제133회 소방기술사 2교시 참고답안

제133회 소방기술사 2교시 참고답안

※ 본 답안은 수험생의 이해를 돕기 위한 참고용 예시 답안이며, 채점 기준과 다를 수 있습니다. (총 6문제 중 4문제 선택)

문제 1. 고체연소에 영향을 주는 변수로서 다음에 대하여 설명하시오.

1. 개요

고체 가연물의 연소는 표면에서 발생하는 열분해(Pyrolysis) 가스와 공기 중 산소의 혼합 연소(확산화염)가 일반적입니다. 이 연소 과정(연소 속도, 화염 크기 등)은 고체 자체의 물리적, 화학적 특성과 주변 환경 조건에 따라 크게 영향을 받습니다.

1) 표면적 대 질량비와의 관계

• 개념: 동일한 질량의 고체 가연물이라도, 외부 공기(산소)와 접촉하는 표면적이 넓을수록 연소 속도가 빨라집니다. (표면적/질량 비가 클수록 연소 용이)
• 영향:
  • 열 전달 용이: 표면적이 넓으면 외부 열원(점화원)으로부터 열을 더 쉽게 받아들여 열분해 온도로 빠르게 도달합니다.
  • 산소 공급 원활: 공기 중 산소와 접촉 면적이 넓어져 연소 반응(산화)이 더 활발하게 일어납니다.
  • 예시: 통나무 < 각목 < 대패밥 < 톱밥 순으로 동일 질량 대비 표면적이 넓어지므로, 점화가 쉽고 연소 속도가 급격히 빨라집니다. (분진 폭발은 극단적인 예)

2) 방향(Orientation)과의 관계

• 개념: 고체 가연물이 놓인 방향(수평, 수직, 경사)에 따라 화염으로부터 받는 열 전달(주로 대류, 복사) 방식과 연소 생성물의 이동 경로가 달라져 연소 속도에 영향을 미칩니다.
• 영향:
  • 수직 방향: 화염이 가연물 표면과 평행하게 위로 상승하면서 대류 열전달이 활발하고, 미연소 표면을 예열시켜 연소 확산 속도가 가장 빠릅니다.
  • 수평 방향 (윗면): 화염이 표면 위로 형성되지만, 녹거나(Melting) 재(Ash)가 쌓여 열 전달을 방해할 수 있습니다.
  • 수평 방향 (아랫면): 화염이 표면 아래로 형성되기 어려우며, 대류 열전달 효율이 낮고 연소 생성물이 고여 산소 공급을 방해하므로 연소 속도가 가장 느립니다.

3) 열관성(Thermal Inertia)과의 관계

• 개념: 열관성은 물질이 온도 변화에 저항하는 정도를 나타내는 물리량으로, 열전도율(k), 밀도(ρ), 비열(c)의 곱(kρc)의 제곱근으로 표현됩니다. 열관성이 클수록 표면 온도를 높이는 데 더 많은 시간과 에너지가 필요합니다.
• 영향:
  • 높은 열관성 (kρc 큼): 외부 열을 받아도 표면 온도가 천천히 상승하므로, 점화(Ignition)되기 어렵고 화염 확산 속도(Flame Spread Rate)가 느립니다. (예: 두꺼운 목재, 콘크리트)
  • 낮은 열관성 (kρc 작음): 표면 온도가 빠르게 상승하여 쉽게 점화되고 화염 확산 속도가 빠릅니다. (예: 얇은 종이, 스티로폼)
  • 소방 활용: 열관성은 가연물의 착화 위험성 및 화재 확산 속도를 예측하는 중요한 인자입니다.

