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문제 정의
- 가치공학 설계의 목적은 설계 및 시공단계에서 전문지식을 활용하여 계획, 설계, 시공 방법을 재검토하고 대안을 발견하며 그것을 도입함으로써 비용투자효과 즉, 비용가치를 최대한으로 높이자는 것이다. 비용가치를 높이는 방법으로는 일정한 비용으로 최대의 기능을 산출하는 방법과 일정하게 정해진 기능은 유지하되 비용을 최소로 하는 방법이 있다.
- 이런 제작방식으로 대관경 배관은 주문자의 발주를 통해 용도에 맞게 생산되므로 배관자재 비용이 고가이며, 설계방식에 따라 비용에 큰 차이를 가진다. 그러므로 연구 내용으로는 대관경 배관두께의 산정방식을 분석하여 사업주가 원하는 성과품의 성능을 보증하되, 배관두께를 줄여 경제적 가치를 극대화하는 방법을 모색하고자 한다.
- 가스플랜트 건설공사의 자재물량 중 배관자재가 가장 많은 부분을 차지하기 때문에 가치공학 설계를 배관자재 부분으로 실시한다면 경제성을 극대화할 수 있다. 그리하여 본 연구에서는 배관자재에 대한 가치공학 설계 중 대관경 배관두께의 선정에 가치공학 개념을 도입하고, 분석하여 가치창출 극대화 방안을 모색하려고 한다. 대관경 배관이란 직경이 24 inch를 초과하는 단접관을 뜻한다.
- 가치에 대한 지수는 기능과 원가의 비로 나타낼 수 있으며 기능을 향상시키거나 비용을 낮춤으로써 가치향상을 꾀하는 방법을 유형별로 구분할 수 있다. 즉, 기능과 비용의 관계에 따라 가치혁신형, 기능향상형, 기능강조형, 비용절감형 등으로 표현하게 되며 각 유형 중 첫째로 가치혁신형은 비용을 최소화하고 기능을 최대화하며 4가지 가치향상 유형 중 설계를 최우선 목표로 한다. 둘째, 기능향상형은 비용을 그대로 유지시키고 기능을 향상시킨다.
제안 방법
- A프로젝트 사례 사업에서는 가치공학 개념을 적용하여 대관경 배관의 두께를 배관설계조건의 최대 허용압력 및 허용온도 기준으로 산출하였다. 가치공학 개념을 적용한 배관은 수압테스트를 통해 안전성을 검증하여, 사업주가 요구하는 기능을 보증하면서 배관두께를 감소시킬 수 있었다.
- 아랍에미레트의 아부다비 합산지역에 위치한 A프로젝트는 자연계에서 추출한 천연 가스를 가스플랜트까지 수송하고 수송된 천연가스를 정제하는 공정으로 구성되었다. A프로젝트의 사업주가 제공한 대관경 배관의 두께도 ASME B16.5 code의 플랜지 레이팅을 기준으로 배관두께를 산정하였으며, ASME B31.3 code를 적용하여 30 inch 대관경의 배관두께를 선정하였다.
- 수압테스트는 배관설계조건의 압력과 시간을 고려하여 실시한다. Table 1의 상세설계조건의 배관은 가치공학 개념을 적용하여 두께를 산정하고, 운전상의 압력인 85.5 bar에서 15분, 설계압력인 171 bar에서 15분, 테스트압력인 256.5 bar에서 30분 동안 압력을 가하였다. 3단계 테스트를 실시한 결과 누수가 발생하지 않았으므로 안전상의 문제가 없음을 확인하였다.
- 사례 현장의 26 inch 이상 대관경 배관의 물량을 설계단계에서 사전에 파악하고, 가치공학 개념을 적용하여 기성품화 제작이 불가능한 대관경 배관에 대해서는 유체의 최대 허용압력 및 허용 온도를 확인하여 두께를 산출하였다. 가치공학 개념을 적용하여 배관두께 산정을 한 배관은 수압테스트를 통해 배관의 안전성 및 배관 건전성 확보를 확인하였다. 테스트를 통해 이상유무를 확인한 대구경 배관은 사업주가 원하는 기능을 보증하면서, 배관두께를 절감하는 효과를 얻었다.
