석유화학 공학 지식

열교환기 튜브 확관(Tube expanding)원리/확관율(expanding ratio) 계산/튜브익스펜더(Tube expander)

공학엔지니어 2025. 1. 15.
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열교환기 튜브 확관(Tube expanding)원리/확관율(expanding ratio) 계산/튜브익스펜더(Tube expander)

 

열교환기 튜브 확관

 

우선, 튜브 확관을 상세하게 살펴보기 전에, 열교환기 Tube-Tubesheet Sealing 종류로 크게 대별하면 2가지가 있습니다.

1. 열교환기 TUBE-TUBESHEET Sealing 종류

하기와 같이 tube sealing 종류로는 2가지가 있으며, tube welding은 다음시간에 자세히 다루어보도록 하겠습니다.

1) Tube Expanding (튜브 확관)

2) Tube 끝단 외면 Welding (튜브 용접)

 

tube expanding 작업
tube expanding 작업

1) Tube Tube sheet에 장착하는 방법으로

2) 기밀성, 내압성, 및 신뢰성이 높고 작업이 비교적 간단

3) 제작비가 낮아 주로 중, 저압, 열 교환기 제작에 사용

 

 

 

tube welding
Tube Welding

1) Tube를를 Tube sheet에 장착하는 방법으로

2) 기밀성, 내압성, 및 신뢰성이 높고 작업이 비교적 간단

3) 제작비가 낮아 주로 중, 저압, 열 교환기 제작에 사용

 

2. 튜브 확관(Tube Expanding)이란?

열교환기 내부구조
열교환기 내부 구조

열교환기 Tube expanding은 기계적(Mechanical) 또는 수압적 방식으로 Tube 직경을 확장하는 것을 말합니다.

Tube를 Tubesheet (Tube와 맞닿는 면)에 강하게 밀착시켜 Sealing을 확보하는 데 목적이 있습니다.

  • 기계적 확관: 롤러 익스팬더(roller expander)로 튜브를 확장.
  • 수압적 확관: 튜브 내부에 유체를 고압으로 주입하여 확장.

3. 튜브 확관의 기본 원리

  1. 튜브 외경의 확장
    확관 작업에서는 튜브의 외경을 플라스틱 변형(plastic deformation) 영역까지 확장하여, 튜브가 튜브 시트 내부 벽면에 강하게 밀착되도록 합니다.
    • 튜브 확장은 엘라스틱(탄성) 변형과 플라스틱(비탄성) 변형의 조합으로 이루어집니다.
    • 튜브 시트는 일반적으로 강도가 더 높은 재질로 제작되어, 확관 작업 시 탄성 변형만 발생합니다.
  2. 간섭 맞춤(Interference Fit)
    확관된 튜브가 튜브 시트의 홀보다 약간 더 커지면서 둘 사이에 간섭력이 생깁니다.
    이 간섭력은 아래 두 가지 요인으로 인해 누설 방지 역할을 합니다.
    • 마찰력(Friction): 튜브와 튜브 시트 간의 표면 마찰.
    • 압력 차이: 기밀성을 유지하는 데 필요한 접촉 압력
 

4. 튜브 확관 관련 국제 코드 및 규격

튜브 확관 작업에는 설계, 제작 및 시험 과정에서 준수해야 할 국제 표준이 있습니다.

ASME Boiler and Pressure Vessel Code (BPVC)

  • Section VIII Div.1: 압력용기 설계 및 제작에 대한 요구사항을 규정.
  • 튜브 확관은 일반적으로 튜브-튜브 시트 조인트의 누설 방지기밀성 시험 규정을 따릅니다.
  • 재질의 적합성, 팽창율(expansion ratio), 검사 요구사항 등이 포함됩니다.

TEMA (Tubular Exchanger Manufacturers Association) Standards

  • 열교환기 설계 및 제작 표준.
  • 튜브와 튜브 시트의 연결 방식에 대해 권장 사항 제공.
  • 확관 범위와 허용 간섭(interference fit)을 명확히 규정.

API 660

  • 석유화학 및 정유 산업용 열교환기에 대한 설계 기준.
  • 확관 작업과 관련된 기계적 연결과 누설 시험 방법 명시.

