공정용 안전밸브 선정 가이드: 산업현장 실무자를 위한 필수 지식

화학설비와 산업 현장에서 안전밸브는 과압으로부터 설비를 보호하는 핵심 안전장치입니다. 제대로 선정되지 않은 안전밸브는 사고와 설비 손상으로 이어질 수 있으므로, 안전밸브의 올바른 선정과 관리는 매우 중요합니다. 이 글에서는 한국산업안전보건공단(KOSHA)의 "공정용 안전밸브의 기술지침"을 바탕으로 실무자가 꼭 알아야 할 필수 정보를 정리했습니다.

1. 안전밸브의 이해와 중요성

안전밸브는 설비 내부의 압력이 설정된 압력 이상으로 상승할 경우 자동으로 개방되어 내부 유체를 배출함으로써 설비를 보호하는 안전장치입니다. 산업안전보건기준에 관한 규칙 제261조에 따라 화학설비 및 부속설비에는 적절한 안전밸브를 설치해야 합니다. 안전밸브는 일반적으로 게이지 압력으로 1bar 이상인 설비에 적용되며, 수증기, 물, 압축 공기, 불활성 가스를 취급하는 설비나 운송용 용기에는 별도의 기준이 적용될 수 있습니다.

2. 안전밸브의 주요 종류

2.1 일반형 안전밸브(Conventional safety valve)

밸브 토출측 배압 변화에 직접적으로 영향을 받는 스프링 직동식 안전밸브입니다. 배압이 낮고 일정한 환경에 적합합니다. 구조가 단순하고 비용이 저렴하지만, 배압 변동에 취약합니다.

2.2 벨로우즈형 안전밸브(Balanced bellows safety valve)

토출측 배압 변화에 영향을 받지 않도록 설계된 스프링 직동식 안전밸브입니다. 배압이 변동하는 시스템에 적합합니다. 일반형보다 가격이 높지만 변동 배압 환경에서 안정적으로 작동합니다.

2.3 파일롯트조작형 안전밸브(Pilot-operated safety valve)

안전밸브 자체에 내장된 보조 안전밸브의 작동에 의해 주 밸브가 개방되는 구조입니다. 높은 정밀도가 요구되거나 큰 압력차가 필요한 곳에 적합합니다. 복잡한 구조로 인해 유지보수 비용이 높을 수 있습니다.

3. 안전밸브 선정 시 핵심 고려사항

3.1 설정압력(Set pressure)

안전밸브가 개방되도록 설정된 압력으로, 설비의 최고허용압력(MAWP) 이하로 설정해야 합니다. 일반적으로 최고허용압력의 100%를 설정압력으로 합니다. 설정압력의 허용 오차는 5bar 미만인 경우 ±0.14bar 이하, 5bar 이상인 경우 설정압력의 ±3% 이하로 관리해야 합니다.

 

예시: 최고허용압력이 42bar인 압력용기에는 보통 42bar(100%)로 안전밸브 설정압력을 지정합니다. 이 경우 허용 오차는 ±3%이므로 40.74~43.26bar 범위에서 안전밸브가 작동해야 합니다.

3.2 배출용량(Relieving capacity)

안전밸브가 배출해야 하는 유체의 양으로, 최악의 시나리오(화재, 냉각 실패, 화학반응 폭주 등)를 기준으로 산정합니다. 배출용량이 충분하지 않으면 설비 보호가 불가능합니다. 유체 특성과 공정 조건에 맞는 적절한 계산식을 사용하여 필요한 배출용량을 결정해야 합니다.

 

예시: 에틸렌 저장탱크에서 외부 화재로 인한 과압 시나리오를 고려한 경우, 열 입력 계산을 통해 약 50,000 kg/hr의 기체가 배출되어야 한다고 산출되었습니다. 이 용량을 처리할 수 있는 적절한 오리피스 크기의 안전밸브(예: 'Q' 사이즈)를 선정해야 합니다.

 

3.3 취급유체 특성

가스, 증기, 액체, 2상 유체 등 취급하는 유체의 종류와 물성에 따라 안전밸브 선정 방법이 달라집니다. 각 유체 타입에 맞는 계산식을 적용해야 합니다. 유체의 점도, 부식성, 독성 등도 중요한 고려 요소입니다.

