우리나라는 상대적으로 뒤처진 분야가 상존하고 있는 게 현실이지만, 선진적이고도 고도화된 산업 분야의 경쟁력에 힘입어 현재 세계 제일의 자리를 확보하고 있는 분야도 있습니다. 오늘날의 한국의 위상에는 반세기 전부터의 산업화 과정을 비롯하여 1970년대의 중동 건설 붐 시기를 거치며 익힌 각종 플랜트 분야의 건설 기술 경험과 해외 건설 공사 수주에 의한 경제적 기여가 일정 부분 역할을 했습니다. 뿐만 아니라, 우리가 해외여행을 통해 세계 도처에서 한국 기업이 건설한 각종 시설들을 보면서 건설 한국의 자부심을 가지게 하는 분야도 있습니다.
플랜트 건설 사업(EPC)은 첫째, 사업 수행 과정의 신속한 의사 결정 및 강한 추진력, 둘째, 정해진 규칙이나 데이터의 부족에도 불구하고 창의적인 결과를 도출해내는 자세의 유연성, 셋째, 구성원 상호 간에 마음을 열고 합심하여 역경을 극복해내는 역동성이 절대적으로 필요한 산업 분야이며 이런 특성은 우리 한국인의 자랑할 만한 민족성이자 장점이기도 합니다.

반세기 전 우리나라가 중동의 석유화학 플랜트 공사 현장에 뛰어들던 초창기에는 우리 내부에 축적된 기술과 데이터도 없이 선진국의 관리에 전적으로 의존하여 국제 건설 시장에 뛰어들었습니다. 이런 과정을 슬기롭게 극복하면서 우리는 구미 선진 기술진이 제공하는 자료와 외국의 기술 서적에 의존하여 기술을 익히고 경험을 쌓으며 국제사회의 강자로 성장해왔습니다.
플랜트 건설 사업 분야는 학문/학술이 아닌 경험에 의해 축적한 기술이 가장 중요한 부분입니다. 그러나 경험의 노하우와 기술 데이터를 축적하지 못하고 살아온 세대로서 할 일을 못 한 것 같은 아쉬움을 늘 가져오던 차에 여러 경험과 지식을 정리하고 자료를 모아 이 분야에 종사하는 사람은 물론 새로이 도전하는 사람들에게 길잡이가 되기를 바라는 뜻을 담아 책으로 펴내게 되었습니다.
이미 해외에서는 GPC(Gulf Publishing Company)를 비롯한 몇몇 출판사에서 많은 배관 기술 서적을출간했으나, 국내에서는 위생 배관이나 일반 유틸리티 배관을 대상으로 하는 제한된 책을 제외하면 한글로 제대로 출간된 플랜트 관련 전문 기술 서적을 찾기가 쉽지 않아 아쉬움이 컸습니다. 외국어로 된 자료를 익히고 활용하기에 불편을 느끼는 기술자들에게 이 책이 친근한 벗이 되어 업무 수행이나 기술 습득에 많은 도움이 되기를 기원합니다.
배관 설계는 배관만의 기술 이론만으로 완성되기보다는 플랜트를 구성하고 있는 연관 분야와의 정보 교환을 통한 유기적인 조합과 협업을 통해 이루어지고 있습니다. 이런 환경에서 배관 설계를 담당하고 있는 자신을 둘러싼 이해관계자들과의 관계와 그 사이에서 형성된 역할과 책임을 설명하는 장을 마련하여 배관 설계에 한정된 지식뿐 아니라 프로젝트의 진행 과정에서 필연적으로 만나야 할 상대에 대한 이해를 돕도록 하였습니다.
또한 프로젝트의 생성과 관리 및 수행 조직에 대한 설명을 제공함으로써 개략적이나마 프로젝트 업무 흐름을 이해함과 동시에 배관 설계 관리자로서 관리 역량 신장에도 도움이 되도록 하였습니다.

