벨로우즈(Bellows)형 안전밸브 (PSV) Vent hole에 관하여

이번에는 안전밸브에 Vent hole에 대해서 알아보겠습니다. 잘 아시겠지만 안전밸브는 압력용기, 배관 등의 관압이 형성 되었을 때 과압을 해소하여 화재, 폭발 사고를 예방하는데에 그 목적이 있습니다. 벨로우즈(Bellows)형 안전밸브에 대해서 알아보고 Vent hole의 관리와 벨로우즈(Bellows)형 안전밸브를 언제 선정해야 하는지에 대해 알아보겠습니다. 

🔅 벨로우즈(Bellows)형 안전밸브  

▪ 안전밸브의 작동특성이 배압의 영향이 최소화되게 만든 안전밸브를 말합니다.
▪ 벨로우즈는 디스크 뒷면의 시트 영역과 동일한 영역을 덮도록 설계되었으므로 배압은 설정 압력에 영향을 미치지 않습니다.
▪ 벨로우즈는 유체로 부터 스핀들, 스핀들 가이드 및 스프링을 보호합니다.
▪ Disc상부와 Bonnet 하부를 Bellows로 연결하여 유체가 Bonnet상부로 누설되는 것을 차단하는 형식 
▪ 통상적으로 PSV 설정압력과 배압(Back Pressure)이 10% 이상 차이가 나면 Bellows Type의 PSV로 선정한다. (API 520, EN ISO 4126, KOSHA GUIDE)
▪ 안전밸브의 토출배관에 걸리는 배압은 안전밸브 설정압력의 10% 이하가 되도록 하며, 배압의 영향을 받지 않도록 제작된 벨로우즈형(밸런스형) 안전밸브를 사용 하는 경우에는 설정압력의 50% 이내로 한다. 다만, 벨로우즈형 안전밸브 제작자가 배압 허용한도를 명시한 경우에는 이에 따른다. (KOSHA GUIDE)

출처 https://www.flowstarvalveshop.com

 

Bellows type의 안전밸브는  (PI x Ab) < Fs + (PB x At) 일 때 닫히히고 (PI x Ab) = Fs + (PB x At) 일 때 평형 상태에 있고  (PI x Ab) > Fs + (PB x At) 일 때 열립니다	PI = 입구 압력 PB = 배압 At = 디스크 영역 상단 Ab = 디스크 영역 하단
이 설계에서 주목할 점은 PB가 PI에 비해 가변적이고 상당히 크면 밸브가 열리는 압력이 변하여 바람직하지 않은 것입니다. 설정 압력에 대한 배압의 영향을 제거하는 다음 두 가지 설계 (그림 3 및 그림 4)를 사용할 수 있습니다.

 

🔅 배압(Back pressure-PB) 문제 
배압이 큰 경우 개방시 안전밸브 유량에 영향을 줍니다. 총 배압은 중첩배압과 누적배압의 두 가지 구성 요소에서 생성됩니다. 중첩배압은 폐쇄 밸브의 출구쪽에 존재하는 정압을 말하고, 증가된 배압은 밸브가 배출 될 때 배출구 측에서 발생하는 추가 압력을 말합니다. 벨로우즈 type이 아닌 경우 중첩배압은 개방 특성과 설정 값에 영향을 주지만, 조합 된 배압은 폐쇄 (블로우) 및 Re-seat 값을 변경합니다.

▪ 배압 (Back pressure) 이라 함은 안전밸브 등의 토출측에 걸리는 압력을 말하는 것으로, 중첩배압과 누적배압의 합을 말한다. ▪ 중첩배압 (Superimposed back pressure) 이라 함은 안전밸브가 작동하기 직전에 토출측에 걸리는 정압(Static pressure)을 말한다. ▪ 누적배압 (Built-up back pressure) 이라 함은 안전밸브가 작동한 후에 유체 방출로 인하여 발생하는 토출측에서의 압력증가량을 말한다. ▪ 총배압 = 중첩배압 + 누적배압

 

🔅 벨로우즈(Bellows)형 안전밸브의 선정 대상 

벨로우즈(Bellows)형 안전밸브는 스프링 타입의 Conventional 안전밸브 보다 가격이 2~3배 비쌉니다. Back pressure를 고려하여 Bellows가 설치되는 이유입니다.

