액체 파이프라인에서의 서지 릴리프 밸브(surge relief valves)의 지정
서지 릴리프 밸브는 다른 모든 것이 실패한 경우 파이프라인을 보호하기 위해 유지되지만, 이는 올바르게 지정 및 설치된 경우에만 가능하다
By Trilochan Gupta
Figure 2: 서지 압력 릴리프 밸브는 파이프라인의 완전한 서지 릴리프 시스템에 통합된 일부 구성요소이다.
릴리프 밸브가 실패한 가장 악명 높은 사례는 아마도 1979년 Three Mile Island에서 발생한 원자력 사고이겠지만, 이 외에도 여러 가지가 있었다. 2005년 발생된 BP Texas City 정유 폭발 사건에서도 릴리프 밸브가 부분적인 원인이 되었다는 오명을 얻었다. 이 사례에서 릴리프 밸브는 올바르게 개방되었으나, 플레어(flare)가 장착되지 않은 블로우다운 스택(blowdown stack)으로부터 인화성 액체 간헐천(geyser)을 유발했다. 즉, 릴리프 밸브가 올바르지 않게 설치되었던 것이다.
1999년 압력 릴리프 밸브가 워싱턴의 Bellingham에 위치한 Olympic Pipe Line Company가 운영하던 16인치의 가솔린 파이프라인 상에서 결함을 일으켜 강으로 277,000 갤론의 가솔린이 방류되었다. 가솔린 방류로 인해 세 명의 어린 소년이 목숨을 잃었다. 이 사고로 Olympic에 근무하던 피고용인들은 다섯 건의 중죄에 대해 유죄 판결을 받았으며, 사망 합의금으로 7,500만 달러를 지불해야 했다.
2009년, 시베리아의 Sayano-Shushenskaya 수력 발전소에서 심각한 워터 해머(water hammer)가 터빈으로 향하는 도관을 파열시켰다. 변압기가 폭발되어 69명이 목숨을 잃게 되었다. 이 플랜트가 서지 릴리프 밸브를 보유하고 있었는지에 대해서는 알려진 바가 없으나, 이것이 바로 서지 릴리프 밸브가 해결해야 할 유형의 문제이다.
오일 파이프라인에서 이와 유사한 문제가 발생되는 것을 방지하기 위해서, 서지 릴리프 밸브를 지정 및 설치할 때에는 반드시 주의를 기울여야 한다.
Figure 1: 압력 서지는 여러 사건으로 구성될 수 있으며, 정상적인 파이프라인 압력의 열 배에 달한다. 서지 릴리프 밸브가 개방되면 이로 인해 압력이 안전 시스템으로 배출된다.
압력 서지(Pressure surges)
오일 파이프라인에서, 압력 서지는 밸브 폐쇄나, 종종 긴급 가동중지(ESD)에 의해 유발되는 펌프 트립(trip)과 같은 갑작스러운 사건으로부터 발생된다. 파이프라인에서 이동하는 유체는 장애물을 만나게 되면 마치 기차처럼 반응한다. 즉, 열차의 각 객차가 전방 객차에 쾅 하고 부딪히면서 다수의 서지가 발생되는 것이다.
이로 인해 유발되는 압력 서지는 정상적인 파이프라인 압력의 최대 10배에 달한다. 또한 파이프라인의 파열이나 밸브 팽창, 펌프 폐쇄, 유출 및 기타 다른 문제들(Figure 1)을 유발할 수 있다. 서지 릴리프 밸브의 기능은 이러한 압력 서지가 발생하면 고압의 유체를 홀딩 탱크(holding tank)나 기타 다른 안전한 아웃렛(outlet)으로 배출하기 위하여 신속하게 개방하는 것이다.
압력 서지를 유발하는 일반적인 네 가지 상황
- 펌프 스타트업: 스타트업은 가동이 시작된 펌프로부터 다운스트림의 진공(void space)을 빠르게 붕괴시킬 수 있다. 이로 인해 고압이 발생된다.
- 펌프 전력의 실패: 이는 흡입측(suction side)의 압력 업서지(upsurge)와, 배출측(discharge side)의 압력 다운서지(downsurge)를 유발할 수 있다. 일반적으로 다운서지가 주요 문제다. 배출측의 압력이 증기의 압력에 도달하면 증기 컬럼(column)이 분리된다.
