11. Piping Engineering
배관 설계
이 글은 브런치북 "화공플랜트 EPC 엔지니어링"을 아마존에 출간하기 위하여 AI 도움을 받아 영문으로 번역한 내용입니다. 보완한 원문을 한글 서적으로도 출간하기 위해 영어 번역본 아래에 함께 올립니다.
Overview
In plant projects, piping engineering is responsible for the design and management of piping systems that interconnect equipment throughout the facility. In simple terms, piping creates the pathways through which fluids—such as oil, gas, steam, and water—flow. If the tall towers are what first catch the eye at a plant site, piping is what you will notice the most once you look around.
Everyday Analogy
Piping is not unique to industrial plants; it is something we encounter in daily life as well. The pipes under a kitchen sink or connected to a washing machine carry used water out of the house. A boiler works in a similar way: hot water circulates through pipes embedded beneath the floor, heating the rooms above.
In short, while residential piping mainly carries water, plant piping creates the flow paths for a wide variety of process fluids—oil, gas, steam, and more.
What You See in the Field
Walking through a plant, you will see pipelines spread like a dense web across the site. Some runs extend straight for hundreds of meters, while others twist and turn at various angles in three dimensions. Pipe sizes also vary greatly—from small lines as thin as a finger to large lines wider than a person’s height.
To install this variety of piping, designers must weave routes around equipment and structures, sometimes going over, under, or around obstacles. This core task is known as Piping Routing. Completing the routing is such a major milestone that it can account for nearly half of the overall piping design effort.
Why Piping Is Central to Plant Projects
Piping is often considered the signature discipline of plant engineering because it involves the largest amount of materials and construction work. From a construction perspective, the sequence can be summarized as follows:
Install structures
Set equipment
Install piping and cables between them
As a result, piping requires the largest engineering and construction workforce among all disciplines. While the exact proportion varies by project, personnel dedicated to piping can account for more than 20% of the total project team.
For this reason, piping is sometimes called “the flower of the plant”—a phrase that highlights its prominence and visibility within the facility.
**The rest of this chapter is omitted for the final publication.**
배관설계(Piping Engineering)는 플랜트 내에 설치되는 각종 설비와 설비 사이를 연결하는 배관(Pipe)을 다루는 업무를 수행합니다. 간단히 말하면, 유체(Oil이나 Gas 등)가 흐를 수 있도록 길을 만드는 것이라 할 수 있습니다. 플랜트 현장에서 가장 먼저 눈에 띄는 것이 높이 솟은 Tower라면, 반면에 가장 많이 볼 수 있는 것이 바로 이 배관입니다.
배관은 가정에서도 쉽게 볼 수 있는데, 주방의 싱크대나 세탁기의 사용한 물을 밖으로 보내기 위해 연결된 파이프가 바로 배관입니다. 아.. 보일러도 마찬가지입니다. 보일러에서 나오는 뜨거운 물이 방이나 마루 바닥에 설치된 배관을 따라 돌며 집 안을 따뜻하게 해주는 역할을 하는 것입니다. 간단히 정리하면, 가정의 배관이 주로 물이 흐르는 길이라면, 플랜트 배관은 Oil이나 Gas 등 플랜트의 모든 유체가 흐르는 길을 만드는 것이라 할 수 있습니다.
플랜트 현장을 보면, 각종 배관(Pipeline)이 마치 거미줄처럼 현장 곳곳을 촘촘하게 휘감은 것을 볼 수 있습니다. 수백 미터씩 곧은 직선으로 설치된 라인이 있는가 하면 좌우상하 다양한 각도로 꺾인 라인도 많이 있습니다. 굵기도 손가락만 해 보이는 소형 관부터 사람 키보다도 더 커 보일 정도의 대형 관까지 종류도 다양합니다. 이렇게 다양한 배관을 설치하기 위해 설비 사이를 이리저리 피해 가며, 때로는 장비를 돌아가거나 오르고 내리는 등 다양한 방법으로 길을 만들어 가는데, 이것이 바로 배관설계의 가장 중요한 업무인 Piping Routing입니다. 이 Piping Routing을 마치면 배관 업무의 절반은 마쳤다고 해도 무리가 없을 정도입니다.
배관은 플랜트를 대표하는 공종이라고 할 수 있습니다. 플랜트에서 가장 많은 물량을 다루는 곳이 바로 배관이기 때문입니다. 시공 입장에서 볼 때 ‘구조물에 장비를 설치하고 그 사이에 배관과 전선을 설치하는 것이 전부’라고 할 정도로 배관의 물량이 많습니다. 그렇기에 엔지니어링 단계는 물론 시공단계에서도 이 배관 작업에 투입되는 인원이 가장 많습니다. 정확하지는 않지만, 배관을 위한 인원이 전체 인원의 20% 이상 차지한다고 봐도 무방할 것입니다. 그래서 배관을 ‘플랜트의 꽃’이라고 표현하곤 합니다.
