1 서론

11 밸브의 역사

배관계통에 있어서 파이프 밸브 그리고 피팅류등은 기본적인 배관계의 구성부품으로써 거의 같은

시대에 발명되었을 것이라는 추측은 자명하다문명의 초기시대에는 파이프 재료로서 흙이나 돌 혹은 나무 가죽등이 주된 재료이었을 것이고 이후

청동기 시대부터는 보다 다루기 쉬운 납이나 구리등이 파이프의 주된 재로가 되었다특히 납으로 만든 파이프인 연관은 기록상으로 보아 아시아의 고대도시는 물론 이집트 및 그리스의

도시에서도 널리 사용되었다특히 납으로 만든 파이프인 연관은 기록상으로 보아 아시아의 고대도시는 물론 이집트 및 그리스의

도시에서도 널리 사용되었다 그러나 16 세기경 영국의 위대한 철공쟁이 Wilkinson 이 연관을

대량으로 생산할 수 있는 조관기를 발명함으로써 파이프와 밸브의 대량 사용시대를 맞이하게 되었다 이러한 증거의 하나로써 그림 1 과 같이 플러그밸브의 일종인 콕(Cock)을 가공하는 기계로 볼 수 있는

장치가 1629 년경 로마출신의 장인에 의해 발명된 것을 보아도 잘 알수 있다사실 밸브로 보면 기원전 약 600 년에서 400 년즈음 그리스나 로마시대의 도시 관개시설등의 유물을

통해 상당히 성능 좋은 스톱밸브들이 사용된 것을 짐작할 수 있으며 그림 2 와 같은 청동제 콕밸브(이러한 유형의 밸브는 이태리의 나폴리나 런던의 대영박물관에 볼 수 있음)는 기원후 25 년에 세워진

Tiberius 궁전의 유물중의 하나이다 아무튼 17 세기에 들어서면서 밸브기술이 괄목할만한 발전을

보이는데 1681 년 Dennis Papin 은 기록상 최초로 압력용기의 과압(Over Pressure)으로부터

용기를 보호하는 장치인 레버타입의 안전밸브(Safety Valve)를 발명했으며 1781 년 Jean Disaqulier 는 이를 본격적으로 증기보일러에 적용하였다이후 증기기관의 발명자인 James Watt 는 1769 년 그의 증기기관에 현대적 형태의 밸브를

적용하였다 그림 3 은 와트가 만든 장치로써 플러그 콕 밸브 수동조작 리프트 밸브 리프트

체크밸브 일종의 Flap 밸브인 스윙체크밸브가 조합되어 있으며 아울러 증기량을 조절할 수 있는

오늘날의 버터플라이밸브에 상당하는 밸브가 여기에 있다 이때까지 즉 18 세기 까지는 플러그 콕

밸브가 스톱밸브로써 주종이었으나 이후 Mandsley 가 나사깍는 기계를 발명함으로써 밸브에서도 큰

변혁을 갖게된다그림 4 는 나사를 이용한 초기형태의 게이트 스톱밸브로써 1839 년 James Nasmyth 가 발명한

것이고 이를 계기로 1840 년부터 1890 년 사이에 이와 유사한 매우 다양한 형태의 밸브가

계속발명되었다 즉 현재도 국제적인 명성의 Dowrance Valve 사는 1875 년 현대적인 플러그

밸브를 시초로 다양한 종류 및 규격의 밸브등을 생산하고 있으며 1886 년 영국의 Joseph Hopkinson 씨는 Parallel Slide 형식의 게이트 밸브를 발명하여 지금가지도 이 밸브를 홉킨슨사를

통해 100 년이상을 계속 생산해오고 있다 세계 1 차 대전을 전후해 괄목할만한 몇가지 일들이

있었는데 이때만 하더라도 대부분의 밸브는 플러그 타입의 밸브가 많아 대형의 경우 막 시판되고

있는 게이트 밸브에 비하여 과도한 내부 누설을 효과적으로 방지 못하고 아울러 구동토크가 매우 큰

이유로 대형 플러그밸브는 거의 생산이 되지 않았다 마침 스웨덴의 기술자가 플러그밸브의 플러그면에 나선형의 홈을 파서 대형의 플러그밸브를 만들어

사용해보니 아주 부드럽고 내외부의 누설도 없는 좋은 밸브로 탄생되었고 이 밸브를 윤활타입의

플러그 밸브라고 한다 마찬가지로 다이아후램 밸브는 남아프리카의 금광채굴에 종사하던 한

기술자가 밸브의 그랜드 부위에 과도한 누설이 자주 발생하는 것에 착안하여 개발해낸 것으로 영국의

특허청에 정식 등록된 것은 1929 년이었고 이 밸브는 현재 그랜드 부위의 과도한 누설을 방지하는

밸브 구조가 아닌 부식성 액체를 취급하는 유체라인에 플러그밸브와 함께 가장 널리 쓰이는 것중의

하나가 되었다또 이때에 볼 타입의 플러그밸브가 개발되었고 곧 이 밸브는 1930 년부터 40 년경 현재의 볼 밸브로

개량되었다 이들이 주로 유럽을 중심으로 이뤄진 밸브기술의 성과라면 미국의 경우 다소 늦은 감이

있지만 세계 2 차대전 전후 미국을 중심으로 한 밸브공업은 극심한 공황의 끝에 살려낸 산업의

대량생산체계에 따라 제조공정의 자동화에 부응한 본격적인 의미의 자동제어밸브의 등장이라 할 수

있다1944 년 미국 텍사스주 남부의 휴스턴 근교에 있는 Mansoneilan 사는 밸브업계 최초로 밸브의

성능이라고 할 수 있는 밸브유량계수(Flow Capacity Cv)를 도입하여 자사의 제어밸브에

적용하였고 이는 특히 제어밸브의 차압과 유량과의 제반 물리적 특성을 가장 합리적으로 보여주는

파라미터로써 현재의 모든 밸브의 성능을 표시하는 잣대가 되고 있으며 미국 계장 협회에서도 이를

채택하고 있을 정도이다지금까지 밸브의 역사를 살펴보았는데 현재 가장널리 사용되는 7 대밸브 즉 게이트밸브 글로브밸브 체크밸브 버터후라이밸브 플러그밸브 볼밸브 안전밸브 등은 까마득한 옛날부터 인류 역사상 가장

큰 기술적 관심사인 물의 관리에 있어서 밸브라 말할 수 있는 것들을 역사의 흔적에서 쉽게 발견 할 수

있다단지 앞서 열거한 것은 그것들에 대한 구체적 사례들을 든 것 뿐이고 실제 우리나라에서도

유사한 종류들의 도구들을 적절히 활용해 왔을 것으로 믿고 싶다그러나 우리나라에 있어서 근대적 의미를 갖는 밸브의 등장은 아무래도 일본에 의해 지배를 받던

1910 년경 이후로 볼 수 있다목포나 군산항을 통해 엄청난 양의 쌀이 일본으로 수탈되어 갔는데 당시 김제평야나 나주들녘의 논에

관개를 하던 양수장을 중심으로 5K 급의 대구경(직경 100mm 이상)게이트 밸브가 펌프의 전단에

설치되었으며 이들 게이트 밸브는 해방후에도 상당기간 적절히 이용되었던 것을 기억하고 있는

사람들이 있을 것이다 그러면 우리나라 밸브의 본격적 시작은 결국 일제 말기 부산을 중심으로 일반

선박용의 포금제 밸브 및 일반 가정용 청동 수도꼭지를 만들기 시작한 우리나라 밸브업계의 첫

효시이자 현재 국내제일의 밸브업체인 범한금속공업(주)의 전신인 부산포금을 들 수 있다 이들

청동제 수도꼭지 및 주철제 밸브들은 약 15 년이상을 기술적인 큰 진전없이 만들어져 오다가 1963 년

7월 공업표준화법에 의해 KS 표시규격의 청동밸브(KS B-2301) 수도꼭지(KS B-2331) 및 수도용

제수밸브(KS B-2332)가 제정되면서 기술적 품질적인 면에서 큰 진전이 있게 되었다이때는 제 2 공화국의 등장과 함께 울산을 중심으로 새로운 공업화의 태동이 있던 시기로 부산을

중심으로 한 영남권의 소규모 밸브업체가 다수 설립되던 시기였다 이들 중 몇 개 업체는 이제

밸브업계의 중진으로 자리를 잡고 있으며 시기를 몇 년 지난 1972 년부터 73 년경 주철밸브 및

주강밸브가 KS 규격으로 제자리를 잡았다이후 1970 년대 중반부터 중화학공업육성정책에 따라 창원에 대규모의 기계공업단지가 들어서고

아울러 구미쪽에는 몇 년 앞서 섬유 및 전자단지가 들어서게 된다 부산의 고성산업사 국제밸브 창원의 범한금속등이 비교적 큰 규모의 밸브 제작공장을 가동기키게되고 대구에도 소규모의

밸브업체가 생겨났다 아울러 경인지방 특히 인천은 일제시대부터 기계공업이 발달한 곳으로써 이

시기에 소규모의 밸브공장 즉 지금의 서흥금속 전신인 고려특수밸브와(주)삼신의 전신인

삼신철공등이 부평을 중심으로 중저가의 밸브류를 만들고 있었다이 당시만 하더라도 석유화학공장에 대량으로 들어가는 플랜트 프로세스용 밸브등 대부분이

수입되던 시기로써 선도적 역할을 수행한 극히 일부분의 밸브 회사만이 미국석유공업협회의 API

인증 석유화학용 저가밸브를 생산하고 있었을뿐 고부가의 고온고압밸브에는 엄두도 못냈던 시기였다이후 1970 년대 하반기부터 고리원자력발전소 34 호기 및 영광원자력발전소 12 호기가 순차적으로

건설되면서 수만대의 원자력용 밸브가 엄청난 고가로 수입되던차에 (주)삼신이 일본 오까노 밸브사와

기술제휴하여 1983 년경 국내 최초로 원자력용 비안전계통의 2 인치 이하의 단조밸브를 영광원자력

12 호기에 납품하게 되면서 고온고압의 고부가가치밸브 생산에 들어가게 되었다 이어 범한금속이

원자력용 대형 주강밸브를 국산화하고 (주)서흥금속이 삼신의 뒤를 쫒아 원자력용 단조밸브를

생산하게 되었다이후 1987 년 부터의 호경기와 더불어 특히 충남 서산의 대산지방을 중심으로 한 석유화학쪽의

대규모 신규시설 투자와 기존 석유화학플랜트의 신증설 및 일제히 보수기를 맞이하게 됨으로써

유래를 찾아볼수 없는 대호황을 누리게 된다 이때에 플랜트용 주철 주강제의 밸브를 생산하는 업체

또한 전국적으로 300 여개나 될 정도로 우후죽훈격으로 생겨나기도 했던 시기였다이러한 호황의 격동기도 잠시뿐 현재 얼어붙은 불경기속에서 새봄을 기다리고 있는 심정이지만

냉정하게 우리나라 밸브기술의 역사를 생각하면 언제 새봄이 올까 걱정이 앞선다실로 선진국들은 거의 100 여년 이상의 기술적 역사를 가지고 있는 반면에 피부로 느끼는 우리의

밸브역사는 단지 30 여년에 불과해 선진국과 최소한 10 년 정도의 기술격차가 있다고 하겠다 그리고

프로세스 플랜트 공정용의 제어밸브와 일부 특수공정에 쓰이는 고가의 밸브들은 경험이나 기술적

환경을 고려해 볼때 적어도 20 년이상은 격차가 날것으로 생각된다12 밸브공학의 의미

밸브는 아주 오래 전부터 유체의 흐름을 제어하는데 사용되어 왔다여기서 말하는 제어란 뜻은 유체에서 물리적으로 표현되는 압력 온도 및 유체의 속도 즉 유량을

조정한다는 것이다이러한 밸브는 배관계의 유체흐름을 각각의 프로세스계에서 요구하는 유체의 물리적 조건과 양에

맞도록 각 제어단위의 마지막 단계에서 유체흐름을 제어하는 가장 일반적이고 가장 중요한 제어요소

(Control Component)이다밸브공학은 유체계통의 제어요소인 밸브를 공학적으로 다루는 것으로써 밸브가 어느 프로세스계통에서 하나의 구성인자로 보아 그 기능과 목적을 다루는 능동적인

제어부품으로의 공학적 의미와 밸브 그 자체의 역학적인 거동을 프로세스계통의 운전조건에 비교하여

보는 공학적 의미가 있다프로세스 단위로 보면 파이프가 수송해야 할 유체 에너지는 프로세스계의 제어요소인 밸브나

오리피스에서 주로 유체 속도 또는 유체압력의 형태로 조정된다 이를 유체량의 제어기능과

유체압력의 제어기능으로 구분할 수 있으며 이 두 기능은 항상 유체에너지를 수송하는 프로세스

배관계통의 형평과 안전을 위하여 상호보완적인 관계로 제어기능을 수행한다이러한 제어기능에 최대의 관점을 두어 설계된 밸브가 제어밸브인 것이다모든 밸브는 수송하는

유체의 압력 온도 및 유량에 합당한 크기와 구조를 가지고 유체에너지가 손실되지 않도록 외부와

불필요한 에너지 교류는 피하여야 한다 따라서 밸브를 공학적으로 다루기 위해서는 유체역학이 가장

중요한 분야가 되고 밸브의 원활한 기능 유지를 위해서는 구조적 안정성이 중요 설계인자가 된다밸브를 구성하는 재료등은 유체의 화학적 성상(性狀)과 온도 압력등 물리적 특성에 크게 죄우됨으로

재료공학에 대한 지식이 요구된다 아울러 제어를 정밀하게(Sophisticate)하기 위해서는

전기전자공학이 필요하다밸브가 수천년 이전의 아주 오래전부터 유체에너지의 수송과 제어에 핵심적으로 사용되어 오고

있지만 밸브의 근본적 형태에 변화가 있었던 것은 아니다 그러나 산업이 점차 거대화되고 고도화

되어가고 있는 현재의 산업현장의 밸브 운전 환경은 사용유체의 다양성은 물론 고온 고압등

고에너지의 유체제어가 산업의 안전과 더불어 고도로 요구되기 때문에 밸브의 중요성이 날로

부각되고 있다여기서는 이러한 밸브의 중요성을 밸브와 밸브를 포함한 프로세스계로 확대시켜 밸브에 대하여 보다

체계적인 공학적 접근을 시도하기 위해 밸브공학이라고 썼지만 밸브공학을 학문적으로 체계화시켜

도입하기에는 다루는 분야가 협소한 듯하고 아울러 세부적인 사항이 다른 분야에서 깊이있게

다뤄지고 있어 따로 밸브쪽으로 분리해서 말할만한 학문적 일체성(Identity)도 갖고 있지 않다그러나 미국의 몇몇 대학의 수리학(水理學)교실등에서는 밸브의 유체학적 또는 유체에너지를

다루는데 있어 밸브구조의 동력학적인 거동을 연구하는데 매우 활발하며 일부 대규모

밸브전문업체를 중심으로 이뤄지는 밸브의 구조 제어기능 유체동역학 및 재료부분 등으로 활발한

공학적인 접근을 일단 밸브공학이라는 용어로 정리하기로 한 것이다 12-1 밸브의 설계조건

프로세스 계통에 있어서 계통의 원활한 운전과 기능 유지를 위해서는 제어요소인 각 밸브에서의

기능이 문제가 된다 이들 밸브 기능의 문제는 프로세스 계통 설치시 충분하게 고려되어야 한다 이

밸브의 기능 문제를 두고 기능을 설계 목표 이상으로 건전하게 유지시키는 것이 바로 밸브설계의

조건이다밸브가 프로세스 계통에서 과도한 하중이 계통 자체에서 뿐만 아니라 밖에서도 생기게 된다 프로세스의 운전온도 운전압력 유체의 밀도 유체의 수송속도등이 계통내의 하중이 되고 프로세스에 가해지는 배관진동 밸브 구동장체에서의 추력 및 자체하중 지진등의 고려 배관파단으로 생길 수 있느 배관떨림(Pipe Whhipping)등이 계통외의 하중이 될 것이다 이러한

프로세스 계통내외에서의 과도한 하중으로 인하여 밸브의 일부가 손상되어 제어기능을 불안하게 할

경우라든가 운전에 지장을 초래한다면 전체 프로세스 계통의 기능 유지등 그 영향은 점차 매우

어려운 상태에 이를 수도 많다실제로 밸브 손상-주로 밸브의 가장 핵심적인 내부누설구조의 손상으로 인한 거대 프로세스 플랜트의

화재사고등은 어쩌면 사소한 장치로 볼 수 있는 밸브에서 기인된 경우가 많다 따라서 밸브는

구조적으로 충분한 강도를 가지고 있어 내외부의 어떠한 하중이 가해지더라도 손상으로부터

안전하여야 하며 또한 구조적으로 각 밸브 구성부품의 형상이 기능 및 운전성 유지에 적합하여야

한다 그리고 사용조건인 프로세스 계통의 운전환경수송유체의 종류 계통의 제어목적 및 공공의

안전에 관련된 설계 요구사항등에 밸브의 사용목적이 적합하여야 한다밸브에 관한 이러한 관점은 각국의 밸브에 관한 표준규격이나 고압가스협회등에서 밸브에 요구하는

법적인 규제 또는 설계요건사항들을 보면 이해가 잘 된다 밸브는 계통의 한 부품으로서 그 역할은

계통설계자료의 치밀한 계통 밸런스에 대한 형평성추로써의 역할이다이 역할은 계통의 압력 온도 및 유량에서 보면 이들 물리적 양을 제어하고자 하는 것이고 프로세스

계통의 구조적 밸런스에 따르면 계통압력 및 온도에 충분한 구조강도를 갖는 밸브의 강도이다 밸브를

프로세스 계통의 구조해석상(후자의)관점에서 그 역할을 구분하여 보면 다음의 세가지로 구분 설명할

수 있다(1)계통에 대한 능동적 부품(Active Component)으로써의 밸브

프로세스 계통의 일부 또는 전체 계통을 사고로부터 완화시키거나 정지시킬 때 필요한 계통의 한

부품으로서의 역할이다 이는 프로세스 계통의 기능상 이 부품의 역할이 매우 중요함으로 밸브의

구조강도를 충분히 유지함은 물론 계통의 어떤 사고나 피로등에 의한 파괴로부터 더 이상의 연속적인

계통손상을 방지하기 위하여 계통의 한 구성부품인 밸브가 능동적으로 계통의 기능을 보호하는

역할을 수행하여야 한다 통상 이러한 경우를 고려하여 실제의 밸브 운전조건이나 설계조건보다도 더욱 가혹한 비정상적인

프로세스를 고려하여 설계 제작되는게 일반적이다(2)계통에 대한 밸브의 기능상의 능력(Functional Capability)프로세스의 가혹한 운전조건하에서는 계통 및 밸브자체의 치수 안전성을 유지하며 계통운전이

원활히 되도록 정격 유량을 수송 또는 제어하는 능력을 갖고 있어야 한다(3)밸브 자체의 운전성으로 설계 및 사용조건

밸브 자체의 운전성으로 설계 및 사용조건하에서 규정된 안전 기능을 충족하면서 요구되는 밸브 그

자체는 30~40 여개의 부품으로 조립되는 비교적 간단한 기기이지만 높은 압력과 온도 그리고 급격하

에너지의 변화가 밸브의 트림(밸브의 유체 접촉부로써 교환될 수 있는 밸브 구성부품)의 조작부에서

이뤄지게 됨으로 각 구성 부품들이 이러한 환경에 충분히 견딜 수 있는 구조로 되어 있어야 한다 이와같이 밸브는 프로세스 계통에 대한 능동적인 역할과 밸브 자체의 기능 및 운전성의 유지로

계통의 기능 및 운전을 원활하게 수행할 수 있도록 하는 것이다12-2 밸브의 설계

밸브 설계의 기본적 입력데이타는 온도와 압력이다 프로세스 유체의 화학적성상에 따라 밸브의

재질은 달라지지만 소위 밸브 크기를 정하는 기본 단위는 우선 압력과 온도이다밸브의 구조상 밸브의 내압부는 다른 어떤 압력용기 보다도 구조적으로 매우 취약한 구조적인

불연속부(Structural Discontinuity)를 갖고 있어 압력에 대한 복잡한 구조적인 거동으로 인한 국부

응력의 증가와 더불어 열에 의한 굽힘응력과 변형이 밸브의 내부에 복잡하게 생기므로 밸브 설계시

이들 효과를 고려하여야 한다 특히 고온고압으로 갈수록 이의 영향은 매우 크게 되므로 고난도의

설계가 된다아울러 모타구동장치나 제어밸브의 액츄에이터를 장착한 밸브의 경우 이들 구동장치의 무게로 인한

밸브 구조의 불안정성이 고조된다 다음의 그림 6 은 미국 기계학회에서 정한 원자력 발전소용 밸브의

설계요건을 항목별로 요약한 것으로 일반 프로세스용의 밸브 설계와 크게 다를 것이 없다 단지

특별히 더욱 강조한 사항은 밸브구조의 구조적 강도유지를 설계의 핵심으로 한 것이고 여기에 열이나

기계적 교번하중으로 인한 피로상도를 강조하고 있다 프로세스 계통의 유체역학적 천이(Transient)현상에 의해 밸브 구종의 불안정성은 더욱 고조되어 심한 경우 밸브 구조가 파손되는 사례도 적지

않게 발생한다다음의 그림 7 과 그림 8(차호에 소개)은 밸브의 구조적 불연속부에서의 열에의한 굽힘특성을

보여주는 좋은 예이다 그림 9(차호에 소개)는 밸브의 내압에 의한 밸브몸체의 응력구동을 설명하고

그림 10 은 밸브의 구동장치의 무게중심이 밸브몸체에서 멀리 떨어져 있는 경우 밸브의 본네트면에

작용하는 모멘트와 간단한 밸브의 고유진동수를 설명하는 그림이다이외에 배관계에서 전달되는 배관작용력(열팽창에 의한 축방향 힘과 굽힘모멘트 및 토오크)에

안전하게 밸브의 치수 보전과 강도를 유지하도록 설계한다밸브는 유체 수송의 직접 제어부인 디스크(프러그)와 시트(케이지)부를 구조적으로 안정하게

유지하기 위하여 어느정도의 불용(不用)공간이 생긴다 이 공간들을 공동부(Cavity)라고 하는데 이

케비티에서 밸브 기능상 많은 문제점이 생긴다 이곳에 유체가 차 있다가 온도 상승으로 밀폐된

유체가 팽창하여 디스크의 원활한 운동을 방해하기 때문이다밸브 설계시 이러한 불용공간을 최대로 줄이는 것이 밸브의 기능보장을 위해서도 매우 중요한

설계요소이다 아울러 밸브에서 유체를 제어할 때 유체의 흐름속도 및 밸브면에서의 마찰 그리고

유로면의 넓고 좁음에 따른 압력손실등으로 밸브의 유체수송(유체에너지수송)능력이 저하하게 된다최근들어 프로세스 플랜트가 거대화되고 고도화함에 따라 밸브에서의 이러한 유체수송능력의 저하를

가급적으로 줄 이기 위한 밸브의 유로형상(Flowpath)을 설계해야 한다같은 크기의 밸브라 할지라도 밸브의 유량계수가 많고 적음은 이러한 유로형상의 설계기술의

차이에서 기인된다고 볼 수 있다 유로형상의 설계는 이론적으로 설계하기란 거의 불가능하여 각기

다른 유로형상을 가진 시험원형(Proto Type)의 밸브들을 일일이 시험하여 최적의 유로형상을 찾는다물론 여기에 중점적으로 설계입력이 되는 것은 압력항 온도항 그리고 유체의 흐름속도 이다밸브설계에서의 가장 핵심은 누설방지에 있다 누설은 시트와 디스크간에서 발생되는 내부 누설과

그랜드 패킹 또는 본네트 가스켓에서 생기는 외부 누설로 구분된다 이중 가장 문제가 되는 것은

그랜드 패킹에서의 누설이다 밸브 설계에서 심도 있게 다뤄지는 부분이 그랜드 패킹의 재질 편조 및

성형방법 조합방법 크기 및 체결방법이며 상당수의 밸브관련 연구논문중 30이상이 이에 대한

것으로 앞으로도 깊이 다뤄야 할 기술적 당면과제이다12-3 밸브의 기능

밸브의 기능은 밸브공학적 의미에서 두가지 축면으로 고려된다 하나는 밸브자체의 구조적 강도에

관련하는 기능이고 다른하나는 유체 수송 및 제어의 기능이다이 두가지 기능은 서로 불가분의 관계를 가지고 있다 물론 전자의 경우는 밸브의 재료가 갖고 있는

금속학적 특성과 재료자체의 강도 특성 그리고 이들을 밸브의 사용환경에 맞도록 상호 기구학적으로

결합하여 원활하게 밸브로써 운전될 수 있도록 충분한 구조강도를 유지해야 하므로 밸브의 하드웨어

(Hardware)적 기능이고 후자는 밸브의 운용상 특히 프로세스의 운전목적의 달성을 위하여 밸브가

수행해야 할 제어기능 즉 유로개폐(ON-OFF)나 유로 또는 유체에너지량의 조절(Throttling)을

원활하게 해야 하므로 밸브의 소프트웨어적 기능이다이러한 밸브의 기능을 전자의 경우 밸브의 구조기능이라고 하고 후자를 밸브의 제어기능이라고

정한다 이러한 밸브의 기능에 문제가 생기는 원인도 아울러 구분이 된다제어기능에 문제가 생기는 경우 통상 프로세스 계통의 설계과정에서의 오류보다는 시운전이나 실제

운전시에 많이 발견된다 시운전시에는 계통이 전반적으로 불안전하고 불규칙한 운전모드가

설계조건과는 다르게 발생된다 전반적으로 프로세스 계통에서의 밸브문제는 80이상이 시운전시에

발견된다프로세스의 운전시에는 거의 아무런 문제도 생기지 않다가 계통의 기동 또는 정지시에 밸브에

문제가 생겨있음을 발견하는 경우도 앞서의 경우와 같다 이러한 예로써 복수기(Condenser) 복수배관(Feed Water Extraction Drains)의 제어 밸브와 같은 경우 밸브에서의 유체제어시 생길

수 있는 일반적 현상은 후라싱현상이 예측되지만 계통이 장기간 정지하여 있다가 다시 기동될 때는

배관내의 드레인에 의한 수격현상이 생겨 밸브의 제어기능에 악영향을 주는 사례가 있다밸브의

구조기능은 앞서 계속 언급한 대로 밸브가 어떠한 하중 조건하에서도 제어기능을 유지할 수 있도록

밸브 그 자체는 튼튼해야 한다는 것이다

20 밸브공학 기초

밸브는 기본적으로 유체를 제어하는 부품과 이들 제어부품들을 구조적으로 안전하게 유지시키는

몸체로 구성되어 있다 따라서 밸브공학의 목표는 유체제어 기능으로서의 완전한 유체제어를 다양한

하중조건하에서 밸브가 거전하게 운전 되도록 구조적으로 튼튼하게 결함없이 만들어야 한는데 있다따라서 밸브의 이 두가지 목적에 맞는 배관계통의 제어요소(Control Component)로써 또한

배관계의 신뢰성에 가장 핵심적인 역할을 수행하는 부품으로써 프로세스의 운전건전성 즉 장기간

문제없이 제어요소로서 밸브 기능을 뒷받침 할 수 있는 강도를 유지하여야 한다본 절에서는 밸브공학의 기초로서 밸브의 구조 밸브에 있어서 밸브 유체역학의 기초와 밸브의

재료학을 중심으로 설명한다21 밸브의 구조

밸브의 구조는 유체제어의 구조 및 특성 유체의 물리화학적 성상 운전조작의 방법에 따라 매우

다양하다 따라서 밸브 구조는 유체제어의 구조 및 특성에 따라 물리화학정 성상에 따라 밸브의

구조가 달라지기도 한다밸브 구조에서 가장 핵심적인 사항은 압력 유지부분(Pressure Retaining Part) 및 유체와 직접

접촉하면서 밸브의 기능을 수행하는 밸브 트림 그리고 트림부를 조작하는 구동부로 나눈다따라서 밸브의 종류를 구분하는 일반적인 방법은 밸브의 압력유지부의 형태 또는 형식과 트림의

형상또는 형식에 따라 구분한다 다음에 앞서의 밸브 구분 방법에 따른 밸브 종류를 나타내었다 특히

여기서 밸브 기술자가 알아야 할 매우 중요한 밸브 용어는 트림(Trim)으로써 밸브의 유체제어 과정에

있어서 유체와 직접 접촉하면서 유체력에 의하여 직접적인 마모 또는 노화되는 부품으로 교환될 수

있는(Replacible)밸브 부품이라고 정의 한다가 개폐용(ON-OFF 제어)밸브

게이트 밸브(Gate Valve)일반 게이트 밸브(General Gate Valve)솔리드 왯지(Solide Wedge)후렉시블 왯지(Flexible Wedge)스플릿트 왯지(Split Wedge)더블디스크 패러럴 시트(Doubble Disc Parallel Seat)스프링 패러럴 스라이드(Spring Parallel Slide)볼 앤드 소켓 로테이팅 디스크(Ball and Socket Rotating Disc)벨로우즈 씰 게이트 밸브(Bellow Seal Gate Valve)나이프 게이트 밸브(Knife Edge Gate Valve)콘디트밸브(Conduit Valve)그로브타입 스톱 체크밸브(Globe Type Stop Check Valve)T-그로브 타입(T-Type Stop Check Valve) 앵글타입(Angle-Type Stop Check Valve)Y-타입(Y-Type Stop Check Valve)글로블 밸브(Globe Valve)팩레스 그로브 밸브(Packless Hermetic Diaphragm Globe Valve)T-타입 팩레스 밸브(T-Type Packless Valve)Y-타입 팩레스 밸브(Y-Type Packless Valve)앵글 타입 팩레스 밸브(Angle-Type Packless Valve)벨로우즈실 그로브 밸브(Bellows Seal Glove Valve)체크밸브(Check Valve)스윙 체크밸브(Swing Check Valve)밸런스드(중추)체크밸브(Counter Weight Balanced Check Valve)

홀딩 디스크(듀오)체크밸브(Folding Disc Check Valve)리프트 체크밸브(Lift Check Valve)T-타입(T-Type Lift Check Valve)Y-타입(Y-Type Lift Check Valve)볼 타입(Ball Type Check Valve)스프링 로디드 타입(Spring Loaded Lift Check Valve)수평형(Horizontal)티형(T-Type)와이형(Y-Type)틸팅 디스크 체크밸브(Tilting Disc Check Valve)인라인 디스크(푸트)체크밸브(In-Line Disc Check Valve)볼 타입(Ball Type)디스크 타입(Disc Type)푸트 타입(Foot Type)백 후로우 프리벤터(Backflow Preventer)고무 튜브 체크밸브(Rubber Tube Check Valve)다이아후램 체크밸브(Diaphragm Check Valve)버터후라이밸브(Butterfly Valve)ANSI 규정(산업용)(For Industrial Purpose)메탈 시티드(Metal Seated High Performance Butterfly Valve HPBV)프랜지 타입(Flange Type)크로스 볼티트 웨이퍼 타입(Cross Bolted Wafer Type)웨이퍼 타입(Wafer Type)소프트 시티드(Soft Seated)프랜지 타입(Flange Type)크로스 볼티드 웨이퍼 타입(Cross Bolted Wafer Type)웨이퍼 타입(Wafer Type)AWWA 규정(수도관개용)(For Water Works Purpose)프렌지 타입(Flange Type)크로스 볼티드 웨이퍼형(Cross Bolted Wafer Type)프러그 밸브(Plug Valve)테이퍼드 프러그(Tapered Plug Valve)루브리케이트 타입(Lubricated Plug Valve)논 루브리케이트 타입(Non-Lubricated Plug Valve)실린드리컬 프러그(Cylinderical Plug Valve) 엑씬트릭 프러그(Eccentric Plug Valve)볼 밸브(Ball Valve)프로팅 볼(Floating Type Ball Valve)톱 엔츄리(Top Entry Floating Type Ball Valve)엔드엔츄리(End Entry Floating Type Ball Valve)

트러니온 볼(Trunnion Type Ball Type)싱글 터러니온(Single Trunnion Type Ball Type)더블 트러니온(Double Trunnion Type Ball Type)싱글 시티드 오 에스 앤 와이(Single Seated Outside Screw and Yoke Type Ball Valve) 소프트 다이아프램밸브(Soft Diaphragm Valve)웨어형(Weir Type Soft Diaphragm Valve)관통형(Straight-Through-Flow Type Soft Diaphragm Valve)핀치형(Pinch Type Soft Diaphragm Valve)나 유량조절용(Flow Throttling)밸브

게이트 밸브(Gate Valve)유량조절이 가능한 게이트 밸브(Throttable Sliding Gate Valve)브이 오리피스 게이트 밸브(V Orifice Gate Valve)그로브 밸브(Globe Valve)디스크 형상에 따른 그로브밸브(Globe Valve Classified by Disc Type)급개형 디스크(Quick Opening Type Disc)디스크-시트 구조(Disc and SEAT)톱 가이드형(Top Guide Type)바디 가이드형(Body Guide Type)바텀 가이드형(Bottom Guide Type)케이지-프러그 구조(Cage and Plug)선형 디스크(Linear Flow Type Disc)디스크-시트 구조(Disc and Seat by GUide Type)싱글 포트 디스크-시트(Singer Port Disc-Seat)톱 가이드형(Top Guide Type)일체형(Singer Body)멀티오리피스 레스트릭숀(Multi-Orifice Restrication)멀티벨로시티 헤드로스형(Multi-Velocity Head Loss Type)분리형(Split Body)바디 가이드형(Body Guide Type)케이케이드형(Turbo-Cascade Type)바텀 가이드형(Bottom Guide Type)더블 포트 디스크-시트(Double Port Disc-Seat)톱 앤 바텀 가이드형(Top amp Bottim Guide Type)디스크-시트 구조(Disc and Seat by Disc Type)일반형(General Type)멀티 브이 포트 디스크(Multi V-Port Disc)케이지-프러그 구조(Cage and Plug)밸런스트 프러그(Balanced Plug)일반형(General Type)레비린스 형(Labyrinth Type)

슬롯티드 케이지(Slotted Cage)멀티 퍼포레이트 케이지(Multi-Perforated Cage)멀티 오리피스 케이지(Multi-Orifice Cage)언밸런스트 프러그(Unbalanced Plug)일반형(General Type)레비린스 형(Labyrinth Type)슬롯티드 케이지(Slotted Cage)멀티 퍼포레이트 케이지(Multi-Perforated Cage)멀티 오리피스 케이지(Multi-Orifice Cage)스템-디스크 일체형 구조(니이들 밸브Niddle Valve)등비율형 디스크(Equal Percentage Flow Type Disc)(선형 디스크 구조 체계와 동일)혼합용 그로브 타입 제어밸브(Mixing Control Valve)밸브 몸체 형상에 따른 구분(Globe Valve Classified By Body Type)일반 티 그로브(General T-Type Globe Valve)와이 그로브(Y-Type Globe Valve)앵글 그로브(Angle Type Globe Valve)와이 앵글 그로브(Y-Angle Type Globe Valve)버터후라이밸브(Butterfly Valve)몸체 구성은 앞의 가항과 동일

정규 로타리 운동 버터후라이 밸브(Regular Rotary Butterfly Valve)오프셋 디스크 버터후라이밸브(Offset Disc Butterfly Valve)캔티드 디스크 버터후라이밸브(Canted Disc Butterfly Valve)프러그밸브(Plug Valve) -몸체 구성은 앞의가항과 동일

엑쎈트릭 실린드리컬 프러그(Eccentric Cylindrical Plug)엑쎈트릭 디스크 프러그(Eccentric Disc Plug) 스로틀링 프러그(Throttling Plug)실린드리컬 프러그(Cylindrical Plug)테이퍼드 프러그(Tapered Plug)케이지 프러그(Cage Plug)볼밸브(Ball Valve)-몸체 구성은 앞의가항과 동일

유량특성별 세크멘티드 볼밸브(Characterized Segmented Ball Valve)급개형(Quick Openning Type)선형(Linder Type)등비율형(Equal Percentage Type)브이 포티드 볼밸브(V-Ported Ball Valve)선형(Linder Type)등비율형(Equal Percentage Type)소프트 다이아프램밸브(Soft Diaphragm Valve)웨어형(Weir Type Soft Diaphragm Valve)관통형(Straight-Through-Flow Type Soft Diaphragm Valve)핀치형(Pinch Type Soft Diaphragm Valve)

다음으로 밸브의 유체제어를 위한 밸브 구동부의 구동특징 즉 밸브의 스템 및 스템 조작 특징에 의한

밸브를 구하면 다음과 같다밸브 스템은 밸브를 열고 닫을 때 그 조작력을 전달하는 매우 중요한 밸브의 구성부품이다일반적으로

디스크의 상하운동에 의하여 유체를 제어하는 구조를 가진 게이트 및 그로브 밸브는 스템의 길이가

길며 디스크의 조절을 원활하게 하기 위하여 일부 특수한 장치(거의 선형운동을 하는)를 가진 자동

구동장치부의 제어밸브류와 같은 것을 제외한 수동조작 모타구동장치부의 밸브 스템은 사각의 나사를

채용하고 있다 이 스템 즉 밸브 핸드휠의 조작렬에 대한 사항은 추후에 자세히 설명하기로 하고

여기서는 스템의 구분(구동부의 구동특징)조작특성을 밸브 종류별로 구분한다 밸브 디스크의

상하운동에 의하여 유체를 제어하는 구조의 밸브는 통칭하여 Quater Turn밸브라고 한다 이외에

체크밸브와 같이 자체적으로 유체력에 의해 계폐동작을 하는 Self Actuating밸브가 있다lt표gt 생략211 밸브의 구조형식

(1)게이트 밸브

개폐용(ON-OFF 제어)밸브의 대표적 밸브이다 게이트 밸브는 호칭직경 38Prime부터 36Prime까지(또는 이

이상도 제작가능하다) 압력-온도 등급도 ANSI CLASS 로 150LBS 에서 4500LBS 까지 선택의 폭이

매우 넓다 밸브의 구조 형식 및 형태는 다음과 같다솔리드 또는 홀로우 형식의 디스크(SOLID OR HOLLOW GATE VALVE)밸브의 시팅 구조상 가장 튼튼한 구조이나 밸브의 열 팽창과 배관작용력에 대한 디스크에서의 흡수

여유가 없기 때문에 밸브 디스크가 상온 이외의 사용에서는 고착 또는 누설 가능성이 높아진다 따라서 이러한 구조의 게이트 밸브는 통상 호칭직경 4Prime이하 사용온도 100Prime이하의 수동 소형

게이트밸브에 적용된다 일반적으로 ANSI CLASS 2500 까지 제작가능하지만 고압고온 서비스인

경우 밸브 몸체에서의 열변형에 의한 고착 또는 누설에 각별히 유의 하여야 한다현재 국내 밸브제작사중 극히 일부 회사만이 ANSI CLASS 4500 급까지 제작경험이 있으나 스프링

LOADED PARALLEL DISC TYPE 에 비하여 수명이 떨어진다 후렉시블 왯지 디스크(FLEXIBLE WEDGE GSTE VAVE) 디스크의 시팅(SEATING)면에서 어느 정도의 유연성을 갖고 있음으로 팽창

및 배관의 작용력에 대응할 수 있으며 아울러 다스크가 쐐기 형식으로 시트면에 작용함으로써 내누설

특성이 좋다따라서 FLEXIBLE WEDGE 게이트 밸브는 이러한 시팅 구조상 12를 넘는 대형일 경우에는 동력에

의한 밸브 계폐장치(POWER ACTUATOR)가 권고되며 통상 사용온도 200(93)이하의 호칭직경

4Prime를 넘는 중대형 밸브에 적용된다 이 밸브는 ANSI CLASS 로 150~2500 까지 제작되며 현재

국내에서는 특히 고온 고압용(ANSI CLASS 1500 이상)밸브는 단 2 개사 만이 제작할 수 있다분리형 디스크(SPLIT WEDGE GATE VALVE)FLEXIBLE WEDGE디스크와 유사하나 디스크가 완전히 분리되는 구조이다디스크의 연결은 단순히 기계적인 고리를 이용하거나 스프링등의 보조를 받아 구성된다 이러한

밸브는 FLEXIBLE WEDGE 게이트 밸브와 같은 범주로 취급되나 배관의 굽힘등 배관작용력에 보다

신축성 있게 대응할 수 있어서 비교적 높은온도(90~)에 사용되며 밸브의 크기는 통상호칭직경

4이상의 중형밸브에 적용된다그러나 이러한 밸브는 다음의 더블 디스크 게이트 밸브의 장점에 비하면 적용사의 잇점이 적기 때문에

널리 쓰이지 않는다더블 디스크( DOUBLE DISC GATE VALVE)

통상 DOUBLE DISC 게이트 밸브는 디스크가 평행한 구조를 가진 것을 특징으로 한다따라서 대형의 고온 고압용 밸브는 이러한 구조를 많이 갖고 있으며 일명 DOUBLE DISC PARALLEL 케이트 밸브라고도 한다 주로 대형 밸브에서 많이 채용되며 사용온도가 100를 넘는 경우에

사용된다 이 밸브는 시팅 구조상 계통이 가압상태이어야 밸브의 내누설 특성이 좋아지는 구조 즉 계통압력이 한쪽면을 가압함으로써 이 가압력에 의하여 기밀이 유지되는 구조임으로 계통압력이 낮은

경우에는 상대적으로 시팅 효과가 떨어진다따라서 이의 보완책으로 평행된 두 디스크사이에 스프링을 이용 가압력을 보완하는 경우도 많다 밸브

운전시 유의할 사항의 하나는 닫을 때보다 열릴 때가 보다 많은 힘을 필요로 하는 경우가 았음으로

계통의 운전 상태를 고려한 밸브 선정이 필요하다따라서 고온의 운전상태하에서는 가능한 한 고온상태에서 밸브를 열고 닫아야 한다아울러 두 개의 평형된 디스크는 정밀하게 가공되어야 하며 계통압력이 높아질수록 디스크면에

작용하는 면압의 효과를 극대화할 수 있도록 두 시트면의 평행도 및 가공 정밀도는 엄격하게

관리되어야 한다 현재 국내에서는 아직 미개발 분야이다나이프 게이트 밸브(KNIFE GATE VALVE)디스크의 형태가 날카로운 칼날 모양의 원형구조이다따라서 설계는 매우 콤팩트(COMPACT)한 구조로 설계되며 배관계통에 있어서도 설치 및 보수

운전공간을 절약할 수 있다 주로 상온의 낮은 압력하에서 스러리(SLURRY찌거기)등이 있는 유체를

제어할 때 많이 쓰인다 따라서 KNIFE GATE VALVE 에서의 엄밀한 내누설을 요구할 수 없다(2)그로브 밸브(GLOBE VALVE)그로브 밸브는 유로의 차단 또는 유량의 조절용으로 사용된다 게이크 밸브에 비하여 유체의 제어적인

즉 압력조절 유량조절 유로 차단등이 우수하나 밸브구조의 복잡함과 이에 따른 구조적 불안정으로

인하여 밸브 크기는 기술적 경제적으로 제한을 받는다 따라서 글로브 밸브는 통상적으로 특수한

경우를 제외하고는 호칭직경 12Prime를 넘는 대형의 그로브 밸브는 수동 조작의 경우가 매우 드물고

대부분 모타 구동 또는 유공압을 이용한 동력 구동밸브이다그러나 호칭직경 2Prime이하의 그로브 밸브는 유로차단(ON-OFF)과 스로틀링(THROTTLING)이 가능하며

특별히 비록 ON-OFF 라 할지라도 계통 특성이 고압의 경우에는 소형 게이트 밸브보다 그로브 밸브를

선택하는 것이 합리적이다그러나 그로브 밸브 유로 차단용(SHUT OFF)으로 사용할 때는 밸브의 디스크 하부로부터 계통

압력이 작용함으로 닫힘에 요하는 힘이 게이트 밸브의 4~5 배 이상에 이르며 내부 구조가 복잡하여

온도가 변화하는 상태하에서는 열팽창의 비 대칭성으로 인하여 내부 누설의 가능성이 있음으로 보다

큰 힘의 밸브 개폐력 즉 구동장치의 크기가 커야 한다그로브 밸브는 통상 호칭직경 38Prime~12Prime범위로 제작되며 압력-온도 기준으로 4500LBS 까지

제작된다 밸브의 형식 및 형태는 외양으로서 T YDIDRMF 및 Y-앵글 형태가 있으며 스템의 구성

형식상 특수하게 스템 패킹으로부터의 누설을 방지하기 위한 팩레스(PACKLESS-HERMETICALLY SEALED BELLOWS SEALED)밸브등이 있으며 아울러 그로브 밸브의 디스크 및 시트의 설계방식에

따라 스템과 디스크 및 시트의 설계방식에 따라 스템과 디스크의 일체형과 분리형이 있으며

대부분이 분리형 구조를 체택하고 있다 또한 디스크의 형상은 BALL TYPE 조립식 PLUG TYPE NEEDLE TYPE 등이 있으며 디스크 및 스템의 안내방식에 따라 TOP GUIDED(고압용) BODY GUIDED(고형 소형용) 및 BOTTOM GUIDED(저압용 -150LBS~300LBS)가 있다다음의 그림 16 17 18 및 그림 19 에 대략적인 글로브 밸브의 구조형상을 표시하였다

(3)체크밸브

체크 밸브는 배관계통 구성에 있어서 계통의 운전 상태에 따라 자력으로 계폐하는(SELF ACTUATING)유일한 밸브이다 따라서 다른 밸브와는 달리 한번 설치하면서 유지 보수 등의 문제를

간과하기 쉬운 밸브이므로 최초선정에 주의를 요한다체크밸브는 외양 및 작동 측성별로 스윙체크 리프트체크 틸팅 디스크 체크 홀딩디스크 체크 인라인

체크 스톱 체크로 대별할 수 있으며 가장 대표적인 체크 밸브는 스윙 체크 밸브이다 밸브의 크기는

거의 제한이 없으며 설계 형식 또한 매우 다양하다 체크 밸브 선정에 있어서 무엇보다도 중요한 것은

밸브에 있어서 압력 강하량의 크기문제 체크밸브 사이의 유체흐름 속도의 문제 밸브의 설치 위치와

누설한계 등의 문제 및 계통 특성상 체크밸브의 닫힘 시간의 문제를 고려한 후에 체크밸브의 형식을

결정하여야 한다 이에 대한 보다 구체적인 설명은 추후 기술하기로 한다스윙체크밸브(SWING CHECK VALVE)체크 밸브중에서 가장 널리 많이 쓰이고 있는 형식으로서 간단한 구조와 신뢰성 있는 동작을 특징으로

한다 외양에 따른 형태는 T 형 Y 형 및 웨이퍼(WAFER)형이 있으며 T 형이 대부분이다 디스크와

시트의 접촉 형식은 금속 대 금속 금속 대 탄성질의 합성고무 금속 대 합성고무링이 삽입된

금속판으로 접촉된다스윙의 각도는 0~45로 설계되며 수평 설치시를 고려하여 5~7만큼 전방행으로 경사시켜야

한다 유체의 역루에 의한 순간 닫힘시(SLAMMING)디스크의 운동량을 적게하면 급폐가 용이하여

수격현상을 감소시킬 수 있으므로 스윙의 각도는 밸브에서의 마찰로 인한 압력손실이 허용하는

범위내에서 적게하면 좋다 단점으로는 슬램(SLAM)현상과 불규칙한 유체흐름시 디스크의 빈번한

운동으로 힌지 핀의 마모가 예상되며 밸브 구조상 완벽한 기밀 유지가 곤란하다는 점이 있다 스윙

체크 밸브에서의 입력 강하량은 계통 설계 측면에서 낮을수록 좋지만 대략 다음식으로 압력강하량

정도를 예측한다ΔP=3228(1ρ)(MCv)2=2238(1ρ) (mAf)2여기서 ΔP=Psiρ=유체의 밀도(1bft3)m=질량유량(1bsec)Cv=밸브의 유량 계수(gpmradicpsi)또한 스윙 체크 밸브에서 원활한 운전을 위하여 요구되는 최소 흐름속도는 이론적으로 다음과 같은

식으로 표시된다Vmin=4568(wcosθ)(PAsin2θ)05여기서 W=디스크 아암 무게의 05 배와 디스크 무게를 합한 값(1bf)A=디스크의 면적(inch2)θ=유로 충돌면의 각도

리프트 체크 밸브(LIET CHECK VALVE)스윙 체크 밸브에 비하여 유체의 속도가 비교적 빠른 조건에서 사용하며 내누설 특성이 양호하다 그로브 밸브의 외양과 비슷하며 디스크 모양에 따라 피스톤(or POPPET)형식과 볼 형태의 것이 있다 그러나 단점으로는 디스크와 안내면에서의 고착 가능성 과 디스크의 빠른 자전(SPINNING) 그리고

대구경의 경우에는 평형관이 필요하게 된다틸팅디스크밸브(TILTING DISC CHECK VALVE)스윙체크밸브가 밸브 디스크의 개폐 속도 및 유량 변화에 신속히 대응하는데 부족한 반면 리프트 체크

밸브는 아에 비교적 양호한 특헝을 갖고 있다그러나 압력손실의 정도 보수성 및 내수설에 대한 구조로 보아 스윙 체크밸브는 매우 양호한 특성을

갖고 있음으로 스윙 체크 밸브와 리프트 체크밸브의 장버을 절충하고 아울러 슬램(SLAM)에 의한

영향을 최소화시킨 구조의 밸브가 틸팅 디스크 체크밸브(TILTING DISC CHECK VALVE)이다 이

체크밸브도 가능한한 균일한 흐름이 예상되는 곳에서의 사용을 권장한다홀팅디스크 체크 밸브(FOLDING DISC CHECK VALVE)홀딩 디스크 체크 밸브의 가장 큰 특징은 밸브가 매우 콤팩트하다는 것이다 디스크를 스프링의

힘으로 유지하므로 스프링의 상수를 조절하면 디스크의 열림 최소요구 속도를 조절할 수 있으며 또한

매우 미세한 차압상태에서도 개폐를 할 수 있어서 계통의 요구사항대로 설계가 가능하다 물론

스프링의 힘을 이용하기 때문에 디스크의 급폐(急閉)성이 양호하다기타 앞에서 설명한 체크 밸브 이외의 것으로는 리프트 체크 밸브 형식의 인-라인(IN-LINE)체크

밸브와 스톱 밸브와 리프트 체크 밸브를 결합한 스톱 체크 밸브가 있다 체크 밸브의 설치 위치 및

유로 방향이 밸브 기능에 미치는 영향은 다음과 같이 요약한다 스윙 체크밸브수평 또는 수직 수직배관에 설치시에는 밸브의 최소 흐름 속도에 디스크의 최대 열림각도(45이하)만큼을 고려한다즉Vmin vert=( Vminhorize)(tamθ)05또한 밸브의 힌지핀에 중추(COUNTERWEIGHT)를 이용하면 계통 특성에 따라 디스크의 열림

최대흐름 속도를 조절할 수 있다리프트 체크 밸브

TEE TYPE-수평WYE TYPE-수평수직 수직설치시 스프링을 사용하면 효과

ANGLE TYPE- 밸브입구는 필히 수직 배관

틸팅 디스크 체크 밸브수평

홀딩 디스크 체크 밸브수평수직 그러나 한지핀은 필히 수직방향

인-라인 체크 밸브수직(드물게 수평) 내부 점검을 위한 배관분리가 요구됨

스톱체크밸브

TEE TYPE-수평ANGLE TYPE- 밸브 입구는 필히 수직 배관

WYE TYPE-수평수직경사형(INCLINED)-수평그림 89 생략

볼 밸브의 설계

볼 밸브의 구조에 있어서 가장 유의할 부분은 내누설 구조를 위한 밸브 시팅 및 씰링구조이다이 시팅구조는 볼을 감사는 볼 시팅의 씰링과 스템의 씰링이 있다 특히 밸브 내부누설을 완벽히

방지하기 위해서는 볼 씨팅의 씰링과 스템의 씰링이 있다 특히 밸브 내부누설을 완벽히 방지하기

위해서는 볼 씰링재료의 물성 즉 탄성력(Resilient)와 윤활성 및 내온도성이 중요시되며 씰링재료가

합성수지일 경우에는 밸브의 사용온도가 800 이하로 제한된다다음은 볼 밸브의 선정에 있어서 가장 유의깊게 검토하여야 할 볼 씨팅 실링 재료의 허용 최고

사용온도표이다

(6)프러그 밸브(PLUG VALVE)프러그 밸브는 구조가 간단하고 조작의 간편성으로 밸브의 발명이래 현재까지 가장 널리 쓰이는

밸브중의 하나이다 프러그 밸브라는 명칭은 밸브 구조가 테이퍼진 원통 모양의 프러그로서 이

프러그에 원형 또는 사각형의 구멍의 프러그로서 이 프러그에 원형 또는 사각형의 구멍을 내고 이

프러그를 90회전함에 따라 유체의 흐름을 차단 또는 조절하는데에서 유래하였으며 매우

광법위하게 사용되고 있는 밸브이다 다음의 그림은 전형적인 프러그 밸브의 구조를 보여주고 있다 프러그 밸브는 거의 밸브 크기에 제한을 받지않고 생산이 가능하다 즉 크기로 보아 12부터 30까지 다양한 재질로 제작되고 있으며 구조상 12 를 초과하는 대형의 프러그 밸브의 프러그 구동상

윤활이 요구되고 있는게 특징이다 압력 등급기준으로서 상온 상태하의 압력으로는

175psig~1500psig(12~103Bar)까지 제작 가능하다 그러나 밸브의 트림 구조상 씨링이 절대

필요함으로 고온에서의 사용은 통상 400이하이어야 한다프러그 밸브는 기본적으로 다음의 두가지 방식으로 제작된다① 윤활 형식(lubricated type)② 비윤활 형식(non lubricated type)또한 프러그 밸브의 테이퍼 모양에 따라 프러그의 조립 및 보수를 밸브 상단에서 하는 경우 테이퍼가

아래쪽으로 된 하향경사형의 프러그 밸브와 반대로 프러그 밸브 하부에서 조립보수를 하도록 설계된

상향경사형의 프러그 밸브가 있다 그러나 중소형의 대부분 프러그는 하향경사형의 프러그 밸브이다 윤활형식의 프러그 밸브는 윤활이라는 용어로 인하여 밸브에 정말 윤활유를 주입하는 것으로

혼돈하기 쉽다그러나 실상은 별도의 윤활유의 주입을 필요로 하는 밸브가 아니라 밸브 구조상 프러그와 밸브

몸체간의 내부 누설 밸브 트림과 스템간의 외부 누설을 방지하기 위하여 프러그와 밸브 몸체와의

원형 홈(그루브groove)에 O-링(O-RING)과 같은 씰란트(SEALANT)를 삽입시킨 것으로 이

실란트가 프러그와 몸체간의 금속 마찰을 피하면서 부드럽게 작동함으로 이를 윤활 형식(lubricated type)이라고 한 것 이다 씰란트는 대부분 엘라스토머(ELASTOMER)로 튜브형 또는 스틱(STICK)형으로 제작되며 약 400까지는 안전하게 사용할 수 있다 이와 반대로 배윤활 형식은 매끄럽게

가공된 프러그와 밸브 몸체사이의 마찰을 엘로스토머 라이너(LINER)또는 씰 재로로서 자체적으로

해결하는 구조로서 밸브의 크기가 12까지 제한된다밸브가 12가 넘는 대형의 프러그 밸브는 윤활 형식의 구조를 가져야 한다 프러그 밸브의 몸체

형식은 다양한 설계형식을 갖고 있다 즉 밸브 외관으로 보아

SHORT PATTERNREGULAR PATTERNVENTURI PATTERNMULTIPORT PATTERN2-WAY 3-WAY 4-WAY 5-WAY등으로 구분할 수 있으며 접속단 형식도 다른 밸브와 같이 다양한 형식을 갖고 있다 단 프러그

밸브를 용접 설치할 때는 볼 밸브와 마찬가지로 프러그를 제거한 후에 용접하는 것이 바람직 하다프러그 밸브의 설계상 주요관점

프러그 밸브에 있어서 설계상 주요 관점은 볼 밸브와 마찬가지로 시팅 및 스템의 씰링 문제이다 그러나 프러그 밸브의 프러그와 밸브 몸체간의 시팅은 이차적인 시팅구조를 만들 수 없기 때문에

비윤활 형식의 프러그 밸브는 시팅 구조를 만들 수 없기 때문에 비윤활 형식의 프러그 밸브는 시팅

구조로 탕성이 좋은 엘라스토머등으로 라이닝 한 구조로 구성되며 따라서 밸브의 크기는 12까지로

제한한다 아울러 이러한 시팅 구조로 인하여 밸브 개폐에는 많은 토오크가 소요되어 통상적으로 4이상의 프러그 밸브는 기어열의 도움을 받는 작동기 (Geared Actuator)가 필요하다탄성이 좋은 엘라

스토머(Resilient Material)는 소형의 비윤활형 프러그 밸브에서 스리이브라이너로서 TFE(350) FEP(300)가 널리 사용되고 씰 및 와샤 재료로서 TFE TEFLON(400) 및 VITON(400)가 쓰인다 스템 씰링은 프러그 밸브의 형식에 따라

O-Ring Seal가압형 씰란트 챔버(Pressure Packed Sealant Chamber)금속TFE 조합 다이아 후람(Combination MetalTFE Diaphragm)등이 많이 쓰인다프러그 밸브의 응용

일반의 프러그 밸브는 양방향의 유체 흐름을 허용 하지만 3-WAY 4-WAY 5-WAY 프러그 밸브는

제작가사 흐름 방향을 지정한다 프러그 밸브는 공기 가스 기름은 물론 기름 혼합물과 같은 액체

스러리(Liquid Slurries)까지도 완전한 기밀(Bubble Tight)을 유지하며 개폐조작이 가능한 밸브로서

매우 다양하게 사용된다 특히 프러그 밸브는 스러리의 집적을 도모하지 않는 구조이기 때문에

불순물이 개제된 액체계통에 널리 쓰인다 이는 프러그의 개폐동작 자체가 집적된 불순물을

자동적으로 제거하기 때문이다프러그 밸브는 원칙적으로 유량조절용으로는 부적합하지만 프러그의 유로 통과 부분의 형상을

개선하여 유량조절이 가능하도록 한 프러그 밸브도 있다그러나 통상의 프러그 밸브도 유량조절의 정밀도가 그다지 중요하지 않을 경우에는 유량 조절도

가능하다단지 윤활 형식의 프러그 밸브는 절대로 유량 조절용으로 사용해서는 안된다 왜냐하면 프러그

포트큰처의 씰란트가 유로에 노출될 수 있으며 아울러 노출된 씰란트가 유체속도에 의하여

점진적으로 씰란트의 기능을 상실하게 할 우려가 있기 때문이다다이아후람 밸브는 탄성력이 매우 좋은 합성수지 또는 금속으로 다이아후람을 만들고 이를 밸브

몸체의 유로를 수직의 선형 운동으로 차단하여 유체의 흐름을 제어하는 밸브로서 밸브의 주요 트림

재료로서 다이아후람을 채용하였기 때문에 다이아후람 밸브라고 부른다이 다이아후람 밸브는 기본적으로 3 가지 구성요소(Part)로 구성되어 있는데 밸브 몸체 다이아후람

및 밸브 본네트로 구성된다 이 밸브는 구조가 매우 간단하고 밸브 몸체 및 트림부의 금속부를

유체로부터 완저히 격리시킬 수 있어 부식성 액체를 많이 취급하는 화학공장(Chemical Plant)에

많이 쓰인다그러나 트림을 구성하는 다이아후람이 구조 및 재질상의 제한 때문에 고온고압 계통에의 적용은

곤란하며 운전중의 제반 피로와 다이아후람 재질의 열화에 따른 강도 저하로 주기적인 다이아후람

교체가 요구되는 밸브이다아울러 다이아후람 밸브는 밸브의 구성 형식에 구애받지 않으므로 Y-형 T-형 ANGLE 형 및 공기압

작동식의 다이아후람 액츄에이터를 장착할 수 있다 이러한 밸브형식의 다양성가 아울러 PTFE(Non-Elastic Fluoropolymer)등으로 밸브 내부를 초청정상태로 유지할 수 있어 반도체공장용의 순수

가스 및 물라인 제약회사등의 고순도 유체관리가 필요한 프로세서에 핵심적인 밸브로 사용된다다음 그림은 기본적인 다이아후람 밸브의 외관이다다이아후람 밸브의 크기는 현재 14에서 20범위까지 생산이 가능하다일반적으로 가능한 다이아후람 밸브의 크기는 다음과 같다

밸브의 접속다 형식

나사 체결식

소켓용접형

맞대기 용접형

프랜지 체결식

다이아후람 밸브의 크기

14THUR312THUR2(프라스틱제)12THUR212THUR812THUR20(주철제)12THUR8(가단주철 및 청동)12THUR10(주강제)다이아후람 밸브의 몸체 형식

다이아후람 밸브는 유로 흐름을 양방향으로 할 수 있으며 다음의 기본적인 두가지 형식으로 제작된다웨어형(Weir-Type)밸브 몸체 하부에 웨어를 만들어 다이아후람의 운동량을 적게하고 아울러

다이아후람의 구조적 건전성을 높인 것으로 밸브가 비교적 콤팩트하다따라서 다이아후람 밸브의 대부분은 웨어형이고 특히 2가 넘는 밸브는 거의 모두가 웨어형을

채택하고 있다관통형(Straight-through-Flow)밸브몸체의 유로부가 어떠한 간섬이 없는 관통형으로서

밸브에서의 압력 손실을 국소화한 구조이나 밸브 개폐에 필요한 다이아후람의 운동량이 많고 따라서

밸브의 본네트가 웨어형에 비하요 크게됨으로 상대적으로 2이하의 소형에 사용된다 밸브의

건전성이 떨어짐으로 제한된 규모로 사용(제작)된다밸브 몸체의 모양은 T 형과 앵글형이 있으며 접속단 형식 또한 다른밸브와 마찬가지로 다양한 접속단

형식을 갖고 있다설계상 주요 관점

다이아후람 밸브에 있어서 가장 중요한 구성요소는 다이아후람이다 다이아후람은 밸브 트림의

핵심으로서 내부 누설이 없는 완벽한 유로차단(Bubble Tight Shutoff)과 다이아후람의 파손이 없는

즉 외부 누성이 없는 구조 및 재질이어야 한다 특히 여타 밸브와는 달리 다이아후라의 재질은 매우

중요한 것으로서 밸브의 건전한 운전을 위하여 수명기간동안 충분한 신뢰를 가져야 한다 다이아후람의 재질로 보아 제작 가능한 다이아후람밸브의 크기는 다음과 같다다이아후람 밸브의 몸체는 PVC 등과 같은 합성수지로부터 고가의 티타늄가지 매우 다양한 재질을

응용할 수 있으며 특히 밸브내부를 라이닝하기가 그 어떤 밸브보다도 용이한 것을 특징으로 한다다이아후람 밸브의 응용

다이아후람 밸브는 배관계통에서 거의 대부분을 스톱밸브로 사용된다 또한 밸브 몸체의 구성재료의

선택이 자유롭기 때문에 반도체 산업에서 쓰이는 순수(Pure Water)에서부터 찐득찐득한 오염액체 불순물을 다량 포함하고 있는 부식성액체의 수송용 밸브는 물론 개스 수송용 밸브에까지 선택의 폭이

넓다그러나 사실 이 밸브는 상대적으로 좋은 유체제어 특성을 가질 수 있어 적절한 재질의 다이아후람을

사용할 경우에는 유량제어용 밸브로도 사용할 웃 있다

그러나 다이아후람의 재질상 사용 가능한 압력은 다른 밸브류에 비하여 매우 낮으며 밸브의 크기가

커질수록 다이아후람에서 부담해야 하는 유체압려게 의한 힘은 거의 지겨의 제곱에 비례하기 때문에

이 밸브를 배간계통에 적용하고자 할 때는 계통설계자(System Engineer)와 밸브제작자의 충분한

협의가 필요하다이는 고온운전시 뿐만아니라 저온운전시에도 배관계통의 압력이 200Psia 를 넘을 때에는 필히

밸브제작사와 협의하여 밸브를 선정하고 가능하면 운전상 유의사항도 자문하여 주어야 한다 한 예로

미국의 유명 다이아후람 밸브 제작사인 ITT-Grinnell 사의 기준은 다음의 표와 같다 표에서 박스안의

값 단위는 psia 이다(8)기타 밸브류

기타 밸브로는 일반적으로 유체제어에 널리 사용되지 않지만 특수 목적 또는 제작 및 사용상의 요구가

매우 간단한 경우에는 그 경제성 때문에 일부 사용되는 밸브로서 전자와 같은 경우에는 앞서 언급된

게이트 밸브등 7 종류의 밸브를 일부 변형하여 제한된 특수 목적에 사용하는데 특수 목적의 대부분은

유체제어의 방법과 내부 기밀유지로 요약된다특히 프러그 밸브의 경우 트림의 모양을 원형(Prototype)의 프러그를 완전히 변형한 형식인 에센트릭

(Eccentric)프러그 밸브를 대표로 들 수 있다이 밸브는 에센트릭 프러그의 모양에 따라 유체 르므의 특성을 사용자 요구에 맞게 제어할 수 있다 다음 그림은 에센트릭 밸브의 운전형식을 보여주고 있다핀치(Pinch)밸브는 원통형상의 엘라스토머(Elastomer)로 구성된 스리이브를 금속제의 밸브몸체에

끼우고 몸체 중간에서 스리이브를 누름으로 스리이브를 통하여 흐르는 유량을 제어할 수 있다 스리이브를 누르는 형상이 영어로 PINCHING 이라고 함으로 이러한 밸브를 핀티밸브라고 한다 밸브

구조가 너무 간단하고 유로 부분이 자연스럽게 교축됨으로 밸브에서의 저항 즉 압력손실이 적다 밸브 구조상 사용온도는 엘라스토머의 재질에 제한받게 마련이며 스리이브의 코아를 강철코드(steel cord)나 화이바그라스(유리섬유fiber glass)로 보강되었을 경우 40까지 가능하나 사용 압력은

밸브 사이즈에 따라 다르게 됨으로 밸브제작사의 자문을 받아야 한다그러나 사용온도는 아무래도 200이하인 대기압에서의 물의 비드점 이하에서 사용하는 것을

추천한다 다음 그림은 핀치 밸브의 운전 모양을 보여주고 있다이스라엘 MIL 사는 1976 년부터 핀치밸브의 스리이브내에 코아형의 지지대를 설치하고

배관계통의 유체압력평형(Balance)를 이용하여 밸브를 손쉽게 개폐조작하느느 상품명 INBAL 밸브를 소개하고 있다 이 밸브는 특별히 소방배관과 같은 경우에는 계통의 압력응답이 좋기 때문에

해외에서는 청수의 소방배관 농장의 스프링쿨러 배관 및 공공시설의 급수배관의 주 조작밸브로

사용하는 사례가 적지 않다 다음 그림은 INBAL 밸브의 운전조작 특성을 보여주고 있다 다음의

밸브는 피스톤 또는 변위형밸브(Displacement Valve)로 알려져 있는 미국 Fetterolf 사의 특수

밸브이다 이 밸브는 일반적으로 램 밸브(Ram Valve)로 알려려 있는데 탱크의 바닥이나 배관라인에

밸브 디스크(디스크 형상이 Piston 식임)안내면이 직각으로 되게 설치된다이 밸브는 특히 배관라인이나 탱크의 배수에 탁월한 효과를 가진다2밸브공학의 기초

22 밸브에 있어서 유체역학밸브는 유체계통은

제어하는 최종의 제어요소(FINAL CONTROL ELEMENT)로써 계통의 압력 온도 및 유량을

바로미터로 하여 유체계통을 능동적인 형태로 제어한다 따라서 주요 제어목표는 당연히 물리적인

양인 압력과 유량으로 단순화되어야 할 것이다 물론 온도의 영향은 필히 고려 되어야 한다 아울러

유체의 물성(物性) 및 제어환경의 영향이 고려된다기본적으로 제어밸브의 유량특성은 유체가 공학적 측면으로 압축성 유체와 비압축성 유체로 대별하여

설명할 수 있으며 또하 여기에 이 두가지 유체가 혼합되어 배관계를 흐르는 이상 유체도 공학적인

측면에서 매우 중요하다 따라서 현재와 같이 고도화되는 프로세스 플렌트에서는 배관계통의 문제점

대부분이 제어하는 부분에서 유체의 급격한 성질변화-균일 해석가능한 유체에서 불균일하고 해석이

곤란한 二上유체화 등-에 기인한다고 해도 과언이 아니다 대표적인 사례로써 오리피스후단이나

밸브후단에서의 유체천이현상 등이 있다일단 여기서는 우선 제어요소인 밸브의 기본 유체이론으로써 유량특성의 물리적 의미를 간단히

수식으로 표현하요 밸브의 유량제어관계를 이해하고자 하는데 목적이 있다 밸브에 있어서

제어요소가 구성되는 곳은 밸브의 디스크와 시트이다 이 디스크와 시트부분은 교축되어 있으며 이곳의 교축점의 유로 단면적을 인위로 조절함으로써 배관계의 유량과 압력을 조절할 수 있다 지금

이상적인 유체가 이 교축점을 지날대 유체의 에너지 방정식을 적용하면 그림 37 에서와 같이

V122g+H1=V222g+H2 V22-V12=2g(H1-H2)여기서 V12=배관계 내의 유체속도 첨자 1 은 입구배관 첨자 2 는 교축지점 g=중력가속도 H12=기준선으로 부터의 위치 에너지의 양(압력수두) 그리고 배관계 내를 흐르는 유량 Q 는 일정하므로

Q=A1V1=A2V2A12=첨자 12 지점의 유로단면적

V1=(A2A1)V2=mV2따라서 V22-m2V22=2g(H1-H2)V2=radicV2=2g(H1-H2)1-m2결론적으로 제어유량은

Q=A2V2=A2radicV2=2g(H1-H2)1-m2그러나 이 경우는 배관 내를 흐르는 유체의 압력 손실을 전혀 고려하지 않은 이상적인 경우임으로

실제와는 상당한 차이가 있다그림 38 은 배관계통에서의 손실을 고려한 것으로써 이 손실에 대한 양은 유체출구의 형상 및

배관내의 제반손실요소에 따라 실험적으로 결정되므로 이론적으로의 접근은 매우 복잡하고 아울러

어렵다 이 손실의 정도를 손실계수 C1 이라고 정의하고 F=1~m3 라고 하면 출구의 제어유량은

Q=C1FA2radic2g(H1-H2)가 된다 22 밸브에 있어서 유체역학

일반적으로 유체역학에서 오리피스의 적용은 전호에서 간단하게 언급했듯이 교축관에서의

수력구배와 급격한 유로단면적의 변화로 생기는 소용돌이 마찰 손실등 에너지 손실을 적극적

(Positive)으로 이용한 것이다실제로 밸브 디스크와 시트는 분명한 오리피스의 교축과 유사하며 이를 그림으로 표시하면 그림 39 와

같다 오리피스의 목(Throat)바로 하단에 생성되는 유로의 최소단면을 Vena Contracta 라고 하는데

이곳에서의 에너지랭을 Hvc 라고 하고 또한 이곳에서의 급격한 교축으로 인하여 소용돌이로 인한 손실 속도천이로 인한 속도에너지의 손실 등 많은 손실이 이곳에서 일어난다이러한 오리피스에서의 손실의 정도를 계산하기 위하여 새로운 계수 C 를 도입하여 C=C1(AVCA0)로 한다 실제로 Vena Contracta 에서의 유속 Hvc 및 단면적 Avc 의 계산은 실험적으로 C 를

측정하여 정할 수 밖에 없다H1 HVC H2 의 관계를 압력회복계수 FL 로 표현하면

FL=radicH1-H2H1-HVC 이다이 FL 을 적용하여 제어유량의 식을 정리하면

Q=CFAOFLradic2g(H1-H2)가 된다이식을 공학단위로 바꾸면

Q=갤론분A0=inch2 H1-H2=ΔPG 이므로

Q=380CFAOFL 라고 정의하면

Q=CVradicΔPG 가 된다이러한 밸브에서의 유량과 CV 의 관계신은 1945 년경 미국의 유명 제어밸브회사인 MANSONEILAN에서 제시한 아이디어를 구체하시킨 것으로 지금은 ISA(Instrument Society Of America)에서

제어밸브의 기준 Paramerter 로 사용되고 있다 CV 는 ISA 에서 규정한 절차에 따라 실험적으로

측정된다이 CV 의 특정방법조직은 다음의 그림 40 과 같다이 CV 의 의미는 밸브전후의 차압(ΔP)이 1psi 에서 1 분당 흐르는 유량을 US갤론으로 표시한 값이고

이를 미터단위 (유량m3Hour 비중물=1 차압kgfcm2 로 표시하려면 보정계수 117 를 곱하면 된다그러나 실제로

Q=CVradicΔpG 의 식은

유체의 속도가 어느정도 이상인 그리고 밸브 전후의 배관계의 형상은 유체의 흐름에 직접적인

영향을 주게됨으로 밸브를 통한 유량 Q 는 다음의 배관형상계수 FP 를 도입하여 보정되어야 한다 즉Q=FP CVradicΔpG(us gallon 단위)Q=0865FP CVradicΔpG(미터 단위)가 된다만약 밸브내의 유동이 비난류로 판정되면 FP 의 계산은 더욱 쉬워 진다즉 레이놀즈 수를 계산하여 밸브의 FP값을 적용할 수 있다자세한 사항은How Equations for Siging Control Valves ISA-S7501를 참조한다 밸브에서의

통과 유체가 증기나 가스인 경우 계통압력의 변동에 따라 압축되거나 팽창될 수 있어

밸브유량계수의 논리적 설명은 더욱 힘들어 진다특히 가스의 경우 압력이 저하되면 팽창이 되므로 팽창계수 Y 를 고려한다 이 Y 의 값은 밸브 입구와

포트의 면적비 밸브내브의 유로 형상 압력강하비 비열비 및 리에놀즈 수에 크게 영향을 받는다 다음의 그림 41 은 밸브 및 배관계에 있어서 에너지 구배정도를 설명하는 매우 좋은 예이다 이

그림에서 각 기호는 물리적량을 표시한 것으로 모두 에너지량이다 배관계통에 있어서 밸브는 없어서는 안될 중요한 제어요소이다유량을 조절하거나 차단하고 유체가 정상적으로 흐르는가를 확인하기도 한다그러나 밸브는 배관계통상에서 원활한 유체 흐름을 방해하는 일종의 저항요소로서의 작용은 피할 수

없다 이것은 밸브에서의 압력손실을 밸브에서의 압력 손실을 KV 로 표시하면

KV=144ΔpρV22gΔP=1bfinch2 V=bfsecρ=유체의 밀도(16mft3)그런데

Cv=QradicGΔP 이므로

ΔP=KV144GV22G=G(QCV)2또는

CV=radicG2Gρ(QV)12radicKV그런데

Q(231in3gal 1min60sec 1f31728in3)=AV=πD2V4144여기서

D=배관의 직경 inchV=배관내 유체속도(ftsec)앞의 CV 항과 배관내의 유체유량 (Q)를 한데 묶으면

CV=298395 D2radicKV따라서 우리는 밸브응용에서 중요한 사실 한가지를 여기서 알아낼 수 있게 한다즉 밸브제작자로부터 4Prime의 CV=236 인 밸브를 구매하였다면 밸브에서의 압력손실계수는 다음과 같이

계산된다KV=29842(4)42362=4093~41 이 된다물론 배관계통내의 압력 유속과 유체의 밀도에 따라 KV 의 값은 변화하게 되나 일반적

공학응용에서의 완권 개방된 밸브의 형태별 KV 값은 대략 다음과 같다만약 배관내의 유체가 압축성 유체 즉 가스라면 CV 는 여기에 맞게 보정되어야 한다Q=radic520T C1CVP1 Sin(3417C1radicΔPP1)로 나타낸다 여기서 C1CV=Cg 로 표현하고 실험적으로

Cg 의 값은 개략적으로 32-36 정도의 값을 갖는다다른 방법으로는 밸브의 형상계수(Configurationfactor)와 등가오리피스 방법을 사용하여 밸브의 P를 구하는 방식이 있다 즉 밸브크기의 결정에 있어서 밸브의 유체 교축부를 등가의 오리피스

직경으로 고려하며 손실 계수 KV 를 구하는 것이다KV=b1(dLdEO)4 여기서 dL=밸브 입구의 직경(Inch) dEO=C(dL)107C=밸브의 트림형상에 따라 결정되는 형상계수

b1=계수(액체의 경우 2786 공기의 경우 3084)따라서 밸브에서의 압력손실량은

ΔP=KVρV2288g g=3864 inchsei2=00837 kvρQdL4g여기서 Q=US gaLmin(GPM)이다다음의 그림 42 는 밸브의 완전열림상태(Full Ported)를 기준으로 하는 밸브 형상 계수 C 이다 그림

43 은 밸브의 등가 오리피스 지경과 밸브 입구 내경에 대한 형상계수의 관계이고 그림 44 는 밸브

입구내경과 형상계수 C 에 따른밸브에서의 손실계수의 K 의 관계이다 그림 45 46 47 은 볼 밸브 버터플라이 밸브 및 게이트 밸브의 밸브 개도에 따른 밸브의 손실 계수 값을 보여주고 있다23 밸브의 재료학

231 재료 사양의 일반적 사항

재료 사양(Material Specification)이란 재료가 가지고 있는 물리적 및 화학적 고유 특성과 성질을

정의한 것으로써 그 특성에는 화학 성분과 기계적 성질 등이 포함된다한편 재료 사양은 기본적으 로 화학조성 기계적 성질 가공방법 또는 제품 형태별 등의 공공 성격에

따라 분류 되어지고 있다1)재료 사양(Material Specification)재료 사양 체계를 관리하는 기관으로는 여러 기관이 있으며 이들 기관은 정부로 부처 재료 사양의

관리에 대한 권리와 책임을 갖고 있다 이 중에서 강(鋼)에 대한 사양 체계로는 미국 철강협회(AISI)가

만들어 놓은 4 자리 번호 체계가 가장 널리 쓰이고 있다 그리고 이 4 자리 식별 체계는 AISI-SAE steel designation system 이라고 부른다그 외에 미국 시험 및 재료 학회(asme)의 사양 제품에 관한 사양을 만들어 내는 주요기관과 사양을

열거하면lt표 1gt과 같다232 재료 사양의 구성

기자재 설계에서 우리 엔지니어들이 업무 수행중에 가장 자주 접하게 되는 재료 사양의 몇가지에

대하여 그 구성 또는 기호 체계를 좀더 상세히 살펴보면 다음과 같다1)ASTM미국 시험 및 재료 학회 사양으로서 매년 보완하여 발행하고 산업 전반에 걸친 재료와 시험 요건을

규정하고 있으며 1990 년과 ASTM 표준은 표 2 와 같이 총 68권으로 이루어져 있다2)ASME(A) 일반ASME 코드라 하면 보통 미국 기계학회(ASME)가 발행하는 BOILER amp PRESSURE VESSEL CODE를 말하며 이 코드는 11 개 SECTION II 으로 구성되어 있고 그 중에 SECTION II 는 안정성에

적절하며 발전소 건설에 소요되는 압력유지 기기와 압력 용기의 제작 건설에 필요한 재료 사양중 다음

내용을 담고 있다① 추천되는 적용 분야와 제한 사항(suggested service application and limitations)② 실용화된 재료 가공 방법 및 제품 형태

(material processing methdos utilized and product form available)③화학 조성 미치 금속학적 성질

(chemical compositions and metallurgical properties necessary to define meterical characteristics)④ 기계적 성질의 최소값

(established minimum mechanical properties)그렇기 때문에 section II 재료 사양이 다른 section 의 지배를 받는 기기 설계에 모두 그대로

사용해도 적절 하다는 뜻은 아니다 예를 들면 sectionIII 에 의한 원자력 기기의 기술 규격서

작성시에는 sectionII 에서 기기 등급(class)별로 요구하고 있는 충격시험 비파괸시험 등을 추가로

반영한 재료 사양을 적용해야 한다는 뜻이다 한편 section I 는 PART ABC 의 3권으로 나누어져

있다PART A- FERROUS MATERIALSPART B- NONFERROUS MATERIALSPART C-WELDING RODS ELECTRODES AND FILLER METALS그리고 sectionII 중 PART A 와 B 의 재료 사양은 ASTM 사양과 내용이 동일하거나 약간 다른 경우는

압력용기 설계기준을 고려해서 몇가지 사항을 추가했을 뿐이다(B) ASME section II PART APART A 는 철강 재료를 다루고 있으며 11 가지의 제품 형태

(PRODUCT FORMS)별로 사양을 다음과 같이 대별하고 있다1 STEEL PIPE2 STEEL TUBES3 STEEL FLANGES FITTING VALVES AND PARTS

4 STEEL PLATES SHEET AND STRIPS FOR PRESSURE VESSELS5 STRURAL STEEL6 STEEL BARS7 STEEL BOLTING MATERIALS8 STEEL BILLETS AND FORGINGS9 STEEL CASTINGS10 CORROSION-RESISTING AND HEAT-RESISTING STEELS11 WROUGHT IRON CAST IRON AND MALLEABLE IRON(C)ASME SECTION II PART B 비철 재료를 다루고 있는 PART B 는 합금과 제품 형태(ALLOYS AND PRODUCT FORMS)별로 사양을 12 가지로 대별하고 있다1 ALUMINUM AND ALUMINUM ALLOYS2 COPPER AND COPPER ALLOY PLATE SHEET STRIP AND ROLLED BAR3 COPPER AND COPPER ALLOY BAR AND SHAPES4 COPPER AND COPPER ALLOY PIPE AND TUBES5 COPPER ALLOY CASTINGS6 NICKEL AND NICKEL ALLOY PLATE SHEET AND STRIP7 NICKEL AND NICKEL ALLOY OD BAR AND WIRE8 NICKEL AND NCKEL ALLOY PIPEAND TUBES9 NICKEL ALLOY CASTINGS10 NICKEL AND NICKEL ALLOY FITTINGS11TITANIUM AND TITANIUM ALLOYS12 ZIRCONIUM AND ZIRCONIUM ALLOYS(3)JIS(A)일반사항

일본 공업 표준(JIS)에 의한 철강 재료의 규격은 우선 鐵 과 鋼으로 크게 나눠지고 철은 다시 선철 합금철 및 주철로 분류되고 있다또한 보통강은 후판 박판 선재처럼 형상이나 용도별로 특수강은 강인강 공구강 특수 용도강처럼

성질에 따라서 강관은 강종과 용도별로 세분되고 있다(B)철강재 기호 설명

철강재 기호는 원칙적으로 아래 예와같이 3 부분으로 구성되어 있다예 S S 41 (1)(2)(3)(1) 강(2)구조용 압연재

(3)최저 인장강도 41 kgfmm2① 최초 부분은 재질을 표시한다예 S 鋼 F鐵②번째 부분은 규격명 또는 제품을 표시한다예 S STRUCTURAL(일반 구죠용 압연재)U SPECIAL USE(특수 용도강)

C CASTING(주물)FFORGING(단조)슈BOILER AND HEAT EXCHANGE TUBE(열전달용관)UHHEAT RESISTING(내열강)UPSPRINGUSSTAINLESS 강체COLD PLATE(냉연판)HPHOT PLATE(열연판) 등이 있고 구조용 합금강은 NCM처럼 첨가원소의 부호를 사용한다③ 마지막 부분은 재료 종류 번호의 숫자 또는 최저인장강도를 표시한다예 11 종

2A2 종 A GRADE50최저 인장강도(50 KGFMM2)(C)JIS 기계 구조용강 기호 체계

① 주요 합금 원소 기호

주요 합금원소 기호는 표 3 과 표 4 에 따른다② 주용 합금원소량 코드

표 5 는 주요 합금원소량을 구별한 것으로 탄소강을 제외한 다른 강종에 모두 쓰인다③ 탄소량의 대표치

탄소 함유량 중앙치 백분율 100 배한 수치를 적는다

예 SIZE 탄소 중앙치 012④ 부가기호

제 1 그룹은 기본강에 특수원소를 첨가했을 때 표시

(예 L납 첨가 S황 첨가 U캄슘첨가)제 2 그룹은 화학성분 이외헤 특별한 보증하는 성질을 표시

(예 H경화능 보증강 K표면 경화용 탄소강)(4)KS(A) 일반한국공업표준(KS)은 A 에서 W 까지 15 개 부문으로 대별된다A-기본 B-기계 C-전기 D-금속 E-광산 F-토건 G-일용품 H-식료품 K-섬유 L-요업 M-화학 P-의료 R-수송기계 V-조선 W-화공

(B)철강재 약어 설명

KS 철강재에 나오는 강재중 주요한 것을 열거하면 다음과 같다일반 구조용 압연강재(SS)용접 구조용 연압강제(SWS)용접 구조용 내후성 열간 압연강재(늠)고 내후성 압연강재(SPA)보일러용 압연강재(SBB)기계 구조용 탄소강재(늩ㅌㅊ)구조용 합금강 강재(SMnSCr SMnC SCM SNC SNCM SACM)

공구용 탄소강재(STC)합금공구강재(STS STD STF)고속도 공구강재(SKH)스테인리스강

내열강재

C-Cr 베어링 강재

스프링강재

타소강 주강픔

쾌삭강재

스테인리스강 주강품

타소강 단강품

합금강 단강품

(c)ks 구조용 함금강의 기호체계 ksrn 조용 합금강의 기호체계는 2023(c)에서 설명한 JISRLRp 구조용강 기호체계와 동일 하다 예회 탄소강JIS 는 S 利C 인데 비해 KS 는 SM 利 C 이다233철강의 분류 및 식별 체계

1)일반사항

공업용 철강 재료는 화학적으로 순수한 Fe 가 아니고 Fe 를 주성분으로 하여 각종의 성분 즉 C Si Mn P S 등을 품고 있으며 이러한 성분들은 철강의 성질에 중요한 영향을 준다금속 조직학상으로는 C 20 이하를 강 C 20 이상을 주철로 규정하고 있으나 C 13-2 5의 범위는

실용성이 적으므로 공업적인 생산은 별로 하지 않으며 주철의 탄소 함량은 보통 25-45 범위에

있다또 위에서 말한 철강 중에 5 성분 외에 특수한 성질을 얻기 위해서 특수원소 즉 Ni Cr W Mo 등을

철강중에 부가하거나 또는 위에 적은 5 원소 에속하는 것이라도 특수한 성질의 부여를 목적으로

함유량을 많게 하는 것이 있다 예를 들면 Si 를 많이 품은 규소강 Mn 을 많이 품은 냄마모강 등에

특수강(Special Steel)또는 합금강 (Alloy Steel)이라 하고 이에 대하여 보통을 강을 탄소강(Cardon Steel)이라 하고 철광석 제련의 산물 제강 그밖에 원료로서 쓰일 때 선철 (Pig Iron)이라 부른다 KS DOO41 철강용어에서는 합금원소의 최저 함유량 기준에 대해 표 6 과 같이 일본 관세협력이

사회(Customs Cooperation Council)에서 분류하는 화학 성분에 따른 합금강 규정을 채틱하고

있다 편의상 합금워소 함유량의 다소에 따라서 고합금강 또는 저합금강이라 부르는수도 있다2)AISI(A)일반미국 철강 협회 (AISI)에서 탄소강과 합금강을 정의내린 규정을 살펴보면 다음과 같다1 탄소강(Carbon Steel)탄소강이란 탄소를 보통 006sim20 품고 있으며 기타 합금원소는 조금씩 존재하되 특히 다음

원소는 제한된다 Mn 165 maxSi 060 maxCu 060 max한편 탄소강을 Plain Carbon Steels Mild Steels Low-Carbon Steels 또는 Straight-Carbon Steels 이라고 부르기도 한다

2합금강(Alloy Steels)탄소가 1 이하 들어간 철로써 망간 165 규소 06중 1 가지라도 함량이 넘거나 알루미늄 크롬 (최대 399) 코발트 몰리브덴 니켈 티타늄의 여라 합금원속 첨가된 강을 지칭함단 합금의 총합은 5 미만이어야 한다(B)탄소강 및 합금강의 식별체계미국 철강 협회는 미국 자동차 학회 (SAE)가 채택하고 있　

식별체계는 탄소강과 합금강을 식별하는데 가장 널리 쓰이고 있으며 그 식별체계는 4 자리로

구성되어 있고 주요 그릅을 요약하면 표 7 과 같다(1) (2) (3)1첫째자리 숫자는 주요 합금원소를 표시함1Carbon2Nickel3Nickel - Chromuium4Molybdenum5Chromium6Chromium - Canadium7Tungsten - Chromium89Multiple Alloy2둘째짜리는 대체로주요 합금원소의 함량 ()을 표시함 예 23利니켈을 약 3 함유

3마지막 2 자리 숫자는 탄소 함량의 중간치 ( 100)을 표시하며 탄소가 10이상일 때에는 3자리가 됨 예 1040 탄소함량 040 (C)스테인리스강을식별 체계

1가단 스테인리스강

가단 스테인리스강(Wrought Stainless Steel)의 식별을 위해 AISI 와 기타 규제 기관들이 공통으로

채택하고 있는 기

관들이 공통으로 채택하고 있는 체계는 3 자리로 구서되어 있다 (1) (2)(1)첫째 자리는 주성분을 표시함 2利크롬 니켈 망간을 주성분으로 함

3利크롬-니켈 합금

4利크롬 합금

5利원래는 석출경화형에 쓰였으나 현재는 AISI 가 이식별 체계를 버리고 대신에 UNS 체계를

사용하고 있음(2)마지막 2 자리는 특별한 의미가 없으며 스테인리스강을 발전에 따라 고유번호를 붙여왔음2스테인리스 주강

스테인리스 주강을 식별을 위해 미국 주물 학회 (ACIAlloy Casting Institute)가 채택하고 있는

주요 Cast Alloy Designation 을 AISI 의 가단 스테인리스강 Type 과 비교 하면 표 8 과 같다 여기에서 ACI 식별 번호의 첫째 자리중 C 는 내부식 용도를 뜻하고 H 는 내열 및 내산화 용도를

말한다 한편 스테인리스강 주강품에 대하여 KS애소 규정하고 있는 종류를 ASTM 이나 ACI 의 식별

번호와 비교하면 표 9 와같다3)Unified Numbering System(A)일반사항

1Unified Numbering System(UNS)이란 철강을 포함한 모든 금속 합금의 식별 체계를 만족시키가

위하여 미국 재

료 및 시험학회 (ASTM)와 미국 자동차 학회(SAE)가 공동으로 개발한 재료 식별 체계이다2UNS 는 합금의 조성과 특성은 언금하지 않는다다만 AISI 나 다른 재료 사양 작성 기관이 만들어 낸 재료 사양을 총제적으로 식별하고 있을 뿐이다2UNS 는 기존의 재료 사양을 대체해 가는 과정에 있다

(B)구성

UNS 는 5 자리로 구성되어 있으며 대체로 기존 식별 체계를 다음과 같은 형태로 포용하고 있음예 1탄소강 AISI 1020 rarr UNS G10200 2스테인리스강 Type 316 rarr UNS S31600 Type 316 rarr UNS S316513UNS 의 기본 시리즈는 lt표 10gt과 같음4UNS 번호를 부여하는 책임 기관은 lt표 11gt과 같음4)철강 제품의 종류 및 제조 공정

철강 제품에 대한 일반적인 제품의 혀애와 그 제조 공정 및 제품별로 그 사이즈에 대한 저으이는

관련ㄱ 재료 사양을 참조하면 된다한편 ASME B311 Power Piping에서 파이프와 튜브에 대하여 그 차이를 다음과 같이 정의를

내린고 있다-Tube-단면의 형태가 어떠하든지 구멍을 가지고 있으며 그 구멍의 외곽형태가 연소적인 재푸미을

말한다(A tube amd a hollow product of round or any orher cross section having a continnous periphery)-Pipe-단면의 형태가 구형인 튜브를 말함(Apipe is a tube with a round cross section conforming to the dimensional requirements for nominal pipe size as tabulated in ANSIB3610 Tables 2 and 4 ANSI B3619Table 1 For special pipe having a diameter not lisred in these Tables and also for round tube the nominal Diameter corresponds with the outside diamenter234 재질의 특성과 선택

유체제어에 있어 밸브는 유체성의 특겅 즉 압력 온도 및 물리화학적 특성등에 견딜 수 있는 재질로

제작되어야 한다 따라서 밸브용 재질로 널리 사용되는 철강의 종류는 이들의 모든 특성을 고려해야

하기 때문에 의외로 매우 다양하다재지르이 선택기준은 유체의 온도특성 그리고 물리화학적 특성이 우선적으로 고려된다 약 1세기여에 걸쳐 이 분야에 대한 공업선진국들의 노력은 가히경탄할만 하다특별히 유체의 화학적 특성에 대한 부식(Corrosion) 문제와 물리적 특성에 주로 좌우되는 침식

(Erosion) 문제는 밸브 자체의 가치손실뿐만 아니라 전체 계통에 대한 손실비용을 더욱 크게하고

아울러 시간이 흐를수록 이 손실비용은 점차 커질수 있다는 점이다

일반적으로 산(酸 acids)를 취급하는 밸브는 그 용액의 농도에 따라 밸브 재질에 대한 부식력도

달라진다 황산과 같은 경우에는 온도가 낮아지면 용액이 이온화되기쉽기 때문에 산용액은더욱

부식을 촉진시킨다 온도는 밸브 재질의 선전에 있어 가징 중요한 요소이다간단한 예로서 화학반응(부식과정)의 정도는 10상승시마다 2 배로 부식율이 촉진된다는 것이다 따라서 38의 유체를 퀴금하는 밸브는 부식이 발생하지 않지만 같은 화학적 조건에서 유체온도를

150로 높일 경우에는 부식이 급격히 촉진되는 경우가 이의 예이다아울러 온도가 높아지면 밸브재료로서 금속이든 비금속이든간에 물리적 특성이 변화되어 압력에

대한 저항오 떨어지는 것이다 이외에 밸브의 압력경계면에 있는 트림은 압력상승에 의한 재질간에

마찰 마모 및 긁힘등의 문제와 유체의 물리적 성상으로 유체의 속도 불순물 입자의 혼입과 이들

입자의 운동에 의한 침식문제등이 밸브 재질의 설계시 또는 선정시 주된 요소로 고려되어야한다 다음의 그림 48 은 우리나라 밸브업계에서 주로 쓰이는 밸브 몸체와 본네트 재질에 대한 재질코드를

미국재료학회 코드 기준으로 정리한 것이다 어율로 밸브 몸체에 따른 본네트 볼트의 재질도 아울러

표기하였다다음의 표 13 은 우리나라 밸브업계에서 주로 쓰이는 밸브 몸체와 본네트 재질에 대한 재질코드를

미국 재료학회 코트 기준으로 정리한 것이다 아울러 밸브 몸체에 따른 본네트 볼트의 재질도 아울러

표기하였다 그러나 표 13 의 데이터는 실제 사용환경과 비교 다음과 같은 일반적 주의 사항을 염두에

두고 재질의선정을 하여야 할 것이다즉 고려사항으로써 (1)탄소의 함유량은 가능한한 025 를 넘지 안항야 밸브를 배관고 용점시 별

트라블이 없을 것임으로 025이하로 탄소함유량을 제어하는 것이 좋다(2)탄소강 C-Mo강ㅡ Cr-Mo강의 경우에 있어서 고온상태로 장기간 운전할 경우 입계등에서

흑연화현상이 발생하여 밸브구조가 취약하게 될 염려가 있으므로 다음과 같은 사용온도 이상에서는

사용시간을 고려하여 밸브를 선정하거나 계통의 운전모드를 설계하여야 한다(3)고온산화현상에 의한 스키일 발생을 주의하여햐 한다 다음은 고운에 장기간 사용시 스케일 (산화현상)의 발생이 염려되는 온도이다1-14Ci-12Mo (ASTM A182-F11)586(1050)2-14Cr-1Mo (ASTM A182-F22)565(1050)5Ci-12Mo (ASTM A182-F5)593(1100)(4)고온 고압의 수소한경에 있어서 강은 수소를 흡구하여 재질 특성이 취약해지는 경우가 실제로는

매우 심각한 문

제를 야기한다이를 수소취성화라고 말하는데 이는 수소가 강 입계에 침입하여 탄화물을 분해하여 탈탄과 아울러

입계에 균열을 발생시킨다이는 밸브구조의 압려구부를 총체적으로 파괴할 수 있으므로 매우 주의하여햐 한다(5)저온용의 F 효선정에 있어서는저온에 의한 취성을 고려하여햐 한다이를 방지하기 위하여 저온용 재료는재질상의 결함이 없을 것 사용조건에견딜 수 있는 인성이 있는

재료일 것 용접이 및 가공이 좋은 재료일 것 내식성이 양호할 것등이다235 밸브 트림의 재질

(1) 트림재질의 내마모 및 내 Galling 특성

밸브트림은 유체와 직접 접촉한다는 사실과 함께 유체제어를 위한 기계적 운동을 동시에 수행하게

됨으로 밸브 부품중 가장 가혹한 환경에서 운전하는 부품이다아울레 트림은 이러한 특성으로 인하여 침식부식등의 손상이나 오랜 사용으로 인하여 노화될 때

언제든지 교체될 수 있어야 하는 부속품이다 따라서 밸브트림은 재질은 트림 재질간의 기계적 운동에

의한 긁힘 또는 마모등의 문제에 대하여 강한 특성을 가져야 한다 이러한 재질간의 긁힘(Galling)특성에 대한 것은 첫째 친화력이 높을 수 밖에 업는 같은 종(種)의

재질간과 둘째 뚜렷하게 전위차가 큰 재질 셋째 오스테나이트 스텐레스으로써 같은 강종이거나

경도가 유사한 경우에는 친화력이 높아 밸브트림으로써 접촉부 즉 운동부에는 이들을 같이 사용하는

것은 금지하여야 한다 다음의 표 15 는 밸브 트림재질로서 마모 및 긁힘 특성을 보여준다(2) 운전온도에 따른 트림 재질

유체의 온도가 높을 때에는 밸브 몸체의 열팽창과 밸브트림의 열팽창간에 차이가 생기게 되는데

일반적인 밸브 트림재질에서 유체의 온도가 약 450F (268C)를 전후로 이 온도이상으로

운전하는 밸브는 운전압력이 높아 밸브의 살 두께가 매우 두껍기 때문에 밸브 몸체 내부의 구조적

불연속에서 생기는 열변형이 크게 제약받게 된다 따라서 트림부를 지지하고 있는 밸브의 크로치(Crotch)부분에서는 밸브 몸체의 열 변형에 비하여 큰