- 밸브의 개폐(開閉): 파이프라인의 다운스트림 종말점에서 밸브를 폐쇄하면 레저부아(reservoir)로 재이동하는 압력파가 형성된다. 압력 서지가 파이프라인의 말단으로 이동한 뒤 다시 이동하는 데 소요되는 시간보다 짧은 시간 동안 밸브가 폐쇄되는 것을 ‘갑작스러운 밸브의 폐쇄’라고 한다. 이것은 속도를 신속하게 변화시키고 압력 서지를 유발한다. 갑작스러운 밸브 개방으로 인한 압력 서지는 일반적으로 과도한 정도는 아니다.
- 서지 보호 장치의 부적절한 운영이나 올바르지 않은 디자인: 서지 릴리프 밸브의 크기가 과도하거나, 문제를 발생시키지 않을 때 워터 해머를 방지하는 일부 수단을 통합시키는 것은 장점이 있다기보다는 폐해를 유발한다.
선박 수송 시스템에서처럼 적재 및 하역 스테이션에서도 문제가 발생될 수 있다.
예를 들어 과도한 서지 압력은 선박의 연결이 해제된 경우 선박의 이탈 커플링(breakaway couplings)이나 ESD 밸브 폐쇄에 의해서도 유발될 수 있다. 이 두 가지 경우 모두 적재 호스나 경보 장치, 적재 부표 및 공급 배관이 손상될 수 있다.
일반적으로 압력이 포함된 모든 파이프라인은 현지나 관련 당국이 요구하는 일부 형태의 압력 릴리프 시스템을 보유해야 한다(Figure 2).
예를 들어, 미국에서는 Department of Transportation (DOT) 가이드라인 DOT Title 49 CFR Ch.1 Part 195.4064에서 다음과 같이 명시하고 있다: “어떠한 작업자에게도 서지 발생 중, 또는 정상 운용에서 운용 압력 한계의 110%를 초과하는 기타 다른 변화 조건에서의 파이프 라인의 압력은 허용되지 않는다…”
서지 릴리프 밸브의 선택
서지 릴리프 밸브의 크기는 위치와 설정 점의 압력이라는 두 가지 요소에 의해 결정된다. 릴리프 밸브는 압력 증가가 발생된 지점에서 가장 근접한 곳에 위치해야 한다. 단순한 형태의 관습적인 스프링 하중 형태의 릴리프 밸브는 릴리프 밸브 노즐을 통화하기 때문에 압력파를 배출시킬 만큼 충분히 빠르게 작동하지 않을 가능성이 크다. 수력 변이 값 서지 연구에 의해 허용되는 최저 설정 압력을 도입함으로써 최소의 서지 릴리프 시스템 디자인이 이용될 수 있다.
대부분의 대형 파이프라인과 파이프라인 디자인 기업은 파이프라인의 모형을 제작하는 컴퓨터 프로그램을 보유하고 있으며, 이러한 프로그램은 제거되어야 할 제품의 양과 어떤 시간 프레임을 사용해야 하는지에 대한 데이터를 제공하여 미국 DOT가 제시한 110%의 한계 내에서 라인의 압력을 유지하게 한다. 이러한 데이터와 기타 다른 데이터를 이용하여 파이프라인 엔지니어는 적절한 서지 릴리프 밸브를 선택할 수 있다.
고려해야 할 요소에는 조절 밸브의 반응 시간과 밸브의 유량 계수(CV), 요구되는 유속에 도달하기 위한 설정점 이상의 초과 압력, 그리고 밸브의 특성과 관련된 컨트롤 커브(control curve)가 포함된다.
밸브의 반응 시간은 압력의 설정점이 초과된 경우 릴리프 밸브가 개방될 때까지 소요되는 시간을 의미한다. 밸브의 유량 계수 CV는 1psi의 압력 강하로 충분히 개방되는 밸브를 통해 이동하는 유체의 양이다. CV는 밸브의 크기, 유형, 그리고 제조사에 따라 다양하다.
릴리프 밸브가 개방된 것은 라인의 압력이 밸브를 폐쇄 상태로 유지하는 바이어스 압력(bias pressure)을 초과했기 때문이다. 이러한 바이어스의 힘은 유형 및 등화형(balanced) 또는 비등화형(unbalanced) 서지 릴리프 밸브 디자인과 같은 운용 특징에 따라 다양하다. 따라서 초과 압력은 밸브를 개방하는데 얼마나 많은 압력이 필요한지를 정의한다.
