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.

 구분   시험 대상   확인 목적
원소재 시험과 모사 열처리  납품 판재에서 채취한 시험편   예정된 제작 열처리를 거친 후에도 판재가 요구 강도와 저온 인성을 유지하는지 확인
 WPS/PQR 인정시험  정해진 용접재료와 변수로 제작한 절차 인정용 시험 용접부  제안한 용접절차로 요구 성능의 용접부를 만들 수 있는지 확인
 제작 중 생산시험  실제 탱크 제작을 대표하는 시험 용접부  승인된 절차를 현장에 적용한 결과도 요구 성능을 충족하는지 확인

 

'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.

ThomasEun 2026-10-01 12:39

위 상황의 이해를 돕고자 1988년 한국에 NCC (Naphtha Cracker Center)공장 건설이 붐이었을 때 있었던 비숫한 경험을 추가해 봅니다.

 

당시 미국 L 사의 Licensor 에 일본 T사의 FEED로 진행이 되었는데 HP Ethylene Spherical Tank 의 FEED Datasheet는 두께 제시없이 SPV50Q 로 기재가 되어 있었지요.

EPC 과정에서 검토하니 직경 17.5 m, DP=19.5 kg/cm2g, MDMT=-45 deg.C, 68-78 mm두께에서는 저온 Impact Test를 결코 만족할 수가 없음을 알고 대안을 제시하면서 Licensor와 FEED 사 모두가 그 심각성을 확인하게 되었습니다.  당시 고려 대상 대체 재료는 SA516-70N, SLA 37, SA537-Cl.1 & Cl.2, SPV 50LS 등이었는데 Special Order없이 가능한 상용 재료는 SA537-Cl.1 & Cl.2 밖에 없음을 확인하게 됩니다. 그런데 Cl. 1 과 Cl.2 사이에 큰 딜렘마가 있었지요.  모두가 Impact Test를 충분한 여유분의 흡수 에너지 값을 가지고 합격하고 WPS/PQR을 성공적으로 만들더라도 Field Welding이라는 최악의 용접 조건을 이겨나가고 나중 Local PWHT를 수행하는 과정에서 중첩되는 부위의 Over Heating으로 강도 유지를 보증할 수 있느냐가 가장 큰 관건이었지요.  이들 제작 중의 문제점을 최소화 하기 위해 Licensor 는 Cl.1의 사용을 (두께가 Cl.2 사용시 보다 약 20% 증가함) 요구해 왔고 FEED 사와 EPC사는 Project Schedule Impact와 Cost 증가의 부담으로 Cl.2를 사용하고자 하였지요.  Licensor 는 “50 mm가 초과하는 Spherical Tank의 경우 미국내 설치는 반드시 Cl.1으로 사용하나 미국 밖의 적용에 대해서는 Cl.2 의 적용을 허용한다”는 최종안을 보내와 Cl.2로 결정이 (두께 68 mm) 되었지요.  결국 문제는 Field 용접 과정에서 나왔지요.  해안가 고공 용접, 용접 자세의 불안정 등 최악의 조건은 많은 Repair Welding 을 가져오며 공사기간도 몇달이 지연되었지요. 결국 합격한 WPS/PQR & Impact Test의 신뢰성이 용접이 완료된 후에 얼마나 온전히 남아 있는 지는 여전히 의문이지요. 아직 문제가 없다면 아마도 depressurization 과정에서 압력 강하는 즉시 나타나지만 auto-refrigeration 의 효과로 하강되는 온도는 Heavy Wall 두께 전반에 미치기까지 시간이 꽤 소요되기 때문일 것으로 생각합니다.  상당히 Risk를 안고 있는 해석이지만 결과적으로 Metal 두께 전체로 MDMT에 도달할 때면 압력은 상당히 낮은 상태에 있게 될 것으로 예상합니다.

 

최근에는 당시 Licensor의 내부 규정이 (두께 50 mm이상에서는 SA537-Cl.1 or Modified SA516-70N 적용-Q-T steel을 피하기 위함) 전 세계 여러 회사로 확산되어 적용되고 있는 추세로 알고 있습니다.  한편, 근래에는 FEED 단계에서 모든 기기의 압력 기준 두께 계산을 미리 완료하고 재료 선정도 상당히 검토한 결과를 FEED package에 포함시키기에 EPC단계에서 당황하는 이런 문제는 많이 줄어들고 있습니다.

 

저온용 대형 기기의 대체 재료 선정시 우선순위는 항상 다음의 순서가 되어야 함을 인식할 필요가 있습니다

  1. 1. Prevention of brittle failure (ensuring the reliability of impact tests- including specimen orientation, quantity, sufficient absorbing energy)
  2. 2. Effective maintenance of weldability (shop, field, repair, and heavy wall Q-T steel)
  3. 3. Minimization of loss of mechanical properties due to heat treatment (for multiple heating zones during local HT)
  4. 4. Cost

 

참고가 되었으면 합니다.

