배관 설계 및 응력 해석(Piping Stress Analysis) 작업을 진행하다 보면, 프로젝트 SPEC.에서 Liberal Allowable Stress라는 문구를 종종 접하게 됩니다. 일반적으로 EPC 수행사에서 직접 작성하여 발주처(Owner) 승인을 받는 Stress SPEC.에서는 별도로 제약하지 않고 넘어가기도 하지만, 엄격한 화공 프로젝트 SPEC. 등에서는 "Liberal Allowable Stress 적용을 삼갈 것(Shall not be used)"이라는 명시적 문구가 들어가는 경우가 있습니다.
The effect of cyclic loadings over the 20-year design life shall be considered in fatigue and reduction of allowable stress value. During initial round(s) of stress analysis, refrain from applying the liberal allowable for qualifying expansion stress as suggested in paragraph 302.3.5 eq. (1b) of B31.3
실무에서 왜 이 개념을 정확히 이해하고 검토해야 하는지 정리해보았습니다.
1. ASME B31.3 기준의 Liberal Allowable Stress란?
ASME B31.3 코드에서 허용 변위 응력 범위($S_A$, Allowable Displacement Stress Range)를 산정할 때 기본적으로 적용하는 식은 (1a)입니다.
Notes)
1) Sc : basic allowable stress at MIN. metal TEMP. expected during the displacement cycle under analysis
2) Sh : basic allowable stress at MAX. metal TEMP. expected during the displacement cycle under analysis
3) SL : stress due to sustained loads
상대적으로 허용치가 있는 Liberal Allowable Stress을 실수로(?) 사용 후 Stress Review를 통해서 발견된다면 문제가 커지게 됩니다. 따라서 공사 초반 외부에서 작업된 Caesar2 파일이 있다면 확인이 필요하며, 향후에 있을지도 모르는 Stress Review 또는 Audit에 대응할 수 있습니다.
하지만 지속 하중(Sustained Load)으로 인한 응력 SL이 운전 온도 허용 응력 Sh보다 작은 여유가 있는 상황이라면, 그 차이만큼(Sh - SL)을 변위 응력 범위에 더해 사용할 수 있도록 허용합니다. 이것이 바로 식 (1b)인 Liberal Allowable Stress입니다.
Liberal 적용 식 (1b):
SA = f [1.25(S_c + S_h) - S_L]
즉, 지속 하중(Sustain) 항목에서 남은 응력 마진을 열팽창(Expansion) 허용치로 돌려써서, 결과적으로 상대적으로 여유 있는(Liberal) SA 값을 얻게 되는 원리입니다.
2. 실무에서 발생하는 리스크와 대응 방안
CAESAR II와 같은 응력 해석 프로그램에서는 옵션 체크 하나로 이 Liberal 규정을 손쉽게 켤 수 있습니다. 하지만 설계를 진행하는 과정에서 이를 오용하거나 방심하면 향후 프로젝트 후반부에 치명적인 문제로 이어집니다.
1) Stress Review 및 Audit에서의 리스크
초기 설계 단계에서 계산 결과를 통과시키기 위해(Pass) 의도적으로, 혹은 실수로 Liberal 옵션을 활성화해 검토를 마치는 경우가 있습니다. 이후 발주처의 Stress Review나 외부 Audit 과정에서 SPEC. 위반으로 지적받게 되면, 이미 확정된 배관 루팅(Routing)과 지지대(Support) 설계를 대대적으로 수정해야 하는 불상사가 발생합니다.
2) 외주/협력사 CAESAR II 파일 검토 필수
공사 초반 외부 엔지니어링사나 협력업체에서 작업되어 넘어온 CAESAR II 파일이 있다면, Input Data 및 Configuration 옵션에서 Liberal Allowable Stress 적용 여부를 반드시 최우선으로 확인해야 합니다.
3) Caesar2에서는 Default로 Liberal Allowable Stress 사용하지 않는 것으로 되어 있으며, 확인 방법은 다음과 같습니다.
(1) Caesar2에서 [Special excution options]를 Click 합니다.
(2) Speical Excution Paraterter에서 [Liberal Stress Allowble] Check Box를 Check가 되어 있는지 확인합니다. (Check 시 적용됨)
3. 구조화의 관점에서 바라본 설계의 엄격함
엔지니어링에서 '여유'를 어떻게 활용할 것인가는 단순한 수식 계산 이상의 의미를 가집니다. 코드가 허용하는 유연함이 존재하더라도, 프로젝트가 담보해야 하는 구조적 안전성과 발주처의 SPEC. 기준은 또 다른 영역이기 때문입니다.
초기에 편의를 위해 넘겨짚은 작은 설정 하나가 전체 구조 시스템의 신뢰도를 흔들 수 있습니다. 시스템 구축과 모델링의 기본은 기술적 옵션을 맹목적으로 누르는 것이 아니라, 그 옵션 뒤에 숨은 규칙과 리스크를 명확히 구조화하여 사전에 통제하는 데 있습니다.
감사합니다.