안전밸브와 파열판

왜 배우는가: 안전밸브와 파열판은 보일러·압력용기의 과압을 막는 대표 방호장치이며, 설치 기준과 형식 구분이 법정 안전인증 기준으로 정해져 있어 기술사 시험에서 반복해서 출제된다. 두 장치의 작동 방식과 용어를 정확히 구분해야 답안의 감점을 줄일 수 있다.

출제 이력: 제138회 1교시 8번, 제114회 2교시 4번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

답안 첫 줄 정의:

안전밸브와 파열판은 설비 내부 압력이 설계 한도를 넘으면 유체를 분출시켜 압력을 낮추는 압력방출장치이다.

두 장치는 목적은 같지만 작동 방식이 다르다. 안전밸브는 설정압력에서 열리고 압력이 내려가면 다시 닫히는 재밀폐형이다. 파열판은 설정파열압력에서 판이 파열되어 한 번 작동하면 교체해야 하는 장치다.

핵심 키워드

• 설정압력: 설계상 정한 안전밸브의 분출압력이다.
• 분출압력: 디스크가 열림 방향으로 빠르게 움직여 유체를 분출시킬 때의 입구 쪽 압력이다.
• 분출정지압력: 디스크가 시트에 재접촉하거나 양정이 0이 될 때의 입구 쪽 압력이다.
• 분출차: 분출압력과 분출정지압력의 차이이며 압력 수치 또는 백분율로 표기한다.
• 배압: 안전밸브 출구 쪽에 걸리는 압력이다.
• 설정파열압력: 설계상 정한 온도에 따른 파열판의 파열압력이다.
• 양정식 안전밸브와 전량식 안전밸브: 디스크가 열릴 때 유로면적 특성으로 구분한 두 형식이다.

2. 개념 풀이

쉽게 말해 보일러나 압력용기는 내부 압력이 계속 오르면 터질 수 있다. 이때 안전밸브나 파열판이 먼저 작동해 내부의 증기나 가스를 빼내어 용기를 보호한다.

정식 정의는 다음과 같다. 안전밸브(safety valve)는 밸브 입구 쪽 압력이 설정압력에 도달하면 자동적으로 빠르게 작동하여 유체가 분출되고, 일정압력 이하가 되면 정상상태로 복원되는 방호장치다. 파열판은 판 입구 쪽 압력이 설정압력에 도달하면 파열되면서 유체가 분출되도록 설계된 금속판 또는 흑연제품의 방호장치다.

설정압력은 설계에서 정한 값이고, 분출압력은 실제로 디스크가 열려 유체를 뿜기 시작하는 순간의 입구 압력이다. 두 값은 같은 목표를 가리키지만 시험과 점검에서는 각각 따로 확인한다.

분출차는 분출압력과 분출정지압력의 차이다. 분출차가 너무 작으면 밸브가 짧은 간격으로 열렸다 닫히기를 반복할 수 있다. 그래서 설계 단계에서 분출차를 적정 범위로 맞춘다.

배압은 출구 쪽에 걸리는 압력이다. 배압이 높아지면 비평형형 안전밸브는 작동 특성이 직접 흔들린다. 이때 배압의 영향을 줄이도록 설계한 평형형 안전밸브를 선택한다.

양정은 최초 닫힘 위치에서 분출 중 열림 위치까지 디스크가 움직인 거리다. 양정은 시트 유로면적을 결정하므로 분출량과 직결된다.

안전밸브는 양정 크기에 따라 두 형식으로 나눈다. 양정식 안전밸브는 양정이 시트지름의 100분의 2.5 이상 100분의 25 미만으로 디스크가 열렸을 때 시트유로면적이 목부면적의 1.05배 미만인 밸브다. 전량식 안전밸브는 디스크가 열렸을 때 목부 면적보다 상당히 큰 시트유로면적이 형성되어 설계 분출량을 한꺼번에 내보내는 형식이다.

파열판은 모양에 따라 나눈다. 돔형 파열판은 파열 압력 방향으로 볼록한 형태이며 단판형, 복합형, 흠집 각인형, 절개형으로 세분한다. 역돔형 파열판은 파열 압력의 반대 방향으로 볼록하며, 돔이 반전되면서 칼날이나 전단력으로 파열된다. 평면형 파열판은 흑연 교환형이나 모노블록형처럼 평평하거나 우묵한 층을 가진다.

3. 등장 배경과 필요성

보일러와 압력용기는 열원 과잉 공급, 출구 차단, 반응 이상 같은 원인으로 내부 압력이 설계 한도를 넘을 수 있다. 이 과압이 그대로 유지되면 용기가 파열되고 주변 작업자와 설비에 큰 피해를 준다. 따라서 과압을 자동으로 빼내는 방호장치가 필요하다.

안전밸브는 압력이 떨어지면 다시 닫히므로 내용물 손실이 적고 반복 사용이 가능하다. 반면 파열판은 응답이 빠르고 밀봉성이 뛰어나 누설을 허용할 수 없는 설비나 부식성·점성 유체에 쓰인다. 두 장치의 장점이 다르므로 설비 조건에 따라 단독 또는 직렬로 설치한다.

파열판을 안전밸브 입구 쪽에 직렬로 두면 안전밸브 시트가 유체의 부식이나 이물질에 노출되는 것을 줄일 수 있다. 이때 파열판이 파열되어도 안전밸브가 과압을 받아낼 수 있도록 두 장치의 작동 압력과 유로 면적을 함께 검토해야 한다.

