설정 압력 vs. 축적 압력

안전밸브의 설정 압력(Set Pressure)과 축적 압력(Accumulated Pressure)의 관계에 대해 공유하고자 한다.

 

 

 

설정 압력 vs. 축적 압력

안전밸브의 설정 압력(Set Pressure)과 축적 압력(Accumulated Pressure)은 설비의 안전 설계를 결정하는 가장 중요한 두 축이다. 이 관계를 이해하려면 압력 용기가 견딜 수 있는 한계치 내에서 안전밸브가 어떻게 단계적으로 작동하는지 파악해야 한다.

결론적으로 요약하면 다음과 같다.

• 설정 압력은 우리가 밸브에 지시한 '동작 시작점'이다.
• 축적 압력은 밸브가 작동 중일 때 용기가 잠시 견뎌야 하는 '최대 압력점'이다.

 

 

주요 용어의 정의

설계의 기준이 되는 압력 개념에 대한 용어의 이해가 필요하다.

• 설계 압력(Design Pressure): 용기가 정상적으로 견딜 수 있도록 설계된 최대 압력이다.
• 최대 허용 사용 압력(MAWP): 제작 완료 후 계산된, 용기가 안전하게 견딜 수 있는 실제 최대 압력이다. 보통 설계 압력과 같거나 약간 높다.
• 설정 압력(Set Pressure): 안전밸브가 열리기 시작하도록 설정한 압력이다. 일반적으로 MAWP를 초과할 수 없다.

 

 

축적 압력 vs. 허용 축적 압력 

1. 축적 압력 (Accumulated Pressure)

축적 압력이란 안전밸브가 완전히 열려 유체를 배출하고 있는 동안, 용기 내부에서 일시적으로 상승하는 압력의 총량을 의미한다.

• 개념: 안전밸브가 열렸다고 해서 압력 상승이 즉시 멈추지 않는다. 유체가 빠져나가는 속도보다 내부 압력 상승 요인이 더 클 경우 압력이 더 오르게 되는데, 이때의 최고점에 도달한 압력을 말한다.(축적 압력 = 실제 배출 시 압력 - MAWP)

※ 과압 (Overpressure)은 축적 압력과 유사해 보이지만,기준점이 다르다.안전밸브의 설정 압력을 초과하여 상승한 압력의 양이다.(과압 = 실제 배출 시 압력 - 설정 압력)

 

2. 허용 축적 압력 (Allowable Accumulated Pressure)

허용 축적 압력은 '설계자가 계산 시 사용하는 상한선'이다.

• 개념: 안전밸브가 열려도 내부 압력은 관성에 의해 조금 더 상승한다. 이때 '잠깐 이 정도까지는 압력이 올라가도 용기가 터지지 않으니 괜찮다'고 법규에서 인정해주는 수치이다.(법규(ASME, KOSHA)에서 허용하는 최대 축적값)
• 설계 반영 (사이징 계산): 안전밸브의 크기(면적)를 계산할 때, 이 허용 축적 압력 수치를 공식의 압력 항(P)에 대입한다

       - 일반 화재 외 시나리오: MAWP의 110% (10% 축적 허용)

       - 화재(Fire Case) 시나리오: MAWP의 121% (21% 축적 허용)

 

※ 축적 압력을 높게 잡을수록 배출 압력(Driving Force)이 커진다고 가정하므로, 계산되는 안전밸브의 필요 크기는 더 작아질 수 있다.

 

<표 1> 축적 압력 vs. 허용 축적 압력 비교

구분	축적 압력 (Accumulated Pressure)	허용 축적 압력 (Allowable Accumulated Pressure)
정의	안전밸브 배출 시 용기 내부에서 실제로 상승한 압력 수치	법규/코드에서 안전을 위해 설정한 최대 상승 한계치
성격	물리적 현상 (Actual value)	설계 및 법적 기준 (Limit value)
기준점	MAWP (최대허용사용압력)	MAWP (최대허용사용압력)
계산 공식(%)	(현재 압력 - MAWP) / MAWP * 100	법규(ASME, KOSHA)에 고정된 비율
주요 수치	상황에 따라 변함 (예: 5%, 8%, 15% 등)	운전고장: 110% (10% 축적) / 화재시: 121% (21% 축적)
설계 시 역할	실제 밸브의 배출 성능이 기준 내에 있는지 확인	안전밸브의 크기(오리피스 면적)를 산정하는 압력 조건으로 사용

 

 

 

 

설정 및 축적 압력 부여 기준 (ASME Sec. VIII / KOSHA)

설비 상황에 따라 안전밸브를 몇 개 설치하느냐에 따라 기준이 달라진다.

