공정용 안전밸브의 기술지침(D-26-2023)

공정용 안전밸브의 기술지침(D-26-2023)

 

o 관련규격 및 자료
   - API STD 526, “Flanged steel pressure-relief valves”
   - API STD 520, “Sizing, selection, and installation of pressure-relieving devices”
   - BS 6759 Part 1/2/3, “Safety valves”
   - ISO 4126-1, “Safety devices for protection against excessive pressure”
o 관련법규ㆍ 규칙․ 고시 등
   - 산업안전보건기준에 관한 규칙 제261조 (안전밸브 등의 설치)

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공정용 안전밸브의 기술지침(D-26-2023)

 

1. 목적 
2. 적용범위 
3. 용어의 정의 
4. 오리피스의 명칭별 면적 
5. 안전밸브의 규격
6. 안전밸브의 최대 설정압력 
7. 오리피스 크기의 산정
8. 초과압력의 산정
9. 사용 재질 
10. 설정압력의 허용 오차
<부록 1>가스용 안전밸브 계산 예(임계흐름인 경우)
<부록 2> 가스용 안전밸브 계산 예(임계흐름이 아닌 경우)
<부록 3> 액체용 안전밸브 계산 예
<부록 4> 수증기용 안전밸브 계산 예

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1. 목적
이 기준은 산업안전보건기준에 관한 규칙(이하 “안전보건규칙”이라 한다) 제261조(안전밸브 등의 설치)의 규정에 의하여 화학설비 및 그 부속설비에 설치하는 안전밸브에 필요한 사항을 제시하는데 그 목적이 있다.

2. 적용범위
이 기준은 화학설비 및 그 부속설비에 설치되는 안전밸브로서 설정압력이 게이지 압력으로 1 bar 이상인 경우에 적용하며 다음 각호의 경우에는 적용하지 아니할 수 있다.
(1) 수증기 또는 물을 취급하는 설비에 설치되는 경우
(2) 압축된 공기 또는 불활성 가스를 취급하는 설비에 설치되는 경우
(3) 운송용 용기에 설치되는 경우

3. 용어의 정의
(1) 이 지침에서 사용하는 용어의 정의는 다음과 같다.
(가) “안전밸브 (Safety valve)”라 함은 입구쪽의 압력이 일정 압력에 도달하면 자동적으로 스프링이 작동하면서 유체가 분출되고 일정압력 이하가 되면 다시 정상상태로 복원되어 유체가 새어나오지 않도록 만들어진 밸브를 말한다.
(나) “설정압력 (Set pressure)”이라 함은 운전중에 안전밸브가 열리도록 설정한 안전밸브 입구측에서의 압력을 말한다.
(다) “호칭압력 (Pressure rating)”이라 함은 플랜지의 압력등급을 나타내기 위하여 사용하는 수치를 말한다.
(라) “일반형 안전밸브 (Conventional safety valve)”라 함은 밸브의 토출측 배압의 변화에 의하여 직접적으로 성능특성에 영향을 받도록 만들어진 스프링 직동식 안전밸브를 말한다.
(마) “벨로우즈형 안전밸브 (Balanced bellows safety valve)”라 함은 밸브의 토출측 배압의 변화에 의하여 성능특성에 영향을 받지 않도록 만들어진 스프링 직동식 안전밸브를 말한다.
(바) “파일롯트조작형 안전밸브 (Pilot-operated safety valve)”라 함은 안전밸브 자체에 내장된 보조의 안전밸브 작동에 의하여 작동되는 안전밸브를 말한다.
(사) “배압 (Back pressure)”이라 함은 토출측에 연결된 배출물 처리설비 등으로부터 안전밸브의 토출측에 걸리는 압력을 말한다.
(아) “초과압력 (Overpressure)”이라 함은 안전밸브에서 내부유체가 배출시에 설정압력이상으로 올라가는 압력을 말한다.
(자) “최고허용압력 (Maximum allowable working pressure)”이라 함은 용기의 제작에 사용된 재질의 두께 (부식 여유 제외)를 기준으로 하여 산출된 용기 상부에서의 허용가능한 최고의 압력을 말한다.
(차) “축적압력 (Accumulated pressure)”이라 함은 안전밸브가 작동될 때 안전밸브에 의하여 축적되는 압력으로서 그 설비내에서 순간적으로 허용될 수 있는 최대압력을 말한다.
(카) “임계흐름 (Critical flow)”이라 함은 안전밸브 토출측에서의 유체 속도가 음속보다 큰 경우를 말하며, 임계흐름압력 (Pcf, Critical flow pressure)이 배압 이상인 경우에 해당한다.
(2) 그 밖에 이 지침에서 사용하는 용어의 정의는 특별한 규정이 있는 경우를 제외하고는 산업안전보건법, 같은 법 시행령, 같은 법 시행규칙 및 산업안전보건기준에 관한 규칙에서 정하는 바에 따른다.

