Actuator Sizing과 Fail Position 선정 기준

Actuator Sizing과 Fail Position 선정 기준

제어밸브(Control Valve)의 성능은 밸브 본체뿐 아니라 이를 작동시키는 Actuator에 의해 결정된다. 특히 정전, 에어 손실 등 비정상 상황에서 밸브가 어떤 위치로 이동할지를 정의하는 Fail Position은 공정 안전성(Functional Safety)의 핵심 항목이다.

본 글에서는 Actuator Sizing 계산 요소와 Fail Position 선정 기준을 정리한다.

1. Actuator의 역할과 구분

• 역할: 유량 제어를 위해 Valve Plug 또는 Disc에 필요한 힘을 전달
• 구동 방식:
  • 공압식 (Pneumatic)
  • 전기식 (Electric)
  • 유압식 (Hydraulic)

공압식 Actuator가 가장 보편적이며, Spring-Return 구조를 통해 Fail Position을 구현한다.

2. Actuator Sizing: 계산 요소

Actuator는 밸브를 작동시키기 위해 필요한 Thrust 또는 Torque를 충분히 제공해야 하며, 일반적으로 Required Thrust × Safety Factor로 산정한다.

기본 공식 (Linear Type 기준):

Required Force = ΔP × A × Cf

ΔP:	밸브 전후 압력차 (Pa 또는 psi)
A:	Seat Area (m² 또는 in²)
Cf:	Correction Factor (마찰, 밸브 유형에 따라 1.2~1.5)

Sizing 시 고려사항:

• 최대 ΔP 조건에서 작동 가능한지
• Friction(마찰) + Fluid Reaction Force 포함 여부
• Spring Force와 Air Supply 압력의 조합
• Seat Load 유지 필요 시 추가 Thrust 확보

안전 계수:

제조사마다 차이가 있지만 일반적으로 20~30% 여유를 두고 선정

3. Fail Position: 정의 및 종류

Fail Position이란 에어 손실이나 전원 차단 시 밸브가 자동으로 위치하게 되는 상태를 의미한다. Spring의 복원력으로 동작되며, 다음과 같이 구분된다:

• Fail Close (FC): 에어 손실 시 밸브가 닫힘
• Fail Open (FO): 에어 손실 시 밸브가 열림
• Fail In Place (FIP): 현재 위치에 고정됨 (전기식에서 흔함)

4. Fail Position 선정 기준

상황	권장 Fail Action	사유
연료 공급 밸브	Fail Close	비상 시 연료 차단으로 안전 확보
냉각수 공급 밸브	Fail Open	비상 시에도 냉각 유지
증기 퍼지 밸브	Fail Close	배출 방지 및 압력 유지
탱크 벤트 밸브	Fail Open	과압 방지 및 폭발 위험 회피
재순환 라인	Fail Open or FIP	라인 압력 유지를 위한 설계 목적에 따라 상이

5. 실무 팁

• Actuator 공급 압력(Psupply)은 최소/최대 범위 내에서 설정
• Fail Position은 P&ID 및 Cause & Effect Logic에 명확히 기재
• 고ΔP 조건에서 Seat Load 과다 시 이중 Actuator 사용 고려
• 전기식 Actuator는 FIP 설정이 가능하나, 정전 대비 이중화 필수

결론

Actuator Sizing은 밸브 구동을 위한 충분한 힘을 확보하는 것이 핵심이며, Fail Position 설정은 플랜트 비상 시 유체의 흐름을 어떻게 제어할지를 결정하는 안전설계 요소이다.

실제 설계 시에는 제조사의 Sizing Tool을 활용하고, 공정 조건 및 위험요소를 모두 반영해 보수적인 선정이 이루어져야 한다.