D-67-2020 안전밸브와 파열판 직렬설치에 관한 기술지침

Neverminded 2025. 4. 5. 23:20

2025. 4. 5. 23:20

1. 과압 방지 시스템의 필요성과 기본 개념

화학설비, 석유화학 플랜트, 발전소, 제약공장 등 고압 가스나 액체를 다루는 산업 현장에서는 시스템 압력이 허용치를 초과하는 과압 상황이 발생할 수 있습니다. 이러한 과압은 장비의 폭발, 유해물질 누출, 인명사고로 이어질 수 있어 반드시 사전에 이를 방지할 수단이 필요합니다.

이러한 위협에 대응하기 위해 설치되는 것이 바로 **과압 방지장치(Pressure Relief Device, PRD)**입니다. 대표적인 두 가지 PRD가 바로 **안전밸브(Safety Valve)**와 **파열판(Rupture Disc)**입니다. 이 둘은 독립적으로도 작동 가능하지만, 특정한 경우에는 **직렬 설치(Series Combination)**가 권장되거나 필수적으로 요구됩니다.

API Standard 에서는 이들 장치의 설계, 설치, 작동에 대한 국제적 기준을 제공하며, 국내에서는 KOSHA GUIDE D-67-2020을 통해 안전하고 일관된 설계·운영 기준을 제시하고 있습니다.

2. 용어 정리 및 개념 이해

2.1 안전밸브 (Safety Valve)

안전밸브는 압력이 설정값(Set Pressure)을 초과할 경우 자동으로 열려 과잉 압력을 배출하고, 압력이 정상 수준으로 회복되면 다시 닫히는 밸브입니다. 주로 증기, 가스 같은 압축성 유체를 처리하며, 스프링의 힘으로 작동하는 **스프링식 안전밸브(Spring-loaded Safety Valve)**가 일반적입니다.

설정압력 (Set Pressure): 안전밸브가 처음으로 열리기 시작하는 압력입니다.
초과압력 (Overpressure): 설정압력을 초과한 정도의 압력입니다.
재설정압력 (Reseating Pressure): 안전밸브가 다시 닫히는 압력 수준입니다.

📘 [API 520 Part I]

“Set pressure is the inlet gauge pressure at which the pressure relief valve is adjusted to open under service conditions.”

2.2 파열판 (Rupture Disc)

파열판은 **정해진 압력(Bursting Pressure)**에 도달하면 영구적으로 파손되어 압력을 방출하는 얇은 금속 또는 복합재질의 디스크입니다. 재밀폐 기능이 없으며 1회용입니다.

파열압력 (Bursting Pressure): 파열판이 설계대로 파손되는 압력
배출면적 (Discharge Area): 파열 시 유체가 통과하는 면적
홀더(Holders): 파열판을 고정하는 기계 장치

📘 [API 520 Part I]

“Rupture disks are non-reclosing pressure relief devices that function by the bursting of a thin diaphragm.”

2.3 직렬 설치 (Series Combination)

직렬 설치는 파열판과 안전밸브를 순차적으로 연결하여 과압을 방출하는 시스템 구성을 의미합니다. 일반적으로 파열판이 앞단(용기 쪽), 안전밸브가 후단에 설치되며, 반대 조합도 특수한 상황에서 가능하나 엄격한 조건이 필요합니다.

KOSHA D-67-2020에서는 직렬설치의 정의를 다음과 같이 명확히 하고 있습니다:

📘 [KOSHA GUIDE D-67-2020]

“‘조합’이라 함은 안전밸브와 배관 공칭 지름의 5배 이내의 거리에 설치된 파열판으로 구성되는 시설의 조합을 말한다.”

2.4 기타 용어

MAWP (Maximum Allowable Working Pressure): 압력용기의 설계상 허용되는 최대 압력.
Back Pressure: 배출 경로에서 발생하는 역압. 안전밸브 성능에 영향을 줌.
Balanced Valve: 내부 압력 변화에 영향을 덜 받도록 설계된 안전밸브.

