볼륨 탱크(Volume Tank)의 용량 산정 사례

복동식 액추에이터(Double Acting Actuator)의 보조 장치로 사용되는 볼륨 탱크(Volume Tank)의 용량 산정 사례를 공유 하고자 한다.

 

 

 

볼륨 탱크(Volume Tank)의 용량 산정 사례

볼륨 탱크(Volume Tank)의 용량 산정은 비상시 액추에이터를 목표 위치까지 밀어내기 위해 필요한 공기량과, 작동 후 탱크에 남는 잔류 압력이 액추에이터의 최저 작동 압력보다 높도록 설계하는 것이 핵심이다.

 

 

볼륨 탱크 용량 산정 공식 (Sizing Formula)

볼륨 탱크의 최소 필요 용량 Vₜ는 보일의 법칙(P₁V₁ = P₂V₂)을 기반으로 다음 식을 사용하여 산출한다.

Vₜ = (n * Vₐ * Pₐₜₘ) / (Pₛ - Pₘᵢₙ)

각 기호의 정의는 다음과 같다.

• Vₜ: 볼륨 탱크의 내부 용량 (L)
• n: 비상시 보장해야 하는 밸브 작동 횟수 (보통 1회 또는 3회)
• Vₐ: 액추에이터 실린더의 1회 스트로크당 체적 (L)
• Pₐₜₘ: 대기압 (표준 상태 환산을 위함, 약 1.033 kg/cm²a)
• Pₛ: 비상 상황 발생 직전의 탱크 내 초기 압력 (보통 계장용 공기 공급 압력 적용, kg/cm²g)
• Pₘᵢₙ: 밸브를 완전히 끝까지 밀기 위해 필요한 액추에이터의 최저 작동 압력 (kg/cm²g)

 

 

실제 계산 사례 (Calculation Example)

아래와 같은 사양을 가진 복동식 글로브 밸브(Double Acting Globe Valve)의 볼륨 탱크를 설계한다.

[설계 조건]

• 액추에이터 체적 (Vₐ): 10 L
• 보장 작동 횟수 (n): 1 회 (Fail Close 방향)
• 공급 공기 압력 (Pₛ): 5.0 kg/cm²g
• 최저 작동 압력 (Pₘᵢₙ): 3.5 kg/cm²g (스프링이나 유체 저항을 이기고 끝까지 닫기 위한 압력)

[단계별 계산]

1단계: 분자 산출 (필요한 유효 공기량)비상시 1회 작동을 위해 필요한 표준 상태 공기량이다.

• n * Vₐ * Pₐₜₘ = 1 * 10 * 1.033 = 10.33 L (Normal)

2단계: 분모 산출 (가용 압력 차이)탱크 내 공기가 소모되면서 압력이 떨어질 때, 작동 가능한 한계까지의 압력차이다.

• Pₛ - Pₘᵢₙ = 5.0 - 3.5 = 1.5 kg/cm²

3단계: 탱크 용량 (Vₜ) 결정

• Vₜ = 10.33 / 1.5 = 6.89 L

4단계: 안전율(Safety Factor) 적용현장에서는 배관 손실, 온도 변화, 기밀성 저하 등을 고려하여 보통 1.2 ~ 1.5배의 여유를 둔다.

• 최종 선정 용량 = 6.89 * 1.5 = 10.34 L (따라서 시중 규격인 15 L 또는 20 L 탱크 선정)

 

 

PSM 현장확인 시 검토 포인트

검사관은 위 계산 결과가 실제 현장 설비와 일치하는지 다음과 같이 확인한다.

• 최저 작동 압력 확인: 밸브 명판(Nameplate)이나 데이터 시트의 'Min. Operating Pressure' 수치가 계산서의 Pₘᵢₙ과 일치하는지 대조한다.
• 압력 용기 검사 대상: 볼륨 탱크의 용적(Vₜ)과 설계 압력(Pₛ)의 곱이 일정 수치 이상일 경우, 산업안전보건법에 따른 압력용기 안전검사 대상이 되므로 검사 합격 증명서와 명판을 확인한다.
• 압력 유지 상태: 계장용 공기 공급을 차단한 후, 볼륨 탱크만의 힘으로 밸브가 설계된 Fail Position까지 원활하게 이동하는지 실제 테스트(Function Test)를 요구할 수 있다.

 

 

압력용기 안전인증 대상

안전인증·자율안전확인신고의 절차에 관한 고시(고용노동부고시 제2022-69호)

* 설계압력이 게이지 압력으로 0.2㎫(2kgf/㎠)을 초과하는 화학공정 유체취급 용기와 설계압력이 게이지압력으로 1㎫(10kgf/㎠)을 초과하는 공기 또는 질소취급용기의 경우. 다만, 다음 중 어느 하나에 해당하는 용기는 제외

14) 사용압력(단위:MPa)과 용기 내용적(단위:㎥)의 곱이 0.1 미만인 것으로서 다음의 어느 하나에 해당되는 것
가) 기계·기구의 구성품인 것
나) 펌프 또는 압축기 등 가압장치의 부속설비로서 밀봉, 윤활 또는 열교환을 목적으로 하는 것(다만, 취급유체가 해당 공정의 유체 또는 안전보건규칙 별표 1의 위험물질에 해 당되지 않는 경우에 한함)

 

추가 고려 사항

만약 밸브가 매우 크거나, 비상시 여러 번 반복 작동(예: Open-Close-Open)이 필요하다면 n의 값이 커져 탱크 용량이 급격히 늘어난다. 이 경우 탱크의 크기가 너무 커지면 지지대(Support) 구조 계산서도 함께 제출해야 한다.