ASTM/ASME A/SA 182 F316Ti 열교환기용 고온 고정관 Tube Sheet

고정단 압력 경계로서의 고정식 튜브시트

고정식 튜브시트(고정 튜브시트라고도 함)는 셸앤튜브(다관식) 열교환기의 고정단에 위치한 압력 유지 부품입니다. 이는 튜브측 유체와 셸측 유체 사이의 1차 격벽 역할을 하며, 튜브 번들에 구조적 지지를 제공하고, 튜브 하중을 셸 플랜지 또는 채널로 전달합니다. 고정식 튜브시트 설계(TEMA 유형 L, M 또는 N)에서는 양쪽 튜브시트가 모두 고정되어 셸에 직접 용접되거나 볼트로 체결되며, 튜브는 양단에 고정됩니다.

본 제품은 고온 및 부식성 환경용 단조 또는 압연 오스테나이트계 스테인리스강 파이프 플랜지, 단조 피팅, 밸브 및 부품을 다루는 규격인 ASTM A182 / ASME SA182를 준수하는 단조 스테인리스강으로 제조됩니다. 고정식 튜브시트는 ASME Section VIII Division 1 Appendix AA(고정식 튜브시트 설계 절차), TEMA Class R/B/C 및 국내 적용을 위한 GB/T 151에 따라 설계 및 제조됩니다.

재료 등급 – ASTM/ASME A/SA 182 스테인리스강

고정식 튜브시트 제작에는 다음과 같은 네 가지 오스테나이트계 스테인리스강 등급을 사용할 수 있습니다. 각 등급은 고유한 내식성, 온도 성능 및 안정화 특성을 제공합니다.

ASTM/ASME A/SA 182 F304 (UNS S30400)

• 유형: 18Cr‑8Ni 오스테나이트계 스테인리스강 (표준 탄소)

• 주요 특성: 고강도, 우수한 내산화성, 범용 내식성

• 항복강도 (최소): 205 MPa

• 인장강도 (최소): 515 MPa

• 최대 사용 온도: 최대 538°C (간헐적), 816°C (연속)

• 융점: 1,400 – 1,450°C

• 적용 분야: 일반 화학 공정, 비염화물 환경, 중온 조건

• 제한 사항: 425°C 초과 용접 환경에서 예민화 위험 발생; 안정화 처리가 없는 경우 16mm 초과 용접 두께에는 권장되지 않음

ASTM/ASME A/SA 182 F316L (UNS S31603)

• 유형: 16Cr‑10Ni‑2Mo 오스테나이트계 스테인리스강 (저탄소 – 최대 0.030%)

• 주요 특성: 몰리브덴 첨가로 점식 및 틈새 부식 저항성 향상, 저탄소 설계로 용접 후 입계 부식 방지

• 항복강도 (최소): 170 MPa

• 인장강도 (최소): 485 MPa

• 최대 사용 온도: 최대 425°C (ASME 허용 응력 기준); 연속 사용 시 최대 870°C, 작동 범위 -196°C ~ 450°C

• 경도: ≤ 200 HB

• 적용 분야: 석유화학, 해양, 제약, 식품 가공 – 산, 알칼리, 염류, 해수 취급

• 염화물 제한: 지속 사용 시 ≤ 200 ppm

• 제한 사항: 450°C 초과 환경에는 부적합 – 고온에서 허용 응력이 크게 감소함

ASTM/ASME A/SA 182 F321 (UNS S32100)

• 유형: 18Cr‑10Ni‑Ti 티타늄 안정화 오스테나이트계 스테인리스강

• 주요 특성: 티타늄이 탄소를 안정화(Ti ≥ 5 × (C+N))하여 용접 중 열영향부(HAZ) 내 크롬 탄화물 석출을 방지

• 항복강도 (최소): 205 MPa

• 인장강도 (최소): 515 MPa

• 연신율 (최소): 30%

• 최대 사용 온도: 최대 815°C까지 내산화성 유지; F304 및 F304L보다 우수한 크리프 및 응력 파단 특성

• 용체화 열처리 온도: 950 – 1,120°C, 이후 급랭(수랭)

• 적용 분야: 용접 구조 열교환기 부품, 고온 서비스(425°C – 540°C), 용접 후 입계 부식 저항이 요구되는 분야

• 제한 사항: 최소 1,095°C로 열처리되지 않은 경우 538°C 초과 환경에 부적합

ASTM/ASME A/SA 182 F316Ti (UNS S31635)

• 유형: 16Cr‑10Ni‑2Mo‑Ti 티타늄 안정화 오스테나이트계 스테인리스강

• 주요 특성: 316L의 내점식성(Mo 함량)과 티타늄 안정화 특성을 결합; 표준 316L이 용접 또는 450°C 이상의 장기 열 노출 중 크롬 탄화물 석출을 겪을 때 발생하는 입계 부식을 방지

