안전밸브 종류

왜 배우는가: 안전밸브는 고압가스 설비와 용기의 과압 사고를 막는 핵심 안전장치이므로, 실무에서 설치와 점검의 기준이 된다. 이 개념은 출제 회차에서 종류와 작동 현상을 함께 묻는 형태로 나오므로 용어와 원리를 함께 익혀야 한다.

출제 이력: 제132회 1교시 11번, 제123회 4교시 3번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

안전밸브는 설비나 용기의 내부압력이 허용압력을 넘을 때 내부 유체를 방출하여 압력을 허용 범위 이하로 낮추는 압력방출장치이다.

안전밸브는 압력에 관한 안전장치이다. 설비 내부압력이 이상 상승하면 설비에서는 압력을 허용압력 이하로 떨어뜨리고, 용기에서는 내부의 가스를 밖으로 방출하여 설비와 용기의 파손을 막는다. 설비에 설치하는 경우와 용기에 설치하는 경우는 방출 대상이 다르다는 점에서 구분해야 한다. 학습과 답안 작성에 필요한 핵심 키워드는 다음과 같다.

• 안전밸브: 내부압력의 이상 상승을 막기 위해 유체를 방출하는 압력방출장치이다.
• 허용압력: 설비나 용기가 안전하게 견딜 수 있도록 정한 압력의 한계이다.
• 설정압력: 밸브가 열리기 시작하도록 미리 정해 둔 압력이다.
• 스프링식 안전밸브: 스프링의 힘으로 디스크를 누르고 설정압력에서 열리는 밸브형 장치이다.
• 파열판식 안전밸브: 얇은 금속판이 정해진 압력에서 파열되어 유체를 방출하는 장치이다.
• 가용전식 안전밸브: 저융점 합금이 열로 녹아 가스를 방출하는 용기용 장치이다.
• 릴리프밸브: 펌프, 배관, 압력용기 안의 액체 압력 상승을 막는 장치이다.
• 블로우다운: 밸브가 작동한 뒤 다시 닫히기까지 압력이 떨어지는 크기이다.

2. 개념 풀이

안전밸브는 설비와 용기의 내부압력이 허용압력을 넘지 않도록 유체를 자동으로 방출하는 장치이다. 설정압력에 도달하면 밸브가 열려 유체를 방출하고, 압력이 낮아지면 다시 닫혀 방출을 멈춘다. 외부 동력 없이 내부압력만으로 작동하므로 정전이나 제어 신호 이상과 무관하게 기능이 유지되는 것이 핵심이다.

설정압력은 허용압력 이하로 정해야 한다. 설정압력이 허용압력을 넘으면 설비가 파손되기 전에 밸브가 작동하지 못하므로, 안전밸브의 존재 이유가 사라진다.

작동 원리는 힘의 평형이다. 설비 내부 유체가 밸브 디스크를 밀어 올리는 힘이 스프링의 누르는 힘을 넘으면 디스크가 시트에서 떨어져 방출이 시작된다. 방출로 내부압력이 낮아져 두 힘이 다시 균형을 이루면 디스크가 시트에 닿아 밸브가 닫힌다.

핵심 용어는 다음과 같이 풀이한다.

• 리프트: 디스크가 시트에서 떨어진 높이이며, 방출량을 결정하는 기본 변수이다.
• 재착좌압력: 방출 후 밸브가 다시 시트에 닿아 닫히는 압력이다.
• 블로우다운: 설정압력과 재착좌압력의 차이이며, 설정압력에 대한 비율로 표시한다.

종류는 작동 방식에 따라 구분한다. 스프링식은 스프링의 힘을 이용하여 반복 작동이 가능하고, 파열판식은 기계적 구동부가 없어 단독 사용이나 스프링식과의 병용이 가능하다. 가용전식은 가용합금의 용융을 이용하는 용기용 장치이며, 가용합금은 융점 200℃ 이하의 저융점 금속이다. 릴리프밸브는 주로 액체 설비에 쓰이는 압력 상승 방지 장치로서, 안전밸브와 기능은 비슷하나 적용 대상이 다르다.

3. 등장 배경과 필요성

고압가스 설비와 용기는 내부 압력이 허용압력을 넘으면 파열되고, 유출된 가스가 폭발이나 화재로 이어지므로 과압을 자동으로 방출하는 장치가 필요하다. 펌프의 과다 가동, 유입 밸브의 오작동, 외부 열원에 의한 가스 팽창 등이 과압의 주요 원인이다. 안전밸브는 이러한 원인으로 압력이 올라갈 때 설비가 스스로 압력을 낮추도록 설치된다.

스프링식 안전밸브만으로는 신뢰성이 부족한 경우가 있다. 스프링이나 디스크가 고착되면 설정압력에서 작동하지 않을 수 있으므로, 이를 보완하기 위해 기계적 구동부가 없는 파열판식이 함께 사용된다. 파열판식은 단독으로도 설치할 수 있는 가장 간단한 구조이다.

화재 시에는 용기 외부의 온도가 올라가 내부 가스가 팽창하고 압력이 급격히 상승한다. 이러한 상황에서 일정 온도 이상에서 녹아 가스를 방출하는 가용전식이 용기용 안전장치로 쓰인다. 따라서 가용전식은 열에 의한 과압을 막는 목적에 맞는 장치이다.