3. 파열판과 안전밸브의 개별 역할 및 특성

3.1 파열판의 장점과 단점

장점	단점
구조가 단순하고 빠른 작동	1회성 사용 – 교체 필요
비용이 저렴함	정확한 작동압력 보장을 위해 정밀한 설계 필요
유해물질 완전 차단 가능	갑작스러운 작동 시 설비 정지 위험

파열판은 다음과 같은 상황에서 적합합니다:

극도로 부식성 유체 처리
안전밸브 누설이 허용되지 않는 고가 유체나 독성 물질
열팽창 릴리프 같은 고속 반응 방출 요구

📘 [API 520 Part I]

“Rupture disks may be used where tight shutoff is required, or where contamination from the valve internals must be avoided.”

3.2 안전밸브의 역할과 한계

장점단점

자동 복원 – 반복 사용 가능	누설 우려 가능성 존재
다양한 유체에 적용 가능	내부 구조 복잡 – 오작동 가능성
설정압력 조정 가능	초기 비용 상대적으로 높음

안전밸브는 다음과 같은 경우에 필수적으로 적용됩니다:

압축성 유체(가스/증기) 시스템
규제상 요구되는 재밀폐식 과압방지 시스템
높은 빈도로 압력 이탈이 예상되는 시스템

4. 직렬 설치의 필요성과 이점

4.1 직렬 설치의 주요 목적

안전밸브와 파열판을 직렬로 조합하여 설치하는 것은 단일 장치로는 만족할 수 없는 요구조건을 충족하기 위해 선택되는 전략입니다. 대표적인 설치 목적은 다음과 같습니다:

유해물질 누설 차단
파열판은 누설이 없는 완전 차단 구조이므로, 안전밸브의 누설 가능성을 방지하기 위해 사용됩니다.
안전밸브 보호
파열판은 고온, 부식성, 점성이 높은 물질로부터 안전밸브 내부 구조를 보호하는 역할을 합니다.
시스템 이중 보호
두 장치를 조합하면 1차 방어선과 2차 방어선의 구조가 형성되어, 각 장치의 실패 확률을 상호 보완할 수 있습니다.
유지관리 효율화
파열판이 터질 경우는 교체만 하면 되므로, 유지관리 시간과 비용을 줄일 수 있습니다.

📘 [API 521]

“The use of rupture disks in combination with pressure relief valves can reduce the need for inspection and maintenance of the valve internals.”

4.2 대표적인 설치 조합

조합 형태	특징	주요 용도
파열판 → 안전밸브	파열판이 안전밸브를 보호	부식성 물질, 고가 물질의 누설 방지
안전밸브 → 파열판	외부 유해물질 유입 차단	폐가스 유입, 내부식성 유지를 위한 장치
양측 파열판	전면적 격리 및 차단	독성가스, 반응성 유체 보호 및 유지보수 구간

5. KOSHA D-67-2020 기준 요약

5.1 적용 범위 및 설치 조건

KOSHA D-67-2020은 화학설비 및 부속설비의 과압 방지를 위한 파열판·안전밸브 직렬설치 기준으로 다음과 같은 조건에서 적용됩니다:

토출 측이 대기로 직접 방출되는 경우
배관 길이 제한 조건: 파열판과 안전밸브 사이 거리 ≤ 배관 지름의 5배
단상 흐름일 경우
파열판의 토출면적 ≥ 인입배관의 50%
파열판은 용기 노즐로부터 8배 이내에 설치

5.2 설치 시 유의사항 요약

압력계 및 자동경보장치 설치 필요: 파열 여부 감지 필수
배압 관리: 파열판 누설로 인한 배압은 즉시 조치
파편 문제 방지: 파열판 조각이 안전밸브에 유입되지 않도록 설계
설치 거리: 파열판과 안전밸브 간 거리는 반드시 배관 지름의 5배 이내

5.3 배출 측 파열판 설치 조건

파열판을 안전밸브의 배출구 측에 설치하는 것도 가능합니다. 다만, 다음과 같은 조건을 만족해야 합니다:

