역화방지기 온도감지 차단밸브(TV밸브) 작동원리와 화염방지기(FA)의 역할

 

안녕하세요 WITTGUY 입니다.

산업현장에서 가연성 가스를 사용하는 용접, 절단 작업 시 역화(Flashback) 사고는 장비 손상을 넘어 인명피해로 이어질 수 있는 치명적 위험입니다. 역화방지기는 이러한 위험을 방지하는 필수 안전장치이며, 그 중에서도 온도감지 차단밸브(Temperature Sensitive Cut-off Valve, TV밸브)와 화염방지기(Flame Arrestor, FA)는 역화방지기의 핵심 보호기능을 수행합니다. 본 블로그에서는 TV밸브의 작동원리, FA와의 역할 분담, 그리고 이들이 현장 안전에 미치는 영향을 상세히 다룹니다.

 

목차

1. 역화방지기의 기본 구성과 안전요소
2. 화염방지기(FA)의 역할과 작동원리
3. 온도감지 차단밸브(TV밸브)의 작동원리
4. FA와 TV밸브의 역할 분담과 상호보완
5. TV밸브 작동온도와 설정기준
6. 설치 위치에 따른 TV밸브의 필요성
7. 유지관리 및 점검기준
8. 현장 적용 시 주의사항

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1. 역화방지기의 기본 구성과 안전요소

역화방지기(Flashback Arrestor)는 가스 역류 및 역화를 방지하기 위해 다층적 안전장치를 갖추고 있습니다. DIN EN ISO 5175-1 국제기준에 따르면 역화방지기는 다음의 핵심 안전요소로 구성됩니다.

안전요소	기호	주요 기능
화염방지기	FA	역화 불꽃 소화
논리턴 밸브	NV	가스 역류 방지
온도감지 차단밸브	TV	지속적 역화 시 가스차단
압력감지 차단밸브	PV	압력쇼크 감지 시 가스차단
압력릴리프 밸브	RV	과압 배출
입구 필터	Filter	먼지/오염물질 차단

 

제조사와 모델에 따라 이 중 일부 또는 전체 안전요소가 조합되어 적용되며, TV밸브는 레귤레이터 장착형 역화방지기에 주로 설치됩니다.

 

 

온도감지 차단밸브 설명.pdf

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2. 화염방지기(FA)의 역할과 작동원리

2.1 화염방지기의 구조

화염방지기(Flame Arrestor, FA)는 역화방지기의 1차 방어선으로, 스테인레스 스틸 소결재(Sintered Stainless Steel)로 제작된 다공성 원통형 필터 구조를 가지고 있습니다.

 

2.2 작동원리

화염방지기는 물리적 냉각 메커니즘을 통해 역화를 차단합니다.

1. 역화 불꽃이 역화방지기 내부로 진입
2. 소결재의 넓은 표면적과 높은 열전도성으로 불꽃 냉각
3. 다공성 구조를 통과하면서 불꽃 에너지 분산
4. 가스 혼합물의 점화온도 이하로 냉각되어 불꽃 소화

2.3 화염방지기의 한계

화염방지기는 순간적 역화(Backfire)는 효과적으로 차단하지만, 지속적 역화(Sustained Flashback)가 발생할 경우 다음의 문제가 발생할 수 있습니다.

위험요인	설명
열축적	지속적 역화로 소결재 온도 상승
점화온도 도달 위험	가스 혼합물 점화온도(수소: 약 585℃, 아세틸렌: 약 305℃) 도달 가능
상류 전파 위험	고온이 역화방지기 상류(레귤레이터, 실린더)로 전파
장비 손상 및 폭발	호스 파열, 레귤레이터 손상, 실린더 폭발 위험

이러한 한계를 보완하기 위해 온도감지 차단밸브(TV밸브)가 필수적으로 설치됩니다.

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3. 온도감지 차단밸브(TV밸브)의 작동원리

온도감지 차단밸브(Temperature Sensitive Cut-off Valve, TV밸브) 정의

온도감지 차단밸브(TV밸브)는 역화방지기 내부 온도가 약 100℃ 전후의 설정온도에 도달하면 열감응 플라스틱 씰(LDPE 등) 또는 저융점 금속 링크가 용융되어 스프링 힘으로 자동 차단되는 안전밸브입니다. 지속적 역화 발생 시 가스 공급을 즉시 차단하여 가스 혼합물이 점화온도에 도달하기 전에 상류 장비(호스, 레귤레이터, 실린더)를 폭발 위험으로부터 보호합니다.

