A Study on Program Development for Pipe Hanger & Support Design in Plant

플랜트 배관지지대의 설계 프로그램 개발에 대한 연구

Abstract

This study aims to present a method for reducing human error, time spent on design, and waste of design manpower when designing plant pipe hanger & support using sketches based on piping and steel structure drawings in plant. The method involves organizing the pipe hanger & support design process based on codes and standards and developing a program to facilitate this. The design of whole plant systems, including pipe hangers & supports, is conducted within 3D plant CAD software that applies BIM (Building Information Modeling). All attribute information of the pipe hanger & support is digitized as a digital asset, and the design is executed as an add-in module. This module is then used for BOM(generating Bill of Materials) and installation drawings, which are essential for the fabrication and on-site installation of pipe hangers & supports.

1. 서론

배관지지대(Pipe hanger & support)는 플랜트의 배관을 지지하기 위해 사용하는 기자재 중의 하나이다. 플랜트를 시공하기 위해 사용하는 기자재는 지역의 기후, 온도, 토양 및 간헐적으로 발생하는 자연 재해 등에 따라 설계, 제작 및 설치 등의 방법이 코드(Code)나 표준(Standard)에 정의되어 있다.^1~7) 발전, 화공, 오일 생산 등 플랜트의 활용 목적 및 방법에 따라 동일한 표준 내에서도 설계 및 제작, 검사, 시공, 유지보수 및 관리 등의 방법에 차이가 있다. 플랜트의 시공을 위해 사용하는 기자재인 만큼 활용하는 코드나 표준, 혹은 규정 역시도 플랜트가 건설되는 지역과 환경 조건에 따라 다양하게 적용된다.⁸⁾

기존의 배관지지대 설계 프로그램은 코드와 표준을 적용하지 않고 배관지지대 설계를 수행할 수 있는 배관의 정보와 해석 결과만을 적용하여 설계를 수행하였다. 그로 인해 배관지지대를 설계하는 코드와 표준이 명확히 정의되지 못하였고 코드와 표준에서 요구하는 설계 방식을 적용하기 위해서는 별도의 수작업을 통해 수행할 수 밖에 없기 때문에 다양한 코드와 표준을 바탕으로 사용자의 설계 노하우를 적용하여 프로그램을 처음 사용하는 배관지지대 설계자라도 쉽게 활용할 수 있도록 프로그램을 개발하는 것이 중요하다.

배관지지대 설계 프로그램을 활용하여 설계된 배관지지대는 Fig. 1과 같이 철구조물을 활용하여 배관을 지지하는 배관지지대가 설계와 동일한 형상으로 현장에 설치되는 것을 확인할 수 있다.

Fig. 1 Hanger & support installation

본 논문에서는 배관지지대를 설계할 때 BIM을 기반으로 수행하는 배관지지대 설계 코드와 표준을 적용하여 3D CAD 내에서 배관지지대 설계를 수행할 수 있는 프로그램을 개발하고자 하였고 Fig. 2에서와 같이 배관지지대 설계를 위한 환경을 설정하는 부분, 배관지지대 설계 환경을 활용하여 배관지지대를 3D CAD 내에서 설계하는 부분, 그리고 배관지지대 설계 자료를 활용하여 배관지지대의 제작과 설치에 적용하기 위한 후처리 부분 총 세가지로 나누어 개발되었다. 본 연구 결과는 플랜트 전체 설계시 설계의 개정이 빈번히 수행되는 가장 후속 업무로써 발생할 수 있는 인적 오류, 시간 및 인적 자원 낭비를 줄이기 위해 활용될 수 있다.

Fig. 2 Hanger & support modeling program diagram

2. 프로그램의 전체 구성

배관지지대 설계 프로그램은 플랜트 설계 캐드인 AVEVA사의 Everything 3D(이하 E3D) 내에서 애드인(Add-in) 형태로 개발되었다.

