C4 구형 저장탱크의 최저 설계온도와 재료 선정

- 현장 충격시험 문제에서 돌아본 초기 Material Engineer의 역할 - 

현장에서 드러난 설계 문제

2006년 연말, 필자가 해당 프로젝트에 중간에 참여했을 때 직경 약 20 m의 C4 구형 저장탱크에 적용할 용접절차서(WPS)와 용접절차 인정기록(PQR)의 작성·승인 과정에서 충격시험(Impact Test)이 반복적으로 실패한다는 소식을 접했다.

처음에는 용접봉 선정이나 입열량, 층간온도 같은 용접변수를 조정하면 해결할 수 있는 문제라고 생각했다. 그러나 경위를 확인할수록 시험 실패의 배경에는 설계온도, 원소재의 저온 성능, 제작 열처리와 발주처의 승인 기준이 함께 얽혀 있었다.

탱크의 최저 설계온도는 FEED에서 −46°C로 지정되었다. 원설계 재료는 SA-516 Gr.60이었고, 필요한 판재의 최대 두께는 약 70 mm에 달했다.

국내 업체가 생산한 판재는 구매 단계부터 요구 성능의 충족 여부가 문제가 되었으며, 1차 선적 과정에서는 주문 취소까지 논의되었다.

결국 현장에서 제기된 핵심 질문은 “용접절차를 어떻게 승인받을 것인가”를 넘어섰다. 입고 판재와 그 판재로 제작한 용접부가 예정된 열처리 후에도 −46°C에 연동된 시험 기준을 만족할 수 있는가가 문제였다.

이 글의 프로젝트 경과는 필자의 당시 현장 경험을 바탕으로 하며, 작성된 초안은 AI의 도움을 받아 문장을 점검했음을 미리 밝힌다.

개별 충격시험의 불합격 위치와 수치, 적용 ASME 코드의 Division 및 판본, 구매사양의 세부 합격 기준은 해당 프로젝트의 원본 기록과 대조해야 확정할 수 있다.

C4 탱크에 −46°C가 적용된 이유는 검증되어야 한다

상온 가압식 LPG 저장탱크는 감압 또는 누출 시 제품의 '자기냉각(autorefrigeration)'으로 유체와 탱크 금속의 온도가 낮아질 수 있다. 자기냉각은 액화가스가 낮은 압력으로 방출되어 일부가 기화하면서 남아 있는 유체와 주변으로부터 열을 빼앗는 현상이다. 공개된 API 2510의 2001년 판 4.2.2는 LPG 용기의 최고·최저 설계온도를 모두 지정하고, 최저 설계온도를 정할 때 대기압 플래싱에 따른 자기냉각을 고려하도록 한다. 같은 판의 4.1.1은 LPG 용기에 ASME Boiler and Pressure Vessel Code Section VIII Division 1 또는 2를 적용하도록 한다. 

그러나 “C4 저장탱크”라는 명칭만으로 −46°C가 결정되지는 않는다.

순수 n-부탄의 대기압 정상비점은 약 −0.5°C이지만, 실제 저장제품의 조성과 경질 성분 허용량은 별도로 확인해야 한다.

감압(Depressurization)의 시작 조건, 방출 경로, 종료압력과 속도, 액위, 외부와의 열전달도 결과에 영향을 준다.

당시 유사한 크기의 국내 저장탱크에 −16°C부터 −40°C까지 다양한 설계온도가 적용되었다는 사실은 이 조건들을 비교해 볼 이유가 되었지만, 다른 탱크의 수치만으로 본 탱크의 설계온도를 바꿀 수는 없었다. 

API 521이 다루는 감압 중 저온 검토에서 중요한 것은 최저 유체온도를 계산하는 데 그치지 않는 것이다.

탱크의 위치별 금속온도와 그 시점의 압력·응력 이력을 함께 평가해야 한다. 최저온도에 이르렀을 때 압력이 이미 충분히 떨어졌는지는 재료 평가에 중요한 정보다. 그렇더라도 잔압에 따른 응력 외에 자중, 지지부와 노즐의 구속, 용접 잔류응력 및 온도차에 따른 열응력을 배제해서는 안 된다. 