- 수압테스트 패키지 양식에는 해당 배관의 라인 넘버와 배관재질, 플랜지 레이팅, 브레이크 포인트의 수를 파악하고 기입한다. 또한, 수압 테스트에 요구되는 압력과 소요 시간을 기입하고 수압테스트 실시 후 결과를 확인한다. Table 2는 상세 설계조건의 배관을 가치공학 개념을 적용하여 배관 두께를 산정하여 절감하고, 해당 배관의 안전성을 검증하기 위한 수압테스트 양식이다.
- 사례 현장의 26 inch 이상 대관경 배관의 물량을 설계단계에서 사전에 파악하고, 가치공학 개념을 적용하여 기성품화 제작이 불가능한 대관경 배관에 대해서는 유체의 최대 허용압력 및 허용 온도를 확인하여 두께를 산출하였다. 가치공학 개념을 적용하여 배관두께 산정을 한 배관은 수압테스트를 통해 배관의 안전성 및 배관 건전성 확보를 확인하였다.
- 상세설계조건을 가진 배관은 배관 등축도면을 참조하여 테스트 구간을 설정하고 형상을 파악한다. 또한, 브레이크 포인트의 크기와 수를 확인하고 봉합하여 수압테스트 시 오류가 없도록 한다.
- 3단계의 수압테스트를 위해 배관 등축도 면을 기준으로 Table 2와 같이 수압테스트 패키지 양식을 작성한다. 수압테스트 패키지 양식에는 해당 배관의 라인 넘버와 배관재질, 플랜지 레이팅, 브레이크 포인트의 수를 파악하고 기입한다. 또한, 수압 테스트에 요구되는 압력과 소요 시간을 기입하고 수압테스트 실시 후 결과를 확인한다.
- 테스트는 송출량 작동압력 (operating pressure)에서 10~20분, 설계압력에서 10~20분, 설계압력의 1.5배를 더한 테스트 압력에서 30분 동안 수압을 가하는 단계로 실시하며, 테스트를 통해 해당 배관과 기기 등이 수압에 의한 이상유무가 발생하는지 확인한다.
- 3 code에 규정되어 있으며, 테스트 및 복구 작업이 완료되면 기계적인 시공이 완료된 것으로 인정된다. 테스트를 통해 각 배관 라인별로 설계조건에 필요한 압력, 홀딩타임 및 가압 소요 시간으로 배관의 이상유무를 확인한다. 수압시험의 압력은 ASME code 규정에 따라 설계압력의 1.
- 가스플랜트 프로젝트 설계단계에서 배관의 두께 선정 시 사업주의 요구에 따라 배관자재별 플랜지 레이팅의 최대 허용압력을 기준으로 대관경 배관의 두께를 선정하면, 필요 이상의 두께가 산정되면서 자재비용이 증가된다. 필요 이상의 자재비용을 막기 위해 가치공학 개념을 인지하고 설계단계에서 반영하고, 대관경 배관의 두께는 산정 시 배관설계조건의 최대 허용압력 및 허용온도를 기준으로 설계할 것을 제안한다. 가치공학 개념을 적용하였을 경우, 자재물량이 감소하는 것을 A프로젝트 사례 사업에서 알 수 있다.
대상 데이터
- 이는, 배관재질의 허용응력(S)값과 배관자재에 따른 용접이음 효율계수(E)값을 산출할 시에 기준이 되어준다. 배관설계조건의 부식여유는 3 mm이며, 배관의 제작허용오차는 12.5%이다. 그리고 유체의 최대 허용압력은 171 bar(2,480 psig)이며, 최대온도는 85℃(185℉)이다.
- Table 1은 30 inch 대관경 배관의 상세설계조건이다. 배관재질은 저탄소강 용접강관(Low Temperature Carbon Steel Welded Pipe)이며, 설계조건의 배관자재에 따른 플랜지 레이팅 그룹은 1.3 자재로 구성되어 있다. 이는 내압을 받는 직관부의 두께를 산출하는 경우 배관내부에 흐르는 유체의 설계압력(P)을 플랜지 클래스 기준으로 허용온도에 따른 최대 허용압력 값으로 산출하며, 이것은 ASME B16.