이제 배관 설계의 업무를 단계별로 상세히 살펴보겠습니다.
ENGINEERING
엔지니어링 단계에서 수행하는 배관 업무는 크게 아래와 같이 나눌 수 있습니다. 앞서 설명한 대로 배관의 업무는 범위가 넓을 뿐 아니라 동류도 다양해서 모두 설명할 수는 없기에 주요 업무 위주로 간략히 알아보겠습니다.
1) Calculation(or Analysis)
배관은 무엇보다 유체의 흐름을 안정적으로 유지하는 것이 가장 중요합니다. 따라서 배관을 어떻게 배열(Routing) 하는지가 배관 업무의 생명이라 할 수 있습니다.
배관에는 내부에 흐르는 유체의 압력, 온도, 속도 등으로 인해 진동, 열팽창 등의 응력(Stress)이 생기게 됩니다. 또한 외부적으로 바람, 지진 등에 의해서도 Stress가 발생합니다. 이 Stress가 커지거나 특정 부분에 집중되는 경우, 배관에 균열이 생기거나 연결된 장비나 기기에 영향을 줄 수 있으며, 배관의 변형으로 인해 이음새(Flange to Flange)에 누수(Leak)가 생기는 등 위험하게 될 수도 있습니다.
또한 배관은, 일직선으로만 설치되는 것이 아니라 장비의 위치, 높낮이 등에 따라 직선과 곡선이 어우러진 3차원으로 설치됩니다. 유체가 흐르다가 곡선을 만나거나 배관의 사이즈가 달라지는 부분에서는 자연히 속도 변화가 일어납니다. 이 경우 배관 특정 부분에 응력(Stress)이 집중되는 현상이 발생하는데, 이렇게 되면 배관이 움직이거나 균열을 일으키는 등 위험하게 될 수도 있습니다.
따라서 이 Stress를 없애거나 적절히 분산시키는 것이 중요한데, 이렇게 배관에 걸리는 Stress를 계산하고 그에 따른 적절한 대응 방안, 즉 배관의 안전성을 검토하는 것을 Stress Analysis라고 합니다. 또한 적정한 간격으로 지지대(Support)를 설치하여 배관에 작용하는 하중을 안전하게 구조물로 전달하여 배관을 안전하게 유지하는 계산도 매우 중요합니다. 참고로 배관에서 이 Stress Analysis가 계산의 대부분이라 할 정도로 중요한 부분을 차지합니다.
2) Plot Plan
배관에서 작성하는 가장 기본적이고 중요한 도면이라면 단연 Plot Plan입니다. 이 Plot Plan은 플랜트 전체 혹은 Unit 별로 각종 기기와 구조물의 위치를 한눈에 알아볼 수 있도록 표시하는 도면으로서 배관에서 작성하며, 기계는 물론 전계장을 포함하여 대부분의 공종에서 이 도면을 활용하여 자신들의 도면을 작성하는 매우 중요한 도면입니다.
3) General Arrangement Drawing(GAD) or Equipment Location Plan(ELP)
역시 배관에서 작성하는 가장 기본적이며 중요한 도면 중의 하나입니다. Plot Plan이 플랜트 전체를 한눈에 볼 수 있도록 표시한 도면이라면, 이 도면은 각 기기의 위치를 좌표를 기준으로 정확한 치수로 명기한 것이라 이해하면 무리가 없습니다.
예전에는 GAD를 먼저 작성한 후 이 GAD에 따라서 ELP를 작성하였으나, 3D Modeling이 도입된 후에는 이 작업이 3D에서 동시에 이루어지면서 자연스럽게 의미가 축소되어 GAD 혹은 ELP 하나의 도면으로 작성되는 경우가 많습니다. 3D Modeling이 업무의 흐름까지 바꾸게 된 것입니다.
문득 플랜트 엔지니어링에도 AI가 적용된다면 어떻게 될지 상상해 봅니다.
4) Isometric(ISO) Drawing
배관은 제작 장소나 현장 여건에 따라 다양한 길이로 나누어 제작한 후 조립하는 방식으로 설치합니다. 가능한 한 길게 제작하면 설치하는 시간이 적게 들어 좋을 수 있지만, 제작 과정이나 이동에 어려움이 많기 때문에 오히려 비효율적일 수도 있습니다. 이러한 점을 고려하여 제작 여건에 맞추어 최적의 길이 단위로 제작하는데 이 단위 길이의 배관을 Spool이라고 하며, 제작된 Spool을 현장 여건에 맞추어 두세 개를 조립한 후 현장에 설치하는 것이 일반적입니다.
