금속 주름관 (벨로우즈), 금속 호스, 신축 이음관 개요

금속 주름관, 금속 호스, 신축 이음관은 모두 좁은 공간에서도 공구없이도 쉽게 구부릴 수 있어 배관 설치 작업 시 좌우, 높이, 길이 맞춤이 용이하다. 실제로 공차 설계를 통하여 배관을 정확히 조립하기는 쉽지 않을 뿐더러 설계나 가공에서 많은 노력이 소모되기도 한다. 게다가 이들은 열 변형을 흡수하기 때문에 고온이나 저온 환경에서 배관 시스템의 파손을 줄일 수 있다. 또한 진동을 흡수 (정확히 표현하면 진동을 상대 배관으로 전달하지 않음) 하여 배관 상대편에 진동 하중을 줄일 수 있는 장점이 있다. 

□ 금속 주름관 

크게 용접형 (welded) 과 골형 (corrugated) 주름관 이 있다. 일반적으로 주름관 이라고도 하고 벨로우즈 라고도 한다. 

골형 주름관 대비 용접형 주름관은 여러가지 이유(응력 집중이나 성형기의 크기 제한)로 형상에 제한이 적으며, 유연성이 좋아 압축/인장 변형량을 크게 할 수 있으나 가격이 높고 낮은 압력에서 사용되는 단점이 있다. 용접형 주름관은 대부분 손으로 눌러도 잘 변형될만큼 유연성이 좋다 (=스프링 강성이 낮다). 둘다 마찬가지로 끝단은 다양한 형상으로 가능하다. JIS나 ISO 규격의 플랜지, 피팅, 튜빙, 파이프 모두 가능하다. 주름관의 형태만으로 납품되는 경우가 있으며 이경우에는 직접 용접하여야 한다. 

▷ 용접형 주름관

다이아프램 형태의 얇은 금속판을 연속으로 용접하여 만든다. 제작의 구체적인 과정은 업체마다 다소 다르다. 설계를 마친 후에 제작을 시작하려면 CNC 선반 등을 이용하여 다이아프램 금형을 제작하여야 한다. 이후에 프레스 등으로 다이아프램 암과 수를 만들고 세척을 한다. 이후 내경 용접을 통하여 컨볼루션을 만들고 외경을 용접하고 피팅이나 플랜지와 같은 연결부를 용접하고 열처리를 수행한다. 기밀 성능이 매우 중요하므로 용접부위 등에 대해 기밀 검사를 한다. 그리고 최종으로 진공포장을 통하여 이동 과정에서 이물질에 오염되지 않도록 한다. 

설계 단계에서는 모든 기계 요소 부품과 마찬가지로 여러가지 요소를 고려해야 한다. 사용되는 환경에서의 유체, 내압 혹은 회압, 사용 온도와 스프링 상수, 체적 변화율, 모멘트 등의 요구 특성, 최대 인장 및 압축 스트로크 등도 고려해야 한다. 이러한 고려 요소를 통하여 재질, 내/외경, 두께의 치수를 포함하는 단면 형상과 산수 등을 결정하고 금형까지 설계하여야 한다. 금형 설계도 많은 경험 혹은 해석이 필요한 분야이기도 하다. 설계 과정에서는 유한요소해석을 수행하기도 하는데 대부분 한겹이라 해석이 어려운 편은 아니다. 용접부에 대한 특성이 다소 예측하기 어려운 부분이기는 하나 제품의 응력이나 강성을 미리 예측할 수 있어 개발 기간을 단축 시킬 수가 있다. 상용유한요소해석 프로그램은 비싸고 해석자도 대부분 고학력이 필요해서 대부분의 중소기업에서는 구조해석에 많은 부담을 느낀다. 또한 대부분의 용접형 주름관 제작 업체가 중소기업이라 이러한 과정을 거치는 회사는 많다고 보기는 어렵다. 또한 개인적인 생각으로는 어설픈 구조 해석을 하느니 설계식과 제작 경험과 시험을 잘 활용하는 것도 나쁘지 않다.

용접형 주름관만을 만드는 회사도 있지만 많은 회사들은 배관, 피팅, 클램프, 씰류등을 함께 만들기도 한다. 대부분의 상용품은 내경이 10~150 mm 이며 이경우에 외경은 20~210 정도까지 변한다.

용도

주로 저압 혹은 진공용으로 사용된다.

반도체 장비, 항공 우주, 석유 화학분야, 초 진공 장비, 진공 밸브, 제약 기계 등에 사용된다. 

장점

용접이 가능한 모든 재료로 만들 수 있고 기밀성과 내구성이 우수하다. 또한 재료 선택에 따라 높은 온도에서도 사용할 수 있다.

보통 한 겹으로 제작되고 매우 낮은 탄성계수를 가진다. 

파손원인

조립이나 운송 중에도 손상이 될 수 있으며 조립이 잘 못 되거나 이물질 등으로 오염되거나 손상될 경우에 파손 될 수 있다. 또한 진동이 있는 환경에서는 공진에 의해 주름관의 자체의 파손이 발생할 수도 있다. 특히 이물질은 용접형 주름관의 형상 특성상 암/수 다이아프램 사이에 좁은 공간이 존재하므로 주름관의 인장 혹은 압축시에 주름관에 부가적인 하중을 주거나 흠집을 만들어 파손을 일으킬 수 있다.

▷ 골형 주름관

골형 주름관은 주로 성형 주름관 혹은 U-Shaped 주름관 이라고 하는데 정확한 명칭은 골형 주름관이 맞다. 골형 주름관을 보통 성형해서 만들고 대부분 골 형상이 U 자 형상이라 혼용해서 사용한다.

