Superbolt® 멀티 잭볼트 텐셔너, 열교환기 플랜지 볼팅의 누출 문제 해결

이 기사는 Superbolt 시니어 프로덕트 스페셜리스트인 Stephen J. Busalacchi가 2024년 5월 13일부터 15일까지 사우디아라비아 알 코바르(Al Khobar)에서 개최된 STATIC Arabia 컨퍼런스 및 전시회에서 발표한 백서를 각색한 것입니다. 전체 내용의 백서는 노드락 그룹(Nord-Lock Group) 웹사이트에서 다운로드할 수 있습니다.

열교환기와 같은 고압 장비에서는 플랜지 누출이 가장 빈번하게 발생할 수 있는 주요 문제 중 하나로 간주되며, 특히 석유화학 및 공정 산업에서는 심각한 결과로 이어질 수 있습니다. 그럼에도 불구하고 누출은 지속적으로 발생하며, 이는 생산성 저하, 안전 및 환경적 위험, 나아가 화재 발생 위험을 수반합니다.

셸-앤-튜브식 열교환기(Shell-and-Tube Heat Exchanger)와 같이 구조적 특성상 고압 운전에 노출되는 장비는 급격한 온도 변화와 응력 변동을 경험하게 되며, 이로 인해 플랜지 볼트 체결부에는 과도한 기계적 하중이 가해집니다. 결과적으로, 플랜지 조인트는 열교환기 누출의 주요 발생 지점으로 작용하게 됩니다.

열교환기 플랜지 조인트와 누출

셸-앤-튜브식 열교환기(Shell-and-Tube Heat Exchanger, 이하 STHE)와 그 변형 장치는 정유·석유화학 플랜트 및 화학 공정 설비에서 폭넓게 사용되며, 다양한 운전 압력과 온도 범위를 안정적으로 처리할 수 있습니다. 이러한 장비의 주된 기능은 고온 유체와 저온 유체 간의 열 에너지 교환으로, 금속 벽을 사이에 두고 열을 전달하는 방식입니다.
주요 구성 요소로는 튜브(Tube), 튜브 시트(Tube Sheet), 그리고 대부분 거스 플랜지(Girth Flange) 형태의 플랜지(Flange)가 있습니다. 이들은 열교환기 내부의 고온·저온 유체 간 온도 차가 가장 크게 작용하는 부위입니다.

아무리 주의를 기울여도, 체결력 부족이나 볼트 하중 불균형으로 인해 플랜지 누출은 여전히 발생합니다. 특히 플랜지 직경과 볼트 크기가 커질수록 필요한 체결 토크가 기하급수적으로 증가하고, 이는 대형 체결 공구의 사용을 불가피하게 만들어 안전사고 위험을 높입니다.

열적 누출(Thermal Leak) 및 비열적 누출 (Non-Thermal Leak)

석유화학 플랜트에서 플랜지 누출은 평균적으로 약 8개월마다 발생하는 것으로 보고되며, 설치 및 유지보수 팀은 다음과 같은 두 가지 유형의 누출에 직면합니다.

• 열적 누출 (Thermal Leaks): 설비 시동(Start-up) 또는 정지(Shutdown) 시, 플랜지와 볼트의 열팽창·수축률 차이로 인해 발생합니다. 운전 온도가 안정화되면 누출이 자연스럽게 멈추는 경우도 있으나, 그 전까지는 위험 상태가 지속됩니다.
• 비열적 누출 (Non-Thermal Leaks): 언제든 발생할 수 있으며, 특히 장시간 운전 후나 정지 후 가스켓 상태, 플랜지 면 상태, 스터드 볼트 상태와 관련됩니다. 볼트 체결 방식 자체가 원인이 될 수도 있습니다.

기존 누출 해결 방식

열적 누출 (Thermal leaks)열적 누출은 전통적으로 핫 볼팅(Hot Bolting)으로 대응하는 경우가 많습니다. 이는 누출이 발생할 때마다 상시 대기 중인 작업자가 즉시 볼트를 재체결하는 방식입니다. 그러나 재체결 후에도 누출이 멈추지 않으면 가스켓을 교체하여 씰(Seal)을 개선해야 하며, 이 경우에도 누출이 지속될 경우에는 추가적인 씰링(Sealing) 작업이 필요합니다.

