PSM 공정안전자료에서 열교환기(Heat Exchanger) Datasheet의 설계조건(Design Condition)을 검토할 때는 설계압력(Design Pressure)과 설계온도(Design Temperature) 숫자만 확인해서는 부족합니다.

열교환기는 일반 Vessel과 달리 Shell Side와 Tube Side라는 서로 다른 두 공정계통이 하나의 장치 안에서 열을 교환합니다. 두 계통의 압력·온도·취급물질이 서로 다를 수 있으며, Tube가 파손되면 고압측 유체가 저압측으로 유입되는 튜브파손(Tube Rupture) 시나리오도 발생할 수 있습니다.

따라서 열교환기 Datasheet를 PSM 관점에서 검토할 때는 다음과 같은 구조로 접근하는 것이 좋습니다.

검토영역	주요 확인사항
공정조건	Operating P/T, Flow, Phase
설계조건	Shell/Tube Design P/T
압력차	고압측·저압측 관계
재질	Shell, Tube, Channel 재질
과압보호	PSV, Tube Rupture
열적조건	Heat Duty, Thermal Expansion
비정상조건	Startup, Shutdown, Steam-out
기계적 건전성	Corrosion, Fouling, Inspection
변경관리	MOC 및 Datasheet Revision

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1. Shell Side와 Tube Side를 반드시 분리해서 확인

열교환기의 가장 기본적인 검토사항입니다.

Shell Side와 Tube Side는 서로 독립된 설계조건을 가질 수 있습니다.

예를 들어,

구분	Shell Side	Tube Side
Service	Hydrocarbon	Cooling Water
Operating Pressure	5 barg	3 barg
Design Pressure	10 barg	7 barg
Operating Temperature	150℃	30℃
Design Temperature	200℃	80℃

따라서 Heat Exchanger Datasheet를 검토할 때 한 개의 Design Pressure만 확인해서는 안 됩니다.

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2. 정상운전조건(Operating Condition)을 먼저 확인

설계조건을 검토하려면 실제 공정이 어떤 조건으로 운전되는지 먼저 알아야 합니다.

확인해야 할 정보는 다음과 같습니다.

항목	Shell Side	Tube Side
Inlet Pressure	확인	확인
Outlet Pressure	확인	확인
Inlet Temperature	확인	확인
Outlet Temperature	확인	확인
Flow Rate	확인	확인
Phase	Liquid/Gas/Two Phase	Liquid/Gas/Two Phase

이 값들은 PFD, Heat & Material Balance, 실제 DCS Trend와 비교하는 것이 좋습니다.

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3. 설계압력(Design Pressure)의 근거를 확인

Shell Side와 Tube Side의 Design Pressure가 왜 그렇게 결정되었는지 확인해야 합니다.

단순히 정상운전압력보다 높다는 이유만으로 적합하다고 판단해서는 안 됩니다.

대표적인 압력원은 다음과 같습니다.

압력원	확인사항
Upstream Vessel	Design Pressure
Pump	Shutoff Pressure
Compressor	Maximum Discharge Pressure
High Pressure Utility	최대 공급압력
Control Valve	Fail Open
Blocked Outlet	차단 시 압력
Tube Rupture	반대측 압력 전달
Thermal Expansion	막힌 액체구간

즉, 가장 불리한 신뢰할 수 있는 압력조건이 설계압력 결정에 반영되었는지 확인해야 합니다.

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4. 설계온도(Design Temperature)도 양측을 따로 확인

열교환기는 온도차가 큰 설비이므로 Design Temperature 검토가 중요합니다.

예를 들어 정상운전에서는 Shell Side가 150℃이지만 Startup이나 Steam-out 시 더 높은 온도에 노출될 수 있습니다.

조건	확인사항
정상운전	Normal Temperature
Startup	일시적 고온·저온
Shutdown	냉각과정
Steam-out	Steam Temperature
Cleaning	세정유체 온도
Utility Failure	냉각상실
Process Upset	비정상 고온

따라서 Design Temperature는 정상운전값 하나만 기준으로 결정하면 안 됩니다.

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5. 최대·최소 설계온도를 함께 확인

고온만 확인하는 것도 충분하지 않습니다.

저온유체나 감압이 발생하는 공정에서는 최저설계금속온도(MDMT, Minimum Design Metal Temperature)와 같은 저온조건도 중요할 수 있습니다.

