PSV와 Rupture Disc에 대한 고찰 - Back Pressure 기준과 API 520/521에 근거한 Pilot Operated PSV의 실무적 타당성

1️⃣ 왜 PSV와 Rupture Disc를 다시 봐야 하는가

압력 설비를 다루는 공정 엔지니어에게 PSV(Pressure Safety Valve)와 Rupture Disc(파열판)는 가장 기본적이면서도, 동시에 오해가 많은 장치입니다.

 

특히 실무에서는 “PSV에는 Rupture Disc를 함께 써야 안전하다”는 인식이 관행처럼 자리 잡은 경우가 많습니다.

 

그러나 PSV의 타입에 따라 Rupture Disc의 필요성은 명확히 달라지며, 이는 API 520 / API 521 기준에서도 분명하게 구분되고 있습니다.

 

본 글에서는 다음을 중심으로 고찰합니다.

• PSV Type별 Back Pressure 허용 기준 (정량적 수치)
• Rupture Disc의 역할과 한계
• Pilot Operated PSV가 Rupture Disc 없이도 적용 가능한 이유
• 해당 판단이 API 520 / 521 기준에 부합하는지에 대한 근거

 

2️⃣ PSV(Pressure Safety Valve)의 기본 개념

PSV는 설비 내부 압력이 설계압력(MAWP)을 초과할 경우 자동으로 개방되어 과압을 방지하고,
압력이 정상 범위로 회복되면 다시 닫히는 재폐형 압력 방출장치입니다.

PSV는 작동 원리에 따라 크게 3가지 타입으로 구분됩니다.

 

 

PSV의 일반적인 Spring Loaded Type은 사진과 같습니다

 

3️⃣ PSV Type별 구조와 Back Pressure 허용 기준

📌 Back Pressure 정의 (API 기준)

API 520에서는 Back Pressure를 다음 두 가지로 구분합니다.

• Superimposed Back Pressure
  → PSV 작동 전부터 배출 라인에 존재하는 압력
• Built-up Back Pressure
  → PSV 개방 시 유량 증가로 인해 추가로 발생하는 압력

실무 설계에서는 이 두 압력의 합이 PSV 성능에 미치는 영향을 기준으로 타입을 선정합니다.

 

3-1️⃣ Conventional (Direct Spring Loaded) PSV

가장 일반적인 스프링 직결형 PSV입니다.

• 디스크에 작용하는 힘 = 공정 압력 + Back Pressure
• 구조적으로 Back Pressure에 매우 민감

✅ 적용 가능한 Back Pressure 기준

• 총 Back Pressure ≤ Set Pressure의 약 10% 이하

📌 예시

• Set Pressure = 10 bar
• 허용 Back Pressure ≈ 1 bar 이하

➡ 이 범위를 초과할 경우,

• 조기 개방
• Set Pressure Drift
• 반복적인 Chattering 문제가 발생할 수 있습니다.

3-2️⃣ Balanced Bellows Type PSV

밸로우즈(Bellows)를 사용하여 Back Pressure 영향을 상쇄하는 구조입니다.

• 디스크에 작용하는 Back Pressure를 기계적으로 보정
• Conventional 타입 대비 안정성 향상

✅ 적용 가능한 Back Pressure 기준

• 총 Back Pressure ≤ Set Pressure의 약 30~50%

📌 예시

• Set Pressure = 10 bar
• 허용 Back Pressure ≈ 3~5 bar 수준

➡ 다만 밸로우즈 파손 시 누설 위험이 존재하며, 완전한 Back Pressure 자유 설계는 아닙니다.

 

3-3️⃣ Pilot Operated PSV

파일럿 밸브가 공정 압력을 감지하여 메인 밸브를 제어하는 구조입니다.

• 메인 밸브는 직접 압력을 받지 않고
• 파일럿 압력 신호에 의해 개폐

✅ 적용 가능한 Back Pressure 기준

• Set Pressure 대비 50% 초과 Back Pressure 조건에서도 적용 가능
• 고 Operating Pressure (Set Pressure의 90% 이상)에서도 안정적 작동

➡ 구조적으로 Back Pressure가 메인 밸브 개방 조건에 거의 영향을 주지 않습니다.