3.4 배압(Back pressure)

안전밸브 토출구에 걸리는 압력입니다. 고정 배압과 가변 배압으로 구분됩니다. 배압이 높거나 변동하는 경우 벨로우즈형 안전밸브를 선택해야 합니다. 배압비율(배압/설정압력)이 20% 이상이면 일반형 안전밸브는 성능이 저하될 수 있습니다.

 

예시: 설정압력이 10bar인 안전밸브의 출구가 공용 헤더에 연결되어 있고, 이 헤더의 압력이 0~3bar로 변동합니다. 배압비율은 최대 30%(3bar/10bar)로, 일반형 안전밸브를 사용하면 성능 저하가 발생할 수 있습니다. 이 경우 벨로우즈형 안전밸브를 선택하여 배압 변동의 영향을 최소화해야 합니다.

3.5 초과압력(Overpressure)

안전밸브가 작동할 때 설정압력을 초과하여 상승하는 압력입니다. 일반적으로 최고허용압력의 10%를 초과하지 않도록 설계합니다. 화재 조건에서는 최대 21%까지 허용됩니다. 여러 개의 안전밸브를 설치할 경우, 첫 번째 밸브는 최고허용압력의 100%, 추가 밸브는 105%로 설정하는 것이 일반적입니다.

 

예시: 최고허용압력이 50bar인 반응기의 경우, 일반 운전 조건에서는 초과압력을 5bar(10%) 이내로 제한해야 합니다. 이 반응기에 두 개의 안전밸브를 설치할 경우, 첫 번째 밸브는 50bar(100%)에 설정하고 두 번째 밸브는 52.5bar(105%)에 설정합니다. 화재 시나리오에서는 최대 축적압력이 60.5bar(121%)까지 허용됩니다.

3.6 재질 선택

취급 유체와의 화학적 호환성, 온도 조건 등을 고려하여 적절한 재질을 선택해야 합니다. 주철(Cast iron) 재질은 설계압력이 13bar를 초과하거나 설계온도가 220℃를 초과하거나 0℃ 미만인 경우에는 사용할 수 없습니다. 부식성 유체를 취급하는 경우 스테인리스강이나 특수 합금을 고려해야 합니다.

4. 안전밸브 오리피스 크기 선정

안전밸브의 핵심은 적절한 오리피스 크기 선정입니다. 오리피스는 안전밸브 내부의 유체 통로로, 필요한 배출 용량을 확보하기 위해 충분한 크기여야 합니다. 표준 오리피스 크기는 D부터 T까지 알파벳으로 표기되며, 각각 고유한 면적을 가집니다.

오리피스 크기 선정을 위해서는 다음 정보가 필요합니다:

1. 설정압력
2. 배출용량
3. 취급유체의 특성(분자량, 비중, 온도 등)
4. 토출온도 및 설계온도
5. 배압 조건

계산된 필요 오리피스 면적보다 큰 표준 오리피스를 선택해야 합니다. 이때 임계흐름(Critical flow)과 비임계흐름(Non-critical flow) 여부에 따라 계산 방식이 달라집니다.

5. 안전밸브 설치 및 유지관리 지침

5.1 설치 위치

안전밸브는 가능한 한 보호하고자 하는 설비에 직접 연결해야 합니다. 안전밸브와 설비 사이에는 차단밸브를 설치하지 않는 것이 원칙입니다. 불가피하게 차단밸브를 설치해야 할 경우, 잠금장치를 통해 열린 상태를 유지해야 합니다.

5.2 입구 배관

안전밸브 입구 배관은 압력 손실을 최소화하도록 설계해야 합니다. 일반적으로 안전밸브 입구 연결부와 같거나 그 이상의 직경을 사용하고, 길이는 최대한 짧게 유지해야 합니다. 과도한 압력 손실은 안전밸브 성능 저하를 초래합니다.

5.3 출구 배관

출구 배관도 압력 손실을 최소화하도록 설계해야 합니다. 출구 배관의 무게가 안전밸브에 과도한 하중을 주지 않도록 적절한 지지대를 설치해야 합니다. 유해 또는 위험한 유체를 취급하는 경우 안전한 장소로 배출되도록 설계해야 합니다.

