목 차

제 1 장 압력방출장치(Pressure Relieving Devices)

1.1 일반 ----------------------------------------- 1

1.2 용어 정의 ----------------------------------------- 1

1.3 긴급사태와 우발사고 --------------------------- -------------- 3

1.4 압력방출장치의 종류와 선정 ----------------------------------------- 5

1.5 압력방출장치가 필요한 기기 ----------------------------------------- 8

제 2 장 필요 취출량 (Relieving Load Calculation)

2.1 일반 ----------------------------------------- 10

2.2 외부화재 ----------------------------------------- 10

2.3 유틸리티 단절 -------------------------------- --------- 14

2.4 기기 및 계기의 오작동 ----------------------------------------- 18

2.5 기타 ----------------------------------------- 20

제 3 장 안전밸브 (Safety and Relief Valve)

3.1 설계필요조건 ----------------------------------------- 10

3.2 취출조건 ----------------------------------------- 14

3.3 안전밸브의 필요 취출면적 ----------------------------------- ------ 18

3.4 안전밸브의 설치 ----------------------------------------- 20

제 4 장 기타 안전장치 ----------------------------------------- 22

4.1 폭발해치(Explosion hatch) ----------------------------------------- 22

4.2 통기장치 (Venting Devices)

6.1 일반 ----------------------------------------- 23

6.2 설계 필요조건 ----------------------------------------- 23

6.3 통상시 통기량 ----------------------------------------- 26

6.4 긴급시 통기량 ----------------------------------------- 27

4.3 내용물 방출장치(Blowdown Devices)

7.1 일반 ----------------------------------------- 28

7.2 내용물 방출장치의 종류 ----------------------------------------- 28

7.3 내용물 방출장치를 필요로하는 기기 ----------------------------------------- 28

7.4 긴급감압밸브(Depressuring Valve) ----------------------------------------- 28

7.5 긴급액방출장치(Liquid Blowdown Valve) ----------------------------------------- 30

7.6 밸브의 종류 및 선정 기준 ----------------------------------------- 30

4.4 긴급 차단장치 ----------------------------------------- 30

첨부 MISCELLATION LOAD CALCULATION ------------------------------------- ---- 31

기타 참조사항

제 1 장. 압력방출장치(Pressure Relieving Devices)

이 자료는 주로는 석유정제 및 화학공업에 이용되는 PSV, RUPTURE DISC, BREATHER VALVE, EMERGENCY

HATCH 등의 압력방출장치와 더불어 EMERGENCY VENTING VALVE등의 내용물 방출장치의 설계기준에 관하여

기술한 것이다.

1.1 일반

석유정제 및 화학공업에서 쓰이는 대부분의 기기는 그 용량이나 기능 여하에 관계없이 설계압력을

넘는 이상 상태에 처할 가능성이 있다. 운전자가 운전중의 이상이나 긴급시의 급격한 압력상승을

정지시키거나 제어하는게 불가능한 경우를 위해 자동적으로 작동하는 압력방출장치가 요구되고, 이

압력방출장치의 기준에 관하여는 각국의 법적 규제를 받는 경우가 많다. 설계자는 압력방출장치가

설치된 기기 및 process 장치의 특성을 충분히 이해하고 나서 관련된 법규, 기준을 만족하고 동시에 법

규제를 받지않는 부분에 대하여서도 안전성을 고려하여 설계를 해야 한다.

1.2 용어 정의

1.2.1 일반

과압(過壓) - Overpressure, 토출(吐出) - Discharge, 취출(吹出) - Relieving, 최대허용압 - MAWP

파열판 - Rupture Disc, 안전밸브 - PSV, 조절밸브 - Control Valve

1) Contingency (우발사고)

긴급사태의 기본적 원인이라고 할 수 있는 우발적으로 생기는 일. 단, 하나의 우발사고는 단지

하나의 이상상태를 뜻한다.

2) Emergency (긴급사태)

사람이나 기기를 위험에 드러내게 한 이상상태를 말한다.

3) Single Risk (단독 리스크)

하나의 우발사고에 의해 발생하는 긴급사태를 말한다.

4) Pressure Relief Devices (압력 방출 장치)

어떤 시스템 또는 어떤 부분에 있어서 내부의 압력이 설정압에 도달했을 때 자동적으로 유체(액체,

증기, 가스)를 방출하는 장치를 말한다. 압력 방출장치에는 여러 종류가 있어서 전형적인 PSV

이외에도 Rupture Disc, Breather Valve, Emergency Hatch 등이 있다.

5) Blowdown Device (내용물 방출 장치)

화재나 폭주반응 등의 비상시에 2차 화재방지, 장치보호, 또는 평상시의 운전조정을 위해 시스템

내의 압력을 이용하여 원격조정, 또는 현장에서 수동에의해 그 시스템으로부터 내용물을

의도적으로 방출하는 장치를 말한다. vapor를 방출하는 Vapor Depressuring Valve, Liquid를

방출하는 Liquid Blow Down Valve, 및 이들의 병용으로써의 Vapor Blow Down Valve가 있다.

6) Safety and Relief Valve (안전밸브)

Upstream의 Static Pressure로 작동하는 자동 압력 방출장치를 말한다. API의 분류에 의하면 Relief

Valve는 Upstream Pressure가 증가함에 따라 그만큼 밸브가 열리는 형을 말하고, Safety Valve는

순간적으로 완전히 열리는 Pop Up Action의 특성을 갖고 있는 형을 말한다. 통상은 PSV라고 하면

이 두 형식을 포함하고 있고 별도로 구별하고 있지 않는다. Conventional형 또는 Balanced형 같은

PSV의 형식이나 압력방출장치의 종류에 관하여는 1.4 항의 압력방출장치의 종류와 선정을 참조

7) Drain

장치기기의 bottom에 체류한 액을 임의로 배출하기 위한 배출부를 말한다. 주로 운전 개시 및

정지시에 사용된다.

8) Vent

장치기기나 배관의 Top에 설치하여 대기중의 가스나 증기를 임의로 방출하기 위한 배출부를

말한다. 주로 운전 개시 및 정지시에 사용된다.

1.2.2 온도

1) 사용(使用)온도 (Operating Temperature)

긴급사태시 유체온도를 말한다. 고온측에 위험이 있는 경우에는 최고온도, 저온측에 위험이 있는

경우에는 최저온도를 말한다.

2) 설계온도 (Design Pressure)

운전온도를 근거하여 설비에 대하여 설계상 정해진 온도를 말한다.

1.2.3 압력

1) 사용압 (Operating Pressure)

긴급사태시 유체압력를 말한다. 압력용기의 경우 “top 에서의 최대압”을 말한다.

2) 설계압

기기의 최소 두께 결정시 기준으로써 채용되는 압력으로 운전압을 기준으로 설비의 내용(耐用)

성능을 정할때의 압력을 말한다. 단 압력용기의 경우는 수두압이 있는 경우는 각부분의 설계압력에

수두압을 더한다. 설계압력은 결코 최대 운전압 이상이 될 필요는 없다. 실제 두께를 알수 없는

경우에는 설계압력은 최대 운전압으로 간주해도 된다.

3) 최대 허용 운전압 (MAWP)

실제로 사용되는 재료, 제작방법등으로부터 그 설비에 허용가능한 최대 사용압력을 말한다.

(부식여유를 뺀 실제 두께로서 강도상 사용이 허용되는 최대 압력). 설계압 대로 제작된

것이라는게 확인된 기기에 대하여는 최대 운전압을 계산할 필요 없이 설계압을 최대 운전압으로

간주해도 된다.

4) 설정압 (Set Pressure)

PSV가 열리도록 조정된 입구압력을 말한다. 1개만 설치된 PSV의 설정압력은 통상 보호되는 기기의

설계압과 같다. 그러나 최대 운전압이 확정돼 있으면 설정압력은 최대운전압 이하로 해도 된다.

두개 이상의 PSV를 설치하는 경우에는 하나의 PSV는 위에 기술한것과 같이 설정해야하지만 다른

PSV는 설계압의 105%(화재의 경우는 110%)로 설계할수 있다. 단 허용되는 Accumulation은 그만큼

감소되어야 한다. 즉 일반 Accumulation은 10%(화재의 경우는 21%)이하이지만 2nd PSV는 5%(화재의

경우는 11%)이하로 해야한다.

5) Back Pressure

방출배관계에 접속된 PSV의 출구측 압력으로 다음의 두 종류가 있어 각각의 PSV의 형식에 따른

설계상 허용치가 있다.(1.3항 참조)

a) Superimposed Back Pressure - PSV가 열리기 전 이미 출구측에 존재하는 정압력을 말한다. 이

압력은 방출배관이 일정한 압력을 갖는 용기 등에 접속된 경우 및 다른 PSV가 토출됨에 의해

생긴 파급된 경우에 생긴다.

b) Built Up Back Pressure - PSV가 토출된 경우 그 배출물이 방출 배관계를 흐를때 생기는

압력을 말한다. 따라서 다음 식에 의해 표현된다.

Built Up Back Pressure = Superimposed Back Press. + PSV 가 작동할때 header에서의 압력손실

6) Spring Pressure

Conventional 인 경우에는 Spring Pressure는 설정압으로부터 5)항의 Superimposed Back Pressure를

뺀 값과 같다. Balanced 인 경우에는 Spring Pressure는 설정압과 같다.

7) Maximum Relieving Pressure (토출량 결정압력)

PSV 설정 토출 유량을 계속하여 방출할 때의 입구 압력을 말한다. 통상 최고운전압력

(일반적으로는 설계압력)의 110%(단 화재시는 121%) 이하의 압력으로 한다.

8) Start-to-open Pressure

실제로 PSV가 열리기 시작하는 압력으로 출구측에서 미량의 가스유출이 검지될때 입구측 압력

9) Opening Pressure

실제로 PSV가 작동하여 유체가 본격적으로 취출될때 입구측 압력으로 계측 가능한 정도의

Lift상태이든지 혹은 연속 배출 상태를 감지할수 있는 상태를 갖게하는 입구측의 압력을 말한다.

10) Over Pressure

PSV가 작동하여 토출하고 있을때 PSV의 설정압을 넘어 상승한 압력과 설정압과의 차

11) Accumulation

PSV가 작동하여 토출하고 있을때 Vessel이 MAWP를 넘어 상승한 압력과 MAWP와의 차.

12) Spring PSV의 작동에 관한 기타용어

a) Pressure Rating - PSV의 압력 Class 를 표시하는 것으로 운전 가능한 범위를 정리한 것

b) Reseating Pressure - Opening Pressure로부터 감압되어 방출이 정지되는 압력.

(새는 가스가 있어선 안된다)

c) Blow Down - Opening Pressure와 Reseating Pressure와의 차

d) Seal off - Maximum Relieving Pressure로부터 감압하여 방출이 정지되는 압력.

(새는 가스가 있어선 안된다)

1.3 긴급사태(Emergency)와 우발사고(Contingency)

어떠한 긴급사태도 특정 원인에 의한 우발사고로부터 생긴다. 일어날수 있는 모든 긴급사태를

제거하는 설비를 설치하는 것은 일어날 가능성도 매우 적은데 비해 경제적으로도 불합리한 판단이다.

그리고 2개 이상의 독립된 우발사고가 동시에 발생하는 확률은 매우 적다. 예로 Control valve

failure와 CW failure등의 두개 이상의 우발사고가 동시에 발생하여 긴급사태가 발생하는 것을

고려하여 안전기기를 설계하지는 않는다. 단, 하나의 우발사고에 의한 2차적 사고는 동시에 고려해야

한다.

모든 장치나 기기는 개별적으로 검토하되 예상되는 모든 우발사고에 대하여 검토하고 각 기기의

안전장치는 예상되는 하나의 우발사고 가운데 최대부하를 기준하여 용량을 정한다.

어떤 긴급사태가 하나 이상의 기기에 해당될 때는 모든 기기를 포함하여 고려해야 한다. 하나의

우발사고에 의한 긴급사태는 “단독 Risk”라고 부른다. 어떤 시스템의 안전장치에서 최대부하가

생기는 단독 Risk가 “Max. Single Risk”라 불리고 설계기준이 된다.

긴급사태는 일반적으로 외부의 화재나 운전상의 사고로 일어난다.운전상의 사고에는 유틸리티사고,

기계적고장 및 오조작등의 우발사고가 포함된다.이때 Fail-safe device나 automatic start-up

equipment는 물론 Interlock system도 safety valve를 대신할수 없다.(API RP 521 Ssec 2.2의 해석)

1.3.1 Single Fire Risk

Single Fire Risk에 포함되는 구역을 결정하려면 “접근용이성”과 “공간”의 두 요소를 고려해야한다.

