PRESSURE VESSEL 제작 시에 발생 빈도가 많은 ERROR & 대책 방안

해당 글은 아시는 분을 통해 받은 자료입니다.출처는 모르겠습니다.

 

Pressure Vessel은 설계, 제작, Pressure Test, Painting 및 마지막 출하에 이르기 까지 많은 공정을 거치게 되는데 이 공정 과정 중에 다수의 Error가 발생 되고 있어 Repair에 많은 시간과 금전적인 손실을 입게 될 뿐만 아니라 제품을 폐기 해야 하는 극단적인 경우도 발생 되고 있어서 이에 대한 대책이 시급 합니다.

따라서,상주 검사를 하면서 직접 경험한 문제점 및 타 Project에 발생 되었던 문제점을 토대로 분석 하여 Pressure Vessel 제작 공정 전반에 대하여 Error 발생 빈도가 높은 부분을 파악 하여 Error 발생 요인을 사전에 차단 하는 Preventive Inspection(예방 검사)를 실시 하기 위하여 아래와 같이 “PRESSURE VESSEL 제작 시에 발생 빈도가 많은 ERROR & 대책 방안”을 작성 합니다

No.	ERROR 내용	대책 방안
For Design(Fabrication Drawing & MPS)
1	Material에 대한 Simulation Test 누락 - ASME Sec. VIII-1, UCS-85 Requirement (Hot Forming, PWHT & Stress Relieving Condition) - P-No. 1 Material의 경우, Lower Transformation Temp. (A1 변태 점) 아래에서 실시 하는 PWHT & Stress Relieving Condition에 대해서는 Project Spec.에서 요구 함 - 일반적으로 Project Spec.에서는 Simulation Test는 Max.   (3 – Cycles, Tensile Test) & Min.(1 Cycle, Impact & Hardness) Heat Treatment를 요구 함 - Material에 대하여 Tempering이 요구 되는 경우, Tempering 온도는 규정된 PWHT 온도 보다 30 ~ 50℃ 이상 높아야  하며, A3 변태점 보다 높은 온도(Normalizing시와 동일한 온도 영역)에서 실시 하는 Hot Forming 후에는 Tempering을 재 실 시 해야 관련 Material Spec.을 만족 시킬 수 있으며, 이 모든 과정에 대하여 Mill에서 Simulation Test를 실시 해야 함	- 사전에 Project Spec. 및 제작   방법을 숙지한 후 관련 MPS   Review 하여 문제점 파악
2	Material Class 표기 누락 Basic Drawing 또는 제작 도면에 Forged Steel 부재에 대한 Material Class가 누락 되어 필요한 자재 보다 저급 자재가 입고 되는 경우가 있음 Forged Steel은 동일한 사양인 경우에도 Class에 따라서 Mechanical Proprieties가 판이 하게 차이가 있으므로 필히 Class를 표기 해야 함 * 일례로 A350-LF2인 경우, Impact Test Temp. & Absorbed  Energy Value 합격치가 많은 차이가 있음  - Class 1 : -45.6℃/ 15 & 12 ft-lbs  - Class 2 : -18℃/ 20 & 15 ft-lbs	제작 도면 & MPS 확인
3	Flange Rating 표기 Error 동일 Item에서 Nozzle에 따라 Flange Rating이 서로 다른 경우에 제작 도면에 표기 Error가 다수 발생 되며, General Ass’y Drawing 과 Nozzle Detail Drawing의 Rating이 상이한 경우	주문주로부터 접수한 Latest Basic Drawing으로 제작 도면 Full Check
4	Flange에 Corrosion-Resistant Overlay가 요구 되는 경우, Flange Thickness 표기 Error Corrosion-Resistant Overlay Th’k가 강도 계산에 포함 되지 않는 경우(특별한 경우를 제외 하고는 대부분 포함 안됨), Flange Th’k는 ASME/ANSI B16.5에 Overlay Th’k를 추가 해야 함	제작 도면 확인
5	Stiffener Ring에 Weep Hole 위치 오기 Weep Hole 위치가 Insulation Thickness를 고려 하지 않고 일반적으로 Stiffener Ring Center에 위치 하여 Insulation에 가리어서 제 역할을 못하게 됨	Weep Hole은 Insulation Th’k 보다 바깥쪽에 위치 해야 함
6	ASME Sec. VIII-1, UCS-79에 따른 Stress Relieving 적용 누락 1) Toriconical Type Shell의 경우는 Double Curve이므로  Extreme Fiber Elongation 계산시 “75t/Rf” 공식을 사용 해야 하며, Radius가 작기 때문에 대부분의 경우에 Extreme Fiber Elongation이 5%를 초과 하여 Stress Relieving이 요구 됨 2) 일반적으로 Plate로 제작 되는 Nozzle Neck의 경우에도 Thickness가 두꺼운 경우에는 Extreme Fiber Elongation이 5%를 초과 하여 Stress Relieving이 요구 되며, Nozzle Size별 Extreme Fiber Elongation이 5%를 초과 하는 Th’k는 아래와 같음 - 14”인 경우 – 17t - 16”인 경우 – 20t - 18”인 경우 – 22t - 20”인 경우 – 25t - 24”인 경우 – 30t	UCS-79에 따라서 관련 부재 확인
For Fabrication (Material & 제관 작업 관련)
7	Material 관련 문제점 1) 제작 도면과 상이한 자재 사용    특히 Low Alloy & High Alloy Material의 경우에 상이한 사양의 자재를 사용 하여 문제 되는 경우가 다수 발생 됨 2) Stainless Steel Plate 두께 부족   창원소재 Pressure Vessel 업체에서 Stainless Steel Plate 자 재 검사 시 Plate Thickness 측정 결과 Under Tolerance를 초과 하는 문제가 발생 됨      - Mill Maker : Daekyung Corp. - 포항 소재     - Material : A240-316L     - Thickness(Nominal / Actual Measured) : 21t / 20.44t        (Same Heat No. & Size로 입고된 4 sheets에서 동일한     문제가 발생 됨)      - Plate Material Th'k Under Tolerance : 0.01inch(0.3mm) or     6%(Nominal Th'k) 중 작은 값 적용 - ASME Sec. VIII-1,     UG-16 규정 임         * 국내에 필요한 Stainless Steel Plate의 대부분을 생산      하는 (주)대경의 제품에서 상기와 같은 문제가 발생 됨에 따라서 그 파장이 매우 클 것으로 보임	1) 자재 수입 검사 시에 PMI    Test 100% 실시 2) 자재 검사 시에 필히 제품    두께를 측정