골형 주름관은 용접형 보다 높은 압력에서 사용되며 탄성계수가 보다 크다. 한겹 혹은 그 이상으로 제작된다. 

주름관의 형상은 내경, 외경, 산수, 한겹의 두께, 겹수로 정의된다. 주름관은 그 형상 특성으로인해 외부 대기와의 접촉면적이 직관 대비해서 넓어서 열전달에 유리하므로 냉/낭방용으로도 적합하다.

보통 상용품의 경우에는 해당되는 최대사용압력과 사용온도 등이 주요 성능으로 정해진다. 그 이외에 수명이 제시되기도 한다.

제작 방법은 기계가공하는 방법과 하이드로 포밍하는 방법이 있으나 기계가공하는 방법은 집중된 잔류응력으로 인해 거의 사용되지 않고 하이드로 포밍으로 성형한다. 

프로파일은 고리형(annular)과 나선형 (helical)이 있다. 나선형에 비해 고리형이 더 일반적이고, 탄성계수가 작으며, 결합이 용이하나 흐름 저항이 큰 단점이 있다. 따라서 일반적으로 나선형을 사용하느니 주름관 구경을 좀 더 크게해서 흐름 저항을 줄이고 (무게도 증가하며) 고리형을 사용하는 것이 쉽다. 

  

주름관 자체는 압축/인장의 축방향 변형, 회전 변형, 횡방향 (lateral) 변형이 가능하며 비틀림 변형은 지지하지 않는다. 따라서 시스템 설계시에 비틀림 하중이 가해지지 않게 해야한다. 

주름관의 설계 목적은 주로 고수명, (반경방향) 고압지지, 낮은 탄성 계수 이다. 이러한 목적을 만족하기 위해서 단겹보다는 주로 다겹으로 제작한다. 그리고 반경방향 고압을 지지하기 위하여 별도의 보강링이 장착되기도 한다. 낮은 탄성계수가 설계 목적이므로 당연히 축방향으로의 큰 힘은 지지하지 못한다. 따라서 축방향 힘을 지지하기 위해 기계적 연결장치 혹은 브레이드를 추가하게 되며 이러한 경우에 신축 이름관 혹은 금속 호스가 된다. 

재질은 보통 스테인레스강 300 계열이 사용되나 특수한 환경에서는 인코넬이 사용되기도 한다. 스테인레스 재질은 말 그대로 내식성이 우수해서 녹이 발생되지 않으므로 위생 배관에도 사용될 수 있다. 

골 주름관은 EJMA 표준 (혹은 ASME B 31.3) 을 이용하여 설계를 많이한다. 유한요소해석은 가능하나 EJMA 표준이 매우 잘 되 있어 특별한 경우를 제외하고는 추천하지 않는다. 단겹에 비보강형 정도가 유한요소 해석이 가능하나 시간소모대비 결과가 만족스럽지 않은 경우가 대부분이다. 수명은 그 자체로 확률적 특성이 있는데 (똑같이 만들어도 수명시험해보면 분포를 가짐) ASME B31.3 에 비해 EJMA 표준이 다소 평균적인 수명을 예측하는 것으로 알려져 있다. EJMA 표준을 프로그램으로 파는 곳도 있다.

보통 성형 주름관을 제작하는 대형업체에서는 주름관을 이용하는 신축 이음관과 금속 호스를 함께 만든다.

□ 금속 호스 (metal hose)

금속 호스는 주름관이 축방향 힘을 지지하지 못해 외부에 금속 브레이드(와이어를 옷처럼 감아논 것)로 감싸은 것이다. 보통 한번만 감싸지만 압력이 매우 높은 경우에는 두 번, 세 번씩 감기도 한다. 

주름관의 모든 변형(움직임)이 가능한 장점이 있다. 

브레이드의 재료도 마찬가지로 스테인레스 300 계열이 많이 사용된다. 경우에 따라 Monel이 사용되기도 한다.

상용품의 경우에 끝단은 관용 나사, 피팅, 플랜지, 튜브, 리듀서 등이 있다.

    

□ 신축 이음관 (expansion joint)

신축 이름관은 주름관에 축방향 힘을 지지하는 기계적 연결장치를 붙인 것이다. 금속 호스와 달리 특정 방향 움직임만이 가능하다. 예를 들어 힌지형 신축 이음관은 1방향 회전 움직임만 가능하며, 김발 신축 이름관은 2방향 회전 움직임만 가능하다. 아래 그림에서 주름관 옆에 긴 봉 (기계적 연결장치)가 붙어 있는 것이 신축 이름관 이다. 신축 이음관 구조해석은 주름관을 제외(주름관은 EJMA 표준으로 해석)하고 기계적 연결부 만을 해석하는 것이 효율적이다.

□ 흐름 라이너

주름관은 흐름이 지나가는 내부면의 굴곡이 있어서 흐름 저항이 커지게 된다. 특히 고속에서는 와류의 발생 등으로 급격히 흐름 저항이 증가할 수 있다. 따라서 유동이 고속으로 흐르는 경우에는 내부에 흐름 라이너를 설치하는 경우가 있다. 많은 제조사에서 자체 제품의 흐름 저항 (유량 계수) 데이터를 제공한다.

□ 해외 유명 (카탈로그가 잘 되어 있는) 업체

Witzenmann, Penflex, Metraflex, Amnitec, Hosemaster, Omegaflex