Single Fire Risk구역은 소방기재나 사람이 모든 방향으로부터 접근할수 있는 최소의 기기군으로부터

구성된다. 그러나 “접근용이성”에 관계없이 서로의 수평간격에서 6m 이내의 기기로 구성되는 구역은

Single Fire Risk로 취급된다

단 상기의 일반규칙은 장치내의 적당한 drain 설비가 설치돼 있는 것이 전제된다.

동일한 화재를 당한 지역의 넓이는 지면을 기준으로 230-460m2 (직경17-24m)으로 하되, 기타

구역일지라고 견고한 둑이나 poll fire가 되는 지역은 함께 고려하고, 높이는 바닥으로부터 7.6 m

이내로 한다.(API RP 520 D4, API RP 521 sec 3.19.2.2, API RP 521 sec 5.2.2, API RP 521 A4)

1.3.2 Utility Failure

신뢰할수 있는 Utility 를 갖춘 공장은 전체사고가 일어날수 있는 기회는 거의 없으므로 안전설비가

전 공장에 걸친 Utility Failure 를 기준하여 설계되는 경우는 거의 없다.

하지만 Utility의 예비를 갖지 않은 작은 공장이나 신뢰성이 떨어지는 utility설비를 가진 공장에서는

각각의 장치에 대해 각각의 Utility Failure 를 상정한 기준으로 검토해야한다.

어떤 Utility가 다른 Utility에 미치는 직접적인 영향에 관해서도 고려해야한다. 예로 steam turbine

발전기로 발전하고 있는 공장에서 steam생산이 정지되면 전력의 공급도 정지되게 된다.

긴급사태로서 다음과 같은 Utility Failure 는 자주 경험하고 있어서 안전설비 설계상의 기준으로

해야한다.

1) Electric Failure

공장이 전원에 요구하는 신뢰성 때문에 수전방식, 자가발전, 및 공장내 배전방식이 다음처럼

결정되어 공장 전역에 걸친 정전에 의한 긴급사태는 일반적으론 고려하지 않는다.

a) 일회선 수전방식이 채택된 경우는 매우 신뢰성이 낮다. 이 경우는 중요부하의 비상용 전원을

확보하기 위하여 비상용 발전기 (steam turbine, gas turbine 또는 엔진 구동) 또는 AC 무정전

전원설비가 설치된다.

b) 병행2회 수전방식은 일회선 수선방식보다 신뢰성이 높고, 공장에서의 이차배전계통의 2차측

선택절환방식을 채용하여 더욱 신뢰성을 높일 수 있다.

c) 병행2회 수전방식에서 일차측 절환 방식의 경우 신뢰성은 앞의 2차측 선택절환방식보다 못하다.

더 높은 신뢰성이 요구되는 경우는 위 배전방식 이외의 루프 배전방식,예비회선 수선 방식,

Spot network 배전방식 등이 있다.

위처럼 신뢰성이 높은 배전방식일지라도 배전계통의 말단은 방사상 배전이 되므로 최소단위의

배전계통에서의 정전은 피할수 없고(부분정전), 이 부분정전에 의한 긴급사태는 고려해야한다.

단 이 경우 공장 또는 장치를 안전하게 정지시키기 위하여 필요한 계기용, 조명용, 작동용의

비상전원 장치가 필요하다.

배전방식 및 비상용 전원에 관계된 상세는 전기담당자와 협의 할 것.

2) Cooling Water Failure

주 Header로부터 장치용 분기배관을 분리할수 있도록 경계 Block valve가 설치된 경우는 장치내

분기 배관만의 사고를 상정하면 된다.

신뢰할수 있는 Utility원을 가진 공장에서는 주 Header사고는 고려하지 않는다. 만일 주 Header

사고가 일어난 경우에는 긴급 운전정지가 일어난다

3) Steam Failure

냉각수처럼 장치내의 경계에 Main Block Valve가 설치된 경우 장치내 Steam 분기 배관 사고는 그

장치에만 국한시켜 상정한다

4) Air Failure

계기는 IA Failure에 의해 야기될 긴급사태를 최소화 하도록 설계하지않으면 안된다. 단 계장용

공기 공급설비는 신뢰성 높은 Utility원을 확보하도록 해야한다.

Control valve는 normally open이고 Air failure function은 emergency 상황에서 그 기능을 수행하지

못한다.

공사용 Air의 공급정지의 영향은 Steam, Cooling Water와 같은 기준으로 검토해야한다.

5) Fuel Failure

연료공급이 정지된 경우도 검토해야한다.

1.3.3 기계적 고장

조절변, 공기냉각기, 펌프, 열교환기, 가열로의 튜브파손, 배관의 막힘등을 고려하지않으면 안된다.

1.3.4 오조작

밸브의 개폐시 오조작이 안전설비의 sizing에 있어서 지배적인 인자로 되는 경우가 있으므로

고려해야한다.

1.3.5 내부폭발 및 이상 화학반응

1.3.6 화재 이외의 열 유입에 의한 열팽창이나 증발

1.3.7 증발성 물질의 혼입

1.4 압력방출장치의 종류와 선정

1.4.1 일반

기기에 생기는 과압을 자동작동에 의해 방지하는 압력방출장치에는 아래의 종류가 있다. 어떤

압력방출장치를 선정하는가 하는 것은 압력방출 조건이나 설치장소, 특히 방출부등을 포함한 고려할

필요가 있다.

1.4.2 PSV (Safety and Relief Valve)

미리 설정된 설정압력에서 압력 방출을 하는 장치로 석유 정제나 화학공업에 더욱 널리 이용된다.

PSV는 그 작동방법에 의해 Spring 형, Lever Weighte 형, Pilot 작동형으로 분류된다. 특수 용도 이외는

Spring 형을 선정한다.

1) Spring 형

Spring 형은 Spring 의 반발력을 이용하여 압력 방출을 하는 것으로 Conventional 형과

Balance형으로 분류된다.

Conventional 형이 훨씬 일반적으로 이용되지만 Back Pressure 변동에 의해 토출 압력에 변동을

주며 토출 용량에 영향을 주기 때문에 Built-up Back Pressure가 PSV의 설정압력(gauge)의 10%를

넘는 경우는 Balance형을 사용해야한다.

balance형에는 Piston형과 Bellose형이 있는데 통상 사용되는 것은 Bellose형이다. (API RP 520 Par

2.4.4)

Bellose형은 PSV disc에 걸리는 Back Pressure의 영향을 Bellose에 의해 평형시키는 구조로

토출압력및 토출용량에 대한 Back Pressure 의 영향이 적은 형이다. 이를 위해 Balance형 PSV는

Back Pressure를 크게 취할수 있기 때문에 방출관 size를 작게 할수 있지만 Built-up Back

Pressure(gauge)를 50% 이내로 해야한다. 따라서 동일한 방출관에 여러개의 PSV가 접속돼 있고

그것들의 설정압력의 범위가 넓은 경우에는 배출관의 복수화를 포함한 전체적인 재검토가

필요하다.

또한 Spring형 PSV에는 조작 Lever가 부착돼 수동개폐가 가능한 PSV도 있어 증기방출용으로 종종

사용된다.

그 밖에 특히 기밀성이 요구되는 경우에는 O Ring이 부착된 PSV를 이용하는 때도 있지만 특수용도

이외에는 사용할수 없다. 또한 Spring 형 PSV는 Lift와 Nozzle의 면적비에 의해 저양정, 고양정,

전양정 및 전량식으로 구분할수 있으나 특별한 규정이 없는 경우는 토출계수(Discharge

coefficient)를 최대로 갖는 전량식을 사용하는게 가장 경제적이다. 단 저양정 PSV는 size는

크지만 Blowdown이 작다는 이점이 있다.

2) Pilot 작동형

Pilot 작동형은 전기나 공기등에 의해 작동하는 것과 스스로의 압력에 의해 작동하는 것이 있다 .

전자는 필요 Utility 공급이 중단되면 작동하지 않는 결점이 있어 법규상 안전장치로서는 인정되지

못해 최근에는 거의 이용되지 않는다.

Pilot 작동형을 쓰는 것은 다음같은 조건의 경우다.

a) 상용압력과 설정압력이 매우 근접한 경우 (상용 압력이 설정압력의 95%)

b) 전단계누출(토출이 시작되는 압력으로부터 토출압력까지 도달하는 상태)을 방지하고 싶을때

c) Blowdown 압력이 극도로 작게 요구되는 경우

d) 인입관 압력손실이 큰 경우 압력을 pickup 한다면 사용될수 있다.(API RP 521 sec 5.4.1.1)

다시말하면 Spring형으로는 작동상태에 대한 허용범위가 문제가 되는 경우, 고압장치나 1

kg/cm2G 이하의 상압장치에 주로 이용되지만, 부식성 유체나 중합 또는 coking이 일어나기 쉬운

물질을 취급하는 장치에는 쓰면 안된다.

인입관 압력손실이 큰 경우 압력을 pickup 한다면 사용될수 있다.(API RP 521 sec 5.4.1.1)

1.4.3 파열판(Rupture Disc)

파열판은 설정압력에서 파괴되도록 설계된 얇은 판으로 일반적으로 재질은 금속이고 사용조건은

다음의 경우에 한한다.

1) 작동할 가능성이 거의 없는 경우

2) 폭발 또는 이상반응 등으로 압력상승이 매우 급격해 Spring형 PSV로 작동성능이 충분치 않은 경우

3) 유체의 조그마한 누출도 허용할수 없는 경우

4) 점도가 높은 유체를 방출하는 경우

5) 부식성 유체에 의해 PSV의 작동에 영향이 있다고 생각되는 경우 보호해야할 기기와 PSV의 사이에

설치하여 통상운전시에는 PSV는 내용물에 접촉하지 않도록 하는 경우 (이는 Spring형 PSV와

파열판의 직렬 설치로 둘을 합쳐 복합 PSV라고 칭한다.)

파열판의 선정 및 설계기준은 ASME Boiler and Pressure Vessel Code Sect. VIII, Div.1 UG -127 에

따르도록 한다.

1.4.4 통기장치 (Venting devices)

1) Breather Valve

Breather Valve는 tank내부의 압력을 일정한 범위로 유지하기 위하여 대기와 자동적인

흡배기작용을 하는 system을 가진 밸브로 일종의 안전밸브라고 할수 있다. 주로 원유나 정제유

따위의 저장 tank의 최상부에 설치하여 이용한다. 상압 tank는 기온의 변화 외부화재등에 따라

내용물이 팽창,수축 또는 증발할때 또는 pumping에 의한 내용물의 공급이나 배출시에 tank의

내압이 변화한다.

Breather Valve는 크게 분류하여 중량식, lever추식, spring식이 있으나 중량식이 널리 쓰이고

나머지는 중량식보다 고압의 경우에 쓰인다.

Breather Valve의 설계기준은 6항을 참조한다.

2) 진공방지밸브(Vacuum relief Valve)

Vacuum relief Valve는 Breather Valve에 있어서 흡기작동만을 하는 밸브다.

3) 압력누출밸브(Pressure relief Valve)

Pressure relief Valve는 Breather Valve에 있어서 배기작동만을 하는 밸브다.

1.4.5 폭발해치(Explosion Hatch)

대기압 가까운 압력으로 운전하다가 운전중에 내부폭발을 일으킬 가능성이 있는 곳에 쓰인다. 구조는

보호해야할 기기의 최상부에 설치하고 힌지(hinge)로 고정한다. 이 축의 중량이 설정압력에 맞도록

설계되는데 기기와의 밀착은 불가능하다. 따라서 저압기기로부터 순간적인 대량의 vapor를 방출하는

경우에만 사용된다. Explosion Door 등도 이런 종류다. 노 등에 설치된 해치의 설계기준은 5항을

참조한다.

1.4.6 Liquid seals

설정압력이 1kg/cm2G 이하에 대한 안전밸브는 신뢰성이 약하다. 이를 위해 알콜증류탑이나 Flare seal

drum등에는 liquid seal을 이용하여 압력을 유지하는 방법을 쓴다. Liquid seal은 통상 U자형 관이나

마노메터 형으로 물, 수은, 또는 다른 액체를 충진시킨 것이 많이 쓰인다.