 API CODE를 준용하여 작성된 KOSHA GUIDE 안전밸브 설계 및 설치 등에 관한 기술지침에 따르면
"안전밸브의 토출배관에 걸리는 배압은 안전밸브 설정압력의 10% 이하가 되도록 하며, 배압의 영향을 받지 않도록 제작된 벨로우즈형(밸런스형) 안전밸브를 사용 하는 경우에는 설정압력의 50% 이내로 한다. 다만, 벨로우즈형 안전밸브 제작자가 배압 허용한도를 명시한 경우에는 이에 따른다." 라고 명시되 있습니다. 

이 내용을 처음 읽고 이해가 잘 되지 않아 자문을 받아 해석이 필요했습니다. 핵심만 말씀드리면 Conventional PSV는 Spring만 설치되어 있으며 배압(Back Pressure)을 고려하지 않습니다. 즉 대기 또는 압력이 낮은 스크루버, 플레어스텍으로 배출될때 적용하시면 됩니다.

Conventional PSV	▪ 설정압력과 배압의 차이가 10% 미만인 경우 적용 ▪ 즉, 배압이 낮은 경우는 Conventional PSV를 적용 ▪ PSV 설정압력이 10kg/cm2이고, 배압이 0.5kg/cm2이라면 △P가 5% 이므로 Conventional PSV 적용 가능 ▪ PSV 설정압력이 10kg/cm2이고, 배압이 1.5kg/cm2이라면 △P가 15% 이므로 Conventional PSV 적용 불가능	토출측이 대기, Flareline, Scrubber, 저압 탱크인 경우에 주로 적용
Bellows PSV	▪ 설정압력과 배압의 차이가 10% 이상인 경우 Bellows PSV를 적용해야 한다.   ▪ 단, 이 경우 설정압력과 배압의 차이는 50% 이내로 적용한다. ▪ PSV 설정압력이 10kg/cm2이고, 배압이 1.5kg/cm2인 경우 △P가 15% 이므로 Bellows PSV를 적용해야 합니다. ▪ PSV 설정압력이 10kg/cm2이고, 배압이 6kg/cm2인 경우 △P가 60% 이므로 Bellows PSV를 적용할 수 없습니다. 이런 경우 Pilot type의 PSV를 적용해야 합니다.	토출측이 압력이 높은 탱크로 Return하는 경우 적용

(D-18-2017) 안전밸브 등의 배출용량 산정 및 설치.pdf

0.61MB

   

🔅 Vent hole의 관리

▪Bellows PSV는 Vent hole이 적용됩니다. Vent hole은 스프링이 동작 완료 이후에 복귀를 빨리 할수 있도록 피스톤 동작에 의한 압력을 해소해 주기 위한 설비입니다.  

▪Vent hole 관리 오류

⚞ API 520에서도 Vent hole을 막는 것을 금지하고 있으며 이를 주기적으로 확인을 하도록 규정하고 있습니다. Vent hole을 막게 되면 PSV 동작 이후 복귀가 늦어지거나, 복귀를 하지 않을 수 있습니다.
⚞ Vent hole은 망의 형태로 구성하고 벌레, 벌 등이 들어가서 Vent hole을 막는 일이 없도록 해야 합니다.
⚞ Vent hole은 elbow형태로 설치하고 반드시 아래쪽 방향으로 구성하여 빗물이 유입되지 않토록해야 합니다. 겨울철에 빗물이 유입되고 얼어버릴 경우 PSV 동작을 어렵게 합니다.  
⚞ Vent hole에 설치된 밸브를 Close하여 운전하는 행위도 금지됩니다. 
⚞ Vent hole 배관이 수평으로 설치되어 있어 수분 등의 제거가 원활하지 않음 

 

1