4) 난연재(Flame Retardant Material)와의 관계

• 개념: 난연재는 고체 가연물(주로 플라스틱, 섬유)에 난연제를 첨가하거나 화학적으로 변형시켜 연소를 억제하거나 지연시키는 재료입니다.
• 영향 (난연 메커니즘):
  • 열분해 온도 상승: 가연물이 열분해되는 온도를 높여 점화를 어렵게 합니다.
  • 희석 효과 (Dilution): 열분해 시 불연성 가스(N₂, H₂O, CO₂)를 방출하여 가연성 가스와 산소의 농도를 희석시킵니다.
  • 냉각 효과 (Cooling): 열분해 반응이 흡열 반응이거나, 물 분자를 방출하여 기화열로 냉각시킵니다.
  • 피복 효과 (Coating/Charring): 가연물 표면에 탄화층(Char)이나 유리질(Glassy Layer) 피막을 형성하여 열 전달과 산소 공급을 차단합니다. (예: 제3종 분말 소화약제의 방진 효과와 유사)
  • 부촉매 효과 (Radical Trapping): (주로 할로겐계 난연제) 연쇄반응을 주도하는 라디칼을 포착하여 불활성화시킵니다.
• 결론: 난연재는 고체 가연물의 점화 가능성을 낮추고, 화염 확산 속도를 지연시켜 화재 위험성을 감소시키는 역할을 합니다.

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문제 2. 「가스계소화설비의 설계프로그램 성능인증 및 제품검사의 기술기준」에서 요구하고 있는 설계프로그램의 유효성확인에 대하여 설명하시오.

1. 개요

가스계소화설비(특히 CO₂, IG계열, 일부 Halocarbon)의 배관망 내 유동은 고압 방출에 따른 압력 강하, 온도 변화, 액상/기상 변화(2상 유동) 등 복잡한 물리 현상을 수반합니다. 따라서 정확한 설계(배관 구경, 노즐 방출량, 약제 도달 시간 등)를 위해서는 수계산이 아닌, 이러한 복잡성을 해석할 수 있는 전용 설계프로그램(소프트웨어) 사용이 필수적입니다.

「가스계소화설비 설계프로그램 성능인증 및 제품검사의 기술기준」(KFI 기준)은 이러한 프로그램의 계산 결과(예측치)가 실제 물리 현상과 얼마나 일치하는지를 검증하는 "유효성 확인(Validation)" 절차를 요구합니다. 이는 프로그램의 신뢰도를 확보하여 실제 소화 성능을 보장하기 위함입니다.

2. 유효성 확인의 내용 및 방법

KFI 기준 제4조(성능기준) 및 제5조(시험방법)에 따른 유효성 확인은 크게 문서 검토와 실증 시험으로 구성됩니다.

1) 기술문서 검토 (Documentation Review)

프로그램 개발자는 다음 내용을 포함하는 기술문서를 제출하여 프로그램의 이론적 배경과 계산 로직의 타당성을 검증받아야 합니다.

• 프로그램 기본 정보: 프로그램 명칭, 버전, 개발자 정보, 사용 설명서.
• 이론적 배경: 적용된 유체역학 방정식(예: 1차원 균질 평형 모델), 열역학 모델, 마찰 손실 계산식(예: Darcy-Weisbach), 2상 유동 해석 모델 등.
• 계산 알고리즘: 배관 분기점에서의 압력/유량 분배 로직, 노즐 방출량 계산 로직, 상태량(온도, 밀도, 엔탈피 등) 계산 방법.
• 가정 및 제한사항: 프로그램이 사용하는 가정(예: 단열 흐름, 정상 상태)과 적용 가능한 배관 길이, 분기 수, 노즐 개수 등의 제한 조건 명시.
• 구성 요소 데이터: 프로그램에 내장된 배관 재질별 조도, 관 부속품(엘보, 티 등)의 등가길이(손실계수) 데이터베이스.

2) 실증 시험을 통한 검증 (Validation through Testing)

기술문서 검토 후, 프로그램의 예측 정확도를 확인하기 위해 실제 소화설비 시험 모델을 구축하여 방출 시험을 실시하고, 그 결과를 프로그램 예측값과 비교합니다.

시험 종류	시험 목적	주요 시험 방법 및 내용	판정 기준 (예시)
배관 흐름 시험 (Flow Test)	배관 내 압력 강하, 유량, 약제 도달 시간 예측 정확도 검증.	- 다양한 배관 구성(길이, 분기 방식)의 시험 모델 설치. - 약제 방출 시 주요 지점(분기점, 노즐 전단)의 압력, 온도 실시간 측정.	- 예측값 대비 실측값 오차 ±10% 이내 (압력 기준)
방호구역 방출 시험 (Discharge Test)	설계 농도 도달 시간 및 농도 균일도 예측 정확도 검증.	- 실제 방호구역(테스트 룸)에 노즐 설치 후 약제 방출. - 구역 내 여러 지점/높이에서 가스 농도 실시간 측정.	- 규정된 시간 내 최소설계농도(MDC) 도달 확인. - 구역 내 농도 편차 확인.
노즐 시험 (Nozzle Test)	노즐의 방출계수(K-Factor) 및 방출 성능 검증.	- 노즐에 압력을 가하면서 실제 유량 측정. - (필요시) 분사 각도, 방호 면적 확인.	- 프로그램 입력값과 실측 K-Factor 일치 확인.

