ASME SECTION Ⅰ해설 - 보일러와 배관 경계

ASME SECTION Ⅰ보일러와 배관 경계​

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설계 부분을 들어가기 앞서 보일러와 배관의 경계 및 수압시험 등 일반사항 몇 가지를 먼저 다루고자 합니다.

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오늘은 보일러와 배관의 경계에 대해 이야기하고자 합니다. 초보자에게는 조금 어려울 수도 있습니다만, 전문가들(특히 배관 분야)은 매우 잘 알고 있고 중요한 사항입니다.

그러나 코드 상의 설명이 다소 어렵고 인터넷에서도 친절한 설명은 찾아보기 힘든 부분이라 본 주제는 매우 유용하리라고 생각됩니다.

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그럼 시작해 보죠.

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PG-58 BOILER EXTERNAL PIPING AND BOILER PROPER CONNECTIONS

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보일러와 배관과의 경계는 어디인가?

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우리는 Section 을 많이 건너뛰어 PG-58로 넘어간다.

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필자는 발전플랜트 보일러 분야에서 구조해석 및 설계를 해온 사람이다. 보일러 내부에서도 헤더와 헤더 사이에 연결 배관(Connection Piping)이 존재하기때문에 B31.1(Power Piping)을 이용한 배관해석에도 상당히 익숙한 편이다. 뭐 정통 배관쟁이는 아니지만 배관쟁이의 아주 친한 친구쯤 되겠다.

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각설하고 그럼 보일러(압력부)와 배관의 경계는 어떻게 구분할까를 알기 위해 다음 그림을 참조한다.

요즘은 초임계압/초초임계압 보일러가 유행이니까 PG-58.3.3의 관류형 보일러를 선택했다.

(여기서 관류형 보일러란 압력이 임계압(221bar) 이상으로 물과 증기의 이상이 존재하지 않고 조건에 따라 물이 바로 증기로 변하는 보일러로 효율이 높아서 요즘 국내 대용량 보일러에 많이 적용하고 있다.)

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조금은 복잡해 보이는 그림이나 자세히 들여다보면 얇은 선 굵은 선, 점선이 보인다. 얇은 선은 BP(Boiler Proper), 굵은 선은 BEP(Boiler External Piping), 점선은 Non-BEP(Non-Boiler External Piping)라고 명명한다.

BP란 말 그대로 보일러 내부 압력부(Pressure Parts)를 말한다. 보일러 외부 배관은 BEP와 Non-BEP가 있으며 위 그림과 같이 구분된다.

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한마디로 정리하면 우리가 말하는 보일러와 배관의 경계는 BP와 BEP가 된다.

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용어가 익숙하지 않을 것 같아서 아래와 같이 ASME의 설명을 인용했다.

아! 영어로 되어 있어서 뭐가 뭔지 모르겠다고 하시는 분들이 있겠다. 그래서 준비했다.

구분	Jurisdiction (관할권)	Technical Responsibility (기술적 책임)
Boiler Proper	Section I	Section I
Boiler External Piping	Section I	B31.1
Non-Boiler External Piping	B31.1	B31.1

조금은 더 쉬워졌나?

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여전히 모르는 용어가 있다. Jurisdiction과 Technical Responsibility는 또 무엇인가?

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Jurisdiction이란 굳이 해석하면 관할권 정도 되겠다. ASME Stamping, Data form, 공인검사 등의 모든 품질과 행정적인 문제를 처리하는 것을 말한다. (더 자세한 것은 품질분야의 전문가들에게 듣는 것이 좋을 것 같다.)

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Technical Responsibility이란 기술적 책임과 관련된 사항으로 재질(Material), 설계(Design), 제작(Fabrication), 설치(Installation), 시험(Test) 등에 관한 사항으로 정리할 수 있다.

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그러니까 BEP의 경우는 기술적으로는 B31.1을 따르고 행정적으로는 Section I을 따른다고 얘기할 수 있다.

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BP와 BEP/Non-BEP의 세부 구분

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Superheater Outlet (과열기 출구)

BP vs. BEP: Superheater Outlet Header의 노즐

BEP vs. Non-BEP: Turbine Valve, Turbine 이나 기기(Equipment)로 가는 첫 번째 Block Valve

Economizer Inlet (절탄기 입구)

BP vs. BEP : Economizer Inlet Header

BEP vs. Non-BEP: Feed Water Economizer 0171 Of Check Valve Block Valve

Drain and Vent

BP vs. BEP: 헤더의 노즐

BEP vs. Non-BEP: Block Valve

Reheater (재열기)

BP vs. BEP: Inlet or Outlet Header의 노즐

BEP vs. Non-BEP: 헤더 노즐 이후는 모두 Non-BEP로 구분

실무상 쓰는 용어로 BP(Boiler Proper)의 배관은 Internal Piping 또는 Integral “A”라고 하고 External Piping은 Integral “B”라고 부르기도 합니다.