 

3.1 TV밸브의 구조

온도감지 차단밸브는 다음의 핵심 구성요소로 이루어져 있습니다.

1. 저융점 금속 링크(Fusible Metal Link) 또는 열감응 플라스틱 씰
2. 스프링 로드(Spring-loaded) 차단밸브
3. 온도감지 센싱 부위

3.2 작동원리

TV밸브는 열감응 메커니즘을 통해 자동으로 가스 공급을 차단합니다.

단계	작동 내용
1. 정상 상태	저융점 금속/플라스틱이 스프링을 압축하여 밸브 개방 상태 유지
2. 역화 발생	지속적 역화로 역화방지기 내부 온도 상승
3. 설정온도 도달	약 75~100℃ 도달 시 금속 링크 용융 또는 플라스틱 씰 연화
4. 즉시 차단	스프링 힘으로 밸브 슬라이드가 즉시 닫힘
5. 가스 차단	가스 공급 완전 차단, 역화 진행 중단

 

3.3 TV밸브의 핵심 장점

TV밸브는 화염방지기가 차단하지 못하는 지속적 역화로부터 시스템을 보호합니다.

1. 사전 예방적 차단: 가스 혼합물 점화온도 도달 전 차단
2. 자동 작동: 작업자 개입 없이 즉각 작동
3. 상류 보호: 레귤레이터, 호스, 실린더로의 위험 전파 차단
4. 폭발 방지: 가스 공급 중단으로 폭발 위험 제거

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4. FA와 TV밸브의 역할 분담과 상호보완

화염방지기(FA)와 온도감지 차단밸브(TV밸브)는 서로 다른 역화 시나리오에 대응하는 상호보완적 관계입니다.

 

4.1 역할 분담표

구분	화염방지기(FA)	온도감지 차단밸브(TV밸브)
대응 대상	순간적 역화(Backfire)	지속적 역화(Sustained Flashback)
작동 방식	물리적 냉각 소화	열감응 가스차단
작동 시간	즉각(밀리초 단위)	수초~수십초
가스 흐름	계속 공급 가능	완전 차단
재설정	불필요	제조사 점검 필요
보호 범위	역화방지기 내부	역화방지기 상류 전체

 

4.2 다층 방어 시스템

역화방지기의 안전성은 FA와 TV밸브의 순차적 작동으로 구현됩니다.

1. 1차 방어(FA): 대부분의 순간적 역화 차단
2. 2차 방어(TV밸브): FA가 장시간 역화를 소화하지 못할 경우 가스 차단
3. 최종 보호: 점화온도 도달 전 시스템 차단으로 폭발 방지

4.3 TV밸브 미장착 시 위험

TV밸브가 없는 역화방지기는 지속적 역화 시 다음의 위험에 노출됩니다.

위험	시나리오 결과
화염방지기 과열	소결재 손상, 차단 기능 상실
고온 전파	호스 용융, 레귤레이터 손상
실린더 온도 상승	압력 상승, 안전밸브 작동 또는 폭발
작업 공간 화재	주변 가연물 점화

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5. TV밸브 작동온도와 설정기준

5.1 표준 작동온도

국제기준 및 제조사 사양에 따른 TV밸브 작동온도는 다음과 같습니다.

설정온도	적용 기준
75±5℃	일부 저온 작동형
100℃	가장 일반적 설정(유럽 표준)
141℃ (286°F)	고온 환경용
165°F (74℃)	UL Listed 표준
212°F (100℃)	UL Listed 표준

 

5.2 작동온도 선정 이유

약 100℃ 전후의 작동온도는 다음의 안전 마진을 고려한 설정입니다.