 

Pilot Operated Type PSV는 "PSV의 PSV"라고 불릴만큼 구조가 매우 복잡합니다.

 

 

 

4️⃣ PSV Type별 Back Pressure 정리표

구분	Conventional	Balanced Bellows	Pilot Operated
Back Pressure 영향	매우 큼	제한적 보정	거의 없음
허용 Back Pressure	≤ 10%	≤ 30~50%	50% 초과 가능
Correction Factor 필요	필요	필요	일반적으로 불필요
고압·대유량 적합성	낮음	중간	매우 우수

 

 

 

5️⃣ Rupture Disc란 무엇인가

Rupture Disc는 설계된 파열 압력에 도달하면 물리적으로 파괴되어 압력을 해제하는 비재폐형 장치입니다.

주요 사용 목적

• PSV 내부 오염, 부식 방지
• 미세 누설 방지
• 스프링 로딩 PSV 보호
• 빠른 초기 압력 해제

📌 단점

• 일회성 장치
• 파열 시 즉시 교체 필요
• 예비품 관리 및 유지비 증가

 

6️⃣ Pilot Operated PSV에서는 왜 Rupture Disc가 필요 없는가?

이 질문에 대한 답은 경험이 아니라 API 기준에 있습니다.

 

API 520 근거 — Pilot Operated PSV와 Back Pressure

📘 API 520 Part I 핵심 내용 요약

Pilot-operated pressure relief valves are not appreciably affected by back pressure since the pilot valve controls the opening and closing of the main valve.

🔍 해석

• Pilot Operated PSV는 Back Pressure가 직접적으로 메인 밸브 작동에 영향을 주지 않음
• Conventional PSV에서 요구되는 Back Pressure 보정 개념이 구조적으로 필요 없음

➡ 즉, API 설계 철학상
Pilot Operated PSV는 Back Pressure 문제를 내부적으로 해결하는 장치입니다.

 

 

7️⃣ API 520 — Correction Factor 관점에서의 차이

API 520에서는 PSV Sizing 시 다음 보정 계수를 언급합니다.

• Kb: Back Pressure Correction Factor
• Kc: Rupture Disc Combination Factor

📌 중요한 점은,

• Conventional / Balanced PSV → 보정 계수 적용 대상
• Pilot Operated PSV → 일반적으로 보정 계수 적용 대상 아님

➡ 이는 Pilot Operated PSV가 Rupture Disc와의 조합을 전제로 설계되지 않았음을 의미합니다.

 

 

8️⃣ API 521 근거 — Rupture Disc의 사용 목적

📘 API 521 핵심 내용 요약

Rupture disks are commonly used in combination with spring-loaded relief valves to protect the valve from corrosion, fouling, or leakage.

 

🔍 해석

• Rupture Disc는 주로 Spring Loaded PSV 보호 목적
• Pilot Operated PSV에 대해 필수 조합으로 명시하지 않음

➡ API 521 역시 Rupture Disc의 필요성은 PSV 타입에 따라 달라진다는 전제를 깔고 있습니다.

 

 

9️⃣ API 기준 종합 해석

항목	Spring Loaded PSV	Pilot Operated PSV
Back Pressure 대응	취약	구조적 해결
Rupture Disc 의존성	높음	낮음
API 보정 계수	다수 필요	대부분 불필요
설계 자유도	제한적	높음

 

 

 

✅ Pilot Operated PSV는 API 기준에 부합하는 합리적 선택

Pilot Operated Type PSV는 다음과 같은 이유로 Rupture Disc 없이도 충분한 과압 보호 성능을 제공합니다.

• Back Pressure 영향이 구조적으로 제거됨
• API 520/521에서 보정 계수 적용 대상이 아님
• 반복 개방, 고압, 고 Operating Pressure 조건에서도 안정적
• Rupture Disc 교체 및 유지 비용 절감

👉 이는 관행적 선택이 아닌,
👉 API 기준과 설계 철학에 근거한 합리적인 엔지니어링 판단입니다.

 

 

🔎 마무리 한 줄 요약

Rupture Disc가 필요 없는 것이 위험한 것이 아니라,
Pilot Operated PSV를 Rupture Disc 없이 사용하는 것이
오히려 API 기준에 더 부합하는 경우도 많습니다.