다.

 

온도가 올라가면 재료의 허용응력(Allowable Stress)이 달라질 수 있기 때문입니다.

 

또한 온도에 따라 다음과 같은 문제가 발생할 수 있습니다.

 

• 재료의 강도 변화
• 열팽창
• Thermal Stress
• Creep
• 저온 취성
• Gasket 성능 변화
• Flange 및 Bolting 성능 변화
• 장비 및 배관의 열변형

따라서 엔지니어는 단순히

"이 공정은 40℃에서 운전합니다."

 

라고 끝내지 않습니다. 오히려 다음과 같이 질문합니다.

“이 설비가 경험할 수 있는 가장 높은 온도는 얼마인가?”

 

그리고 반대로

“가장 낮은 온도는 얼마인가?”

 

도 확인합니다.

 

특히 저온 설비에서는 Minimum Design Temperature가 중요한 설계조건이 될 수 있습니다.

 

결국 Design Temperature는 단순한 숫자가 아니라 재료와 기계적 건전성을 결정하는 중요한 설계변수입니다.

 

 

5. 압력이 올라가면 무엇이 달라지는가

 

이제 실제 엔지니어링으로 조금 더 들어가 보겠습니다.

 

배관을 하나 생각해 보겠습니다. 배관 내부에는 압력이 존재합니다.

 

내부 압력이 증가하면 배관 벽에는 응력이 발생합니다.

 

아주 단순화하면 얇은 원통형 배관의 Hoop Stress는 다음과 같은 관계로 이해할 수 있습니다.

 

$$ \sigma_h \approx \frac {P D}{2t} $$

여기서,

• \(\sigma_h\) : Hoop Stress (원주방향 응력)
• \(P\) : 내부 압력 (Internal Pressure)
• \(D\) : 배관 직경 (Pipe Diameter)
• \(t\) : 배관 두께 (Wall Thickness)

입니다.

 

즉, 다른 조건이 동일하다면 압력이 증가할수록 배관에 발생하는 응력도 증가합니다.

 

반대로 같은 압력에서 더 두꺼운 배관을 사용하면 발생하는 응력을 줄일 수 있습니다.

 

그래서 Design Pressure가 높아지면 일반적으로 필요한 Wall Thickness나 Pressure Rating 등이 증가할 가능성이 있습니다.

 

실제 배관 설계에서는 이 단순식 하나로 모든 것을 결정하는 것은 아니며, 적용 Code와 재질의 허용응력, 용접계수, 부식여유, 외경/내경 기준 등 여러 요소를 함께 고려해야 합니다.

 

ASME B31.3 역시 Pressure Design of Straight Pipe와 Piping Components를 별도의 설계 항목으로 다루고 있습니다.

 

 

6. 그렇다면 Design Pressure를 무조건 높게 잡으면 안전한가?

 

여기에서 엔지니어링의 재미있는 부분이 나옵니다. 처음 설계를 배우면 이런 생각을 하기 쉽습니다.

“안전하게 하려면 Design Pressure를 최대한 높게 잡으면 되는 것 아닌가?”

 

그렇지 않습니다.

 

Design Pressure를 지나치게 높게 잡으면 설비가 불필요하게 커질 수 있습니다.

 

예를 들어 실제로는 10 barg가 필요한 설비인데 20 barg를 기준으로 설계한다고 생각해 보겠습니다.

 

그러면 더 높은 압력등급의 Valve와 Flange가 필요할 수 있습니다.

 

배관 두께가 증가할 수도 있고, 장비의 설계가 커질 수도 있습니다.

 

결과적으로

 

Material Cost 증가 → Equipment Cost 증가 → Construction Cost 증가 → Weight 증가 → Supporting Structure 증가 → Project Cost 증가로 이어질 수 있습니다.

 

따라서 엔지니어가 원하는 것은

가장 높은 Design Pressure

 

가 아닙니다. 정확한 표현은

“필요한 만큼 충분히 높은 Design Pressure”

 

입니다. 안전성과 경제성 사이의 균형을 찾는 것이 설계자의 역할입니다.

