동관 이음방법

왜 배우는가: 동관 이음은 냉매 배관과 배관공작 실무의 기본 접합 기술이며, 플레어·납땜·용접 중 어떤 방법을 언제 택할지 판단하는 문제가 두 교시에 걸쳐 반복해 출제된다. 접합 원리와 적용 기준을 함께 알아야 답안을 구성할 수 있다.

출제 이력: 제121회 1교시 9번, 제110회 4교시 2번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

답안 첫 줄에 쓸 정의는 다음과 같다.

동관 이음은 동관 끝을 연결하는 방법으로, 납땜(연납·경납), 플레어 접합, 용접, 압축(플랜지·유니온) 등으로 관을 기밀하게 잇는 공법이다.

핵심 키워드

• 동관 이음
• 경납땜(브레이징)
• 연납땜(솔더링)
• 플레어 접합
• 압축 접합(유니온·플랜지)
• 모세관 현상
• 충전재(용가재)
• 내압 기준

2. 개념 풀이

쉬운 말로 풀면 동관 두 개를 열을 가해 녹인 금속으로 붙이거나, 관 끝을 넓혀 너트로 조이는 방식이다. 냉매 배관에서는 누설이 곧 냉매 손실과 안전 문제이므로 기밀성이 가장 중요한 기준이다.

정식 정의는 다음과 같다. 동관 이음은 동 및 동합금관의 단부를 직접 접합하거나 부속(엘보·티·소켓)을 매개로 연결하는 접합 공법의 총칭이다. 접합 방식은 접합면에서 금속이 어떻게 결합하는지에 따라 나뉜다.

솔더링(연납땜)은 용융점이 낮은 충전재(주석-납 계열 등)를 녹여 틈새에 흘려 넣는 접합이다. 모재를 녹이지 않고 충전재만 녹인다는 점이 용접과 다르다. 연납은 저온 접합이라 열 영향이 작지만 접합 강도가 낮아 고압 냉매 배관에는 제한적으로 쓴다.

브레이징(경납땜)은 솔더링보다 높은 온도에서 경납(은·인동 계열 등)을 녹여 접합하는 방식이다. 모재보다 용융점이 낮은 충전재를 쓰고, 모세관 현상으로 틈새에 충전재가 스며든다. 냉매 배관의 주류 방식이다.

플레어 접합은 열을 쓰지 않고 관 끝을 나팔 모양으로 넓힌 뒤 플레어 너트로 체결한다. 연한 동관(풀림재)에만 가능하다. 용접·납땜 설비가 없는 현장이나 소구경 보수에 쓴다.

압축 접합은 유니온·플랜지·압축 피팅으로 관을 물리적으로 조여 연결한다. 분해·점검이 쉽지만 진동과 누설 가능성이 있어 대구경 본관에는 적합하지 않다.

3. 등장 배경과 필요성

냉동공조에서 냉매는 고압과 진동을 함께 받는다. 열펌프 등 고압 장치는 배관 접합부가 파손되거나 누설되면 시스템이 고장나고 냉매가 대기로 배출된다. 따라서 접합 품질이 설비 신뢰성을 결정한다.

동관은 가공이 쉽고 열전도율이 좋아 냉매 배관의 표준 재료가 되었다. 강관처럼 나사 가공을 하지 않고 관을 잘라 바로 접합할 수 있어 시공성도 좋다. 이 때문에 접합 방식을 선택하는 기준(온도, 압력, 현장 조건)을 명확히 알아야 한다.

접합 방식의 선택 기준은 다음과 같다. 첫째 사용 압력과 온도, 둘째 관경과 현장 여건(화기 사용 가능 여부), 셋째 분해 필요성이다. 기밀 시험과 진공 건조를 거쳐야 냉매 충전이 가능하므로 접합 단계의 품질 확보가 후속 시험의 전제가 된다.

동관 내압 기준(고압식 16.5㎫ 이상, 저압식 3.75㎫ 이상)은 접합 방식과 별개로 배관 재료가 갖추어야 할 최소 요건이다.

4. 구성요소·원리·절차

동관 이음은 접합 재료의 용융 온도와 이음부 강도에 따라 크게 납땜 이음(연납), brazing(경납땜), 플레어 이음, 압축(플랜지·유니온) 이음으로 나뉜다. 냉매 배관에서는 기밀과 내압 확보를 위해 경납땜(brazing) 이 주로 쓰인다.

표의 구분마다 적용 범위가 다르다. 냉매 배관은 고온 고압에 견뎌야 하므로 경납땜을 기본으로 한다. 플레어는 분해가 필요한 곳에 제한적으로 쓴다.

경납땜의 원리는 다음과 같다. 모재보다 융점이 낮은 납재(brazing filler metal) 를 가열한 이음부에 공급하면 모세관 현상으로 틈새에 스며든다. 이후 냉각되면서 모재와 납재가 금속학적으로 결합한다. 이음부 틈새는 관과 이음쇠가 밀착되도록 좁게 유지한다.

경납땜 시공 절차는 다음과 같다.

• 관 끝을 직각으로 절단하고 거스러미를 제거한다.
• 관 외면과 이음쇠 내면을 샌드페이퍼나 와이어 브러시로 광택이 날 때까지 닦는다.
• 삽입 깊이를 표시하고 관을 이음쇠에 끼운다.
• 산화 방지용 플럭스(brazing flux)를 바른다.
• 토치로 관을 균일하게 가열하여 모재 온도를 맞춘다.
• 납재를 이음부 가장자리에 대어 틈새로 흘러들게 한다.
• 자연 냉각 후 플럭스 잔재를 닦고 누설 여부를 확인한다.

가열은 관 전체를 균일하게 하고, 납재는 가열된 쪽에서 공급한다. 과열하면 관벽이 산화되고, 가열이 부족하면 납재가 흐르지 않는다.

경납땜의 기본 조건은 다음과 같다.

• 모재 표면이 금속 광택을 띠도록 세척한다.
• 가열로 생긴 압력이 빠져나갈 출구를 둔다.
• 이음부는 건조 상태여야 한다.

경납땜은 모재보다 낮은 융점의 납재를 모세관 현상으로 틈새에 충전하는 접합이다.

450℃ 이상의 융점을 갖는 납재를 쓰는 것을 경납땜으로 본다. 연납땜은 이보다 낮은 온도에서 이루어진다.

5. 관련 법령·기준·표준

냉매 배관과 소화설비 배관의 동관 기준은 다음과 같다. 할론소화설비 배관 기준은 소방 기준이며, 냉동공조 배관은 KS 재료 규격을 따른다.

위 표의 내압 값은 소화설비 기준이다. 냉매 배관의 설계 압력은 냉매 종류와 설계 조건에 따라 달라진다. 냉매 배관 재료 선정은 냉동 설계 기준을 따른다.

개정 연혁으로는 NFTC 107 이 2023-02-10 에 시행되었다. 이 기준은 할론소화설비의 기술기준으로서 화재안전성능기준(NFPC 107)과 짝을 이룬다.

6. 유형과 비교

동관 이음은 접합 원리와 작업 조건에 따라 납땜 이음(연납 이음), 경납땜 이음(브레이징), 플레어 이음, 압축 이음(플랜지·유니온형)으로 나눈다. 냉매 배관에서는 기밀과 내압이 중요하므로 용접 계열인 경납땜과 기계적 체결인 플레어·압축 이음을 목적에 맞게 고른다.