배관

구조물에 설치한 다양한 모습의 배관

배관(配管, Laying)은 액체 · 기체 · 분말 등의 유체를 수송이나 배선 등의 보호를 목적으로 관 (파이프), 튜브 , 호스를 설치하는 것이다. 관 자체를 지칭하는 경우도 있다.

개요

배관은 플랜트를 대표하는 공종이라고 할 수 있다. 플랜트에서 가장 많은 물량을 다루는 곳이 바로 배관이기 때문이다. 시공 입장에서 볼 때 구조물에 장비를 설치하고 그 사이에 배관과 전선을 설치하는 것이 전부라고 할 정도로 배관의 물량이 많다. 엔지니어링 단계는 물론 시공단계에서도 이 배관 작업에 투입되는 인원이 가장 많다. 그래서 플랜트 업계에서는 배관을 플랜트의 꽃이라고 표현하기도 한다.

배관설계(Piping Engineering)는 플랜트 내에 설치되는 각종 설비와 설비 사이를 연결하는 배관을 다루는 업무를 수행한다. 간단히 말하면 Oil이나 Gas가 흐를 수 있는 길을 만드는 것이라 할 수 있다. 플랜트 현장에서 가장 먼저 눈에 띄는 것이 높이 솟은 Tower라면 가장 많이 볼 수 있는 것이 바로 이 배관이다. 플랜트 현장을 보면 각종 배관이 마치 거미줄처럼 현장 곳곳을 촘촘하게 휘감은 것을 볼 수 있다. 때로는 수백 미터씩 곧은 직선으로 설치된 라인이 있는가 하면 좌우상하 다양한 각도로 꺾인 라인도 많이 있다. 배관의 크기도 손가락만 해 보이는 소형 관부터 사람 키보다도 더 크게 보이는 대형 관등 종류도 다양하다. 이렇게 다양한 배관을 제대로 설치하기 위해 설비 사이를 이리저리 피해 가며 때로는 장비를 돌아가거나 오르고 내리는 등 다양한 방법으로 길을 만들어 가는데 이것이 바로 배관설계의 가장 중요한 업무로 Piping Routing이라고 한다. 이 Piping Routing을 마치면 배관 업무의 절반은 마쳤다고 해도 무리가 없을 정도이다.

배관은 가정에서도 쉽게 볼 수 있는데 주방의 싱크대나 세탁기의 사용한 물을 밖으로 보내기 위한 하수구 등에 연결된 파이프가 바로 배관이다. 보일러도 마찬가지이다. 보일러에서 나오는 뜨거운 물이 방이나 마룻바닥에 설치된 배관을 따라 돌며 집 안을 따뜻하게 해주는 역할을 하는 것이다. 물론 이는 이해를 쉽게 하기 위해 예를 든 것으로 가정의 배관이 주로 물이 흐르는 길이라면 플랜트 배관은 Oil이나 Gas가 흐르는 길을 만드는 것이라 할 수 있다.

배관의 구비조건

① 관내 흐르는 유체의 화학적 성질

② 관내 유체의 사용압력에 따른 허용압력 한계

③ 관외 외압에 따른 영향 및 외부 환경조건

④ 유체의 온도에 따른 열영향

⑤ 유체의 부식성에 따른 내식성

⑥ 열팽창에 따른 신축 흡수

⑦ 관의 중량과 수송조건 등

배관의 재질에 따른 분류

(1) 철금속관 : 강관, 주철관, 스테인레스강관

(2) 비철금속관 : 동관, 연(鉛, Pb)관, 알루미늄(Al)관

(3) 비금속관 : PVC관, PB관, PE관, PPC관, 원심력 철근콘크리트관(흄관), 석면시멘트관(에터니트관), 도관 등

배관의 종류

강관 (鋼管, Steel Pipe)

강관은 일반적으로 건축물, 공장, 선박 등의 급수, 급탕, 냉난방, 증기, 가스배관 외에 산업설비에서의 압축 공기관, 유압배관 등 각종 수송관으로 또는 일반 배관용으로 광범위하게 사용된다.

