압력 탱크

3. 종류

압력 탱크는 다양한 종류로 분류될 수 있다. 일본 산업안전보건법에서는 압력 용기를 다음과 같이 3가지로 분류한다.

• 제1종 압력 용기: 증기나 기타 열매체를 이용해 고체 또는 액체를 가열하거나, 화학 반응 등으로 증기를 발생시키는 용기로, 내부 압력이 대기압을 초과하는 것이다. 원자로 압력 용기, 축압기(어큐뮬레이터), 열교환기, 화학 플랜트 등이 이에 해당한다.
• 소형 압력 용기: 제1종 압력 용기 중에서도 크기나 압력이 작은 용기를 말한다.
• 제2종 압력 용기: 0.2메가파스칼 이상의 기체를 내부에 보유하는 용기(제1종 압력 용기 제외)이다. 가스 용기, 가스 탱크 등이 이에 해당한다.
• 보일러: 화기 등의 열원으로 증기 또는 온수를 생성하여 다른 곳에 공급하는 장치이다.
• 소형 보일러: 보일러 중에서도 크기나 압력이 작은 보일러를 말한다.

• 에어로졸 분무기
• 오토클레이브
• 가스 저장 실린더
• 가스 저장 튜브
• 유압 축압기
• 팽창 탱크
• 하이드로포어 (시스템)
• 냉동 설비
• 압력솥
• 압력 배관
• 파이프라인
• 역삼투압 설비
• 화학 공정 반응기
• 진공 트럭
• 유인 압력 용기
• 대기 잠수복
• 유인 우주선
• 잠수 챔버
• 고압 챔버
• 고압 들것
• 저압 챔버
• 가압 항공기
• 잠수함 압력 선체
• 잠수함 구조 챔버
• 잠수정 압력 선체
• 용존 가스 저장
• 소성 압력 용기

• 액화 가스 (액체 위의 증기) 저장
• 영구 가스 저장
• 초임계 유체 저장

• 내부 압력 vs 외부

4. 용도

압력 탱크는 산업 및 민간 부문에서 다양한 용도로 사용된다. 산업 부문에서는 산업용 압축 공기 수신기, 보일러 및 가정용 온수 저장 탱크로 사용된다. 압력 용기의 다른 예로는 잠수용 실린더, 재압축 챔버, 분별 증류 타워, 압력 반응기, 오토클레이브 등이 있으며, 광업 작업, 정유 공장 및 석유 화학 공장, 원자력 발전소 용기, 잠수함 및 우주선 거주 공간, 수중 잠수복, 공압 저장소, 가압 상태의 유압 저장소, 철도 차량 공기 제동 저장소, 도로 차량 공기 제동 저장소, 암모니아, 염소, LPG (프로판, 부탄)와 같은 고압 영구 가스 및 액화 가스를 위한 저장 용기 등이 있다.^[1]

압력 용기는 구조적 하중을 지지할 수도 있다. 여객기의 외부 스킨은 항공기의 구조적 하중과 기동 하중, 그리고 객실 가압 하중을 모두 지탱한다. 잠수함의 압력 선체 또한 선체의 구조적 하중과 기동 하중을 지탱한다.^[1]

5. 설계

노동 안전 위생법 및 산업안전보건법은 압력 용기의 종류와 안전 기준을 규정하고 있다. 이러한 법규에서는 압력 용기 내부와 외부 환경 간의 압력 차이, 즉 작동 압력을 주요 설계 특성으로 고려한다.^[1]

압력 용기는 형태에 따라 구형, 원통형, 원뿔형 등 다양한 형태로 제작될 수 있다. 일반적으로 앤드 캡(헤드)이 있는 원통형이 많이 사용되며, 헤드 형태는 반구형이나 접시형(토리스페리컬)이 일반적이다. 이론적으로 구형 압력 용기가 강도 면에서 유리하지만, 제조상의 어려움으로 인해 2:1 반타원형 헤드를 가진 원통형이 주로 사용된다.

압력 용기의 재료는 압력과 부피에 비례하고, 재료의 강도 대 중량비에 반비례하는 최소 질량을 가지도록 선택된다. 구형 및 반구형 끝단을 가진 원통형 압력 용기의 최소 질량 공식은 다음과 같다.

