토크냐 텐셔닝이냐, 그것이 문제로다!

거의 모든 사람은 살아오며 너트를 조여본 경험이 한 번쯤은 있고 토크에 대해서 쉽게 이해할 수 있습니다. 이러한 경험은 엔지니어가 아닌 대다수 사람에게 볼트 조인트를 체결하는 가장 오래되고 단순하며 유일한 방법입니다.

수공구든 유압식 공구든 텐셔닝에 비해 토크로 체결하는 방법은 이해하기 간단하고 체결하기 쉬으므로 전반적으로 훨씬 비용 면에서 효율적인 방법입니다. 그렇다고 해서, 토크 체결의 핵심 요소에 대한 교육과 이해의 필요성이 배제되는 것은 아닙니다.

Asset 55의 기술 이사인 Robert Noble은 “하나의 토크 렌치와 다양한 소켓을 사용하여, 상당히 다양한 크기의 너트와 볼트를 체결할 수 있습니다.”라고 말합니다. “이것은 꽤 많은 작업 유연성을 제공하며, 기술자에게 토크 장비 사용법을 쉽게 설명할 수 있습니다.”

대부분의 적용처에서 토크 체결 방법이 효과적일 것이라는 점을 고려할 때, 이 방법이 첫 번째 선택지인지에 대해서 우리 모두 의심의 여지가 없습니다.

유압식 렌치를 사용한 토크 체결은 몇 가지 한계가 있는데, Noble은 “특히 마찰력이 가장 큰 문제점”이라고 말합니다. 일반적으로 마찰력은 너트에 가해지는 토크의 약 90%의 에너지를 차지하며, 이는 토크의 작은 부분만이 실제 필요한 볼트 하중으로 전환되는 것을 의미합니다. 토크 체결은 하중에 있어서 직접적인 방식이 아니기 때문에 볼트 하중을 정확하게 예측한다는 것은 매우 어려운 일입니다. 특히, 사용된 윤활유, 오염원의 제거, 너트 베어링의 표면처리 등 수많은 요소가 고려되어야 합니다. 이는 토크를 사용하여 축력을 형성할 때 합리적인 정확도를 보장하기 위해 반드시 극복되어야 하며, 중요한 조인트의 체결에 있어서 상당한 단점이 될 수 있습니다.

Noble은 합리적인 체결 절차와, 보정된 공구 및 유능한 인력을 통해 대부분의 체결부는 성공적인 체결이 가능하다고 강조합니다. 대부분 볼트 체결에서 토크 분산이 일어나며, 이는 목표 축력 대비 +/- 25% 이내의 개별 볼트에 대한 축력이 달성됩니다, 그러나 여러 개의 볼트로 구성된 플랜지에서 일반적으로 목표 축력에 가까운 범위 내에서 평균 볼트 하중을 달성하는 결과를 보여줍니다. (모범 사례를 따르고 마찰 계수를 평가한다고 가정 시) Noble은 ”토크 체결은 대부분의 개스킷 플랜지 조인트에 대해 아주 정확하므로 토크 체결은 여전히 실용적인 기술입니다”라고 말합니다.

유압식 볼트 텐셔닝은 1970년대에 영국의 엔지니어 Fred Heaton이 개척하여 Hydratight와 Boltight를 설립했습니다. 이후 20여 년 동안 유압식 텐셔닝은 점차 산업적으로 보편화되었으며, 이제는 오일 및 가스, 풍력, 해저 또는 발전 시설과 같은 많은 산업에서 크고 중요한 조인트를 체결하는데 선호되는 방법이 되었습니다. 

유압식 텐셔닝은 유압식 렌치를 사용한 토크 체결에 비해, 더 전문적인 장비가 필요한 더 복잡한 작업 절차를 가지고 있습니다. 특정 적용 분야에서 유압식 볼트 텐셔닝은 체결 속도뿐만 아니라 더 높은 정확성과 제어를 제공할 수 있습니다. 특히, 여러 개의 볼트로 구성된 플랜지 체결에서 유리합니다. 기존의 토크 체결 시, 각 볼트는 개스킷 또는 플랜지의 한쪽 면으로 너무 많은 하중이 가해지는 집중 하중 위험을 피하고자 주의해서 작업해야 하는 패턴으로 하나씩 체결해야 합니다. 반면, 유압식 텐셔닝 사용시, 여러 개의 텐셔너를 부착하여 개스킷을 균일하게 압축하기 위해 여러 개의 볼트를 동시에 체결할 수 있습니다.

볼타이트의 프로젝트 및 비즈니스 매니저인 Nitin Patel은 “이는 본질적으로 유압식 텐셔닝이 개발된 이유입니다.”라고 말합니다. “유압식 텐셔닝은 작업자가 체결력을 제어할 수 있게 해주었고, 여러 개의 볼트를 동시에 체결하여 개스킷과 체결부에 더 좋은 영향을 주며, 체결부에 가해지는 하중을 실제로 예측할 수 있게 했습니다.”

