[안전보건기준에 관한 규칙 해설] 제261조(안전밸브 등의 설치)-1st

 

안녕하세요? 안행어사입니다.

 

오늘은 안전보건기준에 관한 규칙 제261조(안전밸브 등의 설치) 중 제1항3호인 "정변위 펌프(토출측에 차단밸브가 설치된 것만 해당한다)”에는 왜 안전밸브를 설치해야 하는지를 설명드리고자 합니다. 이 조항을 이해하고자 많은 자료를 찾아보았고 나름 해석하였습니다. 이미 알고계신분들은 정리차원에서 읽어보시면 될 것 같습니다.

 

 

[Part 1] 관련조항

 

1. 안전밸브 관련해서 법, 고시, kosha guide 3가지를 발췌하였습니다.

2. 아래의 표에 빨간색으로 표시된 부분은 같은 맥락으로 보시면 됩니다.

산업안전보건기준에 관한 규칙 제261조 (시행 2022.10.18.)	kosha guide D-18-2020(알전밸브 등의 배출용량 산정 및 설치 등에 관한 기술지침 (공표 2020년12월)	유해화학물질 제조사용시설 설치 및 관리에 관한 고시 (시행 2020.12.22.)
제261조(안전밸브 등의 설치) ① 사업주는 다음 각 호의 어느 하나에 해당하는 설비에 대해서는 과압에 따른 폭발을 방지하기 위하여 폭발 방지 성능과 규격을 갖춘 안전밸브 또는 파열판(이하 “안전밸브등”이라 한다)을 설치하여야 한다. 다만, 안전밸브등에 상응하는 방호장치를 설치한 경우에는 그러하지 아니하다. 1. 압력용기(안지름이 150밀리미터 이하인 압력용기는 제외하며, 압력 용기 중 관형 열교환기의 경우에는 관의 파열로 인하여 상승한 압력이 압력용기의 최고사용압력을 초과할 우려가 있는 경우만 해당한다) 2. 정변위 압축기 3. 정변위 펌프(토출축에 차단밸브가 설치된 것만 해당한다) 4. 배관(2개 이상의 밸브에 의하여 차단되어 대기온도에서 액체의 열팽창에 의하여 파열될 우려가 있는 것으로 한정한다) 5. 그 밖의 화학설비 및 그 부속설비로서 해당 설비의 최고사용압력을 초과할 우려가 있는 것 ② 제1항에 따라 안전밸브등을 설치하는 경우에는 다단형 압축기 또는 직렬로 접속된 공기압축기에 대해서는 각 단 또는 각 공기압축기별로 안전밸브등을 설치하여야 한다.	4. 안전밸브 등의 설치대상 및 설치기준 4.1 설치대상 (1) 안전밸브 등(안전밸브, 파열판 등 압력방출장치를 말한다)을 설치하여야 할 대상은 다음과 같다. (가) 압력용기(다만, 안지름이 150 mm 이하인 압력용기는 제외한다. 관형 열교환기는 관(Tube)의 파열로 인한 압력상승이 동체의 설계압력 또는 최고허용압력을 초과할 우려가 있는 경우에 한한다) (나) 정변위(Positive displacement) 압축기(다만, 다단 압축기인 경우에는 압축기의 각단에 설치한다) (다) 정변위 펌프(토출측의 막힘으로 인한 압력상승이 관련기기의 설계 압력을 구조적으로 초과할 수 있도록 제작된 펌프류에 한한다) (라) 배관(배관내의 액체가 2개 밸브 등에 의해 차단되어 대기온도에서 액체의 열팽창에 의하여 구조적으로 배관 파열이 우려되는 배관에 한한다) (마) 기타 이상화학 반응, 밸브의 막힘 등의 이상상태로 인한 압력상승으로 당해 설비의 설계압력을 구조적으로 초과할 우려가 있는 용기 등에 설치한다.	제6조(안전밸브 등) 안전밸브 등 설치에 관한 기술기준은 다음 각 호와 같다. 1. 제조·사용 설비 중 다음의 어느 하나에 해당하는 설비에 대해서는 과압에 따른 폭발을 방지하기 위하여 폭발 방지 성능과 규격을 갖춘 안전밸브 또는 파열판 등(이하 "안전밸브 등"이라 한다.)을 설치하여야 한다. 다만, 안전밸브 등에 상응하는 방호장치를 설치한 경우에는 그러하지 아니하다. 가. 압력용기(안지름이 150 mm 이하인 압력용기는 제외하며, 압력 용기 중 관형 열교환기의 경우에는 관의 파열로 인하여 상승한 압력이 압력용기의 최고사용압력 또는 설계압력을 초과할 우려가 있는 경우만 해당한다.) 나. 정변위 압축기 다. 토출 측에 차단밸브가 설치된 정변위 펌프(공압구동식 펌프로서, 펌프 설계압력이 토출배관 설계압력을 초과하지 않는 경우에는 제외한다.) 라. 배관(2개 이상의 밸브에 의하여 차단되어 대기온도에서 액체의 열팽창에 의하여 파열될 우려가 있는 것으로 한정한다.) 마. 그 밖의 제조·사용 설비 및 그 부속설비로서 해당 설비의 최고사용압력 또는 설계압력을 초과할 우려가 있는 것