아울러, 프로세스 플랜트의 배관 분야의 실질적 업무 실행을 위하여 대표적인 주요 기기 주변의 배관 기본 유형과 예시를 통해 배관 구성의 아이디어를 얻을 수 있게 하였고 실제 설계 경험을 바탕으로 에틸렌 플랜트의 적용 예를 마련하여 의사 결정에 참고가 되도록 하였습니다.
마지막으로 배관 설계 과정을 거쳐 건설 현장에서 시공하는 중 현장의 여건 변화 또는 조달 자재의 정보 오류 등 필연적으로 발생하는 설계의 변경 사항을 관리하기 위한 실제 현장 설계 관리 기법과 변경 내용을 반영한 사례 중심의 종결 보고서를 제시하여 경험을 자료화할 수 있도록 아이디어를 제시하였습니다. 시행착오를 거치며 시간을 들여 만들어진 경험과 지식을 축적하고 숙성시킬 수 있을 때 비로소 확보되는 역량이 우리의 힘입니다.
플랜트 산업은 과학의 영역이라기보다 산업적 경험의 축적이 경쟁력의 원천인 분야이며 배관 설계 역시 기술 연마를 위한 각고의 노력뿐만 아니라 숱한 시행착오와 경험을 바탕으로 한 리더십이 더해져서 빛을 낼 수 있는 분야입니다. 이 책에서 설명한 부분의 내용과 관련하여 각 사의 공유 방식에 따라서 설계된 공통 사항과 실제 프로젝트에서 사용되는 실행 방법 등은 사업주, 프로젝트 유형, 프로젝트 특성에 따라 달라집니다. 여기에 쓰인 내용이 만능일 수는 없으며 일부 상황에는 적합하지 않을 수도 있으므로, 모든 경우에 예외 없이 적용될 내용만을 담아낼 수는 없을 것입니다. 책이 언제 어디에서 도움이 되는지를 결정하는 것은 각 개인의 지식과 경험을 응용하고자 하는 노력에 달려 있습니다.

보다 다양한 자료와 경험들을 이 책에 담아내고자 하였으나 여기저기 매끄럽지 못한 부분도 없지 않아 아쉬움도 있습니다. 그러나 누구나 배우고 익히며 항상 준비하는 마음을 갖추고 있으면 낯설고 예상하지 못한 상황이 발생해도 어디서건 부족한 부분을 채워주는 스승이 나타나곤 하던 것을 선후배 동료와 함께한 오랜 경험으로 알고 있습니다. 아무쪼록 이 책이 독자 여러분의 앞날에 작으나마 자양분이 되어 유능한 기술자로 성장하는 데 도움이 되기를 기대합니다.

박 철 수

머리말 / iii

01 Introduction of Engineering 1

1.1 General 3
1.2 EPC Business 소개 3
1.2.1 Feasibility Study 단계 3
1.2.2 Execution 단계 : EPC(엔지니어링, 조달, 건설) 4
1.2.3 O & M 단계 8
1.3 EPC Project Execution 8
1.3.1 Project Life Cycle 8
1.3.2 EPC Project Execution Organization 9
1.4 Introduction of Piping Engineering 11
1.4.1 EPC Typical Piping Engineering Organization(Support Engineer Group by Project Size) 11
1.4.2 EPC Piping Work 상호 관계 12
1.5 엔지니어링 기술의 전망 13
1.5.1 엔지니어링 산업의 동향 / Engineering Industry Trends 13
1.5.2 엔지니어링 산업 관련 중점사항 / Engineering Industry Key words 18
1.5.3 엔지니어링 산업에 대한 결론적 의견 28

02 Code & Standard에 대한 이해와 역사 29

2.1 General 31
2.2 Code & Standard 사용 32
2.2.1 코드(Code) 32
2.2.2 표준공업규격 및 단위계(Standard & Unit System) 32
2.2.3 Code & Standards가 필요한 이유 33
2.2.4 Project에 적용하는 Engineering Rule System 정의 33
2.3 ASME Code 발전과 현재 33
2.3.1 ASME(American Society for Mechanical Engineers) Code Book 구성 34
2.3.2 Understanding of Pressure Piping B31 구성 35
2.4 Future Direction of Code 활용 37
2.4.1 정성적 평가(Plant Layout Evaluation by Qualitative Evaluation) 38
2.4.2 정량적 평가(Plant Layout Evaluation by Quantitative Evaluation) 38
2.4.3 정량적 해석 ALARP(As Low As Reasonably Practice) 이해 39
Example 사례 연구 : 정량적 평가(Plant Layout Evaluation by Quantitative Evaluation) 42
사례 1. Ethylene Tank PSV용 Tank Flare 설치 여부 검토 42
사례 2. Guide for Hazard Analysis 적용 사례 43