배관 작업을 위해 이해하기 쉽도록 배관 라인만 따로 표시한 도면을 ISO라고 하는데, 배관이 일직선 형태만 있는 것이 아니라 3차원 형태의 배관도 많기 때문에 배관의 형상에 따라 3차원으로 작성합니다.
이 ISO 도면에는 Pipe와 Pipe의 용접 정보를 포함하여 연결부의 Fitting, Flange와 Bolt, Nut 등의 조립 정보까지 라인을 이루는 모든 정보가 들어가 있어, Spool 제작을 위한 기본 도면은 물론 수압시험(Hydrostatic Test)용 도면 등, 현장 배관은 모두 이 ISO에 따라 제작 및 설치된다고 보면 될 정도로 중요한 도면입니다.
배관 물량이 많다 보니 ISO 도면의 수량도 엄청 많습니다. 프로젝트 규모에 따라 다르지만 보통 일만 장 이상으로 전체 도면의 절반 이상을 차지할 정도입니다. 그렇다 보니 예전에는 배관 설계 인력의 거의 절반을 ISO 도면 작성에 투입할 정도였지만, 3D Modeling이 도입된 후부터는 Modeling을 완성하면 프로그램에서 자동으로 출력할 수 있게 되어 있어 훨씬 편리해졌습니다.
5) 3D Modeling
3D Modeling 역시 배관설계의 업무에서 빼놓을 수 없습니다. 회사마다 다를 수 있지만, 대부분 3D Modeling 업무를 주관하는 곳이 바로 배관이기 때문입니다. 물론 각 공종에서 자신들의 Data를 3D Model에 반영하지만 이를 취합하고 정리하는 곳이 배관이며, 프로젝트 Milestone 중의 하나인 3D Model Review까지 배관에서 주관하기 때문에 3D Model을 생각하면 자연스럽게 배관을 연상하게 됩니다.
예전에는 엔지니어의 머리에 있던 내용과 계산 결과를 직접 도면으로 작성하였지만, 3D Model 소프트웨어의 발전으로 10여 년 전부터 모든 엔지니어링 결과는 3D Modeling에 반영되며, 이 Model에서 직접 도면으로 변환(Extrude) 합니다. 예전과는 확연히 다른 업무 방식으로 엔지니어링 업무에 상당한 변화가 일어난 것입니다.
3D Model이 도입되면서 업무 수행 방식에 가장 많은 변화를 가져온 곳이 바로 배관이라고 해도 과언이 아닙니다. 앞서 설명한 Plot Plan은 물론 GAD와 ISO 도면까지, 실제 배관에서 작성하는 도면의 90% 이상이 3D Model에서 출력할 정도입니다.
3D Model Review는 보통 30%, 60% 그리고 90%의 3단계로 진행하는데, 여기서 30%, 60%, 90%의 의미는 대체로 엔지니어링 진행율(Progress)과 비슷하다고 이해해도 좋습니다. 즉, 엔지니어링이 30% 진행되면 그 결과가 3D Model에 반영되고, 이 단계에서 Model Review를 한다는 의미입니다.
하지만 Progress와는 별도로, 30% Model은 플랜트의 윤곽이 정해지는 정도, 60%는 장비의 사이즈와 위치가 대부분 확정되는 수준 그리고 마지막으로 90%는 모든 Data가 입력된 완성 단계 등으로 각 단계별 기준을 규정하여 Review Procedure로 작성하고 이에 따르는 것이 일반적입니다.
6) Material Handling
플랜트 내에 설치되는 각종 장비나 기기는 반드시 유지 보수(Maintenance)를 해야 합니다. 설치된 장비나 기기를 해체하는데 필요한 공간과 설비가 미리 설계에 반영되어야 합니다. 설치할 때는 주변에 방해물이 없어 쉽게 설치할 수 있지만 해체할 때에는 이미 설치된 배관이나 설비 등으로 인해 공간을 미리 확보해 두지 않으면 난감한 문제가 발생하기 때문입니다. 예를 들어 책상 서랍을 빼내는 것을 생각하면 쉽습니다. 서랍 앞에 반드시 서랍의 길이만큼 공간이 있어야만 서랍을 빼낼 수 있는 것과 마찬가지입니다.
