Breather valve (브리더 밸브)-안전밸브

Breather valve는 표현 그대로 숨쉬는 밸브입니다. 일반적인 안전밸브는 Pressure safety valve라고 칭합니다. 과압에 의한 탱크 폭발을 방지하기 위한 목적이 있다면, Breather valve는 과압과 진공압력에 의한 탱크를 보호하기 위한 목적이 있습니다. 


🔷breather valve 작동 원리 

breather valve는 direct acting Pressure/Vacuum Relief Valves라고도 하며 탱크 보호를 위해 특별히 설계된 특수 유형의 릴리프 밸브다. 이 범위에는 압력 전용, 진공 전용 및 결합된 압력/진공 밸브가 포함되며, 플랜지 배출구 또는 대기로 방출되는 것이 포함된다.

압력/진공 릴리프 밸브는 증발 손실을 최소화하기 위해 플로팅 커버가 있는 fixed roof tanks를 포함한 bulk storage tank에 광범위하게 사용된다. 밸브는 시스템의 균형을 풀거나 저장 용기를 손상시킬 수 있는 과도한 압력 또는 진공을 방지한다. 압력 및 진공 보호 수준은 가중 팔레트 또는 스프링으로 제어되며, 필요한 압력/진공 설정을 제공하기 위해 결합될 수 있다.  파레트와 스프링 시스템을 하나의 단위로 결합하는 것이 일반적이다. 즉, 압력 설정은 스프링 섹션을 필요로 하는 반면 진공 설정은 팰릿 방법을 사용한다.


🔷 breather valve를 사용하는 이유 
breather valve는 fixed roof tanks 상단의 노즐에 장착된 보호 장치다. 그것의 주된 목적은 탱크가 파열되거나 붕괴되지 않도록 보호하는 것이다. 개방 또는 제어된 개방 설비가 없다면 fixed roof tanks는 액체 펌핑으로 인해 탱크에 압력이 증가하거나 심각한 열 변화로 인한 증기 압력 변화로 인해 파열될 수 있다. 펌핑 또는 탱크의 붕괴는 펌핑 아웃 절차 또는 열 변화 중에 발생한다. 
액체 레벨이 낮아지면 증기 공간 압력이 대기압 이하로 낮아진다. 이 진공 상태는 탱크의 제어된 개구부를 통해 완화되어야 한다. 한마디로 파열이나 파열 가능성을 없애기 위해서는 탱크의 호흡이 필요하다. 이 기능 때문에 이 밸브를 breather valve라고 칭한다. 밸브의 선정은 API 2000 또는 기타 해당 표준을 준용한다. 

🔷 breather valve의 작동 방식
대부분의 대기 탱크에는 비교적 낮은 압력에서 다량의 증기가 빠져나갈 수 있는 환기 장치가 필요하다. 일반적으로 허용 가능한 설정 압력은 양수 및 진공 조건 모두에서 수두압력 이내이다. 대부분의 대형 저장탱크는 최대 허용 운전 압력이 상대적으로 낮기 때문이다. 이러한 탱크는 일반적으로 API 650 표준에 따라 제작된 대용량 용기다. 낮은 설정 압력에서 대량의 용적을 수용하기 위해, 이들 밸브는 입구 또는 노즐 연결부보다 면적이 더 큰 포트를 가지고 있다. 낮은 설정으로 인해 스프링 하중이 아닌 밸브에 하중이 가해져야 한다. 위와 같은 이유로 브리더 밸브는 밸브의 완전 개방에 도달하기 위해 설정된 압력보다 약 100% 이상의 압력을 필요로 한다.

단, 설정 압력을 결정할 때는 최적의 유량을 얻기 위해 weight-loaded Valve  작동 MAWP가 필요한 설정 압력의 2배 이상이어야 한다. MAWP가 필요한 설정값보다 100% 미만이면 밸브의 크기가 일반적인것 보다 클 수 있다.
*MAWP (maximum allowable working pressure)

압력이 20% 이상 초과될 경우 Valve chatter, accelerated seat , 다이어프램 마모의 가능성이 존재한다. 간단히 말해서, Pressure/Vacuum Valve는 pressure safety Relief Valve와 정확히 다르며 압력보다 10% 또는 20%로 크기를 조정해서는 안 된다. Pressure/Vacuum Valve의 크기를 조정할 때 제조업체의 flow curves를 참조하여 충분한 overset pressure을 허용해야 합니다.

