압력용기 설계에서 Corrosion Allowance 설정 기준과 적용 전략

압력용기 설계에서 Corrosion Allowance(부식 여유두께)는 설비의 수명을 보장하고 사고를 예방하기 위한 필수 요소입니다. 실제 운전 환경에서는 유체의 화학적 성질, 온도, 압력 등 다양한 요인으로 인해 금속 부식이 발생할 수밖에 없습니다. 이러한 물리적 현실을 반영해 설계 두께에 일정량의 여유를 더하는 것이 바로 부식 여유두께입니다. Corrosion Allowance는 설계 초기부터 명확히 정의되어야 하며, 잘못 적용할 경우 과잉 설계 또는 안전성 저하의 원인이 될 수 있습니다. 이 글에서는 압력용기 설계 시 부식 여유두께의 설정 기준, 고려 요소, 산업별 적용 전략, 유지관리와의 연계성까지 상세히 설명합니다.

 

Corrosion Allowance의 정의와 설계 기준

Corrosion Allowance란, 압력용기의 운전 기간 동안 예상되는 금속 손실에 대비해 설계 두께에 추가로 더하는 여유 두께를 의미합니다. 이는 ASME BPVC Section VIII에서도 명확히 정의되어 있으며, 코드 자체에서 특정 수치를 지정하지는 않지만, 설계자는 유체 특성과 사용 조건을 기반으로 적절한 값을 결정해야 합니다.

• ASME 규정: Section VIII, Division 1 – UG-16(a)(2)
• 설계자의 책임: 예상 부식률, 설비 수명, 검사 간격 등을 반영해 설정
• 일반 기준: 1.5 mm(0.06 inch) ~ 3 mm(0.12 inch)가 통상적

설계자는 Corrosion Allowance를 단순히 "추가 두께"로만 간주해서는 안 됩니다. 부식은 국부적 또는 전면적으로 발생할 수 있으며, 온도, 유체 속도, 입자 유무 등에 따라 그 양상이 크게 달라집니다. 따라서, 설계 시점에 예상되는 운전 조건과 재질 특성, 유지관리 전략까지 종합적으로 고려해야 하며, 설계 두께 산정식에서 Allowable Stress보다 우선 고려해야 할 변수 중 하나입니다.

 

Corrosion Allowance 결정에 영향을 주는 주요 요소

적절한 Corrosion Allowance를 설정하기 위해서는 설계 대상 설비가 처한 운전 환경과 내부 유체의 특성을 정확하게 분석하는 것이 필수적입니다. 잘못된 분석은 부적절한 Allowance 설정으로 이어져, 과잉설계 또는 조기 손상이라는 결과를 초래할 수 있습니다.

• 유체 성분: 산성가스(H₂S, CO₂), 수분, 염소 등은 금속 부식을 촉진
• 온도 및 압력: 고온 고압 조건일수록 부식 속도 증가
• 유속 및 고형물: 고속 흐름 및 슬러리 입자는 마모 및 침식성 부식 유발
• 재료 특성: 탄소강, 스테인리스, 듀플렉스강 등 재질별 부식 저항성 상이

예를 들어, 황산이 포함된 유체를 고온으로 운송하는 경우, 탄소강은 급속히 부식될 수 있으므로 최소 3 mm 이상의 Corrosion Allowance가 필요합니다. 반면, 스테인리스강의 경우 표면 피막으로 인해 부식 속도가 느리므로 Allowance를 1 mm 이하로 줄일 수도 있습니다. 프로세스 안전성 평가, 설계 수명(예: 20년), 유지보수 주기(검사 주기 포함) 등을 사전에 고려한 설정이 매우 중요합니다.

 

산업별 Corrosion Allowance 적용 전략

Corrosion Allowance는 산업별로 기준과 적용 방식에 차이를 보입니다. 각 산업의 프로세스 특성과 규제 요건, 과거의 운전 경험을 반영해 설계 지침을 마련하고 있기 때문입니다. 아래는 대표 산업별 적용 전략입니다.

산업 분야	일반 Allowance 기준	설정 전략
석유화학 플랜트	2~3 mm	황화물, 산성가스 포함 여부 고려 필수
발전소	1.5~2.5 mm	보일러/응축기 구역별 분리 적용
제약/식품설비	0.5~1 mm	위생 등급 및 내부 코팅 여부 고려
수처리 설비	2~4 mm	염소계 처리약품 주입 구간에서 증량 적용

산업별로 운영하는 유체와 설비의 중요성이 다르기 때문에 Corrosion Allowance는 반드시 현장 맞춤형 기준으로 적용되어야 합니다. 플랜트 EPC사나 운전사 측에서는 과거 설비 고장 데이터와 내부 기준을 종합해 프로젝트 단위로 명시된 Corrosion Allowance 목록을 사용하기도 합니다.

 

유지관리와 검사 측면에서의 Corrosion Allowance

부식 여유두께는 단순히 설계 시점의 안전 여유가 아니라, 장기적인 유지관리 전략의 일부로 활용됩니다. 특히 검사 주기가 긴 장치의 경우, 예상 부식량을 기반으로 여유두께를 설정하고, 실제 부식률에 따라 잔여 수명을 평가하게 됩니다.

• 두께 검사(NDT): 초음파, 레이저 기반 측정으로 주기적 부식량 확인
• 잔여 수명 평가(RLA): 남은 두께와 원 설계 기준 비교
• 허용 두께 이하 시: 보강 패드 설치 또는 교체 결정

예를 들어, 초음파 검사를 통해 실제 부식률이 연간 0.1 mm로 측정되었고, 초기 Corrosion Allowance가 3 mm였다면, 약 30년의 부식 여유가 있다는 판단이 가능합니다. Corrosion Allowance 설정은 검사의 기준이자, 수명 예측과 보수 계획 수립의 핵심 데이터가 됩니다. 설계자는 유지보수 팀과의 협업을 통해 Allowance의 적정성을 지속적으로 검증하고, 필요 시 이를 설계 수정에 반영해야 합니다.

 

결론: 안전한 운전과 수명 확보를 위한 전략적 설정

압력용기의 Corrosion Allowance는 단순한 여유두께가 아니라, 설비의 수명을 결정하는 핵심 설계 인자입니다. 부적절한 Allowance는 과잉 중량이나 제작 비용 증가로 이어질 수 있고, 반대로 너무 얇게 설정할 경우 예상보다 빠른 부식으로 인해 사고 위험이 증가할 수 있습니다.

따라서 설계자는 다음과 같은 전략을 따라야 합니다:

• 유체 특성과 운전 조건에 기반한 합리적 Allowance 설정
• 산업별 표준 및 내부 설계 기준 참고
• 재료 특성과 생산성까지 고려한 밸런스 설계
• 검사, 유지보수와 연계된 설정 전략

장기적인 관점에서 Corrosion Allowance는 설비의 운영 안정성과 직결되며, 설계-운전-보수 사이의 연속성 유지를 위한 중요한 데이터로 활용됩니다. 기술자는 단순한 공식 적용을 넘어서, 실무 경험과 공정 환경에 대한 이해를 바탕으로 Corrosion Allowance를 전략적으로 설정해야 합니다.