 

 

[Part 2] 정변위 펌프란? (Positive displacement pump)

 

1. 펌핑동작(pumping action)이 정방향(positive)이 되도록 디자인된 펌프로

2. 용적식펌프(왕복동, 로타리)와 같이 일정량의 유체를 펌핑해서 토출하는 형태의 폄프를 말합니다.

3. 아주 높은 압력까지 사용할 수 있으나, 유량측면에서는 제약이 있습니다. 

4. 정변위펌프=정량펌프=용적식펌프

 

* 정변위 펌프만 해도 내용이 상당하기 때문에 더 상세하게 알고 싶으신 분들은 구글링 해보십시요.

 

 

[Part 3] 그렇다면 정변위 펌프 토출측이 차단밸브로 막힌 경우에는 왜 안전밸브를 설치하여야 하는가?

 

1. 정변위 펌프는 원심펌프와 달리 토출압력에 관계없이 이론적으로 주어진 속도(rpm), 토크에서 동일한 흐름 생성이 가능합니다.

2. 아래 왼쪽의 원심펌프 성능곡선에서는 체절양정(shut off head, 차단헤드)이 존재하지만, 정변위 펌프 성능곡선은 체절양정이 없습니다.  이것은 정변위펌프 토출측 차단밸브가 닫힌 상태(Q=0)로 운전된다면, 이론적으로 압력이 무한대로 상승하는 것을 의미합니다.

<원심펌프의 성능곡선> 출처 : kosha guide D-18-2020	<다이어프램펌프 성능곡선>_정변위펌프 출처 :천세산업 일반 KD시리즈 카타로그 KD-52H model http://www.cheonsei.co.kr/home/business/product02_3.asp

 

※ 다이어프램 펌프 성능곡선 부연설명 : 다이어프램 펌프 성능곡선의 1bar, 10bar 는 토출측에 걸리는 압력을 의미하는 것이며, 최대토출압력을 의미하는 것이 아닙니다. 얇은선을 기준으로 보면 다이얼 눈금 100%에서 토출측에 걸리는 압력이 1bar 인 경우 토출량은 560ml/min, 10bar 인 경우에는 420ml/min 입니다. 토출측에 이미 10bar 의 압력이 걸려있는 경우에는 1bar 보다 당연히 토출량이 적게 되는 것입니다.

 

3. 다시말해서 토출측 차단밸브가 닫힌 경우에도 정변위 펌프는 계속해서 펌핑되며, 이는 정변위 펌프나 배관 등이 견디지 못하고 파열될 때까지 압력을 지속적으로 상승시키는 요인이 됩니다.

 

4. 따라서 정변위펌프 후단에 차단밸브가 있는 경우에는 정변위펌프와 차단밸브 사이에 안전밸브를 설치하여야 합니다. 안전밸브 토출라인은 탱크쪽으로 리턴시킬 수도 있으며, 베인펌프와 같은 정량펌프는 안전밸브가 보통 내장된 형태로 설치되기도 합니다.

 

출처 : https://en.wikipedia.org/wiki/Pump#Impulse_pumps

 

 

[Part 4] 성능곡선 비교 (원심펌프 vs 정변위펌프(정량펌프, 용적식펌프))

<원심펌프 vs 정변위펌프 성능곡선 비교>  출처 : 주식회사태진에프티 http://www.tjtech.co.kr/archives/18335	<원심펌프 vs 정변위펌프 성능곡선 비교>  출처 : https://www.deltatsys.com/industry-expertise/pd-pump-centrifugal-pump/

 

1. 원심펌프 vs 정변위펌프 성능곡선 비교 왼쪽 그래프 요약

(1) 원심펌프 성능곡선 : Q=0 인경우 체절양정(shut off head, 차단헤드) 있음. 체절양정 이상으로 압력 상승하지 않음.

