Part 25. 무엇으로 설비를 만들 것인가 - Material of Construction

설비의 모양을 정했다면, 이제 무엇으로 만들 것인지 결정해야 한다

 

프로젝트의 설계가 어느 정도 진행되었습니다.

 

무엇을 생산할 것인지 정했고, 하루에 얼마나 생산할지도 결정했습니다. 공장은 하루 몇 시간 운전할 것인지 정했고, 각 공정의 온도와 압력도 결정했습니다.

 

그리고 지난 Part에서는 공장을 움직이는 데 필요한 Utility Condition까지 정리했습니다.

 

이제 엔지니어링팀에는 또 하나의 중요한 질문이 남습니다.

 

“그래서 이 설비를 무엇으로 만들 것인가?”

 

탱크를 하나 만든다고 생각해 보겠습니다.

 

같은 크기의 탱크라도 Carbon Steel로 만들 수도 있고, Stainless Steel로 만들 수도 있습니다. 경우에 따라서는 고합금강이나 Nickel Alloy, 비금속 라이닝 등을 검토해야 할 수도 있습니다.

 

겉으로 보면 단순히 재료를 고르는 것처럼 보입니다. 하지만 플랜트에서 Material of Construction, 즉 MOC(Material of Construction)를 결정하는 것은 단순한 자재 선택이 아닙니다.

 

공정 유체의 성분, 온도와 압력, 부식 가능성, 설계 수명, 기계적 강도, 제작성, 유지보수성, 비용까지 함께 고려해야 하는 중요한 설계 의사결정입니다.

 

AMPP(Association for Materials Protection and Performance) 역시 재질 선정에서 부식 저항성뿐 아니라 기계적 물성, 비용, 조달 가능성, 유지보수성, 다른 재질과의 호환성, 기대 수명과 신뢰성 등을 함께 고려해야 한다고 설명합니다.

 

그렇다면 엔지니어는 어떤 순서로 이 문제를 풀어갈까요?

 

 

1. 가장 먼저 물어야 할 것은 “무엇이 흐르는가?”

 

Material of Construction을 결정할 때 가장 먼저 확인해야 하는 것은 설비의 모양이나 가격이 아닙니다.

 

그 설비 안에 무엇이 들어가는가입니다.

 

예를 들어 다음과 같은 두 개의 배관이 있다고 가정해 보겠습니다.

 

• 배관 A : 질소(N₂)
• 배관 B : 부식성이 있는 공정 유체

두 배관의 온도와 압력이 같다고 해서 동일한 재질을 사용해야 하는 것은 아닙니다.

 

왜냐하면 재질이 실제로 접촉하는 것은 온도나 압력 그 자체가 아니라 공정 유체와 그 환경이기 때문입니다.

 

따라서 MOC를 결정하기 위해서는 먼저 다음과 같은 정보를 확인해야 합니다.

 

• 유체의 종류
• 주요 성분
• 불순물
• 수분 함량
• 농도
• pH
• 운전 온도
• 운전 압력
• 유속
• 운전 시간
• Startup 및 Shutdown 조건
• Cleaning 조건
• 설계 수명

특히 중요한 것이 불순물과 수분입니다.

 

같은 화학물질이라도 물이 존재하는지, 산소가 존재하는지, 특정 이온이나 불순물이 포함되는지에 따라 부식 거동이 크게 달라질 수 있기 때문입니다.

 

NACE SP0407 계열의 Materials Selection Diagram 지침에서도 재질과 부식 여유를 결정할 때 유체 조성뿐 아니라 유속, 온도, 압력과 같은 공정 변수를 함께 고려하도록 하고 있습니다. 또한 정상운전뿐 아니라 Startup, Shutdown, Cleaning, No-flow와 같은 단기간의 운전 조건도 검토해야 한다고 제시합니다.

 

결국 질문은 단순합니다.

 

“이 재질이 이 유체와 함께 수년 동안 버틸 수 있는가?”

 

이것이 MOC 선정의 출발점입니다.

 

 

2. 가장 흔하게 사용하는 재질은 Carbon Steel

 

플랜트에서 모든 설비를 Stainless Steel로 만들면 안전할까요?

 

그렇지는 않습니다. 오히려 공정 조건에 맞지 않게 고급 재질을 사용하는 것은 경제적으로도 좋은 설계가 아닙니다.

