릴리프 밸브 결함과 관련된 가장 악명 높은 사례는 아마 1979년 Three Mile Island에서 발생한 원자력 발전소 사고일 것이다. 그러나 이 외에도 릴리프 밸브와 관련한 재해는 꾸준히 존재해 왔다. 2005년 BP Texas City 정유 공장 폭발에서도 릴리프 밸브는 부분적인 원인이었다. 당시 릴리프 밸브는 제대로 개방되긴 했으나, 플레어(Flare)가 장착되지 않은 블로우다운 스택(Blowdown Stack)으로부터 인화성 액체 간헐천(Geyser)을 유발하고 말았다. 즉, 릴리프 밸브가 올바르지 않게 설치됐던 것이다.

트릴로찬 구타(Trilochan Gupta)
에머슨프로세스매니지먼트 싱가포르 지사의 Daniel Measurement and Control Asia Pacific 부문 이사

1999년 압력 릴리프 밸브가 워싱턴 주 벨링햄에 소재한 올림픽 파이프라인사(Olympic Pipe Line Company, 이하 올림픽사)가 운영하던 16인치의 가솔린 파이프라인 상에서 결함을 일으켜, 강으로 27만7,000갤런의 가솔린이 방류됐다. 가솔린 방류로 인해 세 명의 어린 소년이 목숨을 잃었다. 이 사고로 올림픽사 직원들은 다섯 건의 사건에 대해 유죄 판결을 받았으며, 사망 합의금으로 7,500만달러를 지급했다.

2009년 시베리아의 Sayano-Shushen skaya 수력 발전소에서는 심각한 수격 현상이 터빈으로 향하는 도관을 파열시켰고, 변압기가 폭발돼 69명의 사망자를 냈다. 이 시설이 서지 릴리프 밸브를 보유하고 있었는지는 알려진 바가 없으나, 이것이 바로 서지 릴리프 밸브가 해결해야 할 유형의 문제이다.

오일 파이프라인에서 이와 유사한 문제가 발생하는 것을 방지하기 위해서, 서지 릴리프 밸브를 지정 및 설치할 때에는 반드시 주의를 기울여야 한다.

압력 서지

오일 파이프라인에서, 압력 서지는 밸브 폐쇄나, 종종 긴급 가동 중지(ESD)에 의해 유발되는 펌프 트립(Trip)처럼 갑작스럽게 발생한다. 파이프라인에서 이동하는 유체는 장애물을 만나게 되면 마치 기차같이 반응한다. 즉, 열차의 각 객차가 전방 객차에 충돌하면서 다수의 서지가 발생하는 것이다.

이로 인해 유발되는 압력 서지는 정상적인 파이프라인 압력의 최대 10배에 달한다. 또한 파이프라인의 파열이나 밸브 팽창, 펌프 폐쇄, 유출 및 다른 문제들을 유발할 수 있다(그림 1). 서지 릴리프 밸브의 기능은 이러한 압력 서지가 발생하면 고압의 유체를 홀딩 탱크(Holding Tank)나 다른 안전한 방출구로 배출하기 위해 신속하게 개방하게 된다.

압력 서지를 유발하는 상황은 펌프 시동, 펌프 전력 오류, 밸브 개폐, 서지 보호 장치의 부적절한 관리나 부정확한 설계 등 4가지 상황으로 요약된다. 선박 수송 시스템과 같은 적재 및 하역장에서도 문제가 발생할 수 있다. 예를 들어, 과도한 서지 압력은 선박의 연결이 해제되거나 ESD 밸브 폐쇄에 의해 초래될 수 있다. 이 두 가지 경우 모두, 적재 호스나 장치, 적재 부표, 공급 배관 등의 손상 가능성을 수반한다.

일반적으로, 압력이 수반되는 파이프라인은 현지나 관련 당국에서 요구하는 특정 형태의 압력 릴리프 시스템을 보유해야 한다. 일례로, 미국 DOT(De partment Of Transportation : 운수부) 안내 지침에서는 ‘서지 발생시 혹은 정상 운영 중 작동 압력 한계의 110%를 초과하는 여타 변화 조건시, 작업자는 파이프라인의 압력을 허용해서는 안 된다’고 명시하고 있다.

