P&ID의 가장 넓은 면적을 차지하는 것은 혈관처럼 이어진 배관(Line)과 유로를 조절하는 괄약근 역할의 밸브(Valve)입니다. 이 요소들의 규칙을 모르면 도면을 실제로 시공하거나 정비할 수 없습니다. 이 부분도 ‘1.2 알파벳과 기호의 비밀: Equipment, Instrument 심볼 및 Tag 번호 읽기’와 같이 '범례(Symbol & Legend)' 항상 확인해 주셔야 합니다. 왜냐하면 Line Number 경우, Equipment, Instrument, valve등과 다르게 도면안에 글을 적는다라는 표현이 적당할 정도로 많은 내용을 담고 있기 때문 입니다. 각 회사 혹은 licensor 마다 담고자하는 정보의 양이 다릅니다. 그렇기때문에 다시 한 번 강조드리지만 현장에서 모르는 기호가 나오면 당황하지 말고 범례를 펼쳐 대조하는 습관이 가장 중요합니다
1) 배관의 완벽한 신분증, Line Number(라인 번호)
배관 선 위에는 암호 같은 긴 문구들이 적혀 있습니다. 회사마다 배열 순서는 다르지만 반드시 포함되는 핵심 정보들이 있습니다. 상기 예시 중 첫번째 내용이 Line Number 작성 시 기본적으로 포함되어야 하는 내용입니다. ‘2B-VAP-31101-A1A-HO-TR(LS)’를 해부해 보겠습니다
(1) 2B(Line Size): 배관의 직경(NPS_Nominal Pipe Size)으로, 2 inch 파이프를 뜻합니다.
a. ASME, JIS 등 pipe code가 상이하더라도 일반적으로 다음과 같이 환산하여 적용합니다.
-. 2" = 2B = 50A
-. Inch, A size 예시
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인치 호칭 (NPS)
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KS/JIS 호칭 (A)
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1/2"
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15A
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3/4"
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20A
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1"
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25A
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1 1/2"
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40A
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2"
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50A
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3"
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80A
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4"
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100A
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6"
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150A
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b. 각 plant에 적용되어 있는 code(ASME, JIS 등)를 확인하여 동일한 code가 적용되도록 P&ID를 작성해 주어야 합니다. 상이한 code를 적용할 경우 발생할 수 있는 상황은 다음과 같습니다.
-. 플랜지(Flange) 체결 불가 : 배관 규격이 다르면 플랜지 규격도 ANSI/ASME(Class 150, 300 등)와 KS/JIS(10K, 20K 등)로 나뉘게 됩니다.
-> PCD(Pitch Circle Diameter) 및 볼트 홀 불일치: 두 규격은 볼트 구멍이 배열된 원의 지름(PCD)과 볼트 구멍의 개수, 크기가 완전히 다릅니다.
-> 결과: "inch" 규격으로 설치된 펌프나 압력용기의 노즐에 "A" 규격의 배관(플랜지)을 가져오면 볼트 구멍이 맞지 않아 아예 조립할 수 없습니다.
-. 10인치 & 12인치의 함정(실제 외경 불일치) : 대구경으로 넘어가는 기점인 10인치와 12인치에서 ASME 규격과 KS/JIS 규격은 실제 외경(OD) 자체가 다릅니다.
-> 10인치(NPS 10 vs 250A):
-> ASME 10" 파이프 외경: 273.0 mm
-> KS/JIS 250A 파이프 외경: 267.4 mm (약 5.6mm 차이)
-> 12인치(NPS 12 vs 300A):
-> ASME 12" 파이프 외경: 323.8 mm
-> KS/JIS 300A 파이프 외경: 318.5 mm (약 5.3mm 차이)
-> 배관을 직접 맞대기 용접(Butt Weld)할 때 5mm 이상의 단차(Hi-Lo)가 발생하므로 용접 자체가 불가능하거나, 강제로 용접하더라도 응력 집중으로 인해 배관이 파열될 위험이 큽니다.