• 구형:

• 반구형 끝단을 가진 원통형:

• 구형 얇은 벽 압력 용기:

• 원통형 얇은 벽 압력 용기:

5. 1. 작동 압력

• 증기 기타 열매체를 받아들이거나 증기를 발생시켜 고체 또는 액체를 가열하는 용기로, 용기 내의 압력이 대기압을 초과하는 것
• 용기 내에서의 화학 반응, 원자핵 반응 기타 반응에 의하여 증기가 발생하는 용기로, 용기 내의 압력이 대기압을 초과하는 것
• 용기 내의 액체의 성분을 분리하기 위해, 해당 액체를 가열하여 그 증기를 발생시키는 용기로, 용기 내의 압력이 대기압을 초과하는 것
• 대기압에서의 끓는점을 초과하는 온도의 액체를 그 내부에 보유하는 용기

• 게이지 압력 0.1MPa 이하에서 사용하는 용기로, 내용적이 0.2m³ 이하인 것 또는 동의 내경이 500mm 이하이고, 또한 그 길이가 1000mm 이하인 것
• 그 사용하는 최고 게이지 압력을 메가파스칼로 나타낸 수치와 내용적을 세제곱미터로 나타낸 수치의 곱이 0.02 이하인 용기

• 내용적이 0.04m³ 이상의 용기
• 동체의 내경이 200mm 이상이고, 그 길이가 1000mm 이상인 용기

5. 2. 형태

5. 3. 재료 및 강도

• $M$은 질량(kg)이다.
• $P$는 주변 압력과의 압력 차이([게이지 압력])(Pa)이다.
• $V$는 부피이다.
• $\backslash rho$는 압력 용기 재료의 밀도(kg/m³)이다.
• $\backslash sigma$는 재료가 견딜 수 있는 최대 작동 응력(Pa)이다.^[7]

• R은 반경(m)이다.
• W는 중간 원통의 너비만 해당하며, 전체 너비는 W + 2R (m)이다.^[8]

5. 4. 얇은 벽 압력 용기의 응력

• $\backslash sigma\_\backslash theta$는 후프 응력 또는 원주 방향의 응력이다.
• $\backslash sigma\_\{long\}$는 종 방향의 응력이다.
• ''p''는 내부 게이지 압력이다.
• ''r''은 원통의 내부 반경이다.
• ''t''는 원통 벽의 두께이다.

5. 5. 쉘 관통부

5. 5. 1. 관통부 나사산

• 더 작은 피팅: 테이퍼 나사산 표준 17E가 사용되며, 12% 테이퍼 오른나사, 표준 Whitworth 55° 형태에 인치당 14개의 나사산(5.5 threads per cm)의 피치와 실린더 상단 나사산의 피치 지름 18.036mm를 가진다. 이러한 연결은 나사산 테이프를 사용하여 밀봉하고 강철 실린더의 경우 120Nm에서 150Nm, 알루미늄 실린더의 경우 75Nm에서 140Nm 사이의 토크로 조인다.
• 더 큰 피팅: 테이퍼 나사산 표준 25E가 사용된다. 밸브를 조이려면 일반적으로 약 200Nm의 더 높은 토크가 필요하다.

3/4" NGS와 3/4" BSP는 매우 유사하며, 동일한 피치와 약 0.2mm만 다른 피치 지름을 가지고 있지만 나사산 형태가 다르기 때문에 호환되지 않는다.

모든 평행 나사산 밸브는 실린더 목의 챔퍼 또는 단에 밀봉되고 밸브의 플랜지에 닿는 목 나사산 상단에 있는 엘라스토머 O-링을 사용하여 밀봉된다.

5. 5. 2. 압력 용기 덮개

5. 6. 건설 재료

6. 제조 공정

압력 탱크의 제조 공정은 사용 목적과 압력에 따라 다양한 방식으로 이루어진다.

초기에는 리벳으로 철판이나 강철판을 고정하는 방식이 사용되었다. 이 방법은 판을 압연 및 단조하여 성형한 후 리벳으로 결합하는 방식이었다. 접합부에는 버트 스트랩을 사용하고, 코킹 작업을 통해 틈새를 메워 고압을 견딜 수 있도록 했다. 하지만 인간 탑승용 압력 용기와 같이 높은 안전성이 요구되는 경우에는 용접 기술이 발전하면서 용접 방식이 주로 사용되고 있다.^[1]

영구 가스를 보관하는 고압 가스 실린더는 주로 이음매 없는 방식으로 제작된다. 이 방식은 재료의 균일한 특성을 확보하고 응력 집중을 최소화하여 안전성을 높인다. 열간 단조, 프레스, 압연 등의 방법이 사용되며, 특히 대량 생산되는 작은 실린더에는 냉간 압출 또는 열간 압출 방식이 사용된다.