03 Piping Design Role & Responsibility 45

3.1 General 47
3.1.1 Process Ethylene Plant 전경 47
3.2 Piping Engineering & Design 소개 47
3.2.1 Piping Engineering의 중요성 47
3.2.2 Piping Work Flow 상호 관계 48
3.2.3 Piping Basic Design 이해 48
3.2.4 Detail Design 55
3.3 배관 엔지니어의 역할과 책임(Role and Responsibility) 57
3.3.1 General 57
3.3.2 Piping Engineer의 역할과 책임 57
3.4 Piping Design Input & Output Control 66
3.5 Piping Group별 Work Activity 67
3.5.1 Piping Leader Engineering 67
3.5.2 Piping Design Group 69
3.5.3 Piping Material Engineering 69
3.5.4 Piping Material Control Engineering 69
3.5.5 Piping Stress Engineering 70
3.6 Piping Engineering 성과품(Deliverables)의 종류 70
3.7 3D Graphic Software(S/W) 71
3.8 계산용 S/W 71

04 Plant Layout 73

4.1 General 75
4.2 Plant Layout 기초 75
4.2.1 Plant Layout Engineer & Designer 75
4.2.2 Engineer & Designer의 역할과 책임 76
4.2.3 Project Input Data 77
4.2.4 Plant Layout Step 77
4.3 Plant Layout Specification 78
4.4 Plant Layout 원칙 79
4.5 Plot plan 작성 Flow Chart 79
4.6 Plant Layout 시 고려 사항 80
4.6.1 최우선 고려 사항 및 주요 역할 80
4.6.2 Reference 82
4.7 Plant Layout 결론 83
4.8 근원적 안전공학 개념 이해 83
4.8.1 Inherently Safer Design 84
4.8.2 ISD(Inherently Safer Design)의 목표 84
4.8.3 Plant 기기 이격 거리 준수 85
4.8.4 Utility(저위험 지역)와 Process(고위험 지역) 분리 85
4.8.5 Plot Plan Planning의 예 86
4.9 Plant Layout Study 88
사례 연구 : Ethylene Project Plot Layout Studies 88
4.9.1 General Information 88
4.9.2 Safety Factor/Prevailing Wind에 대한 Data 검토 89
4.9.3 Plot Area 선정의 우선순위 결정 90
4.9.4 Process System Group 단계에 의한 Plant Layout 91
4.9.5 풍향과 Process System Group을 고려한 상세 Layout 91
4.9.6 기타 부속 건물 배치/Substation, Control Room 92
4.9.7 각 Area의 넓이의 제한 92
4.9.8 Code 및 Local 규정에 따른 Plot Plan 상의 Area 구분 93
4.9.9 Road 계획 검토 94
4.9.10 Equipment Erection 검토 95
4.9.11 Maintenance 95
4.9.12 Underground에 배치해야 할 Items 검토 96
4.9.13 Project Final Plot Plan 96

05 Piping Drawing 99

5.1 General 101
5.2 Piping Drawing 종류 101
5.2.1 Plot Plan Drawing(전체 공장 배치도) 101
5.2.2 Piping Arrangement Drawing 101
5.2.3 Piping Isometric Drawing/Spool Drawing 101
5.2.4 Piping Support Drawing 101
5.3 Drawing Issue by Stage 102
5.4 Piping Drawing(Sample) 103
5.4.1 Plot Plan Drawing : 구상도면, 공장의 기계 배치도 103
5.4.2 General Arrangement Drawing(Plan Drawing) : Piping Plan 104
5.4.3 ISO Drawing(For Construction 도면) 105
5.4.4 Piping Support Drawing 106
5.4.5 배관 설계 산출물을 위한 관련 도면 107
5.5 As-Built Drawing 111
5.5.1 제출 도면 111
5.5.2 AS-Built 반영 방법 111
5.6 도면 이해와 활용 112