- 3 code의 배관재질에 따른 허용응력 표에서 배관재질 및 스펙 넘버, 클래스와 유체의 온도를 기준으로 산출한다. 설계조건 배관재질의 스펙 넘버는 A671이며, 그룹(group)은 그레이드 CC60이다. 그리고 플랜지 클래스 1500의 최대 허용압력은 온도기준이 100℉이내였으므로, 배관재질의 허용응력값은 20,000 psig로 산출 되었다.
- 3 code의 배관에 따른 용접이음 효율계수에 규정되어 있다. 설계조건의 배관자재는 스펙 넘버가 A671이며, 클래스가 CC.22이므로 이에 해당되는 용접이음 효율계수는 1.00으로 산정됨을 알 수 있다.
- 5 code에 규정되어 있다. 설계조건의 플랜지 레이팅의 클래스는 1500이며, 배관관경은 30 inch(762.0 mm)이다. 배관의 ASME B31.
이론/모형
- 테스트를 통해 각 배관 라인별로 설계조건에 필요한 압력, 홀딩타임 및 가압 소요 시간으로 배관의 이상유무를 확인한다. 수압시험의 압력은 ASME code 규정에 따라 설계압력의 1.5배로 실시하며, 테스트의 시간은 최소 10분으로 한다. 수압테스트 구간 해당 배관의 등축(isometric)도면을 참조하여 배관라인을 패키지로 구성하고 수압테스트의 구간을 설정한다.
성능/효과
- 5 bar에서 30분 동안 압력을 가하였다. 3단계 테스트를 실시한 결과 누수가 발생하지 않았으므로 안전상의 문제가 없음을 확인하였다.
- Table 1 상세설계조건의 30 inch 대관경 배관의 배관두께 산정 시, 내부설계압력(P)값을 규격화된 플랜지 레이팅 기준의 최대 허용압력 기준으로 하였을 경우에는 79.37 mm로 산출되었고, 배관설계조건 기준의 허용압력으로 하였을 경우에는 54 mm가 산출되었다. 배관두께 산정 시 가치공학 개념을 적용하여 25.
- 가치공학 개념을 적용한 배관은 수압테스트를 통해 안전성을 검증하여, 사업주가 요구하는 기능을 보증하면서 배관두께를 감소시킬 수 있었다. 가치공학 개념을 적용하여 배관두께를 감소시킨 배관의 자재물량은 10,050 ton에서 8,229 ton으로 총 1,821 ton을 감소시켰고, 그에 따라 $2,585,259를 절감하였다.
- 대관경 배관의 두께 산정시 유체의 최대 허용압력으로 계산하여 두께를 줄이고 배관자재 물량을 총 1,821 ton을 감소시켰다. 가치공학 개념을 적용하지 않았을 경우의 대관경 배관의 자재물량 비용대비 $2,585,259를 절감하는 경제적 효과를 얻었다.
- A프로젝트 사례 사업에서는 가치공학 개념을 적용하여 대관경 배관의 두께를 배관설계조건의 최대 허용압력 및 허용온도 기준으로 산출하였다. 가치공학 개념을 적용한 배관은 수압테스트를 통해 안전성을 검증하여, 사업주가 요구하는 기능을 보증하면서 배관두께를 감소시킬 수 있었다. 가치공학 개념을 적용하여 배관두께를 감소시킨 배관의 자재물량은 10,050 ton에서 8,229 ton으로 총 1,821 ton을 감소시켰고, 그에 따라 $2,585,259를 절감하였다.
- 설계조건 배관재질의 스펙 넘버는 A671이며, 그룹(group)은 그레이드 CC60이다. 그리고 플랜지 클래스 1500의 최대 허용압력은 온도기준이 100℉이내였으므로, 배관재질의 허용응력값은 20,000 psig로 산출 되었다. 배관자재에 따른 용접이음 효율계수(E)는 배관자재의 스펙 넘버와 클래스를 기준으로 정리한 ASME B31.
- 셋째, 기능강조형은 비용은 다소 증가하더라도 기능을 향상시키며, 기본기능 외에 편의성 등 사업주 및 사용자 요구사항 등의 2차 기능을 보안한다. 넷째로 비용절감형은 기능은 그대로 두되 비용을 최소화한다. 가치지수는 식 (3)과 같이 적용한다.