배관지지대 설계 프로그램은 AVEVA E3D 내에서 사용하는 고유의 컴퓨터 언어인 PML(Programmable Macro Language)을 사용하여 개발되었다. Fig. 3에서와 같이 배관지지대의 설계를 위해 선정 기준을 표준화하여 사용자에 맞추어 데이터베이스에 저장한다. 배관지지대의 외곽 형태와 속성을 카탈로그화 하여 데이터베이스에 저장 후 배관지지대를 개발된 프로그램을 활용하여 설계한다. 설계된 배관지지대는 데이터베이스에 저장되고 저장된 설계자료는 다시 한 번 물량 산출과 배관지지대의 도면을 출력하기 위해 활용된다.⁹⁾

Fig. 3 Logical working process diagram

AVEVA E3D 프로그램은 그래픽 사용자 인터페이스(GUI, Graphic User Interface) 내에 사용자의 설계 용이성을 위해 Fig. 4와 같이 배관지지대 설계 프로그램을 리본바(Ribbon bar)를 제공하여 배관지지대 설계 프로그램도 리본바 내에서 실행될 수 있도록 사용자 환경을 개발하였다.

Fig. 4 Hanger & support modeling program on ribbon bar in AVEVA Everything 3D

AVEVA E3D 프로그램은 프로그램 관리를 위해 Table 1과 같이 Admin, Catalog, Design, Draw 등으로 크게 나누어진다.

Table 1. Configuration of AVEVA Everything 3D

배관지지대 설계 프로그램은 Design 모듈과 Draw 모듈 단계에서 설계 전 환경 설정, 배관지지대의 상세 설계, 그리고 배관지지대 설치 도면 생성의 목적으로 프로그램이 각각 개발 되었다.

국제 코드와 표준을 바탕으로 다양한 EPC 업체의 경험과 노하우를 적용하여 가장 보수적인 방법부터 다양한 환경 설정을 통해 배관지지대를 설계하고자 하였다.

배관지지대는 Fig. 5와 같이 환경 설정 창을 통해 배관지지대를 설계하기 이전에 배관지지대 설계 조건을 설정할 수 있다.

Fig. 5 Enviornmental setting window prior to design pipe hanger & support

환경 설정이 완료된 후 Fig. 6의 창을 활용하여 배관지지대에 대한 상세 설계를 수행한다.

Fig. 6 Detail design window for pipe hanger & support

상세 설계 과정에서 사전에 설계된 배관과 주변의 철 구조물에 대한 정보를 수집하여 배관해석을 통해 출력된 하중 및 변위 정보를 활용하여 배관지지대를 상세하게 설계할 수 있다.

3D로 설계된 배관지지대는 디지털 자산(Digital Asset)으로 Everything 3D 자체 데이터베이스에 저장되게 되고 저장된 설계 데이터를 활용하여 Draw 모듈 환경에서 배관지지대의 도면을 출력하게 된다.

본 논문에서는 배관지지대 설계 프로그램 중 Design 모듈 단계에서 배관지지대를 설계하기 전에 국제 코드와 표준, 그리고 배관지지대 설계 엔지니어의 노하우를 표준화한 데이터로 사용자 환경을 정의하고자 한다.

3. 배관지지대 설계의 표준화

배관지지대를 설계하기 위한 환경 설정은 Fig. 5의 환경설정 창을 통해 수행할 수 있다. 리스트된 설정 내용은 배관지지대 설계에 반드시 필요한 기술 기준(Technical criteria)으로 다양한 코드와 표준, 그리고 배관 설계 엔지니어의 경험적 노하우로 표준화(Standardization)되어야 올바른 배관지지대가 선정되고 설계될 수 있다.