8	External Pressure가 적용 되는 Item에 대하여 ASME Sec. VIII-1, UG-80 & UG-81에 따른 Head의 Spherical Portion의 Shape Deviation 측정 및 관련 Report 누락	측정 방법은 유첨 참조
9	ASME Sec. VIII-1, UW-13(b)(3)에 따른 Head to Shell Joint 부의 Taper Transition 길이 문제점 Head to Shell Joint에 양쪽 두께가 서로 다른 경우에는 두꺼운 부분의 소재를 얇은 부분의 소재와 동일 하게 최소 3:1이상의 Taper 처리를 해야 함 그러나 이 경우에 Taper가 Tangent Line를 벗어나서는 안됨 Code에서 규정은 Taper가 Min. 3:1 이기 때문에 작업자는 이 규정을 지키기 위하여 작업 하다 보면 Taper가 Tangent Line를 벗어 나는 경우가 있음, 특히 Head와 Shell의 두께 차이가 크고 Tangent Line이 Shell Part에 있는 Hemi-Head Type인 경우 상기와 같은 문제점 발생 빈도가 많은 편임	1) Design 시에 Straight Flange   (SF) 구간을 충분히 감안 2) 절단 작업자 교육 및 검사
10	Column에 Cone Shell이 있는 경우, Nozzle Hole & Tray Support Ring Marking 오류 Cone Shell에서 Bottom T.L 까지 Shell Length를 감안 하지 않고 Marking을 실시 할 경우에는 Cone Shell & Cone Shell 가까운 곳에 부착 되는 Tray Support Ring & Bolting Bar 위치가 제작 도면과 상이 하게 되므로 Tray & Down Comer 조립에 문제가 있음	1) Cone Shell을 기준으로   Marking 실시   2) 주어진 공차를 충분히 활용
11	Tray가 설치 되는 Column의 Shell Out-of-Roundness 불량 Shell Roundness 불량 인한 Tray 조립이 불가로 Site에서 NCR이 발행 되는 경우가 있음	Shell Roundness는 Spec.에 규정된 Tolerance(Shell I.D x 0.5%)를 반드시 Keeping 해야 함
12	제작 중 Turning Roller에 의한 Shell에 Dent 발생	1) Shell Thickness를 감안 하여   Turning Roller Position에   Temporary Padding 2) 중량을 분산 하도록 Turning    Roller 수량 조정
13	Demister 조립 오류 Demister의 Inlet & Outlet Density가 서로 다르게 요구 하는 경우에 있으며, 이 경우에 Inlet & Outlet이 서로 바뀌어 조립 되는 경우가 있음	제작 도면 검토 및 조립 검사 철저
For Heat Exchanger
14	Impingement Plate 부착 누락 H/EX. Operation 시 Tube를 보호 하기 위하여 Shell Side Inlet Nozzle 안쪽 Tube Bundle의 Spacer에 부착 하는 Impingement Plate를 누락한 채 Bundle Inserting & 후속 작업을 진행 하는 경우	Tube Bundle Insertion 전에 필히 제작 도면에 따라서 검사 필요
15	Head Type Channel Cover에 부착 되는 Pass-partition Plate Marking 오류로 인한 문제점 Pass-partition Plate를 절단 하기 전 Marking 시에 Head에 부착 되는 부분 Marking 오류로 Cutting 후 Fit-up 시에 과도한 Gap 발생으로 용접 불가 등의 문제점	Pass-partition Plate의 Head 부착부는 Head Type에 따라서   Marking을 실시 해야 하며, Marking 방법은 - 유첨 참조
16	Stacking Type Heat Exchanger 제작 및 검사 방법 – 유첨 참조
For Bulks
17	ASME/ANSI B16.48의 Paddle Spacer / Blanks and Fig. 8 Spectacle Blanks의 Gasket Contact Face의 가공 오류 Face는 Raised Face(RF)와 Flat Face(FF)로 구분 되며, P.O.에 따라서 Face를 가공 해야 하는데도 대부분의 경우에 FF로 가공 하고 있음 – RF인 경우, ASME/ANSI B16.5 & B16.48에 따라서 Raised Face로 가공 해야 하며, Raised Face의 Height 만큼 Thickness가 증가 함	ASME/ANSI B16.5 & 16.48에 따라서 검사 실시
For Welding
18	용접봉 사용 오류 WPS와 상이한 용접 봉 사용 특히, Low Alloy & High Alloy Material 용접 및 Overlay의 경우에 WPS와 상이한 용접봉 사용 오류 다수 임	용접 중에 Monitoring을 강화 하고 용접이 완료 되면 PMI 실시
19	Austenitic Stainless Steel Overlay 시에 Hot Crack 발생	Hot Crack 방지 방안 – 유첨 참조
For PWHT
20	Local PWHT 문제점	유첨 “Local PWHT 시의 문제점  및 대책 방안” 참조
For Pressure Test
21	수압 대신에 Pneumatic Test를 실시 하는 경우, ASME Sec. VIII-1, UW-50에 따른 NDE 누락 UW-50에 따르면, 기압 시험을 실시할 경우에는 시험 전에 아래의 용접부에 Crack를 Detecting 하기 위하여 MT/PT를 실시 해야 함 - Opening부 전 용접부 - 모든 Attachment 용접부(Non-pressure Part to Pressure Part 포함) 중 Fillet 각목(Throat Th’k)이 6mm(각장 – 8.5mm)를 초과 하는 용접부	Pressure Test Procedure를 사전에 검토 하여 기압으로 결정된 경우에는 NDE 실시토록 요구
For Painting
22	Inorganic Zinc Primer 시공 시 Surface Anchor Profile 부족으로 Paint 부착력 저하	Surface Preparation(Shot Blasting) Inspection을 관련 사양서에 따라서 철저 한 검사

