이제부터 Piping Design에 대한 구축 개념에 대해 설명 하고자 합니다.
사실 필자도 Plant 관련 산업을 잘 모릅니다. 따라서 특정 내용에 따라서는 잘 모르는 부분도 있을 수 있습니다. 이 글은 Blog 형태로 쓰여지는 문서이기 때문에 나중에 새로운 내용을 알게 되면 글을 수정해서 올릴 수가 있다는 장점이 있습니다. 따라서 이 분야의 산업에 대해 잘 아시는 분이 계시면 첨부 글에 조언을 해 주시면 감사 하겠습니다.
먼저 Piping Design이 무엇인지 부터 시작 해 보도록 하지요.
어떤 유체가 장비 A로 부터 장비 B로 흐르는 구조를 가지고 있다고 합시다. 예를 들어 장비A는 우리집 옥탑방 위에 있는 물탱크이고 장비 B는 우리집 화장실의 욕조라고 합시다.
우리는 이를 단순하게 Diagram으로 아래와 같이 표현합니다.(그림1)
그림 1
여기서 장비 A와 장비 B를 연결하는 선을 우리는 Piping Line이라고 표현합니다. 물리적으로는 Hose로 연결하던 Pipe로 연결하던 물이새지 않도록 온갖 수단을 동원하여 수밀조건을 만족하는 관을 만들 것 입니다.
CATIA V5에서는 Hose를 Piping이 아닌 Tubing에서 다룹니다. 따라서 본 글에서는 무대 뒤로 보내도록 하겠습니다.
순전히 Pipe만을 가지고 수로를 배치하려면 Pipe를 내마음로 구부러뜨리기 힘들기 때문에 Pipe들을 연결하는 여러가지 부품들이 필요할 것입니다.
이 부붐들을 나열해 보면 파이프와 Pipe를연결하는 Flange가 있구요. ( Flange는 대형장비나 가스관외엔는 일반 수도용부품으로는 잘 사용되지 않죠. ) , Pipe와 Pipe를 연결하는 Connector , 중간에 관을 분기하는 Tee, 직관의 경로를 변경하는 Elbow, 흐름의 양을 제어하는 Valve등이 있습니다.
실제 산업용의 Piping의 부품에는 Pipe, Elbow, Flange, Gasket, Tee, Reducer 등등 이밖에도 많은 종류의 부품들이 존재 합니다.
각각의 부품에 대한 이해를 돕기 위하여 그림2를 첨부 하였습니다.
그림 2 : Piping Part
사물에 관심이 많은 분들은 집을 건축할 때나 수리할 때 배관공들이 사용하는 관을 자르는 공구와 관에다 나사홈를 만드는 장비를 보신적이 있을 것입니다. 작업하시는분은 여기에 수밀을 하기위하여 Pipe에 나사홈을 내고 여기에 실을 감고 뭔가 액체를 바른 다음에 파이프렌치로 조그만 Elbow같은 부품들을 연결하는 행위를 본적이 있으실 겁니다.
역시 사물에 관심을 많이 가지신 분 중에는 Piping용 Part는 나사가 안쪽에 있는 암나사 형 부품이 많은데 Tubing용 부품은 주로 수나사 모양의 부품들이 많다는 것을 눈치 채신 분들이 계실 것 입니다.. 이는 Pipe 들은 주로 강한 Solid 재질이기 때문에 Pipe의 외곽에 나사를 만들기가 쉽고. Piping Part는 나사가 있는 형태로 구매하여 Pipe들은 길이에 맞춰서 그때 그때 작업하기 때문에 쉬운쪽으로 표준화 된 것입니다.
반면 Hose형 Tubing 제품은 유연성을 가지고 있어서 Tubing 제품을 연결하는 Fitting 부품을 을 끝에 달고 다시 Tubing용 Part를 연결합니다. ( 직접 연결하기 도 하지만.) Fitting부품에 Hose같은 Tube를 연결할 때는 밀봉을 위하여 강한 Tie 같은걸로 묶죠..