5.4 정기 점검

안전밸브는 정기적인 점검과 테스트가 필요합니다. 점검 주기는 공정의 위험도, 운전 조건, 유체 특성 등에 따라 결정됩니다. 일반적으로 1~5년 주기로 점검을 실시하며, 점검 시에는 설정압력 확인, 누설 여부 확인, 외관 검사 등을 수행합니다.

6. 여러 개의 안전밸브 설치

단일 안전밸브로 필요한 배출 용량을 확보하기 어려운 경우, 또는 정비 시 전체 시스템을 중단하지 않기 위해 여러 개의 안전밸브를 설치할 수 있습니다. 여러 개의 안전밸브를 설치할 경우 다음과 같은 설정을 권장합니다:

1. 화재 상황이 아닌 경우:
   • 첫 번째 밸브: 최고허용압력의 100%, 축적압력 116%
   • 나머지 밸브: 최고허용압력의 105%, 축적압력 116%
2. 화재 상황인 경우:
   • 첫 번째 밸브: 최고허용압력의 100%, 축적압력 121%
   • 나머지 밸브: 최고허용압력의 110%, 축적압력 121%

출처

본 글은 한국산업안전보건공단(KOSHA)의 'KOSHA GUIDE D-26-2012: 공정용 안전밸브의 기술지침'을 바탕으로 작성되었습니다. 추가적으로 API 526, API RP520, BS 6759 Part 1, 2, 3, ISO 4126-1 등의 국제 표준을 참고하였습니다.

 

자주 묻는 질문(FAQ)

1. Q: 안전밸브와 릴리프 밸브의 차이점은 무엇인가요? A: 안전밸브는 주로 압축성 유체(가스, 증기)에 사용되며 완전 개방 방식으로 작동합니다. 반면 릴리프 밸브는 주로 비압축성 유체(액체)에 사용되며 압력에 비례하여 개방됩니다. 두 장치 모두 과압 보호를 목적으로 하지만 작동 방식과 적용 분야가 다릅니다.
2. Q: 임계흐름과 비임계흐름의 차이점과 그 중요성은 무엇인가요? A: 임계흐름은 안전밸브 토출구에서의 유체 속도가 음속보다 큰 경우를 말하며, 배압이 임계흐름압력(Pcf) 이하일 때 발생합니다. 비임계흐름은 그 반대의 경우입니다. 이 구분은 안전밸브 오리피스 크기 계산식이 달라지므로 매우 중요합니다. 잘못된 계산식 적용 시 안전밸브가 과소 또는 과대 설계될 수 있습니다.
3. Q: 벨로우즈형 안전밸브는 어떤 경우에 선택해야 하나요? A: 벨로우즈형 안전밸브는 다음과 같은 경우에 선택하는 것이 좋습니다: 1) 배압이 변동하는 시스템, 2) 설정압력의 10% 이상의 배압이 예상되는 경우, 3) 부식성 유체를 취급하는 경우, 4) 밸브의 누설 방지가 중요한 경우. 벨로우즈는 배압 변화의 영향을 줄이고 디스크와 스프링을 부식으로부터 보호합니다.
4. Q: 안전밸브 테스트는 얼마나 자주 수행해야 하나요? A: 법적 요구사항과 공정 위험도에 따라 다르지만, 일반적으로 중요 서비스용 안전밸브는 1-2년마다, 덜 중요한 서비스용은 3-5년마다 테스트를 수행합니다. 고온, 고압, 부식성 환경이나 고위험 공정에서는 더 빈번한 테스트가 권장됩니다. 안전밸브 테스트는 압력 설정값, 누설 여부, 작동 상태 등을 확인합니다.
5. Q: 여러 개의 안전밸브를 설치할 때의 장점은 무엇인가요? A: 여러 개의 안전밸브 설치는 다음과 같은 장점이 있습니다: 1) 총 필요 배출 용량을 여러 밸브로 분산시켜 더 작은 크기의 밸브를 사용할 수 있음, 2) 다양한 설정압력으로 단계적 보호가 가능하여 모든 밸브가 동시에 개방되는 것을 방지, 3) 하나의 밸브가 고장 나도 부분적인 보호 유지 가능, 4) 유지보수 시 전체 시스템을 중단하지 않고 개별 밸브 점검 가능, 5) 설비 변경 시 유연성 확보.

 

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