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해양유전 개발 시스템 |
해양에 많이 쓰이는 부식방지용 합금강은 아래와 같이 나눌 수 있다
-스테인레스강 : 316L, 625(Inconel), 825, 904L
-크롬 합금강 : 13Cr, Duplex(22Cr), Super Duplex(25Cr)
- 니클 합금강 : 36Ni(Invar)
-타이타늄
-알루미늄
원유에 포함된 이산화탄소, 황화수소, 염소 성분 등 부식물의 함량에 따라 파이프재료의 선택이 달라진다. 아래 도표는 일반적인 재료의 선택 기준으로(절대적인 기준이 아님) 참조용으로 만 사용하기 바란다. 황화수소 (H2S) 함량이 0.05 psi 이상일때의 원유를 sour crude라 하고 그 반대를 sweet crude라고 부른다.
<원유 부식성분 함량에 따른 파이프재료 선택 기준>
(출처: Presentation on NACE MR0175/ISO 15156, NACE International Seminar, 2007)
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304L/316L SS |
304L/316L SS |
13% Cr |
22% Cr (Duplex 2205) |
25% Cr (Duplex 2507) |
CO2, max |
*주석 참조 |
*주석 참조 |
*주석 참조 |
*주석 참조 |
*주석 참조 |
H2S, max |
3.4 bar |
1.0 bar |
0.1 bar |
0.1 bar |
0.2 bar |
Cl, max |
50 ppm |
No Limit |
No Limit |
No Limit |
No Limit |
Temp, max |
140oF |
140oF |
140oF |
450oF |
450oF |
pH, max |
No Limit |
No Limit |
3.5 |
No Limit |
No Limit |
*주석: 이산화탄소 함량 기준은 원유의 압력과 온도, 유속에 따라 달라진다.
36Ni(Invar라고도 불림)은 아주 낮은 온도에 우수한 재료이다. 열팽창계수가 낮아 (스틸의 1/8) 온도에 따른 팽창과 수축이 작아서 초냉각(-160oC) LNG터미널 파이프로 널리 쓰이고 있다.
LNG터미널 해저파이프는 3중파이프(pipe-in-pipe-in-pipe)로 낮은 온도를 유지하도록 단열처리를 하여, LNG 기화를 방지하도록 설계하였다.
36Ni 파이프는 가격은 높으나 일반 LNG터미날 파이프라인에서 요구되는 expansion loop나 다리구조물 또는 jetty가 필요 없어 전체 공사비를 오히려 줄일 수 있다.
파이프라인의 보온 방법과 LNG터미널 해저파이프라인은 다음 호에 소개하겠다.
높은 가격에도 불구하고 타이타늄이나 알루미늄도 사용이 늘고 있다.
타이타늄은 가격은 비싸지만(스틸의 10배), 가볍고(스틸의 56%), 인장강도가 높고(200ksi까지), 부식에 강하며, 탄성계수(elastic modulus)가 낮고(스틸의 50%), 열팽창계수가 낮다.(스틸의 74%) 라이저의 상단부나 라이저의 해저면 착지 부분에 많이 쓰인다. 동적라이저 상단부는 스트레스가 많이 걸리므로 특수 설계한 두꺼운 파이프(stress joint라 불림)를 쓴다.
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Riser Stress Joint |
일반 스틸을 쓰면 65ft에 3,410kg(7,520 lb)되는 stress joint가 필요하지만, 타이타늄을 쓰면 26ft에 499kg(1,100lb)되는 stress joint면 충분하다.
라이저가 무거울수록 해상 구조물의 부력을 키워야 하므로 해상 구조물의 사이즈도 커지게 된다. 하지만 타이타늄을 쓰면 라이저 자체의 무게가 줄어들 뿐만 아니라, 해상 구조물의 크기와 무게도 줄일 수 있어 오히려 전체 공사비를 일반 강관보다 더 줄일 수 있다.
알루미늄은 가볍고(스틸의 1/3), 탄성계수가 낮고(스틸의 1/3), 부식에 강한 반면, 대체로 인장강도가 낮다.(최대 90 ksi)
일반적으로 알루미늄은 수상구조물의 air can이나 drilling string에 많이 쓰인다. 알루미늄 drilling string 자체는 비싸지만 스틸보다 훨씬 가볍다.