일반적으로 유체를 이송하는 장비에는 유체가 들어오고 나가는 유입구가 존재하고 이 유입구는 다른 Piping 부품과 연결될수 있도록 표준화되어 있습니다.
장비의 유입구의 관경(Nominal size)이 50mm 인데 80mm 짜리 배관을 연결할 수는 없겠죠. 물론 Reducer 부품을 붙여 장비 끝에서 맞출 수는 있겠지만 본래의 장비의 성능을 발휘할 수 없다는 문제가 생길수 있겠죠 기본적으로 그렇게 설계하지는 않을 것 입니다.
되돌아가서
옥탑방의 물탱크에는 상수도의 물이 들어오는 입구와 집 곳곳으로 물을 배출시키는 출구 두개의 연결구가 있습니다.
물탱크에는 상수도의 물이 물탱크가 차면 넘치지 않도록 하는 Control Valve가 내부에 붙어 있구요 우리는 흔히 부레처럼 생긴 Floating Valve를 물탱크에서 볼수 있죠.
그리고 물탱크에서 욕조나 싱크대로 Piping Line이 오는 동안 관이 굽어지는곳은 Elbow를 붙이고 물길이 갈라져야 하는곳은 Tee를 붙이고 마지막에 욕도로 들어오는곳에 수동 Valve인 수도꼭지를 배치하죠.
2차원 개념도에 해당하는 Piping diagram 에서는 선 내부에 Elbow를 전혀 표현할 필요가 없습니다. 또한 Tee를 붙여야 할 부분에는 선을 한 개 그어서 선의 중간에 있기만 하면 됩니다(그림3 참조). 그리고 그 선들에다가 선의 특성을 글자로 표현해줘야 합니다. ( 얘는 수도관이야 , 얘는 하수도관이야 등등)
그림 3
Valve같은 부품은 특별한 역할을 하기 때문에 diagram 내에 심볼로 표현해 줍니다.
그림 1의 diagram을 3차원으로 표현하려면 먼저 옥탑방 지붕에 위에 “장비A”인 물탱크를 배치하고, 건물의 화장실, 부엌등에 “장비B” 이하를 배치합니다. 그리고 여러분은 물의 흐름이 지나가는 경로인 “Run”을 정의합니다. ( Run은 아래쪽에 설명합니다. )
CATIA V5 에서는 Run을 정의하기전에 먼저 Line ID를 먼저 선택합니다. ( 상수도용 경로인지, 하수도용 경로인지를 먼저 목적을 부여하는 목적이 랄까요. )
보통 관경, 용도 , 압력, 온도 범위등의 속성을 부여한 가상의 Piping용 Line ID를 정의하고 이 중 한 개의 Line ID을 선택해서 Run을 그립니다. 그러면 Run은 Line ID가 가지고 있던 속성값을 상속받아 갑니다.
2D Diagram에서 그린 녀석을 3D로 바로 가져가서 사용할 수도 있고 , 3D로부터 바로 Run을 그릴 수도 있습니다.
Run은 허공에서 부터 그릴수도 있고, 장비의 유체 출입구로부터 그릴수도 있습니다.
CATIA의 System Routing에서 먼저 Run을 생성할 때에는 Line ID를 선택하지 않고 그릴 수도 있습니다. ( Piping Design WorkBench에서는 싫으나 좋으나 Line ID를 하나 선정해야 합니다.)
유체용 시스템에는 “흐름”이란 것이 있습니다. 보통 유체자체 자중을 이용한 배관(가정용 수도관)이 있는가 하면 강제적인 힙(압력)을 가하여 일정경로로 흐르게 하는 배관시스템이 있습니다. 후자의 경우 통상 Pump라는 장비를 시스템 내에 배치하여 강제적인 흐름을 유지하게 합니다.
어떤 경우에는 유체에 Pump가 가동하지 않더라도 역류를 하지 못하도록 하는 Check Valve를 장착하는 경우도 있습니다.