3. 결론

가스계 소화설비 설계프로그램의 유효성 확인은 단순한 소프트웨어 기능 검증을 넘어, 복잡한 물리 현상을 정확히 예측하여 실제 화재 시 소화 성능을 보장하기 위한 필수적인 절차입니다. KFI는 이러한 엄격한 검증 과정을 통과한 프로그램만이 국내 소방시설 설계에 사용될 수 있도록 관리하고 있습니다.

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문제 3. 「특별피난계단의 계단실 및 부속실 제연설비의 화재안전기술기준(NFTC 501A)」에서 다음에 대하여 설명하시오.

1. 개요

NFTC 501A는 특별피난계단(부속실 포함) 또는 비상용승강기 승강장에 신선한 공기를 공급하여 가압함으로써, 화재실로부터 연기가 피난 경로로 침입하는 것을 방지하는 제연설비의 기술 기준입니다.

1) 제연구역의 선정

NFTC 501A 제3조에 따라, 제연구역은 화재 시 연기 침입을 방지해야 하는 공간을 의미하며, 다음 중 하나 또는 둘 이상을 동시에 선정할 수 있습니다.

• 계단실 및 그 부속실을 동시에 제연 (가장 일반적)
• 부속실만을 단독으로 제연
• 계단실만을 단독으로 제연
• 비상용승강기의 승강장을 단독으로 제연

※ '부속실'은 승강장(비상용 E/V)을 포함하는 개념입니다. 계단실과 부속실 중 어느 한 곳만 제연할 경우, 두 공간 사이의 방화문 기밀 성능 확보 등 추가적인 고려가 필요합니다.

2) 유입공기 배출방식의 종류 (NFTC 501A 제17조)

제연구역(주로 부속실)에 설치된 플랩댐퍼(자동차압·과압조절형댐퍼)를 통해 옥내(화재실)로 유입된 공기(누설 공기)는 옥내의 압력을 상승시켜 제연 성능을 저해할 수 있으므로, 효과적으로 배출해야 합니다. 그 방식은 다음과 같습니다.

• 수직 풍도(전용 샤프트)에 의한 배출:
  • 가장 일반적인 방식.
  • 옥내 각 층에 설치된 배출구와 배출댐퍼를 수직 풍도에 연결하여, 유입 공기를 건물 옥상 등 외부로 직접 배출합니다.
  • 배출 방식은 자연 배기(부력) 또는 기계 배기(배출 팬) 방식이 있습니다.
• 외벽 배출구(창문 등)에 의한 배출:
  • 옥내의 외벽에 직접 배출구와 댐퍼를 설치하여 외부로 배출합니다.
  • 건물 구조상 수직 풍도 설치가 어려울 경우 적용 가능하나, 외부 바람의 영향, 미관 문제 등을 고려해야 합니다.
• 배연설비에 의한 배출:
  • 옥내에 설치된 거실 제연설비(배연설비)를 활용하여 유입 공기를 배출하는 방식입니다.
  • 이 경우, 배연설비의 배출량이 부속실 제연설비의 유입 공기량보다 충분히 커야 하며, 연동 제어가 복잡해질 수 있습니다.

3) 외기취입구 설치기준 (NFTC 501A 제16조)

제연구역으로 신선한 공기를 공급하는 급기 팬의 외기취입구(Intake Opening) 설치 기준은 다음과 같습니다.

• 오염원 이격: 연기나 공해물질(배기가스 등)이 유입될 우려가 없는 위치에 설치해야 합니다.
  • 건축물의 배출구(환기구, 배연구 등)로부터 수평거리 5m 이상 이격.
  • 배출구보다 낮은 위치에 설치 시에는 수직거리 10m 이상 이격.
  • 도로 면으로부터 3m 이상 높이 (차량 배기가스 고려).
• 구조 및 마감:
  • 빗물 등 이물질 유입을 방지할 수 있는 구조 (루버, 스크린 등)여야 합니다.
  • 필요시 방충망 등을 설치합니다.