06 Piping System Design 115

6.1 General 117
6.2 Piping System Design 117
6.2.1 배관의 정의 117
6.2.2 프로세스(Process) 정의/ASME B31.3 117
6.2.3 유틸리티(Utility) 정의 118
6.3 Utility Piping System Design 118
6.3.1 Utility System 종류 118
6.3.2 공업용수 Sources 및 처리 118
6.3.3 스팀(Steam System) 120
6.3.4 공기(Air System) 122
6.3.5 질소 시스템(N2) 123
6.3.6 화학물질 시스템 123
6.3.7 기타 시스템 124
6.3.8 Utility Piping Lines Design Basis 124
6.3.9 Utility System 배치 및 전반적인 레이아웃 설계 124
6.4 Process Piping System Design 125
6.4.1 Process Piping Lines Design Basis 125
6.4.2 Process Area 내 Utilities Lines Design Basis 126
6.4.3 Process Piping Line Route 검토 시 고려 사항 126
6.4.4 Process Equipment별 일반적 고려 사항 126
6.5 Process Requirement 146
6.5.1 Slope 146
6.5.2 Free Draining 148
6.5.3 Gravity Flow Line 148
6.5.4 Two Phase Flow 148
6.6 배관 진동에 대한 이해 149
6.6.1 배관 진동의 종류 149
6.6.2 배관 진동의 설계 기준 150
6.6.3 진동 해석 평가 152
6.6.4 배관 진동에 대한 고려 사항 154
6.7 주요 배관 시스템 문제 유형 및 대책 155
6.7.1 배관에서 Two Phase 흐름에 대한 문제점을 최소화하는 방안 155
6.7.2 공동현상(Cavitation) 157
6.7.3 주요 진동 현상에 대한 이해와 대책 158
6.7.4 Valves Problems 158
6.7.5 Pump Alignment 159
6.8 Piping System Design Studies 163
사례 연구 : Compressor System Piping Studies in Compressor Area 163
6.8.1 Main Compressor의 사전 특성 파악 163
6.8.2 Main Compressor의 Process System 검토 164
6.8.3 Plant Layout의 기기의 Location을 Process Flow 측면에서 이해하기 164
6.8.4 Compressor System Piping Studies in Compressor Area 165

07 Piping Material 167

7.1 General 169
7.2 Pipe and Tube 169
7.2.1 Pipe와 Tube의 차이점 169
7.2.2 Markings on Pipe and Tube 170
7.2.3 배관 재질/제작 방식에 의한 분류 170
7.2.4 Non Destructive Tests for Pipe and Tube 172
7.2.5 Material Traceability 173
7.2.6 주요 Metal/Non Metal Pipes 174
7.2.7 중동 Project 수행 시 가장 많이 사용되는 Non Metal Pipes(GRP) 상세 이해 176
7.3 Fitting & Main Components 183
7.3.1 Fitting이란 183
7.3.2 Fitting의 분류 184
7.3.3 Fitting의 종류와 용도 184
7.3.4 Main Components 186
7.4 배관 관경 선정 199
7.5 배관 공칭 Size & 두께 계산 201
7.5.1 Introduction to Pipe Sizes 201
7.5.2 공칭(Nominal) 파이프 크기 및 공칭 직경 202
7.5.3 International Standards for Pipe Sizes 202
7.5.4 Pipe Sizes for Other Materials 203
7.5.5 Pressure Ratings for Pipe and Tube 203
7.5.6 Wall Thickness Calculations for Straight Pipe Under Internal Pressure 203
7.6 배관 자재 선정 205
7.6.1 Physical Properties of Piping Materials 206
7.6.2 유체에 따른 배관 자재 선정 기준 : 공정 조건은 재료 선택에 가장 많은영향을 미침 207
7.6.3 일반적인 배관 자재 선정 기준(Pipe & Fitting Selection) 207
7.6.4 배관 재료의 성질(ASTM 내용) 207
7.6.5 ASTM 재료 시험 특성을 고려한 선택 209
7.6.6 ASTM 재질의 운전 온도 및 용도에 따른 분류 210
7.7 Material Specification 211
7.7.1 Standard Material Specification에 포함해야 할 사항 211
7.7.2 Material Specification(Ethylene Project Sample) 212
7.8 유지 관리/부식 213
7.8.1 부식이란 213
7.8.2 부식의 종류 213
7.8.3 부식 대책 219
7.8.4 배관의 부식 측정 방법 220
7.8.5 매설 배관의 부식 방지 221
7.9 배관 Material 선정 예제 223
7.9.1 배관 자재 선정 예제 223
7.9.2 사례 검토 결과/배관 재질 선정에 대한 해설 224
7.10 Paint & Insulation 225
7.10.1 Paint 225
7.10.2 Insulation 227

