안전밸브 설정압력·축적압력

왜 배우는가: 안전밸브의 설정압력과 축적압력은 압력용기 과압 보호의 기준이 되며, 공정안전과 위험성평가에서 설계압력 대비 비율을 묻는 문항이 반복해서 출제된다. 설정압력과 축적압력의 관계를 정확히 알아야 설치 대수에 따른 기준을 답안에 옮길 수 있다.

출제 이력: 제126회 1교시 7번, 제123회 1교시 8번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

안전밸브 설정압력은 계통 압력이 그 값에 도달하면 밸브가 작동을 시작하는 압력이고, 축적압력은 밸브가 방출할 때 용기 내부에서 허용되는 최대 압력이다.

키워드: 설정압력, 축적압력, 초과압력, 설계압력, 최고허용압력, 안전제한치, 압력방출장치, 과압

2. 개념 풀이

쉽게 말하면 안전밸브는 용기 압력이 너무 올라가면 스스로 열려 가스를 빼는 장치다. 그 열리기 시작하는 압력이 설정압력이다. 밸브가 열린 뒤에도 압력은 바로 떨어지지 않고 어느 정도 더 올라가는데, 이때 용기 안에 걸리는 최대 압력이 축적압력이다.

정식 정의로는 설정압력(Set pressure)은 밸브 디스크가 작동을 개시하도록 조정된 입구 압력이다. 축적압력(Accumulated pressure)은 밸브가 정격 용량을 방출할 때 보호 대상 용기 내부에 허용되는 최대 압력이다. 초과압력(Overpressure)은 축적압력과 설계압력(또는 최고허용압력)의 차이를 설계압력에 대한 백분율로 나타낸 값이다.

원리는 다음과 같다. 밸브가 정격 용량을 내보내려면 디스크가 완전히 열려야 하고, 열리는 데 필요한 압력차가 있다. 그래서 설정압력은 설계압력 이하로 두고, 축적압력이 설계압력을 넘지 않도록 여유를 확보한다.

관련 기준에서 설정압력은 계통에 연결된 최소 하나 이상의 압력방출장치에 대해 설계압력 이하로 정한다. 추가로 설치한 밸브는 설계압력보다 높게 설정할 수 있지만, 어떤 경우에도 계통압력이 안전제한치를 넘지 않아야 한다. 여기서 안전제한치는 설계압력의 110%다.

설정압력은 설계압력 이하이 기본 원칙이다.

3. 등장 배경과 필요성

압력용기는 열적 불균형, 과도한 펌프 유량, 화재 가열, 반응 폭주 등으로 설계압력을 넘을 수 있다. 과압이 계속되면 동체가 소성변형하거나 파열하고, 가연성 또는 독성 물질이 대량으로 누출된다. 이를 막기 위해 설계 단계부터 과압 보호장치를 두도록 기준이 정해졌다.

초기에는 설정압력을 설계압력과 같게 두는 경우가 많았다. 그러나 밸브가 열린 뒤 축적압력이 설계압력을 넘으면 용기 자체가 과압 상태에 놓인다. 이 때문에 축적압력에 허용 초과 범위를 두는 방식이 정착됐다.

여러 개의 밸브를 함께 쓰는 이유도 여기에 있다. 한 개의 밸브로 큰 방출량을 감당하기 어렵거나, 한 밸브가 고장 나도 나머지가 보호해야 하기 때문이다. 이때 설정압력을 서로 다르게 두어 순서대로 열리게 하면 방출 용량을 단계적으로 확보할 수 있다.

현재 국내 설계는 기기별 설계압력과 최고허용압력을 기준으로 삼는다. 설계 조건이 정해지면 설정압력과 축적압력의 상한이 자동으로 정해진다. 따라서 답안에서는 설계압력을 기준값으로 두고, 설정압력과 축적압력을 그 백분율로 나타내는 방식이 가장 명확하다.

4. 구성요소·원리·절차

안전밸브는 스프링, 밸브체(디스크), 노즐, 블로우다운 링으로 이루어진다. 설정압력은 스프링 힘이 유체 압력과 균형을 이루어 밸브가 열리기 시작하는 압력이다. 축적압력은 밸브가 설정압력을 넘어 최대 용량으로 방출하는 순간의 압력이다. 설정압력과 축적압력 사이의 차이가 초과압력이다.