3.1 스프링(Spring)의 선정 조건

배관 내에 흐르는 유체의 온도에 의해 배관의 열 변위가 발생할 때 배관계에 열 응력이 발생하게 된다. 이 과정은 배관의 응력 해석으로 배관을 지지하는 각각의 위치에서 하중(load)과 변위(movement), 그리고 모멘트(moment)를 계산할 수 있다.¹⁰⁾

Table 2와 같이 배관지지대에 가해지는 하중의 종류(Static / Dynamic)에 따라 배관지지대를 선정할 수 있는 기준이 달라지게 되고, 배관지지대로 사용하는 기능성 제품인 정하중용 스프링(Spring)과 동하중용 제품의 사용 유무와 그 종류를 주어진 해석 결과에 따라 선정할 수 있다.

Table 2. General pipe hanger & support selection table¹¹⁾

배관 해석의 결과로 배관지지대의 위치에서 50(mm)이상의 변위가 발생할 때 Constant Hanger를, 50(mm) 이하에서는 Variable Hanger를, 변위가 0 일 때 Rigid Hanger를 설계하여 배관의 안정성(Stability)을 도모하는데¹¹⁾ 50(mm)를 초과하는 변위를 적용한 상업용 코일 스프링은 영구변형이 발생하기 때문에 경험적으로 적용한 결과값이다.

가변 하중지지대(Variable spring support)의 경우 하중의 가변 효과를 요구하는 지지위치에 적용되는데 배관의 최대 변위가 발생할 때 변화율 인자(Variability Factor)가 25%보다 크면 안되므로 Fig. 5의 ‘1. Spring condition, Permissible range of variability’를 통해 정의할 수 있도록 하였다.^1~7)

\(\begin{align}\begin{array}{l}\text { Variability }= \\ \frac{\text { pipetravel }(\mathrm{mm}) \times \text { springrate }(\mathrm{N} / \mathrm{mm})}{\text { operatingload }(\mathrm{N})}\end{array}\end{align}\)       (1)

등하중지지대(Constant spring support)는 배관지지대 위치에 열변위로 인해 하중이 변경되더라도 일정한 하중을 요구할 때 적용되고 가변성 기구학적 방식이나 보조 스프링을 이용하여 마찰 등으로 발생하는 평균 변화량이 전 행정에 거쳐 6% 이하가 되어야 한다.^1~7)

\(\begin{align} \begin{array}{l}Deviation=\\\frac{\text { Max.movement }(\text { down })-\text { Min.movement }(u p)}{\text { Max.movement }(\text { down })+\text { Min.movement }(u p)}\end{array}\end{align}\)       (2)

스프링은 인장 및 복원 시 현장해서 최소 10%의 하중이 양쪽 방향에서 조정 가능해야 하므로 설계시에도 20%의 마진을 제공한다. 배관지지대 설계 엔지니어의 경험적 설계 조건 반영을 위해 정수로 추가적인 마진을 제공할 수 있도록 Fig. 1의 ‘1. Spring condition’에서 아래와 같이 정의하였다.

Travel reserve for constant spring: A.T. × (1.2) + (20)(mm)

Travel reserve for variable spring: A.T. × (1.2) or (5)(mm)       (3)

가변하중 스프링의 하중 유형(Input load type for varialbe spring)은 저온에서 고온으로, 혹은 고온에서 저온으로 변화하는 배관의 온도에 따라 발생하는 배관의 열응력 해석 기법이 달라 그 유형을 달리하여 Fig. 5의 ‘1. Spring condition, Input load type for variable spring’에서 정의하도록 하였다.

3.2 오프셋(Offset)의 적용

플랜트가 설계 기준에 따라 시공이 완료된 이후 가동하게 되면 Fig. 7와 같이 배관 내에 흐르는 유체의 온도가 변화하게 되면(좌→우) 배관은 열 변위를 발생하게 되고 배관을 지지하는 배관지지대 역시 배관의 변위 방향에 따라 동일하게 거동하게 된다.