열적 누출은 단순히 볼트 하중 저하뿐 아니라 셸(Shell)과 채널(Channel) 구간의 고온 환경과 밀접하게 연관되어 있습니다. 이러한 조건은 볼트 릴랙세이션(Bolt Relaxation)과 플랜지 회전, 그리고 반복적인 누출로 이어질 수 있습니다. 최악의 경우에 플랜지 부위에 화재가 발생할 수 있으며, 이때는 장비 손상을 방지하기 위한 증기 냉각(Steam Quenching) 작업, 장시간의 비계획적 가동 중단, 심지어 인명 피해로 이어질 수 있습니다.

비열적 누출 (Non-thermal)비열적 누출은 몇 가지 방법으로 해결할 수 있습니다. 우선 볼트 체결 토크를 증가시키는 방법이 있습니다. 그러나 이로도 해결되지 않으면, 손상된 가스켓을 교체합니다. 가스켓 교체 후에도 누출이 멈추지 않으면, 플랜지 면 자체가 손상되었을 가능성이 있어 플랜지 면 가공이 필요합니다. 모든 방법은 불가피하게 가동 중단을 수반하며, 예측하기 어려운 현장 변수에 따라 작업 기간과 비용이 크게 달라질 수 있습니다.

열적 및 비열적 누출을 해결하기 위해 가장 많이 사용되는 방식은 토크 체결 (Torquing)입니다. 그러나 볼트 직경이 커질수록 필요한 체결 토크가 직경의 세제곱에 비례하여 증가한다는 점입니다. 일반적으로 사람이 수동 공구로 체결할 수 있는 최대 볼트 크기는 약 1인치 직경입니다. 그 이상의 설치 작업의 경우에, 공압·유압·전동 토크 렌치와 같은 대형 공구나 토크 멀티플라이어(Torque Multiplier)를 사용하게 됩니다. 그러나 이러한 공구는 고가이며, 무겁고 부피가 커서 취급이 어렵습니다.

또한, 너트를 직접 회전시키는 토크 방식은 너트-볼트 나사산 간 마찰과 너트-플랜지 접촉면 마찰이 동시에 발생하여 축력(Preload) 정확도를 저하시킵니다. 또한 이 방식은 볼트에 비틀림 응력(Torsional Stress)을 유발하여 최대 허용 하중을 제한하게 됩니다. 이러한 이유로 플랜지 설계자는 더 강한 볼트 재질이나 대형 볼트를 채택하게 되며, 결과적으로 초기 제작 비용이 상승합니다.

탁월하고 검증된 대안: Superbolt® 멀티 잭볼트 텐셔너

Superbolt® 멀티 잭볼트 텐셔너 (MJT, Multi-Jackbolt Tensioner)는 하나의 대형 볼트를 조이는 대신 여러 개의 소형 잭볼트를 사용하여 동일한 축력을 훨씬 낮은 토크로 달성합니다. MJT는 토크 렌치나 에어/전동 임팩트 툴과 같은 수공구만으로 설치와 제거가 가능하며, 40년 이상 다양한 산업에서 프리미엄 체결 방식으로 사용되어 왔습니다.

설치 시, 경화 처리된 스러스트 와셔 (Hardened Thrust Washer)를 볼트 또는 스터드 위에 올리고, 너트 바디를 손으로 체결한 후 잭볼트를 조여 실제 장력을 발생시킵니다. 이는 볼트를 축방향으로만 인장시키며, 너트 바디 역시 동시에 인장되어 볼트의 스프링백 현상이 없습니다. 따라서 MJT의 주요 장점은 축력(Preload) 손실 방지, 간단하고 빠른 설치 및 해체입니다.

MJT 사용에 따른 비용 절감 효과

안전성 측면MJT는 대형 볼트·스터드를 체결할 때도 소형 휴대용 토크 렌치나 에어/전동 임팩트 렌치만을 사용하므로, 현재 사용 가능한 체결 방식 중 가장 안전한 솔루션으로 평가됩니다. 반면, 여전히 많은 현장에서 장비 체결 시 슬레지해머(Sledgehammer)가 주요 체결 공구로 사용되고 있습니다. 그러나 이 방식은 강한 물리적 충격력을 필요로 하기 때문에 작업자의 손·팔·다리·얼굴·허리에 부상을 유발할 위험이 큽니다.