CATIA에서는 Piping Setting을 할 때 흐름의 방향성을 정의하고 이에 대한 검증을 할수 있는 방법도 제공하고 있습니다.
모든 Piping Part들은 기본적으로 주문생산을 하지 않습니다. 실제로 구매하고 싶은 곳에 제품이 없다면 주문을 해야 겠지만 이러한 제품으로 만들어주세요라고 만드는게 아니란 의미입니다. 표준제품이기 때문입니다. ( 하지만 장비는 주문생산을 하는게 많죠. )
거의 모든 Spec.들이 표준으로 정의되어 있고 해당 표준품을 제작하는 부품업체에 부품구매를 합니다. 물론 고압용 부품들은 믿을수 있는 회사제품을 사용해야 겠죠. ( 가격이 2 ~3 배씩 나가는 고급품들도 있답니다. )
CATIA의 Piping Design 에서 Default Sample로 제공한 것을 적용하시려면 많은 제약 때문에 실제 프로젝트에서는 사용이 어렵습니다. 우선 구축되지 않은 제품들이 많고 내 마음대로 변경 설정을 하기 어렵기 때문입니다.
따라서 Piping Setup을 할 경우에는 우리회사가 자주 사용하는 표준을 바탕으로 미리 구축을 해 놓아야 합니다. .
다시한번 부연 설명합니다.
CATIA에서 Piping 설계를 하려면 먼저 Equipment (장비)를 배치하고 장비의 Nozzle간에 Pipe가 지나가는 경로를 만듭니다.( 이를 CATIA에서는 Run 이라 부릅니다. 기억하고 있도록 합시다.) 그리고 이 경로에다 Piping의 부품들을 배치 합니다.
그림 4: CATIA V5 의 RUN
그러면 경로가 바뀌면 여기에 붙어 있었던 Piping 부품들도 경로를 따라 바뀌어야 하고 Pipe같은 경우에는 자동적으로 길이가 늘어 났다. 줄어 들었다 합니다.
사실 Run은 CATIA Equipment And Systems의 이곳 저곳에서 사용됩니다. Piping에서 사용되고 Tubing에서도 사용되고 HVAC(공조)에서도 사용되고 심지어 전장에서도 사용됩니다. (Wiring harness Installation에서는 사용되지 않습니다. 이쪽은 자동차나 항공기 쪽에 국한된 분야라 자동차의 바닥에 카펫 아래 지나가는 Wiring선들의 Path (Run)를 먼저 정하려면 오히려 설계시 더 복잡해지기 때문에 이 컨셉을 적용하지 않았습니다. )
Run(path) 을 생성하고 나면 해당 Run 위에 각각의 Piping Part 들을 붙여 나갑니다.
90도나 45도로 꺾여 있는 Run의 절점 위에는 Elbow를 붙일수 있고 , Pipe가 분기되는 Branch 형상에는 Tee를, 조립공정상 나누어서 제작해야 한다든지 또는 Maintenance 가 필요하다고 판단되어 중간에 Pipe를 분리하기 위한 곳에는 Flange 를 붙입니다. 또는 내부 매질(액체 또는 기체) 경로의 양이나 어떤 인자를 조절하기 위하여 관경(Nominal Size)을 변경해야 할 때 는 Reducer라는 부품을 끼우기도 하고 , 매질의 흐름조절을 위한 Valve를 삽입 할 수도 있습니다. 그리고 Pipe는 맨 마지막이 삽입합니다.
실제 물리적으로 배관을 조립할 경우에는 Flange사이에 Gasket 도 있고 Pipe와 Pipe 또는 Pipe와 Flange간에 이음매를 붙이기 위한 용접도 있습니다. 이것들을 모두 포함하여 설계 도면에 빠르게 표현하기 위해 Piping Design을 이용한다고 볼 수도 있습니다.
CATIA V5 에서 Pipe를 맨 마지막에 삽입 하는 데 이유가 두 가지 있습니다.