 

한편, 하루 24시간이라는 한정된 된 시간이 기술자료 게시판과 자유게시판에 까지 따로 저가 원문글을 올리는 것을 허용하지 않는군요. 이곳의 원문글은 저의 과거와 미래의 발행 Books이나 Papers/Reports/Presentation Materials 들과 답글들, 그리고 한해에도 세상에 발표되는 수많은 전문가들의 Papers/Reports 들은 물론이고 AI 의 Summary가 충분히 cover할 것이라 믿습니다.  다만, 저의 주요 관심분야이며 비교적 AI의 영역 밖인 전문가 칼럼에서의 원문글의 Upload는 여전히 차단되어 있어 무척 아쉽군요.  

관리자 2026-10-06 16:56

여전히 글쓰기 권한과 관련하여 다소 오해가 있는 말씀을 남기시는 것 같습니다.

 

은정철님은 기술문서에 글을 등록하실 수 있고, 자유게시판에도 글을 남기실 수 있으며, 어느 게시판에서든 본인의 의견을 댓글로 남기실 수 있습니다.

만약 그러한 권한 자체가 제한되어 있다면 지금 이곳에 댓글을 남기는 것도 가능하지 않을 것입니다.
실제로 기술문서를 직접 등록해 보셨는지, 또는 자유게시판에 일상의 이야기나 의견을 남겨 보셨는지 묻고 싶습니다.

다만 기술문서 게시판의 경우 광고성 글이나 무분별한 게시물을 차단하기 위해, 일반 회원이 글을 등록하면 일정 시간이 지난 후 전체 공개되는 절차를 운영하고 있습니다.
즉, 글을 작성하거나 등록하는 권한이 제한된 것이 아니라 공개되는 시점에 시차가 있는 것이며, 전문가로 등록된 분들을 제외한 일반 회원에게 동일하게 적용되는 운영 방식입니다.

 

한편, 전문가 칼럼은 별도의 성격을 가진 공간입니다.

이 공간은 테크노넷에 전문가로 등록되어 자신의 전문 분야에서 일정한 역할과 기여를 해오신 분들에게 제공되는 공간입니다.

전문가 칼럼에 글을 쓰고 싶다면, 먼저 자신의 전문성과 활동을 통해 그에 합당한 자격과 인정을 받을 수 있도록 노력해 주시면 됩니다.

전문가 칼럼의 글이 반드시 전문적인 기술 내용이어야 하는 것도 아닙니다.

한 분야의 전문가로서 오랜 경험을 통해 바라본 과거와 현재, 산업의 변화, 현장에서 느낀 문제점이나 후배들에게 전하고 싶은 이야기 등 다른 사람들과 공유할 가치가 있다고 생각하는 주제를 자유롭게 나누는 자리입니다.

 

그리고 이번에 남기신 댓글은 이 글의 ‘상황 이해를 돕기 위한 부연 설명’이라기보다는 제가 이 글을 통해 전달하고자 했던 본질과는 다소 거리가 있는 내용으로 보입니다.

제가 이 글에서 이야기하고자 했던 핵심은 다음과 같습니다.

  • - 동일하거나 유사한 용도로 사용되는 Spherical Tank의 Design Temperature가 왜 0°C에서부터 −46°C까지 크게 차이가 나는가라는 의문입니다.

  • - FEED 단계에서 제시된 Design Temperature를 그대로 받아들이기보다는 Operation Manual, 운전 절차 및 System Design 등의 대안을 통해 다시 검토할 여지가 없었는가 하는 문제입니다.

  • - 더 근본적으로는 FEED에서 제시한 설계조건이 실제 운전 상황에서 현실적으로 발생 가능한 조건인지 충분히 검증되었는가, 그리고 이를 실무 단계에서 다시 검토하지 못했던 점에 대한 아쉬움을 과거 사례를 통해 이야기하고자 했습니다.

  • - 아울러 이러한 검토 과정에서 Depressurization Study가 왜 필요한지, 그리고 앞서 홍만화님께서 기술문서에서 정리하신 Joule–Thomson Effect가 실제 설계조건 결정에 어떻게 연결될 수 있는지를 하나의 사례로 소개하고자 한 것입니다.

결국 이 글의 취지는 특정 설계온도나 특정 재질의 적정성을 단정하려는 것이 아니라, FEED에서 주어진 설계조건이라 하더라도 그 조건이 만들어진 배경과 실제 발생 가능성을 공정·운전·재료·기계설계 측면에서 다시 확인해 볼 필요가 있다는 점을 이야기하는 데 있습니다.

 

다만 원글을 다시 돌아보니 이러한 의도가 글 속에 충분히 드러나지 못한 부분도 있었던 것 같습니다.

이 점은 저 역시 되돌아볼 필요가 있으며, 향후에는 사례 자체의 설명에 머무르기보다 그 사례를 통해 전달하고자 하는 본질과 기술적 문제의식이 보다 명확하게 드러날 수 있도록 글을 다듬겠습니다.

 

지속적인 관심과 적극적인 참여를 통해 여러 회원들에게 선한 영향력을 미치기 위해 노력해 주시는 점에 대해서는 감사드립니다.

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