서지 릴리프 밸브의 선택

서지 릴리프 밸브의 크기는 위치와 설정점의 압력이라는 두 가지 요소에 의해 결정된다. 릴리프 밸브는 압력 증가가 발생한 지점에서 가장 근접한 곳에 있어야 한다. 단순한 형태의 관습적인 스프링 하중 형태의 릴리프 밸브는 릴리프 밸브 노즐을 통과하기 때문에, 압력파를 배출시킬 정도로 아주 빠르게 작동하지 않을 가능성이 크다. 수력 변이 값 서지 연구에서 허용하는 최저 압력 설정을 통해, 최소의 서지 릴리프 시스템 설계가 가능하다.

대형 파이프라인이나 파이프라인 설계 기업의 대부분은 파이프라인 모델을 제작하는 컴퓨터 프로그램을 보유하고 있다. 해당 프로그램은 제거 대상 제품의 양, 사용 시간 프레임에 대한 데이터를 제공해 미국 DOT가 제시한 110%의 한계 내에서 압력을 유지하도록 한다. 이러한 데이터를 이용해, 파이프라인 엔지니어는 올바른 서지 릴리프 밸브를 선택할 수 있다.

고려해야 할 요소로는 조절 밸브의 반응 시간, 밸브의 유량 계수(CV), 필요 유속 도달을 위한 설정점 이상의 초과 압력, 밸브의 특성과 관련된 제어 곡선이 포함된다.

밸브의 반응 시간은 압력의 설정점을 초과한 경우 릴리프 밸브가 개방될 때까지 걸리는 시간을 의미한다. 밸브의 CV는 밸브를 통해 이동하는 유체의 양으로, 밸브의 크기, 유형, 제조사에 따라 다양하게 나뉜다.

릴리프 밸브의 개방은, 라인 압력이 밸브를 폐쇄 상태로 유지하는 가압 정도를 초과했을 때 발생한다. 이 가압 정도는 유형과 등화형·비등화형 서지 릴리프 밸브 설계와 같은 작동 특성에 따라 차이가 있다. 따라서 초과 압력은 밸브를 개방하는 데 얼마나 많은 압력이 필요한지를 규정한다고 할 수 있다.

특성 제어 곡선에는 세 가지의 유형, 등률 개방형(Equal Percentage), 직선형(그림 2), 신속 개방형이 있다. 각 밸브에 있어, 곡선 유형은 개폐 스트로크(Stroke) 모두에 적용된다.

공간은 이러한 요건 충족에 필요한 등식과 분석의 엄격한 기술을 허용하지 않는다. 관련된 모든 요소를 고려해 압력 릴리프 밸브를 선택해야 하는 파이프라인 엔지니어는 파이프라인의 수력학에 정통해야 한다.

서지 릴리프 밸브의 유형

일반적으로 파이프라인에서 사용되는 릴리프 밸브에는 두 가지 유형이 존재하며, 파일럿 구동(Pilot Operated)형과 가스(또는 질소) 적재형으로 분류할 수 있다. 파이프라인이 설정점을 초과한 경우 두 가지 유형 모두 작동되지만, 가스 적재형 밸브가 훨씬 신속하게 반응한다.

파일럿 구동형 압력 릴리프 밸브(그림 3)는 대체로, 펌프를 보호해야 하는 경우와 릴리프 밸브가 준 설정점에서 압력을 유지해야 하는 경우에 사용된다. 이는 업스트림 조건과 무관하게 ±2psi의 범위에서 압력을 제어한다.

파일럿 및 주 밸브는 대개 고성능 단좌 2방향 밸브(Single-Seated Valves)다. 이 밸브는 과도한 압력과 서지로부터 라인을 보호하거나, 펌프 우회로로 기능하며 일정한 펌프 배출 압력을 유지한다.

가스 적재형 밸브는 신속한 작동 시간을 요구하며, 밸브가 충분히 개방돼야 하는 파이프라인 서지 릴리프 적용 상황에서 이용된다. 이 밸브는 보통 때는 폐쇄돼 있으며, 주입구 압력 증가시 개방된다. 질소 가스는 밸브 피스톤이 폐쇄 상태를 유지하도록 이를 가압하는 데 사용된다.