4. 오리피스의 명칭별 면적
공정용 안전밸브의 오리피스의 크기는 <표 4>에서 정한 명칭별 면적에 따라야 한다.

5. 안전밸브의 규격
안전밸브의 규격은 오리피스 크기별로 <표 5>에서 정한 규격에 따른다.

6. 안전밸브의 최대 설정압력
온도에 따른 안전밸브 인입측에서의 최대 설정압력은 <표 6>에 따른다.

7. 오리피스 크기의 산정

7.1 오리피스 크기의 계산시에 필요한 자료
(1) 설정압력
(2) 배출용량
(3) 취급유체의 특성
(4) 취급유체의 비중 및 분자량
(5) 토출온도 및 설계온도
(6) 배압

7.2 필요한 오리피스 면적의 계산
7.2.1 취급유체가 가스 또는 증기(Vapor)인 경우
필요한 오리피스 면적은 다음 식중 하나를 이용하여 계산한다.
(1) <표 1>에 의한 계산식
(2) 고압가스 안전관리법에서 규정한 식
7.2.2 취급하는 유체가 액체인 경우 <표 2>에 의한 계산식에 따른다.
7.2.3 취급하는 유체가 수증기인 경우 <표 3>에 의한 계산식에 따른다.

7.3 오리피스 크기의 선정
오리피스의 크기는 7.2항의 기준에 따라 계산하여 얻은 필요한 오리피스 면적보다 큰 면적을 갖는 것을 선정하여야 한다.

8. 초과압력의 산정
안전밸브의 초과압력 산정은 <표 9>에서 정한 수치에 따른다.

9. 사용재질
(1) 사용재질은 취급하는 유체에 대하여 내식성 및 내마모성 재질을 선정하여야 하며 상세한 사항은 사용자 또는 제작자의 기준에 따른다.
(2) 주철(Cast iron)재질은 다음의 경우에는 사용하여서는 아니된다.
(가) 설계압력이 게이지 압력으로 13 bar를 초과하는 경우
(나) 설계온도가 220 ℃ 를 초과하거나 0 ℃ 미만인 경우

10. 설정압력의 허용 오차
설정압력에 대한 허용 오차범위는 다음과 같다.
(1) 설정압력이 게이지 압력으로 5 bar 미만인 경우에는 ±0.14 bar 이하
(2) 설정압력이 게이지 압력으로 5 bar 이상인 경우에는 설정압력의 ±3 % 이하

<표 1> 가스 및 증기인 경우

(1) 임계흐름인 경우

 

여기서

(2) 임계흐름이 아닌 경우

가. 일반형 및 파일롯트 운전형 안전밸브인 경우

여기서

 

<표 2> 액체인 경우

 

여기서

주) 일반형 안전밸브의 경우에는 Kw=1 임.

<표 3> 수증기인 경우

여기서

<표 4> 오리피스의 명칭별 면적

<표 5> 안전밸브의 규격

<표 6> 안전밸브의 최대 허용토출압력 및 중심면간 거리

<표 6> 계속

※ 1. 최대허용 토출압력은 게이지압력임.
   2. 중심 면간거리의 허용오차는 인입측 공칭직경이 100㎜이하인 것은 ±1.5㎜, 100㎜를 초과하는 것은 ±3.0㎜ 이하이어야 한다.

<표 7> 비열 용량계수

<표 8> 과열 수증기 보정 계수

<표 9> 안전밸브의 설정압력, 축적압력 및 초과압력

주) 모든 수치는 최고허용압력의 %임.

 

Ｐ B = 배압 (게이지압력)
Ｐ S = 설정압력 (게이지압력)

(주) 1. 초과압력이 21%인 경우에는 배압비율 50%까지는 Kb는 1임.
(주) 2. 이 그림은 설정압력이 3.5 bara(50 psig) 이상인 경우에만 사용가능함.
        그렇지 않은 경우에는 제조자의 결정에 따름.

<그림 1> 벨로우즈형 안전밸브의 배압용량계수

Ｐ B = 배압 (게이지압력)
Ｐ S = 설정압력 (게이지압력)

<그림 2> 벨로우즈형 안전밸브의 보정계수

 

 

 

<그림 3> 점도 보정계수

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<부록 1>

가스용 안전밸브 계산 예(임계흐름인 경우)

 

다음 조건의 탄화수소 유체에 필요한 일반형 안전밸브의 크기를 계산하시오. ∘ 배출량(W) : 53,500 1b/hr ∘ 분자량(M) : 65 ∘ 배출유체의 온도(T) : 627 R ∘ 설정압력 : 75 psig ∘ 배압(P2) : 14.7 psia ∘ 유체의 압축계수(Z) : 0.84 ∘ 유체의 비열비( k ) : 1.09 ∘ 초과압력 : 10 %

 

1. P1 계산

P1 = 설정압력 + 초과압력
= 75 × (1+0.1)
= 82.5 psig
= 97.2 psia

2. 임계흐름압력 계산

Pcf = P 1×[ k+2 1 ]k/( k - 1 )
= 97.2×[ 2
1.09+ 1 ] 1.09/ ( 1.09 - 1)
= 97.2 × 0.59
= 57.3 psia

3. 임계흐름 여부 결정

PB = 14.7 psia
PB가 Pcf 보다 작으므로 임계흐름임.