1. 주요 가스 점화온도보다 충분히 낮은 온도
   • 아세틸렌: 305℃
   • 수소: 585℃
   • 천연가스(메탄): 540℃
   • 프로판: 450℃
2. 플라스틱 호스 손상 방지
   • 일반 고무호스 연화온도: 약 80-100℃
3. 인체 접촉 시 화상 방지
   • 60℃: 역화방지기 최고 사용온도(WITT 제품 기준)
   • 100℃: TV밸브 작동으로 추가 온도 상승 방지

5.3 재질별 작동 메커니즘

재질  유형	작동 특성
공융합금(Eutectic Alloy)	설정온도에서 급격히 고체→액체 상변화
열감응 플라스틱 씰	설정온도에서 연화 또는 용융
바이메탈 센서	온도 변화에 따른 변형으로 밸브 작동(일부 제품)

 

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6. 설치 위치에 따른 TV밸브의 필요성

6.1 레귤레이터 장착형 역화방지기

TV밸브는 레귤레이터 장착형(Regulator-mounted) 역화방지기에 필수적으로 설치되어야 합니다.

 

필요성:

1. 실린더 직접 보호: 가스 실린더까지의 거리가 짧아 고온 전파 위험 높음
2. 대유량 처리: 큰 유량으로 인한 열축적 위험
3. 호스 폭발 방지: 장시간 역화 시 호스 전체 손상 방지
4. 레귤레이터 보호: 고가 레귤레이터의 열손상 방지

관련 기준:

• AS 4839-2001(호주): 레귤레이터 장착형 역화방지기는 TV밸브 장착 필수
• OSHA 요구사항: 산업용 적용 시 TV밸브 장착 권장

6.2 토치 장착형 역화방지기

토치 장착형(Torch-mounted) 역화방지기는 일반적으로 TV밸브가 장착되지 않습니다.

 

이유:

1. 작업 열원 근접: 용접/절단 작업 열로 인한 오작동 위험
2. 소형화 요구: 작업 편의성을 위한 경량/소형 설계 필요
3. 짧은 노출 시간: 역화 발생 시 토치에서 즉시 제거 가능
4. 주 목적: 호스 및 레귤레이터 보호가 주목적

토치 장착형의 보호 범위:

• 보호: 토치 내부, 호스, 레귤레이터, 실린더
• 미보호: 토치 손잡이 자체(작업자 즉시 대응 필요)

6.3 최적 안전 구성

최고 수준의 안전을 위해서는 양쪽 모두에 역화방지기를 설치해야 합니다.

설치 위치	역화방지기 유형	TV밸브 장착	보호 범위
레귤레이터 출구	대유량형, FA+TV+NV+PV	필수	실린더~호스 전체
토치 입구	소형, FA+NV	불필요	토치~레귤레이터

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7. 유지관리 및 점검기준

7.1 TV밸브 작동 후 처리

TV밸브가 한번 작동하면 다음의 절차를 따라야 합니다.

단계	조치 내용
1. 즉시 가스 차단	실린더 밸브 잠금
2. 원인 파악	역화 발생 원인 조사 및 제거
3. 제조사 점검	역화방지기를 제조사로 송부하여 점검
4. TV밸브 교체	용융된 금속 링크/플라스틱 씰 교체
5. 전체 기능 테스트	FA, NV, PV 등 전체 기능 확인
6. 재설치	점검 완료 후 재설치 및 작업 재개

중요: TV밸브는 일회용 안전장치입니다. 현장에서 임의로 재설정하거나 수리해서는 안 됩니다.

 

7.2 교체 시기 판단

다음의 경우 즉시 교체해야 합니다.

1. TV밸브 작동 이력이 있는 경우
2. 외관상 손상, 변형, 부식이 있는 경우
3. 논리턴 밸브 역류 차단 실패
4. 제조사 권장 교체주기 도래
5. 가스 누설 발견

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8. 현장 적용 시 주의사항

8.1 역화방지기 선정 시 확인사항

확인 항목	세부 내용
TV밸브 장착 여부	레귤레이터 장착형은 TV밸브 필수 확인
인증 마크	DIN EN ISO 5175-1, IBExU 방폭인증 확인
가스 적합성	사용 가스에 대한 적합성 확인
유량 용량	작업 요구 유량 이상 모델 선정
압력 범위	사용 압력 범위 내 모델 선정

 

8.2 TV밸브 표기 확인

역화방지기 라벨 또는 본체에서 TV밸브 장착을 확인합니다.

• 표기 예시: "[TV]" 심볼
• "Temperature Sensitive Cut-off Valve" 문구
• "Thermal Cut-off" 표기

8.3 작동 온도 환경 준수

환경 조건	기준	비고
최고 사용온도	60℃ (140°F)	WITT 제품 기준
최고 보관온도	제조사 사양 확인	일반적으로 60℃ 이하
동절기 사용	결로 방지 조치	수분 동결로 인한 오작동 방지
직사광선	차광 조치 권장	플라스틱 부품 열화 방지

 

8.4 압력 보상

역화방지기(FA+TV+NV) 설치 시 압력 손실이 발생하므로 레귤레이터 압력을 조정해야 합니다.

