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압력용기 설계 시 MDMT(Minimum Design Metal Temperature) 설정 기준과 충격 시험 적용 사례

KUKUGu 2025. 5. 26. 14:55

압력용기 설계 시 온도 조건은 안전성 확보의 핵심 요소이며, 특히 저온 환경에서의 취성 파괴 위험을 방지하기 위해 최소 설계 금속 온도(MDMT) 설정은 매우 중요합니다. ASME BPVC Section VIII에서는 이 MDMT 설정 기준과 더불어 필요한 경우 충격 시험(Charpy Impact Test)을 요구하며, 이를 통해 저온에서의 재료 연성 확보 여부를 판단합니다. 본 콘텐츠에서는 MDMT의 정의, 코드 기준에 따른 설정 방법, 충격 시험 필요 여부 판정 기준, 그리고 실제 산업 현장의 적용 사례를 중심으로 설명합니다.

 

MDMT의 정의와 설정 목적

MDMT(Minimum Design Metal Temperature)는 압력용기 재질이 설계 조건에서 안전하게 견딜 수 있는 최소 금속 온도를 의미합니다. 설계 압력과 함께 지정되는 이 온도는 용기가 운전 중 마주할 수 있는 최저 온도 조건에서의 재료 연성을 고려한 것입니다. 온도가 낮아질수록 대부분의 금속은 취성(Brittleness)이 증가하고, 이로 인해 균열 발생 위험이 높아지게 됩니다.

ASME BPVC Section VIII에서는 MDMT가 특정 기준 이하일 경우, 반드시 재료의 저온 취성 성능을 검증해야 하며, 이를 위해 충격 시험을 요구할 수 있습니다. 이 기준은 설계 조건뿐 아니라 재료의 두께, 종류, 제조 방법, 열처리 이력 등에 따라 달라지므로 설계 초기 단계부터 정확한 분석이 필요합니다.

따라서 MDMT는 단순히 온도 하나를 설정하는 문제가 아니라, 전체 용기 구조의 안전성을 결정짓는 중요한 변수이며, 파괴 역학적 관점에서 설계 안전율 확보에 필수적인 요소입니다.

 

ASME 기준에 따른 MDMT 설정 절차

MDMT 설정은 ASME BPVC Section VIII Division 1, UCS-66 조항에 따라 수행됩니다. 이 조항에서는 탄소강, 저합금강 등 다양한 재료에 대해 충격 시험을 생략할 수 있는 조건과 함께, MDMT에 따른 최소 요구사항을 제시합니다. 기본적인 설정 절차는 다음과 같습니다:

  • Step 1: 설계 압력과 함께 최소 운전 온도를 확인한다.
  • Step 2: 사용 재료의 등급과 두께(Thickness)를 고려하여 UCS-66 도표를 적용한다.
  • Step 3: Preheat나 PWHT 등의 열처리 여부를 반영한다.
  • Step 4: 필요시 충격 시험 면제 조건(Exemption Curve A~D)을 적용한다.

특히, UCS-66(c)는 Curve A부터 D까지의 그래프를 통해, 재료의 두께와 열처리 조건에 따라 특정 MDMT까지는 충격 시험 없이 사용 가능함을 나타냅니다. Curve D는 가장 보수적인 조건을 기준으로 하며, Curve A는 비교적 관대합니다.

예를 들어 SA-516 Gr.70의 경우, 두께가 25mm 이하이고 PWHT가 시행되지 않은 조건에서 MDMT가 -20°F 이상일 경우 충격 시험 면제 대상이 될 수 있습니다.

 

충격 시험(Charpy V-notch) 적용 기준

충격 시험은 저온에서 금속의 인성(Toughness)을 평가하기 위한 시험으로, 일반적으로 Charpy V-notch 시험 방식이 사용됩니다. 시험 결과는 ft-lbf 혹은 J 단위로 표시되며, 특정 온도에서 일정 에너지를 견디는지 확인합니다. 다음과 같은 경우 충격 시험이 요구됩니다:

  • 설정된 MDMT가 면제 곡선(Curve A~D) 기준보다 낮은 경우
  • 두께가 기준 이상일 경우 (일반적으로 38mm 이상)
  • 용접부에 대한 인성 평가가 필요한 경우
  • PWHT 미시행 시 면제 조건을 충족하지 못할 경우

시험은 압력용기의 Base Metal, Weld Metal, HAZ (열 영향부) 모두에서 수행되며, 각 시험편은 지정 온도에서 최소 요구 에너지를 만족해야 합니다. 일반적으로 기준값은 15 ft-lbf (약 20 J) 이상이며, 설계 온도에 따라 증가할 수 있습니다.

시험 위치, 시편 채취 방법, 시험 온도, 결과 해석 등은 ASME Section II Part A 및 Section VIII Appendix에 규정되어 있으며, 결과는 압력용기 인증 문서에 포함되어야 합니다.

 

실무 적용 사례 및 설계 시 고려 사항

실제 설계 및 제작 현장에서는 MDMT와 충격 시험 관련 이슈가 자주 발생합니다. 특히 다음과 같은 상황에서 유의가 필요합니다:

  • 극저온(-50°C 이하) 운전 조건을 요구하는 공정 설비: 특별 재료 및 복합 용접 절차 필요
  • 해외 고객의 고사양 요구 조건: MDMT -29°C 요구, PWHT 불가, 모든 용접부 충격 시험 등
  • 사전 열처리(Preheat) 후 PWHT 생략 설계: 열간 응력 제거 여부 확인 필수

설계자는 설비 운전 조건, 위치(북미, 극지방 등), 운전 시나리오(시동 시 급냉 등)를 반영하여 MDMT를 적절히 설정해야 하며, 가능한 경우 충격 시험 면제 조건을 최대한 활용해 제작 시간 및 비용을 절감할 수 있습니다.

또한, 고객이 제공하는 사양서나 프로젝트 규격에서 MDMT가 명시되지 않은 경우에도 ASME 기본 기준을 충실히 따르고, 이에 대한 설명을 기술 검토 문서(TSD)나 설계 보고서에 명확히 기재해야 합니다.

 

결론: MDMT는 저온 안전성 확보의 핵심 기준

MDMT는 압력용기의 안전 운전을 위한 중요한 설계 변수 중 하나입니다. 저온에서 발생할 수 있는 취성 파괴는 구조적으로 치명적인 문제를 일으킬 수 있으며, 이를 방지하기 위한 체계적인 기준이 바로 ASME BPVC에서 정의한 MDMT와 충격 시험 규정입니다. 설계자는 UCS-66 곡선을 활용한 면제 기준 확인, 필요시 충격 시험 적용, 그리고 열처리 상태를 포함한 재료 선정까지 종합적으로 고려하여 설계를 진행해야 합니다.

실무에서는 단순한 코드 준수에 그치지 않고, 프로젝트 환경과 고객 요구사항을 충분히 반영한 유연한 설계가 필요합니다. MDMT 설정은 단순한 수치 입력이 아닌, 온도-응력-재료 연성 간의 상호작용을 고려한 고도의 엔지니어링 판단이 필요한 영역입니다. 따라서 관련 자료의 정확한 해석과 경험 기반의 설계 전략이 병행되어야 하며, 이를 통해 보다 안전하고 신뢰할 수 있는 압력용기를 제작할 수 있습니다.