* Attachment

 

1. External Pressure가 적용 되는 경우, ASME Sec. VIII-1, UG-80 & UG-81에 따른 Head의 Spherical

  Portion의 Shape Deviation 측정 방법

  1) ASME Sec. VIII-1, Fig. UG-80.1 Table을 이용 하여 “e 값(True Circular Form으로 허용 되는 Max.

Plus-or-Minus Deviation)”을 계산

- L/Do = 0.5(as per UG-81(b)

- Do/t : 제작 도면에 주어진 값을 대입 하여 계산(Do – Outside Diameter of the Head Skirt as per

       UG-33 / t - Head Thickness, Corrosion Allowance Th’k 제외)

  2) Template를 제작 하여 Head의 Spherical Portion에 대하여 Deviation 측정

    (Ellipsoidal Head의 Spherical Portion에 대한 정의는 유첨 “Interpretation – VIII-1-83-149” 참조)

  3) 나머지는 유첨 Code 참조

 

2. Pass Partition Plate의 제작 방법

  1) 2:1 Head의 제작 방법에 따른 Type

    2:1 Ellip. Head는 제작 방법에 따라서 Approximate Ellipsoidal Type(근사 반타원형 - A.D)과

    Ellipsoidal Type(정 반타원형 – E.D)으로 구분 되는데, 아래 그림에서와 같이 Knuckle Part의 Curve

    가 서로 상이 하며 Diameter가 커짐에 따라서 그 차가 커 진다.