 

플랜트에서 Carbon Steel(CS)이 널리 사용되는 이유도 여기에 있습니다.

 

Carbon Steel은 비교적 가격 경쟁력이 있고, 조달과 제작이 용이하며, 일반적인 공정 조건에서 충분한 기계적 강도를 확보할 수 있기 때문입니다.

 

따라서 부식성이 크지 않은 공정이나 Utility System 등에서는 Carbon Steel이 기본적인 선택지가 될 수 있습니다.

 

하지만 Carbon Steel이 모든 환경에서 사용할 수 있는 것은 아닙니다.

 

예를 들어 수분, 산성 성분, 특정 화학물질 등이 존재한다면 부식이 문제가 될 수 있습니다.

 

부식은 단순히 설비 표면이 조금 녹는 정도의 문제가 아닙니다.

 

시간이 지나면서 벽 두께가 감소하면 결국 설비의 압력 유지 능력 자체가 떨어질 수 있습니다.

 

그래서 MOC를 결정할 때는 반드시 다음 질문을 함께 해야 합니다.

“이 재질이 부식된다면, 얼마나 빨리 부식되는가?”

 

 

 

3. Stainless Steel이라고 무조건 안전한 것도 아니다

 

그렇다면 Carbon Steel보다 비싼 Stainless Steel을 사용하면 모든 문제가 해결될까요?

 

이 역시 아닙니다. Stainless Steel은 일반적으로 우수한 내식성을 가지고 있지만, 모든 부식 환경에 무조건 강한 재질은 아닙니다.

 

예를 들어 Chloride가 존재하는 환경에서는 일부 Stainless Steel에서 Stress Corrosion Cracking과 같은 문제가 발생할 수 있습니다.

 

즉, “Stainless Steel = 부식되지 않는 철”이라고 생각하면 안 됩니다.

 

재질은 각각 특정한 환경에서 강점과 약점을 가지고 있습니다.

 

실제로 API RP 571에서도 Chloride Stress Corrosion Cracking과 같은 손상 메커니즘에 대해 재질에 따른 취약성이 다르다는 점을 다루고 있습니다.

 

따라서 엔지니어가 해야 하는 일은 단순히

“Carbon Steel보다 Stainless Steel이 좋으니까 Stainless Steel을 사용하자.”

 

가 아닙니다. 정확한 접근은 다음과 같습니다.

공정 조건을 확인하고 → 예상되는 손상 메커니즘을 파악하고 → 그 환경에서 적합한 재질을 선정한다.

 

 

 

4. MOC 선정에서 가장 중요한 단어, Corrosion

 

플랜트 설계에서 Material of Construction을 이야기하면 자연스럽게 따라오는 단어가 있습니다.

 

바로 Corrosion, 부식입니다.

 

부식은 금속이 주변 환경과 화학적 또는 전기화학적으로 반응하면서 재료가 열화 되는 현상입니다.

 

하지만 엔지니어 입장에서는 단순히 “부식된다”라고 말하는 것만으로는 부족합니다.

 

어떤 형태로 부식되는지가 중요합니다.

 

예를 들어,

 

• Uniform Corrosion
• Pitting Corrosion
• Crevice Corrosion
• Galvanic Corrosion
• Erosion-Corrosion
• Stress Corrosion Cracking
• Corrosion Under Insulation(CUI)

등 다양한 손상 메커니즘이 존재합니다.

 

API RP 571은 공정설비에서 발생할 수 있는 다양한 Damage Mechanism을 다루면서 각각의 손상에 대해 영향을 받는 재질과 주요 발생 조건, 검사 및 관리 방법 등을 설명하고 있습니다.

 

예를 들어 배관 외부에 보온재가 설치되어 있다고 생각해 보겠습니다.

 

배관 내부의 유체가 부식성이 없다고 해서 배관이 반드시 안전한 것은 아닙니다.

 

보온재 내부로 물이 침투하고 외부 표면에 수분이 장시간 존재한다면 CUI(Corrosion Under Insulation)가 발생할 가능성이 있습니다.

 

즉, MOC를 결정할 때는 “배관 안에서 어떤 일이 일어나는가?”뿐만 아니라 “배관 밖에서는 어떤 일이 일어나는가?”까지 생각해야 합니다.

 

 

5. 그렇다면 부식이 예상되면 어떻게 할까?