상황	저온 발생 가능성
LPG 감압	Flashing
고압 Gas 감압	Joule-Thomson Cooling
Refrigeration	저온유체
Startup	차가운 원료 투입
Blowdown	급격한 온도하강

저온에서는 재질의 취성파괴 가능성을 검토해야 합니다.

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6. Shell Side와 Tube Side의 압력차를 확인

두 계통의 압력이 크게 다르면 Tube에 상당한 차압(Differential Pressure)이 발생할 수 있습니다.

예를 들어,

조건	Pressure
Tube Side	30 barg
Shell Side	5 barg
Differential Pressure	25 bar

정상운전뿐 아니라 다음 상태에서도 차압을 확인해야 합니다.

• 한쪽만 가압
• Startup
• Shutdown
• Hydrotest
• 한쪽 감압
• Tube 막힘
• Steam Cleaning

특히 비정상운전에서 평소보다 더 큰 차압이 발생할 수 있는지 확인해야 합니다.

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7. 튜브파손(Tube Rupture) 시나리오를 확인

PSM에서 열교환기를 검토할 때 매우 중요한 시나리오 중 하나입니다.

고압측 Tube가 파손되면 고압유체가 저압측 Shell Side로 유입될 수 있습니다.

예를 들어,

구분	조건
Tube Side Design Pressure	30 barg
Shell Side Design Pressure	10 barg
Shell Side 정상압력	5 barg

이 경우 Tube Rupture가 발생하면 Shell Side가 과압될 가능성이 있습니다.

따라서 다음을 확인합니다.

확인사항	검토내용
고압측 최대압력	실제 전달 가능한 압력
저압측 Design Pressure	견딜 수 있는 압력
PSV	설치 여부
PSV Capacity	Tube Rupture 처리 가능성
Relief Destination	Flare 등
Isolation	자동·수동 차단

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8. PSV와 과압보호조건을 확인

열교환기에 PSV가 있다고 해서 검토가 끝난 것은 아닙니다.

다음 내용을 확인해야 합니다.

항목	확인내용
PSV Tag	보호장치
Protected Side	Shell / Tube
Set Pressure	설정압력
Relief Scenario	Tube Rupture, Blocked Outlet 등
Required Capacity	필요한 방출용량
Certified Capacity	실제 처리용량
Relief Destination	Flare·Atmosphere 등

특히 Tube Rupture가 가능한 경우 기존 PSV가 그 시나리오까지 고려한 것인지 확인해야 합니다.

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9. Blocked-in 액체의 열팽창도 확인

열교환기 주변에는 Valve가 설치되어 있어 액체가 갇히는 구간이 생길 수 있습니다.

특히 액체가 갇힌 상태에서 다른 쪽의 고온유체로 가열되면 열팽창(Thermal Expansion)으로 압력이 크게 상승할 수 있습니다.

조건	위험
Shell Side 액체 Block	가열 시 압력상승
Tube Side 액체 Block	외부열에 의한 팽창
양쪽 Isolation Valve Close	Trapped Liquid
Steam Service	급격한 가열

필요한 경우 열팽창용 안전밸브(Thermal Relief Valve) 적용 여부를 확인합니다.

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10. 열부하(Heat Duty)가 설계조건과 일치하는지 확인

열교환기의 본래 기능은 열을 전달하는 것이므로 열부하(Heat Duty)도 중요한 설계정보입니다.

확인항목	내용
Design Heat Duty	설계 열부하
Operating Heat Duty	실제 운전
Hot Side Flow	고온측 유량
Cold Side Flow	저온측 유량
Inlet/Outlet Temperature	열교환 결과
Fouling Margin	오염 영향

Heat Duty가 증가하면 단순 성능문제뿐 아니라 Outlet Temperature 상승이나 Downstream 설비의 Design Condition에도 영향을 줄 수 있습니다.

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11. 유량(Flow Rate) 증가의 영향을 확인

공정 증설이나 Pump 교체로 유량이 증가했다면 기존 Heat Exchanger Datasheet가 여전히 유효한지 확인해야 합니다.

유량증가는 다음과 연결될 수 있습니다.