    그러므로 Head의 제작 Type에 따라서 부착 되는 부품의 Marking 방법을 다르게 적용 해야 한다.

  2) Pass Partition Plate의 Marking 방법

일반적으로 대부분의 Head는 2:1 E.D Type으로 제작 하고 있으므로, 2:1 E.D Type에 따라서 Marking

하는 방법을 설명 한다.

    - 먼저, Channel Cover(Head)와 동일한 Size의 Gage Plate를 만든다.

2:1 E.D Type Curve는 타원 방정식에 따라 계산된”X”와 “Y” 값 들의 Point를 연결한 것이므로,

아래 그림과 공식에 따라 계산 하여 여러 Point를 결정 하고 그 Point를 연결 하여 Curve를 형성

한다. 따라서 합판이나 함석판 위에 Head의 Inside Diameter 기준으로 계산 하여 Point를 Marking

하고 그 Point 들을 연결 하여 Curve가 만들어 지면 Cutting 하여 Gage Plate를 완성 한다.

* 공식

  X  = √(R² – 4Y²),    Y = (√R² – X²) / 2

- Gage Plate가 완성 되면, Channel Cover (Head)에 Setting 하여 확인 하고 문제가 없으면 Gage

Plate를 사용 하여 Pass Partition Plate에 Head와 용접 될 부분을 Marking 한다.

 

3. Stacking Type H/Ex.의 Nozzle & Saddle 작업 절차

1) 물 Level에 의한 Orientation(0^o, 90^o, 180^o & 270^o) Marking 방법(Shell Part Body)

   Horizontal Type H/Ex.는 Orientation Marking시에 유의 해야 하며, 특히 Stacking Type및 Shell의 길이

가 길어질수록 Front(앞)와 Rear(뒤) Orientation Point의 Level이 일치 해야 Nozzle & Saddle 관련

작업 시에 발생 되는 여러 가지 오차를 미연에 방지할 수 있다. 또한 Nozzle to Shell Joint(Category

“D”)가 Butt-Welding Type인 경우에는 필수적이다. 따라서, 물 Level를 이용 하여 Front와 Rear

Orientation Marking Point의 Level 일치 여.부를 확인 하고 일치 하지 않는 경우에는 Rear Point를

아래에 따라서 Re-Marking 해야 한다.

 - 먼저, 용접이 완료된 Shell Side 동체를 Turning Roller위에 Setting 하고, Shell Flange(Front Point)에 Ball-Compass를 이용 하여Horizontal Point인 90^o & 270^o Point를 Marking 한다.

- 물 Hose를 설치 하고, Turning Roller를 이용 하여 양쪽 물 Level과 90^o & 270^o Point가 일치 하도록

       조정 한다.(양쪽 Horizontal Point의 수평을 맞추기 위함임)

     - 물 Hose의 한쪽Level를 Front Side의 한 Point에 일치 시키고, 나머지 물 Hose는 Reference로

       Marking된 양쪽 Rear Point (Shell Cover Tangent Line)에 대고 각각의 물 Level 차를 측정 하고

      양쪽 물 Level 차가 일치할 때 까지 조정 하여 Point를 결정 하고, 결정된 양쪽 Point에 물 Hose를

      설치 하고 물 Level과 양쪽 Point가 일치 하는지를 Check 한다.

     - Rear Point가 결정 되면 90^o & 270^o Orientation Line를 Marking 하고, 0^o & 180^o Line은 Circum. 길이

      를 양분 하여 Point를 결정 하고 Orientation Line를 Marking 한다.(전체 Circum. 길이를 측정 한 후

      Orientation Point가 정확 하게 분배 되었는지를 Check 해야 한다.

     - Channel Part는 굳이 물 Level을 이용 할 필요 없음

2) Orientation Line의 Marking이 완료 되면, Nozzle Hole & Saddle Pad의 Position를 Marking 한다.

    모든 치수의 기준 Point는 “Shell Flange의 Gasket Contact Face(B.L)”이며, 현재 Shell Flange의

    열처리 후 기계 가공 여유가 있으므로 이를 감안 하여 계산 해야 하며 Stacking Nozzle(Channel Part

    포함)의 Marking Point는 “± 1mm” 이내로 해야 한다.

  3) Nozzle Hole Cutting이 완료 되면, Saddle Pad를 Fit-up 및 용접 하고, Stacking과 관련 없는 Saddle

    및 Nozzle들을 Fit-up & 용접 한다.