가스 적재형 릴리프 밸브는, 실린더 헤드의 외부 표면에 설치된 중요 석유 저장소(Reservoir)를 포함한다. 이 저장소는 단단한 봉합 제공에 사용되는 경유로 일부 충전돼 있으며, 압력 가스가 여기에 적용된다. 이것은 널리 알려진 가스 오버 오일 기법(Gas-Over-Oil Technique)이다. 여기서 오일은 질소 가스(설정 압력)와 가스의 피스톤 우회나 안전 시스템이 설정 지점을 완전히 무시하는 것을 방지하는 서지 릴리프 밸브의 피스톤 및 실린더 사이에서 장벽으로 작용한다.

밸브 스프링의 힘(대략 4psi)을 제외한 질소 가스의 압력이, 밸브의 유효 설정점이 된다. 파이프라인의 압력이 총압보다 작은 경우, 밸브는 긴밀하게 폐쇄될 것이다. 파이프라인의 압력이 서지 릴리프에 요구되는 수준까지 증가하면, 스프링과 가스의 압력은 극복되고 밸브는 개방된다. 실린더 헤드 내부 표면에 설치된 체크 밸브, 밸브의 개폐 속도를 제어하는데, 결과적으로 신속한 개방이 가능해진다.

이러한 밸브는 원유나 다른 중유와 같은 오염되고 점성이 큰 유체를 포함한 탄화수소 액체를 처리할 수 있다. 전체적인 내부 조합은, 라인에서 서지 릴리프 밸브의 본체를 제거할 필요 없이 카트리지로 제거할 수 있다. 밸브 본체 상의 커버 볼트 서클이 라인의 제일 상부에 존재하기 때문에 완전한 배수 역시 필요하지 않다. 또한, 밸브는 릴리프 경로를 방해하는 내부 요소를 배제하도록 설계돼, 잔류물의 축적을 최소화함으로써 비상 릴리프 반응시 밸브가 작동되는 것을 방지할 수 있다.

서지 릴리프 시스템 설계

완벽한 서지 릴리프 시스템은 압력 증가의 가능성과 운용 중인 서지 릴리프 기기에 통과되는 부피, 그리고 압력을 억제하는 시스템의 성능을 포함한 복잡한 범위의 요소들을 간주해 설계돼야 한다. 더불어, 여타 안전 및 제어 시스템과 공조해 작동될 수 있어야 한다.

한편, 가장 어려운 서지 관련 문제 중 하나는, 적재 터미널의 대형 선박(Tanker)에서 발생한다. 대형 선박의 ESD 밸브가 폐쇄되면, 펌프는 밸브가 폐쇄된 이후의 시간 동안 작동이 지속된다. 우선, 펌프 가동을 중지시킨 후에 ESD 밸브를 폐쇄하는 것이 대형 선박의 ESD를 위한 더욱 나은 시스템이라고 할 수 있다. 이 기법이 최대 서지 압력을 상당히 감소시킨다는 연구 또한 이를 뒷받침한다.

제어 시간 또는 ESD 밸브 폐쇄 시간 역시 파이프라인의 서지 압력에 영향력을 행사한다. 밸브의 폐쇄 시간 연장을 통해, 더욱 점진적인 유량 감소가 가능해진다. 펌프와 파이프의 크기 결정은, 수력학적 설계 관점으로 고려해야 할 또 다른 요소다.

일시적인 반응의 예측에는 장비와 파이프라인, 정상, 결함 및 긴급 조건 아래 유체의 복잡한 상호작용을 모의 실험하는 세부적인 컴퓨터 모델링 작업이 포함된다. 하지만 서지 도전류 모델링 분석(Surge Transient Modeling Analysis)은 직업 규약이 아니므로, 서지 릴리프 설계는 업계의 최적 수행 방안, 지식, 전문성을 기반으로 삼아야 할 것이다.

서지 압력 감소에 일조하는 다수의 설계 접근법이 존재하고 있지만, 서지 릴리프 밸브는 반드시 시스템을 보호하도록 설치돼야 한다. 이는 서지 릴리프 밸브가 파이프라인에 대한 최후의 방어벽이기 때문이다. 여타 모든 대책이 실패할 경우, 완전한 서지 릴리프 시스템의 한 축인 릴리프 밸브만이 해결책을 제시할 수 있다.

