안전밸브의 종류

다음 내용은 한국스파이렉스사코㈜의 Steam People에 게재된 안전밸브 기획 시리즈 중 안전밸브의 종류에 관한 내용을 공유하고자 한다.

 

 

 

안전밸브의 종류

용어의 정의

1. ASME/ANSI PTC25.3(미국 표준)

⊙ Pressure Relief Valve

초과 압력을 해소하기 위하여 밸브가 개방되고 정상적인 조건으로 된 이후에 더 이상 유체가 흐르는 것을 방지하기 위하여 밸브가 닫히도록 설계된 스프링 가압식 압력해소밸브. 이 밸브는 신속하게 밸브가 개방되는 ‘POP’ 동작을 하거나, 초과한 개방 압력의 증가에 비례하여 점진적으로 개방되는 특성을 가진 밸브이다. 이 밸브는 압축성 유체 또는 비압축성 유체 모두에 사용할 수 있다. 이 용어는 일반적으로 ‘Safety Valve’, ‘Relief Valve’, ‘Safety Relief Valve’ 모두를 가리키는 일반적인 용어이다.

⊙ Safety Valve

입구측 정압에 의해 동작하고, 급속 개방 또는 ‘POP’ 동작 특성을 가진 압력 해소밸브. 안전밸브는 우선적으로 압축성 가스, 특히 스팀 및 압축 공기 시스템에 사용된다. 또한 설비를 보호해야 하거나 운전 중 제품이 손상되는 것을 방지하기 위해서도 사용할 수 있다.

⊙ Relief Valve

입구측 정압에 의해 동작하고, 초과한 개방 압력의 증가에 비례하여 점차적으로 개방되는 압력해소장치. 릴리프 밸브는 액체 시스템, 특히 소용량이고 열 팽창 방지용으로 사용된다.

⊙ Safety Relief Valve

적용 공정에 따라 특히 액체 및 압축성 유체를 모두 사용하는 공정에서 급속 개방(POP) 특성 또는 초과한 개방 압력의 증가에 비례하여 밸브가 개방되는 압력해소밸브. 일반적으로 ‘Safety Relief Valve’는 압축성 가스 시스템에 적용할 경우에는 ‘Safety Valve’로서 동작할 것이다. 그러나 액체 시스템에 적용할 경우에는 ‘Relief Valve’와 같이 과잉 압력에 비례해서 개방될 것이다.

 

 

2. DIN3320 또는 BS6759(유럽 표준)

⊙ 안전밸브 (Safety Valve)

미리 설정된 압력 이상으로 초과되는 것을 방지하기 위하여 적용 유체 이외의 다른 에너지의 도움없이, 자동으로 검증된 양만큼의 유체를 분출시키고, 정상적인 운전 조건으로 회복된 후에 더 이상의 유체 흐름이 발생하지 않도록 다시 자동으로 닫히는 밸브.

 

3. KS B6216(한국표준)

⊙ 안전밸브 (Safety Valve)

밸브의 입구쪽 압력이 상승하여 미리 정해진 압력이 되었을 때, 자동적으로 작동하여 밸브 몸체가 열리고, 유체(스팀 또는 가스)를 배출하여 압력이 소정의 값으로 강하하면 다시 밸브 몸체가 닫히는 기능을 가진 밸브

 

 

안전밸브의 종류

1. 보일러와 압력 용기 적용에 대한 표준을 다룬 ASME I과 VIII, 그리고 안전밸브와 릴리프 밸브에 대한 표준 및 종류를 다루고 있는 ASME/ANSI PTC25.3에서는 다음과 같이 정의하고 있다.

⊙ ASME I 안전밸브

보일러 적용에 대한 압력 용기 규정인 ASME I 표준의 요구 사항에 일치하는 안전 릴리프 밸브(Safety Relief Valve)로서, 3% 이내의 초과 압력 범위 내에서 안전밸브가 개방되고 4% 이내에서 밸브가 닫힐 것이다. 이 안전밸브에는 두 개의 블로우다운 링이 있으며 국가인증기관(National Board)에서 ‘V’ 인증마크가 주어진다.

⊙ ASME VIII 안전밸브

압력 용기 적용에 대한 압력용기 규정인 ASME VIII 표준의 요구 사항에 일치하는 안전 릴리프 밸브(Safety Relief Valve)로서, 10% 이내의 초과 압력 범위 내에서 안전밸브가 개방되고 7% 이내에서 밸브가 닫힐 것이다. 이 안전밸브에는 국가인증기관(National Board)에서 ‘V’ 인증마크가 주어진다.