특성과 관련된 컨트롤 커브에는 세 가지의 유형이 있다. 등률 개방형(equal percentage), 직선형(Figure 3), 그리고 신속 개방형이 바로 그것이다. 각각의 밸브에 대하여 커브의 유형은 개방 및 폐쇄 스트로크(stroke) 모두에 적용된다.
공간은 이러한 요건을 충족시키는데 필요한 등식과 분석의 엄격한 기술을 허용하지 않는다. 관련된 모든 요소들로 인하여 압력 릴리프 밸브를 선택해야 하는 파이프라인 엔지니어는 파이프라인의 수력학에 정통해야 한다.
서지 릴리프 밸브의 유형
Figure 3: Daniel Model 765 질소 로드형 서지 릴리프 밸브의 선형 밸브 특성 곡선으로
밸브 스트로크에 대한 플로우(%CV)를 보여주고 있다.
일반적으로, 파이프라인에서 사용되는 릴리프 밸브에는 두 가지 유형이 있다. 파일럿 운용(pilot operated)형과 가스(또는 질소) 로드형이 그것이다. 파이프라인이 설정점을 초과한 경우 두 가지 유형 모두 작동되지만, 가스 로드형 밸브가 훨씬 신속하게 반응한다.
파일럿 운용형 압력 릴리프 밸브(Figure 4)는 종종 펌프를 보호해야 하는 경우와 릴리프 밸브가 주어진 설정점에서 압력을 유지해야 하는 경우에 사용된다. 이는 업스트림 조건과 무관하게 ±2psi의 범위 내에서 압력을 제어한다.
파일럿 및 주 밸브는 일반적으로 고기능의 단좌 2방향 밸브(single-seated valves)이다. 이러한 밸브는 과도한 압력과 서지로부터 라인을 보호하거나 펌프 우회로로 작용하여 일정한 펌프 배출 압력을 유지한다.
가스 로드형 밸브는 신속한 운용 시간을 요구하며 밸브가 충분히 개방되어야 하는 파이프라인 서지 릴리프 적용 상황에서 이용된다. 이러한 밸브는 증가하는 인렛(inlet) 압력에 대하여 일반적으로 폐쇄 및 개방된다. 질소 가스는 밸브 피스톤을 폐쇄된 상태로 유지하기 위해 밸브 피스톤을 가압하는데 이용된다.
Figure 4: 펌프의 다운스트림에 설치된 파일럿 운용형 서지 릴리프 밸브
가스 로드형 릴리프 밸브는 실린더 헤드의 외부 표면에 설치된 통합 오일 저장소(reservoir)에 통합된다. 이러한 저장소는 부분적으로 긴밀한 폐쇄를 위해 이용되는 경량의 오일로 충전되며, 압력 하의 가스는 이 저장소에 적용된다.
이는 널리 알려진 가스-오버-오일 기술(gas-over-oil technique)이다. 오일은 질소 가스(설정 압력)와, 서지 릴리프 밸브의 피스톤 및, 가스가 피스톤을 우회하는 것을 방지하거나 안전 시스템이 설정 지점을 완전히 무시하는 것을 방지하는 실린더 사이에서 장벽으로 작용한다.
밸브 스프링의 힘(일반적으로 4psi 정도)을 제외한 질소 가스의 압력은 밸브의 유효 설정점이다. 파이프라인의 압력이 이러한 전체적인 힘보다 크기가 작은 경우, 밸브는 긴밀하게 폐쇄될 것이다. 파이프라인의 압력이 서지 릴리프에 요구되는 수준까지 증가함에 따라 스프링과 가스의 압력은 극복되고 밸브는 개방된다.
실린더 헤드의 내부 표면에 설치된 체크 밸브는 밸브의 개폐 속도를 제어한다. 이에 따라 신속한 개방이 가능해진다.
이러한 밸브는 원유나 기타 다른 중유와 같은 오염되고 점성이 큰 유체를 포함한 탄화수소 액체를 처리할 수 있는 능력을 지녔다. 전체적인 내부 어셈블리는 라인에서 서지 릴리프 밸브의 본체를 제거할 필요 없이 카트리지로 제거가 가능하다. 밸브 본체 상의 커버 볼트 서클이 라인의 제일 상부에 존재하기 때문에 완전히 배수될 필요도 없다.