1. 제조사 제공 압력손실 차트 확인
2. 작업 필요 압력 + 압력손실 = 레귤레이터 설정압력
3. 토치 말단에서 실제 압력 측정 및 확인

주의: 압력 보상 미실행 시 유량 부족으로 지속적 역화(Sustained Backfire) 발생 위험이 증가합니다.

 

8.5 양쪽 가스라인 모두 설치

역화방지기는 연료 가스뿐만 아니라 산소 라인에도 설치해야 합니다.

 

산소 라인 역화방지기의 중요성:

1. 화재 시 산소 공급 차단
2. 산소 유입으로 인한 연소 가속 방지
3. 역류 산소와 연료 가스 혼합 폭발 방지

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FAQ

Q1. TV밸브가 작동했습니다. 현장에서 재설정이 가능한가요?

A1. TV밸브는 일회용 안전장치입니다. 작동 후에는 반드시 제조사로 송부하여 점검을 받아야 합니다. 용융된 금속 링크 또는 플라스틱 씰을 교체하고, FA 및 NV 등 다른 안전요소의 정상 작동도 함께 확인해야 합니다. 현장에서 임의로 재설정하거나 수리하면 안전 기능이 상실되어 중대 사고로 이어질 수 있습니다.

 

Q2. 역화방지기의 FA와 TV밸브 중 어느 것이 더 중요한가요?

A2. FA와 TV밸브는 각각 다른 위험 시나리오에 대응하는 상호보완적 관계로, 우열을 가릴 수 없습니다. FA는 대부분의 순간적 역화를 즉시 차단하는 1차 방어선이며, TV밸브는 FA가 장시간 역화를 소화하지 못할 경우 가스를 완전 차단하여 폭발을 방지하는 2차 방어선입니다. 두 안전요소가 모두 정상 작동해야 완전한 보호가 가능합니다.

 

Q3. 토치 장착형 역화방지기에는 왜 TV밸브가 없나요?

A3. 토치 장착형 역화방지기는 용접/절단 작업 열원에 근접하여 설치되므로, 작업 열로 인해 TV밸브가 오작동할 위험이 있습니다. 또한 토치 장착형은 소형화와 경량화가 중요하며, 역화 발생 시 작업자가 즉시 토치를 제거할 수 있어 TV밸브의 필요성이 상대적으로 낮습니다. 하지만 레귤레이터 장착형에는 TV밸브가 필수적입니다.

 

Q4. TV밸브의 작동온도가 100℃인데, 가스 점화온도(305~585℃)와 차이가 큰 이유는 무엇인가요?

A4. TV밸브는 가스 점화온도에 도달하기 전에 사전 예방적으로 작동하도록 설계되었습니다. 100℃ 전후에서 작동함으로써 다음을 방지합니다: (1) 호스 및 플라스틱 부품의 열손상(80-100℃에서 연화 시작), (2) 레귤레이터 및 실린더로의 고온 전파, (3) 인체 접촉 시 화상, (4) 가스 혼합물이 점화온도에 도달할 충분한 안전 마진 확보. 이러한 안전 마진으로 폭발을 사전에 방지합니다.

 

Q5. 역화방지기 사용 시 압력 손실이 발생한다고 하는데, 어떻게 보상해야 하나요?

A5. 역화방지기의 FA, TV, NV 등 내부 구성요소는 가스 흐름에 대한 저항(압력 손실)을 발생시킵니다. 제조사가 제공하는 압력손실 차트를 참고하여 레귤레이터 출구 압력을 상향 조정해야 합니다. 예를 들어 토치에서 5bar가 필요하고 역화방지기에서 0.5bar 손실이 발생한다면, 레귤레이터를 5.5bar로 설정해야 합니다. 압력 보상을 하지 않으면 유량 부족으로 인한 지속적 역화 위험이 증가합니다.

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출처

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THINKTANK. (2024). 6 typical applications of fusible link valves and how it works. Retrieved from https://cncontrolvalve.com/6-typical-applications-of-fusible-link-valves-and-how-does-it-work/

 

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