 

여기서 엔지니어가 선택할 수 있는 방법은 하나뿐이 아닙니다.

 

대표적으로 다음과 같은 방법을 생각할 수 있습니다.

 

① 더 내식성이 좋은 재질 선택 고려

가장 직관적인 방법입니다.

 

예를 들어 Carbon Steel 대신 Stainless Steel 또는 더 높은 합금 등급을 검토할 수 있습니다.

 

하지만 재질이 고급화될수록 일반적으로 자재비가 증가하고 제작 및 용접 조건도 달라질 수 있습니다.

 

따라서 무조건 높은 등급을 선택하는 것이 정답은 아닙니다.

 

② Corrosion Allowance 적용

두 번째 방법은 Corrosion Allowance(CA)입니다.

 

예를 들어 계산상 필요한 최소 두께가 10 mm라고 해보겠습니다.

 

향후 운전 중 부식으로 금속 두께가 감소할 가능성이 있다면 일정한 두께를 추가로 확보할 수 있습니다.

 

개념적으로 표현하면 다음과 같습니다.

 

$$ t_{\mathrm{design}} = t_{\mathrm{required}} + CA $$

 

여기서

 

• \(t_{\mathrm{design}}\) : 제작에 반영하는 설계 두께
• \(t_{\mathrm{required}}\) : 압력 및 기계적 조건을 만족하기 위해 필요한 최소 두께
• \(CA\) : Corrosion Allowance

입니다.

 

예를 들어 필요한 두께가 10 mm이고 Corrosion Allowance를 3 mm로 설정한다면 설계상 필요한 두께는 13 mm가 됩니다.

 

다만 Corrosion Allowance는 “부식이 발생해도 무조건 안전하다”는 의미가 아닙니다.

 

부식률과 설계수명에 대한 합리적인 판단이 필요합니다.

 

ASME BPVC에서도 부식이나 기타 금속 손실을 고려하는 경우 Corrosion Allowance를 설계에 반영하도록 규정하고 있으며, 필요한 부식 여유는 사용자가 설계조건에서 결정하도록 하고 있습니다.

 

 

6. Corrosion Rate를 알아야 Corrosion Allowance도 결정할 수 있다

 

그렇다면 Corrosion Allowance 3 mm는 어디서 나온 것일까요?

 

그냥 엔지니어가 적당히 정하는 숫자는 아닙니다.

 

기본적인 개념은 부식률(Corrosion Rate)과 설계수명을 연결하는 것입니다.

 

예를 들어 예상 부식률이 다음과 같다고 가정해 보겠습니다.

 

$$ CR = 0.10\ \mathrm{mm/year} $$

 

설계수명을 20년으로 가정하면 단순화된 개념에서 필요한 부식 여유는 다음과 같이 생각할 수 있습니다.

 

$$ CA = CR \times L $$

 

따라서

 

$$ CA = 0.10 \times 20 = 2.0\ \mathrm{mm} $$

 

가 됩니다.

 

하지만 실제 프로젝트에서는 이것만으로 결정하지 않습니다.

 

실제 부식률 데이터, 운전조건의 변동, 과거 운전 경험, 유체 조성, 검사 및 유지보수 전략, 적용 Code와 회사 기준 등을 함께 검토합니다.

 

NACE의 재질선정 지침에서도 재질과 Corrosion Allowance는 예상되는 부식 및 열화 속도와 공정조건, 그리고 요구되는 설계수명을 고려하여 선정하도록 설명하고 있습니다.

 

즉, Material Selection → Corrosion Rate → Corrosion Allowance → Design Thickness는 서로 연결된 하나의 설계 흐름입니다.

 

 

7. 하지만 “두꺼우면 된다”는 것도 아니다

 

여기서 또 하나의 문제가 생깁니다.

 

그렇다면 부식이 걱정될수록 설비를 계속 두껍게 만들면 되지 않을까요?

 

이론적으로는 금속 손실에 대한 여유를 확보할 수 있습니다.

 

하지만 현실의 엔지니어링에서는 그렇게 단순하지 않습니다.

 

두께가 증가하면

 

• 설비 중량 증가
• 자재비 증가
• 운송비 증가
• 용접량 증가
• 제작시간 증가
• 설치비 증가

등이 발생할 수 있습니다.