첫번째 이유는 Run의 절점 위치에서는 때에 따라 Run자체의 반지름이 표현되지 않을 수도 있고 특정 규정에 의하여 Run 중심축의 반지름이 특정값으로 정해질 수 있습니다. 절점 위치에서의 이 특정 값이 규격품 Elbow의 반지름 보다 크거나 작을 수 있습니다.
만일 Run축중심의 의 반지름보다 Elbow의 반지름이 작을 경우에 Straight Pipe를 먼저 삽입하고 Elbow를 나중에 추가할 경우에는 실제 삽입된 Elbow와 Pipe가 만나지 않고 간격이 벌어 질 수 있습니다 (그림 5 참조 ). 반대의 경우에는 간섭이 생길수도 있지요.
그림 5
그림 5의 두개의 그림은 Run(Path)를 두가지 모습으로 보여준 것 뿐입니다. (하나는 입체적으로 표시하고 하나는 선으로 표시한 것 입니다. )
두번째 이유는 Pipe를 삽입할 경우에는 “Automatic Part”라는 특정 Rule에 의해서 자동으로 삽입하는 Item을 추가 할 수가 있습니다. 예를들어 Flange는 Flange의 넓은 면쪽에 Gasket이 들어가야 하고 Gasket의 다른면에는 똑같은 규격의 Flange 가 Gasket에 대칭으로 들어가야만 합니다. “Automatic Part” 기능을 사용하면 ( 물론 규정은 설정하는 사용자가 어떻게 규정해 놓느냐에 따라 작동을 합니다만. ) Flange를 하나 삽입해 놓고 Flange의 큰면 쪽에 Pipe를 삽입하면 “Automatic Part”라는 규정에 의해 자동으로 Gasket과 나머지 쪽 Flange가 자동 삽입됩니다(동영상 1참조). 따라서 이런 편리한 기능을 사용하지 않는다는 것은 사용자의 입장에서 보면 커다란 손실이라고 봅니다. Pipe를 맨 마지막에 넣는 다는 것을 잊지 마세요.
동영상 1 Automatic Part
여러분은 실제 CATIA로 Piping 설계를 수행 할 때 실제 Piping Part를 넣는 것은 아주 손쉽게 할 수 있습니다. 그 전에 Run의 편집을 하는 방법을 알아야 합니다. Piping의 Run(Path)를 내 마음대로 조정 할 수 있다면 설계의 반은 한 것입니다.
Run Routing은 또 다른 영역이므로 교육이 가능한 곳에서 배우시던지 다음에 기회가 되면 소개를 해드리고자 합니다.
그런데 원하는 규격사양의 Piping Part 가 들어 갈 수 있도록 Run을 만들려면 Piping Design 워크벤치에서는 Line ID를 설정해야 합니다. 그런데 CATIA V5에서 Line ID를 만들려면 기본적으로 Nominal Size, Standard, Specification 의 최소 세 개 항목이 정해야 합니다. 그렇지 않으면 Line ID를 생성하지 못하게 되며 그에 준하는 Part를 가져오지 못합니다.
Piping Design을 사용하려면 Piping 설정을 모두 구축 해야만 합니다. 아니면 CATIA에서 Default로 제공하는 sample 설정을 사용 하시던지요. Sample 설정은 일부분의 Library 가 포함되어 있고 ASTL 표준만 들어 있습니다. ( 사실 지구상에 존재하는 모든 Piping 제품의 Library를 모두 포함하는 건 무리가 있겠지요. 따라서 사용자가 자기 환경의 Library를 구축하는 것이 가장 바람직한 일입니다. )
사실 CATIA는 어느 특정 산업군에서 사용하는 Library를 잘 제공하지 않습니다. 대부분 이부분의 상세한 결정은 해당 산업군의 전문가들에게 맡겨 버립니다.
그릇만 제공하고 내용물은 거기다 술을 담든 물을 담든 알아서 하라는 식 이지요.
이것을 역으로 생각해 보면 이 부족한 부분들 때문에 Business 를 할 수 있는 길이 열려 있다고 볼 수도 있습니다.
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