금속과 CPVC 배관시스템 의비교

소개

수십년동안, 금속배관시스템은많은산업분야에서항상적용되는재료였습니다. 탄소강, 스테인리스강및기타합금은강하고내구성이있으며이러한환경에서높은열과높은압력조건에견딜수있었습니다.

일반적으로 금속시스템이지정된또다른근본적인이유는금속시스템이익숙한옵션이라는것입니다. 엔지니어는언제문제가발생할지, 그리고그러한문제의규모를포함하여재료의성능에대한철저한이해를확보했습니다.

산업배관시스템에대해이야기할때알려진것에서알려지지않은것으로전환하기위한결정은약간의망설임없이타당한이유로이루어집니다.잘못된선택으로인해회사는수백만달러의 비용이들수있고, 엔지니어의명성은떨어지게 됩니다.

 

금속재료의기회비용

그렇다하더라도, 믿을수있다고증명된것을고수하는기회비용은똑같이해로운것일수도있습니다. 화학공정, 클로르알칼리, 광물처리 및 발전—등을포함한많은산업용애플리케이션은 CPVC로구성된배관시스템을이용하여엄청난가치를실현하고있습니다.

보다구체적으로말하면, 산업플랜트는 CPVC 배관, 부속품및밸브로의전환으로인해설치비용을낮추고, 가동중단시간을줄이고, 프로세스효율성을개선하고 있습니다.

 

어떻게 플라스틱이금속을능가할수있는가?

CPVC 기술은가혹한산업공정환경의요구를충족시키도록특별히설계되었습니다. 1958년, Lubrizol은최초로 CPVC를파이프와피팅을위한유용한재료로공식화했습니다. Corzan® CPVC는높은열과높은압력에장기간노출되는것을견딜수있는열가소성플라스틱으로, 뛰어난내식성을제공합니다.

이페이지는 CPVC가어떻게금속에견줄수있는지, 그리고그것이어느점에서차별화되는지를상세히기술하기위해쓰여졌습니다. 이것은또한잘못인식된약점에대한몇몇근거없는믿음을불식시키고자 합니다.

만약당신이 CPVC를당신의산업시스템에 적용을 고려하고 있거나혹은금속을고수할것인지고민하고 있다면, 이페이지가지침을제공하고질문에답할수있기를기대합니다.

 

 

 

Chlorinated Polyvinyl Chloride(CPVC)란?

Chlorinated polyvinyl chloride (CPVC) 은상대적으로낮은비용, 높은유리전환온도, 높은열변형온도, 화학적불활성, 뛰어난기계적, 유전체, 화염및연기특성을 갖는 중요한엔지니어링열가소성플라스틱중 하나입니다.

개념적으로 CPVC는염소화반응을 추가한 PVC 동종중합체입니다. 일반적으로염소와 PVC는열과/또는 UV 에너지를사용하는다양한방식에의해발생할수있는기본적인유리기메커니즘에따라반응합니다.

대부분의상용 CPVC 레진은 63%에서 69%의염소를함유하고있지만, 기초 PVC의염소함량은 56.7%에서 74%까지증가할수있습니다. CPVC의염소함량이증가하면유리전환온도(Tg -즉, 폴리머가단단하고유리가많은물질에서부드럽고고무적인물질로전환되는온도영역이다.
)가크게증가합니다.

추가된염소원자는화학적인공격으로부터폴리머의탄소백본을보호하고더큰내열성을줍니다. 내열성이높아지면CPVC는더높은온도에서압력등급을받을수있습니다. 이화합물은또한기본적으로금속을부식시키는경향이있는산, 염, 염류, 그리고지방족탄화수소에불활성입니다. 

 

PVC(오른쪽)와비교한분자수준에서 CPVC(왼쪽)의다이어그램. 붉은구는염소를나타낸다.   

 

그런다음 CPVC 레진을첨가물과결합합니다. 이러한첨가물의양과조합은 CPVC 레진의많은고유특성을수정하고공정을용이하게합니다.  