⊙ 저양정식 안전밸브 (Low Lift Safety Valve)

실제 분출 면적(Discharge Area)이 디스크의 개도에 의해서 결정된다.

⊙ 전양정식 안전밸브 (Full Lift Safety Valve)

분출 면적 (Discharge Area)이 디스크의 개도에 의해서 결정되지 않는다.

⊙ 전량식 안전밸브 (Full Bore Safety Valve)

유입부에 돌출된 부분이 없고, 시트 또는 시트 하단부의 최소 오리피스 면적보다 충분히 크게 확장될 수 있도록 밸브 디스크가 충분히 개방된다.

⊙ 비평형식 안전 릴리프 밸브 (Conventional Safety Relief Valve)

스프링 하우징이 유체 분출면 쪽으로 벤트되고, 그 운전 특성이 밸브에 작용하는 배압에 의해 직접적으로 영향을 받는다.

⊙ 평형식 안전 릴리프 밸브 (Balanced Safety Relief Valve)

안전밸브의 운전 특성이 배압의 영향을 최소화할 수 있도록 압력 평형식 벨로즈가 있다.

⊙ 파이로트식 압력 릴리프 밸브 (Pilot Operated Pressure Relief Valve)

대구경 압력해소밸브가 자율식 보조 압력해소밸브와 연결되어 있으며, 이 보조 밸브에 의해서 압력이 제어된다.

⊙ 강력 구동식 압력 릴리프 밸브 (Power-Actuated Pressure Relief Valve)

압력해소밸브가 별도의 외부 구동장치와 연결되어 있으며, 이 구동장치에 의해서 압력이 제어된다.

 

 

2. 국내 표준인 KS B6216 에서는 안전밸브와 관련한 종류에 대하여 다음과 같이 정의하고 있다.

⊙ 안전밸브 (Safety Valve)

밸브의 입구쪽의 압력이 상승하여 미리 정해진 압력이 되었을 때 자동적으로 작동하여 밸브의 몸체가 열리고, 유체(스팀 또는 가스)를 배출하여 압력이 소정의 값으로 강하한다면 다시 밸브 몸체가 닫히는 기능을 가진 밸브

⊙ 양정식 안전밸브 (Lift Safety Valve)

안전밸브의 양정이 밸브 시트 입구 지름의 1/40 이상 1/4 미만으로 밸브가 열렸을 때 유로 면적 중에서 밸브 시트 유로 면적(커튼 면적)이 최소가 되는 안전밸브

⊙ 전량식 안전밸브(Full Bore Safety Valve)

밸브 시트 유로 면적이 밸브 몸체와 밸브 시트가 닿는 면에서 하부에서의 노즐의 목부 면적보다 충분히 큰 양정을 얻을 수 있는 안전밸브

 

 

안전밸브 특성 

1. 비평형식 안전밸브

비평형 타입 안전밸브의 공통적인 특징은 밸브의 운전 특성이 배압의 영향을 받는다는 점이다. 안전밸브의 운전 특성에 영향을 미치는 배압에는 다음과 같이 두 가지 형태가 있다.

● 기존 배압 (Superimposed Back Pressure) : 안전밸브가 닫혀 있는 상태에서 밸브 출구측에 존재하고 있는 정압

● 누적 배압 (Build-up Back Pressure) : 안전밸브가 유체를 분출할 때 밸브 출구측에서 추가로 발생된 압력

ASME/ANSI 표준에서는 밸브의 분출면이 대기로 벤트되어 있는 스프링 하우징 구조의 비평형식 안전밸브에 대하여도 구분하고 있다.

안전밸브의 보닛이 밸브의 분출면에 벤트되어 있는 경우	안전밸브의 보닛이 대기로 벤트되어 있는 경우

<그림 1> 비평형식 안전밸브

 

 

2. 평형식 안전밸브

평형식 안전밸브는 배압에 의한 영향을 제거하기 위한 수단으로 사용된다. 이 밸브는 다음과 같이 두 가지 설계 구조가 있다.

⊙ 피스톤 타입 평형식 안전밸브

일반적으로 피스톤 타입 안전밸브의 구조는 벤트 가이드에 의하여 피스톤 디스크의 움직임을 제한하는 구조로 되어 있다. 피스톤 상층부의 면적과 노즐 시트 면적은 동일하도록 설계되어 있다. 이것은 배압에 노출된 디스크의 두 유효 면적(상부와 하부 표면)이 동일함을 의미하고, 결과적으로 추가된 힘의 균형을 이루었다는 것이다.