 

 

7. Design Pressure를 결정하는 대표적인 방법

 

실제 프로젝트에서는 먼저 Process Engineer가 공정의 압력 조건을 검토합니다.

 

예를 들어 Beer to Zero Project의 어떤 공정 Vessel이 있다고 해보겠습니다.

 

정상 운전압력이 다음과 같다고 가정하겠습니다.

 

• Normal Operating Pressure = 7 barg
• Maximum Operating Pressure = 8 barg

여기서 단순히 Design Pressure를 8 barg로 결정하는 것이 아니라 다음을 검토합니다.

 

Case 1. Control Valve Failure

Control Valve가 고장 나서 Full Open 상태가 될 수 있습니다.

 

그 결과 downstream pressure가 상승할 수 있습니다.

 

Case 2. Blocked Outlet

Outlet Valve가 닫히거나 배출 경로가 막힐 수 있습니다.

 

그러면 계속 유입되는 유체에 의해 내부 압력이 상승할 수 있습니다.

 

Case 3. Thermal Expansion

액체가 밀폐된 공간에 갇힌 상태에서 온도가 상승할 수 있습니다.

 

이 경우 작은 온도 변화만으로도 상당한 압력 상승이 발생할 수 있습니다.

 

Case 4. Utility Failure

Cooling Water가 끊기거나 Steam이 비정상적으로 공급되는 등 Utility 이상이 공정조건에 영향을 줄 수 있습니다.

 

Case 5. Relief System

비정상적인 압력 상승이 발생할 경우 Relief Valve가 언제 작동하고, 그전에 설비가 어느 압력까지 견뎌야 하는지도 확인해야 합니다.

 

이렇게 다양한 시나리오를 검토한 후 최종적으로 설비의 Design Pressure를 결정합니다.

 

 

8. Design Temperature도 단순히 최고 운전온도가 아니다

 

온도도 같은 방식입니다. 예를 들어 정상 운전온도가 40℃이고 최대 운전온도가 50℃라고 해보겠습니다.

 

그렇다고 무조건 Design Temperature를 50℃로 정하는 것은 아닙니다.

 

열원과 Utility 조건을 확인해야 합니다.

 

예를 들어 다음과 같은 상황이 있을 수 있습니다.

정상 운전 → 40℃
Hot Water 이상 → 60℃
Steam Valve Failure → 100℃ 가능

 

이 경우 설비가 실제로 경험할 수 있는 온도 범위를 검토해야 합니다.

 

또한 운전 중뿐만 아니라 Startup, Shutdown, Cleaning, Regeneration, Steam-out, Maintenance 등의 비정상 또는 특수 운전조건도 확인해야 합니다.

 

따라서 Design Temperature를 결정하는 과정은 결국

“이 설비가 실제 수명 동안 경험할 수 있는 가장 불리한 온도는 무엇인가?”

 

를 찾는 과정이라고 이해하면 쉽습니다.

 

 

9. Design Pressure와 Design Temperature는 설비의 운명을 결정한다

 

이제 여기까지의 내용을 하나로 연결해 보겠습니다.

 

엔지니어가 Design Pressure와 Design Temperature를 결정하면 이것으로 끝나는 것이 아닙니다.

 

오히려 여기서부터 진짜 설계가 시작됩니다.

 

예를 들어 다음과 같이 연결됩니다.

 

1. Design Pressure / Temperature
2. Material Selection
3. Allowable Stress
4. Wall Thickness
5. Pipe Class / Equipment Specification
6. Flange & Valve Rating
7. Equipment Mechanical Design
8. Safety / Relief System

즉, Design Pressure와 Design Temperature는 단순히 P&ID 한쪽 구석에 적어놓는 숫자가 아닙니다.

 

설비의 물리적인 사양을 결정하는 출발점입니다.

 

압력용기의 경우에도 ASME BPVC Section VIII는 압력용기의 설계뿐 아니라 제작, 검사, 시험 및 인증까지 포괄하는 기준으로 사용됩니다.

 

 

10. P&ID에는 왜 Pressure와 Temperature가 중요한가

 

현업에서 Process Engineer가 Design Pressure와 Temperature를 결정하면 이 정보는 여러 문서로 전달됩니다.