Fig. 7 Pipe hanger motion according to thermal movement of pipe

배관의 열변위에 따른 배관지지대의 회전 각도는 배관지지대를 구성하는 각각의 제품과 철구조물과의 조립을 위해 수행하는 용접의 안정성에 많은 영향을 끼친다.¹³⁾ 일반적으로 허용 회전 각도(Permissible angle)는 4도로 정의하고 이를 초과할 때 수평 방향으로의 변위에 \(\begin{align}\frac{2}{3}\end{align}\) 비율(Offset ratio)을 적용한다. 비율을 적용한 이후에도 최대 허용 회전 각도(Limited angle) 3도를 초과할 경우, 되부름율(Recursive ratio)을 \(\begin{align}\frac{1}{2}\end{align}\)로 적용한다. 각각의 값을 프로그램에 적용할 수 있도록 Fig. 8와 같이 도식화 하였다.

Fig. 8 Technical criteria for offset

offset에 대한 기술 기준(Technical criteria)을 반영하여 배관의 열변위로 배관을 지지하는 배관지지대가 과도하게 기울어지는 현상을 방지하였다.

3.3 단일 고정 행어에서 제안되는 최소 로드 지름

Table 3은 단일 고정 행어(Rigid Hanger)에서 배관지지대가 설치되는 배관의 지름에 따라 제안되는 최소 로드 지름을 표현하였다.¹²⁾

Table 3. Recommended minimum rod diameter for single rigid rod hanger

배관의 열 응력과 배관 자체의 무게를 반영한 배관 응력 해석으로 배관지지대가 배관을 지지하는 하중이 결정되고 배관지지대 부품들은 허용 하중에 따라 선정되고 설계된다. 플랜트의 일반적인 가동 상태인 작동 하중(Operating load)을 적용하여 배관지지대를 설계하지만 보수적인 설계를 위해 추가적인 조합 하중(Combined load), 예를 들어 눈 하중(Snow load), 바람 하중(Wind load), 그리고 지진에 의한 동하중(Seismic load) 등을 반영하여 배관지지대를 설계해야 한다. 기능성 제품이 포함된 배관지지대는 추가적인 조합하중을 보상(compensation)할 수 있으나, 단일 고정 행어는 자재의 허용 응력만으로 제품이 설계되어 추가적인 하중을 보상하기 어렵기 때문에 최소 로드 지름을 코드나 표준에 따라 제안하고 엔지니어에 따라 주변 환경을 고려하여 제안된 단일고정 행어에서의 로드 지름 적용 여부를 판단하도록 하였다.

3.4 클램프 설계 공차

스트랩(strap), 배관, 튜브 등과 같은 원자재나 배관을 지지하기 위해 배관을 체결하는 클램프(Clamp)는 제작을 위한 공차(Tolerance)가 존재하고 Table 4에 정의되어 있다.¹²⁾

Table 4. Clamp tolerance

배관을 체결하는 클램프는 배관의 지름이 30인치 이상일 경우 클램프의 내부 지름이 749(mm)에서 775(mm)까지 제작이 허용, 표준화된 제품으로 인정되고 배관 역시 749(mm)에서 775(mm)까지 30인치의 표준화된 배관으로 인정된다.

클램프는 3D CAD 내에 설계된 배관의 실제 사이즈로 정확한 타입이 선택되어 30인치의 배관의 경우 762(mm)의 배관이어야 30인치에 맞는 클램프가 선정되고 정확히 762(mm)의 지름을 가진 배관이 아닐 경우 표준화된 클램프가 선정될 수 없고 추가적인 엔지니어링이 요구되는 별도의 클램프가 설계되어야 한다.

Table 4에 정의된 배관 지름에 따른 클램프의 공차를 적용하여 표준화되지 않은 배관의 바깥 지름에 대해서도 표준화된 클램프를 사용하여 Fig. 5의 ‘4. C lamp strap inner dia design tolerances[MSS SP-58]’을 통해 배관지지대에 대한 추가적인 설계 및 제작 예산을 줄일 수 있도록 하였다.

3.5 수압시험 시 배관지지대 응력 점검

플랜트가 시공 완료된 이후 배관을 포함한 프로세스 기기 등의 강도와 누설여부를 확인하기 위해 수압시험(Hydrostatic Test)을 수행한다.