• 제조방법에 의한 분류 : ① 이음매 없는 강관 (Seamless Pipe) ② 단접관 ③ 전기저항 용접관 ④ 아크용접관
• 재질상 분류 : ① 탄소강 강관 ② 합금강 강관 ③ 스테인레스 강관
• 특징 : ① 연관, 주철관에 비해 가볍고 인장강도가 크다. ② 관의 접합방법이 용이하다. ③ 내충격성 및 굴요성이 크다. ④ 주철관에 비해 내압성이 양호하다.
• 스케줄 번호 (Schedule No.) : 관의 두께를 표시. Sch-No = 10 * P / S P : 최고사용압력 [㎏/㎠], S : 허용응력 [㎏/㎟] = 인장강도 / 안전률(4)

스케줄 번호(Sch-No)는 5S, 10S, 20S, 40S, 80S, 120S, 160S 등이 있다.

• 강관의 표시방법 : 강관의 표시방법은 아래와 같고 관끝면의 형상은 300A 이하는 PE(Plain End)로 하고, 350A 이상에서는 PE를 표준으로 하고 있으나, 주문자의 요구에 의해 BE(Beveled End)로 할 수 있다.

강관의 표시방법

주철관 (鑄鐵管, Cast Iron Pipe : CIP관)

주철관은 순철에 탄소가 일부 함유되어 있는 것으로 내압성, 내마모성이 우수하고, 특히 강관에 비하여 내식성, 내구성이 뛰어나므로 수도용 급수관(수도본관), 가스 공급관, 광산용 양수관, 화학공업용 배관, 통신용 지하매설관, 건축설비 오배수배관 등에 광범위하게 사용한다.

• 제조방법에 의한 분류 : ① 수직법 : 주형을 관의 소켓쪽 아래로 하여 수직으로 세우고 용선을 부어 제조 ② 원심력법 : 금형을 회전시키면서 쇳물을 부어 제조
• 재질상 분류 : ① 보통 주철관 : 내구성과 내마모성은 고급주철관과 같으나 외압이나 충격에 약하고 무름 ② 고급 주철관 : 주철 중의 흑연 함량을 적게 하고 강성을 첨가하여 금속조직을 개선한 것으로 기계적 성질이 좋고 강도가 크다. ③ 구상흑연(덕타일) 주철관 : 양질의 선철에 강을 배합한 것으로 주철중의 흑연을 구상화(球牀化)시켜서 질이 균일하고 치밀하며 강도가 크다.
• 압력에 따른 분류 : ① 고압관 : 정수두 100 mH₂O 이하 ② 보통압관 : 정수두 75 mH₂O 이하 ③ 저압관 : 정수두 45 mH₂O 이하
• 주철관의 특징 : ① 내구력이 크다. ② 내식성이 커 지하 매설배관에 적합하다. ③ 다른 배관에 비해 압축강도가 크나 인장강도는 약하다(취성이 크다). ④ 충격에 약해 크랙(Crack)의 우려가 있다. ⑤ 압력이 낮은 저압(7~10㎏/㎠ 정도)에 사용한다.

스테인레스 강관 (StainlessSteel Pipe)

상수도의 오염으로 배관의 수명이 짧아지고 부식의 우려가 있어 스테인레스 강관의 이용도가 증대되고 있다.

• 스테인레스 강관의 종류

① 배관용 스테인레스 강관

② 보일러 열교환기용 스테인레스 강관

③ 위생용 스테인레스 강관

④ 배관용 아크용접 대구경 스테인레스 강관

⑤ 일반배관용 스테인레스 강관

⑥ 구조 장식용 스테인레스 강관

• 스테인레스 강관의 특징

① 내식성이 우수하고 위생적이다.

② 강관에 비해 기계적 성질이 우수하다.

③ 두께가 얇아 가벼워 운반 및 시공이 용이하다.

④ 저온에 대한 충격성이 크고, 추운 곳에도 배관이 가능하다.

⑤ 나사식, 용접식, 몰코식, 플랜지이음 등 시공이 용이하다.