 

 

온도및압력저항

높은열과압력을장시간견딜수있는물질의능력은산업시스템의성능에필수적입니다. 여기에있는모든약점으로 인해공장운전관리자는정기적으로수리를하고, 예정되지않은유지보수를위해시스템을종료하며, 배관시스템을조기에교체해야할것입니다.

금속은열과압력요구사항을만족시킬수있는것으로입증되었지만, CPVC는어떨까요?

기준설정

모든배관재료는그것이견딜수있는내부압력수준을경험적으로검증해야합니다. 열가소성플라스틱의경우 ASTM과 ISO가모두압력등급열가소성배관재료에대한압력등급산정방법을발표하지만, ASTM D2837(“Standard Test Method for Obtaining Hydrostatic Design Basis for Thermoplastic Pipe Materials or Pressure Design Basis for Thermoplastic Pipe Products”)이미국에서가장일반적으로사용됩니다.

ASTM D2837에따르면, 배관재료의내압능력은여러표본에다양한압력을 가하여 결정되며, 해당압력범위에서파이프는몇시간에서 10,000 시간이상에 걸쳐파괴됩니다. 데이터는선형회귀분석을사용하여분석되며, 100,000시간에 필요한응력(LTHS)은외삽에의해결정됩니다. LTHS에 따라다음 ASTM 표를사용하여재료에대해 HDB(수정적설계기준) 범주를정의합니다.

 

 

그런다음 0.5의설계계수(종종 "안전계수"라고함)를소재의 HDB psi에곱하여재료에대한최대허용응력을결정하거나, 워터애플리케이션을위해 HDS(수정설계응력)를결정합니다.

이설계계수는다음두가지조건그룹에기초합니다.

1. 제조및시험변수, 특히재료, 제조, 치수, 양호한취급법및평가프로세스의일반적인변동성.
2. 적용및사용변수, 특히설치, 환경, 온도, 관련된위험, 기대수명및선택한신뢰성정도.

ASTM에따르면이설계계수는재료가 “파이프의고장이발생하지않을것이라는높은수준의확신을가지고지속적으로견딜수있는지” 를정의한다.

CPVC는이러한방식으로상온(73°F)에서 180°F까지 워터 애플리케이션에 대한 압력등급을부여한다. 경감계수표는재료의운전범위내의기타온도를 위해 제공됩니다.

 

 

다음은 ASTM D2837에의해결정된 Corzan CPVC의최대작동온도및압력범위입니다. 적색영역은대부분의엔지니어들이 CPVC의능력으로인지하고있는영역입니다. 연회색은 Corzan CPVC의실제최대작동범위입니다.

 

 

 

금속에대비한CPVC의장점
부식

CPVC 배관시스템이금속대체제에비해갖는가장큰장점은부식저항성입니다.

금속배관시스템은중성 pH에서정수처리애플리케이션을깨끗하게유지하지만, 유체의 pH가중성(~7) 밖으로많이벗어나거나염분이유입되면(예: 기수또는해수) 금속은부식되기시작하여상대적으로빠르게분해될수있습니다.

그이유는산성액 (pH < 7) 및알칼리액 (pH > 7) 내이온과식염수내이온은많은금속과반응하여부식을일으킬수 있기 때문입니다. 이공격은용해된산소가존재할때가속화됩니다.

 

 

반대로, CPVC 재료로만들어진배관및설비는기본적으로대부분의산, 염및염분에불활성이어서금속을공격하는공격적인이온이 CPVC를지나치기 때문에배관을손상시키지않습니다.

금속부식:

금속은파이프의벽두께를줄이고그것의내압능력을감소시키는파이프의길이를따라발생하는공식(pitting corrosion)에의해부식될수있습니다.

또다른우려의원인은틈새 부식(crevice corrosion)입니다. 이는유체내이온이용접부, 플랜지및기타배관연결부의틈에집중되는지점에서 발생합니다. 이이온축적은소재를빠르게부식시켜용접부와조인트에서누출을유발할수있습니다.