같은 사이즈의 해상 굴착선으로 더 깊게 팔 수 있고, 같은 굴착 깊이라면 소형의 굴착선으로도 가능하므로 경쟁력이 있다. 더불어 재료의 유연성과 부식에 강한 특성이 알루미늄의 장점이다.
여러 강관 재료의 주요 특성을 요약하면 아래의 표와 같다.
<강관 재료의 주요 특성>
Properties |
Carbon Steel |
Stainless Steel |
Titanium |
Aluminum |
Specific Gravity (Density) |
7.85 (490 lb/ft3) |
8.03 (500 lb/ft3) |
4.50 (281 lb/ft3) |
2.70 (168 lb/ft3) |
Elastic Modulus (@ 200oF) |
29,000 ksi (200,000 Mpa) |
28,000 ksi (193,000 Mpa) |
15,000 ksi (104,000 Mpa) |
10,000 ksi (69,000 Mpa) |
Thermal Conductivity (@ 125oC) |
30 Btu/hr-ft-oF (51 W/m-oC) |
10 Btu/hr-ft-oF (17 W/m-oC) |
12 Btu/hr-ft-oF (20 W/m-oC) |
147 Btu/hr-ft-oF (255 W/m-oC) |
Thermal Expansion Coefficient |
6.5 x 10-6 /oF(11.7 x 10-6 /oC) |
8.9 x 10-6 /oF(16.0 x 10-6 /oC) |
4.8 x 10-6 /oF(8.6 x 10-6 /oC) |
12.8 x 10-6 /oF(23.1 x 10-6 /oC) |
1 Btu/(hr-ft-oF) = 1.731 W/(m-oC)
특수 합금강관 외에 sour service(부식성이 강한 원유)에 많이 쓰이는 것으로 clad 파이프가 있다.
clad 파이프는 관내벽은 CRA재료, 외벽은 일반 steel로 만들었다. 높은 내ㆍ외부 압력으로 관두께가 두꺼워질 경우에 유용하다.
파이프 전체를 CRA재료로 만드는 것 보다 clad 파이프가 저렴하나, 특성이 다른 두 재료로 만들어 HIC (hydrogen induced cracking) 등 용접이 어렵고, 굽힘이나 열팽창(내관과 외관의 변형이 다름)에서 문제가 발생할 수 있다.
제조방법은 특수합금강을 일반 저탄소강관에 삽입한 후 팽창시켜 단일 구조체로 만드는 경우와, 일반 저탄소강관 내벽 전체를 특수합금강으로 용접, 피복하는 경우 등이 있다.
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Clad파이프 제조 과정 (출처: CladTek product brochure, http://www.cladtek.com) |
유연성 파이프에도 sour service의 경우, 원유와 접촉하는 가장 안쪽 층에(carcass layer) stainless steel이나 duplex 등이 쓰인다. 유연성 파이프에 대해서는 지난 호에 소개했다.
부식방지용 특수합금강의 대안으로 일반 저탄소강에 여분의 관두께를 더하여(corrosion allowance) 설계할 수도 있다. 가령 부식으로 설계기간동안(통상 20년) 약 3mm의 관두께가 손실될 것으로 예상하면 처음에 설계기준치보다 3mm 더 두꺼운 강관을 설치하는 것이다.
또는 부식방지용 화학물질을 umbilical을 통하여 해저 구조물에 투입하는 경우도 있다.
이 경우에 sour원유가 sweet원유로 바뀌므로 일반 저탄소강을 쓸수있다. 어떤 경우든 특수합금강, 두꺼운 저탄소강, 혹은 원유화학처리 등 초기투자비와 장기운영비 그리고 품질을 비교하여 설계방법과 재료를 선택하게 된다.
최근에는 CFRP(carbon fibre-reinforced polymer)같은 복합물질(composite material)로 만든 파이프도 대안으로 개발하고 있다.
다음 호에는 해상용접으로 배에서 파이프를 내리는 등 여러가지 해양송유관의 설치 방법에 대해서 소개하겠다.
*위 글은 월간파이프 2008년 10월호에 실렸습니다.