동관 (銅管, Copper Pipe)

동(銅)은 전기 및 열전도율이 좋고 내식성이 뛰어나며 전연성이 풍부하고 가공도 용이하여 판, 봉, 관 등으로 제조되어 전기재료, 열교환기, 급수관, 급탕관, 냉매관, 연료관 등 널리 사용되고 있다.

• 동관의 분류

• 동관의 특징

① 전기 및 열전도율이 좋아 열교환용으로 우수하다.

② 전·연성이 풍부하여 가공이 용이하고 동파의 우려가 적다.

③ 내식성 및 알칼리에 강하고 산성에는 약하다.

④ 무게가 가볍고 마찰저항이 적다.

⑤ 아세톤, 에테르, 트레온가스, 휘발유 등 유기약품에 강하다.

연관 (鉛管, Lead Pipe)

일명 납(Pb)관이라 하며, 연관은 용도에 따라 1종(화학공업용), 2종(일반용), 3종(가스용)으로 나눈다.

알루미늄관 (Al관)

은백색을 띠는 관으로 구리 다음으로 전기 및 열전도성이 양호하며 전·연성이 풍부하여 가공이 용이하며 건축재료 및 화학공업용 재료로 널리 사용된다. 알루미늄은 알칼리에는 약하고, 특히 해수, 염산, 황산, 가성소다 등에 약하다.

플라스틱관 (Plastic Pipe : 합성수지관)

합성수지관은 석유, 석탄, 천연가스 등으로부터 얻어지는 에틸렌, 프로필렌, 아세틸렌, 벤젠 등을 원료로 만들어진 관이다.

• 경질염화비닐관 (PVC관 : Poly Vinyl-Chloride) 염화비닐을 주원료로 압축가공하여 제조한 관

• 장점

㉠ 내식성이 크고 산·알칼리, 해수 등에도 강하다.

㉡ 가볍고 운반 및 취급이 용이하며 기계적 강도가 높다.

㉢ 전기절연성이 크고 마찰저항이 적다.

㉣ 가격이 싸고 가공 및 시공이 용이하다.

• 단점

㉠ 열가소성수지이므로 열에 약하고 180℃정도에서 연화된다.

㉡ 저온에서 특히 약하다(저온취성이 크다).

㉢ 용제 및 아세톤 등에 약하다.

㉣ 충격강도가 크고 열팽창이 커 신축에 유의하여야 한다.

• 폴리에틸렌관 (PE관 : Poly-Ethylene Pipe)

에틸렌에 중합체, 안전체를 첨가하여 압출 성형한 관으로 화학적, 전기적 절연 성질이 염화비닐관보다 우수하고, 내충격성이 크고 내한성이 좋아 -60℃에서도 취성이 나타나지 않아 한랭지 배관으로 적합하나 인장강도가 작다.

• 폴리부틸렌관 (PB관 : Poly-Buthylene Pipe)

폴리부틸렌관은 강하고 가벼우며, 내구성 및 자외선에 대한 저항성, 화학작용에 대한 저항 등이 우수하여 온수온돌의 난방배관, 음용수 및 온수배관, 농업 및 원예용 배관, 화학배관 등에 사용되며 나사 및 용접배관을 하지 않고 관을 연결구에 삽입하여 그래프링(Grapring)과 O-Ring에 의해 쉽게 접합할 수 있다.

• 가교화 폴리에틸렌관 (XL관 : Cross-Linked Polyethylene Pipe)

폴리에틸렌 중합체를 주체로 하여 적당히 가열한 압출성형기에 의하여 제조되며 일명 엑셀파이프라고도 하며, 온수온돌 난방코일용으로 가장 많이 사용되며 특징은 다음과 같다.

① 동파, 녹발생 및 부식이 없고 스케일 발생이 없다.

② 기계적 성질 및 내열성, 내한성 및 내화학성이 우수하다.

③ 가볍고 신축성이 좋으며, 배관시공이 용이하다.

④ 관이 롤(Roll)로 생산되고 가격이 싸고 운반이 용이하다.