변형이 생길 수 있기 때문에 특별히 밸브의 시팅구조 부분과 결부하여 전체적인 밸브의 구조적

건전성에 특히 주의하여야 한다 즉 운전온도가 높을 경우에는 밸비 케이지와 같은 부품은 가능한한

구조적인 불연속부가 적은 밸브의 본네트에 가깝게 설치하여 케이지 아랫면의 열변형이 가능한한

구속이 덜 받도록 설계하는 것이 한 방법이다 아울러 트림재질도 재료의 특성상 사용온도에 한계가 있다 다음의 표 16 은 밸브용재질에 있어서

사용온도의 한계를 보여준다(3) 유속에 의한 침식(Erosion)을 고려한 트림재질

유체 계통의 운전에 있어서 밸브의 압력제어범위가 크거나 높은 차압을 밸브에서 제어해야할 경우

밸브의 제어 교축부인 디스크와 시트에서의 유속은 경우에 따라 음속을 뛰어넘은 엄청난 속도로

에너지 변화된다 이때에 밸브트림은 유체의 제반에너지 변환특성 즉 케비테이션이나 후라싱 또는

쵸오킹이 수반되고 이 과정중에 밸브 드림은 유체 임자의 계속적인 충돌로 표피(表皮)에 손상을

입는다 이러한 현상을 침식이라고 한다 대부분의 제어밸브 트림은 정도의 차이는 있지만 침식에

의한 손상을 받을 수 밖에 없다 특히 케비테이션이나 후라싱 서비스를 전젤 운전되는 밸브는 주기적으로 점검하고 정기적으로

예비트림부품으로 트림을 교체해야 될 정도로 침식의 정도가 심한 것으로 이러한 제어밸브의 사례는

자주 경험된다 제어밸브 특히 가혹한 운전조건에서의 트림재질은 앞서 언급한 내마모성과

내부식뿐만 아니라 강력한 내침식성이 요구된다 대표적인 내침식성 재료로는 스텔라이트(Stellite)가 널리 쓰이는데 가장 대표적인 Stellite No6 의

경우 비교적 저가 이면서 용접성 및 가공성이 비교적 양호하여 많은 밸브 제작자가 트림재질의 내마모

및 내침식 보강용으로 많이 선택하고 있다 다음의 표 17 은 밸브트림 재질별 내침식 특성을 보여준다31 밸브의 종류에 대하여는 1994 년 3월호에 개괄적으로 기능별 형태별 운전특성별로 이미

설명하였다대략적으로 밸브의 종류를 밸브 형태 및 기능상의 제어방법에서 구분하여 보면 약 800~1000 여종이

될것으로 예상된다 이토록 밸브의 종류가 많다는 것은 대부분의 밸브가 전형적으로 주문에 의해

제작되는 특수성에 기인한다 이는 밸브사용의 목적이 워낙 광범위하고 없어서는 안될 프로세스의

핵심제어요소이기 때문이다17 세기부터 일기 시작한 산업혁명이라는 인류역사의 가장 커다란 지적혁명을 갖기 이전에는

프로세스간의 제어요건도 매우 간단하였다 따라서 지금과 같이 여러종류의 프로세스의 제어목적에

맞는 밸브가 필요없었을 지도 모른다그러나 지금의 산업의 고도화와 거대화 그리고 단위 프랜트당 높은 생산성을 요구하고 아울러

엄격한 고도의 통제 장치가 필요하게 됨에 따라 어더 조건하에서도 제 성능을 유지할 수 있는 정교한

구조의 밸브들이 필요하게 되었다 이들 목적에 부합하는 밸브들은 산업발전의 추세에 따라

계속적으로 더욱 늘어나게될 것이다 본장에서는 밸브 기술자 또는 밸브 사용자들이 알아 두어야 할

밸브의 종류 및 기능을 분류하고 각각의 특징에 대하여 밸브 사용자의 입장에서 정리하는 것이다 밸브의 설명은 필자의 편의상 영문의 알파벳 순으로 정리한다311 볼밸브(ball valve)볼 밸브에 대하여는 아직도 정확한 의미의 밸브형식을 정하기 곤란한점이 있다 왜냐하며 볼 밸브의

형식은 프러그 밸브의 한 유사종 밸브로 생각할 수 있으며 볼 자체가 후로팅되어 있는 것을 생각하면

구형(球形) 볼밸브(spherical ball valve)라고 정의할 수도 있기 때문이다 나머지 모든 운전동작이나

기밀유지의 형식 구성상의 특징등이 프러그 밸브와 같다볼 밸브는 프러그밸브의 사촌인 셈이다 볼 밸브는 90 도 회전밸브로서 매우 양호한 기밀유지 특성을

갖고 있다 볼을 감싸고 있는 시트는 기밀을 확실하게 하고 또한 비교적 적은 운전토크를 갖는다 아울러 볼의 유로형상이 원형으로 밸브 입출구의 형상(원형)과 같은 모양이기 때문에 유로저항도

매우적다 이는 범용의 밸브 중에서 특히 저압의 상온 유체를 차단 제어특성을 갖고 있다는 것이다 따라서 거의 모든 볼 밸브는 full port 보다는 연결배관의 호칭직경보다 작은 구경의 유로경 즉

reduced port 를 갖는다이외에 같은 호칭직경을 가진 타 종류의 밸브보다도 간단한 구조 보수의 용이성 제작성의 편리성등

경제적인 측면이 많은 반면 시트구조의 치밀성 시트재료의 제한 및 배관 계통의 설치 주의사항등

단점도 있다일반적인 볼밸브의 운전환경은 밸브의 크기에 따라 제약을 받지만 온도-압력기준(pressure temperature rating)으로 보면 운전온도의 범위가 130~230 운전압력의 경우 25torr(초고진공)~400bar 까지 견딜 수 이쓴 볼밸브(high performance ball valve)의 제작도 가능하다볼 밸브의 적용성은 매우 다양하다 일반적인 청수(淸水) 솔벤트 산류(酸類) 가스 천연가스등의

유체수송은 물론 산소 수소 메탄 에틸렌 과산화수소등의 매우 위험한유체 수송에도 널리 쓰인다 그러나 사용상의 제약은 결국 불을 잡아주고 볼과 밸브 몸체의 기밀을 유지하는 씰(seal)구조의

재질사양에 달렸다 앞으로 볼 밸브의 기술적 과제는 기밀유지 접촉부위의 재질선정과 구조의

기술혁신에 있다고 할 수 있다다음 그림 50 은 일반적인 볼밸브의 시트 구성 재질에 따른 운전압력을 보여준다(1) 볼밸브 형식

볼밸브의 몸체형식은 몇 조각의 몸체로 구성되어 있느냐로 정해진다 거의 모든 볼 밸브는 설계 및

제작상의 용이점 때문에 2-piece 또는 3-piece 로 구성되어 있다 그러나 소형의 볼 밸브 및 중대형의

볼밸브는 1-piece 또는 2-piece 로 된 것이 대부분이다 볼 밸브의 볼 구성형식은 플로팅타입

(floating type)과 트러니온(trunnion type)으로 구분되고 볼의 삽입 방법에 따라 톱엔츄리

(topentry)타입과 엔드 엔츄리(end entry)타입이 있다 플로팅 타입은 볼밸브의 시트링에 의해

고정점으로 하여 트러니온과 베어링에 의해 지지되는 구조이다(2)시팅재료

볼밸브에 있어서 가장 중요한 핵심적인 요소는 시팅이다 대부분의 볼 밸브는 탄력성이 좋은

ptee(polytrafluore ethylene)가 가장널리 쓰이고 유체의 부식특성에 따라 특별한 용도의 것으로

나이론 bnna n 성형흑연(graphite) 및 ptee 에 성형 흑연분말을 함침한 씰링 제료가 있다 볼 밸브

시팅재료에 있어 볼과 씰링재료가 금속인 경우가 가장 이상적이지만 볼과 씰링면의 정밀가공이

전제되어야 함으로 어떤 특정용도에 한정된다메탈시팅구조의 볼 밸브는 이러한 제작 가공상의 어려움으로 상대적으로 매우 고가의 밸브 제품으로

분류된다 특히 가스용의 볼밸브인 경우에는 시트에서의 완전기밀이 보장(bubble tight shut off)이

되어야 함으로 시트가 스프링에 의하여 일정한 가압력이 작용되도록 설계된 것이 많고 화이어테스트

(fire test)등의 규격요건을 만족하기 위해서도 중대형의 볼 밸브 구조ㅡ 특히 고성능을 요구하는 볼

밸브는 메탈시트 또는 탄력성이 좋은 합성수지의 시트에도 스프링 가압방식의 시팅구조를 채택하고

있다이러한 경우 계통중의 어떤 이물질이 시팅부위에 혼입될 경우 4rm(015)정도의 초정밀 폴리싱

(supper polishing)된 볼의 표면이 손상될 염려가 크므로 특별히 크롬이나 니켈등을 포함한

고강도의 재료로 하드훼이싱(hardfacing)하여야 한다 볼 밸브에 관련된 미국의 산업규격은 앞장에

있다321 버터후라이 밸브

버터후라이 밸브도 볼 밸브 프러그밸브와 마찬가지로 90 도 회전밸브 이다특히 밸브구경 대비 밸브 노즐면간의 길이가 매우 짧은 콤팩트화된 밸브로써 밸브 구조상의 여러 가지

독특한 장점이 있다 그 예로써 밸브의 구경 대비 밸브 무게가 거의 같은 역할을 수행하는

게이트밸브에 비하여 60~70 정도이고 볼 밸브나 프러그 밸브에 비해서도 20이상 가볍다 또

밸브의 무게중심의 볼 밸브와 같이 배관 중심선과 거의 일치함으로 배관계의 구조를 보다 건전하게

한다 물론 밸브의 구성부품수도 적기 때문에 제작도 용이하고 밸브 구경 대비 가격도 저렴한 편이다특히 웨이퍼(wafer)타입의 버터후라이밸브는 밸브의 크기 및 콤팩트성 가격 제작의 용이성 설치의

편이서 배관계의 구조적 안정성 밸브의 유지보수 측면에서 어쩌면 가장 합리적인 밸브타입으로 볼

수 있다 위와 같은 여러 설계인자로 인하여 버터후라이 밸브는 밸브구경이 커지면 커질수록 장점이

돋보인다 계통의 운전조건에 따라 다르겠지만 밸브의 호칭직경이 20 인치(500mm)를 넘는 대형의

밸브는 거의 모두 버터후라이밸브이다헌재까지 기록상으로 호칭직경 10000mm(10m)의 버터후라이밸브가 생산되었고 차후바닷물의

조수(潮水)발전이나 해양 온도차에 의한 해양발전등 대규모 에너지 개발 프로젝트가 실용화되려면

이보다 훨씬 큰 버터후라이밸브가 제작되어야만 할 것이다단점으로는 디스크와 시트와의 기밀유지 기술이 타 밸브에 비하여 까다로우며 디스크의 구조상

유체흐름과 대칭상태로 힘을 받기 때문에 높은 차압을 요구하는 계통에는 진동 및 소음등을

유발하므로 적용하는데 어렵고아울러 밸브 크기가 클수록 디스크에서의 면압 및 운전토오크가

커지기 때문에 압력이 높은 계통에서의 버터후라이밸브 선정은 제약을 받는다(1) 버터후라이 밸브의 시팅구조

버터후라이 밸브의 시팅구조는 볼 밸브와 마찬가지로 탄력성이 좋은 천연 또는 합성고무 불소수지등으로 만든 시트에 금속 제의 디스크면이 접촉하여 기밀을 유지하는 구조가 범용의 저압

프로세스용 버처후라이밸브에 널리 채용되고 있으며 증기 서비스와 같이 비교적 고온 유체의 제어 및

계통 압력이 20bar 를 넘거나 밸브간 차압이 5bar 이상을 제어하여야 하는 경우에는 메탈시트

(metal to metal contact)또는 고성능 버터후라이밸브를 채용하는 것이 권장된다hpbv 는 버터후라이밸브 제작사중 기술력이 좋은 일부 밸브로써 각사마다 독특한 구조의 시팅구조를

선보이고 있다 그러나 hpbv 의 기본적인 시팅구조의 형식은 디스크와 디스크 축이 편심상태로

설계된 에쎈트릭 디스크구조가 대부분이다 다음의 그림 51 은 일반 법용 버터후라이밸브의

시팅구조를 그림 52 53 5455 는 고성능 버터후라이밸브의 시팅구조와 운전특성을 보여준다(2)버터후라이 밸브의 형식

버터후라이 밸브의 형식은 밸브 몸체의 연결방식과 디스크-시트의 시팅구조의 차이점에 따라 수분할

수 있다 우선적으로 밸브 몸체의 구성방식으로 보면 프랜지형 웨이퍼형 프랜지 관통형으로

구분되면 시팅구조로 보면 디스크와 디스크 구동축이 밸브 몹체의 중심과 일치하는 콘쎈트릭

(concentric)구조와 구동축이 편심되어 있는 에쎈트릭(eccentric)구조로 구분할 수 있다이렇게 기하학적으로 시팅구조가 상이한 것은 시팅의 역학적구조가 밸브의 기본기능인 압력기준 및

완벽한 유로차단기능에 있어서 전자의 경우는 낮은 압력 또는 rubber lined 후자의 경우는 높은

압력 또는 high performance를 갖는다는 뜻을 포함하고 있다(3)버터후라이 밸브의 운전특성

버터후라이 밸브의 운전특성은 디스크 형상의 특성상 독특한 운전특성을 갖고 있다 운전특성은 첫쩨 밸브 개도의 정도에 따라 밸브의 운전토오크가 크게 변화되고 둘째 밸브 시팅에 비교적 큰 토오크가

필료하며 셋째 유량조절시 저개도 운전시 유체 와류현상에 의한 밸브 운전의 불안정성을 들 수 있다 이러한 버터플라이밸브의 운전 특성으로 말미암아 밸브의 구조적 측면에서 많은 장점에도 불구하고

버터후라이 밸브의 적용은 제한 받을 수 밖에 없다밸브의 운전 토오크는 밸브에서의 부하차압(밸브는 계통에 있어서 제어요소 이기 때문에 밸브

전단의 계토압력과 후단에서의 계통압력은 제어요소인 밸브에서 감당하는 경우가 대부분이다 이때

밸브가 수용해야 하는 계통간의 차압을 부하차압이라고 한다)의 정도에 따라서 크게 차이가 난다 한

예로써 범용 고무라이닝된 4 ANSI CLASS300 의 버터후라이 밸브는 일반 청수를

서비스할때100 완전개도시 경험상 10PSI(07BAR)의 차압을 유지하는 것이 권장된다 이런 경우

유속을 9msec로 하면 최대 유량은 1186 GPM(269tonhour)이 된다 이때의 필요 토오크는

시팅되어 있는 디스크를 떼어냄는 힘(breakaway torquid)를 포함하여 24~~25kg~m 가

필요하다그러나 개도가 70정도가 될 때는 차압이 증가되는데 이는 밸브 디스크와 시트의 교축이 원인이 된다이때 차압이 22psi(15bar)정도 생기며 유량은 1313gpm(298tonhour)정도로 증가된다 이때의

운전토오크(dynamic operating torque)는 100개도시의 운전토오크에 비하여 적어도 10배이상의 코오크가 소요된다그림 56 은 버터플라이밸브에 있어서 시팅토오크가 없는 이성적인 조건하에서 밸브 개도에 따른 운전

토오크의 변화를 보여준다 시팅토오크를 무시할 수 있는 밸브는 실제적으로 버터후라이 밸브에서는

없다 단지 이 그림은 운전중 밸브스템의 토오크변화 특성을 설명하기 위한 것이다실제로는 그림 57과 같이 닫힌 밸브를 열기 시작할때는 닫았을 때의 시팅 토오크이상의 토오크가 필요하다 이

토오크를 브레이크어웨이토오크라 한다통상적인 모든 버터플라이밸브는 브레이크어웨이 토오크가 실질적인 밸브 조작토오크가 된다 따라서

버터플라이밸브의 운전 토오크는 계통운전조건의 압력-온도에 의한 토오크 보다 시팅력에 필요한

토오크에 200이상의 토오크를 더 계산한 브레이크-어웨이 토오크를 가지고 사이징하여야 한다 시팅코오크를 구하는 방법은 메탈시트의 경우 다음과 같은 안을 제시한다다음의 그림 58 을 참조한다입력항목p=시트접촉면압

b=사투접촉의 폭

R=시트의 반경

α=시트의 각도함수=(π2)-시팅각도

Θ=디스크의 시팅 유효각도

μ=시트와 디스크면의 마찰

계수 계산 시팅토오크

TS=2Pbr2((1tanα)sinΘcosΘ+Θ)+2μsinΘ)따라서 총 필요토오크는 경험상 Tt=Ts+(스템부 마찰에 의한 토오크)+(정수력학적 토오크)가된다 다음의 그림 59 는 범용 버터플라이밸브의 밸브 개도별 차압 및 유량의 관계를 설명하기 위한

그림이다 그림 60 은 범용 버터후라에밸브의 크기별 차압별로 버터후라이 밸브의 총 조작토오크의

경향을 보여준다여기 그림에서 가르키고 있는 수치는 대부분의 테프론라인드 버터플라이밸브에

적용될 수 있는 수치들이다만약 미터단위로 환산하려면 다음과 같이 한다1 psig=6894PKa=00684bar1GPM(water)=63 10E6(m3sec)=000378(m3Min)=02268(m3hour) 1 1b-in=011298 N-m=001152kgf-m1렌=03048msec표 18 은 버터플라이밸브에 있어서 밸브개도와 차압에 따른 이론적인 유량과 이에 다른 유속을 계산해

본 결과이다 다러서 실제적으로 일어날 수 있는 케비네이션과 같은 현상은 무시되었다그러나 이

표는 다음과 같은 버터플라이밸브만이 가질수 있는 특송을 보여주고 있다즉 (1) 밸브개도 80 90일 때 밸브간에 생기는 차압은 일정하지만 유량은 다르다(2)밸브개도가 60이상이 되면서부터 차압의 증가율이 낮아진다(3)밸브개도가 70 80일때의 차압의 변화율과 유량의 변화율은 상호 비례관계를 갖지 않는다 이와같은 버터플라이밸브에서는 밸브개도 60 90사이에서는 유량과 차압의 변화특징이 많음으로

실제 범용의 버터

후라이 밸브에 있어서 개도조절에 의한 유량제어에의 적용에는 무리가 따름을 알 수 있다(4) 버터플라이밸브 관련 산업규격

API STD598Butterfly Valves Inspection and TestingAPI STD609Butterfly Valves Lug and Wafer Butterfly ValvesASTMF1098 Standard Specification for Envelop Dimensions For Butterfly Valves-NPS 2 to 24AWWA C504 Standard for Rubber-Seated Butterfly ValvesJIS B 2032 Wafer Type Rubber-Seated Butterfly ValvesJIS B 2064Butterfly Valves for Water WorksMIL V-24624 Valves Butterfiy Water and Lug Style Ship-Board Services

MSS SP-67Butterfly ValvesMSS SP-68 High Pressure-Offset Seat Butterfly ValvesUL 1091 UL Standard Safety Butterfly Valves for Fire Portection ServicesUL 1091 Outline of Investigation for Btterfly Valves Indicator Posts for Fire Protection Service313 체크밸브(check valve)체크밸브는 운전특성상 자력으로 또한 밸브의 트림 또는 동작부가 어떻게 운전하고 있는지를

스스로만 가르키는 밸브 중 가장 유별난 밸브의 한 종류이다 또 유테의 흐름을 한 방향으로만

유지하기 때문에 영어로non-return밸브라고 한다체크밸브에 대해서는 심도있는 연구로 체크밸브 응용에 따른 워터햄머(수격)등의 문제점들이 상당히

해결되어가고 있다 이들 문제점들의 해결방안이란 계통의 운전특성에 따른 최적현상의 체크밸브의

운전거동을 계통의 유체 흐름현상 해석에 결부시켜 해석하고 이 해석결과에 따라 보다 정밀하게

설계된 체크밸브 그리고 올바른 설치를 엔지니어링 하는 일련의 과정이다 체크밸브의 기본적인 종류

및 운전특성에 대하여는 밸브의 구조에서 이미 언급하였다따라서 본 장에서는 보다 실질적인 체크밸브의 운전특징과 종류별 선정기술에 대하여 설명한다체크밸브는 대별하여 6 종류로 구분할 수 있다 모든 밸브 기술자들에게 익숙한

스윙체크밸브에서부터 최근에 보다 많은 호평을 받고 있는 듀얼프레이트체크밸브 통상 4(100A)이하 특히 2(50A)이하에서 널리 채택되고 있는 리프트체크 유체 흐름저항이 적고 스윙길이가 적어

스윙체크밸브보다 빨리 닫힐 수 있는 기하학적 이점으로 인하여 디스크의 슬램현상이 감소되는

틸팀디스크 체크밸브 소위 인라인 체크밸브 그리고 마지막으로 그로브밸브와 체크밸브를 한데 묶어

두가지 기능을 각기 수행할 수 있게 한 스톱체크 밸브가 있다체크밸브를 올바르게 선정하기 위해서는 우선 계통설계자가 체크밸브에 대하여 잘 알아야 한다 왜냐하면 체크밸브는 계통의 운전특성에 따라 각기 다른형식의 체크밸브가 필요하기 때문이다 체크밸브를 올바르게 선정하기 위한 선정인자들을 아래와 같이 정리하였다 밸브의 형식 모양 계통의 운전 요구사항 특성등에 따른 정보들이다(1)스윙체크밸브(SWING CHECK VALVE)스윙체크밸브의 운정특징은 힌지핀을 중심으로 디스크가 유체의 흐름량(유속)에 따라 디스크가

열림으로 밸브가 개방되고 유체가 정지(유속=0)함에따라 밸브 추구특의 압력과 디스크의 무게에

의해 닫히는 구조이다따라서 유체흐름의 중심과 힌지핀의 거리가 다른 어느 종류의 체크밸브보다 길어유체계통의 손상에

의한 급격한 역류 발생시 밸브닫힘(디스크 닫힘)시간이 비교적 길어지고 아울러 밸브디스크와

힌지핀을 연결하는 디스크와 암등내부 트림구조 보다 큰 충격력이 작용한다 따라서 계통 및 밸브

보호를 위해 유체의 흐름이 불 균일 하거나 유속이 빠른 유체계통에서는 스윙체크가 리프트 체크 및

틸팅디스크 체크밸브보다 불리하다 특수한 것으로는 힌지핀에 레버 또는 레버중추(LEVER WITH COUNTER WEIGHT)를 부착하여 디스크의 닫힘시간을 조정할 수 있도록 한 것도 있다이러한 레버중추를 설치한 체크밸브는 유속이 비교적 빠르고 맥동이 있는 라인에 적용될 수 있으며 유체계통의 운전상황에 따라 체크밸브의 운전특성을 변경시킬 수 있는 장점도 있다 다음의 그림 61은 미국의 KALSI엔지니어링사에서 연구한 체크밸브(6와 3)의 설치 위치 및 방법에 따른 디스크의

떨림정도를 요약한 그래프이다그래프에서와 같이 체크밸브(스윙)를 엘보우 후단에 설체(3밸브의 경우에는 엘보우 후단에서 2D

위치에 설치한 경우를 LD=0 로 보면 됨)한 BASELINE떨림(배관계통의 정상적인 유체맥동에 따라

발생하는 디스크의 떨림)보다 2~4 배의 디스크 떨림이 있었으며 유체계통의 흐름이 난류인

경우에는 4~15 배의 떨림이 LD=5 이내의 스윙체크밸브의 경우 엘보우 티이 또는 제어밸브와 같은

난류원에서는 충분한 거리를 유지하여 설치하여야 한다는 것이다즉 체크밸브의 안전한 운전을 보장하기 위해서는 난류원에서 5D 이상의 거리를 두어설치하여야

한다 여기서 L 은 배관의 길이를 말하고 D 는 배관의 호칭 직경 또는 밸브의 호칭크기를 말한다 그림

62 는 엘보우와 같은 난류원이 체크밸브에 어떻게 영향을 미치는가를 도식한 것이다 스윙체크밸브

선정을 위한 유체흐름특성 및 유속과의 관계를다음과 같이 요약할 수 있다(2)리프트체크밸브(LIFT CHECK VALVE)리프트체크밸브는 맥동이 있는 유체나 비교적 유속이 높은 배관계통에 적합한 구조를 갖고 있다 예로써 체크밸브의 디스크가 완전 개방되는데 필요한 유속이 수윙체크밸브의 경우에는 48SV 내외인

반면 리프트체크밸브는 설계방법에 따라 다르지만 55~140SV 가 필요하다 여기서 SV 는 유체의

비체적이다 유속의 단위는 Ftsec 따라서 앞서의 스윙체크밸브의 적용이 곤란한 경우 비교적 간단한

구조와 신뢰성 높은 구조인 리프트체크밸브가 넓게 쓰인다그렇지만 유속이 낮은 배수계통이나 단순한 GRAVITY FLOW 에의 적용에는 신중을 기하여야 한다 리트트체크밸브의 몸체 구성형식은 이미 21 장에서 구체적으로 언급하였고 여기서는

리프트체크밸브에 있어서의 단점 몇가지와 함께 설치방법을 성명한다리프트체크밸브는 앞서의 설계상 다양한 잇점이 있는반면 밸브 몸체와 디스크의 안내면이 원활하지

못할 경우에는 밸브가 열려 있는 상태로 다시 닫히지 않는 일면 Cock 또는 Stick 현상이 있다 따라서

이러한 현상을 완화시키기 위해서는 유체 흐름을 유속범위내에서 스프링을 체택한 SPRING LOADED CHECK VALVE 로 변경하는게 좋다아울러 유체가 디스크시트를 통과할 때 생기는 와류에 의해 디스크가 제자리 회전하는 spinning 이

생길 수 있다 이러한 경우에는 디스크 상부의 챔버와 밸브 출구간을 연결하는 구조의 바이패스배관을

설치하여 디스크가 열릴 때 디스크상부 챔버의 잔류 유체가 빠져 나가는 구조의 리프트체크 밸브의

선정이 요구된다 다음의 그림 63 은 리프트 체크밸브의 설치 방향의 제한 사항이다(3)틸팅디스크 체크밸브

틸팅 디스크 체크밸브는 스윙체크밸브와 리프트 체크밸브로써 만족시키기 어려운 역류로 인한

급격한 스램(Slamming)을 감소시키고 (스윙체크밸브 대비) 리프트 체크밸브의 작은 동작범위

(Travel Length) 때문에 디스크의 닫힘이 매우 빨라 순간적인 유체천이력이 크게 되는 경우 이를

어느정도 감소시킬 수 있는 밸브로써 고안된 밸브이다따라서 압력 및 온도가 높고 유속이 빠른 고에너지 유체계통에서 적응성이 높은 밸브이다 그러나

유체의 흐름에 맥동이 있는 경우에는 디스크가 계속 떨리면서 운전됨으로 힌지핀의 마모로 인한

밸브의 선택에 보다 깊은 밸브엔지니어링이 필요하다 틸팅디스크는 구조상 디스크의 피봇포인트

(Pivot Point)가 유체유로의 단위 관성력의 중심과 밸브의 무게 중심과 근접하도록 설계되어 있기

때문에 작은힘의 역류에도 쉽게 닫힐 수 있으며 디스크가 시트에 닿을 때에도 디스크와 피못간의

모멘트 길이가 짧아(물리적인 용어로 Pendulum Period 효과)슬램 현상이 스윙 체크에 비하여

월등히 감소된다또한 밸브가 정상적으로 운전할 때에도 주 디스크와 보조 디스크 사이로 유체가 흐르도록 되어 있기

때문에 운전시에는 원활한 유로관성으로 안정되어 있지만 디스크가 닫힐 때에는 이 두 디스크가

유로를 간섭하게 됨으로 배관 파손시 또는 펌프의 불시정지(Pump Trip)시의 급격한 슬램 또는

워터햄머 문제를 디스크의 닫힘지연효과(Closing Delay Effect)로 상당수준 완화시킬수 있는

구조이다이는 밸브 디스크면에서 생길 수 있는 충격에 의한 스트레스로 디스크면과 시트면의 마모를 스윙체크

밸브에 비하면 상당히 감소시키는 구조이다 예로서 여러대의 펌프가 병열 운전하는

배관시스템에서는 펌프의 출구배관은 통상적으로 펌프헤더(Header 또는 Manifold)에 연결된다이 헤더전단 즉 각 펌프의 후단에는 체크밸브가 설치되어야 한다즉 닫힘속도가 빠를수록 좋으며 디스크가 시트면에 닿는 순간에는 그 충격력을 감소시킬수 있는

구조이면 더욱 좋을 것이다 이러한 경우 틸팅디스크 체크밸브가 쓰인다틸팅 디스크 체크밸브에는 앞서 언급한 구조적인 장점들을 더욱 효과적으로 수행할 수 있게하는

고려사항이 있다 6이상의 대형 틸팅디스크체크 밸브는 스윙체크에 비하면 역류시 순간적인 단힘

동작에 시간이 걸릴 수도 있다이는 틸팅디스크의 구조에서와 같이 닫힘 동작이 개시될때의 역류(유체압)의 힘을 받는 단면적이 적기

때문이다 이를 설계에 고려한 것이 힌지핀에 스프링을 감아 닫힘을 용이하게 한 구조이다그러나 디스크가 완전히 닫힐 때는 이 스프링의 영향력이 거의 없도록 해야 한다 따라서 스프링의

강성도는 틸팅디스크의 날개 무게가 가장 중요한 설계인자가 된다 이렇게 될 경우 스프링

스윙체크밸브의 중추와 유사한 역할을 수행하게 되는 것이다 그림 65 의 경우 틸팅디스크 체크밸브의

디스크 평형 설계를 용약한 구림으러서 틸팅 디스크의 힌지핀은 밸브의 시팅부에 가능한 가깝게

설계하되 선 A-A 와 B-B 및 디스크가 완전 열렸을대의 유선이 만드는 F-F선의 삼각형내에 있어야

한다유체 흐름이 일정 속도가 되어 균일해 지기 위해서는 유체유속으로 인한 유체관성력과 틸팅디스크의

지중에 의한 디스크의 평형이 매우 중요하다따라서 주 디스크의 형상과 날개(보조디스크)의 형상은 이 평형관계 때문에 유로의 접선각도가 다르게

설계된다 그름 66 과 그림 67 은 각각 고압용 체크밸브로 사용되는 미국 에드워드사 및 영구

드란스사의 틸팅디스크 체크밸브인데 모두 힌지핀이 시트면의 법선과 유로의 디스크 접선이 만드는

역삼각형내에 위치하고 있으며 시트면에 최대한 가깝게 설계되어 있다그러나 디스크가 완전히 열려 있는데 필요한 최소요구유속(Minimum Flow Velocity)는 스윙

체크밸브보다 모멘트 길이가 짧기 때문에 (이 모멘트 길이는 제작회사가 다르다) 일반적으로

스위체크밸브에 비하여 최소요구 유속은 50~100더 크다 즉 스윙체크밸브가 V=48V 이면

틸팅디스크 체크밸브는 70~90SV(여기서 SV 는 유체의 비체적으로 ft316)로 크다 따라서 고에너지

유체수송용(4~8msec)의 증기 물또는 가스용으로 사용된다(4)웨이퍼 디스크 체크밸브(Wafer-Type Disc Check Valves)웨이퍼 디스크 체크밸브는 여닫이 창문모양의 Single 또는 여미의 판을 스프링으로 고정하여

체크밸브의 역할을 수행하게 하는 밸브로써 근래에 기술의 진전(스프링 소재의 발전 스프링의

내구성 향상 설계의 최적화 등)으로 이 밸브의 사용추세가 증가되어 가고 있다미국의 석유가공협회(API)에서도 웨이퍼 체크밸브의 규정을 API Standard 594 Wafer-Type Ceck Valve 로 규정하고 있다 웨이퍼 디스크 체크밸브의 가장 큰 장점은 동일 배관 크기에 있어서 경량 소형으로 설계제작이 가능하다는 것이다 예로서 스위체크밸브에 비하면 약 4~5 배 정도로

결량제작이 가능하고 구조가 간단하고 불연속부가 적기 때문에 성능대비 전반적인 소형으로써의

제작이 가능하다따라서 이러한 이유 때문에 가격 배관설치비 공간절약 운송등 경제적인 효과가 여타 체크밸브보다

월등하다 그러나 이 밸브의 선택에 공학적으로 망설이는 이유는 두 개의 핀을 폐쇄시키는데

스프링의 힘이 필요해 스프링의 손상시 계통의 건전성 문제가 제거되기 때문이다스위체크밸브는 구조적으로 계통의 과도현상 등에 의한 힌지핀의 마모 힌지의 손상 등이 있는데

이러한 경우는 공학적인 면에서 웨이퍼 디스크 체크밸브의 스프링 손상 가능성에 비하여 확률적으로

매우 낮기 때문이다 아울러 유체의 흐름이 불균일한 경우에는 계통 운전 중 계속 스프링에

피로응력을 축적시키기 때문에 맥동이 예상되는 배관계통에의 적용은 신중하여야 한다만약 유체흐름의 속도가 웨이퍼핀을 일정하게 열게할 수 있다면 좋지만 웨이퍼 핀을 완전히 개방시킬

수 있는 최소요구유속(Minimum Flow Velocity)은 스윙체크밸브에 비하면 높기 때문에 중력에

의한 역류방지 등 저속유체의 적용에는 타당하지 못한 점이 단점이다유체흐름의 동적인 면(Dynamic Flow)에서 보면 스윙체크밸브는 유속의 변화에 민감하게 작용하나

유속이 증가되었을 때의 계통의 어떤 문제로 인하여 역류가 발생 하였을 때 감가속도가 웨이퍼

디스크 체크밸브 자체의 슬램(Slamming)의 에너지량이 커진다즉 유체천이의 에너지 변화를 크게 할 수 이써 배관계통의 Dynamic Force 는 크게될 수 있다는

것이다 다음의 그림 68 69 는 전형적인 Single Plate 및 Dual Plate Wafer Type Check Valves 를

보여준다 이 밸브의 설계특징은 체크 밸브의 디스크를 두 개로 분리한 소위 디스크 분리형 체크

밸브이다 즉 유체관로를 하나의 디스크로 열고 닫고 하던 것을 관로 가운데에 기둥을 하나 세우고

이곳에 디스크를 두 개로 구분하여 작은 다스크를 두 개로 구분하여 작은 디스크 두 개가 동시에

열리고 닫히게 하는 구조의 체크밸브이다따라서 디스크 하나로 유체흐름을 제어하는 것 보다 디스크 두 개로 힘을 나누어 유체흐름을 제어할

수 있어 밸브 구조가 단순해지고 작아지는 콤팩트한 구조로 되고 아울러 닫힐때의 일반 스윙체크나

리프트 체크 밸브의 모멘트 길이보다 작기 때문에 신속히 닫힌다는 잇점도 있다따라서 이러한 잇점들과 아울러 밸브구성 재료의 기술밸전과 더불어 점차 사용량이 많아지고 있는

체크밸브의 한가지다그렇지만 범용의 스위체크나 리프트 체크밸브에 비하여 실용화된 역사가 짧고 사용 실적에 대한

검증이 보다 많은 시간이 소요된과 더불어 밸브의 메카니즘상 홀딩 디스크(HOLDING DISK)의

핵심이 스프링의 피로문제 등으로 아직가지는 스윙체크 밸브와 같은 일반화된 범용 체크밸브로

구분하지 않고 있다 따라서 뺄브 제조업체도 이러한 웨이퍼 디스크체크 밸브 제조 전문회사로

자리하고 있어 세계적으로 제작업체가 많지 않은 특징이 있다 예를들면 영국의 굿윈(GOODWIN)사 미국의 텍사스 주 휴ㅡ톤에 근거를 둔 석유화학계통의 밸브들을 중점적으로 제작하는 TRW 사 ARCIN 사 등의 있으며 우리나라의 경우에는 복숭아밸브 정도가 홀딩 디스크 계열의 체크밸브를

생산하고 있다 웨이퍼 디스크 체크밸브는 듀오체크밸브 9DUO-CHECK VALVE) 플래퍼 체크밸브

(FLAPPER CECK VALVE) 워터 체크밸브(WATER CHECK VALVE)등으로 호칭하고 있다 API 594는 이러한 밸브를 워터체크밸브(WATER CHECK VALVE)로 정하고 있지만 BS(영국규격)에는 듀얼

플레이트 체크밸브(DUAL PLATE CHECK VALVE)라고 언급되어 있다 그림 70 은 웨이퍼 디스크

체크밸브의 상세도 이다lt웨이퍼 디스크 체크밸브 체크 밸브의 특징gt스윙 체크밸브에 비하여 경량이고 크기가 작으며 강력한 구조를 갖고 있다(그림 71참조)유체수송에

있어서 듀얼 플레이트(DUAL PLATE)로 설계된 구조설계조선을 가진 밸브이다 스윙 체크밸브의

구조적 취약점인 시팅 순간의 시트와 디스크면의 안착노력(SEAT SCRUBBING)을 대폭 감소시킨

구조인 스프링 가압방식을 쓰기 때문에 개폐의 체크밸브 역할이 보다 정확하다

수격현상이 모멘트 아암이 작기 때문에 밸브구조 자체의 손상 가능성이 줄어들고 힌지핀과 스톱핀(스프링 핀 지지대)에 의한 구조적 강도가 보장되어 체크밸브 손상에 의한 수격현상의 천이문제도

완화시킨다 이는 스윙체크 밸브가 손상될 경우 힌지핀 또는 디스트 아암의 파편들이 계통내에

흩어지고 천이의 진행을 막지 못하지만 웨이퍼 디스크 체크 밸브의 경우에는 설사 힌진핀이 손상

되더라도 DUAL PLATE 는 유지되기 때문에 천이 진행을 감소 시킨다 스윙 체크 밸브에 비하여 압력

손실이 적다 단 작은 크기의 밸브는 웨이퍼 디스크 체크밸브가 크다 따라서 50A 이하의 체크밸브는

스윙체크밸브가 보다 용이한 구조이지만 큰 사이즈의 체크밸브에는 웨이퍼 디스크 체크밸브가

스윙체크밸브보다 계통운용의 경제성 측면에서 월등히 좋다그림 72 는 유량수송에 따른 웨이퍼 디스크 체크밸브에서의 압력손실을 보여준다 이 표는 TRW 그룹의 미션 듀오체크(MISSION DUOCHECK VALVE)모델에 기준한 것이다 설치상 제한 사항이

스윙 체크밸브 보다 적다 웨이퍼 디스크 체크밸브의 경우 어느 방향으로도 설치가 가능하나

스윙체크배브는 수평설치시 항상 힌지핀이 수직면으로 유지되어야 한다 그러나 힌지 핀은

수평배관시 반드시 수직 이어야 한다관로 유속이 느린 경우 스웡 체크밸브는 힌지 핀이나 디스크 핀과 같은 MOVING PART 에서의

마모정도가 웨이퍼 디스크 체크밸브 보다 심하다 이는 MOVING PART 가 유로의 속도 변화(변동)에

따라 생기는 흔들림(FLUCTUATION)에 그대로 노출되어 있는 반면에 웨이퍼 디스크 체크밸브는

스프링에 의한 흔들림의 에너지를 어느정도 흡수할 수 있기 때문이다 플랜트 운전 경험상

스윙체크의 치명적 결함은 적정 관로 유속이 유지되지 않을 경우 유체 힘의 파동에 의한 MOVING PART 의 점진적인 마모로 인한 것임이 여러자료를 통하여 알려져 있다설사 MOVING PART 가 손상이 되지 않더라고 MOVING PART간 마모로 인한 공차 증가로

체크밸브의 내부 누설등 성능 저하는 피할 수 없는데 특히 문제가 되는 것은 체크밸브가 완전

손상될때까지 운전원이 체크밸브의 성능저하를 발견하는데는 매우 어렵다는 것이다웨이퍼 디스크 체크밸브에서 가장 기술적인 관점이 되는 것은 스윙 체크밸브에 비하여 장점으로

간주되는 스프링의 신뢰성 문제이다 스프링은 밸브의 수명기간 중 스프링 상수의 변화라든가 가공

경화(STRESS HARDENING)가 없어야 하고 수송유체에 대하여 강력한 내부식성을 가져야 한다 스프링의 피로 파괴를 미연에 방지하기 위해 스프링은 적어도 수백만번의 수명평가를 받은 검증된

재료 제조방법 환경하에서 제작된 것이어야 한다실례로 스프링의 파손은 체크밸브의 급격한 성능 저하에는 즉각적으로 작용하지 않지만 스윙

체크밸브의 예에서와 마찬가지로 게통의 정상적 운전을 예고도 없이 악화시킨다웨이퍼 디스크 체크밸브도 정도의 차이는 있지만 사용중 성능의 증간 점검이 어려운 점이 있다핵심 부품인 스프링은 일단 설치된 연후에는 보수 교체가 용이하지 않다 따라서 디스크의 손상시

디스크 시트며의 연마나 래핑 교체가 상대적으로 어렵다 이는 비교적 고가의 유지보수비용을

요구하게 된다 스프링은 웨이퍼 디스크 체크밸브에서 가장 핵심적인 기술 부품이기 때문에 사용자는

필수적으로 웨이퍼 디스크 체크밸브는 믿을 수 있는 업체 즉 오랜기간의 제작 실적과 운전 실적을

가진소위 검증된 업체의 웨이퍼 디스크 체크밸브를 선택하여야 한다웨이퍼 디스크 체크밸브는 스윙 체크밸브에 비하여 설치상의 잇점이 매우 많다 승윙체크밸브는

구조상 어느 정도의 약한 흔들림 에너지도 흡수할 수 없기 때문에 배관계통의 엘보우나 티 그리고

밸브와 같은 유체의 요동원(FLUCTUATION SOURCE)에 근접하게 설치 해서는 안된다 반면에

웨이퍼 디스크 체크밸브는 이러한 요동원에 직접 또는 인접하여 설치하여도 밸브의 성능 저하가 별로

없으므로 배관 설치공간을 절약할 수 있어 궁극적으로 스윙 체크밸브에 비하여 밸브 가격 뿐만아니라

배관 RDTKQL 도 절감할 수 있다(5)인-라인 체크밸브(IN-LINE CHECK VALVE)인-라인 체크밸브는 일종의 리프트 체크밸브의 형태로서 볼이나 풀 가이드 다스크(FULL GUIDE DISC)를 스프링으로 유지하는 체크밸브로 소형경량이고 스윙체크밸브에 비하여 밸브 면간 길이가

절반 이하이 컴팩트된 구조를 갖고 있다그러나 인-라인 체크밸브의 내부부품(INTERNALS)은 배관 라인을 분해하지 않고서는 접근 방법이

없다는데 있다 즉 여러종류의 체크밸브는 밸브 외부에서 부분적이나 조정이나 분해가 가능하지만 이

-라인 체크밸브로 구분되는 밸브는 일단 설치된 연후에는 조정이나 분해가 전혀 불가능한 구조로

되어있다 이러한 이유 때문에 인-라인 체크밸브는 밸브의 스트로크가 안정되게 운전되는 구조이어야

한다 실제로 인-라인 체크밸브의 스트로크는 입구직경의 14 이내 이어야 하고 필히 센터 필

(CENTER PIN)이나 디스크의 톱엔 바텀 가이드(TOP AND BOTTOM GUIDE FOR DISC STROKE)구조로써 디스크의 운전이 확실해야 한다 인-라인 체크밸브는 거의 대부분이 스프링을 갖고 있지만

일부 인-라인 체크밸브의 경우 스프링이 없는 경우도 있다 따라서 대부분의 인-라인 체크밸브는

스프링 가압방식을 쓰고 있다스프링 가압방식의 인-라인 체크밸브는 유로의 역류정도를 스프릉 에너지로 어느정도 흡수 할 수 있어

압력의 급격하 변동이나 수격현상의 영향을 줄일 수 있어 공기 압축기 출구 배관의 맥동

(PULSATING)흐름과 같은 계통에 적용할 수 있는 밸브이다그림 73 과 같은 체크밸브는 비교적 최근에 계통운전의 철저하 분석하에 개발된 발ㄹ전소의 주급수

배관과 같은 고에너지 배관의 체크밸브로 쓰이는 인-라인 체크밸브이다(6)스톱체크밸브

일반적으로 체크밸브는 차단용 밸브로 구분되지만 엄밀한 의미에서 봄면 항상 누설이 있다는

체크밸브의 운전에 의해 게이트나 글로브 밸브 같이 차단밸브로 간주되지 않는다따러서 영어로 체크밸브를 ISOLATING 기능이 있는 밸브로 간주하지 않는다 단지Check Valve인 것이다 스톱체크밸브는 배관계통운용에 있어 여러 가지 잇점을 제시할 수 이다 즉 정상운전시에는 단순히 리프트 체크밸브로서의 역할을 수행하다가 계통 운전의 필요성 또는

운전절차에 따라 스톱밸브-그로브밸브의 차단기능을 수행 할 수 있는 두가지 기능을 동시에 갖고 있는

밸브이다 이러한 기능을 수행하기 위해서 밸브구조는 스템과 디스크가 고정되지 않아야 하고

스템자체에 백 시트를 갖고 있으며 완벽한 차단기능을 위하여 스템은 Screw-Down 이어야 한다 다음 그림 75 는 미국 Edward 사의 스톱체크밸브이다 일반적으로 스톱체크밸브의 형식은 두가지가

개발되어 있다 하나는 스윙체크밸브형식이고 나머지 하나는 리프트 체크밸브형식이다 스윙체크밸브

형식의 경우는 스윙체크밸브의 본네트부에 스템을 장치한 것이고 리프트 체크 밸브 형식은 리프트

체크밸브의 디스크에 Serew-Down 스템을 장치한 것이다구조의 안정성 및 운전 신뢰성의 이유로 중소형의 스톱체크 밸브는 리프트체크밸브 형식으로 거의

100제작된다 대형의 경우에만 스윙체크밸브형식을 채탹하는게 일반적이다314 다이아후램 밸브(Diaphragmvalve)다이아후램밸브는 일명 위어밸브(Weir Valve)라고도 하며 주로 차단용의 블록밸브(Block Valve)로

사용된다 이 밸브는 비교적 최근(세계제 2 차 대전)에 발명된 밸브로서 비록 다이아후램의 재질

특성상 사용온도가 150이하로 제한되는 것을 제외한다면 부식성 액체의 유량 제어스러지나

고형물이 많은 유체의 제어용으로는 매우 경제적이고 제어특성이 좋은 밸브이다다이아후람은 고무콤파운드나 불소수지계열인 PTFE 가 주로 사용되고 압력-온도기준은 10bar

이내의 최고 사용온도 175이내에 사용된다이 밸브의 주요 사용처는 수처리 시설 부식성 화학물질 식음료용 시스템등이고 거의 대부분 PTFE 폴리프로필렌 고무류 등으로 유체며을 라이닝한 밸브가 쓰인다 이 밸브의 설계상 특징은 다음과

같다(1)다이아후람은 밸브 구성 부품중 가장 취약하기 때문에 용이하게 교체 될 수 있는 구조이어야 한다(2)유로 통과면은 유체흐름이 부드럽고 유연하게 되도록 돌출 부응이 없어야 한다(3)weir 형시의 다이아후램밸브는 weir 로 인하여 배관내부의 자동드레인이 될 수 없기 때문에 설치

방향등을 밸브 매

뉴얼에 기술하여야 한다(5)밸브 몸체는 가급적 낮은 가격의 가단주철등을 사용토록 하고 특별히 스테인레스강을 사용하는

경우를 제외하고는 100 PTFE POLYPROPYLENE RUBBER PVC CPVC PVDF PP 등으로

라이링 한다(6)스템의 스터핑 박스가 없는 대표적 밸브이다 다이아후램 밸브의 제작범위는 통산 밸브의

크기로써 10(250mm)이내 압력-온도기준으로써 Ansi Class 150(PN16)사용온도의 범위로는

80~175이다 간혹 Straght-Through 타입으로써 20(500Mm)까지도 제작 할 수 있으나 밸브의

트림 재질 및 운동특성상 신뢰성이 없다사용용도로는 주로 환경설비분야 청정가스의 제어 식음료분야 제어분야등으로 이는 밸브 내부가

이물질등이 축적될 수 있는 공간이 없는 구조일뿐더러 여타의 다른 밸브보다 분해 청소가 매우 용이한

구조의 밸브이기 때문이다 아울러 다이아후람은 주기적으로 교환해 줄 필요가 있다또한 이 밸브는 수동이 조작부는 물론 공기식 다이아후람 구동장치 솔렌노이드 구동장치로 자동화 할

수 있다 다이아후람밸브의 변종으로는 크램프 밸브(Clamp Valve) 핀치밸브(Pinch Valve) 이리스

밸브(Iris Valve)등이 있으며 모두 밸브 트림을 고무콤파운드등을 사용하며 분체 수송의 제어나

인분등 고형물질이 많은 유체 제어에 사용된다단지 크램프 밸브나 핀치밸브는 다이아후람 막을 눌러 유체 통로를 제어하고 이리스밸브는

다이아후람 튜브를 비틀어서 유체 통로를 제어한다는데 특징이 있다315 게이트 밸브

게이트 밸브는 차단용 밸브로써 여러 산업분야에 매우 다양한 형태로 널리 사용되는 밸브이다 게이트라는 디스크가 시트면과 마찰하면서 열리거나 닫힘으로써 유체 흐름을 제어하는데 제어의 주

목적은 유로의 차단 개방이다게이트밸브의 종류는 게이트의 씰링 메카니즘에 따라 구분되는데

다음과 같다(1)웨지게이트 (2)후렉시블게이트 (3)페러럴 슬라이드 게이트 (4)페러럴 더블 디스크 게이트 (5)스플릿 웨지 게이트 (6)드러우 콘디트 게이트 (7)나이프 게이트 (8)슬루이스게이트 (9)레실리언트 게이트등이 게이트의 씰링메카니즘과 형태에 따라 구분되었다 이외에 라인

브라인드밸브라든가 펜스록밸브도 게이트밸브 범주로 분류된다 이들에 대하여는 다음의 각항으로

구체적으로 설명한다 게이트밸브의 몸체 구성방식은 본네트의 구조에 따라 볼티트 본네트 프레셔 씰

본네트 클램프 본네트 용접형이 있다미국 밸브 기준 규격인 ANSI B1634 에 의한 압력 온도기준으로 볼 때 게이트 밸브는 4500Special까지 이상도 제작가능하고 900이하의 게이트 밸브는 대부분 볼티드 본네트형이고 1500급

이상은 용접형 또는 프레셜씰(압력 밀봉기)형식이 많이 쓰인다게이트배르의 압력-온도 기준은 Ansi B 1634 기준에 따라 125~4500까지 모든 밸브 재질에

가능하고 밸브 크기로는 38(10A)부터 200(5000A)의 대형 콘디트 또는 펜스톡 밸브 까지 제작이

가능하다 단지 압력-온도 기준이 300이상인 경우에는 밸브크기에 제한을 키게 받는다 300급

게이트 백브로는 현재까지 36(900)까지 제작된 기록이 있다 일반적으로 압력-온도기준이 600(최고 허용사용압력 1042 bar)이상인 게이트밸브를 고압 밸브로 구분할 수 있고 300급 이하는

저압용으로 구분한다고온고압의 시스템용으로 게이트밸브를 사용할 시에는 내압에 의한 밸브 구조의 건전성(밸브의

살두께가 커져야 함)과 고온에 따른 밸브 내부의 구조적 불연속 및 공동부(케비티 Cavity)에서의

이상승압등을 고려한 열에 의한 밸브구조의 문제점등이 서로 상반된 역학구조를 갖고 있기 때문에

20~40(500A~600A)가 최대 제작가능한 크기이다온도변화에 의한 이상 승압(pressure locking)게이트 밸브는 유로의 차단기능을 수행하기 때문에 디스크의 한쪽면만 시트와 완전 밀착하면 된다 즉 정상운전시에는 싱글시팅(single seating)만으로도 유로 차단기능이 충분하나 중대형의

게이트밸브중 더블시팅(double seating)을 하는 후렉시블왯지게이트 밸브나 더블 디스크

게이트밸브의 경우 간혹 운전중 착좌(seating)또는 분리(unseating)에 과도한 힘이 걸리는 경우가

있다 정도가 심할 경우에는 운전불능 상태에 이르고 나아가 전체 계통의 불시정지를 야기한다더블시팅에 의한 밸브조작력의 급격한 증가는 본래의 구동력 산정에 고려된 마진보다 휠씬 크게

나타날 수 있는데 이 급격한 증가는 다음 그림 76 과 같이 닫힘 상태에서 배르를 열고자 할 때 생긴다 이것은 밸브가 닫혀 있을 때 계통압력이나 온도의 천이가 있을 경우 발생하기 쉽다 일반적으로

더블시팅에 있어서 마찰력(시팅)만을 고려한 게이트 밸브의 조작력은 다음과 같이 계산된다 F=(P1-P2)A1μ+(P2-P3)A2μ 여기서 P1=입구압력 P2=출구압력 A1=입구측 시트경 단면적 A2=출구측 시트경 단면적 μ=시트면 마찰계수밸브가 닫혀있을 때 밸브몸통 공동부는 고립(트랩핑)되어

있게되고 이때 P1 이나 P3 (밸브입구 또는 출구의 압력)가 저하 되거나 대기압 상태로 될대 위식에서

보다시피 밸브의 마찰 구동력은 치대 두배가 된다 이는 게이트 밸브의 전체 구동력에 큰 영향을 줄

수 있다 더구나 게이트 밸브가 닫혀 있는 상태에서 계통의 압력 스파크나 서지가 일어날 경우 계통유체의 일부가 밸브몸통의 공동부에 고립될수 있게 되는데 이 트랩핑된 유체가 계통의 운전에

따라 가열되는 경우 P2 의 압력은 유체의 체적 탄성계수에 비례하여 큰 폭으로 증가하여 밸브를

도저히 열수 어슨 상태로 하는 현상을 이상승압 이라고 한다 일정량의 유체가 온도변화에 따라

팽창함에 따른 압력상승은 이론적으로 다음과 같이 구할수 있다ΔP=K(Vf-Vi) Vi 여기서 K=유체의 최적탄성계수Vf=가열시의 유체의 비체적 Vi=냉각 또는

초기시의 유체의 비체적예로써 밸브몸통의 공동부에 물이 꽉차있는 경우 200만큼 가열될때의

압력상승은 24540psi 가 되는데 이는 다음과 같이 계산된다K=300000psi Vi=001613ft316at 100 Vf=001745ft316at ΔP=300000(001745-001613)001613=24540(psi)이와같이 ΔP 가 증가하게 되면 밸브를 도저히 열 수 없게 되는데 설사 앞의 걔산에서와 같지 않은

상태(물의 잔존량 10~20)라도 ΔP 는 역시 크다그림 77 은 가열 온도에 따르는 밸브공동부내의 응축수량 대비 압력상승의 값을 보여주고 있다게이트밸브에서 이러한 문제는 밸브의 구동장치를 크게 하여야 할 뿐 아니라 경우에 다라서는

운전불능의 심각한 문제를 야기한다 이러한 문제를 사전에 방지하기 위해서는 그 근본원인인 게이트

밸브 몸통에서의 트랩핑 압력을 완화시키는 바업은 찾아야 한다다음은 이에 대한 해결 아이디어 들이다 밸브 몸통 공동부와 밸브의 입구 또는 출구측과

바이패스배관 9 통상 34~1크기)를 설치하고 이 바이패스배관에 수도형의 소형 그로브 밸브를 달아

밸브 또는 시스템 테스트시 이 바이패스밸브로써 이상승압 현상을 사전에 예방한다디스크 밸브 입구측에 위치한 디스크를 사용하지 않는다 즉 입구측 디스크에 V 노치등을 만들면 이

디스크 9 한쪽 0 는 시트로서의 역할을 하지 않는 대신 밸브공동부에서의 이상승압을 자동적으로 배출

(릴-이프)시킴으로써 이상승압이 발생할 수 없다밸브 입구측 디스크면에 드릴구멍을 낸다 밸브몸통공동부에 릴-이프 밸브를 장착한다 예)공동부내에

물함유량이 30이상 상온 (20)에서 510까지 가열하였을 때 배르 공동부내의 압력은 약

590bar 가 된다고온 고착(thermal binging)고온용 밸브에 있어서 설계상 가장 유의할 사항은 밸브구성부품의 형상에 따른 각기 다른 모드의

열변형을 가능한한 상온 상태의 것으로 맞추는데 있다또한 형상뿐만아니라 다른 모드으이 열 변형을 가져올 수 있는 열팽창율이 각기 다른 이종 금속간의

조합 열 온도 차이에 의한 열 변형 모드의 상이함이 이에 속한다 예로써 상온상태로 운전하던 밸브에

뜨거운 물이 유입되면 밸브몸통은 질량이 크기 때문에 아무래도 천천히 팽창할

것이고 상대적으로 질량이 작은 트림은 쉽게 팽창할 것이다 따러서 팽창된 트림은 밸브 몸통의

가이드 부분과의 운동간극(moving clearance)을 축소시켜 높은 구동력을 필요로 하고 아울러

시트나 가이드면에 흠집 또는 고착될수 있다이후 몸통이 서섯히 달아올라 충분히 열 팽창되면 다시

부드럽게 운전 될 수 있다그러나 밸브몸통은 구조적으로 불연속인 경우가 많고 아울러 살두께의 변화가 크므로 몸통

내부적으로 응력이 심하게 차이가 난다또한 이렇게 굽힘응력의 차가 크므로 취약부위(시트면을 잡고 있는 밸브의 크로치부분)에서는

예상하지 못했던 열변형이 크게 생겨 디스크가 빠져나기 어렵게 되거나 또는 닫을 때 디스크가 시트면

모서리에 꽉 끼게 되어 밸브를 닫을수 없는 운전불능에 빠지는 경우가 게이트밸브에서의 고온 고착

또는 열바인딩이라고 한다 좀더 쉽게 설명하면 한가지 얘로써 어떤 개통의 후렉시블 왯지 게이트

밸브를 계통을 가열하면서 열려고 할 때 잘 열리지 안거나 운전불능의 경우가 있는데 다음과 같은

조건들이 원인을 제공한다밸브에 바이패스라인(자체)이 없다 증기게통에 수직배관상 밸브가 수평으로 설치되어 있다계통 특성상 급격하게 가열된다 온도-압력기준이 높다게통정지시(냉각상태)에는 닫혀 있고 계통운전개시후 개방한다 모타구동 배르의 경우 모타의

구동력이 계통운전조건대로 사이징 되어있다 이러한 상황의 경우 정지시 타이트 하게 닫혀 있는

게이트밸브는 게통운전과 동시에 온도가 급격히 올라가면 밸브게이트보다 밸브 몸통의 열팽창이

적고 아울러 밸브 몸통과 게이트의 구조강도가 높다면 이 열팽창의 차이는 매우 큰 밸브구동력을

요구하게 되는게 일반적이다 따라서 이러한 걔통의 경우에는 바이패스라인을 설치하는게

바람직하다 이를 이론적 측면에서 검토하면 다음과 같다(조)주강(탄소강)8밸브몸통 SUS316 의 왯지 게이트 상온(70)상태에서 완전 닫힘 상태 계통운전에 따라 600까지 가열됨(계산식)단순히 두 재질간 열팽창의 상이에 따른 열팽창 차이(량)δL=(α1-α2)(T1-T2)L(계산결과)α1=10310-6inin-SUS316

열팽창계수

α2=6310-6min-탄소강의

T1=열팽창 계수

T2=상온시 온도

L=가열후 온도

there4SL=((10310-6-(6310-6))(70-600)4=0008inch(02mm)결국 02mm 만큼의 열팽창차이는 디스크와 시트간의 마찰계수 001 로 한다 하더라도 이론적으로

무려 28800ibf 의 추력이 필요하게 된다게이크 밸브에서 생기는 문제점들

게이트밸브는 계통운전의 목적상 차단밸브이므로 일반적으로 장시간 닫혀 있거나 열려 있게

마련이다 장시간 밸브가 운전하지 않을 경우에는 계통내의 불순물들 특히 스팀배관의 경우 배관의

철분등이 미세한 상태로 게이트와 시트의 가이드 구석진 부분에 고착되는 경우가 많다이때 밸브를 운전하면 디스크나 시트면에 손상을 입게 되는데 주로 피팅(pitting)또는 불순물과의

마찰에 의한 긁힘 등이다때로는 계통의 냉각 가열로 인하여 이러한 불순물이 시트 또는 디스크 재질과 친화하여 고착되는

경우도 있다 증기계통의 외부 불순물에 의한 긁힘 또는 불완전한 시팅으로 이 틈새를 통하여 시트

또는 디스크가 손상을 입게되는 와이어드로잉(wire drawing)이 대부분이다밸브 스템패킹에서의 누설문제는 거의 대부분 스템이 부식되거나 부적절 하게 사용처에서 패킹작어한

경우에 있다 스템의 부식은 가혹한 환경하에서는 피하기 어렵다더울이 13Cr(410 계열)인 스템은 부식되기가 쉽고 또한 자주 운전하지 않는 관계로 압축된

패킹재질과 이 분위기 속에서 부식된 수템은 거의 안정화된 상태에서 장시간 있었기 때문에 밸브

개폐시 많은 힘이 필요하고 더불어 일단 개폐하고 난 연후에는 패킹에서의 누설이 생긴다따라서 스템과 팽킹의 재질선택은 매우 중요하다 최근의 밸브기술은 팽킹재질과 스템재질 패킹구조등에 대한 괄목할 만한 실적을 쌓았음에도 불구하고 지금도 가장 취약한 밸브 기술부분이

이곳이다이들 연구결과 중 패킹의 가압력에 대한 연구는 스프링힘에 의해 항상 패킹의 가압력을 일정하게

유지시킬 수 있는 가압력을 일정하게 유지시킬 수 있는 라이브 로딩패킹은 이젠 중요 계통의 밸브에

거의 일반화 되어가고 있다 결론적으로 스템패킹에서의 누설문제를 대비하는 방안은 첫째 최적의

스템재질과 패킹재질로 하고 둘째 팽킹의 가압력을 밸브 제작자의 권장 수준범위내에서 가능한 한

적은 가압력을 오랫동안 유지시킬수 있는 구조로 하고 셋째 중요 계통의 밸브 또는 부식성 액체를

다루는 계통에서의 배르는 주기적으로 스템패킹에서의 누설여부를 점검하는 것이다1)왯지게이트(Wedge Gate)일면 솔리드 왯지게이트(Solid Wedge Gate)로 쐐기형의 매우 간단한 왯지로써 유체흐름을 막는

구조이다밸브스템의 축하중을 밸브의 시트표면에 정면으로 밀착시킴으로써 시트누설을 방지한다 따라서 이

쐐기형 즉 솔리드 왯지게이트밸브의 시팅력은 매우 높은 것이 특징이다 이 솔리드왯지게이트밸브는

연력배관의 작용력보다 월등히 튼 강도를 갖게 마련인 소구경 배르에 적용된다 이 이유는 기밀을

유지하는 시팅의 힘이 완전히 밸브스템의 추력으로만 작용될 수 밖에 없기 때문이다따라서 솔리드 왯지게이트 밸브의 디스크는 물론 이 디스크 강도이상의 밸브강도를 가진 튼튼한

몸통의 밸브만이 솔리즈왯지 게이트밸브에 적용된다 여러 가지 구조적인 측면과 경제적인 측면에서

솔리드 왯지게이트밸브는 호칭 직경 2(50mm)이하의 밸브에만 적용하는 것이 보편화 되어 있다 예를들어 다음과 같은 경우를 생각해 보자 즉 게이트 밸브의 양끝잔 노즐부에 과도한 배관자굥력이

작용된다면 솔리드웨지게이트와 시트는 닫혀 있을 경우 배관작용력에 대한 지지역활을 하게될

것이고 열려있을 경우에는 이 부분이 취약부분이 되어 배관작용력에 약하게 될 것이다미국 기계학회의 원자력부분의 밸브코드(ASME Boiler and Pressure Vessel Code Sec Subsection NB)의 NB-3200(설계해석-Design By Analysis) 및 NB-3500(Valve Design)에

따르면 배관작용력에 대한 규정은 다음과 같다peb=CbFbSCbFbS위에서 peb 는 배관작용력으로 인하여 생기는 게이트밸브의 시트부위의 굽힘응력이다Fb=일종의 단면 모멘트로써 밸브에 연결되는 파이프의 굽힘상수(Fb=0393de3Ps(20000Ps)) Cb=연결파이프의 굽힘응력 인덱스로써 밸브 노즐의 두게와 노즐 내경과의

함수(Cb=0335(γte)067) S=연결파이프의 허용강도(30000psi) Gb=노즐면의 단면계수

(Gb=I(ri+te)) 위의 식에 따라 밸브 상즈 별로 peb 를 계산해 보면 밸브 크기가 클수록 Fb 가

증가되는 비율이 Gb 의 증가율 보다

크기 때문에 결국 peb 로 인한 밸브 자체의 안전성을 확보하기 위해서는 게이트와 시트 부위에서의

응력 이완을 하면서 기밀을 유지할 수 있는 구조의 게이트가 요구되는 것이다따라서 경험상 2초과의 밸브의 경우에는 솔리드 왯지게이트보다는 응력이완이 가능한 후렉시블

왯지 게이트 또는 패러럴 슬라이드 게이트등을 사용하는 것이다 솔리드 왯지 게이트 밸브의 장단점은

대략 다음과 같이 요약할 수 있다(장점)스템 추력에 다라 시팅효과를 극대화 할 수 있다구조가 간단하여 염가이다유로를 양방향으로 처리할 수 있다(단점)연결배관의 라인로드(Line Loads)에 민감하게 반응한다라인로드라 함은 연결배관으로부터의 축방향 힘(열팽창등에 의한 열하중등) 오토션(비틀림 Torsion) 굽힘 모멘트 등으로써 이러한 라인로드가 클 경우 이들 힘들이 게이트에 집중된다만약 밸브 운전에 고온상태 하면 솔리드 왯지는 밸브몸통의 불균일한 열변형을 흡수할 수 없어

시팅상태를 불안정하게 할 수 있다즉 열변형(Thermal Distortions)에 의해 내부 누설 가능성이 높아진다솔리드 왯지 유연성 부족으로 게이트가 닫힘 상태에 있을 때 가열(Heatup) 또는 냉각(Cooldown)동안 고착될 염려가 있다 즉 이상스압(Pressure Locking)떠는 고온고착(Thermal Binding)의

가능성이 타 게이크밸브에 비해 매우 높다밸브시트의 보수가 어렵다 즉 게이트의 경사각과 시트의 경사각은 공장 출고시 확정된것으로이후

게이트 또는 시트의 보수 연마가 실시되면 게이트의 높은 강성으로 인하여 100의 시팅효과를

기대할수 없다(2)후렉시블 왯지 게이트(Flexible Wedge Gate)후렉시블 왯지 게이트 밸브는 솔리드 왯지의 단점을 보완하기 위하여 개발된 것으로서 장단점은

다음과 같다(장점)

솔리드 왯지 게이트 보다 라인로드의 흡수력이 좋으므로 고착이나 흡수력이 좋으므로 고착이나

내부누설을 최소화할 수 있다구조가 간단하다스템 추력에 비례하여 시팅효과를 높일 수 있는 구조이다양축 디스트가 동시에 시팅하는 구조로 시팅효과가 안정 스럽다솔리드 왯지 게이트 밸브에 비하여 시트나 게이트의 유지 보수가 보다 용이하다(단점)양측 디스크가 동시에 독립적으로 시팅하기 때문에 밸브 몸통의 공동부(Cavity)에 압력이 트랩핑

(Trapping)될 수 있고 이는 밸브의 가동시 열천이(Termal Transient)로 인한 이상승압이나

고온고착이 생길 수 있는 구조의 밸브이다게이트와 시트간에 불순물 축적시 시팅 메카니즘이 마찰을 이루면서 수행됨으로서 불순물로 인한

흠집(Galling)이나 마멸 가능성이 높다(3)스프릿 왯지 게이트(Split Wedge Gate)이 케이트는 솔리드 왯지를 분리한 형태로서 두 개의 분리된 왯지가 서로 매칭되는 시트에 독립적으로

시팅(착좌)할수 있으며 분리되었기 때문에 배관라인의 배관 작용력은 물론 열팽창 또는 천이에 의한

제반하중에 어느정도의 여유는 가지고 있다이러한 잇점은 솔리드 왯지에서 특히 대형의 게이트에서 생길수 있는 고착(Sticking)문제를 어느정도

완화시키는 것이다그러나 후렉시블 왯지 게이트에 비하여 가공이 어렵고 더블 디스크 드래그라는 두 개의 왯지가 닫힘

상태하에서 과도한 마찰력에 의해서 열리지 못하는 현상이 발생될 수 있기 때문에 일부 업체를

제외하고는 보편화되어 있지 않다스프릿 왯지 게이트 밸브의 문제 사례에 대한 것은 다음호에 자세히 언급하기로 한다(장점)비교적 적은 추력으로 양측 입출구의 시트면에 동시에 같은 압력으로 시팅하는 구조로서 차단 성능이

매우 좋다배관계통의 압력에 상관없이 스템추력의 추가만으로 저압력 영역이나 고압력 영역이나 양호한

시팅효과를 갖는다게이트 디스크면의 보수 유지가 솔리드 왯지나 후렉시블 왯지 게이트에 비하여 월등히 용이하다 왜냐하면 왯지의 각도에 여유가 있기 때문이다(단점)독립된 각각의 왯지가 동시에 양 시트면에 밀착함으로써 닫히는 순간에 갇힌 유체가 트랩핑 압력으로

작용할 때는 밸브가 열리지 않을 수도 있다 후렉시블 왯지 게이트 밸브에서와 마찬가지인 이상

승압현상이 염려된다따라서 스프릿 왯지 게이트 밸브에서는 대형이 되면 필수 적으로 바이패스 배간을 권장한다가격이 비싸다스템 추력이 양 왯지에 군일하게 작용하지 않을 경우 미스얼라이멘트(Misalignment)에 의해 왯지

디스크의 작동이 부드럽지 못할 가능성이 있다 스템 추력이 과도하게 작용하여 시팅되었을 경우 밸브

개방시 과도한 시트와 왯지 디스크면의 마찰력으로 인하여 디스크 또느 시트면에 흠집이 생길

가능성이 높다(4)패러럴 슬라이드 게이트(Parallel Slide Gate)

일명 패러럴 슬라이드 익스팬딩 게이트(Parallel Slide Expanding Gate)밸브라고도 하며 기본적인

디스크 구조는 두 개의 디스크면 또는 세그먼트(Segment)와 스템과 연결구조인 왯지가 있다 스플릿 왯지 게이트와 유사하게 스탬추력이 증가되면 될수록 양측 디스크가 동시에 양시트면에

시팅하는 구조이다(장점)양 시트면에 충분한 시팅력을 줄 수 있어 누설이 없는 차단 성능이 매우 좋다드로우 콘디트형 더블 왯지(Through-Condnit Type Double Wedge)설계가 가능 하여 게이트

Ofqm 의 사용목적을 다양화 할 수 있다(단점)구조상 각 세그먼트는 다른 왯지 게이트에 비하여 취약하기 때문에 배관작용력이나 열천이하중이 클

경우에는 손상을 받기 쉽다세그먼트 형상이 각기 다르기 때문에 유로 방향설정은 구조적으로 튼튼한 세그먼트쪽이 출구쪽이

되도록 설정한다일반적으로 다른 게이트밸브가 양방향 유로인 반면 이 패러러 슬러아드 게이트밸브는 유로방향이

한족 방향인 것이 특색이다트렙핑 압력에 의한 이상승압이 예상된다바이패스 밸브가 필요하다디스크 구조가 복잡하여 가격이 비싸고 과도한 시팅력을 제어하기 위한 특별한 구조 또는 처리가

필요하다스플릿 왯지 게이트와 유사한 디스크 또는 시트면 흠집(Galling)이 예상될 수 있다앞서의 스플릿 왯지 게이트 밸브와 패러럴 슬라이드 게이트 밸브는 디스트의 구조가 비교적 복잡하고

스템 추력의 증가에 따라 밸브 시트에 과도한 힘이 작용함으로써 시트의 손상 또는 디스크면의 손상이

타 왯지에 비하여 발생될 확률이 높다따라서 현재의 게이트 밸브는 왯지의 건전한 운전과 보수 유지의 용이성 때문에 대부분 2˝(50A)이하의 작은 밸브는 솔리드 왯지 중저압용(1500이하)의 경우는 후렉시블 왯지 그리고

고온용의 고압밸브에서는 스프링 로디드 패러럴 슬라이드 더블 디스크(Spring Loaded Parallel Slide Double Disc)가 많이 쓰인다 21회(961월호)(5)패러럴 슬라이드 더블 디스크(Parallel Slide Double Disc or Parallel Slide Spring Loaded Disc Gate)디스크는 평행되고 형상이 대칭되는 모양으로 그 사이에 강성도가 높은 인코넬 스프링이

끼어 있어 시팅력을 유지시켜 주는 게이트 구조이다 따라서 스프링에 의해 어느 정도 각 디스크는

독립적으로 시트에 착좌(Seating)할 수 있어 특별히 고온계통의 게이트밸브에 적용성이 높다 이는

밸브구조가 구조적인 불연속부가 많아 열응력이나 기타 배관라인의 배관작용력에 의한 뒤틀림

(Distortion)이 예상될 수 있기 때문에 이를 적절히 수용할 수 있는 구조의 디스크가 필요한 것이다 이 구조의 더블 디스크는 다른 구조의 게이트 디스크에서 치명적으로 일어날 수 있는 구조적 불안을

완벽하게 해결할 수 있는 큰 장점이 있는 반면에 구조가 복잡하고 가격이 비싼 것이 흠이다〔장점〕

게이트 밸브의 디스크 구조상 시팅시의 유연성이 가장 좋다 이는 시트의 접촉하중의 큰 변화 없이

기밀을 유지할 수 있기 때문에 高에너지 배관계통에 특히 적합하다계통운전중 계통온도의 급격한 변화로 인한 열팽창 차이로 인한 고온고착이 발생할 수 없는 구조이다

계통의 급격한 온도변화 또는 배관 작용력의 증대등으로 인한 시트의 뒤틀림에도 스프링의 가압력 및

계통압력으로 인하여 적절한 시팅 효과가 유지된다디스크의 시팅이 유연하기 때문에 흠집(Galling) 발생의 정도가 낮다시팅력이 거의 일정하기 때문에 모터 구동장치의 적용 신뢰성이 높으며 따라서 모터를 경제적으로

선정할 수 있다〔단점〕

밸브 출구측 디스크 게이트에만 시팅이 되는 구조로서 시팅의 여유가 제한되어 있다스프링 가압력에 있어서 그 힘이 디스크 중앙에 위치하기 때문에 디스크의 완전 열림에서 닫히는

순간에는 디스크 끝 부분과 시트가 부분적으로 마모되기 쉽다이러한 단점을 보완한 것이 콘디트 패러럴 슬라이드 더블 디스크밸브이다(6)슬래브 게이트 밸브(Slab Gate Valve)매우 간단한 구조의 공간 절약형의 게이트 밸브이다 슬래브 게이트는 밸브 입출구 방향으로 움직일

수 있는 시트와 접촉하면서 기밀을 유지한다 즉 다른 구조의 게이트 밸브들이 모두 디스크에서의

가압력에 의한 시팅구조인 반면에 슬래브 게이트 밸브는 시트가 일정한 시팅 가압력을 가지는 구조인

것이다따라서 시트는 밸브 몸체에서 분리가 용이하며 몸체와 시트 사이에 스프링 테프론과 같은 소프트

시트 구조로 기밀을 유지하도록 되어 있다 슬래브 게이트 밸브의 장단점은 다음과 같다〔장점〕

배관 작용력에 대하여 유연하게 대처할 수 있다디스크는 물론 시트까지 보수가 용이하다 왜냐하면 시트는 밸브 몸통에서 쉽게 분리되는 구조이기

때문이다슬래브 게이트에는 큰 힘이 작용하지 않는 구조임으로 구조가 간단하다계통온도의 급격한 변화등으로 발생할 수 있는 디스크와 케비티(Cavity)사이의 잔존 유체의 증발

팽창을 시트 구조 자체에서 릴리프 할 수 있기 때문에 이상승압과 같은 밸브 작동불량이 생길 수 없다〔단점〕

저온 저압에만 적용 가능하다 고온일 경우 오링 씰의 열화등을 밸브 수명평가에 고려하여야 한다 고압일 경우에는 프리로드 스프링(Preload Spring)의 설계에 어려움이 따른다 운전온도는 최대

200 이내이어야 하고 150 기준 지속운전 시간이 5000 시간을 넘지 말아야 한다버터플라이 밸브와 비교할 때 비경제적이므로 특수한 경우를 제외하고는 거의 사용되지 않는다(7)나이프 게이트(Knife Gate)나이프 게이트 밸브는 디스크를 칼날같이 얇은 길로틴과 유사한 구조를 가진 디스크를 채택한

밸브이다 또한 이 디스크는 본네트를 통과하여 외부로 노출되는 구조이다따라서 스템은 계통 유체에 접촉되지 않는다 이 밸브는 메탈 시트나 소프트 시트(Metal Seats or Soft Seats)가 모두 가능하고 밸브 제작의 크기에는 거의 제한 없이 만들 수 있으나 디스크가 외부로

노출되는 구조이기 때문에 스터핑 박스의 패킹 마찰면적이 넓고 구조적으로 패킹실링 역학상

어려움이 많기 때문에 스터핑 박스의 패킹 기술이 매우 중요시 고려된다 따라서 사용압력기준은

ANSI 125 또는 150이 최대이다나이프 게이트 밸브의 주요 응용분야는 펄프나 레올토지 유체와 같은 슬러리가 있거나 고점도 유체의

차단용으로 주로 사용된다〔장점〕

저압 유체의 제어용 밸브로서는 저가격 구조의 밸브이다슬러리와 같은 찌꺼기가 많거나 고형물이 많은 유체에 적합한 밸브이다가볍고 설치공간이 절약된다스템 및 스템의 나사부위 등이 유체와 접촉하지 않는 구조이다〔단점〕

외부 누설의 가능성이 높다고온 또는 고압에는 부적합하다316 글로브 밸브(Globe Valve)(1)차단밸브로서의 글로브 밸브

일반적으로 차단용 밸브를 선정함에 있어 주요 선정포인트는 밸브에서의 압력손실이 어느 정도인가를

최우선으로 고려한다 이는 전체 시스템에 있어서 압력손실의 누적으로 인한 동력에너지의 손실 등을

감안하면 쉽게 이해가 된다 따라서 차단용 밸브로는 주로 게이트 버터플라이 볼 밸브와 같이

압력손실이 적은 밸브를 선정한다그러나 일반적으로 스톱 밸브라고 말하는 밸브는 소형의 글로브형 차단밸브이다 이는 배관계통의

메인후로우(주관 Main Flow)가 아닌 계장용의 관말(Instrument Root Valve)이나 배기배수관말

(Vent amp Drain Valve)에 쓰이는 밸브들이 이에 속한다글로브 밸브는 앞서 연재한 게이트밸브의 운전상의 여러 문제에 대하여 상당히 양호한 대책이 될 수

있는 차단용 밸브로 선정될 수 있으나 압력손실 면에서는 큰 대가를 치러야 한다대략적인 압력손실량은 게이트 밸브가 05psi 라면 T-타입의 글로브 밸브는 10psi Y-타입의 글로브

밸브는 2~3psi 피스톤 체크 밸브의 경우 10psi 이다 차단용 글로브 밸브는 게이트 밸브와는

상이하게 유로방향을 일정하게 주어야 한다 거의 대부분이 디스크의 하부로부터 상부로 유로를

형성하는 상향식이 주종이나 진공차단용의 글로브 밸브는 이와 반대인 디스크 위측으로부터

하부측으로 유로를 형성시켜야 한다 이는 밸브가 차단된 후에 글랜드 패킹부위와 진공부가

차단되어야 하기 때문이다 (2)유량제어 목적으로서의 글로브 밸브

글로브 밸브는 유량제어의 목적으로 현재 가장 많이 채택하고 있는 밸브형식이다 그 이유로는 다음과

같이 요약 정리할 수 있다유체의 운전조건 즉 온도 압력 밸브에서의 차압조건 등 모든 어려운 조건에 맞도록 밸브 내부형상을

설계할 수 있는 구조가 글로브 밸브이다글로브 밸브는 다른 볼 밸브 버터플라이 밸브 등과 비교하면 상대적으로 매우 높은 유체흐름 저항을

갖고 있기 때문에 유량제어에서의 문제인 저유량 제어시 또는 저개도 운전시의 케비테이션이나

소음문제에 대하여 능동적으로 대처할 수 있는 밸브이다글로브 밸브는 유체제어의 목적으로 설계 제작 및 설치운전의 경험이 풍부하여 쉽게 자문 받을 수

있는 밸브이다밸브제작자 및 연구학계로부터 수많은 연구자료가 있으며 ISA(Instrument Sicety of America)와

같은 기관에서의 표준 규격 또는 권고 규격 등이 있어 유체제어에 대한 일관된 원칙으로 밸브를 설계 제작 및 운전할 수 있다유체제어용 즉 유체의 압력 온도 유량 및 차압제어용의 글로브 밸브는 통상 콘트롤 밸브(제어밸브)라고 하며 제어 목적에 따라 수많은 내부밸브(트림)형식이 있다 콘트롤 글로브 밸브의 트림형식은

배관기술 과월호에 언급한 바와 같으며 여기서는 각 트림별 형상 특성에 대하여 설명하고자 한다

우선적으로 콘트롤 밸브 즉 제어밸브의 배관계통상의 제어특성은 한마디로 유량과 차압(Differential Pressure)으로 요약할 수 있다 따라서 제어밸브를 논의함에 있어 가장 먼저 생각해야 하는 것은

배관계통의 압력손실구조와 제어밸브에서의 압력손실(차압 ΔP)간의 관계를 검토하는 것이다22회(962월호)(3)글로브 밸브의 대표적 트림구조의 이해 글로브 밸브는 통상적으로 유체의 흐름을 흐름방향

정면에서 디스크로 차단하고 아울러 디스크의 개도 위치에 따라 유량을 조절하는 밸브로서

유체흐름에 S 자형을 형성하게 됨으로써 밸브내의 압력손실이 게이트밸브 볼 밸브 및 버터플라이

밸브에 비하여 크다그러므로 글로브 밸브의 사용목적은 호칭 직경 4Prime를 초과하는 대형의 경우 유량제어의 목적이

우선적이나 밸브 개폐의 조작력이 상대적으로 크고 디스크 구조상 중간 개도시의 디스크 회전으로

인한 밸브 스템의 불안정으로 인하여 유량 제어를 최우선으로 하는 프로세스 제어에 사용되는 수동의

대형 글로브 밸브의 경우에는 계통의 보다 신뢰성 있는 엄격한 내부차단 기능(Tight Shutoff Tight Sealing)은 물론 간헐적으로 유량조절이 필요하며 아울러 운전자의 조사환경에 불리한 조건이 없는

경우에 채택하는 것이 일반적이다따라서 글로브 밸브는 사용 목적상 크게 구분하여 다음의 조건에 합당하도록 설계 제작되어야 한다 즉 밸브 스템에서의 기밀유지(Valve Stem Scaling) 밸브 본네트와 몸통간의 기밀유지(Valve Body Sealing) 밸브 좌면에서의 기밀유지(Zero Seat Leakage) 밸브 운전부품(Mechanical Operating Parts)들의 건전성 동저 하중(예로

수격현상 등)에 대한 구조적 건전성 등 다섯 가지 기본사항에 더불어 주문자의 요구사항(Design Specification)과 전체적인 프로세스 안전성과 이에 따른 밸브의 신뢰성에 기초하여

운전수명기간동안 건전한 기능유지와 비정상적인 운전인자로 인한 밸브수명의 저하를 충분히 보전할

수 있는 운전보수 개념을 도입하여 설계 제작하여야 한다 특히 대형의 글로브 밸브는 사용상의 제한

(밸브의 크기 유량 제어방식 구토방법)등이 따르기 때문에 주문社 요구사항의 합리적 반영을 통하여

최적의 설계를 구현하여야 할 것이다〔글로브 밸브〕

글로브 밸브는 그 운전 특징으로 보아 두 가지로 대면할 수 있다첫째는 유량조절이 가능하여야 할 것이며 두 번째는 엄격한 내부 기밀유지(Zero Seat Leaks)를

이루면서 게이트 밸브나 볼 밸브와 같이 승온으로 인한 이상승압(Pressure Locking)이나 고온고착

(Thcermal Binding)을 피하고자 할 때 사용한다그러나 밸브의 Seating 이 게이트 밸브에 비하여 약 4 배 이상 됨으로써 대형의 고압 서비스에는

밸브의 크기 및 작동 방식에 제한이 따르게 되므로 한정적으로 사용될 수밖에 없다첫 번째의 유량조절 기능의 부여는 글로브 밸브의 내부트림(이하 디스크와 시트로 구분하여 설명한다)을 요구되는 유량 특성에 맞추어 설계 제작함으로 이루어진다 유량조절 특성이 계통의 최우선 목적인

경우에는 제어밸브로 특징되는 밸브를 선정해야 할 것이나 이에 대한 구체적인 사항은 다음에

구체적으로 설명한다 따라서 글로브 밸브 특히 대형 글로브 밸브의 경우에는 게이트 밸브에서

예상되는 문제점(이상승압 또는 승온현상등)을 피하면서 유량 조절 기능을 제한적으로 부여하는

의미에서 디스크의 형상은 급개형(Quick Opening Type)에 유사한 형태로 설계하게 된다 특수한

목적(Design Specification 의 요구사항)에 따라 신형(Linear Type)의 디스크를 설계하는 경우는

수동 대형 글로브 응용에 있어서 매우 이례적인 사항이다 두 번째로 엄격한 내부 기밀유지는

무엇보다도 밸브에 있어서 가장 중요한 기능이다 따라서 밸브 디스크와 시트는 정밀하게 가공되고

또한 어떠한 조건의 운전환경에서도 수명기간 동안 디스크 및 시트 재질의 어떠한 노화나 손상이

없도록 설계 제작되어야 한다 따라서 이 디스크 및 시트 부위의 설계 제작 및 보수 기준은 밸브

제작시의 핵심적인 기술중의 하나이다이에 따라 디스크와 시트 형상 디스크의 안내 및 지지방법 디스크의 취부방법 디스크 및 시트면의

가공방법 디스크와 시트의 보수시 고려사항 디스크와 시트의 밸브 몸통간의 기하학적 구조관계 등을

종합적이고 합리적으로 고려하여 밸브를 설계 제작하여야 한다 다음의 글로브 밸브 트림 설계에서

이 사항을 구체적으로 설명한다〔대형 수동 글로브 밸브의 바람직한 트림 설계〕

① 유량 조절용 트림

유량 조절용 트림을 대형 수동 글로브 밸브의 경우 트림 형상에 따라 이상적으로 다음의 네 가지를

채택할 수 있다급개형(Quick Opening Type)의 트림

선형(Linear Type)의 트림

등비유형(Equal Percentage Type)의 트림

수정등비율형(Modified Equal Percentage Type)의 트림

그러나 앞에서 설명한 바와 같이 조직력의 제한과 운전 환경의 고려 운전 특성 등으로 인하여

급개형에 유사한 트림을 채택하는게 일반적이나 예로 대형 프로세스 플랜트나 발전소용 대형 글로브

밸브를 제작하고 있는 미국의 AnchorDarling Co Edward Cast Steel Valve Borg Warner Co등의 대형 글로브 밸브의 디스크 설계가 모두 급개형의 구조로 되어 있다이를 디스크 형상으로 유량 조절 특성에 유추하여 보면 저개도(일반적으로 총 스템의 운동량[Total Stern Traveling]의 40이하)에서는 기준유량(Rated Flow Rate)의 90까지 전형적으로 유량이

변하게 되므로 효율적인 유량조절용 밸브의 총 운동량(Travel Length)의 40미만의 저개도에서

이뤄지게 되므로 결과적으로 유량을 제한적으로 조절하는 것이 되는데 이는 수동 밸브를 조사함에

있어 밸브의 조작량과 시간을 단축시켜야 하는 의도와 부합되므로 급개형 트림 구조의 선택은 수동

대형 글로브 밸브에서 적합하다고 사료된다그러나 4Prime미만의 소형 글로브 밸브의 경우에는 통상적으로 유로차단의 스톱 밸브 역할과 더불어 유량

조절의 조작방법이 대형 글로브 밸브의 상황보다는 월등히 유리할뿐더러 프로세스가 요구하는

계통제어의 적정량에서도 합리적이므로 선형 또는 등비율형의 트림 구조도 많이 채택하고 있다②디스크와 시트의 기밀유지

디스크와 시트가 엄격하게 기밀을 유지하기 위해서는 완벽한 밸브 몸통에 고정된 시트에 대하여

디스크는 부드럽고 완벽하게 시트에 밀착되어야 한다 이렇게 되기 위해서는 디스크는 시트에 완벽한

밀착을 위하여 상대적인 허용 범위 이내의 미세 운동은 허락되어야 하며 아울러 시트에 접촉된

순간부터 시트 경계면에 손상을 주지 않도록 시트면에 점선방향의 상대운동은 허용할 수 없고 오직

접선 방향의 방향만이 허락되어야 한다물론 완전 기밀(Bubble Tight)인 경우에는 디스크와 시트의 기밀유지선은 선접촉(Line Contact)이어야 하므로 디스크 및 시트면에는 경도가 높고 인성도 많으며 내마모성이 우수한

크롬코발트계열의 경질합금(硬質合金)과 같은 것으로 하드페이싱(Hardfacing)되거나 시트 또는

디스크의 한쪽 또는 전체를 경질합금으로 제작하여야 한다그러나 법선방향의 운동이 허용범위를 초과하게 되면 소위 코킹(Cocing)현상 즉 디스크가

밸브몸체의 안내면에 꽉 끼이는 현상이 발생되어 디스크의 상하운동이 곤란하게 되며 심할 경우 밸브

조작이 어려워진다이런 현상이 생길 경우에는 문제의 경중에 상관없이 디스크의 시트는 완벽한 기밀유지를 할 수 없다 따라서 밸브 스템의 안정성과 디스크의 원활한 안내를 유도함으로써 코킹을 방지할 수 있는 밸브구조

즉 디스크의 안내구조가 필요하고 또한 안내구조는 정밀하게 설계되고 제작되어야 한다 또한 초기

접촉시 시트와 디스크면이 일치하여 이후 기밀을 위한 여분의 가압력에 따라 시트의 접촉선과

디스크의 접촉면에서 균일한 압력이 발생되어야 한다 이는 초기 접촉시의 아주 미세한 접촉 압력차를

디스크의 시팅운동으로 바꾸어 주여야 하기 때문이다따라서 글로브 밸브의 디스크는 스템에 완전히 고정되어서는 시팅구조의 정밀도가 곧바로 확보되지

않는 한 이의 적용은 곤란하며 스템의 디스크 연결구조는 일정한 허용 범위를 갖는 유극(간격이 있는) 구조로 설계된다 이를 위하여 디스크를 스템선단(先端)에 연결하는 방식은 대형 글로브 밸브의 경우

디스크와 디스크니트 또는 디스크와 디스크 스커트로 하여 나사로 체결되며 체결 후 필요에 따라

씰용접(Seating)을 위한 최소한의 유극(遊隙)을 갖도록 설계한다 아울러 압력구조상 밸브는

구조적인 불연속부가 많아 구조적으로는 근본적으로 취약한 압력용기일뿐더러 온도에 민감하게

구조가 변형될 수 있는 구조물이다따라서 밸브의 디스크와 시트에서의 교축(絞縮)은 국부적으로 격심한 유체의 운동량 변화를 유발시켜

디스크에 국부적인 불안정을 가져온다 이 국부적인 유체에너지의 불안정을 설계에 미리 반영하는

것은 실제의 운전조건 중 가장 가혹한 경우를 고려해야 하는 것은 물론이고 밸브 설계시 압력-등급에서 최대의 허용압력을 밸브의 최대차압으로 고려하여야 할 것이다물론 최대 설계 차압(ANSI B1634 PT 기준에 의한 100F 시의 최대압력)하에서 구조적 안전성은

보장된다③디스크의 안내 및 지지방법

디스크 유로의 정면에서 유세의 저항을 직접적으로 받게됨으로 디스크가 완전히 닫혀있을 때는

문제가 없지만 열려있을 경우에는 디스크와 시트의 기밀유지에서 언급한 시팅구조(Seating Mechanism)에 의하여 아주 미세한 흔들림을 예상할 수 있다더욱이 고압용의 글로브 밸브 경우 디스크 정면 즉 시트링(Seat Ring) 아래에서의 밸브몸통

내면구조의 복잡한 형상으로 인한 난류현상을 전혀 배제할 수 없으므로 이로 인하여 유로에 와류가

생겨 디스크를 회전 또는 불안정하게 할 수도 있으나(미국의 Pacific Valve Co에서는 회전이 되지

않는 디스크 구조를 갖고 있음)몸통 설계시 이를 대칭으로 하기 때문에 스템에 영향을 줄만큼의

회전은 생기지 않는다디스크의 안내 및 지지는 대형의 글로브 밸브에서 구조적으로 매우 중요한 사안이다일반적으로 호칭 직경 4Prime이상의 ANSI Class 600 이하에서는 밸브 시트링의 하부에 밸브 스템을

지지함으로써 디스크의 안내와 지지를 하는 Bottom Guided Disc 가 있으나 이는 유로 선단에서

난류의 발생 원인이 되며 이로 인하여 밸브의 성능이 저하됨으로 발전소용 밸브에서는 채용하지

않는게 일반적인 추세이다이를 보다 간단히 하고 또한 밸브 성능의 향상 교화를 갖는 디스크 스커트 형식의 밸브 몸체로서

안내하는 구조(Body Guided) 혹은 밸브 몸체에 리브를 제작하여 안내하는 구조(Body Guide Libs)를 채용하고 있다 이는 디스크와 스템간의 정확한 축정열(Alignment)을 확보함으로써 스터핑

박스의 글랜드 패킹에 무리가 없도록 하며 아울러 코킹 현상을 방지하여 밸브 시트에 정확한 밀착을

하기 위함이다 디스크 스커트 또는 디스크 너트는 진원(眞圓)의 정밀한 표면가공으로 정면을

유지하고 통상 3 개의 Body Guide Lib 로 축정열을 시키는데 그 유극(遊隙)은

05~07(002Prime~003Prime)mm 를 가진다 그러나 밸브목의 내면으로 Body Guide 할 때에는 밸브 스커트 또는 너트에 구멍을 뚫어 입력의 평형을 이루도록 한다(예AnchorDarling Valve 의 Disc Skirl 의 구멍)그러나 밸브 구조의 안정성을 고려하여 Body Guide Lib 방식이 널리 사용된다 왜냐하면 글로브 밸브의 시트를 통과한 유체는 일단 안정적인 흐름을 보다 빨리 구현하기 위하여

시트링의 유로 단면적보다 넓은 공간을 필요하게 되는데 이 부분이 밸브의 내압 부분에서 가장 취약한

부분(Valve Crotch Area)에 해당하는 부분이 된다 따라서 이곳에 리브(Lib)를 추가하여 밸브 구조의

안전성을 강화하고 유로 특성을 효과적으로 할 수 있다디스크를 안내하는 리브의 길이는 제작자에 따라 다르지만 가장 좋은 것은 밸브목 끝단까지 되어 있는

것이지만 제작의 편의를 고려하여 밸브 디스크의 가용 운동량(Effective Disc Traveling Length-통상 수동 대형 글로브 밸브의 경우 총 운동량의 40이하로 유지시킴)이상을 확보한다 이에 대한

예로 AnchorDarling Valve 및 Rockwell Edward Valve 가 이러한 구조이다④디스크 및 시트면의 가공

디스크와 시트는 밸브 기능중의 가장 핵심적인 부품으로써 구조적 강도는 물론 표면강도 표면의 가공

정밀도 경도 내부식 및 내침식에 대하여 좋은 특성을 가진 금속으로 심혈을 기울여 쉽게 제작되어야

한다가장 일반적인 방법으로는 디스크와 시트가 서로 밀착되는 면을 Stellite No6 으로 경면육성용접(鏡面肉盛鎔接 Hardfacing)한 후 정밀한 래핑을 하여 서로 경면을 유지하는 것이다 이에 대한 구체적인

시방은 주문자의 요구에 나와 있는 것이 일반적이다23회(964월호)⑤디스크와 시트의 밸브 몸통간 기하학적 구조

밸브가 효율적으로 운전하기 위해서는 유체의 흐름을 방해하는 돌출부 같은 구조물을 가급적

최소화하여야 한다 또한 유로의 궤적에 알맞은 내부 유로로 밸브 내부가 실제 제작되어야 한다 따라서 Bottom Guided Disc 같은 경우는 밸브성능을 저하시키므로 피해야 하고 밸브의 내부형상

(Interior Contour)은 유로 형상에 적절하도록 한다 이 유로 형상의 설계는 밸브의 성능과 밀접한

관계를 가지고 있다 즉 유로 형상이 미끈하게 되어 있는 밸브는 와류에 의한 압력손실이 그만큼

작아지게 되므로 밸브의 Cv 계수가 높은 밸브인 것이다수많은 밸브회사들이 Cv 계수가 좋은 밸브를 만들기 위하여 지금도 디스크와 시트간의 밸브몸통

형상을 계속 연구하고 있으며 아울러 주조인 경우 주조회수율이 높으면서 불량이 감소하는 밸브 구조

형상의 연구와 더불어 앞으로 계속 밸브업계의 노하우로 이 분야는 분류될 것이다〔정리〕

플랜트 공정용 수동 대형 글로브 밸브의 트림은 밸브의 내압부를 포함한 구조적 건전성이 우선적으로

확보되어야 하며 아울러 유량 조절과 이에 따른 차압의 변화를 안전하게 제어하고 밸브의 시팅

기능을 유지함으로써 내 외부에서의 누설을 엄격히 관리할 수 있도록 디스크 및 시트의 형상과 구조

그리고 안내 및 지지 구조를 최적의 조건으로 설계 제작되어야 할 것이다 수동 대형 글로브 밸브의

트림구조는 다음과 같이 하는 것이 바람직하다디스크의 안정성(Stability)을 유지하기 위하여 디스크 너트 또는 디스크 스커트를 채용하여 이를

디스크 안내(Disc Guide)구조로 한다디스크지지 및 안내는 Body Guide 또는 Body Guide Rib 를 채용하는 것이 바람직하다디스크 너트 또는 디스크 스커트 상부에는 유체가 잔류하지 않도록 도피구(또는 압력평형을 위한

구멍)를 설치하거나 Body Guide Rib 구조를 채택한다

디스크 너트 또는 디스크 스커트의 안내면 접촉부는 정밀 가공하여 정확한 축정열 및 정밀한 시팅을

위한 스템 안내의 정확도를 기해야 한다 디스크 너트 또는 디스크 스커트와 밸브목의 안내면(밸브몸통 또는 Guide Rib)과의 유극은 엄밀히 제한되어(05~07mm 정도)안내의 정확도를