 

🔷 Breather valve의 보호 방법 
브리더 밸브는 어떻게 용기의 내용물을 수분 침입으로부터 보호할 것인가? 이 질문에 대한 답은 다음과 같은 다섯 가지 요인에 따라 달라진다. 

1. 압력 및 진공 설정 
브리더 밸브는 0.2 psid에서 5.0 psid 이상의 다양한 설정으로 제작된다. 밸브가 씰링되는 지점인 이러한 설정은 용기가 누출이나 변형 없이 안전하게 견딜 수 있는 압력이나 진공보다 1.0psi~1.5psi 이상 낮아야 한다(아래 선택 참조). 일반적으로 밸브 설정압력이 낮을수록 밸브가 열리는 빈도가 높아져 외부 대기를 인정하고 건조제의 수명을 단축시킨다. 

2. 온도 변화 
보관 중 브리더 밸브가 열리는 횟수는 밸브 설정뿐 아니라 특정 저장 영역에서 발생할 수 있는 온도 변동의 크기와 빈도에 따라 달라진다. 밀봉용기에서는 각 30°F 온도 변화에 대해 1.0 ~ 1.5psi의 압력 변화가 있다.
애리조나 주 투싼에 있는 AGM의 공장에서 컨테이너를 대상으로 실시한 장기 테스트에서는 밀봉압 0.25 psid의 밸브가 거의 매일 열리는 반면 0.5 psid로 재봉합하도록 설정된 밸브는 연간 최대 150회까지 열 수 있으며, 1.0 psid로 설정된 밸브는 보관 중에 거의 열리지 않는 것으로 나타났다. (이러한 테스트는 단단한 벽 컨테이너에서 실행되었고, 유연한 벽이 있는 플라스틱 용기의 저설정 밸브는 아마도 동일한 조건에서 자주 열리지 않을 것이라는 점에 유의해야 한다.) 
투싼 외에 세계에서 더 큰 일교차가 발생하는 곳은 몇 군데에 불과하다. 따라서 전세계적인 저장 조건에서 양방향에 0.5 psid 재절개된 밸브는 1년에 200회 이하로 열리게 되며, 양방향에 1.0 psid 재절개하도록 설정된 밸브는 아마도 12회 이하로 열리게 될 것이다. 

3. 온도 vs. 습도 
브리더 밸브가 열리는 횟수 외에도, 각 구멍(또는 "굴프")에서 용기 안으로 흡수되는 수분량은 건조제 수명을 결정하며, 이는 저장 영역의 기후 조건에 따라 달라진다. 그러나 습도가 높으면 온도 변화가 제한되기 때문에 설정이 매우 낮은 브리더 밸브도 이러한 위치에서 1년에 2, 3회 이상 열리지 않을 수 있다. 

4. 수송 
10.7 psia(항공기 화물칸의 정상 압력 수준)에서 14.7 psia(해상 수준)까지 하강할 때마다 양방향 0.5 psid 재확보용으로 설정된 브리더 밸브는 용기 용적당 약 0.013g의 물을 흡수한다. 밸브 설정이 높거나 낮으면 하강당 수분 증가량이 크게 달라지지 않는다. 따라서 필요한 건조제의 양은 부분적으로 예상되는 수송의 횟수에 따라 달라진다. 

5. 건조제의 양 
지상 저장장치의 경우, 컨테이너가 숨을 쉬어야 할 때마다 입방피트당 0.015그램의 물을 섭취하고, 가압 화물칸에서 하강할 때마다 입방피트당 0.013그램의 물을 섭취한다는 점에 주목했다. MIL-STD-2073-I는 밀봉된 단단한 금속 용기에 1입방 피트당 1.2단위의 건조제가 필요하고(더하기, 모래언덕에 추가량 포함), 1단위의 건조제는 77°F에서 40% 상대습도(RH)에서 6.0그램의 물을 저장하기 때문에, 이 양의 건조제는 1개 또는 1개소의 총 480개의 "굴프" 동안 용기를 보호한다. 550개의 기체 중, 혹은 그 둘의 조합 중 어느 정도. 상기 요인을 염두에 두고 적절한 건조제와 함께 적절히 선택 및 사용되는 브리더 밸브가 경량 저비용 용기에서 수년간의 수분 보호를 제공할 수 있음을 알 수 있다.