1.5 압력방출장치가 필요한 기기

1.5.1 일반

화재 또는 운전중의 사고에 의해 설정압력을 넘는 압력에 달할수 있을 것이라고 생각되는 기기에

대하여는 압력방출장치를 설치하지않으면 안된다. 구체적으로는 다음과 같다.

1.5.2 압력용기

Tower, Vessel, Tank (Storage tank 포함) 등의 압력용기는 ASME Boiler and Pressure Vessel Code Section

VII Div.1 UG-125, UG-126 에 압력방출장치의 규정이 설명돼있다. 그 외 나라별로 그 설치가 규정돼

있다. 한국내에선 고압가스취급법(HPGCL) 및 산업안전관리법에 규정돼 있다. 단 감압탑이나

접촉분해재생탑 등 대기에 개방돼있어 긴급사태에서도 이것을 통해 과압이 방지된다면 안전밸브는

필요치 않다.

1.5.3 다관식 열교환기

다음의 경우 압력방출장치의 설치를 고려해야한다.

1) 고압측 설계압이 저압측 설계압의 1.5 배 이상되는 경우, 튜브 파열에 의한 고압측 유체의 토출을

고려하여 저압측에 압력방출장치를 설치한다.

2) 저온측 유체가 출입구의 Block Valve로 막혀 고온유체만 유입할 경우가 있다면 저온유체의

열팽창이나 증발에 의한 과압을 방지하기위해 압력방출장치를 설치한다.

1.5.4 Pump 류

1) 원심펌프에 있어서는 통상 불필요하지만 Casing 및 토출측 기기의 설계압력이 Pump의

최대토출압력보다 작은 경우 안전밸브가 필요하다.

2) 왕복동 Pump, Screw Pump, Gear Pump에 있어서는 토출측 막힘에 의해 실린더내의 압력상승을

방지하기위해 안전밸브가 필요하다. 통상 안접밸브의 설정압력은 상용 토출압력보다 1.8 kg/cm2,

또는 10% 높은 압력보다 어느 정도 크도록 한다.

1.5.5 가열로

가열로 출구측에 조절밸브나 그 밖의 Block Valve, Restriction Orifice등이 설치된 경우는 유체의

정지에도 불구하고 가열이 계속됨에 따라 압력의 상승을 생각할수 있으므로 안전밸브의 설치가

필요하다. 단 Block Valve가 CSO인 경우는 불필요하다.

안전밸브의 설치는 원칙적으로 가열로와 Block Valve의 사이로 한다. 특히 가열로로 들어가는 Feed가

100% 가스인 경우는 안전밸브를 가열로의 입구에 설치하면 안전밸브 토출시에 가열로 튜브에 유체가

흐르지 않고 튜브가 내열한계를 넘어 파괴될 우려가 있으므로 필히 가열로 출구에 설치한다.

가열로 입구조건이 다음에 해당하는 경우 안전밸브의 설치는 가열로 입구측으로 할수있다.

1) Feed 전부 또는 일부가 액체

2) 가열로 출구측에 설치하면 안전밸브 입구에서 Coking이 일어날 우려가 있는 경우

3) 안전밸브의 입구를 스팀 등으로 Purge할수 없는 경우

Multi-Pass의 가열로에 대해서는 Block Valve에 의해 안전밸브가 작동치 않는 Pass가 없도록

설치해야한다. 가열로 입구에 안전밸브를 설치하는 경우 설정압력은 송입 Pump의 Shut off press.로

하고, 토출 유량및 온도는 통상 운전에 있어서 가열로 출구 조건으로 한다.

1.5.6 Surface Condenser형 터빈

Condenser 로 들어가는 냉각수 정지나 그 외 운전중의 사고에 의한 과압을 방지하기 위해 Turbine의

스팀 출구측에 특수한 안전 밸브를 설치한다.

이 안전밸브 sizing에 관하여는 4.3.7항에 기술한다.

1.5.7 배압 터빈 (Back Pressure형)

Pump의 Driver로 이용되는 소형 저배압의 배압터빈에는 안전밸브를 설치하지 않는다. 단 안전밸브를

설치하지 않은 경우는 터빈에 부속되어있는 작은 용심변으로 작업자의 오조작 방지에 철저를 기한다.

단 스팀 입구 압력이 10 kg/cm2G 이하의 배압터빈에도 안전밸브는 불필요하지만 작업자에게 스팀

입구밸브를 닫기 전에 배기측 밸브를 닫지 않도록 주의시켜야한다.

고배압의 대형 터빈은 터빈의 Casing 보호를 위해 안전밸브가 필요하다. 배기압력이 7 kg/cm2G 이상의

축기터빈은 배출증기의 변동에 의한 Casing의 과압을 야기하는 경우가 있다.

안전밸브는 Process장치에 영향을 주지 않도록 터빈에 통상 스팀 유량으로 sizing 한다. 안전밸브의

설정압력은 배기압의 110%를 최저로 하여 터빈 Casing의 설계압력을 초과하지 않는 범위로 한다.

1.5.8 Compressor

1) 원심압축기에 있어서는 출구배관, 토출측 기기 및 압축기 Casing의 설계압력이 압축기

Surging압력보다 낮은 경우는 안전밸브를 필요로 한다. 보통 원심압축기의 Casing 설계압력을

낮게하고 안전밸브를 설치하는게 유리하다.

2) 왕복동 압축기에 대해서는 토출측의 Block에 의해 과압으로부터 기기를 방지하기 위해 토출측 및

중간단에 안전밸브가 필요하다. 설정압력은 정격 토출압력의 110%, 또는 1.8 kg/cm2을 더한 압

중에서 큰 것으로 한다.

3) 압축기에 설치한 안전밸브의 방출부는 압축기 흡입측이나 Flare등 계외의 안전한 장소로 한다.

4) 안전밸브 토출량은 토출조건에 해당하는 압축기 용량으로 한다. 원심 압축기에서는 특히 고압의

경우 Surging에 의한 기기손상의 우려가 있다. 따라서 원심압축기의 안전밸브는 토출조건에서

Surging을 피하도록 설계해야한다.

5) 압축기에 붙은 Drain, Separator나 중간냉각기의 안전밸브에 관하여는 각각의 기기의 항목을

참조하라.

1.5.9 Boiler

Boiler에 대한 안전밸브의 설치기준은 ASME Boiler and Pressure Vessel Code Section I 에 정해져 있는것

외에, 나라마다 규격이 준비돼 있다.

1.5.10 배관

Process 장치내의 통상운전에 있어서 액이 체류해 있는 내경 inch 이상의 배관은 외부 화재시의 액

증발에 의한 과압을 방지하기 위해 안전밸브가 필요하다.

Yard 배관등 지상에 설치하는 장거리 배관은 태양 복사열이나 스팀, Drain에 의한 액팽창이 일어날

가능성이 있고 액팽창에 의한 Overpressure는 매우 큰 파괴력을 갖는다. 액팽창에 의한

Overpressure로부터 배관을 보호키 위해 다음의 방법을 쓴다.

1) 1 inch이상의 By pass line을 설치하고 여기에 check valve를 추가하여 Block Valve의 하류측에서

상류측으로 소량 되돌린다. 혹시 check valve로부터의 누출이나 역류가 문제될 땐 By Pass Line에

Block Valve와 압력계를 설치, 작업자의 정기감시때 과압방지의 By Pass Block Valve를 연다.

2) 액이 체류된 Line에 1 inch의 안전밸브를 설치한다. 이 안전밸브는 Tank block Valve의 가까이에

설치하되 안전밸브 입구/출구에 CSO의 block vlave를 부착, 안전밸브의 정기적 검사가 가능토록

한다. 안전밸브의 방출부는 Tank로 되돌리기도 하지만 Basin이나 폐유조 등 안전한 장소로도 보낼

수 있다. 이런 종류의 안전밸브 설정압력은 가장 높은 내압테스트 pressure까지 허용되며 통상의

운전압력이나 Pump의 Shut off Pressure등에서는 안전밸브가 열리지 않토록 충분히 높은 압력으로

할것

3) 냉각기 냉매측만의 Block을 생각할수 있는 경우 냉매의 출구측 Block Valve에 1 inch By pass 또는

수동조작용 Breather Valve 를 설치한다.

제 2 장 필요 취출량 (Relieving Load Calculation)

2.1 일반 ----------------------------------------- 10

2.2 외부화재 ----------------------------------------- 10

2.3 유틸리티 단절 ----------------------------------------- 14

2.4 기기 및 계기의 오작동 ----------------------------------------- 18

2.5 기타 ----------------------------------------- 20

4.2.1 일반

안전밸브 취출량의 산출은 안전밸브 설계상의 기본적인 중요한 조건한 요인이다. 다음의

4.2.2항~4.2.7항에 서술한 산출방법은 설계기준으로서 기술돼 있지만, 설계자는 다음을 고려하여

안전하고 경제적인 설계를 하여야 한다.

1) 법규제

2) Process 특성

3) 장치 운전상의 안전체제

안전밸브의 설계에서는 어떤 시스템에 있어서 최대단독 Risk에 의해 방출되어야 하는 최대량을

고려해야한다. 즉, 모든 긴급사태시 받는 과압을 방지할수 있도록 방출량을 산출하고 화재도 필히

고려해야한다.

4.2.2 외부화재

외부화재의 입열에 의한 체류액의 증발은 기기의 과압의 원인이 된다. 화재에 의한 과압방지를 필요로

하는 기기로 유효한 단열조치가 돼있지 않은 경우의 취출량은 다음에 의해 산출한다

W = (61,000 F A^0.82 + H) / L

단 단열재가 화재시(538~1093℃) 20~60분 이상 견딜수 있고 적합한 소방설비에 의한 살수등의 충격에

견딜수 있는 경우는 다음식에 의해 산출한다.

(API RP 520 sec D.8.3.1, API RP 521 sec 3.15.2.2 및 sec 3.15.2.3)

W = [2.61λ {(650 - t) A^0.82 + H}] / δL

여기서

W : 시간당 취출량 (kg/h)

F : 환경조건계수 (API RP 520 table D3, API RP 521 table A3, API RP 2000 table 4)

Bare vessel : 1.0

Hot insulated vessel : 0.3 ~ 0.025 단열 두께(inch) 1 2 4 6 8 10 12

열(Btu/hrft2F/inch) 4 2 1 0.67 0.5 0.4 0.33

F 0.3 0.15 0.075 0.05 0.0375 0.03 0.025

(운전온도℃ 참조) (65) (120) (180) (230) (290) (450)

Cold or PP insulated vessel : 1.0

water spray : 1.0

Underground vessel : 0.0 (흙으로 덮인 지하 탱크)

Underground vessel : 0.03 (흙으로 덮인 지상

탱크) λ : 상온에서의 단열재의 열전도율

〔kcal/(m.h.℃)〕

δ : 단열재의 두께 (m)

A : Wetted Area (m2)

L : 취출량 결정압력에서 액의 증발잠열 (kcal/kg)

t : 취출량 결정압력에서 가스의 포화온도 (℃)

H : 직사일광 및 다른 열원으로부터의 입열보정계수

직사일광 (65-t) A (A : 일광을 받는 면적 m2)

다른 열원 입열량 [{kcal/(m2.h)} * A ] (A : 열을 받는 면적 m2)

단 t가 65℃ 이상의 것에 대하여는 H를 고려하지 않는다.

Wetted Area A 값 결정 기준 (API RP 520 table D2)

- drum : Normal operating level up to height of 7.6 m.

- column : Normal level + liquid hold up at tray + reboiler area up to 7.6 m.

- ball tank : half of total area or up to 7.6 m, whichever is greater.

- storage tank : Average inventory level up to height of 7.6m.(over 1.0 kg/cm2G)

주) 적합한 소방설비를 갖춘 곳에서의 API RP 520 D.5, 521 A.5 에 기준된 화재시의 취출량은

W FAL

=21000 0 82.

W : 시간당 취출량 (lb/h)

F : 단열재에 의한 계수 (-)

L : 취출온도에서의 증발잠열 (Btu/lb)

A : Wetted Area (ft2)

Water tank, steam drum, condensate drum 등 HC이 없는 vessel에는 fire case를 적용하지 않는다.

임계상태에 근접한 fluid의 잠열은 50 btu/lb로 가정하고, 임계상태에 들어간 fluid에 대하여는

가스로 취급하는게 안전하다.(API RP 521 A.6.1)

* AIR FINNED COOLER의 경우

상향기류가 형성되는 AFC의 경우, FIN 재질(알루미늄등)은 불깅에 노출된지 수분 이내에

손상되어버리므로 BARE TUBE만 고려한다.