높이도록 하고 디스크와 스템의 체결시 이를 고려하여 디스크와 안내면 간의 유극보다도 작은 유극을

갖도록 설계하여 스템에 디스크가 완전고정(6 방향 고정)하는 방법은 피하는 것이 좋다 또한 스템의

끝단선과 디스크에 Hardfacing 을 함으로써 디스크에 이상 마모가 발생하지 않도록 한다디스크와 시트가 접촉하는 면은 Stellite No6 로 Hardfacing 한 후 정밀 래핑하여 내부누설이 없도록

한다수동 대형 글로브 밸브의 디스크 형성은 급개형으로 하는 것이 좋다(4)특수형식의 글로브 밸브

글로브 밸브는 사용목적에 따라 독특한 형식을 가질 수 있는 밸브 구조상 설계 적응력이 높은

밸브중의 하나이다따라서 매우 다양한 종류의 밸브가 글로브 밸브 형식을 중심으로 설계 제작되고 있다 예를 들면 스톱-체크밸브 니들 글로브 밸브 벨로우즈씰 밸브 메탈다이아후렘 밸브 Fluted 플러그 밸브 싱글시트 더블시트 체인지오버 밸브 블로우 다운밸브 쵸크밸브 스리웨이 밸브등 그들 형식이 매우 복잡

다양하다 우선 본지에서는 글로브 밸브 중 특수형식의 밸브에 대하여 소개 차원의 간단한 설명을

하고자 한다①벨로우즈 씰 밸브

벨로우즈라는 금속제 주름관을 밸브에 적용시킨 것이 벨로우즈 씰 밸브라 한다 단지 벨로우즈는

비틀림에 매우 약하기 때문에 밸브스템이 상하운동만 하는 밸브에만 적용될 수 있다 따라서 글로브

밸브 게이트밸브에 적용된다 그러나 벨로우즈는 통상 015mm두께이하의 얇은 박판 2~3 장을

주름잡는 것이기 때문에 구조적인 강도가 매우 낮다따라서 내압부분에서는 어느 정도 구조적인 건전성이 입증되지만 운동량이 많을 경우 피로에 의해

손상될 수 있기 때문에 밸브에의 적용은 기술적으로 매우 고난도의 설계 계산을 요구한다벨로우즈 씰 밸브는 글로브 형식의 밸브에 있어서 폭 넓게 사용된다 적용성이 높은 이유는 비교적

낮은 스템 운동량(Travel Length) 때문이다 유로 직경의 25만 되어도 되기 때문에 글로브 밸브의

경제적 최대 크기인 12Prime(300A)까지도 가능하다 압력-온도 등급으로 보면 ANSI Class 150(PN16)에서 2500(PN260)까지도 가능하다 그러나 압력-온도 등급이 높아질수록

벨로우즈의 수명을 높은 수준으로 유지하기는 기술상 어려움이 많다벨로우즈 밸브에 대하여 수명을 언급한 기술규격으로는 BS5352 가 있는데 API 800를 기준한

밸브에 있어서 게이트밸브가 5000회 글로브 밸브가 10000회이다그러나 통상적으로 벨로우즈 밸브 제작사의 제작 표준은 각각 10000회 20000회 이상으로

유지한다 최근 자연보호와 환경보호의 일환으로 미국의 경우 EPA 에서는 밸브 특히

석유화학계통에서의 밸브 누설을 500PPM 이내로 할 것을 강력히 규정하고 있으며 이 요구사항은

점차 더욱 강조될 것으로 예상된다따라서 기술향상에 따른 벨로우즈의 성능향상 및 경제성 확보 환경보호에 따른 대기누설의 엄격한

통제 등을 고려할 때 앞으로 벨로우즈 밸브의 수요는 대폭적으로 늘어날 것으로 예상할 수 있다②메탈 다이아후램 밸브

메탈 다이아후램 밸브는 얇은 메탈 다이아후램을 몇 겹씩 쌓아 이를 이용하여 유로부와 밸브부를

완전히 차단하는 밸브로써 외부누설이 있어서는 안되는 방사선계통의 밸브 독성가스용 밸브 등에

사용되어 왔다그러나 밸브적용상의 몇 가지 치명적인 제한 때문에 지금은 거의 사라져 가는 구시대 밸브로

일부에서만 극히 제한적으로 사용되고 있다 대신에 벨로우즈 밸브가 이를 점차 교체해 나가고 있는

추세이다 우선 메탈 다이아후램은 변형량이 다이아후램 직경에 비례하므로 필요한 스템 운동량을

갖기 위해서는 큰 직경이 필요하게 된다 그러나 직경이 크게되면 밸브목의 직경이 크게되어

비경제적인 밸브가 된다 따라서 밸브크기가 2Prime이하에 적용되며 스템 운동량도 3~6mm 이내로

제한된다 그러므로 유로부에 대한 저항이 커지게 되므로 밸브모양은 Y 타입이 되어야 하고 시트의

직경을 유로 직경과 같게 설계함으로써 같은 크기의 밸브에 비하여 덩치가 큰 고가의 밸브가 된다 또한 스템 운동량이 적으므로 밸브 설치 후 이물질 등이 후라싱되지 않고 잔류하여 시트와 디스크간에

끼어 시트가 손상될 염려가 많아 내부누설의 가능성이 높다 아울러 메탈 다이아후램 밸브는 완전

개방이나 폐쇄(On-off Service Only)만 가능한 밸브이다 만약 중간 개도에서의 유량조절

(Throttling)은 메탈 다이아후램에 피로를 주어 다이아후램 외주부분이 피로 파괴된다 이는

유체흐름이 어느 정도의 맥을 갖고 있으므로 이로 인한 피로가 다이아후램에 전달되기 때문이다이상과 같은 이유로 최근에선 샘플링 밸브와 같은 12Prime이하의 계장용 밸브에서조차도 적용되지 않고

있으며 제반 성능이 월등히 좋은 벨로우즈 무누설 팩크레스(Zero-Leakage Packless)밸브는

제작되고 있다③ 스톱-체크밸브(글로브-체크밸브)이 밸브는 기본적인 글로브 밸브 모델에 체크밸브 즉 리프트 체크밸브의 기능을 복합한 이중기능의

밸브이다 밸브를 개방해 놓으면 리프트 체크밸브로써 유체가 한쪽 방향으로만 흐르도록 되지만

밸브를 닫는 것은 일반 글로브 밸브와 같다 글로브 밸브의 스템 끝에 이 스템을 안내면으로 하는

리프트 체크밸브를 갖춘 구조로써 펌프 출구전단이나 열교환기 같은 배관 시스템에 사용될 수 있다 즉 스톱밸브와 체크밸브를 각각 설치해야 하는 경우 이 스톱-체크밸브 하나로써 배관계통을 단순화할

수 있는 잇점이 있다④ 체인지오버 밸브(Change Over Valve)체인지오버 밸브는 주로 합섬계통에서 원료의 방향 바꿈 등의 사용 용도로써 많이 사용된다 이 역시

2 개의 글로브 밸브를 밸브하나로 기능을 통합한 밸브로 입구측 밸브와 출구측 밸브가 서로

체인지오버 하면서 유체흐름을 변경하는 것이다 이러한 밸브를 쓸 경우 기존의 2 개 글로브 밸브 1개의 티이 2 개의 엘보우 4 개의 플랜지 9 개의 용접량을 1 개의 체인지오버 밸브 단지 3 개의

용접량으로 배관공사비를 절감할 뿐 아니라 운전조작의 통합 간편성과 설치공간의 대폭 축소로 인한

경제적 이익은 매우 막대하다 하겠다 체인지오버 밸브와 대응하는 밸브형식으로 Three-way 밸브를

들 수 있다 쓰리웨이 밸브는 두 개의 포트를 가진 밸브로써 사용 목적은 유로 흐름을 변경(Diverting or Change-over)하는 것과 두 개 유로의 유체를 섞어 한 측으로 보내는 것(Mixing) 및 유로 흐름을

각기 분리하는 구조(Splitting)등 세 가지 목적에 쓰인다 이 세 가지 목적별로 밸브의 디스크 형상 및

시트 구조는 각기 판이하게 다르다⑤블로우다운 밸브(Blow Down Valve)배관계통에 있어서 블로우다운은 기액(汽液)2 상 유체(Tow Phase Flow)를 후라싱 탱크(Flashing Tank)를 통하여 분리하는 공정으로서 비교적 높은 압력의 기액 2 상 유체를 낮은 압력의 Flashing Tank 에 급속히 인입 시킴으로써 기액을 분리하기 때문에 이를 제어하는 밸브는 운전조건이

가혹하다 예를 들면 발전소용 증기 블로우다운의 경우 블로우다운을 시키는 밸브는 차압(ΔP)이 일반

밸브에 비하여 비교할 수 없을 만큼 크기 때문에 밸브의 트림부는 엄청난 유속으로 인한 마모

(Erosion) 문제에 적절한 대응책이 필요하다따라서 블로우다운 밸브는 기본적으로 밸브에서의 압력손실(ΔP)을 크게 할 수 있는 구조 및 입출구

형상을 가져야 하고 아울러 트림부의 침식문제를 억제하는 구조이어야 한다 따라서 디스크-시트에서

교축된 유로부는 바로 점진적으로 확관되어 속도 에너지의 손실을 크게하고 유로는 항상 디스크의

아래쪽으로 흐르게 한다 또한 디스크와 시트는 두텁게 스텔라이트(Stellite)로 육성 용접하여

내마모성을 증대시키는 구조이어야 한다 아울러 블로우다운 밸브는 계통 조건에 따라 미세한

유량조절이 아울러 요구되는 밸브로써 블로우다운 시스템의 운전초기 또는 관련계통의 시운전시의

최대 유량 조건과 정상운전시의 유량조건의 차이가 크게 나는 밸브이므로

디스크의 형상은 이러한 조건에 맞도록 Needle Type 을 사용한다24회(966월호)317 밸브 전동 구동장치(Motor Actuator)밸브의 제어운동을 전기적인 힘으로 자동으로 조작하는 기계를 전동밸브 구동장치라 하며 일반적으로

이러한 밸브를 통칭하여 MOV(Motor Operated Valve)라 한다 MOV 는 전기에너지를 사용하여

전동기의 회전력으로 밸브를 조작하는 것이기 때문에 전동구동기(Electric Actuator)라고도 하며

응용범위가 다양하고 비교적 저가격으로 신뢰성 높은 운전을 할 수 있기 때문에 거의 모든 종류의

밸브에 적용할 수 있다아울러 밸브제어의 각 고유기능(On-off Fast OpenClose 비례제어 Time Control Remote Control 등)을 수행할 수 있어 밸브의 구동장치로써 매우 많이 사용되고 있다(1)MOV 의 전동구동기 종류

〔회전방법(방향)에 따른 분류〕

MOV 는 전동구동기를 장착한 밸브를 총칭하는 말이므로 구동장치만을 말할 때는 전동구동기라고

통일한다 밸브는 차단기능 제어조절기능에 따라 크게 회전형 밸브와 직선운동형 밸브로 구분된다 대부분의 회전형 밸브는 90회전에 의하여 열리고 닫힌다 직선운동형 밸브는 게이트 밸브 글로우브

밸브와 같이 회전운동을 직선운동으로 변환시키는 것 스템에 나사가 없는 글로우브 게이트 밸브나

다이아후램 밸브와 같이 순전히 직선운동만이 필요한 밸브 등이 있다 여기서는 앞서의 90회전형

밸브 및 스템에 나사가 있어 회전운동에 의해 스템이 오르내리는 밸브의 구동장치에 대하여 설명한다①90회전 구동기(Quarter-Turn Actuator)90회전 또는 14회전 구동기는 90 이내의 회전각을 갖고 작동되기 때문에 90회전밸브인

버터플라이 밸브 볼 밸브 플러그밸브 댐퍼(Damper)등에 사용된다 90회전이기 때문에

작동회전각이 매우 적으므로 에피싸이클로이드(Epicycloid)와 같은 다단계 감속 구조에 의하여 대략

11280 에서 115000 으로 감속되며 01~15rpm(Revolution per minute)범위의 회전속도로

운전한다② 다회전 구동기(Multi-Turn Acutator)Multi-Turn 구동기는 적어도 1회 이상 최대 수백회(le1000회전)까지의 회전이 가능하도록 하여 이

회전을 나사메카니즘을 통하여 스텝을 직선운동으로 변환시켜 밸브를 여닫고 하는 것이다따라서 통상의 게이트밸브 글로우브 밸브 등에 적용한다 이 구동기를 밸브 스템에 연결하는 구조는

스템이 회전하면서 동시에 상하운동하는 Stem Rotating amp Riding 방식과 구동장치에 삽입된

슬리이브를 회전시켜 스템이 단순히 상하운동만 하게 하는 Non-Rotating Rising Strem 방식이

있다 현재의 다회전 구동기는 거의 100가 후자의 Non-Rotating Rising Strem 방식을 채택하고

있다

이는 글랜드 패킹에서의 마찰력을 최소화시켜 구동장치의 Torque 를 절감하고 아울러 패킹에서의

기밀유지구조를 가급적 안정하게 하는데 있다 이 구동기의 회전속도는 14~250rpm 으로 90회전

구동기에 비해 고속으로 운전된다〔조작기능에 의한 분류〕

전동구동기는 밸브의 운전을 자동화하기 위한 것이므로 조작기능 또한 구분할 수 있다 대표적인

회로구성은 다음에 설명한다① 기본형(Basic Model)밸브의 원격운전에 필수적인 최소의 구성 즉 전동기 감속장치 토오크 및 리미트 스위치 수동운전을

위한 메카니즘 위치표시장치 전동기 히터 터미널 블록 등으로 구성되어 있다 독자적인 제어회로에

의한 부가적인 제어기능이 없으므로 주로 On-Off 용으로만 사용된다② 통합형(Integral Model)기본형의 모든 제어기능을 구동기 내부의 판넬에 수용하고 아울러 원격운전은 물론 구동기 자체에

장치된 스위치로 구동기를 운전할 수 있다 따라서 기본형 이외에 밸브운전의 모니터(Monitor)기능 인터록킹(Interlicking)기능 자동위상변조(Auto Phase Correction)기능 긴급차단기능

(Emergency Shutdown) 구동기 속도조절기능 등 다양한 특수기능을 제공한다③ 지능형(Intelligency Model)통합형의 기능에 통신제어기능을 부가하고 아울러 프로그램기능을 추가함으로써 수동적인

밸브운전을 능동적인 밸브운전이 가능하게 하고 구동기와 밸브 그리고 배관내 유체흐름의 상태등을

종합하여 원격에서 모니터링 할 수 있다 아울러 자체의 진단기능으로 하여금 계통의 이상운전 여부를

경보하는 그야말로 지능형의 구동기를 일컫는다최근에는 컴퓨터통신을 이용한 LAN 또는 WAN(Wide Area Network)으로 밸브 구동기를

프로그램에 따라 원격에서 Systematic 하게 운전하고 이 운전을 피드백하여 계통의 운전상태를

감시하고 자체의 진단기능을 갖는 지능형의 밸브 구동장치가 장치산업을 중심으로 많이 사용되기

시작하였다〔운전모드에 따른 분류〕

①완전 On-off 용 구동기

밸브를 완전히 닫고 열게 하는 구동장치로서 아무리 큰 밸브라 하더라도 닫혀있는 상태와 완전히

열려있는 상태를 이 구동기는 유지하여야 한다 통상적으로 밸브개폐의 동작시간만큼만 전원에 의해

구동장치가 동작하고 이후에는 전원이 Off 되어있어야 한다따라서 밸브의 개폐시간은 모터 작동시간으로 보아 15 분을 초과하지 말아야 하므로 시간정격을 가진

단기작동형 즉 IEC 에서 정하는 S2 급으로 15 분 등급을 가져야 한다 이 등급의 전동기는 연속적으로

운전하는 연속정격의 2 배정도의 출력 토오크를 제공할 수 있다 만약 15 분 이상 연속 운전할 경우 모터가 과열될 수 있으므로 이에 대한 보호장치는 필수적이다 일반적으로 게이트밸브나 글로우브 밸브의 경우 밸브가 완전히 닫혀 있을때(더욱 엄밀히 말하여

밸브가 완전히 닫히는 순간이나 완전히 닫힌 상태에서 빠져나올 때) 구동 토오크가 최대가 된다 이후

밸브가 열리면서 구동 토오크는 급격히 감소되므로 구동기의 출력(토오크)은 밸브가 완전히 닫히는

순간 최대가 될 수 있도록 토오크 리미트 스위치와 리미트 스위치로 구동기 출력을 기계식으로

바이패스시켜야 할 것이다 이에 대한 보다 이론적인 설명은 다음에 구체적으로 설명할 예정이다따라서 구동기 드라이브 기어(Drive Gear)에는 모터가 정격속도에 도달한 이후에 보다 큰

토오크력이 전달될 수 있는 햄머블로우(Hammer Blow)장치를 부착하여 밸브 On-off 조작시 가장 큰

토오크가 필요한 언시팅(Unseating 밸브가 완전 닫혀 있다가 열리고자 하는 순간)시의 힘을

제공한다② 유량조절 또는 비례제어형 구동기(Proportional Control Actuator)이 구동기는 배관계통내의 유량 압력 또는 온도에 따른 제어 목적에 적절히 대응하여 운전되도록 한

것으로 운전량을 측정하는 감지기 제어량과 운전량을 비교하고 제어량을 산출하는 콘트롤러 콘트롤러로부터의 제어신호(4~20mA 또는 1~5Volt DC)를 받아 밸브의 개조를 지시하는 포지셔너

및 모터로 구성되어 있다 이러한 구동기는 연속정격(Continuous Duty)의 전동기(IEC S4-25 Class)를 사용하며 앞서의 On-off 구동기에 비하여 약 절반정도의 토오크만 있어도 충분하다 아울러

정밀한 연속적인 제어를 위해서 극히 낮은 관성을 가진 전동기를 사용하고 저속(On-off 용 구동기에

비하여 2~3 배)의 운전속도와 자동체결(Self-Locking)구도를 가져야 한다 물론 감지기와 같은

센서류의 고장(신호손실- Signal Fail)에 대비하는 정지기능(Stay Putfail Open Fail Close Fail as is)이 부가되어 있어야 한다(2)MOV 에서 사용되는 용어 및 크기 선정

〔용어〕

① 밸브시트 단면적(Valve Seat Area)실제 밸브 포트의 단면적 또는 밸브 시트링의 단면적

② 스터핑 박스의 Load(Ff)스터핑 박스 패킹의 마찰력으로 생기는 패킹 마찰력

③ 밸브 계수(Valve Factor)밸브의 트림구조 및 형상에 따라 정해진 계수로서 주로 트림에 있어서 마찰구조에 크게 영향을 받는다-Around 025 for Parraiel Sllde and Flexible or Double Disc Gate Valves-Around 035 for Solid Wedge Gate Valve-Around 115 for Screw Down Globe Valve Above 2Prime-Around 15 for Screw Down Globe Valve Under 2Prime④ 스템 계수(Stem Factor)밸브 스템에 있어서 모터의 출력 토오크를 스템의 나사구조를 통하여 추력(Thrust)으로 변화시키는데

생기는 나사의 효율과 마찰특성 등에 의하여 구해진다 스템 계수 = Ds(cos tanα+μ)24(cos-μ tanα)(Ff)또는

=De(cos[θ2]tanα+μ)2000(cos[θ2]-tanα)(m)여기서 Ds=밸브 스템의 유효직경(inch)De=밸브 스템의 유효직경(mm)25회(967월호)⑤직류 모터(DC Motor)직류 모터는 부하에 매우 민감하므로 설계 속도는 단지 개략적으로 말할 수밖에 없다 설계상 낮은

운전 토오크를 요구할 때는 실제 모터 속도보다 50 내지 100 정도만큼 증가시킨 모터 속도를

택하고 기어 감속비를 증가시켜 주어야 좋다⑥모터 기준운전 토오크

Motor Rated Running Torgue 토오크의 기준운전 토오크를 정하고 있다 기준시동 토오크는

모터의 허용 토오크와 같으며 20 또는 40 기준운전 토오크(20 or 40RRT)의 선정은

다음과 같다Calculated Moter Starting(Running) = 설계기준 Overall RatioStarting(Running) Efficienjcy설계기준 최대 스템

토오크(MaxSte Tprque)계산된 모터운전 토오크는 40 또는 40RRT 비교하여 모터의 토오크를 결정하고 40 RRT 보다

클 때는 다음의 크기를 택한다 일반적으로 Running Efficienjcy Starting Efficiency 보다 값이

크므로 Starting 시에 모터의 토오크는 크게된다 여기서 20 또는 40RRT 를 선정하는 방법은

밸브의 운전하중에 따라 결정된다 즉밸브의 운전하중 = (스터핑 박스의 마찰력+스템에 걸리는 하중[Piston Effect])부하계수(Load Factor) 에서 밸브의 운전하중이 층 스템추력의 99보다 작으면 20RRT 를 사용하고 33보다

높으면 40FFT 를 사용한다 이 토오크는 구동기의 토오크 리미트 스위치의 트리핑을 설정하는

토오크 스케일(Scale)의 100에 해당한다⑦ 스톨 토오크 스톨 추력

완전부하 상태에서 전기적 부품의 비정상적인 동작으로 인하여 모터의 Overrun 이 밸브의 시팅(또는

백시팅)시에 생기는 경우가 있는데 이때 과도한 추력이 발생하게 되는 것을 스톨상태의 토오크라고

한다단위 스톨 토오크 1=모터 허용 토오크구동자 회전비(Overall Ratio)모터 시동효율

단위 스톨 추력 1=스톨 토오크스템계수

1단위 스톨 토오크 및 추력은 Limitorque 카다로그의 설계기준 토오크와 추력(Max Torque RatingampSeating Thrust)의 150를 초과하지 못한다 스톨 토오크를 전동기의 실속(失速) 토오크라고도 말한다⑧ 브레이크어웨이 토오크(Break-away Torgue of Valve Cracking Torgue)구동기 드라이브의 슬리이브에는 밸브를 열기 시작할 때 필요로 하는 Valve Cracking Thrust 를

얻기 위하여 장치된 Lost Motion Hammer Blow 장치가 있다 햄머 블로우의 충격에 의한

운동에너지는 정적운전시의 에너지에 비하여 2 배 이상이 되는 힘으로 순간적으로 작용하기 때문에

토오크리미스 스위치에 영향을 주지 않으면서도 용이하게 밸브 디스크를 시트에서 Unseating 하게

하는 것이다이때 필요로 하는 토오크를 말하며 대략 기준운전 토오크의 200 정도이다〔MOV 구동기의 크기계산〕

MOV 구동기의 크기는 밸브형태 및 사용조건에 따라 결정된다일반적으로 구동장치의 크기의 선정은 밸브의 설계(최고운전)압력과 디스크 포트의 크기와 형상(내경등) 스템의 크기(직경) 패킹의 가압력 및 밸브회사 고유의 설계여유(Design Margin)가

고려된다 이를 식으로 표시하면 다음과 같으며 선정을 위한 설계추력은 아래의 식에 적어도 15이상의 여유를 고려한다설계추력(Design Thrust)=밸브계수(Cv)밸브 디스크의 힘(Pd)-스템의 힘(Fs)-패킹 마찰력(Ff)+스템

및 디스크의 자중(Wsd) 설계토오크(Design Tprque)=스템계수(Cs)설계추력

여기서Fd=πD2 ΔP4Fs=πD2 ΔP4Ff=1000 1bf dle1Prime

1500 1bf 1Prime〈dle2Prime 2500 1bf 2Prime〈d단 패킹의 마찰력은 스터핑 박스의 설계방식에 따라 다르며 일반적으로 패킹에서의 누설을

최소화시킬 목적으로 가압력을 크게 하는 경우가 많으며 실제 Live Loading 의 패킹구조에서는 위의

값보다 크다d=스템의 직경(inch)Cv=밸브 계수

=025 내외(Parallel Slide amp Flex or Double Disc Gate) =035 내외(Solid Wedge Gate) =115 내외(Screw Down Globe Above2Prime) =15 내외(Screw Down Globe Under2Prime)P=설계압력(psig)D=밸브 시트의 직경(inch)ΔP=설계차압(psi)Cs=스

템계수

=Ds(cos-tana+μ)24(cos-μtana)Ds=스템직경(Mean Stem Diameter)=나사각(Thread Angle)tanaα=Thread LeadDs)μ=마찰계수(012~02 통상 014~016)밸브계수라 함은 밸브디스크와 서로간의 마찰에 의해 정해지는 마찰계수이며 스팀계수는 윤활 온도 불순물의 유무 등 운전환경에 따라 변하게 된다 또 이들 계수의 결정은 시험 및 경험 축적자료에

의하여 결정된다특히 스템계는 모터구동장치의 토오크를 결정하는데 중요한 요소로서 모터의 출력 토오크가 스템

또는 드라이빙 부신을 통하여 스템이 변화하는데 생기는 변환기구의 기하학적 형상 및 마찰기구의

특성으로 구성된다따라서 구동장치의 적절한 윤활 테스팅등 유지관리가 소홀한 경우 스템계수는 증가한다 이렇게

스템계수가 증가하면 모터의 설계 토오크가 커져 모터에 과부하가 발생될 우려가 생긴다아울러 이러한 사항을 고려하지 않고 구동장치를 선정하면 통상 스템계수를 적게 잡거나 메이커 표준

스템계수를 사용하게 됨으로 유지관리가 부적절한 경우 구동장치의 트러블을 야기하게 도니다 한

예로 125 의 스템 13Prime의 피치 13Prime의 리이드를 가진 스템에서 윤활등의 적정여부에 따라

스템계수가 0012~002 로 측정되는 것을 보아 적어도 30~35 스템계수 변화가 있음을

고려하여야 한다〔전동 모터출력 토오크의 변화〕

모터구동장치에서 고려할 중요한 사항의 하나는 전압에 따른 모터의 출력 토오크 변화이다모터의 출력 토오크는 전압의 자승으로 변화하기 때문에 10의 전압 강하시를 고려한다면 모터의

크기(출력 토오크) 선정은 123 배로 해야 될 것이다 즉 Design Torque=aV2여기서 a 는 비례상수이고 V 는 전압이다

Design Torque(100)Toruqe at 100 Voltage=Sizing Torque Considering 70 Voltage(70)2(100)2Sizing Torque=100004900=204at 30 Voltage Drop=100006400=156at 20 Voltage Drop=100009100=123at 10 Voltage Drop=1000012100=083at 10 Exceed of Rated Voltage따라서 10~30의 전압변화를 고려한다면 그 범위는 약 25 배(204083)의 출력 토오크 변화를

예상할 수 있다(3)MOV 용 전동구동기의 밀폐와 품질

모터구동장치는 동력원으로써 전동 모터와 이의 제어에 필요한 전기 전자 및 기계장치를 갖고

있으므로 이들의 건전한 운전을 계속 유지하기 위해서는 외부의 유해한 환경에 노출되는 것을

방지해야 한다전동구동기가 설치되는 주변의 온도 습도 먼지 자연적인 제반 유해한 가스 및 비 눈 방사선 햇빛

등이 전동구동장치의 내외부에 직간접으로 영향을 미치므로 이를 차단하는 밀폐기술(Sealing Technology)은 매우 중요하다 따라서 이에 관련한 밀폐기술과 품질에 대한 규정 및 표준 그리고

적용방법은 거의 모두가 국가 또는 국가간의 국제규격으로 제시되고 있다이를 요약하면 방수등급 방진등급 방폭등급 및 원자력등급으로 구분할 수 있다①IEC(International Electricity Commission)에 의한 방수 방진등급

IEC 144 규정에 의한 등급은 IP68 과 같이 두 자리의 숫자코드로 방수 방진등급을 표시한다 첫 자리

0~6 은 보호등급이고 두 번째 자리 0~8 까지는 물의 침투에 대한 방수등급을 나타낸다 (첫자리사람의 접촉 및 외부 물체의 침투에 대한 보호등급)0No protection1Protection Against Foreign Matter(ge50mm)2Protection Against Medium Foreign Matter(ge12mm)3Protection Against Small Foreign Matter(ge25mm)4Protection Against Granular Foreign Matter(ge10mm)5Protection Against Dust Deposits6Protection Against Dust(두째자리 물의 침투에 대한 방수등급)0No Protection 1Protection Against Dripping Water Falling Vertically2Protection Against Dripping Water Falling Diagonally3Protection Against Spraying Water4Protection Against Splashing Water

5Protection Against Jets of Water6Protection Against Flooding7Protection Against the Effect of Immersion8Protection Against the Effect of Submersion② 방폭등급(IEC 규정에 의함)Intrinsic Safety Class 정화에너지 정상운전에서 발생할 수 있는 표면온도 혹은 어떠한 발생

가능한 Fault(손상)조건을 제한함으로써 안전성을 유지하는 기술

Intrinsic Safetiy Standard Class 2 개의 구성요소 Fault 까지 안전을 유지하며 위험한 장소의

설비는 Zone 01 및 2 를 준용한다Note N 형 설비(정상운전시에는 안전)는 Zone 2 를 준용한다Type of Industry 지하 광산 지표면

Type of Hagard 공기 인화성가스 및 중기의 폭발성 혼합물질(먼지 포함)예)ClassⅠ-가스 증기 Class 먼지 Class-화이버 솜Degree of Hagard Zone 0-폭발성 가스와 공기의 혼합물질이 계속적으로 존재하거나 장기간

존재하는 경우 Zone 1-폭발성 가스와 공기의 혼합물질이 정상운전에서 발생할 수 있는 경우 Zone 2-폭발성 가스와 공기의 혼합물질이 발생할 우려가 없으나 단기간은 발생할 우려가 있는 경우

Ignition by Spark Group C-Hydrogen Acetylene Group B-Ethylene Group A-Pro-Pane Group I-MethaneIgnition by Hot Surface 위험한 장소의 설비를 주변온도 40의 조건에서 Fault 가 발생되는 최대

표면온도는 다음과 같이 분류된다T1-450 T2-300 T3-200 T4-135 T5-100 T6-8026회(969월호)(4)전동구동장치의 구조

전동구동장치는 각 제조회사별로 혹은 그 제조방법(적용기술)에 따라 구조 및 구동메카니즘이 조금씩

차이가 있으나

근본적으로 그 원리는 같다 즉 동력으로서의 전동기(Electric Motor) 감속기구(Reduction Device) 제어 및 표시장치(Control Device) 수동운전기구(Manual Override Mechanism) 전선

연결단자(Terminal Block) 그리고 밸브 스템에 연결시키는 체결블럭(Coupling Block)으로

구분된다그러나 특수목적에 부합되도록 밸브를 운전해야 할 경우 추가로 부속장치가 장착되는데 거의 대부분

제어 및 표시장치가 이에 해당한다 이들 각 장치는 구조적으로 제각기 독립된 케이스 내에 구성되어

있는데 운전 조작을 통하여 유기적으로 연합되어 운전하게 된다이러한 이유는 밸브의 설치가 대부분 악조건의 환경에 설치되므로 구동장치 내부의 정밀한 장치를

보호하고 안정된 상태로 신뢰성 있는 운전을 해야 한다〔전동기의 종류 및 특징〕

① 유도 전동기(Induction Motor)유도 전동기는 서로 독립된 2 개의 권선이 있어 그 한 권선에서 전자유도 작용에 의하여 또 다른 한

권선에 에너지가 전달되어 회전하도록 한 전동기이다 즉 1 차 권선에 흐르는 전류에 의하여 발생한

회전자속이 2 차 권선과 전자유도 작용을 일으켜 토오크가 발생하고 이 힘에 의하여 구동자가

회전하게 된다유도 전동기의 실제 회전속도는 동기속도보다 작다 이는 회전자가 동기속도보다

느리게 돌아야만 자속을 끊을 수 있으므로 유기전력이 발생 회전자에 전류가 통해서 이 전류와

자계의 자속 사이에 토오크가 발생한다유도 전동기는 구조가 간단하고 따라서 가격이 저렴하다 아울러 취급이 용이하며 부하가 변하더라도

속도의 변화가 적은 정속도 전동기이기 때문에 여러 가지 전동기 중에서 가장 많이 사용되고 있다유동 전동기는 회전자의 종류에 따라 권선형과 농형(Squirrel Cage) 전동기로 구분된다② 동기 전동기(Synchronous Motor)동기 전동기(同期電動機)는 일반적으로 회전계자형이고 전기자의 권선은 고정자 측에 감고

회전자에는 계자극을 만들고 이 계자권선 측에 스립링을 통해 전류를 공급하여 자극을 만든다 자극수 P 의 교류기에 전원주파수 f 인 교류를 공급하면 회전자는 N=120f1p(rpm)의 항상 같은

방향의 회전력이 생긴다 동기 전동기는 항상 일정한 속도로 회전하는 대신에 기동시의 기동 토오크가

작은 단점이 있어 전동구동장치에의 적용은 곤란하다따라서 전동구동장치에는 권선형의 유도전동기와 같은 구조로의 동기 전동기 즉 유도동기전동기가

널리 사용된다 이 전동기는 운전중에 동기전동기의 특성인 역률을 임의로 조정할 수 있으며 기동입력

대비 기동 토오크와 입력 토오크가 큰 장점이 있다③직류 전동기

직류 전동기는 회전속도에 무관하게 일정한 토오크를 출력하며 속도조절이 용이하므로 속도제어용의

전동구동장치에 널리 사용된다〔감속기구〕

전동구동장치에서 사용하는 감속기구는 전동기의 출력회전수를 매우 큰 감속비율로 감속시킬 수 있는

웜기어(Worm Gear) 성형기어(Planetary Gear)를 주 감속기구로 보조감속기구로서 스퍼어 기어

(Spur Gear)를 조합하여 사용한다 전동기의 회전속도는 전동기의 극수를 P 라 하면 V=(120f)p 로

되어 4극인 전동기의 경우 우리 나라의 전력공급원으로 설치될 경우 이론적으로 1천 8백RPM 이

된다 그러나 밸브 조작에 필요한 회전수는 24~48RPM 이면 되니까 감속기구의 감속비율은

175~1375 가 된다 감속기구에서의 감속기어는 드라이브 슬리이브(Drive Sleeve)를 통하여

동력을 전달하며 햄머블로우(Hammer Blow)장치와 연결하게 함으로써 밸브의 개방초기

(Unseating)시에 최대의 순간 토오크가 발생하도록 설계되어 있다〔제어 및 표시장치〕

제어 및 표시장치는 전동구동장치의 출력과 밸브의 운전범위를 제어함으로써 정확한 위치에서 밸브의

개폐 또는 조절이 가능하도록 구동기구의 여러 가지 운동장치에 제어 및 표시기구를 설치한 것을

말한다 즉 밸브가 열리고 닫히고 할 때의 시동 및 정지기능 밸브가 정확한 위치에서 개폐할 수

있도록 하는 토오크 및 위치제한 기능 전동구동 장치가 운전 중 과열 등으로부터의 보호기능 밸브의

Jamming 부적절한 전원 위상(位相) 잘못된 조작으로부터의 장치 보호기능 등 전동구동장치를

원활하게 운전하는데 필요한 기능을 총칭한 것이다우선 제어 및 표시장치의 각 기능을 설명하기 전에 전동구동장치의 운전현상을 구체적으로 이해함이

중요하다① 전동구동밸브 또는 모터구동밸브(Motor Operated Valve MOV)의 운전

일반적으로 MOV 의 운전은 밸브가 닫힐 때는 토오크 스위치의 동작에 의하고 반대로 열릴 때는

리미트 스위치(위치제한 기능 스위치)의 동작에 의하여 제어운전 되는 것이 일반적이다밸브의 디스크 및 시트의 완전한 접촉은 밸브시트의 내누설 등급에 따라 토오크의 크기로 정해질 만큼

최적의 닫힘 상태를 이루기 위해서는 정격의 전동기 출력 토오크가 밸브 디스크의 제 위치에서

동작되도록 하여야 한다 그러나 토오크 스위치가 밸브의 최적 닫힘 위치에서 즉시 동작한다 하더라도

전동기를 실질적으로 정지시키는 접촉자가 동작하는데는 20~70밀리초(milli-second)가 걸린다 즉 이 시간 사이에는 전동기가 계속 동작하고 있기 때문에 추가의 토오크(Inertial or Motor)가 밸브

스템에 작용하게 되는데 이를 토오크 오버런(Torque Overrun)이라고 한다 토오크 오버런은

실험적으로 기준 정격 토오크의 10~20 정도이다그러나 이 경우 실제 운전조건하에서는 전동구동장치 제작사의 실험조건과는 상당한 차이가 있다 즉 역설적으로 수많은 실제 운전조건을 모두다 실험실에서는 적용할 수 없기 때문에 제작자는 MOV 를

실험할 때 계통의 무부하 상태하에서 정격의 최고속도로 실험함으로써 보다 높은 토오크를 측정하고

있다 이 측정된 값을 실제 운전 조건에서 사용될 수 있도록 시뮬레이션하는 것은 밸브제작사의

노하우이다 실제로 계통의 무부하상태에서의 측정된 토오크는 실제 운전조건의 것보다 상당히 높을

것으로 판단된다MOV 에서 전기적인 부품 즉 제어기구에서의 부적절한 결선이나 리미트 또는 토오크 스위치의

손상등으로 인하여 제어가 부적절할 때는 밸브의 시팅레이트(Seating Rate)가 증가할 수밖에 없다 다음은 밸브의 스템 운동속도 트림구조의 강성 단락시간(Disconnecting)의 영향 및 토오크

스위치의 제어형식에 따라 상호 어떤 관계로 운전되는가를 설명한다스톨(Stall-失速)상태 - 밸브의 강성과 추력 속도와의 관계

스톨상태라 함은 완전부하상태에서 전동구동장치의 전기적 제어 기구의 비정상적인 동작으로 인하여

전동기의 오버런이 밸브의 시팅(또는 백시팅)시에 생기는 경우가 있는데 이때 순간적으로 스템의

리드(Lead)량은 0 이지만 스템의 속도는 0 으로 되지 않기 때문에 순간적인 구동자회전비(Overall Ratio)는 크게 증가됨으로 가상적인(종이상에서 단순히 계산되는 비현실적인 현상) 전동기의

토오크는 거의 0 으로 되어 보이지만 실제로는 전동기의 허용 토오크 이상으로 과도한 토오크가

발생하여 스템에 큰 추력을 발생시킨다 이를 스톨상태의 토오크 추력이라고 한다 밸브의 닫힘속도가

정상이고 밸브 트림구조 및 재질이 높은 탄력을 가지고 있을 때는 실제 밸브스템에 전달되는 추력은

설사 전기제적인 트러블이 있어 정지시간이 길어져도 150내외의 설계추력을 전달한다그러나 닫힘속도가 빠르고 밸브 트림의 강성이 높을 경우에는 단락시간에 별 영향이 없이 스템에는

300~400의 설계추력이 전달된다 따라서 밸브의 개폐시간은 위와 같은 이유로 엄격하게

제한되고 최종 추력에 대한 검토 즉 스톨 토오크 및 스톨 추력에 대한 계산이 필요하다 단위 스톨

토오크 = 전동기 허용 토오크구동자 회전비(Overall Ratio)전동기 시동효율단위 스톨 추력 = 스톨

토오크스템계수

[주]단위 스톨 토오크는 제작사 카다로그의 단위 스톨 토오크 및 추력기준의 150를 초과하지

못한다토오크 시팅-토오크 스위치의 단락시간 영향

전동구동장치(MOV)에 있어서 스위치가 트립되면 스위치의 트립과 전원 컨넥터(Connector)의

차단사이에 미소한 시간지연과 전동기의 운동에너지로 인한 정격 밸브 스템량의 초과(Over Travel) 현상이 생긴다 이 Over Travel 은 계통의 압력상태 및 밸브 스템의 패킹력에 따라 그 정도를

달리한다 이를 제어하는 방법으로는 리미트 스위치를 설계보다 약간 빨리 작동하도록 설치함으로써

해결할 수 있다 이 Preset 의 뜻은 밸브가 충분하게 시팅되어 밸브 스템의 운동량이 정지되었음을

표시한 것이 된다 그러나 시간지연으로 인한 Overrun 은 토오크 스위치 설정치보다 더욱 큰 밸브

토오크 및 추력을 야기시킨다 이 경우는 리미트 스위치의 도입으로 해결할 수 없는 상태로서 커브

C는 정상운전시의 시간에 대한 스템추력 커브 D는 급속 개폐시의 관계로서 커브 D의 경우는

C에 비하여 약 4 배 이상의 스템추력을 보여주고 있다지금 밸브가 설계추력 상태에서 토오크 스위치가 작동하여 기계적 지연시간인 두 커브의 동일한

단락시간 T1 에서 커브 C에서는 X지점 커브 D에서는 Y지점에서 전동기는 정지하게 된다 더욱이 토오크 스위치 작동과 전원차단과의 관계가 미소하게 잘못 설정되는 T2만큼 시간지연이

됨으로 스템의 설계추력은 Z지점 정도의 매우 높은 추력을 발생하게 하여 밸브에 악영향을 초래할

가능성이 높아진다27회(9610월호)토오크 시팅 - 밸브 강성과의 관계

전동기가 정지되더라도 전동기의 운동에너지는 앞서 설명한 바와 같이 Overrun 을 야기시킨다 밸브의 강성이 비교적 낮고 탄력이 유지되는 경우 운동에너지가 서서히 작용하게 됨으로써 커브 E에서와 같이 밸브 스템이 전달되는 추력은 강성이 높은 밸브에 비하여 월등히 작다 이와 같이

밸브트림의 설계는 구동장치의 조작성 및 동작특성을 고려하여 탄력이 유지되는 구조로 설계함이

좋다토오크 시팅 - 차압의 영향과 Dry-Run급속하게 개폐가 요구되는 Fast Acting 밸브의 경우 이 MOV 는 경우에 따라 토오크 스위치에 설정된

값과는 비례하지 않는 토오크 출력을 발생시키기도 한다 이러한 경우는 계통에 압력이 작용할 때와

작용하지 않을 때 생기는 토오크 시팅 효과를 보면 이해할 수 있다 [그림 94]는 계통에 압력이

부과되어 있어 MOV 운전에 의해 차압이 있을 경우의 토오크 시팅과 계통압력이 무부하상태에서의

운전 즉 공운전(空運轉 Dry-Run)시의 토오크 시팅효과를 보여주는 그래프이다커브 G는 최대 차압하에서 토오크 시팅시의 시팅시간에 대한 스템의 추력변화를 보여주는 것으로써

토오크 설정치 S1은 단락시간의 지연 T1에 따른 운동에너지의 K에 의하여 설계 추력을 얻게

되는데 이 과정중 밸브의 디스크면에 작용하는 차압력에 따라 상당량의 토오크가 소비되므로 K값은

커브 H의 것에 비해 월등히 작게된다 커브 H는 커브 G의 토오크 설정치와 같은 조건하에서

계통의 압력이 걸리지 않는 즉 차압이 없는 상태하에서의 토오크 시팅 특성을 보여주는 그래프이다차압이 없는 경우에는 디스크면에 생기는 차압에 의한 마찰력도 거의 없을뿐더러 시팅의 조건 또한

매우 용이하게 이뤄짐으로 그래프에서와 같이 시팅 시작후부터는 스템에 전달되는 추력은 급속히

증가한다따라서 계통이 정지되어 있는 공운전시에 정상운전 토오크치를 변경하지 않고 구동장치의 조작

시험등을 수행하는 경우 그래프 커브 H와 같이 설계추력보다 월등히 높은 추력이 발생되어 큰

문제가 발생하는 사례가 종종 있다②MOV 운전 메카니즘

한 예로 Limitorque社의 전형적 모터 구동장치인 [그림 95]와 같은 SMB 형식의 경우 이 구동장치는

단지 간단한 두 개의 감속 기어열을 갖고 있는데 이 기어열을 통해 전동기의 회전력을 감속시켜 밸브

스템측에 회전력으로 출력시킨다 전동기의 회전력은 전동기에 직결된 헤리칼(Helical) 기어열을

통하여 1 차로 감속되고 1 차로 감속된 전동기 회전력은 웜 샤프트라는 스프라인 축(Splined Shaft)을

구동시킨다 웜은 웜 샤프트에 스플라인 되어있으며 밸브 스템축을 회전 또는 상하 운동시키는 웜 기어에

연결되어 회전력을 감속 전달시킨다 또한 웜 기어는 그 상부에 두 개의 러그(Lug)가 딸린 케스트

(Cast)가 있어 종동(從動)슬리이브의 두 러그와 맞물려 종동슬리이브를 회전시킨다이 종동슬리이브가 회전하면 종동슬리이브 내부에 스플라인 되어있는 밸브 스템너트를 회전시켜 밸브

스템을 회전 또는 상하운동 시킨다 따라서 이러한 전동구동장치의 메카니즘에 따라 밸브의 개폐는

회전방향에 따라 열리거나 닫힌다 이러한 전동구동장치의 운전 메카니즘에서 실제 주의 깊게 짚고

넘어가야 할 중요한 사항의 하나는 밸브의 운전 요건에 부합하는 토오크 또는 스템 추력을 충분히

확보하여야 하고 운전시와 시팅시에 생기는 큰 폭의 토오크 변화량을 적절히 제어되도록 구동장치

내부에 토오크 제어기능을 갖는 장치를 구비한다이 토오크 장치의 운전은 다음과 같다 즉 웜 샤프트에 스플라인된 웜은 웜 기어에 작용하는 부하의

증감에 따라 축방향으로 운동되도록 설계되어 있다 실제로 밸브 스템에 작용하는 추력은 밸브 스템의

나사구조를 통하여 회전력 즉 토오크로 변환되고 이 토오크가 전동기의 회전 토오크와 관계되는

것이다 따라서 밸브의 개폐에 따른 부하의 증가는 전동기의 회전 토오크가 밸브의 스템 나사를

통하여 토오크로 변환되어 웜 기어 슬리이브를 회전시키려고 하는 힘에 대한 저항의 증가로 표현되고 이 증가된 저항은 웜이 웜 기어에서 생기는 저항만큼 앞으로 운동하기 시작할 것이다이 축 방향의 운동은 토오크 스프링이라고 하는 Belleville Spring 조합(PACK)을 압축시켜 토오크

에너지를 축적하고 이 웜 샤프트의 축 방향 운동량을 토오크 스위치와 연결시켜 토오크를 제어한다 따라서 축 방향의 운동량을 x 라 하고 토오크 스프링의 스프링 상수를 k 라 할 때 그 힘은 F=kx임으로

스프링 조합에 적용한 힘 F 는 웜 기어에 적용한 힘과 동일함으로 출력 토오크는 이 힘 F 와 밸브

스템의 모멘트 길이를 곱한 것과 마찬가지이므로 토오크 스위치의 설정으로 밸브 스템에 전달되는

출력 토오크를 제어할 수 있다③ 토오크 리미트 스위치(Torque Limit Switch)토오크 제한 장치

전동구동장치에 있어서 토오크 리미트 스위치는 밸브의 개폐중에 주로 디스크와 시트에서의 과도한

시팅이 원인이 되어 구동력이 크게 될 때 밸브와 전동기를 보호하기 위하여 설정된 전동기의 출력

토오크를 초과할 경우 전동기의 전원을 차단시키는 방법을 제공한다거의 모든 전동구동밸브의 전동기 구동 토오크가 실제 밸브의 시팅 토오크보다 훨씬 크게 선정되고

있으며 배관계통의 여러 가지 불확실성(배관계의 열하중 배관 작용력 유체천이력 밸브 구조상의

고온고착 가능성 및 이상승압 현상 등)으로 인하여 점차 출력 토오크가 높은 전동기를 사용하는

추세이다이러한 경우 전동구동밸브에 있어 가장 중요한 제어기능은 토오크를 어떻게 제어하고 밸브를

구조적으로 안전하게 운전되도록 토오크를 관리할 것인가가 운전상의 중요 포인트가 된다 따라서

현재의 전동구동밸브의 토오크 제한장치는 매우 정밀하고 신뢰성 있으며 필요에 따라 토오크

설정량을 조정할 수 있는 구조로 되어있다일반적으로 전동기의 출력 토오크는 개방 폐쇄의 양방향에서 정격 토오크의 약 25~100 범위

내에서 설정할 수 있으며 설정된 값은 전동구동장치 외부에 있는 지침을 통하여 확인이 가능하다 앞서 MOV 운전 메카니즘에서 언급한 바와 같이 토오크를 설정하는 구조는 전동기의 출력토오크에

직접적으로 비례하도록 되어 있다 즉 토오크 제한장치는 전동기를 통하여 스페어 기어로 감속된 후

웜 휘일(Worm Wheel)과 웜 샤프트(Worm Shaft)에서 토오크가 많이 걸리면 웜 샤프트는 토오크의

양만큼 웜 샤프트 축방향으로 변화량이 생기고 아울러 웜 샤프트에 장착된 코일 스프링에 의해

에너지가 축적된다이 웜 샤프트의 변형량은 샤프트에 장치되어 있는 회전기어에 의하여 회전운동을 만들고 여기에

토오크를 제어할 수 있는 마이크로 리미트 스위치를 장치하여 전동구동장치의 구동 토오크가 설정치

이상이 되면 이 리미트 스위치가 작동하여 전동기 전원을 차단하고 운전을 정지시킨다통상적으로 이러한 토오크 리미트 스위치는 밸브 개방상태로 NO NC 밸브 폐쇄상태로 NO NC 로

구성되어 있는데 NO 는 Make-Contact NC 는 Break-Contact의 뜻이다28회(9611월호)④ 위치 제한 장치(Position Limit Switches)위치 제한 장치는 밸브의 완전 열림 닫힘 도는 특정의 중간 개도에서 제어의 목적상 밸브가

정지되도록 하는 장치이다 이러한 제어상의 시그널은 밸브 조작반이나 원격의 패널에서 밸브의

제어상태를 알리는데 매우 유효하다 일반적으로 위치제한 장치의 구조는 웜 휘일과 웜으로 밸브의

개도위치를 위치지시장치(Position Indicator)와 마이크로 스위치로 직접 전달한다 마이크로

스위치는 기본적으로 8접점을 갖고 있으나 기본적인 제어의 목적으로는 접점이 6 개 이상이면

요구하는 목적을 맞출수 있다그러나 점차 제어의 목적과 기능이 다양화함에 따라 6 개 이상의 접점 즉 8 12 16 개의 접점을

갖추고 있는 것이 일반적으로 되어 있다 [그림 97]은 리미토오크사의 기어 트레인 리미트 스위치

(Gear Train Limit Switches)의 구조도이다즉 웜 드라이브는 웜 휘일의 회전에 따라 비례적인 회전 모멘트를 전달하고 이 회전 모멘트는 기어

트레인을 통하여 위치제한 및 위치신호에 사용되는 마이크로 스위치 박스에 연결되어 스위치의

트리핑(Tripping)에 적절한 회전각으로 감속 회전하면서 밸브의 닫힘 열림 중간 제어목적에 맞도록

설정된 값으로 동작한다 이 위치제한 구조는 운전자에 의하여 용이하게 조정 가능한 구조로 설계되어

있고 이는 수동운전중이라 할지라도 설정된 위치는 변하지 않도록 되어있다 앞서 언급한 토오크

스위치와 리미트 스위치는 전동구동 장치에 있어서는 매우 핵심적인 부품으로서 신뢰성 또한

엄청나게 중요한 부품으로 전동 구동장치의 선정시 결선방식(Wiring Diagram)과 함께 심도 있는 검토가 요구된다⑤ 전동 구동장치의 결선도(Wiring Diagram) 및 제어 해설

전동 구동장치의 제어는 앞서 언급한 제어 및 표시장치들 중에서 토오크 리미트 스위치와 위치제한

장치인 리미트 스위치가 가장 핵심적인 역할을 담당하고 있지만 이외의 보조 또는 부수장치로서

전동기 결로(結露) 방지용 히터 인입(引入) 전원의 위상 판별장치(Phase Discriminator) 자동 위상

교정기 위치 표시장치 등이 있다 이들은 모두 전동구동 장치의 신뢰성 있는 운전을 목적으로 한다 다음의 [그림 98]은 리미토오크사의 표준 결선도(No Control) [그림 99]는 제어기능이 보강된

결선도(Integral Control)이고 [그림 100]은 로오톡사의 표준제품의 하나인 Syncropak의

결선도로서 리미토오크사의 Integral Control 타입과 유사한 기능을 갖고 있고 [그림 101]은

로오톡사의 제어기능이 보강된 IQ Range의 결선도로서 접점을 오히려 줄이면서 표시기능을

디지털로 하고 제어기능을 다양화한 것이 특징이다[그림 102]는 리미토오크의 Integral Control에 비교하기 위한 결선도로서 미국 EIM 사의

표준모델인 Series 2000의 표준 결선도이다 이외에 본고에서 소개하고 싶은 전동구동 장치의

결선도로서는 AUMA Bernard BIFFI 등이 있으나 지면 관계상 및 기능으로 보아 대동소이함으로

생략하였다 [그림 98] [그림 99]의 하단부에서 보는 바와 같이 각 리미트 스위치의 동작은 완전 열림

(Fully Open) 완전 닫힘(Fully Close) 중간개도 AB(Intermidiate Position AB)에 있어서

동작영역을 전개한 표로서 각기 기능은 완전 열림시 바이패스 동작 표시등 열림 표시등 완전

닫힘시 바이패스 닫힘 표시등으로 총 6 개의 기본 기능이 동작하도록 되어있다29회(9612월호)접점은 여유분 8~10 개로서 추가의 선택사양을 위하여 준비되어 있다간단히 결선도를 기준으로 밸브 구동시의 스위치 동작을 설명하면 다음과 같다

1)밸브가 완전히 열려있을 때는 접점 1 은 바이패스 회로로 연결되어 있다2)밸브가 완전 열림 상태에서 닫히기 시작할 때 접점 1 은 떨어지면서 접점 34 는 동작되어 밸브가

열리고 있음을 표시한다3)밸브가 완전히 닫히게 되면 접점 5 의 리미트 스위치는 동작하여 완전 닫힘 바이패스 회로가

동작한다 만약 밸브를 토오크 시팅(Seating) 방식으로 할 경우에는 접점 5 의 리미트 스위치 사이를

점퍼(Jumper)하여야 한다4)다시 밸브를 열려고 할 때 리미트 스위치 78 을 동작시켜 닫힘을 표시한다전동구동 장치의 구체적인 운전 문제점이나 적용성 아울러 운전보수 및 신기술이 접목된 통합제어

방식의 전동구동 장치의 기술적 사항에 대하여는 별도로 기술한다또한 제어밸브의 경우 그 범위가 대단히 넓고 광범위하기 때문에 별도의 항목으로 설명하고자 한다 사실 제어밸브에서 다루는 밸브의 개념은 제어목적에 우선적이므로 밸브의 기능은 수동밸브에

비하여 보다 다양하고 치밀하며 논리적인 측면으로 이해하여야 한다30회(971월호)32 밸브구성 재료

프로세스 플랜트에 있어서 배관계통은 매우 다양한 유체를 취급하게 됨으로 수송 유체의 물리적 화학적 성질에 따라 다양한 재료가 사용된다 본 항에 있어서는 우선적으로 밸브의 압력 유지부인

밸브 몸통 본네트 본네트용 볼트를 비롯하여 디스크 시트 스템과 같은 트림류 밸브 밀봉재인 패킹가스켓 기타 운동부품류(Moving Parts) 및 밸브의 도장(Painting)에 대하여 기술한다다음의 [표 26]은 미국의 ASMEANSI B1634 에서 밸브구성 재료로서 승인하고 있는 미국 재료학회

기준에 의한 밸브재질 목록이다 [표 26]에서 재질그룹번호(Material Group No) 1 은 일반 탄소강 및

탄소강 계열의 합금강 2 는 스테인리스강 3 은 니켈 베이스의 합금강을 말한다31회(973월호)(1)밸브트림용 재료

밸브에 대한 기술기준에서는 특별히 부품용 재료에 대한 요건은 규정되어 있지 않으나 밸브트림인

디스크 시트 스템용의 재료 선택기준은 대략 다음과 같이 분류할 수 있다아울러 밸브트림 부품중 가장 중요한 시트면 및 디스크의 접촉면에 사용되는 표면경화(Hardfacing)용 덧붙임 재질로는 스텔라이트(Stellite 미국 Stoody Deloro Stellite Inc 의 상표명)가 있다 이

스텔라이트 용접봉의 주요 성분은 코발트(Co) 크롬(Cr) 및 텅스텐(W)으로서 탁월한 내식성과

내마모성을 갖고 있으며 특히 고온하에서도 경도가 낮아지지 않는 매우 좋은 특성을 갖고 있어

현재는 밸브용 재료로서 가장 중요하고 또한 널리 쓰이는 재료의 하나이다앞서 언급한 밸브재료 선정기준은 극히 일반적인 것을 언급한 것뿐이다 따라서 최적의 밸브재료

선정은 배관시스템 즉 배관내에 흐르는 유체의 종류 성상(性狀) 화학적 특성 압력 및 온도 요건등

밸브의 사용환경에 최적인 재료를 선정하여야 한다 그러나 사용온도에 따른 각 재료별 열화방지를

위해 사용자가 고려해야만 할 사항들은 ASMEANSI B313 APPENDIX F 에 언급되어 있다 밸브재료를 중심으로 요약하면 다음과 같다① 탄소강(탄소함량 005~15) 일반 니켈강 망간(C-Mn)강 망간-바나듐(Mn-V)강류

427(800F)를 넘는 온도에서 장시간 사용시 탄화물상(Carbide Phase)의 흑연화(Graphite)가

진행될 수 있음으로 이를 넘는 온도에서의 사용은 주의를 요함② 크롬-몰리브덴(Cr-Mo)강 Mn-Mo-V강 Cr-V강4687(875F)를 넘는 온도에서 장시간 사용시 탄화물상(Carbide Phase)의 흑연화(Graphite)가

진행될 수 있음으로

이를 넘는 온도에서의 사용은 주의를 요함③ 스테인리스계

-오스테나이트(Austenitic Stainless Steel)계427~871(800~1600F)의 예민화 온도에서 충분히 노출된 후의 입계부식(Intergranular Corrosion) 문제등-페라이트(Ferritic Stainless Steel)계 371(700F)를 넘는 온도에서의

산화로 인한 사용후 상온에서의 취성(Brittleness)문제 스텔라이트 표면경화 방법은 용접으로

실시하며 따라서 미국용접학회(AWS)에서도 스텔라이트에 해당하는 AWS 분류기호를 가지고 있다 밸브용으로 많이 쓰이는 스텔라이트 번호는 1 6 12 21번으로 이중 특히 스텔라이트 번호 6(업계

속칭 스텔라이트 넘버 식스)가 특히 가장 널리 사용된다 이에 상응하는 AWS 분류기호로는 AWS A513 ERCoCr-ABC 등이 있다 각각의 화학성분 및 이에 대응하는 스텔라이트 번호는 다음과

같다 스텔라이트에 의한 하드페이싱 후의 경도는 대략 HRc 40 정도이다그러나 스텔라이트 번호 6 은 용접성에 나쁜 영향을 주는 탄소성분(09~14) 및 텅스텐의 함량이

많아 하드페이싱 후의 용접부의 취성 또는 크랙 등에 예민한 편이다 따라서 스텔라이트 번호 6 의

하드페이싱은 모재의 화학적 조성과 더불어 매우 조심스럽게 용접하여야 한다 이러한 문제의

대안으로 일부 밸브업체를 중심으로 탄소함량이 02~03인 스텔라이트 번호 21 을 사용하기도

한다각 밸브재료에 따른 사용유체의 내식성 및 내침식성은 이미 재료편에서 구체적으로 언급하였다33 밸브의 압력-온도 기준(Pressure-Temperature Rating)밸브의 설계 제작 및 사용에 있어서 압력-온도 기준은 일병 압력-온도 정격으로도 표시되며 이는

밸브재료별로 설정된 압력등급의 사용온도에 대한 최고 사용압력을 테이블화한 것이다밸브에 있어서 압력-온도의 기준설정(P-T 기준설정)은 기본적으로 미국 ASMEANSI B1634 APPENDIX F 에 있는 설정기준에 따른 것이 세계적으로 가장 보편화되어 있다 기본적으로 P-T 기준설정은 사용재료의 온도에 따른 항복강도 또는 허용응력이 기본이 된다표준등급의 P-T 기준설정

표준등급의 P-T 기준설정은 재료그룹별로 조금씩 다르다 다음은 ASMEANSI B1634 APPENDIX F에서 정하고

있는 P-T 기준설정에 대하여 설명한다(1)밸브재료 그룹 1(탄소강계열)의 표준등급 P-T 기준설정

P-T 기준등급 300(일반적으로 압력 클라스 300 파운드라고 통칭하여 부른다) 이상의 표준등급의 P-T 기준은 다음과

같은 식으로 정한다Pst = (S18750)Pr여기에서

Pst 사용재료(지정재료)의 온도 T 에 있어서 정격 사용압력 psi(poundsquare inch)Pr P-T 기준에 있어서 등급값 등급 300 이상의 모든 등급의 Pr값은 호칭등급의 값과 같다S1 사용재료의 온도 T 에 있어서 설정응력 psi S1 의 값은 다음과 같이 정한다(a)크리이프 영역 미만의 온도에서는 온도 T 에 있어서 항복강도(Sy)의 60이하로 한다 단 다음에서

정한 값을 넘어서는 안된다-상온(100F)에 있어서 사용재료의 최소 항복강도의 60를 넘는 값

-사용재료의 온도 T 에 있어서 ASME BampPV SecⅠ(혹은 SecⅧ Div1)의 허용응력 테이블상의

허용응력의 125 배를 넘는 값

-온도 T 에 있어서의 응력값으로 재료그룹 19 또는 22 에서의 재료중에서 큰 응력값을 넘는 값

(b)어떤 경우에 있어서도 온도상승에 따라 응력값이 증가하지는 않는다(c)크리이프 온도 영역은 재료그룹 1 에서는 700F 그룹 2 에서는 950F 를 넘는 온도로 한다 단 재료에 따라 이보다 낮은 온도에서 사용하는 경우에는 예외로 한다 재료그룹 3 에서의 각 재료별

크리이프 온도 영역은 각각의 재료특성에 따라야 한다(d)기타 세부적인 사항은 ASMEANSI B1634-1988 APPENDIX F 를 참조한다

(2)밸브재료 그룹 2 와 3 의 표준등급 P-T 기준설정

P-T 기준등급 300 이상의 밸브재료 그룹 2 및 3 의 P-T 기준은 앞서의 기준에 따르나 재료의

크리이프 영역 아래에 있어서는 온도 T 에 있어서의 항복강도(Sy)의 70로 한다 단서조항인

상온에서의 최소 항복강도도 60가 아닌 70를 넘어서는 안된다32회(974월호)(3)모든 밸브재료 그룹에 있어서 표준등급 P-T 기준 등급 150 의 설정방법

등급 150 의 P-T 기준은 앞서의 (1) 및 (2)와 같다 그러나 다음의 추가 사항을 만족하여야 한다Pst = (S18750)115Pr값을 등급 150 에서는 일률적으로 Pr=115psi 로 정한다 아울러 사용온도 T에 있어서 각 밸브재료별로 계산된 정격사용압력은 320-03T 의 값을 초과할 수 없다(4)특별등급의 P-T 기준설정

특별등급의 밸브 P-T 기준은 다음 식에 따른다Psp = (S27000)Pr여기에서

Psp = 사용재료(지정재료)의 온도 T 에 있어서 특별등급 밸브의 정격 사용압력 psi(poundsquare inch)Pr = P-T 기준에 있어서 등급값 등급 300 이상의 모든 등급의 Pr값은 호칭등급의 값과 같다 단 등급 150 인 경우에는 Pr = 115psi 로 한다S2 = 사용재료의 온도 T 에 있어서 설정응력 psi S2 의 값은 다음과 같이 정한다(a)크리이프 영역 미만의 온도에서는 온도 T 에 있어서 항복강도(Sy)의 625보다 적거나 같은

값으로 정한다 단 다음에서 정한 값을 넘어서는 안된다-상온(100F)에 있어서 사용재료의 최소 항복강도의 625를 넘는 값

-사용재료의 온도 T 에 있어서 ASME BampPV SecⅠ(혹은 SecⅧ Div1)의 허용응력 테이블상의

허용응력의 10 배를 넘는 값

-온도 T 에 있어서의 응력값으로 재료그룹 19 또는 22 에서의 재료중에서 큰 응력값을 넘는 값

이외의 사항들은 표준등급의 것과 유사하다3-4 구조(Common Valve Construction Features)일반적으로 밸브의 구조는 밸브에 작용하는 내압력에 대한 밸브 몸통의 강도 밸브 시트에서의 내누설

강도 및 밸브가 원활하게 동작하는데 필요한 외력에 대한 구조적 강도가 밸브 구조를 결정하는데

고려되는 사항이다 아울러 밸브에 연결되는 배관계통의 특별한 기능 예를 들면 압력변동이 심한

서어지가 예상된다던가 불가피하게 진동이 예상되는 계통에는 부가적으로 밸브의 구조에 대하여

특별히 추가의 강도 보완을 요구할 수도 있다 앞서의 이러한 세 가지 중요한 밸브 강도의 설계 고려

요소들은 제작자에 따라 어느 정도 그 설계 형식을 달리하기도 한다 제작자별 독자의 밸브 구조의

설계형식은 대개 밸브몸통과 본네트 밸브몸통과 배관의 연결부위(밸브 노즐로 통칭) 및 밸브 스템과

디스크의 체결방식에서 각기 독자적인 모델을 갖고 있다 그러나 기본적으로 고객이 지정한 사양서 밸브의 표준 코드나 기준에 합당해야 함은 물론이다 (1)밸브 몸통과 본네트(Body-to-Bonnet)밸브 몸통과 본네트는 밸브의 내압부분이므로 두 부품의 연결은 구조적으로 완벽하여야 한다 나사로

연결한다던가 볼트로 연결한다던가 압력밀봉(Pressure Sealing) 구조에 의한 연결 또는

용접등으로 연결하는게 일반적이다 이 두 부품은 밸브의 가장 핵심인 밸브 트림을 건전하게 유지

운전하도록 하는 밸브의 기본 구조이기 때문에 체결방법은 매우 신뢰성이 높아야 한다체결방법은 나사식 연결(Screwed Bonnet Joint) 프랜지 연결(Flanged Bolted Bonnet Joint) 용접 연결(Welded Bonnet Joint) 및 압력밀봉식 연결(Pressure Sealed Bonnet Joint)가 있다-나사식 연결가장 간단하고 저가로 제작할 수 있는 체결방식이다 이러한 체결방식은 2(50A)이하의

최대 사용압력 20bar 이내의 저압에 적용할 수 있으며 경우에 따라 최대 3(80A)까지 제작

가능하다 3가 넘으면 본네트의 나사식 체결은 공학적으로 현실성이 없다 따라서 이러한 구조의

밸브는 주로 건축설비용의 물용 소형 밸브나 비철금속제의 소형밸브 등에 일반적으로 채택된다 아울러 이러한 나사식 연결에서 극히 주의할 사항은 나사부에서 발생하는 나사부식(Thread Corrosion) 및 동종 금속간 밀착(Galling)으로 인하여 실질적으로 분해 조립이 어렵다는 것이다 체결방식은 본네트에 직접 나사로 연결하는 방식과 유니온으로 체결하는 방식이 있는데 각

체결방식의 장단점은 앞의 도표와 같다-프랜지 연결

가장 널리 채택되는 체결구조이다 본래 밸브의 크기 및 사용압력 등급에 상관없이 채택할 수 있지만

대형 고압밸브의 경우에는 플랜트 조인트가 밸브 몸통만큼이나 커질 수 있어 일반적으로 소형의 경우

압력등급 ANSI 1500까지 가능하고 4Prime(100A) 이상의 대형밸브에는 통상 ANSI 600까지

채택한다 그러나 12Prime(300A)가 넘는 대형 밸브의 경우에는 경제성 및 기밀의 신뢰성 문제로 인하여

ANSI 300까지 채택하는 경우가 대부분이다 가스켓과 여러 개의 작은 볼트로 체결하기 때문에 작은

공구로 용이하게 체결할 수 있으나 각 볼트의 체결 토오크를 일정하게 하여야 함으로 체결에

신중해야 한다 아울러 온도가 340가 넘는 고온의 경우에는 크리이프에 의한 볼트 체결하중의

저하로 누설 가능성이 많아진다 따라서 중요한 계통에의 적용은 플랜지 조인트면을 씰 용접하도록

한다-용접 연결

용접형 연결은 밸브의 크기나 사용압력 온도에 가장 경제적이면서 강한 구조로 누설 가능성을

근본적으로 제거한 신뢰성이 높은 밸브 몸통과 본네트를 영구히 연결하는 방법이다 용접형 연결

구조를 채택한 밸브는 보수가 근본적으로 어렵기 때문에 보수비용이 신규 제품의 교체비용보다 크게

예상되거나 보수가 거의 불필요할 정도로 밸브 신뢰성 및 계통신뢰성이 높은 경우에 채택하는 것이

좋다따라서 2Prime(50A) 이하의 소형밸브에 많이 채택한다 특히 탄소강이나 크롬-몰리브덴 합금강의 경우

밸브 몸통과 본네트의 용접은 용접부에 용접 잔류응력을 발생시키고 이로 인하여 용접부위의 경도가

밸브 몸통의 모재보다 높아진다 이 부위에는 입계가 자연히 조악해져 있음으로 석유화학공정용의

밸브중 황화수소와 같은 강부식성의 가스나 유체를 취급하는 공정에 사용되는 밸브는 절대로 용접

연결형의 밸브를 완벽하게 모재의 수준과 맞도록 후열처리를 하지 않은 상태로는 사용할 수 없다이러한 특수한 경우를 제외하더라도 크롬-몰리브덴 합금강의 용접 연결형 밸브는 당연히 후열처리

공정을 이행하여 부식등의 문제들을 해결해야 한다 그러나 밸브 스템이나 트림을 조립한 상태하에서

후열처리는 스템의 마찰력을 증대시키고 디스크와 시트의 시팅면에 산화를 가져올 수 있으므로

밸브의 성능 저하가 우려된다따라서 여러 가지로 장점이 많은 구조이지만 선정에는 매우 신중해야 할 것이다 그러므로

제어밸브나 고압용의 대형 밸브와 같은 고가의 밸브에의 용접 연결형 본네트 구조의 밸브 선정은

아무런 메리트도 없기 때문에 매우 특수한 경우를 제외하고는 선택되지 않는다-압력 밀봉식 연결

압력 밀봉식의 본네트 연결은 대형의 고압밸브에 있어서는 플랜지 연결방법에 비하여 매우 장점이

많은 구조이다 아울러 고온에서의 플랜지 볼트의 크리이프 완화와 같은 문제점이 근본적으로 없는 밸브 몸통과 금속과 금속의 접촉 구조를 갖고 높은 접촉압력으로 씰링함으로 씰 특성이 좋다 또한

밸브내의 계통압력이 조인트의 씰링 압력에 부가적으로 작용하기 때문에 압력이 높아질수록 씰링

특성이 좋아지는 특징이 있다 따라서 플랜지 조인트와 비교 밸브를 크게 경량화 할 수 있다 일반적으로 25Prime(65A)이상의 압력등급 ANSI 900이상에 채택하지만 밸브 크기에 따라 밸브의

경제성 문제로 8Prime(200A) 이상의 밸브의 경우 ANSI 600정도만 되어도 압력 밀봉식의 본네트를

채택하는 경향이 많다 단점으로는 밸브 몸통의 씰링면과 금속제 씰링 가스켓 그리고 본네트

면에서의 기계적 정밀도가 매우 높아야 하며 세심한 조립이 필요하다 아울러 이 씰링면에는 정확한

씰링 위치가 정해져 있지 않음으로 씰링면이 왜곡(Misalignment)되어 밸브 스템과 본네트가 서로

간섭하여 스템에 손상을 가져올 수 있으며 또한 패킹구조에 편심력을 발생시켜 밸브 운전이

불가능해질 수 있다 이러한 문제가 발생되면 다시 세심하게 조립해야 한다또 다른 단점으로는 상온상태에서 조립된 압력 밀봉 구조의 밸브가 압력 및 온도가 심하게 변동되는

계통에서 운전되는 경우 밸브의 씰링면에서의 기밀구조가 파괴될 가능성이 높아진다 이때 약간의

누설이 있고 이를 제거하기 위하여 다시 가스켓을 조일 경우 씰링면에 잔류해 있던 유체가

씰링구조면을 부식시킬 수 있으므로 한 번 씰링구조가 파괴된 압력 밀봉식 밸브는 이후 자주 누설될

가능성이 높아진다 따라서 이 방식의 밸브는 한 번 누설이 생기면 플랜지 연결 본네트에 비하여

보수가 어렵고 설사 보수를 하더라도 세심하고 정밀하게 정렬하여 조립해야 하며 이때 씰링

구조면에 부식이나 긁힘 등의 흔적을 완전히 제거한 후 해야 한다 그러나 최근에는 초고압으로 성형된 흑연 가스켓을 금속제 가스켓을 대신하여 채택함으로써 보수성을

대폭 향상시켰으나 고가인 관계로 대형 밸브의 경우 경제성이 금속제 가스켓에 비하여 떨어지므로

주로 4Prime(100A)이하의 소형밸브에 성형 순수 흑연 가스켓이 적용된다또 한가지 이 방식의 밸브에서 주의할 사항은 수압시험시의 최고 시험압력 조건과 실제 운전시의

최고압력이 상당한 차이가 남으로써(일반적으로 수압시험시의 압력과 실제운전시의 압력은 통상 약

25~351 이상이다) 실제 운전시의 고온상태와 시험 압력보다 월등히 낮은 압력에서의 운전으로

인하여 누설 가능성이 있으므로 시운전시 씰 가스켓 볼트를 조정해 주는 것이 좋다(2)시트와 시트링

밸브의 시트 및 시트링은 밸브의 유로조절면에 고정된 압력 경계로서 밸브의 차단 성능에 직접적인

영향을 주는 매우 간단하나 정밀한 부품이다 일반적으로 밸브의 성능을 말하는 중요한 요소로서

밸브의 내누설 특성(Seat Tightness)을 표시하는데 이는 시트의 구조 및 정밀도에 직접 상관된다따라서 시트구조가 약하거나 또는 밸브 구조의 강성이 부족한 경우 계통압력에 의해 시팅의

기밀특성이 약해질 수 있으며 구조상 구조적인 불연속부가 많기 때문에 온도 변화에 따른 열변형

(Thermal Gradient Distortion)문제 배관계로부터 전달되는 기계적인 하중(배관계의 열하중 기타

동적하중등)에 의해 시팅구조가 변형되거나 시팅 접촉력이 약해져서 누설이 생길 수 있다 구체적으로 게이트 밸브에서는 주로 배관계로부터의 굽힘 하중에 의해 글로우브 밸브의 경우에는

주로 밸브 자체내의 구조적 불연속부에서의 불균일한 열변형 및 배관계로부터의 굽힘 하중에 의해

시팅이 불확실하게 되어 누설되는 경우가 많다 따라서 배관계통 특히 고온의 대구경 배관에서는

밸브의 설치 위치가 밸브의 내부 누설에 미치는 영향이 큰 편이다왜냐하면 이러한 배관계에 있어서 밸브 끝단(밸브 노즐)에 작용하는 열하중은 배관계 위치에 따라 큰

차이가 있으며 밸브는 가급적 열하중 특히 열하중에 의한 굽힘이나 비틀림 하중이 적게 작용하는

위치를 선정하여 설치하거나 아예 밸브 노즐의 강성도보다 적은 하중으로 작용하도록 배관계통의

배관지지대 위치선정에 주의를 기울여야 한다 밸브의 설계에서 밸브 노즐의 강도는 압출하중으로서

연결 배관의 항복강도의 05 배가 밸브 노즐에 작용하고 굽힙하중으로서 10 배의 하중이 밸브

노즐에 작용하는 것으로 해석 설계한다그러나 이 기준은 원자력발전소용 밸브에 해당하는 것이고 일반 플랜트용이나 범용 밸브의 경우 이

기준이 적용되지 않기 때문에 앞서의 여러 가지 문제점에 주의를 기울여야 한다 결론적으로 매우

중요한 배관계통의 밸브 설치는 배관계통의 철저한 구조해석과 더불어 설치되는 밸브의 시스템적

구조적 강도를 배관계통내의 여러 부품중에서 가장 높도록 배관배치와 배관지지대의 위치 및

구조강도 설계를 해야 한다 그러나 밸브의 구조자체가 대칭적이고 밸브의 높이가 낮은 볼 밸브 플러그밸브 버터플라이밸브 등은 앞서의 글로우브 밸브나 게이트밸브에 비하면 연결 배관계의

하중에 보다 강한 구조적인 특성이 있다33회(975월호)-금속면과 금속면의 접촉에 의한 시트에서의 기밀 유지(Metal-to-Metal Seating)정밀하고 매끄럽게 연마된 디스크와 시트의 금속 접촉면에서는 선접촉형태로 기밀유지를 하도록 되어

있다 물론 재료의 탄성범위 이내의 접촉하중이 작용해야 하고 만약 이 범위를 넘게되면

소성변형으로 인하여 지속적인 기밀유지가 힘들어 진다 따라서 밸브의 시트와 디스크(또는 플러그)의

기밀유지 설계는 일면 매우 간단해 보이나 여러 가지 주의 깊게 고려해야될 사항들이 많다디스크나 시트의 손상이 없어야 하며 디스크-시트의 높은 접촉 압축압력을 백업할 수 있는 최소한의

접촉폭을 가져야 하며 일정하게 접촉될 수 있도록 해야 한다 제어밸브의 경우와 같이 구동력이

제한되는 경우 시트 조인트면(원주상의)에 작용하는 하중을 1 인치당 하중으로 표시하고 있는데 글로브형의 제어밸브는 인치당 25~600 파운드 레벨까지 실제 설계에 적용하고 있다 ISA(Instrument Society of American) 제어밸브 핸드북에서 시팅 하중은 다음과 같이 구분되어

있다①25poundsinch 저차압 운전으로 완전 기밀유지를 필요로 하지 않을 때

②50poundsinch 중차압 운전으로서 약간의 누설(01 of Cv[max])을 허용할 경우

③100poundsinch 고차압 운전(예로써 3000psi[dP]0015inch[width])으로써 누설이 거의 없음

④300poundsinch 완전 기밀유지(예로서 6000psi[dP]0025inch[width]의 고차압 씰 구조)⑤600poundsinch 완전 기밀유지(6000psi 이상의 고차압 씰 구조) 일반적으로

100~300poundsinch 의 경우 평균 접촉 압축강도가 13000~35000psi 정도로 이는 재료의

항복강도보다는 낮다또한 양호한 시팅 특성을 계속 유지하기 위해서는 시팅 표면에 긁힘(Galling)이나 부식에 의한 피팅

(Pitting) 등에 강한 재료가 필수적이다따라서 밸브의 시팅면은 스텔라이트와 같은 내부식성 및 내마모성이 뛰어나고 항복강도 및 경도가

높으며 이종금속 또는 동종 금속간에 친화력이 약한 재질을 용접하거나 브레이징하여 사용하는게

일반화되어 있다 긁힘이 일어나는 접촉강도는 Stainless 316L 317 및 347 과 같은

스테인리스강에서는 2000psi 부터 스텔라이트 No6 과 같은 강에서는 약 50000psi 에서 발생하나

유체중의 입자에 의해 이보다 훨씬 낮은 접촉강도에서도 긁힘이 발생할 수 있어 시팅 구조의 기밀

유지를 위한 시팅 하중은 무조건 높게 하는 것이 좋은 것은 아니다스텔라이트 No6 의 시팅구조에서도 접촉강도가 20000psi 를 넘지 않도록 해야 한다 글로브 밸브에

있어서 시팅형태(Seating Configuration)는 다음 그림에서 보는 바와 같이 4 가지 형태로 분류할 수

있다각 시팅형태를 A 형 B 형 C 형 D 형으로 구분하여 설명한다 A 형은 시트와 디스크의 접촉면이

평면상태에서 접촉하는 구조로써 주로 저압용에 사용된다이 형태는 시트와 디스크면이 정밀한 접촉을 요구하지 않는다 아울러 시트나 디스크의 표면에 긁힘의

발생가능성도 적은 이점이 있으나 고압이나 고차압의 경우에는 적용할 수가 없다B C D 형은 접촉면적이 적기 때문에 선접촉에 유사한 시팅구조를 갖고 있어 시팅 접촉압력이 높아

고차압의 서비스에 적합한 구조이다그러나 B 형의 경우 시트면이 너무 예각이므로 약간의 시팅하중으로도 시팅면 즉 선접촉에 의한 기밀

구조가 손상되기 쉽기 때문에 널리 쓰이지 않는다 일반적으로 C 형의 경우 시트의 각도와 디스크의 각도를 5~15 차이를 두어 시팅구조를 만들거나 D형과 같이 디스크의 시팅면을 원호로 만들어 시팅구조의 융통성을 기한 것이 시팅구조로 널리

채택된다-소프트 시팅(Soft Seating)소프트 시팅은 금속간의 시팅에 비하여 적은 힘으로 완전에 가까운 내부기밀을 유지하기 위하여

채택된다 그러나 소프트 시트구조라 하더라도 2 차적으로는 금속간 시팅이 되도록 시트구조를

설계해야 한다 소프트 시트의 재질은 탄력 복원성(Resilient)이 좋은 재질로써 온도 및 압력에 강한

재질특성을 가져야 한다특히 높은 차압에서도 이탈되지 않고 견디려면 소프트 시트를 잡아주는 구조에 세밀한 설계가

요구된다 설치하는 방법을 대별하면 디스크나 플러그에 볼트로 고정(Clamping)하는 방법과 시트나

시트링에 고정시키는 방법이 있는데 높은 차압이 발생하는 계통이거나 고온 서비스의 계통인 경우

보수성을 고려하여 가급적 디스크나 플러그에 설치하는 것이 좋다 소프트 시트를 채택할 경우 소프트

시트 재질의 올바른 선정과 밸브 시트 구조의 올바른 설계를 위하여 고려되어야 할 사항은 다음과

같다유체 화학적 특성 특히 부식침식성(Corrosion amp Erosion) 및 열화(Degradation) 시효경도 감소 시효에 의한 찌그러짐 특성 등

온도에 따른 열팽창에 대비한 여유를 고려

소프트 시트의 경도

체결 하중(체결했을 때의 늘어짐 분해했을 때의 복원성)인장 및 압축강도

내마모성

열에 대한 저항력 등

-시트의 고정방법(Seat Attachment)밸브 몸통의 시트 고정에는 다양한 방법이 채택된다 나사식 체결 고정 볼트 고정 몸통 일체형

용접형 브레이징형 클램프에 의한 고정(Quick Change Trim) 등이 사용된다 일반적으로 나사식

체결 고정은 밸브의 크기에 상관없이 채택 가능한 구조로써 시트 보수가 용이하고 제작이 용이한

구조이다몸통 일체형은 주로 소형의 밸브에 채택되는 구조로써 시트를 경도가 높고 내마모성 및 내부식성이

좋은 스텔라이트(Stellite)와 같은 합금을 육성 용접하여 시트로 한 것이다 시트의 기밀 특성이 매우

좋으나 보수성이 떨어지는 단점이 있다 브레이징 방법은 최근에 도입된 시트 고정 방법으로서

용접형에 비해 품질 및 경제성이 높다그러나 브레이징 용착은 별도의 시설과 공정이 전제되므로 아직 국내에서는 채택되어 있지 않다 클램프에 의한 퀵 체인지 트림(Quick Change Trim)은 주로 제어밸브와 같이 시트 및 플러그 등의

정기적인 점검 및 보수가 필요한 비교적 고가의 밸브에 적용한다다른 시트 고정 방법에 비해 고가이고 제작에 높은 정밀도를 요구하지만 구조상 다양한 유량특성을

가진 트림을 용이하게 채택할 수 있어 점차 많이 채택되고 있는 추세이다밸브의 시트 체결 구조는 시팅 하중에 충분히 견딜 수 있도록 설계되지만 밸브 내부의 구조적인

불연속부로 인하여 배관계로부터의 배관작용력 열변화에 따른 열천이 하중 내압에 의해 시트 체결

구조가 변형될 수 있다특히 몸통 일체형이나 나사 체결 고정의 경우 이러한 밸브 몸통의 변형에 의해 실제로 사용할 때에

시트에서의 누설이 생기는 경우가 종종 있다 높은 온도에서 운전되는 밸브의 경우 열변화에 의한

시트 체결 구조의 변형 가능성에 대비하여 시트구조 자체를 유연성 있게 설계 제작한 밸브도 있다(3)디스크와 스템의 연결 구조(Disc and Stem Connections)디스크와 스템의 연결 구조는 밸브 구동력을 디스크에 전달하는 역할을 하며 그 구조강도는 스템의

강도보다 높아야 한다 이 사항에 대해서는 미국석유학회(API)의 스템인장력 시험규정에 구체적인 시험방법과 평가방법이

언급되어 있지만 ANSIASME 코드 규정에는 이러한 사항이 규정되어 있지 않으므로 일부 밸브 제작

社는 이 연결구조의 강도문제를 API 규정대로 따르지 않는 경우도 많다연결구조는 고정형(Fixed Interal Type) 회전형(Free to Rotate Type) 및 측면 자유형(Laterally Floating Type)로 분류할 수 있다첫 번째 고정형의 경우는 스템과 디스크 또는 플러그를 일체형이나 나사 체결 또는 용접형으로 해서

스템과 디스크를 연결한다 이러한 연결 구조는 디스크가 회전할 수 없으므로 스템 또한 회전을 할 수

없다일반적으로 밸브 사양서에서 언급하고 있는 비회전식 스템 상승식(Non-Rotating amp Rising Stem NR amp RS)이 이러한 경우이다 그러나 글로브 밸브에서 고정형 연결구조는 필연적으로 스템이

회전하면서 상승하는 구조로 될 수밖에 없다다음에 구체적으로 설명하겠지만 스템이 회전하는 글로브 밸브의 경우 패킹과 스템과의 마찰 구조가

복잡하여 패킹에서의 내누설 안전성이 떨어지는 단점이 있다 주로 계장용 글로브 밸브 니들 밸브 및

가혹한 운전환경에 있는 블로우 다운용 밸브나 수동조작의 정밀한 유량제어가 필요한 밸브 등에

채택되며 모터구동이나 공압구동 등의 밸브에는 잘 사용되지 않는다특별히 이 구조의 밸브에서 운전상 또는 선정상 고려해야 할 점으로는 과도한 시팅 하중이다과도한 시팅하중은 디스크와 시트간에 긁힘(Galling)이나 장기간 닫혀 있을 때 시트와 디스크간의

재질 친화에 의한 피팅(Pitting)으로 인하여 시트면이 손상될 수 있는 것은 물론이고 스템에 과도한

비틀림 모멘트와 좌굴하중으로 인한 밸브 구조의 손상이 있을 수 있음으로 주의해야 한다 두 번째는

회전형으로서 일반적으로 글로브 밸브나 비상승식 스템 게이트 밸브(Non-Rising Stem Gate Valve)에 자주 채택되고 있는 연결 구조로 스템이 회전식일 경우이다이 연결 구조는 스템과 디스크간에 얼마간의 간격이 있기 때문에 스템의 바인딩(Stem Binding 스템이 본네트 스템가이드에 끼어서 운전불능의 상태)을 예방할 수 있고 아울러 디스크가 시트면에

제대로 자리 잡을 수 있어 시팅성이 양호하다 그러나 계통운전성 차압이 큰 경우 디스크가 심하게

회전(Spinning)할 가능성이 높기 때문에 이를 방지하는 구조를 스템 또는 디스크에 설치하도록 한다심하게 스피닝하면 스템의 연결구조가 손상을 입게 되는데 이러한 밸브 문제 사례는 글로브 밸브에

있어서 의외로 많이 발견되므로 밸브 선정시 이 부문도 심도 있게 고려해야 할 것이다 세 번째는 측면

자유형으로서 게이트 밸브에 거의 모두 적용되는 디스크-스템 연결 구조이다 디스크에 T 형 슬롯

(Slot)을 만들고 이 슬롯에 T 자 모양의 사각형 머리를 가진 스템을 연결하는 것이다 따라서 스템은

비회전이 되고 이 부분에 여유가 있어 디스크의 시팅이 부드럽게 된다34회(976월호)(4)디스크와 스템 안내(DiscStem Guide Types)디스크 또는 플러그 및 스템의 안내는 밸브 기능의 유지에 있어서 중요한 설계 포인트이다 디스크와

스템의 안내 형식은 다음과 같은 것들을 들 수 있다 즉 웨지 게이트 가이드(Wedge Gate Guides) 스템 가이드(Stem Guides) 몸통 가이드(Body Guides) 및 케이지 가이드(Cage Guides 또는

DiscPlug Guides)등이 있다 각 안내 방식의 장단점은 다음과 같다웨지 게이트 가이드

이 가이드 방식은 게이트 밸브의 디스크 안내 방식으로 채택되고 있다 이러한 안내를 함으로써

디스크가 시트링 면에 마모가 거의 없이 정밀하게 안착되도록 하는 것이다그러나 시트링 면에 디스크가 미끄러지면서 시팅되므로 시팅 구조의 경도가 낮거나 이물질의 인입

등으로 긁힘(Galling)이 생길 수 있으므로 게이트 밸브에 있어서는 시트링이나 디스크의 시팅면은

스텔라이트 등으로 하드페이싱 용접(Hardfacing Welding Over-laid with Hardfacing Materials)을 해주어야 한다스템 가이드

스템이 부싱(Bushing)을 끼워 스템을 안내하는 방식으로 대형 수동 글로우브 밸브나 선박용의 밸브에

많이 쓰인다 디스크시트가 두 개인 더블 포트의 밸브에는 상부 백시트 부위 및 하부 스템

지지부싱으로 스템을 안내한다 특히 앵글형 글로우브 밸브의 경우에는 측면으로 심한 유체하중을

받기 때문에 스템 가이드는 필요하다디스크 가이드(GageDisc Guide)이 방식의 가이드는 글로우브형의 제어밸브 및 안전도피밸브(Safety amp Relief Valve)에 가장 널리

채택되는 방식이다 가이드 방식중 가장 정밀하고 안전성이 높다 아울러 보수성도 좋다그러나 제작 코스트는 비교적 다른 형식의 가이드에 비하여 높은 편이다 디스크 가이드에 대한

구체적인 밸브 공학적 설명은 이미 22항 밸브의 구조에서 언급하였다 글로우브 밸브에서는 디스크케이지 가이드 방식이 가장 권장할 만하다(5)밸브의 주요 악세사리(Valve Accessories)밸브의 주요 악세사리로는 핸드휠 오버라이드(Handwheel Override) 스템 릭-오프(Stem Leak-off) 리미트 스위치류(Limit Switches) 바이패스(Internal and External By-pass) 본네트

익스텐숀(Bonnet Extension) 임팩트 함마블로우 체인구동 핸드휠(Impact Hammerblow and Chain Operated Handwheel) 방화구조의 밸브 등이 있다

스템 릭-오프는 스터핑 박스(Stuffing Box)내에 패킹챔버(Packing Chamber)에 직경 6~12mm 의

구멍을 뚫어 부가적인 씰링을 도모하는 것으로서 진공배관인 복수기 연결 배관 시스템인 경우에는 이

릭-오프 배관을 통하여 물을 공급함으로써 진공도가 떨어지는 것을 막고 반면에 유동유체가 고가의

유체를 취급하는 수송배관에는 스터핑 박스의 패킹에서 누설될 수 있는 유체를 따로 포집하여 배관

계통의 안전성을 도모하는 경우에 이를 채택한다바이패스는 특히 게이트 밸브에서 이상승압(Pressure Locking)이 예상되거나 밸브간 차압이 너무

커서 운전 조작시 어려움이 예상될 때 밸브의 공동부(Cavity)와 밸브의 출구측이나 출구 배관에 2(50A)이하의 소구경 배관을 연결하는 것으로써 주로 고온 고압용 배관계통에 적용한다 필자는 고온

고압용의 4(100A)이상의 중요 계통(특히 증기배관)의 게이트 밸브에는 이 바이패스 배관과 밸브의

설치를 권고한다(6)밸브 스템의 밀봉 방법(Valve Stem Seal)밸브 스템의 씰링방법은 유연성(Flexible)있는 금속재 또는 비금속재의 다이아후램(Diaphragm)이나

벨로우즈(Bellows)를 이용하여 유체와 스템을 근본적으로 씰링하는 방법과 기존의 패킹구조를

사용하는 패킹씰링의 방법 등 크게 두 가지 방법으로 구분한다 후렉시블 메탈 씰링(Flexible Metal Sealing)벨로우즈 씰링 방식과 메탈 다이아후램 씰링 방식이 있다 이러한 메탈 씰링은 밸브 외부로의

완전무누설을 도모하는 것으로 최근의 미국 대기환경법규(Clean Air Act CAA)에 의한 휘발성

유기물질(Volatile Organic Compound VOC)의 대기방출 규제(용적비로 500ppm 이하)는

물론이고 캘리포니아주의 완전무누설 밸브의 채택 강제 규정에 따라 점차 이들을 채택한 밸브의

중요성이 강조되고 있다다음호에서는 특별히 대기환경 법규에 따른 미국의 VOC 방출규제를 구체적으로 설명하고자 한다 우리 나라도 여천공단이 특별히 대기 환경보호의 특별지구로 지정되어 있는 만큼 이의 이해는 매우

중요하다①메탈 다이아후램 방식은 원형의 얇은 판재에 곡호(穀弧)를 만들고 이들을 여러 겹 쌓아 밸브의

본네트에 클램핑하거나 씰 용접하여 유체의 누설을 차단한다 다이아후램의 곡호가 가질 수 있는

변위량은 판재의 지름에 따라 다르나 항상 탄성영역 이내에 있어야 함으로 크게 제약을 받게된다 다이아후램의 재질에 따라 다르겠지만 다이아후램의 원직경을 D 곡호의 반경을 R 그리고 허용

변형량을 d 라고 하면 RD=15 이상이어야 하고 dD=008 이내로 하여야 한다 그러나 여러 개의

다이아후램을 겹쳐 놓을 때는 각 판의 변형 거동이 각기 다르게 되므로 각 판 사이에는 특수한 고온

윤활재가 필요하고 아울러 변형량도 줄어들게 마련이다통상적으로 다이아후램의 이러한 특징으로

말미암아 메탈 다이아후램 밸브의 스템 행정(Stroke)은 최대 10mm 가 넘지 않으며 밸브의 크기도

이에 따라 통상 2(50mm)이하가 일반화되어 있다 다이아후램 밸브의 트림구조는 다이아후램이

디스크와 스템을 메탈 다이아후램이 구분하고 있기 때문에 디스크와 시트 디스크를 잡고 있는 디스크

스프링 및 디스크가 회전되지 않도록 하는 베어링 뭉치 등으로 구성되어 있다밸브를 닫을 때는

스템의 힘으로 하지만 열 때는 디스크와 연결된 스프링으로 다이아후램을 밀면서 열게 된다 메탈

다이아후램 밸브에서 주의할 사항은 오직 완전 열림과 완전 닫힘의 개폐용으로만 사용하여야 한다는

것이다 이는 유체의 맥동 등으로 인하여 다이아후램의 클램핑 원주부위에 심각한 피로 파괴를 일으킬

수 있기 때문이다 메탈 다이아후램 밸브는 유한 수명을 가진 밸브이기 때문에 주기적으로 점검하고 정기적으로 교체해 주어야 하는 밸브이다 이러한 문제점으로 인하여 최근에는 그 사용빈도가 급격히

줄어들고 있다 ② 금속제의 주름관인 벨로우즈는 축방향의 신축량을 조정할 수 있으며 주름겹을 늘려

높은 압력에도 견딜 수 있어 최근에 완전무누설 밸브로써 가장 많이 채택되고 있는 밸브이다

벨로우즈의 제작방법은 수압력에 의한 성형방식(Hydroforming Type)과 얇은 원형판의 끝단을

용접한 용접형(Welding Leaf Type)이 있다 벨로우즈 밸브는 완전무누설의 밸브로서 독성유체

(Toxic) 방사선 물질(Radioactive) 휘발성 유기화합물질(Volatile Organic Compounds) 중수와

같이 매우 고가의 유체계통에 널리 쓰인다 벨로우즈 밸브의 구조적 특징은 스템이 회전하지 않는

NRampRS 구조이다 현재 국내에서는 한국 씰 마스터에서 용접형 벨로우즈를 생산하고 있으며 (주)에스제이엠에서 성형 벨로우즈를 생산하고 있다 용접형 벨로우즈는 성형식에 비하여 단위 길이당

변형량이 많아 밸브를 콤팩트하게 제작 가능하고 ANSI CLASS 1500까지 공학적으로 생산

가능하지만 고압용으로 갈수록 제작이 매우 어려워진다 이유는 얇은 판을 3 매 이상 완벽하게

용접하기에는 기술적으로 어려운 점이 많기 때문으로 매우 고가이다 반면에 성형의 벨로우즈는

용접형에 비하여 크지만 대량 생산이 가능하고 불량률이 적으며 ANSI CLASS 2500까지 제작이

가능하므로 비교적 밸브에 널리 채택되고 가격 또한 비교적 저렴하다 현재 국내업체에 의한

벨로우즈 제작은 ANSI CLASS 900까지 가능하다 현재 우리 나라의 산업계에서는 이 벨로우즈

밸브만으로도 연간 약 800 만달러(약 80억원)이상을 수입하여 사용하는 것으로 파악되고 있다(7)밸브 스템의 패킹(Valve Stem Packing)밸브에서 가장 큰 문제는 밸브 스템 패킹에서의 누설문제임은 두말할 나위가 없다 스템 패킹에서의

누설문제는 실제로 밸브의 보수비용을 증대시키고 밸브의 운전 신뢰성을 저하시키는 직접적인

요인이다 따라서 근래의 밸브 기술은 밸브의 유량 특성의 연구보다는 밸브 스템 패킹의 성능향상

또는 개선에 대한 연구가 주된 포인트가 되어왔다1980 년대 초반 밸브 패킹의 주요 재료로 사용되어 왔던 석면(Asbestos)이 인체에 치명적인 폐종양

암을 일으키는 발암물질로 밝혀진 이후 석면보다 탄력성(Resilient)이 양호하고 성형성이 좋은 흑연

(Graphite)을 사용해 오고 있다35회(978월호)(7)밸브 스템의 패킹(Valve Stem Packing)패킹의 밀봉 특성 형식(Sealing Action Charcteristics)에 따른 구분

-압박력에 의한 밀봉 패킹(Lip Type Pressure Energized Packing)-상호 간섭효과에 의한 밀봉 패킹(Interference Type Seal O-Ring)이들 패킹의 밀봉특성은 패킹 제작사의 끊임없는 기술경쟁의 결과로 패킹 재질은 물론 패킹의

성형구조를 개선하여 슈트블로워(Sootblower)형 쐐기(Wedge)형 체브론(Chevron)형 등

기본적으로 고순도의 흑연을 매우 높은 압력으로 성형한 압박력에 의한 밀봉 패킹이 계속 상품화되고

있다현재 밸브 스템의 밀봉에 가장 널리 적용되는 패킹의 밀봉 특성형식은 압축형 패킹으로서 편조(編組 Braided)된 또는 미리 압축시킨 유연성과 탄성복원력(Resilient)이 뛰어난 밀봉재로 밸브의 스터핑

