압력용기 설계는 단순한 치수 계산을 넘어, 소재의 기계적 특성과 환경 조건을 고려한 허용 응력(Allowable Stress)의 선정이 핵심 요소입니다. 특히 ASME BPVC Section II, Part D에서는 각 재료별 허용 응력을 철저히 규정하고 있으며, 이 수치는 압력용기의 최소 두께 산정, 용접설계, 시험압력 선정 등 전 과정에 영향을 미칩니다. 본 글에서는 허용 응력의 개념, 선정 기준, 코드 적용 방식, 실무 적용 사례 등을 체계적으로 분석합니다.
허용 응력(Allowable Stress)의 정의와 역할
허용 응력은 특정 재료가 정상 작동 조건에서 장시간 하중을 받아도 손상이나 파괴 없이 견딜 수 있는 최대 응력값을 의미합니다. 이는 압력용기 벽 두께를 계산할 때 기준이 되며, 부적절한 허용 응력 적용은 과도한 재료 비용 또는 구조적 위험으로 이어질 수 있습니다. ASME BPVC에서는 이 허용 응력을 S값으로 정의하며, Section II, Part D의 표를 통해 재료별로 구체적인 수치를 제공합니다.
허용 응력은 다음과 같은 기준으로 설정됩니다:
- 항복강도 또는 인장강도의 일정 비율 (예: 2/3 Sy 또는 1/3 Su)
- 장기 크리프 및 파괴 특성 (고온 조건 적용 시)
- 재료의 열처리 상태 및 ASTM 등급
설계자는 허용 응력을 기반으로 내부 압력에 견디기 위한 최소 벽 두께를 산정하며, 이 수치는 내부식성, 용접부 효율, 부식 여유 등을 반영해 보정됩니다. 허용 응력이 클수록 얇은 벽 두께 설계가 가능하지만, 너무 높은 값은 안정성에 악영향을 미칠 수 있기 때문에 항상 보수적 접근이 요구됩니다.
ASME Section II, Part D의 허용 응력 표 해석법
ASME BPVC Section II, Part D는 모든 금속 재료의 허용 응력을 표 형식으로 제공하며, 이 표는 다음과 같이 구성됩니다:
| 항목 | 내용 |
|---|---|
| 재료 규격 | 예: SA-516 Gr.70, SA-240 Type 304 등 |
| 열처리 조건 | 열간압연, 어닐링 등 상태에 따른 구분 |
| 사용 온도 | -20°F ~ 1500°F까지 온도 구간별로 정리 |
| 허용 응력값 | 온도별로 psi 또는 MPa 단위로 제공 |
설계자는 사용 온도와 재료 상태에 따라 해당 표에서 정확한 허용 응력을 찾아야 하며, 이 값은 설계 압력 및 최소 두께 계산식에 직접 대입됩니다. 예를 들어, SA-516 Gr.70 재질을 100°C에서 사용할 경우 허용 응력은 약 20.0 ksi(137.8 MPa) 수준입니다. 고온일수록 크리프 특성을 고려해 허용 응력은 낮아지며, 일부 재료는 특정 온도 이상에서 사용이 금지되기도 합니다.
설계 시 허용 응력 적용 방식과 보정 요소
허용 응력은 기본적으로 최소 벽 두께 계산에 사용되며, 다음과 같은 공식에 포함됩니다:
- t = (P × R) / (S × E - 0.6P)
여기서 t는 두께, P는 설계 압력, R은 내부 반경, S는 허용 응력, E는 용접 효율입니다.
이때 적용되는 허용 응력 S는 다음의 영향을 받을 수 있습니다:
- 재료 등급: 같은 이름의 재료라도 ASTM 등급에 따라 허용 응력 차이 발생
- 사용 온도: 고온일수록 응력 감소율 증가
- 열처리 상태: 노멀라이징, 어닐링 여부에 따라 값이 달라짐
- 코드 개정: 매년 또는 주기적으로 허용 응력 수치가 변경될 수 있음
예를 들어, SA-240 Type 316L은 일반적인 부식 방지용 스테인리스지만, 600°F 이상에서는 응력이 급감하여 고온용 설계에는 적합하지 않습니다. 이런 경우 고온용 니켈 합금 재질을 사용하는 것이 일반적이며, 설계자는 항상 최종 설비 운전 조건을 기준으로 응력을 선정해야 합니다.
실무 사례를 통한 허용 응력 선정 실전 팁
실무에서는 재료선정부터 응력 산정까지 연계되어 이루어지며, 다음과 같은 절차를 따릅니다:
- 운전 온도 및 압력 확인
- 재료 사양 및 공급 가능성 검토
- ASME 허용 응력 표에서 해당 재료의 S값 확인
- 두께 계산 및 설계 허용치와 비교
예를 들어, 화학 플랜트의 고온 고압 반응기 설계 시, SA-387 Gr.22 Cl.2 합금강을 채택하고, 600°F에서 허용 응력 약 20 ksi를 적용해 벽 두께를 산정합니다. 이후 내부식성 보완이 필요한 경우 추가 라이닝을 검토하거나, 허용 응력이 더 높은 Inconel, Hastelloy 계열로 대체할 수도 있습니다.
주의할 점은 설계자가 ASME Section II, Part D의 최신 개정판을 기준으로 해야 하며, 구버전의 응력값을 그대로 적용할 경우 코드 위반 및 안전성 저하가 발생할 수 있다는 점입니다. 또한 E(용접 효율), C(부식 여유), Q(열처리 특성계수) 등도 함께 고려되어야 하는 종합적 접근이 필요합니다.
결론: 정확한 허용 응력 선정이 설계 안전성의 핵심
압력용기의 설계에서 허용 응력(Allowable Stress)은 단순한 참고 수치가 아니라, 전체 구조 안전성과 비용 효율성을 결정짓는 중심 변수입니다. ASME BPVC는 각 재료의 물성, 사용 조건, 온도별 성능을 반영한 정확한 응력 수치를 제공하고 있으며, 이를 바탕으로 한 설계는 국제적인 안전 기준을 충족할 수 있습니다.
설계자는 항상 운전 조건에 맞는 S값을 선정해야 하며, 여기에 용접 방식, 열처리 조건, 환경적 부식 요인까지 포함한 종합 설계가 요구됩니다. 특히 고온 고압 조건에서는 장기 신뢰성까지 고려해 크리프, 응력완화, 피로계수까지 반영해야 하는 복합적인 판단이 필요합니다. 실무에서의 안전 사고 예방은 정확한 코드 해석과 허용 응력의 올바른 적용에서 출발하며, 지속적인 최신 개정 기준 확인과 실무 경험의 축적이 필수입니다.
다음 콘텐츠에서는 “압력용기에서 노즐과 개구부의 응력 해석 및 보강 패드 설계 기준”에 대해 다룰 예정입니다. 필요하시면 바로 이어서 작성해드리겠습니다.