- 단순응축 : BARE AREA의 30% (

-

4.2.3 열교환기 tube rupture

다관식 열교환기에 있어서 저압측 설계압력이 고압측 운전압력의 2/3 이하의 경우, 또는 고압측이 1000

lb/in2이상인 경우 열교환기 튜브 파괴에 의한 저압측의 압력방출을 고려해야한다. (API RP 521 sec

3.18.2)

열교환기 튜브의 파괴에 의한 고압측 유체의 유입은 API RP 521 에 기준하여 튜브 하나가 절단된

것으로 하고(면적은 2배) 튜브 파괴부 통과 유량을 구한다.

Q = εαA √(2 g ΔP /ρ)

여기서

Q : 튜브 파괴부 통과 유량 (m3/s)

ε : 팽창계수 (-)

α : 유량계수 (-)

A : 튜브 파괴부 단면적 (m2)

g : 중력가속도 (m/s2)

ΔP : 차압 (kg/m2)

ρ : 유체 밀도(고압측) (kg/m3)

API 에서는

εα = 0.7 (API RP 521에 의함)

A = (π/4) (d/1000)^2 * 2

d = 튜브 내경 (mm)

의 값으로 튜브 파괴부의 유량을 구해보면

W d P= 0 0175 2. D r (kg/h)

고압측의 통상운전 유량이 위에서 구한 유량보다 작은 경우는 통상운전 유량을 튜브파괴부

통과유량으로 한다. (API)

또한 차압은 고압측의 운전압과 저압측의 설계압의 차로 계산하는데, 최근에는 고압측도 설계압으로

고려하는 경우도 있다.

고압측이 가스이면서 임계속도를 돌파하는 경우 튜브를 통과하면서 밀도가 변하게 되므로

vena contracta에서의 밀도를 다음과 같이 새로 구하여 계산한다.

ρ2=ρ1/(P1/P2)^(1/k)

또한 고압측이 2 Phase인 경우 그 평균밀도를 유체 밀도로 하여 위의 방식으로 구하고, 그 통과유량을

안전밸브 취출량 결정압력 (설정압력의 110%)에서 Flash 계산을 하여 얻어진 액+기체의 유량을

안전밸브 취출량으로 한다.

4.2.4 조절밸브(control valve)의 고장

차압이 큰 조절밸브의 고장, 또는 Start up, Shut down 및 수동조작시의 오조작에 의해 고압측으로부터

저압측 기기로 쏟아져 들어가 저압측 기기의 압력상승을 일으키는 경우를 생각할수 있다. 다음과 같은

경우는 저압측 기기의 안전밸브의 취출조건의 하나로 조절밸브 고장의 경우를 부가시킨다.

고압측 운전압력(P1) >= 저압측 설계압력(P2) * 1.5 (<- chiyoda only)

이 경우 가스의 유출에 의해서는 선정된 조절밸브의 선정 Cv(최대)를 통과하는 유량을 안전밸브

방출량으로 한다. 단 이때 보호할 기기측 압력은 PSV 설정압 * 1.1 로 한다.

또한 통과한 가스가 보호해야할 저압측 기기로부터 저압측 안전밸브에 이르기까지의 배관 sizing은

압력손실이 저압측 안전밸브의 설정압력의 25% 이하로 되도록 설계한다. (<- chiyoda only)

4.2.5 냉각수 및 공냉식 열교환기의 정지

Condenser 에 있어서 냉각수 정지 또는 공냉식 열교환기(AFC)의 Fan 정지나 Louver 의 닫힘은 미응축

Vapor의 증가에 의한 Vessel의 과압 원인이 된다. 이런 사고에 대하여 안전밸브 방출량은 API RP 521에

기준하여 다음과 같이 산출한다.

1) 완전 응축의 경우

통상운전에 있어서 Condenser에 유입하는 전 가스량

2) 부분 응축의 경우

Condenser에 유입하는 전 가스량 - 통상운전에 있어서 비응축 가스량을 안전밸브로부터의

방출량으로한다. 단 Condenser가 AFC인 경우는 다음의 점을 고려하여 방출량을 감소시키는 것이

가능하다. AFC의 정지는 Fan의 정지와 Louver의 닫힘을 생각할수 있다. Fan 정지의 경우는

통상운전에 걸리는 부하의 25%가 자연냉각효과로서 작동한다. 단 AFC에 자동 Louver가 부착된

경우는 Louver의 완전닫힘을 고려하여 자연냉각효과는 없는 걸로 고려한다.

복수의 AFC가 동일 전원에 접속돼 있는 경우 이들의 AFC는 동시에 Fan의 정지가 있는 것으로

고려한다.

4.2.6 열팽창

열교환기에 있어서 가열(고온)측이 연속적으로 유입하고 있을 때 저온측이 폐쇄되면 저온측 체류액의

온도상승에 의한 액의 열팽창이 일어난다. 밀봉된 액의 열팽창은 매우 큰 파괴력을 갖는다. 저온측

액이 체류하고 있고 고온측이 유입하는 열교환기에는 API RP 520 에 기준하여 다음의 식에 의해 구해진

액을 방출하는 안전밸브를 설계한다

V = B H / (997 G C) 또는 B'H / (500 G C)

여기에서

V : 방출해야할 액 유량 (m3/h) 또는 (gpm)

B, B': 저온측의 열팽창계수 (1/℃) 또는 (1/F)

H : 통상운전시의 최대열교환량 (kcal/h) 또는 (Btu/h)

G : 저온측 액의 비중 @ 15℃ (-)

C : 저온측 액의 비열 (kcal/kg.C) 또는 (Btu/lb.F)

Typical "B" value at 15℃

API Gravity Sp.Gr. B

Water 1 0.00018

3 ~ 35 1.052 ~ 0.850 0.00072

35 ~ 51 0.850 ~ 0.775 0.00090

51 ~ 64 0.775 ~ 0.724 0.00108

64 ~ 79 0.724 ~ 0.672 0.00126

79 ~ 89 0.672 ~ 0.642 0.00144

89 ~ 94 0.642 ~ 0.628 0.00153

94 ~ 100 & heavy 0.628 ~ 0.611 0.00162

4.2.7 그 외의 압력 방출 CASE

그 외의 과압방지를 위해서는 압력방출을 필요로하는 경우의 방출량은 API RP 521에 기준하여 첨부

에 표시했다.

단 첨부에 있어서 각각의 CASE의 선정이나 제외는 충분히 고려하여 하고, 특히 Process의 특성등을

고려하여 필요하면 case를 추가하여 안전밸브를 설계해야 한다.

제 4 장. 안전밸브 (Safety and Relief Valve)

4.1 설계필요조건

4.1.1 일반

안전밸브를 설계할 때가 되면 Process 설계자는 필요한 조건을 결정하여 안전밸브 제작자에게

데이터를 제공해야한다. 1.3항에서 기술한 사항을 고려하여 안전밸브 Data sheet에 정리하는데, 이

Data sheet에는 그 안전밸브에 걸리는 모든 토출 Case와 조건을 기입한다.

4.1.2 안전밸브 설치위치

안전밸브는 1.5항에서 기술한 압력방출장치를 필요로 하는 기기에 대하여 과압의 위험성이 있는 모든

기기에 설치해야한다. 과압의 위험성은 4.2 항에서 기술한 상태를 말한다. 여기서 Process 설비에

있어서 다음 기준으로 압력구분을 하고 안전밸브를 설치하도록 한다.

1) 기체의 압력을 상승시키거나 기체를 발생시키는 설비 (압축기, 분해로, 가열로, 증발기 등)가 있는

경우는 이 설비들로 압력이 구분된다.

2) 기기 (주로는 Tower, Vessel, H/EX)가 배관에 의해 연결되어 있는 경우는 block valve 및 check

valve에 의한 차단으로 압력이 구분된다.

3) 다단식 압축기에 있어서는 그 각 단 각각을 하나로 구분한다.

4) 감압작용을 수행하는 설비 (Control valve 등)가 있는 경우는 그 저압측과 고압측을 별도의 압력

으로 구분한다.

4.1.3 안전밸브 갯수 및 조합

안전밸브 필요수량에 관하여는 4.3항에서 기술한 최소 필요 취출 면적 이상의 Orifice 면적을 가진

안전밸브라면 1개로 좋다. 그러나 다음과 같은 경우에는 2개 이상의 안전밸브를 부착하여 합계의

취출면적이 최소필요취출 면적 이상이 되도록 한다.

1) 안전밸브 제조자의 표준품 1개가 최소 필요 취출 면적보다 너무 커, 즉 Over Size인 경우;

Over Size의 안전밸브를 설치하면 Chattering이 일어날 가능성이 있고 이 Chattering은 안전밸브

를 손상시킬 우려가 있다.

2) 안전밸브 Size가 8 inch 이상인 경우, 최대 8 inch의 안전밸브를 복수로 한다.

3) 관련법규나 고객의 기준에 의해 안전밸브 최대 Size나 설치 갯수의 지정이 있는 경우.

통상 예비 안전밸브는 설치하지 않고 안전밸브의 입구 및 출구에 Block Valve를 설치하고 CSO를

한다. 단 이런 안전밸브는 명료한 색깔로 구별되도록 한다. 그러나 중합성 유체를 쓸 때는 예비

안전밸브를 준비한다. 그리고 부식성이 있거나 고온용은 파열판을 사용한다.

또한 Spare PSV 를 설치하는 경우에는 안전밸브의 Block valve에 개폐 상태를 명시하든, Lock

방식으로 하든, 하나는 확실히 작동가능한 상태로 해 두어야한다.

복수의 안전밸브를 병렬로 조합하여 설치하는 방법은 복식(Multi-) 안전밸브라 칭한다. 단

복식안전밸브에 대하여는 개개의 안전밸브의 설정압력은 통상 동일하게 하지만 설정압력에 차를

두는 방법도 있다. 그러나 이것에 관하여는 확립된 기준이 없으므로 다음의 기술을 참고로 하되

주의를 요한다.

참고 : 이 방법을 이용하면 의해 최대단독 Risk(1.3 항 참조)에 있어서는 모든 안전밸브가 압력을 방출하지

만 다른 단독 Risk에 의해서는 설정압력이 낮은 안전밸브만의 작동으로 기기의 보호가 가능해지는

경우가 많다. 복수의 안전밸브를 설치한 경우 설정압력과 취출량의 배분은 다음의 기준에 근거한다.

a) 화재에 의한 취출량이 다른 최대단독 Risk에 의한 양보다 적은 경우;

제1 안전밸브 방출량 최대단독 Risk의 25~50%

설정압 4.1.5 항에 의한 설정압 (set pres)

Accumulation 최대단독 Risk가 화재에의한 경우 최고 21%

최대단독 Risk가 기타의 경우 최고 16%

기타 안전밸브 방출량 제1 안전밸브의 남은 취출필요량

(Multi-) 설정압 제1 안전밸브의 설정압의 최고 105%

Accumulation 최대단독 Risk가 화재에의한 경우 최고 16%

최대단독 Risk가 기타의 경우 최고 11%

b) 화재에 의한 취출량이 다른 최대단독 Risk 이상의 경우;

제1 안전밸브 방출량 화재 이외의 단독 Risk의 25~50%

설정압 4.1.5 항에 의한 설정압 (set pres)

Accumulation 최고 16%

제2 안전밸브 방출량 화재 이외의 단독 Risk에 대한

(Multi-) 제1 안전밸브에서의 남은 취출필요량

설정압 제1 안전밸브의 설정압의 최고 105%

Accumulation 최고 11%

다른 안전밸브 방출량 화재 대한 제1 및 제2 안전밸브로 부족한 취출필요량

(Supplmental) 설정압 안전밸브의 설정압의 최고 110%

Accumulation 최고 11%

단 b) 의 경우에 있어서는 2대의 안전밸브를 필요로하는 경우 제1 안전밸브는 위의 기술을 기준으로,

제2 안전밸브는 다음과 같이 한다.

방출량 화재에 대한 제1 안전밸브로 부족한 취출필요량

설정압 제1 안전밸브의 설정압의 105%

Accumulation 화재에 대해 최대 16%

기타에 대해 최대 11%

단 a) 이하의 기준은 Boiler등의 증기발생용기에 해당되지 않으므로 ASME Boiler and Process Vessel

Code, Section I 또는 Boiler 구조 규격에 따르도록 한다.

