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압력용기 설계 및 두께 계산 가이드

압력용기(Pressure Vessel)란 용기의 내면 또는 외면에서 일정한 유체의 압력을 받는 밀폐된 용기를 말합니다. 압력을 가진 각종 유체를 저장, 취급, 반응, 열교환 등의 작업이 이루어지는 장치입니다.

1. 압력용기의 개요

일반적으로 대기압을 초과하는 압력을 보유하는 용기를 말하며, 압력을 발생하는 것은 기체 또는 액체로 이러한 압력 유발 물질을 담는 용기를 압력용기라고 합니다.

압력용기의 구조는 동체(Shell), 경판(Head), 관판(Tube Sheet), 노즐(Nozzle), 플랜지(Flange), 전열관(Tube) 등으로 이루어져 있습니다.

1.1 압력용기의 구분

압력용기는 적용 법규, 기능, 동체 형상 등에 따라 여러 가지로 구분됩니다.

적용 법규정에 따른 분류

• 갑종 압력용기: 설계압력이 게이지 압력으로 0.2 MPa를 초과하는 화학공정 유체취급 용기와 설계압력이 1 MPa를 초과하는 공기 또는 질소취급용기.
• 을종 압력용기: 갑종 압력용기를 제외한 용기.

기능에 따른 분류

• 가열용 기기: 열교환기, 온수가열기, 증자기 등.
• 반응용 기기: 반응기, 반응탑 등.
• 성분분리용 기기: 증발기, 증류탑, 추출기 등.
• 고온 압력 유체 보유 기기: 스팀 어큐뮬레이터, 플래시 탱크 등.

동체 형상에 따른 분류

• 원통형 용기: 가장 일반적으로 이용되며, 응력 집중을 최소화하기 위해 사용.
• 구형 용기: 내용물을 균일하게 혼합, 교반하기 위한 구형.
• 각형(상자형) 용기: 낮은 압력의 소독기, 다단식 취사기 등에 사용.

2. 압력용기의 주요 구조부분

압력용기의 주요 구조부는 다음과 같습니다.

• 동체(Shell): 내용물을 담고 압력을 받는 주요 부분.
• 경판(Head): 용기의 끝 부분을 막는 부분.
• 관판(Tube Sheet): 열교환기에서 관을 지지하는 원형판.
• 노즐(Nozzle) 및 플랜지(Flange): 유체의 입출구 역할을 하는 부분.
• 전열관(Tube): 열전달이 이루어지는 관.
• 받침대(Support): 압력용기를 지지하는 부재.

비압력 부위로는 받침대(Support), 리프팅 러그(Lifting Lug) 등이 있습니다.

3. 압력용기의 검사

압력용기는 안전한 사용을 위해 다양한 검사를 받아야 합니다.

3.1 검사 종류별 시기 및 대상

• 설계검사: 제작 전 설계의 적합성을 확인.
• 성능검사: 제작 중 또는 출고 전 성능 확인.
• 정기검사: 사용 중 주기적인 검사 (2년마다 1회 등).
• 자체검사: 사용 중 자체적으로 실시하는 검사.

3.2 압력용기의 검사 면제 대상

일부 압력용기는 특정 조건 하에서 검사가 면제될 수 있습니다.

4. 압력용기의 재해유형 및 대책

압력용기 사용 중 발생할 수 있는 재해 유형과 그에 따른 대책을 알아봅니다.

4.1 제1종 압력용기

주요 재해 유형은 본체 파열, 폭발 등이 있으며, 대책으로는 안전밸브의 기능 유지, 작업자 교육 등이 있습니다.

4.2 제2종 압력용기

주요 재해 유형은 파열, 폭발 등이 있으며, 대책으로는 구조적 안전 확보, 안전밸브 기능 유지 등이 있습니다.

5. 안전기준 및 작업 전 점검사항

압력용기의 안전한 사용을 위해 작업 시작 전 다음 사항을 점검해야 합니다.

• 압력용기의 외관 상태 점검 (누설 여부, 부식 상태 등)
• 드레인 밸브의 조작 및 배수 상태 점검
• 압력방출 장치 기능 점검
• 안전밸브의 상태 점검
• 윤활유 상태 점검
• 회전부 덮개 또는 울 상태 점검
• 기타 연결 부위의 이상 유무 점검

6. 압력용기의 설계 및 두께 계산

압력용기의 두께 계산은 적용 규격에 따라 다르게 주어지며, 여기서는 ASME Sec.VIII, Div.1에 근거하여 소개합니다.

6.1 내압에 대한 동체의 두께 계산

원주 방향의 응력에 의한 최소 두께 (길이 이음부), per UG-27(c)(1):

$$ t = \frac{P \cdot R}{S \cdot E - 0.6P} $$

여기서:

• P: 설계 압력
• R: 부식 후의 동체 반경
• S: 허용 응력
• E: 이음 효율

동체 두께 계산기

재질 선택: 재질을 선택하세요 A516-70 A106-B SUS304 설계 온도 (℃): 설계 압력 P (MPa): 부식 후 반경 R (mm): 이음 효율 E: 1.0 (100%) 0.85 (85%) 0.7 (70%) 부식 여유 CA (mm):

6.2 내압에 대한 경판의 두께 계산

2:1 타원형 헤드의 최소 두께 계산 공식:

$$ t = \frac{P \cdot D}{2 \cdot S \cdot E - 0.2P} $$

여기서:

• D: 부식 후의 경판의 내경

헤드 두께 계산기

재질 선택: 재질을 선택하세요 A516-70 A106-B SUS304 설계 온도 (℃): 설계 압력 P (MPa): 부식 후 내경 D (mm): 이음 효율 E: 1.0 (100%) 0.85 (85%) 0.7 (70%) 부식 여유 CA (mm):

6.3 허용 응력 값 참고표

재질별 허용 응력 값은 설계 온도에 따라 다릅니다. 아래 표는 주요 재질의 허용 응력 값을 보여줍니다.

재질 (Material)	최대 허용 응력 (kgf/cm²)
	-20 ~ 100℃	150℃	200℃	300℃	400℃
A516-70	1406.2	1406.2	1406.2	1406.2	1406.2
A106-B	1202.3	1202.3	1202.3	1202.3	1202.3
SUS304	1406.2	1174.2	1054.6	970.3	899.9

7. 노즐 목 두께 계산

노즐 목의 두께는 다음 공식을 사용하여 계산됩니다:

$$ t = \frac{P \cdot R_{ni}}{100 \cdot S_n \cdot E_n - 0.6P} + CA $$

여기서:

• R_ni: 노즐의 반경
• S_n: 노즐 재질의 허용 응력
• E_n: 노즐의 이음 효율
• CA: 부식 여유

노즐 목 두께 계산기

재질 선택: 재질을 선택하세요 A516-70 A106-B SUS304 설계 온도 (℃): 설계 압력 P (MPa): 노즐 반경 R_ni (mm): 이음 효율 E_n: 1.0 (100%) 0.85 (85%) 0.7 (70%) 부식 여유 CA (mm):

8. 탱크 부피 계산기

압력용기의 용량을 계산하기 위해 탱크 부피 계산기를 사용할 수 있습니다.

탱크 부피 계산기

탱크 형태 선택: 탱크 형태를 선택하세요 원통형 직사각형

반경 R (mm): 높이 H (mm):

길이 L (mm): 너비 W (mm): 높이 H (mm):