4. 계수의 결정

C = 326(표 5로부터)
Kb = 1(일반형 안전벨브)
Kc = 1(안전밸브만 설치)
Kd = 0.975

5. 오리피스 면적 산출

A = W TZ
CK d P 1 K b K c M (식표 1의 임계흐름인 경우)
=
53,500 627×0.84
326×0.975×97.2×1.0×1.0 65
= 4.93 in2

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<부록 2>

가스용 안전밸브 계산 예(임계흐름이 아닌 경우)

다음 조건의 탄화수소 유체에 필요한 일반형 안전밸브의 크기를 계산하시오. ∘ 배출량(W) : 53,500 1b/hr ∘ 분자량(M) : 65 ∘ 배출유체의 온도(T) : 627 R ∘ 설정압력 : 75 psig ∘ 배압(PB) : 55 psig ∘ 유체의 압축계수(Z) : 0.84 ∘ 유체의 비열비( k ) : 1.09 ∘ 초과압력 : 10 %

 

1. P1 및 P2 계산

 

P1 = 설정압력 + 초과압력

= 75 × (1+0.1)

= 82.5 psig

= 97.2 psia

P2 = 배압 + 초과압력

= 55 + 75 × 0.1

= 62.5 psig

= 77.2 psia

 

2. 임계흐름압력 계산

Pcf = P 1×[ k+2 1 ]k/( k - 1 )
= 97.2×[ 2
1.09+ 1 ] 1.09/ ( 1.09 - 1)
= 57.3 psia

3. 임계흐름 여부 결정

PB = 55 psig = 69.7 psia
PB가 Pcf 보다 크므로 임계흐름이 아님.

4. 계수의 결정

Kd = 0.975
Kc = 1(안전밸브만 설치)
r = P2/P1 = 77.2/97.2 = 0.794

 

5. 오리피스 면적 산출

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<부록 3>

액체용 안전밸브 계산 예

다음 조건의 원유를 취급하는 용기에 필요한 안전밸브의 크기를 계산하시오. ∘ 배출량(Q) : 1,800 gpm ∘ 비중(G) : 0.9 ∘ 설정압력 : 250 psig ∘ 배압(PB) : 0～ 50 psig ∘ 초과압력 : 10 % ∘ 점도( U ) : 2000 Saybolt

 

1. 안전밸브의 종류

배압이 변하므로 벨로우즈형 안전밸브로 선정

2. P1 및 PB 계산

 

P1 = 설정압력 + 초과압력

= 250 × 1.1

= 275 psig

PB = 배압

= 50 psig

 

3. 계수의 결정

Kc = 1(안전밸브만 설치)
Kd = 0.65
Kw = 0.97(그림 2로부터, 배압비율 = PB/PS×100 = 50/250×100 = 20)

4. 점도에 보정계수를 1로 가정하고 오리피스 면적 계산

 

 

5. 오리피스 크기의 선정

<표 1>에서 필요한 오리피스 면적(AR)보다 크고 가장 근사치인 P 오리피스를 선정하면 선정된 오리피스 면적은 6.38 in2 임.

6. 레이놀드수 계산 및 Kv 선정

 

7. 최종면적 계산 및 확인

 

A가 선정된 오리피스의 면적보다 작으므로 P 오리피스로 최종 선정

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<부록 4>

수증기용 안전밸브 계산 예

다음 조건의 포화수증기를 취급하는 용기에 필요한 일반형 안전밸브의 크기를 계산하시오. ∘ 배출량(W) : 153,500 1b/hr ∘ 설정압력 : 1,600 psig ∘ 초과압력 : 10 % ∘ 배 압 : 0 psia

 

1. P1 계산

P1 = 설정압력 + 초과압력
= 1,600 × 1.1
= 1,760 psig
= 1,774.7 psia

2. 계수의 결정

Kd = 0.975
Kb = 1(일반형 안전밸브)
Kc = 1(안전밸브만 설치)

 

3. 필요한 오리피스 면적 산출

 

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기술지침 개정 이력

□ 개정일 : 2023. 8. 24.
○ 개정자 : 안전보건공단 전문기술실 오상규
○ 개정사유 : 계산식의 오류수정
○ 주요 개정내용
    - (식표-2) 액체인 경우” MKS 단위계 A 계산식 0.1178을 1.178로 오류 수정

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[첨부자료] 공정용 안전밸브의 기술지침(D-26-2023)

D-26-2023 공정용 안전밸브의 기술지침.pdf

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