4.1.4 취출조건(Relieving Condition)

과압으로부터 보호해야할 기기에 대해 과압의 원인은 여러가지로 생각할수 있다 (4.2항 참조).

안전밸브는 이 모든 취출조건을 만족하는 것이어야 한다. 따라서 단지 필요취출면적이 최대로 되는

경우만이 아닌 취출온도가 최고로 되는 경우나 유체 물성의 차이 등을 고려해 항상 정확히 작동하는

안전밸브가 되도록 안전밸브 제조자 및 방출물 처리설비의 설계자에 모든 취출조건을 제시하고 또한

안전밸브의 입구 배관이나 방출배관의 설계를 해야한다.

4.1.5 설정압력

1) Spring식 안전밸브의 경우

설정압력은 보호해야할 기기의 최대허용압력을 넘어서는 안되고 통상 기기설계압력을 안전밸브

설정압력으로 한다. 기기가 배관등으로 연결돼 있는 경우는 취출조건에 있어서 유동압력 손실을

고려하여 안전밸브가 작동중인 상태에서 기기설계압력을 넘지 않도록 한다. 단 복수의

안전밸브를 쓰는 경우는 복식안전밸브에서의 설정압력을 4.1.3항에 따르도록 한다.

만일 Tower & Reflux drum의 PSV가 Drum Vapor Outlet line에 설치되었을 때 안전밸브 설정압력이

Drum의 운전압력보다 낮은 경우는 기기의 설계압력을 높여야한다. 단 뒤에 기술하는 안전밸브의

닫힘 압력이 운전압력보다 낮은 경우나 혹시나 운전압력에 가까운 경우는 닫힘압력이 높은

안전밸브를 선택하든가 아니면 기기의 설계압력을 올려야한다.

Tower 운전압 5.0 kg/cm2G

Drum 운전압 4.2 kg/cm2G

설계압 (Tower,H/EX, Drum) 6.8 kg/cm2G

Tower → Drum 간 압력손실 0.8 kg/cm2G

Tower bottom의 liq. head 0.2 kg/cm2G

안전밸브 설정압 6.8-(0.8+0.2)=5.8 kg/cm2G

2) 파열판의 경우

파열판만을 안전장치로서 사용하는 경우는 기기의 최대 허용압 (Pm)과 설정압에 대한 파열압의

최저치와의 관계로부터 운전압 (Pop)을 기준으로 설정해야하는 경우도 있다. 압력용기에 대한

최대허용압의 1.1배 이상의 압력은 허용치 않으므로 그 압력을 파열판의 설정압(Prd)으로 하면

다음의 관계로 된다.

정압의 경우 1.1 Pm = Prd >= 1.2 Pop

맥동압의 경우 1.1 Pm = Prd >= 1.7 Pop

따라서

정압의 경우 Pop <= 0.917 Pm

맥동압의 경우 Pop <= 0.647 Pm

여기에 파열압력 허용공차를 고려하면

정압의 경우 Pop <= 0.697 Pm ~ 0.843 Pm

맥동압의 경우 Pop <= 0.492 Pm ~ 0.595 Pm

로 되고 통상의 Spring형 안전밸브와 비교하면 운전압력과 파열압력과의 사이에 큰 차가

있으므로 파열판 설정압력은 파열판 제작자와 협의한 후에 결정해야한다.

3) 복합식의 경우

Spring 안전밸브와 파열판의 설정압력은 같게하고 1)에 준하여 결정한다.

4.1.6 Accumulation 및 취출량 결정압력

Accumulation은 API RP 520 에서는 안전밸브 작동시에 있어서 기기의 최고 사용압력에 대한 과압분, 즉

최대 허용압력에 대한 취출량 결정압과 최대 허용압력의 차의 %로 정의하지만, 이 자료에서는 4.1.5

항에 정의한 설정압에 대한 과압분의 %를 Accumulation으로서 취출량 결정압을 구하도록 한다. 단

보일러 구조규격에 해당하는 기기에 있어서는 최고 6%, 압력용기 구조규격에 걸리는 기기에 있어서는

최고 10%로 써야한다.

ASME, API 및 HPGCL에 있어서는 다음을 제한치로 하고 있다.

1) 화재에 있어서 압력방출의 경우 최고 21%

2) 열팽창에 의한 경우 최고 25%

3) 그밖의 Risk에 대한 압력방출의 경우 최고 10%

4.1.7 SPRING형 안전밸브의 구조

Spring형 안전밸브는 Conventional형과 Balance형(평형형)이 있다. Conventional형은 설정압에 대한

배압의 영향을 받지만 Balance형은 배압의 영향을 받지 않는다.

1) 개방형 - 분출가스는 대부분 배출관에 의해 대기로 방출되지만 일부의 가스는 몸체 vent등의 틈으로

직접 대기로 분출되는 것

2) 밀폐형 - 분출가스는 배출관에 의해 방출되지만 스프링은 뚜껑안에 격납되어 각 조인트부에

개스킷을 삽입하여 기밀을 유지하도록 되어 있는 것

3) 평형형 (balance) - Bellose 또는 Piston을 사용해 배압에 관계없이 일정 압력으로 작동하는 것

4) Bellose형 - 밸브의 상하운동에 스프링외에 Bellose를 사용하여 부식유체로부터 스프링를 보호하고

평형의 작업을 하게하는 것.

5) 저양정 - Lift가 seat dia.의 1/40 이상이고 1/15 미만의 것

6) 고양정 - Lift가 seat dia.의 1/15 이상이고 1/7 미만의 것

7) 전양정 - Lift가 seat dia.의 1/7 이상의 것으로 이 경우 seat dia.의 1/7이 열린 경우에 생기는

가스의 통로 면적보다 그 외의 부분의 가스의 최소 통로면적이 10% 이상 큰 것

8) 전량형 - seat dia.이 목부분 지름의 1.15배 이상의 것으로 밸브가 열린 경우의 seat의 가스통로의

면적이 목부분 면적의 1.05배 이상이고, 밸브 입구의 가스 통로면적은 목부분의 면적의 1.7배

이상의 것

4.1.8 안전밸브의 칫수

Spring형 안전밸브의 칫수의 용어로 다음과 같은 것이 있다.

1) 안전밸브의 호칭 지름

a) 호칭지름은 입구의 지름으로 표시한다.

b) 2개의 조합, 3개의 조합 안전밸브(하나의 인입에 2개 또는 3개의 독립된 안전밸브를 설치한것)의

호칭경은 각각의 안전밸브의 인입 입구의 지름으로 표시한다)

c) 복식 또는 3연식 안전밸브(하나의 접합부에 2개 또는 3개의 안전밸브의 밸브를 설치하여 각각의

밸브가 공통의 입구를 가진 것)의 호칭경은 seat dia.로 표시한다)

2) seat dia. - 목부분과 seat가 만나는 면의 내경을 말함

3) 목부분 지름 - 입구로부터 seat면에 닿는 노즐의 가장 좁은부분의 지름

4) 목부분 면적 - 입구로부터 seat면에 닿는 노즐의 가장 좁은부분의 면적

5) 카텐 면적 - 유체가 유출되는 목부분과 seat의 면적

6) 취출면적 (Discahrge area) - 전량형의 경우는 목부분의 면적, 그외는 카텐면적을 말함

7) 리프트 - 목부분이 밀폐된 위치로부터 취출량 결정압력의 위치까지 상승한 때의 수직방향의 거리

8) 시트 각도 - 목과 seat의 닿는면과 축의 각도.

안전밸브의 칫수 결정은 4.1.2항~6.1.6항에 기술된 모든 조건을 만족하도록 안전밸브 제작자에게

의뢰한다. 단 추정치로서 안전밸브 sizing을 필요로 하는 때는 4.3항에 기술한 안전밸브 필요취출

면적에 의한 최소필요취출면적을 산출하여 API 526에 나타난 안전밸브 orifice면적이

최소필요취출면적 이상의 안전밸브를 안전밸브 사이즈로서 추정할수 있다.

API 526의 표는 Crosby Catalog No. 301(전량식 안전밸브)와 같은 것이다. Crosby는 미국의 대표적

안전밸브 제작업자이다. 그외 안전밸브 제작업자의 표준품은 이 표와 약간 다를 경우가 있지만

size로서는 거의 다름이 없다.

4.3 안전밸브의 필요 취출면적

4.3.1 일반

안전밸브의 구경은 안전밸브의 특성, 배압에 의한 토출성능 등에 따라 다르므로 안전밸브 제작자가

최종 결정한다. 따라서 여기서는 필요 취출면적의 계산 수순에 대해 기술한다. 단 안전밸브의 구경

계산은 각종 관계법규에 의해 규정되어있는 경우가 많으므로 설계자는 이것들을 고려한 후에

계산해야한다.

특히 ASME sec VIII에서는 성능검사시 토출된 유량의 90% 만을 인증해주므로 유의(stamped capa.)

이 경우 계산식의 Kd 값을 90% 만 적용하는 방법을 쓰기도 함

파열판과 조합형인 경우 API에서는 ASME의 stamped capacity에 Combination factor, Kc 0.9를 또 곱할

것을 추천하고 있음(API RP 520 sec 2.6.2.1)

4.3.2 가스 방출

1) 임계속도(Critical Flow Velocity)

안전밸브로 부터 방출되는 가스는 안전밸브 Orifice의 전후에 있어 단열적으로 팽창한다. 단열흐름에

대한 임계속도는 다음의 식으로 표현된다.

Vcf = 313√(k Pcf / ρcf) 또는 68√(k Pcf / ρcf)

여기서

Vcf : 임계속도 (m/s) 또는 (ft/s)

k : 비열비 Cp/Cv (-)

Pcf : 임계속도시 압력 (kg/cm2A) 또는 (Psia)

ρcf: 임계속도시 가스밀도 (kg/m3) 또는 (lb/ft3)

안전밸브 orifice를 통과하는 가스는 임계속도와 같아질때 까지 증가할수 있다. 임계속도시 압력

Pcf는 다음 식으로 표현된다.

Pcf = P1 {2/(K+1)}^{k/(k-1)} (kg/cm2A) 또는 (Psia)

여기서 P1은 안전밸브 입구의 압력, 즉 다음 식으로 표현된다

P1 = 취출량 결정 압력 = 안전밸브 성정압력 + Accumulation

Pcf와 P1의 비를 임계압력비라하고 k에 대하여 Pcf/P1와 다음 표로 의해 구한다.

표 비열비와 임계압력비 및 C값 k Pcf/P1 C k Pcf/P1 C k Pcf/P1 C k Pcf/P1 C

1.00 0.606 234 1.20 0.563 251 1.40 0.528 265 1.60 0.496 277

1.02 0.602 237 1.22 0.559 252 1.42 0.525 266 1.62 0.493 278

1.04 0.597 238 1.24 0.556 254 1.44 0.522 267 1.64 0.490 280

1.06 0.593 240 1.26 0.552 255 1.46 0.518 268 1.66 0.488 281

1.08 0.588 242 1.28 0.549 257 1.48 0.515 270 1.68 0.485 282

1.10 0.584 244 1.30 0.545 258 1.50 0.512 271 1.70 0.462 283

1.12 0.580 245 1.32 0.542 260 1.52 0.509 272 1.80 0.468 289

1.14 0.576 246 1.34 0.538 261 1.54 0.505 274 1.90 0.456 293

1.16 0.571 248 1.36 0.535 263 1.56 0.502 275 2.00 0.444 298

1.18 0.567 250 1.38 0.531 264 1.58 0.499 276 2.20 0.422 307

2) 필요 취출 면적

a) Pb < Pcf 인 경우

A WCKdP Kb

ZTM

=1 (API RP 520 sec 4.3.2.1)

b) Pb > Pcf 인 경우

A W

KdP kk

PbP k

PbP

kk

ZTM

=

-FHG IKJ -FHG IKJ

+LNM

OQP548 1

1 12

11^ ( ) ^ ( )

(API RP 520 sec 4.3.3.1 해석)

여기서 A : 안전밸브 취출 면적 (inch2)

W : 방출량 (bl/h)

C : k에 대한 계수 (위의 표)

Kd : 토출계수 (discharge coefficient, API=0.975)

Kb : 배압보정계수 (배압이 32.5~50% 일때 API RP 520 Fig 27에 따라)

P1 : Relieving pressure (lb/in2)

Pb : 배압, Back pressure (lb/in2)

Z : Relieving press.에서의 압축계수

T : Relieving press.에서의 온도 (R)

M : Relieving press.에서의 분자량

k : Relieving press.에서의 비열비

4.3.3 스팀

A WKdKnKsh

=515.