• PPC관 (Poly-Propylen Copolymer관)

폴리프로필렌 공중합체를 원료로 하여 열변형 온도가 높아 폴리에틸렌파이프(XL)의 경우처럼 가교화처리가 필요없으며 시멘트 등의 외부자재와 화학작용 및 습기 등으로 인한 부식이 없고, 굴곡가공으로 시공이 편리하며 녹이나 부식으로 인한 독성이 없어 많이 사용된다.

원심력 철근 콘크리트관 (흄관)

원통으로 조립된 철근형틀에 콘크리트를 주입하여 고속으로 회전시켜 균일한 두께의 관으로 성형시킨 것으로 상하수도, 배수관에 사용된다.

석면 시멘트관 (에터니트관)

석면과 시멘트를 1:5~1:6정도의 중량비로 배합하고 물을 혼합하여 롤러로 압력을 가해 성형시킨 관으로 금속관에 비해 내식성이 크며 특히 내알칼리성이 좋고, 수도용, 가스관, 배수관, 공업용수관 등의 매설관에 사용되며 재질이 치밀하여 강도가 강하다.

도관 (陶管)

점토를 주원료로 하여 반죽한 재료를 성형 소성한 것으로 소성시 내흡수성을 위해 유약을 발라 표면을 매끄럽게 한다.

배관시스템

배관공사를 진행할 때 배관(Piping)외 부자재를 함께 사용해서 배관 시스템을 구성한다. 배관 시스템의 구성요소는 다음과 같은 항목이 포함되어 있다. 배관 부자재중에서 비중이 높은 것은 피팅으로 배관의 주 목적 외, 유체의 흐름방향 전환 및 접속, 계측기의 연결함에 있어서 꼭 필요한 요소다.

• 배관(Pipe)
• 피팅(Fitting) : 피팅에는 Reducer, Elbow, Coupling 과 배관의 흐름 방향을 변경해 주거나 연결하기 위한 모든 부자재를 말한다.
• 플랜지(Flange)
• 가스켓 : 플랜지와 플랜지 중간에 삽입되는 밀봉 요소이다.
• 볼트,너트 : 플랜지와 플랜지를 체결할 때 사용하는 볼트 너트를 말한다.
• 배관 지지대(Pipe support)

배관은 중앙이 텅 비어있는 중공 형태의 원형으로 되어 있는 기다란 소재를 말한다. 중앙의 비어 있는 곳을 통해 유체의 흐름을 특정 지점과 지점, 다시 말해 시작점과 끝점을 연결해 주는 역할을 하게된다. 유체는 가스, 액체, 오일, 스팀, 모든 형태의 유동체를 총칭하는 단어이다. 배관의 재질은 유체의 특성(온도, 압력 등)에 맞게 선정되어야 한다. 배관은 금속, 비금속, 플라스틱, 합금강으로 분류된다. 배관의 규격은 배관의 크기로 분류 되는데 NPS(Nominal pipe size) 라는 약어를 사용한다.

피팅(Fittings)

배관 피팅의 주목적은 배관의 방향을 전환하거나 2개 이상의 배관을 연결할 때, 배관 사이즈를 확장하거나 축소할 때, 마감할 때 사용한다. 아래 그림에서 대표적인 피팅의 형상을 확인할 수 있다. 초기에 배관을 접하게 되면 연결 방식을 용접식으로 할 것인지 나사산 형태의 조립식 형태를 취할 것인지 구분하기 어려울 때가 있다. 일반적으로 고온 고압이 아닌 NPS(Nominal pipe size) 가 1인치 이하의 경우에는 나사산 형태를 많이 사용하고 고온 고압의 1-1/2 인치 이상의 배관에서는 용접식을 적용하는 경우가 많다. 이는 절대적인 것은 아니며 산업의 종류 및 적용 분야에 따라 차이가 있다.