플랜지(Flange) 체결 불가(참고로 14인치/350A 이상부터는 다시 외경이 355.6mm 등으로 동일해지지만, 다른 문제들이 기다리고 있습니다.)
-. 피팅류(Elbow, Tee) 치수 불일치로 인한 시공 오차 : 외경이 우연히 맞는 사이즈(예: 14인치와 350A)라 할지라도, 배관 방향을 트는 엘보우(Elbow)나 티(Tee)의 Center-to-Face (중심에서 끝단까지의 거리) 치수가 다릅니다.
-> ASME B16.9(inch 기반) 피팅과 KS/JIS 피팅은 곡률 반경과 여유 길이가 미세하게 다릅니다.
-> P&ID와 3D 모델링은 "inch" 기반으로 아이소 도면(Isometric Drawing)을 뽑았는데, 실제 현장에서 "A" 규격 피팅으로 스풀(Spool)을 제작하면 치수 오차가 누적되어 최종 Tie-in 지점에서 배관이 들어맞지 않는 대참사가 발생합니다.)
(2) VAP(Fluid Symbol): 내부를 흐르는 유체의 종류입니다. 예를들어 CW(Cooling Water, 냉각수), IA(Instrument Air, 계장 공기) 등으로 표기됩니다
(3) 31101(Line Number): 해당 배관의 고유 일련번호 및 구역 번호입니다
(4) A1A(Piping Spec. Class): 배관의 재질과 허용 압력 등급을 결정하는 가장 중요한 스펙 기호입니다. 이 코드를 Piping Material Specification(PMS) 규격집에서 찾으면, 파이프의 두께, 용접 방식, 재질(예: Carbon Steel 등)이 모두 나옵니다.
(5) H50-TR(LS) (Insulation & Tracing): 보온/보냉 및 온도 유지 정보입니다. H50은 화상 방지나 열 보존을 위한 뜨거운 보온재(Hot Insulation) 50mm, TR(LS)는 배관이 어는 것을 막기 위해 겉에 스팀을 감아주는 스팀 트레이싱(Low Pressure Steam Tracing) 설계를 뜻합니다.
2) 흐름을 통제하는 Valve(밸브)와 Fail Position P&ID에 그려진 밸브는 기호의 모양에 따라 그 목적이 완전히 다릅니다.
세상에는 정말 많은 형식(Type)의 valve들이 있습니다. 그러나 우리는 현장에서 가장 많이 사용되는 5가지 valve의 특징, 사용처, 장점, 단점에 대하여 알아보겠습니다.
(1) Gate Valve(게이트 밸브):
a. 특징 및 사용처
-. 대표적인 차단 밸브(Block Valve)입니다.
-. 내부의 문(Gate)이 위아래로 오르락내리락하며 유로를 개폐하는 구조를 가집니다.
-. 플랜트 내 공정 라인, 유틸리티 라인의 메인 차단용, 펌프 전/후단의 유지보수용 차단 밸브 등 광범위하게 사용됩니다.
b. 장점
-. 완전히 개방했을 때 유로가 일직선이 되어 압력 손실(Pressure Drop)이 거의 없습니다.
-. 유체의 흐름 방향에 제한이 없어 양방향 설치가 가능합니다.
-. 차단(Shut-off) 성능이 매우 뛰어납니다.
c. 단점
-. 작동하는 데(완전히 열고 닫는 데) 시간이 오래 걸립니다.
-. 유량 조절용(Throttling)으로 사용할 수 없습니다. 밸브를 반쯤 열어두면 고속 유체에 의해 디스크에 진동이 발생하고, 시트 부위가 깎여나가는 침식(Erosion) 현상이 발생해 밸브가 망가집니다.
-. 스템(Stem)이 상승하는 형태(OS&Y)의 경우 상부 설치 공간을 감안해야 합니다.
(2) Globe Valve(글로브 밸브):
a. 특징 및 사용처
-. 유체가 밸브 내부에서 'S'자 형태로 꺾여 흐르도록 설계되었습니다. 플러그 형태의 디스크를 위아래로 움직여 유체가 통과하는 단면적을 조절합니다.