단위는 가스와 같으나 Napier 보정계수, Superheat steam보정계수가 추가되고

Pb>Pcf면 gas의 b)식을 쓰되 k값은 1.33으로 한다

여기서 ASME Boiler and Pressure Vessel Code, Section 1 Power Boiler 에 따를 경우 accumulation

최대치는 6%로 하고 안전밸브 토출량은 계산치의 110%를 방출할수 있도록 할 것. 그 외 보일러

구조규격이나 압력용기 구조규격에 근거하는 경우는 그것들에 따르도록 한다.

4.3.4 혼합가스

혼합가스 및 가스와 증기의 혼합물 방출의 경우 4.3.2항에 준하여 계산한다.

4.3.5 액체 - API RP 520

1)

A GP P

=-

Q3.8KdKwKv 1 2

여기서 A : 안전밸브 취출 면적 (inch2)

Q : 방출량 (gpm)

Kd : 토출계수 (discharge coefficient, API=0.65)

Kw : 배압보정계수 (배압이 15~50% 일때 API RP 520 Fig 31에 따라)

Kv : 점도보정계수 (점도가 높아 Re가 50,000이하일때 API RP 520 Fig 32에 따라)

G : 해당온도에서 액의 spgr

P1 : Relieving pressure (lb/in2)

Pb : 배압, Back pressure (lb/in2)

단 원자력 발전소인 경우엔 별도의 안전기준 참조

2) 포화액처럼 안전밸브 토출구에 있어서 액체의 일부 또는 전부가 FLASH되는 경우 필요 토출면적은

아래와 같이 한다.

a) 안전밸브의 출입구에 있어서 등엔탈피 변화로 flash된 gas가 Critical Flow Pressure로

될때까지 증가하는 걸로 flash gas 량을 계산한다.

b) Flash 된 가스에 대하여 4.3.2항의 2)의 b)식을 이용해 필요 토출면적을 구하고 액체에

대해서는 4.3.5식을 이용해 필요토출 면적을 계산한다.

c) 가스 및 액체에 대한 면적 합을 안전밸브의 필요 토출면적으로 한다.

4.3.6 기액 혼합상

기액 혼합상의 방출에 대한 안전밸브의 필요 토출면적은 기체와 액체 개별 면적을 계산하여 그 합산을

필요 토출면적으로 한다. (API RP 520 sec 4.7)

4.3.7 터빈용 안전밸브

Surface condenser형 터빈의 보호를 위한 특수안전밸브의 sizing은 터빈으로 들어가는 증기량에 의해

결정된다.

4.4. 안전밸브의 설치

4.4.1 일반

안전밸브의 설치위치 및 배관에 관한 기준은 다음의 코드에 따른다.

1) ASME Boiler and Pressure Vessel Code VIII Div.1 UG -134

2) API RP 520 Part-II

그중 특히 주의할 점에 대하여는 다음과 같다.

4.4.2 설치위치

1) 가스방출 안전밸브는 기상에 직접, 또는 가능한 한 가까운 곳에 부착한다. 액체방출 안전밸브는

액면 이하에서 분기한다. 그리고 수리 및 검사가 편하도록 해야한다.

2) Flare로 토출되는 safety valve는 반드시 flare header위에 설치하되 불가능할 경우에는 Outlet

line에 drain pot를 설치한다. Line 상에 pocket이 생겨서도 안된다.(API RP 521 sec 5.4.1.3.4)

3) 안전밸브가 작동중일때 안전밸브 접합부에는 반발력이 작용하므로 이 반발력을 충분히 고려하여

설치하여야 한다.

반발력 F W k

kTM

=+

FHG IKJFHG IKJ273 1

F = 수평방향 반발력(kg)

W : 방출가스량 (kg/h)

T : 가스온도 (K)

4) Tower OVHD에 Submerged Condenser를 가진 계에 있어서의 안전밸브 설치위치는 탑 또는 drum 또는

그 둘 다에 다 설치할 수 있으나 drum에 설치한 경우 drum의 설계압은 탑과 같거나 낮게 한다.

통상 압력발생원은 탑쪽이므로 안전밸브는 탑쪽에 부착하는게 좋지만 그 경우 다음을 고려해야 한다.

a) 안전밸브 설정압은 drum의 설계압을

넘어선 안된다.

b) Submerged Condenser의 출구가 drum의

Normal liquid level보다 낮은 경우에는

drum 가까이의 외부 화재에 의해 탑 및

drum이 overpressure가 걸려 안전밸브가

토출된 경우에 drum의 액면은 역류하여 탑정 line에 다다른다.

외부화재가 계속된 경우에 탑정라인의 액의 수두압이 drum의 설계압력의 20%를 넘으면 drum측에도

안전밸브를 설치하든가 또는 drum의 설계압력을 높여야한다.

4.4.3 입구배관(inlet piping)

1) 입구배관경은 적어도 안전밸브 입구면적과 같은 내경, 복식 안전밸브에서는 모든 안전밸브의

합계면적 이상의 내면적을 갖는 입구배관으로 한다.

2) 입구배관에 있어서 압력손실은 안전밸브 설정압력 (gauge압)의 3% 이하로 한다. 압력손실의 증대는

chattering등을 일으켜 안전밸브의 불량작동을 야기하므로 설정압이 낮은 안전밸브(3.5

kgfG이하)에 대하여는 특히 주의해야한다.

3) 수리나 검사를 위해 안전밸브를 떼어내기 위해 spare를 설치하는 경우엔 CSO로하고 운전책임자에

의해서만 개폐가 되도록 한다.

4) 안전밸브에의 입구배관이 오염등에 의해 막힐 우려가 있으면 steam blow 또는 가열 코일을 설치한다.

연속 steam blow를 하는 경우 증기유속은 1.5m/s 이상으로 한다.

5) 대기온도에서 왁스류의 점착이나 고점도 유체의 응결등에 의한 막힘등에 대하여는 steam tracing을

설치한다

4.4.4. 방출배관

1) 방출처

안전밸브로부터의 방출처는 크게나누어 대기방출, blowdown system, flare system, closed drain

system등의 4종류가 있다.

물 이외의 액은 방출하지 않고 closed drain으로 모은다. 가스를 대기중에 방출하는 경우엔 주위

15m 이내에 있는 기기의 TOP보다 적어도 3m 이상 높은 위치에서 방출해야 한다. 단 다음의 경우는

대기로 방출해서는 안된다.

a) 페놀 등 대기압에서 액상인 물질

b) 가연성 물질 가까이에 착화원이 있거나 그 자체로 폭발범위농도로 되는 경우(가연성물질의

확산농도에 관하여는 API RP 521 sec 4를 참조)

c) 독성 또는 부식성 물질로 대기방출시 주위에 악영향이 있다고 생각되는 경우

d) 가스를 방출시키기 위한 안전밸브이지만 예측하지 못한 사고에서는 액체도 방출될거라고

생각되는 경우

e) 방출될 물질이 자연 발화점 이상의 온도에서 방출되는 경우

f) 대기방출에 의한 소음이 극심한 경우

2) 배압(back pressrue)

된 built-up backpressure의 허용한계

a) conventional type : 설정압(gauge)의 10%

b) balanced type : 설정압(gauge)의 50% (통상 30% 이내)

c) pilot type : 설정압(gauge)의 70%

closed system에 있어서 header의 superimposed back pressure는 하나의 최대단독 risk가

발생상태에서 그 risk에 포함되지 않은 header에 접속된 모든 conventional 형 안전밸브 가운데서

가장 낮은 설정압(gauge)의 25%를 넘어서는 안된다. 따라서 필요한 방출량을 확보하기 위하여 방출

line size와 안전밸브 형식의 선정은 작동성능과 경제성을 고려하여 결정하여야 한다. header에

접속된 안전밸브 설정압의 범위가 큰 경우는 설정압의 높고 낮음에 따라 개별 header를 설치하든가

아니면 balanced type을 쓰는게 일반적으로 경제적이다.

배압이 설정압의 10% 이상일지라도 constant한 경우에는 conventional type을 쓸수 있다. flare가

아닌 다른 기기로 토출되는 경우등이다

3) 방출배관

a) 안전밸브 출구 직경 이상의 배관을 쓴다.

b) 배압이 2)의 조건을 만족할 것

c) closed system에 있어서 단일 header 또는 여러 header로 할 것인가 검토한 후에 결정한다.

d) header에는 45~30도의 각도로 꽂는게 일반적이다.(API RP 521. sec 5.4.1.3.5)

방출되는 물질이 다음과 같은 경우 방출 배관에 steam tracing을 해야 한다.

a) 왁스나 페놀등 대기온도, 압력에서 고체로 되는 물질

b) 고점도액등 방출배관을 막아버릴 가능성이 있는 물질

c) 경질탄화수소액으로 방출후 수화물을 생성하는 경우나 동결될 우려가 있는 물질

4.4.5 배관에서의 압력손실

1) Isomertic DWG를 참조하여 정확한 line friction을 계산한다.

2) discharge line의 sonic velocity는 1.0 이하로 하되 대기로 토출되는 경우에 한해 계산상 1.0

이상도 고려할수 있다.

3) Inlet line ΔP는 SET P의 3%(gauge)이하로 한다. (chattering방지) (API RP 520 par2 sec 2.2)

4) In/out line sizing을 위한 flow rate는 chattering/fluttering 방지하기 위해 rated flow(effective

flow)로 한다.(API RP 521 sec 5.4.1.3.1)

5) flame arrester, rupture disc가 있는 경우는 이 ΔP도 포함시킨다.

* K value(hydraulic coefficient) for PSV (API RP 521 TABLE 5)

Enter the pipe : 0.5 Pipe exit : 1.0

Reducer : 0.04(in),0.11(out) Gate valve : 0.21

Elbow : 0.32 Ball valve : 0.05

Tee : Same as general hydraulic Rupture disc : 1.5

제 5 장.. 폭발해치(Explosion hatch)

Explosion hatch는 기기의 최상부에 hinge따위로 부착한 것으로 개방설정압력은 자체의 중량으로

결정되므로 reseating이 요구되는 기기에는 설치될수 없다. 특히 액체 방출에는 부적당하다. 또한

고압에 적합하도록 추를 무겁게 만들면 관성 때문에 바로 열리지 않는수가 있으므로 고압기기에도

부적당하다. 하지만 저압기기로부터 대량의 가스나 vapor를 방출하는데는 무엇보다도 효과적이다.

Explosion hatch는 다음과 같이 장치에 적용되지만 설치에 관하여는 2차 재해등을 충분히 고려할

필요가 있다. 예를 들어 배치를 잘 고려하여 방출될 때의 통로, 계기실, 파괴되기 쉬운 기기등에

영향이 없도록 한다.

1) 통상운전중에 boiled over되는 저장탱크

2) 화학반응으로 기포가 생기거나 vapor 팽창, 그외의 압력원을 급히 방출해야하는 drum이나 탱크

3) 연소 process가 제어불가능하게 된다든지 불규칙하게 되는 drum

4) 오조작으로 불규칙 연소나 폭발등이 일어날 가능성이 있는 가열로

5) 그외 일반적으로 내부 고압가스로부터 저압기기를 보호하려는 경우

Explosion hatch나 파열판의 필요방출량 W는 다음식으로 구한다

W = 3,600 W'/θ

W' : 파열압력에서 용기내의 공기와 가스의 전량 (kg)

θ : 최고압력까지 도달하는 시간 (s) - 성분, 초기압, 압력 상승률의 함수로 실험식

필요한 vent 또는 opening 면적 A는 다음식으로 계산한다

W = 182*AP1(M/ZT1)^0.5

W : 방출용량 (kg/h)

P1 : 방출압력 (kgf/cm2A)

M : 혼합물 평균 분자량

T1 : 초기온도 (K)

Z : T1, P1에 있어서 압축계수

A : 개구부 면적 (cm2)

상수 182는 유출계수 0.8을 고려한 수치이다.

폭발 DATA로써는 NFPA No.68 Guide for Explosion Venting 의 자료를 사용한다

이 자료는 1기압의 초기압(P0)에서 조사한 것이므로 고압계의 적용은 오차의 소지가 있으므로

주의해야 한다.