08 Basic Concept of Piping Stress Analysis 233

8.1 General 235
8.2 배관 응력해석의 정의 235
8.3 적용 범위 235
8.4 배관 응력해석의 개념 235
8.4.1 Pipe에 작용하는 Stress 종류 이해 236
8.4.2 Basic Concept of Piping Stress Analysis 237
8.4.3 ASME B31.3 Code 배관 응력해석의 개념 238
8.4.4 용어의 정의 240
8.5 배관 응력해석의 주목적 251
8.6 배관 응력해석 시 고려되어야 할 하중 251
8.6.1 배관에 작용하는 하중의 종류 251
8.6.2 ASME B31.3의 Type of Load on Piping(Design, Normal, Up-set, Emergency, Test 등) 252
8.7 배관 응력해석시 필요한 자료 252
8.8 열응력해석의 필요성에 대한 판단 기준 253
8.9 배관 응력해석 절차 256
8.10 배관 응력 평가 기준 256
8.10.1 ASME B31.3 Code 응력 평가 이해 256
8.10.2 ASME B31.3 Code PIPE의 열팽창 Stress 계산 방식 이해와 평가 258
8.10.3 Flexibility & Stress Intensification Factor의 상세 개념 259
8.10.4 Stress Range Factor 이해 261
8.10.5 Allowable Stress Range 해석 261
8.10.6 허용 응력 범위에 추가할 수 있는 응력(ADDITIVE STRESS) 262
8.11 배관 응력해석의 평가 263
8.11.1 Static 응력해석 검토(Static Load 종류) 263
8.11.2 Dynamic 응력해석 검토(Dynamic Load 종류) 263
8.11.3 Piping Stress Analysis Result 고려 사항/Piping Stress Analysis 결과에의한 평가 264
8.11.4 배관 응력해석 후 검토해야 할 사항 265
8.11.5 열 응력 해소 방안 265
8.12 배관 응력해석 보고서 265
8.13 배관 응력해석 관련 CODES 266
8.14 배관 설계 Guided Cantilever Beam Method 적용 266
8.15 Information Flow for Stress Analysis & Piping Stress Engineering Software 269
8.15.1 Information Flow for Stress Analysis 269
8.15.2 Piping Stress Engineering Software 269
사례 연구 : 고온, 고압 기기에 연결되는 배관 해석 진행 271

09 Piping Supports 275

9.1 General 277
9.2 Pipe Supports의 정의 277
9.3 Piping Support의 역할 277
9.4 Piping Support Material 선정 278
9.4.1 Support Material 적용 온도 범위 278
9.4.2 Reinforcing Pad 설치 기준 278
9.4.3 기기에 대한 Reaction 검증 279
9.5 Function에 의한 Type of Support 분류 기준 279
9.6 Type of Support 280
9.6.1 Resting Type : Y-Direction(1 DOF Restraint) * DOF : Degree of Freedom 280
9.6.2 Guide Type : X or Z-Direction(2 DOF Restraint) 281
9.6.3 Directional Stop Type : X or Z(2, 3 Restraint) 282
9.6.4 Anchor Type : 6 Direction Constraint(6 DOF Restraint) 283
9.6.5 Special Type 284
9.7 열팽창, 지진에 사용되는 Special Type Support 285
9.7.1 Variable Spring 286
9.7.2 Constant Spring 286
9.7.3 Snubber Support 287
9.8 Pipe Supports Code & Standards 287
9.9 Piping Support Span의 이해 288
9.9.1 Piping Support Span 288
9.9.2 Allowable Pipe Span Calculation 289
9.10 Typical Small Bore(1 1/2\" & Lower) Installations 291