국내에서는 「산업안전보건법」 제83조제1항과 제2항에 따라 방호장치를 안전인증 대상으로 두고, 그 안전인증기준을 방호장치 안전인증 고시로 정한다. 이 고시의 제4장은 보일러 또는 압력용기 압력방출용 안전밸브, 제5장은 압력용기 압력방출용 파열판의 정의와 성능기준을 규정한다. 따라서 용어의 정의와 형식 구분은 이 고시를 기준으로 쓴다.

설계 측면에서는 설정압력과 최고사용압력의 관계, 배압과 분출량의 관계를 함께 고려해야 한다. 이 관계를 무시하면 방출 능력이 부족하거나 불필要한 개폐가 생겨 설비 안전과 운전 효율이 함께 떨어진다.

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4. 구성요소·원리·절차

안전밸브와 파열판은 용기나 배관의 내부 압력이 설계 한계를 넘으면 유체를 밖으로 빼내 압력을 낮추는 압력방출장치다. 두 장치는 작동 원리가 다르므로 구성요소와 작동 과정을 나눠 이해해야 한다. 안전밸브는 디스크와 스프링이 압력과 힘의 균형을 이루다가 설정압력에서 열리는 구조이고, 파열판은 얇은 금속판 또는 흑연판이 설정 파열압력에서 찢어지며 개구를 만드는 구조다.

표를 보면 안전밸브는 복원이 되고 파열판은 복원이 되지 않는다. 이 차이가 설치 위치와 병용 여부를 정하는 기준이 된다.

안전밸브의 작동 원리는 힘의 평형이다. 입구 압력이 올라가 디스크에 작용하는 힘이 스프링의 설정력을 넘으면 디스크가 열린다. 열린 뒤에는 디스크 면적이 넓어져 힘이 더 커지므로 빠르게 완전 개방된다. 이 현상을 팝 액션(popping action)이라 하며, 분출압력과 분출정지압력의 차이가 분출차다. 분출차가 너무 작으면 잦은 개폐가 생기고 너무 크면 압력이 과하게 떨어져 복원이 늦어진다.

• 양정식 안전밸브: 양정이 작아 시트 유로면적이 목부면적보다 작은 형식이다. 디스크가 열려도 유로가 좁아 용량이 제한된다.
• 전량식 안전밸브: 디스크가 열리면 시트 유로면적이 목부면적보다 상당히 커져 설계 분출량을 확보한다.

파열판의 작동 원리는 재료의 파단이다. 판 입구 압력이 설정파열압력에 도달하면 판의 응력이 재료 강도를 넘어 파열된다. 돔형 파열판은 볼록한 방향으로 압력을 받고, 역돔형은 압력에 의해 판이 반전되면서 칼날이나 홈을 따라 찢어진다. 흑연 파열판은 굽힘이나 전단으로 파열한다.

파열판 장치는 다음 절차로 구성된다.

• 설계압력과 설정온도에 맞춰 파열판 재질과 두께를 정한다.
• 파열판을 홀더에 끼워 파열판장치를 완전히 조립한다.
• 파열판장치를 용기 노즐이나 배관 플랜지 사이에 설치한다.
• 파열 후 배출되는 유체의 경로와 배압을 확인한다.
• 파열 후에는 파열판을 교체하고 홀더와 시트를 점검한다.

안전밸브의 설정 절차는 다음과 같다.

• 설정압력을 용기 설계압력 이하로 정한다.
• 스프링을 조정하여 설정압력에서 디스크가 열리도록 맞춘다.
• 냉각차 시험압력을 기준으로 시험을 수행하여 분출압력을 확인한다.
• 분출정지압력과 분출차를 확인한다.
• 설치 후 주기적으로 작동 시험을 한다.

핵심 관계식은 안전밸브 분출 조건의 힘 평형식이다.

$F_{\text{압력}}=P_{\text{set}}\times A_{\text{seat}}=F_{\text{spring}}+F_{\text{preload}}$

여기서 P_{\text{set}}은 설정압력(MPa), A_{\text{seat}}은 시트 면적(㎡), F_{\text{spring}}은 스프링력(N)이다. 식은 설정압력이 스프링 설정력으로 정해짐을 보여준다. 설정압력이 설계압력 이하여야 하는 이유도 여기서 나온다.

안전밸브는 힘의 평형으로 열리고 파열판은 재료의 파단으로 열린다

5. 관련 법령·기준·표준

안전밸브와 파열판의 성능기준과 정의는 방호장치 안전인증 고시에 있다. 고시는 「산업안전보건법」 제83조와 같은 법 시행령 제74조제1항제2호에 따른 방호장치의 안전인증기준을 정한다. 고시 제4장은 보일러 또는 압력용기 압력방출용 안전밸브, 제5장은 압력용기 압력방출용 파열판을 다룬다. 성능기준은 별표 3과 별표 4에, 시험방법은 별표 3의2와 별표 4의2에 따른다.

안전밸브 정의에서 나오는 핵심 기준은 다음과 같다.

• 양정식 안전밸브: 양정이 시트지름에 대해 기준이 정한 범위에 들고 시트 유로면적이 목부면적의 1.05배 미만인 밸브다.
• 전량식 안전밸브: 디스크가 열렸을 때 목부 면적보다 상당히 큰 시트 유로면적이 형성되는 밸브다.
• 분출차: 분출압력과 분출정지압력의 차이로, 압력 수치 또는 백분율로 표기한다.

파열판 정의에서 나오는 핵심 기준은 다음과 같다.