개념 한 쪽
압력용기와 기화장치는 가스의 압력·온도를 제어하고 저장하는 주요 설비로서, 기계적 변형·부식·안전 운전과 밀접한 관련이 있다. 배관의 열팽창을 흡수하는 이음, 마찰손실과 관련된 설계 원리, 부식 방지법, 정압기 구조와 계측기 주의사항 등 실무적 핵심 개념을 숙지해야 한다.
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출제기준 단원 「압력용기 및 기화장치」의 공개 문제 3개를 묻는 꼴별로 나누면 이렇습니다.
| 묻는 꼴 | 문제 수 | 무엇을 묻나 |
|---|---|---|
| 열응력 대응 이음 판단 | 1 | 열팽창으로 인한 응력을 흡수하는 이음 선택 능력 평가 |
| 마찰저항과 압력손실 관계 | 1 | 관길이·지름·유속 등이 압력손실에 미치는 영향 판별 |
| 부식방지 방식 구분 | 1 | 외부전원 유무로 유전양극법 등 방식 구별하기 |
배관 내부 유체의 온도가 높아지면 배관은 열팽창으로 인해 길이와 형태가 변하고 이로 인해 열응력이 발생한다. 열응력을 흡수하려면 신축성을 허용하는 이음이 필요하며, 벨로우즈, 슬리브, U벤드 등은 신축을 허용하여 열응력을 흡수하는 구조이다. 반면 유니언 이음은 배관의 착탈·분리를 용이하게 하는 나사식 결합부로서 열응력 대응용이 아니다.
배관 내 마찰저항에 의한 압력손실은 여러 물리량에 의해 결정된다. 일반적 관계로 손실은 관의 길이에 비례하고 유속의 제곱에 비례하며, 관내경에는 반비례한다. 점도가 클수록 마찰계수가 증가하여 손실이 커진다. 이 원리를 바탕으로 배관 설계 시 굴곡을 최소화하고 관경과 길이를 적정화하여 압력손실을 줄여야 한다.
부식 방지에는 여러 방식이 있으며, 강관보다 전위가 낮은 금속을 도체로 연결해 자연 전위차에 의해 전류가 흐르도록 하여 그 금속이 먼저 부식되게 하는 방법은 유전양극법(희생양극법)이다. 이 방법은 외부 전원을 사용하지 않고 자연 전위차를 이용한다는 점이 특징이다.
정압기는 고압의 가스를 사용기구에 맞는 낮은 압력으로 감압하면서 출구 압력을 일정하게 유지하는 장치로, 기본 구성은 다이아프램(막), 스프링(또는 분동), 메인밸브의 조합으로 이루어진다. 계측기 중 브룬돈관(Bourdon) 압력계는 튜브의 탄성 변형을 이용하므로 급격한 압력 변화나 충격에 취약하여 밸브의 유입·배출을 서서히 조작해야 기기 파손을 방지할 수 있다.
지하 매설 및 배관 도면 작성과 설치 시에는 실무상의 여러 주의사항이 있다. 배관 상단의 흙다짐은 한꺼번에 두껍게 할 경우 배관 변형을 유발하므로 얇은 층으로 나누어 다짐해야 하고, 파이핑 레이아웃은 유체 저항 최소화와 유지보수 용이성을 위해 굴곡을 최소화하여 설계해야 한다. 또한 공기액화분리장치 등에서는 공기 중 아세틸렌의 혼입을 엄격히 금지해야 하는데, 아세틸렌이 액체산소와 만나면 폭발 위험이 있으므로 혼합이 매우 위험하다는 점을 특히 유의해야 한다.
문제에서 '열응력 흡수'를 묻는 경우에는 벨로우즈, 슬리브, U벤드 등 신축을 허용하는 이음을 고르고 유니언처럼 착탈 목적의 이음을 제외하는 방식으로 풀이한다. 마찰손실 관련 문제에서는 '손실 ∝ 길이', '손실 ∝ 유속²', '손실 ∝ 1/지름ⁿ' 관계를 적용하여 길이에 반비례한다는 표현을 고르면 오답으로 판단한다. 부식 방지 방식 문제에서는 외부 전원 사용 여부로 유전양극법(외부전원 없음)과 강제방식(외부전원 있음)을 구분한다. 정압기 구성 문제는 다이아프램·스프링·메인밸브의 조합을 기억하면 정답을 고를 수 있다. 계측기 취급 문제에서는 급격한 압력 변화가 기기 파손을 유발한다는 점을 근거로 '서서히 조작'이 옳음을 선택한다.
고압장치 배관내를 흐르는 유체가 고온이면 열응력이 발생한다. 이 열응력을 대응하기 위한 이음이 아닌 것은?
정답 ④ · 배관의 열팽창에 의한 열응력을 흡수하기 위해서는 신축 흡수 능력이 있는 이음이 사용됩니다. 벨로우즈 이음, 슬리브 이음, U 벤드 등은 열팽창을 유연하게 받아줄 수 있는 구조입니다.
열응력을 흡수하는 이음은 벨로우즈, 슬리브, U벤드 등이며, 유니언 이음은 착탈용이므로 열응력 대응용이 아니다.
배관 내의 마찰저항에 의한 압력손실에 대한 일반적인 설명으로 가장 거리가 먼 것은?
정답 ② · 배관의 마찰 압력손실에 관한 설명 중 틀린 것을 고르는 문제이다. 관로의 마찰 손실은 관 길이에 비례하고 관 내경에는 반비례하며, 층류를 기준으로 하면 내경의 5승에 반비례하고 유속의 2승에 비례한다.
마찰저항에 의한 압력손실은 관길이에 비례하고 관내경의 5승에 반비례하므로, 길이에 반비례한다는 설명이 틀렸다.
배관을 매설하면 주위의 환경에 따라 전기적 부식이 발생하는데 이를 방지하는 방법 중 강관보다 저준위의 금속을 직접 또는 도선으로 전기적으로 접속하여 양 금속간의 고유 전위차를 이 용하여 방식전류를 주어 방식하는 방법은?
정답 ① · 부동 양극법(희생 양극법)은 방식하고자 하는 강관보다 이온화 경향이 커서(전위가 낮아) 자연스럽게 전자를 잃고 용해되는 금속(아연, 마그네슘, 알루미늄 등)을 강관에 직접 연결하거나 도선으로 접속합니다. 이때 희생 금속이 대신 부식되면서 흐르는 전류를 이용하여 강관을 보호하는 방식입니다.
자연 전위차를 이용해 희생 금속이 부식되며 강관을 보호하는 방식은 유전양극법(희생양극법)이다.
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