-. 정밀한 유량 및 압력 조절(Throttling)이 필요한 곳에 주로 사용됩니다. 유량계 전후단이나 컨트롤 밸브의 우회 배관(Bypass line), 샘플링 라인 등에 필수적으로 배치됩니다.
b. 장점
-. 미세한 유량 제어가 가능하며, 유량 조절 시 디스크나 시트의 마모가 적습니다.
-. 게이트 밸브에 비해 닫고 여는 스트로크(Stroke)가 짧아 조작이 상대적으로 빠릅니다.
c. 단점
-. 유로가 S자로 꺾여 있기 때문에 밸브를 100% 열어두어도 게이트 밸브에 비해 압력 손실(Pressure Drop)이 큽니다.
-. 비용이 비싼 편이므로 유량 조절이 굳이 필요 없는 곳에는 설계 시 반영하지 않습니다.
-. 반드시 유체가 들어오는 방향(Inlet)이 정해져 있으므로 현장 설치 시 방향에 각별히 주의해야 합니다.
-. 이물질이나 슬러지가 있는 유체의 경우 내부에 퇴적될 우려가 있습니다.
(3) Butterfly Valve(버터플라이 밸브):
a. 특징 및 사용처
-. 원통형 바디 내부에 있는 원반 모양의 디스크가 축을 중심으로 회전하며 유체의 흐름을 개폐하거나 조절하는 밸브입니다.
-. 주로 냉각수(Cooling Water) 시스템이나 저압 가스 라인, 대용량의 공기 라인 등 대구경 배관에서 유량 차단 및 제한적인 유량 조절 용도로 널리 사용됩니다.
b. 장점
-. 구조가 매우 간단하고 가벼우며, 배관 사이의 설치 공간(Face-to-face)을 아주 적게 차지합니다.
-. 대구경 밸브를 제작할 때 다른 밸브에 비해 경제성(비용 절감)이 매우 뛰어납니다.
-. 90도 회전만으로 개폐되므로 조작이 빠릅니다.
c. 단점
-. 밸브가 완전히 열려 있어도 디스크가 유로 한가운데 버티고 있어 압력 손실이 발생하고 이물질이 걸릴 수 있습니다.
-. 고온/고압 프로세스 라인에는 적용이 제한적이며, 완전한 기밀성(Tight shut-off)을 유지하기가 다른 밸브에 비해 어렵습니다.
(4) Check Valve(체크 밸브)
a. 특징 및 사용처
-. 외부의 조작 없이 유체의 압력과 흐름 자체에 의해 작동하는 밸브로, 유체가 한 방향으로만 흐르게 하고 반대 방향으로 흐르는 것을 물리적으로 차단합니다. (Swing, Lift, Dual plate 타입 등이 있습니다.)
-. 역류 방지(Non-return)가 필수적인 곳. 특히 펌프나 압축기(Compressor)의 토출(Discharge) 측 배관에 설치하여 정지 시 유체가 역류하여 회전 기기를 훼손하는 것을 막습니다.
b. 장점
-. 구전동기나 수동 조작 없이 유체 역학적 원리로 자동 작동하므로, 전원이 차단되는 비상 상황에서도 시스템과 주요 설비를 보호할 수 있습니다.
c. 단점
-. 내부 디스크나 스프링 등의 구조물 때문에 항상 일정 수준의 압력 손실이 발생합니다.
-. 유속 변화나 맥동이 심한 곳에서는 밸브가 열리고 닫히기를 반복하는 채터링(Chattering) 현상이나 수격 현상(Water Hammering)이 발생해 밸브 파손 및 배관 진동을 유발할 수 있습니다.