4) 제어반의 기능 (NFTC 501A 제19조)

제연설비 제어반(Control Panel)은 시스템의 감시 및 제어를 담당하며 다음 기능을 갖추어야 합니다.

• 상태 표시 (Indication):
  • 급기 팬, 배출 팬(있는 경우)의 작동 상태 (기동/정지) 표시.
  • 각종 댐퍼(급기, 배출, 플랩)의 개폐 상태 (열림/닫힘) 표시.
  • 전원(상용/예비) 공급 상태 표시.
• 수동 조작 (Manual Control):
  • 각종 팬 및 댐퍼를 수동으로 기동/정지, 개방/폐쇄할 수 있는 스위치.
• 자동 연동 (Automatic Interlock):
  • 화재 감지기(자동) 또는 발신기(수동) 신호에 따라 해당 층 및 관련 층의 제연설비(팬, 댐퍼)가 자동으로 작동해야 함.
• 비상 전원 (Emergency Power):
  • 상용 전원 차단 시 자동으로 비상 전원(발전기 또는 축전지)으로 전환되어 규정된 시간(예: 20분) 이상 작동할 수 있어야 함.

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문제 4. 위험물제조소등과 인근의 건축물 사이의 안전거리를 단축시키기 위해 방화상 유효한 담을 설치하고자 할 때, 담의 높이를 산정하는 방법에 대하여 설명하고, 다음 조건을 사용하여 위험물제조소의 방화상 유효한 담의 높이를 구하시오.

1. 방화상 유효한 담의 높이 산정 방법

「위험물안전관리법 시행규칙」 [별표 4] 비고 11에서는 제조소등(위험물 시설)과 인근 건축물(방호 대상물) 사이에 '방화상 유효한 담'을 설치할 경우, 법정 안전거리(표준 거리)를 단축할 수 있도록 허용합니다. 이때 담의 높이(H)는 다음 계산식 중 큰 값으로 산정합니다.

h = H + P × ( H² / d² )

또는 (위험물 시설이 더 높은 경우)

h = h' + P × ( h'² / d² )

• h: 방화상 유효한 담의 높이 (m)
• H: 방호 대상물(인근 건축물)의 높이 (m)
• h': 제조소등(위험물 시설)의 높이 (m)
• d: 제조소등과 방호 대상물 사이의 거리 (m)
• P: 상수 (화재 시 복사열 등을 고려한 계수, 0.15 적용)

※ 핵심 원리: 이 식은 제조소등에서 화재 시 방호 대상물로 전달되는 복사열을 담이 차단할 수 있는 높이를 계산하는 것입니다. 두 건물 중 더 높은 건물을 기준으로 계산하며, 두 건물 사이의 거리가 가까울수록(d 작을수록), 건물 높이가 높을수록(H 또는 h' 클수록) 요구되는 담의 높이(h)는 커집니다.

※ 담의 구조: 담은 내화구조 또는 불연재료로 만들어져야 하며, 제조소등보다 높게 설치해야 합니다.

2. 조건에 따른 담의 높이 계산

1) 주어진 조건

• 제조소의 외벽 높이 (h') = 20 m
• 문화재 높이 (H) = 20 m
• 제조소와 문화재 사이의 거리 (d) = 30 m
• 상수 (P) = 0.15
• 문화재는 방화구조이지만, 제조소등에 면한 개구부에 방화문 미설치. (→ 안전거리 단축 조건 확인 필요하나, 문제에서는 높이 계산만 요구)

2) 계산 과정

두 건물의 높이(H, h')가 20m로 동일하므로, 두 식 중 어느 것을 사용해도 결과는 같습니다. 첫 번째 식을 사용합니다.

h = H + P × ( H² / d² )

값을 대입합니다.

h = 20 + 0.15 × ( 20² / 30² )
h = 20 + 0.15 × ( 400 / 900 )
h = 20 + 0.15 × ( 4 / 9 )
h = 20 + 0.15 × 0.444...
h = 20 + 0.0666...

계산 결과:

h ≈ 20.07 m

3. 결론

주어진 조건에서 위험물제조소의 방화상 유효한 담의 높이는 약 20.07m 이상이어야 합니다.