박스내에 미리 사각 단면으로 성형된 밀봉재를 넣고 패킹 글랜드(Packing Gland)로 가압하여

밀봉이 되는 것이다이 패킹의 특징은 밀봉 특성의 지속적인 유지를 위해서는 외부의 가압력이 계속 유지되어야 한다는

것이다 따라서 주기적인 패킹 글랜드의 조임 상태를 점검해 주어야 하는 단점이 있다이에 반해 립타입 브이 패킹(Lip Type V-Packing)은 밀봉구조 자체내에 압박력의 생성이 가능하도록

하여 비교적 적은 외부 힘으로도 밀봉에 필요한 가압력을 얻을 수 있도록 한 것이다 또한 이 구조는

밸브의 계통압력이 상승하면 V 형상의 구조에 따라 밀봉력이 증가되는 구조이기 때문에 고압 유체의

밀봉에 좋은 영향을 미친다 따라서 압축 밀봉 패킹에 비하여 유지보수 노력이 절감될 수 있다

패킹 밀봉 이론

패킹의 밀봉 이론에 대한 체계적인 연구는 1947 년 영국 조달청의 의뢰에 의한 White 와 Denny 에

의한 연구이다 이 연구는 패킹구조의 밀봉력을 체계화하기 위한 실험으로써 밸브의 사용압력과 패킹

글랜드의 가압력 관계를 규명하고자 했던 연구이다 다음의 [그림 108]은 이 실험에 사용된 장치의

개략도이다이 실험결과 패킹 글랜드의 가압력은 패킹 누르개(Gland Follower)에 가까울수록 지수적으로 큰

가압력을 가지고 있으며 이 가압력의 힘의 성분은 대부분 레디얼방향의 레디얼압력(Radial Pressure)으로 분포된다 이 레디알 압력은 밸브의 운전압력(System Pressure)보다 큰 경우에

한하여 밀봉 역할을 할 수 있다[그림 110]은 연구결과 요약된 이들 밀봉력의 힘 분포를 보여주고 [그림 111]은 가압력 Po 와 유체

계통압력 Ps 와의 관계에서 씰링점(Sealing Point)을 보여주고 있다그간 밸브 패킹의 다양한 연구에서 언급되어 왔듯이 패킹 깊이가 깊다고 씰링이 잘 된다는 것은

잘못된 생각이다 [그림 111]에서 보는 바와 같이 흑연패킹의 경우에는 탄력성 및 복원력 특성이 매우

좋기 때문에 패킹 깊이가 짧은 것이 깊은 것에 비하여 씰링특성이 오히려 좋다패킹 깊이가 깊을수록 스템에서의 운전 토오크 및 트러스트가 커지게 되어 오히려 밸브의 스터핑 박스

구조가 커져야 하며 차후 패킹교체(Repacking)의 경우에도 여러 가지 문제점이 돌출된다 예로서

미국의 콘발(Conval Inc)과 같은 고압밸브 제작사는 패킹 재료는 점차 고순도의 흑연패킹으로 하고 패킹 길이는 오히려 줄이는 경향의 패킹설계를 하고 있다 따라서 패킹 깊이가 길게되면 랜턴링

(Latern Ring)을 사용해야 한다최근 미국을 중심으로 한 전세계적인 대기환경 보호 운동과 이에 따라서 IOS 14000 과 같은

환경보존에 대한 국제적인 규정이 제정되었다 미국의 경우 연방대기정화법(Clean Air Act)이

강력하게 시행되고 있고 각 국가별로도 대기환경을 오염시키거나 화재 등 위험성이 매우 많은 휘발성

유기화합물(Volatile Organic Compound VOC)의 외부 누설은 엄격하게 제한하고 있다 미국의

환경보호청(Environmental Protection Agency EPA)에서 규정한 내용을 보면 배관계통의 밸브나

프랜지에서의 외부 누설량은 500ppm 으로 규정하고 있다특히 캘리포니아주와 같은 경우는 올해부터 신규로 건설되는 189 종류의 유해 VOC 관련 플랜트의

밸브는 거의 누설을 허용하지 않는(Phase Ⅲ 로써 100ppm 이내) 구조의 밸브이어야 한다고 되어

있다 따라서 미국에 밸브를 수출하려면 우선적으로 EPA 에서 규정한 휴지티브 에미션(Fugitive Emission) 500ppm 의 조건을 만족하는 밸브이어야 한다 우리나라 밸브업계에서도 이에 대한

관심이 점차 높아지고 있으나 현재의 밸브설계수준 및 제작자의 안이한 상황

대처와 전문 기술인력의 부족등을 고려할 때 매우 심각한 밸브기술의 문제점을 갖고 있는 분야이다 휴지티브 에미션과 VOC 의 누설량 시험 및 이에 따르는 무누설을 전제로 하는 패킹에 대한 이론적인

자세한 배경은 별도로 기고할 예정이다흑연패킹

1980 년대 중반이후 석면이 인간에게 치명적인 폐종양을 일으키는 중대 공해물질로 발표된 이후

밸브의 석면 패킹을 대체하는 패킹재료로 흑연이 수많은 연구결과 가장 우수한 패킹재료로 밝혀져

사용되기 시작하였다 특히 고온하에서의 석면패킹을 대체할 수 있는 유일한 패킹재료로 판정된 이후

흑연제 패킹은 밸브의 표준 패킹재료로 자리잡았다 흑연패킹은 패킹재로써 다음과 같은 장단점을

갖고 있다-낮은 마찰(摩擦)계수(09 이하)

-자체 윤활제 역할 수행가능

-레진 충진재 또는 결속재(Binders Fillers or Resins)가 필요 없이 성형 가능

-액체 및 가스가 흑연재에 침투할 수 없는 안정화된 재료

-고온 및 저온의 유체하에서 유연성 유지 가능(낮은 크리이프 이완율 Low Creep Relaxation)-내부식성

-온도천이와 같은 온도변화에 거의 영향을 받지 않는 물성치

-양호한 온도전달 특성

-산화조건하에서 -200~500까지 불활성 가스 조건하에서 3000까지 사용가능

-강력한 내산성 및 내알카리성(사용 Ph범위1~14)-높은 압력에 의한 고밀도 성형(70~110lbfft3)이 가능하고 아울러 유연한 리본상태의 성형도 가능

-내방사성 특성(패킹재료 중 가장 안전한 내방사선 물질임)36회(979월호)소프트 패킹

소프트 패킹은 플라스틱 또는 테프론 계열의 에라스토머(Elastomers)를 재료로 한 패킹 재료로서 주로 낮은 온도에서 사용된다이 중 테프론 계열의 패킹인 경우는 180이하의 온도에서 사용할 경우 매우 뛰어난 내식성과

저마찰력 높은 탄성력을 가지고 있기 때문에 패킹재로써 좋은 재료이다최근에는 에틸렌프로필렌(Ethylene Propylene)계의 EPDM 도 개발 사용되고 있지만 EPDM 은

석유제품에 약하기 때문에 적용에 유의하여야 한다 스템 및 스터핑 박스 설계

밸브의 패킹성능에 영향을 미치는 요인을 스템과 스터핑 박스 설계 측면에서 요약하면 다음과 같다-패킹 글랜드의 가압력 및 가압구조

-패킹재의 구성 성분 기계적 성질 물성치 패킹재의 형상

-밸브의 운전빈도(스템의 운동량)-배관계통의 압력 온도 유체의 특성

-스템 및 스터핑 박스의 표면 거칠기

-스터핑 박스의 깊이 및 직경

-스템 글랜드 누르개 스터핑 박스의 치수 간섭 공차

-밸브 스템의 설치 방향

-진동의 유무

라이브 로딩 패킹 글랜드(Packing Gland Load by Live-Loading)밸브패킹은 사용중의 마모나 시간에 따른 내부 탄력성의 저하등으로 패킹 글랜드의 씰링압력이

떨어져 글랜드 패킹에서 누설이 생길 가능성이 높아지게 된다 패킹의 씰링구조는 초기에 조금이라도

파괴되면 매우 빠른 속도로 씰링 구조 전체가 파손되어 누설을 급속도로 야기하므로 씰링구조의

보존은 초기부터 매우 중요하다더욱이 흑연패킹의 경우 초기 씰링구조의 사소한 손상도 허용되어서는 안된다이에 대한 사항은 지난호에서도 언급하였듯이 유체의 압력이 패킹의 레디얼 압축압력보다 크게 되는

즉 글랜트 볼트 너트의 이완이 아니라 패킹구조의 탄력성(Resilient) 저하가 원인이 되는 것이다이러한 패킹재의 시효에 따른 내부 탄력성의 저하나 사용에 따른 마모 등의 문제로 패킹구조의

씰링압력의 저하를 지속적으로 유지시키기 위한 방법으로 [그림 113]과 같이 글랜드 볼트에 접시

스프링을 삽입하여 일정한 힘을 패킹 가압력으로 유지시키는 방안이 캐나다의 CANDU 원자력발전소에서 1970 년대 초기 Velan 에 의해 도입되었다즉 접시 스프링의 탄성 압축량만큼의 에너지가 항상 패킹 가압력으로 작용하도록 한 구조이기 때문에

명칭을 Live Loaded Stem Packing 또는 Live Loaded Packing이라고 통칭하고 있다이 Live Loaded Packing 에 대한 보다 체계적이고 구체적인 연구는 1982 년부터 미국 전력 연구소

(Electric Power Research Institute EPRI)에 의해 시작되어 이에 대한 최종 보고서는 EPRI-NP-5697 로 제출되었다이 보고서는 Live Loaded Stem Packing 에 대한 매우 구체적인 이론 및 실무 보수 운전에

이르기까지 라이브 로드 패킹의 거의 모든 사항이 열거되어있다[그림 114]에서 보는 바와 같이 라이브 로딩이 없을 경우에는 콘솔리데이션이 밸브 운전에 따라

급속히 진행됨으로 패킹실링 압력이 급격하게 저하되어 누설이 되기 쉽다라이브 로딩 패킹의 가장 유용한 기술안내는 앞서 언급한 EPRI-5697 로서 모든 밸브에 이 방식의

스템 패킹구조가 적용 가능하다 라이브 로딩 패킹에 쓰이는 스프링은 접시 스프링(Belleville Spring)으로 [그림 115]와 같다이 스프링은 변형률 대비 스프링 강성도가 높고 매우 소형 경량으로도 요구하는 하중을 관리할 수

있어 라이브 로딩 스템 패킹용으로 안성맞춤이다스터핑 박스

흑연 패킹과 라이브 로딩 패킹의 연구가 시작되기 전까지 오랜 기간동안 거의 모든 밸브 제작자들

사이에 스터핑 박스는 깊은 것이 좋다는 것이 일반적인 인식이었다깊은 스터핑 박스는 스템 누설을 보다 효과적으로 제어할 수 있다고 판단하여 심지어 패킹링을 12개씩이나 넣도록 설계된 밸브도 많았다 따라서 밸브 몸통은 커지고 패킹 글랜드 볼트도 커져야

했으며 스템과 패킹 마찰 면적이 넓어 밸브 운전에도 큰 힘이 필요하였다 그러나 흑연 패킹으로

패킹재료가 전환되는 과정에서 밸브 패킹에 대한 심도있는 연구 결과 패킹 구조내에서 밸브 스템

누설에 직접적으로 관계되는 씰링 가압력은 패킹의 가압에 의해 생기는 레디얼 성분의 가압력으로서

이 가압력이 밸브의 계통압력보다 클 경우에는 누설이 생기지 않는다아울러 가압력은 패킹 글랜드 플랜지에서 패킹 깊이 거리의 함수로서 지수적으로 변화하기 때문에

이제는 밸브의 스터핑 박스의 갚이가 낮아도 충분한 기밀특성을 갖게 됨을 알게 되었다현재 잘 성형된 높은 순도(99 이상)의 흑연 패킹인 경우 3~4 개의 패킹링 만으로도 씰링 특성이

충분히 유지된다 스터핑 박스의 깊이가 깊을수록 다음과 같은 문제점이 예상된다특히 구형밸브 즉 스터핑 박스의 깊이가 큰 밸브의 경우 이들 문제점은 패킹 보수시의 어려움을

더한다-글랜드 볼트의 조임력이 패킹 각 부위에 골고루 전달되기 어렵다-패킹의 마모나 성분의 휘발등으로 콘솔리데이션이 크게 일어난다 특히 많은 수의 패킹링을 사용하기

때문에 콘솔리데이션의 양이 커질수록(장기간 사용) 글렌드의 조임력은 이완되어 누설이 생긴다-패킹부의 보수시 세척작업 새 패킹 설치 등의 모든 보수작업이 매우 어렵다이들 문제점은 스터핑 박스의 깊이를 조정하여 설계하거나 기존의 밸브 보수시에는 금속제 또는 카본

스페이셔(Spacer)를 삽입하여 패킹 높이를 조정한다실험경과에 의하면 밸브의 패킹 조합은 양 끝단에는 편조된 유연한 흑연패킹으로 하고 중간 부위에는

3단의 고밀도 성형 흑연패킹으로 구성된 5단 패킹조합이 가장 양호한 것으로 보고되고 있다 이러한

구조의 경우 스템이 가공정밀도(진원도 표면거칠기)와 스터핑 박스의 표면 가공정도가 실질적인 주요

누설요인이 되게 된다스템 부식 방지재(Stem Corrosion Inhibitor)밸브 스템의 부식이나 피팅(Pitting 점식)은 패킹재 구조의 파괴를 급속히 진행시킨다특히 마르텐사이트 계열의 저크롬 스테인리스강(400 Series)은 오스테나이트 계열의 고 크롬

스테인리스(300 Series)강에 비하여 점식부식의 정도가 심하다 열처리된 17-4 PH강(ASTM A564 TP630)의 경우는 점식부식에 가장 강한 재질로 알려져 있다밸브는 제조 후 수압시험을 한 후 설치되기까지 패킹재가 젖어 있는 상태로 장기간 보관되는 것이

일반적이기 때문에 패킹재에 불순물로 존재되어 있는 부식인자들이 스템에 점식을 일으키는 사례가

많다 아울러 밸브의 저장 보관중에도 습기와 부식인자의 침입이 일어나기 때문에 스템의

점식부식방지재(Stem Corrosion Ingibitor)는 필수적이다 부식방지재로서 다양한 종류의 그리이스(Grease)가 사용되고 있으나 이는 근본적인 부식방지재는

아니다 현재 적용되고 있는 부식방지재로 쓰이는 보다 효과적인 부식방지재는 스템의 점식부식이

진행되기 전에 방지재 자체가 산화되는 소모성의 방지재(Sacrificial Corrosion Inhibitors)이다 이

방지재의 주성분은 아연과 알루미늄으로 아연이 알루미늄에 비해 부식방지에 보다 효과적이다 일반적으로 가루형태로 패킹재료에 혼합하여 사용하거나 와샤 형태로 패킹세트와 함께 사용한다 하지만 가장 좋은 사용방법은 고형 아연상태의 와샤로 하여 패킹 세트와 함께 사용하는 것이다 밸브스템의 점식부식방지재로서 최근에 개발된 것은 앞서 아연이나 알루미늄의 산화(희생)에 의한

능동적인 스템 점식부식방지가 아닌 흑연패킹자체에 바리움 몰리데이트(Barium Molybdate)와

같은 윤활성 및 내부식성의 재질을 혼합하여 사용하는 것으로서 산화물질의 발생이 없어 패킹의

압축력이 저하되지 않는 큰 장점이 있으나 가격이 비싼 것이 흠이다37회(9710월호)(8)밸브용 가스켓(Valve Gaskets)밸브에서의 외부 누설 방지장치로는 밸브 패킹시스템과 더불어 볼티드 본네트(Bolted Bonnet)형

밸브의 가스켓 씰링(Gasket Sealing)이 있다밸브 패킹이 동적인 구조의 씰링이라면 가스켓 씰링은 정적인 구조의 씰링이다 따라서 가스켓 씰링은

일반 배관시스템의 플랜지 조인트(Flange Jount)와 씰링구조가 똑같기 때문에 기준이 될 수 있는

대표적인 산업규격은 ASME Sec Ⅷ Division 1 Appendix 2 가 있다 특히 최근의 엄격한

대기환경의 보호정책으로 인하여 모든 배관계통의 누설문제는 매우 중요한 기술적 토픽이

되어있으며 이에 따라 가스켓 씰링에 대한 기술적인 접근방법이 점차 엄격해지고 있다가스켓 씰링에서 누설은 가스켓에 있어서 과도한 압축응력이나 또는 부족한 압축력에 의해서 생기는

것으로 가스켓의 재질 가스켓의 구성방법 두께 및 가스켓 씰링의 폭 조인트면의 형상등에 따라 어느

정도의 압축력을 주어야 하는가가 기술적인 관건이다가스켓 설계에 있어서는 가스켓의 계수(m)와 최소 설계시팅압력(Minimum Design Seating Stress)값인 y 가 중요하다 여기서 가스켓 계수(m)는 가스켓 조인트를 완벽하게 하기 위한 압축력에

대한 계수이다 즉 유체의 압력을 Pf 라 하고 가스켓의 조임압축력을 Pg 라고 할 때 유체가 누설이

개시되려고 하는 때의 조임압축력 Pg 에 대한 Pf 의 비율(m=PgPf)을 말한다 가스켓의 조임력을

간략하게 구하는 방법은 다음을 참고로 한다가스켓의 종류

밸브용 가스켓으로 널리 쓰이는 가스켓의 종류로는 판형금속제 가스켓(Flat Metal Gaskets) 판형

비금속금속 자켓 가스켓(Flat Nom-Metallie and Metal Clad or Jacketed Gaskets) 및 스파이럴

와운드 가스켓(Spiral Wound Gaskets)이 있으며 일부 고압산소 및 수소용 밸브에서 타원형의

링조인트(Ring Joint)나 오발링 조인트(Oval Ring Joint) 가스켓이 쓰인다-판형 금속제 가스켓(Flat Metal Gaskets)이 가스켓은 플랜지 조인트에 비해 무른 재질 즉 알루미늄 구리 황동 연철 또는 스테인리스강으로

제작하며 대략의 경도차는 플랜지 조인트 경도에 비해 적어도 HB 30 이상의 차이를 가진 것이어야

한다 이 판형 금속제 가스켓은 설치하면서 시팅 표면에 고정되도록 해야 하기 때문에 상당히 높은

조인트 볼트 하중과 더불어 높은 시팅응력을 요구한다 가스켓 계수 m 과 최소설계시팅 압력 Y 는 [표1]과 같다판형 비금속금속 가스켓(Flat Nom-MetallicMetal Clad or Jacketed Gaskets)비교적 낮은 압력의 시팅력으로도 씰링을 유지할 수 있도록 고무나 합성수지를 얇은 금속제 판으로

크래딩한 것으로 고온고압용에는 적합하지 않다대략적으로 압력등급은 300이하에서 사용온도는 200 이하의 경우에 채택할 수 있다 가스켓

계수는 25~375범위 최소 설계시팅압력 Y 의 값은 200~620(N)으로서 판형 금속제 가스켓에

비하여 매우 낮다-스파이럴 와운드 가스켓(Spiral Wound Gaskets)이 가스켓은 밸브의 조인트에 있어서 가장 널리 채택되고 있다 이는 판형 가스켓 등에 비하여 매우

양호한 탄성 복원력과 함께 적절한 가스켓 계수 및 시팅압력 y값을 갖고 있기 때문이다 따라서

열변화가 심한 경우나 배관계의 탄성변형에도 적절하게 대응할 수 있다스파이럴 와운드 가스켓은 금속(통상 V 형을 옆으로 뉘인 상태)과 비금속의 테이프를 나선형으로

감아서 내주측(內周側 Inner Side)과 외주측(外周側 Outer Side)에 금속판 테이프가 오도록 만든

가스켓으로 금속의 탄력성 및 강도를 비금속의 윤활성 및 탄성 유지력과 결합하여 만든 것이다 일반적으로 금속 테이브를 테이프(Tape) 또는 후프(Hoop)라고 부르고 비금속 테이프를 휠러(Fillar)라고 부른다 후프로는 스테인리스 304316 계열이 널리 쓰이고 휠러 또는 충진재로는 테프론이나

흑연 또는 석면 등이 널리 사용되고 있다 [그림 116]은 스파이럴 와운드 가스켓의 기본적인

제작형상을 보여주고 있다 여기서 내륜부착 또는 외륜부착의 스파이럴 와운드 가스켓은 가스켓

구조의 강도를 유지하고 아울러 최적의 가스켓 장착이 될 수 있도록 한 것으로 주로 고온고압용의

내압성이 중요시 되는 계통에 적용한다휠러재료에 따른 사용압력 대 사용온도는 [표 2]를 기준으로 한다 아울러 가스켓 계수 m=30 이고 최소설계시팅압력 y=689N 이다가스켓의 선정

가스켓의 선정은 밸브에 있어서 다음과 같은 순서로 가스켓의 선정을 추천한다① 사용조건의 확인 및 검토

-유체의 종류

-유체의 압력온도

-플랜지 조인트의 형상

-볼트 사양(갯수 크기 재질)②필요 체결압력 및 볼트사양에 따른 체결 토오크 검토

③ 가스켓 사양의 결정

④ 가스켓 체결사양의 결정

가스켓 체결사양의 간이 결정법

가스켓 특히 가장 널리 사용되는 스파이럴 와운드 가스켓(스테인리스 후프 흑연 충진)의 체결 사양을

결정하는

방법을 간이식으로 간단하게 표현하면 다음과 같다① 계산에 필요한 가스켓 체결 볼트 하중의 계산법

우선 사용상태에서의 볼트하중(Wm1)과 가스켓 사양에 따른 체결 볼트의 하중(Wm2) 중 큰 값을

선택한다 사용상태하의 볼트하중(Wm1)Wm1 = π4G2P + 2πbGmP = πGP4(G + 8bm)가스켓 사양에 따른 볼트 체결하중(Wm2)Wm2 = πbGy여기서G 가스켓의 평균 직경(mm)b 가스켓의 유효폭(mm) 단 하중을 직접 받는 폭

m 가스켓 계수(m=30)P 설계압력(kgf)y 최소설계 시팅압력(y=703kgf)② 볼트의 체결 토오크를 계산한다T = 02d1W10N여기서W Wm1 Wm2 중 큰 값(kgf)N 볼트 개수

d1 볼트의 외경(mm)(보다 상세한 계산은 ASME Sec Ⅷ Division 1 Appendix 2 를 참고한다)4밸브의 취급

41 지침

밸브가 본래의 기능을 유지하고 지속적으로 건전하게 운전을 하기 위해서는 각각의 밸브 구성부품의

기능이 제 역할을 다해야 한다 밸브 구성부품의 기능유지는 곧 구성부품의 구조적인 강도의 한계를 충분히 견지하고 있어야 한다는

것이다 밸브의 각 구성부품의 어느 하나라도 손상되거나 마모된다면 밸브는 본래의 기능을

정지하거나 정지가 예상되고 아울러 다른 구성부품까지 손상에 이르게 할 수 있기 때문에 밸브 전체의

기능에까지 손상을 가져올 수 있다 밸브를 설계하여 완성된 제품으로 출하할 때까지 제작자는

구성부품의 하나하나에 대하여 미리 강도를 계산하고 형상을 최적화하여 밸브가 조화롭게 운전될 수

있도록 설계하고 요구되는 수명이상을 유지할 수 있도록 적절한 공차와 정밀도로 제작하게 된다한편 밸브가 조립된 후에는 제작조립된 밸브가 설계대로 되어 있는가 또는 설계대로 제작된 밸브가

확실하게 제 기능과 성능을 발휘하고 있는가 등을 검사하는 과정이 있다이러한 설계 제작 및 검사과정을 거친 밸브는 제품으로서 완전하다고 할 수 있으나 실제 배관

계통에의 적용시 과연 제 성능을 발휘할 수 있는가는 밸브제작자와 밸브구매자 그리고 밸브를

설치하는 시공자와의 관계를 올바르게 설정하고 각 업무과정에서의 간섭문제를 심도있게 다루지

않는 한 밸브가 온전하게 제 성능을 발휘할 수 있다고 말하는 것은 옳지 않다 밸브의 취급에서 특별히 언급하고자 하는 것은 밸브제작자와 구매자 그리고 밸브를 설치하는 시공자

사이에서 밸브를 제대로 취급하는 방법을 알려주고자 하는 것이다

밸브제작자는 밸브에 대한 제반시험 및 검사과정과 페인팅(도장 Painting) 포장출하 방법 그리고

제작자가 구매자나 시공자에게 알려주어야 할 보관 방법 등을 책임 있게 관리해야 한다 밸브

구매자는 밸브제작자와 시공자를 전체적으로 관리하며 배관설계자와의 밸브관련 코디네이터

(Coordinator)로서의 역할을 수행하여 밸브로 인한 전체적인 프로세스의 시공차질이 없도록 해야할

것이다 아울러 밸브를 안전하고 신뢰성 있게 운전할 수 있는 방안을 밸브 설치시부터 고려해야 할

것이다42 인간공학적인 측면

밸브는 배관계통에 있어서 최종의 제어요소이기 때문에 밸브의 동작이 잘못되었을 경우 그 잘못된

결과는 즉시 나타나게 된다 밸브의 동작이 정상적으로 수행되기 위해서는 밸브 조작에 대한 신뢰가

전제되어야 한다 예를 들어 1983 년 일본 고압가스협회가 일본의 석유화학단지를 대상으로 밸브사고

사례를 조사한 결과를 보면 밸브조작에 대한 문제가 전체 사고사례 600 여 건 중 약 17인 109건이

밸브에 직접 관련된 사고였으며 109건의 밸브사고 사례 중 56인 61건이 밸브조작의 잘못으로

인한 것이었다아울러 미국전력연구소(EPRI)의 발전소용 밸브의 사고사례 분석에서도 약 50가 밸브조작이나

잘못된 조작을 유발할 수 있는 밸브구조로 인한 것임을 보고하였다 이와 같이 밸브 조작상의

문제점이나 조작실수를 유발할 수 있는 밸브구조의 문제는 의외로 관련 프로세스 시스템에 많이

게재되어 있다즉 실제 사고의 원인이 되는 종업원의 행동에서 보면 관행에 따라 조작하다가 문제를 일으킨 경우가

가장 많으며 기타 지식과 경험에 의한 조작 규칙 절차서에 따라 밸브를 조작하다 실수한 경우가

있었으며 이들은 인간공학적인 측면의 밸브설계상의 오류로 볼 수 있다이밖에 작업 또는 조작환경과 상황에서 보면 단조로운 밸브조작 환경에서 의외로 많은 사고를

경험하고 있다는 것이다 이들은 분명 밸브의 설계 제작 및 설치 등의 제반과정(제작자 측면)과 밸브

시운전을 포함한 운전 및 유지관리(사용자 측면)에서 모두 휴먼에러의 방지가 중요한 설계상의 관점이

된다는 것이다밸브 취급에 있어서 인간공학적인 측면을 생각해 본다는 것은 휴먼에러를 가급적 공학적으로 줄이기

위한 배관 및 밸브 시스템에 관한 설계 고려사항이 된다38회(981월호)2인간공학적인 측면

밸브취급에 있어서 그 기본 목적은 밸브의 기능을 본래대로 유지 관리하는 것이다 실제로 수많은

프로세스에서 밸브 문제로 인한 엄청난 손실을 경험하고 있으며 대부분 밸브의 중요기능인 내부 누설

및 외부 누설 기능의 손상 또는 노화에 따른 것이다설비보전 밸브의 보전(保全 Total Maintenance Management)에 있어서 가장 중요한 것은 사소한

문제로 생각할 수 있는 누설현상이나 이로 인한 경미한 위험 요소들을 간과해서는 안 된다는 것이다 예를 들어 4M(Man Machine Media Management)에서 일어날 수 있는 휴먼 에러 설비의 결함 작업 방법이나 정보의 부족 관리상의 여러 문제점들이 복잡한 프로세스에서 언제든지 위험요소로

존재하는 것이다 석유화학 콤비나트나 발전소와 같은 대규모의 프로세스 플랜트에서 불시정지를

야기하는 설비들 중에서 또는 심각한 사고사례 중에서 밸브 문제가 차지하는 비율은 상당히 높은

것으로 알려져 있다Fran E Bird 가 총 175 만건의 설비 사고사례를 분석한 내용을 보면 [그림 1]과 같은 구조의 비율을

보이고 있다 이와 같이 1건의 재해가 발생하기에는 적어도 600건 이상의 인적 물적 손해가 없는

경미한 사고가 발생되고 이들은 4M 의 문제점으로 남아 관리되지 않고 다음의 큰 사고를

예비하는데도 불구하고 쉽게 간과하거나 망각한다는 것이다이는 도미노 이론에서와 같이 600건이라는 4M 관리상의 문제가 기본요인을 점차 무너뜨리고 이것이

사고의 직접 원인이 되어 사고에 이르고 결국 큰 재해로 야기된다는 것이다특히 밸브에 있어서는 매우 간단한 문제로 치부할 수 있겠지만 다음과 같은 분석을 통하여 프로세스

플랜트에 있어서 밸브의 취급이 얼마나 중요한 것인가를 알 수 있다 이렇듯 프로세스에 있어서

밸브의 관리는 밸브의 종류별로 프로세스 계통의 특성별로 그리고 설치환경에 따라 취급방법을

달리해야 한다(1)밸브의 오조작 문제를 고려한 취급

밸브의 오조작 문제는 전형적인 휴먼 에러로 볼 수 있다일반적으로 프로세스 플랜트에 있어서 대부분의 배관계통은 프로세스 제어목적에 따라 계통의

주제어용 밸브 보조제어용 밸브 계통의 유지 보수를 위한 밸브 프로세스 제어기기용의 보조밸브 계통의 비정상적인 운전을 사전사후 예방하기 위한 급배기(수) 밸브 계통의 안전성에 중점을 둔

안전밸브 릴리이프 밸브등 매우 다양한 밸브들이 설치되어 운전한다이들 밸브는 운전 목적이 각기 상이하고 형식 또한 판이한 다른 모양을 갖고 있으며 운전 방법에 따라

수동조작 자동조작으로 나눌 수 있으며 자동조작은 외부의 제어 시그널과 동력원(動力源 Power Source)을 받아서 조작되는 타력식(他力式) 자동 제어밸브가 있다 본고에서는 밸브의 오조작 문제를

인간공학적인 측면에서 앞서의 3 종류 밸브에 대하여 원론적으로 설명한다〔수동식 밸브〕

수동식 밸브에서 오조작을 방지하기 위한 방법으로는 인간적인 관성과 기술적인 즉 공학적인

관점으로 접근하여야 한다 인간적인 관성에 의한 밸브의 오조작 문제는 앞서 언급한 바와 같이

사고의 근본 원인을 제공하고 있는 습관이라든가 안이한 대처 즉 주기적이고 집중적인 안전교육의

부족 및 관리체계의 허술함이 사고의 동기를 제공하게 된다공학적인 관점으로는 휴먼 에러를 최소화할 수 있는 조건들을 배관 및 밸브 시스템에 반영하는 것으로

다양한 접근 방법이 개발되고 있다〔타력식 자동밸브〕

타력식 자동밸브는 공압식 또는 전동식 자동 제어밸브(Pneumatic or Electric Control Valve)를

말하는 것으로 그 기능은 계통 유로의 개폐 또는 조절(Throttling)하는 것이다유로 개폐 목적의 차단 밸브는 운전 중에는 계통의 절환이나 긴급시의 차단 또는 개방 밸브로

운전빈도가 그다지 높지 않으나 안전 측면이 강조된다 반면에 조절기능의 자동 제어밸브는 항상

운전되는 밸브로서 계통운전의 신뢰에 필수적인 제반 제어 시그널에 따라 운전함으로 운전 신뢰성

측면이 강조된다따라서 조절기능에 손상이 있을 경우 자동 제어밸브의 설치운전에는 보조의 수동밸브와 차단밸브가

함께 설치된다 또한 이들 자동밸브는 외부의 동력공급원에 대한 철저한 안전성이 확보되도록 하여야

한다 즉 방폭 등급이라던가 동력원의 손실시 안전한 운전 모드의 위치 고장시 긴급조치는 어떻게 할

것인가 운전 감시는 어떻게 할 것인가 등을 설계시부터 고려하고 안전한 취급 및 설치방법을

제시하여야 한다 물론 긴급시의 처치에 있어서 오조작 문제가 근본적으로 생기지 않도록 안전조치

(Fail CloseOpen) 기능 및 수동 조작 기구를 함께 갖추는 것이 좋다〔자력식 자동밸브〕

자력식 자동밸브는 안전밸브(Safety Valves) 압력 릴리이프 밸브(Pressure Relief Valves)

감압밸브(Pressure Reducing Valves) 일차 압력 조절밸브(Pressure Sustaining Valves) 펌프

콘트롤 밸브(Pump Control Valves) 후로우트 밸브(Float Control Valves) 등으로 계통내의 압력

또는 온도를 압력도관(Pressure Sensing Line)이나 팽창성 액체도관(Capillary)으로 전달받아

자체의 다이아후램이나 스프링등으로 계통의 압력을 조절하는 것이다따라서 대부분의 제어 최종 목적은 압력 또는 온도가 된다 실제 이들 밸브는 응용에 있어서 약 90이상이 압력조절인 자력식 밸브이다자력식 자동밸브의 구조상 특징은 스프링을 압력제어의 직접적인 요소로 사용하는 안전밸브나

릴리이프 밸브를 제외하고 모든 자력식 밸브는 압력도관을 갖고 있기 때문에 특별한 취급이 필요하다사용 유체에 따라 다르겠지만 물용 감압밸브는 감압밸브 중에서 가장 널리 사용되는 밸브로써

압력도관과 주밸브(Mian Valve)의 동작을 지시하는 파이롯트 밸브 또는 솔레노이드 밸브 및 이에

부수되는 압력계 피팅 필터 또는 스트레이너 체크 밸브가 제어라인으로 복잡하게 구성되어 있다 주밸브를 동작시키는 이들 제어시스템은 밸브의 사용목적에 따라 구성을 달리하여야 하고 배관시스템의 계통운전 조건에 맞도록 공장 및 현장에서 제어 기준값을 설정해 주어야 한다아파트나 대형 오피스 건물의 원수(源水 Raw Water)나 시수(市水 Municipal Water) 시스템의

파이롯트식 감압밸브나 일차 압력조절 밸브 등에서의 제어성 문제는 대부분 필터 스트레이너에서의

불순물이나 물이끼가 파이롯트 밸브의 미세한 노즐을 막음으로써 발생하는 경우가 많다따라서 필터 스트레이너 파이롯트 밸브의 노즐에 대한 취급은 밸브 출하시는 물론 설치운전 중에도

각별한 관심을 기울여야 할 것이다파이롯트식 외에 직동식 즉 압력도관을 직접 자력식 자동밸브의 구동부(다이아후램)에 연결하여

내부의 자체 스프링 힘과 입구 압력 밸브 출구측의 압력의 평형으로 스프링 힘에 의해 밸브 출구

압력이 조절되는 방식의 감압밸브는 감압 조절의 정밀도는 약간 저하될 수 있으나 앞서의 파이롯트

밸브가 없는 구조이기 때문에 취급상 비교적 용이한 구조이다(2)밸브의 누설을 고려한 취급

밸브의 유지보수라 함은 그 대상이 밸브의 내부 누설 및 외부 누설을 차단 또는 허용치 이내로 다시

조정하는 작업이라 할 수 있을 정도로 대부분의 밸브 유지보수가 트림부분과 패킹부분의 수리 또는

교체를 중심으로 이뤄진다아울러 밸브 제작자가 밸브를 출하할 때 집중적으로 시험 검사하는 것도 밸브 시트에서의 누설량

확인과 밸브 외부로의 누설 가능성 여부를 확인하는 것이다 밸브에 관한 기준 및 규격이 모두 이들

사항에 대하여 구체적으로 규정하고 있으나 단시 밸브의 외부 누설 가능성이 매우 높은 글랜드 패킹

부위에서의 누설 관리에 대하여는 특별히 규정하고 있지 않다 그러나 최근의 밸브 기술 및 사용자의

요구는 글랜드 패킹에서의 누설 또한 매우 엄격하게 규제를 하기 시작했으며 이에 대한 대표적인

예가 미국의 대기환경보호법(Clean Air Acts)이다글랜드 패킹에서의 누설 문제는 밀봉재인 패킹(통상적으로 현재에는 순수 흑연계의 성형 또는 편조형)에서 누설이 있을 경우 그때그때 패킹 조임을 통하여 누설을 방지할 수 있다는 전제 조건 때문에 따로

규정하고 있지 않으나 패킹재료의 발전과 CCA 의 요구사항 그리고 사용자 그룹의 요구로 조만간

패킹 또는 가스켓으로부터의 누설량은 엄격한 규제를 받게 될 것으로 예상된다따라서 패킹으로부터의 외부누설을 가능한 한 최소화하는 기술의 확보와 더불어 밸브의 패킹이나

가스켓과 같은 밀봉부문의 취급을 어떻게 하여야 할 것인가가 세밀하게 검토되어야 한다예로써 밸브의 수압이나 시트 기밀시험에 사용되는 시험 액체는 청수가 대부분이다 아울러 일반

밸브의 패킹부분에서의 스템 운동을 원활히 하면서 씰링 효과를 높이기 위해 인히비터(Inhibitor)라는

보조재를 사용하는 경우가 많은데 특별히 아연베이스(Zinc Based)계통의 인히비터는 스템에 점식

(Pitting)현상을 일으킬 수 있어 주의하여 선택 결정하여야 한다더욱이 수압시험후의 불순물이 게재된 청수가 패킹재를 오염시킬 수 있으며 패킹 윤활재의 화학적

안정성을 해치고 대기중의 유해 물질과 결합 흡착되어 스템의 운전을 곤란하게 하는 경우가 실제로

상당수 발생된다 밸브의 내부누설은 트림에서의 시트누설로 대표되며 밸브 종류에 따라 누설량을

엄격히 제한하고 있다 일반적으로 차단용 목적의 밸브는 시트 누설량을 허용하고 있지 않으며 조절용 밸브 및 역류방지 밸브에서만 누설량을 소량 허용하고 있다밸브 사용중 시트 누설이 발생하는 요인은 대부분 취급 유체에 불순물 개제나 시트 접촉부에서의

상대적인 노화나 열화 또는 밸브에서의 압력차에 의한 케비테이션이나 후라싱과 같은 물리적 현상에

의하여 발생된다 금속간 접촉에 의한 씰링구조의 밸브 트림인 게이트밸브 글로브밸브 및 메탈시트

볼이나 버터플라이 밸브의 경우에는 유체내 불순물 개제 또는 금속체간 높은 접촉응력과 금속화학적

반응에 의한 들러붙음(Stick on)으로 인한 긁힘(Galling) 또는 국부부식(점식 Pitting)으로 인한

누설이다 반면에 소프트 시트(주로 테프론) 구조의 트림은 탄성체인 테프론과 같은 시트 재료가 오랜

시간 사용에 의한 노화나 열에 의한 열화등으로 씰링의 탄력성이 손상되어 누설이 생기는 경우로서

소프트 시트를 널리 채용하고 있는 90회전 밸브류인 볼 버터플라이 플러그밸브에서 자주 발생한다 물론 핀치밸브(Pinch Valve)나 다이아후램 밸브도 이러한 유형에 속한다 마지막으로 유체 조절용의

제어밸브에서 유체역학적인 현상으로 여겨지는 케비테이션 후라싱 현상은 밸브 응용에서 매우

조심스럽게 다뤄져야할 현상으로써 계통 설계자와 밸브 제작사가 사전에 이에 대한 엔지니어링을

하여 실제 적용시 이러한 현상이 최소화되도록 밸브를 설계 제작하여야 한다이러한 현상은 주로 제어밸브로 80이상 사용되는 글로브 형식의 제어밸브에서 집중적으로

논의된다 현재까지 케비테이션에 견딜 수 있는 구조의 트림들이 다양한 형태로 개발되고 실용화되고

있으나 후라싱에 견딜 수 있는 밸브 트림에 대하여는 따로 후라싱 서비스용 트림이라 할 정도로

밸브자체 또는 밸브 트림만으로는 해결하기 어려운 점이 많다39회(982월호)2인간공학적인 측면

(2)밸브의 누설을 고려한 취급

지난호에 밝힌 바와 같이 유체역학적 현상에 의해 발생되는 밸브 트림의 씰링구조 손상문제는 전체

시스템에 대한 계통 및 밸브의 역할을 엔지니어링하여 시스템 및 밸브 트림의 설계에 반영함으로써

완화시킬 수 있다이 경우 밸브 트림에서 문제의 해결 방안을 찾는 것보다는 우선 시스템의 운전 조건을 검토하여

시스템부터 문제 해결을 추진하는 것이 보다 바람직하다 역류방지 밸브인 체크밸브의 누설 문제는

실제 시스템의 운전에 있어서 간혹 매우 어려운 문제로 제기되는 경우가 의외로 많다 특히

체크밸브는 사용자가 생각하고 있는 밸브의 기능과 제작자가 실제 관련 코드와 기준에 의해 제작한

밸브의 기능과는 엄청난 견해차를 갖게 된다 이 견해차의 주요 내용을 다음과 같이 요약한다체크밸브에서의 압력 손실 문제

체크밸브에서의 통과 유량 문제

체크밸브에서의 누설 허용량과 실제 설치시의 누설량 과대 문제

사용 유체에 따른 허용 누설량과 실제 계통 적용시의 누설 문제

이중 밸브 엔지니어링 측면에서 심도 있는 기술적인 검토가 필요한 사항은 압력손실의 문제와 실제

설치시의 누설량이 검사시의 허용 누설량과 큰 차이가 나는 원인에 대한 것이다

첫째 체크밸브에서의 압력 손실의 문제는 계통 운전시 심각하게 대두되는 문제로서 그 원인은

다음과 같다체크밸브의 디스크는 계통에 유체가 흐를 때에만 열리도록 되어 있다 통상 계통압력에 의해 열린다고

생각할 수 있지만 계통내에 적정 유량이 흘러야만 밸브의 디스크가 흐르는 유체의 힘에 의해

개방된다 따라서 계통내에 적정 유량이 흐르지 못할 때는 디스크가 완전히 열리지 못하고 중간

개도에서 불안정하게 운전하게 된다 따라서 이때의 밸브에서의 압력손실은 디스크가 완전히 열리지

못함에 의한 유로 포트의 교축으로 크게 발생하게 된다 특히 배관 관경이 크게 선정되어 있고 계통

유량이 적은 경우에는 계통 운전이 불가능할 정도로 압력손실량이 커질 수 있다 체크밸브의 제작자는 이러한 사항을 고려하여 체크밸브에 대한 최소 흐름요구속도(Minimum Flow Velocity)를 제시하고 있다 따라서 계통 설계자나 운용자는 이 최소 흐름요구속도를 가지고 필요

유량과 체크밸브의 유량계수(Cv)를 가지고 이론적이지만 실제 계통설계에 적용할만한 체크밸브의

압력 손실량을 계산할 수 있다 이 압력손실량을 가지고 계통 설계 및 운전에 체크밸브를 적용해야

위와 같은 사용자와 밸브 제작자간의 견해차 즉 문제를 해결할 수 있는 것이다그러나 현재 배관 엔지니어링에 있어서 설계자는 거의 모든 체크밸브를 단지 압력-온도 등급에 의한

외형적인 데이터로 밸브를 선정하기 때문에 워터햄머와 같은 유체의 천이현상을 제외하더라도 시스템

설계에 필수적인 체크밸브의 압력손실량을 적당히 결정하고 있는 것이다이들 문제는 상대적으로 대구경의 배관계통에서 보다 소구경의 배관계통에 보편적으로 적용되는

리프트 체크밸브에서 빈번하게 발생한다 이러한 문제는 밸브 형식 또는 유체흐름의 모양(Flow Passage)을 변경하거나 내부 디스크의 전체 질량을 조정하여 해결할 수 있다 다음에는 이러한

체크밸브에서의 압력손실 문제를 구체적으로 설명하고자 한다다음의 문제는 시트의 허용 누설량 이내의 밸브를 공급하였는데도 불구하고 실제 설치된 체크밸브의

누설량이 과대하여 문제가 되는 경우이다 이 또한 밸브 제작자에게 큰 기술적 경제적 고통을 안겨

주는 사례로서 결론적으로 체크밸브를 부적절하게 설치하였거나 최초 운전시(시운전시) 배관 계통의

청소(Clean Up or Flushing)가 불결하여 이물질에 의해서 경면 연마된 시트면의 기밀 구조 손상이다이중 특별히 주의해야 할 사항은 체크밸브를 설치할 때 설치 위치 및 방향에 따라 생기는 유체역학적

불안정 구조로서 이들 문제에 대한 분석 및 설치상의 고려사항에 대해서는 구체적으로 다음호에서

설명한다 이와 같이 밸브의 누설을 고려한 취급은 보다 깊숙한 기술적 배경을 요구하게 됨으로

밸브엔지니어링 전문가에 의한 체계적인 취급이 바람직하다(3)리프트 체크밸브의 압력 손실의 문제를 고려한 소형 체크밸브의 취급

체크밸브의 압력손실을 예측하는 데에는 우선적으로 배관계통내의 최대 설계유량과 운전 유량에

기준한 유체의 흐름속도 즉 유속이 중요한 설계 계산의 포인트가 된다물론 체크밸브의 형태에 따라 압력손실 계수가 정해지는데 이러한 밸브 형태에 따른 저항계수는 이미

미국 Crane社에서 발간한 Fluid Flow와 같은 기술자료로 널리 알려져 있다 이러한 기술자료 중

기술자들에게 널리 알려져 있으며 아울러 공학적 상식을 체계적으로 정리하고 있는 Crane Technical Paper 410 에서는 배관계의 적정 유속을 [보기 1]과 같이 고려하고 있다그러나 4 인치 이하의 소구경 배관의 경우 상기 배관내 유속보다 30정도 증가시켜도 무방하다 왜냐하면 소구경 배관의 경우 배관의 벽두께가 상대적으로 대구경 배관에 비하여 두껍게 제작되고

있으며 유체의 흐름 관성력이 작기 때문이다리프트 체크밸브의 특성 검토

리프트 체크밸브는 스윙식의 체크밸브에 비하여 리프트 부분을 대쉬포트(Dash Port)로 하기 때문에

디스크의 떨림(채터링 Chattering) 현상이 적어 맥동이 있는 배관계에 널리 채택되고 있다 리프트

체크밸브의 동적 특성은 배관계의 유량 디스크의 질량 디스크와 몸체 가이드면과의 간격 및 편심률 디스크 측면의 밸런스 구멍의 크기 등에 많은 영향을 받는다 이중에서 가장 크게 체크밸브의 안정된

디스크 열림에 영향을 주는 것이 유량 즉 유속이다유속이 높을수록 유체의 흐름관성력(Fluid Flow Inertia Force)이 높아 디스크는 안정된 상태로

열려있게 되는 것이다 다음의 식은 리프트 체크밸브에 있어서 디스크의 운동방정식이다 액체

서비스용 리프트 체크밸브에서 중요한 사항은 액체의 점성도에 따라서 Fγ 의 크기가 크게 변화된다 따라서 Fγ 에 영향을 직접적으로 미치는 디스크와 몸체 가이드면과의 간격(실제적인 예로써

0125~015mm 로 제한한다)이 체크밸브의 원활한 운전을 위해 매우 중요한 설계 포인트가 된다체크밸브의 디스크와 몸체 가이드면의 간격에 의한 편심률 ε 의 값은 어떤 리프트 체크밸브 설계에

있어서도 03 이내로 제한되어야 하며 아울러 Fγ 의 값을 적게 하기 위하여 표면 거칠기도 매우

정밀하게 제어해야 한다 ε 의 값이 적으면 디스크의 안정성이 높아져 ε 의 값이 높은 설계보다 낮은

유속으로도 디스크의 안정성을 기할 수 있다일반적으로 리프트 체크밸브의 디스크에는 밸런스 구멍을 3 개 정도 뚫어 놓는데 이는 디스크가

열렸을 때 디스크 상부의 케비티에 있는 잔류 유체를 이 디스크의 밸런스 구멍으로 릴리이프 하도록

한 것으로 디스크의 신속한 닫힘

작용에 매우 중요한 역할을 수행한다 밸런스 구멍의 크기는 채터링 현상을 감소시키는 목적이라면

가능한 작게(호칭경 2 인치 이하 직경 3mm 내외 호칭경 25~4 인치의 경우 4~5mm 내외)로 하면

좋다소형 리프트 체크밸브의 디스크 안정 열림을 위한 최소 흐름 속도 계산식의 유도

본 계산식을 유도하기 위해서는 디스크 틈새에서의 와류가 없으며 디스크 상부에서의 케비티에서의

잔류 유체는 디스크가 열릴 때 밸브 입구측 압력과 즉시 밸런스가 되고 디스크의 부력에 의한 유속

증가는 고려하지 않은 상태로 조건을 가정하고 다음의 모델에 따라 계산식을 유도한다우선 디스크의 밸런스를 위하여 디스크가 닫힐 때의 힘 F 와 유체력에 의해 디스크가 열릴 때의 힘 f 는

평형이 되어야 한다 따라서 F=f 로 하여 필요한 밸브 입구에서의 최소 흐름속도를 이론적으로 구할

수 있다 참고(1)에서 밸브에서의 압력손실 ΔP 는

ΔP = 6V2Gf(CvD2)2Gf 비중(10)V 배관계의 유속(ftsec)D 배관의 내경(inch)이 식에서 밸브의 압력손실은 배관계의 유속이 증가함에 따라 증가하고 밸브의 유랑계수 Cv 자승에

반비례한다V2 = [ΔP(CvD2)2]6(ftsec)Q = AV(GPM)그런데 밸브에서의 유체흐름 저항으로 인한 압력손실은 참고(2)에 따라 계산하면 다음과 같다 즉ΔPf(100) = 135fGf(Q2d5) psi100ft여기서

Q 유량(GMP)d 유로경(inch)f 마찰계수로써 002 로 가정하고 참고(2)의 TableⅡ 에서 리프트 체크밸브의 등가 파이프길이를

구하여 대입 실제 밸브에서의 압력 손실량을 구한다ΔPv = 135fGf(Q2d5)Le(psi)여기서 Le = 등가 파이프길이(ft)100(ft)임만약 ΔPv = ΔP 가 같다고 가정하여 d 를 확인하고 선정된 밸브의 포트가 적절한가를 확인한다 그리고 실제 유량 Q 를 수송시 밸브에서의 실질적인 동적 압력손실 ΔPv 를 구하면 된다만약 측정된 압력손실량이 계산된 ΔPv 보다 월등히 클 경우에 이는 분명 체크밸브의 디스크가 완전히

열리지 않고 중간개도(원인은 이물질이 디스크와 디스크가이드 사이에 개재 또는 유체의 흐름량이

매우 적게 흐를 경우 등)로 하여 약 3~12 배 정도의 압력손실(참고(2))이 생겼기 때문이다만약 실제의 압력 손실량이 예상보다도 크게 발생할 경우 리프트 체크밸브의 취급에서 다음과 같은

원인으로 과대한 압력손실이 발생된 것으로 고려하여 이들의 원인을 해결하면 된다-디스크와 디스크 가이드 사이에 미세한 이물질이 개재되었을 경우-배관계통내의 유속 저하로 인한

흐름 유체력이 약하여 디스크를 충분히 열지 못했을 경우-스프링의 버클링에 의한 편심량에 의하여

디스크의 열림이 원활하지 못했을 경우-디스크 가이드와 디스크 측면의 표면 조도에 의한 열림

마찰력이 과대하여 발생한 것 대책으로-스프링의 제거 또는 교체를 실시하고 본네트의 스프링 가이드면을 원활하게 한다-디스크와 디스크 가이드면의 간격을 013mm 정도로 조정하고 양쪽 접촉면을 경면사상(鏡面仕上)을 실시한다-시트 밀착면에서의 표면장력 효과를 저감시키고 유체흐름을 원활하게 하기 위하여 디스크의 반경을

시트면의 접촉면 외경에 일치시키고 시트면과 디스크 시팅면에 작은 유로 흐름이 생성될 수 있도록

한다40회(984월호)지난호에서는 소구경 배관계통에서 널리 채택되고 있는 리프트 체크밸브의 적용상의 압력손실에

대하여 설명하였다 체크밸브의 종류별 압력손실 정도는 참고로 대략 [표 1]과 같다(4)설치의 안전성

배관계통은 기본적으로 취급유체가 매우 다양하여 포스겐가스나 염소가스와 같은 맹독성의 가스 황산이나 가성소다와 같은 위험성 액체등도 밸브를 통하여 제어하게 된다밸브는 이러한 유체를 취급할 때에는 특별히 글랜트 패킹이나 가스켓(본네트 가스켓과 플랜지 접속

가스켓)에서의 외부 누설에 심각하게 유의하여야 한다 아울러 가연성 고압가스의 누설은 엄청난

재난을 가져올 수 있다 또한 고압증기 시스템 계통의 경우에는 사람을 다치게 하거나 주변의

전기배선이나 주변기기에 손상을 입혀 큰 사고 피해를 유발하기 때문에 설치 및 관리는 안전을 제일로

하여야 한다4규격밸브

현재 국제적으로 통용되는 밸브 규격은 주로 미국 영국 독일 및 일본등 선진국가에서 제정된 것으로

특히 미국에서 제정된 ASME(미국기계학회) API(미국석유학회) MSS(미국제작자협회) ISA(국제계측제어협회) 등의 규격이 가장 영향력이 크다이중 ASME 는 밸브류의 구조적 강도문제를 중점적인 관점으로 취급하고 있으며 나머지 API 나 MSS등은 ASME 에서 정한 구조적 강도의 허용범위 내에서 실제 프로세스에 적용할 수 있는 실질적인

규격을 정하고 있는 경향이다물론 구조적 문제의 근간이 되는 플랜지 강도 계산이나 압력

용기로서의 밸브 몸통의 구조강도 문제는 일본이나 독일의 기본 국가규격으로 정하고 있지만 일본의

경우 강도 계산방법이나 테이블링(Tabling) 방법 등이 흡사 미국의 ASME 방법과 유사하다 독일의

경우는 보다 자세하고 또한 수많은 고려사항들을 계산에 포함하도록 요구하는 등 산업문화의

차이에서 보면 미국문화권과 독일문화권이 유별나게 구분되는 재미있는 특징이 있다우리 나라의 경우는 흡사 일본 규격을 거의 번역한 것과 마찬가지로 규정되어 있는데 실질적인

밸브의 압력 온도 기준의 근간이 되는 밸브의 재질강도 및 사용(설계)압력 및 온도에 따른 밸브

구조의 강도에 대한 상세한 지침이 규격화되지 않은 사항은 유감이다단지 한전의 발전용 밸브를 중심으로 하는 KEPIC 규격이 1995 년도 말에 제정된 것이 이러한

밸브구조의 강도문제를 규격화한 첫 사례로 볼 수 있다 일반적으로 모든 밸브는 해당분야의 규격에

따라 설계 제작 시험 및 검사를 통해 완제품으로서의 인정을 받도록 되어 있다 크게 분류하면

발전용 석유화학용 상하수도용 제지용 식음료용 소방용등으로 구분되고 보다 세부적으로는

업종별 특성에 따라 또한 구분된다예를 들면 발전용이라 해도 원자력발전소용과 일반 수화력용 밸브의 품질 요건은 엄청난 차이가 나며 밸브의 제어 특성에 따라 기계분야에서 취급할 것인가 또는 제어계측분야에서 취급할 것 인가도

구분된다 다음은 우리 나라에서 비교적 많이 인용되고 있는 대표적인 밸브관련 규격 발행처이다 이와 같이 밸브는 용도별 나라별로 규격이 상이하기 때문에 우리 나라와 같은 경우 분명히 KS 규격이 기준이 될 것으로 판단된다하지만 밸브의 경우에는 불행스럽게도 KS 규격은 극히 제한적인 분야로서 KS B 2306 으로 일반 기계

장치용 선박용 및 옥외 수도용에 대한 호칭 압력별 밸브의 면간 치수를 규정하고 있고 세부적인

용도별 규정은 선박용 및 상대적 저압인 건축설비 및 상수도용에 집중되고 있는 느낌이다 따라서

발전소 및 석유화학 플랜트를 비롯한 프로세스 플랜트에 소요되는 대부분의 밸브류는 플랜트를 어느

나라의 기술로 건설하느냐에 따라 미국 규격 독일 규격 프랑스 규격 일본 규격으로 적용하여

왔으며 단지 상하수도의 제수밸브나 건축설비용으로 쓰이는 일부 밸브들만이 KS 규격을 적용해

왔음을 안다예로써 우리 나라의 대부분의 발전소는 원자력의 경우 울진원자력 12 호기를 제외하고는 미국

규격을 수화력의 경우 어느나라 차관으로 발전소를 건설했느냐에 따라 미국 규격 혹은 독일의 DIN 규격이 널리 사용되었고 일부 일본의 JIS 규격이 준용화되었다 석유화학 콤비나이트의 경우도

대부분 미국의 API ANSI ISA IEEE 규격들이 준용되고 독일의 기술로서 건설된 것은 대부분 DIN 규격으로 밸브들이 도입 설치되었다 따라서 산업용의 밸브 제작자들은 KS 규격의 밸브가 아닌 ANSI API 또는 JIS 규격에 의한 밸브제작 생산에 더욱 익숙해져 있는 것이 현실이다또 한가지 재미있는 사실은 밸브의 종류별로 규격상의 특징이 있다는 것이다 이는 밸브 도매상들의

상술로 빚어진 결과이기도 하지만 섬유도시로 유명한 대구 구미지역의 합섬공장의 열매용 밸브의

대부분은 독일의 DIN 규격제품이 매우 많으며 벨로우즈 씰 밸브의 대다수는 또한 독일제품과

일본제품이 주종이 되어있다 그런데 DIN JIS 및 ANSIAPI 의 밸브 규격상 같은 압력등급이라

하더라도 밸브의 면간 거리가 각기 상이하여 이들 밸브의 개보수 추가 확장 등의 공사시에는 서로

상이한 규격으로 인하여 공사 추진에 많은 영향을 미치게 하며 더욱 많은 공사 경비가 추가될 수

있다 반면에 울산의 SK 쌍용과 같은 석유정제공장 여천 석유화학공장의 대부분은 미국 규격을

준용하고 있다특히 DIN AFNOR 또는 JIS 에 의한 밸브 재질 규격의 ASTM 에 대한 대조는 전문가가 아니면 판단할

수 없을 정도로 복잡하게 되어 있어 기존 플랜트의 밸브 개보수등 밸브의 보전관리에 많은 문제점을

주고 있다필자의 성급한 주문이지만 현재 우리 나라에서 채택되고 있는 다양한 밸브 규격은 가급적

세계화의 추세에 맞춰 가능한 미국규격에 준용하도록 하는 것이 바람직하다

특히 산업용 밸브의 내수용의 경우 금액 대비 약 70이상 수출의 경우 약 80이상을 미국규격에

준용하고 있음을 감안하여 산업용의 경우 거의 활용되지 않는 KS 규격보다는 차라리 미국규격

(ANSIASME)을 우리 것(KS) 화하는 것이 우리 밸브 업계로 봐서 오히려 매우 바람직하다고

생각한다 이렇게 함으로써 규격의 보다 깊은 이해와 통일성 그리고 세계화된 밸브 규격의 적용으로

국내는 물론 해외에서의 우리 밸브 제품의 경쟁력을 확보할 수 있을 것이다

5밸브의 중요도 구분

밸브 중요도의 구분은 밸브를 포함하는 시스템 설계에 있어서 시스템에서 요구하는 밸브의 기능과

사용상의 목적이 시스템 운전에 얼마나 중요한가를 구분 짓는 것으로 보면 된다 시스템의 원활한

운전을 위하여 밸브의 역할을 구분하면 다음과 같이 세 가지로 구분할 수 있다첫째는 시스템에 대한 능동적 부품(Active Component)으로써 일반 파이프나 피팅과 구분되고 두

번째는 시스템에 대한 기능상의 능력(Functional Canal Capability)으로써 파이프나 피팅과 같이

얼마만한 유량 압력 온도에 알맞은 크기 또는 능력을 가졌는가이다세 번째는 시스템의 운전 또는 제어성보다도 밸브 자체의 운전성(Opeability)이다 이 세 가지가

시스템에 전체적으로 조화되어야만 밸브와 밸브를 포함한 시스템이 원활하게 운전되는 것이다1)시스템에 대한 능동적 부품으로써 밸브의 중요도

일반적으로 1000MW 급 원자력발전소당 약 21500 개의 각종 밸브가 필요하지만 750MW 급 분탄

(粉炭) 화력발전소의 경우에는 약 8000 여개의 밸브가 30MW 급의 유동탄 화력발전소의 경우에는

약 1000 여개의 밸브가 필요한 것으로 알려져 있다발전소 시스템에 있어서 가장 중요한 밸브들은 시스템의 원활한 운전과 제어를 위한 주요 제어 및

차단밸브들로서 발전소 총 밸브의 약 5인 400 여개가 가장 중요한 밸브로 취급된다 그 다음으로 중요한 밸브들은 압력-온도에 따른 고온 고압밸브 및 고차압밸브(Severe Duty Service Valves)들로서 약 20 정도를 차지하고 나머지 약 75는 단순한 제어용이나 차단용의 일반밸브들

(General Service Valves)로 구분될 수 있다[그림 1]은 화력발전소에서 가장 문제점이 많이 생길 수 있는 밸브들을 표시한 것이다한 예로 [그림

2]의 계통도와 같이 55MW 급의 복합화력발전소에 있어서 보일러 급수시스템 구성은 약

007~008bar(a)와 39의 진공도를 가진 복수기(콘덴서 Condenser)로부터 복수기펌프

(186barg 39) 디미네랄라이저(Demineralizer 176barg 433) 저압급수가열기(LP Feedwater Heaters 703barg 121) 탈기기(Deaerator 6barg 1578) 보일러

주급수펌프(Boiler Main Feed Pump)를 거쳐 고압 급수가열기(HP Feedwater Heaters 137barg 2117) 주급수 제어밸브(Main Feedwater Control Valve 116barg)를 통하여 보일러에 급수가

된다 보일러에서 발생하는 증기는 1108barg510로 하여 발전기를 돌린다이 프로세스에서와 같이 시스템에 있어서 능동적인 부품으로의 밸브는 시스템의 일부 또는 전체를

불안정한 운전으로부터 정상운전에의 시스템 복귀 기능은 물론 돌발적인 사고로부터 시스템을

완화시키거나 정지시킬 때 필요한 기능 부품으로서의 역할이다따라서 각 프로세스 핵심기기 요소인 복수기 히터류 펌프 탈기기 터어빈 등의 전후단에는 시스템

운용의 평형을 위한 즉 주기능이 제어기능인 밸브류가 설치되고 어떤 비정상적인 운전에 대비하여

시스템 운전을 릴리이프 할 수 있는 바이패스 밸브류 및 주기기의 돌발적인 사고로부터의 안전보호를

위한 긴급차단밸브와 안전밸브류가 주요 핵심기기 요소에는 능동적 부품으로서의 밸브가 선정되고 이들 계통에 속한 밸브의 중요도는 가장 높은 등급의 밸브로 분류할 수 있다41회(986월호)

2)시스템에 대한 밸브의 기능으로서의 중요도(Functional Capability of the Valve)공정플랜트에 있어서 배관시스템 즉 유체 수송시스템은 펌프 열교환기 또는 각종 탱크류와 같은

공정기기와 유체흐름을 제어하는 밸브 및 오리피스와 배관으로 구성되어 있다 따라서 공정시스템은

[그림 1]과 같은 세 가지 중요 공정요소로서 각 요소가 프로세스의 핵심 운전인자들인 온도 압력 유체질량 시간 등에 대하여 전체적으로 시스템이 평형과 조화를 이루도록 하는 것이 제어요소인

밸브오리피스인 것이다배관 피팅 배관지지대 등 밸브의 기능상의 능력(Functional Capability)은 바로 전체

공정시스템상의 제어기능의 능력을 표시하는 것으로 밸브의 설계 또는 사용 조건하에서 계통 및

밸브자체의 구조적인 안정성을 유지하며 공정시스템이 원활하게 운전되도록 정격 유량을 수송 및

제어하는 능력을 말한다 밸브 기능의 중요도는 첫째로 밸브의 치수 건전성이고 둘째로 유로 특성을

결정하는 트림구조의 안정성 셋째로 유체의 화학적 반응도에 따른 밸브 재질구조의 안전성 넷째는

밸브 운전조작의 합리성이다① 밸브의 치수 건전성(Dimensional Stability Based on Structural Integrity)공정시스템의 핵심운전인자인 온도 압력 유체질량 시간 중에서 밸브의 치수 건전성 즉 구조적인

강도를 안전하게 유지하기 위해서는 최우선적으로 사용온도와 압력 그리고 시간에 대하여 충분한

구조적인 강도를 가진 구조로 설계 제작되어야 한다높은 압력의 밸브는 그만큼 밸브의 벽두께를 두껍게 하여야 할 것이며 높은 온도의 밸브는 가능한한

열천이에 의한 열응력의 변화(피로응력을 크게 증대시킴)에 대하여 구조적으로 안정되게 하기 위하여

밸브의 벽두께는 가급적 얇게 그리고 균일한 두께로 설계되어야 할 것이다여기에 시간의 함수를 고려하면 밸브구조는 가급적 얇고 균일한 두께로 설계되어야 한다는 결론에

이른다그러나 실제 밸브의 제작기술상 얇고 균일한 두께라는 이상적 조건의 밸브생산은 불가능한

것이 현실이다 밸브의 경우 포트구조와 유로부분에서의 크로치 부분(Crotch Area)이 대표적인

구조적 불연속부(Structural Discontinuity)로써 이 부분은 앞서의 온도 및 압력에 민감하게

작용하는 구조 부분이다 일반적으로 밸브가 받는 응력지점 중 가장 크게 응력이 발생하는 부분은 이

크로치 부분이고 이는 밸브의 내부면에서 최대치를 가지며 밸브 중심면에 수직으로 전 밸브의 목둘레

부분에 인장 응력을 가하고 있는 것이 특징이다이 부분이 밸브의 가혹한 운전조건하에서 가장 중점적으로 치수의 건전성을 확인할 수 있는

핵심부분이다 아울러 밸브를 주조로 만들 경우 벽두께의 급격한 변화에 의한 응고속도 압탕구조 응고수축등의 영향이 집중되어 많은 불량이 생기는 부분도 이 부분이 된다간단한 방법으로 이 크로치 부분의 구조적 건전성을 단순하게 사용 압력으로만 평가할 경우 이 부분의

1 차 막응력강도(Primary Membrane Stresses Integrity)는 다음과 같이 표시할 수 있다Pm = (AfAm+05)Ps여기서

Pm 크로치 부위에서의 1 차 막응력강도

Af 크로치 구역내의 유체면적

Am 크로치 구역내의 밸브 벽두께 면적

Ps 사용 압력

대부분의 경우 밸브의 구조상 압력을 받는 조건하에서는 그림에서의 Am 부분이 가장 큰 응력을

받게되고 아울러 밸브가 급속히 개폐되어 밸브의 디스크 전후에서의 큰 압력차이가 생기는 특정의

경우에도 Am 부분이 가장 가혹한 응력을 받게된다

다음으로 밸브 사용온도 하에서의 치수건전성 문제 또한 이 크로치 부분이 문제가 된다 밸브 유로

부분은 어느 정도 균일한 두께로 설계되지만 유로와 밸브 목이 구성되는 트림부분인 크로치 부분은

다음의 강도 설계 규칙에서 보는 바와 같이 균일한 열응력 분포를 기대할 수 없다 열응력은

온도구배와 두께변화로 인하여 생기게 되는데 밸브구조 특히 몸통구조에서는 크로치 부위에서 가장

크게 발생한다결론적으로 밸브의 내압구조에서는 크로치 부위의 최적설계가 가장 중요한 설계 핵심부분이고 다음에 언급하는 트림구조의 안정성에도 구조강도상 중요한 지지구조이기 때문에 밸브의 치수건전성

측면에서 주의 깊게 설계해야 될 포인트이다② 밸브의 유로 특성을 결정하는 트림구조의 안정성

밸브의 제어성은 유체의 흐름을 공정시스템의 운전 목적에 맞도록 개폐하거나 조절하는 기능을

말한다 이 제어성은 물리적인 의미로서 밸브에서의 압력손실이라는 물리적인 현상을 능동적으로

이용하는데 있어서 그 정밀도를 의미한다 즉 유체가 배관계통을 흐르고 있을 때는 배관벽의 마찰 피팅에서의 흐름방해 등으로 압력손실이 생기는데 이는 일정한 양의 어쩔 수 없는 압력손실이 되는

것이지만 밸브에서는 유체가 흐르는 형상과 양을 조절함으로써 압력손실의 양과 크기를 고의적으로

조정하는 것이 밸브의 기능이라고 할 수 있을 정도로 압력손실을 중요하게

고려한다 유체가 흐를 때 압력손실은 다음과 같이 물리적 식으로 표현한다P = k PV22g여기서

P 발생 압력손실

k 밸브의 유로형상과 마찰로 인하여 생기는 손실계수

P 비중량

V 유체의 속도

즉 유속이 빠를수록 압력손실이 크게 발생하므로 밸브에서의 제어는 유속을 제어하는 구조인 유로

단면적을 가변하는 구조의 오리피스로 고려하여 해석할 수 있는 것이다 따라서 밸브에서 유체의

흐름을 직접 제어하는 부품인 트림은 그 구조가 공정시스템의 운전제어 목적에 철저히 부합되는

구조이어야 한다그야말로 밸브가 매우 다양한 운전조건하에서 부여된 제어임무를 원활히 수행하려면 트림구조는

공정시스템에서 하나 하나가 특별히 안정스럽게 운전되도록 설계 제작되어야 한다 트림구조의

안정성을 유지하려면 다음과 같은 사항들을 철저히 고려해야 한다유체의 제어특성

급개형 - 개폐용

선 형 - 밸브 개도에 따라 유량의 변화량이 비교적 일정함

등비율형 - 밸브 개도에 따라 유량의 변화가 등비율 구조로 됨

유체의 온도

내부누설의 관리 정밀도

유체의 입구 압력과 밸브 출구측의 공정요소가 요구하고 있는 압력(밸브에서의 설계차압)시스템 운전환경(증기 블로우다운 복수기 방출 개폐빈도등)유체의 종류

트림의 유지보수의 편이성

특히 유체의 흐름이 이상유체(二相流體 Two Phase Flow)인 경우 트림에서의 제어성이 곤란하며

차압(差壓 Differential Pressure)이 클 경우 유체의 성상을 변화시킬 수 있음으로 이를 방지할 수

있는 구조의 트림을 설계하여야 한다실질적으로 트림구조의 안정성은 유체의 제어특성 소음과 진동 케비테이션과 후라싱등으로 그

현상을 판단할 수 있다③ 유체의 화학적 반응도에 따른 밸브 재질 구조의 안전성밸브는 다양한 성상의 유체를 다루기 때문에

공정유체의 종류에 따라 밸브를 구성하는 재질은 화학적으로 상호 반응이 없는 것이어야 한다즉 밸브 재질의 유체 종류별 부식침식(Corrosion amp Erosion)성을 판단하여 선정하는 것이다 이에

대한 것으로는 이미 과월호에 구체적으로 설명한 바 있다④ 밸브의 운전조작의 합리성밸브는 운전부품(Moving Parts)인 스템 디스크와 압력유지부품

(Pressure Retaining Parts)인 몸통 본네트 또는 캡 본네트 볼트등으로 구성된 밸브 몸체가 있고 운전부품의 조작에 필요한 밸브 요크 슬립 핸들 또는 구동부로 구성된 밸브 조작부가 있다밸브를 자동으로 구동하는 경우에는 제어상 필요에 의하여 밸브조작 보조기기류가 추가된다밸브의 운전 조작의 합리성에서 가장 우선적으로 고려되어야 할 사항은 다음과 같다 밸브의 내부 및

외부 누설문제밸브의 개폐에 필요한 운전토오크의 관리문제

밸브의 개폐속도

밸브의 설치상 제한사항

밸브 구동조작의 방법

밸브 설치환경(방폭 본질안전 기밀등급등)시스템 추종성

특히 밸브의 핵심 부품중의 하나인 글랜드 패킹의 설계문제는 패킹 재료 스터핑박스의 구조 패킹

글랜드 후렌지의 패킹 가압력 스템 및 스터핑박스 내면에서의 표면거칠기 등으로 구분된다 이

글랜드 패킹문제는 외부 누설문제 운전토오크 개폐속도에 직접적으로 영향을 미치고 연속 자동제어

밸브의 경우에는 패킹가압력이 과도하면 밸브의 제어성을 상실하는 사례도 있다밸브의 구동조작의 방은 매우 다양하다 수동조작과 자동조작으로 대별되며 자동조작의 경우

구동부의 형식과 구동 동력원에 따라 다음과 같이 구분할 수 있다전기구동식(회전)[Gear Mechanism]-선형구동(Linear Motion)-90회전구동(Quarter Turn)유압구동식(전기모터-유압발생)[유압실린더]-선형구동(Linear Motion)-90회전구동Scotch Yoke공압구동식

-선형구동

-90회전구동Scotch Yoke-90회전구동Rack amp Pinion-Air Motor 구동방식

-Piston Type-Diaphragm Type42회(9812월호)밸브 사용상의 제한사항

밸브는 기능상의 요구사항으로써 차단용 밸브(Isolation Valves) 조절용

밸브(ModulatingThrottling Valves) 과압보호용 밸브(Pressure Relief Valves) 역류방지 밸브

(Non-Return Valves) 등이 계통에서 요구하는 제어기능을 적절히 수행하게 된다앞에서도 언급했듯이 특정 밸브는 특정 기능을 수행하도록 설계되어 있으나 일반적인 대부분의

밸브들은 차단 및 조절기능을 함께 수행할 수 있으므로 계통에서 요구하는 제어기능이 명확할 경우

사용상 또는 적용상의 제한사항이 뒤따른다 다음은 대표적인 각 밸브별로 사용상의 제한사항들을

요약한 것이다(1)차단기능의 밸브

1)게이트 밸브

최적의 설치조건은 수평 배관상에 스템이 수직으로 설치되어야 운전성 및 구조적 건전성이 높아진다 그렇지 않은 경우 수명이 짧아지고 분해 수리가 어렵다배관의 난류원인 피팅에 가깝게 설치하지 말아야 한다특별히 압력 밀봉식(Pressure Seal) 본네트 구조의 게이트 밸브는 필히 수평 배관에 본네트가

수직으로 위쪽에 설치되어야 한다단기간의 유량조절만 가능하므로 완전열림 완전닫힘의 밸브로 취급되어야 한다2)글로우브 밸브

앞의 게이트 밸브와 같은 방법으로 설치되어야 한다 오히려 게이트 밸브의 설치위치와 방향보다도 더

엄중하게 고려되어야 한다일반적으로 유체흐름 방향은 글로우브 밸브의 시트에서 디스크로 흐르는 상향식 흐름이나 진공라인의

경우에는 하향식 흐름으로 되어야 한다일반 화학공장에서 방폭지역 등급에 따른 경계에 밸브로 차단기능을 할 때는 상향식이나 하향식을

방재 방안에 맞춰 정해야 한다기타는 게이트 밸브와 유사하다3)버터플라이 밸브

설치는 스템이 배관라인에 수직이 되게 한다 수평배관에 설치되는 경우 스템이 경사지게 설치되면

과도한 토오크 및 토오크량 변화에 따른 진동이 유발될 수 있다배관의 엘보우나 펌프 토출측에 너무 가깝게 설치되어서는 안된다 적어도 배관직경의 6~10 배만큼

떨어져 설치되어야 한다유속이 빠른 계통에의 버터플라이 밸브 적용은 운전 토오크의 문제로 가급적 피한다4)볼 밸브

소프트 시트인 경우 사용온도는 200를 넘지 않도록 한다메탈시트인 경우 슬러지성 유체나 불순물이 많은 유체 계통에는 사용할 수 없다차단용 기능의 볼 밸브는 20 이하의 개도에서 유량조절을 할 수 있으나 장시간 사용해서는 안된다5)플러그 밸브

플러그 밸브의 경우 배관 작용력에 민감하게 작동 토오크가 변화되므로 고온 계통에서의 적용시에는

배관 및 배관지지대의 형상 및 구조를 참조하여 설치 위치를 정하거나 또는 플러그 밸브가 열하중에

민감한 점을 감안하여 밸브 종류를 재선성해야 한다계통 적용시 플러그 밸브는 보수 유지가 매우 어려운 점을 감안해야 한다6)다이아후램 밸브

낮은 압력에 낮은 온도의 유체에만 적용한다

8Prime(200mm)를 넘는 밸브에는 바람직하지 않다수평배관에 스템이 수직으로 설치되어야 한다(2)조절기능의 밸브

조절기능의 밸브는 계통의 운전조건에 따라 상당히 많은 사용상의 제한사항이 뒤따른다 거의

대부분의 조절기능의 밸브에서의 문제점은 계통의 차압(System Differential Pressure)과

밸브에서의 차압(Control Valve Differential Pressure)으로써 우선 집약된다즉 계통에서 요구되는 차압 P(요구된 P Assigned P)가 조절용 밸브를 포함한 실제 운전시의

차압 P(실제 P Actual P)간의 차이는 조절용 밸브의 잠재적 문제점을 가늠하는 척도가 될 수

있다밸브 종류별로 적용상의 차이는 있지만 실제 조절기능의 밸브의 근본적인 문제점과 사용상의

제한사항은 이들 P 의 차이에서 그 정도를 평가할 수 있다1)글로우브 밸브

가장 다양한 종류의 유체 제어 기능을 갖도록 되어 있는 밸브이기 때문에 직접적으로 유체 제어

기능을 수행하는 밸브트림의 선정에 주의해야 한다케비테이션이나 후라싱등의 현상은 밸브선정 데이터로부터 예측되므로 이러한 현상을 극복할 수

있도록 설계된 트림을 선정하거나 후라싱과 같은 경우에는 아예 후라싱 서비스용 밸브로써 장시간

운전될 수 있는 구조의 밸브로 선정한다수평배관에 스템이 위로하여 수직으로 밸브가 설치되어야 한다 조절용 글로우브 밸브는 대부분

타력식(Power Actuated)이기 때문에 설치방법이 적절하지 못할 경우에는 내부 밸브부품 트림접촉부위 시트부위는 물론 패킹의 수명까지도 단축시키는 경우가 매우 많다별도 항목의 제어밸브에서 트림형식별로 구체적인 사용상의 제한사항을 작성할 계획이다트림형식은 제작사 마다 고유의 기술이 접목되어 있으므로 이에 대한 평가는 유체제어 특성별 트림의

제어범위(Rangeability)별로 하여 단순비교하는 방법으로 할 계획이다2)버터플라이 밸브

일반적으로 개도 60~70에서 토오크의 변화가 크므로 버터플라이 밸브는 압력-온도 기준상 ANSI 300 이내에서 사용하도록 권장된다유량특성상 등비율특성(Equal Percentage)이므로 선형이나 급개형(Linear or Quick Opening)을

요구하는 계통제어에는 적합하지 않다정밀한 유량제어에 사용해서는 안된다난류원인 엘보우나 펌프토출측에 너무 가깝게 설치해서는 안된다 적어도 난류원으로부터 최소 6D이상 떨어진 배관라인에 설치해야 한다계통 특성상 케비테이션이 일어날 수 있는 조건의 경우라면 버터플라이 밸브의 적용은 피하도록

한다 이는 버터플라이 밸브가 전형적인 높은 압력회복(High Recovery Valve)을 하는 밸브이기

때문에 낮은 차압(P)하에서도 케비테이션을 일으킬 수 있기 때문이다3)볼 밸브

일반적으로 버터플라이 밸브와 거의 유사한 유체역학적 특징을 가진 밸브이다 저개도 운전시 유체

제어성이 특별히 떨어지기 때문에 정밀한 유량제어에 사용할 수 없다 특별히 편심구조의 반구형 볼

제어밸브(Eccentric Rotating PlugBall Control Valve)의 경우에는 슬러지성의 유체제어에

적합하나 고온 고압의 고에너지 유체계통의 적용은 곤란하다4)레귤레이터

레귤레이터는 프로세스에서 프로세스가 갖고 있는 물리적 양을 참조하면서 계통의 압력 온도 및

유량을 조절하는 밸브로서 급격하고 빈번한 물리적인 변화가 업삳면 비교적 값싸고 간단하게

믿을만한 제어효과를 가질수 있는 제어밸브이다통상적으로 밸브의 출구측(Downstream)의 압력이나 온도 또는 유량의 변화를 작은 제어관(Control Line)으로 직접 감지하여 입구측(Upstream)의 물리적량과 비교하여 설정하고자 하는 물리적량

(Setting Valve)의 변수를 밸브 자체의 스프링 값으로 제어하는 것이다 레귤레이터에 대한 구체적인

내용은 본 배관기술지 신년호를 통하여 별도 기고할 것이다레귤레이터의 구동구조는 열에 민감한 액체를 이용하여 계통의 온도제어 후로우트(Float)를 이용한

계통의 차단이나 수위 조절 기능 또는 급배기(Vent Drain)와 같은 계통의 안전기능 또는

레귤레이터의 다이아후램 구동장치에 직접적으로 작용하는 제어 목적의 계통압력(Process Fluid Acting on the Valve)등에 의해 작동된다 따라서 레귤레이터는 계통 적용상 상당한 제한사항이

뒤따른다감압밸브(Pressure Reducing Regulators)단동형 감압밸브(Single Stage Pressure Reducing Valve)는 유량변화가 큰 경우 최대

유량조건하에서 감압의 정밀도가 떨어짐으로 정밀한 감압의 효과를 얻기 위해서는 복동식 감압밸브

(Two Stage Pressure Reducing) 또는 파이롯트식 감압밸브를 사용한다복동식 감압밸브의 경우 사용 유체는 청결한 것이어야 한다 파이롯트 밸브의 노즐이 불순물에 의해

막힐 경우가 있기 때문이다 가급적 필터 내장형의 밸브로 선정한다단동형 감압밸브의 최대 제어 가능한 유량은 증기일 경우 500kgh 로 하고 보다 큰 용량이 필요한

경우에는 작은 제어관을 밸브내부에 설치하지 않고 밸브 출구측의 5D 거리에 따로 설치하여 이

제어관을 통한 출구측 제어압력이 다이아후램에 직접 연결되어 제어되도록 해야한다설치시 수평배관상에 스템이 수직으로 하여 설치하고 필히 과압보호용의 안전밸브나 릴리이프 밸브를

함께 설치하여야 한다 이때 과압보호용 밸브의 설정압력은 감압밸브의 설정치 보다 10~15 높은

압력으로 설정한다5)역류방지 밸브

〔스윙체크 밸브〕

스윙체크 밸브는 체크밸브 중에서 가장 압력손실이 낮은 밸브이기 때문에 밸브에서의 손실(P)에

너무 민감하게 밸브를 선정할 필요가 없다 즉 계통의 유량과 압력을 고려하여 과대하게 선정되지

않도록 주의해야 한다 과대하게 선정(Oversiging)되었을 경우 스윙이 완전히 개방위치에 있지 않고

계속 열림닫힘을 계속하게 되므로 마모로 인한 밸브 기능의 손상사례가 많다체크밸브 전단에는 엘보우등과 같은 난류원(Turbulance Source)이 일정한 간격을 유지하고 있어야

한다스윙체크 밸브의 전단에는 적어도 약 5D 이상의 직선관이 있어야 잠재적인 문제점을 사전 예방할 수

있다스윙체크 밸브는 수평배관상에는 디스크가 수직으로 설치되어야 한다계통의 유체흐름이 불균일한 경우에는 노즐체크 밸브와 같은 다른 체크밸브를 고려한다 체크밸브는

설치용 밸브의 기능을 수행할 수 없다가스공급 계통에서의 적용은 피하는 것이 좋다리프트 체크밸브(Lift Check Valve)유속이 낮은 드레인 계통과 같은 계통에서는 리프트 체크밸브의 선정은 적절치 않다

설치는 수평배관상에 피스톤이 수직으로 설치되어야 한다저에너지 계통에서는 압력손실이 비교적 많기 때문에 적용에 유의하여야 한다스프링식 리프트 체크밸브의 경우 가스와 같은 압축성 유체계통에 적용시에는 디스크의 채터링

현상이 야기될 수 있으므로 적용해서는 안된다깨끗한 유체계통에 적용된다 더러운 계통에의 적용시 불순물이 피스톤과 밸브의 가이드면에 끼어서

운전불능 상태에 빠질 수 있다〔틸팅 디스크 체크밸브(Tilting Disc Check Valve)〕리프트 체크밸브나 스윙체크밸브에 비하면 여러 가지 장점이 많은 밸브이나 보수측면에서 보면

현장에 설치되어 있는 상태로는 보수 또는 수리가 블가능한 밸브이다43회(991월호)밸브의 설치

1설치환경의 검토

밸브 제작社는 완성된 밸브를 정해진 규정 및 주문자의 요구에 따라 제반시험 및 검사를 시행한 후 적절한 방법으로 포장해서 설치장소로 운반한다 대부분 밸브의 설치장소는 그 환경이 청결하지

못하며 특히 신설되는 프로세스에 설치되는 경우에는 매우 불결한 환경에 놓이게 된다 일단 밸브의 설치에 앞서 모든 밸브는 입고검사를 시행한 후 창고 도는 임시 보관장소에 보관되는데 밸브의 입고 및 설치를 위한 사전 준비사항은 다음과 같은 절차와 방법으로 수행한다(1)입고검사

모든 밸브는 운반 중 또는 포장 해체시에 입었을지 모르는 손상을 확인해야 한다 아울러 밸브 종류별 밸브번호(Tag No)별로 구분하여 보관하고 사전 입수된 설치 및 보수절차서(Installation amp Maintenance Instruction)에 따라 필요한 조치를 한다스테인리스 밸브와 주강제 밸브는 일정한 간격을 두고 보관하도록 하며 밸브를 바닥에 직접

보관해서는 안된다 밸브는 적어도 바닥에서 6cm 이상 높은 파렛트 위에 보관해야 하며 통풍이 잘

되는 곳이어야 녹의 발생을 억제할 수 있다만약 손상된 밸브가 있다면 손상의 정도를 확인하여 제작자에게 알리는 등의 적절한 조치를 취한다 주요 확인 사항으로는 핸드휠이나 스템 축의 벤딩여부 스위치 등의 전장품의 훼손 여부 볼트 체결의

이완여부 및 누락여부 밸브노즐 보호카바 페인트의 손상여부 예비부품의 확인 등이다 특히

서비스용 밸브 패킹의 확인은 매우 중요하다(2)밸브 품질문서의 확인

밸브는 계통에 있어서 하나의 제어요소이자 압력유지 부품으로써 품질문서의 확인 및 관리는

필수적이다 밸브의 품질문서는 대략 다음과 같다수압검사성적서(Hydrostatic Shell amp Seat Test Certificate)재질증명서(Material Test Certificate)비파괴검사성적서(NDE Test Certificate)설치 및 보수메뉴얼(Installation Operation and Maintenance Instruction)이들 품질문서는 발주시 제시되었던 품질문서 요건과 비교하여 누락된 것이 없도록 한다(3)저장

저장은 앞서 간단히 언급한 바와 같이 비 바람 및 이에 따른 먼지 등의 비산에 의한 문제 발생을

최소화하기 위하여 실내로 하고 밸브의 양쪽 노즐 보호카바는 설치될 때까지 떼어내서는 안된다 제어밸브나 모터구동밸브와 같은 자동밸브들은 구동장치 및 관련 액세서리의 훼손 가능성이 높기

때문에 포장된 박스에서 꺼내어 보관하지 말고 가능한 한 원래의 포장상태로 보관하는 것이 안전하다(4)취급 및 설치준비

밸브의 무게가 30kg 이 넘는 밸브들은 가능한 한 밸브 몸통 아래에 나일론 줄을 대고 전체적인

밸런스를 맞춰가면서 밸브를 수직으로 하여 주의 깊게 취급한다일단 설치장소로 옮겨지면 밸브 양쪽 노즐의 보호카바를 제거하여 노즐의 상태를 필히 확인해야

한다 맞대기 용접(Butt Welding End)의 경우 노즐에서의 녹 발생여부와 함께 끝단의 찍힘 등

손상여부를 확인한다 녹이 발생된 노즐은 적절한 방법으로 녹을 제거해야 한다 녹 제거용 용재로는

아세톤이나 알코올이 사용될 수 있으나 염소 성분이나 불소 성분이 있는 용재는 절대 사용해서는

안된다(5)게이트밸브의 설치시 유의사항

게이트밸브의 설치는 게이트밸브가 양방향성의 흐름을 갖기 때문에 설치 방향의 문제는 없으나

다음의 조건하에서는 설치 방향을 필히 지켜야 한다밸브 디스크에 과압 릴리프 구멍이 뚫려 있는 경우에는 릴리프 구멍이 밸브의 유로 입구측이 된다밸브의 디스크(Wedge)는 완전히 잠근 후 배관에 설치해야 한다 디스크를 완전히 잠그지 않고

용접을 하거나 프렌지 체결을 할 경우 이물질이 시트사이에 끼기 쉽고 용접 연결의 경우 디스크가

비틀려질 염려가 있기 때문이다바이패스 밸브가 설치된 게이트밸브의 경우에는 설치 방향이 정해져 있기 때문에 유로 방향을 필히

확인해야 한다(6)글로브 밸브 설치시 유의사항

글로브 밸브는 유로의 방향성이 정해져 있으며 대개 디스크의 아래쪽에서 디스크의 윗부분으로

유로가 흐르는 상향식 유로 구조이다그러나 수동밸브라 할지라도 유체의 조건이 매우 가혹한 경우에는 하향식을 채택하는 경우도 있기

때문에 고에너지를 다루는 배관계통에의 글로브 밸브는 설치방향을 정확히 확인해야 한다또한 글로브 타입의 제어밸브의 경우에는 시스템 특성에 따라 유로 방향을 달리 적용하는 사례가

많다 예를 들어 후라싱(Flashing)이 발생할 수 있는 히터 드레인 계통(Heater Drain System)과

같은 경우에는 대부분 하향식 유로를 채택하고 있다글로브 밸브의 설치 또한 밸브 시팅구조의 손상을 방지하기 위하여 밸브 디스크를 완전히 잠근 다음

용접 등의 체결 작업을 해야 한다(7)체크밸브의 설치시 유의사항

체크밸브를 배관계에 설치하기 전에 설치위치 설치방향 및 유로 방향에 보다 많은 주의를 기울여야

한다(8)버터플라이 밸브의 설치시 유의사항

버터플라이 밸브는 개도 40~60 사이에 유로의 강도(유속 압력)에 따라 개폐의 토오크가 크게

변화한다 따라서 수동조작인 버터플라이 밸브의 운전시 급격히 유체의 힘에 의해 개폐가 될 수

있음으로 밸브조작을 레체트(Ratchet) 방식으로 하여 안전사고를 방지해야 한다 엘보우와 같이

난류원(Turbulent Source)이 있는 경우 버터플라이 밸브의 설치방향 특히 스템 방향이 밸브의

안전한 운전(진동이 증폭되지 않는)에 많은 영향을 준다 즉 엘보우가 만드는 평면과 밸브의 스템축이

일치하도록 설치해야 진동이 증폭되지 않고 만약 스템축이 일치하지 않을 경우에는 버터플라이

밸브의 디스크가 오히려 난류원의 진동을 증폭시킬 수 있기 때문이다아울러 버터플라이 밸브는 대부분 대형사이즈의 밸브이기 때문에 설치시 볼트의 토오크 관리가

일정해야 하고 배관설치시 일어날 수 있는 연결 프랜지의 평행도를 사전에 확인하여 볼트 토오크의

편심이 생기지 않도록 해야한다(9)볼 밸브의 설치시 유의사항

볼 밸브는 설치 위치에 큰 영향을 받지 않으나 가능한 스템축이 운전조작에 편리하도록 하고 조작

핸들이 상부로 되도록 한다 왜냐하면 비교적 높은 조작 토오크가 필요하고 볼 밸브의 취약부인

패킹부분으로 찌꺼기가 끼지 않기 때문이다소켓용접이나 맞대기 용접시에는 제작자의 설치메뉴얼에 따라 적절한 조치를 취한 다음 용접을

하도록 한다 이는 볼 밸브의 시팅구조를 보호하기 위함이다(10)플러그 밸브

전형적으로 플러그 밸브는 다른 밸브에 비하여 매우 높은 조작 토오크를 가진 밸브이다 윤활형

플러그 밸브(Lubricated Plug Valve)의 경우 플러그와 밸브 몸통과의 간격(Clearance)이 매우 적기

때문에 배관작용력(배관설치시 오프셋 발생 열팽창 영향등)이 이들을 바인딩하여 밸브 조작을 어렵게

할 수 있다 플러그 밸브의 핸들은 다른 밸브에 비해 상당히 크기 때문에 밸브 설치시 핸들의 조작

공간을 크게 잡아놓아야 한다2분해 및 조립

(1)밸브의 분해 및 점검을 위한 사전 점검

밸브를 점검하거나 보수를 위해 시행하는 사전 점검은 매우 중요한 일이다밸브를 분해하고 점검하는 것은 주어진 현장여건상 대부분 열악한 환경에 처해 있다 그러나 이러한

조건들을 치밀한 작업공정 계획과 작업준비로서 대처해 나가야 한다 분해작업 전에는 사전 준비로서

관련자료(특히 설치보수 매뉴얼의 사전 숙지는 필수임) 공기구 소요자재 등의 준비는 물론 다음에서

언급하는 절차에 따라 필요한 조치를 취한다특히 정비 및 점검항목 체크리스트를 사전에 준비하면 더욱 좋다 이렇게 하면 작업시 밸브의

점검요소는 물론 어느 계통의 어느 밸브까지 일목요연하게 할 수 있기 때문이다다음은 사전 점검 요소이다전회의 운전 및 정비기록을 검토

전회 정비시 주요한 문제점을 발췌 숙지

현장답사(Work Down)를 통한 작업장의 여건과 안전상태를 사전점검

현장답사 결과 작업루틴(작업 개소별 작업순서)을 작성

필요시 운전원의 의견을 참조하여 정비기록에 기입

밸브자재 사양과 기존 사양과 동일한가를 사전 점검

(2)분해 및 조립을 위한 사전 준비

사전준비로서 분해 조립을 위한 공간확보 공기구 준비 관련검토 자료의 숙지이다 관련 검토자료는

대략 다음과 같다 그러나 가장 중요한 것은 운전원에 의한 밸브의 문제점을 충분히 자세하게

청취하는 것이다검토 자료는 다음과 같다정비 요청서 또는 작업지시서(운전실rarr정비실)운전일지 등(필요시)밸브 이력카드

설치 및 보수 매뉴얼

설치도면(제작자 도면 및 배관 배치도면)

계통도

(3)밸브를 배관으로부터 분리

밸브를 배관에서 떼어내는 일은 일반적인 기계장치의 분해와 같이 일정한 원칙 하에 분리되어야 한다 분리원칙이라 함은 먼저 분리하기 전에 분해 여건(시간 공간 환경)을 확인하고 관련된 계통의 안전

여부를 필히 확인해야 한다이러한 분리 및 분해 여건이 거듭 확인된 후에는 다음의 절차에 따른다밸브를 계통과 분리하기 전에 최우선적으로 꼬리표를 부착한다꼬리표와 함께 밸브 보수메뉴얼을 준비한다꼬리표와 함께 보수 작업 공구 및 필요 소모품을 준비한다꼬리표와 함께 주변을 청결하게 준비한다인양장치 준비 후 점검한다각 볼트를 풀기 전에 체결 위치를 확인할 수 있도록 표식을 해둔다플랜지면 또는 본네트 커버와 밸브 몸통부에 표식을 해둔다볼트 등을 풀기 위해 WD-40 과 같은 침투유를 체결 나사부위에 충분히 살포해 둔다각 볼트 너트는 일단 느슨하게 풀어놓는다배관의 설치상태(배관지지대 위치 등)를 점검하고 배관이 당겨져 설치(Cold Pulling)되었는가를

볼트를 풀면서 확인 서서히 볼트체결을 풀어낸다완전히 볼트를 풀어내기 전 인양장치에 필요한 인양조치를 해둔다제어밸브와 같이 밸브내부 부품이 별도로 많은 경우 내부 부품을 들어내기 전에 기존 조립된 위치를

확인할 수 있도록 특정 부위에 표식을 한 후 인양장치로 내부 밸브를 분해한다플랜지 밸브의 볼트의 제거는 조금씩 제거하되 대각선 방향으로 양쪽 한 개씩의 볼트는 남겨 두어야

한다 그리고 밸브 하단에 지지물을 대고 필요한 인양조치를 취하여 나머지 볼트를 제거한 후

인양한다플랜지식 밸브의 경우 플랜지면의 쎄레이션을 점검하고 상태가 양호하면 쎄레이션 부위를 적절한

방법으로 보호 조치한다모든 분해된 부품들은 안전한 장소에 정리하여 보관한다(4)밸브몸통의 분해

밸브의 본체 분해는 앞서의 절차에 따라 밸브를 배관으로부터 분리한 후에 실시하거나 배관에 설치된

상태 하에서 밸브의 점검을 위하여 시행하는데 절차는 다음과 같다밸브 핸드휠 고정 너트를 푼 다음 그랜드 너트와 본네트를 밸브 몸통에서 분리한다분리된 본네트에서 스템을 제거한다 스템 제거시 파이프 렌치의 물림 위치는 스템의 백시트 아래쪽을

이용한다스템을 제거한 후에 패킹을 제거한다몸통내의 내부 밸브(Trim)들을 제거하기 위해 가스켓을 제거하고 주의 깊게 내부밸브 부품을 조립된

순서의 역순으로 제거한다44회(992월호)〔보수관리〕

모든 밸브는 본래의 기능을 제대로 발휘하기 위해서 구성 부품의 하나 하나가 구조적으로 충분한

강도를 유지하여야 함은 물론 마모나 마찰 또는 유체와의 상호작용 등 외부적인 역학 구조에서도

건전하여 운전의 신뢰성을 확보하여야 한다

따라서 밸브를 설계할 때 이러한 사항을 계산이나 경험 그리고 실증실험을 통하여 설계의 파라미터를

정하고 이 파라미터에 따라 밸브의 형상과 재질 그리고 유체흐름에 있어서 동적 정적인 유체의 힘에

대한 적절한 대책을 밸브 구조에 반영해야 하는 것이다 또한 이렇게 설계되어 제작된 밸브는

검사라는 행위를 통하여 설계 사양서 대로 제작되었는가 설계에서 요구된 기능들이 제대로 역할을

수행할 수 있는가를 검증한다 그러나 이러한 과정을 통하여 출하된 제품은 그 자체로 그 시간대에

완벽하다고 할 수 있으나 이들 밸브들을 설치한 배관 시스템에 있어서는 시스템 전체의 수명까지

보증되어 있지 않은 경우가 많으며 경우에 따라서 보증이 불필요한 경우도 많다 특히 밸브의

경우에는 사용환경이 매우 복잡하여 어떤 유체를 어느 압력 어느 온도에 사용하는 가에 따라서 밸브

자체는 물론 관련 시스템의 수명에 큰 영향을 받게 된다일례로 밸브의 사용 유체가 해수이고 사용온도의 범위가 10~20이며 설계압력이 20kg 유량이 6000kgHr 로서 밸브를 포함한 시스템의 수명기간이 40 년인 어떤 플랜트에 밸브가