    * Saddle 제작 시 유의 사항

    Nozzle + Shell 용접부(Category “D” Joint)가 Butt-Welding Type인 경우에는 높이(Projection) 조정이

    Saddle 및 Shim Plate에 의해서만 가능 하므로 제작 도면에 Saddle관련 치수가 결정 되어 있지만

    참고만 하고 여러 가지 변수를 고려 하여 높이를 결정 해야 한다.

     - Nozzle의 실제 높이 측정(Overlay Type인 경우에는 용접에 의한 용접 수축 발생)

     - Stacking시에 사용될 Shim Plate 두께 고려

     - Nozzle에 조립될 Ring Spacer 또는 Gasket Thickness 두께 등

    * Stacking Nozzle의 제작 도면 상 유의 사항 & 작업 방법

     Stacking Type H/Ex.의 Nozzle Stacking Fit-up 시에 Lower Item H/Ex.의 상부 Nozzle(Inlet)를 먼저

    용접 하고 Stacking 후 Upper Item의 하부 Nozzle(Outlet)을 Fit-up 용접 하는 방법이 원칙이므로 제작

    도면에 반영 되어야 함

    * Stacking 전 용접 될 Nozzle Fit-up 시 유의 사항

     - Nozzle Face에서 동체의 양쪽 Horizontal Line & 양쪽Shell Outside Surface사이에 측정된 Nozzle

      Projection치수가 일치 하도록 조정 해야 한다.(Max. ± 1mm)

     - Clad Material인 경우, 현 제작 도면의 Projection 치수는 무시 하고 Inside에 Mis-alignment가 발생

      되지 않도록 Fit-up 해야 한다.

    * 기타 유의 사항

     - Saddle Pad & Nozzle 용접 전에 용접 변형을 방지할 수 있는 조치를 해야 한다.

     - Nozzle의 Inside Back Chipping 시에는 Clad 표면(if any)이 손상 되지 않도록 석면포 등으로

      Protection 해야 함

* Caution : Stacking 된 동체는 작업 중에 전도(轉倒) 되지 않도록 확실 하게 Supporting

해야 한다.

* Stacking 상태 수압 시험 후, Shim Plate는 필히Base Plate와 Tack Welding 하여 선적 해야 한다.

   * Nozzle 용접 시 용접 변형을 최소화 하는 방안

- Temporary Jig Support로 구속

- Small Diameter 용접봉 사용

     - 층간 온도, 용접 입열 최소화 및 Pass 수를 늘인다.

     - Balance 용접 실시(Welder 2명이 서로 마주 보며(정 반대 방향) 동일한 방향으로 용접)

 

4. Austenitic Stainless Steel 용접 시에 Hot Crack 방지 방안

  최근에 발생된 고온 균열의 발생 원인의 대부분이 Low Ferrite 용접봉 사용에 기인 하는 것으로 분석

  되었으며, 나머지는 과도한 예열(Preheating), 층간 온도(Inter-pass Temp.) 및 입열량(Heat Input)에 의하

  여 발생 됨

  따라서 Hot Crack을 방지 하기 위해서는 적정 Ferrite를 함유(5 ~ 15%)한 용접봉을 사용 해야 하며,

  용접봉 구매 발주 시에 필요한 Ferrite 함유량을 명기 해야 한다.

  일반적인 경우, Purchase Spec.에서 용접부에 대한 Ferrite 함유량을 3 ~ 10% 정도로 규제 하고 있어서

  용접봉 발주 시에 Ferrite 함유량을 Max. 5% 이하로 주문 하는 경우에 용접봉 Maker에서는 Low

  Ferrite(1 ~ 3%)로 제작 하여 납품 하는 경향이 있으므로 이는 Hot Crack 발생 소지가 있으므로 사전에

  충분한 검토를 거쳐서 적절 하게 Ferrite가 함유된 용접봉을 구매 사용 해야 Hot Crack을 예방 할 수

  있다.

  * δ- Ferrite(함유량 5% 이상) 조직이 고온 균열을 방지 하는 것은 용접부의 Ferrite 조직은

   Austenite 조직 보다 유해 원소 및 저융점 불순물 원소(P, S, Si, Nb, O)의 고용도가 크기 때문에

   Ferrite가 많이 존재함에 따라 응고 시에 저융점의 액막이 적고 응고 범위가 좁아져 균열 발생이 억제

   된다.

   또한, Ferrite가 존재함에 따라 열팽창계수가 작게 되므로 수축응력이 감소 하여 그 만큼 고온 응고

   균열을 억제 하는 역할을 한다.

   그러나 Ferrite 함유량이 많으면 일반적인 부식에 대한 저항성이 감소 하여 부식을 일으키는 원인 됨