또한 밸브는 릴리프 경로를 방해하는 내부 요소 없이 디자인되었다. 이는 잔류물의 축적을 최소화하여 긴급 릴리프 반응 시 밸브가 운용되는 것을 방지할 수 있다.
Figure 5: 각각의 릴리프 양을 측정하기 위한 초음파 유량계를 지닌
전형적인 질소 가스 로드형 서지 릴리프 밸브 시스템의 3D 이미지
서지 릴리프 시스템의 설계
완전한 서지 릴리프 시스템의 디자인은 압력 증가의 가능성과 운용 중인 서지 릴리프 기기에 의해 통과되는 부피, 그리고 압력을 억제하는 시스템의 능력을 포함한 복잡한 범위의 요소들에 의존한다. 서지 릴리프 시스템은 다른 안전 및 제어 시스템과 협력하여 작동되어야 한다.
예를 들면, 가장 어려운 서지 관련 문제 중 하나는 적재 터미널의 대형 선박에서 발생한다. 탱커의 ESD 밸브가 폐쇄되면 펌프는 밸브가 폐쇄된 이후의 시간 동안 계속 운용된다. 대형 선박의 ESD를 위한 보다 나은 시스템은 펌프의 가동을 먼저 중지한 후 ESD 밸브를 폐쇄한다. 연구에 따르면 이러한 기술은 최대 서지 압력을 상당히 감소시킨다고 한다.
제어 시간 또는 ESD 밸브 폐쇄 시간은 파이프라인의 서지 압력에도 영향을 미친다. 밸브의 폐쇄 시간을 연장시켜, 보다 점진적으로 플로우가 감소된다. 펌프와 파이프의 크기 결정은 수력학적 디자인에서 고려해야 할 또 다른 요소이다.
일시적인 반응의 예측-일반적으로 ‘서지 분석’이라 칭함-에는 기기와 파이프라인, 정상, 결함 및 긴급 상황에서의 유체의 복잡한 상호작용을 모의 실험하는 세부적인 컴퓨터 모델링 작업이 포함된다.
그러나 서지 트렌지언트 모델링 분석(surge transient modeling analysis)은 직업 규약이 아니므로, 서지 릴리프 디자인은 업계의 이상적인 관례와 지식, 그리고 전문 지식을 기반으로 삼아야 한다.
여러 디자인 접근법이 파이프라인의 서지 압력을 감소시키는데 도움이 되었지만, 서지 릴리프 밸브는 시스템을 보호하는 형식으로 설치되어야 한다. 이는 서지 릴리프 밸브가 종종 파이프라인을 위한 최후 방어벽이기 때문이다. 기타 다른 요소가 결함을 일으킨 경우, 완전한 서지 릴리프 시스템의 일부로서의 릴리프 밸브는 실패를 면하게 할 수 있다.
올바르게 디자인된 서지 릴리프 시스템에는 폐쇄의 속도를 늦추거나 약화시키는 구성요소를 포함하고 있으며, 이는 종종 정밀한 역 흐름 플롯(reverse flow plots)을 필요로 한다.
예를 들면 Daniel 서지 릴리프 밸브에서는, 개방되어 폐쇄 속도를 제한하기 위해 입구의 크기를 감소시키는 경우 체크 밸브는 제한되지 않은 플로우를 제공한다. 사용자는 이로 인해 시스템이 요구하는 각기 다른 폐쇄 속도를 설정할 수 있다.
질소 로드형 밸브에서는 질소 가스 시스템에 주의를 기울여야 한다. 질소 시스템은 다양한 주위 온도 조건에서도 일정한 압력(설정점)을 조절 밸브에 제공해야 한다. 일반적으로, 이 시스템은 표준 가스 실린더를 사용하기 위해 설계되었으며, 질소 공급 압력을 조절하는 고유의 제어 시스템을 보유한다.
공급 압력은 요구되는 릴리프 압력으로 설정되어야 한다. 스프링에 의해 행사되는 힘을 제외한 가스 압력 설정점이 시스템의 서지 릴리프 압력이다. 질소 가스탱크는 가스를 일정한 온도로 유지하기 위해 지하에 매장되거나 절연될 수 있다. 질소 가스 온도의 증가에 의한 열적 팽창은 릴리프 설정점의 변화를 초래할 수 있다.