-. 내부가 막혀 있어 외부에서 고장 여부나 디스크 상태를 육안으로 확인하기 어렵습니다.(이물질이 끼일 경우 디스크가 완전히 닫히지 않아 역류를 완벽히 막지 못하는 고장 등)
(5) Control Valve (조절 밸브)와 Fail-Safe:
a. 특징 및 사용처
-. 단순한 수동 밸브가 아니라, 공압/유압/전기 모터 등의 액추에이터(Actuator)와 신호를 받아 위치를 제어하는 포지셔너(Positioner)가 결합된 자동화 기기입니다. 플랜트의 분산제어시스템(DCS)이나 PLC로부터 신호를 받아 스스로 개도를 조절합니다. 밸브 바디 자체는 글로브 밸브 형태를 가장 많이 차용합니다.
-. 공정 내 유체의 유량(Flow), 압력(Pressure), 온도(Temperature), 수위(Level)를 실시간으로 모니터링하며 목표값(Set point)에 맞게 정밀하게 제어해야 하는 모든 핵심 공정 루프에 사용됩니다.
b. 장점
-. 인력의 개입 없이 복잡한 플랜트 공정을 24시간 정밀하고 연속적으로 제어할 수 있게 해줍니다.
-. 정전이나 압축 공기 차단 등의 비상 상황(Fail) 발생 시, 공정의 안전을 위해 밸브가 자동으로 꽉 닫히도록(FC: Fail Close) 하거나 활짝 열리도록(FO: Fail Open) 설계하여 2차 폭발이나 누출 사고를 예방할 수 있습니다.
엔지니어링에서 가장 중요한 개념 중 하나는 '정전이나 사고로 밸브 구동용 공기(Air) 공급이 끊겼을 때, 이 밸브가 안전을 위해 어느 방향으로 스스로 움직여야 하는가?'를 결정하는 Fail Position 설계입니다.
-> FO (Fail Open): 구동 동력이 끊기면 밸브가 스스로 활짝 열립니다. (예: 뜨거운 반응기를 식혀주는 냉각수 공급 밸브는 비상시 무조건 열려야 폭발을 막을 수 있습니다)
-> FC (Fail Close): 구동 동력이 끊기면 밸브가 스스로 꽉 닫힙니다. (예: 공정에 펄펄 끓는 열을 가하는 스팀 공급 밸브는 비상시 무조건 닫혀야 화재를 막을 수 있습니다)
c. 단점
-. 부속 장비(계기류)가 많아 초기 설치 비용이 일반 밸브에 비해 압도적으로 높습니다.
-. 정기적인 캘리브레이션(Calibration)과 액추에이터의 씰(Seal) 교체 등 고도의 유지보수 기술이 필요합니다.
-. 계장용 압축 공기(Instrument Air)나 전원 등 밸브를 구동하기 위한 외부 동력원이 반드시 필요합니다.
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밸브 종류 (Type)
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장점 (Advantages)
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단점 (Disadvantages)
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Gate Valve
(게이트 밸브)
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• 완전 개방 시 압력 손실이 거의 없음
• 양방향 유체 흐름에 모두 설치 가능
• 완전한 차단(Shut-off) 성능이 뛰어남
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• 조작(완전 개폐)에 시간이 오래 걸림
• 유량 조절(Throttling) 목적으로 사용 불가 (침식 발생)
• 스템 상승형의 경우 상부 설치 공간이 많이 필요함
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Globe Valve
(글로브 밸브)
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• 미세하고 정밀한 유량 및 압력 조절 가능
• 유량 제어 시 디스크/시트 마모가 적음
• 게이트 밸브에 비해 닫고 여는 스트로크(Stroke)가 짧아 조작이 상대적으로 빠름
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• 유로가 꺾여 있어 100% 열려 있는 상황에서 Gate Valve (게이트 밸브) 대비 큼
• 슬러지나 이물질이 내부에 퇴적될 우려가 있음
• 동급 게이트 밸브 대비 무겁고 가격이 비쌈
• 반드시 유체가 들어오는 방향(Inlet)이 정해져 있으므로 현장 설치 시 방향에 각별히 주의
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Butterfly Valve (버터플라이 밸브)