부식의결과

배관시스템내부식영향및심각도는애플리케이션에따라다르지만일반적으로부식은다음과같은문제를야기할수있습니다.

• 압력등급은파이프벽이얇아짐에따라감소한다.
• 펌프에더많은부하가걸리며유량이 낮아진다.
• 부식된조각이떠다니며유체순도가오염될수있다. 고순도기준이있는애플리케이션에서심각한우려사항이다.
• 시스템을용접하기위해서는고도의기술을요하는노동자들이필요하기때문에설치비용이증가한다. 이러한수준의숙련도를 달성하기 위해서는상당한비용을치러야 하며, 가장경험이많은용접사는 경력이 많아 더 많은 비용이 들게된다.

기타고려사항:

• 외부부식: 해안지역의공장이 갖는 큰 문제중 하나로, 대기의염분함량이금속파이프외부를부식시키는 것이다. 어떤지역에서는,표면을보호하기위해매년외부로 드러난배관을페인팅한다.
• 산화층보호: 일부금속은표면위에산화층을자연적으로형성하거나, 첨가제를인위적으로가하여산화층을만들수있다. 이러한산화작용은그주위에공격으로부터영향을받지않는갑옷을만들어서파이프를강화하는데도움이된다. 이갑옷은파이프를중성을약간벗어난 pH로부터보호하여작동범위를넓힐수있다. 그러나, 산화층조차도더공격적인산과염에맞설수없다.

 

스케일링

스케일링은유량을상당히불안정하게할수있기때문에배관에대한또다른중요한위협이 됩니다.

서로다른 pH 수준과온도범위에서, 특정금속이온은수용성이며, 다른문제를야기하지않은채금속배관시스템을통해흐를수있습니다.

그러나금속이용해된액체의용해성범위를벗어나면이온이용액밖으로떨어져금속파이프벽에부착될수있습니다. 이이온들은파이프내부 스케일처럼 생성되어 시간이지남에따라축적됩니다.

 

 

마그네슘, 칼슘, 철, 알루미늄, 실리카를포함하는공정은스케일링의위험이더높은경향이있습니다. 예를들어, 칼슘은용해성의범위가매우좁아서, 용액에서떨어져나가기 쉽습니다.

스케일링은 흐름에 회오리가 있는 부분에서 발생하는 경향이있습니다. 이러한회오리는용접심과플랜지주변과같은파이프의내면이불완전한곳에서발견할수있습니다.유체가이소용돌이를돌때이온의농도가증가하여스케일링가능성이증가합니다.

CPVC에서는스케일링이 발생할우려가거의없습니다. CPVC는금속보다스케일에대한친화력이상당히낮습니다.

 

 

스케일링의결과

스케일링이축적되면파이프내경이축소될수있으며시스템에몇가지해로운부작용이발생할수있습니다.

• 펌핑효율이감소한다.
• 시스템내에서압력이증가한다.
• 스케일은벗겨져서필터를막거나액체를오염시킬수있다.
• 부식과마찬가지로, 전체적인설치비용을증가시키는스케일링문제를피하기위해매끄러운심용접을하기위해고도의기술을갖춘인부들이필요하다.

 

설치비용

인건비, 제작비및기타설치비용이합쳐져서배관시스템의총설치비용의절반이상을차지할수있습니다. 다음그래프는 Chemical engineering Magazine 에서작성한데이터로 Corzan 6인치배관의설치비용지수를나타냅니다.CPVC 배관시스템을 금속및열가소성플라스틱대체제와비교하였습니다.

 

 

설치에관한한, CPVC는금속대체제에비해많은장점을가지고있습니다. 다음은Corzan시스템이왜 배관재료중에서가장낮은설치비용이 드는 지에 대한 검토입니다.

조인트용접

금속배관심은강한열과용접봉을사용하여함께용접됩니다. 이과정은두가지문제를수반합니다.

1. 부식또는스케일링발생가능성을줄이기위해특수용접기법과장비가필요하다. 이러한용접작업에필요한고도의기술을갖춘노동자들은수요가많고 높은비용이든다.
2. 종종, 용접은 번거롭고비용이많이들수있는허가증을요구한다.