압력이 기체의 폭발한계에 영향을 주는 것은 주지의 사실이다. 일반적으로 파라핀계 탄화수소는

압력이 오르면 연소한계도 위로 이동한다. 압력레벨이 압력상승률과 발생최대압력에 어느 정도로

영향을 미칠까하는건 대부분의 탄화수소에 있어 잘 알려져 있지 않다. 혼합물의 초기온도도 데이터에

영향을 준다. 초기온도가 오르면 1. 발생최대압은 감소하고, 2. 최고압력 도달시간이 짧아지고(수소는

거꾸로 길어진다), 3. 평균압력상승률은 커진다(수소와 벤젠은 거꾸로 작아진다.)

이 데이터는 공기와의 혼합으로 산소농도가 바뀌면 폭발한계등도 바뀐다. 이런 영향에 관해 PERRY가

간략한 검토를 했다.

이렇게 폭발에 관한 수치는 조건에 의해 바뀌므로 실제 활용하는 경우는 이것들의 시료를 충분히

조사하여 틀리지 않도록 주의한다.

제 6 장. 통기장치 (Venting Devices)

6.1 일반

전항에서 기술한 압력방출장치는 주로 압력용기에 설치되어 용기를 급격한 압력상승으로부터

보호하기 위한 안전장치이다.

이 항에서는 대기압 또는 대기압에 가까운 낮은 압력하에서 운전되는 원유탱크, 제품탱크,

저온저장조등의 탱크류에 주로 부착되어, 압력상승뿐만 아니라 vacuum으로부터도 용기를 보호하기

위한 안전장치에 대하여 기술하겠다. 이와 같은 목적으로 이용되어지는 안전장치는 통기장치(Venting

Devices)라고 불리워지며, Pilot작동형 Safety Valve, 압력방출 Valve, Breather Valve, 진공방지 Valve,

Open Vent등이 있다. 이들 통기장치(Venting Devices)로부터의 배출가스는 종래에는 대기중으로

방출시켜왔지만, 최근에는 공해방지의 측면에서 법적규제를 받거나, 에너지 절약의 관점에서

회수하려고하는 음직임이 활발하게 진행되고있어 대기로의 방출은 문제로 되어있다.

6.2 설계필요조건

6.2.1 필요조항

Process설계자는 다음의 조건을 검토하여 제작자에게 data를 제공한다.

1) 통기장치의 종류와 선정

2) 통기조건

3) 흡배기압력

4) 통기장치의 설치

5) 통기장치의 크기 결정

6.2.2. 통기장치의 종류와 선정

통기장치는 크게 구별하면 압력방출용, 압력제어용 또는 진공방지용등의 3종류가 있다.

1) 압력방출용

a) Pilot작동형 안전밸브

Main Valve와 Pilot Valve로 구성되어있어, 설정압력까지는 밀착성이 좋고, 설정압력이상이 되면

바로 main valve가 full open되어 낮은 accumulation으로 대용량의 gas를 방출할 수 있다.

저온저장조의 저압작동안전밸브로서 이용되는 경우가 많다.

b) 압력 배출 밸브

대기압 이상에서 운전되는 탱크에 이용된다. 자중식구조가 많고 20 mmAq ~ 0.3 kgf/cm2G 정도의

압력범위에서 사용되지만, 탱크안이 진공이 될 가능성이 있는 경우에는 별도의 진공방치도

필요로 한다.

2) 압력제어용

이 밸브는 흡배기기능을 가져, 탱크안의 증기압력이 상승하면 증기를 방출하고, 탱크안의 압력이

감소하면 대기(또는 seal gas)를 흡입한다. 대표적인 밸브로서 breather valve가 있다.

a) breather valve (부속서 5참조)

이 밸브는 oil의 증기손실을 감소시키기위하여 고안되어, 2장의 plate로 구성되어있는 밸브가

많다. 이 밸브는 인화점이 38'C 미만의 Liquid나 인화점이상으로 가열되어있는

Liquid를 저장하는 상압탱크에 많이 설치되어 있다. 압력제어범위는 보통 +150 mmAq ~ -100

mmAq정도이지만 자중식이면 +500 mmAq ~ -150 mmAq정도까지도 제어가능하다.

b) Open Vent

이것은 인화점이 38'C 이상인 Liquid를 저장하는 상압탱크에 많이 설치되어있다.

또한, Flame Arrester와 병용하여 Breather Valve대용으로도 사용된다.

3) 진공방지용

a) 진공방지 밸브 (Vacuum Relief Valve)

이것은 Breather Valve의 흡입기능만을 가진 밸브로서 기온의 저하, oil의 배출등으로인한

vacuum의 발생이 예상되어지는 탱크에 이용된다. 저온저장조에 이용되는 경우가 많다.

6.2.3 통기조건

1) 비냉동계 지상탱크의 경우

통기(흡입, 배출)량의 산출은 다음과 같은 case를 고려하다.

a) 탱크로부터 oil이 배출될 때의 흡입

b) 외기온도의 저하에 따른 증기 수축시의 흡입

c) 탱크내로 oil이 유입될때의 배출과 유입에 따라 발생하는 증발에 의한 배출

d) 외기온도의 상승에 따른 팽창과 증발에 의한 배출

e) 외부 화재에 의한 배출

이중에서 a)~d)를 통상 통기조건이라고하며, 통기량에 관하여는 6.3항에 서술되어있다.

또한, e)를 긴급시 통기조건이라고하며, 통기량에 관하여는 6.4항에 서술되어있다.

2) 냉동계 지상탱크 또는 지하탱크의 경우

이들 탱크는 상온지상탱크와는 달리 단열재에 의해 보온되어 있는 경우가 보통이므로, 외기온도

변화에 따른 통기는 그다지 고려하지 않아도 좋다. 저온저장탱크와 지하탱크의 압력변화

요인으로서는 다음과 같은 것이 있다.

a) 압 상승

i) 냉동계의 고장(Boil-off Gas 회수계의 고장)

ii) Control valve의 고장

iii) 액의 과대 충진

iv) 액 충진중에 증기로 치환

b) 압 하강(진공)

i) 저장액량의 대량배출시

ii) 압축기 최대 흡입시

iii) 대기압의 상승

6.2.4 흡배기압력

통기장치는 탱크가 파손되는 일이 없도록 최대허용압력의 범위에서 6.3항에 기술한 통기량을 충분히

통기할수 있도록하여야 한다.

1) 배기압력

a) 비냉동계 지상탱크의 경우

상압탱크에서는 +25 mmAq ~ +100 mmAq에서 배기를 시작하여, +175 mmAq를 최대배기압력으로 하는

경우가 많다. 저압탱크에서는 토출시 압력의 110%를 최대배기압력으로 하는 경우가 많다.

b) 냉동계 지상탱크와 지하탱크의 경우

최대배기압력은 토출시 압력의 110%로한다. 단, 화재의 경우의 최대배기압력은 토출시 압력의

120%로한다.

2) 흡기압력

a) 비냉동계 지상탱크의 경우

상압탱크에서는 -25 mmAq ~ -50 mmAq에서 흡기를 시작하여, -100 mmAq를 최대흡기압력으로 하는

경우가 많다.

b) 냉동계지상탱크와 지하탱크의 경우

흡입시작압력의 110%를 최대흡기압력으로 한다.

설계압력(가압, 진공 공히)은 탱크의 제작비에 큰 영향을 미치므로 탱크설계자,

통기장치제작자등의 관련부분과 협의를 하여 결정하여야 한다.

6.2.5 통기장치의 설치

1) 통상, 통기장치는 액내용물로 폐쇄되지않도록 저장조의 vapor space부분의 보수점검이 용이한

장소에 설치된다. 특히 저온저장 또는 지하탱크에 부착되어 있는 통기장치는 다음과 같은 점들을

고려하여야한다.

a) 통기중에 단열재 (보온재, 흙등)로 입구를 폐쇄하지 않도록 한다.

b) 탱크본체와 통기장치, 또는 통기장치와 방출처 간에 Block valve를 설치하는 경우는 Block

Valve는 항상개방상태로 잠금 장치하여야 한다.

c) 통상, 탱크본체와 통기장치와의 접속배관은 충분히 길게하고 단열장치도 하지않는 것이 좋다.

이것은 통기장치를 작동하지 않을때에 대기온도로 유지하기 위함이다.

2) 또한, 주변의 상황, 내용물 등으로부터 다음과 같은 관련부분을 병용하는 경우도 있다.

a) Bird Screen (새집 방지망)

1장의 금속망으로 되어 있어 말 그대로 새가 새집을 만드는것을 방지하거나, 낙엽이나 쓰레기에

의해 막힘으로서 작동불량이 되지 않도록 부착하며 통기량에는 거의 영향이 없다.

b) Flame Arrester(역화 방지기)

이것은 여러겹의 금속망으로 되어있고, 가연성 물질을 저장하는 탱크 등에 외부로부터의 인화

방지를 위하여 설치된다. 통기장치와 Flame Arrester를 병용하면 통기량은 감소하므로

제작자에게 맡기는게 좋다.

6.2.6 통기장치의 크기결정

통기장치의 크기결정은 6.2.2항부터 6.2.5항까지 기술한 전체조건을 만족할수 있도록 제작자에

맡겨진다. 단, 배관 size용의 개략적인 수치가 필요한 경우에는 제작자로부터 제출되어지는 성능곡선을

기본으로하여 크기를 결정할 수 있다. 개략설계에 이용되는 통기조건은 6.2.3항을 참조하여 결정할수

있지만, 통상통기량으로 설계한 경우와 긴급시 통기량도 고려하여 설계한 경우와를 비교하여 size가

너무 크게 되거나 여러개가 된다고 생각되는 경우에는 통상통기량으로 sizing하고 긴급시 통기량은

긴급시 통기장치(폭발Hatch, 파열판)로 배출하도록하여야한다.

6.3 통상시 통기량

6.3.1 일반

통상시 통기량은 탱크에 물질적인 손해나 영구적인 변형이 일어나지 않도록 탱크내압을 정상적인

운전압력으로 할수있는 양으로 해야한다. 통상통기량은 적어도 유체의 이동에 의한 통기와

외기온도변화에 의한 통기의 합으로 하여야한다.

6.3.2 비냉동계 지상탱크의 경우

1) 통상시 흡입통기량

통상시 흡입통기량은 저장된 석유류의 인화점에 관계없이 API STD 2000 에 의해 구한다.

(Qi)T = (Vo)max + (Qi)thermal

여기서,

(Qi)T : 통상시에 있어서의 총 흡입통기량 [m3/h (air), 15℃, 1기압]

m3/h (air)는 15 ℃, 1기압 상태의 공기가 1시간당 1m3흐르는 양을 말한다.

(Vo)max : 석유류의 최대방출속도 (m3/h)

(Qi)thermal : 외기온도 강하에 따른 흡입 통기량으로 API 2000 table2에 의해 구한다. [m3/h (air)]

2) 통상시 배출통기량은 저장되어있는 석유류의 인화점에 따라 다르고 API STD 2000 에 의해 구한다.

a) 인화점이 38 'C 이상인 경우

(Qo)T = 1.07 (Vi)max + (Qo)thermal

b) 인화점이 38 'C 미만일 경우

(Qo)T = 2.14 (Vi)max + (Qo)'thermal

여기서,

(Qo)T : 통상시에 있어서의 총흡입통기량 [m3/h (air),15℃, 1기압]

(Vi)max : 최대급유량 (m3/h)

(Qo)thermal, (Qo)'thermal : 외기온도 상승에 따른 배출 통기량으로 API 2000에 의해 구할수

있다. [m3/h (air)]

6.3.3 냉동계지상탱크와 지하탱크의 경우

1) 통상시 흡입 통기량

통상시 흡입통기량은 6.2.3항의 2)의 b)의 통기조건중의 단독 최대량으로 하거나, 또는 이들

조건들의 합리적이고 타당한 조합으로부터 얻어지는 양중 큰쪽으로 한다. 단, 외부로부터의

최소입열에의해 발생하는 내부액증발량은 흡입통기량에서 빼는 것은 가능하다.

2) 통상시 배출통기량

통상시 배출 통기량은 6.2.3항의 2)의 a)의 통기조건중의 단독조건에서의 최대량으로 하거나, 이들

조건들의 합리적이고 타당한 조합으로부터 얻어지는 양중 큰쪽으로 한다.

6.4 긴급시 통기량

6.4.1 일반

저장탱크가 화염에 노출되면 배출통기량은 통상시 배출통기량(6.3항 참조)이상으로 될것이다.

이와 같은 경우에는 탱크구조에 따른 부족분 이상을 보완할 수 있는 필요한 크기의 통기장치를

이용하거나, 또는 추가의 통기장치를 설치할 것인가를 결정하여야 한다.

