Piping Insulation 이해

배관 단열의 가장 큰 목적은 에너지를 보존하고, 열손실을 줄여 유체의 응축을 방지하며, 저온 유체로의 열유입을 최소화하여 불필요한 에너지 낭비를 줄이는 것이다. 아울러 refractory와 같이 piping내부에 insulation을 적용하여 공정의 매우 높은 온도로부터 배관을 보호할 수도 있다.

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단열재질의 선택은 매우 중요하며 주로 운전온도, 환경 조건, 열전도도, 경제성 등 여러 조건들을 고려해야 한다.

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배관의 단열은 기능에 따라 크게 3가지 종류로 구분하 수 있다. heat conservation, cold conservation, personnel protection이다. 고온 유체로부터의 열손실을 최소화하기 위해 적용하는 insulation을 heat conservation 혹은 hot insulation이라고 한다. 반대로 저온 유체로 열유입을 최소화하기 위해 적용하는 insulation을 cold insulation이라고 한다.

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Personnel Protection Caging

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마지막으로 공정유체의 열손실이나 열유입에 대한 요구조건은 없지만 너무 고온이거나 너무 저온으로 인해 운전원이 피부 접촉시 손상을 줄 수 있어서 이를 방지하기 위해 단열재를 설치하는 것을 personnel protection이라고 하며 이외에도 배관 표면에 수분의 응축과 동결을 방지하기 위한 anti sweating insulation, 그리고 소음이 심할 경우 이를 완화하기 위해 acoustic (noise) insulation 등이 있다.

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Acoustic Pipe Lagging, Pipe Lagging Insulation, Soundproof & Duct Lagging

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따라서 insulation을 적용하므로서 유체의 온도를 유지할 수 있고, 차가운 배관의 표면에 수분의 응축 및 아이싱을 방지하며, 외부 화재 발생시 복사열 유입을 줄일 수 있으며, steam tracing이나 electric tracing이 설치된 경우 에너지 효율을 유지하기 위해 insulation을 함께 적용한다.

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단열은 재질 type에 따라 Fibrous Insulation, Cellular Insulation, Granular Insulation으로도 구분할 수 있다.

Hot and Cold Pipe Insulation (https://whatispiping.com/piping-insulation/)

 

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hot insulation재질은 fiberglass, Mineral Wool, Glass Wool, Calcium Silicate등을 사용하며 주로 공정 유체온도가 60도 이상이면 적용한다. cold insulation은 주로 Polyurethane Foam, Expanded Perlite Foam, Expanded Polystyrene Foam등을 사용하며 대기온도 이하에서 운전해야 하는 경우 고려할 수 있다.

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personnel protection insuation은 주로 60도 이상이거나 0도 이하일 경우 고온과 저온으로부터 운전원 보호를 위해 적용하며 단지 access가 되지 않는 곳은 적용할 필요가 없다. 주로 mineral wool을 적용하며, 열손실이나 열유입이 오히려 운전상 바람직할 경우에는 insulation 적용없이 open mesh metal guard를 적용할 수도 있다. 따라서 단열을 적용하므로서 발생될 수 있는 CUI (Corrosion Under Insulation) 발생을 방지할 수 있고, 아울러 visual inspection이 가능하고 ultrasonic thickness testing (UTT)도 훨씬 용이해진다.

Personal Protection Insulation in Operating Plant

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실무에서 적용하는 기준으로는 해당 배관의 수평거리 600mm, 수직으로 2100mm이내에 배관 표면으로 access가 가능할 경우 적용한다. 배관내에서 고속으로 흐르는 유체로 인해 sound source가 될 경우 acoustic insulation을 적용하여 소음이나 진동의 수준을 acceptable limit이내로 줄인다. min thickness는 75mm이며, 재질로는 Acoustic Foam, fiberglass, polyester/polyurethane foams, rock wool, Mass Loaded Vinyl 등이 사용된다.

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재질 측면에서 분류된 Fibrous Insulation으로는 Glass fiber, Silica, slag wool (mineral wool, rock wool), alumina-silica 등이다. 이들 중 Glass fiber와 Mineral Wool을 가장 많이 사용한다.

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cellular insulation으로는 cellular glass, phenolic foam, nitrile rubber와 같은 glass 혹은 foamed plastic이다.

Typical Piping Insulation for Bends

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마지막으로 granular insulation은 알갱이 모양으로 주로 cold box와 같은 housing내부에 채워 넣어 cold equipment들이 외부로부터 열유입을 최소화하기 위해 적용하며 Calcium silicate, vermiculite 등이 주로 사용된다.

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저온 단열재로는 주로 expanded cellular plastic이나 foam rubber를 사용하고, 일반적인 온도에서는 grass fiber 계열을 사용하며 고온인 경우 preformed cementations, refractory materials 혹은 ceramic fiber로 만든 blanket을 사용한다.

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일반적으로 배관 단열재 재질로서 mineral fiber, cellular glass, ceramic fiber, glass fiber, polyisocyanurate, polyurethane foam, Rockwool, Glass Wool, Expanded Perlite, Flexible Elastomeric Foam (FEF), Flexible aerogel blanket, Calcium magnesium silicate wool (CMS), Alkaline earth silicate wool (AES), Calcium Silicate 등을 사용한다.

