고압/고온으로 운전하는 플랜트 배관의 열팽창과 하중을 제어하는 장치 중에서 Spring Support를 어떻게 제어하느냐에 따라 플랜의 수명이 결정됩니다. 배관의 Movement를 유연하게 지지하면서 시스템의 안정성을 유지하기 위해, Stress Engineer라면 반드시 완벽하게 숙지해야 할 Constant Spring과 Variable Spring의 주요 특징과 본질을 정리합니다.
1) Constant Spring (이하 C.S) 소개
배관을 Support를 하는 지점에서 Cold Load (Sustain Load)와 Hot Load (Operating Load)의 차이가 거의 없도록 Spring Mechanism 을 통해 하중을 일정하게 지지하도록 하는 Support입니다. Plant 운전시 Pipe의 Movement가 발생되는데 이때 변동되는 배관 하중이 다른 Pipe System, 장치 Nozzle로 이동하지 못하도록 적절하게 제어하게 하는 Support입니다.
배관의 열팽창으로 인해 변위(Movement)가 발생하더라도 하중의 변화가 거의 없도록 설계되었습니다. 변동되는 배관 하중이 인접한 다른 배관 시스템이나 예민한 장치의 Nozzle로 전가되는 것을 원천 차단하는 역할을 합니다.
Power Piping에서는 주요 장치(STG, Steam Header, Feed Water Pump 등) Nozzle 근처 또는 고온
Steam Line에 주로 사용되고 있습니다. 또한 Pipe Vertial Movement가 50mm 이상이고, Hot Load 와 Cold Load의 하중 변화가 큰 경우도 사용되고 있습니다. Variable Spring에 비해 가격이 고가이기 때문에 설계의 경제성을 고려하여 판단해야 합니다.
2) Variable Spring (이하 V.S) 소개
Critical Line에 비해 상대적으로 덜 중요한 Line에 주로 설치합니다. 장치의 Allowable Nozzle 을 만족시키게 하거나, Tank의 Settlement에 대응하기 위해 V.S을 추가합니다. Spring Can이 C.S에 비해 아담하므로, 설치 공간이 부족한 경우에 많이 사용되고 있습니다.
화공 플랜트는 발전 플랜트에 비해 고온/고압 라인이 상대적으로 적어서 Variable Spring을 많이 사용합니다.
"전 시 배관이 위로 들리는(Lift-up) 지점에는 Spring Support가 필수적입니다. 열을 받아 위로 솟구치는 배관을 억지로 누르기만 한다면, 하중이 다른 곳으로 이동되는데 결국 약한 장치의 노즐을 파괴하고 말 것입니다. Spring은 배관이 움직일 수 있는 '여백'을 제공함으로써 역설적으로 시스템을 보호합니다.
또한, Spring Support는 이론적으로 마찰계수(μ = 0)가 존재하지 않는 자유로운 지지점입니다. 마찰이 없다는 것은 하중을 흡수하지만, 배관의 특정 방향 흐름을 잡아주지는 못한다는 뜻이기도 합니다.
결국 훌륭한 Stress Engineer란, 전체 배관 계통의 거동을 제어할 수 있는 적절한 지점에 Spring을 효과적으로 배치하여 시스템의 안전성을 보증하는 일종의 보험 설계사와 같다고 볼 수 있겠습니다.
감사합니다.