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• 구조가 간단하고 설치 공간(Face-to-face)을 적게 차지함
• 대구경 밸브 제작 시 경제성이 매우 우수함
• 90도 회전 방식으로 개폐 조작이 빠름
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• 개방 시에도 디스크로 인한 압력 손실 발생
• 고온/고압 공정 라인에 적용이 제한적임
• 완전한 기밀성(Tight shut-off) 유지가 까다로움
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Check Valve
(체크 밸브)
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• 외부 동력(전원/인력) 없이 역류 방지 자동 작동
• 정전 등 비상 상황에서 펌프, 압축기 등 핵심 회전 기기 보호
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• 내부 구조물로 인해 항시 일정 수준의 압력 손실 발생
• 맥동/유속 변화 시 채터링(Chattering) 및 수격 현상(Water Hammering) 우려
• 밀폐 구조로 외부에서 디스크 상태나 고장 육안 확인 불가
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Control Valve (컨트롤 밸브)
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• 시스템(DCS/PLC) 연동으로 24시간 정밀 자동 제어 가능
• 공정 안전 로직(Fail-close/open 등) 구현으로 안전성 확보
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• 계기류(액추에이터, 포지셔너 등) 부착으로 초기 설치 비용이 높음
• 정기적인 캘리브레이션 등 고도의 유지보수 기술 필요
• 구동을 위한 계장용 압축 공기(IA)나 전원 등 외부 동력 필수
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3) 온도와 압력의 상관관계, Flange Rating (플랜지 레이팅)
배관과 장치를 연결하는 핵심 요소인 'Flange(플랜지)'와 그 규격을 나타내는 'Flange Rating(플랜지 레이팅)'은 단순히 도면상의 숫자가 아니라 플랜트의 생명과 안전을 직결하는 가장 중요한 암호입니다.
(1) Flange 란?
a. 플랜지의 정의와 존재 이유
플랜지는 파이프와 파이프, 파이프와 밸브, 혹은 파이프와 장비를 볼트(Bolt)와 너트(Nut)로 조립하고 분해하기 쉽도록 배관 끝단에 부착하는 원반(Disc) 모양의 부속품입니다.
만약 플랜지가 없다면 모든 배관을 용접(Welding)으로 연결해야 합니다. 용접으로 영구히 붙여버리면, 나중에 밸브가 고장 나거나 배관 내부를 청소(Cleaning)해야 할 때 배관을 톱으로 썰어내야 하는 대참사가 발생합니다. 즉, 유지보수(Maintenance)와 조립/해체의 편의성을 위해 존재하는 필수 불가결한 기계 요소입니다.
b. 플랜지 체결의 3요소
플랜지 연결부는 단순히 쇳덩어리 두 개를 맞대는 것이 아닙니다. 완벽한 밀폐(Sealing)를 위해 세 가지 요소가 한 세트로 움직입니다.
-. Flange (플랜지 본체): 압력을 견디는 뼈대
-. Gasket (가스켓): 두 플랜지 사이에 들어가 미세한 틈을 메워 유체 누설을 막는 쿠션
-. Bolt & Nut (볼트/너트): 가스켓을 강하게 압착시켜 밀폐력을 완성하는 체결구
(2) Flange Rating의 오해와 진실
P&ID 상의 배관 클래스(Piping Class)나 PMS(Piping Material Spec.)을 보면 항상 이 플랜지의 Rating(등급)이 등장합니다. 전 세계적으로 가장 널리 쓰이는 미국 기계학회 기준인 ASME B16.5 코드에 따라 보통 Class 150, 300, 600, 900 등으로 분류되며, 현장에서는 파운드(lbs) 기호인 #을 붙여 "150#, 300#"이라고 부릅니다.
a. 치명적인 오해
많은 분들이 도면에서 300#이라는 숫자를 보고 다음과 같이 생각합니다.
-. "아! Class 300 플랜지는 무조건 300 psi 압력까지만 견디는 부품이구나!"
-. 그럼 현재 우리 공정 압력이 250 psi니까 300# 플랜지를 쓰면 안전하겠네!"