 

🔷 Breather valve의 설계 
▪️ 설계압력이 760 mmHg 이하라면 API 620을 적용해야 하는 Tank이고 Pressure/Vacuum Vent용 Breather Valve의 Set Point는 Design Pressure를 넘지 않아야 합니다. 
▪️ API 650 적용 Tank는 대기압에서 저장하거나 지붕판의 무게를 들어올릴 수 있는 압력이상으로 설계하지 않으며 기껏해야 500 mmH2O이하 압력, 100mm H2O이하의 진공정도의 설계압력을 가지고 있습니다.  230mmHg 정도 진공을 걸어준다면 API650, API620 Tank는 모조리 쭈그러들어 망가집니다.  대형용기는 특히 진공에 아주 취약합니다.   
▪️ Venting 하는 것을 Out-breathing이라고 하고 흡입하는 것은 In-breathing이라고 합니다. 
▪️ Breather Valve의 Set Point에 관해서는 정확한 Guide가 되어 있지 않습니다. 
▪️ N2를 Sealing Gas로 사용하는 경우라면 Out-/In-breating 하는 조절밸브로 밀봉하고 이들의 동작압력을 탱크의 압력/진공 설계압력의  각각(예를 들어) 90%/75% 정도에서 100%의 Vent/흡입 유량을 흘려보낼 수 있도록 하면 저장용기내 Vapor의 손실을 막으면서 기기장치를 보호하기에 적당할 것입니다. 
▪️이 때, Vent Line의 막힘이나 N2 공급중단시 Vacuum이 걸리는 경우가 가장 취약한 상황이 되기 때문에 설계압력/진공에서 Emergency Vent, Emergency Inbreathing Duty를 100% 흘려보낼 수 있는 별도의 Vent Hatch를 두는 것이 안전하겠지요. (출처 : 인터넷 화학공학)

Emergency Relief Hatch

🔷 Breather valve 배출량의 산정

Breather valve의 배출량 산정에 관해서는 KOSHA GUIDE 및 KGS CODE에 별도로 GUIDE되지 않고 API에서 GUIDE되고 있습니다. 다음의 내용은 인터넷화학공학 내용을 인용하였습니다.

1. Wetted Area
Storage Tank에서의 외부에서 화재 발생시 Wetted Area라고 함은 지상에서 25feet(7.5m)까지 채워져 있는 탱크 벽면폭 과 높이를 계산하면 됩니다.  탱크의 지분면적이나 바닥면적은 화재시 복사열이 거의 전달되지 않기 때문에 면적에 합산하지 않습니다.  따라서 표면적은 탱크직경*액면 높이(최대 7.5m)

2. Normal Inbreathing & Outbreathing Rate
Inbreathing은 Pump로 배출하는 Liquid Volumne과 같은 유량의 공기가 유입되는 것으로 보고 Outbreathing은 Tank에 Loading 할 때 흘러들어오는 액의 유량을 기준으로 하며 Flash Point와 Boiling Poing에 따라 API Std. 2000에 대체적인 Guide가 명시되어 있습니다. 

Normal Outbreathing or Inbreaghing Rate = (Liquid Flow Rate, m3/h)*(Gas Flow Factor, (Nm3/h)/(m3/h)) ~~
위의 수식에서 Gas Flow Factor는 Table에 주어져 있음.

Vol  m3    /Col 2        /Col 4        /0.6          /Table        /D            /H            /A            /f =0.577 3000        506          506          304          303          19.7          9.8          915.5        528.2 3180        536          536          322          388          20.1          10.0        951.7        549.2 4000        647          647          388          472          21.7          10.8        1109.0      639.9 5000        787          787          472          537          23.4          11.7        1286.9      742.5 6000        896          896          538          602          24.8          12.4        1453.2      838.5 7000        1003        1003        602          646          26.1          13.1        1610.5      929.3 8000        1077        1077        646          682          27.3          13.7        1760.5      1015.8 9000        1136        1136        682          726          28.4          14.2        1904.3      1098.8 10000      1210        1210        726          807          29.4          14.7        2042.8      1178.7 12000      1345        1345        807          888          31.3          15.6        2306.8      1331.1 14000      1480        1480        888          969          32.9          16.5        2556.5      1475.1 16000      1615        1615        969          1047        34.4          17.2        2794.5      1612.5 18000      1745        1745        1047          1126        35.8          17.9        3022.8      1744.2 20000      1877        1877        1126          1307        37.1          18.5        3242.8      1871.1 25000      2179        2179        1307          1378        39.9          20.0        3762.9      2171.2 30000      2495        2495        1497          1497        42.4          21.2        4249.2      2451.8

3. Thermal Venting Rate
기온변화에 따른 Inbreaghing & Out Breating Rate는 Tank 크기와 Flash Point 및 Normal Boiling Point에 따라 Table로 주어져 있습니다.