플랜트 배관은 목적과 용도에 따라 물, 기름, 가스, 혹은 다상의 혼합유체가 흐르기도 하므로 가스가 흐르는 배관에 수압 시험을 위해 물이 흐를 경우 배관 응력 해석으로 계산된 배관지지대의 하중보다 클 수 밖에 없어 배관에 손상이 발생할 수 있다. 배관지지대의 안정성은 곧 배관의 안정성을 의미하므로 배관지지대의 안정성을 계산하여 배관의 건전성을 유지할 수 있다.

배관지지대의 안전성은 Fig. 9에서처럼 크게 세부분에서 확인할 수 있는데 배관과 배관지지대를 체결하는 클램프(Clamp), 클램프와 기능성 아이템을 연결하는 보조 부품(Accessaries), 그리고 철구조물과 배관지지대를 연결하는 철구조물 연결부품(Structural attachment)이다. 세가지의 배관지지대 부품에서 허용하중을 초과하지 않는 경우 수압시험으로 배관을 지지하는 배관지지대 위치에서의 하중이 증가하여도 배관지지대는 배관을 안전하게 지지할 수 있다.

Fig. 9 Pipe hanger configuration

배관지지대의 수압 시험 하중은 수압 시험 중 항복 강도의 80%로 허용 응력을 증가 시키는 것을 허용한다.^1),11) 배관지지대의 기본 재료인 ASTM A 36자재의 허용 응력 S_n = 15.2(ksi) 이다. 수압 시험 하중에 대한 A36 자재의 허용 응력은 S_h = 0.8 × 36 = 28.8(ksi)이다. 즉, 배관지지대의 최대 공칭 응력(Nominal load)에 대한 수압 하중의 비율은 S_h / S_n = 28.8 / 15.2 = 1.9가 된다.

이것은 배관지지대가 수압 시험 중 공칭 하중의 1.9배를 견딜 수 있다는 것을 의미하는 것으로 Fig. 5의 ‘5. Hydro test load check factor’로 적용하였다.

4. 결론

본 논문에서는 배관지지대 설계를 위해 설계 코드와 표준을 적용하여 3D CAD내에서 배관지지대 설계를 수행할 수 있는 프로그램을 개발한 결과 다음과 같은 결론을 얻었다.

1) 배관지지대는 배관과 철구조물, 그리고 주변 기기에 대한 공간 설계(layout) 도면으로 배관지지대의 설치 위치를 정의하고 주어진 기술 사양(Technical speicification)과 고객 설계 요구사항을 반영하여 기기 및 제품 간의 간섭을 피하는 방식으로 3D CAD를 활용하여 설계하였다.

2) 하나의 플랜트 설계에 약 300개에서 400개 정도의 배관지지대가 설치되는데 하나의 배관지지대가 설치될 때 마다 기술 사양 및 설계 요구사항을 공통적으로, 때로는 구체적으로 적용하여 반영하기는 매우 어려운 일이지만 본 프로그램을 통하여 설계시간을 단축하고 설계의 정확성을 확보 할 수 있었다.

3) 배관지지대 설계 프로그램을 개발할 때, 설계를 수행하기 전에 배관지지대의 기술사양을 환경 설정을 통해 모두 반영하고 구체적인 설계 요구사항도 적용할 수 있는 시스템을 구축하여 통합적인 배관지지대의 설계 환경을 구축할 수 있었다. 본 논문은 플랜트 내의 배관지지대 설계시 보다 다양한 고객의 설계 요구사항과 구체적인 기술 사양을 모두 만족할 수 있을 것으로 판단된다.

후기

이 논문은 2024 년도 국토교통부의 재원으로 국토교통과학기술진흥원의 지원을 받아 수행된 연구임 (RS-2022-00143644, 오일 생산플랜트의 패키지화 설계 및 통합실증 기술개발)