설치되어 있다면 실제로 이 시스템에 설치된 모든 각각의 기기들이 40 년의 수명을 지킬 것이라고

보는 기술자는 아무도 없을 것이다주기적인 점검과 예방정비는 물론 적절한 보수를 통하여 수명을 지속시키는 것이다 따라서 밸브의

보수라는 것은 어떤 사고 또는 발생된 문제에 대한 백업(Back-up) 행위가 아니고 문제가 발생될

것이라는 예상 하에 필연적으로 예상되는 밸브의 노화에 대한 예방과 실제 발생된 문제에 대한 적절한

처리인 보수 행위가 있으며 이를 한데 합쳐서 밸브의 제반 성능 및 기능을 총체적으로 관리하는 것을

큰 의미의 보수 업무라고 할 수 있다다음 [그림 1]은 보수와 사이클을 설명하고 있다 [그림 1]에서와 같이 실제 제품은 충분한 강도를

갖고 제기능 및 성능을 유지하고 있지만 시간의 경과에 따라 부품이 열화되어 설계 Level 보다 더욱

내려와서 거기의 기능 유지에 필요한 최소한의 강도 한계가 되면 고장이 생기게 된다이 그림에서 보수를 언급하면 (Ⅰ)단계에서는 당연히 설계 Fiterscopes 레벨 위에 있기 때문에 성능이

유지되고 있으므로 특별한 보수 업무는 없다고 볼 수 있으나 기기의 상태를 확인하는 정도의 보수

업무는 계속된다 그 다음 어느 정도의 시간이 흐르면 (Ⅱ)영역에 이르게 되는데 이 영역은 예방보수

업무가 무엇보다도 중요한 시기로서 기기에 대한 어떠한 예방 보수가 취해지지 않으면 안되는

영역으로 사소한 게으름으로 인하여 큰 고장을 야기할 수 있다(Ⅲ)영역에 이르면 고장이 발생되며 따라서 긴급한 보수가 필요한 영역으로서 설비 전체가 정지 또는

제한 운전이 되며 경우에 따라서 계통을 분리하지 않으면 안되는 경우가 있음으로 이러한 지경에

이르지 않도록 (Ⅰ)(Ⅱ)단계의 업무는 매우 중요하다여기서 (Ⅲ)영역은 좁은 의미의 수리 또는 보수(補修)이고 (Ⅱ)영역을 포함하면 넓은 의미의 보수(補修)라 할 수 있다 (Ⅰ)의 영역은 단순히 점검이라고 할 수 있으나 (Ⅰ)(Ⅱ)(Ⅲ)영역 모두를 총칭하여 보수(保守) 또는 보전

(保全)이라고도 말한다다시 말하여 보수 업무의 목적은 기기가 필연적으로 진행되는 열화(또는 노화)와 확률적으로

발생하는 고장에 대비하여 기기를 설계 Level 이상으로 기능과 성능을 유지시키는 일로 요약할 수

있으며 영어로는 Maintenance 라고 부른다1밸브의 고장

각종 산업분야에서 프로세스의 가장 중요한 요소로서 사용되는 밸브는 산업의 고도화와 이에 따른

고신뢰성의 요구로 날로 그 기술이 발전되고 있다그러나 밸브 구조는 여타 다른 기계 장치와 달리 비교적 간단한 구조로 구성되어 있으나 직접적으로

압력을 받으며 사용목적에 따른 밸브기능을 완벽하게 수행해야 하므로 사용목적 기능 및 사용환경에

따라 그 종류가 매우 다양하며 중요부품은 매우 엄격한 해석 및 기능시험을 거쳐 설계 제작됨으로 가혹한 조건하에서 사용되거나 계통 운전상 최종 제어장치로 쓰이는 제어밸브등과 같은 경우에는

주문제작이 필수적이며 이에 따라 가격차이도 천차만별이다본고는 중요 프로세스에서 사용되는 비교적 고가 밸브의 고장 및 손상 원인 등을 고찰하여 봄으로서

밸브의 전반적인 보수 관리에 도움을 주기 위함이다 한 예로 일본의 발전소용 고온고압밸브의 전문

제작사인 오까노 밸브에서 최근 조사한 고온고압밸브의 제반 고장 상황은 다음과 같다 고장

발견시기는 시운전시 전체 고장건수의 약 36가 발견되는데 이것이 초기 고장에 해당한다 운전시의 고장이 실제 프로세스를 정지시킬 수 있는 건수는 비교적 적은 밸브 각 부위에서의 누설등이

대부분이다 따라서 고장 발견은 대다수가 정기 점검 또는 정지시가 약 절반이며 운전중의 고장

발견은 약 10~13 내외이다밸브 종류별 고장 발생률은 약 절반이 통상의 게이트 및 글로브 밸브이며 안전밸브도 약 20가 시트

누설등의 고장률을 기록했다 이외에 제어밸브에서도 게이트 밸브의 절반정도인 11~14의

고장률을 기록하였으며 우리들이 일반적으로 소홀히 관리하고 있는 체크밸브에서는 약 10의

고장률을 보였다 고장의 내용은 매우 다양하나 비내압부품(Non Pressure Retaining Parts)에서의

균열 파단 및 절손 내압부품간의 경제구역인 디스크 시트등의 육성 용접부(Hardfacing)에서의

균열 안전밸브 시트부위에서의 누설 모터 구동밸브의 구동장치 불량 밸브디스크의 개폐동작 불량 밸브본네트가스켓 누설등의 순서로 약 7~11를 점유하였으며 6 내외가 내부밸브에서의 침식 내부밸브 디스크 시트에서의 내부 누설 등이었다이외에 내압부품에서의 손상이 4 운전중 부품의 이완으로 인한 고장과 이상승압(Pressure Locking) 고온고착(Thermal Binding)현상이 약 35 내외를 차지하였다 여기서 특별한 것은

안전밸브를 제외하고 모든 밸브가 운전중 고장을 확인할 수 있는 그랜트 패킹에서의 누설등 외부누설

및 구동장치의 불량을 제외하고는 거의 대부분의 경우가 정기점검시에 발견되었다는 사실을 염두에

둘 필요가 있다 이상과 같이 밸브의 손상구조는 매우 다양하게 구성되어 있으며 의외로

비내압부품에서의 손상이 밸브의 동작불능을 야기하는 경우가 많다다음으로 밸브의 손상 메카니즘을 역학적 측면에서 손상현상을 고찰하여 보면 밸브의 1 차 기능인

유체수송의 제어기능을 수행하는 가운데 발생하는 유체역학적 불안정성으로 인한 케비테이션 과도한

소음 및 후라싱등으로 인한 점진적인 내부밸브 즉 트림의 손상과 밸브구조의 진동원인 제공 등을 들

수 있다아울러 2 차 기능으로 간주되는 밸브 자체의 구조적 안정성의 문제로 인한 구조적 취약성을 생각할 수

있는데 이중에서 특별히 우려되는 것은 1 차기능과 2 차기능이 함께 불안정하게 수행될 대 고장은

증폭되게 된다 이러한 경우는 프로세스를 시운전할 때 주로 발생하기 때문에 밸브에서의 초기

고장발생률은 상당히 높아지게 된다 이후에는 주로 1 차기능 또는 2 차기능의 취약으로 인한

우발고장이 목격되고 사용기간이 길어질수록 고장률은 증가하게 된다 본고에서는 밸브의 손상

메카니즘을 밸브 기능 및 밸브고장의 내용으로 구분하여 상호관계를 규명하여 봄으로써 밸브의

효율적인 선정과 밸브설계에서의 각 밸브 부품별 설계개선의 Weight Valve 를 제시하고 사용자에

있어서는 체계적이고 합리적인 보수방안의 아이디어를 제공하고자 한다2밸브의 손상 메카니즘

1)유체역학적 불안정

밸브에 있어서 유체역학적 불안정은 유체의 수송 및 제어과정 중에서 발생하는데 밸브의 구조와

직접적인 관련이 있다 밸브는 프로세스 배관에서 하나의 제어 요소로 볼 수 있는데 게이트 밸브와 같은 경우는 On-Off 제어

요소이고 글로브 밸브와 같은 경우는 연속제어가 가능한 요소로서 특히 제어밸브는 이러한 목적에

부합되도록 만든 밸브이다 유체수송에 있어서 On-off 목적으로만 사용되는 대표적 밸브인 게이트

밸브에서의 유체역학적 불안정성은 별도 항목에서 설명하고 여기서는 제어밸브의 유체역학적

제반현상을 설명함으로써 밸브의 1 차기능 문제를 다루기로 한다① 유체관로의 압력

밸브 사용에 있어서 중요한 설계 및 운전 포인트가 관로에서의 유체압력이다 프로세스 구성에 있어서

관로 압력의 변화는 피할 수 없으며 관로내 제반압력 손실요소의 존재로 인하여 프로세스의 동력은

원래보다 증가한다 그러나 이 압력손실 요소로서 가장 핵심적인 것이 밸브인데 제어밸브의 경우는

압력손실 요소로서가 아니라 압력제어 요소로서 밸브에서의 압력손실을 적절히 이용할 목적으로

사용된다 일반적으로 유체관로의 유량과 유체관로에서의 밸브 전후간의 압력손실량과의 관계는

압력손실량 즉 압력차의 제곱근에 비례한다그런데 여기서 유의할 사항은 압력차를 조정하여 유량을 제어하고자 할 때 과도한 유량의 제어는

압력차를 크게 하여 밸브에서의 유체흐름에 불안정을 초래한다 이 관계는 유체의 포화증기압에도

관계되므로 유체의 성질 및 온도가 가변요소로서 유체관로의 압력제어시 필히 검토할 사항이다 또한

밸브의 2 차 기능으로 보아 유체관로의 압력은 밸브의 크기를 결정하는 직접적 요인이 되는데 이

관계는 밸브 선정시 가장 먼저 검토하는 압력온도기준(PressureTemperature Rating)으로 가장

일반적으로 사용되는 기준은 ASMEANSI B 1634 로서 1996 년도 판이 가장 최근 판이다 1 차

기능의 수행과정중 가장 빈번하게 발생되는 손상구조는 압력제어시 밸브에서의 압력 손실량이 매우

커서 밸브교축부의 압력이 유체의 포화 증기압보다 내려갔다가 밸브 후단에서 다시 회복되는

과정에서 생기는 케비테이션(Cavitation)이다이 케비테이션은 순간적으로 기포를 생성하고 다시 압력회복시 붕괴되는 과정에서 매우 큰 충격압을

밸브트림에 가하게 됨으로써 트림구조의 케비테이션 손상을 일으키고 아울러 정도의 차이는 있지만

경우에 따라서 심한 소음과 진동을 유발시켜 밸브의 구동부까지 손상시키는 경우가 있으므로 매우

유의하여야 할 사항이다 발전소에서 복수기로 방출되는 히터 배수 계통의 제어밸브는 상대적 진공인

복수기로 유체가 방출됨으로써 밸브 후단에서 유체의 압력이 회복되지 않고 기포상태로 밸브를

운전하게 되는 경우도 있는데 이는 후라싱으로 표현된다 이 경우에도 케비테이션과 마찬가지로

트림구조를 침식 손상시키는데 케비테이션에 의한 트림의 침식손상이 곰보형태인 것에 비해 아주

매끄러운 침식 손상면을 갖고 있다 밸브의 케비테이션 및 후라싱을 구체적으로 설명하면 다음과 같다② 제어밸브의 Cavitation 및 Flashing제어밸브에서의 케비테이션 및 후라싱은 유체가 교축점을 지날 때 유속과 압력의 관계에 의하여

생기는 현상으로 설계 또는 운전시 주의해야 할 사항이다[그림 2]에서 보는 바와 같이 교축점(VCVena Contracta)에서 유체의 증기압 이하로 압력이

떨어지면 유체내에서 기포가 형성되는데 이것을 1단계 케비테이션이라고 한다 물론 유속은

증가한다 이 교축점을 지나면 유체내의 마찰로 인하여 유속도 점차 감소하고 아울러 압력은 증가하여

압력회복이 이뤄진다 그리고 이사이 기생성된 기포는 붕괴되거나 폭발되어 소음과 진동을

일으키면서 케비테이션 현상은 종료된다 이것을 2단계 케비테이션이라 한다이 현상의 특징은 유체내에 기포가 존재치 않는 상태에서 교축점을 중심으로 유속과 압력의 에너지

교환 과정중 생긴 기포의 생성과 소멸로서 밸브 입구에서의 유체 상태는 과냉상태(Sub-Cooled

Condition주어진 압력하에서 포화 온도보다 낮은 상태)로 되어 있어야 하며 만약 포화 상태의

유체가 흐른다면 출구측에서 계속 기포가 잔류하게 되어 후라싱 상태로 될 수 있다따라서 밸브 출구측의 압력은 증기압 이상으로 되어있어야만 케비테이션이 발생할 수 있다 케비테이션 현상은 기포의 생성 소멸이 짧은 시간동안 지속적으로 일어나면서 밸브에 소음 진동은

물론 밸브 트림에 침식을 일으킨다 이 기포의 생성 소멸의 압력 충격파는 매우 크고(as high as 100000psi) 또한 순간적이며 지속적으로 밸브 금속면에 충격을 가하여 피로 현상을 일으키고 결국

그 부분이 침식을 일으키는 것이다 지금 1단계 케비테이션 현상이 밸브 출구측으로 계속 진행된다면 이를 케비테이션과 구분하여 후라싱이라 한다후라싱은 압력이 유체의 증기압 이하로 계속 유지되면서 유속은 크게 증가되어 있는 현상이다 후라싱이 생기는 원인은 밸브 입구의 유체상태가 과냉 상태이거나 포화상태로서 교축점을 지나면서

더욱 기포가 생성되고 유속이 증가되어 압력 또한 포화 압력이하로 유지됨으로 인한다후라싱은 유체입자를 고속으로 관로면에 충돌시킴으로써 꼭 Sand Blasting 을 한 것처럼 매끄러운

표면을 만드나 계속적으로 진행되면 관로 두께가 얇아지고 결국 손상을 입게된다이러한 케비테이션과 후라싱 현상의 발생 과정중 교축점에서의 비체적은 기포의 생성으로 인하여

증가하게 되는데 만약 교축점에서의 유체 속도보다 비체적의 증가 속도가 크거나 이 점에서

액체기포의 2 상 유체 상태로 그 속도가 음속에 다다르게 되면 케비테이션 또는 후라싱과는 다른

현상이 일어나는데 이를 초크흐름(Choked Flow)이라 한다즉 밸브가 열려 있는데도 유체가 순간적으로 흐르지 않고 간헐적으로 큰 진동 또는 소음을 발생하면서

흐르게 된다그러나 이론적으로 유체의 초크현상은 명확히 규명되어 있지 않다 제어 밸브에 있어서

케비테이션은 밸브 트림을 마멸시키고 큰 소음을 일으킨다③ 유체관로의 유량

어떤 프로세스에 있어서 유량의 제어는 곧 밸브에서의 압력손실량의 정도 즉 압력차를 조절하는 것과

직접적인 관계가 있다 원활한 밸브의 운전은 유량과 압력조절이 자연스럽고 부드럽다는 것이나

압력차를 제어함으로 유량의 다소에 관계없이 유량조절이 된다는 것은 아니다왜냐하면 유체관로의 경제유속을 무시하고 많은 유량이 필요하다고 유체를 고속을 흘려보낼 수는

없으므로 경제유속의 범위 내에서 밸브를 운전해야 한다배관의 부식침식을 고려한 결제 유속은 최대 10msec 정도로 제한되며 트림을 정기교환

보수부품으로 할 경우에도 약 1000psi(71bar)의 차압발생시 50msec 이내이어야 한다 따라서

유량의 문제는 밸브 자체의 크기결정 즉 트림의 크기 결정에 유효하고 압력손실량을 제어하는

요소인 트림의 형상 및 특성에는 2 차적으로 영향을 주게된다 유체 관로의 유량과 밸브간 차압과의

관계는 다음의 식으로 물리적 의미를 음미할 수 있다Cv = 117KQ(GP)05단 P = Pu-Pd Pdgt05Pu Plt05PuQ = 유량(hour)G = 액체의 비중(무차원)P = 밸브간 차압(kg)K = 밸브 트림 및 밸브 형상에 따른 상수(무차원)④ 유체의 온도

유체의 온도는 밸브 적용에 있어 매우 중요한 설계 파라메타일 뿐더러 밸브 운전에 있어 케비테이션

또는 후라싱의 경계 및 한계를 정하는데 중요한 요소이다 아울러 밸브의 구조를 결정하는데 직접적인

영향을 주는 인자로서 특히 고온고압밸브의 경우 내압부 및 밸브 구성부분의 비연속성에 따른 열천이

(굽힘 성분의 모멘트를 발생시킴)로 인한 열응력을 발생시킴으로 이 관계를

주의하여 설계제작 되어야 한다45회(993월호)2)유체흐름의 불균일로 인한 밸브의 진동

유체가 밸브를 통과할 때는 불규칙한 내부형상 또는 유로에 장애물이 있어서 난류(Turbalance)의

발생이 필연적이다 이때 난류는 일정한 주기의 진동을 유발하게 된다 가장 간단한 예로서 게이트

밸브에서 디스크가 중간개도에 있을 경우 와류발생(Vortex Shedding)에 의한 진동이 유발되는데 그

관계는 STROUHAL Number 로 표시되는 관계식에서 알 수 있다 즉S = VofD여기서 S = STROUHAL No로서 Reynolds 수에 관계하고 대략 그 범위는 016~022 를 갖는다f = 와류발생에 의한 유체 유발 진동수

Vo = 입구에서의 평균속도(ftsec)D = 특성 간섭거리(Characteristic Dimension)그러나 이 관계식의 실제 적용 시에는 매우 조심해야 하며 이 식의 결과는 측정치에 대한 자료관리

측면에서 해석적 경향을 파악하는데 유효하며 측정치가 없는 경우의 진동해석에는 무리가 있음을

밝혀둔다특히 버터플라이 밸브 및 볼 밸브와 같은 경우는 밸브개도의 정도에 따라 밸브 및 배관계통에

유발시키는 와류진동(Voltex Vibration)이 밸브 구동부품의 손상을 가져오는 경우도 있는데 버터플라이 밸브는 밸브개도 70 내외에서 볼 밸브는 80 내외에서 가장 큰 진폭의 진동이

유발되므로 개도 조절에 유의해야 한다 무게중심이 높은 대형 전동구동밸브나 다이아후램 구동

제어밸브와 같은 Heavy Top Work 밸브의 경우 밸브 구동부의 요크 강성도가 충분하지 못한 즉 고유진동수가 적은 밸브일 가능성이 높으며 이 고유진동수와 유체흐름의 불균일로 인한 진동의 공진

발생으로 구동부가 손상된 사례가 있다이와 같은 경우에는 구동부를 추가로 지지하던가 요크의 강성도를 높이기 위해 보강하는 게 좋다 그러나 이는 어디까지나 운전시의 진동측정 결과에 기초해야 한다3)유체천이에 의한 밸브의 진동프로세스 계통이 고에너지의 유체를 수송한다면 밸브등 각 제어요소의

운전이 어떤 사고 또는 노화로 인해 제어 불능일 경우가 생긴다또한 펌프계의 불시 정지등으로 인한 수격현상등 유체천이에 의한 유체의 관성에너지가 불균형해져

배관계에 진동을 유발하고 심한 경우 배관의 파단이나 기기 손상까지도 유발하게 된다 한 예로

발전소에 있어서 터빈을 지나온 증기는 보일러 급수를 가열하기 위해 각 히터를 거치는데 이때

히터에서 응출된 증기는 어느 일정 수위가 넘으면 즉시 복수기로 By-Pass 하게 된다이 히터 드레인 제어밸브는 히터의 수위가 정상치보다 높으면 밸브를 영어 복수기로 물을 방출해

수위를 조절하는데 이때 상대적 진공인 복수기와 일정 압력의 히터간 차압은 겨의 밸브 운전압력

정도로 크기 때문에 대부분이 후라싱 서비스 목적으로 밸브를 운전한다이 제어밸브는 복수기에 근접하게 설치되는데 이는 토출측의 배관에서 생기는 후라싱의 악영향을

줄이기 위함이다 그런데 만약 히터에서 제어밸브 사이의 배관이 긴 경우 특히 일직선의 배관이 긴

경우에는 제어밸브를 통한 방출유량 만큼 관로속의 유체는 방출 순간 유체흐름의 관성에너지

불균형으로 진동을 유발하는데 배관계의 지지가 대부분 진동 효과를 고려하지 않는 배관의 자중과열

팽창만을 고려하기 때문에 이러한 비정상적인 운전시 배관계의 격심한 진동과 이에 따른 밸브구조의

구조적 취약으로 인해 제어밸브의 요크 부위가 파단되는 경우가 적지 않다 특히 [그림 1]과 같이

관로의 방향쪽으로 진동 가속도가 크게 작용하는 진동이 있을 경우 밸브 구동부의 무게중심(관로

중심에서 L 만큼 떨어져 있음)에서의 가속도는 0 이므로 순간적으로 밸브 요크에 전단력 및 굽힘

모멘트를 발생시켜 결국 파단에 이르게 한다여기서M = 제어밸브의 총 질량(mL)EI = 제어밸브의 Yoke StiffnessL = 관로 중심선과 밸브 무게중심과의 거리

m = 요크의 등분포 질량

밸브에 있어서 운동에너지는

T = intLO m(x)[Φ(x)Y(t)]2 dxthere4[T=05MY(t)2 그리고 Y(xt)=Φ(x)Y(t)]여기서 Φ(x)는 계의 모양을 나타내는 함수로서 Φ(L)=1 로 한다밸브의 운동모형을

Φ(x)=1-Cos πx2L 라고 하면

Y(xt)=Φ(x)Y(t) = Y(t)(1-Cos πx2L)또한 밸브계의 총 질량 M은

M = intLO m(x)Φ2(x) dx+mL = mintLO(1-Cos πx2L)2 dx+mL = mL2π(5π-8)밸브의 Stiffness K는

K = intLO EI(x)[Φ(x)]2 dx = intLO EI(π2L)4 Cos2 πx2L dx = π4EI32L3밸브 요크에서 Damping 이 없다고 가정하면 밸브에 작용하는 유효하중은

Mu + KU = Feff(t)여기에서 U = Y(t)-Yg(t)로서 상대운동 방정식

그리고

Feff(t) = intLO Peff(xt)Φ(x)상대운동 방정식

그리고

-mLag(t)Feff(t) = intLO -mag(t) 0(x) dxPeff(xt) = mag(t)따라서

-mLag(t)이를 풀면

Feff(t) = 11M ag(t)가 된다따라서 밸브에 작용하는 유효하중은 밸브가 부착된 배관계의 진동 가속도에 직접적으로 영향을

받으며 무게중심에서 상대운동(Relative Motion)에서 응답변위 U 를 구할 수 있어 밸브 요크에서의

응력상태를 평가할 수 있다또한 Feff(t)는 고전적 수격해석방법(물론 실제 상황과는 많은 오차가 있으나 진동 특성의 상대적

평가 분석에는 유효함)으로 밸브 전후단의 압력차에 의한 속도 변화량(V)를 구해 관성에너지 즉 밸브에 생기는 유효하중을 계산하여 밸브 구동부에서의 진동 가속도 및 진폭을 상대 평가할 수 있다 그러나 모든 진동현상이 매우 복잡하게 발생되므로 앞서와 같은 해석적 평가는 진동 특성의 경향

파악에 유효하고 실제적인 방법은 실험적 방법인 실제 진동 특성을 측정하여 평가해야 할 것이다4)이상승압 및 이상고온 현상에 의한 게이트 밸브의 개폐불능

이상승압(Pressure Locking)과 이상고온에 의한 게이트 밸브의 개폐불능(Thermal Binding)은

대체적으로 게이트 밸브와 같이 비교적 큰 공동(Cavity)을 가진 밸브에서 발생되는 현상이다[그림 2]와 같이 게이트 밸브에서 유체를 차단할 때 본네트의 공동부에 있는 액체도 유로와 격리되는

상태로 되면 본네트 공동부에 액체가 남아있게 된다이 액체가 배관계통의 재 가동으로 점차 열을 받게 되면 체적팽창을 하여 B 부분의 압력 상승으로 밸브

디스크가 개폐 불능상태에 이르게 된다 액체의 체적팽창에 따른 승압정도는 [그림 3]을 참조한다 이

그래프에서 보는 바와 같이 (B)부분에 액체가 약 30 있고 20에서 510로 가열되는 경우

본네트 공동부 압력은 590 기압 정도로 상승하게 되어 밸브를 열 수 없게 된다이상 승압이 되는 원인은 직접적인 것으로 본네트 공동부에 액체가 잔류하기 때문인데 이는 밸브

설치문제와 직접 관련된다배관계통에 게이트 밸브를 설치할 때는 가능한 한 수평배관에 밸브 스템이 수직이 되도록 설치한다 그러나 이때 밸브 디스크 하부의 공동부가 클 경우 같은 문제가 발생될 여지가 있으나 본네트

공동부에 비하면 상대적으로 적으며 밸브를 여는데 큰 지장이 없으므로 문제삼지 않는다특히 증기 수송용 수직배관에 수평으로 설치된 게이트 밸브일 경우 본네트 공동부내에 응축된 액체가

잔류할 가능성이 높으며 가동시 쉽게 가열될 수 있어 이상승압 발생의 가능성이 높다그러나 현재 게이트 밸브 응용은 디스크를 입구측 배관 압력에 의한 씰(Seal) 방식을 택하고 있기

때문에 쉽게 일어나지는 않지만 보일러 수증기 배관 고압 히터 입출구 배관 급수조절 제어밸브

출구배관 보일러 순환펌프의 입구배관 기타 고온의 주요 배관계통 게이트 밸브의 경우는 이상승압에

대한 대책을 세워야 한다이상승압이 되어 밸브가 열리지 않으면 모터 구동밸브의 경우 모터의 과부하로 소손될 염려가 있으며 유압잭 같은 기구로써 강제로 밸브를 열고자 할 때는 디스크와 스템의 연결부위가 절손되므로

유의해야 한다 이상고온 현상에 의한 Thermal Binding 은 고온배관의 게이트 밸브에서 발생되는

현상으로서 특히 쐐기형 디스크에서 발생되기 쉽다즉 고온상태에서 밸브 몸체는 열 팽창으로 디스크가 쉽게 닫힐 수 있는데 이를 조정하고 제한하는

것이 모터 구동밸브에 널리 쓰이는 토오크 스위치로서 이미 열팽창 되어있는 몸체에는 상온상태에

비해 보다 많은 디스크가 시트에 삽입된 후 정지하게 된다이후 다시 상온으로 되면 밸브몸체는 열 수축되어 디스크를 구속하게 되므로 개폐불능 상태에 이르게

된다 이와 같이 이상승압은 게이트 밸브가 고온상태에서 디스크를 닫고 상온에 이르렀다가 다시

계통이 운전되어 디스크를 열려고 할 때 생기며 이상고온 현상에 의한 Thermal Binding 역시

고온상태에서 디스크를 닫았다가 상온상태에서 열려고 할 때 일어나는 현상으로 발전소의 중요

배관계통과 같은 곳에서의 이러한 현상 발생은 매우 심각한 경제적 손실을 야기시킨다5)모터구동 밸브의 모터구동 장치 고장원인

모터의 소손을 포함한 모터구동 장치의 고장은 프로세스 배관계통의 제어 및 유체 수송을 방해해

플랜트 전체에 심각한 문제를 야기시키는 경우를 종종 경험했을 것이다 모터구동 밸브의 구동장치

고장원인은 다음과 같이 네가지로 대별할 수 있다① 토오크 스위치 설정에 관한 문제

토오크 스위치 설정이 부적절하여 Thermal Binding 시와 같이 디스크가 과도하게 시트내에 삽입되는

것을 방지하지 못하거나 과도한 백시팅 힘으로 인해 스템의 불연속부에 과도한 응력분포를 갖게할 수

있으며 정도가 심할 경우 모터 소손에까지 이르게 된다마찬가지로 토오크 스위치 설정이 불균형하거나 기계적 손상을 입었을 경우에도 이와 같은 현상이

생길 수 있으며 만약 토오크 스위치 조작범위가 너무 근접했을 경우 토오크 스위치 관성상

제어상태가 불안정해 위험하다② 밸브 몸체에 관한 문제

백시팅 상태의 불량 스템 마모 또는 스템 너트 마모로 인한 강성 부족으로 생긴 스템의 변형 디스크

마모로 인한 정격 스템의 운동량 초과(Wear Travel) 스템 마모 또는 부적절한 패킹재로 인한 누설과

이를 조치하기 위한 과도한 패킹압력 및 스템의 윤활이 부적절한 경우이다실제적으로 스템의 마모 또는 패킹재료의 탄력성 결여로 인한 누설은 결국 과도한 패킹압력으로 임시

조치될 수 있으나 이에 따라 모터에 과부하가 발생하고 소위 헌팅(Hunting)과 같은 불안정한 동작을

하게 됨으로써 디 tm 크의 개폐불능 또는 스템 변형을 초래하여 점차 악화되어 간다 이러한 문제로

스템과 패킹력과의 역학적 관계는 물론 패킹재료 개선등의 많은 연구가 현재 선진국에서 활발히

진행되고 있다③ 구동 구조에 관한 문제

구동장치의 노화 또는 부적절한 보수로서 스템 너트 웜 베어링의 풀림 웜 기어구조 즉 피니언 및

웜의 마모로 인한 손상과 윤활상태의 노화나 불량으로 인해 기능의 약화 또는 상실에까지 이르게 된다④ 밸브 계통에 관한 문제

배관계통으로부터 야기되는 제반현상 즉 배관계통의 진동 또는 구동부 지지의 부적절 등으로 인해

불안정한 상태가 계속될 때에는 밸브 구동부의 수명을 단축시키고 손상을 유발하게 되므로 모터

구동밸브와 같이 큰 구동부를 갖는 배관계는 밸브 전후에 진동을 억제시키고 밸브 구조를 건전하게

하는 배관 지지대를 설치한다46회(998월호)밸브 보수 및 엔지니어링

밸브는 프로세스 시스템의 제어 요소로써 시스템의 운전조건에 따라 적절한 기능을 수행하여야 한다 우선 구조적으로 튼튼하여 어떠한 높은 압력이나 온도 또는 극저온의 극한 조건하에서도 제어의

구조적 안정성을 확보하여야 하고 제어기능에 있어서도 내외부 누설이나 시스템 추종의 건전한

제어가 확보되어야 한다 이러한 기능들 즉 프로세스 운전 중 지속적으로 유지 관리되기 위한 제반

활동을 밸브보수라 하고 밸브보수를 보다 과학적으로 프로세스 시스템의 운전조건에 맞도록 하는

기술적인 평가와 판단을 밸브보수 엔지니어링이라고 한다 실질적으로 밸브보수 엔지니어링은

제어요소인 밸브가 제 기능을 상실했거나 상실될 우려가 있는 경우 시스템의 제반 조건중 압력 온도

및 유량(유속) 조건을 밸브의 제어기능을 중심으로 분석하는 것이다 아울러 기계적인 불안정

운전요인이 현상으로 나타나는 경우에는 밸브의 제어기능 이외에도 밸브를 포함한 배관 프로세스

시스템 전체도 아울러 해석할 필요가 있다다음의 예는 발전소 주 급수제어 밸브의 스템 절손사고에 대한 프로세스 운전 조건과 밸브 설계의

제반 측면을 검토한 것으로써 밸브를 보수하기 이전에 왜 문제점이 생겼는가를 분석 평가한 후

시스템의 운전 조건에 맞도록 밸브를 개선하는 과정을 설명한다밸브 보수 엔지니어링의 첫 번째는 우선 보수의 목적이나 문제된 밸브의 분석 목적을 정해야 한다 급수 제어밸브의 스템 절손 사고는 먼저 급수 제어 밸브 자체의 구조 및 설계 개념을 파악하고 급수

계통의 프로세스 운전 특성을 파악하는 것이다 밸브 구조 및 설계 개념과 프로세스 운전 특성을

검토한 후에는 다음과 같은 사항들을 중점 분석할 필요가 있다

밸브의 선정은 프로세스 운전 특성에 부합되는가

밸브의 동적 운전 특성이 프로세스 운전특성에 비추어 충분한 구조적 강도를 갖고 있는가

밸브의 구동부 선정은 프로세스 운전 특성 및 밸브 트림 특성상 충분한 힘을 갖고 있으며 제어성은

건전한가

밸브의 형식 및 프로세스 배관계통의 설계가 프로세스 운전 특성에 비추어 적절히 설계되었는가

밸브 스템의 구조적 강도는 충분한가

위의 사항은 급수 제어밸브의 스템이 절손(밸브 스템과 플러그의 연결부)된 사항에 대한 분석 평가

내용으로 스템이나 플러그 연결부의 구조적 강도에 대한 보강의 목적 또는 프로세스 시스템상의

개선여부를 판단하는 것이다 이를 위해서 프로세스 시스템에 대한 계통구성 및 설계조건 그리고 운전조건을 우선 구체적으로

파악하는 것이다 확인이 필요한 분석자료는 [표 1]과 같다이들 분석자료에 의하여 밸브의 주된 문제점인 스템의 절손 사고에 대한 착안사항으로 밸브의

유량계수 선정과 밸브의 개도는 적절한지 확인해야 한다 또한 밸브 구동부의 선정에서 구동 공기압의

크기 및 안전성인 구동부 스프링의 강성도(다이아후램의 적정 운전 공기압 및 초기 압축량등) 스템

운전 스트로크 거리 패킹의 재질 및 패킹의 조임력과 밸브 입출구의 압력에 대한 밸브 트림의 구조적

안정성을 확인할 필요가 있다아울러 밸브 구동부의 진동 및 프로세스 시스템의 기기 공진에 대한 검토로 진동으로 인한 피로

파괴를 검토한다이는 플러그의 강성도가 스템의 강성도에 비하여 상대적으로 매우 높기 때문에

진동이 있을 경우 피로파괴의 확률은 매우 높아진다 다음으로 배관 설계의 적합성을 검토하는

것으로 배관 배치가 고에너지의 계통특성에 비추어 유체천이에 의한 힘의 과도한 불균형이 발생될

여지가 있는가를 확인하여 이를 밸브 손상원인의 한 요인으로 검토하는 것이다 아울러 밸브 형식에

대한 검토도 중요한 착안사항의 하나이다다음은 밸브 보수 엔지니어링의 한 예를 구체적으로 보여주고 있다1블로우다운 앵글 밸브 개선을 위한 밸브엔지니어링의 예제

(1)개요블로우다운 밸브는 통상적으로 압력과 온도가 높은 포화수를 압력이 낮은 후레쉬 탱크로 방출하는데

사용되는 밸브로써 발전소와 같이 고온고압의 응축수를 효과적으로 이용하는데 쓰인다 예를 들어

증기발생기의 블로우다운은 정상 운전시에는 증기발생기의 수질관리를 위하여 약 1 정도의 일정한

양을 취출한다 아울러 복수기내의 누설이나 증기발생기내의 누설이 예상될 때는 최대 3까지의

블로우다운을 실시한다 블로우다운된 고온 고압의 포화수는 후레쉬 탱크에서 응축수와 증기로

분리되고 증기의 경우에는 급수 히터의 가열 열원으로 응축수는 다시 복수기로 회수 되도록 되어

있다운전조건의 검토

입구압력 856psia출구압력 17psia온도 523F정상운전유량 40gpm최대운전유량 18800lbhour요약된 데이터는 [by2]와 같다(2)밸브 몸통의 선정

(가)밸브 몸통의 온도-압력 등급 ANSI B1634 에 따라 밸브의 온도-압력 등급은 600이나 가혹한

운전상황 임을 감안하여 ANSI 1500로 한다(나)밸브 몸통의 재질 선택

극심한 후라싱을 고려하여 밸브 몸통의 재질은 A217-WC9(F22)인 크롬-몰리브덴의 합금강으로

선택한다 (다)밸브 몸통의 크기 선정

25Prime(65A)의 밸브로 하고 재질이 WC9(F22)이기 때문에 밸브의 연결단은 버트용접(맞대기 용접)으로

한다 밸브의 입구측은 25Prime이고 출구측은 연결배관에 일치하며 후라싱의 강도를 저감할 수 있도록

3Prime(80A)로 한다(라)밸브의 몸통 형태

밸브의 몸통 형태는 블로우다운 용도에 가장 적합한 앵글 글로브 밸브로 한다(마)기존 밸브의 침식 문제점 분석

패킹박스 내부가 부식으로 인하여 손상

패킹박스 내부는 패킹이 장착된 이후 장기간동안 패킹교체가 없었던 것으로 판단되며 아울러 이

밸브는 설치 이후 지금까지 고온의 물이 장시간 스며들어 있으면서 부식을 진전시킨 것으로 판단한다시트부위의 크랙

시트부위는 일단 스텔라이트로 하드페이싱된 것으로 판단 계통 조건상 극심한 후라싱이 발생하는

조건임으로 고에너지의 유체 흐름과 더불어 약 270의 고온이 하드페이싱 용접부의 취약부분인

열영향지역(HAZ Heat Affect Zone)에 반복 열피로(온도가 높아졌다가 낮아지는 경우 열변형의

반복 작용으로 피로가 누적되며 이로 인하여 크랙이 발생할 수 있음)로 인하여 크랙이 발생된 것으로

판단된다 특히 스텔라이트 하드페이싱의 경우 통상적으로 Stelite 6 을 많이 사용하나 이 Stelite 6 은 용접성이 나빠 크랙을 일으키기 쉬운 텅스텐이 약 1 포함되어 용접에 주의하여야 한다 Stelite 12 또는 21 을 사용하면 용접 효과가 보다 나아진다1999 년 9월호 알파와 오메가

(마)기존 밸브의 침식 문제점 분석

밸브 출구 부위의 침식부식은 후라싱에 의한 침식으로 판단된다 후라싱의 강도는 후라싱의 속도가

100msec임을 감안하면 그 강도의 크기를 예상할 수 있다 일반적으로 후라싱이 생기는 시스템의 경우 출구 유속이 고속이므로 일부 액체상태의 액적(Droplet)들이 고속의 증기와 함께 밸브의 하부 출구면에 충돌하기 때문에 이러한 후라싱에 의한 밸브 하부면의

침식은 계산상으로도 충분히 예상된다 미국 전력기술연구소(EPRI)에서 1990 년에 발전소용 밸브 적용지침서로 발간한 연구보고서 NP-6516(Research Project 2233-5) ldquo Guide for the App-lication and Use of Valves in Power Plantrdquo의 Appendix C1 Control Valve Sizing Methods and Example 에 의하면 일반적인 밸브일

경우의 속도제한은 다음과 같이 규정하고 있다 액체상태일 경우 초당 50 피트(15미터) 기체상태일

경우 마하 10 까지 허용 액체와 기체의 혼합 유체(2-Phase Flow) 초당 500 피트(150미터)후라싱에 의한 2 상 유체의 제어가 필수적이고 밸브 포트의 출구로부터 지속적인 기화가 일어나는

조건임으로 밸브 출구에서의 유속제한은 초당 500 피트를 넘지 않도록 강력히 권고하고 있다 따라서 본 시스템에 있어서도 밸브의 출구측 바로 확관을 하여 유속의 500 피트 이하로 제한하고

있으나 침식에 의한 밸브 몸통의 감육을 피할 수 없음으로 상기 연구보고서에서는 밸브 재질을 크롬-몰리브덴 합금강으로 하고 트림에 스텔라이트를 육성 용접하도록 하고 있다

따라서 후라싱이 예상되는 밸브에 있어서 밸브 출구 유속의 검토는 절대적이며 아울러 후라싱 비율을

계산하여 침식의 강도를 예상하고 이를 기준으로 예방정비의 참고자료로 활용하여야 할 것이다후라싱 유체의 유속 및 후라싱 비율을 계산하는 방법은 다음과 같다 보다 자세한 것은 붙임의 물 증기 혼합유체 배관의 침식예측 계산서를 참조한다밸브 출구에서의 압력이 포화증기압보다 같거나 낮을 경우 유체의 일부 또는 전부는 기화되어 증기

상태로 된다 이렇게 어는 액체에서 후라싱이 발생할 때 다음의 식은 후라싱 속도를 계산하는 식으로

활용할 수 있다V = (04A)[(1-Xp100)Vf2 + (Xp100)Vg2]w유체가 물일 경우

V = (20A)[(1-Xp100)Vf2 + (Xp100)Vg2]q여기서 V = 유속 (ftsec)w = 유체(액상) 유량 (lbhr)q = 밸브 입구에서의 유체(액상) 유량 (gpm)A = 적용 유로면적(in2)Vf2 = 출구압력에서의 액체의 포화 비체적(ft3lb)Vg2 = 출구압력에 있어서 기포의 포화 비체적(ft3lb)Xp = 후라싱 비율()= 100(hf1-hf2)(hfg2)hf1 = 입구온도에 있어서 포화액체의 엔탈피(Btulb)hf2 = 출구온도에 있어서 포화액체의 엔탈피(Btulb)hfg2 = 출구압력에 있어서 증발 엔탈피(Btulb)

밸브 출구에 연결된 엘보우에서의 침식은 상기 (3)에 의한 영향으로 침식이 된 것으로 판단한다스템의 습동부에서 부식은 밸브 몸통이 탄소강(A105)인 경우 스템의 재질이 통상 13Cr(SS 410)임을

알 수 있다 SS410 재질은 마르텐사이트 스테인레스 강으로써 장시간 운전하지 않을 경우 흑연계통의 패킹재와 친화력으로 인하여 점식(Pitting)의 발생이 용이한 것으로 알려져 있다(Ref ldquoTest of Asbestos-Free ltGraphitegt Stem Packing for Valves for Elevated Tempera-ture Servicerdquo Aug 1986 R-ockwell Intrdquo) 따라서 이러한 이유에 의해서 점식이 진행된 것으로

판단된다3)트림의 구조

밸브에 있어서 트림은 가급적출구 흐름의 축선상에서 유입된 유체가 상호 충돌하면서 압력 손실이

많이 생기도록 트림을 설계하여야 하며 또한 유량도 정밀하게 제어할 수 있도록 하여야 한다 여기서 트림재질 40047 SST 는 케이지 및 디스크를 SS420QT 소재로 하고 스템은 SS431QT 을

사용함을 말한다 아래 표는 앞서의 운전 데이터를 사용하여 밸브 선정을 계산한 결과이다밸브 몸통 크기에 따른 밸브

출구속도 후라싱 비율 및 출구압력 계산결과 요약 후라싱의 속도는 85~131 msec 로써 가혹한

조건이며 참고로 후라싱율(증기로 되는 비율)은 대략 31로 추정된다 즉 31의 증기는 기체상태로 고속으로 나머지 70의 물로 밸브의 트림부에 지속적으로 충돌하는

것임으로 마모는 피할 수 없다

따라서 고속의 유체가 흐르는 지점에 벤츄리를 설치하고 이 벤츄리는 내마모성이 탁월한

스텔라이트로 한다 벤츄리를 지난 다음에는 유로 면적을 점진적으로 증가시켜 후라싱의 효과를

극대화 하도록 한다 따라서 블로우다운용의 앵글밸브의 출구단은 일반적인 밸브에 비하여 약 2 배의

길이를 갖는다7밸브의 구매

가 밸브의 구매 기술 사양서

밸브의 구매사양은 구매에 따른 행정적인 사항인 발주자와 수주 대상자간의 상거래 조건 을 정하고

있는 일반적인 계약 외에 구매물품의 기능 및 품질을 정하고 있는 기술 사양으로 구분된다 밸브의 구매에 따른 기술사양은 발주자의 밸브사용 목적에 맞는 즉 설비의 한 구성품목으로서 설비의

운용목적에 적합한 기능을 갖도록 강도 측면에서 충분히 강하고 요구되는 설비 운전기간 동안

건전하게 운전하며 운전 및 보수에 편리하도록 발주자가 수주 대상자에게 요구하는 밸브의 총체적

설계 및 기술시방서로 볼 수 있다따라서 밸브의 구매사양에 있어서 기술사양은 밸브의 기능 및 품질을 정하는 계약이다 기술사양서의

작성은 산업의 발달과 관련 기술의 진전에 따라서 날로 고도화되어 가고 있으며 사용자의 입장에서

보면 높은 신뢰성과 보수정비의 용이성 및 자동화가 가능한 방향으로 작성되기 때문에 경우에

따라서는 밸브 제작사의 기술을 선도하기도 한다밸브의 기술사양서는 밸브의 기능 및 품질에 관련되는 내용을 상세하게 기술한다 단지 기술시방

내용이 국가 표준 규격이나 공인 기관의 표준 또는 규격서와 같을 경우에는 관련 표준 또는

규격으로써 가늠할 수 있다 그러나 밸브의 기능상 성격을 특징 지울 수 있는 부분과 특정 재료를 사용하고자 할 때는 표준규격에

포함된 사항이라도 별도로 기술하는 것이 바람직하다밸브의 기술사양서는 수주자가 제공해야만 하는 업무의 책임한계를 먼저 정하고 기술사양서에서

사용되는 용어 및 약어를 미리 정해두고 다음으로 적용하고자 하는 국가 공업규격이나 산업표준을

정하는 것이 좋다 이러한 표준규격들은 관련 밸브의 최소한의 요구사항을 빠짐없이 정한 것이고 이미 경험과 실증으로

밸브의 성능이 확인되었다고 볼 수 있기 때문이다 그러나 이것은 어디까지나 최소한의 요구사항이기 때문에 추가의 요구사항 즉 사용하고자 하는

목적과 사용유체의 특성 및 제어관계 등은 표준규격으로는 만족시킬 수 없는 것이 대부분이어서

추가로 기술하여야 한다또한 책임의 한계를 정할 때 중요한 것은 기술사양의 해석시 상호간의 의무 및 준수사항과 협의사항

그리고 밸브제작사의 선택 사항을 명확히 하는 어휘를 미리 정하여 기술하는 것이 편리하다 아울러 기술사양서의 내용 중 표준규격의 내용과 본 사양서의 내용간에 어떤 차이가 있을 수 있기

때문에 이에 대한 대비책으로서 이들 상반되는 또는 이해하기 곤란한 사항에 대한 적용 순위를

정해두는 것도 편리하다사실 미국의 Rockwell Valve 나 Dresser Valve 사와 같은 선진 밸브회사의 경우는 밸브회사

자체에서 준비하고 있는 밸브 표준 사양서를 밸브 발주자(주문자)가 적극적으로 활용하는 사례도

있는데 이는 주문자가 밸브회사의 기술과 신용을 사는 좋은 예이다다음으로 밸브 품질에 대한 요구사항과 수주자가 밸브를 설계 제작 납품까지 지켜야 할 사항과 검사

항목을 정한다 물론 수주자가 밸브를 제작하기 앞서 발주자의 승인 또는 참고용으로 제출해야 할 밸브의 전반적

성격을 보여주는 조립도 등의 설계관련 도서와 품질관련 서류 등도 기술하여 추후 계약 후 또는 발주

관리시 발생할 수 있는 문제들에 대하여 효과적으로 이용할 수 있는 계약이 된다기술사양서의 본론이라고 할 수 있는 설계요구사항은 밸브의 사용목적 및 운전방법에 부합되도록

밸브의 각 구성부품의 가공방법 형태 재료 조립방법 열처리 방법 도장방법 및 현장 설치시를

고려한 밸브 악세사리 등의 형태를 각 항목별로 기술한다 이 항목은 밸브의 기능 및 품질을 정하는 실질적인 기술시방으로서 전문적인 기술이 필요하다 실제로

밸브의 구매 사양서를 작성하는 부서는 설비의 설계를 담당하는 부서 또는 전문 구매 부서가 되지만 다양한 품목의 구매사양과 신기술의 추세등을 감안한 신기술사양의 작성에는 기술적으로 제한 받고

있는 것이 현실이다예를 들면 밸브의 사용목적에 적합하지 않은 사양을 작성하는 경우가 대표적인 사례로서 대규모

엔지니어링 회사의 구매사양을 내용이 좋다고 그대로 복제하여 쓰는 경우가 이에 속한다 밸브의 사용목적은 배관 계통의 운전 모드가 다양할 뿐만 아니라 사용 유체의 물리화학적 특성이 매우

다양함을 고려할 때 구매사양의 밸브 재질구조압력등급패킹형식 및 재질밸브 구성 방식 등 이루 말할

수 없이 다양하다 따라서 밸브의 기술사양서를 사용목적에 맞도록 작성하기 위해서는 밸브 응용 기술자의 역할이

중요하다 하겠다

이 기술시방 다음에는 밸브의 취급 운반 포장 저장 및 밸브 표식을 설비의 운용목적과 설치현장

여건에 맞도록 기술하고 아울러 밸브의 가공 조립 및 완성품에 대한 비파괴 검사 사항과 수압시험 내

누설시험 기능시험 및 최종 세척방법과 도장방법에 대하여 기술한다 한 예로 미국석유공업협회(API)의 게이트 밸브에 대한 기준서 API STD 600 의 경우는 수동 게이트

밸브의 좋은 구매 기술사양서를 볼 수 있다 이 기술사양서의 내용을 개조식으로 개괄하면 대략

다음과 같은 내용이 포함되어 있어야 할 것이다 1999 년 10월호 알파와 오메가

나 밸브 설계도면의 검토

배관 계통의 설계과정에서 설계자는 밸브 선정을 통상 밸브 제작자의 카다로그상의 조립도로 밸브의

설계특징을 파악하고 대부분 이를 통하여 적용하고자 하는 밸브를 정한다일반적으로 호칭 4Prime이상의 밸브는 공업규격 또는 산업규격으로서 밸브의 양 끝단 노즐간의 치수가

정해져 있지만 2Prime이하의 밸브는 양 끝단 노즐간의 치수가 제작사 표준으로 정해져 있기 때문에

배관계통의 상세설계시 제작사의 카다로그등을 참고해야 된다그러나 카다로그나 또는 참고용으로 제출 받은 밸브의 설계도면은 다음과 같은 사항들을 사용하고자

하는 계통의 목적과 함께 검토한다각 밸브의 부품별 재료규격

접속단의 구체적 형상

프랜지형평면프랜지 R-aised Type 프랜지 링 죠인트형 프랜지

용접형접속될 파이프의 용접단 형상과 합치여부 용접가능성등

소켓형소켓의 깊이

나사 체결형

핸들부의 높이와 핸들간의 직경 특히 볼 밸브나 프러그 밸브일 경우에는 핸들부의 크기(회전반경)을 운전 편이성 측면으로 검토

스터핑 박스의 깊이 및 크기를 검토

밸브의 유로 내경(Port S-ize)를 접속되는 파이프의 내경과 비교하여 가능한 90이상 될 것(예 배관의 내경 2Prime일 때 유로내경은 18Prime이상 일 것)

가능한 한 밸브의 무게 및 무게 중심은 배관응력 해석시에 필수 입력 Data임

밸브의 유량계수

유로 방향의 표시

현장 설치 또는 보수시 용접 작업이 필요할 때 밸브의 디스크 또는 프러그의 위치

밸브의 누설 등급(제어밸브인 경우)

패킹의 재료는 필히 비석면계열의 패킹일 것

사용 패킹 및 가스켓의 종류(제작사 포함) 및 형태

체크밸브의 경우 최소 흐름 속도

스템과 디스크(시트)의 재질 및 경도

하드페이싱(Hard Facing)육성 용접부의 열처리 방법

스템 재질에 따른 열처리 방법

최소 운전 개도(유량 제어용 밸브)다음은 상기 사항을 기준으로 승인용 밸브설계 도면을 검토하는 체크리스트이다 우선 밸브도면 번호

및 도면명이 맞는가를 확인하고 설계(제도) 년월일 및 승인 여부와 밸브의 크기 및 압력-온도 기준을

확인한다 그리고 다음의 순서로 검토해 나간다(1)도면번호는 정확한가 (조립도와 부품도의 도면 번호 관계)(2)도면 명(부품표 포함)은 올바른가(3)문자는 명료하고 오자는 없는가(4)단위 축척 제도 년월일 도면의 크기는 적당한가(5)온도 압력 유체종류 등 사용조건의 표시는 정확한가

(6)검사 압력의 표시는 정확하며 압력시험의 유체는 표시되었는가(7)주요치수는 올바르게 표시되었는가(8)압력 유지부의 트림재질은 올바르게 전부 표시되었는가(9)제조 번호는 기입되었는가

(10)기존의 조립도(승인도)가 있는가(있다면 이하 항목의 검토는 불필요함)(11)신규 설계도면인가 또는 기존 설계도면을 수정했는가(12)치수선치수의 표시는 정확한가

(13)단면도 투영도는 정확한가(14)상세도는 적절히 도시되었는가

(15)필요한 치수는 모두 기입되었는가(16)감합부(Fitting)의 상관 치수는 적절한가(17)제작 및 조립에 따른 공차는 적절한가(18)볼트의 길이는 충분히 여유가 있는가(19)밸브 트림 및 스터핑 박스등의 표면 가공 정밀도는 충분히 높은가 표면 거칠기의 표시는

적절한가(20)정확한 제도기호를 사용하였는가

(21)현장설치시를 고려한 현장용 치수를 계산할 필요는 없는가(22)용접부의 용접크기 및 표시로 적절한가(23)스템 몸통 및 트림등에 13 Cr 를 사용하였는가(24)13Cr 를 사용한 재질에 경도 표시는 되었는가(25)열처리에 관련한 절차서 및 그 기호를 도면에 표시하였는가(26)제작근거인 Code 표시는 되었는가상기 내용 중 밸브의 실질적 성능을 나타내는 밸브의 크기 사용유체의 압력 온도 유량과 같은

중요한 데이터는 밸브의 데이터 시트로 처리하고 상기 내용을 기준으로 하는 보조 주문용 Sheet 를

작성하여 각 밸브별로 관리하면 매우 유용한 밸브의 발주 설치 운전 및 예방정비의 기초자료가 된다

더욱이 널리 보급되어 있는 개인용 컴퓨터(PC)를 이용하여 운전 중 배관설비의 기초 데이터

베이스로서 배관계통의 운전상황 및 특성들과 결부시켜 활용하면 배관계통의 원활한 관리에 많은

도움을 줄 것이다 1999 년 11월호 알파와 오메가

나 밸브 설계도면의 검토

밸브의 설계 엔지니어링 그리고 구매 행위에 있어서 고려하고 검토하여야 할 사항은 다음과 같은

것들이 있다 물론 밸브의 사용상 특성 또는 구매자의 기술력 정도에 따라 이러한 구매 프로세스를 따를 수는

없지만 기본적으로 밸브 구매의 효율적인 구매를 위해서는 밸브가 기술 제품인 이상 밸브엔지니어링의 질에 따라 밸브 구매의 효율성이 크게 영향을 받는다 따라서 적어도 밸브 엔지니어링 측면에서는 아래의 사항들을 숙지해 둘 필요가 있다 밸브 구매자와

밸브 제조자는 프로젝트 수행 엔지니어에게 밸브 제품의 기술 요구사항 이나 제출문서에 대한

중복되거나 소모적인 노력이 가해지지 않도록 구매 절차를 간소화하여야 한다구매자는 가능한 한 빨리 밸브 제작사를 프로젝트 초기에 선정하여 제작사와 함께 밸브 엔지니어링

역무를 수행하여야 좋은 엔지니어링 결과를 얻을 수 있다 이러한 과정을 거치게 되면 기존의

전통적인 견적요청 및 가격 평가에 소요되는 비효율적인 낭비(인력 등)요소를 절감할 수 있다가능한 한 선정된 밸브제작자의 표준 생산제품을 적용할 수 있도록 엔지니어링 조직과 긴밀한 공동

밸브 엔지니어링 역무를 수행한다 특수 밸브 제품의 경우 표준 제품과 같이 엔지니어링을 수행하되 보다 구체적인 사양결정과 일관된 구매사양을 추가 개발하여야 한다도장작업과 같은 경우에는 필수적으로 제작자의 표준 작업기준을 적용하여야 한다 구매자가

요구하는 특수한 도장 작업은 오히려 밸브에 나쁜 영향을 줄 수 있으며 또한 밸브가격 상승의

직접적인 요인이 된다제출문서의 경우 이 역시 밸브제작사의 표준 규정과 서식 양식을 가능한 한 최대로 이용하도록 한다 제품도면 재료증명서 시험성적서 품질계획 밸브 제품사양서 계산서 사용자 유지 보수 매뉴얼

등을 밸브제작자의 표준으로 한다 또한 전자 카다로그 등 가능한 모든 제출서류를 전자 데이터(Electronic Data) 하도록 유도한다 밸브

제작사의 밸브 선정 프로그램이나 절차를 사전에 검토하여 타당성이 입증되면 별도의 자체 계산서

없이 제작사의 선정 도구를 사용한다밸브 구매의 양이 상당할 경우 밸브엔지니어링 단계에서는 제작자의 엔지니어가 프로젝트

엔지니어링팀에 일정기간 참여하여 함께 밸브의 선정작업을 수행하도록 한다 특별히 제어밸브의

경우 실질적인 구매 발주는 다른 연관된 엔지니어링이나 프로세스 데이터가 완전 확정될 때까지

가능한 한 늦게 발주서를 발행한다 이것은 제어밸브가 직접적으로 시스템 프로세스의 데이터에 민감하게 작용하기 때문이다 밸브제품의

일반적인 검사는 제작자의 전적인 책임이므로 구매자는 오직 특수한 경우에만 입회검사를 수행하도록

한다일반적인 입회검사는 최대한 줄인다 다음의 구매 프로세스는 세계최대의 석유화학업체인 셀(Shell) 가 제시하고 있는 것으로 밸브 구매절차의 좋은 예가 될 것이다(1)밸브제작자의 선정(Vendor Selection)

밸브제작사의 선정은 가급적 프로젝트의 상세설계 단계에 들어가기 전에 한다 선정의 기준은

프로젝트의 요구사항과 밸브 구매량에 따라 결정된다 고전적인 구매방법에서 밸브 제작자의 선정은 상세설계가 상당히 진행된 다음에 선정되기 때문에

제작자에 의한 싼 원가의 표준제품 등의 선정이 어렵고 프로세스 데이터에 전적으로 의존되는 밸브를

요구하기 때문에 고가의 특수사양(밸브제작자 측면)의 밸브가 채택될 가능성이 많아 전체적인 공사비

증가와 더불어 전체 시스템의 성능 효율이 저하될 수 있다(2) 기본 밸브엔지니어링 요구사항(Basic Engineering Requirements)

밸브 제작자의 선정이 완료되면 구매자는 제작자에게 다음과 같은 기술자료를 제공한다 밸브에 대한

기본 설계 및 기술자료(Basic amp Enginee-ring Practices) 유체시스템(배관) 엔지니어링 자료

(Process Engineering Flow Schemes) 배관자재 사양서(Piping Specification) 계측제어 및 계장

엔지니어링 자료(Instrument Enginee-ring Database)(3) 사전 기술사양 협의(Pre-Engineering-Identification of Specials)

구매자와 밸브제작자는 앞서의 기본 밸브엔지니어링 요구사항 들에 대하여 함께 연구 하여

표준제품의 채택과 표준제품 외의 특수사양 밸브를 정리한다 가급적 특수사양의 밸브를 프로세스

시스템 측면과 함께 검토하여 표준제품으로 될 수 있도록 한다 이 과정에서 프로세스 시스템의 일부 데이터 및 설계 기준이 달라질 수 있다 앞의 과정에서 계속 특수

사양의 밸브로 될 경우에는 별도의 시험 및 검사 그리고 추가의 엔지니어링 요구 그리고 납기의

문제를 합리적으로 결정한다제어밸브나 안전밸브의 경우에는 전산 코드화된 제작자의 밸브 선정 프로그램을 구매측

엔지니어링팀과 함께 공유하여 이 프로그램에 따라 업무를 진행함이 효과적이다(4) 프로세스 및 기계사양의 결정(Process and Mechanical Data Frozen)

전체적인 프로젝트 일정에 근거하여 밸브에 대한 상세 기술역무 구매 및 제작의 최후 의 시작점

(Latest Starting Date)을 결정한다 이 시점에서는 프로세스 및 기계사양이 결정되어 있음으로 구매자와 제작자는 이들 기술사양에 대한

정기적인 협의를 가지는 것이 좋다 이러한 과정을 통하여 특수사양에 대한 기술적인 판단을 재

검토할 수 있을 것이다(5) 밸브 예비 선정(Pre-Sizing Confirmed)

앞서의 (4)항 결과에 따라 밸브를 예비 선정한다 특별히 프로세스 데이터와 밀접한 관계를 갖는

제어밸브나 안전밸브와 같은 경우에는 구매자와 제작자가 함께 밸브의 법 적요건(Requirement of Regularities)과 예상되는 문제점(소음 케비테이션 트림의 특성 밸브 운전제어 특성 등)을

검토하여 확정한다(6) 사양서 개요 작성 및 이해(Outline Specification)

구매자는 이 단계에서 사양서를 작성하여 밸브 제작자에게 제공한다 이 단계에서 제공되는 밸브의

사양은 상호 데이터베이스로 유지 관리된다 프로세스 데이터의 변경이 없는 한 밸브의 선정과 선정 데이터의 관리는 제작자가 수행한다 이때부터

밸브의 데이터는 정식 관리 유지되어야 한다(7) 밸브 크기 결정 및 선정(Sizing amp Selection)

제어밸브와 안전밸브 그리고 계산근거가 필요한 자동밸브의 경우 이 단계에서 최종의 크기 및

사양결정을 한다 모든 밸브는 이 단계에서 선정계산서 기술사양서 설치 및 보수 유지에 필요한 제품의 각 중요부분의

치수와 상세도가 기입된 제품 승인도를 구매자에게 제출한다 (8) 제품 기술사양서의 검토(Review of Technical Specification)

구매자의 엔지니어링팀은 제출된 기술사양에 대하여 구체적으로 기술 검토를 수행한다 검토결과는

기술적인 측면과 계약 행정적인 측면으로 나누어 원 발주자 구매자 및 관련 조직에 배포된다 이

과정에서 밸브제품에 대한 사양 변경이 검토된다 (9) 구매자에 의한 제품 기술사양 승인(Technical Appro-val by Contractor)

제품에 대한 기술사양 들이 승인된 다음에는 제작자는 최종의 계약을 하기 위하여 최종 기술사양서 계산서 및 도면을 제출한다(10) 계약 및 원 발주자에 의한 업체 검토(Commercial A-pproval amp Commercial Che-ck by Principal)

가계약을 하기 위하여 관련 입찰서류에 대하여 검토를 한다(11) 사양 확정 및 제작지시서 발행(Freeze Scope and Release for Manufacturing)

원 발주자에 의하여 계약자 승인이 되면 구매자는 제작자에게 제작지시서를 발급한다 이 단계부터는

제품 사양의 변경 또는 개정이 일어나서는 안된다 (12) 정식 구매 요구(Requi-sition for Purchase)

제작지시서를 발급한 다음에 구매계약을 체결한다 구매계약서는 최종의 제품 기술사 양서와

구매자가 요구하는 일반적인 상거래 요구사항으로 구성되어 있다(13) 제작 및 프로젝트 관리(Manufacturing Period and Project Management)

주요 프로젝트에 있어서 공급자 문서의 관리나 업무 추진의 효율성을 갖기 위해서 구 매자와 제작자는

주기적으로 만나 제작 일정 및 이에 따른 문제점을 논의한다 이러한 과정을 통하여 제작자는 구매자

프로젝트 팀의 일원으로서 밸브 납기의 중요성을 다시 금 인식하게 된다(14) 시험 검사 및 인증(Test Inspection and Certification)

제작자는 제품의 자체 검사 절차서를 작성하고 이는 구매자의 품질요구서에서 요구하 는 검사계획에

따라서 작성되어야 한다 구매자의 입회 시험검사는 그 범위를 집중적으로 정하여 불필요한 인력

낭비가 없도록 한다각종 시험 검사에 대한 인증서는 제작자의 표준서식에 따라 계약에 의거 제시된다 이상의 구매절차는

제품의 기술적인 측면을 강조한 것이며 이외의 밸브 구매 시 꼭 지켜져야 할 최소한의 구매

품질요건은 다음과 같은 사항들이 구체화되고 문서화 되어야 한다 1999 년 12월호 알파와 오메가

8 제어밸브

81 제어밸브 개요

(1)서론

프로세스 플랜트에 있어서 자동제어밸브는 유체의 제반 물리적량을 직접 제어한다는 점에서

프로세스에 있어서 매우 중요한 역할을 수행하고 있다 자동제어밸브는 본래의 계통에 대한 통합

자동제어의 목적뿐만 아니라 프로세스 플랜트의 잠재적 이상 운전에 대한 안전운전의 목적으로

사용되는 경우도 매우 많다 이러한 자동제어밸브는 밸브의 형식 및 구조에 따라 다양한 형태의 밸브 종류가 사용되고 있으며 산업기술의 급격한 발달과 컴퓨터를 이용한 고급 제어기술의 실용화 적용 등 날로 복잡해지고 고에너지화 되어가고 있는 프로세스 플랜트 제어기술의 용도 및 목적에 부합하는 가장 적합한

제어밸브를 선정하기란 매우 어려운 엔지니어링 업무의 하나이다 자동제어밸브의 선정에 있어서 단순히 밸브만의 선정을 고려한다면 이는 분명 잘못된 일이 된다 제어밸브의 선정은 실질적으로 유체를 제어하는 밸브뿐만 아니라 밸브를 포함하는 전체 시스템

전반을 이해하는 시스템 해석이 전제되지 않고는 밸브의 제어성 안전성 경제성 등의 여러 면에서

만족할만한 결과를 얻을 수 없다 또한 밸브를 적절히 선정하고 운전한다 하여도 적정한 밸브의 유지 보수관리가 뒤따르지 않는다면

자동제어밸브는 본래의 기능을 수행할 수 없게 된다든가 또는 프로세스의 안전 운전을 해칠 수도

있다 이 책은 앞서의 자동제어밸브의 범위가 너무 광범위하기 때문에 특정한 동력원이 필요로 하는

자동제어밸브로써 이 시스템 제어의 입력 제어신호가 전기전자식으로 출력되고 이 제어신호를 받아

밸브로 하여금 시스템을 자동제어 할 수 있는 밸브에 국한하여 lsquo자동제어밸브rsquo라 하고 이에 대한

기술적인 사항을 기술하는 것이다 따라서 이 책에서 언급하고 있는 모든 자동제어밸브는 자력식밸브(Self Regulating Valves) 들인

안전밸브 감압밸브 후로우트밸브 등이 아닌 진정한 의미에서 밸브를 통한 시스템 제어의 특성을

원격에서 한 데 모아 집중적으로 관리 제어할 수 있는 제어밸브를 뜻한다 이 책에서는 자동제어밸브에 대한 종합적인 엔지니어링 즉 밸브의 구조와 대표적인 관련 시스템의

유형에 대한 기술적인 접근은 물론 자동제어밸브에 관련한 이론적인 측면보다는 실제 활용할 수 있는

공학적인 측면을 강조하는 자동제어밸브의 공학서로 활용할 수 있도록 실질적인 제작사 자료(주로

미국의 콥스발칸자료를 중심으로)와 필자의 경험을 시스템측면에서 기술하고 대표적인 제어밸브의

관련 규정 및 코드를 우리 수준에 맞도록 재편집하여 보았다 아울러 이 책을 통하여 우리나라의 제어밸브 기술이 미국 일본 독일 등의 선진국 기술의 틀 안에서

벗어나는 큰 계기가 되기를 바랄 뿐이다 또한 이 책은 제어밸브의 적용대상 밸브 형식 중에서 주로

글로우브밸브를 중심으로 작성되었다 글로우브밸브 이외의 형식의 제어밸브에 대하여는 간단히 소개하는 수준으로 작성되었음을 양해하여

주기를 바란다 (2)제어밸브 선정시의 고려사항

제어밸브의 선정은 프로세스의 운전조건과 제어 로직 제어계통의 안전조치(긴급시의 운전정지 계통

안전 차단 등) 그리고 프로세스를 구성하고 있는 유체의 성상을 반영하여 선정한다자동제어밸브가 시스템의 제어목적에 완전하게 부합하기 위해서는 밸브 자체의 사양결정뿐만 아니라 밸브에 작용 가능한 모든 조건을 충분히 검토하여 밸브 및 시스템 설계에 적용하고 아울러 운전자

능력을 포함하는 제어시스템의 운용체계까지를 함께 고려하여야 한다 이러한 관점에서

자동제어밸브를 선정하는데 꼭 점검해야 될 사항으로는 다음과 같다대상 프로세스의 확인

운전목적과 운전상태의 확인

-응답성

-프로세스의 특성

-유체의 운전조건

-유체의 성상 및 특성

-시스템에 있어서 밸브의 중요성 및 요구되는 신뢰성

-적용 법규

-밸브의 운전 범위성(Ran-geability)-밸브에서의 발생 차압과 그 특성

-설계 최대차압(체절압력 Shut-off Pressure)-시트누설의 정도(Seat Lea-kage Rate)-안전모드 운전(Fail Safe Mode)-밸브의 작동방법

-밸브의 작동환경

-밸브에서의 소음 규제 범위

-밸브의 방폭 특성

-제어입력 신호의 특성

-밸브 구동 동력원

-배관 사양

-블록밸브 바이패스 밸브

-밸브의 보수성

-경제성

(3)대상프로세스의 확인

자동제어밸브 및 관련 배관 기기 기타 밸브를 포함하는 프로세스 시스템 특성의 전반적인 이해와

파악이 필요하며 프로세스의 운전 목적 및 환경을 파악함으로써 자동제어밸브의 중요성 정도를

확인하여 둔다또한 프로세스의 안전에 관련한 제어계통에서의 밸브의 기능을 각 프로세스 시스템의 모듈별로

이해한다 이 확인에는 프로세스 자체의 기동 정지 및 긴급시의 안전조치 모드 등이 포함된다 이 확인 작업에는 기본 설계서로 분류될 수 있는 시스템 에너지 밸런싱 계산서(Process Flow Balancing Calculation Sheets or Diagramor Balance of Plant) 또는 배관 및 계장 계통도

(Piping amp Instrument Diagram)가 주로 이용된다(4)운전목적과 운전상태의 확인

자동제어밸브의 운전목적을 파악한다는 것은 프로세스 시스템의 운전모드를 이해한다는 것으로써 유체의 흐름 온도 압력의 제어 프로세스의 운전변수에 대응하여 유체를 능동적으로 제어하는 일 유체 흐름의 절환 고온고압 프로세스에서 저압 프로세스로의 계통 운전상태의 급격한 렛다운(Let Down) 제어 등 다양한 프로세스 별로 각기 다른 형태의 밸브가 프로세스의 제어 목적으로 사용된다또한 1 개의 밸브에서 여러가지 제어기능을 복합한 밸브(감압과 동시에 온도도 낮추는 밸브인 PRDS Pressure Reducing and Desuper-heating Station)등이 있으므로 이들의 운전목적을 확인한 후에

자동제어밸브를 선정하여야 한다 자동제어밸브의 운전목적이 결정되면 밸브의 운전빈도 운전상황을 비교적 정확하게 파악할 수

있으며 이를 통하여 유체의 연속제어 이상 발생시만의 운전 연속적으로 관련 프로세스를 함께 제어

운전할 때의 뱃치운전 간격(Time Interval) 등 프로세스의 운전상태를 비교적 정확히 제어밸브의

선정에 반영할 수 있다 프로세스 운전목적과 상태의 파악은 자동제어밸브의 선정에 가장 중요한 핵심

요소이다 (5)응답성

자동제어밸브에는 프로세스의 원활한 제어 또는 프로세스 시스템 안전 확보 목적에 따라 자동제어밸브의 조작신호(Input Signal)에 대한 밸브의 응답속도 밸브 자체가 갖고 있는 기구학적인

운전속도 또는 안전운전 모드에서의 신속한 동작 속도 등을 프로세스 전체 시스템 측면에서 이들의

조작 운전 속도 등의 응답성을 알고 있어야 한다(6)프로세스의 특성

자동제어밸브의 운전목적은 유체 시스템의 전체적인 밸런스에 있다고 보아도 과언이 아니다 따라서

프로세스의 주요 특성으로는 전체적인 유체의 밸런스 유무 유량 변화의 범위 압력 손실의 범위 밸브의 응답속도의 크기 등이다 이들 프로세스 특성의 파악과 이해는 전체 제어 시스템의 제어 루프

(Control Loop)를 설계하는데 중요한 요소의 하나이다 (7)유체의 운전조건

유체의 운전조건은 제어밸브의 선정에 있어 직접적으로 입력되는 자료들이다 이들 유체의

운전조건을 통하여 제어밸브의 외적 특성(밸브의 크기 형상 형태 등)들은 결정된다

-유체의 명칭

-혼합 유체인 경우 유체의 성분 또는 조성 특성

-유량(프로세스 운전모드별로 구분)-압력(프로세스 운전모드별로 구분)-온도(프로세스 운전모드별 밸브 입구의 압력과 출구온도의 구분)-점도

-밀도

-포화증기압

-이상유체의 후라싱 비율(Flash Percent in Two-Phase Fluid Flow)-임계압력

-과열증기의 과열도 등

이들 데이터들은 프로세스 운전조건에 따라 정상적인 운전시의 데이터 외에 운전 중 발생할 수 있는

프로세스 시스템의 최대운전 최소운전 조건시의 데이터들도 확인하여야 한다 이러한 제어밸브의 선정을 위한 데이터들은 프로세스 설계자들에 의한 안전 여유율 또는 여유가 있는

가정된 값이 포함되어 있는 경우가 많고 따라서 설계 인터페이스상에서 이러한 안전 여유가 중첩되어

결과적으로 밸브가 정상 운전조건의 것보다 크게 선정되는 경우가 종종 있다 이러한 경우에는 밸브가 정상운전 시에도 낮은 개도로 운전되기 때문에 밸브 시트의 손상 등

자동제어밸브의 운전 신뢰도에 큰 영향을 미치게 됨으로 이들 유체조건의 확인은 매우 중요한

사항이다 아울러 압축성 유체인 기체의 경우에는 온도에 매우 민감하게 체적과 압력이 변화함으로 어느 상태(정상상태(Normal Condition) 0 C 대기압 조건하 또는 표준상태(Standard Condition) 156 C 대기압 조건하)의 조건인가를 확인하여야 한다(8)유체의 성질상태(성상) 및 특성유체의 화학적인 성상

유체의 성질상태(성상) 및 특성유체의 화학적인 성상과 그 특성은 제어밸브의 선정에 있어 밸브

재료와 형태의 선정에 큰 영향을 준다 이를 요약하면 다음과 같다 ① 유체의 위험성 독극물이나 특정 유기물질과 같이 인체 및 환경에 위험을 미치는 유체 특정

물질과의 화합 반응 및 폭발성과 같은 잠재적 위험성이 높은 유체

② 부식성 및 마모성 부식(산화)의 정도 조건 마모를 증가 시킬 수 있는 고체 혼입 물의 정도 및 그

정성정량적 데이터 내부식침식 재료의 데이터 등

③폐쇄성 고형 슬러리의 혼입정도 슬러리 및 고형 불순물의 내용 고점도 유체의 특성 등 막힘

방지를 위한 대책으로서의 유체 성상의 파악

④응고성 응고조건 응고방지 대책 등

(9)시스템에 있어서 밸브의 중요성 및 요구되는 신뢰성

프로세스에 있어서 자동제어밸브의 작동 불량은 밸브 그 자체의 문제가 아니라 프로세스에 직접적인

영향을 미친다 따라서 프로세스 시스템의 원활한 운전을 위한 밸브의 중요성은 곧 밸브 그 자체가 얼마나 높은

신뢰성을 갖고 있는가에 좌우된다 밸브의 신뢰성은 앞서 언급한 제반 요건 중에서도 유체조건과

유체의 성상과 특성에 크게 영향을 받고 특히 과거의 밸브 운전 경험에서 어느 정도 밸브의 신뢰성을

판단할 수 있다고 생각된다 자동제어밸브에 있어서 신뢰성 향상을 위한 제반 대책으로는 다양한 여러 가지의 방법들이 동원되고

있다 예로써 오리피스의 적용 블록밸브 또는 바이패스 병렬 운전의 방법 등이 고려될 수 있다 (10)적용 법규

프로세스의 운전환경에 따라 제어밸브의 설계 선정 설치 보수 등에 관련하는 법규 규격의 내용을

확인하여야 한다 특히 기술 규격에 대하여는 전체 프로세스의 설계 일관성을 위하여 정해진 규격을

필수적으로 따르도록 되어 있다 이에 대한 사항은 추후 구체적으로 따로 기술한다(11)밸브의 운전 범위성(레인지어비리티 Rangeablilty) 밸브의 운전 범위성 레인지어비리티는 밸브의 제어 가능한 최대 유량과 최소 유량의 비율이다 제어밸브의 제어 가능한 최소 유량과 밸브를 완전히 닫았을 때의 시트의 누설량과는 확실하게

구분된다예로써 밸브가 실용상 제어 가능한 최대 유량이 400gpm 이고 최소 조건하의 유량이 5gpm 이라면

레인지어비리티는 801 이 된다

2000 년 1월호 알파와 오메가

8 제어밸브

81 제어밸브 개요

(12) 밸브에서의 발생 차압과그 특성

자동제어밸브를 중심으로 프로세스 시스템의 유체 흐름의 상류측(Upstream)과 하류측 의 압력이

거의 일정하고 자동제어밸브가 프로세스 압력손실의 대부분을 차지하는 경우 에는 밸브의 발생

차압을 정확하게 알 수가 있다 그러나 프로세스가 긴 경우에는 배관시스템내의 배관 및 배관 피팅 등과 각종 프로세스 기기들로

인하여 압력 손실이 많이 생기게 되는데 보다 정확한 밸브 선정을 위해서는 이 압력 손실량을

계산하여야 한다 밸브에서의 차압을 일정하게 하고 유체를 흐르게 할 때의 유량특성은 고유 유량특성이라고 하고 실제

프로세스 시스템상에서 운전할 때의 유량특성을 유효 유량특성이라고 하는데 앞서의 프로세스

시스템 전체에서 생기는 압력손실에서 밸브에서만 발생하는 차압이 차지 하는 비율이 낮으면 낮을수록 유효 유량특성은 고유 유량특성과 많은 차이를 갖게 된다 또한 프로세스 시스템에서의 수송하는 유량이 변화하면 밸브에서의 발생 차압도 변화한다 따라서

프로세스 시스템의 유량은 정상 운전시 시스템 기동 시 시스템 정지시마다 다르므로 밸브에서의

차압도 각각의 운전조건에 따라 검토하여야 한다 실제로 프로세스 시스템 전체의 압력손실에 대한 자동제어밸브의 발생 차압의 비율은 가능한 한

비슷하게 프로세스를 구성 설계하면 좋다 즉 이 수치는 일률적으로 정하기 어렵지만 일반적으로

30~50이면 매우 양호하다 그렇지만 5이하가 되면 제어가 매우 어려워진다 밸브에서의 차압 이

크게 되면 그만큼 밸브의 내부 구조가 복잡해지고 유체의 역학적 거동이 가혹해짐으 로 인하여

밸브의 경제성이 저하된다 (13) 설계 최대차압(체절압력 Shut-off Pressure)

밸브가 완전히 닫혀 있을 때의 밸브 입출구간의 압력의 최대치를 일컫는 압력으로써 이 최대 차압은

밸브의 구동장치의 선정 밸브의 스템 요크 및 본네트와 관련 볼트 너트 등의 강도설계에 입력

데이터로 쓰인다 설계 최대차압을 대부분 밸브 입구에서의 최대압력으로 하여 밸브를 설계하는 경우가 대부분이나 이러한 경우 밸브의 사양이 과대하게 선정될 염려가 있음으로 실제의 사용조건을 감안하여 설계 최대

차압을 고려하면 경제적인 밸브 선정을 할 수 있다 (14) 시트누설의 정도(Seat Leakage Rate)

밸브가 완전히 닫혔을 때 시트에서의 누설을 어느 양 만큼 허용할 것인가를 확인하는 것이다 자동제어밸브의 시트누설의 허용정도는 ANSIB16104FCI 70-2 의 규정을 통상적 으로 많이

적용하고 있다 시트누설의 허용등급은 6 개 등급(Class I thru VI)으로 되어 있으며 등급이

높을수록 허용 누설량이 적다 대부분의 자동제어밸브의 허용누설 등급은 Class IV 가 일반적이며 Class VI 의 경우에는

소프트시트의 사용이 권장된다 시트누설의 정도를 표시하는 방법으로는 밸브의 정격 유량계수(Cv)의

비율로써 표시하는 방법(Class III IV)과 트림 유로 구경(포트 Port)과 밸브의 차압에 대한

누설량으로 표시하는 방법이 있다 (15) 안전모드 운전(Fail Safe Mode)

밸브의 안전모드 운전은 일반적으로 자동제어밸브의 구동공기 또는 동력원이 손실되었 을 때 밸브의

작동이 프로세스가 안전한 방향으로 동작되도록 하는 것이다 일반적으로 Failure to Close Failure to Open Failure to Lock 기능 중 하나가 되며 이러한

안전모드 운전은 밸브 자체의 기능으로서 만 생각하는 경우와 프랜트 프로세스로써 생각하는 경

우와는 다른 결과를 갖고 올 수 있음으로 밸브의 선정시 이 요건의 정의는 프로세스 시스템 측면에서

수행되어야 한다 (16) 밸브의 작동방법 자동제어

밸브의 운전에 있어서 제어신호나 구동 공기의 손실에 대비하는 밸브 작동방법은 프로세스의 조건에

따라 밸브의 안전모드 운전방법으로 검토한다자동제어밸브의 작동방법 에는 정작동(Air to Close 또는 Direct Acting)과 역작동(Air to Open 또는 Reverse Acting)이 있다정작동은 신호량의 증가에 따라 밸브가 닫히는 것이고 역작동은 신호량의 증가에 따라 밸브가

열리는 것을 말한다 즉 밸브 구동장치의 운동방향에서 신호량의 증가에 따라 밸브 스템이

내려오는 것을 정작동형 스템이 상승하는 것을 역작동형이라 한다 (17) 밸브의 작동환경 자동제어

밸브의 작동환경은 대부분 가혹한 환경 조건하에 있다따라서 자동제어밸브가 위치하고 있는 배관

프로세스 시스템이나 프랜트 프로세스 시스템이 외부적으로 갖고 있는 환경조건 즉 온도 염분 부식성 가스의 유무 모래 티끌 등의 먼지 진동의 유무와 크기 등을 확인한다 (18) 밸브에서의 소음 규제 범위

밸브 운전에 있어서 유체흐름의 지배 요소인 유로 단면적과 유속의 변화 이로 인한 동적인

압력손실의 과정에 소음이 발생하게 된다 이러한 밸브의 소음 한계치를 정하고 그 저감화 방안을

검토해야 한다 앞서의 플랜트 환경조건에서의 소음은 법률로서 규정되 어 있으며 대략 90 데시벨

(dB)을 넘어서는 안된다 저감화의 방안은 밸브 트림의 구조에 의한 직접적인 방법과 아울러 배관의 형상 등 외부요인을 함께

고려하여 경제적인 방법을 택한다 이 소음의 문제 하나만 가지고도 밸브의 가격 결정에 매우 큰

영향을 미치고 있 음을 인식해야 한다 (19) 밸브의 방폭특성

가연성 또는 폭발성의 가스를 다루는 프로세스의 자동제어밸브는 그 자체로서 방폭특성을 갖고

있어야 한다 포지셔너 솔렌노이드 밸브 리미트 스위치 등의 자동제어밸브의 부품은 가연성 가스의

종류 위험장소의 등급 구분에 합치되는 방폭성능을 보유해야 한다 이들 밸브의 보조 전기기기는 내압방폭형(Flame Proof Exd)과 본질안전방폭형(Intrinsic Safety Exi)로 구분된다 (20) 제어입력 신호의 특성

제어밸브의 제어용 입력신호 즉 콘트롤러(Controller)의 출력신호 또는 콘트롤러 신호 출력의 종류

(공기 또는 전기) 및 밸브의 스트로크(Full Stroke)에 대응하는 입력신호의 범 위(Range) 등을

확인한다 특히 구동부의 스프링(Spring Range)이나 릴레이에 의한 범위의 변경 작동의 반전 등과 같은

특수한 경우(분할제어[Split Control] 파이롯트 제어 [Pilot Control]) 에는 이 제어입력의

신호특성에 주의를 요한다(21) 밸브 구동 동력원

공기는 구동부의 기능이 손상되지 않도록 수분 기름 띠끌 및 먼지 등의 청정도를 고려한다 동시에

충분한 구동력을 확보하기 위하여 공기의 압력 및 용량을 확인한다 (22) 배관 사양

자동제어밸브가 설치되는 배관의 사양에 대하여 확인한다 배관의 호칭직경 배관의 규 격 재질 접속방법 설치상의 제한사항 및 배관 레이아웃 형상을 확인한다 특히 특정한 밸브 면간치수를

적용하는 경우와 함께 배관지지대의 위치 등도 함께 검토한다 (23) 블록밸브 바이패스 밸브

자동제어밸브에서의 바이패스 밸브의 설치 여부는 유체의 조건 배관 운전방법 등에 의해 종합적으로

검토되어야 한다 바이패스 밸브를 설치하는 경우에는 제어밸브가 고장 에 의해 프로세스가 정지되지

말아야 하는 경우 등 자동제어밸브의 관리차원에서 설치하 는 경우가 많다 바이패스 밸브를 설치하는 경우에는 바이패스 밸브의 조작성 속도 응답 성 및 제어성에 대하여도

충분히 고려하여야 한다 바이패스 밸브를 설치하면 제어밸브의 전후에 블록밸브를 설치하여야 한다 일반적으로 블록밸브는 게이트밸브와 같은 차단용의 밸브 바이패스 밸브는 글로우브밸브를

선택한다 그러나 바이패스 밸브에 차압이 크게 요 구되는 경우 글로우브밸브가 적합하지 않을 경우도 있음으로

유의하여 선정한다 다음은 API RP 550 에서 권고하는 블로밸브와 바이패스 밸브의 선정표이다(24) 보수성

자동제어밸브의 보수 점검 및 정비는 유체조건이나 운전조건 등에 따라 달라짐으로 밸브 각각에

대하여 그 선정 단계에서부터 고려되어야 한다 유체에 의한 침식 부식이 예 상되는 경우에는 이러한

영향이 적은 밸브 형식 재질 등을 선택한다 보수 차원에서도 밸 브의 트림(밸브 프러그 시트링 등)의

교환이 간단한 구조의 밸브가 좋은 밸브이다다음 은 밸브의 보수성을 점검하는 하나의 항목으로 밸브를 선정하기 전에 검토해 둘 필요성 이 있다

- 보수는 어떻게 할 것인가- 밸브에 대한 점검은(중요도 점검 간격 점검의 내용 규제사항의 유무)- 플랜트 운전 중에 작동검사의 필요성 여부와 작동검사 시스템

- 부품의 조달 및 예비 부품의 보유 체계

(25) 경제성

자동제어밸브는 비교적 고가의 밸브임으로 그 자체의 경제성과 보수비용의 양면을 함 께 검토하여야

한다 자동제어밸브의 선정에 있어서 가격에 영향을 미치는 인자들은 다음과 같다 - 밸브의 형식

- 밸브의 구경

- 본체의 재질 주요부의 재질

- 압력온도 등급(Pressure Rating) - 트림의 형식

- 본네트 형식(상온용 고온용 저온용 초저온용 벨로우즈 씰 채택 여부 기타) - 핸드휠의 유무(블로밸브와 바이패스 밸브의 유무에 직접 상관됨) - 구동부 형식 및 크기

- 악세사리류(포지셔너 솔렌노이드 리미트 스위치 등)- 특수사양(자켓트 몸통 밸브 누설등급) - 검사항목(특히 재료검사에 대한 것) - 소음에 대한 규제 정도 여기에 예비부품을 포함하는 보수비용을 고려하여야 하며 초기 구입가격과

보수비용을 함께 포함하여 검토하여야 한다 (30) 자동제어밸브의 선정 방법

밸브를 선정하는 것은 시스템에서 요구하고 있는 제반 특성들을 구체화 시켜 밸브가 시스템에서

안정적으로 운전할 수 있게끔 하는 기술적인 업무이다 밸브의 크기를 결정하고 밸브의 재질과 트림

특성을 결정함에 있어 어떠한 방법으로 밸브가 시스템이 요구하는 운전 목적에 적합하게 추종할

것인가를 결정하는 일은 보다 구체적이고 높은 엔지니어링을 요구하게 된다자동제어밸브를 선정함에 있어 이러한 고도의 기술적업무를 어떤 순서에 따라 실시하는 선정공정 및

제어밸브의 구체적인 사양서(Specification She-et)의 작성요령은 자동제어밸브의 엔지니어링

중에서 가장 중요한 일로 구분된다 따라서 자동제어밸브의 선정은 자동제어밸브의 엔지니어링의 시작이자 끝이라고 할 정도로 중요하며 선정시의 착오로 인하여 많은 문제점이 발생되고 있는 것이 사실이다 자동제어밸브의 정확한 선정을 위해서는 각 단계별로 확인하고 넘어가야 할 엔지니어링이 있는데

이것을 제어밸브의 선정 공정도라고 한다 기초 데이터(운전조건 및 시스템 설계조건)를 이용하여 각

엔지니어링 단계별로 선정시의 제반 조건을 고려하여 선정공정에 따라 사양서에 입력해 나가는 것을

본 장에서 구체적으로 설명한다자동제어밸브는 크게 구분하여 몸통부 구동부 및 악세사리의 세가지로 구성되어 있다 선정에

있어서도 이 세 가지의 공정을 확인하여야 한다 다음은 포괄적인 자동제어밸브의 선정 공정이다

1 단계 몸통부 선정

유체와 직접 접촉하면서 유체의 흐름을 실질적으로 제어하는 부분이 몸통부이다 몸통부는 유체제어의 핵심 요소인 트림부분과 트림부분이 건전하게 운전될 수 있도록 지지하는

압력유지 부분이 몸통으로 구성되어 있다 따라서 유체의 특성에 맞는 재질과 유체제어 특성에 맞는

트림 형식을 가져야 하고 전체적으로 경제성과 내구성이 요구되어야 한다 따라서 몸통부의 선정은 유체의 제반 조건 제어특성 유량특성 레인지어비리티(밸브의 운전 범위성) 설계 최대 차압(체절압력 Shut-offPressure) 허용 시트 누설량 환경조건 소음 보수 및 경제성 등

모든 항목을 확인하고 선정하여야 한다 따라서 제어밸브의 선정은 몸통부의 선정이 선정의 가장

중요한 요소이자 1 차적으로 검토되는 요소이다 2000 년 2월호 알파와 오메가

8 제어밸브

81 제어밸브 개요

2단계 구동부 선정

선정된 몸통부를 기준으로 외부의 입력 신호(제어신호)에 대응하여 몸통부의 트림이 유체를

제어하는데 필요한 위치를 정하는 역할을 하는 것으로 선정의 2 차요소이다3단계 악세사리의 선정

자동제어밸브의 제어기능을 향상시키기 위한 보조기기로써 선정의 3 차 요소이다3010 선정공정도

3020 밸브의 유량계수

자동제어밸브의 유체 수송의 능력을 표시하는 계수로써 3 가지 방식이 있다 이중에서도 미국식

방식인 Cv 계수가 가장 일반적으로 널리 사용된다

Cv 계수

밸브의 개도를 일정하게 하고 60(156)의 청수를 밸브 입출구 전후의 차압을 1psi (00703kgfcm2)로 유지한 상태로 1 분 동안 흐른 유량을 US GallonMinute(1US Gallon = 3785 lit-re)으로 표시한 계수

Kv 계수

독일에서 널리 사용되는 밸브 유량계수로써 밸브의 개도를 일정하게 하고 5~30의 청수를 밸브 입출구 전후의 차압을 1kgfcm2 으로 유지한 상태로 일정시간 흐른유량을 m3Hr 로 표시한 계수

Av 계수

자동제어밸브의 유량계수를 계산할 때 사용되는 모든 단위를 국제 단위인 SI 단위로 환산하여 표시한

계수

관계식

Cv = 117 Kv = (Av 106)243030 자동제어밸브 기술사양서 작성방법

기술사양서의 작성은 제어밸브에 대한 발주자의 일반적인 정보(발주자의 프로젝트명 시스템명 사용목적 밸브번호 등)와 기술적인 성능요건과 함께 설계 및 제작 시험검사의 요건이 발주자에 의해

작성된다 그러나 제어밸브는 제작사마다 독특한 기술력과 함께 경험에 의한 노하우가 있기 때문에

발주자와 제작자가 협의하여 기술사양을 정하는 경우가 일반적이다 따라서 기술사양서에서 발주자는 기본적인 요건 즉 관련 기술산업 기준인 코드 스탠다드(Code amp Standard)를 중심으로 하는 설계 제작 요건을 언급하고 이를 종합적으로 양식화한 사양 명세서를

제작자와 함께 작성한다 이 사양 명세서는 발주자가 작성하는 사양과 발주자 및 제작자가 함께 협의 하여 결정해야 하는 사양

그리고 이에 따라 제작자가 결정해야 하는 사양 등으로 구분된다 다음은 제어 밸브의 사양 명세서에

필히 기록되어야 할 사양들이다 그러나 이들 각 사양 항목들이 사양 명세서에 모두 기입되지 않는 경우가 많은 데 이는 발주자가

그간의 경험이나 보안상의 목적으로 이들 사양을 모두 지정하지 않는 경우도 많다lt 작성의 예 gtA 제어밸브의 밸브번호 사용목적 및 밸브 형식

1밸브번호

2밸브의 사용목적 또는 적용계통의 명칭

3관련 PampID(배관 및 계장 다이아그람) 번호

B 밸브의 운전조건

1유체의 종류(물 액체 증기 기체로 구분)(다음의 사항은 정밀한 밸브 선정을 위하여 운전조건별 최대 정상 최소 또는 운전모드별로 운전

데이터가 필요함)2유량

3밸브 입출구 압력 또는 입구압력과 밸브에서의 차압

4유체의 온도

5유체의 물성치(비중량 점성계수 등)6밸브에서의 최대 차단 압력(Shut-off Pressure)7운전조건별 밸브 유량계수(Cv = Q(GfP)12C밸브의 구조

밸브의 구조는 앞서 언급한 바와 같이 밸브의 트림 밸브 몸통 그리고 구동장치와 액세서리로

구분된다밸브 구조를 기술사양서로 구체화 시킬 때는 밸브 트림의 유량특성 기본적인 밸브 형식과

밸브 몸통의 재질은 발주자가 지정하는 것을 원칙으로 하나 실제 구체적인 밸브 엔지니어링 단계에서

사양이 바뀌어질 가능성도 있다 따라서 밸브의 구조에 대한 것은 발주자와 제작자가 서로 긴밀한

기술 협의가 요청되는 부분이다lt밸브의 몸통 및 본네트 형식gt1밸브의 크기(입구 호칭직경과 호칭직경을 명기)

2밸브의 배관체결 형식 및 압력등급을 규정(Rating amp Connection Standards)(예)플랜지 규결일 경우AN-SI Class600RFRF-Raised Face Flange per ANSI B165 -소켓용접단과 버트용접일 경우600SW 1500 BW

3밸브 본네트 형식 및 재질

-체결형식(예 Bolted Pre-ssure Seal Clamped ect)-본네트 형식(예 Stand-ard Leak-off Extended Bonnet Bellows Seal Fi-nned Bonnet ect)-재질

4연결배관의 크기 및 규격

(예 입구출구배관4Prime(100A)Sch 80S6Prime(150A) Sch 40S ect)

5밸브 몸통의 재질 및 연결배관의 재질

6패킹 및 가스켓의 재질 및 형식

-가스켓의 형상 및 재질(예 Metal Ring Gasket Spiral Wound Graphite Filled Gasket Spiral Wound PTFE Gasket ect)-패킹의 종류 및 형상(예 Graphite Packing Live Loaded Stem Packing PTFE V-Packing ect)lt밸브 트림gt7트림의 형식(예 Single Seat Double Seat Cage Guided BalancedUnbalan-ced ect)8트림의 유체 제어특성(예 EQ Linear Quick Open Modified EQ Parabolic ect)9트림의 재질 및 표면(경도)처리(예 SS410 HT SS304 wStellite HF SS420wNit-ronizing HT ect))10트림의 구조(예 Multi-Hush Raven Drag Megastream CASCA-DE CAVITROL ect과 같이

밸브 제작사 별로 고유의 트림 구조 형식을 표시할수 있음)lt밸브 구동장치gt11구동 장치의 종류 및 형식 예)공기압 구동 다이아후람 공기압 구동 피스톤(싱글 더블) 유압구동 전동구동 기타

12구동장치의 크기 및 규격 예)공기압 구동 다이아후람 엑츄에이터인 경우 다이아후람의 직경피스톤 구동 엑츄에이터인 경우 피스톤의 직경전동 모터 구동의 엑츄에이터인 경우에는 입력 전압 및

출력(HP)13구동 동력원의 사양 예)공기압의 경우 공기압력을 구체적으로 표기(공급 공기압 제어 공기압 등)전동 구동의 경우에는 입력 전압 상 주파수 등

14밸브의 안전모드 설정 예)공기압 손실 시-Air Failto close(닫힘) or to open(열림) or to lock(운전위치) the valve 15밸브 구동장치의 핸들(유무 Top or Side) 3100 유량특성과 밸브에서의 차압 ΔP

제어밸브에 있어서 유량특성은 밸브의 개도에 다른 유량의 변화량과의 관계로 표시한다 유량특성은

밸브 자체의 고유 유량특성과 실제 배관시스템에 설치되었을 때의 실제 유량특성(이하 유효

유량특성이라 한다)이 있다 이들의 유량특성은 제어밸브의 성능평가에 매우 중요한 요소이다3110 고유 유량특성

밸브 전후의 차압을 일정하게 한 경우의 유량특성을 고유 유량특성이라 한다 이 유량특성은 밸브

제작사의 밸브 트림 기술자료로 공급되는 자료이다 유체의 제어용으로 채택되는 근본적인 유량특성은 선형(Linear)특성과 등비율(Equal Percentage)특성이 있으며 이들 두 특성은 밸브 제작자의 트림설계에 따라 다양한 변형의 유량특성이 제공되고

있다 다음의 그림은 ISA Control Valve Handbook 에서 보여주고 있는 밸브의 고유 유량특성도

있다선형특성은 밸브의 유량계수 변화율이 밸브 개도와 일정한 관계를 가지며 등비율특성은 밸브의

유량계수 변화율이 그 밸브개도 변화전의 유량계수과 비례하는 관계로서 다음과 같이 표현된다 일반적으로 그로브 제어밸브는 트림을 다양한 형식으로 변형할 수 있음으로 용이하게 밸브의 고유