4. 화재시 Venting Rate 
화재시 Vent 해야할 증기량은 Tank Wall에서 가열되는 열량을 액의 잠열로 나눈 값을 배출할 수 있어야 하는데 Roof가 Side Wall에 단단히 용접되어 있는 경우라면 반드시 Vent Hatch나 Gauge Hatch를 통해서 이 증기량을 배출할 수 있도록 설계되어야 한다고 되어 있습니다. 이 Venting Rate도 Wetted Wall의 면적에 따라 정한 값을 Table로 제공하고 있습니다.  Wetted Area를 계산하는 방법에 대해서는 Note에 자세히 주어져 있습니다.  예를 들어 Horizontal Tank라든가 Ball Tank같은 탱크는 30ft까지의 액면 높이의 외부면적으로 하거나 Ball Tank는 표면적의 55%, Horizontal Tank는 75% 표면적 중 큰 면적을 기준으로 배출용량을 계산하여야 합니다. Tank의 표면상태(예를 들어 보온된경우, 지하매설탱크, 등)도 고려되어 배출부하가 결정됩니다.

🔷 타 법령의 고려사항
1. 위험물안전관리법 : 대기로 배출되는 경우 40메쉬 이상의 인화방지망을 설치 해야 합니다.
2. 대기환경보전법 : 탱크에 저장된 물질이 대기오염물질인 경우 대기오염배출구로 정의 되므로 대기환경보전법을 고려해야 합니다.
3. 산업안전보건법 : Breather valve로 안전밸브 정의에 포함됩니다, 압력은 낮기 때문에 안전인증 대상은 아닌 것으로 알고 있습니다. 그러나 안전검사(팝핑테스트)는 매년 실시 해야 합니다. 

1. 산안법. PSM 
대기압 탱크 (설계압력 0.17kg/cm2 이하의 탱크)에 달린 브리더밸브는 안전밸브의 원리를 갖추고 있지만 산안법에서는 '통기관 등'으로 해석된다. 일부 법규에서는 '안전밸브 등'으로 칭하기도 한다. 
압력배출 장치에 해당되지만 '안전밸브'로 분류 되지 않으므로 1년 주기의 안전검사(popping test)의 법적 의무 사항은 아니다. 
그러나 스티렌 탱크 사고에서 보듯이 폭발예방 안전설비 이므로 사업장 자체 적으로 점검주기를 확립하는 것을 권장한다.
 
2. 고압가스안전관리법. SMS
고법에서는 브리더밸브에 대해 기술기준을 별도로 규정하고 있지는 않으나 API-2000, API 2521, API 2513에서 규정된 대로 Breather Valve  즉, 압력 배출 안전 설비로 분류되며 '안전밸브'로 정의 되지는 않는다. Control Valve 처럼 연속적으로 동작되는 밸브류의 설비로 분류되어 관리된다.
따라서 고법상 안전밸브 검사 기준과 검사 주기를 준용하지 않아도 된다. 자율적 점검체계  수립 운영을 권장한다.

3. 위험물 안전관리법
브리더 밸브에 대해 별도로 규정된 관리 기준이 없다. 50만리터 이상의 위험물 저장탱크는 정기검사를 받아야 하는데 이때 브리더밸브에 대해 점검을 한다. 

4. 화학물질관리법
화관법에서 브리더밸브는 안전밸브로 정의된다. 타법과 비교하면 특이한 케이스이다. 화관법 유해관리계획서에 따라 자체 점검 기준에 따라 자율적으로 관리하면 된다. 특별한 규제는 없다.

※공통사항 
1. PSM, SMS, RMP에서 안전밸브 및 파열판 명세서를 관리 해야한다. PSM과 SMS에 브리더밸브가 안전밸브로 정의되지 않기 때문에 반드시 안전밸브 및 파열판 명세서에서 관리하지 않아도 되지만 PSM, SMS 평가에 감점요인이 될수 있다고 한다. 반드시 안전밸브 명세서가 아니더라도 별도 리스트 업하여 관리를 권고한다. 엄연히 안전설비의 하나이다.

2. 브리더밸브를 주기적으로 점검하는  행위 자체가 굉장히 위험하다. 탱크를 완벽히 비우지 않는다면 점검의 행위 자체가 폭발사고의 리스크를 안고 있다.

3. 법적 점검 관리주기는 없더라도 자체 관리 기준과 주기는 필요하다.

 

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