올바르게 설계된 서지 릴리프 시스템에는 폐쇄의 속도를 늦추거나 약화시키는 구성 요소를 포함하고 있으며, 많은 경우 정밀한 역류 계획(Reverse Flow Plots)이 요구된다. 예를 들어, Daniel 서지 릴리프 밸브를 개방하고 폐쇄 속도 제한을 위해 입구의 크기를 감소시키는 경우, 체크 밸브는 무제한의 유량을 제공하게 된다. 이를 통해, 사용자는 시스템에서 요구하는 서로 다른 폐쇄 속도를 설정할 수 있게 된다.

질소 적재형 밸브에 있어서는, 질소 가스 시스템에 특히 주의해야 한다. 질소 시스템은 다양한 주변 온도 조건에서도 일정한 압력을 조절 밸브에 제공해야만 한다. 일반적으로 이 시스템은 표준 가스 실린더를 사용하도록 설계됐으며, 질소 공급 압력을 조절하는 고유의 제어 시스템을 보유하고 있다.

공급 압력은 요구되는 릴리프 압력으로 설정돼야 한다. 스프링으로 행사되는 힘을 제외한 가스 압력 설정점이 시스템의 서지 릴리프 압력으로 추산된다. 질소 가스탱크는 가스를 일정한 온도로 유지하기 위해 지하에 매장되거나 절연될 수도 있다. 질소 가스 온도의 증가에 의한 열적 팽창은 릴리프 설정점에 변화를 일으킬 수 있다.

서지 릴리프 시스템에는 종종 서지 릴리프 밸브의 업스트림 및 다운스트림 차단 밸브와 함께 적정한 크기의 유출입 매니폴드(Manifold)가 요구된다. 이는 일반적으로 완전 개방형 볼 밸브(Full-Port Ball Valves)로, 릴리프 라인에서 최소의 저항 경로를 제공한다. 전량(Full Bore) 액체 초음파 유량계 역시 각 서지 릴리프 밸브의 방출구에 이용돼, 각 밸브의 주기 동안 릴리프의 양을 결정하게 된다(그림 4).

스키드(Skid) 상 서지 제어

파이프라인 엔지니어를 위한 보편적인 솔루션 중 하나는 스키드 상에 서지 릴리프 시스템을 구축하는 것이다. 예를 들어, Daniel Measurement & Control은 적절한 크기의 서지 릴리프 밸브와 매니폴드, 파이프 배관을 보유한, 공장 시험 완료 스키드 장착 서지 릴리프 시스템을 제공하고 있다. 이러한 스키드는, 유지보수에 적합한 제공 기능과 질소 충전 제어 시스템을 특징으로 한다.

전형적인 서지 릴리프 시스템 스키드는 여분의 병렬형 서지 릴리프 밸브를 갖추고 있다. 유출입 매니폴드는 압력 소실을 최소화할 수 있는 크기로 설정되며, 질소 시스템 또한 이에 속한다고 할 수 있다. 모든 구성 요소는 여타 필요 장비, 제어 시스템, 계장과 더불어 스키드 상에서 통합된다.

파이프 배관에는 압력·온도 지시계 및 송수신기, 전량 선형 초음파 유량계, 질소 제어 시스템을 포함하는 필수 계장을 포괄한다. 명세와 설치가 적합하게 이뤄진 서지 릴리프 시스템은 사고를 방지하고 유지관리의 필요성을 감소시키며, 기기의 작동 수명 또한 연장한다. 이 시스템의 설계는 다수의 요소가 고려돼야 하며 다양한 기준을 충족시켜야 하기 때문에 상당히 복잡한 작업이 될 수 있다.

서지 사고로 인한 여파와 위험은 구현 단계에서 엔지니어링 수준을 증대시킴으로써 방지할 수 있다. 서지 릴리프 시스템은 특화된 서지 릴리프 밸브 OEMs 방식으로 최상의 설계 및 설치가 가능하다. 이 시스템은 현장에서 설치하도록 설계되거나, 현장 설치를 위한 스키드 준비 상태로 공급될 수 있다. 

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