반복된 충격시험 실패를 어떻게 해석할 것인가

당시의 시험 문제를 이해하려면 원소재, 용접절차, 실제 제작품을 대표하는 시험을 구별해야 한다.

'모사 열처리(Simulation Heat Treatment)'는 판재 시험편에 제작 중 예상되는 열처리 이력을 적용한 뒤 성능을 측정하는 방법이다.

이 사례에서는 용접 후 열처리(PWHT)와 추가 열처리 가능성을 고려한 simulated PWHT라는 표현이 목적을 더 분명히 한다.

시험편을 지정된 온도까지 가열해서 정해진 시간 동안 유지하고, 규정된 방법으로 냉각하는 주기를 요구 횟수만큼 적용한 다음 인장·충격시험 등을 실시한다.

이 프로젝트에서 요구한 3회는 당시 구매·제작 사양의 조건이지, 모든 LPG 구형 탱크에 공통으로 적용되는 횟수는 아니다.

WPS는 제작에 사용할 용접 방법과 변수의 범위를 정하는 문서이고, PQR은 실제 시험 용접을 수행해 그 절차가 적합함을 기록하는 문서다.

저온 충격성능이 요구되는 경우에는 인성에 영향을 주는 용접변수와 그 인정 범위를 특히 관리해야 한다. ASME Section IX는 용접절차 인정과 충격인성이 요구될 때의 추가 필수변수를 다룬다. 

제작 중 생산시험은 무엇을 확인하는가

이 사례에서 말하는 '제작 중 생산시험(Production Test)'의 핵심은 실제 탱크를 대표하는 '제작 용접부 충격시험(Production Weld Impact Test)'이다.

PQR은 제작 전에 별도의 시험 용접부로 절차의 능력을 입증한다. 생산시험은 탱크를 제작하는 동안 실제 사용 재료와 용접조건을 대표하는 시험판을 만들어 제작 결과를 확인한다.

적용 코드와 승인된 시험계획에 따라 시험판을 탱크 용접부의 연장부에 연결해 함께 용접하거나, 같은 제작 조건을 대표하도록 별도로 용접할 수 있다.

여기서 시편을 채취해 지정 온도에서 용접금속과 열영향부(HAZ) 등의 충격성능을 시험한다. 목적은 “승인된 절차가 실제 제작에서도 요구 인성을 내는가”를 확인하는 것이다. ASME Section VIII Division 1의 UG-84(i)는 해당되는 경우의 제작 중 충격시험판을 다룬다. 다만 본 프로젝트의 정확한 Division과 코드 판본이 확인되지 않았으므로, 이 조항을 당시 프로젝트에 직접 적용된 확정 조항으로 기재할 수는 없다. 

PQR 합격이 이후 제작하는 모든 용접부의 저온 성능을 자동으로 보장하지는 않는다. 실제 판재, 용접재료의 관리 상태, 입열량, 층간온도와 열처리 이력은 제작 과정에서 관리되고 검증되어야 한다. 생산시험(Production Test)은 바로 이 절차 인정과 실제 제작 사이의 간격을 확인하는 단계다.

발주처와의 협상에서 남은 기준

협상 과정에서 발주처는 PQR 단계의 충격시험 온도를 높여 절차를 인정하는 방안은 검토하려 했다.

반면 Production Test의 요구 조건은 완화할 수 없다는 입장을 유지했다.

이는 형식상의 차이가 아니었다. PQR 시험조건을 조정해 WPS가 승인되더라도, 실제 탱크 제작을 대표하는 시험 용접부가 원래의 저온 성능 기준을 만족해야 한다면 제작품의 적합성 문제는 남는다. 원소재의 3회 모의 열처리 후 성능 문제도 별도로 해결해야 했다.