ISO 16812

  • 열교환기 성능 및 설계 표준.
  • 확관 과정에서의 품질 및 시험 요건 언급.

5. 튜브 확관율(Expansion Ratio)

튜브 확관 비율은 매우 중요한 요소로, 적절한 비율이 유지되지 않으면 누설, 크랙, 또는 구조적 손상이 발생할 수 있습니다.

 

tbue 확관 작업열교환기 튜브 확관 비율
TUBE EXPANSION RATIO

  • 확관 비율(%) = (튜브외경확장 후−튜브외경원래)/튜브외경원래(튜브 외경 확장 후 - 튜브 외경 원래) / 튜브 외경 원래(튜브외경확장 후−튜브외경원래)/튜브외경원래 × 100
  • 일반적으로 확관 비율은 3~5%로 설정되며, 재질 및 용도에 따라 달라질 수 있습니다.

6. 확관 작업

  1. 준비: 튜브와 튜브 시트를 청소하고, 결함 여부 검사.
  2. 초기 설치: 튜브를 튜브 시트 홀에 삽입.
  3. 확관 작업:
    • 기계적 방식: 롤러 익스팬더를 사용하여 튜브를 확장.
    • 수압적 방식: 내부에 고압 유체를 주입.
  4. 검사 및 시험:
    • 누설 시험(Leak Test, Hydrostatic Test).
    • NDT 검사(비파괴 시험)로 균열 확인.
  5. 완료 및 문서화: 작업 결과를 기록하고 품질 보증 문서 작성.

tube puller tool
TUBE PULLER TOOL


7. 품질 관리 및 검사

확관 작업의 품질은 열교환기의 수명과 효율에 직접적인 영향을 미칩니다. 따라서 다음 검사 방법이 사용됩니다.

  • 비파괴 시험(NDT):
    • 침투 탐상 시험(PT): 균열 탐지.
    • 초음파 검사(UT): 내부 결함 확인.
  • 기밀시험:
    • 헬륨 누설 시험(Helium Leak Test): 고감도의 누설 검사.
    • 수압 시험(Hydrostatic Test): 확관 조인트의 누설 여부 확인.
  • 확관 상태 확인:
    • 확장 후 튜브 두께 및 직경 측정.

8. 일반적인 문제점과 해결

문제점:

  • 튜브 균열: 확관 비율이 지나치게 높거나, 재질 결함.
  • 누설: 확관 부족 또는 불균일한 확관.
  • 튜브 시트 손상: 과도한 압력 또는 확관.

해결 방법:

  • 확관 비율을 설계 기준에 맞게 유지.
  • 고품질 롤러 익스팬더 또는 적합한 수압 장비 사용.
  • 정기적인 유지보수 및 검사.

9. 도구 및 장비

  • 롤러 익스팬더: 다양한 튜브 직경과 두께에 적합한 모델 사용.
  • 수압 확관 장비: 정밀한 압력 조절 기능 제공.
  • 측정 도구: 튜브 외경 게이지, 벽 두께 게이지 등.

그중에서 기계적 확관 방법인 롤러 익스팬더(roller expander)에 대해서 살펴보면,

 

 Tube Expander를 이용하여 Tube Tube를Expanding

1)Tube Expander는 보일러, 콘덴서 등의 열 교환기의 제조공정에서 Tube
Tube Sheet 사용되는 Rolling Tube Type Expansion Tool

 

2)Tube Expander 구성

 

TUBE EXPANDER
TUBE EXPANDER

-Roller : 튜브 내부의 소성 변형을 촉진하기 위해 롤링 압력을 

               Taper 형상으로 팽창 관의 내부가 항상 구형을 이루도록 설계

-Mandrel : 접촉 마찰을 통해 롤러를 회전시키는 데 사용

                  Roller Roller와 같이 Taper 진 형태

-Frame : 일정한 간격으로 Roller 위치를 유지하고 낙하를 방지

                Roller 가 삽입되는 홈에 공급 각도를 제공함.


결론

튜브 확관은 열교환기의 신뢰성과 효율성을 보장하기 위한 필수 작업으로, 국제 코드와 표준을 엄격히 준수해야 합니다. 이를 통해 튜브와 튜브 시트 간의 강력한 조인트를 형성하고, 열교환기의 성능과 수명을 최적화할 수 있습니다

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