Noble이 말한 것처럼 간단하지는 않지만, 볼트 텐셔닝의 또 다른 장점은 높은 체결 정확도입니다. 그는 “안타깝게도, 업계에서는 단순한 일률적인 규칙만을 사용하려고 하지만 토크 및 텐셔닝 기준에는 적용되지 않습니다.” 라고 설명합니다. “체결 조건이 맞으면, 텐셔닝의 볼트 체결 정확성은 매우 높아질 수 있습니다.” 일반적으로 길이 대 직경 비율이 높은 볼트(길고 얇은 볼트)와 볼트 볼트 하중이 높은 볼트에 해당합니다. 이러한 적용처에서는 텐셔닝이 토크보다 더 높은 정확성을 가질 수 있습니다. 그러나 반대로 짧고 굵은 볼트를 사용하고 낮은 하중 조건이라면 텐셔닝의 정확도는 떨어집니다.”

볼트 텐셔닝은 하중 손실이라는 단점도 있습니다. 이는 텐셔너가 제거되고 하중이 너트로 전달될 때 발생하는 현상입니다. 이러한 하중 손실을 보상하기 위해, 손실값을 추정하여 현장 기술자는 예상 부하 손실을 작업 전, 미리 적용합니다. 이는 볼트, 개스킷 및 플랜지는 원래 설계된 응력보다 더 큰 응력 값을 받는다는 것을 의미합니다. 조인트 설계 단계 또는 공구를 사용하기 전에 고려해야 합니다. 또 다른 해결 방법으로는 침하에 따른 하중 보상을 위해 텐셔닝 절차를 몇 번 더 반복해야 합니다.

유압식 볼트 텐셔닝은 또한 실제적이고 물류 측면의 면에서 다른 단점이 있을 수 있습니다. 텐셔닝은 더 많은 장비와 전문적인 공구가 필요하기 때문에, 훨씬 더 비쌀 수 있습니다. Noble은 “볼트 텐셔닝은 텐셔너를 자주 사용하는 사람이 아니고서야 쉽게 이해할 수 없습니다.”라고 말합니다. “유압식 텐셔닝은 특정한 텐셔너 공구가 필요하며, 토크 렌치와 동일한 사용 범위를 가진 텐셔너를 설계하기는 매우 어렵습니다.”

따라서 토크와 텐셔닝 중 어떤 방법이 더 나은지에 대한 간단한 답은 없습니다. 체결하려는 조인트에 따라서 어떤 볼트 체결 방식을 사용할지 결정하는 것이 가장 좋습니다.

“일괄 정책(Blanket policies)으로 인해 많은 기술적 질문을 초래하고 때에 따라 볼트 부하에 대해서 절충해야 합니다. 대신 특정 조인트에 가장 적합한 체결 방법을 취해야 합니다.”라고 Noble은 설명하고 결론을 내립니다. “때때로 실제로 장비를 현장에 어떻게 내보낼 것인지, 장비를 어디에 사용할 것인지, 적용처에 어떻게 맞출 것인지를 고려하는 것으로 귀결됩니다.”

혹시 알고 계셨나요?

마찰력은 일반적으로 유압식 토크 중에 너트에 가해지는 토크의 약 90%를 차지합니다.

체결부에 따른 체결 방법 선택

볼트 체결부의 경우, 토크 또는 유압식 텐셔닝 체결 방법 중 선택에 앞서 몇 가지 요소를 고려해야 합니다.

• 적용처에 필요한 목표 체결 하중을 설정합니다.
• 선택에 직접적인 영향을 미칠 수 있는 요소를 고려합니다. 예를 들어 콘크리트로 타설되어진 파운데이션 볼트는 비틀림을 고려하여야 하므로 볼트 텐셔닝 체결 방법이 최선의 선택이 될 것입니다. 그러나 사용처에 공간 제약이 있으면, 토크 체결 방법이 더 나은 선택이 될 수 있습니다.
• 물리적 및 물류 측면의 제약을 간과하지 않습니다. 텐셔너가 제대로 작동하려면 너트 위로 최소 나사산의 직경만큼 돌출되어 있어야 합니다.

유압식 토크 또는 유압식 텐셔닝 중 어떤 방법이 최선의 선택인 여부는 반드시 조인트별로 결정되어야 합니다.

유압식 토크 또는 유압식 텐셔닝 중 어떤 방법이 최선의 선택인 여부는 반드시 조인트별로 결정되어야 합니다.

유압식 텐셔닝: 잭업 장치는 볼트에 장착되어 있으며, 고압 유압 텐셔너를 사용하여 볼트를 늘리고 너트를 플랜지에서 들어 올립니다. 그러면 너트가 플랜지 표면에 쉽게 안착할 수 있습니다. 유압이 해제되면 늘어난 볼트가 원래 모양으로 되돌아가려고 할 때 체결력을 형성합니다.