따라서 당시 기입고 판재를 원래 설계에 사용하려면, 감압 및 재료 평가를 근거로 −46°C와 이에 연동된 시험 요구를 정식 변경해 발주처 승인을 받거나, 판재와 제작 용접부가 기존 요구를 모두 만족함을 입증해야 했다. 어느 쪽도 가능하지 않다면 해당 판재로 원설계 탱크를 제작할 수 없었다.

필자는 −46°C에 도달하는 대량 방출 상황의 현실성과 감압 중 압력 저하를 검토할 필요가 있다고 보았다.

비상 시 소방수를 방수해 탱크를 가온하는 운전 대안도 제시했고, 대기 방출이 발생한 이훼 추가적인 외력이 발생하지 않는 한 해당 탱크의 구조적인 문제점이 발생하거나 급격한 파괴가 발생하지 않을 가능성에 대해서도 설명했다. 다만 이러한 제안을 설계 변경의 근거로 채택하려면 방출 시나리오의 가능성과 금속온도–압력 이력, 방수 개시 시간 및 실제 가온 효과를 계산하고, 잔류응력과 국부 열응력을 평가해야 한다. 당시 발주처는 결국 FEED의 −46°C와 생산시험 기준을 유지했다.

재료 교체 이후에 남은 사실

프로젝트는 일본에서 A/SA-537 Class 2 판재를 새로 조달해 탱크를 재설계·시공했다.

이 재료는 담금질·뜨임 처리된 고강도 압력용기용 판재로서 제시된 설계 온도에서 안정성을 보이고 있으며, 고강도이기에 두께도 50mm 이내로 낮출 수 있었다. 하지만, 재료 등급을 바꾸더라도 실제 공급 두께의 성능, 모사 열처리 후 시험 결과, WPS/PQR과 생산시험의 적합성을 확인해야 한다. 

이후 발주처는 처음 입고한 판재를 사용해 추가 탱크를 준공하고 예비 저장 용량으로 활용했다. 이는 기존 판재를 사용할 수 있는 다른 설계·제작 조건이 존재했다는 점을 보여준다. 동시에 후속 탱크가 원래 탱크의 −46°C와 동일한 시험조건을 만족했다는 뜻은 아니다. 두 탱크의 설계온도·압력, 두께, 저장제품, 열처리 이력, 충격시험 기준과 운전 제한을 대조해야 후속 활용의 기술적 의미를 정확히 판단할 수 있다.

초기 설계에서 Material Engineer가 맡아야 할 판단

이 문제는 2006년 연말 현장의 반복적인 충격시험 실패를 통해 분명해졌지만, 해결해야 할 질문은 발주 전에 이미 존재했다.

공정 엔지니어는 제품 조성과 감압 시나리오 및 시간별 압력–금속온도 이력을 제시하고, 기계 엔지니어는 적용 코드, 판 두께, 용접과 열처리 계획을 정해야 했다. Material Engineer는 두 분야의 결과를 공급사와 대조하여, 해당 두께의 판재가 요구된 3회 Simulation Heat Treatment와 제작 중 생산시험의 기준을 충족할 수 있는지 확인했어야 한다.

설계온도 −46°C가 정당하고 유지되어야 한다면 그 조건을 만족할 재료와 제작 방법을 초기에 확보하는 것이 답이다.

반대로 감압 검토와 응력·인성 평가를 통해 다른 설계조건이 정당화된다면, 발주처와 협의해 설계도서와 시험 기준을 함께 변경해야 한다.

PQR 시험온도만 조정하는 것으로 원소재와 실제 제작품의 적합성까지 해결할 수는 없다.

이 사례는 특정 업체나 재료 규격의 일반적 능력을 평가하는 사례가 아니다.

당시의 −46°C, 약 70 mm 두께, 3회 모사 열처리와 생산시험이라는 조건의 조합을 실제 공급과 제작으로 구현할 수 있는지 초기 설계에서 검증하지 못한 사례다. Material Engineer가 공정·기계 담당자와 함께 그 질문을 제때 제기하고 발주처에 검증 가능한 대안을 제시하는 일이 왜 중요한지 보여준다.