누출 구멍 크기 (Hole Size)의 결정

IEC 60079-10-1의 부속서(Annex) B.5 누출 구멍 크기 및 누출원 반경(Hole size and source radius)은 누출률(Release rate)을 계산하기 위해 가장 먼저 결정해야 하는 물리적 인자인 '누출 구멍의 크기'와 '누출원 반경'에 관한 지침을 제공한다.

 

 

 

누출 구멍 크기 (Hole Size)의 결정

누출 구멍 크기 (Hole Size, S)

누출 구멍의 크기(면적, S)는 실제 발생할 수 있는 사고 시나리오를 바탕으로 설정하며, 규격에서는 설비의 관리 상태나 신뢰성에 따라 가이드라인을 제시한다.

• 지속 누출 (Continuous): 개방된 벤트(Vent)나 샘플링 지점 등 구멍의 크기가 설계상 명확한 경우 그 크기를 그대로 사용한다.
• 1차/2차 누출 (Primary/Secondary): 밸브 시일, 플랜지 가스켓 등의 파손을 가정할 때, 보통 0.1 mm²에서 10 mm² 사이의 값을 실무적으로 적용한다. (단, 공정 압력이 매우 높거나 관리 수준이 낮으면 더 큰 구멍 크기를 가정해야 한다.)

 

 

누출원 반경 (Source Radius, r₀)

누출원 반경은 가스나 증기가 누출되는 지점의 물리적 크기를 기하학적으로 정의한 것이다.

• 정의: 가스가 대기 중으로 방출되는 실제 개구부의 유효 반경을 의미한다.
• 산출 방법: 만약 누출 구멍이 원형이 아니라면, 해당 면적(S)과 동일한 넓이를 가진 원의 반경으로 환산한다.

       r₀ = (S / π)⁰⁵

• 역할: 이 반경 값은 가스가 분출된 직후 공기와 혼합되기 전의 초기 상태를 정의하며, 이후 설명할 가스 구름의 확산 모델링에서 기준점이 된다.

 

 

2차 누출등급에서의 누출 구멍 단면적

IEC 60079-10-1의 지침(Annex B.5 및 관련 기술 기준)에서는 2차 누출등급(Secondary grade) 시나리오를 설정할 때, 다음 표와 같이 누출이 발생할 수 있는 부위의 기계적 특성에 따라 누출 구멍의 단면적을 구분하여 제시하고 있다.

 

<표 1> 2차 누출등급에서의 누출 구멍 단면적(표 출처: KS C IEC 60079-10-1:2020)

 

• 고장 확률이 낮은 이상적인 조건(예 설계정격보다 훨씬 낮은 상태에서 작동)에서는 해당 범위에서 낮은 값을 선택한다.
• 운전조건의 설계정격에 근접하고 진동, 온도 변화, 열악한 환경 조건 또는 기체 오염과 같은 불리한 조건이 고장 확률을 높일 수 있는 범위에서는 더 높은 값을 선택하도록 한다.

 

 

구분/항목에 대한 상세 설명

1. 고정부의 기밀 부위 (Static Seals)

움직임이 없는 연결 부위를 의미한다. 평상시에는 누출 가능성이 거의 없으나, 열팽창과 수축이 반복되거나 내부 압력이 변동할 때 가스켓이나 밀폐재가 미세하게 벌어질 수 있다.

• 대상 부위 예시: 플랜지 가스켓, 밸브 본체 본넷, 나사산 연결부
• 누출 고려사항 (주요 특징): 가스켓의 노후화, 볼트 체결 불량, 미세 부식 등에 의한 점진적 누출

<표 2> 고정부의 기밀 부위 세부 항목 비교

항목	주요 특징 및 구조	누출 신뢰성	누출 양상 및 고려사항
압축섬유 개스킷 플랜지	섬유질 재질을 압축하여 면과 면을 밀착시키는 방식	보통	가스켓 자체의 열화나 볼트 체결력 약화 시 면 전체에서 미세 누출 발생 가능
나선형 개스킷 플랜지	금속 띠와 비금속 충진재를 나선형으로 감은 구조 (Spiral Wound)	높음	탄성이 좋아 압력 변화에 강하며, 금속 지지력이 있어 섬유형보다 기밀성이 우수함
링 형태 조인트 (RTJ)	금속 링을 홈(Groove)에 끼워 강하게 압착하는 방식	매우 높음	고압/고온 공정에 주로 사용되며, 금속 간 접촉으로 누출 구멍 형성 가능성이 매우 낮음
50 mm 이하 구멍 연결부	소구경 나사산 연결 또는 소형 플랜지 연결 부위	가변적	연결부 크기가 작아 누출 시 절대량은 적으나, 진동 등에 의한 풀림에 취약할 수 있음

 

 

2. 저속 구동 부품의 기밀 부위 (Low-speed Moving Seals)

수동으로 조작하는 밸브나 천천히 움직이는 왕복 장치의 시일 부위이다.