• 엘보(Elbow) : 피팅을 대표하는 Elbow 는 유체의 흐름을 전환할 때 사용한다. 90°, 45° 혹은 특수한 경우 30°, 60°로 제작하는 경우도 있다.
• 벤드 파이프(Bend pipe) : 직선 배관을 밴딩기를 통해서 각도 구배를 주는 것을 말한다. 주로 구경이 작은 배관에 적용할 수 있으며 Bend 값은 NPS 의 3~5배 이상을 주게 된다.
• 리턴 파이프(Return Pipe) : 사진을 통해 알 수 있듯이 유체의 흐름을 180° 전환할 때 사용한다.
• 티(Tee) : 주 목적은 주 배관 측단에 유체의 흐름에 변화를 줄 때 사용한다. Reducer tee 같은 경우는 Main 구경 대비 작은 구경을 추가된 것을 말 하며 게이지를 장착하거나 특정 목적의 유체의 흐름을 추가등 다양한 목적으로 사용할 수 있다.
• 코로시스(Crosses) : 십자가 형태가 기본형이며 총 4개소의 유체의 흐름을 접속할 수 있다. 4개 이상의 형태도 특수한 경우에 사용한다.
• 웰도렛 : 분기 연결에 사용되는 것으로 별도의 보강재 없이 90° 분기 구간을 형성하여 파이프의 연결 혹은 게이지의 연결에 사용한다.
• 스텁인(Stub-in) : 주 배관 측면에 Branch 배관을 용접으로 연결한 형태
• 레듀셔(Reducer) : 레듀셔의 주 목적은 큰 배관에서 작은 배관을 연결할 때 사용하는 것으로 접속 구간의 형태는 나사산 형태, 용접 형태를 적용할 수 있으며 작은 사이즈 부터 큰 사이즈까지 적용할 수 있다. Reducer 구경의 변화가 동심에서 이루어진 형식( Concentric Reducer) 과 편심인 (Eccentric Reducer) 으로 분류된다.
• 부싱(Bushings) : 부싱은 끝면의 내측이 나사산 형태로 마감되어 있으며 이를 통해 작은 구구경 배관이나 Fitting, Tube 를 연결할 수 있게 해주는 요소이다.
• 커플링(Coupling) : 커플링의 주목적은 배관과 배관(직선 배관)을 연결할 때 사용한다.
• 어답타(Adapters) : 아답타의 목적은 커플링과 동일하나 반대편에 특정 파이프, 호스, 튜브를 연결할 때 사용한다.
• 유니온(Union) : 커플링과 외형이 비슷하나 중간 연결 부위기 추가되어 분해 조립이 가능하다. 배관의 분해 조립 빈도수가 많은 경우에 적용한다. 혹은 Orifice plate 를 삽입하는 목적으로 사용한다.
• 앤드캡(End cap) : 배관의 끝부분을 마무리할 때 적용한다. Blind flange 와 동일한 목적을 갖고 있다.

엘보(Elbow)   벤드 파이프(Bend pipe)   리턴 파이프(Return Pipe)   티(Tee)   코로시스(Crosses)   웰도렛   스텁인(Stub-in)   레듀셔(Reducer)   부싱(Bushings)   커플링(Coupling)   어답타(Adapters)   유니온(Union)   앤드캡(End cap)

플랜지(Flange)

플랜지는 배관과 배관을 연결하고, 밸브, 설비를 연결하는데 사용하는 접속용 부속품이다. 플랜지의 접속 방식은 면대 면 접촉에 개스킷을 삽입한 후 볼트로 체결 조립하는 방식을 적용한다. 사용 압력에 따라 Class를 구분한다. #150, #300, #400, #600, #900, #1500, #2500 플랜지의 타입은 면의 형태에 따라 구분하며 대표적으로 FF, RF를 사용한다.

참고자료

• 〈배관〉, 《위키백과》
• Chandler, 〈배관기초 - 피팅(Fitting)의 종류 13가지 ~〉, INSIDE INSIGHTS
• 경동지코, 〈배관〉, 《네이버 블로그》, 2019-02-03
• oksk, 〈(두 번째 이야기) 배관 설계〉, 《브런치》, 2019-8-10

같이 보기

• 배관공
• 배관공사
• 유체
• 배선
• 튜브
• 호스

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