영향	결과
Velocity 증가	Erosion 가능
Pressure Drop 증가	Pump 부하 증가
Heat Duty 증가	온도조건 변화
Vibration 증가	Tube 손상 가능
Residence Time 감소	공정성능 변화

따라서 생산량 증가 시 Heat Exchanger의 기계적·열적 조건 모두 재검토할 필요가 있습니다.

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12. 압력손실(Pressure Drop)을 확인

열교환기를 통과하면서 압력손실이 발생합니다.

Datasheet에는 보통 허용 압력손실(Allowable Pressure Drop)과 계산된 Pressure Drop이 표시될 수 있습니다.

조건	의미
정상 ΔP	정상운전 상태
ΔP 증가	Fouling 가능
급격한 ΔP 증가	막힘 가능
ΔP 감소	Bypass·Tube Leak 가능

PSM 관점에서는 Pressure Drop 추세가 설비 이상을 조기에 발견하는 지표가 될 수 있습니다.

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13. 상변화(Phase Change)를 확인

열교환기에서는 단순한 Liquid-to-Liquid 열교환뿐 아니라 응축이나 증발이 발생할 수 있습니다.

대표적으로,

• Condenser
• Reboiler
• Vaporizer
• Evaporator

등이 있습니다.

상변화	주요 검토사항
Vapor → Liquid	Condensation
Liquid → Vapor	Boiling
Two Phase	Flow Instability
Flashing	저온·진동 가능

특히 Reboiler나 Vaporizer에서는 유체가 기화하면서 압력·유량·열전달 특성이 크게 달라질 수 있습니다.

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14. 재질(Material of Construction)을 확인

Shell과 Tube는 서로 다른 물질을 취급하므로 재질도 다를 수 있습니다.

구성부	확인 재질
Shell	Shell Material
Tube	Tube Material
Tube Sheet	Tube Sheet Material
Channel	Channel Material
Bonnet	Bonnet Material
Gasket	Gasket Material

특히 Tube Material은 부식, 침식, 응력부식균열 등에 직접 영향을 받습니다.

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15. Tube 측 손상기구(Damage Mechanism)를 확인

Heat Exchanger는 Tube 손상이 빈번하게 발생할 수 있는 설비입니다.

대표적인 손상기구는 다음과 같습니다.

손상기구	주요 발생위치
General Corrosion	Tube 내부·외부
Erosion	Tube Inlet
Erosion-Corrosion	고유속 지역
SCC	특정 재질·환경
Vibration Fatigue	Tube Support 주변
Galvanic Corrosion	이종금속 접촉
Fouling Under Deposit	침전부

따라서 Datasheet의 Material, Velocity, Service 정보를 검사계획과 연결하는 것이 좋습니다.

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16. Fouling 조건을 확인

열교환기 Datasheet에는 오염계수(Fouling Factor)가 포함될 수 있습니다.

Fouling은 단순 효율저하만의 문제가 아닙니다.

Fouling 영향	가능한 결과
열전달 감소	Outlet Temperature 변화
유로 축소	Pressure Drop 증가
Deposit 부식	국부부식
Flow 편중	Tube 손상
Cleaning 빈도 증가	정비위험 증가

따라서 실제 Fouling 상태와 설계조건의 차이가 커진 경우 검사와 세정주기를 재검토할 수 있습니다.

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17. Startup·Shutdown 조건을 별도로 확인

정상운전에서는 문제가 없지만 Startup과 Shutdown에서 가장 큰 열응력이 발생할 수도 있습니다.

대표적으로,

• 한쪽만 고온유체 투입
• 급격한 냉각수 공급
• Steam 급개방
• Process Feed 급투입

등이 있습니다.

상황	위험
급격한 가열	Thermal Shock
급격한 냉각	Thermal Stress
반복 온도변화	Thermal Fatigue
한쪽만 운전	Differential Expansion

운전절차서에는 가능한 한 급격한 온도변화를 방지할 수 있는 절차가 반영되어야 합니다.

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18. Cleaning·Steam-out 조건도 Design Condition에 포함해 검토

정비 중 사용하는 조건이 정상운전보다 더 가혹할 수도 있습니다.

예를 들어 정상운전온도가 100℃인데 Steam Cleaning 시 180℃ Steam을 사용한다면 해당 온도가 설계조건에 적합한지 확인해야 합니다.