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문제 5. 퓨즈블 링크(Fusible Link)타입 폐쇄형헤드의 열반응시험에 대하여 설명하시오.

1. 개요

퓨즈블 링크(Fusible Link) 타입 헤드는 폐쇄형 스프링클러 헤드의 한 종류로, 특정 온도(표시온도)에서 녹는(용융되는) 합금(Solder)으로 두 개의 금속 레버(Link)를 붙여 놓은 구조입니다. 화재 시 주변 온도가 상승하여 표시온도에 도달하면 합금이 녹아 레버가 분리되고, 막혀 있던 오리피스가 개방되어 물이 방수됩니다.

열반응시험(Thermal Response Test)은 이 헤드가 규정된 온도 범위 내에서, 그리고 규정된 속도(반응 시간)로 정확하게 작동하는지 확인하는 성능 시험입니다. (근거: 「스프링클러헤드의 형식승인 및 제품검사의 기술기준」)

2. 열반응시험의 종류 및 방법

KFI 기준에 따른 주요 열반응시험은 다음과 같습니다.

1) 작동 온도 시험 (Operating Temperature Test)

• 목적: 헤드가 표시된 작동 온도(공칭 작동 온도)의 허용 오차 범위 내에서 정확하게 작동하는지 확인.
• 시험 방법:
  1. 시험할 헤드를 시험액(물 또는 실리콘 오일)이 담긴 항온조(Liquid Bath)에 설치합니다.
  2. 항온조의 온도를 공칭 작동 온도보다 20°C 낮은 온도에서 10분간 유지합니다.
  3. 이후 1°C/min 이하의 속도로 서서히 온도를 상승시킵니다.
  4. 헤드의 퓨즈블 링크가 용융되어 작동(개방)하는 순간의 온도를 측정합니다.
• 판정 기준: 측정된 작동 온도가 "공칭 작동 온도 ± 허용 오차" 범위 이내여야 합니다. (허용 오차는 온도 범위별로 기준에 규정됨, 예: 79°C 미만은 ±3°C)

2) 반응 시간 지수 (RTI, Response Time Index) 시험

• 목적: 화재 시 헤드가 얼마나 '빨리' 반응하는지를 나타내는 지표(RTI)를 측정. RTI가 작을수록 빨리 반응하는 헤드(Quick Response).
• 시험 방법 (Plunge Test):
  1. 헤드를 상온 상태로 준비합니다.
  2. 규정된 온도와 풍속(예: 135°C, 2.5m/s)의 기류(Air Flow)가 흐르는 시험 챔버(풍동) 내부에 헤드를 급속히(Plunge) 삽입합니다.
  3. 헤드가 삽입된 순간부터 퓨즈블 링크가 용융되어 작동할 때까지의 시간(Time)을 측정합니다.
  4. 측정된 시간, 기류 온도, 풍속 등의 데이터를 이용하여 RTI 값을 계산합니다. (단위: (m·s)½)
• 판정 기준: 계산된 RTI 값이 해당 헤드 종류(표준형, 주거형, QR 등)의 기준 범위 내에 있어야 합니다.
  • 표준 반응(Standard): 80 < RTI ≤ 350
  • 특수 반응(Special): 50 < RTI ≤ 80
  • 조기 반응(Quick): RTI ≤ 50

3) 전도 민감 계수 (C, Conductivity Factor) 시험

• 목적: 헤드의 감열부(퓨즈블 링크)가 열을 얼마나 '잘' 전달받는지를 나타내는 지표(C)를 측정. RTI와 함께 헤드의 반응 특성을 결정.
• 시험 방법 (Immersion Test):
  1. 헤드를 상온 상태로 준비합니다.
  2. 규정된 온도(예: 135°C)의 항온조(Liquid Bath)에 헤드를 급속히(Immerse) 담급니다.
  3. 헤드가 담긴 순간부터 작동할 때까지의 시간(Time)을 측정합니다.
  4. 측정된 시간, 액체 온도 등의 데이터를 이용하여 C 값을 계산합니다. (단위: (m/s)½)
• 판정 기준: 계산된 C 값이 해당 헤드 종류의 기준 범위 내에 있어야 합니다.