 

대표적인 것이 Equipment Data Sheet입니다.

 

예를 들어 Vessel Data Sheet에는 다음과 같은 항목이 들어갈 수 있습니다.

 

Item	Value
Operating Pressure	7 barg
Design Pressure	10 barg
Operating Temperature	40℃
Design Temperature	60℃
Material	SS316L
Corrosion Allowance	3 mm

 

이 정보를 Mechanical Engineer가 받아 설비의 상세 설계를 수행합니다.

 

배관이라면 Piping Material Specification과 연결되고, Equipment라면 Vendor의 Mechanical Design으로 넘어갑니다.

 

결국 Process Engineer가 결정한 몇 개의 숫자가 배관과 장비의 실제 두께와 재질을 결정하는 출발점이 되는 것입니다.

 

 

11. 특히 놓치기 쉬운 것이 Vacuum이다

 

Design Pressure를 이야기할 때 많은 사람들이 높은 압력만 생각합니다.

 

하지만 설비 입장에서는 반대 방향도 위험할 수 있습니다.

 

바로 Vacuum입니다.

 

예를 들어 탱크 내부에 액체가 들어 있습니다.

 

정상 운전 중에는 대기압보다 높은 압력으로 운전한다고 해보겠습니다.

 

그런데 Shutdown 과정에서 내부의 뜨거운 기체가 냉각되거나, 액체가 빠르게 배출되면서 내부 기체가 충분히 보충되지 않으면 내부 압력이 급격하게 떨어질 수 있습니다.

 

이때 설비 내부가 외부보다 낮은 압력이 되면 탱크에는 외부에서 내부 방향으로 압력이 작용합니다.

 

이것은 단순한 Internal Pressure Design과 다른 문제입니다.

 

얇은 탱크는 내부 압력을 견디는 것보다 외부압력에 의해 좌굴(Buckling)되는 것이 더 취약할 수도 있습니다.

 

따라서 설비에 따라서는 Design Pressure 뿐만 아니라 Design Vacuum / External Pressure까지 검토해야 합니다.

 

이것이 Design Condition을 결정할 때 단순히 "최대 압력 하나"만 보면 안 되는 이유입니다.

 

 

12. 결국 Design Basis는 숫자를 만드는 과정이다

 

지금까지 Beer to Zero Project에서 우리는 여러 질문에 답해왔습니다.

 

처음에는

“무엇을 만들 것인가?”

 

에서 시작했습니다. 그리고

“하루에 얼마나 만들 것인가?”

 

를 결정했습니다. 그다음에는

“몇 시간 동안 공장을 돌릴 것인가?”

 

를 결정했습니다. 그리고

“몇 도와 몇 압력에서 운전할 것인가?”

 

를 결정했습니다. 이제 한 단계 더 나아갑니다.

“그렇다면 설비는 어디까지 견뎌야 하는가?”

 

이 질문에 답하는 것이 바로 Design Pressure & Design Temperature입니다.

 

 

13. 설계는 '정상적인 상황'만을 위한 것이 아니다

 

여기서 이번 글의 핵심을 하나로 정리할 수 있습니다.

 

Operating Condition은 정상적인 공장을 설명합니다.

 

하지만 Design Condition은 정상적이지 않을 수도 있는 공장을 고려합니다.

 

그래서 엔지니어는 단순히

"평소에는 8 barg입니다."

 

라고 말하는 것으로 끝내지 않습니다. 오히려 이렇게 질문합니다.

"최악의 경우에는 몇 barg까지 올라갈 수 있는가?"

 

그리고 온도에 대해서도

"가장 뜨거울 때는 몇 ℃인가?"

 

또는

"가장 차가워질 때는 몇 ℃인가?"

 

를 확인합니다. 그렇게 찾아낸 설계조건이 이후의 재질, 두께, 압력등급, 장비사양, Relief System을 결정합니다.

 

결국 Design Pressure와 Design Temperature는 단순한 설계 숫자가 아니라,

공정의 위험한 상황을 설비의 기계적 설계조건으로 번역하는 숫자

 

라고 볼 수 있습니다.