• 냉간 압출 (알루미늄): 알루미늄 빌렛을 냉간 후방 압출하여 이음매 없는 알루미늄 실린더를 제조한다. 이 공정은 벽과 바닥을 먼저 누른 후, 실린더 벽 상단 가장자리를 다듬고, 어깨와 목 부분을 프레스 성형하는 단계를 거친다.
• 열간 압출 (강철): 강철 빌렛을 가열한 후 맨드릴을 사용하여 압출하여 컵 모양으로 만든다. 이후 추가 드로잉을 통해 직경과 벽 두께를 줄이고 바닥을 형성한다. 마지막으로 열간 스핀으로 끝을 닫고 목을 형성한다.

2형 및 3형 실린더는 1995년경부터, 4형 실린더는 2016년부터 상업적으로 이용되고 있다.

무한 원통형 형상의 경우, 원통형 축에 대해 54.7도의 권선 각도가 최적이며, 이는 원주 방향으로 필요한 강도를 종 방향으로 두 배 제공한다.^[15] 후프 권선 섬유 보강재는 실린더 축에 대해 거의 90° 각도로 감긴다.

6. 1. 리벳

6. 2. 용접

6. 3. 이음매 없는 방식

6. 4. 복합 재료

• 1형 – 전체 금속: 실린더가 전부 금속으로 만들어짐.
• 2형 – 띠 감기: 섬유 강화 수지로 벨트처럼 감싼 띠로 보강된 금속 실린더.
• 3형 – 금속 라이너 위에 완전 감싸기: 대각선으로 감긴 섬유가 원통형 부분과 바닥, 금속 목 주위의 어깨 부분에 하중 지지 쉘을 형성한다. 금속 라이너는 얇고 기밀 장벽을 제공한다.
• 4형 – 비금속 라이너 위에 완전 감싸기: 경량 열가소성 라이너가 기밀 장벽을 제공하고, 섬유와 수지 매트릭스를 감싸는 맨드릴 역할을 한다. 목 나사산과 라이너에 고정되는 앵커를 지지하는 목 부분만 금속으로 만들어진다.

7. 안전

노동 안전 위생법 및 산업안전보건법 시행령에서는 압력 용기를 제1종과 제2종으로 분류하고, 각각의 기준을 규정하고 있다. 제1종 압력 용기에는 원자로 압력 용기, 축압기(아큐뮬레이터), 열교환기, 화학 플랜트 등이, 제2종 압력 용기에는 가스 용기, 가스 탱크 등이 해당한다.

7. 1. 과압 방지

7. 2. 누출 파열 (Leak Before Burst)

7. 3. 시험 및 검사

8. 운전 기준

압력 용기는 특정 압력 및 온도에서 안전하게 작동하도록 설계되었으며, 이를 "설계 압력" 및 "설계 온도"라고 한다. 부적절하게 설계된 고압 용기는 매우 심각한 안전 문제를 야기할 수 있다. 따라서 압력 용기의 설계 및 인증은 여러 국제 표준에 의해 관리된다. 주요 표준은 다음과 같다.

압력-부피 곱이 안전 표준의 일부인 경우, 용기 내의 비압축성 액체는 용기에 저장된 잠재 에너지에 기여하지 않으므로 제외될 수 있으며, 가스와 같은 압축성 부분의 부피만 사용된다.

9. 대한민국 산업안전보건법에 따른 분류

대한민국 산업안전보건법에서는 별도의 압력 용기 분류를 제시하고 있지 않다. 다만, 일본의 산업안전보건법에 따른 압력 용기 분류는 다음과 같이 3가지로 나뉜다.

• 보일러: 다음 3가지 조건을 충족하는 것이다.
• 화기 등의 열원이 있을 것.
• 증기 또는 온수(열매)를 생성할 것.
• 다른 곳에 공급할 것.
• 보일러는 산업안전보건법 시행령 제1조 제3호에 규정되어 있다.
• 소형 보일러는 산업안전보건법 시행령 제1조 제4호에 규정되어 있다.
• 제1종 압력 용기: 노동 안전 위생법에서는 노동 안전 위생 시행령 제1조 제5호에서 규정하고 있다.
• 소형 압력 용기는 제1종 압력 용기 중에서 노동 안전 위생 시행령 제1조 제6호에 해당하는 것을 말한다.
• 예시: 원자로 압력 용기, 축압기(아큐뮬레이터), 열교환기, 화학 플랜트 등
• 제2종 압력 용기: 산업안전보건법에서는 산업안전보건법 시행령 제1조 제7호에서 규정하고 있다.
• 예시: 가스 용기, 가스 탱크 등

10. 역사

11. 대안

응용 분야와 지역 상황에 따라 압력 용기의 대안이 존재한다. 예를 들어, 가정용 물 수집 시스템에서는 다음과 같은 방법을 사용할 수 있다.