-. 이것은 대단히 위험하고 틀린 생각입니다. 만약 유체의 온도가 400℃가 넘는 고온 상태라면, 이 300# 플랜지는 250 psi의 압력을 견디지 못하고 파열되어 대형 폭발이나 누출 사고를 일으킬 수 있습니다.
b. 진짜 개념: 압력과 온도의 상관관계 (Pressure-Temperature Rating)
-. Flange Rating은 단순한 허용 압력이 아닙니다. 유체의 '온도(T)'와 '압력(P)'이 동시에 작용할 때 견딜 수 있는 한계치(P-T Rating)를 의미합니다.
-. 숫자 150, 300 등은 과거 철강 기술이 발달하기 전, 특정 기본 온도(주로 약 850℉/454℃ 부근의 증기 온도)에서 견딜 수 있는 대략적인 1차 압력을 의미했던 역사적 잔재일 뿐, 현재 실무에서는 "고유의 스펙 클래스 이름"일 뿐이라고 생각하셔야 합니다.
c. 그래서 각 회사 혹은 Plant 마다 하기와 같이 PMS(Piping Material Spec.)을 만들어서 기준을 정해 놓습니다. 우리는 이미 확정된 PFD(Process Flow Diagram)의 온도, 압력을 기준으로 PMS을 펼쳐 pipe material을 확정할 수 있습니다.
(3) ASME class ‘#’ vs JIS/KS code ‘k’ 차이
현장에서 반드시 마주치게 되는 것이 있습니다. 바로 미국식 ASME "Class(#)" 규격과 일본/한국식 JIS/KS "K" 규격의 충돌입니다.
a. 150#과 10K는 절대 동급이 아니다!
-. 현장에서 150#과 10K를 비슷하게 취급하려는 우를 범하는 경우가 있습니다. 절대 그렇지 않습니다.
-. 하기 표에서 보듯이 150#와 10K는 내압성능이 다릅니다.
->JIS 10K: 상온에서 최대 약 14 barg 정도를 견딥니다.
->ASME 150#: 상온에서 최대 약 20 barg를 견딥니다. 즉, ASME 150# 플랜지가 JIS 10K보다 더 높은 압력을 견딥니다. 내압 능력만 따지면 ASME 150#은 JIS 10K와 20K의 중간 정도 값 입니다.
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구분
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상온 (~38℃)
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200℃ 운전 시
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300℃ 운전 시
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JIS 10K
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약 14.0 barg
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약 12.0 barg
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약 10.0 barg
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ASME 150#
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약 19.6 barg
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약 14.5 barg
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약 9.6 barg
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JIS 20K
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약 34.0 barg
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약 31.0 barg
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약 29.0 barg
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ASME 300#
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약 51.0 barg
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약 44.0 barg
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약 40.0 barg
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b. 물리적으로 조립(Bolting)이 불가능하다!
-. JIS 10K 배관이 깔려 있는 곳에, 외국에서 수입한 ASME 150# 펌프를 설치해야 한다고 가정해 보겠습니다. 이 둘을 맞대고 볼트를 꽂을 수 있을까요? 정답은 '아니오'입니다. 규격이 다르면 플랜지의 볼트 구멍 개수, 볼트 구멍의 크기, 그리고 PCD(Pitch Circle Diameter, 볼트 구멍을 잇는 원의 지름)가 완전히 다릅니다. 구멍이 맞지 않아 볼트가 들어가지 않습니다. 만약 이런 상황이 발생한다면 두 규격을 변환해 주는 'Adapter Flange(변환 플랜지)'를 양쪽에 용접하여 연결해야만 합니다.
c. 공장 내 규격 혼용 금지
-. 공장 전체를 ASME 코드로 통일한 상황이라고 가정 합니다. 그런데 패키지 설비(Skid) 벤더에서 Cooling water line의 밸브나 플랜지를 JIS 규격으로 납품하는 상황이 발생할 수 있습니다.
-. 그렇기 때문에 우리는 검수(Inspection) 혹은 현장에 반입된 자재를 검수 시, 메인 배관과 벤더 설비가 만나는 Tie-in Point (연결 지점)의 플랜지 규격이 정확히 일치하는지 확인하는 것이 아주 중요한 임무 중 하나입니다.