안전밸브 작동 특성에 영향 없어야 함
허용할 수 없는 압력축적 감지 장치 필요
배압 발생 시 벨로우즈형 안전밸브 사용
파열 후에도 유량 제한 없어야 함

📘 [KOSHA D-67-2020]

6. API 520 / 521 기준과의 비교

6.1 주요 비교 항목 정리

항목	KOSHA D-67-2020	API 520 / 521
설치 거리	파열판~밸브 ≤ 5D	동일 권고
유체 종류	주로 단상 흐름	증기, 가스, 액체 등 모두
성능 보정계수	정격 용량의 0.9	동일 계수
유지관리	파열판 누설 감지장치 요구	API에서도 권고사항
벨로우즈형 밸브	배압 영향 제거 목적	API에서도 동일한 요구

6.2 해석

KOSHA는 국제 기준(API)과 대체로 일치하지만, 국내 설비 환경에 맞춘 적용 조건을 보다 구체적으로 명시하고 있습니다. 예를 들어, “토출 측 배관 길이”나 “단상 흐름에 한정” 등의 조건은 보다 보수적인 해석에 가깝습니다.

이러한 차이는 현장 안전과 작업자 보호를 우선시하는 설계 철학에서 비롯되며, 실무자 입장에서는 KOSHA 기준을 기반으로 하되, API 기준을 병행 참조하는 것이 바람직합니다.

7. 직렬 설치 시 고려사항

안전밸브와 파열판의 직렬 설치는 단순히 두 장치를 연결하는 것 이상의 정밀한 설계와 평가가 요구됩니다. 이 장에서는 직렬 설치 시 반드시 고려해야 할 기술적, 구조적 요소들을 설명합니다.

7.1 압력 손실 및 유량 제한

파열판과 안전밸브를 직렬로 설치하면 중간 배관과 파열판 홀더 등으로 인해 유체 흐름의 저항이 증가할 수 있습니다. 특히 파열판의 파편이 안전밸브 내부를 막을 가능성도 고려해야 합니다.

📘 [API 520 Part I]

“Rupture disks used upstream of PRVs should be of a type that minimizes flow restriction and fragmentation upon bursting.”

설계 기준:

파열판의 파열 후 조각이 안전밸브를 방해하지 않아야 함
전체 흐름저항계수(K값)를 계산하여 유량 확보
파열판과 밸브 간 배관은 직관 형태로 설계

7.2 압력 강하 제한 (Pressure Drop)

API 520 및 KOSHA D-67은 모두 파열판~밸브 사이의 압력 강하가 설정압력의 3% 이하가 되도록 요구하고 있습니다. 이 기준을 초과하면 안전밸브가 제때 작동하지 않을 수 있습니다.

📘 [KOSHA D-67-2020]

“안전밸브 입구까지의 압력강하는 그 설정압력의 3%를 초과하지 않아야 한다.”

📘 [API 520 Part I]

“The total pressure drop in the inlet line should not exceed 3% of the set pressure.”

7.3 배출구 설계

파열판 또는 안전밸브의 분출은 사람이나 설비에 영향을 주지 않도록 안전하게 배출되어야 합니다. 특히, 밀폐 시스템에서는 응축액이 고이지 않도록 드레인 설계가 필요합니다.

드레인 포인트 제공
배관 각도 조절 (액체 고임 방지)
배플 플레이트(Baffle Plate) 설치: 반동 감소 및 흐름 유도

7.4 감지장치 및 자동경보 시스템

파열판이 파손되었을 경우 이를 즉시 감지하고 경보를 발생시킬 수 있어야 합니다. 중간에 압력계, 차압센서, 누출감지기 등을 설치하여 상태를 지속적으로 모니터링합니다.

📘 [KOSHA D-67-2020]

“파열판과 안전밸브 사이에는 파손 또는 누출을 감지할 수 있는 장치를 설치해야 한다.”