정비조건	확인사항
Steam-out	Temperature
Chemical Cleaning	Material Compatibility
Hydrojetting	Tube Damage
Hydrotest	Test Pressure
Nitrogen Purging	Pressure
Drying	Heating Temperature

정상운전만 설계조건에 적합하고 정비조건이 설계범위를 벗어나서는 안 됩니다.

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19. MOC에서 재검토해야 할 변경사항

열교환기의 Design Condition에 영향을 줄 수 있는 변경은 매우 많습니다.

변경내용	재검토사항
Feed Flow 증가	Heat Duty·Velocity
Operating Pressure 증가	Design Pressure
Temperature 증가	Design Temperature
Pump 변경	Flow·Pressure
Utility Pressure 상승	Tube/Shell Pressure
취급물질 변경	Material Compatibility
Tube Material 변경	손상기구
Tube Plugging 증가	Velocity·Capacity
PSV 변경	Overpressure Protection
Service 변경	전체 Design Basis

특히 Tube Plugging이 반복되어 유효 Tube 수가 감소하면 남은 Tube의 유속이 증가할 수 있으므로 성능뿐 아니라 침식·진동 영향도 검토하는 것이 좋습니다.

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20. 정리

PSM에서 열교환기 Datasheet의 Design Condition을 검토할 때 가장 중요한 것은 Shell Side와 Tube Side를 별개의 압력·온도계통으로 보고 두 계통 사이의 상호영향까지 검토하는 것입니다.

주요 확인항목을 정리하면 다음과 같습니다.

구분	확인사항
식별정보	Equipment Tag
Service	Shell / Tube 취급물질
Operating Pressure	Shell / Tube
Design Pressure	Shell / Tube
Operating Temperature	Shell / Tube
Design Temperature	Shell / Tube
최소온도	저온조건·MDMT 필요성
Flow	Shell / Tube 유량
Heat Duty	열교환부하
Pressure Drop	Shell / Tube ΔP
Phase	Liquid·Gas·Two Phase
Differential Pressure	양측 압력차
Tube Rupture	고압측에서 저압측 영향
PSV	과압보호
Thermal Relief	Blocked-in Liquid
Material	Shell·Tube·Tube Sheet
Fouling	열전달·부식 영향
Damage Mechanism	부식·침식·진동 등
Startup/Shutdown	열충격·열피로
MOC	변경이력

예를 들어 다음과 같은 열교환기가 있다고 하겠습니다.

항목	Shell Side	Tube Side
Service	Hydrocarbon	High Pressure Steam
Operating Pressure	5 barg	20 barg
Design Pressure	10 barg	25 barg
Operating Temperature	120℃	220℃
Design Temperature	180℃	260℃

이 경우 단순히 각각의 Operating Pressure가 Design Pressure보다 낮다는 사실만 확인해서는 부족합니다.

Tube가 파손되면 20 barg 이상의 Steam이 10 barg 설계 Shell Side로 유입될 가능성이 있으므로 다음을 추가로 검토해야 합니다.

검토항목	확인내용
Tube Rupture	발생 시 Shell Side 과압 가능성
Shell PSV	해당 시나리오 보호 여부
PSV Capacity	유입량 처리 가능 여부
Shell Design Pressure	실제 압력상승에 적합한지
Isolation	Steam 차단 가능 여부
HAZOP	Tube Rupture 시나리오 반영
LOPA	필요 시 보호계층 검토

따라서 열교환기 Design Condition을 검증할 때는 다음 연결관계를 확인하는 것이 효과적입니다.

자료	확인내용
PFD	Flow·Operating P/T
P&ID	Shell/Tube 연결관계
Heat & Material Balance	공정조건
Heat Exchanger Datasheet	Design P/T·Duty
Line List	연결배관 Design Condition
PSV List	과압보호
Relief Study	Tube Rupture 등
MI 자료	Tube 검사·손상관리
DCS Trend	실제 운전조건
MOC	변경된 조건

결국 PSM에서 Heat Exchanger Datasheet를 검토하는 목적은 설계압력과 설계온도 숫자를 확인하는 데 있는 것이 아니라, 정상운전·비정상운전·한쪽 계통의 파손까지 고려했을 때 Shell과 Tube 양측이 안전한 설계범위 안에서 유지되는지를 확인하는 것입니다.