설치 및 해체 시간 비교 일부 MJT 비사용 경험자는 다수의 잭볼트를 체결하는 데 시간이 오래 걸릴 것이라고 우려합니다. 그러나 실제 현장에서는 MJT는 다른 체결 방식보다 설치 시간을 단축시키는 경우가 많습니다. 축력(Preload) 값을 새롭게 조정해야 할 때도, 새로운 토크 값을 설정하여 잭볼트를 다시 해당 값으로 체결하는 것만으로 빠르게 대응할 수 있습니다.
여러 작업자가 여러 MJT를 동시에 체결하는 방법으로 추가적인 작업 시간 절감 효과를 얻을 수 있습니다. 또한 필요한 공구는 모두 소형 수공구이므로 쉽게 구할 수 있고 경제적입니다.

겉보기에는 잘 드러나지 않는 시간 절감 효과도 있습니다. 예를 들어, 종종 현장에서 고착된 볼트(Frozen Bolt)를 제거하려면 여러 교대조에 걸쳐 작업하거나 며칠이 소요되기도 하며, 천공(Drilling)이나 기계 가공(Machining-out) 작업으로 제거해야 하는 경우가 많습니다. 그러나 MJT는 볼트를 순수 인장(Pure Tension) 방식으로 체결하기 때문에, 높은 토크로 체결 시 흔히 발생할 수 있는 나사산 마모(Galling)나 손상(Ripping) 현상이 발생하 않습니다. 따라서 MJT에서 잭볼트를 풀면 너트 바디가 쉽게 분리되고, 이는 마치 손으로 가볍게 조인 상태의 볼트와 동일하게 남게 됩니다. 이 상태에서는 작은 토크만으로도 손쉽게 볼트를 제거할 수 있습니다.

탄성 및 신뢰성 향상 볼팅 시스템은 가능한 한 높은 탄성을 확보하는 것이 바람직합니다. 기존 너트·볼트 체결 시스템은 열 사이클링(Thermal Cycling)이나 세틀먼트(Settlement) 현상을 보상하지 못합니다. 반면, MJT는 추가적인 탄성 확보에 매우 효과적이며, 고온 플랜지 볼트 체결부에서 발생하는 풀림·누출 문제를 근본적으로 해결합니다. 이를 통해 설비 기동 시 발생하는 열 변형을 보정하기 위해 수행되는 핫 볼팅(Hot Bolting)과 같은 위험하고 비효율적인 작업을 제거할 수 있습니다. 이러한 추가 탄성 확보를 위한 방법으로 디스크 스프링 와셔(Disc Spring Washer)나 플렉시블 가스켓(Flexible Gasket)을 사용하는 사례도 있으나, 이러한 방법은 실제 효과가 매우 제한적이며 현장 적용 측면에서도 실질적인 성과를 내기 어렵습니다.

MJT는 구조적으로 스프링 효과(Spring Effect)를 가지고 있습니다. 하중이 잭볼트를 통해 너트 바디로 전달되면서 너트 바디 하단과 상단이 약간 벌어지는데, 이로 인해 주 볼트 전체에 추가 탄성이 생깁니다. 또한 하중 응력이 일반 너트(강성이 높은 구조)에서처럼 초반 몇 개 나사산에 집중되지 않고, MJT와 메인 볼트의 전체 나사 체결부에 고르게 분산됩니다.

이러한 탄성과 균일한 축력 덕분에 신뢰성이 향상되며, 플랜지의 구조적 건전성이 크게 향상되고 누출 위험이 현저히 줄어듭니다.

결론

멀티 잭볼트 텐셔너(Multi-Jackbolt Tensioner)는 셸-앤-튜브식 열교환기(Shell-and-Tube Heat Exchanger) 플랜지 볼트 체결을 소형 휴대용 토크 렌치나 에어 임팩트 렌치만으로도 신속하고 간편하게 수행할 수 있도록 합니다. MJT는 추가적인 탄성(Elasticity) 확보와 균일한 축력(Uniform Preload) 적용을 통해 체결부의 신뢰성을 크게 높입니다. MJT는 기존 볼팅 방식으로는 충분히 해결되지 못했던 일반적인 누출 문제를 근본적으로 제거하며, 동시에 비용 절감 및 불필요한 다운타임 감소를 실현합니다. 또한, 작업자 안전성을 향상시키고, 설치 및 해체 소요 시간을 크게 단축합니다.