​​BP와 BEP/Non-BEP 조금 더 들여다보기

​지난 시간에 우리는 BP(Boiler Proper)와 BEP(Boiler External Piping), Non-BEP(NonBoiler External Piping)에 대해 구분해 보았다. 보일러 엔지니어의 입장에서는 조금은 생소할 수도 있겠으나 배관 엔지니어의 입장에서는 조금은 더 익숙할 것 같다. 그럼 실제 사례를 통하여 BP와 BEP/Non-BEP가 달라짐으로 발생할 수 있는 문제에 대해 알아보자.

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사례1 - 최종 과열기 출구(Final Superheater Outlet)

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우리가 지난 시간 앞서 공부했듯이 (Final) Superheater Outlet에서 BP와 BEP가 구분됨을 알 수 있었다. 사실 실제 공사를 수행하면 보일러 엔지니어는 그런 구분에 대해 민감해하지 않는다. 그 이유는 보일러 설계 수행 시 PPA(Pressure Part Arrangement)Drawing이라는 아주 훌륭한 정보를 제공하기 때문이다.

즉 PPA 도면에 표기되는 부분만 BP로 간주한다. PPA에 표기되지 않고 GA(General Arrangement) 도면에만 표기되면 그것은 BEP 또는 Non-BEP임을 우리는 쉽게 알 수 있다.

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아래 그림은 일반적인 HRSG의 Final Superheater Outlet을 나타낸다.(HRSG는 Heat Recovery Steam Generator의 약자로써 가스터빈 출구의 고온의 가스를 이용하여 스팀을 생성하는 열교환 장치를 말한다.)

그림 1은 우리가 실제 공사에서 사용하는 BP와 BEP의 경계이다. 즉 PPA에서는 Header, Branch, Manifold를 포함하며, Terminal Point를 지난 BEP 부분은 표현되지 않는다.

(BEP는 GA(General Arrangement) 도면에서 확인할 수 있다.)

그러나 PG-58을 살펴보면 BP와 BEP의 경계는 아래 그림 2와 같이 헤더 노즐에서 구분되어야 할 것 같다.

그럼 왜 보일러 OEM(Original Equipment Manufacturer)은 그림2와 같이 구분하지 않고 그림 1과 같이 구분

하여 적용하는가?

(아래는 나름대로 필자가 상상하는 이유이며 보일러 OEM에게 확인된 바는 없습니다. ^^)

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나름대로 상상하는 이유 1

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TP(Terminal Point)를 보일러(HRSG) 내부로 끌고 들어오면 귀찮은 일이 많이 발생할 수 있다. 배관 입장에서 보면 잘 알지 못하는 보일러 내부구조도 파악하여야 하며 헤더 지지구조 등 내부기기와의 간섭 검토 및 Enclosure 또는 Casing Penetration(관통부) 설계에도 관여하여야 한다.

분명 배관 엔지니어는 이러한 추가 업무가 부담스러울 수 있으며 효율적이지도 않다.

(이는 Drain 또는 Vent Line)에도 동일하게 적용된다. 일반적으로 Drain 또는 Vent Line Enclosure 또는 Casing 밖에서 TP를 정한다. 물론 TP를 그림2와 같이 Header Nozzle에서 정하는 OEM도 존재한다. 그러나 대부분의 OEM들은 그림1과 같이 진행하고 있다.)

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나름대로 상상하는 이유2

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두 번째 이유는 경제적인 이유이다. 그림 1과 같이 Manifold가 BP로 적용되면 Manifold Branch Pipe의 Connection Welded Type의 노즐을 적용한다. 그러나 그림2와 같이 Manifold가 BEP로 적용되면 일반적으로 배관 PMC(Piping Material Class) 문서에서 Branch Connection이 Tee로 적용된다.

Final SH Outlet Manifold는 10~14인치 크기로 고온 고압을 받는 부분이므로 P91/92 등의 고가의 재질을 사용한다. 따라서 노즐을 사용하는 것에 대비하여 Tee를 적용하면 상당한 금액의 경제적 비용을 지불해야 하므로 비효율적이고 타사 대비 경쟁력을 저하시키는 요인이 될 수 있다.

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사례2 - 인위적인 BEP와 Non-BEP의 구분

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두 번째 사례는 인위적으로 BEP와 Non-BEP를 구분하는 경우이다.

아래 그림을 보면 BEP는 터빈 밸브까지이다. 그러므로 BEP는 보일러 헤더에서 출발하여 터빈 밸브까지 경로를 상상하면 상당한 물량이 됨을 알 수 있다.

ASME Stamping 공사에서 BEP는 ASME 재질을 사용해야 하고 Non-BEP의 경우는 ASTM 재질을 사용하면 된다. 일반적으로 ASME 재질이 ASTM 재질보다 단가가 높은 경우 중간에 Block Valve를 삽입하여 Valve를 기준으로 BEP와 Non-BEP를 인위적으로 구분할 수 있다. Block Valve Downstream으로 ASME 재질 대신 ASTM 재질을 적용하여 공사를 진행하는 것이 Block Valve의 가격보다 경쟁력이 있을 경우 적용할 수 있겠다.