• 중력 제어 시스템^[23][24]은 일반적으로 사용 지점보다 높은 곳에 있는 가압되지 않은 물 탱크로 구성된다. 사용 지점에서의 압력은 고도 차이로 인한 정수압의 결과이다. 중력 시스템은 물 높이 1피트당 0.43psi의 압력을 생성한다. 도시 상수도 또는 펌핑된 물은 일반적으로 약 90psi이다.
• 인라인 펌프 컨트롤러 또는 압력 센서가 있는 펌프.^[25]
• 원자력 발전소에서 압력 용기는 주로 냉각수(물)를 고온에서 액체 상태로 유지하여 카르노 효율을 높이는 데 사용된다. 다른 냉각제는 훨씬 적은 압력으로 고온을 유지할 수 있으며, 이는 용융염 원자로, 납 냉각 고속 원자로 및 가스 냉각 원자로에 대한 관심을 설명해준다. 그러나 압력 용기가 필요 없거나 덜 필요한 이점은 각 대안적 접근 방식에 고유한 단점에 의해 부분적으로 상쇄된다.

참조

_[1] 웹사이트 ASME's Definition of a Pressure Vessel https://www.redriver[...] 2023-11-09
_[2] 웹사이트 ASME's Definition of a Pressure Vessel https://www.redriver[...] 2023-11-09
_[3] 웹사이트 Pressure vessels hazards and safety https://www.assessor[...] 2018-06
_[4] 서적 Mechanics of Materials 1. An Introduction to the Mechanics of Elastic and Plastic Deformation of Solids and Structural Materials Butterworth-Heinemann
_[5] 웹사이트 Strengthened Glass for Pipeline Systems http://www.gmic.org/[...] 2009-05-01
_[6] 서적 Mechanics of Materials McGraw-Hill
_[7] 문서 For a sphere the thickness d = rP/2σ, where r is the radius of the tank. The volume of the spherical surface then is 4πr2d = 4πr3P/2σ. The mass is determined by multiplying by the density of the material that makes up the walls of the spherical vessel. Further the volume of the gas is (4πr3)/3. Combining these equations give the above results. The equations for the other geometries are derived in a similar manner
_[8] 웹사이트 Mass of pressure Cylindrical vessel with hemispherical ends( capsule) – calculator – fxSolver http://www.fxsolver.[...] 2017-04-11
_[9] 문서 Richard Budynas, J. Nisbett, Shigley's Mechanical Engineering Design, 8th ed., New York:McGraw-Hill,
_[10] 서적 An International Code 2007 ASME Boiler & Pressure Vessel Code http://www.asme.org/[...] The American Society of Mechanical Engineers
_[11] 뉴스 Making a Metal-Lined Composite Overwrapped Pressure Vessel http://www.techbrief[...] NASA Tech Briefs 2005-03-01
_[12] 간행물 Maintenance and Repair of Glass-Lined Equipment Chemical Engineering 2007-07-01
_[13] 문서 "High Pressure Vessels"
_[14] 간행물 A review of Type V composite pressure vessels and automated fibre placement based manufacturing 2023
_[15] 문서 MIT pressure vessel lecture http://web.mit.edu/c[...]
_[16] 서적 Aero Engine Combustor Casing: Experimental Design and Fatigue Studies CRC Press
_[17] 문서 ANSI/AIAA S-080-1998, Space Systems – Metallic Pressure Vessels, Pressurized Structures, and Pressure Components, §5.1
_[18] 웹사이트 AS 1200 Pressure Vessels http://infostore.sai[...] SAI Global 2011-11-14
_[19] 웹사이트 AS_NZS 3788: 2006 Pressure equipment – In-service inspection http://infostore.sai[...] SAI Global 2015-09-04
_[20] 웹사이트 Pressure Vessel Inspection Code: In-Service Inspection, Rating, Repair, and Alteration http://global.ihs.co[...] API 2006-06
_[21] 웹사이트 Gas cylinders – High pressure cylinders for the on-board storage of natural gas as a fuel for automotive vehicles http://www.iso.org/i[...] ISO 2009-04-17
_[22] 서적 Popular Science https://books.google[...] Bonnier Corporation 1919-01
_[23] 웹사이트 Domestic water collection systems also sometimes able to function on gravity http://www.harvesth2[...] Harvesth2o.com 2009-04-17
_[24] 서적 Fire Protection Hydraulics and Water Supply, Revised Third Edition https://www.google.c[...] Jones & Bartlett Learning 2021-10-20
_[25] 웹사이트 Alternatives to pressure vessels in domestic water systems http://www.harvesth2[...] Harvesth2o.com 2009-04-17