 

 

14. Beer to Zero Project에서는 이렇게 결정된다

 

다시 우리의 가상 맥주 공장으로 돌아가 보겠습니다.

 

공정 엔지니어가 다음과 같은 조건을 가지고 있다고 가정해 보겠습니다.

“이 Vessel은 정상적으로 7 barg, 40℃에서 운전합니다.”

 

여기서 Mechanical Engineer가 바로 설계를 시작하지 않습니다.

 

먼저 Process Engineer와 함께 확인합니다.

 

• “최대 압력은 얼마입니까?”
• “Outlet Blockage가 발생하면 어떻게 됩니까?”
• “Control Valve가 Fail 하면 어떻게 됩니까?”
• “Heating이 계속되면 얼마까지 올라갑니까?”
• “Shutdown 시 Vacuum은 발생하지 않습니까?”
• “Cleaning이나 Steam-out 조건은 어떻습니까?”

이 질문들에 답하고 나서야 비로소 설비의 Design Pressure와 Design Temperature가 결정됩니다.

 

그리고 그 숫자가 Equipment Data Sheet에 들어갑니다.

 

그 순간부터 그 숫자는 더 이상 Process Engineer만의 숫자가 아닙니다.

 

Mechanical Engineer에게는 설비 설계 기준이 되고,

 

Piping Engineer에게는 배관 설계 기준이 되고,

 

Instrument Engineer에게는 압력 및 온도 보호 기준이 되고,

 

Safety Engineer에게는 Relief System 검토의 입력값이 됩니다.

 

하나의 숫자가 여러 Engineering Discipline으로 퍼져나가는 것입니다.

 

 

설계란 결국 '어디까지 견딜 것인가'를 정하는 일이다

 

플랜트를 설계한다고 하면 흔히 무엇을 얼마나 만들 것인지부터 생각합니다.

 

하지만 실제 엔지니어링에서는 그것만큼 중요한 질문이 있습니다.

“그 공장을 어떤 조건까지 안전하게 운영할 수 있도록 만들 것인가?”

 

정상 운전조건은 공장이 평소에 움직이는 영역입니다.

 

Design Condition은 설비가 안전하게 견뎌야 하는 영역입니다.

 

그리고 그 경계를 정하는 핵심 숫자가 바로 Design Pressure와 Design Temperature입니다.

 

물론 설계압력과 설계온도를 결정했다고 해서 설계가 끝난 것은 아닙니다.

 

오히려 이제부터 어떤 재질을 사용할 것인지, 얼마나 두껍게 만들 것인지, 어떤 압력등급을 사용할 것인지, Relief Valve는 어떻게 선정할 것인지가 결정되기 시작합니다.

 

즉,

Operating Condition이 공장의 '평소'를 정의한다면, Design Condition은 설비의 '한계'를 정의합니다.

 

그리고 다음 단계에서는 이 숫자를 가지고 실제 설비를 구성하기 위해 어떤 재질을 선택해야 하는가라는 또 다른 질문으로 넘어가게 됩니다.

 

그때부터 Design Basis는 숫자에서 실제 Material Selection과 Equipment Design으로 이어집니다.

 

 

Beer to Zero Project 연재 순서

 

PART 3. Design Basis — 우리가 무엇을 설계하는가

 

• Part 18. 설계의 출발점 - Design Basis란 무엇인가
• Part 19. 무엇을 넣고 무엇을 만들 것인가 - Feed & Product Condition
• Part 20. 하루 100톤을 만들려면 - Design Capacity 결정
• Part 21. 몇 시간 동안 공장을 돌릴 것인가 - Operating Philosophy
• Part 22. 몇 도와 몇 압력에서 운전할 것인가 - Operating Condition
• Part 23. 설비는 얼마나 견뎌야 하는가 - Design Pressure & Temperature
• Part 24. 공장을 움직이는 에너지는 어디서 오는가 - Utility Condition
• Part 25. 무엇으로 설비를 만들 것인가 - Material of Construction
• Part 26. 어떤 기준으로 설계할 것인가 - Code & Standard
• Part 27. 설계의 기준을 하나의 문서로 묶다 - Design Basis 확정