 

특히 압력용기와 대형 Tank처럼 크기가 큰 설비에서는 작은 두께 차이가 전체 프로젝트 비용에 상당한 영향을 줄 수 있습니다.

 

그래서 MOC 선정은 결국 안전성과 경제성 사이의 최적점을 찾는 작업입니다.

 

 

8. 재질 선정은 설비 하나만 보고 결정하지 않는다

 

여기서 엔지니어링 설계의 재미있는 부분이 하나 등장합니다.

 

설비 본체의 재질만 결정하면 끝나는 것이 아닙니다.

 

Tank를 하나 설계한다고 생각해 보겠습니다.

 

Tank Shell은 Carbon Steel로 결정했다고 하더라도,

 

• Nozzle
• Flange
• Valve
• Gasket
• Bolting
• Internal
• Instrument connection
• Drain
• Vent
• Piping

등에는 서로 다른 재질이 사용될 수 있습니다.

 

특히 서로 다른 금속이 접촉하는 경우에는 Galvanic Corrosion과 같은 문제도 검토해야 합니다.

따라서 Material Selection은 단순히

“이 Tank는 Carbon Steel입니다.”

 

라고 한 줄로 끝나는 작업이 아닙니다.

 

설비와 배관을 구성하는 각각의 부품에 대해 적절한 재질을 정의하는 작업입니다.

 

실제 Materials Selection Diagram(MSD)에는 장치와 배관의 최소 합금 요구사항, Corrosion Allowance, Cladding이나 Weld Overlay, Coating/Lining, 특수 검사 및 시험 요구사항 등을 포함할 수 있습니다.

 

 

9. 그래서 프로젝트에서는 MOC를 표로 관리

 

프로젝트가 커지면 엔지니어가 머릿속으로 모든 재질을 관리할 수 없습니다.

 

그래서 프로젝트에서는 일반적으로 Material Specification 또는 Materials Selection Diagram(MSD)과 같은 문서를 통해 재질 요구사항을 체계적으로 관리합니다.

 

예를 들어 다음과 같이 정리할 수 있습니다.

ServiceEquipment / PipingMOCCorrosion Allowance

Service	Equipment / Piping	Material of Construction	Corrosion Allowance
N₂ Gas	Process Piping	Carbon Steel	1.5 mm
Cooling Water	Utility Piping	Carbon Steel	3.0 mm
Process Gas	Process Piping	SS 304L	필요 시 별도 검토
Corrosive Chemical	Process Piping	SS 316L 또는 특수합금 검토	조건별 결정
Product Contact	Tank Internal	Stainless Steel	조건별 결정

 

물론 실제 프로젝트에서는 이보다 훨씬 복잡한 기준이 적용됩니다.

 

Material Class, Pipe Class, Pressure Class, Valve Material, Gasket, Bolting, Welding Requirement 등을 연결하여 관리하기도 합니다.

 

중요한 것은 설비의 재질이 프로젝트 전체의 설계 기준과 연결되어 있다는 사실입니다.

 

 

10. “좋은 재질”보다 “맞는 재질”이 중요

 

이쯤 되면 Material of Construction에 대한 중요한 결론에 도달할 수 있습니다.

 

플랜트에서 가장 좋은 재질은 무엇일까요?

 

정답은 없습니다. 가장 비싼 재질도 정답이 아니고, 가장 내식성이 높은 재질도 정답이 아닙니다.

 

공정 조건에 맞는 재질이 좋은 재질입니다.

 

예를 들어 아무런 부식 문제가 없는 Utility Line을 모두 고급 Stainless Steel로 제작한다면 설비의 안전성은 높아질 수 있지만 프로젝트 비용은 불필요하게 증가할 수 있습니다.

 

반대로 비용을 줄이겠다는 이유로 Carbon Steel을 사용했는데 실제 공정 조건에서 빠른 부식이 발생한다면 설비 수명과 안전성에 문제가 발생할 수 있습니다.

 

결국 Material Selection은 다음의 균형을 찾는 작업입니다.

 

• Process Compatibility
• Mechanical Integrity
• Corrosion Resistance
• Fabrication & Maintainability
• Cost

이 다섯 가지를 동시에 만족시키는 것이 목표입니다.

 

AMPP 역시 재질 선정에서 내식성뿐 아니라 기계적 특성, 비용, 조달성, 유지보수성, 구성품 간 호환성, 기대수명과 신뢰성 등을 함께 고려해야 한다고 설명합니다.