유량특성을 얻을 수 있지만 기타의 볼밸브 버터후라이밸브 형식의 제어밸브는 구조상 유량특성을

임의로 변경할 수 없는 단점이 있다-선형특성

y=1R+(1-1R)x dy=(1-1R)dx (3100-1)-등비율특성

y=R(x-l) dy=In Rdx (3100-2)여기서 y= CvCv maxx=LL maxCv max=밸브의 최대 CvCv스템의 L 에서의 밸브 유량계수

L max밸브의 최대 스트로크

L스템의 위치

R제어밸브의 고유 렌지어비리티(Rangeability) 2000 년 3월호 알파와 오메가

8 제어밸브

81 제어밸브 개요

3110 고유 유량특성

선형특성은 밸브의 유량계수 변화율이 밸브 개도와 일정한 관계를 가지며 등비율특성은 밸브의

유량계수 변화율이 그 밸브개도 변화전의 유량계수와 비례하는 관계로써 다음과 같이 표현된다일반적으로 그로브 제어밸브는 트림을 다양한 형식으로 변형할 수 있으므로 용이하게 밸브의 고유

유량특성을 얻을 수 있지만 기타의 볼밸브 버터플라이밸브 형식의 제어밸브는 구조상 유량특성을

임의로 변경할 수 없는 단점이 있다

선형특성

y=1R＋(1-1R)x dy=(1-1R)dx (3100-1)

등비율특성

y=R(x-1) dy=1n Rdx (3100-2) 여기서

y=CvCv maxx=LLmaxCv max=밸브의 최대 CvCv=스템의 L 에서의 밸브 유량계수

Lmax=밸브의 최대 스트로크

L=스템의 위치

R=제어밸브의 고유 렌지어비리티(Rangeability)3120 유효 유량특성

제어밸브를 배관시스템에 설치한 상태에서는 밸브 전후의 배관형상에 따라 차압이 변화하므로 이러한

차압이 밸브의 고유 유량특성에 영향을 주게 된다 이들 영향을 포함하여 밸브의 유량특성을 표시한

것을 유효 유량특성이라고 한다 (1)직렬부하를 가진 프로세스 시스템의 유효 유량특성

그림 3100-2 에서 보는 바와 같이 어느 밸브 개도에서의 유량을 Q 라 하고 각각의 압력손실을 ΔPv ΔPL ΔP 라 하고 각각의 유량계수를 Cv CL C 라고 한 다음 ΔP 를 일정하게 유지시키면

Q=CvSQRT(ΔPv)=CL SQRT(ΔPL)=C SQRT(ΔP) (3100-3)ΔP=ΔP＋ΔPL (3100-4)

또한 제어밸브가 완전히 열릴 때에는 Qmax=Cvmax SQRT(Pvo)=CL SQRT(ΔPLO)=Cmax SQRT(ΔP) (3100-5)ΔP=ΔPvo＋ΔPLO (3100-6)

따라서 Qmax = Cv SQRT(ΔPv) Cvmax SQRT(ΔPvc) (3100-7)Qmax = SQRT(ΔPL)SQRT(ΔPLO)=SQRT(ΔP-ΔPvo)SQRT(ΔP-ΔPvo) (3100-8)(3100-7)과 (3100-8)식에서

QQmax=SQRT[(ΔPvoΔP)+(1-(ΔPvoΔP))(CvCvmax)] (3100-9)

여기서

u=QQmx Pr=ΔPvoΔP y=CvCvmax 라고 하면 u=SQRT(Pr+(1-Pr)y)y (3100-10)(3100-10)식에 선형특성의 (3100-1)식을 그리고 등비율특성의 (3100-2)식을 대입하여 각각의

유효 유량특성을 구할 수 있다 다음의 그림 3100-3 과 3100-4 는 각각 선형특성과 등비율특성의

유효 유량특성의 선도를 Pr 의 비율로써 보여 주고 있다 만약 밸브의 입구측 펌프의 토출수두가

일정한 경우에는 다음과 같은 식으로 밸브의 유효 유량계수를 표시할 수 있다

C=(PCvmax)SQRT((Py)2＋1) (3100-11)여기에서

P=SQRT(ΔPvΔPL)C 제어밸브와 배관시스템을 포함하는유효 유량계수

ΔPv 제어밸브에서의 압력손실

ΔPL 제어밸브를 제외한 배관시스템의 동적 압력손실

지금 밸브의 레인지어비리티 R=30 이라고 하면 선형특성을 가진 밸브의 경우 3100-1 식에서

y=096＋003 등비율특성의 경우 y=30(1x)가 된다 여기에 3100-11 식을 대입하면 밸브의

개도에 따른 밸브시스템의 유효 유량특성과의 관계를 알 수 있다 그림 3100-5 와 3100-6 은 각각 이를 보여준다 그림 3100-3sim6 에서 보는 바와 같이 Pr 값에 따라서

즉 제어밸브를 포함하는 배관시스템의 전체 압력손실에 비해 밸브에서의 압력손실이 상대적으로

작으면 제어밸브의 고유 유량특성은 크게 변하게 됨을 알 수 있다따라서 실용상 배관시스템에서의 압력손실 허용범위를 Pr＞005 로 하거나 다음과 같은 밸브

엔지니어링 지침을 제시하고 있다 펌프시스템에 있어서는 제어밸브의 압력손실량은 펌프시스템

전체의 동적 압력손실량(Dyna-mic Pressure Losses)의 13 이상이고 적어도 ΔP=10bar이상이어야 할 것 원심 압축기의 흡입 토출라인에 있어서는 흡입 절대압력의 5이상이거나 시스템

전체의 동적 압력손실이 12 이상으로써 이중 큰 값을 선정한다액체라인에 있어서는 하류측 탱크압력의 110 이상이거나 배관시스템 동적 압력손실량의 12이상으로써 이중 큰 값을 선정한다 증기 터빈 재열보일러(Reboiler) 압력용기등의 증기

공급배관에 있어서는 설계 절대압력의 110 이상이거나 035bar 중에서 큰 값을 선정한다(2)병렬부하를 가진 프로세스 시스템의 유효 유량특성

그림 3100-7 에 있어서 어느 밸브개도에 있어서 시스템의 유량을 Q 라 하고 제어밸브를 통과하는

유량을 Qv 바이패스의 유량을 Qb 라 하고 이에 대응하는 각각의 유량계수를 C Cv Cb 그리고

시스템의 압력손실을 ΔP 이라 하고 지금 ΔP 를 일정하게 하면

3100-7 병렬부하를 갖고 있는프로세스 시스템

Qv=Cv SQRT(ΔP) (3100-12)Qb=Cb SQRT(ΔP) (3100-13)Q=Qv＋Qb (3100-14) 또 제어밸브가 완전히 열릴 때에는

Qvmax=Cvmax SQRT(ΔP) (3100-15)Qmax=Qvmax＋Qb (3100-16)위의 식에서

QQmax=[(CvCvmax)＋(CbCvmx)][1＋(CbCvmax)] (3100-17)여기서 u=QQmax y=CvCvmax λ=(CbCvmax)2 라고 하면 식 3100-17 은 다음과 같다u=(y＋SQRTλ)(1＋SQRTλ) (3100-18)선형특성의 밸브는 식 3100-1 을 등비율특성의 밸브는 식 3100-2 를 식 3100-18 에 대입하면 각각

다음의 그림 3100-8 과 3100-9 와 같은 유효 유량특성을 갖는다 그림에서 제어밸브의

레인지어비리티가 감소하고 제어성이 나빠지면 유효 유량특성은 밸브의 고유 유량특성과

비슷해진다 시스템 전체의 유량계수는 C=Cv＋Cb 이므로 C=(y＋SQRTλ) Cv max (3100-19)3130 유량특성의 선정

제어밸브에 있어서 유량특성은 프로세스 전체의 특성이 선형에 가깝도록 되는 것이 바람직하다 이를

위해 제어밸브의 고유 유량특성은 일반적으로 다음과 같은 조건에 따라 선정함이 좋다(1)선형특성이 바람직한 경우

제어밸브의 전후 차압이 일정하게 되는 경우

시스템 전체의 압력강하가 제어밸브에 의해 좌우되는 경우

프로세스 변화의 특성이 선형일 경우

(2)등비율특성이 바람직한 경우

제어밸브의 전후 차압이 밸브 개도에 의해 크게 변화되는 경우

시스템 전체의 압력강하가 제어밸브 이외의 것에 의해 크게 좌우되는 경우

프로세스 변화의 특성을 잘 모를 경우

3140 밸브의 운전 범위성(Range-ability)

제어밸브에 있어서 실제 적용 가능한 유량특성을 보여주는 범위의 최대와 최소의 밸브용량비를

레인지어비리티라고 한다 레인지어비리티는 유량특성과 같이 고유 레인지어비리티와 유효

레인지어비리티가 있다 제어밸브를 선정할 때 제어밸브의 유량 및 압력의 범위를 함께 검토하는

일은 매우 중요한 일이다 2000 년 4월호 알파와 오메가

8 제어밸브

81 제어밸브 개요

3141 고유 레인지어비리티

고유 레인지어비리티는 제어밸브 전후의 차압을 그 개도에 비례하는 일정한 경우의

레인지어비리티로써 제어밸브 자체의 고유 레인지어비리티이다 레인지어비리티 R 은 다음과 같이

정의한다R=CvmaxCvmin=(Qmax SQRT(ΔPmax)(Qmin SQRT(ΔPmin)R=QmaxQmin 으로도 표시할 수 있다3142 유효 레인지어비리티

제어밸브를 배관시스템에 설치한 경우의 레인지어비리티로써 제어밸브가 설치된 상태에 따라

달라진다(1)직렬부하를 가진시스템의 경우

이 시스템의 유효 레인지어비리티는 다음과 같이 표시된다 식 3100-3 과 3100-5 에 의해서

QQmax=CSQRT(ΔP)Cvmax SQRT(ΔPvo)= CCvmax SQRT(ΔPr) (3100-20)식 3100-10 과 3100-20 에 의해서 Cv=y[SQRT(Pr＋(1-Pr)y2)Cvmax SQRT(Pr)]C 는 제어밸브를 완전히 열었을 때 즉 y=1 일 때 최대가 되고 밸브를 완전히 닫았을 때 즉 y=(1R)일 때 최소가 된다따라서 유효 레인지어비리티 RA 는 다음과 같이 정의된다 다음의 그림 3100-10 은 Pr 에 따른 유효

레인지어비리티를 보여주고 있다RA = CmaxCmin=R SQRT(Pr)＋(1-Pr)(1R)2 R SQRT(Pr) (3100-21)(2)병렬부하를 가진 시스템의 경우

식 3100-19 에서 병렬부하의 시스템에 있어서 유효 레인지어비리티는 RA = CmaxCmin=SQRT(λ＋1)SQRT(λ＋1R) (3100-22) 위의 식 3100-21 과 3100-22 그리고 그림 3100-10 은 시스템의

상류측(Upstream)과 하류측(Downstream)의 압력이 일정한 경우이다예로써 원심펌프의 토출배관상에 제어밸브를 그림 3100-11 과 같이 설치한 경우 유량과 더불어

압력이 변화하기 위해서는 레인지어비리티도 따라서 변화해야 하기 때문에 주의가 필요하다

3143 프로세스 시스템에 필요한 레인지어비리티

제어밸브를 사이징할 때 유효 레인지어비리티가 실제로 적용되는 경우 사이징 된 제어밸브는

시스템에 필요한 레인지어비리티를 만족해야 한다 그림 3100-12 의 프로세스 시스템에 있어서 이

시스템에 필요한 레인지어비리티는 다음과 같이 구한다

Rs = Cmax(req)Cmin(req) =Qmax SQRT(ΔPmax)Qmin SQRT(ΔPmin)여기서 Rs 시스템에 필요한 레인지어비리티

Cmax(req) 시스템이 필요로 하는 최대 유량계수

Cmin(req) 시스템이 필요로 하는 최소 유량계수

Qmax 시스템의 최대 유량

Qmin 시스템의 최소 유량

ρh 시스템 상류측과 하류측간의 수두의 차

ΔPmax 시스템의 최대차압

ΔPmin 시스템의 최소차압

P1 시스템의 상류측 압력

P2 시스템의 하류측 압력

시스템에서 필요로 하는 레인지어비리티를 구할 때에는 시스템의 기동시 정지시와 같이 일시적인

운전조건이외에도 밸브 사용에 따른 경년변화에 따른 조건 등도 함께 고려해야 한다 다음은 선정된

제어밸브가 실제로 시스템에 적용되었을 경우 레인지어비리티상 원활한 운전이 될 수 있는가를 예를

들어 설명한다그림 3100-12 에서 보는 바와 같이 시스템이 필요로 하는 레인지어비리티는 식 3100-23 에서 Rs = (10 SQRT(6-015-1＋005))(2 SQRT(3-025-1-005))85 이 경우 최대 Cvmax = 117Q SQRT(GsΔP)=11710SQRT(1010)=117 지금 정격 Cv=19 이고 고유 레인지어비리티 R=30인 제어밸브를 선정하는 경우 유효 레인지어비리티 RA 는 식 3100-22 에 따라 RA = A SQRT(Pr)=R SQRT (ΔP(ΔPL1＋ΔPL2＋ΔPv))= 30 SQRT(1017) = 23 Cvmax=117 에 대하여 Cv=19 를

설정한 경우 117 을 넘는 부분은 여유분이 되기 때문에 실제 사용되는 레인지어비리티 RE 는 RE = RA(Cvmax정격 Cv)=23(11719)=142따라서 시스템에서 필요로 하는 레인지어비리티 Rs=85 이고 제어밸브에 실제 사용되는

레인지어비리티는 RE=142 가 되기 때문에 이 프로세스 시스템은 조절이 가능하다3150 제어밸브 크기를선정할 때의 고려사항

3151 용어설명 케비테이션(Cavitation)밸브 몸통을 흐르는 액체가 포화증기압이하로 떨어질 때 발생하는 현상으로 액체가

포화증기압이하로 떨어지게 됨으로써 발생한 기포들은 밸브 출구단에 이르러 포화증기압이상으로

유체의 압력이 회복됨에 따라 발생된 기포는 붕괴된다 밸브에서의 이러한 유체 흐름시에 생기는

현상을 케비테이션이라고 한다

초크드 흐름(Choked Flow)밸브가 일정 개도에서 밸브 입출구사이에 차압이 커지면 유량이 증가되는 것이 일반적인 현상이나 차압이 증가해도 유체(압축성 및 비압축성)의 흐름량이 증가하지 않는 현상을 말한다압축성 유체(Compressible Fluid)프로세스 계통에서 가스의 흐름으로 인한 압력 손실이 입구측 압력과 비교하여 상당히 큰 상태하에서

유체의 밀도가 10이상 감소하는 유체를 말한다제어밸브 기량(Control Valve Authority)제어밸브의 어떤 특정 개도에 있어서의 압력 손실량과 밸브가 완전히 닫혀있을 때의 계산된 시스템

압력 손실량과의 비율을 말한다설계조건(Design Condition)플랜트의 전체 또는 부분적인 프로세스를 계산할 때 또는 주요 공정기기의 주문을 하기 위해 계산할

때의 프로세스 조건이다후라싱(Flashing)액체 흐름에서만 생기는 현상으로 밸브 몸통을 흐르는 액체가 밸브내에서 포화증기압 이하로

떨어지면 유체의 흐름에는 발생된 기포가 상당량 잔류하게 되는데 기포를 포함하고 있는 유체가 밸브

출구단 이후에도 계속 포화증기압 이하로 유지되며 흐르는 상태를 말한다밸브 유량계수( Flow Coeffi-cient)일반적으로 Cv 또는 Kv 값으로 표시되는 계수로써 밸브의 유체수송 능력을 나타내는 계수이다Cv = US gallonminute1psiKv = hour1bar Kv = 0856Cv비압축성 유체(Incompressible Fluid)액체로써 계통에서의 밀도 변화 범위가 10이내인 유체이다Reduced TrimReduced Trim 은 밸브의 호칭직경보다 작은 크기의 트림을 말하는 것으로 예를 들어 밸브의

호칭직경이 8˝인 밸브에 트림은 6˝ 또는 4˝의 작은 트림을 채택한 밸브를 Reduced Trim 의

밸브라고 한다3152 제어밸브의 크기 선정

(1)크기 선정의 기준

특별히 별도로 지정하지 않는 한 밸브의 유량계수 Cv 의 선정은 관련 프로세스 데이터에 의하여 설계

흐름조건을 결정해야 한다최대유량 조절량 Q＋ = 최대 설계유량(Qd)의 110 유량(11Qd)완전 열림시의 밸브 유량 Qo＞최대유량 조절량 Q＋과도한 루프 게인(Loop Gain)의 변화(＞=20)를 피하기 위한 설계조건하의 제어밸브 기량은 023보다 커야하므로 제어밸브 미 설치시의 시스템 유량 Qs＞=115Qd 가 되어야 한다(2)제어밸브 Cv 값의 선정

제어밸브의 크기 선정은 계산된 Cv 값에 따라 선정하되 적어도 최대 유량 조절량 Q＋는 제어할 수

있는 크기이어야 한다 만약 후라싱의 발생이 예상되는 경우에는 계산된 Cv 값에 의거 Reduced Trim 을 가진 밸브를 선정한다3153 선정시 고려사항

(1)일반 고려사항

제어밸브의 제어특성(선형 등비율형 급개형 등)의 선정

제어밸브에 연결되는 배관의 형상 및 크기 사양

소음

유체의 성상(Fluid Mixtures)케비테이션이나 후라싱의 존재 여부

초크드 흐름 여부

(2)제어밸브의 제어특성

제어밸브의 특성은 설계조건으로 선정하되 다음과 같은 기준(항상 일정한 기준으로 사용되는 것은

아니지만)을 우선적으로 고려한다

① 제어밸브가 전체 시스템에서 요구하는 압력 손실량의 70 이하를 조절하는 경우에는

등비율특성의 트림을 선정 즉 제어밸브의 기량 rdlt=07 일 때

② 제어밸브가 전체 시스템에서 요구하는 압력 손실량의 70 이상을 조절하는 경우에는 선형특성의

트림을 선정 즉 제어밸브의 기량 rd＞07 일 때

③ 특정의 가혹한 조건하에서는 추가의 감압용 오리피스를 제어밸브의 상류측에 설치하여 rd 의 값을

05 이하로 할 수 있다 이 경우 rdgt=08 이면 선형특성을 rdlt=05 이면 등비율특성을 05ltrdlt08 이면 추가의 레스트릭션 오리피스를 밸브 상류측에 설치하여 rdlt=05 로 해야 좋다

④ 제어밸브의 기량 rd 는 다음과 같이 계산한다기량 rd = ΔPvd(ΔPvd＋ΔPsd ＋ΔPpd) 여기서ΔPvd 제어밸브에서의 압력 손실량

ΔPsd 프로세스 시스템에서의 압력 손실량

ΔPpd 프로세스 펌프에서의 압력 손실량

(ΔPvd＋ΔPsd＋ΔPpd) 프로세스 시스템 전체의 압력 손실량

그러나 다음과 같은 경우에는 상기의 조건을 무시하고 선형 특성을 선정한다 자연상태하의 탱크 수위 레벨 조절 등

압축기의 서어지 방지 제어

분할제어(Split Range Control)가 필요할 때

레인지어비리티가 크게 요구되어 두 개의 제어밸브를 병렬로 사용할 때

수동의 제어밸브일 때

2000 년 5월호 알파와 오메가

8 제어밸브

81 제어밸브 개요

(3)유체 혼합시의 계산

서로 다른 성질의 액체나 기체가 혼합된 유체의 경우 Cv 의 계산은 혼합된 유체의 밀도로 해야 한다 액체와 이 액체에서 기화된 상태의 기체가 같이 흐르는 이상유체(Two Phase Flow)의 경우는

제어밸브의 선정시 매우 까다로운 문제이며 실제로 심각한 문제를 일으킬 수 있으므로 가급적 피해야

한다 액체와 성질이 전혀 다른 가스가 혼합되어 흐르는 유체의 경우 다음의 식으로 유효밀도

(Effective Density)를 계산한다

1ρeff=AY2ρgas+Bρliq 여기서

A 가스성분의 무게 비율()B 액체성분의 무게 비율()Y 가스의 팽창계수

ρ 밀도

만약 액체의 무게비율이 5를 넘으면 Cv 의 계산은 액체로 가정하여 계산하고 5 미만일 경우

기체(압축성 유체)로 하여 Cv 를 계산한다(4)케비테이션과 후라싱

제어밸브의 선정에 있어서 케비테이션과 후라싱은 적극적으로 피해야 할 현상이다 그러나 다음과

같은 시스템 설계적인 방안을 강구하면 케비테이션이나 후라싱에서 제어밸브의 운전 건전성을 도모할

수 있다1)케비테이션이 예측되고 또한 피할 수 없는 조건에서 케비테이션 완화방법

제어밸브 입구측(Upstream)의 압력을 재검토한다제어밸브의 설치위치를 가능한 한 압력이 높은 쪽이나 온도가 낮은 위치로 변경을 시도한다제어밸브의 유체흐름방향(Upward or Downward)의 변경을 검토한다제어밸브 출구쪽에 가깝게 감압용 오리피스(Restriction Orifice)를 설치하거나 유량의 변동폭을

줄일 수 있는가를 검토한다특수형의 내 케비테이션 트림의 채택을 제작사와 협의한다부하 분담을 검토하고 그 결과에 따라 제어밸브 2sim3 대를 직렬로 설치하는 것을 검토한다

2)후라싱 서비스용 밸브

후라싱을 피할 수 없는 운전조건이라면 밸브의 트림은 밸브 호칭직경과 같은 크기이어야 하며 밸브

몸통은 경도가 높은 합금강(Cr강 WC6 or WC9)3200 액체시스템에 있어서 제어밸브의 유량계수 Cv 계산

상기 계산식에서 각각의 기호는 다음과 같은 의미를 가진다Cv=밸브의 유량계수(Valve Flow Coeffcient)US gallonminuteP=1psiQ=체적유량 HourW=중량유량 1000kgHourG=유체의 흐름온도에 있어서 비중

FL=무차원의 압력회복계수

FF=임계압력비

FP=밸브 입출구 연결배관의 수정계수

FLP=연결배관의 영향을 포함한 압력회복계수

FR=레이놀즈 보정계수 (계산결과 1000ltRelt33000 이면 09 로 가정하여 계산)P1=밸브 입구압력 baraP2=밸브 출구압력 baraPv=유체의 포화증기압 bara1bar=102 kgv=동정성계스 centi-stokeFd=밸브 종류별 보정계수 표 3200-1 참조

CD=밸브 연결배관에 대한 상대 유량계수(CvD2 여기서 D= 연결배관의 호칭직경 inch)Kc=(P1-P2)(P1-Pv) 케비테이션 인덱스

3210 밸브에서의 후라싱 계산

밸브 출구의 압력이 유체 운전온도의 포화증기압 이하로 되는 경우에는 후라싱 현상(용어 정의 참조)이 발생한다 이 경우 운전온도 및 압력에 따라 액체의 일부는 증기(Vapor)화 되는데 증기화되는

정도를 후라싱 비율이라고 한다 일반적으로 후라싱 흐름일 경우에는 밸브내에서 비체적이 팽창함에

따라 출구 유속이 급격하게 증가되므로 밸브 출구는 밸브의 호칭직경 보다 크게 하는 것이

바람직하다 다음은 후라싱 흐름에 있어서 Cv 를 계산하는 식이다여기서 Q=액체의 체적유량(Hr) w=질량유량(kgHr) Gf=배르 입구측 유체의 비중

r1=밸브 입구측 유체의 비중량(kg)후라싱 비율은 유체(액체)의 전체흐름에서 얼마만큼 기화(Vapor)되었는가를 로 보여주는 것으로

후라싱 비율이 클수록 밸브 출구에서의 후라싱 속도는 빨라지게 된다 일반적으로 물과 증기의 경우 전체 질량 유량 대비 증기로 얼마(몇 )만큼 변환되었는가를 무게비 χ 로 표시하면

로 표시할수 있으며 χ 는 다음과 같이 구한다 여기서 hf1= 입구 온도에 있어서 포화액체의 엔탈피

hf2=출구압력에 있어서 포화액체의 엔탈피

hfg2=출구압력에서의 증발엔탈피

후라싱 속도의 계산

여기서 w=유량(lbhr)Vf2=출구압력에서의 포화액체의 비체적(ft3lb)vg2=출구압력에서의 포화증기의 비체적(ft3lb)A=밸브 출구의 유로 단면적(inch2)3300 가스 시스템에 있어서 제어밸브의 유량계수 Cv 계산

Cv=Qn2080FpP1Yradic(MT1ZP1)PCv=Qn387FpP1Yradic(MT1ZP1)PCv=Qn2080FpP1Yradic(MT1Z)FkXTCv=Qn387FpP1Yradic(GT1Z)FkXTCv=Qn2080FpFRP1Yradic(MT1ZP1)P

Cv=Qn387FpFRP1Yradic(GT1ZP1)PCv=밸브 유량계수

Qn=가스의 유량계수(NHour)P1=밸브의 입구압력(kgf)P2=밸브의 출구압력(kgf)

P=밸브에서의 차압(kgf)X=차압비

XT=포화 차압비 XT=084 FL2G=공기에 대한 가스의 비중

M=가스의 분자량

FP=밸브 입출구 연겨배관의 수정계수

T1=밸브 입구의 절대온도(K)Y=팽창계수 10geYge0667=1-X(3FKXT)Z=압축계수(완전가스 Z=10 범위 Z=05~15)K=비열비

Fk=k14 비열비 계수

3400 Cv 계산에 대한 예제

3410 FCI(Flow Control Institute)식에 의한 액체의 경우

유체조건을 다음과 같이 가정한다Q max = 15m3hQ min = 5 m3hP1 max = 5kgcm2 GP1 min = 8kgcm2 G P max = 1 kgfcm2 P mix = 2 kgfcm2Gf=095Cv max = 117QradicGf P=11715radic0951=171Cv miN = 117 QradicGfP=233420 FCI(Flow Control Institute)식에 의한 기체의 경우

유체조건을 하기와 같이 가정한다V=1600 N m3hP1=805 kgfcm2P2=60 kgfcm2Gg= 45T1=293KP(=20kgfcm2)는 05P1(40kgfcm2)보다 적기 때문에 임계상태가 아니다 따라서 FCI 계산식에 상기 수치를 대입해서 Cv 치를 구한다

3430 ISA(Instrument Society of America)식에 의한 후라싱(Flashing)유체조건을 다음과 같이 가정한다Q=20 m3hP1=805 kgfcm2 absPv=67 kgfcm2 absT1= 325F(163)Gf=0904P2=56 kgfcm2 absPc=2244 kgfcm2 abs

밸브의 출구측 압력 P2 와 증기압 Pv 의 위치에서 후라싱이 예상된다 벤츄리형 양글밸브에서 플러그

닫힘 방향으로 유체가 통과한다고 가정하여 FL 치를 3200-1 에서 구한다(1)여기에서 FL=05 를 채용한다(2)우선 PT 를 다음의 식에서 산출한다PT=FL2(P1-FFPv)=FL2[P1-(096-028(3)PT(=0455kgfcm2)는 P(=245kgfcm2)보다 꽤 적기 때문에 쵸크드 흐름(Chocked Flow)영역이다 따라서 다음의 식에서 이 조건에 대한 Cv 치를 계산하면 다음과 같이 된다 =33(계산 Cv 치) 2000 년 11월호 알파와 오메가

제어밸브의 트림

트림은 유체흐름에 직접 접촉하는 밸브의 부품을 총칭하는 것으로써 유체제어 또는 유체 흐름에

의하여 마모되거나 손상될 수 있으며 아울러 교체가 가능한 부품을 트림이라고 한다 제어밸브의

핵심은 결국 트림이며 트림은 제어의 목적에 맞도록 유체흐름을 직접제어하는 부품군인 것이다따라서 트림의 선정에 있어서 가장 중요한 기술적인 요소는 유체가 갖고 있는 다양성(유체의 종류 물리화학적특성 압력유량온도에 수반되는 트림재질의 기계적 성질까지 포함)을 어떻게 잘 제어할 수

있는가의 적용성 문제이다이는 부식침식의 문제와 온도압력의 차이 그리고 운전시간의 문제등을 함께 해결하는 것을 뜻한다 트림선정에 있어서 우선적으로 고려되어야 할 사항은 다음과 같다

① 밸브의 운전상태-간혹 제어 간헐적 제어 연속제어 및 얼마나 계속 운전될 것인가

② 유체의 성질-불순물(고형물질 등)을 포함하고 있는가 유체의 부식특성은 어떤가 온도(초저온 또는

고온) 고청정 유체인가 폭발성 또는 독성가스의 유체인가 등

③ 유체제어 과정에 있어서 케비테이션 또는 후라싱의 발생 가능성

④소음의 규제

⑤ 트림의 서비스 특성-트림의 교체(교환)방법 및 교체 빈도

⑥ 트림에서의 내부 누설 정도-무누설의 트림일 경우 트림구조가 변경될 수 있으며 가격상승의 직접적

요인이 됨

⑦ 유체제어 특성-제어밸브의 게인(Gain)

제어밸브의 트림 구조는 밸브의 종류(글로브밸브 버터플라이밸브 볼밸브 등)에 따라 구조상 큰

특징을 보인다 현재 제어밸브의 트림은 사용하는 유체의 성상과 압력 온도 그리고 밸브에서의

차압의 정도 및 시트에서의 누설등급에 따라 밸브의 종류별로 제한을 받고 있다 볼밸브 버터플라이밸브 및 프러그밸브와 같이 90회전하는 쿼터턴(Quarter Turn)밸브의 경우 밸브에서의

높은 차압 조정이 곤란하고 아울러 시트에서의 시팅구조가 미끄러짐에 의한 슬라이딩 접촉(Sliding Contact)이므로 내누설이 철저히 요구되는 계통에서의 적용은 불가능 하다그러나 일반적인 글로브 밸브에 적용되는 밸브 트림은 매우 다양한 구조로 설계할 수 있다 우선

유량제어 특성에 맞도록 밸브 프러그 또는 케이지(Cage)형상을 기본적인 등비율 특성(Equal Percentage) 선형특성(Linear) 및 급개형특성(Quick Opening)으로 구분하고 있으며 이들 특성을

수정하여 사용하는 경우도 밸브 제작자 별로 많이 있다이들 기본적인 세가지 유량제어특성을 갖는 트림의 구조는 컨투어드 프러그(Contoured Plug) 브이포트(V-Port) 및 특성화된 유로 케이지(Characteriged Flow Cage)가 있다 일반적으로

저압이고 밸브의 최대차단 압력(max Shut off Pressure)이 적으며 밸브 크기가 소형(4이하)일

경우에는 컨투어드 프러그형의 트림을 사용하여도 좋다그러나 밸브에서의 차압이 크게 발생하거나 유체 유동의 유체력(Fluid Flow Inertia Force)이 크게

발생되는 곳에서는 컨투어드 프러그에 안내 가이드로써 케이지를 채택하는 것이 좋다 다음 그림은

미국계기학회(Instrument Society of America ISA)에서 출간한 제어밸브 핸드북에 수록된

유체특성에 따라 설계되는 트림의 형상과 각각의 유량계수 Cr 을 보여주고 있다lt그림 12 참조gt운전압력과 온도가 높고 특히 차압이 큰 경우에는 임계흐름이 될 가능성이 매우 높기 때문에

케비테이션 또는 후라싱의 발생 가능성이 높다 실제로 높은 차압환경에서 운전되는 모든 밸브는

케비테이션 또는 후라싱의 발생으로 특수 설계된 트림이 요구된다후라싱 발생의 경우 밸브 트림에서의 후라싱 방지 방안이 불가능 하기 때문에 밸브 구조 보다는 밸브

트림에서의 후라싱 방지 방안이 불가능 하기 때문에 밸브 구조 보다는 밸브 트림 또는 몸통의

재질등을 보다 강한 재료로 채택한다그러나 케비테이션의 경우 밸브의 트림으로 케비테이션을 저감 또는 억제할 수 있다 모든 제어

밸브회사들은 유체제어에 있어서 유체역학적인 특징들을 고려하여 독자적으로 설계된 트림을 그들의

제어밸브기술 마케팅의 첫째 기술로써 선전하고 있다다음 그림들은 글로브 밸브에 채택되고 있는 고온고압의 내케비테이션(Anti-Cavitation)트림들을

보여주고 있다 lt그림 3~13 참조gt 로브형 제어밸브의 트림선정에 있어서 중점적으로 검토할 항목은

다음과 같다고압운전-강도문제 내침식 재료의 선정 시트에의 내기밀성 유지

고차압운전-내침식 재료의 선정 케비테이션 문제발생(내 케비테이션 트림선정) 스템에서의 강성도

유지 소음(Noise)대책진공운전-시트에서의 내기밀성 유지 금속 벨로우즈에 의한 기밀 유지

고온운전-상용운전온도가 232(450)이상인 경우 고온운전 재료종류에 따른 사용온도 제한 밸브구조의 제한 자켓의 밸브적용

lt트림 재료별 사용온도 제한gt청동 주철 200 이하

주강 300 이하

스텐레스강(SS316)400 이하

마르텐사이트계열(SS420)스텐레스강 45017-4PH 스텐레스강 480 이하

초경합금(텅스텐 카바이드) 650 이하

스텔라이트산화알루미늄 980 이하

인코로이 내열 합금800이하

초저온 운전상용 운전온도가 -100(-150)이하인 경우 초저온 운전 재료 종류에 따른 사용온도

제한 밸브 구조의 제한 콜드박스 또는 진공자켓의 밸브 적용

lt트림 재료별 사용 온도 제한gt구리 청동 황동 오스테나이트 계열 스텐레스 강-268(-450)모넬 하스테로이 -268(-450)마르텐사이트계열 스텐레스강 일반주강-100(-150)주철-17(0)케비테이션 저감 방안

① 밸브 운전 조건(계통 프로세스 운전 조건)의 변경

② 내케비테이션 트림의 선정압력회복이 낮은 밸브선정 높은 KC 및 FL 값을 가진 밸브의 선정 다단계 압력 강하 방식의 트림선정

③ 가스의 투입

④ 밸브 설치 방법의 변경

고점성슬러리 유체 제어- 슬러리(찌꺼기)함유 유체나 고점성 유체의 제어과정에서 원활한 유체

흐름을 갖도록 트림구조를 설계 완전 개방식 앵글밸브 특성 볼 밸브 셀프드레인 밸브 편심형

프러그 밸브 핀치밸브등이 적용된다 2000 년 12월호 알파와 오메가

제어밸브의 트림

다음의 표는 밸브의 대표적인 트림재질 구성으로써 사용조건 사용온도의 범위 사용가능 밸브사이즈

및 사용상의 제한조건을 표로 구성한 것이다제어밸브의 유량 및 레인지어비리티(Rangeability)(1)선형특성(Linear Characteristics)밸브 리프트와 통과 유량이 직접 비례하는 것으로 예를 들어 밸브가 50 리프트이면 전체 유량의

50가 밸브를 통과하게 된다 유체 수위 제어 및 일정한 게인(Gain)을 필요로 하는 유량 제어

목적으로 주로 사용된다(2)등비율특성(Equal Percentage Characteristics)일정한 비율의 스템(Stem)을 이동하였을 경우 이동전 봉과 유량에 대한 스템이동 비율만큼의 유량이

변화하는 것으로 다음과 같은 수식으로 표시될 수 있다dCvdℓ=KCv 즉 Cv=KℓCℓ(단 Cℓ 은 Cv 의 초기값)로 표시되며 Cℓ값 및 K값을 조절함으로써 계통

특성에 맞는 밸브를 선정할 수 있다 주로 계통 압력 강하를 미세하게 조절하기 위한 압력조절

목적으로 사용된다(3)급개형(Quick Opening Characteristics)낮은 스템 이동 부분에서 최대 유량변화 특성을 가진다 대부분 스템이동에 선형적이며 약 30의

밸브를 개방시켰을 경우 총 통과 유량은 전체 유량의 90에 달한다 주로 개폐용이나 자체 구동(Self

Actuated) 제어밸브에 많이 사용한다(4)유량 특성의 선택

계통 설계에 있어서 적절한 밸브 유량 특성은 선택이 중요하다 왜냐하면 밸브 선정시 계통의 특성을

고려한 밸브의 유량 특성은 밸브선정과 매우 밀접한 관계임에도 불구하고 설계자는 밸브의 단순한

기능 즉 유체의 수송 차단 및 조절기능에 의거 설계하기 때문에 실제 운전시 제어상의 문제 제기로

밸브의 선정이 부적절했다는 것을 알게 된다따라서 계통 설계자는 제어 밸브의 크기 및 형상을 선택하는 것이 아니라 제어 밸브의 Cv(밸브 계수) 및 밸브의 유량 특성을 선택하여 설계하는 것이 바람직하다 다음의 [표 234]는 각 계통특성별 밸브

유량 특성의 선택을 요약한 것이다결론적으로 밸브 유량 특성의 선택은 정량적으로 판단하기에는 어려운 것이 사실이나 앞에서 열거한

바와 같이 사용 목적에 따른 유량 특성의 선택 지침은 대략 다음과 같이 요약할 수 있다 즉 등비율 특성을 가진 밸브인 경우 주요 공정에서 계통의 압력 강하를 밸브를 통하여 얻지 못하거나 밸브의 압력 강하가 저유량에서 크고 고유량에서 낮은 경우에 밸브 선택의 지침으로 사용되며 아울러 계통 설계 자료의 부족으로 인하여 밸브를 과대하게 설계할 수밖에 없을 때 이 등비율 특성을 가진

밸브를 선정한다선형 특성을 가진 밸브의 경우는 유체의 흐름이 변화하여 넓은 범위의 유량 측정이 필요하고 계통의

압력 강하량을 밸브를 통하여 알 수 있을 때에 쓰인다(5)레인지어비리티(Rangeability)레인지어비리티는 제어할 수 있는 최소 유량에 대해서 제어할 수 있는 최대 유량비로 정의된다 일반적으로 레인지어비리티는 51(다이아후램 밸브)에서 3001(Throttling 볼밸브)까지 선택할 수

있으나 경험적으로 글로브 밸브의 레인지어비리티는 51sim201 볼 밸브의 레인지어비리티는

301sim501 이다그러나 최근의 특수트림(미로형 트림등)을 사용한 글로브 밸브의 레인지어비리티는 1001 까지도

무난하다 2001 년 1월호 알파와 오메가

(6)누설율

누설율 및 유량특성(Flow Ch-aracteristics)은 밸브 트림(Trim) 즉 프러그 시트 스템 가이드 부싱

(Guide Bushing) 등의 형식을 결정하는 기본 요소이다 ANSI B16104(1976)에는 밸브의 누설율

등급(Leak Class)을 정의하고 있으며 밸브의 닫힘정도(Degree of Shut-off)에 따라 밸브의 가격은

상당히 차이가 난다그러므로 밸브 사양을 작성할 때는 반드시 허용 누설율을 명시함으로써 과도하게 크게 선정된

액츄에이터나 특수 설계를 요하는 밸브를 구매하지 않도록 해야 한다제어밸브의 트림구성에 따른 가격 평가

트림 형식에 따는 누설율(Leak-age Rate)을 [표 7]에 표시하였다 일반적으로 제어밸브의 경우

밸브의 크기별 압력등급별 재질별 사용환경에 따라 밸브가격은 다르게 된다 다음은

미국계측제어공학회에서 경험적으로 밸브의 가격을 비교한 것으로 좋은 참고자료가 될 것이다제어밸브 셋업에 있어서 일반적으로 일어나는 실수

(1)글로브형 제어밸브에 있어서 서비스 조건별 가격 비교(6Prime밸브기준) [표 9참조]

필자의 경험으로 상기 조건에서 가장 큰 가격영향력을 갖는 요소로서는 차압(ΔP)이며 ΔP 와 온도가

높을수록 특수한 트림설계가 요구되므로 밸브트림가격은 기준가격의 10 배까지도 올라갈 수 있다(2)밸브 재질별 가격비교[표 10참조](3)버터플라이 밸브의 라이닝 유무 [표 11참조]제어밸브를 설치하고 실제 운전을 위한 워밍업(Worming up)시에 일반적으로 일어날 수 있는 실수의

사례들을 검토해 보기로 한다 일반적으로 일어날 수 있는 제어밸브 셋업시의 문제는 다음과 같은

사항을 우선 생각하여야 한다 첫째는 셋업 데이터를 잘못 적용하는 사례이고 둘째는 시스템 운전 자료의 변경이나 밸브의

하드웨어의 변경에 따른 충분한 사후 평가 및 대책이 부족한 경우 셋째는 제어밸브를 구성하고 있는

각 구성부품의 기능과 역할을 충분히 숙지하지 못한 경우 넷째로 시스템 운전에 있어서 중점 제어

하여야 할 제어변수(Control Variables)의 지정에 문제가 있는 경우이다 공압식 제어밸브의 경우 이들 문제 중의 상당수가 엑츄에이터에서 자주 경험된다 엑츄에이터의

행정거리 스프링의 초기 압축량 엑츄에이터에 공급되는 공기압력이 제어조건에 모두 잘 맞아야

원활한 운전이 될 수 있다 그러나 실제로 이러한 요인들을 잘 알고 있다고 하여도 일반 현장에서의 사소한 실수는 간혹 매우

심각한 문제를 야기하기도 한다 공압식 제어밸브를 올바르게 셋업하기 위해서는 밸브의 트림과

액츄에이터 그리고 밸브전체의 성능에 영향을 미치는 부품들과 다른 변수에 대하여 확실히 해

두어야 한다 또한 수많은 변수들이 제어밸브의 올바른 셋업에 영향을 주기 때문에 시스템 측면의 운전변수 운전

요구사항 운전 환경 나아가 하나의 작은 제어부품인 리미트 스윗치나 락업밸브(Lock up Valve) 스피드 제어밸브에 이르기까지 하나하나의 구성부품에 대한 올바른 설치 운전을 위한 원리 및 운전

절차서도 충분히 숙지해두어야 하는 것이다 먼저 밸브와 엑츄에이터를 선정하기 전에 제어밸브의 시스템 설계사양에 대하여 충분한 정보와

지식이 있어야 한다 그래야 시스템 설계사양으로부터 밸브의 운전 변수를 갖고 올 수 있으며 특히

밸브의 운전 목적을 확실히 할 수 있다 예를 들어 단순히 운전 데이터만 있는 경우의 제어밸브 선정과

시스템 운전의 제반 운전조건과 목적을 아는 경우의 제어밸브 선정은 그 격을 달리한다 발전소의 히터 드레인 시스템의 경우 간헐적인 조절기능이 있는 제어밸브와 차단밸브로 각각의

시스템을 구성할 수 있지만 단순한 운전 자료만을 가지고는 항상 유량을 제어하는 밸브로 시트

누설등급이 IV 인 밸브로 그리고 운전 모드에 따라 케비테이션과 후라싱이 동시에 생길 수 있는

그야말로 특수의 고가의 트림을 선택하여야 하는 제어밸브로 선정할 수도 있다하지만 이 시스템의 운전기능과 목적을 알고 있다면 제어밸브의 선정은 보다 용이해지고 신뢰도가

높으면서 안정된 가격의 제어밸브를 택할 수 있다 간헐적인 운전의 밸브에 시트 누설이 매우 낮은

등급 V 의 정도의 트림과 더불어 밸브 후단에 희생 오리피스를 장착하거나 또는 밸브의 출구배관을

크게함으로써 시스템의 건전하고 경제적인 운전을 도모할 수 있는 것이다 제어밸브를 선정하기 위해서는 밸브의 입구압력 출구압력 밸브에서의 차압 유체의 온도 유량 그리고 부식침식에 대한 화학적특성 시트의 누설등급 정도 밸브에 동력원이 상실되는 경우에 있어서

밸브의 운전 위치 열고 닫음의 속도 제어의 특성이 모두 고려되어야 한다 또한 제어밸브는 압력 유지부품으로써 운전강도에 대하여 구조적으로 건전하여야 함으로 이에

영향을 받는 밸브의 패킹구조 트림 및 엑츄이에터도 함께 고려하여야 한다 제어밸브의 압력유지

구성품은 밸브의 몸통 본네트 및 본네트 볼트가 일반적으로 해당되고 간혹 프러그가 압력

유지부품으로 간주되는 경우가 있다 밸브의 패킹구조 또한 매우 중요한 제어밸브의 기술적인 부품으로써 시스템의 운전환경에 대해

다양한 형태의 패킹 구조가 도입되어 있다 제어밸브의 트림은 유체의 건전한 제어를 실질적으로

수행하는 핵심으로 운전조건에 따라 제어목적에 따라 그리고 유지 보수의 편의에 따라 또한 매우

다양한 형태가 선택된다무엇보다도 제어밸브의 핵심적인 설계변수는 밸브의 입구압력 출구압력 유체 온도 유량 및 개폐

모드 및 시간이다 본네트 및 패킹의 설계변수는 각기 다른 밸브재질과 설계 형태에 따라 달라지는데 패킹 링의 수량 스템의 표면 가공 정밀도 밸브조립시의 응력 분포 스템에의 윤활 여부 스템

조립시의 직진도와 밸브 조립시의 기능의 정도가 본네트 및 패킹의 설계에 직접적인 영향을 미친다 특히 패킹의 경우 패킹의 재질 형태 및 씰링의 신뢰성등을 고려하면 제어밸브의 셋업에 상당한

영향을 준다 패킹을 얼마나 조이는가에 따라 스템의 운전 부하가 달라지고 과도한 부하(많이 조여서)일 경우 제어밸브의 스템은 헌팅(스템이 부드럽게 운동하지 못하고 덜거덕 거리면서 운동함)이

일어나고 심한 경우 제어가 안될 수도 있다 트림설계의 경우에는 매우 다양한 종류의 트림들이 밸브 여러 회사마다 독특한 디자인으로 소개되어

있다 트림은 기존의 어떤 회사의 브랜드 이미지 보다는 철저하게 시스템의 운전 목적에 합당한

것이어야 하며 그 성능은 밸브별로 각각 평가 보증되어야 한다 트림의 스타일은 바란스 트림(Balance Trim) 언바란스 트림(Unbalance Trim) 파이롯트형

탠덤트림(Pilot Operated Tandem Trim)이 있고 이들 트림은 언바란스면적 씰링 마찰력 파이롯트 밸브 스프링의 힘 트림의 재질 및 트림의 시트 내누설 정도에 따라 액츄에이터의 성능에

영향을 준다 액츄에이터는 피스톤형 다이아후람형 레버 조작형등이 있으며 액츄에이터의 설계변수는 스프링의

초기 압축력 스프링의 상수 작동 공기의 압력 행정 길이 밸브 안전위치(Failure Mode) 액츄에이터의 취부 방향 크기 작동환경 행정에 소요되는 시간 및 액츄에이터의 설계형태 등이다 올바른 액츄에이터를 선정하기 위해서는 우선적으로 동력원인 압축공기가 손실되었을 때 요구되는

안전위치를 정해 두는 것이 좋다 다음은 액츄에이터 및 트림의 형식별 동력원 손실시의 작동

방향이다 [표 12참조]공기작동식 제어밸브에서 가장 잘 일어나는 셋업의 실수는 벤치셋(Bench Set)이다 벤치셋은

엑츄에이터내에 일정한 공기압력에 다달으면 엑츄에이터가 움직이기 시작하는 하는 데 이 때의

공기압력을 설정하는 것을 벤치셋이라고 한다 계산에 근거한 벤치셋 공기압력은 실제의 시스템에 투입되어 운전하고 있는 밸브의 벤치셋과는 다른

값을 가진다 시스템에 투입된 경우에는 패킹의 마찰력 트림의 총 무게 파이롯트 밸브의 스프링

힘 그리고 시스템 운전 압력이 모두 고려되어야 한다 실제적인 밸브의 보증은 시스템에 밸브가

설치된 후 건전하게 운전됨을 확인한 후에 밸브의 보증은 이뤄져야 한다 따라서 밸브를 제작자로부터 인도 받은 후 보관 및 설치가 건전하게 절차에 따라 이루어지고 밸브

제작사의 입회 하에 시스템 운전과 병행하는 커미션닝(Commissioning)이 완료된 후부터 실질적인

밸브 보증은 이뤄지게 되는 것이다 일반적으로 제어밸브의 사용자 불만은 밸브 시트에서의 누설 밸브 운전 중 부드럽지 못한 동작 시트에서의 디스크나 프러그의 고착(Sticking) 비정상적인 행정(Stroke) 시간과 구성 부품의 손상

등이 주된 불만사항 들이다 이들 불만사항 들을 원인별로 정리하면 다음과 같은 요인들에 의한다 트림의 마모 공기 공급체계의 문제 포지션너나 컨버터 등의 제어요소 문제 시스템에서 불순물 침입

셋업의 잘못 액츄에이터 구성 부품의 손상 패킹 문제 부적합한 부품의 사용 등이 이들 요인들이다 다음의 예들은 제어밸브의 셋업에서 일어 난 사례를 정리한 것이다 lt사례gt 밸브제작자는 밸브를 구체적으로 사양을 정하기 전에 어떤 시스템에서 어떻게 운전하는

밸브인가를 먼저 확인하여야 한다 시스템의 운전 환경과 조건을 충분히 숙지하고 다음과 같은 절차에

따라 밸브를 선정한다A 시스템 운전 환경 조건 및 요구사항을 정함1 운전조건 [표 13참조]B 트림의 설계변수는 다음과 같다 프러그설계 언바란스

프러그 언바란스 면적의 계산 UA = 1227 inch스템의 언바란스 면적의 계산 SA = 0442 inch프러그 직경 PD = 125 inch스템 직경 SD = 075inch트림의 재질 SS410 스텐레스강

프러그 작동 직동(Direct 밸브 Open 스템 운동 방향 a 액츄에이터)밸브의 유체 흐름 방향 시트하부로부터

시트 내누설 요구사항 Class IVC 엑츄에이터의 설계변수는 다음과 같다밸브 안전위치 공기압 상실 시 밸브 열림

행정길이(스트로크) S = 10 inch공기압력원 AP = 60 psig최소 시트 접촉력 CL = 120 lbf정상시의 시트 접촉력 CL = 0047(PD)(DP+1000)=0047(125)(2200) = 1293 lbfD 적용되는 본네트패킹의 설계변수는 다음과 같다패킹 재질 팽창흑연 패킹

패킹 링의 수 5 개

패킹 형태 사각형 성형 패킹

패킹에 작용하는 하중의 형태 정적(Static)패킹의 밀도 90lbfft패킹 윤활여부 없음

최소 허용 패킹 응력강도 PS = 1500psi정상 운전 시의 패킹 마찰력 PF = 03(SD)(PP) = 030751500 = 3375E 해 석

유체흐름이 밸브 시트 아래에서 위로 흐르고 언바란스 트림인 경우 밸브 완전 닫힘에서 스템 을

작동시키는 데 필요한 힘은 SFC(Stem Force to Close) = P1(UA)-P2(UA-SA)-PA(SA)+PF+CL= 14151227-215(1227-0442)-150442+3375+1293= 20276 lbfSFO(Stem Force to Open) = 3375 lbf( = PF) 이 경우 밸브 내부의 압력이 작용하지 않고 단지

패킹의 마찰력만이 작용한다 이 값은 엑츄에이터의 초기 스프링 압축량으로 환산되어야 한다F 엑츄에이터의 선정

앞서의 선정 과정을 거쳐 실제 적용할 엑츄에이터로서 다이아후람 단면적이 AA = 60(inch)이고

스프링 상수 R = 1000 lbfinch 인 엑츄에이터를 선정하였다 따라서 엑츄에이터의 벤치셋 스프링

초기 압축압력 BS(psig) 은 BS = PF60 = 337560 = 56 psig 60psig 밸브를 완전히 닫기 위한

스프링 압축압력 AC(psig) 는 AC = [AABS+RS+SFC] 60 = [606+10001+20276]60 = 565 a 60 psigG 액츄에이터에 60 psig 의 구동압력으로 무부하상태의 밸브를 닫았을 때 시트에서의 응력을

검토해야 한다 먼저 시트에 작용하는 시트하중을 구하면 시트 하중 SL(lbf) = AAAP - SR - BSAA - PF = 6060-11000-660-3375 = 19025 lbf시트 응력 SS(psi) = SL(003PD314) = 19025 (003125314) = 1615 psi OKlt 문제점 분석 - 시나리오 1 gt상기 사례에서 선정된 밸브에 라이브 로디드 스템 패킹(Live Loaded Stem Packing)을 채택하였다 새로운 패킹을 삽입한 후의 패킹 마찰력은 600lbf 로 증가될 것으로 판단되었으나 엑츄에이터의

스프링 초기 압축력은 변경하지 않았다 새로운 패킹으로 교체한 경우의 예상 초기 벤치셋은 BS = PFAA = 60060 = 10psig 가 되어

초기의 56psig 보다도 높은데도 불구하고 벤치셋을 수정하지 않은 상태로 운전에 들어 간 결과 반년

후 고객으로부터 밸브 시트에서의 누설이 심하다는 불만사항을 접수 밸브를 분해하여 검토한 결과

시트 표면의 손상이 발견되었다 실제 운전시의 벤치셋을 평가하기 위하여 밸브 닫힘시의 공기

구동압력을 다시 계산하면

AC = (AABS+RS+SFC)60 = 605 psigAP = 580 psig(실제 공급되는 공기압)따라서 부족한 시팅력은 150lbf(= AA(AC-AP) = 60(605-580) = 150 lbf)가 되었다 결론적으로 라이브 로딩 패킹의 채택에 따른 벤치셋을 제대로 하지 않았기 때문에 시트 누설 방지를

위한 최소한의 접촉력인 1293 lbf 가 확보되지 못하여 시트에서의 지속적 누설에 의한 시트 기밀

구조의 파괴에 의하여 문제가 생긴 것으로 판단되었다 해결책은 구동 공기의 압력을 60 psig 에서 70 psig 로 높이고 벤치셋을 다시 점검한다lt문제점 분석 - 시나리오 2gt밸브 진단 장치를 가지고 밸브의 다이아후람 공기압력 대비 밸브의 개도 위치 관계를 밸브를 개폐하면서 기록하여 보았다 기록의 결과는 닫을 때의 다이아후람 공기압력은 밸브를 열 때의

공기압력 보다 11psig 정도 높았다 이러한 결과는 스템 패킹의 과도한 조임에 의하여 생기는 것으로써 이 패킹의 마찰력 차이는 PF = 110AA2 = 1106002 = 330 lbf 로 판단되었다 또한

기록서는 또한 다이아후람의 압력이 60 psig 일 때 닫히기 시작했으며 밸브가 완전히 열리기 전에

다이아후람의 공기압력은 0 psig 가 되었다 이는 엑츄에이터의 벤치 셋이 패킹 마찰력 330 lbf 때문에 다시 조정되어야 함을 보여 주는 것이다 패킹의 추가 조임에 따라 패킹 마찰력이 증가되는 만큼 엑츄에이터의 초기 공기압력은 재조정 즉

벤치셋의 값을 증가 시켜야 하는 것이다 lt결론gt이러한 과정-시나리오를 통하여 본 밸브는 장기간 신뢰성 있는 운전을 보장할 수 있다 즉 운전에

영향을 주는 제반 변수들을 완전히 이해하는 것이 무엇보다 중요한 것이다lt가혹 운전용 밸브의 판정 점검 포인트gt(1) 밸브 입출구의 압력차가 1000psi 이상인 경우

(2) 운전온도가 800 이상인 경우

(3) 케비테이션이 존재하는 조건

(4) 후라싱이 발생하고 후라싱 유체의 유속이 30000 feetminute 를 넘는 경우

(5) 시스템 운전 부하의 변동폭과 횟수가 많아 빈번한 운전을 요구하는 경우

(6) 긴급 운전을 요구하는 경우

(7) 이상유체(Two Phase Flow) 또는 혼합 유체(Mixed Flow)의 운전

lt가혹 운전용 밸브에서 흔히 발생될 수 있는 문제점gt(1) 잘못 선정된 트림 유량특성 형식 또는 과대 사이즈된 결과로 시스템 제어가 잘 안됨

(2) 트림 형식을 잘못 선정하거나 인슐레이션의 부적절로 인한 과도한 소음 또는 진동

(3) 불충분한 엑츄에이터 추력으로 인한 시트의 흠집 또는 와이어드로우잉

(4) 엑츄에이터의 축 정렬 잘못에 의한 시트 누설

(5) 부적절한 배관 세정(Flushing)으로 인한 이물질의 트림내 침입과 이로 인한 시트 누설

(6) 부적절한 트림선정이나 설치 잘못으로 인한 패킹 씰 구조의 파괴

(7) 부적절한 트림재질 선정 또는 경도의 부족으로 인한 고착 또는 긁힘(Galling)(8) 트림 부품의 가공 정밀도 문제로 인한 축 정렬 문제 - 고착 또는 긁힘 발생

(9) 부적절한 트림 형식의 선택 밸브에서의 과도한 압력 강하 또는 적은 사이즈 엑츄에이터의 선정에

의하여 시팅 시 밸브 스템이 점핑하는 현상

(10) 잘못된 시스템 운전 조건에 의한 밸브 트림 선정 불충분한 추력의 엑츄에이터 선정으로 인하여

낮은 개도(10 미만)에서의 운전과 이로 인한 시트의 내누설 구조의 파괴

(11) 가혹한 시스템 운전 조건하에서 케비테이션에 견딜 수 없는 부적절한 트림의 선택

(12) 가혹한 진동 축 정렬 잘못 스템 강도의 부족으로 인한 스템의 굽힘이나 파단의 문제

(13) 시스템의 압력 변동 배관계 설계 잘못으로 인한 진동의 요인 혼합유체의 제어 또는 불충분한

추력의 엑츄에이터 선정으로 인하여 밸브 스템이 춤을 추는 현상 등

2001 년 2월호 알파와 오메가

이번호에서는 제어밸브에 대한 엔지니어링을 기존 발전소에 설치된 밸브를 중심으로 실예를 들어

설명하기로 한다 이 설명에는 제어밸브의 ISA 계산법칙에 따른 계산서를 첨부하여 이를 참고로

평가를 하여야 하나 지면 관계상 이를 생략하고 다음호에서는 제어밸브의 엔지니어링을 발전소를

중심으로 하는 실제 시스템 측면에서 검토하기로 한다 이 검토를 끝낸 후에 제어밸브의 구동장치

설계 선정 및 엔지니어링 계산방법을 기고할 계획이다 실전 예제 - 제어밸브 선정자료의 검토

발전소 주증기 및 주증기 바이패스 계통 콥스-발칸사 제어밸브 선정 자료 검토 보고서(Control Valve Engineering Report of Main Steam amp Bypass System in Power Plant)주증기 드레인 밸브 LCV-14

1제어밸브 최초 설치 조건

(1)제어밸브 구매자 제작사 United Technologies CVI JOB NO91-34285-10(2)Original Control Valve Sizing Condition [표 1참조](3)신규로 시스템 운전에 근접하게 운전조건을 가정하여 밸브의 설계조건으로 함 [표 2참조]

2기능

본 제어밸브는 고압증기배관에 생기는 응축수를 증기트랩을 통하여 계속 방출하기 어려울 정도로

다량의 응축수가 생겼을 경우 MS-14-LSH 의 시그널에 의하여 이들 응축수를 복수기로 방출하는데

사용되는 ON-OFF 용 제어밸브이다

3 운전

4 문제점 및 대책

(1) 문제점 현상

현재의 문제점은 밸브 차단 시 디스크가 들리는 듯한 현상으로 계속 유체가 누설되는 현상이 발생되는

점인데 이는 실제 구동부가 약하여 입구측 압력에 의해 구동부의 스프링이 들리는 것으로도 보일 수

있다 (2) 문제의 원인

문제의 근본적인 원인은 최초 제어밸브의 발주 시 운전 데이터가 전무한 상태로 밸브의 사이즈와 압력

등급(Pressure Tempera- ture Rating)만 제시하고 구매 설치한 것 때문이다 즉 계통특성에

맞도록 제어밸브를 엔지니어링하여 제어밸브를 선정했다면 이런 문제는 발생되지 않았을 것이다계통 특성상 본 제어밸브는 주증기관에 생기는 응축수를 복수기로 방출하는 역할이므로 밸브가 열려

운전하는 상태에서는 후라싱 현상을 피할 수 없다 따라서 후라싱이 게속 진행되어 왔다면 현재의

프러그 조절형(Plug Throttle)트림의 침식현상은 아울러 피할 수 없다 침식 누적으로 인한 유체의

과도한 누설(Passing)은 외부적으로 구동부의 힘이 약하여 발생되는 것으로 인식될 수 있다(3) 문제의 분석평가

앞서 1(3)에서와 같이 기존의 밸브 데이터 시트를 참조하여 역으로 밸브 사이즈와 트림내용만 같고

복수기로 방출되는 응축수의 드레인 량을 최소 시간당 4톤에서 12톤까지 넣어 밸브를 사이징 한

결과 모든 조건에서 후라싱은 피할 수 없으며 밸브가 차단되어 있을 때 밸브의 차단 압력은

입구압력의 15 배(여유를 충분히 고려)로 하여 구동부 사이즈를 검토한 결과 차단용 제어밸브로서의

구동부 크기는 60inch 로써 현재의 구동부로도 충분하게 차단할 수 있는 것으로 판단된다후라싱 서비스용 트림으로써 프러그 조절형 트림은 적절하지 않으며 특히 유체의 유로가 밸브 디스크

하부에서 상부로 흐를 때(under the web)는 특히 후라싱 서비스에서는 적합한 밸브의 유로 방향

선택이 아니다밸브의 출구 후단은 적어도 2단계로 배관이 확관 되어야 고속 유체 흐름에 의한 배관의

침식을 완화 시킬 수 있다(4) 대책정기 보수 시 본 밸브를 해체하여 침식여부를 확인하고 침식의 진행정도에 따라 후라싱(Flashing)용

트림(후라싱 현상에도 트림이 견딜 수 있는)으로 교체한다 현재의 밸브설치 위치와 복수기와의

거리를 측정하여 거리가 멀리 떨어져(5m 이상) 있다면 밸브를 가능한 한 복수기에 가깝도록 이전

설치를 검토한다 아울러 밸브의 출구 배관이 현 계통도에는 1Prime로 되어 있는 바 발전소 유지보수의

경제성 측면에서 적어도 25Prime로 확관하거나 복수기 전단에 레스트릭션 오리피스(Restriction Orifice)를 설치하여 고가의 밸브 보수로 인한 경제적 부담을 완화시킨다 밸브제작사의 공인 서비스

업체에 전반적인 진단을 의뢰한다주증기 바이패스 압력제어 밸브 PCV-151 제어밸브 최초 설치 조건

(1) 제어밸브 구매자 제작사 United Technologies CVI JOB NO91-34285-10(2)Original Control Valve Sizing Condition [표 3참조](3) 신규로 시스템 운전에 근접하게 운전조건을 가정 [표 4참조]2 기능

본 제어밸브는 고압증기의 터빈 바이패스 배관의 주 제어밸브의 릴리이프 밸브로써 바이패스의

증기량이 급격히 증대되거나 주 제어밸브가 운전 불능일 때 증기를 바이패스 하는데 ON-OFF 용도로

사용된다 3 문제점 및 대책

(1) 문제점 현상

현재의 문제점은 밸브 차단 시 디스크가 들리는 듯한 현상으로 계속 유체가 누설되는 현상이 발생되는

점인데 이는 실제 구동부가 약하여 입구측 압력에 의해 구동부의 스프링이 들리는 것으로도 보일 수

있다 (2) 문제 원인

문제의 근본적인 원인은 최초 제어밸브의 발주 시 운전 데이터상 ON-OFF 밸브이기 때문에 증기의

유속을 무시하고 배관 사이즈대로 3Prime의 밸브를 선정하였음 그러나 운전 조건상 입구압력(P1)이

760psia 정도로써 유량 계수는 Cv=110 를 초과하여 운전하는 것이 현재의 운전 상태임 현재 운전

조건 하에서의 유속은 6214 msec 로써 우려할 만한 유속이나 차단용 제어밸브이기 때문에 적용이

가능함

그러나 실제 설치된 밸브의 Cv값은 Cv=97 로써 현 운전조건에 비하여 작은 용량의 밸브를 사용하고

있는 것임 또한 제작사 United Technologies 가 최대 용량으로 밸브를 선정했기 때문에

제어밸브로서는 거의 적용되지 않는 다이아후람의 공기압력을 80psig(56kgcm)을 요구하여

운전토록 하고 있는바 그간의 운전실적으로 보아 스프링의 시효 감소로 구동부의 스프링이 들릴

가능성이 매우 높음 따라서 문제는 밸브의 용량 부족과 더불어 구동부의 크기가 작게 선정된 것이 본

밸브 문제의 근본 원인이라 판단됨

(3) 문제의 분석평가

제어밸브 데이터시트 PCV-15 에서 보는 바와 같이 실제 운전 조건과 최초 선정된 데이터로 사이징 한

결과 밸브가 열릴 때의 소음이 매우 크며(약 110 dBa 이상)밸브가 차단되어 있을 때 밸브의 차단은

오직 구동부의 스프링 힘에 의해서만 차단되도록 되고 있으나 이때의 공기압 압력이 완전 차단에

미치지 못하고 있을 가능성이 있으며 밸브의 요구 유량을 원활하게 차단개방하기 위해서는 구동부의

크기(용량)가 적어도 260inch 로 기존 설치된 160inch 의 것보다 훨씬 큰 사이즈의 구동부를 필요로

하는 것으로 분석됨(4) 대책정기 보수 시 본 밸브를 해체하여 침식여부를 확인하고 침식의 진행정도에 따라 밸브의 트림을

보수한다현재의 운전 모드를 계속 사용하는 조건이라면 본 밸브의 다이아후람 구동부의 크기를

현재의 160 inch 에서 260 inch 의 모델로 교체 설치한다밸브제작사의 공인 서비스 업체에 전반적인

진단을 의뢰한다주증기 바이패스 압력제어밸브 PCV-201 제어밸브 최초 설치 조건

(1) 제어밸브 구매자 제작사 United Technologies CVI JOB NO91-34285-10

(2)Original Control Valve Sizing Condition [표 5참조]신규로 시스템 운전에 근접하게 운전조건을 가정 [표 6참조]2 기능

본 제어밸브는 고압 증기 바이패스 배관의 고압 증기 유량을 제어하는 밸브이다 3 문제점 및 대책

(1) 문제점 현상

(2) 문제 원인

(3) 문제의 분석평가

새로 계산된 밸브 데이터 시트에서 보는 바와 같이 현재 설치되어 있는 밸브의 운전 조건으로 보아 더

많은 유량 더 높은 고압증기의 유입에도 본 밸브는 적절하게 운전되는 밸브로 선정되어 있다 운전

특성상 특별한 문제점이 밸브의 선정상 발생할 소지는 없다(4) 대책정기 보수 시 본 밸브를 해체하여 침식여부를 확인하고 침식의 진행정도에 트림을 보수한다주증기 방출 제어밸브 PCV-321 제어밸브 최초 설치 조건

(1) 제어밸브 구매자 제작사 United Technologies CVI JOB NO91-34285-10 (2)Original Control Valve Sizing Condition [표 7참조](3) 신규로 시스템 운전에 근접하게 운전조건을 가정 [표 8참조]2 기능

본 제어밸브는 HRSG 의 고압증기를 복수기로 바이패스 하는데 사용되는 제어밸브이다 3 문제점 및 대책

(1) 문제점 현상

현재 예상되는 문제점은 밸브가 운전할 때 증기의 유속이 비교적 빠름으로 인하여 생기는 소음문제를

예상할 수 있으며 특히 낮은 개도도로 운전 시 시트부위의 침식으로 인한 누설 가능성이 높은 점이다

(2) 문제의 분석평가

제어밸브 데이터시트에서 보는 바와 같이 실제 운전 조건과 최초 선정된 데이터로 사이징 한 결과

현재의 다이아후람 구동부는 160 inch 로써 실제 운전 조건대로 계산 선정되는 100 inch 보다 큰

구동부 임으로 밸브 구동력에는 아무런 문제점이 없다그러나 고속의 증기를 제어하는 밸브이기

때문에 소음 문제와 더불어 시트 부위의 침식(장기간 사용시) 문제가 예상됨으로 주기적으로 트림을

점검하여 손상 유무를 확인하여야 할 것임 (3) 대책정기 보수 시 본 밸브를 해체하여 침식여부를 확인하고 침식의 진행정도에 따라 밸브 트림의 보수

여부를 결정한다제작사의 공인 서비스 업체에 전반적인 진단을 의뢰한다 2001 년 3월호 알파와 오메가

밸브 디수퍼히터 냉각수 제어밸브 TCV-3743 1제어밸브 최초 설치 조건

(1)제어밸브 구매자 제작사 United TechnologiesCVI JOB NO91-34285-10(2)Original Control Valve Sizing Condition [표 1참조]

(3)신규로 시스템 운전에 근접하게 운전조건을 가정 [표 2참조]2 기능

본 제어밸브는 고압 증기 바이패스 배관의 증기 토출 온도를 제어하기 위해 사용되는 디수퍼히터의

냉각수 제어밸브이다3 문제점 및 대책

(1) 문제점 현상

현재 제어밸브의 운전조건은 케비테이션이 발생하는 조건이므로 이를 방지하기 위하여 케스케이드

트림을 채택하고 있다 따라서 운전 조건상 케비테이션이 있는 밸브이므로 주기적인 점검이 필요한

밸브이다(2)문제의 분석평가

새로 계산된 밸브 데이터 시트에서 보는 바와 같이 현재 설치되어있는 밸브의 운전조건으로 보아

케비테이션이 발생하고 있으나 내 케비테이션 (Anti-Cavitation) 트림인 케스케이드(Cascade) 트림을 채택하고 있어 케비테이션에 의한 심각한 문제는 발생하지 않을 것이다 아울러 운전 특성상

케비테이션외에 다른 특별한 문제점이 밸브의 선정상 발생할 소지는 없는 것으로 판단된다(3) 대책정기 보수 시 본 밸브를 해체하여 침식여부를 확인하고 침식의 진행정도에 트림을 보수한다 케스케이드 트림은 주기적으로 교체한다밸브 디수퍼히터 냉각수 제어밸브 TCV-37A43A1제어밸브 최초 설치 조건

(1)제어밸브 구매자 제작사 United TechnologiesCVI JOB NO91-34285-10(2)Original Control Valve Sizing Condition [표 3참조](3)신규로 시스템 운전에 근접하게 운전조건을 가정 [표 4참조]2 기능

본 제어밸브는 고압 증기 바이패스 배관의 증기 토출 온도를 제어하기 위해 사용되는 디수퍼히터용

냉각수 분사목적의 제어밸브이다3 문제점 및 대책

(1) 문제점 현상

현재의 문제점은 실제 운전 조건과 설치된 밸브의 선정 조건간에 입구압력이 현재 약 54kgcm2 으로

밸브 구매 시 사용된 200psia(약 14kgcm2)보다 월등히 크고 따라서 밸브의 구동장치 크기를

결정하는 완전차단(Shut-off) 운전조건이 크게 차이가 나는 현상이 발생했다 이에 따라 밸브가 닫혀

있어도 밸브 디스크가 들린 상태이기 때문에 근본적으로 밸브 역할을 하지 못하게 되는 것이다 또한

차단 시 약간 들린 상태로 운전함에 의해 밸브의 트림이 크게 침식되는 우려가 있다(2) 문제 원인

문제의 근본 원인은 최초 밸브의 선정 데이터가 잘못되었거나 또는 운전 모드를 다르게 하여

운전하는 결과로 볼 수 있다(3) 문제의 분석평가

본 밸브는 근본적으로 구동부의 선정이 현 운전조건에 비하여 너무 작게 선정되었기 때문에 구동부의

크기를 현재의 100 inch2 에서 160 inch2 의 것으로 바꾸어야 하며 현재 운전조건하의 밸브

유량계수는 Cv = 103 밸브개도율 7 ~10로 매우 작아 밸브가 낮은 개도에서 운전함으로써

제어성능이 떨어지고 밸브 트림의 침식 등 손상 가능성이 매우 높다 따라서 현 운전조건 상태 하에서

밸브의 크기를 바꾸지 않는 조건이라면 밸브의 트림을 적어도 2~3단계이상 줄여서 밸브 트림을

개조하는 것도 좋은 방법이라 평가된다(4) 대책lt1 안gt 밸브를 교체하지 않는다면 밸브 다이아후람 구동부를 현재의 100 inch2 에서 160 inch2 로

교체한다 이 경우 트림사이즈를 밸브 트림의 원활한 제어범위(적어도 40이상의 개도에서

운전되도록)에 맞는 트림으로 교체하여야 한다lt2 안gt 밸브의 다이아후람 구동부를 교체하지 않고 현재의 밸브 3rdquo(80mm)-4port 트림을

1rdquo(25mm)-4port 의 작은 트림 사이즈로 엔지니어링하여 교체한다 정기 보수 시 본 밸브를 해체하여

침식여부를 확인하고 침식의 진행정도에 트림을 보수한다 - 이 밸브의 경우 개보수 작업 시

제작사의 전문적인 조언이 필요하다1 미니멈 흘로우 배관 및 밸브가 설치되는 이유

일반적으로 보일러 급수 펌프는 전형적인 고에너지(높은 압력 높은 온도) 수송용 펌프로써 펌핑작용에 의해 발생되는 전체 에너지 중에서 어느 정도는 열로 변환된다 발전소 기동시 시스템은 보일러가 아직 완전 부하로 되지 않아 많은 급수량을 필요로 하지 않는다 따라서 급수 펌프는 토출 유량이 펌프의 성능곡선상의 적정 유량으로 운전되지 않고 펌프의 최소

흐름상에 가깝게 운전하게 된다 이때 펌프의 토출 압력은 급격히 증대하면서 펌프내의 온도가 상승하여 펌프내의 케비테이션이나

급격한 압력 상승으로 펌프 구조 자체를 손상시킬 수 있다 이러한 현상의 발생을 시스템적으로 예방하기 위한 조치로써 펌프에 미니멈 흘로우 배관을 설치하고 펌프의 운전 부하에 따라 미니멈 흘로우의 유량을 제어하여 펌프의 정격 압력을 유지시키고 펌프

보호를 위하여 미니멈 흘로우 유량을 탈기기 탈기기 저장탱크 또는 복수기로 재순환 시키는 것이다 2 미니멈 흘로우 배관 시스템의 전형적인 운전

-보일러 급수 펌프가 운전을 시작하면 미니멈 흘로우 밸브는 열리고 급수 또는 시동용 급수 배관의

제어밸브는 닫힌다

-미니멈 흘로우 배관 시스템을 통한 초기 펌프의 정상 운전준비(Warm up)가 끝나면 급수 제어밸브는

서서히 열린다

-급수 펌프의 10~25 용량까지 급수량이 증대되면 미니멈 흘로우 밸브는 닫히기 시작한다 대부분의 경우 급수량 기준 출력이 일정량(설계에 따라 다르지만 일반적으로 30~40)에 다다르면

미니멈 흘로우 밸브는 닫힌다

-미니멈 흘로우 밸브가 닫힌 후 급수 시스템 유량이 펌프의 정격 유량의 25 이하까지 떨어지면 펌프에서의 급격한 압력 상승 및 온도 상승에 대비하여 미니멈 흘로우 밸브는 열린다

-따라서 통상적으로 미니멈 흘로우 밸브는 시스템 운전 기간 중 90~95 정도는 완전히 닫힌 상태로

운전한다

-따라서 이러한 운전 모드를 분석하면 미니멈 흘로우 밸브는 발전소내의 어떠한 밸브 보다도 높은

차압 하에서 운전하는 밸브이다3 미니멈 흘로우 밸브의 시스템 구성

-밸브 자체를 시스템 부하에 따라 유량 제어밸브로 하는 경우 한전의 500 만 KW 급 규모이상의 대용량

발전소 주로 채택

-밸브를 단순히 개폐용으로만 하고 높은 차압을 밸브 후단에 오리피스로 해결하는 경우 포스코 광양

발전소와 같이 출력이 150~300 만 KW 급의 중소형 발전소 채택

-밸브를 설치하지 않고 오리피스로만 해결하는 경우 소형 보일러일 경우만 채택

2001 년 4월호 알파와 오메가

4 운전 데이터

1) 제어밸브 [표 1참조]

2) 감압용 오리피스 [표 2참조]A 기존 오리피스제작사(펌프제작사)에서 설계제작 데이터 기준

오리피스의 설계제작은 펌프제작사에서 수행한 것으로 판단되며 설계차압은 펌프의 최대 압력에

기준한 것으로 탈기기의 압력이 통상적으로 5kgcmg 로 예상되고 탈기기까지의 관로 압력 손실을

고려한다면 오리피스 출구의 압력은 적어도 6kgcmg 내외가 되는 것으로 판단하여 입구압력은 약

1874kgcmg 로 가정한다

B 실제 운전 조건 [표 3참조]정상 출력시 급수량이 330000kgHour임으로 출력이 33일 경우에 미니멈 흘로우 밸브상으로는

110000kgHour 가 흐르게 된다5 분석 및 대책

1) 기존 오리피스의 현상 및문제점

A) 기존의 오리피스는 전형적인 다단 오리피스로써 고강도의 마르텐사이트 계열의 스텐레스 강판에

여러 개의 구멍을 내어 필요로 하는 압력차를 갖게 하였다

그러나 다단의 오리피스를 감압용으로 사용하는 경우 오리피스 판과 판 사이에는 케비테이션의

방지책으로 적정의 거리를 유지하여야 하고 구멍을 통한 고속의 유체 흐름으로 인한 침식(구멍의

마모)현상과 이에 따른 구멍의 크기 증대로 인하여 감압성능은 사용연수에 따라 크게 떨어진다

아울러 초기 설계의 유량이 많고(실운전 110th 설계 124th) 설계 차압이 실제 운전과 상당한

차이를 보이는 것으로 판단하여 실제 운전 차압은 상당히 낮아진 것으로 판단한다B) 미니멈 흘로우 배관 시스템의 운전 특성상 실제 운전유량은 설계유량인 124h 로 일정하게

운전하는 것이 아니고 운전 초기의 부하가 정상 운전 부하에 근접하거나 또는 정지 시에는 상당

시간을 설계유량보다 상당히 적은 유량으로 운전하게 됨으로 이 오리피스는 유량 변화에 따른 감압을

대부분 미니멈 흘로우 밸브에 전가함으로 미니멈 흘로우 밸브에는 케비테이션이 발생하게 된다

이때 발생한 케비테이션으로 인한 밸브의 시트 손상은 정상 운전 시에도 계속적인 높은 차압 하에서

강도 높은 누설을 일으키므로 미니멈 흘로우 밸브는 매우 심각한 손상을 입게 되는 것이다 2) 개선 방안 및 대책

A) 미니멈 흘로우 밸브의 시트 누설 등급을 높힌다

B) 오리피스는 유량변화에 부응하는 가변 오리피스를 채택한다 붙임의 개선된 오리피스는 유량의

변화에 따라 오리피스의 개도가 변하는 것으로 시스템의 운전 부하에 비례하게 운전함으로 미니멈

흘로우 밸브의 압력 부하를 일정하게 하여준다

C) 오리피스는 장시간 운전하여도 오리피스 구멍이 구조적으로 잘 마모되지 않는 속도제어식 미로형

오리피스를 채택한다

D) 오리피스는 구조적으로 교환이 가능한 구조로 설계하여 점검 및 교환이 가능하게 하여 미니멈

흘로우 밸브의 안전성을 확보한다주급수펌프 재순환 제어밸브 및 시스템 요구사항

(Boiler Feedpump Recirculation Control Valve and System Requirements)1서론

일반적으로 보일러 급수펌프는 전형적인 고에너지(압력이 높고 온도도 높은) 수송용 펌프로써 펌핑작용에 의해 발생되는 전체 에너지 중에서 어느 정도는 열로 변환한다펌프의 토출 유량이 펌프 성능곡선(Pump Performance Curve)상의 적정 유량으로 운전되지 않고 최소흐름(Minimum Flow Line)선에 가깝게 흐르게 되면 펌프의 토출압력은 급격히 증대하면서

상당한 열이 펌프에 발생하게 된다이러한 현상은 케비테이션이나 급격한 압력 상승으로 인하여 펌프 자체의 구조를 손상시킬 수 있다 따라서 이러한 현상의 발생을 시스템적으로 예방하기 위하여 그림 1 과 같이 펌프 토출 배관측에

최소흐름배관(Minimum Flow Line)을 설치한다이 최소 흐름 배관은

-펌프의 최대 정격 압력(Full Discharge Pressure of the Pump)

-펌프의 보호를 위한 최소 흐름량을 탈기기 탈기기 저장탱크 또는 복수기로 재 순환 (Recirculate the minimum flow rate to Deaerator Deaerator Storage Tank or Condenser to Protect the pump)시켜야 한다보일러 급수 펌프를 초기 운전 시에는 보일러가 아직 완전 부하로 되지 않았기 때문에 보일러 급수

펌프 제어밸브로는 이러한 펌프의 급수압력을 적절히 제어 할 수 없다예전의 소형 보일러의 경우에는 이러한 재순환 배관에 오리피스를 설치하여 급수 펌프를 보호하고 시스템을 안정화했는데 이러한 경우에는 보일러가 정상 가동 시에도 일부의 급수가 계속 재순환 되어

전체적인 시스템 효울이 떨어지는 방법을 채택했지만 지금은 모든 보일러 급수펌프에는 재순환

배관이 설치되어 있으며 정상 운전 시에는 이 배관으로 급수가 전혀 흐르지 않는 구조로 되어 있어

열효율이 매우 높다이와 같은 시스템의 목적하에서 급수 펌프의 재순환 배관의 전형적인 운전 모드는 급수 펌프의 토출

배관이 설치되어 있는 유량 압력 온도계기에 의해 다음과 같은 모드로 운전하게 된다

-보일러 급수 펌프가 운전을 시작하면 미니멈 홀로우 밸브는 열리고 급수 또는 시동용 급수 배관의

제어밸브는 닫힌다

-재순환배관 시스템을 통한 초기 펌프의 준비(Warm-up)가 끝나면 급수 제어밸브는 서서히 열리게

된다

-급수펌프의 10~25 용량까지 급수량이 증대되면 재순환배관의 밸브(이하 미니멈 홀로우 밸브 Minimum Flow Control Valve or Recirculation Valve)는 닫히기 시작한다

-미니멈 홀로우 밸브가 닫힌 후 급수 시스템이 펌프의 25이하까지 떨어지면 펌프에서의 급격한

압력상승 및 온도 상승에 대비하여 미니멈 홀로우 밸브는 열리도록 되어 있다

-따라서 미니멈 홀로우 밸브는 정상적인 시스템운전 시 90~95 정도가 닫혀 있는 상태로

운전한다이러한 운전 모드를 분석하면 보일러 급수펌프의 미니멈 홀로우 밸브는 발전소의 어떠한

밸브보다도 가장 높은 차압을 가지게 되는 밸브로써 분류된다2 유체의 압력 강하와 이에 따른 밸브에서의 유체역학적 특징

미니멈 흘로우 밸브에 있어서 입구의 압력은 적어도 1500~6000psig(105 ~420 barg)에 있으며 출구의 압력은 200psig(14barg)이하의 탈기기 압력이나 복수기의 진공상태의 압력상태로 떨어진다 따라서 재순환 배관시스템이 운전하게 되면 밸브 포트에서의 베나콘트렉타(Vena Contracta)까지는

압력이 떨어지면서 유속은 급격히 증속된다이후 베나콘트렉타를 통과한 유체는 다시금 압력이 회복되면서 유속 또한 감소된다 일련의 이러한

과정은 그림 2 를 참조한다 이 과정 중에서 가장 큰 영향을 미치는 것은 유체의 온도이다 만약 유체의

흐름에 있어서 유체압력의 저하 정도가 그 온도에서의 유체의 포화증기압(Vapor Pressure)보다도

더 떨어질 경우 밸브에는 여러 가지 문제가 생기게 된다 그림 3 에서와 같이 유체압력의 저하에 따른

문제점을 설명하면 다음과 같다- 그림 3-1 정상 운전

밸브를 동한 유체 흐름에 있어서 밸브에서 생기는 최저 압력저하 지점이 유체의 포화증기압보다 높은

곳에 있다-그림 3-2 후라싱(Flashing)밸브에서 생기는 최저 압력 저하 지점이 유체의 포화 증기압보다 낮게 형성되어 운전되는 상태 액체와 증기상태의 이상유동(Two Phase Flow)일 때 증기가 주로 체적을 증대시키고 따라서 출구의

유속은 빨라진다-그림 3-3 케비테이션(Cavitation)일단 유체의 포화증기압 이하로 떨어졌다가 다시금 유체의 포화증기압 이상으로 압력이 회복된다 이러한 케비테이션 과정 중 밸브 트림은 매우 강한 충격압력파(10000psia)가 발생하고 따라서

진동 소음의 문제와 더불어 밸브의 내부부품(트림Trim)을 손상시킨다 붙임 A 의 밸브이해를 위한

밸브 유체역학 기초를 참조한다 2001 년 5월호 알파와 오메가

2 유체의 압력 강하와 이에 따른 밸브에서의 유 체역학적 특징

보일러 급수펌프의 재순환배관 시스템의 구성에 있어서는 일반적으로 두가지 방법이 사용된다

하나는 비례제어식이나 ON-OFF 식의 미니멈 흘로우 밸브를 이용하는 방법이고 다른 하나는 밸브와

함께 적절하게 선정된 압력 강화용 오리피스(Restriction Orifice)를 함께 사용하는 것이다

오리피스를 함께 쓰는 경우에는 ON-OFF 미니멈 흘로우 밸브에 케비테이션이 생기지 않을 정도로

압력 강하를 시키고 나머지 시스템에서 요구하는 압력저하는 오리피스를 통하여 이루는 것이다 그러나 이 경우 오리피스가 있는 배관시스템에 급격한 후압력(Back Pressure)를 제공해야 하므로

밸브는 신속한 동작으로 개폐가 이뤄져야 한다

오리피스를 재택하고 있는 미니멈 흘로우 밸브 시스템은 소형의 보일러 급수 시스템에 매우

경제적이고 효과적인 재순환 배관 시스템으로 권장된다 그러나 규모가 큰 보일러 급수 펌프의 미니멈

흘로우 밸브 시스템에는 이러한 방법 보다는 전체 급수 시스템과 연동되는 비례제어식의 미니멈

흘로우 밸브 시스템으로 구성하여야 한다 이에 대하여 구체적보면 다음과 같다

이 미니멈 흘로우 밸브 시스템에는 급수량에 비례하여 재순환수의 유량이 비례 제어로 조절되고

급수량이 감소함에 따라 재순환수의 유량은 증가된다 따라서 급수 펌프의 건전한 운전에 맞는

유량만큼 이 미니멈 흘로우 밸브가 흐르도록 해주기 때문에 상당한 에너지를 절감할수 있으며 ON-OFF 식의 이 미니멈 흘로우 밸브와 같이 밸브가 급격히 열림에 따른 시스템의 불안전성을 제거할 수

있는 좋은 시스템이다

그러나 이 비례제어식의 미니멈 흘로우 밸브 시스템은 상당한 기간동안 낮은 개도로 운전하게 되면

역시 많은 문제점 특히 케비테이션에 의한 밸브 손상이 생길 수 있다 예을 들어 500Mwe 급의

발전소에서 정상적인 운전시 미니멈 흘로우 밸브는 완전히 닫혀 있지만 전력 소비량이 적은 밤

시간대에는 50Mwe 급으로 운전할 수 있는데 이 경우 미니멈 흘로우 밸브는 낮은 개도로 계속

운전해야 되므로 밸브 시트표면에 지속적인 케비테이션이나 와이어 드로우잉(Wire Drawing) 또는

높은 유속에 의한 시트 마모가 발생한다

이러한 문제를 예방하기 위해서는 10 ~ 20 미만의 밸브 개도에서는 밸브가 급속히 닫힐 수

있도록 하고 닫힌 후에는 완전한 무누설의 시팅구조는 물론 가능한 모든 방법을 동원하여 시트를

보호하는 구조이어야 한다

제어방법으로는 비례제어 스킴(Sheme)에 따라 리미트 스윗치 솔레노이드를 이용한 프로그래밍으로

컴퓨터 제어도 가능하다

3 급수펌프 재순환 배관 시스템의 구성

보일러 급수펌프의 재순환배관의 구성형식은 복수기로 직접 방출하는 방식과 탈기기 또는 탈기기

저장탱크로의 방출방식 두 가지가 있다

(1) 복수기로 직접 방출복수기로 재순환수를 직접 방출하는 경우 복수기의 압력이 대기압 이하의

약한 진공 상태이기 때문에 미니멈 홀로우 밸브에서는 필연적인 후라싱이 발생한다 따라서 후라싱의

정도를 저감하는 방법으로 복수기에 연결되는 재순환배관 계통에 레스트릭션 오리피스나 디퓨저

플레이트(Diffuser Plate) 또는 스파져(Sparger)를 배관 후단에 설치하여 후라싱 강도를 낮춰야

한다

만약 ON-OFF 식 미니멈 홀로우 밸브를 사용한 경우에는 밸브의 개폐를 신속히 함으로써 후라싱에

의한 문제 강도를 낮출 수 있지만 근본적인 대책은 아니다 아울러 압력강하 장치를 사용하여 밸브

후단의 후압력을 높였다 하더라도 밸브의 운전은 상당히 좁은 범위에서 운전하게 됨으로 모든

운전조건하의 유량에 능동적으로 대응할 수가 없다

디퓨져나 스파져는 가능한한 복수기 자체 또는 복수기와 아주 근접한 곳에 설치해야 한다 왜냐하면

어차피 발생할 수 밖에 없는 후라싱을 상대적으로 대용량인 복수기 내부의 공간 속이나 디퓨저

플레이트로 감당하게 하는 것이다 정도의 차이는 크지만 급수가열기의 히터 드레인 시스템의

제어밸브의 경우에도 이와 유사하다

(2) 탈기기로 방출탈기기로의 방출은 탈기기의 운전압력이 대략 50sim200psig(35sim14 barg)임으로

보일러 급수 시스템으로 보아 포화증기압보다 높아 후라싱은 발생하지 않아 별도의 압력강하장치는

일반적으로 설치하지 않는다

또한 미니멈 흘로우 밸브는 터어빈 아랫쪽의 주급수펌프의 근처에 설치되고 탈기기는 상당히 높은

위치의 먼거리에 설치되어 있음으로 배관계통의 유체저항으로 인한 후압력도 상당하기 때문에

실질적으로 추가의 압력강하장치는 큰 효과가 없다 따라서 이 경우에는 케비테이션이 주요

문제점으로 대두된다붙임 B 는 현재 우리나라의 500MWe 급 화력발전소의 미니멈 흘로우 밸브(CCI-DRAG Trim amp CVI-HUSH Trim)의 사양서 및 크기선정 데이터들이다

(3)비교경제성으로 비교할 때 복수기로 직접 방출하는 것이 관련 배관계통의 짧고 구성이 용이하여

경제성이 있는 것으로 판단된다

그러나 상대적으로 탈기기로의 방출은 압력강하장치 등이 없으며 가혹한 후라싱 조건을 피할 수

있으며 탈기기 위치보다 낮은 위치에 있음으로 토출 배관측에 항상 물이 채워져 있어 즉각적으로

운전에 투입될 수 있어 시스템 운전 측면에서 보다 안정적인 운전을 도모할 수 있다

4 미니멈 흘로우 밸브의 조건

보일러 급수 펌프 재순환배관 시스템에서 밸브가 1800psi(126bar)이상의 차압을 갖고 운전하는

경우 다음과 같은 문제점이 예측된다 따라서 미니멈 흘로우 밸브는 이들 문제에 견딜 수 있도록 설계 제작되고 운전되어야 한다

(1)압력저하에 따른 케비테이션 후라싱 발생에 대하여 이들 현상에 충분히 견딜 수 있는 밸브 구조를

가져야 한다

(2)배관시스템의 운전에는 항상 불순물들이 개재될 수 밖에 없으며 불순물이 개재 된다는 전제하에

밸브가 건전하게 운전할 수 있는 방안을 강구하여야 한다 불순물들이 밸브 내부인 트림 부품 속에

개재되면 프러그와 케이지의 미소 간격내에서 경도가 약한 부품 속으로 침투하여 칼로 긁은 듯한

흠집을 내기도 하며 심각한 경우 밸브 스템의 조절작용(Stroking)을 방해하거나 고장나게 한다

또한 이들 불순물 중의 작은 것 하나라도 시트부위에 걸리면 이 흠집 난 곳을 통하여 와이어

드로우잉을 만들고 이 와이어 드로우잉을 통하여 심각한 케비테이션으로 진행하게 된다

(3)미니멈 흘로우 밸브의 운전 중에 시트에서의 미세한 누설로 인한 와이어 드로우잉의 발생과 이로

인하여 발생되는 트림 손상에 대비하여 정상 운전 시에는 미니멈 흘로우 밸브의 시트 누설이

허용되어서는 안 된다 또한 정상 운전 시에 보일러로 급수 되어야 할 에너지가 탈기기로 바이패스

한다면 시스템 운전 효율상에도 큰 문제인 것이다

특히 초임계압 발전소(Super Critical Unit)의 경우 피크 출력과 재순환배관의 흐름(누설로 인한)은

직접적인 연관이 되므로 자연적인 출력 효율의 감소가 발생한다 예로써 500MWe 급의 발전소에서

80000pph(36240kghour 약 초당 10 리터)의 누설이 있다고 하면 밸브의 트림에서는 와이어

드로우잉을 진전시키면서 아울러 약 4Mwe 정도의 출력(약 08)이 누설로 인하여 도둑을 맡고 있는

것이다

(4)미니멈 흘로우 밸브의 수명기간 중 항상 무누설의 시팅 구조를 가져야 한다 일반적인 밸브는 운전

초기에는 거의 완벽한 시팅 구조를 갖고 있다가도 몇번의 보수 점검으로 인하여 정확한 시팅 구조를

유지하기 어렵기 때문에 결국 시트에서의 누설 문제가 발생되는 것이다

이러한 문제는 결국 재순환배관의 운전 효율에 문제점으로 계속 작용하는 것이다 따라서 밸브의 수명

기간 중 어떠한 보수 점검을 하더라도 항상 무누설의 시팅 구조를 갖는 밸브를 선정하는 것이 절대

바람직 하다

5 케비테이션 방지

보일러 급수 펌프의 재순환배관 시스템과 같이 운전 조건상 밸브에서의 압력제어량이 케비테이션을

피할 수 없는 현상이라면 시스템의 건전한 운전을 도모하고 제어의 정확도를 계속 유지하기 위해서는

밸브 내부에서 케비테이션이 발생하지 않도록 특수하게 설계된 엔티-케비테이션 트림(Anti-Cavitation)을 사용하여야 한다

이러한 트림으로는 크게 분류하여 다단 압력 제어 방식(Pressure Staging Trim Design)과 압력

프로화일식(Pressure Profile Con-cept 그림 4)감압방법과 속도 프로화일식(Velocity Control Profile Concept 그림 5)이 있다 다단 압력 제어방식으로는 COPES-VULCAN 의 CASCADE 트림

(그림 6) MASONEILAN 사의 XMAS TREE(그림 7)등이 대표적이고 압력 프로화일식으로는

COPES-VULCAN 사의 HUSH 트림(그림 8) YARWAY 사의 TURBO CASCADE 트림(그림 9) FISHER 사의 WHISPER Ⅲ(그림 10) CAVITROL Ⅲ(그림 11)amp Ⅳ MASONEILAN社의 VRT(79000 그림 12)amp 78000 시리즈 트림(그림 13) VALTEK社의 MEGASTREAM 트림(그림 14) INTROL社의 HF 트림(그림 15)등이 있다2001 년 6월호 알파와 오메가

속도 프로화일식으로는 CCI 사의 DRAG 트림[그림 16] COPES-VULCAN 사의 RAVEN 트림[그림

17] VALTEK 사의 TIGERTOOTH 트림[그림 18] 등이 있다 압력 프로화일식 감압구조의 밸브에서

케비테이션의 발생을 판단하는 식은 다음과 같다

ΔPcav = Kd(P1-Pv) 여기서 ΔPcav = 케비테이션이 일어날 수 있는 압력강하량(차압) Kd = 케비테이션 계수 P1 = 밸브 입구 압력 Pv = 유체의 포화 증기압

6 밸브의 시팅

밸브의 시팅 구조는 표면 경도가 비슷한 금속간의 접촉으로 시팅하는 메탈시트(Metal Seat)와 경도가

높은 프러그와 경도가 낮은 유연한 물질간의 접촉으로 시팅하는 소프트시트(Soft Seat)가 있다 [그림

19] 와 같은 메탈 시트에 있어서 프러그와 시트와의 접촉은 선 접촉에 근사한 아주 좁은 밴드로

접촉하여 기밀을 유지한다

그러나 내 기밀 등급이 높아질수록 메탈시트의 접촉은 아무리 잘 가공되고 다듬질이 되었다 하더라도

[그림 20] 과 같이 시트 조인트에서 누설이 될 수 있는 경로가 생기게 된다이 누설을 최소화하기

위해서는 구동부의 추력을 충분히 증대시켜 누설 경로를 차단하여야 한다

그러나 360 원주 방향을 따라 균일한 힘으로 프러그와 시트가 접촉되는 것은 밸브 구조상 현실적으로

거의 불가능한 일이다 메탈 시트 구조에 있어 한번의 시트 누설은 높은 밸브 차압으로 인하여 와이어

드로우잉을 거쳐 케비테이션으로 진행될 수 있으며 그 진행 속도도 매우 빠르다

1800psig 을 넘는 높은 차압의 운전 환경 하에서는 시트를 스텔라이트(Stellite)와 같은 경질의

내마모성 재료로 하드 훼이싱(Hard-facing) 하였다 할지라도 이와같은 침식(Erosion) 현상에 견딜수

있는 재료는 아직까지 개발되어 있지 않다

아울러 이상에 가까울 정도의 프러그시트의 완벽한 축정렬 또한 실제로 얻어질 수 없는 상태이며 운전시 소음 진동에 의한 시트구조의 안전성 또한 시트 누설에 영향을 주게됨으로 메탈시트에 의한