 

 

반면, CPVC 시스템은간단한 2단계솔벤트시멘트를사용하여함께용접됩니다. 솔벤트시멘트 는접착제가아닙니다. 대신에그것은두부품을결합시키는화학적결합을만들어냅니다. 일단경화되면, 벽두께가단일파이프의두배이기때문에이접합부는실제로배관시스템의가장강한부분이됩니다.

솔벤트 시멘트는약간의교육이필요하지만, 현장교육은 15분이내에수행할수있으며, 특수장비가필요하지않습니다.

CPVC 배관접합을위해열용접이필요할경우열풍용접기를사용하여화염의필요성을제거합니다.

무게

CPVC 의무게는비교가능한크기의강관의 1/6 입니다. 6인치Schedule 80 Corzan파이프의무게는약 6lbs./ft인반면, 동등한강관의무게는 25~29lbs./ft.입니다. (강관제조업체의표본기준).

즉, 50피트길이의 Corzan 파이프와강관사이의중량차이는약 1,150lbs(521kg)입니다.이는필요한노동자의수감소, 제한된중장비(필요할 경우) 그리고노동자의안전성을증가시킨다는것을의미합니다.

필요한인력및장비

금속배관시스템의중량은배관을취급, 설치및고정하기위해더많은인원을필요로합니다. 또한배관을운반하고제자리에고정하기위해서는중장비를 이용해야 합니다.

게다가, 노동자들의기술수준의요구가증가함에따라인건비도증가합니다. 이는특히용접심과관련이있습니다.

제작

무게, 전문용접기법의필요성및전기/화염의 제약으로인해많은금속배관시스템이외부에조립되어현장으로운송됩니다.

이과정은배관을선적하기위해특별한시설이만들어지기때문에비용이많이든다는 것이 입증되었습니다. 게다가, 오류에대한허용치가 적습니다. 외부에서발생한계산오류나조립오류때문에현장에서많은비용이드는수정이발생할수있습니다.

CPVC는사전제작이가능하지만, 2단계솔벤트시멘트용접공정과자재를쉽게재단할 수 있기때문에현장제작이 복잡하지 않습니다.

사실, CPVC 재료는설치자들에게비용이많이드는재작업없이필요에따라문제를해결할수있는유연성을제공합니다.

유지보수

배관시스템의수명동안금속배관시스템이나 CPVC모두정기적인유지보수가필요합니다. 일반적인유지관리에는새장비설치, 레이아웃변경또는사고로손상된부품의 교체가포함될수있습니다.

하지만, CPVC 시스템은유지보수작업에있어금속배관보다더큰가치를제공합니다. 금속배관을사용하면파이프핏터와계약해야하는경우가많으며, 일부연결부또는용접부를재구성해야할수도있습니다. 또한, 금속시스템은유연하지않으므로미묘한정렬조정은비용이많이드는재구성이필요할수있습니다.

CPVC 배관및피팅의솔벤트용접에대한간단한훈련을통해기계도급업체또는공장유지보수엔지니어가시스템을변경, 수리및수정할수있습니다. 배관자체는유연하기때문에전문장비 없이한, 두명의작업자가쉽게정렬조정을할수있습니다.

 

안전

CPVC는또한금속대체제보다많은안전상의이점을제공합니다.

열전도도

CPVC는열전도도값이매우낮습니다. Corzan CPVC의열전달계수는강철의약 1/300이며, 에너지비용을절약하고표면온도가훨씬낮습니다. 이는또한비용이많이드는절연의필요성을줄일뿐만아니라화상위험에대한작업자노출도줄입니다.

 

 

화재안전

CPVC는연소를지속하지않습니다. 이것은 60의제한산소지수(LOI) 덕분이며, LOI는연소를지원하기위해대기에서필요한산소의비율입니다.

지구의대기는 21%에불과한산소를 포함하므로, 지속적으로화염을가하지않으면Corzan파이프나피팅이타지않고, 점화원이제거되는즉시화재를멈추게됩니다.