- Table 3은 상세설계조건의 배관을 포함한 A프로젝트의 사례 사업에서 26 inch 이상의 배관은 대관경 배관으로 간주하고, 설계단계에서 가치공학 개념 을 사전에 인지하고 적용하였다. 대관경 배관의 두께 산정 시 플랜지 레이팅의 허용압력기준이 아닌 각각의 유체의 최대 허용압력으로 계산하여 사업주가 원하는 기능을 보증하되 배관두께를 절감하였다. 절감한 배관두께는 배관자재 물량의 효율적인 감소를 통해 공사비 절감을 가능하게 하였다.
- Table 5는 A프로젝트의 사례 사업에서 26 inch 이상 대관경 배관에 대해 가치공학 개념을 사업주에게 제안하고 적용하였다. 대관경 배관의 두께 산정시 유체의 최대 허용압력으로 계산하여 두께를 줄이고 배관자재 물량을 총 1,821 ton을 감소시켰다. 가치공학 개념을 적용하지 않았을 경우의 대관경 배관의 자재물량 비용대비 $2,585,259를 절감하는 경제적 효과를 얻었다.
- 즉, 기능과 비용의 관계에 따라 가치혁신형, 기능향상형, 기능강조형, 비용절감형 등으로 표현하게 되며 각 유형 중 첫째로 가치혁신형은 비용을 최소화하고 기능을 최대화하며 4가지 가치향상 유형 중 설계를 최우선 목표로 한다. 둘째, 기능향상형은 비용을 그대로 유지시키고 기능을 향상시킨다. 셋째, 기능강조형은 비용은 다소 증가하더라도 기능을 향상시키며, 기본기능 외에 편의성 등 사업주 및 사용자 요구사항 등의 2차 기능을 보안한다.
- 37 mm로 산출되었고, 배관설계조건 기준의 허용압력으로 하였을 경우에는 54 mm가 산출되었다. 배관두께 산정 시 가치공학 개념을 적용하여 25.37 mm가 감소되는 효과를 얻었다.
- Table 4는 가치공학 개념을 적용하여 대관경 배관의 두께 감소로 인한 배관자재 물량의 감소를 나타낸 표이다. 배관자재 물량은 배관의 무게로 나타내며, A프로젝트의 사례 사업에서는 대관경 배관의 두께를 줄임으로써 가치공학 개념을 적용하지 않았을 경우와 비교하여 배관자재 물량이 총 1,821 ton 감소하는 것을 알 수 있다.
- 둘째, 기능향상형은 비용을 그대로 유지시키고 기능을 향상시킨다. 셋째, 기능강조형은 비용은 다소 증가하더라도 기능을 향상시키며, 기본기능 외에 편의성 등 사업주 및 사용자 요구사항 등의 2차 기능을 보안한다. 넷째로 비용절감형은 기능은 그대로 두되 비용을 최소화한다.
- 85로 산출된다. 셋째, 용가재 사용 유무에 관계없이 양쪽 면 맞대기 용접을 할 경우에는 용접이음 효율계수 값이 0.9로 산출되며, 넷째, 용가재 사용 유무에 관계없이 한쪽 면 또는 양쪽 면 맞대기 용접의 100% 방사선 투과시험 검사를 할 경우에는 용접이음 효율계수 값이 1.0으로 산출된다. 배관재질의 온도에 따른 보정계수 및 용접이음계수의 값은 한국산업인력공단의 산업안전보건법 제27조, 산업안전기준에 관한 규칙 제283조, 제296조, 제300조의 규정에 의한 화학설비 배관의 두께 계산방법에 명기되어 있다.
- 첫째, 용가재를 사용한 한쪽 면 맞대기 용접을 할 경우에는 용접이음 효율계수 값이 0.8로 산출되며, 둘째, 용가재를 사용하지 않는 한쪽 면 맞대기 용접의 경우에는 용접이음 효율계수 값이 0.85로 산출된다. 셋째, 용가재 사용 유무에 관계없이 양쪽 면 맞대기 용접을 할 경우에는 용접이음 효율계수 값이 0.
- 가치공학 개념을 적용하여 배관두께 산정을 한 배관은 수압테스트를 통해 배관의 안전성 및 배관 건전성 확보를 확인하였다. 테스트를 통해 이상유무를 확인한 대구경 배관은 사업주가 원하는 기능을 보증하면서, 배관두께를 절감하는 효과를 얻었다.
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