 

Pipe Insulation Material	Density (kg/m3)	Temperature Limitation
Mineral Glass Fibre		up to 535°C
Mineral Wool	140	up to 700°C
Rock Wool	140	up to 550°C
Glass Wool	80	up to 450°C
Calcium Silicate	200-280	up to 815°C
Expanded Perlite	192	up to 550°C
Expanded Silica		up to 535°C
Refractory Fiber	150	up to 1750°C
Polyurethane Foam	40	from -150°C to 110°C
Polyisocyanurate	40-64	from -150°C to 125°C
Cellular Glass	147	up to 350°C
Ceramic Fibre	250	up to 760°C

Pipe Insulation Material Table

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대표적인 단열재로서 Fiberglass Insulation은 가장 많이 사용되는 insulation재질 중 하나이며 Mineral Wool은 rockwool 혹은 slag wool이라고 하며 fire-resistant기능이 뛰어나고 700도까지 견딜 수 있다. Cellular Glass는 수분이나 chemical에 저항성이 좋다. foam glass는 cellular glass와 유사하지만 더 가볍고 flexible하다. Polyurethane Foam (PUR) insulation은 열전도도가 낮고, 수분에 대한 저항성이 높고, -150°C에서 110°C의 범위에서 효율적으로 운전할 수 있다. Elastomeric Foam Insulation은 합성 고무로 만들어지며 차가운 배관상 수분의 응축을 방지하는데 효과적으로 사용된다. Calcium Silicate Insulation은 내구성이나 열적 안정성이 높아 고온 유체에 적용하며 815°C까지 사용가능하다. Aerogel Insulation은 열전도도가 매우 낮고 매우 가벼운 단열재이다. -268°C에서 650°C의 온도 범위에서 효과적으로 사용된다.

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단열재 자체 외에 insulation system을 구성하는 요소로는 protective coating, vapor barrier, metallic sheet cladding, spacer, packing 등이다.

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배관 재질관련 기준이 되는 code and standard는 아래와 같다.

• ASTM C533, ASTM C547, ASTM C552, ASTM C591, ASTM C592, ASTM C610, ASTM C612, ASTM C795, ASTM C892, ASTM C165, ASTM C240, ASTM C302, ASTM C303, ASTM C335, ASTM C356, ASTM C390, ASTM C446, ASTM C680.
• BS 1902 Part 6, BS 4370 Part 2, BS 5608
• IS 11239, IS 12436, IS 9428, IS 8183, IS 4671, IS 3690
• ISO 15665- Acoustic Piping Insulation
• EN ISO 23993

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배관 단열에 영향을 미치는 요소로는 다음과 같다.

• Pipe Insulation thickness
• Thermal conductivity (“k” or “λ” value) of Insulation Material
• Surface emissivity value or “ε” value
• Water-vapor resistance (“μ” value)
• Density of the insulating material
• Level of moisture content
• Opening of Joints

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배관 단열과 관련된 설계적 고려사항으로는 아래와 같다.

• 사람이나 환경에 영향을 주는 납이나 카드뮴과 같은 중금속, 석면, 발암물질 등의 유해한 재질이 아니어야 한다.
• 단열재 두께는 배관 size, 운전온도를 기준으로 고려하되 최소 25mm를 적용한다.
• 단열재 두께가 75mm이상이라면 단열재는 2 layer이상으로 설치한다.
• 단열재는 수압기나 기압 test이후 설치한다.
• 12"까지 단열재는 SS304 tie wire로 설치하고 14"이상은 SS304 band를 사용한다.
• 수소 서비스나 hazard material service를 제외하고는 flange도 단열처리한다.
• control valve와 PSV를 제외한 모든 valve는 단열처리한다.
• 다음의 item들은 일반적으로 단열처리하지 않는다. vents, steam-out, snuffing steam systems, flare and blow-down systems; Piping supports, Steam Traps, Expansion joints, hose assemblies, Instrument connections, Sight flow indicators
• 그 옆의 배관이 heat tracing이 되어야 한다면 주변의 고온 배관과 함께 단열하고 그 외에는 각각의 배관에만 단열처리한다.

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단열재 두께는 외기온도, 단열재 종류, 운전온도 그리고 배관 두께에 따라 영향을 받으며, 아래 table은 reference로 참조할 수 있다. 보통은 15~50mm를 많이 적용하지만 온도가 높거나 배관 size가 클 경우 단열재 두께는 증가하게 된다.

Typical Pipe Insulation Thickness Chart for Hot Insulation

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fiberglass가 경제성, 효율성면에서 많이 사용되며 고온에서는 mineral wool을 선호하고 elastomeric foam이나 fiberglass는 수분에 대한 저항성이 높아 cold pipe 표면에서 수분의 응축방지를 위해 적용하며, 열악한 환경에서는 cellular glass나 aerogel을 가장 좋은 option이다. 열저항 측면에서 열전도도가 매우 낮은 aerogel이 가장 성능이 좋아 단열재 두께를 줄일 수 있지만 비싸고 일반적인 배관에 적용할 경우 너무 과도한 설계가 된다.

 

 

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