 

 

11. Beer to Zero Project에서는 어떻게 결정하는가?

 

다시 Beer to Zero Project의 현장으로 돌아가 보겠습니다.

 

고객이 요구한 생산량을 결정했습니다. 공장을 언제, 얼마나 오래 운전할지도 결정했습니다. 공정의 온도와 압력도 정했습니다. Utility Condition까지 정리했습니다. 이제 엔지니어링팀이 P&ID를 펼쳐놓고 하나씩 확인합니다.

 

• 이 Line에는 무엇이 흐르는가?
• 온도는 얼마인가?
• 압력은 얼마인가?
• 수분이 존재하는가?
• 부식성 성분이 있는가?
• Cleaning은 어떻게 하는가?
• 몇 년 동안 사용할 것인가?

그리고 그 질문에 대한 답을 바탕으로 재질을 결정합니다.

 

어떤 배관은 Carbon Steel이 됩니다. 어떤 배관은 Stainless Steel이 됩니다. 어떤 장비는 내부에 Lining이 필요할 수도 있습니다.

 

그리고 그 결과는 다시 Piping Material Class와 Equipment Specification, Datasheet, Material Specification 등에 반영됩니다.

 

이렇게 하나의 공정조건이 실제 “쇠와 배관의 종류”로 변환됩니다.

 

설계도면에 적혀 있는

 

• CS
• SS304L
• SS316L
• Duplex

와 같은 짧은 표기는 사실 그 뒤에 있는 수많은 엔지니어링 검토의 결과입니다.

 

 

12. Design Basis가 결국 “실물”이 되는 순간

 

Design Basis를 처음 접하는 사람에게는 이것이 단순한 문서처럼 보일 수 있습니다.

 

하지만 지금까지 Part 18부터 따라왔다면 조금 다르게 보일 것입니다.

 

Design Basis에서 결정한 내용은 결국 실제 공장에 있는 물리적인 설비로 바뀝니다.

 

Feed Condition은 공정의 입력조건이 되고, Design Capacity는 설비 크기가 되고, Operating Philosophy는 운전 방식이 되고, Operating Condition은 온도와 압력이 되고, Design Pressure & Temperature는 설비의 기계적 설계조건이 됩니다.

 

그리고 이번 Part에서 결정한 Material of Construction은 그 설비가 실제로 무엇으로 만들어질지를 결정합니다.

 

결국 Design Basis는 문서에서 끝나는 것이 아닙니다.

 

문서에 적힌 한 줄의 조건이 실제 공장의 배관과 Tank와 Vessel의 재질로 바뀌는 것입니다.

 

그래서 Material of Construction은 단순한 자재 선정이 아니라 공정조건을 실제 설비로 구현하는 마지막 연결고리 중 하나라고 할 수 있습니다.

 

 

마무리

 

플랜트 설계에서 “무엇으로 만들 것인가?”라는 질문은 생각보다 어렵습니다.

 

Carbon Steel이냐 Stainless Steel이냐를 고르는 단순한 문제가 아닙니다.

 

공정 유체와 재질의 Compatibility를 검토하고, 예상되는 Corrosion Mechanism을 파악하고, 설계수명과 Corrosion Allowance를 고려하고, 기계적 강도와 제작성, 유지보수성, 비용까지 함께 검토해야 합니다.

 

그리고 중요한 것은 가장 좋은 재질을 선택하는 것이 아니라, 주어진 공정조건에서 요구되는 성능을 가장 합리적인 방법으로 만족시키는 것입니다.

 

앞선 Part에서 우리는 공장의 온도와 압력, Utility Condition을 결정했습니다.

 

이제 그 조건을 견딜 수 있는 재질까지 결정했습니다.

 

그렇다면 다음 질문이 자연스럽게 남습니다.

 

“그 재질로 만든 설비를 실제 공장 안에 어떻게 배치하고 연결할 것인가?”

 

설비 하나를 만드는 것과 공장 전체를 만드는 것은 또 다른 문제입니다.

 

이제 설계는 각각의 설비를 넘어 배관과 장비, 사람과 유지보수 공간까지 포함하는 Plant Layout으로 확장됩니다.

 

다음 단계에서는 공장을 실제 공간에 배치하는 이야기를 시작해 보겠습니다.

 

 

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