⊙ 벨로즈 타입 평형식 안전밸브

노즐 시트 면적과 동일한 유효 면적을 가진 벨로즈가 디스크 상부 표면과 스핀들 가이드에 붙어있다. 벨로즈는 디스크 상부의 벨로즈 안쪽으로 배압이 작용하지 않도록 한다. 벨로즈 바깥쪽으로 펼쳐져 있는 디스크 면적과 반대쪽의 디스크 면적은 동일하므로 디스크에 작용하는 힘은 균형을 이루고, 배압은 밸브의 개방 압력에 거의 영향을 주지 않는다.

 

피스톤 타입 균압식 안전밸브의 구조	벨로즈 타입 균압식 안전밸브의 구조

<그림 2> 평형식 안전밸브

 

평형식 압력 릴리프 밸브는 일반적으로 일반형 타입의 안전밸브보다 가격이 더 비싸기 때문에, 배압이 형성할 수 있는 고압 매니폴드를 불가피하게 설치해야 하는 장소 또는 아주 정확한 설정 압력과 분출차를 요구하는 중요한 공정 등에서 주로 사용된다.

 

 

3. 파이로트식 안전밸브

파이로트식 안전밸브는 파이로트 밸브를 통해서 공정에 흐르는 유체가 안전밸브 디스크 상부로 통하도록 하여 밸브의 폐쇄력으로 작용하도록 한다. 파이로트 밸브 또한 소구경의 안전밸브이다. 파이로트식 안전밸브의 종류는 크게 다이아프램식과 피스톤식으로 구분할 수 있다.

일반적으로 다이아프램식 파이로트 안전밸브는 주로 압력이 낮은 공정에서 이용할 수 있으며, 액체 시스템에서 릴리프 밸브의 특성인 비례제어 동작을 한다. 또한 이 타입은 스팀 시스템에서는 거의 사용하지 않는다.

피스톤식 피이로트 안전밸브는 피스톤으로 구성된 폐쇄장치로 구성되어 있는 메인 밸브와 외부 파이로트 밸브로 구성된다.

<그림 3> 전형적인 피스톤 파이로트 안전밸브의 구조

 

 

4. 전양정식 또는 고양정식, 저양정식 안전밸브

전양정식 또는 고양정식, 저양정식이라는 용어는 정격 분출 용량을 분출시키기 위하여 디스크가 닫힌 위치로부터 얼마만큼 이동하였는가를 양정의 크기로 정의하고 있으며, 이것이 밸브의 분출용량에 어떻게 영향을 주는가를 알려주고 있다.

⊙ 전양정식 타입의 안전밸브는 디스크가 아주 충분한 만큼 이동하여 밸브의 커튼 면적이 더 이상 분출면적에 영향을 주지 않는다. 그러므로 분출 면적과 안전밸브의 용량은 밸브의 목부 면적에 의해서 결정된다. 이것은 디스크가 적어도 목부 지름의 25% 이상 이동하였을 때 발생한다. 일반적으로 스팀 시스템에서 가장 선호하는 것이 일반형 전양정식 안전밸브이다.

⊙ 고양정식 안전밸브의 디스크는 적어도 목부지름의 1/12 이상 이동한다. 이것은 이동한 디스크 지점에서의 커튼면적에 의해서 안전밸브의 분출면적이 결정됨을 의미한다. 고양정식의 분출 용량은 전량식에 비해 아주 적으므로, 동일한 분출량에 대하여 전량식 안전밸브의 구경은 고양정식 밸브보다 한 두 단계정도 공칭 구경이 작게 선정되므로 비용적인 측면에서 유리하다. 고양정식 안전밸브는 밸브의 동작이 보다 더 좋은 비례제어 특성을 요구하는 비압축성 유체에서 주로 사용한다.

⊙ 저양정식 안전밸브는 디스크가 단지 목부 지름의 1/24 정도 이동하는 밸브이다. 분출 면적은 디스크의 개방위치에 의해 결정된다. 결과적으로 디스크의 이동거리가 매우 작기 때문에 전량식 또는 고양정식의 안전밸브에 비해서 분출 용량이 매우 적다.

 

Reference : 한국스파이렉스사코㈜ Steam People Mar. 2023