6.4.2 지붕과 측면과의 접합부가 약한 탱크 (Weak-Roof-to-Shell형 Tank)

API STD 650, par. 3.10.2.5 Item (3)에 나타낸 것과 같은 고정식 지붕탱크에서는 이 부분의 접합이

다른 접합부보다 먼저 파손하여 여분 압력이 방출되므로, 이와같은 탱크에 대하여는 긴급시 통기량은

고려하지않아도 좋다. 또한, floating roof탱크에 대하여도 긴급시 통기량은 고려하지 않아도 좋다.

6.4.3 지붕과 측면과의 접합부가 약하지 않은 탱크

6.4.2항에 해당하지않는 탱크에 관하여는 다음에 따라 긴급통기량을 구한다.

1) 비냉동계 지상탱크의 경우

a) 탱크설계압력이 700 mmH2O 이하의 탱크에 있어서의 총배기량은 API 2000으로부터 구할수있다. 단,

탱크의 Wetted Area가 260m2 이상의 탱크에서는 21000 m3/h(air)로 한다.

* Wetted Area의 산출도 API 2000에 준한다.

b) 탱크설계압력이 700 mmH2O 이상의 탱크에 대한 총배기량은 API 2000 별도식으로부터 구할 수 있다.

단, 탱크의 Wetted Area가 260 m2 이상의 탱크에서는 다음식으로부터 산출한다.

(Qo)E = 220 A0.82

여기서,

(Qo)E, CFH : 긴급시에 있어서의 총배기량 [m3/h (air)]

A : 탱크의 Wetted Area (m2)

c) a)또는 b)로부터 구한 긴급시의 총배기량은 Hexane에 대한 것으로, 그들 값은 거의

모든 저장액에 대하여 만족할만하지만, 보다 적확히 산정하고 싶다면 다음의 식을

이용한다.

(Qo)'E = (Qo)E x 743 / (L x M ) (kg-m)

여기서,

(Qo)'E : 소정의 저장액에 대한 긴급시의 총배출량 [m3/h (air)]

(Qo)E : a)또는 b)항으로부터 구한 긴급시의 총배기량 [m3/h (air)]

L : 소정의 저장액의 증발잠열 (kcal/kg) 또는 (Btu/lb)

M : 소정의 저장액의 분자량

d) 탱크의 상황에 따른 저감계수

탱크의 단열 상황에 따라 4.2.2 표에 나타낸 환경계수 F를 상기 a)또는 b)로부터

구해진 긴급시 총배기량에 곱해 배기량을 줄일수 있다.

단열재는 소화용수 충격에 견뎌야하고, 블연성이며 필요한 내열성을 가진것이어야하고

살수에 의한 환경계수는 허용안함.

2) 냉동계 지상탱크의 경우

a) 탱크설계압력이 700 mmH2O (1psig)이하인 탱크에 대한 총배기량은 API2000 식에

환경계수 F를 곱해 구할 수 있다. 단, 탱크의 wetted area가 260 m2이상인 경우에도 이

이상 배기량은 증가하지 않는다고 생각하고 260 m2의 식을 사용한다.

b) 탱크의 설계압력이 700 mmH2O이상인 탱크에 대한 총배기량은 API2000 식에 환경계수 F를

곱해 구할 수 있다.

단, 탱크의 wetted area가 260 m2이상인 경우에는 다음의 식을 사용한다.

(Qo)E = 220 A0.82

여기서

(Qo)E, CFH : 긴급시에 있어서의 총배기량 [m3/h (air)]

A : 탱크의 Wetted Area (m2)

이상은 API2000의 기준에 따른것이다.

제 7 장. 내용물방출장치 (Blowdown Devices)

7.1 일반

앞에 기술한 압력방출장치는 정해진 압력 이상에서 자동적으로 작동하여 이상압력으로부터

장치를 보호하기위해 설치되지만, 내용물 방출 장치는 다음과 같은 목적으로 장치내 압력을

이용하여 액,증기를 계획적으로 방출시키는 장치이다.

1) 긴급사태 (이상화학반응, 화재등)에 있어서 감압 또는 장치내의 내용물을 이송

2) Start-up, Shutdown 또는 maintenance시의 운전제어, 배기 또는 배유조작.

내용물 방출 장치는 Safety Valve의 부대설비로서 대용은 되지않는다. 그러나, 콤비나트등

보안규칙에 정해진 설비에는 설치하지않으면 안된다.

7.2 내용물 방출장치의 종류

이 장치에는 크게나누어 다음과 같은 3종류가 있다.

1) 긴급 감압밸브 (Vapor Depressuring valve)

2) 긴급 액 방출밸브(Liquid Blowdown Valve)

3) 1)과 2)의 병용 (Vapor-Liquid Blowdown Valve)

7.3 내용물 방출장치를 필요로하는 기기

일반적으로 내용물이 휘발성액체(비점이 350 ℃ 이하)의 경우는 외부입열에 의해 증발하여

자기냉각효과를 기대할수 있으므로, 액의 방출을 적극적으로 행하지 않는것이 좋다. 한편으로

다음에 기술한 것과 같은 설비 장치에는 내용물 방출 장치가 설치된다.

1) 법규에 의해 정해진 장치

특히, 고압하에서 휘발성물질 또는 독성물질을 취급하는 증류탑, 반응기, 열교환기와 같은

대형장치들은 관련 법규에 정해진 장치에 설치한다.

2) 화재시에 과열에 의한 Shell 재질강도가 저하하여 통상압력으로도 파괴될것 같은 장치

내용물이 Gas또는 증기뿐인 장치나 고비점 물질을 보유한 장치에서는 Safety Valve가

작동하기 전에 과열상태가 되어 사용재질의 인장강도가 급격히 떨어져 통상압력에서도

파손될 염려가 있다. 이와같은 경우에 있어 Safety Valve는 적절한 보호장치가

되지않는다.

3) 위험물질의 누출

특히 누출등의 사고로 인해 인체에 영향을 미칠수있는 유독물질을 취급하는 장치

7.4 긴급 감압밸브 (Vapor Depressuring Valve)

7.4.1 일반

이것은 통상 화재의 경우 과열되어 금속강도가 저하하는 압력용기의 강압장치로서 이용되며,

대용량의 휘발성 또는 가연성 액체를 보유하는 용기에 주로 설치된다. 또한 Start-up 또는

Shutdown 시에 Safety Valve로 부터의 방출을 방지하기 위한 압력제어용으로도 사용된다.

그러나, 장기간의 안전운전을 위하여는 사용하면 안된다. Gas누출의 장점으로는 다음과 같은

것들을 들수있다.

1) 감압시, 액증발에 따른 자기냉각효과 또는 증발온도의 저하

2) 액내용물이 벽면을 적셔 벽면온도의 상승을 완화한다.

7.4.2 설계기준

1) 감압개시압력

용기운전압력으로 한다.

2) 감압도달압력

용기운전압력으로부터 7kgf/cm2G, 또는 설계압력의 50%중 작은 쪽의 압력까지 감압한다.

3) 감압시간

API RP 521에 기초하여, 감압개시압력으로부터 감압도달압력까지 15분 이내에 감압한다.

4) 압누출 유량

압누출 증기량의 계산은 1), 2) 또는 3)에서 구해진 감압개시압력, 감압도달압력, 또는

감압시간을 이용하여, API RP 521 Section 3 3.16.2 Vapor Flow에 기초하여 행한다. 단,

gas또는 Vapor뿐인 계, 또는 감압중의 액의 Flash에 의한 vapor발생량을 무시할 수 있는

계에 대하여는 감압계중의 전 Gas량 또는 전 vapor량을 압 누출유량으로 할수있다.

7.4.3 압 누출방법

계기실로부터 공기식 또는 전기식 원격 조작 밸브를 이용하거나, Chain이나 Rot 에 의한

수동식 원격 조작 밸브를 이용하여 압 누출한다. 증기압 누출 System의 전형적인 예(API에

따른)는 그림과 같다.

* 수동식 조작 밸브의 경우는 9m이상

떨어져 있을것.

공기식. 전기식의 경우는 API RP 521에

따라 밸브주위의 구동계통을

내화구조로 하는것이 좋다.

7.4.4 구경계산

1) 압 누출 유량을 API RP 521에 근거하여 산출할 경우, 감압속도가 내용물의 조성 온도에

따라 달라지므로 밸브 구경 계산은 각각의 밸브 Size에 대하여 감압속도를 고려하여

최적의 구경을 선택한다.

2) 7.4.2 (4)항에 해당하는 경우에는 다음식에 의해 계산할 수 있다.

Av Vt Cd

k kk

MkZRT

Ln PP

=+FHG IKJ

+-

FHG

IKJ.

^( )

12

12 1

12

Av : 밸브 면적 (m2)

V : 감압하고자하는 계의 가스와 증기의 부피(m3)

t : 감압 시간 (sec)

k : 단열지수, Cp/Cv

M : 분자량

Z : 압축계수

R : 가스 상수, (8314 kgm2/s2kmolK)

T : 감압시 가스 온도 (K)

P1 : 감압 개시 압력(운전압) (kg/cm2A)

P2 : 감압 도달 압력(운전압) (kg/cm2A)

Cd : 토출계수 (통상 0.65)

7.5 긴급 액누출 밸브 (Liquid Blowdown Valve)

7.5.1 일반

이 밸브는 화재나 그 밖의 긴급시에 액 내용물을 안전한 장소로 이송하여 피해를 최소화

하기 위해 이용된다. 또한, 액 누출후, 잔압을 Flare로 뺄수있는 장치가 없는 경우에는 이

밸브를 통하여 잔류압을 Purge하는것도 생각할 수 있다.

7.5.2 설계기준

방출압력은 용기의 운전압력으로하고 방출시간은 7.4.2 (3)항과 같이 15분 이내로하여

계내의 정상시 체류유량을 방출할수 있도록한다.

7.5.3 방출방법

Process배관을 이용하여 Pump-out 하거나 자압으로 계외로 이송한다.

그러나 긴급시에는 통상 사용 Pump가 정지하거나 용량이 부족한 경우 별도의 pump-out

system을 고려할 필요가 있다.

7.5.4 Pump 또는 배관 sizing

Pump-out하는 경우에는 체류유량과 방출시간으로부터 결정된다. 자압이송의 경우에는 방출후

Flash하는 경우가 많으므로 기액혼압조건에서 압력손실을 구한다.

7.6 밸브의 종류와 선정 기준

주로 gate Valve 또는 Ball Valve를 사용한다. 선정에 있어 중요한 것은 「화재 또는 그밖의

긴급시에 밸브를 열수 있어야 한다.- 긴급조작용의 cable 또는 공기배관은 내화성, 내진성등

충분한 고려가 필요하다.」이다. 통상, 장치로부터 멀리 떨어져 있는 장소에 설치된다.

기구는 cable, drum식 또는 hand-wheel에 의한 수동조작이나 전동기조작에 의한 원격지

조작으로 밸브를 조작할수 있는것으로 한다.

1) 전동기 구동밸브

전동기 구동밸브는 계기실이나 예비동력을 갖춘 원격지로부터 조작된다.

2) Diapharm 식 밸브

전동기 구동밸브에 준한다.

3) 수동구동밸브

수동조작 밸브는 지상에서 조작할수 있어야 하며, 화재나 그 밖의 긴급시에 근접하기

쉬운 위치에 설치하여야한다.

제 8 장. 긴급차단장치

석유정제또는 관련공업에 있어서, Process의 대규모화, 복잡화와 더불어 위험성이 증가하고,

최근 안전성의 요구가 큰 관심사가 되고있다. 이에 대처하기 위한 법규의 개정으로,

긴급차단장치의 설치가 의무적으로 되었다. 긴급차단장치에 대하여는 각법령또는 보완기준을

참조한다.

또한, 자연발화하는 유체를 다량으로 처리하고 있는 경우나, 화재폭발 발생의 위험이 많은

장소, 또는 독성위험물질의 누출 가능성이 있는 곳에서는 원격조작이 가능한 긴급차단장치를

설치한다.

관련 자료

SECL ENGINEERING MANUAL

API RP 520, 521, 526, 2000

NPPA NO. 68

ASME Sect.I(power boiler), Sect Ⅷ(pressure vessel div.1)

LINDE DESIGN GUIDE

CHIYODA DESIGN STANDARD

TEC DESIGN STANDARD (LOAD CALCULATION)