• 대상 부위 예시: 수동 밸브 스템(Stem), 왕복동 펌프 시일
• 누출 고려사항 (주요 특징): 구동 횟수가 적으나 작동 시 시일 재질의 마찰 및 변형으로 인한 누출

<표 3> 저속 구동 부품의 기밀 부위 세부 항목 비교

항목	누출 발생 메커니즘	누출 빈도 및 성격	누출 특성
밸브 스템 패킹	스템의 회전/수직 운동 시 패킹 마찰 및 마모	운전(조작) 시 발생 가능성이 높은 2차 누출	신속 보수가 가능한 단기적 누출
압력방출밸브 (PSV/PRV)	밸브 시트의 미세 틈새 또는 설정 압력 근접 시 누설	평상시 극미량, 작동 후 복귀 불량 시 지속 누출 위험	시트 손상 등으로 계획 정비 필요

※ 압력방출밸브는 물리적 움직임보다는 '시트(Seat)의 밀착도'가 주된 변수이다. 평상시에는 스프링 힘으로 꽉 닫혀 있으나, 내부 압력이 설정 압력(Set Pressure)의 약 90% 수준에 도달하면 미세하게 새어 나오는 'Simmering' 현상이 발생할 수 있다.

 

3. 고속 구동 부품의 기밀 부위 (High-speed Moving Seals)

분당 수천 회전(RPM) 이상으로 돌아가는 펌프나 압축기의 축 봉인 장치(Seal)이다.

• 대상 부위 예시: 원심 펌프/압축기의 메카니컬 시일, 고속 회전축
• 누출 고려사항 (주요 특징): 지속적인 마찰열과 진동으로 인해 시일 파손 시 대량 누출 가능성 존재

 

 

누출 고려 사항(Release Considerations)

IEC 60079-10-1과 관련 기술 지침(UK Energy Institute 등)에서 제시하는 누출 고려 사항은 설비의 유지관리 상태와 부식 환경에 따라 누출 구멍이 시간이 지나면서 어떻게 변화할지를 공학적으로 가정한 것이다.

 

1. 누출 개구부가 확대되지 않는 조건 (Non-enlarging)

이 조건은 설비가 매우 양호하게 관리되고 있으며, 누출이 발생하더라도 물리적으로 구멍이 더 커질 가능성이 거의 없는 상황을 의미한다.

• 의미: 가스켓 파손이나 미세 균열이 발생했을 때, 그 틈새가 내부 압력이나 유체의 흐름에 의해 더 벌어지지 않고 일정하게 유지되는 상태이다.
• 적용 대상: 부식성이 없는 청정 유체(Clean Service), 진동이 거의 없는 고정 배관, 정기적인 점검이 매우 철저한 설비.
• 결과: 가장 작은 표준 단면적을 적용하게 되며, 폭발위험범위가 가장 좁게 산출된다.

2. 부식 등에 의해 확대될 수 있는 조건 (Enlarging by Corrosion)

누출이 시작된 지점이 유체의 화학적 성질이나 물리적 마찰에 의해 점진적으로 커질 수 있음을 가정한 조건이다.

• 의미: 초기에는 아주 미세한 구멍(0.01 ㎟)이었으나, 누출되는 유체가 부식성이 강하거나 고속으로 분출되면서 구멍 주위를 깎아내어(Erosion) 구멍이 점점 커지는 상황이다.
• 적용 대상: 산성 가스, 마모성 입자가 포함된 유체, 해안가 등 외부 부식 환경이 가혹한 지역의 플랜지.
• 결과: 1번 조건보다 보통 2배에서 5배 정도 큰 단면적을 대입한다. 예컨대 고정부 기밀에서 0.1 ㎟ 대신 0.25 ㎟ 내외를 고려할 수 있다.

 

 

3. 심한 고장 등에 의해 확대될 수 있는 조건 (Enlarging by Severe Failure)

설비의 구조적 결함이나 급격한 물리적 파손으로 인해 누출 구멍이 예측 범위를 벗어나 크게 형성될 수 있는 상황이다.

• 의미: 단순한 미세 누출을 넘어, 가스켓이 부분적으로 이탈(Blow-out)하거나 볼트가 부러지면서 결합 부위가 크게 벌어지는 '고장(Failure)' 단계를 가정한다.
• 적용 대상: 고온/고압의 극한 공정, 진동이 심한 회전기기 연결부, 유지보수 이력이 불량하거나 신뢰성이 낮은 노후 설비.
• 결과: 가장 보수적인(큰) 단면적 수치를 적용합니다. 규격에서 제시하는 범위 중 최상단 값(예: 1.0 ㎟ 이상)을 사용하여, 만일의 사태에도 안전하도록 위험 범위를 매우 넓게 설정한다.

