안전 밸브(PSV/PRV) 기본 용어 설명(MAWP/set pressure/back pressure/superimposed/built up)

안전 밸브(PSV/ PRV)란?

 
안전밸브는 시스템(장치/기계) 설비 내 압력을 일정 수준 이하에서 작동하도록 압력 Limit를 설정한 밸브로
일정 압력 이상이 되면 압력이 방출되어 장비 손상을 막는 안정장치입니다.

 

출처 : THE SAFETY RELIEF VALVE HANDBOOK, ASME CODE 2009

 

PSV와 PRV의 차이점 (액체/기체 차이)

• PSV (Pressure Safety Valve): 기체(가스 등)를 과압 방출하는 안전밸브
• PRV (Pressure Relief Valve): 액체를 과압 방출하는 안전밸브 

안전밸브의 주요 기능

1. 압력 방출: 시스템 내부 압력이 설정된 한계(작동 설정값) 이상으로 상승하면 자동으로 작동하여 과압 방출.
2. 시스템 보호: 배관, 기기, 저장 탱크 등 압력 시스템 구성 요소의 손상 방지.
3. 화재나 폭발 방지: 과압으로 인한 폭발 위험 감소.

적용 법규 및 기준

 

안전밸브는 국가 및 지역에 따라 관련 법규와 산업 표준을 적용받으며 국제표준 기준으로

아래와 같고, 한국 법령만을 확인하면 KGS(고법) 및 KOSHA(산법)에 명시되어 있습니다.

1. 국제 표준
   • ASME Code Section VIII (미국 기계기술자협회): 압력 용기 설계 및 안전밸브 기준.
   • API 526/527/520 (미국 석유학회): PSV 및 PRV의 설계, 설치, 테스트 관련 규격.
   • ISO 4126: 국제 압력 릴리프 장치 표준.
2. 한국 법령
   • 고압가스 안전관리법: 고압가스 저장탱크 및 설비에서 사용되는 안전밸브에 대한 규정.
   • 산업안전보건법: 산업 현장에서 사용되는 압력기기의 안전 설계와 운용 기준.
   • 한국기계기술원(KGS) 코드: 고압가스 및 안전밸브 설치 관련 기술기준.
3. 검사 및 인증
   • 성능 시험: 국가 공인 시험기관 또는 제조사의 성능 테스트를 통해 규정 준수 여부 확인.
   • 정기 검사: 산업안전 관련 기관(KOSHA 등)에서 정기적으로 검사하여 성능 유지 여부 확인

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안전밸브(PSV/PRV) 용어 설명

 
 

Design Pressure(Dp, 설계압력)

 
보호하고자 하는 압력용기(Vessel)에서 운전 압력 중 예상되는 이상 변위에 대해 적절한 여유(margin)를 제공하여 설계한다.  이는 User(안전밸브 사용자)가  안전밸브 제작사에 제공해야 하며, 이를 토대로 Maker(제작사)는 안전밸브 스펙(Setting Pressure 등)을 결정한다. 
 

 
 
 

MAWP(최대허용압력)

이는 본질적으로 재질 자체에 대한 접근입니다. 장치 설계 시 장치가 안전하게 견딜 수 있는 법적으로
허용된 최대 압력입니다. 일반적으로 설계 압력보다 크거나 같습니다.
 
압력용기 각 부위에서 강도계산을 수행하여 이때 각 부위 강도계산 중 최소값을 기준으로 MAWP를 도출합니다.
(가장 작은 압력 값을 가진 부위를 기준으로 설계해야 안정성 확보가 가능함)
 
이때, MAWP는 강도계산에 의해서 결정되는 값으로, 철판(Plate)을 구매하고 제작하기 전에는 MAWP를
구할 수 없으므로, 앞에 설명한 Design Pressure로 MAWP를 갈음하여 안전밸브 Spec.을 결정해준다. 
(ASME BPVC Code : The design pressure is equal to or less than the MAWP)
 

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Set Pressure(설정 압력)

 
위 용어부터 안전밸브 자체에 대한 용어 접근입니다.
일정 이상 압력이 되면 터지게 되는 것이 안전밸브의 기능입니다.
따라서, '일정' 이라는 Setting 값을 설정해야 하며, 이때 압력을 Set Pressure라고 합니다.
set pressure 이상 압력에 도달하면 밸브 내 스프링이 열리게 되고 압력이 outlet으로 분출됩니다.
 
ASME BPVC Section VIII에 따르면, Set Pressure는 일반적으로 MAWP와 동일하거나 약간 낮은 값으로 설정됩니다
설계 압력이 MAWP보다 낮은 경우, Set Pressure는 설계 압력에 기반해 설정될 수 있습니다.
 
 
 
 

PSV(안전밸브) SYSTEM 도식표

 

overpressure (과압)

overpressure(과압)이란, 안전밸브가 set pressure
(설정압력)을 초과하여 열리기 시작한 후, 장치가 최대 유량으로 방출하기 위해 필요로 하는 압력 증가량을 의미합니다. 이는 안전밸브의 크기를 결정하는 요소이기도 합니다.

아래에 Accumulation (축압)과 같이 그림으로 설명하도록 하겠습니다.
 

Accumulation(축압)

 
안전밸브에서 발생할 수 있는 최대 압력 증가로, 설계 기준에 따라 허용 가능한 수준으로 제한됩니다.
비상 상황에서 축압의 최대 허용치를 아래와 같이 규정하도록 하고 있습니다.

• 비상 작동 상황: MAWP의 10% 초과 허용 가능.
• 화재 상황: MAWP의 21% 초과 허용 가능.

(Overpressure & Accumulation)

 
위 그래프를 보시면, set pressure 이후, 안전밸브가 열리게 되고, 안전 밸브 내 최대 압력에 도달할 때까지 상승한 압력을 overpressure이라고 하게 되면, MAWP를 초과하여 상승한 값을 Accumulation이라고 합니다.
 
이때 아래와 같이  안전밸브를 Orfice 개념으로 보면, Inlet/Outlet Size에 따라서 축적되는 압력을 조절할 수 있게 되며, 코드에서 허용된 범위 내에서 in/outlet Size를 적절히 조절할 수록 경제적인 안전밸브를 설계할 수 있게 됩니다.
 

 
 

 

(Total) Backpressure (배압)

Superimposed Backpressure와 Built-up Backpressure의 합으로, 압력 방출 장치(PRV, Pressure Relief Valve)
후단에 작용하는 배압(Backpressure)을 의미한다.

 
1) Superimposed backpressure : 안전밸브가 작동해야 할 시점에, 장치 출구에 이미 존재하는 정적(Static) 압력

2) Built-up backpressure : 안전밸브가 열리고 나서, 유체가 흐르기 시작함에 따라 출구에서 증가(dynamic)하는 압력
 
 
총 배압(Total Backpressure)은 안전밸브의 성능에 영향을 미치는 중요한 요소입니다.

배압이 지나치게 높으면 PRV의 작동 효율을 저하시킬 수 있으므로 설계 시 고려되어야 합니다.
 
정리하면, Superimposed Backpressure는 장치가 열리기 전의 압력, Built-up Backpressure는 장치가 열린 후 유체 흐름으로 인한 추가 압력을 의미합니다.
 

다음 시간에는, 안전밸브 구조, 기능 및 타입
(Conventional/Bellows 등)에 대해서 알아보도록 하겠습니다.