• 항복강도 (최소): 205 MPa

• 인장강도 (최소): 515 MPa

• 연신율 (최소): 30%

• 단면수축률 (최소): 40%

• 작동 온도 범위: -196°C ~ 700°C

• 적용 분야: 고온 열교환기, Mo의 내식성과 Ti 안정화가 모두 요구되는 부식성 환경

• 제한 사항: F316L보다 높은 비용; Ti 첨가로 고온 강도는 향상되지만 일부 조건에서 연성이 저하될 수 있음

재료 비교 – 주요 선정 파라미터

고정식 튜브시트 설계 – ASME VIII-1 Appendix AA

고정식 튜브시트 열교환기(TEMA 유형 L, M, N)의 고정 튜브시트는 ASME Section VIII Division 1 Appendix AA – 비강제 튜브시트 설계 절차에 따라 설계됩니다.

주요 설계 파라미터

설계 두께는 다음 사항을 고려합니다:

• 튜브 구멍 리가먼트 효율 – 가공된 홀로 인한 단면적 감소

• 차압 – 튜브측과 셸측 간의 최대 차압

• 온도 디레이팅 – ASME Section II Part D에 따른 고온에서의 허용 응력 감소

• 부식 여유 – 사용 수명 동안 예상되는 부식에 대비한 추가 두께

일반적인 고정식 튜브시트 치수 (단조 스테인리스강)

제조 공정 – 단조 고정식 튜브시트

재료 적합성

• ASTM A182 / ASME SA182에 따라 인증된 재료

• 100% 재료 추적성을 위한 열처리 번호(Heat No.) 타각

• XRF 분광기를 통한 PMI(재질 검증 시험) 확인 – 자재 로트 100% 실시

단조 및 열처리

• 단조: 빌릿 또는 잉곳에서 최종 단조 형상으로 열간 가공

• 용체화 열처리:

  • F304 / F321 / F316Ti: 1,040°C – 1,120°C 후 수랭

  • F316L: 최소 1,040°C 후 수랭

• 냉각: 열간 가공 후 수랭 또는 급속 공랭

기계 가공 및 홀 가공

• 정밀 홀 패턴을 위한 CNC 드릴링 – 공차 +0.05 / –0.00 mm

• 구멍 표면 마감: 팽창 접합부용 Ra ≤ 1.6 μm; 용접 접합부용 Ra ≤ 3.2 μm

• 리가먼트(구멍 간 브리지 간격): ASME VIII-1에 따라 최소 0.8 × 구멍 직경

• 디버링: 양쪽 면의 모든 홀 디버링(모따기 및 버 제거) 완료

튜브-튜브시트 접합 유형 – 고정식 튜브시트

검사 및 시험 – 고정식 튜브시트

비파괴 검사 (NDE)

치수 검사

수압 시험 (조립 후)

• 시험 압력: ASME VIII-1 UG-99에 따라 설계 압력의 1.3배

• 시험 매체: 청정수 (오스테나이트계 SS의 SCC 방지를 위해 염화물 ≤ 50 ppm)

• 유지 시간: ≥ 30분

• 합격 기준: 압력 강하 없음; 육안상 누설 없을 것

적용 분야별 프로파일 – 고정식 튜브시트 재료 선정

석유화학 및 정유용 열교환기

• 사용 조건: 탄화수소 공정, 피드/유출물 열교환기, 응축기

• 권장 재료: F316L (스위트 서비스) / F321 또는 F316Ti (사워 서비스, H₂S 존재)

• 설계 고려사항: 수소 분압; H₂S 부식 (NACE MR0175); 염화물 함량

• 온도 범위: 150°C – 400°C

해양 및 플랜트용 열교환기

• 사용 조건: 해수 냉각, 해양 플랫폼 냉각 시스템

• 권장 재료: F316L 또는 F316Ti (Mo 함유로 해수 내 점식 저항성 제공)

• 설계 고려사항: 최대 20,000 ppm의 염화물 농도; 틈새 부식 위험

• 온도 범위: 5°C – 150°C

제약 및 식품 가공

• 사용 조건: 고순도 공정 유체, 클린 스팀

• 권장 재료: F316L (저탄소로 예민화 방지; 부동태화 용이)

• 설계 고려사항: 표면 조도 Ra ≤ 0.8 μm (전해연마); FDA 규정 준수

• 온도 범위: 20°C – 150°C

고온 공정 히터

• 사용 조건: 고온 가스 냉각, 폐열 회수

• 권장 재료: F321 또는 F316Ti (Ti 안정화로 425°C 초과에서 탄화물 석출 방지)

• 설계 고려사항: 크리프 저항성; 열 사이클

• 온도 범위: 400°C – 600°C

열팽창 – 고정식 튜브시트 설계 제약 조건

고정식 튜브시트 설계에서는 양쪽 튜브시트가 모두 고정되어 있으므로 튜브와 셸 간의 열팽창 차이를 흡수해야 합니다:

• 신축 이음(Expansion Joint) 없는 허용 ΔT: ≤ 60°C (탄소강 튜브) / ≤ 40°C (스테인리스강 튜브)

• ΔT가 허용치를 초과하는 경우: 셸에 신축 이음을 설치하거나, U-튜브 또는 유동두(Floating Head) 설계를 선택해야 함

• 열응력 계산: ASME VIII-1 UG-23(c) 기준 – 응력이 설계 온도에서 허용 응력을 초과하지 않아야 함

고 ΔT 환경의 고정식 튜브시트의 경우 일반적으로 신축 이음 필요 여부 및 튜브시트 응력 분포를 평가하기 위해 유한요소해석(FEA)이 필요합니다.

출하 시 제공 문서

• 재료 밀 시트 / 검사 성적서 (EN 10204 3.1 또는 3.2) – 모재, Heat 번호

• ASME U-Stamp 데이터 보고서 (해당되는 경우)

• TEMA 데이터시트 (Class R/B/C)

• 치수 검사 보고서 (구멍 직경, 피치, 리가먼트, 평탄도, 두께)

• 비파괴 검사(NDE) 보고서 – UT (라미네이션), PT (표면), 보어스코프

• PMI 시험 보고서 (XRF 성분 검증)

• 열처리 차트 (용체화 열처리 시간-온도 기록표)

• 용접절차시방서(WPS) 및 절차인정기록서(PQR) – 튜브-튜브시트 용접 적용 시

• 튜브시트 준공도면(As-built drawing) – 구멍 패턴 좌표, 피치 및 치수 포함

• 수압 시험 보고서 (조립품의 일부로 시험된 경우)

선정 체크리스트 – 고정식 튜브시트 (ASTM A/SA 182 등급)

1. 재료 등급 – F304 / F316L / F321 / F316Ti (유체 부식성 및 온도 기준)

2. 튜브시트 형식 – 고정식(Stationary) / 유동식(Floating) / U-튜브

3. 셸 내경 및 채널 내경 – 튜브시트 직경 결정

4. 튜브 수량 및 배열 패턴 – 삼각(Triangular) / 사각(Square) / 회전 사각(Rotated square)

5. 튜브 외경 및 관 두께 – 구멍 직경 결정

6. 튜브 피치 – TEMA RCB-4.3에 따른 중심 간 거리

7. 튜브-튜브시트 접합 방식 – 확관 / 용접 / 복합

8. 설계 압력 – 튜브측 및 셸측 (차압 명시)

9. 설계 온도 – 튜브측 및 셸측

10. 부식 여유 – 요구 수명 기준

11. 염화물 농도 – 200 ppm 초과 시 F316L 또는 F316Ti 선정

12. 용접 요구사항 – 튜브가 용접되는 경우 저탄소 또는 안정화 등급 선정 (F316L / F321 / F316Ti)

13. 비파괴 검사(NDE) 요건 – ASME VIII-1 또는 프로젝트 사양 기준

14. 플랜지 연결 형식 – RF / FF / RTJ

15. PWHT(용접 후 열처리) 요건 – 모든 A/SA 182 스테인리스 강종은 열간 가공 후 용체화 열처리 필수

설계 제한 사항 성명 – 고정식 튜브시트

고정식 튜브시트에는 다음과 같은 제한 사항이 적용됩니다:

• 셸, 튜브 및 플랜지와 완전히 조립되기 전까지는 자체적으로 내압 정격이 부여되지 않으며, 완성된 열교환기 정격이 적용됩니다.

• F304는 예민화 위험으로 인해 425°C 초과 용접 환경에 권장되지 않습니다 – 고온 용접 적용 시 F321 또는 F316Ti를 사용하십시오.

• F316L은 425°C 초과 온도에서 F316보다 허용 응력이 낮으며, 450°C 초과 환경에는 적합하지 않습니다.

• F321 및 F316Ti는 내식성을 복원하기 위해 단조 후 950°C – 1,120°C에서 용체화 열처리가 필요합니다.

• 200 ppm을 초과하는 염화물 환경에서는 F304가 권장되지 않습니다 – F316L(≤200 ppm) 또는 F316Ti를 선택하십시오.

• 오스테나이트계 스테인리스강 튜브시트의 수압 시험 용수는 응력 부식 균열(SCC)을 방지하기 위해 염화물 함량이 ≤ 50 ppm이어야 합니다.

• 고정식 튜브시트 설계에서는 튜브와 셸 사이의 ΔT가 재료별 한계를 초과할 경우 신축 이음(Expansion Joint)이 필요합니다.

• 538°C 초과의 사용 온도에서 F321 및 F304는 특수 열처리가 필요합니다.