비철 파이프 슬리브, 축관, 확관 구조 연결 부품
에어컨, 보일러, 열교환기, 냉장고용 구조 연결 부품의 기술적 레포트
요약 (Executive Summary)
비철금속 파이프 연결 부품인 슬리브(sleeve), 축관(축소관, swaging), 확관(팽창관, expansion) 기술을 중심으로, 에어컨, 보일러, 열교환기, 냉장고 등 열교환 시스템에서 사용되는 구조 연결 부품의 기술 지침이다.
비철금속(구리, 알루미늄 등)은 부식 저항성, 우수한 열전도도, 경량성으로 인해 냉동공조 및 보일러 시스템에 널리 사용된다. 이러한 파이프를 안정적으로 연결하기 위해 슬리브, 확관, 축관 등의 공정이 활용되며, 해당 기술의 구조적 역할, 기계적 안정성, 열적 성능, 누설 방지 및 파손 메커니즘을 중심으로 정리하였다.
1. 비철 파이프 연결 부품 개요
비철 파이프(구리, 알루미늄, 황동 등)는 냉난방, 냉장, 열교환기, 보일러 시스템에서 열전달 효율을 극대화하기 위해 사용된다.
이때 파이프 간의 연결부는 내부 압력, 온도 변화, 진동, 부식 환경에 노출되므로 기밀성과 기계적 강도를 확보하는 것이 필수적이다.
슬리브(Sleeve): 파이프를 연결하거나 보강하는 부품으로, 파이프 사이의 간극을 메우거나 구조적 지지력을 제공한다.
축관(Swaging): 파이프 끝단의 직경을 줄여 다른 파이프 또는 피팅과 연결하는 기술이다.
확관(Expansion): 파이프를 확장시켜 관판(tubesheet)이나 핀(fin)에 밀착시키는 기술로, 열교환기의 밀봉에 필수적이다.
연구 결과, 3~5mm 소경 튜브를 사용한 열교환기는 기존 9.5mm 튜브 대비 재료비 60% 절감, 성능(COP) 20% 향상 효과를 보였다.
또한 구리 파이프의 고장 원인 분석에서는 유기산, Cl⁻, H₂S, SO₂ 등의 오염물질에 의한 부식이 주요 요인으로 지적된다.
2. 확관(Expansion) 기술
2.1 개요
확관은 파이프 내부를 플라스틱 변형시켜 관판이나 핀 홀에 기계적으로 밀착시키는 방법이다.
이 방식은 열교환기, 보일러, 응축기 등에 널리 사용되며, 일정한 압력 하에서 금속의 변형율을 제어하는 것이 핵심이다.
2.2 권장 확관율 가이드라인
| 재질 유형 | 권장 확관율(%) |
|---|---|
| 연질 구리 / 알루미늄 | 8–12% |
| 비경화성 황동 / 구리합금 | 6–9% |
| 경화성 비철금속 | 4–6% |
과도한 확관은 벽 두께 감소 및 균열, 부족한 확관은 누설 발생의 원인이 된다.
2.3 확관 방식
기계식 롤 확관기(Roll Expander): 얇은 벽 두께의 튜브에 적합하며, 3~5개의 롤러가 회전하면서 내벽을 팽창시킨다.
유압식 확관기(Hydraulic Expander): 액압으로 균일한 팽창을 유도하며, 정밀도와 반복성이 높다.
폭발 확관(Explosive Expansion): 폭압파를 이용해 단시간 내 균일한 확관을 구현, 두꺼운 관판용에 사용된다.
2.4 요약
압력 확관과 기계 확관 비교 연구: 공기압 확관은 기계식보다 직경 오차(표준편차 0.016mm vs. 0.029mm)가 적고, 열전달 성능 편차도 ±7% 이내로 안정적임.
홈 가공 효과 연구: 관판 홀에 0.4~0.5mm 깊이의 1~2개 홈을 추가하면, 인장강도와 누설 저항성이 20~30% 향상됨.
열 팽창 고려 사항: 구리의 열팽창률은 0.0000094 inch/inch/°F로, 긴 배관에서는 슬리브나 루프를 사용해 팽창 여유를 확보해야 한다.
3. 축관(Swaging) 기술
3.1 개요
축관은 파이프 끝단의 직경을 줄여 다른 파이프나 피팅에 삽입 가능한 형태로 만드는 가공 방법이다.
별도의 커플러 없이 연결할 수 있어, 공간 절약과 비용 절감 효과가 있다.
3.2 주요 방식
펀치 스웨이징: 해머와 블록을 이용한 전통적인 방식으로, 연질 구리에 적합.
회전 스웨이징(Rotary Swaging): 기계 회전으로 균일한 축소를 유도하며, 구리-알루미늄 접합에도 활용.
유압식 스웨이징: 유압 압력을 통해 빠르고 정밀한 축소를 구현. (예: NAVAC NTE11H 장비)
경질 구리는 스웨이징 전 약 650°C에서 소둔(annealing) 후 공랭하여 연성을 확보해야 한다.
3.3 요약
회전 스웨이징 접합 연구: 구리-알루미늄 이종 금속 간의 오버랩 길이에 따라 인장강도가 달라지며, 적절한 길이 조절로 용접 없는 기밀 접합 가능.
냉동 시스템 적용 연구: NH₃ 냉매용 고압 배관에서는 스웨이징 연결 시 누설률이 현저히 낮게 유지됨.
4. 슬리브(Sleeve) 기술
4.1 개요
슬리브는 파이프의 연결, 보강, 또는 재질 전환(transition)을 위해 사용되는 부품이다.
비철 배관에서는 산소 차단, 부식 방지, 응력 분산 등의 역할을 한다.
4.2 주요 접합 방식
확관식 슬리브 결합: 기계적 변형을 통해 연결, 저압 환경에 적합.
용접식 결합: GTAW(티그용접) 방식으로 2패스 이상 수행 시 고강도 확보.
확관+용접 복합 방식: 내식성 매체용으로 주로 사용.
폭발 확관 슬리브: 고압·고온 보일러용 고강도 결합.
4.3 요
튜브-튜브시트 결합 연구: 확관+용접 복합 방식이 가장 높은 내누설성과 인장강도를 확보.
응력부식균열(SCC) 사례 분석: 폐열보일러에서 크리비스 부식이 주요 원인으로 확인, 완전 용입 용접이 권장됨.
레이저 클래딩 연구: 슬리브 내부에 기능성 피복층(FGM)을 적용해 내식·내마모 성능 향상.
5. 시스템별 적용 사례
| 시스템 | 주요 재질 / 연결 방식 | 특징 |
|---|---|---|
| 에어컨 | 구리, 미세채널 확관 | 열효율 향상, 마이크로튜브 사용 |
| 보일러 | 황동·티타늄 확관·용접 복합 | 고압·고온 내구성 확보 |
| 열교환기 | 알루미늄 확관, 슬리브 보강 | 경량화 및 누설 방지 |
| 냉장고 | 구리 축관, 모세관 접합 | 정밀 냉매 흐름 제어 |
6. 결함 분석 및 개선 방안
주요 결함 요인
부식 (Cl⁻, H₂S, SO₂ 등 환경오염물질)
과도한 확관 또는 부족한 확관
열응력 및 잔류응력
불완전 용접 및 홈 오염
개선 방안
표면 세정 및 질소 플로우 유지
용접부 후열처리(PWHT)
비파괴검사(PT, UT, RT) 주기적 수행
내식 코팅 및 고분자 클래딩 적용
시뮬레이션 기반 설계 최적화 (CFD, FEM 분석)