(2) 회전식펌프(정변위펌프, 용적식펌프) 성능곡선 : 압력증가(H증가)에 따른 slip 발생으로 유량감소(internal leakage))

(3) 왕복식펌프(정변위펌프, 용적식펌프) 성능곡선 : 압력증가(H증가)에 따른 유량 일정

 

2. 밸브를 차단해도(Q=0) 원심펌프는 최고토출압력(shut-off head, 체절양정)을 넘을 수 없으나, 정변위펌프(용적식)에서는 체절양정이 없으므로 밸브를 차단해도 압력(H)이 무한대(오른쪽 그래프의 파란색 화살표)로 올라갈 수 있는 것을 다시 한 번 알 수 있습니다.

 

3. 원심펌프에서는 밸브가 닫혀서 토출유량(Q)이 0이 되더라도 원심펌프 내부 임펠러와 케이싱 사이에서의 유체 슬립이 일어나서 압력이 상승되지는 않으나 펌프가 과열될 수는 있다고 합니다.

 

 

[Part 5] 그렇다면 왜 공압구동식 정변위펌프(용적식펌프)의 경우에는 예외인가?

 

1. 펌프의 구동원이 air인 경우에는 펌프 설계압력이 토출 배관 설계압력을 초과하지 않을 경우에 안전밸브를 설치하지 않아도 된다는 것인데, 공학적으로는 어떻게 설명이 될 수 있는지 제 나름대로 해석을 해 보았습니다. 이 해석에 있어서는 제가 펌프쪽 전문가가 아니어서 틀릴수도 있다는 점 미리 말씀드립니다.

 

2. Air diaphragm pump 를 예로 들어보겠습니다. 에어 다이어프램 펌프 성능곡선을 구글링한 결과, 에어 다이어프램 펌프는 정변위펌프(정량펌프)임에도 성능곡선은 원심펌프와 유사하였고, 아래에서 보는바와 같이 체절양정(shut off head, 차단헤드) 이 있다는 것을 알 수 있습니다. Part3,4에서 설명한 정변위펌프(전동모터 구동식)의 성능곡선과는 차이가 있습니다.

 

3. 경험상으로도 공정 내 프로세스 에어는 7~9kgf/m2 로 공급되며, 에어 다이어프램 펌프를 구동시키는 압력은 이보다는 작게 됩니다. 토출 배관은 보통 최소 10kgf/m2 이상의 압력에 견딜 수 있도록 설계가 되기 때문에 에어 다이어프램 펌프가 최대로 토출할수 있는 압력은 토출 배관의 설계압력보다는 작을 수 밖에 없겠네요.

< Air-Operated Double Diaphragm Pumps성능곡선> 출처 (주식회사태진에프티) http://www.esongtech.co.kr/sub/product_view.php?id=11

 

[Part 6] 명판으로 정변위 펌프와 원심펌프 비교하기

 

1. 원심펌프에는 Head가 표시되어 있고, 정변위펌프(정량펌프)에는 max pressure 가 명판에 각인되어 있습니다. 명판으로만 보아도 어떤 형식의 펌프인지 구별할 수 있습니다.

<원심펌프 명판>	<정변위펌프(정량펌프) 명판>

 

2. 여기서 중요한 것은 원심펌프의 양정(head)과 정변위펌프의 최대압력(max pressure)을 정확히 비교하는 것입니다. 앞써 말씀드린데로, 원심펌프의 양정(head)은 어떠한 높이까지 토출가능한 능력이면, 정변위펌프의 최대토출압력은 펌프가 견딜 수 있는 압력으로 이해하시면 되겠네요.

 

 

[Part 7] 현실은?

 

현장에는 정변위펌프(정량펌프) 후단에 차단밸브를 유지보수 목적으로 설치한 경우가 많이 있습니다. 이 경우 안전밸브를 정량펌프와 차단밸브 사이에 설치하여야 하나, 이미 운영 중인 설비에서 현실적으로 설치하기 어려운 경우도 있습니다. 이 경우에는 밸브를 좌물쇠로 잠그고 운영하던가 밸브 레버를 제거하고 운영하기도 합니다만, 사실 법상(안전보건기준에 관한 규칙)으로는 허용되지 않는다는 점을 알고계셔야 할 것 같습니다.

<차단밸브 좌물쇠 조치>

 

[Part 8] 마치며..

 

안전보건기준에 관한 규칙 제261조(안전밸브 등의 설치)를 이해하고자 경험+자료를 토대로 이 글을 작성하게 되었습니다.

저도 이 글을 작성하면서 많은 자료와 함께 논리적으로 공부도 할 수 있었고, 이해한 바를 흐름에 따라서 정리할 수 있는 시간이었던 것 같습니다.

 

이 글이 화공안전기술사, 산업안전지도사(화공안전)을 준비하시는 수험생분들께 도움이 되셨으면 좋겠습니다. 

이만 줄이겠습니다.