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문제 6. 간이스프링클러설비의 상수도직결형 배관 및 밸브 설치 순서를 기술하고 「소방용밸브의 성능인증 및 제품검사의 기술기준」에 따른 개폐밸브의 구조에 대하여 설명하시오.

1. 개요

간이스프링클러설비의 상수도직결형은 별도의 펌프나 수조 없이, 시수(상수도) 배관에 직접 연결하여 소화 용수를 공급하는 방식입니다. 설치가 간편하고 경제적이어서 소규모 근린생활시설, 일부 공동주택 등에 적용됩니다. (근거: NFTC 103A)

1) 상수도직결형 배관 및 밸브 설치 순서 (NFTC 103A 제6조)

수원(상수도 인입관) 측에서 헤드 측으로의 일반적인 설치 순서는 다음과 같습니다.

1. 상수도 인입관 (Water Main)
2. 수도계량기 (Water Meter) (건물 전체용)
3. 개폐표시형 개폐밸브 (OS&Y Gate Valve or Butterfly Valve with Supervisory Switch): 설비의 주 제어 밸브. 잠김 상태 감시 필요.
4. 스트레이너 (Strainer): 이물질 제거. (필수)
5. 체크밸브 (Check Valve): 소화수의 역류 방지.
6. 압력계 (Pressure Gauge): 1차측 압력 확인.
7. (선택적) 감압밸브 (Pressure Reducing Valve): 상수도 압력이 0.6MPa (간이헤드 기준)를 초과할 경우 설치.
8. 유수검지장치 (Water Flow Detector): 헤드 개방 시 물의 흐름을 감지하여 경보 신호 발신. (습식 알람밸브 또는 패들형 플로우 스위치)
9. 압력계 (Pressure Gauge): 2차측 압력 확인.
10. 시험밸브 (Test Valve): 유수검지장치 작동 시험용. (말단 또는 밸브 근처)
11. 배관 (Piping): 가지배관, 교차배관.
12. 간이헤드 (Residential Sprinkler Head)

[Diagram of Simple Sprinkler (Direct Connection Type) Piping Sequence]

※ 감압밸브 설치 시, 감압밸브 전후단에 개폐밸브와 압력계, 그리고 안전밸브(릴리프밸브)가 추가로 설치될 수 있습니다.

2) 「소방용밸브의 성능인증 및 제품검사의 기술기준」에 따른 개폐밸브의 구조

소방용 개폐밸브(Gate Valve, Butterfly Valve 등)는 일반 밸브와 달리 화재 시 신속하고 확실한 작동과 유지관리를 위해 다음과 같은 구조적 특징을 요구합니다.

구조 요소	주요 기준 (성능인증 기준)
개폐 표시 (Position Indicator)	- 밸브의 열림(Open)/닫힘(Shut) 상태를 명확하게 식별할 수 있는 구조여야 함. - 게이트밸브: OS&Y(Outside Screw & Yoke) 타입으로, 스템(Stem)의 상승 여부로 개폐 확인. - 버터플라이밸브: 핸들(레버)의 방향 또는 별도의 표시창(Indicator)으로 개폐 확인.
템퍼 스위치 (Supervisory Switch)	- 개폐표시형 밸브에는 밸브가 완전히 열린 상태에서 약간이라도 잠기는 경우, 이를 감지하여 제어반(수신기)에 경보 신호를 보낼 수 있는 템퍼 스위치를 부착할 수 있는 구조여야 함. (주밸브의 잠김 방지)
재질 (Material)	- 본체(Body), 디스크(Disc), 스템(Stem) 등 주요 부품은 내식성 재료(청동, 스테인리스강 등) 또는 방청 처리가 된 재료를 사용해야 함.
구동부 (Actuator)	- 핸들(Handwheel) 또는 레버(Lever)는 조작이 용이하고 충분한 강도를 가져야 함. - 버터플라이밸브의 기어박스는 원활하게 작동해야 함.
내압 및 누설 방지	- 밸브가 닫힌 상태 및 열린 상태에서 규정된 내압(최고사용압력의 1.5배 이상)에 견뎌야 함. - 스템 패킹(Packing) 부위 등에서 누수가 없어야 함.
표시 (Marking)	- 밸브 본체에 제조사명, 모델명, 호칭 압력, 호칭 지름, 유체 흐름 방향(필요시) 등을 명확하게 표시해야 함.