서지 릴리프 시스템에는 종종 서지 릴리프 밸브의 업스트림 및 다운스트림 차단 밸브와 함께 올바른 크기의 인렛과 아웃렛 매니폴드가 요구된다.
이는 일반적으로 풀 포트 볼 밸브(full-port ball valves)로, 릴리프 라인에서 최소의 저항 경로를 제공한다. 풀 보어(full bore) 액체 초음파 유량계 역시 각 서지 릴리프 밸브의 아웃렛에 이용되어 각 밸브의 사이클링 중 릴리프의 양을 결정한다(Figure 5 참조).
스키드(skid)에서의 서지 제어
파이프라인 엔지니어를 위한 보편적인 솔루션 중 하나는 스키드 상에 서지 릴리프 시스템을 보유하는 것이다(Figure 6).
예를 들어, Daniel Measurement and Control은 적절한 크기의 서지 릴리프 밸브와 매니폴드, 그리고 파이핑을 보유한, 공장에서 테스트된 스키드 설치 서지 릴리프 시스템을 제공한다. 이러한 스키드는 유지 관리 및 질소 충전 제어 시스템을 위하여 적절하게 대비한다는 것을 그 특징으로 한다.
전형적인 서지 릴리프 시스템 스키드 는 여분의 병렬형 서지 릴리프 밸브를 지닌다. 인렛과 아웃렛 매니폴드가 그것으로 압력 소실을 최소화할 수 있는 크기로 설정되며 질소 시스템 또한 이에 속한다. 이러한 모든 구성요소는 기타 필요한 기기와 제어 시스템 그리고 기계류와 함께 스키드 상에 통합된다.
파이핑의 주행에는 압력 및 온도 인디케이터(indicators) 및 트랜스미터, 풀 보어 인라인(pull bore in line) 초음파 유량계, 그리고 질소 제어 시스템을 포함하는 필수 기계류가 포함된다. 올바르게 명시 및 설치된 서지 릴리프 시스템은 사고를 방지하고 유지 관리의 필요성을 감소시키며 기기의 운용 수명을 연장시킨다. 이러한 시스템의 디자인은 여러 요소를 고려해야 하며 다양한 기준을 충족시켜야 하므로 상당히 복잡할 수 있다.
서지 사고로 인한 결과 및 리스크는 실행 단계에서 제작의 수준을 증대시킴으로써 방지될 수 있다. 서지 릴리프 시스템은 특수 서지 릴리프 밸브 OEMs에 의해 최상으로 설계 및 설치된다. 이러한 시스템은 현장의 설치를 위해 설계될 수 있으며, 현장에서의 설치를 위해 스키드 준비 상태로 공급될 수 있다.
Figure 6: 완전한 서지 릴리프 시스템은 스키트(skid) 상에서 제공되어 현장에서의 건설 작업을 최소화할 수 있다.
※ 요 약
- 파이프라인의 서지(surge)에 의해 유발된 압력은 정상적인 파이프라인 압력의 최대 10배에 달할 수 있다.
- 서지 밸브의 크기를 결정하는 두 가지 요소 : 장소, 설정 점의 압력
- 올바르게 지정 및 설치된 경우, 서지 릴리프 시스템은 사고와 손실을 방지할 수 있으며 기기의 수명을 연장한다.
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저자 소개
Trilochan Gupta는 에머슨 프로세스 매니지먼트 싱가포르 지사의 Daniel Measurement and Control Asia Pacific의 디렉터이다. 그는 에머슨의 탄화수소 플로우의 측정 및 제어 분야에서 다양한 직책을 역임하며 현재 18년 째 근무하고 있다. Gupta는 University of Bombay에서 엔지니어링으로 명예 학위를 취득했으며, 동종 업계의 종사자들이 검토하는 저널에 플로우 관리 및 제어에 대한 다양한 주제로 20여 편 이상의 글을 등재하고 있다.
참고 자료
- “Investigation Report: Refinery Explosion and Fire,” U.S. Chemical Safety and Hazard Investigation Board, March 2007.
- “Olympic Pipe Line accident in Bellingham kills three youths on June 10, 1999,” History.org
- “Lessons from Russian Hydroelectric Plant Accident,” Engineering Ethics Blog
- “An Introduction to Liquid Pipeline Surge Relief,” Emerson Process Management, April 2007, page 2.