7.5 유지보수 및 교체 편의성

직렬 설치는 정기적인 유지보수가 요구되므로, 장비의 접근성과 탈부착 용이성이 중요합니다. 가능한 한 플랜지형 결합 구조를 선택하고, 예비 파열판과 볼트 세트를 상비하는 것이 실무적으로 유리합니다.

8. 설계 및 설치 시 유의사항

8.1 설계 설치 유의사

파열판과 안전밸브 사이의 배관 길이 ≤ 5D
중간에 압력 감지용 탭 설치
안전밸브 토출구는 안전 지역으로 배출
모든 플랜지에 ANSI 또는 KS 표준 적용

8.3 실제 계산 예시 (압력강하 검토)

조건:

설정압력: 10 bar
배관 길이: 1.2m
배관 지름: 100 mm
유체: Steam

계산:

배관 압력강하 ≈ 0.2 bar → 설정압력의 2%
허용 기준 내에 있음 → 설치 적합

9. 시험, 검증, 유지보수 가이드

직렬 설치된 과압 방지장치는 정상 작동 여부를 정기적으로 검증하고, 사고 예방을 위해 철저한 유지보수가 필요합니다. 이 장에서는 시험 및 검증 절차, 유지보수 기준, 실무 팁 등을 단계별로 안내합니다.

9.1 설치 후 시험 (Initial Testing)

✅ 목적:

시스템이 설계대로 작동하는지 확인
파열판과 안전밸브가 서로 간섭 없이 작동하는지 검증

🧪 시험 항목:

항목	시험내용	비고
누설 시험	파열판~안전밸브 사이 구간의 기밀 확인	질소 기체를 이용
작동 압력 시험	설정압력에서 안전밸브가 정확히 작동하는지	ASME / API 기준
유량 시험	직렬 설치 시 전체 유량 확보 여부	제조사 테스트 조건 확인 필요
감지장치 시험	파열 감지 시스템 정상 작동 여부	압력스위치, 알람 확인

📘 [API 520 Part II]

“Testing shall include verification of relief valve set pressure and any downstream rupture disk detection systems.”

9.2 정기점검 및 유지보수

⏱ 점검 주기:

설비 특성	점검 주기
일반 공정	연 1회 이상
고압/고온/부식성 공정	6개월마다
정기 셧다운 시	전체 해체 점검

🔧 주요 점검 항목:

파열판 상태 점검: 변형, 손상, 압력 편차
안전밸브 작동력 테스트: 열림/닫힘 반복 작동
배압 확인: 파열판~밸브 사이에 잔류압력 있는지
감지 시스템 상태 확인: 센서 감도 및 경보 정상 여부
배관 내부 이물 확인: 파편, 슬러지, 녹 발생 여부

9.3 교체 기준

항목	교체시점
파열판 작동(파열) 시	즉시 교체 필수
안전밸브 오작동	원인 분석 후 교체 필요
설정압력 편차 발생	3% 이상이면 재조정 또는 교체
내부 부식 및 마모	육안 점검 또는 비파괴검사 결과에 따름

📘 [KOSHA D-67-2020]

“조합형 안전장치의 공급자는 위험성평가 결과에 기반하여 조립 및 설치 지침서를 제공하여야 한다.”

9.4 유지보수 실무 팁

파열판은 보관 중에도 습기, 열, 충격에 민감하므로, 실리카겔 동봉하여 밀봉 보관
안전밸브는 시운전 전에 세척 불필요 – 오히려 윤활막 제거로 성능 저하
설치 시에는 회전 방향, 유체 흐름 방향을 철저히 확인
점검 기록은 운전일지와 분리 보관하여 이력관리 체계화

10. 사례 연구 및 실무 적용 예시

10.1 적용 사례 ① – 부식성 가스 저장탱크 (염산)

상황: 염산을 저장하는 압력탱크의 과압 방지

설치방식:

파열판(앞단): 완전 밀봉 구조, 염산 누설 방지
안전밸브(후단): 벨로우즈형 적용, 배압 영향 제거
감지장치: 파열 후 경보 및 PLC 신호 연결

