특별기고: 클래드 파이프(Clad Pipe)

[월간파이프]

Clad Pipe

이재영 해양 파이프라인 컨설턴트(Technip USA 수석 엔지니어, jlee@jylpipeline.com)

*아래 글은 원문과 달리 사진과 표를 일부 생략하고 편집했습니다. 원문은 월간파이프 6월호를 참고하세요!

부식성이 강한 원유(sour crude)의 수송관용으로 특수 합금강(Corrosion Resistant Alloy, CRA) 외에 clad pipe를 사용할 수 있다. 이것은 관 내벽은 CRA 재질로, 외벽은 일반 강재로 2개의 다른 재질을 사용하여 만든 관을 말한다.

Clad의 뜻은 clothe(옷을 입히다)의 과거분사형으로 “피복한” 혹은 “덧 입힌” 정도의 뜻이 되겠다.  

특수합금관은 고가이므로 원유가 접촉하는 내벽만 특수강으로 만들고 응력은 일반강재가 받도록 하자는 경제적인 디자인의 산물이다. 하지만 특성이 다른 두 재료로 만들다 보니 라인 파이프 연결 부위 용접(girth welding)이 쉽지 않고, clad(피복) 방법에 따라 다르기는 하지만, 굽힘이나 열팽창 시 두 재질이 분리 될 수도 있어서 reel설치용이나 dynamic riser용으로는 제약이 따르기도 한다.

Clad pipe의 제조방법으로는 크게 clad bonding (피복결합) 방법에 따라 metallurgical bonding과 mechanical bonding으로 나뉜다. Metallurgical bonding으로는 일반강관 내벽 전체를 특수합금으로 용접처리(weld overlay)하거나 특수합금으로 피복된 clad plate를 사용하여 파이프를 만드는 두 가지 방법이 있다. Mechanical bonding은 액압성형틀 (hydroforming die)에 일반재질 외관과 특수합금 내관을 넣고 실온에서 압력을 가하여 두 파이프를 기계적으로 변형시켜 하나의 관으로 결합시키는 방법이다.

  Metallurgical bonding: Weld overlay pipe

                                    Clad plate rolled pipe

  Mechanical bonding:   Bi-metal pipe(hydroformed)

 

그림 1은 CRA재질 용접봉으로 일반 저탄소강관의 내벽을 코팅하듯이 용접처리한 clad파이프를 보여 준다. 용접이 끝난 후 표면을 매끄럽게 처리할 수도 있고 그대로 둘 수도 있다. CRA 재질로는 Inconel 625, Alloy 825, Alloy C276, SS 300-400, duplex, super duplex등이 있다. 이 방식은 결합성이 좋고, 소구경이나 소량의 라인 파이프에 유리하나, 대구경이나 다량의 라인 파이프가 요구되는 경우에는 생산성이 떨어진다.

또 다른 metallurgical bonding clad 파이프는 그림 2와 3과 같이 이미 가공한 clad plate를 rolling이나 pressing하고 seam welding하여 만든다. 이 파이프는 결합성이 좋고, 대구경이나 대량생산에 유리하지만, 가격이 높고, seamless관이 요구되는 경우에는 제외될 수 밖에 없다.

그림 3. Clad Plate 제조 과정 (www.voestalpine.com)

 

참고로 표 1은 2000년부터 2007년 사이의 Voestalpine사 Clad 강판 제조 실적을 보여 주고 있다.

Mechanical bonding clad 파이프는 두 개의 다른 재질 파이프(CRA재질 내관과 일반재질 외관)를 액압성형틀(그림 4)에서 압력을 가하여 두 개의 관이 하나로 합쳐지게 만든 것이다(그림 5). 따라서 이 파이프를 bi-metal pipe라고도 한다.  이렇게 기계적 변형으로 합쳐진 관은 재질적으로 하나가 된 metallurgical bonding clad 파이프보다 결합성은 떨어지나, 생산성이 높고, 가격이 낮으며, seamless관에도 적용할 수 있다는 장점이 있다. 

그림 4. Hydroforming Machine (www.proclad.com)

   위에 열거한 세가지 종류의 clad 파이프의 장단점을 요약하면 아래 표 2와 같다.

Clad pipe 시장을 개척하기 전에 선행되어야 할 것이 시장조사인데 실제로 clad pipe 수요를 예상하기가 쉽지 않다. 그 이유는 프로젝트 초기단계에서 clad 파이프가 선정되었다 하더라도 최종단계에서 CRA관이나 일반 저탄소강으로 변경될 수도 있기 때문이다. 예를 들면, 설계기간의 부식을 고려하여 여분의 관두께(corrosion allowance라고 부름)를 더해 주거나, 부식방지용 화학물질을 umbilical로 해저 구조물에 투입하여 sour원유를 sweet 원유로 바꾼다면 얼마든지 일반 저탄소강도 활용이 가능하기 때문이다. 또한CFRP(carbon fibre-reinforced polymer)같은 복합물질(composite material)로 만든 파이프나 플라스틱 라이닝도 대안으로 거론되고 있다.

이렇게 특수합금강, clad관, 두꺼운 저탄소강, 혹은 일반 저탄소강+umbilical(원유 화학처리), 그리고 복합재료관 등, 초기 투자비와 장기 운영비 등을 고려하여 파이프라인의 재질을 최종 결정하게 된다. 아무튼 심해유전으로 갈수록 원유의 온도와 압력이 높아지고 부식성이 강해지므로 두꺼운 특수강 수요가 늘어나게 되는데 이 시장을 경제적인 clad pipe가 많이 점령하게 되리라 보고 있다.

Clad파이프를 생산하는 세계 주요 업체들을 살펴보면:

·         Butting:    Clad plate (4” – 48”)

              Bi-metal (4” – 26”)                

·         Bergrohr:  Bi-metal

·         Corus:     Clad plate

·         CladTek:   Weld-overlay (4” – 48”)

              Bi-metal (4”-26”)                  

·         ProClad:   Weld-overlay (6” – 36”)

              Clad plate (6” and above)

              Bi-metal (현재 4” – 20”; 40”까지 예정)

많은 clad pipe 업체들이 세계 여러 곳에 공장을 가지고 있는데, 예를 들면 CladTek은 호주, 인도네시아, UAE, 사우디, 브라질 등에, 그리고 ProClad는 UAE, 영국, 싱가포르, 쿠웨이트, 사우디 등에 공장을 가지고 있다. 이것은 세계 곳곳에 clad 파이프 수요가 잠재해 있음을 보여 주고 있다고 하겠다.

결론적으로 한국기업들이 여타 산업에서 쌓아온 hydroforming기술로 굽힘이나 피로강도에 강한 bi-metal clad pipe를 만들거나, 양질의 특수합금 피복 강판을 경쟁력 있는 가격으로 생산하여 우수한 clad plate pipe를 생산한다면 한국도 clad pipe시장에서 두각을 나타낼 수 있으리라 본다.