10 Ethylene Piping System Studies 295

10.1 General 297
10.1.1 Ethylene Plant 일반 사항 297
10.2 Conceptual Ethylene Process 298
10.2.1 Conceptual Ethylene Plant 298
10.3 Dual Ethylene Process Plant 300
10.3.1 General Information 300
10.3.2 Ethylene Major Equipment Location & Piping System Design 301
10.3.3 Equipment Location & Piping Engineering & Design 중요 고려 사항 302
10.4 Ethylene Large Bore Piping Header Studies 303
10.4.1 열분해 공정(Cracking Heater) Piping System Design& Configuration 303
10.4.2 냉각 공정(Cracked Gas Quench) Piping System Design & Configuration 315
10.4.3 압축 공정(Cracked Gas Compressor) Piping System Design& Configuration 317
사례 연구 : Cracked Compressor Nozzle A/B, 66\"-150#(Gasket Maintenance) 3D Model vs Actual Views 326
10.4.4 정제 공정(Cold Exchanger) Piping System Design & Configuration 327
10.5 Large Bore Piping System Consideration(Ethylene Project Case) 337
10.5.1 Definition of Large Diameter Piping 338
10.5.2 Cost/Issues 338
10.5.3 Production Technological Problems 338
10.5.4 A/G Piping Design & Construction Technological Problems 339
10.5.5 U/G Piping Design & Construction Technological Problems 340
10.6 Ethylene Project Special Consideration 343
10.6.1 Ethylene Project에 적용된 GRP Piping 344
10.6.2 Dissimilar Welding Method 357
10.6.3 Acoustic Induced Vibration - AIV in Piping Systems 358
10.6.4 Gusset Support work 365
10.6.5 Cryogenic Valve 366
10.6.6 Roads, Access Ways And Paving 368
10.6.7 Location of silencer, Flame arrestor and Lines Open to Atmosphere 369

11 Project Piping Execution 371

11.1 General 373
11.2 Project Piping Design Execution 이해 373
11.2.1 Project 수행 3 Stage Cycle 373
11.2.2 Project Execution Stage별 Management(by *PMI) 374
11.3 Piping Engineering Work Milestone 관리 375
11.3.1 Piping Engineering Overall Schedule for 33 Month(for General View) 376
11.3.2 3D Modeling & Review 376
11.3.3 Major Milestone for 3D Modeling 378
11.3.4 Major Milestone for Material Take-Off 381
사례연구 382
11.3.5 Major Milestone for Quality Control 382
11.3.6 Piping Engineering Work의 주요 관리 항목 383
11.4 Interface Control 385
11.5 Key Factor for Success of Piping Engineering Work 387
11.5.1 사례 연구 : 대형 Ethylene Project Piping Engineering & Design 초기 성공 요인 도출/Cost, Schedule, Quality 388
11.6 Project Management 업무 범위 정의/Reference Data by PMP 389

12 Piping Design Closeout Phase 399

12.1 General 401
12.2 Field Engineering 401
12.2.1 Responsibilities(현장 설계의 책무) 402
12.2.2 Activities of Field Engineering Team(현장 설계 팀의 업무) 402
12.3 Lessons & Learned 405
12.3.1 Purpose 405
12.3.2 Scope 405
12.3.3 General Requirements 405
12.3.4 Application 405
12.3.5 Responsibilities 405
12.3.6 Preparation Procedures 406
12.3.7 Preparation 406
12.3.8 Changing and New Creation of A DEP and PEP(Design Engineering Procedure, Project Engineering Procedure) 407
12.3.9 References 407
12.4 Piping Closeout Report 408
12.4.1 전체 Piping Design & Construction(EPC) 성과 평가 409
12.4.2 Document Actual Project Cost 409
12.4.3 Document Actual Project Schedule 410
12.4.4 Document Scope Changes 410
12.4.5 Record Post-Implementation Review 410
12.4.6 Identify Open Issues 410
12.4.7 Archive Project Documents 411
사례 자료 : Sample Report 412

마무리하면서 421
Glossary 정리 425
References 446