또한, 장비를 사람이 들 수 있는 무게가 아니므로 반드시 장비를 사용해야 하는데, 이때 장비를 들어주거나 지지해 주기 위한 설비(Lifting Device)가 필요합니다. 예를 들어 체인블록을 사용하기 위해서는 체인을 걸어 고정해야 할 지지대(Lifting Lug)가 필요한 것처럼 말입니다. 이처럼 유지 보수를 생각해서 미리 장비마다 여유 공간을 확보하거나 관련 설비를 설계하는 것을 Material Handling Study라고 합니다. 이 Study가 Study 완성되면 Study 결과에 따라 유지 보수에 필요한 각종 도구를 구매하여 발주처에 넘겨주고 나중에 발주처에서 보수작업을 할 때 사용하게 됩니다.
장비를 해체하기 위해 특별한 장비나 공구가 필요한 경우도 있는데, 이러한 공구(Special Tool)는 대부분 장비 공급업체에서 장비와 함께 공급하는 것이 일반적이지만 때로는 Study를 통해 결정하기도 합니다.
7) Hydrostatic (or Pneumatic) Test Package
배관은 길이가 길기 때문에 여러 조각(Spool)으로 나누어 제작 후 설치합니다. 이렇게 제작된 배관은 용접 혹은 플랜지를 사용해서 연결되어 플랜트 전체의 배관 라인을 형성하게 됩니다.
배관을 연결하다 보면 용접 부위의 안전성 확보를 위해 압력 테스트를 합니다. 보통은 물을 사용하는 수압시험(Hydrostatic Test)이 대부분이지만 때로는 물이 아닌 Nitrogen 등 가스를 사용하여 Test 하는 경우가 있는데, 이를 기압 시험(Pneumatic Test)라고 하며, 수압시험에 비해 위험하기 때문에 대부분 작업이 없는 야간에 실시하며, 시험 장소 근처의 출입을 엄격히 통제합니다.
수압시험은, 배관에 물을 채우고 압력을 가한 후 일정 시간 동안 새는 곳(Leak)이 없는지를 확인합니다. 만일 용접부위에서 누수가 생기는 곳이 있으면 해체하여 재 용접 후 조립하는 경우도 있습니다. 하지만 제작 단위인 Spool마다 제작 후에 압력시험을 하므로 용접 부위의 안전성은 이미 검증되었다고 볼 수 있으며, 현장에서 용접하는 경우도 용접 후에 NDT(Non-Destructive Testing) 등 각종 방법으로 안전성을 확보하기 때문에 문제는 거의 없습니다.
수압시험은 하나의 배관만 할 수도 있지만 대부분 라인 여러 개를 묶어 한 번에 실시하는 것이 일반적입니다. 이렇게 수압시험에 해당하는 배관 라인에 적용할 압력, 온도 그리고 압력 유지 시간 등 각종 시험 정보를 입력한 도면을 작성하는데 이 것을 Hydrostatic Test Package라고 하며, P&ID와 ISO drawing이 포함됩니다. 현장에서는 이 Package에 따라 수압시험을 하며 반드시 시험에 문제가 없어야 설치 작업을 완료할 수 있습니다.
8) Tie-in
만일 기존 설비(Brown Field)가 있는 플랜트라면 또 하나 중요한 업무가 있는데 바로 Tie-in 업무입니다. 기존에 있는 설비와 새로 설치하는 설비를 연결하는 것이 바로 배관이기 때문입니다.
새로 설치하는 배관과 기존에 설치된 배관을 연결하는 지점을 Tie-in Point라고 하는데, 이는 반드시 프로젝트 초기에 발주처로부터 위치 등 정보를 받아 설계에 반영해야 합니다. 이 정보를 Tie-in List라고 합니다.
설명하다 보니 너무 깊게 들어간 것 같습니다. 엔지니어링 단계에서의 주요 업무는 여기까지만 살펴보겠습니다.
PROCUREMENT ENGINEERING
배관에서 다루는 자재는 기계 장비에 비해 종류도 다양하지만 수량도 매우 많아 업무가 매우 까다롭습니다. 앞서 설명한 대로 전체 자재비의 30% 이상을 차지할 정도로 막대한 물량입니다.
배관 자재의 구매 업무는 앞서 설명한 기계 장비 구매업무와 다르지 않습니다. 따라서 여기서 다시 설명할 필요는 없겠습니다. 다만, 배관 자재 관련 몇 가지 중요한 내용을 살펴보고자 합니다.