 

구분	단일 설치 (Single Valve)	다중 설치 (Multiple Valves)	화재 시 (Fire Case)
설정 압력 (Max)	MAWP의 100%	주 밸브: 100% / 보조: 105%	MAWP의 110%
허용 축적 압력	MAWP의 110%	MAWP의 116%	MAWP의 121%

 

 

 

정밀도(Tolerance)와 축적 압력의 관계

• 설정 압력의 오차 (+/- 3%): 만약 오차로 인해 밸브가 설정값보다 늦게 열리면, 실제 축적 압력이 허용치(110%)를 초과할 위험이 있다.
• 운전 여유도: 따라서 운전 압력은 설정 압력보다 충분히 낮게(보통 90% 이하) 유지하여, 정밀도 오차나 미세한 압력 변동에 의해 밸브가 불필요하게 열리지 않도록 관리해야 한다.

 

안전밸브/파열판 정밀도(Tolerance)는 기 포스팅한 다음 링크 자료 참조

https://sec-9070.tistory.com/1625

안전밸브/파열판 정밀도

 

 

 

 

시나리오별 설정 및 축적 압력 부여 사례

대표적인 두 가지 시나리오인 운전 고장(Fail Open)과 화재(External Fire)에 대해 허용되는 압력 기준 선정 사례이다.

1. 운전 고장 시나리오 (Fail Open Case)

공정 제어 장치의 기계적 결함이나 신호 오류로 인해 밸브가 갑자기 완전히 열려버리는 상황이다.

[사례: 가스 감압 스테이션]

고압 배관(10.0 MPa)에서 저압 저장탱크(1.0 MPa)로 가스를 보내는 공정에서, 압력을 조절하는 감압밸브(Control Valve)가 고장으로 100% 개방(Fail Open)된 경우이다.

• 현상: 저압 탱크로 설계 용량을 초과하는 고압의 가스가 급격히 유입된다.
• 배출량 산출: 감압밸브의 최대 유량 계수(Rated Cv)를 기준으로, 전단과 후단의 압력차에 의해 흐를 수 있는 최대 유량을 안전밸브가 모두 배출해야 한다.
• 압력 기준:

       설정 압력: 탱크의 MAWP(최대허용사용압력) 100% 이하.

       허용 축적 압력: MAWP의 110% (10% 축적 허용).

 

 

2. 화재 시나리오 (External Fire Case)

설비 주변에서 화재가 발생하여 용기 내부의 유체가 열을 흡수하고 급격히 팽창하거나 증발하는 상황이다.

[사례: 액체 저장 탱크(LPG, 유류 등)]

인화성 물질이 담긴 탱크 주변에서 화재가 발생하여 탱크 벽면이 화염의 복사열에 노출된 경우이다.

• 현상: 내부의 액체가 비등(Boiling)하면서 막대한 양의 증기가 발생한다. 또는 가스만 있는 용기의 경우 가스 온도가 상승하며 압력이 팽창한다.
• 배출량 산출: 화재에 노출된 용기의 표면적과 유체의 잠열(Latent Heat)을 계산하여 발생한 증기량을 산출한다. API 521 공식에 따라 화염에 의한 입열량(Heat Input)을 먼저 계산한다.
• 압력 기준: 비상시 극단적인 상황으로 간주하여 더 높은 축적 압력을 허용한다.

       설정 압력: MAWP의 110%까지 설정 가능 (단일 밸브 시 100% 권장).

       허용 축적 압력: MAWP의 121% (21% 축적 허용).

 

 

3. 핵심 차이점 비교 요약

구분	운전 고장 (Fail Open)	화재 (External Fire)
원인	제어 밸브, 체크 밸브 등 고장	설비 외부 화재 발생
유체 유입 경로	배관을 통한 내부 유입	외부 열에 의한 내부 기화
계산 핵심	밸브의 유량 계수(Cv)	용기 표면적 및 화염 입열량
허용 축적 압력	110% (보수적)	121% (완화적)
발생 빈도	상대적으로 높음	매우 낮음 (비상 상황)

 

4. 엔지니어링 실무 포인트

• 최악의 시나리오(Governing Case) 선정: 하나의 용기에 여러 시나리오를 검토한 후, 그중 필요 배출 면적(Required Area)이 가장 크게 나오는 시나리오를 기준으로 안전밸브의 규격을 결정한다.
• 화재 시 단열재(Insulation) 효과: 화재 시나리오 계산 시 용기에 단열재가 적절히 설치되어 있다면 입열량을 줄여주는 보정 계수(F-factor)를 적용할 수 있다.
• 이중 사고 배제: 일반적으로 "운전 고장과 화재가 동시에 발생한다"는 가설은 세우지 않는다. 가장 가혹한 단일 사고를 기준으로 설계하는 것이 원칙이다.