완벽한 시트의 기밀 유지는 불가능한 것이다 반면에 [그림 21]과 같은 소프트 시팅 구조에 있어서는

시트를 탄력성이 높고 내마모성이 높은 재질로 선택하기 때문에 반복적인 시팅에도 완벽한 기밀을

유지할 수 있으며축정렬과 같은 문제에도 능동적으로 기밀을 유지할 수 있다

소프트 시트는 그림에서 보는 바와 같이 시트링 속에 삽입되어 있음으로 유체흐름에 영향을 거의 받지

않는다 [그림 22]는 높은 차압에 의한 가혹한 침식환경에 능동적으로 대처할 수 있는 보다 개선된

트림으로 두 단계의 시팅 구조로 이루어진 소프트 시트 트림이다

이 트림의 인너 프러그(Inner Plug)는 스프링과 가이드로써 주 프러그(Main Plug)에 연결되어

있으며 밸브의 닫힘 시 인너 프러그가 먼저 시팅을 하고 몇 초가 지난 후에 주 프러그가 소프트

시트에 안착함으로 가혹한 유체 흐름에 있어서 시트링의 소프트 시트를 보호하여 무누설의 장시간

운전을 보장하고 더불어 열림 시에도 인너 프러그가 순간적인 가혹한 유체 흐름을 완화시켜 준

다음에 주 프러그가 열리게 되므로써 부드러운 운전이 가능해 진다

7 프러그 밸런스

재순환배관 시스템은 고도한 차압 발생으로 인하여 프러그에 작용하는 힘의 바란스가 매우 중요한

설계 포인트가 된다 [그림 23]에서 보는 바와 같이 밸브 트림은 프러그 내에 바란스 구멍이 뚫려 있어

입구 측의 압력 P1 이 프러그 상부에도 같이 작용하게 되므로 바란스 구멍이 없는 프러그에 비하여

월등히 작은 힘으로 운전이 가능하여 구동부의 크기를 줄일 수 있고 아울러 경제적인 밸브 선정이

되는 것이다

예로써 3의 프러그가 바란스 프러그(트림)으로 되어 있을 경우 5000psig 의 입구 압력 100psig의 출구압력 상태에서 구동부의 힘은 대략 4000 파운드이나 바란스 구멍이 없는 언바란스 프러그

(트림)일 경우에는 약 35000 파운드가 소요된다

8 불순물의 혼입 문제

미니멈 홀로우 밸브의 손상 문제 중 가장 심각한 문제는 밸브가 닫힐 때 딱딱한 불순물이 시트면에

침입하여 시트의 기밀 구조를 손상시키는 일이다 대부분 배관 시스템 내에 혼재될 수 있는 불순물들

가운데 시트면이나 스템의 슬라이딩면 또는 프러그와 케이지의 습동면을 손상 시킬 수 있는

불순물의 크기는 대략 직경이 006(15mm) 이상이고 경도는 시트면이나 밸브의 슬라이딩 부의

경도보다 높아 이들 부위에 끼어 들어 심각한 긁힘을 일으키며 심각한 경우 동작 불능에 까지 이르게

한다

이들 불순물들의 종류로는 파이프 스케일 용접 프래그 펌프의 데브리스(Debris)등인데 이들이

문제를 일으키는 때는 시스템이 정지되었다가 다시 가동 할 때 또는 시스템을 보수한 후의 기동 할

때이다 [그림 24] 는 이러한 불순물들을 근본적으로 잡아주는 스트레이나를 밸브 트림과 일체화한

것이다

9 결론

결론적으로 보일러 급수 펌프의 재순환배관 시스템의 미니멈 흘로우 밸브는 다음과 같은 요건에

합당하여야 한다케비네이션으로부터 밸브를 보호하고 무누설 시트를 유지하여야만 하며 무누설

시트로 계속 유지되어야만 하는 동시에 불순물의 혼입으로부터 계통이 보호되도록 하여야 한다 [그림 25] 는 상기의 요구조건을 충실하게 만족할 수 있는 월등한 미니멈 흘로우 밸브이다

[출처] 밸브에 대해서 (1 탄 ) |작성자 독수리 정래짱

밸브 구조가 아닌 부식성 액체를 취급하는 유체라인에 플러그밸브와 함께 가장 널리 쓰이는 것중의

하나가 되었다또 이때에 볼 타입의 플러그밸브가 개발되었고 곧 이 밸브는 1930 년부터 40 년경 현재의 볼 밸브로

개량되었다 이들이 주로 유럽을 중심으로 이뤄진 밸브기술의 성과라면 미국의 경우 다소 늦은 감이

있지만 세계 2 차대전 전후 미국을 중심으로 한 밸브공업은 극심한 공황의 끝에 살려낸 산업의

대량생산체계에 따라 제조공정의 자동화에 부응한 본격적인 의미의 자동제어밸브의 등장이라 할 수

있다1944 년 미국 텍사스주 남부의 휴스턴 근교에 있는 Mansoneilan 사는 밸브업계 최초로 밸브의

성능이라고 할 수 있는 밸브유량계수(Flow Capacity Cv)를 도입하여 자사의 제어밸브에

적용하였고 이는 특히 제어밸브의 차압과 유량과의 제반 물리적 특성을 가장 합리적으로 보여주는

파라미터로써 현재의 모든 밸브의 성능을 표시하는 잣대가 되고 있으며 미국 계장 협회에서도 이를

채택하고 있을 정도이다지금까지 밸브의 역사를 살펴보았는데 현재 가장널리 사용되는 7 대밸브 즉 게이트밸브 글로브밸브 체크밸브 버터후라이밸브 플러그밸브 볼밸브 안전밸브 등은 까마득한 옛날부터 인류 역사상 가장

큰 기술적 관심사인 물의 관리에 있어서 밸브라 말할 수 있는 것들을 역사의 흔적에서 쉽게 발견 할 수

있다단지 앞서 열거한 것은 그것들에 대한 구체적 사례들을 든 것 뿐이고 실제 우리나라에서도

유사한 종류들의 도구들을 적절히 활용해 왔을 것으로 믿고 싶다그러나 우리나라에 있어서 근대적 의미를 갖는 밸브의 등장은 아무래도 일본에 의해 지배를 받던

1910 년경 이후로 볼 수 있다목포나 군산항을 통해 엄청난 양의 쌀이 일본으로 수탈되어 갔는데 당시 김제평야나 나주들녘의 논에

관개를 하던 양수장을 중심으로 5K 급의 대구경(직경 100mm 이상)게이트 밸브가 펌프의 전단에

설치되었으며 이들 게이트 밸브는 해방후에도 상당기간 적절히 이용되었던 것을 기억하고 있는

사람들이 있을 것이다 그러면 우리나라 밸브의 본격적 시작은 결국 일제 말기 부산을 중심으로 일반

선박용의 포금제 밸브 및 일반 가정용 청동 수도꼭지를 만들기 시작한 우리나라 밸브업계의 첫

효시이자 현재 국내제일의 밸브업체인 범한금속공업(주)의 전신인 부산포금을 들 수 있다 이들

청동제 수도꼭지 및 주철제 밸브들은 약 15 년이상을 기술적인 큰 진전없이 만들어져 오다가 1963 년

7월 공업표준화법에 의해 KS 표시규격의 청동밸브(KS B-2301) 수도꼭지(KS B-2331) 및 수도용

제수밸브(KS B-2332)가 제정되면서 기술적 품질적인 면에서 큰 진전이 있게 되었다이때는 제 2 공화국의 등장과 함께 울산을 중심으로 새로운 공업화의 태동이 있던 시기로 부산을

중심으로 한 영남권의 소규모 밸브업체가 다수 설립되던 시기였다 이들 중 몇 개 업체는 이제

밸브업계의 중진으로 자리를 잡고 있으며 시기를 몇 년 지난 1972 년부터 73 년경 주철밸브 및

주강밸브가 KS 규격으로 제자리를 잡았다이후 1970 년대 중반부터 중화학공업육성정책에 따라 창원에 대규모의 기계공업단지가 들어서고

아울러 구미쪽에는 몇 년 앞서 섬유 및 전자단지가 들어서게 된다 부산의 고성산업사 국제밸브 창원의 범한금속등이 비교적 큰 규모의 밸브 제작공장을 가동기키게되고 대구에도 소규모의

밸브업체가 생겨났다 아울러 경인지방 특히 인천은 일제시대부터 기계공업이 발달한 곳으로써 이

시기에 소규모의 밸브공장 즉 지금의 서흥금속 전신인 고려특수밸브와(주)삼신의 전신인

삼신철공등이 부평을 중심으로 중저가의 밸브류를 만들고 있었다이 당시만 하더라도 석유화학공장에 대량으로 들어가는 플랜트 프로세스용 밸브등 대부분이

수입되던 시기로써 선도적 역할을 수행한 극히 일부분의 밸브 회사만이 미국석유공업협회의 API

인증 석유화학용 저가밸브를 생산하고 있었을뿐 고부가의 고온고압밸브에는 엄두도 못냈던 시기였다이후 1970 년대 하반기부터 고리원자력발전소 34 호기 및 영광원자력발전소 12 호기가 순차적으로

건설되면서 수만대의 원자력용 밸브가 엄청난 고가로 수입되던차에 (주)삼신이 일본 오까노 밸브사와

기술제휴하여 1983 년경 국내 최초로 원자력용 비안전계통의 2 인치 이하의 단조밸브를 영광원자력

12 호기에 납품하게 되면서 고온고압의 고부가가치밸브 생산에 들어가게 되었다 이어 범한금속이

원자력용 대형 주강밸브를 국산화하고 (주)서흥금속이 삼신의 뒤를 쫒아 원자력용 단조밸브를

생산하게 되었다이후 1987 년 부터의 호경기와 더불어 특히 충남 서산의 대산지방을 중심으로 한 석유화학쪽의

대규모 신규시설 투자와 기존 석유화학플랜트의 신증설 및 일제히 보수기를 맞이하게 됨으로써

유래를 찾아볼수 없는 대호황을 누리게 된다 이때에 플랜트용 주철 주강제의 밸브를 생산하는 업체

또한 전국적으로 300 여개나 될 정도로 우후죽훈격으로 생겨나기도 했던 시기였다이러한 호황의 격동기도 잠시뿐 현재 얼어붙은 불경기속에서 새봄을 기다리고 있는 심정이지만

냉정하게 우리나라 밸브기술의 역사를 생각하면 언제 새봄이 올까 걱정이 앞선다실로 선진국들은 거의 100 여년 이상의 기술적 역사를 가지고 있는 반면에 피부로 느끼는 우리의

밸브역사는 단지 30 여년에 불과해 선진국과 최소한 10 년 정도의 기술격차가 있다고 하겠다 그리고

프로세스 플랜트 공정용의 제어밸브와 일부 특수공정에 쓰이는 고가의 밸브들은 경험이나 기술적

환경을 고려해 볼때 적어도 20 년이상은 격차가 날것으로 생각된다12 밸브공학의 의미

밸브는 아주 오래 전부터 유체의 흐름을 제어하는데 사용되어 왔다여기서 말하는 제어란 뜻은 유체에서 물리적으로 표현되는 압력 온도 및 유체의 속도 즉 유량을

조정한다는 것이다이러한 밸브는 배관계의 유체흐름을 각각의 프로세스계에서 요구하는 유체의 물리적 조건과 양에

맞도록 각 제어단위의 마지막 단계에서 유체흐름을 제어하는 가장 일반적이고 가장 중요한 제어요소

(Control Component)이다밸브공학은 유체계통의 제어요소인 밸브를 공학적으로 다루는 것으로써 밸브가 어느 프로세스계통에서 하나의 구성인자로 보아 그 기능과 목적을 다루는 능동적인

제어부품으로의 공학적 의미와 밸브 그 자체의 역학적인 거동을 프로세스계통의 운전조건에 비교하여

보는 공학적 의미가 있다프로세스 단위로 보면 파이프가 수송해야 할 유체 에너지는 프로세스계의 제어요소인 밸브나

오리피스에서 주로 유체 속도 또는 유체압력의 형태로 조정된다 이를 유체량의 제어기능과

유체압력의 제어기능으로 구분할 수 있으며 이 두 기능은 항상 유체에너지를 수송하는 프로세스

배관계통의 형평과 안전을 위하여 상호보완적인 관계로 제어기능을 수행한다이러한 제어기능에 최대의 관점을 두어 설계된 밸브가 제어밸브인 것이다모든 밸브는 수송하는

유체의 압력 온도 및 유량에 합당한 크기와 구조를 가지고 유체에너지가 손실되지 않도록 외부와

불필요한 에너지 교류는 피하여야 한다 따라서 밸브를 공학적으로 다루기 위해서는 유체역학이 가장

중요한 분야가 되고 밸브의 원활한 기능 유지를 위해서는 구조적 안정성이 중요 설계인자가 된다밸브를 구성하는 재료등은 유체의 화학적 성상(性狀)과 온도 압력등 물리적 특성에 크게 죄우됨으로

재료공학에 대한 지식이 요구된다 아울러 제어를 정밀하게(Sophisticate)하기 위해서는

전기전자공학이 필요하다밸브가 수천년 이전의 아주 오래전부터 유체에너지의 수송과 제어에 핵심적으로 사용되어 오고

있지만 밸브의 근본적 형태에 변화가 있었던 것은 아니다 그러나 산업이 점차 거대화되고 고도화

되어가고 있는 현재의 산업현장의 밸브 운전 환경은 사용유체의 다양성은 물론 고온 고압등

고에너지의 유체제어가 산업의 안전과 더불어 고도로 요구되기 때문에 밸브의 중요성이 날로

부각되고 있다여기서는 이러한 밸브의 중요성을 밸브와 밸브를 포함한 프로세스계로 확대시켜 밸브에 대하여 보다

체계적인 공학적 접근을 시도하기 위해 밸브공학이라고 썼지만 밸브공학을 학문적으로 체계화시켜

도입하기에는 다루는 분야가 협소한 듯하고 아울러 세부적인 사항이 다른 분야에서 깊이있게

다뤄지고 있어 따로 밸브쪽으로 분리해서 말할만한 학문적 일체성(Identity)도 갖고 있지 않다그러나 미국의 몇몇 대학의 수리학(水理學)교실등에서는 밸브의 유체학적 또는 유체에너지를

다루는데 있어 밸브구조의 동력학적인 거동을 연구하는데 매우 활발하며 일부 대규모

밸브전문업체를 중심으로 이뤄지는 밸브의 구조 제어기능 유체동역학 및 재료부분 등으로 활발한

공학적인 접근을 일단 밸브공학이라는 용어로 정리하기로 한 것이다 12-1 밸브의 설계조건

프로세스 계통에 있어서 계통의 원활한 운전과 기능 유지를 위해서는 제어요소인 각 밸브에서의

기능이 문제가 된다 이들 밸브 기능의 문제는 프로세스 계통 설치시 충분하게 고려되어야 한다 이

밸브의 기능 문제를 두고 기능을 설계 목표 이상으로 건전하게 유지시키는 것이 바로 밸브설계의

조건이다밸브가 프로세스 계통에서 과도한 하중이 계통 자체에서 뿐만 아니라 밖에서도 생기게 된다 프로세스의 운전온도 운전압력 유체의 밀도 유체의 수송속도등이 계통내의 하중이 되고 프로세스에 가해지는 배관진동 밸브 구동장체에서의 추력 및 자체하중 지진등의 고려 배관파단으로 생길 수 있느 배관떨림(Pipe Whhipping)등이 계통외의 하중이 될 것이다 이러한

프로세스 계통내외에서의 과도한 하중으로 인하여 밸브의 일부가 손상되어 제어기능을 불안하게 할

경우라든가 운전에 지장을 초래한다면 전체 프로세스 계통의 기능 유지등 그 영향은 점차 매우

어려운 상태에 이를 수도 많다실제로 밸브 손상-주로 밸브의 가장 핵심적인 내부누설구조의 손상으로 인한 거대 프로세스 플랜트의

화재사고등은 어쩌면 사소한 장치로 볼 수 있는 밸브에서 기인된 경우가 많다 따라서 밸브는

구조적으로 충분한 강도를 가지고 있어 내외부의 어떠한 하중이 가해지더라도 손상으로부터

안전하여야 하며 또한 구조적으로 각 밸브 구성부품의 형상이 기능 및 운전성 유지에 적합하여야

한다 그리고 사용조건인 프로세스 계통의 운전환경수송유체의 종류 계통의 제어목적 및 공공의

안전에 관련된 설계 요구사항등에 밸브의 사용목적이 적합하여야 한다밸브에 관한 이러한 관점은 각국의 밸브에 관한 표준규격이나 고압가스협회등에서 밸브에 요구하는

법적인 규제 또는 설계요건사항들을 보면 이해가 잘 된다 밸브는 계통의 한 부품으로서 그 역할은

계통설계자료의 치밀한 계통 밸런스에 대한 형평성추로써의 역할이다이 역할은 계통의 압력 온도 및 유량에서 보면 이들 물리적 양을 제어하고자 하는 것이고 프로세스

계통의 구조적 밸런스에 따르면 계통압력 및 온도에 충분한 구조강도를 갖는 밸브의 강도이다 밸브를

프로세스 계통의 구조해석상(후자의)관점에서 그 역할을 구분하여 보면 다음의 세가지로 구분 설명할

수 있다(1)계통에 대한 능동적 부품(Active Component)으로써의 밸브

프로세스 계통의 일부 또는 전체 계통을 사고로부터 완화시키거나 정지시킬 때 필요한 계통의 한

부품으로서의 역할이다 이는 프로세스 계통의 기능상 이 부품의 역할이 매우 중요함으로 밸브의

구조강도를 충분히 유지함은 물론 계통의 어떤 사고나 피로등에 의한 파괴로부터 더 이상의 연속적인

계통손상을 방지하기 위하여 계통의 한 구성부품인 밸브가 능동적으로 계통의 기능을 보호하는

역할을 수행하여야 한다 통상 이러한 경우를 고려하여 실제의 밸브 운전조건이나 설계조건보다도 더욱 가혹한 비정상적인

프로세스를 고려하여 설계 제작되는게 일반적이다(2)계통에 대한 밸브의 기능상의 능력(Functional Capability)프로세스의 가혹한 운전조건하에서는 계통 및 밸브자체의 치수 안전성을 유지하며 계통운전이

원활히 되도록 정격 유량을 수송 또는 제어하는 능력을 갖고 있어야 한다(3)밸브 자체의 운전성으로 설계 및 사용조건

밸브 자체의 운전성으로 설계 및 사용조건하에서 규정된 안전 기능을 충족하면서 요구되는 밸브 그

자체는 30~40 여개의 부품으로 조립되는 비교적 간단한 기기이지만 높은 압력과 온도 그리고 급격하

에너지의 변화가 밸브의 트림(밸브의 유체 접촉부로써 교환될 수 있는 밸브 구성부품)의 조작부에서

이뤄지게 됨으로 각 구성 부품들이 이러한 환경에 충분히 견딜 수 있는 구조로 되어 있어야 한다 이와같이 밸브는 프로세스 계통에 대한 능동적인 역할과 밸브 자체의 기능 및 운전성의 유지로

계통의 기능 및 운전을 원활하게 수행할 수 있도록 하는 것이다12-2 밸브의 설계

밸브 설계의 기본적 입력데이타는 온도와 압력이다 프로세스 유체의 화학적성상에 따라 밸브의

재질은 달라지지만 소위 밸브 크기를 정하는 기본 단위는 우선 압력과 온도이다밸브의 구조상 밸브의 내압부는 다른 어떤 압력용기 보다도 구조적으로 매우 취약한 구조적인

불연속부(Structural Discontinuity)를 갖고 있어 압력에 대한 복잡한 구조적인 거동으로 인한 국부

응력의 증가와 더불어 열에 의한 굽힘응력과 변형이 밸브의 내부에 복잡하게 생기므로 밸브 설계시

이들 효과를 고려하여야 한다 특히 고온고압으로 갈수록 이의 영향은 매우 크게 되므로 고난도의

설계가 된다아울러 모타구동장치나 제어밸브의 액츄에이터를 장착한 밸브의 경우 이들 구동장치의 무게로 인한

밸브 구조의 불안정성이 고조된다 다음의 그림 6 은 미국 기계학회에서 정한 원자력 발전소용 밸브의

설계요건을 항목별로 요약한 것으로 일반 프로세스용의 밸브 설계와 크게 다를 것이 없다 단지

특별히 더욱 강조한 사항은 밸브구조의 구조적 강도유지를 설계의 핵심으로 한 것이고 여기에 열이나

기계적 교번하중으로 인한 피로상도를 강조하고 있다 프로세스 계통의 유체역학적 천이(Transient)현상에 의해 밸브 구종의 불안정성은 더욱 고조되어 심한 경우 밸브 구조가 파손되는 사례도 적지

않게 발생한다다음의 그림 7 과 그림 8(차호에 소개)은 밸브의 구조적 불연속부에서의 열에의한 굽힘특성을

보여주는 좋은 예이다 그림 9(차호에 소개)는 밸브의 내압에 의한 밸브몸체의 응력구동을 설명하고

그림 10 은 밸브의 구동장치의 무게중심이 밸브몸체에서 멀리 떨어져 있는 경우 밸브의 본네트면에

작용하는 모멘트와 간단한 밸브의 고유진동수를 설명하는 그림이다이외에 배관계에서 전달되는 배관작용력(열팽창에 의한 축방향 힘과 굽힘모멘트 및 토오크)에

안전하게 밸브의 치수 보전과 강도를 유지하도록 설계한다밸브는 유체 수송의 직접 제어부인 디스크(프러그)와 시트(케이지)부를 구조적으로 안정하게

유지하기 위하여 어느정도의 불용(不用)공간이 생긴다 이 공간들을 공동부(Cavity)라고 하는데 이

케비티에서 밸브 기능상 많은 문제점이 생긴다 이곳에 유체가 차 있다가 온도 상승으로 밀폐된

유체가 팽창하여 디스크의 원활한 운동을 방해하기 때문이다밸브 설계시 이러한 불용공간을 최대로 줄이는 것이 밸브의 기능보장을 위해서도 매우 중요한

설계요소이다 아울러 밸브에서 유체를 제어할 때 유체의 흐름속도 및 밸브면에서의 마찰 그리고

유로면의 넓고 좁음에 따른 압력손실등으로 밸브의 유체수송(유체에너지수송)능력이 저하하게 된다최근들어 프로세스 플랜트가 거대화되고 고도화함에 따라 밸브에서의 이러한 유체수송능력의 저하를

가급적으로 줄 이기 위한 밸브의 유로형상(Flowpath)을 설계해야 한다같은 크기의 밸브라 할지라도 밸브의 유량계수가 많고 적음은 이러한 유로형상의 설계기술의

차이에서 기인된다고 볼 수 있다 유로형상의 설계는 이론적으로 설계하기란 거의 불가능하여 각기

다른 유로형상을 가진 시험원형(Proto Type)의 밸브들을 일일이 시험하여 최적의 유로형상을 찾는다물론 여기에 중점적으로 설계입력이 되는 것은 압력항 온도항 그리고 유체의 흐름속도 이다밸브설계에서의 가장 핵심은 누설방지에 있다 누설은 시트와 디스크간에서 발생되는 내부 누설과

그랜드 패킹 또는 본네트 가스켓에서 생기는 외부 누설로 구분된다 이중 가장 문제가 되는 것은

그랜드 패킹에서의 누설이다 밸브 설계에서 심도 있게 다뤄지는 부분이 그랜드 패킹의 재질 편조 및

성형방법 조합방법 크기 및 체결방법이며 상당수의 밸브관련 연구논문중 30이상이 이에 대한

것으로 앞으로도 깊이 다뤄야 할 기술적 당면과제이다12-3 밸브의 기능

밸브의 기능은 밸브공학적 의미에서 두가지 축면으로 고려된다 하나는 밸브자체의 구조적 강도에

관련하는 기능이고 다른하나는 유체 수송 및 제어의 기능이다이 두가지 기능은 서로 불가분의 관계를 가지고 있다 물론 전자의 경우는 밸브의 재료가 갖고 있는

금속학적 특성과 재료자체의 강도 특성 그리고 이들을 밸브의 사용환경에 맞도록 상호 기구학적으로

결합하여 원활하게 밸브로써 운전될 수 있도록 충분한 구조강도를 유지해야 하므로 밸브의 하드웨어

(Hardware)적 기능이고 후자는 밸브의 운용상 특히 프로세스의 운전목적의 달성을 위하여 밸브가

수행해야 할 제어기능 즉 유로개폐(ON-OFF)나 유로 또는 유체에너지량의 조절(Throttling)을

원활하게 해야 하므로 밸브의 소프트웨어적 기능이다이러한 밸브의 기능을 전자의 경우 밸브의 구조기능이라고 하고 후자를 밸브의 제어기능이라고

정한다 이러한 밸브의 기능에 문제가 생기는 원인도 아울러 구분이 된다제어기능에 문제가 생기는 경우 통상 프로세스 계통의 설계과정에서의 오류보다는 시운전이나 실제

운전시에 많이 발견된다 시운전시에는 계통이 전반적으로 불안전하고 불규칙한 운전모드가

설계조건과는 다르게 발생된다 전반적으로 프로세스 계통에서의 밸브문제는 80이상이 시운전시에

발견된다프로세스의 운전시에는 거의 아무런 문제도 생기지 않다가 계통의 기동 또는 정지시에 밸브에

문제가 생겨있음을 발견하는 경우도 앞서의 경우와 같다 이러한 예로써 복수기(Condenser) 복수배관(Feed Water Extraction Drains)의 제어 밸브와 같은 경우 밸브에서의 유체제어시 생길

수 있는 일반적 현상은 후라싱현상이 예측되지만 계통이 장기간 정지하여 있다가 다시 기동될 때는

배관내의 드레인에 의한 수격현상이 생겨 밸브의 제어기능에 악영향을 주는 사례가 있다밸브의

구조기능은 앞서 계속 언급한 대로 밸브가 어떠한 하중 조건하에서도 제어기능을 유지할 수 있도록

밸브 그 자체는 튼튼해야 한다는 것이다

20 밸브공학 기초

밸브는 기본적으로 유체를 제어하는 부품과 이들 제어부품들을 구조적으로 안전하게 유지시키는

몸체로 구성되어 있다 따라서 밸브공학의 목표는 유체제어 기능으로서의 완전한 유체제어를 다양한

하중조건하에서 밸브가 거전하게 운전 되도록 구조적으로 튼튼하게 결함없이 만들어야 한는데 있다따라서 밸브의 이 두가지 목적에 맞는 배관계통의 제어요소(Control Component)로써 또한

배관계의 신뢰성에 가장 핵심적인 역할을 수행하는 부품으로써 프로세스의 운전건전성 즉 장기간

문제없이 제어요소로서 밸브 기능을 뒷받침 할 수 있는 강도를 유지하여야 한다본 절에서는 밸브공학의 기초로서 밸브의 구조 밸브에 있어서 밸브 유체역학의 기초와 밸브의

재료학을 중심으로 설명한다21 밸브의 구조

밸브의 구조는 유체제어의 구조 및 특성 유체의 물리화학적 성상 운전조작의 방법에 따라 매우

다양하다 따라서 밸브 구조는 유체제어의 구조 및 특성에 따라 물리화학정 성상에 따라 밸브의

구조가 달라지기도 한다밸브 구조에서 가장 핵심적인 사항은 압력 유지부분(Pressure Retaining Part) 및 유체와 직접

접촉하면서 밸브의 기능을 수행하는 밸브 트림 그리고 트림부를 조작하는 구동부로 나눈다따라서 밸브의 종류를 구분하는 일반적인 방법은 밸브의 압력유지부의 형태 또는 형식과 트림의

형상또는 형식에 따라 구분한다 다음에 앞서의 밸브 구분 방법에 따른 밸브 종류를 나타내었다 특히

여기서 밸브 기술자가 알아야 할 매우 중요한 밸브 용어는 트림(Trim)으로써 밸브의 유체제어 과정에

있어서 유체와 직접 접촉하면서 유체력에 의하여 직접적인 마모 또는 노화되는 부품으로 교환될 수

있는(Replacible)밸브 부품이라고 정의 한다가 개폐용(ON-OFF 제어)밸브

게이트 밸브(Gate Valve)일반 게이트 밸브(General Gate Valve)솔리드 왯지(Solide Wedge)후렉시블 왯지(Flexible Wedge)스플릿트 왯지(Split Wedge)더블디스크 패러럴 시트(Doubble Disc Parallel Seat)스프링 패러럴 스라이드(Spring Parallel Slide)볼 앤드 소켓 로테이팅 디스크(Ball and Socket Rotating Disc)벨로우즈 씰 게이트 밸브(Bellow Seal Gate Valve)나이프 게이트 밸브(Knife Edge Gate Valve)콘디트밸브(Conduit Valve)그로브타입 스톱 체크밸브(Globe Type Stop Check Valve)T-그로브 타입(T-Type Stop Check Valve) 앵글타입(Angle-Type Stop Check Valve)Y-타입(Y-Type Stop Check Valve)글로블 밸브(Globe Valve)팩레스 그로브 밸브(Packless Hermetic Diaphragm Globe Valve)T-타입 팩레스 밸브(T-Type Packless Valve)Y-타입 팩레스 밸브(Y-Type Packless Valve)앵글 타입 팩레스 밸브(Angle-Type Packless Valve)벨로우즈실 그로브 밸브(Bellows Seal Glove Valve)체크밸브(Check Valve)스윙 체크밸브(Swing Check Valve)밸런스드(중추)체크밸브(Counter Weight Balanced Check Valve)

홀딩 디스크(듀오)체크밸브(Folding Disc Check Valve)리프트 체크밸브(Lift Check Valve)T-타입(T-Type Lift Check Valve)Y-타입(Y-Type Lift Check Valve)볼 타입(Ball Type Check Valve)스프링 로디드 타입(Spring Loaded Lift Check Valve)수평형(Horizontal)티형(T-Type)와이형(Y-Type)틸팅 디스크 체크밸브(Tilting Disc Check Valve)인라인 디스크(푸트)체크밸브(In-Line Disc Check Valve)볼 타입(Ball Type)디스크 타입(Disc Type)푸트 타입(Foot Type)백 후로우 프리벤터(Backflow Preventer)고무 튜브 체크밸브(Rubber Tube Check Valve)다이아후램 체크밸브(Diaphragm Check Valve)버터후라이밸브(Butterfly Valve)ANSI 규정(산업용)(For Industrial Purpose)메탈 시티드(Metal Seated High Performance Butterfly Valve HPBV)프랜지 타입(Flange Type)크로스 볼티트 웨이퍼 타입(Cross Bolted Wafer Type)웨이퍼 타입(Wafer Type)소프트 시티드(Soft Seated)프랜지 타입(Flange Type)크로스 볼티드 웨이퍼 타입(Cross Bolted Wafer Type)웨이퍼 타입(Wafer Type)AWWA 규정(수도관개용)(For Water Works Purpose)프렌지 타입(Flange Type)크로스 볼티드 웨이퍼형(Cross Bolted Wafer Type)프러그 밸브(Plug Valve)테이퍼드 프러그(Tapered Plug Valve)루브리케이트 타입(Lubricated Plug Valve)논 루브리케이트 타입(Non-Lubricated Plug Valve)실린드리컬 프러그(Cylinderical Plug Valve) 엑씬트릭 프러그(Eccentric Plug Valve)볼 밸브(Ball Valve)프로팅 볼(Floating Type Ball Valve)톱 엔츄리(Top Entry Floating Type Ball Valve)엔드엔츄리(End Entry Floating Type Ball Valve)

트러니온 볼(Trunnion Type Ball Type)싱글 터러니온(Single Trunnion Type Ball Type)더블 트러니온(Double Trunnion Type Ball Type)싱글 시티드 오 에스 앤 와이(Single Seated Outside Screw and Yoke Type Ball Valve) 소프트 다이아프램밸브(Soft Diaphragm Valve)웨어형(Weir Type Soft Diaphragm Valve)관통형(Straight-Through-Flow Type Soft Diaphragm Valve)핀치형(Pinch Type Soft Diaphragm Valve)나 유량조절용(Flow Throttling)밸브

게이트 밸브(Gate Valve)유량조절이 가능한 게이트 밸브(Throttable Sliding Gate Valve)브이 오리피스 게이트 밸브(V Orifice Gate Valve)그로브 밸브(Globe Valve)디스크 형상에 따른 그로브밸브(Globe Valve Classified by Disc Type)급개형 디스크(Quick Opening Type Disc)디스크-시트 구조(Disc and SEAT)톱 가이드형(Top Guide Type)바디 가이드형(Body Guide Type)바텀 가이드형(Bottom Guide Type)케이지-프러그 구조(Cage and Plug)선형 디스크(Linear Flow Type Disc)디스크-시트 구조(Disc and Seat by GUide Type)싱글 포트 디스크-시트(Singer Port Disc-Seat)톱 가이드형(Top Guide Type)일체형(Singer Body)멀티오리피스 레스트릭숀(Multi-Orifice Restrication)멀티벨로시티 헤드로스형(Multi-Velocity Head Loss Type)분리형(Split Body)바디 가이드형(Body Guide Type)케이케이드형(Turbo-Cascade Type)바텀 가이드형(Bottom Guide Type)더블 포트 디스크-시트(Double Port Disc-Seat)톱 앤 바텀 가이드형(Top amp Bottim Guide Type)디스크-시트 구조(Disc and Seat by Disc Type)일반형(General Type)멀티 브이 포트 디스크(Multi V-Port Disc)케이지-프러그 구조(Cage and Plug)밸런스트 프러그(Balanced Plug)일반형(General Type)레비린스 형(Labyrinth Type)

슬롯티드 케이지(Slotted Cage)멀티 퍼포레이트 케이지(Multi-Perforated Cage)멀티 오리피스 케이지(Multi-Orifice Cage)언밸런스트 프러그(Unbalanced Plug)일반형(General Type)레비린스 형(Labyrinth Type)슬롯티드 케이지(Slotted Cage)멀티 퍼포레이트 케이지(Multi-Perforated Cage)멀티 오리피스 케이지(Multi-Orifice Cage)스템-디스크 일체형 구조(니이들 밸브Niddle Valve)등비율형 디스크(Equal Percentage Flow Type Disc)(선형 디스크 구조 체계와 동일)혼합용 그로브 타입 제어밸브(Mixing Control Valve)밸브 몸체 형상에 따른 구분(Globe Valve Classified By Body Type)일반 티 그로브(General T-Type Globe Valve)와이 그로브(Y-Type Globe Valve)앵글 그로브(Angle Type Globe Valve)와이 앵글 그로브(Y-Angle Type Globe Valve)버터후라이밸브(Butterfly Valve)몸체 구성은 앞의 가항과 동일

정규 로타리 운동 버터후라이 밸브(Regular Rotary Butterfly Valve)오프셋 디스크 버터후라이밸브(Offset Disc Butterfly Valve)캔티드 디스크 버터후라이밸브(Canted Disc Butterfly Valve)프러그밸브(Plug Valve) -몸체 구성은 앞의가항과 동일

엑쎈트릭 실린드리컬 프러그(Eccentric Cylindrical Plug)엑쎈트릭 디스크 프러그(Eccentric Disc Plug) 스로틀링 프러그(Throttling Plug)실린드리컬 프러그(Cylindrical Plug)테이퍼드 프러그(Tapered Plug)케이지 프러그(Cage Plug)볼밸브(Ball Valve)-몸체 구성은 앞의가항과 동일

유량특성별 세크멘티드 볼밸브(Characterized Segmented Ball Valve)급개형(Quick Openning Type)선형(Linder Type)등비율형(Equal Percentage Type)브이 포티드 볼밸브(V-Ported Ball Valve)선형(Linder Type)등비율형(Equal Percentage Type)소프트 다이아프램밸브(Soft Diaphragm Valve)웨어형(Weir Type Soft Diaphragm Valve)관통형(Straight-Through-Flow Type Soft Diaphragm Valve)핀치형(Pinch Type Soft Diaphragm Valve)

다음으로 밸브의 유체제어를 위한 밸브 구동부의 구동특징 즉 밸브의 스템 및 스템 조작 특징에 의한

밸브를 구하면 다음과 같다밸브 스템은 밸브를 열고 닫을 때 그 조작력을 전달하는 매우 중요한 밸브의 구성부품이다일반적으로

디스크의 상하운동에 의하여 유체를 제어하는 구조를 가진 게이트 및 그로브 밸브는 스템의 길이가

길며 디스크의 조절을 원활하게 하기 위하여 일부 특수한 장치(거의 선형운동을 하는)를 가진 자동

구동장치부의 제어밸브류와 같은 것을 제외한 수동조작 모타구동장치부의 밸브 스템은 사각의 나사를

채용하고 있다 이 스템 즉 밸브 핸드휠의 조작렬에 대한 사항은 추후에 자세히 설명하기로 하고

여기서는 스템의 구분(구동부의 구동특징)조작특성을 밸브 종류별로 구분한다 밸브 디스크의

상하운동에 의하여 유체를 제어하는 구조의 밸브는 통칭하여 Quater Turn밸브라고 한다 이외에

체크밸브와 같이 자체적으로 유체력에 의해 계폐동작을 하는 Self Actuating밸브가 있다lt표gt 생략211 밸브의 구조형식

(1)게이트 밸브

개폐용(ON-OFF 제어)밸브의 대표적 밸브이다 게이트 밸브는 호칭직경 38Prime부터 36Prime까지(또는 이

이상도 제작가능하다) 압력-온도 등급도 ANSI CLASS 로 150LBS 에서 4500LBS 까지 선택의 폭이

매우 넓다 밸브의 구조 형식 및 형태는 다음과 같다솔리드 또는 홀로우 형식의 디스크(SOLID OR HOLLOW GATE VALVE)밸브의 시팅 구조상 가장 튼튼한 구조이나 밸브의 열 팽창과 배관작용력에 대한 디스크에서의 흡수

여유가 없기 때문에 밸브 디스크가 상온 이외의 사용에서는 고착 또는 누설 가능성이 높아진다 따라서 이러한 구조의 게이트 밸브는 통상 호칭직경 4Prime이하 사용온도 100Prime이하의 수동 소형

게이트밸브에 적용된다 일반적으로 ANSI CLASS 2500 까지 제작가능하지만 고압고온 서비스인

경우 밸브 몸체에서의 열변형에 의한 고착 또는 누설에 각별히 유의 하여야 한다현재 국내 밸브제작사중 극히 일부 회사만이 ANSI CLASS 4500 급까지 제작경험이 있으나 스프링

LOADED PARALLEL DISC TYPE 에 비하여 수명이 떨어진다 후렉시블 왯지 디스크(FLEXIBLE WEDGE GSTE VAVE) 디스크의 시팅(SEATING)면에서 어느 정도의 유연성을 갖고 있음으로 팽창

및 배관의 작용력에 대응할 수 있으며 아울러 다스크가 쐐기 형식으로 시트면에 작용함으로써 내누설

특성이 좋다따라서 FLEXIBLE WEDGE 게이트 밸브는 이러한 시팅 구조상 12를 넘는 대형일 경우에는 동력에

의한 밸브 계폐장치(POWER ACTUATOR)가 권고되며 통상 사용온도 200(93)이하의 호칭직경

4Prime를 넘는 중대형 밸브에 적용된다 이 밸브는 ANSI CLASS 로 150~2500 까지 제작되며 현재

국내에서는 특히 고온 고압용(ANSI CLASS 1500 이상)밸브는 단 2 개사 만이 제작할 수 있다분리형 디스크(SPLIT WEDGE GATE VALVE)FLEXIBLE WEDGE디스크와 유사하나 디스크가 완전히 분리되는 구조이다디스크의 연결은 단순히 기계적인 고리를 이용하거나 스프링등의 보조를 받아 구성된다 이러한

밸브는 FLEXIBLE WEDGE 게이트 밸브와 같은 범주로 취급되나 배관의 굽힘등 배관작용력에 보다

신축성 있게 대응할 수 있어서 비교적 높은온도(90~)에 사용되며 밸브의 크기는 통상호칭직경

4이상의 중형밸브에 적용된다그러나 이러한 밸브는 다음의 더블 디스크 게이트 밸브의 장점에 비하면 적용사의 잇점이 적기 때문에

널리 쓰이지 않는다더블 디스크( DOUBLE DISC GATE VALVE)

통상 DOUBLE DISC 게이트 밸브는 디스크가 평행한 구조를 가진 것을 특징으로 한다따라서 대형의 고온 고압용 밸브는 이러한 구조를 많이 갖고 있으며 일명 DOUBLE DISC PARALLEL 케이트 밸브라고도 한다 주로 대형 밸브에서 많이 채용되며 사용온도가 100를 넘는 경우에

사용된다 이 밸브는 시팅 구조상 계통이 가압상태이어야 밸브의 내누설 특성이 좋아지는 구조 즉 계통압력이 한쪽면을 가압함으로써 이 가압력에 의하여 기밀이 유지되는 구조임으로 계통압력이 낮은

경우에는 상대적으로 시팅 효과가 떨어진다따라서 이의 보완책으로 평행된 두 디스크사이에 스프링을 이용 가압력을 보완하는 경우도 많다 밸브

운전시 유의할 사항의 하나는 닫을 때보다 열릴 때가 보다 많은 힘을 필요로 하는 경우가 았음으로

계통의 운전 상태를 고려한 밸브 선정이 필요하다따라서 고온의 운전상태하에서는 가능한 한 고온상태에서 밸브를 열고 닫아야 한다아울러 두 개의 평형된 디스크는 정밀하게 가공되어야 하며 계통압력이 높아질수록 디스크면에

작용하는 면압의 효과를 극대화할 수 있도록 두 시트면의 평행도 및 가공 정밀도는 엄격하게

관리되어야 한다 현재 국내에서는 아직 미개발 분야이다나이프 게이트 밸브(KNIFE GATE VALVE)디스크의 형태가 날카로운 칼날 모양의 원형구조이다따라서 설계는 매우 콤팩트(COMPACT)한 구조로 설계되며 배관계통에 있어서도 설치 및 보수

운전공간을 절약할 수 있다 주로 상온의 낮은 압력하에서 스러리(SLURRY찌거기)등이 있는 유체를

제어할 때 많이 쓰인다 따라서 KNIFE GATE VALVE 에서의 엄밀한 내누설을 요구할 수 없다(2)그로브 밸브(GLOBE VALVE)그로브 밸브는 유로의 차단 또는 유량의 조절용으로 사용된다 게이크 밸브에 비하여 유체의 제어적인

즉 압력조절 유량조절 유로 차단등이 우수하나 밸브구조의 복잡함과 이에 따른 구조적 불안정으로

인하여 밸브 크기는 기술적 경제적으로 제한을 받는다 따라서 글로브 밸브는 통상적으로 특수한

경우를 제외하고는 호칭직경 12Prime를 넘는 대형의 그로브 밸브는 수동 조작의 경우가 매우 드물고

대부분 모타 구동 또는 유공압을 이용한 동력 구동밸브이다그러나 호칭직경 2Prime이하의 그로브 밸브는 유로차단(ON-OFF)과 스로틀링(THROTTLING)이 가능하며

특별히 비록 ON-OFF 라 할지라도 계통 특성이 고압의 경우에는 소형 게이트 밸브보다 그로브 밸브를

선택하는 것이 합리적이다그러나 그로브 밸브 유로 차단용(SHUT OFF)으로 사용할 때는 밸브의 디스크 하부로부터 계통

압력이 작용함으로 닫힘에 요하는 힘이 게이트 밸브의 4~5 배 이상에 이르며 내부 구조가 복잡하여

온도가 변화하는 상태하에서는 열팽창의 비 대칭성으로 인하여 내부 누설의 가능성이 있음으로 보다

큰 힘의 밸브 개폐력 즉 구동장치의 크기가 커야 한다그로브 밸브는 통상 호칭직경 38Prime~12Prime범위로 제작되며 압력-온도 기준으로 4500LBS 까지

제작된다 밸브의 형식 및 형태는 외양으로서 T YDIDRMF 및 Y-앵글 형태가 있으며 스템의 구성

형식상 특수하게 스템 패킹으로부터의 누설을 방지하기 위한 팩레스(PACKLESS-HERMETICALLY SEALED BELLOWS SEALED)밸브등이 있으며 아울러 그로브 밸브의 디스크 및 시트의 설계방식에

따라 스템과 디스크 및 시트의 설계방식에 따라 스템과 디스크의 일체형과 분리형이 있으며

대부분이 분리형 구조를 체택하고 있다 또한 디스크의 형상은 BALL TYPE 조립식 PLUG TYPE NEEDLE TYPE 등이 있으며 디스크 및 스템의 안내방식에 따라 TOP GUIDED(고압용) BODY GUIDED(고형 소형용) 및 BOTTOM GUIDED(저압용 -150LBS~300LBS)가 있다다음의 그림 16 17 18 및 그림 19 에 대략적인 글로브 밸브의 구조형상을 표시하였다

(3)체크밸브

체크 밸브는 배관계통 구성에 있어서 계통의 운전 상태에 따라 자력으로 계폐하는(SELF ACTUATING)유일한 밸브이다 따라서 다른 밸브와는 달리 한번 설치하면서 유지 보수 등의 문제를

간과하기 쉬운 밸브이므로 최초선정에 주의를 요한다체크밸브는 외양 및 작동 측성별로 스윙체크 리프트체크 틸팅 디스크 체크 홀딩디스크 체크 인라인

체크 스톱 체크로 대별할 수 있으며 가장 대표적인 체크 밸브는 스윙 체크 밸브이다 밸브의 크기는

거의 제한이 없으며 설계 형식 또한 매우 다양하다 체크 밸브 선정에 있어서 무엇보다도 중요한 것은

밸브에 있어서 압력 강하량의 크기문제 체크밸브 사이의 유체흐름 속도의 문제 밸브의 설치 위치와

누설한계 등의 문제 및 계통 특성상 체크밸브의 닫힘 시간의 문제를 고려한 후에 체크밸브의 형식을

결정하여야 한다 이에 대한 보다 구체적인 설명은 추후 기술하기로 한다스윙체크밸브(SWING CHECK VALVE)체크 밸브중에서 가장 널리 많이 쓰이고 있는 형식으로서 간단한 구조와 신뢰성 있는 동작을 특징으로

한다 외양에 따른 형태는 T 형 Y 형 및 웨이퍼(WAFER)형이 있으며 T 형이 대부분이다 디스크와

시트의 접촉 형식은 금속 대 금속 금속 대 탄성질의 합성고무 금속 대 합성고무링이 삽입된

금속판으로 접촉된다스윙의 각도는 0~45로 설계되며 수평 설치시를 고려하여 5~7만큼 전방행으로 경사시켜야

한다 유체의 역루에 의한 순간 닫힘시(SLAMMING)디스크의 운동량을 적게하면 급폐가 용이하여

수격현상을 감소시킬 수 있으므로 스윙의 각도는 밸브에서의 마찰로 인한 압력손실이 허용하는

범위내에서 적게하면 좋다 단점으로는 슬램(SLAM)현상과 불규칙한 유체흐름시 디스크의 빈번한

운동으로 힌지 핀의 마모가 예상되며 밸브 구조상 완벽한 기밀 유지가 곤란하다는 점이 있다 스윙

체크 밸브에서의 입력 강하량은 계통 설계 측면에서 낮을수록 좋지만 대략 다음식으로 압력강하량

정도를 예측한다ΔP=3228(1ρ)(MCv)2=2238(1ρ) (mAf)2여기서 ΔP=Psiρ=유체의 밀도(1bft3)m=질량유량(1bsec)Cv=밸브의 유량 계수(gpmradicpsi)또한 스윙 체크 밸브에서 원활한 운전을 위하여 요구되는 최소 흐름속도는 이론적으로 다음과 같은

식으로 표시된다Vmin=4568(wcosθ)(PAsin2θ)05여기서 W=디스크 아암 무게의 05 배와 디스크 무게를 합한 값(1bf)A=디스크의 면적(inch2)θ=유로 충돌면의 각도

리프트 체크 밸브(LIET CHECK VALVE)스윙 체크 밸브에 비하여 유체의 속도가 비교적 빠른 조건에서 사용하며 내누설 특성이 양호하다 그로브 밸브의 외양과 비슷하며 디스크 모양에 따라 피스톤(or POPPET)형식과 볼 형태의 것이 있다 그러나 단점으로는 디스크와 안내면에서의 고착 가능성 과 디스크의 빠른 자전(SPINNING) 그리고

대구경의 경우에는 평형관이 필요하게 된다틸팅디스크밸브(TILTING DISC CHECK VALVE)스윙체크밸브가 밸브 디스크의 개폐 속도 및 유량 변화에 신속히 대응하는데 부족한 반면 리프트 체크

밸브는 아에 비교적 양호한 특헝을 갖고 있다그러나 압력손실의 정도 보수성 및 내수설에 대한 구조로 보아 스윙 체크밸브는 매우 양호한 특성을

갖고 있음으로 스윙 체크 밸브와 리프트 체크밸브의 장버을 절충하고 아울러 슬램(SLAM)에 의한

영향을 최소화시킨 구조의 밸브가 틸팅 디스크 체크밸브(TILTING DISC CHECK VALVE)이다 이

체크밸브도 가능한한 균일한 흐름이 예상되는 곳에서의 사용을 권장한다홀팅디스크 체크 밸브(FOLDING DISC CHECK VALVE)홀딩 디스크 체크 밸브의 가장 큰 특징은 밸브가 매우 콤팩트하다는 것이다 디스크를 스프링의

힘으로 유지하므로 스프링의 상수를 조절하면 디스크의 열림 최소요구 속도를 조절할 수 있으며 또한

매우 미세한 차압상태에서도 개폐를 할 수 있어서 계통의 요구사항대로 설계가 가능하다 물론

스프링의 힘을 이용하기 때문에 디스크의 급폐(急閉)성이 양호하다기타 앞에서 설명한 체크 밸브 이외의 것으로는 리프트 체크 밸브 형식의 인-라인(IN-LINE)체크

밸브와 스톱 밸브와 리프트 체크 밸브를 결합한 스톱 체크 밸브가 있다 체크 밸브의 설치 위치 및

유로 방향이 밸브 기능에 미치는 영향은 다음과 같이 요약한다 스윙 체크밸브수평 또는 수직 수직배관에 설치시에는 밸브의 최소 흐름 속도에 디스크의 최대 열림각도(45이하)만큼을 고려한다즉Vmin vert=( Vminhorize)(tamθ)05또한 밸브의 힌지핀에 중추(COUNTERWEIGHT)를 이용하면 계통 특성에 따라 디스크의 열림

최대흐름 속도를 조절할 수 있다리프트 체크 밸브

TEE TYPE-수평WYE TYPE-수평수직 수직설치시 스프링을 사용하면 효과

ANGLE TYPE- 밸브입구는 필히 수직 배관

틸팅 디스크 체크 밸브수평

홀딩 디스크 체크 밸브수평수직 그러나 한지핀은 필히 수직방향

인-라인 체크 밸브수직(드물게 수평) 내부 점검을 위한 배관분리가 요구됨

스톱체크밸브

TEE TYPE-수평ANGLE TYPE- 밸브 입구는 필히 수직 배관

WYE TYPE-수평수직경사형(INCLINED)-수평그림 89 생략

볼 밸브의 설계

볼 밸브의 구조에 있어서 가장 유의할 부분은 내누설 구조를 위한 밸브 시팅 및 씰링구조이다이 시팅구조는 볼을 감사는 볼 시팅의 씰링과 스템의 씰링이 있다 특히 밸브 내부누설을 완벽히

방지하기 위해서는 볼 씨팅의 씰링과 스템의 씰링이 있다 특히 밸브 내부누설을 완벽히 방지하기

위해서는 볼 씰링재료의 물성 즉 탄성력(Resilient)와 윤활성 및 내온도성이 중요시되며 씰링재료가

합성수지일 경우에는 밸브의 사용온도가 800 이하로 제한된다다음은 볼 밸브의 선정에 있어서 가장 유의깊게 검토하여야 할 볼 씨팅 실링 재료의 허용 최고

사용온도표이다

(6)프러그 밸브(PLUG VALVE)프러그 밸브는 구조가 간단하고 조작의 간편성으로 밸브의 발명이래 현재까지 가장 널리 쓰이는

밸브중의 하나이다 프러그 밸브라는 명칭은 밸브 구조가 테이퍼진 원통 모양의 프러그로서 이

프러그에 원형 또는 사각형의 구멍의 프러그로서 이 프러그에 원형 또는 사각형의 구멍을 내고 이

프러그를 90회전함에 따라 유체의 흐름을 차단 또는 조절하는데에서 유래하였으며 매우

광법위하게 사용되고 있는 밸브이다 다음의 그림은 전형적인 프러그 밸브의 구조를 보여주고 있다 프러그 밸브는 거의 밸브 크기에 제한을 받지않고 생산이 가능하다 즉 크기로 보아 12부터 30까지 다양한 재질로 제작되고 있으며 구조상 12 를 초과하는 대형의 프러그 밸브의 프러그 구동상

윤활이 요구되고 있는게 특징이다 압력 등급기준으로서 상온 상태하의 압력으로는

175psig~1500psig(12~103Bar)까지 제작 가능하다 그러나 밸브의 트림 구조상 씨링이 절대

필요함으로 고온에서의 사용은 통상 400이하이어야 한다프러그 밸브는 기본적으로 다음의 두가지 방식으로 제작된다① 윤활 형식(lubricated type)② 비윤활 형식(non lubricated type)또한 프러그 밸브의 테이퍼 모양에 따라 프러그의 조립 및 보수를 밸브 상단에서 하는 경우 테이퍼가

아래쪽으로 된 하향경사형의 프러그 밸브와 반대로 프러그 밸브 하부에서 조립보수를 하도록 설계된

상향경사형의 프러그 밸브가 있다 그러나 중소형의 대부분 프러그는 하향경사형의 프러그 밸브이다 윤활형식의 프러그 밸브는 윤활이라는 용어로 인하여 밸브에 정말 윤활유를 주입하는 것으로

혼돈하기 쉽다그러나 실상은 별도의 윤활유의 주입을 필요로 하는 밸브가 아니라 밸브 구조상 프러그와 밸브

몸체간의 내부 누설 밸브 트림과 스템간의 외부 누설을 방지하기 위하여 프러그와 밸브 몸체와의

원형 홈(그루브groove)에 O-링(O-RING)과 같은 씰란트(SEALANT)를 삽입시킨 것으로 이

실란트가 프러그와 몸체간의 금속 마찰을 피하면서 부드럽게 작동함으로 이를 윤활 형식(lubricated type)이라고 한 것 이다 씰란트는 대부분 엘라스토머(ELASTOMER)로 튜브형 또는 스틱(STICK)형으로 제작되며 약 400까지는 안전하게 사용할 수 있다 이와 반대로 배윤활 형식은 매끄럽게

가공된 프러그와 밸브 몸체사이의 마찰을 엘로스토머 라이너(LINER)또는 씰 재로로서 자체적으로

해결하는 구조로서 밸브의 크기가 12까지 제한된다밸브가 12가 넘는 대형의 프러그 밸브는 윤활 형식의 구조를 가져야 한다 프러그 밸브의 몸체

형식은 다양한 설계형식을 갖고 있다 즉 밸브 외관으로 보아

SHORT PATTERNREGULAR PATTERNVENTURI PATTERNMULTIPORT PATTERN2-WAY 3-WAY 4-WAY 5-WAY등으로 구분할 수 있으며 접속단 형식도 다른 밸브와 같이 다양한 형식을 갖고 있다 단 프러그

밸브를 용접 설치할 때는 볼 밸브와 마찬가지로 프러그를 제거한 후에 용접하는 것이 바람직 하다프러그 밸브의 설계상 주요관점

프러그 밸브에 있어서 설계상 주요 관점은 볼 밸브와 마찬가지로 시팅 및 스템의 씰링 문제이다 그러나 프러그 밸브의 프러그와 밸브 몸체간의 시팅은 이차적인 시팅구조를 만들 수 없기 때문에

비윤활 형식의 프러그 밸브는 시팅 구조를 만들 수 없기 때문에 비윤활 형식의 프러그 밸브는 시팅

구조로 탕성이 좋은 엘라스토머등으로 라이닝 한 구조로 구성되며 따라서 밸브의 크기는 12까지로

제한한다 아울러 이러한 시팅 구조로 인하여 밸브 개폐에는 많은 토오크가 소요되어 통상적으로 4이상의 프러그 밸브는 기어열의 도움을 받는 작동기 (Geared Actuator)가 필요하다탄성이 좋은 엘라

스토머(Resilient Material)는 소형의 비윤활형 프러그 밸브에서 스리이브라이너로서 TFE(350) FEP(300)가 널리 사용되고 씰 및 와샤 재료로서 TFE TEFLON(400) 및 VITON(400)가 쓰인다 스템 씰링은 프러그 밸브의 형식에 따라

O-Ring Seal가압형 씰란트 챔버(Pressure Packed Sealant Chamber)금속TFE 조합 다이아 후람(Combination MetalTFE Diaphragm)등이 많이 쓰인다프러그 밸브의 응용

일반의 프러그 밸브는 양방향의 유체 흐름을 허용 하지만 3-WAY 4-WAY 5-WAY 프러그 밸브는

제작가사 흐름 방향을 지정한다 프러그 밸브는 공기 가스 기름은 물론 기름 혼합물과 같은 액체

스러리(Liquid Slurries)까지도 완전한 기밀(Bubble Tight)을 유지하며 개폐조작이 가능한 밸브로서

매우 다양하게 사용된다 특히 프러그 밸브는 스러리의 집적을 도모하지 않는 구조이기 때문에

불순물이 개제된 액체계통에 널리 쓰인다 이는 프러그의 개폐동작 자체가 집적된 불순물을

자동적으로 제거하기 때문이다프러그 밸브는 원칙적으로 유량조절용으로는 부적합하지만 프러그의 유로 통과 부분의 형상을

개선하여 유량조절이 가능하도록 한 프러그 밸브도 있다그러나 통상의 프러그 밸브도 유량조절의 정밀도가 그다지 중요하지 않을 경우에는 유량 조절도

가능하다단지 윤활 형식의 프러그 밸브는 절대로 유량 조절용으로 사용해서는 안된다 왜냐하면 프러그

포트큰처의 씰란트가 유로에 노출될 수 있으며 아울러 노출된 씰란트가 유체속도에 의하여

점진적으로 씰란트의 기능을 상실하게 할 우려가 있기 때문이다다이아후람 밸브는 탄성력이 매우 좋은 합성수지 또는 금속으로 다이아후람을 만들고 이를 밸브

몸체의 유로를 수직의 선형 운동으로 차단하여 유체의 흐름을 제어하는 밸브로서 밸브의 주요 트림

재료로서 다이아후람을 채용하였기 때문에 다이아후람 밸브라고 부른다이 다이아후람 밸브는 기본적으로 3 가지 구성요소(Part)로 구성되어 있는데 밸브 몸체 다이아후람

및 밸브 본네트로 구성된다 이 밸브는 구조가 매우 간단하고 밸브 몸체 및 트림부의 금속부를

유체로부터 완저히 격리시킬 수 있어 부식성 액체를 많이 취급하는 화학공장(Chemical Plant)에

많이 쓰인다그러나 트림을 구성하는 다이아후람이 구조 및 재질상의 제한 때문에 고온고압 계통에의 적용은

곤란하며 운전중의 제반 피로와 다이아후람 재질의 열화에 따른 강도 저하로 주기적인 다이아후람

교체가 요구되는 밸브이다아울러 다이아후람 밸브는 밸브의 구성 형식에 구애받지 않으므로 Y-형 T-형 ANGLE 형 및 공기압

작동식의 다이아후람 액츄에이터를 장착할 수 있다 이러한 밸브형식의 다양성가 아울러 PTFE(Non-Elastic Fluoropolymer)등으로 밸브 내부를 초청정상태로 유지할 수 있어 반도체공장용의 순수

가스 및 물라인 제약회사등의 고순도 유체관리가 필요한 프로세서에 핵심적인 밸브로 사용된다다음 그림은 기본적인 다이아후람 밸브의 외관이다다이아후람 밸브의 크기는 현재 14에서 20범위까지 생산이 가능하다일반적으로 가능한 다이아후람 밸브의 크기는 다음과 같다

밸브의 접속다 형식

나사 체결식

소켓용접형

맞대기 용접형

프랜지 체결식

다이아후람 밸브의 크기

14THUR312THUR2(프라스틱제)12THUR212THUR812THUR20(주철제)12THUR8(가단주철 및 청동)12THUR10(주강제)다이아후람 밸브의 몸체 형식

다이아후람 밸브는 유로 흐름을 양방향으로 할 수 있으며 다음의 기본적인 두가지 형식으로 제작된다웨어형(Weir-Type)밸브 몸체 하부에 웨어를 만들어 다이아후람의 운동량을 적게하고 아울러

다이아후람의 구조적 건전성을 높인 것으로 밸브가 비교적 콤팩트하다따라서 다이아후람 밸브의 대부분은 웨어형이고 특히 2가 넘는 밸브는 거의 모두가 웨어형을

채택하고 있다관통형(Straight-through-Flow)밸브몸체의 유로부가 어떠한 간섬이 없는 관통형으로서

밸브에서의 압력 손실을 국소화한 구조이나 밸브 개폐에 필요한 다이아후람의 운동량이 많고 따라서

밸브의 본네트가 웨어형에 비하요 크게됨으로 상대적으로 2이하의 소형에 사용된다 밸브의

건전성이 떨어짐으로 제한된 규모로 사용(제작)된다밸브 몸체의 모양은 T 형과 앵글형이 있으며 접속단 형식 또한 다른밸브와 마찬가지로 다양한 접속단

형식을 갖고 있다설계상 주요 관점

다이아후람 밸브에 있어서 가장 중요한 구성요소는 다이아후람이다 다이아후람은 밸브 트림의

핵심으로서 내부 누설이 없는 완벽한 유로차단(Bubble Tight Shutoff)과 다이아후람의 파손이 없는

즉 외부 누성이 없는 구조 및 재질이어야 한다 특히 여타 밸브와는 달리 다이아후라의 재질은 매우

중요한 것으로서 밸브의 건전한 운전을 위하여 수명기간동안 충분한 신뢰를 가져야 한다 다이아후람의 재질로 보아 제작 가능한 다이아후람밸브의 크기는 다음과 같다다이아후람 밸브의 몸체는 PVC 등과 같은 합성수지로부터 고가의 티타늄가지 매우 다양한 재질을

응용할 수 있으며 특히 밸브내부를 라이닝하기가 그 어떤 밸브보다도 용이한 것을 특징으로 한다다이아후람 밸브의 응용

다이아후람 밸브는 배관계통에서 거의 대부분을 스톱밸브로 사용된다 또한 밸브 몸체의 구성재료의

선택이 자유롭기 때문에 반도체 산업에서 쓰이는 순수(Pure Water)에서부터 찐득찐득한 오염액체 불순물을 다량 포함하고 있는 부식성액체의 수송용 밸브는 물론 개스 수송용 밸브에까지 선택의 폭이

넓다그러나 사실 이 밸브는 상대적으로 좋은 유체제어 특성을 가질 수 있어 적절한 재질의 다이아후람을

사용할 경우에는 유량제어용 밸브로도 사용할 웃 있다

그러나 다이아후람의 재질상 사용 가능한 압력은 다른 밸브류에 비하여 매우 낮으며 밸브의 크기가

커질수록 다이아후람에서 부담해야 하는 유체압려게 의한 힘은 거의 지겨의 제곱에 비례하기 때문에

이 밸브를 배간계통에 적용하고자 할 때는 계통설계자(System Engineer)와 밸브제작자의 충분한

협의가 필요하다이는 고온운전시 뿐만아니라 저온운전시에도 배관계통의 압력이 200Psia 를 넘을 때에는 필히

밸브제작사와 협의하여 밸브를 선정하고 가능하면 운전상 유의사항도 자문하여 주어야 한다 한 예로

미국의 유명 다이아후람 밸브 제작사인 ITT-Grinnell 사의 기준은 다음의 표와 같다 표에서 박스안의

값 단위는 psia 이다(8)기타 밸브류

기타 밸브로는 일반적으로 유체제어에 널리 사용되지 않지만 특수 목적 또는 제작 및 사용상의 요구가

매우 간단한 경우에는 그 경제성 때문에 일부 사용되는 밸브로서 전자와 같은 경우에는 앞서 언급된

게이트 밸브등 7 종류의 밸브를 일부 변형하여 제한된 특수 목적에 사용하는데 특수 목적의 대부분은

유체제어의 방법과 내부 기밀유지로 요약된다특히 프러그 밸브의 경우 트림의 모양을 원형(Prototype)의 프러그를 완전히 변형한 형식인 에센트릭

(Eccentric)프러그 밸브를 대표로 들 수 있다이 밸브는 에센트릭 프러그의 모양에 따라 유체 르므의 특성을 사용자 요구에 맞게 제어할 수 있다 다음 그림은 에센트릭 밸브의 운전형식을 보여주고 있다핀치(Pinch)밸브는 원통형상의 엘라스토머(Elastomer)로 구성된 스리이브를 금속제의 밸브몸체에

끼우고 몸체 중간에서 스리이브를 누름으로 스리이브를 통하여 흐르는 유량을 제어할 수 있다 스리이브를 누르는 형상이 영어로 PINCHING 이라고 함으로 이러한 밸브를 핀티밸브라고 한다 밸브

구조가 너무 간단하고 유로 부분이 자연스럽게 교축됨으로 밸브에서의 저항 즉 압력손실이 적다 밸브 구조상 사용온도는 엘라스토머의 재질에 제한받게 마련이며 스리이브의 코아를 강철코드(steel cord)나 화이바그라스(유리섬유fiber glass)로 보강되었을 경우 40까지 가능하나 사용 압력은

밸브 사이즈에 따라 다르게 됨으로 밸브제작사의 자문을 받아야 한다그러나 사용온도는 아무래도 200이하인 대기압에서의 물의 비드점 이하에서 사용하는 것을

추천한다 다음 그림은 핀치 밸브의 운전 모양을 보여주고 있다이스라엘 MIL 사는 1976 년부터 핀치밸브의 스리이브내에 코아형의 지지대를 설치하고

배관계통의 유체압력평형(Balance)를 이용하여 밸브를 손쉽게 개폐조작하느느 상품명 INBAL 밸브를 소개하고 있다 이 밸브는 특별히 소방배관과 같은 경우에는 계통의 압력응답이 좋기 때문에

해외에서는 청수의 소방배관 농장의 스프링쿨러 배관 및 공공시설의 급수배관의 주 조작밸브로

사용하는 사례가 적지 않다 다음 그림은 INBAL 밸브의 운전조작 특성을 보여주고 있다 다음의

밸브는 피스톤 또는 변위형밸브(Displacement Valve)로 알려져 있는 미국 Fetterolf 사의 특수

밸브이다 이 밸브는 일반적으로 램 밸브(Ram Valve)로 알려려 있는데 탱크의 바닥이나 배관라인에

밸브 디스크(디스크 형상이 Piston 식임)안내면이 직각으로 되게 설치된다이 밸브는 특히 배관라인이나 탱크의 배수에 탁월한 효과를 가진다2밸브공학의 기초

22 밸브에 있어서 유체역학밸브는 유체계통은

제어하는 최종의 제어요소(FINAL CONTROL ELEMENT)로써 계통의 압력 온도 및 유량을

바로미터로 하여 유체계통을 능동적인 형태로 제어한다 따라서 주요 제어목표는 당연히 물리적인

양인 압력과 유량으로 단순화되어야 할 것이다 물론 온도의 영향은 필히 고려 되어야 한다 아울러

유체의 물성(物性) 및 제어환경의 영향이 고려된다기본적으로 제어밸브의 유량특성은 유체가 공학적 측면으로 압축성 유체와 비압축성 유체로 대별하여

설명할 수 있으며 또하 여기에 이 두가지 유체가 혼합되어 배관계를 흐르는 이상 유체도 공학적인

측면에서 매우 중요하다 따라서 현재와 같이 고도화되는 프로세스 플렌트에서는 배관계통의 문제점

대부분이 제어하는 부분에서 유체의 급격한 성질변화-균일 해석가능한 유체에서 불균일하고 해석이

곤란한 二上유체화 등-에 기인한다고 해도 과언이 아니다 대표적인 사례로써 오리피스후단이나

밸브후단에서의 유체천이현상 등이 있다일단 여기서는 우선 제어요소인 밸브의 기본 유체이론으로써 유량특성의 물리적 의미를 간단히

수식으로 표현하요 밸브의 유량제어관계를 이해하고자 하는데 목적이 있다 밸브에 있어서

제어요소가 구성되는 곳은 밸브의 디스크와 시트이다 이 디스크와 시트부분은 교축되어 있으며 이곳의 교축점의 유로 단면적을 인위로 조절함으로써 배관계의 유량과 압력을 조절할 수 있다 지금

이상적인 유체가 이 교축점을 지날대 유체의 에너지 방정식을 적용하면 그림 37 에서와 같이

V122g+H1=V222g+H2 V22-V12=2g(H1-H2)여기서 V12=배관계 내의 유체속도 첨자 1 은 입구배관 첨자 2 는 교축지점 g=중력가속도 H12=기준선으로 부터의 위치 에너지의 양(압력수두) 그리고 배관계 내를 흐르는 유량 Q 는 일정하므로

Q=A1V1=A2V2A12=첨자 12 지점의 유로단면적

V1=(A2A1)V2=mV2따라서 V22-m2V22=2g(H1-H2)V2=radicV2=2g(H1-H2)1-m2결론적으로 제어유량은

Q=A2V2=A2radicV2=2g(H1-H2)1-m2그러나 이 경우는 배관 내를 흐르는 유체의 압력 손실을 전혀 고려하지 않은 이상적인 경우임으로

실제와는 상당한 차이가 있다그림 38 은 배관계통에서의 손실을 고려한 것으로써 이 손실에 대한 양은 유체출구의 형상 및

배관내의 제반손실요소에 따라 실험적으로 결정되므로 이론적으로의 접근은 매우 복잡하고 아울러

어렵다 이 손실의 정도를 손실계수 C1 이라고 정의하고 F=1~m3 라고 하면 출구의 제어유량은

Q=C1FA2radic2g(H1-H2)가 된다 22 밸브에 있어서 유체역학

일반적으로 유체역학에서 오리피스의 적용은 전호에서 간단하게 언급했듯이 교축관에서의

수력구배와 급격한 유로단면적의 변화로 생기는 소용돌이 마찰 손실등 에너지 손실을 적극적

(Positive)으로 이용한 것이다실제로 밸브 디스크와 시트는 분명한 오리피스의 교축과 유사하며 이를 그림으로 표시하면 그림 39 와

같다 오리피스의 목(Throat)바로 하단에 생성되는 유로의 최소단면을 Vena Contracta 라고 하는데

이곳에서의 에너지랭을 Hvc 라고 하고 또한 이곳에서의 급격한 교축으로 인하여 소용돌이로 인한 손실 속도천이로 인한 속도에너지의 손실 등 많은 손실이 이곳에서 일어난다이러한 오리피스에서의 손실의 정도를 계산하기 위하여 새로운 계수 C 를 도입하여 C=C1(AVCA0)로 한다 실제로 Vena Contracta 에서의 유속 Hvc 및 단면적 Avc 의 계산은 실험적으로 C 를

측정하여 정할 수 밖에 없다H1 HVC H2 의 관계를 압력회복계수 FL 로 표현하면

FL=radicH1-H2H1-HVC 이다이 FL 을 적용하여 제어유량의 식을 정리하면

Q=CFAOFLradic2g(H1-H2)가 된다이식을 공학단위로 바꾸면

Q=갤론분A0=inch2 H1-H2=ΔPG 이므로

Q=380CFAOFL 라고 정의하면

Q=CVradicΔPG 가 된다이러한 밸브에서의 유량과 CV 의 관계신은 1945 년경 미국의 유명 제어밸브회사인 MANSONEILAN에서 제시한 아이디어를 구체하시킨 것으로 지금은 ISA(Instrument Society Of America)에서

제어밸브의 기준 Paramerter 로 사용되고 있다 CV 는 ISA 에서 규정한 절차에 따라 실험적으로

측정된다이 CV 의 특정방법조직은 다음의 그림 40 과 같다이 CV 의 의미는 밸브전후의 차압(ΔP)이 1psi 에서 1 분당 흐르는 유량을 US갤론으로 표시한 값이고

이를 미터단위 (유량m3Hour 비중물=1 차압kgfcm2 로 표시하려면 보정계수 117 를 곱하면 된다그러나 실제로

Q=CVradicΔpG 의 식은

유체의 속도가 어느정도 이상인 그리고 밸브 전후의 배관계의 형상은 유체의 흐름에 직접적인

영향을 주게됨으로 밸브를 통한 유량 Q 는 다음의 배관형상계수 FP 를 도입하여 보정되어야 한다 즉Q=FP CVradicΔpG(us gallon 단위)Q=0865FP CVradicΔpG(미터 단위)가 된다만약 밸브내의 유동이 비난류로 판정되면 FP 의 계산은 더욱 쉬워 진다즉 레이놀즈 수를 계산하여 밸브의 FP값을 적용할 수 있다자세한 사항은How Equations for Siging Control Valves ISA-S7501를 참조한다 밸브에서의

통과 유체가 증기나 가스인 경우 계통압력의 변동에 따라 압축되거나 팽창될 수 있어

밸브유량계수의 논리적 설명은 더욱 힘들어 진다특히 가스의 경우 압력이 저하되면 팽창이 되므로 팽창계수 Y 를 고려한다 이 Y 의 값은 밸브 입구와

포트의 면적비 밸브내브의 유로 형상 압력강하비 비열비 및 리에놀즈 수에 크게 영향을 받는다 다음의 그림 41 은 밸브 및 배관계에 있어서 에너지 구배정도를 설명하는 매우 좋은 예이다 이

그림에서 각 기호는 물리적량을 표시한 것으로 모두 에너지량이다 배관계통에 있어서 밸브는 없어서는 안될 중요한 제어요소이다유량을 조절하거나 차단하고 유체가 정상적으로 흐르는가를 확인하기도 한다그러나 밸브는 배관계통상에서 원활한 유체 흐름을 방해하는 일종의 저항요소로서의 작용은 피할 수

없다 이것은 밸브에서의 압력손실을 밸브에서의 압력 손실을 KV 로 표시하면

KV=144ΔpρV22gΔP=1bfinch2 V=bfsecρ=유체의 밀도(16mft3)그런데

Cv=QradicGΔP 이므로

ΔP=KV144GV22G=G(QCV)2또는

CV=radicG2Gρ(QV)12radicKV그런데

Q(231in3gal 1min60sec 1f31728in3)=AV=πD2V4144여기서

D=배관의 직경 inchV=배관내 유체속도(ftsec)앞의 CV 항과 배관내의 유체유량 (Q)를 한데 묶으면

CV=298395 D2radicKV따라서 우리는 밸브응용에서 중요한 사실 한가지를 여기서 알아낼 수 있게 한다즉 밸브제작자로부터 4Prime의 CV=236 인 밸브를 구매하였다면 밸브에서의 압력손실계수는 다음과 같이

계산된다KV=29842(4)42362=4093~41 이 된다물론 배관계통내의 압력 유속과 유체의 밀도에 따라 KV 의 값은 변화하게 되나 일반적

공학응용에서의 완권 개방된 밸브의 형태별 KV 값은 대략 다음과 같다만약 배관내의 유체가 압축성 유체 즉 가스라면 CV 는 여기에 맞게 보정되어야 한다Q=radic520T C1CVP1 Sin(3417C1radicΔPP1)로 나타낸다 여기서 C1CV=Cg 로 표현하고 실험적으로

Cg 의 값은 개략적으로 32-36 정도의 값을 갖는다다른 방법으로는 밸브의 형상계수(Configurationfactor)와 등가오리피스 방법을 사용하여 밸브의 P를 구하는 방식이 있다 즉 밸브크기의 결정에 있어서 밸브의 유체 교축부를 등가의 오리피스

직경으로 고려하며 손실 계수 KV 를 구하는 것이다KV=b1(dLdEO)4 여기서 dL=밸브 입구의 직경(Inch) dEO=C(dL)107C=밸브의 트림형상에 따라 결정되는 형상계수

b1=계수(액체의 경우 2786 공기의 경우 3084)따라서 밸브에서의 압력손실량은

ΔP=KVρV2288g g=3864 inchsei2=00837 kvρQdL4g여기서 Q=US gaLmin(GPM)이다다음의 그림 42 는 밸브의 완전열림상태(Full Ported)를 기준으로 하는 밸브 형상 계수 C 이다 그림

43 은 밸브의 등가 오리피스 지경과 밸브 입구 내경에 대한 형상계수의 관계이고 그림 44 는 밸브

입구내경과 형상계수 C 에 따른밸브에서의 손실계수의 K 의 관계이다 그림 45 46 47 은 볼 밸브 버터플라이 밸브 및 게이트 밸브의 밸브 개도에 따른 밸브의 손실 계수 값을 보여주고 있다23 밸브의 재료학

231 재료 사양의 일반적 사항

재료 사양(Material Specification)이란 재료가 가지고 있는 물리적 및 화학적 고유 특성과 성질을

정의한 것으로써 그 특성에는 화학 성분과 기계적 성질 등이 포함된다한편 재료 사양은 기본적으 로 화학조성 기계적 성질 가공방법 또는 제품 형태별 등의 공공 성격에

따라 분류 되어지고 있다1)재료 사양(Material Specification)재료 사양 체계를 관리하는 기관으로는 여러 기관이 있으며 이들 기관은 정부로 부처 재료 사양의

관리에 대한 권리와 책임을 갖고 있다 이 중에서 강(鋼)에 대한 사양 체계로는 미국 철강협회(AISI)가

만들어 놓은 4 자리 번호 체계가 가장 널리 쓰이고 있다 그리고 이 4 자리 식별 체계는 AISI-SAE steel designation system 이라고 부른다그 외에 미국 시험 및 재료 학회(asme)의 사양 제품에 관한 사양을 만들어 내는 주요기관과 사양을

열거하면lt표 1gt과 같다232 재료 사양의 구성

기자재 설계에서 우리 엔지니어들이 업무 수행중에 가장 자주 접하게 되는 재료 사양의 몇가지에

대하여 그 구성 또는 기호 체계를 좀더 상세히 살펴보면 다음과 같다1)ASTM미국 시험 및 재료 학회 사양으로서 매년 보완하여 발행하고 산업 전반에 걸친 재료와 시험 요건을

규정하고 있으며 1990 년과 ASTM 표준은 표 2 와 같이 총 68권으로 이루어져 있다2)ASME(A) 일반ASME 코드라 하면 보통 미국 기계학회(ASME)가 발행하는 BOILER amp PRESSURE VESSEL CODE를 말하며 이 코드는 11 개 SECTION II 으로 구성되어 있고 그 중에 SECTION II 는 안정성에

적절하며 발전소 건설에 소요되는 압력유지 기기와 압력 용기의 제작 건설에 필요한 재료 사양중 다음

내용을 담고 있다① 추천되는 적용 분야와 제한 사항(suggested service application and limitations)② 실용화된 재료 가공 방법 및 제품 형태

(material processing methdos utilized and product form available)③화학 조성 미치 금속학적 성질

(chemical compositions and metallurgical properties necessary to define meterical characteristics)④ 기계적 성질의 최소값

(established minimum mechanical properties)그렇기 때문에 section II 재료 사양이 다른 section 의 지배를 받는 기기 설계에 모두 그대로

사용해도 적절 하다는 뜻은 아니다 예를 들면 sectionIII 에 의한 원자력 기기의 기술 규격서

작성시에는 sectionII 에서 기기 등급(class)별로 요구하고 있는 충격시험 비파괸시험 등을 추가로

반영한 재료 사양을 적용해야 한다는 뜻이다 한편 section I 는 PART ABC 의 3권으로 나누어져

있다PART A- FERROUS MATERIALSPART B- NONFERROUS MATERIALSPART C-WELDING RODS ELECTRODES AND FILLER METALS그리고 sectionII 중 PART A 와 B 의 재료 사양은 ASTM 사양과 내용이 동일하거나 약간 다른 경우는

압력용기 설계기준을 고려해서 몇가지 사항을 추가했을 뿐이다(B) ASME section II PART APART A 는 철강 재료를 다루고 있으며 11 가지의 제품 형태

(PRODUCT FORMS)별로 사양을 다음과 같이 대별하고 있다1 STEEL PIPE2 STEEL TUBES3 STEEL FLANGES FITTING VALVES AND PARTS

4 STEEL PLATES SHEET AND STRIPS FOR PRESSURE VESSELS5 STRURAL STEEL6 STEEL BARS7 STEEL BOLTING MATERIALS8 STEEL BILLETS AND FORGINGS9 STEEL CASTINGS10 CORROSION-RESISTING AND HEAT-RESISTING STEELS11 WROUGHT IRON CAST IRON AND MALLEABLE IRON(C)ASME SECTION II PART B 비철 재료를 다루고 있는 PART B 는 합금과 제품 형태(ALLOYS AND PRODUCT FORMS)별로 사양을 12 가지로 대별하고 있다1 ALUMINUM AND ALUMINUM ALLOYS2 COPPER AND COPPER ALLOY PLATE SHEET STRIP AND ROLLED BAR3 COPPER AND COPPER ALLOY BAR AND SHAPES4 COPPER AND COPPER ALLOY PIPE AND TUBES5 COPPER ALLOY CASTINGS6 NICKEL AND NICKEL ALLOY PLATE SHEET AND STRIP7 NICKEL AND NICKEL ALLOY OD BAR AND WIRE8 NICKEL AND NCKEL ALLOY PIPEAND TUBES9 NICKEL ALLOY CASTINGS10 NICKEL AND NICKEL ALLOY FITTINGS11TITANIUM AND TITANIUM ALLOYS12 ZIRCONIUM AND ZIRCONIUM ALLOYS(3)JIS(A)일반사항

일본 공업 표준(JIS)에 의한 철강 재료의 규격은 우선 鐵 과 鋼으로 크게 나눠지고 철은 다시 선철 합금철 및 주철로 분류되고 있다또한 보통강은 후판 박판 선재처럼 형상이나 용도별로 특수강은 강인강 공구강 특수 용도강처럼

성질에 따라서 강관은 강종과 용도별로 세분되고 있다(B)철강재 기호 설명

철강재 기호는 원칙적으로 아래 예와같이 3 부분으로 구성되어 있다예 S S 41 (1)(2)(3)(1) 강(2)구조용 압연재

(3)최저 인장강도 41 kgfmm2① 최초 부분은 재질을 표시한다예 S 鋼 F鐵②번째 부분은 규격명 또는 제품을 표시한다예 S STRUCTURAL(일반 구죠용 압연재)U SPECIAL USE(특수 용도강)

C CASTING(주물)FFORGING(단조)슈BOILER AND HEAT EXCHANGE TUBE(열전달용관)UHHEAT RESISTING(내열강)UPSPRINGUSSTAINLESS 강체COLD PLATE(냉연판)HPHOT PLATE(열연판) 등이 있고 구조용 합금강은 NCM처럼 첨가원소의 부호를 사용한다③ 마지막 부분은 재료 종류 번호의 숫자 또는 최저인장강도를 표시한다예 11 종

2A2 종 A GRADE50최저 인장강도(50 KGFMM2)(C)JIS 기계 구조용강 기호 체계

① 주요 합금 원소 기호

주요 합금원소 기호는 표 3 과 표 4 에 따른다② 주용 합금원소량 코드

표 5 는 주요 합금원소량을 구별한 것으로 탄소강을 제외한 다른 강종에 모두 쓰인다③ 탄소량의 대표치

탄소 함유량 중앙치 백분율 100 배한 수치를 적는다

예 SIZE 탄소 중앙치 012④ 부가기호

제 1 그룹은 기본강에 특수원소를 첨가했을 때 표시

(예 L납 첨가 S황 첨가 U캄슘첨가)제 2 그룹은 화학성분 이외헤 특별한 보증하는 성질을 표시

(예 H경화능 보증강 K표면 경화용 탄소강)(4)KS(A) 일반한국공업표준(KS)은 A 에서 W 까지 15 개 부문으로 대별된다A-기본 B-기계 C-전기 D-금속 E-광산 F-토건 G-일용품 H-식료품 K-섬유 L-요업 M-화학 P-의료 R-수송기계 V-조선 W-화공

(B)철강재 약어 설명

KS 철강재에 나오는 강재중 주요한 것을 열거하면 다음과 같다일반 구조용 압연강재(SS)용접 구조용 연압강제(SWS)용접 구조용 내후성 열간 압연강재(늠)고 내후성 압연강재(SPA)보일러용 압연강재(SBB)기계 구조용 탄소강재(늩ㅌㅊ)구조용 합금강 강재(SMnSCr SMnC SCM SNC SNCM SACM)

공구용 탄소강재(STC)합금공구강재(STS STD STF)고속도 공구강재(SKH)스테인리스강

내열강재

C-Cr 베어링 강재

스프링강재

타소강 주강픔

쾌삭강재

스테인리스강 주강품

타소강 단강품

합금강 단강품

(c)ks 구조용 함금강의 기호체계 ksrn 조용 합금강의 기호체계는 2023(c)에서 설명한 JISRLRp 구조용강 기호체계와 동일 하다 예회 탄소강JIS 는 S 利C 인데 비해 KS 는 SM 利 C 이다233철강의 분류 및 식별 체계

1)일반사항

공업용 철강 재료는 화학적으로 순수한 Fe 가 아니고 Fe 를 주성분으로 하여 각종의 성분 즉 C Si Mn P S 등을 품고 있으며 이러한 성분들은 철강의 성질에 중요한 영향을 준다금속 조직학상으로는 C 20 이하를 강 C 20 이상을 주철로 규정하고 있으나 C 13-2 5의 범위는

실용성이 적으므로 공업적인 생산은 별로 하지 않으며 주철의 탄소 함량은 보통 25-45 범위에

있다또 위에서 말한 철강 중에 5 성분 외에 특수한 성질을 얻기 위해서 특수원소 즉 Ni Cr W Mo 등을

철강중에 부가하거나 또는 위에 적은 5 원소 에속하는 것이라도 특수한 성질의 부여를 목적으로

함유량을 많게 하는 것이 있다 예를 들면 Si 를 많이 품은 규소강 Mn 을 많이 품은 냄마모강 등에

특수강(Special Steel)또는 합금강 (Alloy Steel)이라 하고 이에 대하여 보통을 강을 탄소강(Cardon Steel)이라 하고 철광석 제련의 산물 제강 그밖에 원료로서 쓰일 때 선철 (Pig Iron)이라 부른다 KS DOO41 철강용어에서는 합금원소의 최저 함유량 기준에 대해 표 6 과 같이 일본 관세협력이

사회(Customs Cooperation Council)에서 분류하는 화학 성분에 따른 합금강 규정을 채틱하고

있다 편의상 합금워소 함유량의 다소에 따라서 고합금강 또는 저합금강이라 부르는수도 있다2)AISI(A)일반미국 철강 협회 (AISI)에서 탄소강과 합금강을 정의내린 규정을 살펴보면 다음과 같다1 탄소강(Carbon Steel)탄소강이란 탄소를 보통 006sim20 품고 있으며 기타 합금원소는 조금씩 존재하되 특히 다음

원소는 제한된다 Mn 165 maxSi 060 maxCu 060 max한편 탄소강을 Plain Carbon Steels Mild Steels Low-Carbon Steels 또는 Straight-Carbon Steels 이라고 부르기도 한다

2합금강(Alloy Steels)탄소가 1 이하 들어간 철로써 망간 165 규소 06중 1 가지라도 함량이 넘거나 알루미늄 크롬 (최대 399) 코발트 몰리브덴 니켈 티타늄의 여라 합금원속 첨가된 강을 지칭함단 합금의 총합은 5 미만이어야 한다(B)탄소강 및 합금강의 식별체계미국 철강 협회는 미국 자동차 학회 (SAE)가 채택하고 있　

식별체계는 탄소강과 합금강을 식별하는데 가장 널리 쓰이고 있으며 그 식별체계는 4 자리로

구성되어 있고 주요 그릅을 요약하면 표 7 과 같다(1) (2) (3)1첫째자리 숫자는 주요 합금원소를 표시함1Carbon2Nickel3Nickel - Chromuium4Molybdenum5Chromium6Chromium - Canadium7Tungsten - Chromium89Multiple Alloy2둘째짜리는 대체로주요 합금원소의 함량 ()을 표시함 예 23利니켈을 약 3 함유

3마지막 2 자리 숫자는 탄소 함량의 중간치 ( 100)을 표시하며 탄소가 10이상일 때에는 3자리가 됨 예 1040 탄소함량 040 (C)스테인리스강을식별 체계

1가단 스테인리스강

가단 스테인리스강(Wrought Stainless Steel)의 식별을 위해 AISI 와 기타 규제 기관들이 공통으로

채택하고 있는 기

관들이 공통으로 채택하고 있는 체계는 3 자리로 구서되어 있다 (1) (2)(1)첫째 자리는 주성분을 표시함 2利크롬 니켈 망간을 주성분으로 함

3利크롬-니켈 합금

4利크롬 합금

5利원래는 석출경화형에 쓰였으나 현재는 AISI 가 이식별 체계를 버리고 대신에 UNS 체계를

사용하고 있음(2)마지막 2 자리는 특별한 의미가 없으며 스테인리스강을 발전에 따라 고유번호를 붙여왔음2스테인리스 주강

스테인리스 주강을 식별을 위해 미국 주물 학회 (ACIAlloy Casting Institute)가 채택하고 있는

주요 Cast Alloy Designation 을 AISI 의 가단 스테인리스강 Type 과 비교 하면 표 8 과 같다 여기에서 ACI 식별 번호의 첫째 자리중 C 는 내부식 용도를 뜻하고 H 는 내열 및 내산화 용도를

말한다 한편 스테인리스강 주강품에 대하여 KS애소 규정하고 있는 종류를 ASTM 이나 ACI 의 식별

번호와 비교하면 표 9 와같다3)Unified Numbering System(A)일반사항

1Unified Numbering System(UNS)이란 철강을 포함한 모든 금속 합금의 식별 체계를 만족시키가

위하여 미국 재

료 및 시험학회 (ASTM)와 미국 자동차 학회(SAE)가 공동으로 개발한 재료 식별 체계이다2UNS 는 합금의 조성과 특성은 언금하지 않는다다만 AISI 나 다른 재료 사양 작성 기관이 만들어 낸 재료 사양을 총제적으로 식별하고 있을 뿐이다2UNS 는 기존의 재료 사양을 대체해 가는 과정에 있다

(B)구성

UNS 는 5 자리로 구성되어 있으며 대체로 기존 식별 체계를 다음과 같은 형태로 포용하고 있음예 1탄소강 AISI 1020 rarr UNS G10200 2스테인리스강 Type 316 rarr UNS S31600 Type 316 rarr UNS S316513UNS 의 기본 시리즈는 lt표 10gt과 같음4UNS 번호를 부여하는 책임 기관은 lt표 11gt과 같음4)철강 제품의 종류 및 제조 공정

철강 제품에 대한 일반적인 제품의 혀애와 그 제조 공정 및 제품별로 그 사이즈에 대한 저으이는

관련ㄱ 재료 사양을 참조하면 된다한편 ASME B311 Power Piping에서 파이프와 튜브에 대하여 그 차이를 다음과 같이 정의를

내린고 있다-Tube-단면의 형태가 어떠하든지 구멍을 가지고 있으며 그 구멍의 외곽형태가 연소적인 재푸미을

말한다(A tube amd a hollow product of round or any orher cross section having a continnous periphery)-Pipe-단면의 형태가 구형인 튜브를 말함(Apipe is a tube with a round cross section conforming to the dimensional requirements for nominal pipe size as tabulated in ANSIB3610 Tables 2 and 4 ANSI B3619Table 1 For special pipe having a diameter not lisred in these Tables and also for round tube the nominal Diameter corresponds with the outside diamenter234 재질의 특성과 선택

유체제어에 있어 밸브는 유체성의 특겅 즉 압력 온도 및 물리화학적 특성등에 견딜 수 있는 재질로

제작되어야 한다 따라서 밸브용 재질로 널리 사용되는 철강의 종류는 이들의 모든 특성을 고려해야

하기 때문에 의외로 매우 다양하다재지르이 선택기준은 유체의 온도특성 그리고 물리화학적 특성이 우선적으로 고려된다 약 1세기여에 걸쳐 이 분야에 대한 공업선진국들의 노력은 가히경탄할만 하다특별히 유체의 화학적 특성에 대한 부식(Corrosion) 문제와 물리적 특성에 주로 좌우되는 침식

(Erosion) 문제는 밸브 자체의 가치손실뿐만 아니라 전체 계통에 대한 손실비용을 더욱 크게하고

아울러 시간이 흐를수록 이 손실비용은 점차 커질수 있다는 점이다

일반적으로 산(酸 acids)를 취급하는 밸브는 그 용액의 농도에 따라 밸브 재질에 대한 부식력도

달라진다 황산과 같은 경우에는 온도가 낮아지면 용액이 이온화되기쉽기 때문에 산용액은더욱

부식을 촉진시킨다 온도는 밸브 재질의 선전에 있어 가징 중요한 요소이다간단한 예로서 화학반응(부식과정)의 정도는 10상승시마다 2 배로 부식율이 촉진된다는 것이다 따라서 38의 유체를 퀴금하는 밸브는 부식이 발생하지 않지만 같은 화학적 조건에서 유체온도를

150로 높일 경우에는 부식이 급격히 촉진되는 경우가 이의 예이다아울러 온도가 높아지면 밸브재료로서 금속이든 비금속이든간에 물리적 특성이 변화되어 압력에

대한 저항오 떨어지는 것이다 이외에 밸브의 압력경계면에 있는 트림은 압력상승에 의한 재질간에

마찰 마모 및 긁힘등의 문제와 유체의 물리적 성상으로 유체의 속도 불순물 입자의 혼입과 이들

입자의 운동에 의한 침식문제등이 밸브 재질의 설계시 또는 선정시 주된 요소로 고려되어야한다 다음의 그림 48 은 우리나라 밸브업계에서 주로 쓰이는 밸브 몸체와 본네트 재질에 대한 재질코드를

미국재료학회 코드 기준으로 정리한 것이다 어율로 밸브 몸체에 따른 본네트 볼트의 재질도 아울러

표기하였다다음의 표 13 은 우리나라 밸브업계에서 주로 쓰이는 밸브 몸체와 본네트 재질에 대한 재질코드를

미국 재료학회 코트 기준으로 정리한 것이다 아울러 밸브 몸체에 따른 본네트 볼트의 재질도 아울러

표기하였다 그러나 표 13 의 데이터는 실제 사용환경과 비교 다음과 같은 일반적 주의 사항을 염두에

두고 재질의선정을 하여야 할 것이다즉 고려사항으로써 (1)탄소의 함유량은 가능한한 025 를 넘지 안항야 밸브를 배관고 용점시 별

트라블이 없을 것임으로 025이하로 탄소함유량을 제어하는 것이 좋다(2)탄소강 C-Mo강ㅡ Cr-Mo강의 경우에 있어서 고온상태로 장기간 운전할 경우 입계등에서

흑연화현상이 발생하여 밸브구조가 취약하게 될 염려가 있으므로 다음과 같은 사용온도 이상에서는

사용시간을 고려하여 밸브를 선정하거나 계통의 운전모드를 설계하여야 한다(3)고온산화현상에 의한 스키일 발생을 주의하여햐 한다 다음은 고운에 장기간 사용시 스케일 (산화현상)의 발생이 염려되는 온도이다1-14Ci-12Mo (ASTM A182-F11)586(1050)2-14Cr-1Mo (ASTM A182-F22)565(1050)5Ci-12Mo (ASTM A182-F5)593(1100)(4)고온 고압의 수소한경에 있어서 강은 수소를 흡구하여 재질 특성이 취약해지는 경우가 실제로는

매우 심각한 문

제를 야기한다이를 수소취성화라고 말하는데 이는 수소가 강 입계에 침입하여 탄화물을 분해하여 탈탄과 아울러

입계에 균열을 발생시킨다이는 밸브구조의 압려구부를 총체적으로 파괴할 수 있으므로 매우 주의하여햐 한다(5)저온용의 F 효선정에 있어서는저온에 의한 취성을 고려하여햐 한다이를 방지하기 위하여 저온용 재료는재질상의 결함이 없을 것 사용조건에견딜 수 있는 인성이 있는

재료일 것 용접이 및 가공이 좋은 재료일 것 내식성이 양호할 것등이다235 밸브 트림의 재질

(1) 트림재질의 내마모 및 내 Galling 특성

밸브트림은 유체와 직접 접촉한다는 사실과 함께 유체제어를 위한 기계적 운동을 동시에 수행하게

됨으로 밸브 부품중 가장 가혹한 환경에서 운전하는 부품이다아울레 트림은 이러한 특성으로 인하여 침식부식등의 손상이나 오랜 사용으로 인하여 노화될 때

언제든지 교체될 수 있어야 하는 부속품이다 따라서 밸브트림은 재질은 트림 재질간의 기계적 운동에

의한 긁힘 또는 마모등의 문제에 대하여 강한 특성을 가져야 한다 이러한 재질간의 긁힘(Galling)특성에 대한 것은 첫째 친화력이 높을 수 밖에 업는 같은 종(種)의

재질간과 둘째 뚜렷하게 전위차가 큰 재질 셋째 오스테나이트 스텐레스으로써 같은 강종이거나

경도가 유사한 경우에는 친화력이 높아 밸브트림으로써 접촉부 즉 운동부에는 이들을 같이 사용하는

것은 금지하여야 한다 다음의 표 15 는 밸브 트림재질로서 마모 및 긁힘 특성을 보여준다(2) 운전온도에 따른 트림 재질

유체의 온도가 높을 때에는 밸브 몸체의 열팽창과 밸브트림의 열팽창간에 차이가 생기게 되는데

일반적인 밸브 트림재질에서 유체의 온도가 약 450F (268C)를 전후로 이 온도이상으로

운전하는 밸브는 운전압력이 높아 밸브의 살 두께가 매우 두껍기 때문에 밸브 몸체 내부의 구조적

불연속에서 생기는 열변형이 크게 제약받게 된다 따라서 트림부를 지지하고 있는 밸브의 크로치(Crotch)부분에서는 밸브 몸체의 열 변형에 비하여 큰

변형이 생길 수 있기 때문에 특별히 밸브의 시팅구조 부분과 결부하여 전체적인 밸브의 구조적

건전성에 특히 주의하여야 한다 즉 운전온도가 높을 경우에는 밸비 케이지와 같은 부품은 가능한한

구조적인 불연속부가 적은 밸브의 본네트에 가깝게 설치하여 케이지 아랫면의 열변형이 가능한한

구속이 덜 받도록 설계하는 것이 한 방법이다 아울러 트림재질도 재료의 특성상 사용온도에 한계가 있다 다음의 표 16 은 밸브용재질에 있어서

사용온도의 한계를 보여준다(3) 유속에 의한 침식(Erosion)을 고려한 트림재질

유체 계통의 운전에 있어서 밸브의 압력제어범위가 크거나 높은 차압을 밸브에서 제어해야할 경우

밸브의 제어 교축부인 디스크와 시트에서의 유속은 경우에 따라 음속을 뛰어넘은 엄청난 속도로

에너지 변화된다 이때에 밸브트림은 유체의 제반에너지 변환특성 즉 케비테이션이나 후라싱 또는

쵸오킹이 수반되고 이 과정중에 밸브 드림은 유체 임자의 계속적인 충돌로 표피(表皮)에 손상을

입는다 이러한 현상을 침식이라고 한다 대부분의 제어밸브 트림은 정도의 차이는 있지만 침식에

의한 손상을 받을 수 밖에 없다 특히 케비테이션이나 후라싱 서비스를 전젤 운전되는 밸브는 주기적으로 점검하고 정기적으로

예비트림부품으로 트림을 교체해야 될 정도로 침식의 정도가 심한 것으로 이러한 제어밸브의 사례는

자주 경험된다 제어밸브 특히 가혹한 운전조건에서의 트림재질은 앞서 언급한 내마모성과

내부식뿐만 아니라 강력한 내침식성이 요구된다 대표적인 내침식성 재료로는 스텔라이트(Stellite)가 널리 쓰이는데 가장 대표적인 Stellite No6 의