<표 4>누출 고려 사항 비교

구분	관리 및 환경 상태	구멍의 상태 변화	위험 범위(dz) 결과
1. 확대 불가	최상 (청정, 비부식)	고정 (Constant)	최소 (Economic)
2. 부식 확대	보통 (부식성 유체)	점진적 증가 (Gradual)	중간
3. 고장 확대	불량 (극한공정, 진동)	급격한 증가 (Sudden)	최대 (Conservative)

 

 

 

압력방출밸브(PSV/PRV)의 누출 구멍 단면적

IEC 60079-10-1과 UK Energy Institute (EI) Model Code 15를 바탕으로 실제 폭발위험장소 구분 시에는 밸브의 형식과 관리 상태에 따라 단면적을 더 세분화하여 적용한다.

 

1. 압력방출밸브(PSV) 케이스별 누출 단면적(S) 기준

일반적으로 적용되는 세 가지 대표 케이스입니다.

구분 케이스	적용 단면적(S) 산출 기준	의미 및 상황 설정
케이스 A: 미세 누설 (Normal)	0.1 mm² ~ 1.0 mm²	정상 운전 중 시트(Seat)의 미세한 틈새로 증기가 새어 나오는 경우 (Simmering)
케이스 B: 시트 손상 (Fault)	오리피스 면적의 1% ~ 5%	밸브 작동 후 이물질이 끼거나 시트가 부식되어 완전히 닫히지 않는 경우
케이스 C: 심한 고장 (Severe)	오리피스 면적의 10%	스프링 파손, 시트의 심각한 이탈 등으로 인해 유의미한 양이 방출되는 경우

 

2. 케이스별 상세 설명 및 계산 예시

① 케이스 A: 표준 미세 누설 (S = 0.1 mm²)

• 상황: 밸브가 닫혀 있는 정상 상태에서의 2차 누출
• 설명: 밸브의 구경(Size)과 관계없이 기밀 부위의 물리적 틈새를 아주 작게 가정한다. 대부분의 일반적인 위험장소 구분도 작성 시 이 수치를 기본값으로 사용한다.

② 케이스 B: 오리피스 1% ~ 5% 적용

• 상황: 빈번한 작동이 예상되거나 부식성 유체를 취급하여 시트 밀착력이 떨어질 가능성이 있는 경우
• 설명: 밸브 고유의 배출 용량(Orifice Area)에 비례하여 누출량을 설정한다.

③ 케이스 C: 오리피스 10% 적용 (The 10% Rule)

• 상황: 안전 설계상 가장 보수적인 접근이 필요할 때 적용
• 설명: API 521이나 관련 기술 지침에서 화재나 과압 시가 아닌, '고장(Failure)'에 의한 누출 범위를 산정할 때 주로 인용된다.
• 계산 예시:

       - 밸브 오리피스 규격이 D(Area = 71 mm²)인 경우: S = 7.1 mm²

       - 밸브 오리피스 규격이 G(Area = 324 mm²)인 경우: S = 32.4 mm²

 

3. EI 15 시나리오 레벨별 정의 및 단면적 (S)

EI 15에서 제시하는 표준적인 누출 단면적 기준은 다음과 같다. 아래 수치는 일반적인 2차 누출등급(Secondary Grade) 상황을 가정한 것이다.

시나리오 레벨	정의 및 신뢰성 수준	권장 누출 단면적 (S)	비고
Level 1	최상급 관리 (High Reliability)	0.1 mm²	매우 엄격한 정비 및 검사가 이루어지는 경우 - 정기적인 시트 연마(Lapping)와 Pop-test 수행
Level 2	표준 관리 (Typical Reliability)	1.0 mm² ~ 2.0 mm²	일반적인 산업 현장의 표준적인 관리 상태 - 대부분의 공정 설계에서 기본값(Default)
Level 3	낮은 신뢰성 (Low Reliability)	10 mm² ~ 50 mm²	부식 환경이 가혹하거나 노후화된 설비 - 설비 고장(Failure) 등 보수적 시나리오

 

Reference : 

1. IEC 60079-10-1:2020 Annex B (Estimation of release rate of gas or vapour)

2. KS C IEC 60079-10-1:2020

3. UK Energy Institute (EI 15) - Annex B (Calculation of Release Rates)

4. API Standard 527 (Seat Tightness of Pressure Relief Valves)