경량성

CPVC는가벼워핸들링이쉽습니다. 이는설치중작업자의긴장및부상을줄이는데도움이됩니다. 설치시중중장비의필요성도줄여줍니다.

화염또는점화가필요없음

CPVC 시스템은hot work 이필요없습니다. 대신, 이시스템은솔벤트시멘트와나사산또는플랜지 연결을통해빠르고쉽고안전하게결합됩니다.

솔벤트시멘트는 환기가잘되는장소에서사용할것을권장합니다.

 

CPVC배관에대한잘못된믿음불식

금속배관시스템이널리사용되는이유중하나는일반적으로 CPVC와열가소성플라스틱에대한오해가있기때문입니다. 우리는이잘못된믿음중일부를해소하고자 합니다.

CPVC는고온및고압에없음

앞에서언급한바와같이, Corzan CPVC 파이프및피팅은높은온도에서도프로세스적용의압력요건을충족할수있는강도를제공합니다. 그것은그자체가 ASTM 표준을충족함으로써뿐만아니라수백개의실제적용분야에서도신뢰성이입증되었습니다.

CPVC는햇빛, 바람, 비및습도에노출된채사용할수없음

모든 CPVC 원료가내후성을위한 첨가제를함유한것은아니지만, Corzan 원료는우수한자외선차단제로인정받는카본블랙과이산화티타늄이상당량 포함되어 있습니다.이러한첨가제는 자외선의 영향 으로부터중합체의카본백본을보호하는데도움을줍니다.

CPVC를모든배관시스템부품에사용할수없음

CPVC는간단한사출및압축성형기법을사용하여제조됩니다. 많은제조사는산업시스템에필요한파이프, 피팅또는밸브를만들수있는능력을가지고있습니다.

인느 산업용애플리케이션의경우전체시스템이Corzan재료로구성될수있음을의미합니다. 모든구성요소를단일재료로 제작하는 것은 많은 비용이 드는 복잡한 시스템을 방지합니다.

 

 

CPVC는너무비싸다.

CPVC는일부금속보다재료비가높을수있지만, 재료는배관시스템의전체수명주기비용의일부일뿐입니다. 설치, 유지보수및수명도고려해야합니다.

모든배관시스템비용을고려할때, Corzan 시스템은다른열가소성플라스틱뿐만아니라금속대체제에비해상당한비용절감을달성할수있습니다.

 

모든 CPVC가동일하지는않음

모든 CPVC가동일한성능을발휘하는것은아니라는점을유념해야합니다. CPVC 원료는서로다른분자량과다양한염소함량을가지는베이스레진뿐만아니라호환성및장기성능에영향을미칠수있는다른화학 첨가물로만들어집니다.

시스템의장기적성능을보장하기위해공급업체에문의하여배관제조업체가완제품에대해수행할구체적인시험들을결정할것을권장합니다. 이러한테스트에는다음이포함됩니다.

• 최소파괴압력요구사항
• 치수공차
• 잔류응력요구사항
• 낙하충격요구사항
• 융접특성테스트

안정성제공

Lubrizol은 CPVC 기술의선구자입니다. 우리는거의 60년전에이원료를개발했고, 수십년간그성능을지속적으로연마하고발전시켜왔습니다.

오늘날, Corzan CPVC는 화학처리, 클로르알칼리, 광물처리, 발전, 반도체 및 폐수처리 화학처리, 클로르알칼리처리, 광물처리, 발전, 반도체및폐수처리등여러산업에걸친산업분야에적용되고있습니다.

또한재료를선택할때는 제품 이외의 지원. 을찾는것이중요합니다. Corzan Industrial Systems의각지역제품및엔지니어링전문가로구성된팀은배관시스템의수명기간동안항상전문적인 조언, 정보및훈련을제공할수있습니다.

Corzan CPVC에대해자세히알고싶거나금속배관시스템으로부터전환하는과정에 대한 문의가 있을경우,  저희에게문의하시기바랍니다.