성과: 2년간 무누설 운영, 파열판 1회 교체, 밸브 작동 이상 無

10.2 적용 사례 ② – 증기보일러 과압 방지

상황: 고압증기 보일러 시스템의 압력 급상승 위험 대응

설치방식:

벨로우즈형 스프링식 안전밸브
파열판 없이 설치 (API 기준 적용, 누설 가능성 허용)
토출구: 배출 챔버를 통한 응축수 회수 시스템 설계

성과: 매년 점검 시 밸브 작동력 시험 모두 통과, 유지비용 낮음

10.3 문제 발생 사례 – 파열판 조각에 의한 밸브 막힘

상황: 파열판이 불완전 파열되며 조각이 안전밸브 입구를 막음

원인:

파열판 소재가 너무 두껍고, 설계 파열 압력 오차가 큼
유입 유체 속도 과도함 (유속 해석 미흡)

대응방안:

파열판 종류를 그라파이트 복합재로 변경
파열 후 조각이 미세하게 분산되는 형식 선택
흐름 분석을 통해 파열 압력 정확도 재검토

📘 [API 521]

“Fragmentation of rupture disks should be avoided, as debris can impair PRV operation.”

11. FAQ

❓ Q1. 파열판과 안전밸브를 동시에 설치하면 배출유량이 줄지 않나요?

A: 네, 실제로 일부 유량 손실이 발생할 수 있습니다. KOSHA D-67-2020과 API 520에서는 이 문제를 고려해 정격 배출용량의 0.9배를 적용하거나, 제조사의 조합 성능시험 결과를 적용할 것을 권고합니다.

📘 [KOSHA D-67-2020]

❓ Q2. 배출 측에 파열판을 설치하는 게 위험하지 않나요?

A: 특정 조건을 만족하면 허용됩니다. 예를 들어 부식성 가스가 역류하는 환경에서는 배출 측 파열판이 안전밸브를 보호할 수 있습니다. 단, 이 경우 벨로우즈형 안전밸브, 압력축적 감시 시스템, 배출 경로의 유량 확보 등이 충족되어야 합니다.

📘 [KOSHA D-67-2020]

❓ Q3. 왜 안전밸브만 쓰지 않고 굳이 파열판을 함께 쓰나요?

A: 아래와 같은 이유로 직렬 설치가 필요합니다:

안전밸브의 누설 방지
내부 구조 보호 (특히 부식성 유체)
유해물질 완전 차단
긴급 대피 시 이중 안전장치 역할

❓ Q4. 파열판 교체는 누가 해야 하나요?

A: 반드시 유자격 유지보수 기술자가 수행해야 하며, 교체 전후 압력 해소 및 감지장치 리셋이 필요합니다. 또한 파열 압력, 재질, 설계 온도를 기존 사양과 일치시켜야 합니다.

❓ Q5. 직렬 설치된 파열판이 파손되었는데도 경보가 울리지 않았어요. 왜 그런가요?

A: 파열판과 안전밸브 사이에 압력 감지 센서, 차압 측정기, 진공 센서 등이 없거나, 감도 조정이 잘못되었을 수 있습니다. 유지보수 시 감지장치의 보정(Calibration)이 중요합니다.

12. 결론 및 요약

✅ 핵심 요약

파열판과 안전밸브의 직렬 설치는 과압 방지에 있어서 이중 안전체계를 제공하며, 특히 고위험 물질 처리 공정에서는 필수적인 안전대책입니다.
KOSHA D-67-2020은 API 520/521과 조화를 이루며, 국내 현실에 맞춘 구체적인 설치 기준과 설계 제한조건을 제공합니다.
설치 시에는 유량 손실, 파편 문제, 배압, 압력강하, 유지보수성 등을 철저히 고려해야 하며, 이에 따라 장치의 성능과 공정 안전성을 보장받을 수 있습니다.
실무자는 각 설비 특성에 맞는 조합형 안전장치를 설계하고, 정기적인 점검 및 경보 시스템의 정상 작동을 통해 무사고 운영을 실현해야 합니다.

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