배관에서 자재를 구매할 때 기준이 되는 문서가 바로 Piping Material Specification입니다. 배관에서 사용하는 모든 자재의 상세한 요구사항이 모두 정리된 문서로 배관 자재의 바이블이라고 할 수 있으며, 모든 배관 자재는 이 문서에 의거 구매 업무를 진행합니다. 이렇게 중요한 문서인 만큼 배관설계에서는 이 문서를 작성하는데 많은 시간을 투입합니다.
배관에서 다루는 주요 자재는 역시 Pipe와 Valve를 주축으로 Fitting, Flange, Specialty 그리고 Material Handling 장비 등이 있습니다. 간단해 보이지만 세부적으로 들어가면 각각의 종류와 수량은 물론 다양한 사이즈로 인해 업무가 매우 까다롭습니다. 이외에도 Control Valve나 In-line instrument 등 Control이 필요한 자재는 계장설계에서 담당하는 회사도 있는데, 어느 팀에서 담당하든 약간의 문제가 있어 아직도 Scope 문제로 서로 다투는(?) 경우가 종종 있습니다.
한편으로, 배관에서 다루는 자재는 대형 Valve를 제외하면 대부분 원자재를 사 와서 가공해야 하는 자재들이 대부분입니다. 그렇다 보니 가공 여유분이 많이 포함되어 있어 손실이 많이 나기도 합니다. 대표적인 것이 Spool로서 Pipe와 Flange 그리고 Fitting이 연결되어 하나의 Spool로 제작되는데, 이 Spool 제작을 위한 도면 작성은 물론 자재도 배관설계에서 직접 관리합니다. 길이와 사이즈가 다양해서 일일이 확인하지 않으면 나중에 설치가 불가능하기 때문입니다. 배관의 자재 업무 중 거의 절반이 Spool 제작 관련이라고 봐도 무방할 것입니다.
배관 역시 Vendor Data가 매우 중요합니다.
물론 기계 설계에 비하면 비중은 적지만 Vendor Data를 받아서 설계에 반영해야 하기 때문입니다. 다만, 배관의 경우 자체 구매하는 자재의 Vendor Data도 있지만 기계나 전계장 장비의 Vendor Data를 받아서 설계에 반영해야 하기 때문에 이 부분도 매우 중요합니다. Vendor Data 관련 내용은 앞서 기계설계에서 설명했으므로 참조하시면 되겠습니다.
CONSTRUCTION & COMMISSIONING ENGINEERING
앞서 설명한 기계설계의 시공업무와는 많이 다르다고 볼 수 있습니다. 배관은 시공 업무와 떼려야 뗄 수 없습니다. 시공과 가장 밀접하게 연결된 팀이 바로 배관 시공입니다. Spool 제작 후 설치나 수압시험(Hydrostatic Test) 등은 현장에서 수시로 문제가 발생하는 업무이기 때문이며, 특히 수압시험의 경우 각각의 Package 별로 발주처의 승인을 받아야 하므로 내용을 잘 아는 설계 엔지니어가 관여하지 않을 수 없기 때문입니다.
또한, 시공팀의 제한된 인력으로 수많은 자재를 관리하기 어렵기 때문에 자연히 설계 엔지니어에게 의존하게 됩니다. 게다가 시공 중에 분실하거나 파손되는 자재도 많아 재 발주해야 하는 경우도 어렵지 않게 볼 수 있습니다. 바로 눈앞에서 줄줄 새는 돈으로, 너무 아까운 부분입니다. 필자가 항상 강조하는 것 중의 하나가 ‘새는 돈 막자’인데, 바로 이 부분을 이야기하는 것입니다. 이 때문에, 때로는 설계 업무네 아니네! 다툼이 일어나기도 하지만 결국은 설계에서 나서지 않으면 해결이 되지 않는 경우가 많다 보니 어쩔 수 없이 발을 빼지 못하는 경우도 많습니다.
현장의 시공업무가 시작되면 설계에서 가장 먼저 현장으로 파견을 나가는 엔지니어가 바로 배관 엔지니어입니다. 또한 현장설계(Field Engineer) 팀 내에서도 가장 많은 인원으로 구성되는 곳이 바로 배관설계입니다. 다만 배관은 장비를 다루는 것이 아니다 보니 시운전과는 관련이 없어 시공 업무가 마칠 때면 배관 설계의 업무도 자연스럽게 마무리되기 때문에 시공팀 엔지니어와 손잡고 나란히(?) 철수합니다.
현장에 있다 보면, 배관 엔지니어인지 시공 담당자인지 헷갈릴 때가 많은데, 그만큼 고생하는 것이 배관 엔지니어입니다. 배관 설계의 현장 업무는 시공 편에서 조금 더 살펴보겠습니다.
대한민국 플랜트 산업의 부흥을 꿈꾸는 자, oksk