경우 비교적 저가 이면서 용접성 및 가공성이 비교적 양호하여 많은 밸브 제작자가 트림재질의 내마모

및 내침식 보강용으로 많이 선택하고 있다 다음의 표 17 은 밸브트림 재질별 내침식 특성을 보여준다31 밸브의 종류에 대하여는 1994 년 3월호에 개괄적으로 기능별 형태별 운전특성별로 이미

설명하였다대략적으로 밸브의 종류를 밸브 형태 및 기능상의 제어방법에서 구분하여 보면 약 800~1000 여종이

될것으로 예상된다 이토록 밸브의 종류가 많다는 것은 대부분의 밸브가 전형적으로 주문에 의해

제작되는 특수성에 기인한다 이는 밸브사용의 목적이 워낙 광범위하고 없어서는 안될 프로세스의

핵심제어요소이기 때문이다17 세기부터 일기 시작한 산업혁명이라는 인류역사의 가장 커다란 지적혁명을 갖기 이전에는

프로세스간의 제어요건도 매우 간단하였다 따라서 지금과 같이 여러종류의 프로세스의 제어목적에

맞는 밸브가 필요없었을 지도 모른다그러나 지금의 산업의 고도화와 거대화 그리고 단위 프랜트당 높은 생산성을 요구하고 아울러

엄격한 고도의 통제 장치가 필요하게 됨에 따라 어더 조건하에서도 제 성능을 유지할 수 있는 정교한

구조의 밸브들이 필요하게 되었다 이들 목적에 부합하는 밸브들은 산업발전의 추세에 따라

계속적으로 더욱 늘어나게될 것이다 본장에서는 밸브 기술자 또는 밸브 사용자들이 알아 두어야 할

밸브의 종류 및 기능을 분류하고 각각의 특징에 대하여 밸브 사용자의 입장에서 정리하는 것이다 밸브의 설명은 필자의 편의상 영문의 알파벳 순으로 정리한다311 볼밸브(ball valve)볼 밸브에 대하여는 아직도 정확한 의미의 밸브형식을 정하기 곤란한점이 있다 왜냐하며 볼 밸브의

형식은 프러그 밸브의 한 유사종 밸브로 생각할 수 있으며 볼 자체가 후로팅되어 있는 것을 생각하면

구형(球形) 볼밸브(spherical ball valve)라고 정의할 수도 있기 때문이다 나머지 모든 운전동작이나

기밀유지의 형식 구성상의 특징등이 프러그 밸브와 같다볼 밸브는 프러그밸브의 사촌인 셈이다 볼 밸브는 90 도 회전밸브로서 매우 양호한 기밀유지 특성을

갖고 있다 볼을 감싸고 있는 시트는 기밀을 확실하게 하고 또한 비교적 적은 운전토크를 갖는다 아울러 볼의 유로형상이 원형으로 밸브 입출구의 형상(원형)과 같은 모양이기 때문에 유로저항도

매우적다 이는 범용의 밸브 중에서 특히 저압의 상온 유체를 차단 제어특성을 갖고 있다는 것이다 따라서 거의 모든 볼 밸브는 full port 보다는 연결배관의 호칭직경보다 작은 구경의 유로경 즉

reduced port 를 갖는다이외에 같은 호칭직경을 가진 타 종류의 밸브보다도 간단한 구조 보수의 용이성 제작성의 편리성등

경제적인 측면이 많은 반면 시트구조의 치밀성 시트재료의 제한 및 배관 계통의 설치 주의사항등

단점도 있다일반적인 볼밸브의 운전환경은 밸브의 크기에 따라 제약을 받지만 온도-압력기준(pressure temperature rating)으로 보면 운전온도의 범위가 130~230 운전압력의 경우 25torr(초고진공)~400bar 까지 견딜 수 이쓴 볼밸브(high performance ball valve)의 제작도 가능하다볼 밸브의 적용성은 매우 다양하다 일반적인 청수(淸水) 솔벤트 산류(酸類) 가스 천연가스등의

유체수송은 물론 산소 수소 메탄 에틸렌 과산화수소등의 매우 위험한유체 수송에도 널리 쓰인다 그러나 사용상의 제약은 결국 불을 잡아주고 볼과 밸브 몸체의 기밀을 유지하는 씰(seal)구조의

재질사양에 달렸다 앞으로 볼 밸브의 기술적 과제는 기밀유지 접촉부위의 재질선정과 구조의

기술혁신에 있다고 할 수 있다다음 그림 50 은 일반적인 볼밸브의 시트 구성 재질에 따른 운전압력을 보여준다(1) 볼밸브 형식

볼밸브의 몸체형식은 몇 조각의 몸체로 구성되어 있느냐로 정해진다 거의 모든 볼 밸브는 설계 및

제작상의 용이점 때문에 2-piece 또는 3-piece 로 구성되어 있다 그러나 소형의 볼 밸브 및 중대형의

볼밸브는 1-piece 또는 2-piece 로 된 것이 대부분이다 볼 밸브의 볼 구성형식은 플로팅타입

(floating type)과 트러니온(trunnion type)으로 구분되고 볼의 삽입 방법에 따라 톱엔츄리

(topentry)타입과 엔드 엔츄리(end entry)타입이 있다 플로팅 타입은 볼밸브의 시트링에 의해

고정점으로 하여 트러니온과 베어링에 의해 지지되는 구조이다(2)시팅재료

볼밸브에 있어서 가장 중요한 핵심적인 요소는 시팅이다 대부분의 볼 밸브는 탄력성이 좋은

ptee(polytrafluore ethylene)가 가장널리 쓰이고 유체의 부식특성에 따라 특별한 용도의 것으로

나이론 bnna n 성형흑연(graphite) 및 ptee 에 성형 흑연분말을 함침한 씰링 제료가 있다 볼 밸브

시팅재료에 있어 볼과 씰링재료가 금속인 경우가 가장 이상적이지만 볼과 씰링면의 정밀가공이

전제되어야 함으로 어떤 특정용도에 한정된다메탈시팅구조의 볼 밸브는 이러한 제작 가공상의 어려움으로 상대적으로 매우 고가의 밸브 제품으로

분류된다 특히 가스용의 볼밸브인 경우에는 시트에서의 완전기밀이 보장(bubble tight shut off)이

되어야 함으로 시트가 스프링에 의하여 일정한 가압력이 작용되도록 설계된 것이 많고 화이어테스트

(fire test)등의 규격요건을 만족하기 위해서도 중대형의 볼 밸브 구조ㅡ 특히 고성능을 요구하는 볼

밸브는 메탈시트 또는 탄력성이 좋은 합성수지의 시트에도 스프링 가압방식의 시팅구조를 채택하고

있다이러한 경우 계통중의 어떤 이물질이 시팅부위에 혼입될 경우 4rm(015)정도의 초정밀 폴리싱

(supper polishing)된 볼의 표면이 손상될 염려가 크므로 특별히 크롬이나 니켈등을 포함한

고강도의 재료로 하드훼이싱(hardfacing)하여야 한다 볼 밸브에 관련된 미국의 산업규격은 앞장에

있다321 버터후라이 밸브

버터후라이 밸브도 볼 밸브 프러그밸브와 마찬가지로 90 도 회전밸브 이다특히 밸브구경 대비 밸브 노즐면간의 길이가 매우 짧은 콤팩트화된 밸브로써 밸브 구조상의 여러 가지

독특한 장점이 있다 그 예로써 밸브의 구경 대비 밸브 무게가 거의 같은 역할을 수행하는

게이트밸브에 비하여 60~70 정도이고 볼 밸브나 프러그 밸브에 비해서도 20이상 가볍다 또

밸브의 무게중심의 볼 밸브와 같이 배관 중심선과 거의 일치함으로 배관계의 구조를 보다 건전하게

한다 물론 밸브의 구성부품수도 적기 때문에 제작도 용이하고 밸브 구경 대비 가격도 저렴한 편이다특히 웨이퍼(wafer)타입의 버터후라이밸브는 밸브의 크기 및 콤팩트성 가격 제작의 용이성 설치의

편이서 배관계의 구조적 안정성 밸브의 유지보수 측면에서 어쩌면 가장 합리적인 밸브타입으로 볼

수 있다 위와 같은 여러 설계인자로 인하여 버터후라이 밸브는 밸브구경이 커지면 커질수록 장점이

돋보인다 계통의 운전조건에 따라 다르겠지만 밸브의 호칭직경이 20 인치(500mm)를 넘는 대형의

밸브는 거의 모두 버터후라이밸브이다헌재까지 기록상으로 호칭직경 10000mm(10m)의 버터후라이밸브가 생산되었고 차후바닷물의

조수(潮水)발전이나 해양 온도차에 의한 해양발전등 대규모 에너지 개발 프로젝트가 실용화되려면

이보다 훨씬 큰 버터후라이밸브가 제작되어야만 할 것이다단점으로는 디스크와 시트와의 기밀유지 기술이 타 밸브에 비하여 까다로우며 디스크의 구조상

유체흐름과 대칭상태로 힘을 받기 때문에 높은 차압을 요구하는 계통에는 진동 및 소음등을

유발하므로 적용하는데 어렵고아울러 밸브 크기가 클수록 디스크에서의 면압 및 운전토오크가

커지기 때문에 압력이 높은 계통에서의 버터후라이밸브 선정은 제약을 받는다(1) 버터후라이 밸브의 시팅구조

버터후라이 밸브의 시팅구조는 볼 밸브와 마찬가지로 탄력성이 좋은 천연 또는 합성고무 불소수지등으로 만든 시트에 금속 제의 디스크면이 접촉하여 기밀을 유지하는 구조가 범용의 저압

프로세스용 버처후라이밸브에 널리 채용되고 있으며 증기 서비스와 같이 비교적 고온 유체의 제어 및

계통 압력이 20bar 를 넘거나 밸브간 차압이 5bar 이상을 제어하여야 하는 경우에는 메탈시트

(metal to metal contact)또는 고성능 버터후라이밸브를 채용하는 것이 권장된다hpbv 는 버터후라이밸브 제작사중 기술력이 좋은 일부 밸브로써 각사마다 독특한 구조의 시팅구조를

선보이고 있다 그러나 hpbv 의 기본적인 시팅구조의 형식은 디스크와 디스크 축이 편심상태로

설계된 에쎈트릭 디스크구조가 대부분이다 다음의 그림 51 은 일반 법용 버터후라이밸브의

시팅구조를 그림 52 53 5455 는 고성능 버터후라이밸브의 시팅구조와 운전특성을 보여준다(2)버터후라이 밸브의 형식

버터후라이 밸브의 형식은 밸브 몸체의 연결방식과 디스크-시트의 시팅구조의 차이점에 따라 수분할

수 있다 우선적으로 밸브 몸체의 구성방식으로 보면 프랜지형 웨이퍼형 프랜지 관통형으로

구분되면 시팅구조로 보면 디스크와 디스크 구동축이 밸브 몹체의 중심과 일치하는 콘쎈트릭

(concentric)구조와 구동축이 편심되어 있는 에쎈트릭(eccentric)구조로 구분할 수 있다이렇게 기하학적으로 시팅구조가 상이한 것은 시팅의 역학적구조가 밸브의 기본기능인 압력기준 및

완벽한 유로차단기능에 있어서 전자의 경우는 낮은 압력 또는 rubber lined 후자의 경우는 높은

압력 또는 high performance를 갖는다는 뜻을 포함하고 있다(3)버터후라이 밸브의 운전특성

버터후라이 밸브의 운전특성은 디스크 형상의 특성상 독특한 운전특성을 갖고 있다 운전특성은 첫쩨 밸브 개도의 정도에 따라 밸브의 운전토오크가 크게 변화되고 둘째 밸브 시팅에 비교적 큰 토오크가

필료하며 셋째 유량조절시 저개도 운전시 유체 와류현상에 의한 밸브 운전의 불안정성을 들 수 있다 이러한 버터플라이밸브의 운전 특성으로 말미암아 밸브의 구조적 측면에서 많은 장점에도 불구하고

버터후라이 밸브의 적용은 제한 받을 수 밖에 없다밸브의 운전 토오크는 밸브에서의 부하차압(밸브는 계통에 있어서 제어요소 이기 때문에 밸브

전단의 계토압력과 후단에서의 계통압력은 제어요소인 밸브에서 감당하는 경우가 대부분이다 이때

밸브가 수용해야 하는 계통간의 차압을 부하차압이라고 한다)의 정도에 따라서 크게 차이가 난다 한

예로써 범용 고무라이닝된 4 ANSI CLASS300 의 버터후라이 밸브는 일반 청수를

서비스할때100 완전개도시 경험상 10PSI(07BAR)의 차압을 유지하는 것이 권장된다 이런 경우

유속을 9msec로 하면 최대 유량은 1186 GPM(269tonhour)이 된다 이때의 필요 토오크는

시팅되어 있는 디스크를 떼어냄는 힘(breakaway torquid)를 포함하여 24~~25kg~m 가

필요하다그러나 개도가 70정도가 될 때는 차압이 증가되는데 이는 밸브 디스크와 시트의 교축이 원인이 된다이때 차압이 22psi(15bar)정도 생기며 유량은 1313gpm(298tonhour)정도로 증가된다 이때의

운전토오크(dynamic operating torque)는 100개도시의 운전토오크에 비하여 적어도 10배이상의 코오크가 소요된다그림 56 은 버터플라이밸브에 있어서 시팅토오크가 없는 이성적인 조건하에서 밸브 개도에 따른 운전

토오크의 변화를 보여준다 시팅토오크를 무시할 수 있는 밸브는 실제적으로 버터후라이 밸브에서는

없다 단지 이 그림은 운전중 밸브스템의 토오크변화 특성을 설명하기 위한 것이다실제로는 그림 57과 같이 닫힌 밸브를 열기 시작할때는 닫았을 때의 시팅 토오크이상의 토오크가 필요하다 이

토오크를 브레이크어웨이토오크라 한다통상적인 모든 버터플라이밸브는 브레이크어웨이 토오크가 실질적인 밸브 조작토오크가 된다 따라서

버터플라이밸브의 운전 토오크는 계통운전조건의 압력-온도에 의한 토오크 보다 시팅력에 필요한

토오크에 200이상의 토오크를 더 계산한 브레이크-어웨이 토오크를 가지고 사이징하여야 한다 시팅코오크를 구하는 방법은 메탈시트의 경우 다음과 같은 안을 제시한다다음의 그림 58 을 참조한다입력항목p=시트접촉면압

b=사투접촉의 폭

R=시트의 반경

α=시트의 각도함수=(π2)-시팅각도

Θ=디스크의 시팅 유효각도

μ=시트와 디스크면의 마찰

계수 계산 시팅토오크

TS=2Pbr2((1tanα)sinΘcosΘ+Θ)+2μsinΘ)따라서 총 필요토오크는 경험상 Tt=Ts+(스템부 마찰에 의한 토오크)+(정수력학적 토오크)가된다 다음의 그림 59 는 범용 버터플라이밸브의 밸브 개도별 차압 및 유량의 관계를 설명하기 위한

그림이다 그림 60 은 범용 버터후라에밸브의 크기별 차압별로 버터후라이 밸브의 총 조작토오크의

경향을 보여준다여기 그림에서 가르키고 있는 수치는 대부분의 테프론라인드 버터플라이밸브에

적용될 수 있는 수치들이다만약 미터단위로 환산하려면 다음과 같이 한다1 psig=6894PKa=00684bar1GPM(water)=63 10E6(m3sec)=000378(m3Min)=02268(m3hour) 1 1b-in=011298 N-m=001152kgf-m1렌=03048msec표 18 은 버터플라이밸브에 있어서 밸브개도와 차압에 따른 이론적인 유량과 이에 다른 유속을 계산해

본 결과이다 다러서 실제적으로 일어날 수 있는 케비네이션과 같은 현상은 무시되었다그러나 이

표는 다음과 같은 버터플라이밸브만이 가질수 있는 특송을 보여주고 있다즉 (1) 밸브개도 80 90일 때 밸브간에 생기는 차압은 일정하지만 유량은 다르다(2)밸브개도가 60이상이 되면서부터 차압의 증가율이 낮아진다(3)밸브개도가 70 80일때의 차압의 변화율과 유량의 변화율은 상호 비례관계를 갖지 않는다 이와같은 버터플라이밸브에서는 밸브개도 60 90사이에서는 유량과 차압의 변화특징이 많음으로

실제 범용의 버터

후라이 밸브에 있어서 개도조절에 의한 유량제어에의 적용에는 무리가 따름을 알 수 있다(4) 버터플라이밸브 관련 산업규격

API STD598Butterfly Valves Inspection and TestingAPI STD609Butterfly Valves Lug and Wafer Butterfly ValvesASTMF1098 Standard Specification for Envelop Dimensions For Butterfly Valves-NPS 2 to 24AWWA C504 Standard for Rubber-Seated Butterfly ValvesJIS B 2032 Wafer Type Rubber-Seated Butterfly ValvesJIS B 2064Butterfly Valves for Water WorksMIL V-24624 Valves Butterfiy Water and Lug Style Ship-Board Services

MSS SP-67Butterfly ValvesMSS SP-68 High Pressure-Offset Seat Butterfly ValvesUL 1091 UL Standard Safety Butterfly Valves for Fire Portection ServicesUL 1091 Outline of Investigation for Btterfly Valves Indicator Posts for Fire Protection Service313 체크밸브(check valve)체크밸브는 운전특성상 자력으로 또한 밸브의 트림 또는 동작부가 어떻게 운전하고 있는지를

스스로만 가르키는 밸브 중 가장 유별난 밸브의 한 종류이다 또 유테의 흐름을 한 방향으로만

유지하기 때문에 영어로non-return밸브라고 한다체크밸브에 대해서는 심도있는 연구로 체크밸브 응용에 따른 워터햄머(수격)등의 문제점들이 상당히

해결되어가고 있다 이들 문제점들의 해결방안이란 계통의 운전특성에 따른 최적현상의 체크밸브의

운전거동을 계통의 유체 흐름현상 해석에 결부시켜 해석하고 이 해석결과에 따라 보다 정밀하게

설계된 체크밸브 그리고 올바른 설치를 엔지니어링 하는 일련의 과정이다 체크밸브의 기본적인 종류

및 운전특성에 대하여는 밸브의 구조에서 이미 언급하였다따라서 본 장에서는 보다 실질적인 체크밸브의 운전특징과 종류별 선정기술에 대하여 설명한다체크밸브는 대별하여 6 종류로 구분할 수 있다 모든 밸브 기술자들에게 익숙한

스윙체크밸브에서부터 최근에 보다 많은 호평을 받고 있는 듀얼프레이트체크밸브 통상 4(100A)이하 특히 2(50A)이하에서 널리 채택되고 있는 리프트체크 유체 흐름저항이 적고 스윙길이가 적어

스윙체크밸브보다 빨리 닫힐 수 있는 기하학적 이점으로 인하여 디스크의 슬램현상이 감소되는

틸팀디스크 체크밸브 소위 인라인 체크밸브 그리고 마지막으로 그로브밸브와 체크밸브를 한데 묶어

두가지 기능을 각기 수행할 수 있게 한 스톱체크 밸브가 있다체크밸브를 올바르게 선정하기 위해서는 우선 계통설계자가 체크밸브에 대하여 잘 알아야 한다 왜냐하면 체크밸브는 계통의 운전특성에 따라 각기 다른형식의 체크밸브가 필요하기 때문이다 체크밸브를 올바르게 선정하기 위한 선정인자들을 아래와 같이 정리하였다 밸브의 형식 모양 계통의 운전 요구사항 특성등에 따른 정보들이다(1)스윙체크밸브(SWING CHECK VALVE)스윙체크밸브의 운정특징은 힌지핀을 중심으로 디스크가 유체의 흐름량(유속)에 따라 디스크가

열림으로 밸브가 개방되고 유체가 정지(유속=0)함에따라 밸브 추구특의 압력과 디스크의 무게에

의해 닫히는 구조이다따라서 유체흐름의 중심과 힌지핀의 거리가 다른 어느 종류의 체크밸브보다 길어유체계통의 손상에

의한 급격한 역류 발생시 밸브닫힘(디스크 닫힘)시간이 비교적 길어지고 아울러 밸브디스크와

힌지핀을 연결하는 디스크와 암등내부 트림구조 보다 큰 충격력이 작용한다 따라서 계통 및 밸브

보호를 위해 유체의 흐름이 불 균일 하거나 유속이 빠른 유체계통에서는 스윙체크가 리프트 체크 및

틸팅디스크 체크밸브보다 불리하다 특수한 것으로는 힌지핀에 레버 또는 레버중추(LEVER WITH COUNTER WEIGHT)를 부착하여 디스크의 닫힘시간을 조정할 수 있도록 한 것도 있다이러한 레버중추를 설치한 체크밸브는 유속이 비교적 빠르고 맥동이 있는 라인에 적용될 수 있으며 유체계통의 운전상황에 따라 체크밸브의 운전특성을 변경시킬 수 있는 장점도 있다 다음의 그림 61은 미국의 KALSI엔지니어링사에서 연구한 체크밸브(6와 3)의 설치 위치 및 방법에 따른 디스크의

떨림정도를 요약한 그래프이다그래프에서와 같이 체크밸브(스윙)를 엘보우 후단에 설체(3밸브의 경우에는 엘보우 후단에서 2D

위치에 설치한 경우를 LD=0 로 보면 됨)한 BASELINE떨림(배관계통의 정상적인 유체맥동에 따라

발생하는 디스크의 떨림)보다 2~4 배의 디스크 떨림이 있었으며 유체계통의 흐름이 난류인

경우에는 4~15 배의 떨림이 LD=5 이내의 스윙체크밸브의 경우 엘보우 티이 또는 제어밸브와 같은

난류원에서는 충분한 거리를 유지하여 설치하여야 한다는 것이다즉 체크밸브의 안전한 운전을 보장하기 위해서는 난류원에서 5D 이상의 거리를 두어설치하여야

한다 여기서 L 은 배관의 길이를 말하고 D 는 배관의 호칭 직경 또는 밸브의 호칭크기를 말한다 그림

62 는 엘보우와 같은 난류원이 체크밸브에 어떻게 영향을 미치는가를 도식한 것이다 스윙체크밸브

선정을 위한 유체흐름특성 및 유속과의 관계를다음과 같이 요약할 수 있다(2)리프트체크밸브(LIFT CHECK VALVE)리프트체크밸브는 맥동이 있는 유체나 비교적 유속이 높은 배관계통에 적합한 구조를 갖고 있다 예로써 체크밸브의 디스크가 완전 개방되는데 필요한 유속이 수윙체크밸브의 경우에는 48SV 내외인

반면 리프트체크밸브는 설계방법에 따라 다르지만 55~140SV 가 필요하다 여기서 SV 는 유체의

비체적이다 유속의 단위는 Ftsec 따라서 앞서의 스윙체크밸브의 적용이 곤란한 경우 비교적 간단한

구조와 신뢰성 높은 구조인 리프트체크밸브가 넓게 쓰인다그렇지만 유속이 낮은 배수계통이나 단순한 GRAVITY FLOW 에의 적용에는 신중을 기하여야 한다 리트트체크밸브의 몸체 구성형식은 이미 21 장에서 구체적으로 언급하였고 여기서는

리프트체크밸브에 있어서의 단점 몇가지와 함께 설치방법을 성명한다리프트체크밸브는 앞서의 설계상 다양한 잇점이 있는반면 밸브 몸체와 디스크의 안내면이 원활하지

못할 경우에는 밸브가 열려 있는 상태로 다시 닫히지 않는 일면 Cock 또는 Stick 현상이 있다 따라서

이러한 현상을 완화시키기 위해서는 유체 흐름을 유속범위내에서 스프링을 체택한 SPRING LOADED CHECK VALVE 로 변경하는게 좋다아울러 유체가 디스크시트를 통과할 때 생기는 와류에 의해 디스크가 제자리 회전하는 spinning 이

생길 수 있다 이러한 경우에는 디스크 상부의 챔버와 밸브 출구간을 연결하는 구조의 바이패스배관을

설치하여 디스크가 열릴 때 디스크상부 챔버의 잔류 유체가 빠져 나가는 구조의 리프트체크 밸브의

선정이 요구된다 다음의 그림 63 은 리프트 체크밸브의 설치 방향의 제한 사항이다(3)틸팅디스크 체크밸브

틸팅 디스크 체크밸브는 스윙체크밸브와 리프트 체크밸브로써 만족시키기 어려운 역류로 인한

급격한 스램(Slamming)을 감소시키고 (스윙체크밸브 대비) 리프트 체크밸브의 작은 동작범위

(Travel Length) 때문에 디스크의 닫힘이 매우 빨라 순간적인 유체천이력이 크게 되는 경우 이를

어느정도 감소시킬 수 있는 밸브로써 고안된 밸브이다따라서 압력 및 온도가 높고 유속이 빠른 고에너지 유체계통에서 적응성이 높은 밸브이다 그러나

유체의 흐름에 맥동이 있는 경우에는 디스크가 계속 떨리면서 운전됨으로 힌지핀의 마모로 인한

밸브의 선택에 보다 깊은 밸브엔지니어링이 필요하다 틸팅디스크는 구조상 디스크의 피봇포인트

(Pivot Point)가 유체유로의 단위 관성력의 중심과 밸브의 무게 중심과 근접하도록 설계되어 있기

때문에 작은힘의 역류에도 쉽게 닫힐 수 있으며 디스크가 시트에 닿을 때에도 디스크와 피못간의

모멘트 길이가 짧아(물리적인 용어로 Pendulum Period 효과)슬램 현상이 스윙 체크에 비하여

월등히 감소된다또한 밸브가 정상적으로 운전할 때에도 주 디스크와 보조 디스크 사이로 유체가 흐르도록 되어 있기

때문에 운전시에는 원활한 유로관성으로 안정되어 있지만 디스크가 닫힐 때에는 이 두 디스크가

유로를 간섭하게 됨으로 배관 파손시 또는 펌프의 불시정지(Pump Trip)시의 급격한 슬램 또는

워터햄머 문제를 디스크의 닫힘지연효과(Closing Delay Effect)로 상당수준 완화시킬수 있는

구조이다이는 밸브 디스크면에서 생길 수 있는 충격에 의한 스트레스로 디스크면과 시트면의 마모를 스윙체크

밸브에 비하면 상당히 감소시키는 구조이다 예로서 여러대의 펌프가 병열 운전하는

배관시스템에서는 펌프의 출구배관은 통상적으로 펌프헤더(Header 또는 Manifold)에 연결된다이 헤더전단 즉 각 펌프의 후단에는 체크밸브가 설치되어야 한다즉 닫힘속도가 빠를수록 좋으며 디스크가 시트면에 닿는 순간에는 그 충격력을 감소시킬수 있는

구조이면 더욱 좋을 것이다 이러한 경우 틸팅디스크 체크밸브가 쓰인다틸팅 디스크 체크밸브에는 앞서 언급한 구조적인 장점들을 더욱 효과적으로 수행할 수 있게하는

고려사항이 있다 6이상의 대형 틸팅디스크체크 밸브는 스윙체크에 비하면 역류시 순간적인 단힘

동작에 시간이 걸릴 수도 있다이는 틸팅디스크의 구조에서와 같이 닫힘 동작이 개시될때의 역류(유체압)의 힘을 받는 단면적이 적기

때문이다 이를 설계에 고려한 것이 힌지핀에 스프링을 감아 닫힘을 용이하게 한 구조이다그러나 디스크가 완전히 닫힐 때는 이 스프링의 영향력이 거의 없도록 해야 한다 따라서 스프링의

강성도는 틸팅디스크의 날개 무게가 가장 중요한 설계인자가 된다 이렇게 될 경우 스프링

스윙체크밸브의 중추와 유사한 역할을 수행하게 되는 것이다 그림 65 의 경우 틸팅디스크 체크밸브의

디스크 평형 설계를 용약한 구림으러서 틸팅 디스크의 힌지핀은 밸브의 시팅부에 가능한 가깝게

설계하되 선 A-A 와 B-B 및 디스크가 완전 열렸을대의 유선이 만드는 F-F선의 삼각형내에 있어야

한다유체 흐름이 일정 속도가 되어 균일해 지기 위해서는 유체유속으로 인한 유체관성력과 틸팅디스크의

지중에 의한 디스크의 평형이 매우 중요하다따라서 주 디스크의 형상과 날개(보조디스크)의 형상은 이 평형관계 때문에 유로의 접선각도가 다르게

설계된다 그름 66 과 그림 67 은 각각 고압용 체크밸브로 사용되는 미국 에드워드사 및 영구

드란스사의 틸팅디스크 체크밸브인데 모두 힌지핀이 시트면의 법선과 유로의 디스크 접선이 만드는

역삼각형내에 위치하고 있으며 시트면에 최대한 가깝게 설계되어 있다그러나 디스크가 완전히 열려 있는데 필요한 최소요구유속(Minimum Flow Velocity)는 스윙

체크밸브보다 모멘트 길이가 짧기 때문에 (이 모멘트 길이는 제작회사가 다르다) 일반적으로

스위체크밸브에 비하여 최소요구 유속은 50~100더 크다 즉 스윙체크밸브가 V=48V 이면

틸팅디스크 체크밸브는 70~90SV(여기서 SV 는 유체의 비체적으로 ft316)로 크다 따라서 고에너지

유체수송용(4~8msec)의 증기 물또는 가스용으로 사용된다(4)웨이퍼 디스크 체크밸브(Wafer-Type Disc Check Valves)웨이퍼 디스크 체크밸브는 여닫이 창문모양의 Single 또는 여미의 판을 스프링으로 고정하여

체크밸브의 역할을 수행하게 하는 밸브로써 근래에 기술의 진전(스프링 소재의 발전 스프링의

내구성 향상 설계의 최적화 등)으로 이 밸브의 사용추세가 증가되어 가고 있다미국의 석유가공협회(API)에서도 웨이퍼 체크밸브의 규정을 API Standard 594 Wafer-Type Ceck Valve 로 규정하고 있다 웨이퍼 디스크 체크밸브의 가장 큰 장점은 동일 배관 크기에 있어서 경량 소형으로 설계제작이 가능하다는 것이다 예로서 스위체크밸브에 비하면 약 4~5 배 정도로

결량제작이 가능하고 구조가 간단하고 불연속부가 적기 때문에 성능대비 전반적인 소형으로써의

제작이 가능하다따라서 이러한 이유 때문에 가격 배관설치비 공간절약 운송등 경제적인 효과가 여타 체크밸브보다

월등하다 그러나 이 밸브의 선택에 공학적으로 망설이는 이유는 두 개의 핀을 폐쇄시키는데

스프링의 힘이 필요해 스프링의 손상시 계통의 건전성 문제가 제거되기 때문이다스위체크밸브는 구조적으로 계통의 과도현상 등에 의한 힌지핀의 마모 힌지의 손상 등이 있는데

이러한 경우는 공학적인 면에서 웨이퍼 디스크 체크밸브의 스프링 손상 가능성에 비하여 확률적으로

매우 낮기 때문이다 아울러 유체의 흐름이 불균일한 경우에는 계통 운전 중 계속 스프링에

피로응력을 축적시키기 때문에 맥동이 예상되는 배관계통에의 적용은 신중하여야 한다만약 유체흐름의 속도가 웨이퍼핀을 일정하게 열게할 수 있다면 좋지만 웨이퍼 핀을 완전히 개방시킬

수 있는 최소요구유속(Minimum Flow Velocity)은 스윙체크밸브에 비하면 높기 때문에 중력에

의한 역류방지 등 저속유체의 적용에는 타당하지 못한 점이 단점이다유체흐름의 동적인 면(Dynamic Flow)에서 보면 스윙체크밸브는 유속의 변화에 민감하게 작용하나

유속이 증가되었을 때의 계통의 어떤 문제로 인하여 역류가 발생 하였을 때 감가속도가 웨이퍼

디스크 체크밸브 자체의 슬램(Slamming)의 에너지량이 커진다즉 유체천이의 에너지 변화를 크게 할 수 이써 배관계통의 Dynamic Force 는 크게될 수 있다는

것이다 다음의 그림 68 69 는 전형적인 Single Plate 및 Dual Plate Wafer Type Check Valves 를

보여준다 이 밸브의 설계특징은 체크 밸브의 디스크를 두 개로 분리한 소위 디스크 분리형 체크

밸브이다 즉 유체관로를 하나의 디스크로 열고 닫고 하던 것을 관로 가운데에 기둥을 하나 세우고

이곳에 디스크를 두 개로 구분하여 작은 다스크를 두 개로 구분하여 작은 디스크 두 개가 동시에

열리고 닫히게 하는 구조의 체크밸브이다따라서 디스크 하나로 유체흐름을 제어하는 것 보다 디스크 두 개로 힘을 나누어 유체흐름을 제어할

수 있어 밸브 구조가 단순해지고 작아지는 콤팩트한 구조로 되고 아울러 닫힐때의 일반 스윙체크나

리프트 체크 밸브의 모멘트 길이보다 작기 때문에 신속히 닫힌다는 잇점도 있다따라서 이러한 잇점들과 아울러 밸브구성 재료의 기술밸전과 더불어 점차 사용량이 많아지고 있는

체크밸브의 한가지다그렇지만 범용의 스위체크나 리프트 체크밸브에 비하여 실용화된 역사가 짧고 사용 실적에 대한

검증이 보다 많은 시간이 소요된과 더불어 밸브의 메카니즘상 홀딩 디스크(HOLDING DISK)의

핵심이 스프링의 피로문제 등으로 아직가지는 스윙체크 밸브와 같은 일반화된 범용 체크밸브로

구분하지 않고 있다 따라서 뺄브 제조업체도 이러한 웨이퍼 디스크체크 밸브 제조 전문회사로

자리하고 있어 세계적으로 제작업체가 많지 않은 특징이 있다 예를들면 영국의 굿윈(GOODWIN)사 미국의 텍사스 주 휴ㅡ톤에 근거를 둔 석유화학계통의 밸브들을 중점적으로 제작하는 TRW 사 ARCIN 사 등의 있으며 우리나라의 경우에는 복숭아밸브 정도가 홀딩 디스크 계열의 체크밸브를

생산하고 있다 웨이퍼 디스크 체크밸브는 듀오체크밸브 9DUO-CHECK VALVE) 플래퍼 체크밸브

(FLAPPER CECK VALVE) 워터 체크밸브(WATER CHECK VALVE)등으로 호칭하고 있다 API 594는 이러한 밸브를 워터체크밸브(WATER CHECK VALVE)로 정하고 있지만 BS(영국규격)에는 듀얼

플레이트 체크밸브(DUAL PLATE CHECK VALVE)라고 언급되어 있다 그림 70 은 웨이퍼 디스크

체크밸브의 상세도 이다lt웨이퍼 디스크 체크밸브 체크 밸브의 특징gt스윙 체크밸브에 비하여 경량이고 크기가 작으며 강력한 구조를 갖고 있다(그림 71참조)유체수송에

있어서 듀얼 플레이트(DUAL PLATE)로 설계된 구조설계조선을 가진 밸브이다 스윙 체크밸브의

구조적 취약점인 시팅 순간의 시트와 디스크면의 안착노력(SEAT SCRUBBING)을 대폭 감소시킨

구조인 스프링 가압방식을 쓰기 때문에 개폐의 체크밸브 역할이 보다 정확하다

수격현상이 모멘트 아암이 작기 때문에 밸브구조 자체의 손상 가능성이 줄어들고 힌지핀과 스톱핀(스프링 핀 지지대)에 의한 구조적 강도가 보장되어 체크밸브 손상에 의한 수격현상의 천이문제도

완화시킨다 이는 스윙체크 밸브가 손상될 경우 힌지핀 또는 디스트 아암의 파편들이 계통내에

흩어지고 천이의 진행을 막지 못하지만 웨이퍼 디스크 체크 밸브의 경우에는 설사 힌진핀이 손상

되더라도 DUAL PLATE 는 유지되기 때문에 천이 진행을 감소 시킨다 스윙 체크 밸브에 비하여 압력

손실이 적다 단 작은 크기의 밸브는 웨이퍼 디스크 체크밸브가 크다 따라서 50A 이하의 체크밸브는

스윙체크밸브가 보다 용이한 구조이지만 큰 사이즈의 체크밸브에는 웨이퍼 디스크 체크밸브가

스윙체크밸브보다 계통운용의 경제성 측면에서 월등히 좋다그림 72 는 유량수송에 따른 웨이퍼 디스크 체크밸브에서의 압력손실을 보여준다 이 표는 TRW 그룹의 미션 듀오체크(MISSION DUOCHECK VALVE)모델에 기준한 것이다 설치상 제한 사항이

스윙 체크밸브 보다 적다 웨이퍼 디스크 체크밸브의 경우 어느 방향으로도 설치가 가능하나

스윙체크배브는 수평설치시 항상 힌지핀이 수직면으로 유지되어야 한다 그러나 힌지 핀은

수평배관시 반드시 수직 이어야 한다관로 유속이 느린 경우 스웡 체크밸브는 힌지 핀이나 디스크 핀과 같은 MOVING PART 에서의

마모정도가 웨이퍼 디스크 체크밸브 보다 심하다 이는 MOVING PART 가 유로의 속도 변화(변동)에

따라 생기는 흔들림(FLUCTUATION)에 그대로 노출되어 있는 반면에 웨이퍼 디스크 체크밸브는

스프링에 의한 흔들림의 에너지를 어느정도 흡수할 수 있기 때문이다 플랜트 운전 경험상

스윙체크의 치명적 결함은 적정 관로 유속이 유지되지 않을 경우 유체 힘의 파동에 의한 MOVING PART 의 점진적인 마모로 인한 것임이 여러자료를 통하여 알려져 있다설사 MOVING PART 가 손상이 되지 않더라고 MOVING PART간 마모로 인한 공차 증가로

체크밸브의 내부 누설등 성능 저하는 피할 수 없는데 특히 문제가 되는 것은 체크밸브가 완전

손상될때까지 운전원이 체크밸브의 성능저하를 발견하는데는 매우 어렵다는 것이다웨이퍼 디스크 체크밸브에서 가장 기술적인 관점이 되는 것은 스윙 체크밸브에 비하여 장점으로

간주되는 스프링의 신뢰성 문제이다 스프링은 밸브의 수명기간 중 스프링 상수의 변화라든가 가공

경화(STRESS HARDENING)가 없어야 하고 수송유체에 대하여 강력한 내부식성을 가져야 한다 스프링의 피로 파괴를 미연에 방지하기 위해 스프링은 적어도 수백만번의 수명평가를 받은 검증된

재료 제조방법 환경하에서 제작된 것이어야 한다실례로 스프링의 파손은 체크밸브의 급격한 성능 저하에는 즉각적으로 작용하지 않지만 스윙

체크밸브의 예에서와 마찬가지로 게통의 정상적 운전을 예고도 없이 악화시킨다웨이퍼 디스크 체크밸브도 정도의 차이는 있지만 사용중 성능의 증간 점검이 어려운 점이 있다핵심 부품인 스프링은 일단 설치된 연후에는 보수 교체가 용이하지 않다 따라서 디스크의 손상시

디스크 시트며의 연마나 래핑 교체가 상대적으로 어렵다 이는 비교적 고가의 유지보수비용을

요구하게 된다 스프링은 웨이퍼 디스크 체크밸브에서 가장 핵심적인 기술 부품이기 때문에 사용자는

필수적으로 웨이퍼 디스크 체크밸브는 믿을 수 있는 업체 즉 오랜기간의 제작 실적과 운전 실적을

가진소위 검증된 업체의 웨이퍼 디스크 체크밸브를 선택하여야 한다웨이퍼 디스크 체크밸브는 스윙 체크밸브에 비하여 설치상의 잇점이 매우 많다 승윙체크밸브는

구조상 어느 정도의 약한 흔들림 에너지도 흡수할 수 없기 때문에 배관계통의 엘보우나 티 그리고

밸브와 같은 유체의 요동원(FLUCTUATION SOURCE)에 근접하게 설치 해서는 안된다 반면에

웨이퍼 디스크 체크밸브는 이러한 요동원에 직접 또는 인접하여 설치하여도 밸브의 성능 저하가 별로

없으므로 배관 설치공간을 절약할 수 있어 궁극적으로 스윙 체크밸브에 비하여 밸브 가격 뿐만아니라

배관 RDTKQL 도 절감할 수 있다(5)인-라인 체크밸브(IN-LINE CHECK VALVE)인-라인 체크밸브는 일종의 리프트 체크밸브의 형태로서 볼이나 풀 가이드 다스크(FULL GUIDE DISC)를 스프링으로 유지하는 체크밸브로 소형경량이고 스윙체크밸브에 비하여 밸브 면간 길이가

절반 이하이 컴팩트된 구조를 갖고 있다그러나 인-라인 체크밸브의 내부부품(INTERNALS)은 배관 라인을 분해하지 않고서는 접근 방법이

없다는데 있다 즉 여러종류의 체크밸브는 밸브 외부에서 부분적이나 조정이나 분해가 가능하지만 이

-라인 체크밸브로 구분되는 밸브는 일단 설치된 연후에는 조정이나 분해가 전혀 불가능한 구조로

되어있다 이러한 이유 때문에 인-라인 체크밸브는 밸브의 스트로크가 안정되게 운전되는 구조이어야

한다 실제로 인-라인 체크밸브의 스트로크는 입구직경의 14 이내 이어야 하고 필히 센터 필

(CENTER PIN)이나 디스크의 톱엔 바텀 가이드(TOP AND BOTTOM GUIDE FOR DISC STROKE)구조로써 디스크의 운전이 확실해야 한다 인-라인 체크밸브는 거의 대부분이 스프링을 갖고 있지만

일부 인-라인 체크밸브의 경우 스프링이 없는 경우도 있다 따라서 대부분의 인-라인 체크밸브는

스프링 가압방식을 쓰고 있다스프링 가압방식의 인-라인 체크밸브는 유로의 역류정도를 스프릉 에너지로 어느정도 흡수 할 수 있어

압력의 급격하 변동이나 수격현상의 영향을 줄일 수 있어 공기 압축기 출구 배관의 맥동

(PULSATING)흐름과 같은 계통에 적용할 수 있는 밸브이다그림 73 과 같은 체크밸브는 비교적 최근에 계통운전의 철저하 분석하에 개발된 발ㄹ전소의 주급수

배관과 같은 고에너지 배관의 체크밸브로 쓰이는 인-라인 체크밸브이다(6)스톱체크밸브

일반적으로 체크밸브는 차단용 밸브로 구분되지만 엄밀한 의미에서 봄면 항상 누설이 있다는

체크밸브의 운전에 의해 게이트나 글로브 밸브 같이 차단밸브로 간주되지 않는다따러서 영어로 체크밸브를 ISOLATING 기능이 있는 밸브로 간주하지 않는다 단지Check Valve인 것이다 스톱체크밸브는 배관계통운용에 있어 여러 가지 잇점을 제시할 수 이다 즉 정상운전시에는 단순히 리프트 체크밸브로서의 역할을 수행하다가 계통 운전의 필요성 또는

운전절차에 따라 스톱밸브-그로브밸브의 차단기능을 수행 할 수 있는 두가지 기능을 동시에 갖고 있는

밸브이다 이러한 기능을 수행하기 위해서 밸브구조는 스템과 디스크가 고정되지 않아야 하고

스템자체에 백 시트를 갖고 있으며 완벽한 차단기능을 위하여 스템은 Screw-Down 이어야 한다 다음 그림 75 는 미국 Edward 사의 스톱체크밸브이다 일반적으로 스톱체크밸브의 형식은 두가지가

개발되어 있다 하나는 스윙체크밸브형식이고 나머지 하나는 리프트 체크밸브형식이다 스윙체크밸브

형식의 경우는 스윙체크밸브의 본네트부에 스템을 장치한 것이고 리프트 체크 밸브 형식은 리프트

체크밸브의 디스크에 Serew-Down 스템을 장치한 것이다구조의 안정성 및 운전 신뢰성의 이유로 중소형의 스톱체크 밸브는 리프트체크밸브 형식으로 거의

100제작된다 대형의 경우에만 스윙체크밸브형식을 채탹하는게 일반적이다314 다이아후램 밸브(Diaphragmvalve)다이아후램밸브는 일명 위어밸브(Weir Valve)라고도 하며 주로 차단용의 블록밸브(Block Valve)로

사용된다 이 밸브는 비교적 최근(세계제 2 차 대전)에 발명된 밸브로서 비록 다이아후램의 재질

특성상 사용온도가 150이하로 제한되는 것을 제외한다면 부식성 액체의 유량 제어스러지나

고형물이 많은 유체의 제어용으로는 매우 경제적이고 제어특성이 좋은 밸브이다다이아후람은 고무콤파운드나 불소수지계열인 PTFE 가 주로 사용되고 압력-온도기준은 10bar

이내의 최고 사용온도 175이내에 사용된다이 밸브의 주요 사용처는 수처리 시설 부식성 화학물질 식음료용 시스템등이고 거의 대부분 PTFE 폴리프로필렌 고무류 등으로 유체며을 라이닝한 밸브가 쓰인다 이 밸브의 설계상 특징은 다음과

같다(1)다이아후람은 밸브 구성 부품중 가장 취약하기 때문에 용이하게 교체 될 수 있는 구조이어야 한다(2)유로 통과면은 유체흐름이 부드럽고 유연하게 되도록 돌출 부응이 없어야 한다(3)weir 형시의 다이아후램밸브는 weir 로 인하여 배관내부의 자동드레인이 될 수 없기 때문에 설치

방향등을 밸브 매

뉴얼에 기술하여야 한다(5)밸브 몸체는 가급적 낮은 가격의 가단주철등을 사용토록 하고 특별히 스테인레스강을 사용하는

경우를 제외하고는 100 PTFE POLYPROPYLENE RUBBER PVC CPVC PVDF PP 등으로

라이링 한다(6)스템의 스터핑 박스가 없는 대표적 밸브이다 다이아후램 밸브의 제작범위는 통산 밸브의

크기로써 10(250mm)이내 압력-온도기준으로써 Ansi Class 150(PN16)사용온도의 범위로는

80~175이다 간혹 Straght-Through 타입으로써 20(500Mm)까지도 제작 할 수 있으나 밸브의

트림 재질 및 운동특성상 신뢰성이 없다사용용도로는 주로 환경설비분야 청정가스의 제어 식음료분야 제어분야등으로 이는 밸브 내부가

이물질등이 축적될 수 있는 공간이 없는 구조일뿐더러 여타의 다른 밸브보다 분해 청소가 매우 용이한

구조의 밸브이기 때문이다 아울러 다이아후람은 주기적으로 교환해 줄 필요가 있다또한 이 밸브는 수동이 조작부는 물론 공기식 다이아후람 구동장치 솔렌노이드 구동장치로 자동화 할

수 있다 다이아후람밸브의 변종으로는 크램프 밸브(Clamp Valve) 핀치밸브(Pinch Valve) 이리스

밸브(Iris Valve)등이 있으며 모두 밸브 트림을 고무콤파운드등을 사용하며 분체 수송의 제어나

인분등 고형물질이 많은 유체 제어에 사용된다단지 크램프 밸브나 핀치밸브는 다이아후람 막을 눌러 유체 통로를 제어하고 이리스밸브는

다이아후람 튜브를 비틀어서 유체 통로를 제어한다는데 특징이 있다315 게이트 밸브

게이트 밸브는 차단용 밸브로써 여러 산업분야에 매우 다양한 형태로 널리 사용되는 밸브이다 게이트라는 디스크가 시트면과 마찰하면서 열리거나 닫힘으로써 유체 흐름을 제어하는데 제어의 주

목적은 유로의 차단 개방이다게이트밸브의 종류는 게이트의 씰링 메카니즘에 따라 구분되는데

다음과 같다(1)웨지게이트 (2)후렉시블게이트 (3)페러럴 슬라이드 게이트 (4)페러럴 더블 디스크 게이트 (5)스플릿 웨지 게이트 (6)드러우 콘디트 게이트 (7)나이프 게이트 (8)슬루이스게이트 (9)레실리언트 게이트등이 게이트의 씰링메카니즘과 형태에 따라 구분되었다 이외에 라인

브라인드밸브라든가 펜스록밸브도 게이트밸브 범주로 분류된다 이들에 대하여는 다음의 각항으로

구체적으로 설명한다 게이트밸브의 몸체 구성방식은 본네트의 구조에 따라 볼티트 본네트 프레셔 씰

본네트 클램프 본네트 용접형이 있다미국 밸브 기준 규격인 ANSI B1634 에 의한 압력 온도기준으로 볼 때 게이트 밸브는 4500Special까지 이상도 제작가능하고 900이하의 게이트 밸브는 대부분 볼티드 본네트형이고 1500급

이상은 용접형 또는 프레셜씰(압력 밀봉기)형식이 많이 쓰인다게이트배르의 압력-온도 기준은 Ansi B 1634 기준에 따라 125~4500까지 모든 밸브 재질에

가능하고 밸브 크기로는 38(10A)부터 200(5000A)의 대형 콘디트 또는 펜스톡 밸브 까지 제작이

가능하다 단지 압력-온도 기준이 300이상인 경우에는 밸브크기에 제한을 키게 받는다 300급

게이트 백브로는 현재까지 36(900)까지 제작된 기록이 있다 일반적으로 압력-온도기준이 600(최고 허용사용압력 1042 bar)이상인 게이트밸브를 고압 밸브로 구분할 수 있고 300급 이하는

저압용으로 구분한다고온고압의 시스템용으로 게이트밸브를 사용할 시에는 내압에 의한 밸브 구조의 건전성(밸브의

살두께가 커져야 함)과 고온에 따른 밸브 내부의 구조적 불연속 및 공동부(케비티 Cavity)에서의

이상승압등을 고려한 열에 의한 밸브구조의 문제점등이 서로 상반된 역학구조를 갖고 있기 때문에

20~40(500A~600A)가 최대 제작가능한 크기이다온도변화에 의한 이상 승압(pressure locking)게이트 밸브는 유로의 차단기능을 수행하기 때문에 디스크의 한쪽면만 시트와 완전 밀착하면 된다 즉 정상운전시에는 싱글시팅(single seating)만으로도 유로 차단기능이 충분하나 중대형의

게이트밸브중 더블시팅(double seating)을 하는 후렉시블왯지게이트 밸브나 더블 디스크

게이트밸브의 경우 간혹 운전중 착좌(seating)또는 분리(unseating)에 과도한 힘이 걸리는 경우가

있다 정도가 심할 경우에는 운전불능 상태에 이르고 나아가 전체 계통의 불시정지를 야기한다더블시팅에 의한 밸브조작력의 급격한 증가는 본래의 구동력 산정에 고려된 마진보다 휠씬 크게

나타날 수 있는데 이 급격한 증가는 다음 그림 76 과 같이 닫힘 상태에서 배르를 열고자 할 때 생긴다 이것은 밸브가 닫혀 있을 때 계통압력이나 온도의 천이가 있을 경우 발생하기 쉽다 일반적으로

더블시팅에 있어서 마찰력(시팅)만을 고려한 게이트 밸브의 조작력은 다음과 같이 계산된다 F=(P1-P2)A1μ+(P2-P3)A2μ 여기서 P1=입구압력 P2=출구압력 A1=입구측 시트경 단면적 A2=출구측 시트경 단면적 μ=시트면 마찰계수밸브가 닫혀있을 때 밸브몸통 공동부는 고립(트랩핑)되어

있게되고 이때 P1 이나 P3 (밸브입구 또는 출구의 압력)가 저하 되거나 대기압 상태로 될대 위식에서

보다시피 밸브의 마찰 구동력은 치대 두배가 된다 이는 게이트 밸브의 전체 구동력에 큰 영향을 줄

수 있다 더구나 게이트 밸브가 닫혀 있는 상태에서 계통의 압력 스파크나 서지가 일어날 경우 계통유체의 일부가 밸브몸통의 공동부에 고립될수 있게 되는데 이 트랩핑된 유체가 계통의 운전에

따라 가열되는 경우 P2 의 압력은 유체의 체적 탄성계수에 비례하여 큰 폭으로 증가하여 밸브를

도저히 열수 어슨 상태로 하는 현상을 이상승압 이라고 한다 일정량의 유체가 온도변화에 따라

팽창함에 따른 압력상승은 이론적으로 다음과 같이 구할수 있다ΔP=K(Vf-Vi) Vi 여기서 K=유체의 최적탄성계수Vf=가열시의 유체의 비체적 Vi=냉각 또는

초기시의 유체의 비체적예로써 밸브몸통의 공동부에 물이 꽉차있는 경우 200만큼 가열될때의

압력상승은 24540psi 가 되는데 이는 다음과 같이 계산된다K=300000psi Vi=001613ft316at 100 Vf=001745ft316at ΔP=300000(001745-001613)001613=24540(psi)이와같이 ΔP 가 증가하게 되면 밸브를 도저히 열 수 없게 되는데 설사 앞의 걔산에서와 같지 않은

상태(물의 잔존량 10~20)라도 ΔP 는 역시 크다그림 77 은 가열 온도에 따르는 밸브공동부내의 응축수량 대비 압력상승의 값을 보여주고 있다게이트밸브에서 이러한 문제는 밸브의 구동장치를 크게 하여야 할 뿐 아니라 경우에 다라서는

운전불능의 심각한 문제를 야기한다 이러한 문제를 사전에 방지하기 위해서는 그 근본원인인 게이트

밸브 몸통에서의 트랩핑 압력을 완화시키는 바업은 찾아야 한다다음은 이에 대한 해결 아이디어 들이다 밸브 몸통 공동부와 밸브의 입구 또는 출구측과

바이패스배관 9 통상 34~1크기)를 설치하고 이 바이패스배관에 수도형의 소형 그로브 밸브를 달아

밸브 또는 시스템 테스트시 이 바이패스밸브로써 이상승압 현상을 사전에 예방한다디스크 밸브 입구측에 위치한 디스크를 사용하지 않는다 즉 입구측 디스크에 V 노치등을 만들면 이

디스크 9 한쪽 0 는 시트로서의 역할을 하지 않는 대신 밸브공동부에서의 이상승압을 자동적으로 배출

(릴-이프)시킴으로써 이상승압이 발생할 수 없다밸브 입구측 디스크면에 드릴구멍을 낸다 밸브몸통공동부에 릴-이프 밸브를 장착한다 예)공동부내에

물함유량이 30이상 상온 (20)에서 510까지 가열하였을 때 배르 공동부내의 압력은 약

590bar 가 된다고온 고착(thermal binging)고온용 밸브에 있어서 설계상 가장 유의할 사항은 밸브구성부품의 형상에 따른 각기 다른 모드의

열변형을 가능한한 상온 상태의 것으로 맞추는데 있다또한 형상뿐만아니라 다른 모드으이 열 변형을 가져올 수 있는 열팽창율이 각기 다른 이종 금속간의

조합 열 온도 차이에 의한 열 변형 모드의 상이함이 이에 속한다 예로써 상온상태로 운전하던 밸브에

뜨거운 물이 유입되면 밸브몸통은 질량이 크기 때문에 아무래도 천천히 팽창할

것이고 상대적으로 질량이 작은 트림은 쉽게 팽창할 것이다 따러서 팽창된 트림은 밸브 몸통의

가이드 부분과의 운동간극(moving clearance)을 축소시켜 높은 구동력을 필요로 하고 아울러

시트나 가이드면에 흠집 또는 고착될수 있다이후 몸통이 서섯히 달아올라 충분히 열 팽창되면 다시

부드럽게 운전 될 수 있다그러나 밸브몸통은 구조적으로 불연속인 경우가 많고 아울러 살두께의 변화가 크므로 몸통

내부적으로 응력이 심하게 차이가 난다또한 이렇게 굽힘응력의 차가 크므로 취약부위(시트면을 잡고 있는 밸브의 크로치부분)에서는

예상하지 못했던 열변형이 크게 생겨 디스크가 빠져나기 어렵게 되거나 또는 닫을 때 디스크가 시트면

모서리에 꽉 끼게 되어 밸브를 닫을수 없는 운전불능에 빠지는 경우가 게이트밸브에서의 고온 고착

또는 열바인딩이라고 한다 좀더 쉽게 설명하면 한가지 얘로써 어떤 개통의 후렉시블 왯지 게이트

밸브를 계통을 가열하면서 열려고 할 때 잘 열리지 안거나 운전불능의 경우가 있는데 다음과 같은

조건들이 원인을 제공한다밸브에 바이패스라인(자체)이 없다 증기게통에 수직배관상 밸브가 수평으로 설치되어 있다계통 특성상 급격하게 가열된다 온도-압력기준이 높다게통정지시(냉각상태)에는 닫혀 있고 계통운전개시후 개방한다 모타구동 배르의 경우 모타의

구동력이 계통운전조건대로 사이징 되어있다 이러한 상황의 경우 정지시 타이트 하게 닫혀 있는

게이트밸브는 게통운전과 동시에 온도가 급격히 올라가면 밸브게이트보다 밸브 몸통의 열팽창이

적고 아울러 밸브 몸통과 게이트의 구조강도가 높다면 이 열팽창의 차이는 매우 큰 밸브구동력을

요구하게 되는게 일반적이다 따라서 이러한 걔통의 경우에는 바이패스라인을 설치하는게

바람직하다 이를 이론적 측면에서 검토하면 다음과 같다(조)주강(탄소강)8밸브몸통 SUS316 의 왯지 게이트 상온(70)상태에서 완전 닫힘 상태 계통운전에 따라 600까지 가열됨(계산식)단순히 두 재질간 열팽창의 상이에 따른 열팽창 차이(량)δL=(α1-α2)(T1-T2)L(계산결과)α1=10310-6inin-SUS316

열팽창계수

α2=6310-6min-탄소강의

T1=열팽창 계수

T2=상온시 온도

L=가열후 온도

there4SL=((10310-6-(6310-6))(70-600)4=0008inch(02mm)결국 02mm 만큼의 열팽창차이는 디스크와 시트간의 마찰계수 001 로 한다 하더라도 이론적으로

무려 28800ibf 의 추력이 필요하게 된다게이크 밸브에서 생기는 문제점들

게이트밸브는 계통운전의 목적상 차단밸브이므로 일반적으로 장시간 닫혀 있거나 열려 있게

마련이다 장시간 밸브가 운전하지 않을 경우에는 계통내의 불순물들 특히 스팀배관의 경우 배관의

철분등이 미세한 상태로 게이트와 시트의 가이드 구석진 부분에 고착되는 경우가 많다이때 밸브를 운전하면 디스크나 시트면에 손상을 입게 되는데 주로 피팅(pitting)또는 불순물과의

마찰에 의한 긁힘 등이다때로는 계통의 냉각 가열로 인하여 이러한 불순물이 시트 또는 디스크 재질과 친화하여 고착되는

경우도 있다 증기계통의 외부 불순물에 의한 긁힘 또는 불완전한 시팅으로 이 틈새를 통하여 시트

또는 디스크가 손상을 입게되는 와이어드로잉(wire drawing)이 대부분이다밸브 스템패킹에서의 누설문제는 거의 대부분 스템이 부식되거나 부적절 하게 사용처에서 패킹작어한

경우에 있다 스템의 부식은 가혹한 환경하에서는 피하기 어렵다더울이 13Cr(410 계열)인 스템은 부식되기가 쉽고 또한 자주 운전하지 않는 관계로 압축된

패킹재질과 이 분위기 속에서 부식된 수템은 거의 안정화된 상태에서 장시간 있었기 때문에 밸브

개폐시 많은 힘이 필요하고 더불어 일단 개폐하고 난 연후에는 패킹에서의 누설이 생긴다따라서 스템과 팽킹의 재질선택은 매우 중요하다 최근의 밸브기술은 팽킹재질과 스템재질 패킹구조등에 대한 괄목할 만한 실적을 쌓았음에도 불구하고 지금도 가장 취약한 밸브 기술부분이

이곳이다이들 연구결과 중 패킹의 가압력에 대한 연구는 스프링힘에 의해 항상 패킹의 가압력을 일정하게

유지시킬 수 있는 가압력을 일정하게 유지시킬 수 있는 라이브 로딩패킹은 이젠 중요 계통의 밸브에

거의 일반화 되어가고 있다 결론적으로 스템패킹에서의 누설문제를 대비하는 방안은 첫째 최적의

스템재질과 패킹재질로 하고 둘째 팽킹의 가압력을 밸브 제작자의 권장 수준범위내에서 가능한 한

적은 가압력을 오랫동안 유지시킬수 있는 구조로 하고 셋째 중요 계통의 밸브 또는 부식성 액체를

다루는 계통에서의 배르는 주기적으로 스템패킹에서의 누설여부를 점검하는 것이다1)왯지게이트(Wedge Gate)일면 솔리드 왯지게이트(Solid Wedge Gate)로 쐐기형의 매우 간단한 왯지로써 유체흐름을 막는

구조이다밸브스템의 축하중을 밸브의 시트표면에 정면으로 밀착시킴으로써 시트누설을 방지한다 따라서 이

쐐기형 즉 솔리드 왯지게이트밸브의 시팅력은 매우 높은 것이 특징이다 이 솔리드왯지게이트밸브는

연력배관의 작용력보다 월등히 튼 강도를 갖게 마련인 소구경 배르에 적용된다 이 이유는 기밀을

유지하는 시팅의 힘이 완전히 밸브스템의 추력으로만 작용될 수 밖에 없기 때문이다따라서 솔리드 왯지게이트 밸브의 디스크는 물론 이 디스크 강도이상의 밸브강도를 가진 튼튼한

몸통의 밸브만이 솔리즈왯지 게이트밸브에 적용된다 여러 가지 구조적인 측면과 경제적인 측면에서

솔리드 왯지게이트밸브는 호칭 직경 2(50mm)이하의 밸브에만 적용하는 것이 보편화 되어 있다 예를들어 다음과 같은 경우를 생각해 보자 즉 게이트 밸브의 양끝잔 노즐부에 과도한 배관자굥력이

작용된다면 솔리드웨지게이트와 시트는 닫혀 있을 경우 배관작용력에 대한 지지역활을 하게될

것이고 열려있을 경우에는 이 부분이 취약부분이 되어 배관작용력에 약하게 될 것이다미국 기계학회의 원자력부분의 밸브코드(ASME Boiler and Pressure Vessel Code Sec Subsection NB)의 NB-3200(설계해석-Design By Analysis) 및 NB-3500(Valve Design)에

따르면 배관작용력에 대한 규정은 다음과 같다peb=CbFbSCbFbS위에서 peb 는 배관작용력으로 인하여 생기는 게이트밸브의 시트부위의 굽힘응력이다Fb=일종의 단면 모멘트로써 밸브에 연결되는 파이프의 굽힘상수(Fb=0393de3Ps(20000Ps)) Cb=연결파이프의 굽힘응력 인덱스로써 밸브 노즐의 두게와 노즐 내경과의

함수(Cb=0335(γte)067) S=연결파이프의 허용강도(30000psi) Gb=노즐면의 단면계수

(Gb=I(ri+te)) 위의 식에 따라 밸브 상즈 별로 peb 를 계산해 보면 밸브 크기가 클수록 Fb 가

증가되는 비율이 Gb 의 증가율 보다

크기 때문에 결국 peb 로 인한 밸브 자체의 안전성을 확보하기 위해서는 게이트와 시트 부위에서의

응력 이완을 하면서 기밀을 유지할 수 있는 구조의 게이트가 요구되는 것이다따라서 경험상 2초과의 밸브의 경우에는 솔리드 왯지게이트보다는 응력이완이 가능한 후렉시블

왯지 게이트 또는 패러럴 슬라이드 게이트등을 사용하는 것이다 솔리드 왯지 게이트 밸브의 장단점은

대략 다음과 같이 요약할 수 있다(장점)스템 추력에 다라 시팅효과를 극대화 할 수 있다구조가 간단하여 염가이다유로를 양방향으로 처리할 수 있다(단점)연결배관의 라인로드(Line Loads)에 민감하게 반응한다라인로드라 함은 연결배관으로부터의 축방향 힘(열팽창등에 의한 열하중등) 오토션(비틀림 Torsion) 굽힘 모멘트 등으로써 이러한 라인로드가 클 경우 이들 힘들이 게이트에 집중된다만약 밸브 운전에 고온상태 하면 솔리드 왯지는 밸브몸통의 불균일한 열변형을 흡수할 수 없어

시팅상태를 불안정하게 할 수 있다즉 열변형(Thermal Distortions)에 의해 내부 누설 가능성이 높아진다솔리드 왯지 유연성 부족으로 게이트가 닫힘 상태에 있을 때 가열(Heatup) 또는 냉각(Cooldown)동안 고착될 염려가 있다 즉 이상스압(Pressure Locking)떠는 고온고착(Thermal Binding)의

가능성이 타 게이크밸브에 비해 매우 높다밸브시트의 보수가 어렵다 즉 게이트의 경사각과 시트의 경사각은 공장 출고시 확정된것으로이후

게이트 또는 시트의 보수 연마가 실시되면 게이트의 높은 강성으로 인하여 100의 시팅효과를

기대할수 없다(2)후렉시블 왯지 게이트(Flexible Wedge Gate)후렉시블 왯지 게이트 밸브는 솔리드 왯지의 단점을 보완하기 위하여 개발된 것으로서 장단점은

다음과 같다(장점)

솔리드 왯지 게이트 보다 라인로드의 흡수력이 좋으므로 고착이나 흡수력이 좋으므로 고착이나

내부누설을 최소화할 수 있다구조가 간단하다스템 추력에 비례하여 시팅효과를 높일 수 있는 구조이다양축 디스트가 동시에 시팅하는 구조로 시팅효과가 안정 스럽다솔리드 왯지 게이트 밸브에 비하여 시트나 게이트의 유지 보수가 보다 용이하다(단점)양측 디스크가 동시에 독립적으로 시팅하기 때문에 밸브 몸통의 공동부(Cavity)에 압력이 트랩핑

(Trapping)될 수 있고 이는 밸브의 가동시 열천이(Termal Transient)로 인한 이상승압이나

고온고착이 생길 수 있는 구조의 밸브이다게이트와 시트간에 불순물 축적시 시팅 메카니즘이 마찰을 이루면서 수행됨으로서 불순물로 인한

흠집(Galling)이나 마멸 가능성이 높다(3)스프릿 왯지 게이트(Split Wedge Gate)이 케이트는 솔리드 왯지를 분리한 형태로서 두 개의 분리된 왯지가 서로 매칭되는 시트에 독립적으로

시팅(착좌)할수 있으며 분리되었기 때문에 배관라인의 배관 작용력은 물론 열팽창 또는 천이에 의한

제반하중에 어느정도의 여유는 가지고 있다이러한 잇점은 솔리드 왯지에서 특히 대형의 게이트에서 생길수 있는 고착(Sticking)문제를 어느정도

완화시키는 것이다그러나 후렉시블 왯지 게이트에 비하여 가공이 어렵고 더블 디스크 드래그라는 두 개의 왯지가 닫힘

상태하에서 과도한 마찰력에 의해서 열리지 못하는 현상이 발생될 수 있기 때문에 일부 업체를

제외하고는 보편화되어 있지 않다스프릿 왯지 게이트 밸브의 문제 사례에 대한 것은 다음호에 자세히 언급하기로 한다(장점)비교적 적은 추력으로 양측 입출구의 시트면에 동시에 같은 압력으로 시팅하는 구조로서 차단 성능이

매우 좋다배관계통의 압력에 상관없이 스템추력의 추가만으로 저압력 영역이나 고압력 영역이나 양호한

시팅효과를 갖는다게이트 디스크면의 보수 유지가 솔리드 왯지나 후렉시블 왯지 게이트에 비하여 월등히 용이하다 왜냐하면 왯지의 각도에 여유가 있기 때문이다(단점)독립된 각각의 왯지가 동시에 양 시트면에 밀착함으로써 닫히는 순간에 갇힌 유체가 트랩핑 압력으로

작용할 때는 밸브가 열리지 않을 수도 있다 후렉시블 왯지 게이트 밸브에서와 마찬가지인 이상

승압현상이 염려된다따라서 스프릿 왯지 게이트 밸브에서는 대형이 되면 필수 적으로 바이패스 배간을 권장한다가격이 비싸다스템 추력이 양 왯지에 군일하게 작용하지 않을 경우 미스얼라이멘트(Misalignment)에 의해 왯지

디스크의 작동이 부드럽지 못할 가능성이 있다 스템 추력이 과도하게 작용하여 시팅되었을 경우 밸브

개방시 과도한 시트와 왯지 디스크면의 마찰력으로 인하여 디스크 또느 시트면에 흠집이 생길

가능성이 높다(4)패러럴 슬라이드 게이트(Parallel Slide Gate)

일명 패러럴 슬라이드 익스팬딩 게이트(Parallel Slide Expanding Gate)밸브라고도 하며 기본적인

디스크 구조는 두 개의 디스크면 또는 세그먼트(Segment)와 스템과 연결구조인 왯지가 있다 스플릿 왯지 게이트와 유사하게 스탬추력이 증가되면 될수록 양측 디스크가 동시에 양시트면에

시팅하는 구조이다(장점)양 시트면에 충분한 시팅력을 줄 수 있어 누설이 없는 차단 성능이 매우 좋다드로우 콘디트형 더블 왯지(Through-Condnit Type Double Wedge)설계가 가능 하여 게이트

Ofqm 의 사용목적을 다양화 할 수 있다(단점)구조상 각 세그먼트는 다른 왯지 게이트에 비하여 취약하기 때문에 배관작용력이나 열천이하중이 클

경우에는 손상을 받기 쉽다세그먼트 형상이 각기 다르기 때문에 유로 방향설정은 구조적으로 튼튼한 세그먼트쪽이 출구쪽이

되도록 설정한다일반적으로 다른 게이트밸브가 양방향 유로인 반면 이 패러러 슬러아드 게이트밸브는 유로방향이

한족 방향인 것이 특색이다트렙핑 압력에 의한 이상승압이 예상된다바이패스 밸브가 필요하다디스크 구조가 복잡하여 가격이 비싸고 과도한 시팅력을 제어하기 위한 특별한 구조 또는 처리가

필요하다스플릿 왯지 게이트와 유사한 디스크 또는 시트면 흠집(Galling)이 예상될 수 있다앞서의 스플릿 왯지 게이트 밸브와 패러럴 슬라이드 게이트 밸브는 디스트의 구조가 비교적 복잡하고

스템 추력의 증가에 따라 밸브 시트에 과도한 힘이 작용함으로써 시트의 손상 또는 디스크면의 손상이

타 왯지에 비하여 발생될 확률이 높다따라서 현재의 게이트 밸브는 왯지의 건전한 운전과 보수 유지의 용이성 때문에 대부분 2˝(50A)이하의 작은 밸브는 솔리드 왯지 중저압용(1500이하)의 경우는 후렉시블 왯지 그리고

고온용의 고압밸브에서는 스프링 로디드 패러럴 슬라이드 더블 디스크(Spring Loaded Parallel Slide Double Disc)가 많이 쓰인다 21회(961월호)(5)패러럴 슬라이드 더블 디스크(Parallel Slide Double Disc or Parallel Slide Spring Loaded Disc Gate)디스크는 평행되고 형상이 대칭되는 모양으로 그 사이에 강성도가 높은 인코넬 스프링이

끼어 있어 시팅력을 유지시켜 주는 게이트 구조이다 따라서 스프링에 의해 어느 정도 각 디스크는

독립적으로 시트에 착좌(Seating)할 수 있어 특별히 고온계통의 게이트밸브에 적용성이 높다 이는

밸브구조가 구조적인 불연속부가 많아 열응력이나 기타 배관라인의 배관작용력에 의한 뒤틀림

(Distortion)이 예상될 수 있기 때문에 이를 적절히 수용할 수 있는 구조의 디스크가 필요한 것이다 이 구조의 더블 디스크는 다른 구조의 게이트 디스크에서 치명적으로 일어날 수 있는 구조적 불안을

완벽하게 해결할 수 있는 큰 장점이 있는 반면에 구조가 복잡하고 가격이 비싼 것이 흠이다〔장점〕

게이트 밸브의 디스크 구조상 시팅시의 유연성이 가장 좋다 이는 시트의 접촉하중의 큰 변화 없이

기밀을 유지할 수 있기 때문에 高에너지 배관계통에 특히 적합하다계통운전중 계통온도의 급격한 변화로 인한 열팽창 차이로 인한 고온고착이 발생할 수 없는 구조이다

계통의 급격한 온도변화 또는 배관 작용력의 증대등으로 인한 시트의 뒤틀림에도 스프링의 가압력 및

계통압력으로 인하여 적절한 시팅 효과가 유지된다디스크의 시팅이 유연하기 때문에 흠집(Galling) 발생의 정도가 낮다시팅력이 거의 일정하기 때문에 모터 구동장치의 적용 신뢰성이 높으며 따라서 모터를 경제적으로

선정할 수 있다〔단점〕

밸브 출구측 디스크 게이트에만 시팅이 되는 구조로서 시팅의 여유가 제한되어 있다스프링 가압력에 있어서 그 힘이 디스크 중앙에 위치하기 때문에 디스크의 완전 열림에서 닫히는

순간에는 디스크 끝 부분과 시트가 부분적으로 마모되기 쉽다이러한 단점을 보완한 것이 콘디트 패러럴 슬라이드 더블 디스크밸브이다(6)슬래브 게이트 밸브(Slab Gate Valve)매우 간단한 구조의 공간 절약형의 게이트 밸브이다 슬래브 게이트는 밸브 입출구 방향으로 움직일

수 있는 시트와 접촉하면서 기밀을 유지한다 즉 다른 구조의 게이트 밸브들이 모두 디스크에서의

가압력에 의한 시팅구조인 반면에 슬래브 게이트 밸브는 시트가 일정한 시팅 가압력을 가지는 구조인

것이다따라서 시트는 밸브 몸체에서 분리가 용이하며 몸체와 시트 사이에 스프링 테프론과 같은 소프트

시트 구조로 기밀을 유지하도록 되어 있다 슬래브 게이트 밸브의 장단점은 다음과 같다〔장점〕

배관 작용력에 대하여 유연하게 대처할 수 있다디스크는 물론 시트까지 보수가 용이하다 왜냐하면 시트는 밸브 몸통에서 쉽게 분리되는 구조이기

때문이다슬래브 게이트에는 큰 힘이 작용하지 않는 구조임으로 구조가 간단하다계통온도의 급격한 변화등으로 발생할 수 있는 디스크와 케비티(Cavity)사이의 잔존 유체의 증발

팽창을 시트 구조 자체에서 릴리프 할 수 있기 때문에 이상승압과 같은 밸브 작동불량이 생길 수 없다〔단점〕

저온 저압에만 적용 가능하다 고온일 경우 오링 씰의 열화등을 밸브 수명평가에 고려하여야 한다 고압일 경우에는 프리로드 스프링(Preload Spring)의 설계에 어려움이 따른다 운전온도는 최대

200 이내이어야 하고 150 기준 지속운전 시간이 5000 시간을 넘지 말아야 한다버터플라이 밸브와 비교할 때 비경제적이므로 특수한 경우를 제외하고는 거의 사용되지 않는다(7)나이프 게이트(Knife Gate)나이프 게이트 밸브는 디스크를 칼날같이 얇은 길로틴과 유사한 구조를 가진 디스크를 채택한

밸브이다 또한 이 디스크는 본네트를 통과하여 외부로 노출되는 구조이다따라서 스템은 계통 유체에 접촉되지 않는다 이 밸브는 메탈 시트나 소프트 시트(Metal Seats or Soft Seats)가 모두 가능하고 밸브 제작의 크기에는 거의 제한 없이 만들 수 있으나 디스크가 외부로

노출되는 구조이기 때문에 스터핑 박스의 패킹 마찰면적이 넓고 구조적으로 패킹실링 역학상

어려움이 많기 때문에 스터핑 박스의 패킹 기술이 매우 중요시 고려된다 따라서 사용압력기준은

ANSI 125 또는 150이 최대이다나이프 게이트 밸브의 주요 응용분야는 펄프나 레올토지 유체와 같은 슬러리가 있거나 고점도 유체의

차단용으로 주로 사용된다〔장점〕

저압 유체의 제어용 밸브로서는 저가격 구조의 밸브이다슬러리와 같은 찌꺼기가 많거나 고형물이 많은 유체에 적합한 밸브이다가볍고 설치공간이 절약된다스템 및 스템의 나사부위 등이 유체와 접촉하지 않는 구조이다〔단점〕

외부 누설의 가능성이 높다고온 또는 고압에는 부적합하다316 글로브 밸브(Globe Valve)(1)차단밸브로서의 글로브 밸브

일반적으로 차단용 밸브를 선정함에 있어 주요 선정포인트는 밸브에서의 압력손실이 어느 정도인가를

최우선으로 고려한다 이는 전체 시스템에 있어서 압력손실의 누적으로 인한 동력에너지의 손실 등을

감안하면 쉽게 이해가 된다 따라서 차단용 밸브로는 주로 게이트 버터플라이 볼 밸브와 같이

압력손실이 적은 밸브를 선정한다그러나 일반적으로 스톱 밸브라고 말하는 밸브는 소형의 글로브형 차단밸브이다 이는 배관계통의

메인후로우(주관 Main Flow)가 아닌 계장용의 관말(Instrument Root Valve)이나 배기배수관말

(Vent amp Drain Valve)에 쓰이는 밸브들이 이에 속한다글로브 밸브는 앞서 연재한 게이트밸브의 운전상의 여러 문제에 대하여 상당히 양호한 대책이 될 수

있는 차단용 밸브로 선정될 수 있으나 압력손실 면에서는 큰 대가를 치러야 한다대략적인 압력손실량은 게이트 밸브가 05psi 라면 T-타입의 글로브 밸브는 10psi Y-타입의 글로브

밸브는 2~3psi 피스톤 체크 밸브의 경우 10psi 이다 차단용 글로브 밸브는 게이트 밸브와는

상이하게 유로방향을 일정하게 주어야 한다 거의 대부분이 디스크의 하부로부터 상부로 유로를

형성하는 상향식이 주종이나 진공차단용의 글로브 밸브는 이와 반대인 디스크 위측으로부터

하부측으로 유로를 형성시켜야 한다 이는 밸브가 차단된 후에 글랜드 패킹부위와 진공부가

차단되어야 하기 때문이다 (2)유량제어 목적으로서의 글로브 밸브

글로브 밸브는 유량제어의 목적으로 현재 가장 많이 채택하고 있는 밸브형식이다 그 이유로는 다음과

같이 요약 정리할 수 있다유체의 운전조건 즉 온도 압력 밸브에서의 차압조건 등 모든 어려운 조건에 맞도록 밸브 내부형상을

설계할 수 있는 구조가 글로브 밸브이다글로브 밸브는 다른 볼 밸브 버터플라이 밸브 등과 비교하면 상대적으로 매우 높은 유체흐름 저항을

갖고 있기 때문에 유량제어에서의 문제인 저유량 제어시 또는 저개도 운전시의 케비테이션이나

소음문제에 대하여 능동적으로 대처할 수 있는 밸브이다글로브 밸브는 유체제어의 목적으로 설계 제작 및 설치운전의 경험이 풍부하여 쉽게 자문 받을 수

있는 밸브이다밸브제작자 및 연구학계로부터 수많은 연구자료가 있으며 ISA(Instrument Sicety of America)와

같은 기관에서의 표준 규격 또는 권고 규격 등이 있어 유체제어에 대한 일관된 원칙으로 밸브를 설계 제작 및 운전할 수 있다유체제어용 즉 유체의 압력 온도 유량 및 차압제어용의 글로브 밸브는 통상 콘트롤 밸브(제어밸브)라고 하며 제어 목적에 따라 수많은 내부밸브(트림)형식이 있다 콘트롤 글로브 밸브의 트림형식은

배관기술 과월호에 언급한 바와 같으며 여기서는 각 트림별 형상 특성에 대하여 설명하고자 한다

우선적으로 콘트롤 밸브 즉 제어밸브의 배관계통상의 제어특성은 한마디로 유량과 차압(Differential Pressure)으로 요약할 수 있다 따라서 제어밸브를 논의함에 있어 가장 먼저 생각해야 하는 것은

배관계통의 압력손실구조와 제어밸브에서의 압력손실(차압 ΔP)간의 관계를 검토하는 것이다22회(962월호)(3)글로브 밸브의 대표적 트림구조의 이해 글로브 밸브는 통상적으로 유체의 흐름을 흐름방향

정면에서 디스크로 차단하고 아울러 디스크의 개도 위치에 따라 유량을 조절하는 밸브로서

유체흐름에 S 자형을 형성하게 됨으로써 밸브내의 압력손실이 게이트밸브 볼 밸브 및 버터플라이

밸브에 비하여 크다그러므로 글로브 밸브의 사용목적은 호칭 직경 4Prime를 초과하는 대형의 경우 유량제어의 목적이

우선적이나 밸브 개폐의 조작력이 상대적으로 크고 디스크 구조상 중간 개도시의 디스크 회전으로

인한 밸브 스템의 불안정으로 인하여 유량 제어를 최우선으로 하는 프로세스 제어에 사용되는 수동의

대형 글로브 밸브의 경우에는 계통의 보다 신뢰성 있는 엄격한 내부차단 기능(Tight Shutoff Tight Sealing)은 물론 간헐적으로 유량조절이 필요하며 아울러 운전자의 조사환경에 불리한 조건이 없는

경우에 채택하는 것이 일반적이다따라서 글로브 밸브는 사용 목적상 크게 구분하여 다음의 조건에 합당하도록 설계 제작되어야 한다 즉 밸브 스템에서의 기밀유지(Valve Stem Scaling) 밸브 본네트와 몸통간의 기밀유지(Valve Body Sealing) 밸브 좌면에서의 기밀유지(Zero Seat Leakage) 밸브 운전부품(Mechanical Operating Parts)들의 건전성 동저 하중(예로

수격현상 등)에 대한 구조적 건전성 등 다섯 가지 기본사항에 더불어 주문자의 요구사항(Design Specification)과 전체적인 프로세스 안전성과 이에 따른 밸브의 신뢰성에 기초하여

운전수명기간동안 건전한 기능유지와 비정상적인 운전인자로 인한 밸브수명의 저하를 충분히 보전할

수 있는 운전보수 개념을 도입하여 설계 제작하여야 한다 특히 대형의 글로브 밸브는 사용상의 제한

(밸브의 크기 유량 제어방식 구토방법)등이 따르기 때문에 주문社 요구사항의 합리적 반영을 통하여

최적의 설계를 구현하여야 할 것이다〔글로브 밸브〕

글로브 밸브는 그 운전 특징으로 보아 두 가지로 대면할 수 있다첫째는 유량조절이 가능하여야 할 것이며 두 번째는 엄격한 내부 기밀유지(Zero Seat Leaks)를

이루면서 게이트 밸브나 볼 밸브와 같이 승온으로 인한 이상승압(Pressure Locking)이나 고온고착

(Thcermal Binding)을 피하고자 할 때 사용한다그러나 밸브의 Seating 이 게이트 밸브에 비하여 약 4 배 이상 됨으로써 대형의 고압 서비스에는

밸브의 크기 및 작동 방식에 제한이 따르게 되므로 한정적으로 사용될 수밖에 없다첫 번째의 유량조절 기능의 부여는 글로브 밸브의 내부트림(이하 디스크와 시트로 구분하여 설명한다)을 요구되는 유량 특성에 맞추어 설계 제작함으로 이루어진다 유량조절 특성이 계통의 최우선 목적인

경우에는 제어밸브로 특징되는 밸브를 선정해야 할 것이나 이에 대한 구체적인 사항은 다음에

구체적으로 설명한다 따라서 글로브 밸브 특히 대형 글로브 밸브의 경우에는 게이트 밸브에서

예상되는 문제점(이상승압 또는 승온현상등)을 피하면서 유량 조절 기능을 제한적으로 부여하는

의미에서 디스크의 형상은 급개형(Quick Opening Type)에 유사한 형태로 설계하게 된다 특수한

목적(Design Specification 의 요구사항)에 따라 신형(Linear Type)의 디스크를 설계하는 경우는

수동 대형 글로브 응용에 있어서 매우 이례적인 사항이다 두 번째로 엄격한 내부 기밀유지는

무엇보다도 밸브에 있어서 가장 중요한 기능이다 따라서 밸브 디스크와 시트는 정밀하게 가공되고

또한 어떠한 조건의 운전환경에서도 수명기간 동안 디스크 및 시트 재질의 어떠한 노화나 손상이

없도록 설계 제작되어야 한다 따라서 이 디스크 및 시트 부위의 설계 제작 및 보수 기준은 밸브

제작시의 핵심적인 기술중의 하나이다이에 따라 디스크와 시트 형상 디스크의 안내 및 지지방법 디스크의 취부방법 디스크 및 시트면의

가공방법 디스크와 시트의 보수시 고려사항 디스크와 시트의 밸브 몸통간의 기하학적 구조관계 등을

종합적이고 합리적으로 고려하여 밸브를 설계 제작하여야 한다 다음의 글로브 밸브 트림 설계에서

이 사항을 구체적으로 설명한다〔대형 수동 글로브 밸브의 바람직한 트림 설계〕

① 유량 조절용 트림

유량 조절용 트림을 대형 수동 글로브 밸브의 경우 트림 형상에 따라 이상적으로 다음의 네 가지를

채택할 수 있다급개형(Quick Opening Type)의 트림

선형(Linear Type)의 트림

등비유형(Equal Percentage Type)의 트림

수정등비율형(Modified Equal Percentage Type)의 트림

그러나 앞에서 설명한 바와 같이 조직력의 제한과 운전 환경의 고려 운전 특성 등으로 인하여

급개형에 유사한 트림을 채택하는게 일반적이나 예로 대형 프로세스 플랜트나 발전소용 대형 글로브

밸브를 제작하고 있는 미국의 AnchorDarling Co Edward Cast Steel Valve Borg Warner Co등의 대형 글로브 밸브의 디스크 설계가 모두 급개형의 구조로 되어 있다이를 디스크 형상으로 유량 조절 특성에 유추하여 보면 저개도(일반적으로 총 스템의 운동량[Total Stern Traveling]의 40이하)에서는 기준유량(Rated Flow Rate)의 90까지 전형적으로 유량이

변하게 되므로 효율적인 유량조절용 밸브의 총 운동량(Travel Length)의 40미만의 저개도에서

이뤄지게 되므로 결과적으로 유량을 제한적으로 조절하는 것이 되는데 이는 수동 밸브를 조사함에

있어 밸브의 조작량과 시간을 단축시켜야 하는 의도와 부합되므로 급개형 트림 구조의 선택은 수동

대형 글로브 밸브에서 적합하다고 사료된다그러나 4Prime미만의 소형 글로브 밸브의 경우에는 통상적으로 유로차단의 스톱 밸브 역할과 더불어 유량

조절의 조작방법이 대형 글로브 밸브의 상황보다는 월등히 유리할뿐더러 프로세스가 요구하는

계통제어의 적정량에서도 합리적이므로 선형 또는 등비율형의 트림 구조도 많이 채택하고 있다②디스크와 시트의 기밀유지

디스크와 시트가 엄격하게 기밀을 유지하기 위해서는 완벽한 밸브 몸통에 고정된 시트에 대하여

디스크는 부드럽고 완벽하게 시트에 밀착되어야 한다 이렇게 되기 위해서는 디스크는 시트에 완벽한

밀착을 위하여 상대적인 허용 범위 이내의 미세 운동은 허락되어야 하며 아울러 시트에 접촉된

순간부터 시트 경계면에 손상을 주지 않도록 시트면에 점선방향의 상대운동은 허용할 수 없고 오직

접선 방향의 방향만이 허락되어야 한다물론 완전 기밀(Bubble Tight)인 경우에는 디스크와 시트의 기밀유지선은 선접촉(Line Contact)이어야 하므로 디스크 및 시트면에는 경도가 높고 인성도 많으며 내마모성이 우수한

크롬코발트계열의 경질합금(硬質合金)과 같은 것으로 하드페이싱(Hardfacing)되거나 시트 또는

디스크의 한쪽 또는 전체를 경질합금으로 제작하여야 한다그러나 법선방향의 운동이 허용범위를 초과하게 되면 소위 코킹(Cocing)현상 즉 디스크가

밸브몸체의 안내면에 꽉 끼이는 현상이 발생되어 디스크의 상하운동이 곤란하게 되며 심할 경우 밸브

조작이 어려워진다이런 현상이 생길 경우에는 문제의 경중에 상관없이 디스크의 시트는 완벽한 기밀유지를 할 수 없다 따라서 밸브 스템의 안정성과 디스크의 원활한 안내를 유도함으로써 코킹을 방지할 수 있는 밸브구조

즉 디스크의 안내구조가 필요하고 또한 안내구조는 정밀하게 설계되고 제작되어야 한다 또한 초기

접촉시 시트와 디스크면이 일치하여 이후 기밀을 위한 여분의 가압력에 따라 시트의 접촉선과

디스크의 접촉면에서 균일한 압력이 발생되어야 한다 이는 초기 접촉시의 아주 미세한 접촉 압력차를

디스크의 시팅운동으로 바꾸어 주여야 하기 때문이다따라서 글로브 밸브의 디스크는 스템에 완전히 고정되어서는 시팅구조의 정밀도가 곧바로 확보되지

않는 한 이의 적용은 곤란하며 스템의 디스크 연결구조는 일정한 허용 범위를 갖는 유극(간격이 있는) 구조로 설계된다 이를 위하여 디스크를 스템선단(先端)에 연결하는 방식은 대형 글로브 밸브의 경우

디스크와 디스크니트 또는 디스크와 디스크 스커트로 하여 나사로 체결되며 체결 후 필요에 따라

씰용접(Seating)을 위한 최소한의 유극(遊隙)을 갖도록 설계한다 아울러 압력구조상 밸브는

구조적인 불연속부가 많아 구조적으로는 근본적으로 취약한 압력용기일뿐더러 온도에 민감하게

구조가 변형될 수 있는 구조물이다따라서 밸브의 디스크와 시트에서의 교축(絞縮)은 국부적으로 격심한 유체의 운동량 변화를 유발시켜

디스크에 국부적인 불안정을 가져온다 이 국부적인 유체에너지의 불안정을 설계에 미리 반영하는

것은 실제의 운전조건 중 가장 가혹한 경우를 고려해야 하는 것은 물론이고 밸브 설계시 압력-등급에서 최대의 허용압력을 밸브의 최대차압으로 고려하여야 할 것이다물론 최대 설계 차압(ANSI B1634 PT 기준에 의한 100F 시의 최대압력)하에서 구조적 안전성은

보장된다③디스크의 안내 및 지지방법

디스크 유로의 정면에서 유세의 저항을 직접적으로 받게됨으로 디스크가 완전히 닫혀있을 때는

문제가 없지만 열려있을 경우에는 디스크와 시트의 기밀유지에서 언급한 시팅구조(Seating Mechanism)에 의하여 아주 미세한 흔들림을 예상할 수 있다더욱이 고압용의 글로브 밸브 경우 디스크 정면 즉 시트링(Seat Ring) 아래에서의 밸브몸통

내면구조의 복잡한 형상으로 인한 난류현상을 전혀 배제할 수 없으므로 이로 인하여 유로에 와류가

생겨 디스크를 회전 또는 불안정하게 할 수도 있으나(미국의 Pacific Valve Co에서는 회전이 되지

않는 디스크 구조를 갖고 있음)몸통 설계시 이를 대칭으로 하기 때문에 스템에 영향을 줄만큼의

회전은 생기지 않는다디스크의 안내 및 지지는 대형의 글로브 밸브에서 구조적으로 매우 중요한 사안이다일반적으로 호칭 직경 4Prime이상의 ANSI Class 600 이하에서는 밸브 시트링의 하부에 밸브 스템을

지지함으로써 디스크의 안내와 지지를 하는 Bottom Guided Disc 가 있으나 이는 유로 선단에서

난류의 발생 원인이 되며 이로 인하여 밸브의 성능이 저하됨으로 발전소용 밸브에서는 채용하지

않는게 일반적인 추세이다이를 보다 간단히 하고 또한 밸브 성능의 향상 교화를 갖는 디스크 스커트 형식의 밸브 몸체로서

안내하는 구조(Body Guided) 혹은 밸브 몸체에 리브를 제작하여 안내하는 구조(Body Guide Libs)를 채용하고 있다 이는 디스크와 스템간의 정확한 축정열(Alignment)을 확보함으로써 스터핑

박스의 글랜드 패킹에 무리가 없도록 하며 아울러 코킹 현상을 방지하여 밸브 시트에 정확한 밀착을

하기 위함이다 디스크 스커트 또는 디스크 너트는 진원(眞圓)의 정밀한 표면가공으로 정면을

유지하고 통상 3 개의 Body Guide Lib 로 축정열을 시키는데 그 유극(遊隙)은

05~07(002Prime~003Prime)mm 를 가진다 그러나 밸브목의 내면으로 Body Guide 할 때에는 밸브 스커트 또는 너트에 구멍을 뚫어 입력의 평형을 이루도록 한다(예AnchorDarling Valve 의 Disc Skirl 의 구멍)그러나 밸브 구조의 안정성을 고려하여 Body Guide Lib 방식이 널리 사용된다 왜냐하면 글로브 밸브의 시트를 통과한 유체는 일단 안정적인 흐름을 보다 빨리 구현하기 위하여

시트링의 유로 단면적보다 넓은 공간을 필요하게 되는데 이 부분이 밸브의 내압 부분에서 가장 취약한

부분(Valve Crotch Area)에 해당하는 부분이 된다 따라서 이곳에 리브(Lib)를 추가하여 밸브 구조의

안전성을 강화하고 유로 특성을 효과적으로 할 수 있다디스크를 안내하는 리브의 길이는 제작자에 따라 다르지만 가장 좋은 것은 밸브목 끝단까지 되어 있는

것이지만 제작의 편의를 고려하여 밸브 디스크의 가용 운동량(Effective Disc Traveling Length-통상 수동 대형 글로브 밸브의 경우 총 운동량의 40이하로 유지시킴)이상을 확보한다 이에 대한

예로 AnchorDarling Valve 및 Rockwell Edward Valve 가 이러한 구조이다④디스크 및 시트면의 가공

디스크와 시트는 밸브 기능중의 가장 핵심적인 부품으로써 구조적 강도는 물론 표면강도 표면의 가공

정밀도 경도 내부식 및 내침식에 대하여 좋은 특성을 가진 금속으로 심혈을 기울여 쉽게 제작되어야

한다가장 일반적인 방법으로는 디스크와 시트가 서로 밀착되는 면을 Stellite No6 으로 경면육성용접(鏡面肉盛鎔接 Hardfacing)한 후 정밀한 래핑을 하여 서로 경면을 유지하는 것이다 이에 대한 구체적인

시방은 주문자의 요구에 나와 있는 것이 일반적이다23회(964월호)⑤디스크와 시트의 밸브 몸통간 기하학적 구조

밸브가 효율적으로 운전하기 위해서는 유체의 흐름을 방해하는 돌출부 같은 구조물을 가급적

최소화하여야 한다 또한 유로의 궤적에 알맞은 내부 유로로 밸브 내부가 실제 제작되어야 한다 따라서 Bottom Guided Disc 같은 경우는 밸브성능을 저하시키므로 피해야 하고 밸브의 내부형상

(Interior Contour)은 유로 형상에 적절하도록 한다 이 유로 형상의 설계는 밸브의 성능과 밀접한

관계를 가지고 있다 즉 유로 형상이 미끈하게 되어 있는 밸브는 와류에 의한 압력손실이 그만큼

작아지게 되므로 밸브의 Cv 계수가 높은 밸브인 것이다수많은 밸브회사들이 Cv 계수가 좋은 밸브를 만들기 위하여 지금도 디스크와 시트간의 밸브몸통

형상을 계속 연구하고 있으며 아울러 주조인 경우 주조회수율이 높으면서 불량이 감소하는 밸브 구조

형상의 연구와 더불어 앞으로 계속 밸브업계의 노하우로 이 분야는 분류될 것이다〔정리〕

플랜트 공정용 수동 대형 글로브 밸브의 트림은 밸브의 내압부를 포함한 구조적 건전성이 우선적으로

확보되어야 하며 아울러 유량 조절과 이에 따른 차압의 변화를 안전하게 제어하고 밸브의 시팅

기능을 유지함으로써 내 외부에서의 누설을 엄격히 관리할 수 있도록 디스크 및 시트의 형상과 구조

그리고 안내 및 지지 구조를 최적의 조건으로 설계 제작되어야 할 것이다 수동 대형 글로브 밸브의

트림구조는 다음과 같이 하는 것이 바람직하다디스크의 안정성(Stability)을 유지하기 위하여 디스크 너트 또는 디스크 스커트를 채용하여 이를

디스크 안내(Disc Guide)구조로 한다디스크지지 및 안내는 Body Guide 또는 Body Guide Rib 를 채용하는 것이 바람직하다디스크 너트 또는 디스크 스커트 상부에는 유체가 잔류하지 않도록 도피구(또는 압력평형을 위한

구멍)를 설치하거나 Body Guide Rib 구조를 채택한다

디스크 너트 또는 디스크 스커트의 안내면 접촉부는 정밀 가공하여 정확한 축정열 및 정밀한 시팅을

위한 스템 안내의 정확도를 기해야 한다 디스크 너트 또는 디스크 스커트와 밸브목의 안내면(밸브몸통 또는 Guide Rib)과의 유극은 엄밀히 제한되어(05~07mm 정도)안내의 정확도를

높이도록 하고 디스크와 스템의 체결시 이를 고려하여 디스크와 안내면 간의 유극보다도 작은 유극을

갖도록 설계하여 스템에 디스크가 완전고정(6 방향 고정)하는 방법은 피하는 것이 좋다 또한 스템의

끝단선과 디스크에 Hardfacing 을 함으로써 디스크에 이상 마모가 발생하지 않도록 한다디스크와 시트가 접촉하는 면은 Stellite No6 로 Hardfacing 한 후 정밀 래핑하여 내부누설이 없도록

한다수동 대형 글로브 밸브의 디스크 형성은 급개형으로 하는 것이 좋다(4)특수형식의 글로브 밸브

글로브 밸브는 사용목적에 따라 독특한 형식을 가질 수 있는 밸브 구조상 설계 적응력이 높은

밸브중의 하나이다따라서 매우 다양한 종류의 밸브가 글로브 밸브 형식을 중심으로 설계 제작되고 있다 예를 들면 스톱-체크밸브 니들 글로브 밸브 벨로우즈씰 밸브 메탈다이아후렘 밸브 Fluted 플러그 밸브 싱글시트 더블시트 체인지오버 밸브 블로우 다운밸브 쵸크밸브 스리웨이 밸브등 그들 형식이 매우 복잡

다양하다 우선 본지에서는 글로브 밸브 중 특수형식의 밸브에 대하여 소개 차원의 간단한 설명을

하고자 한다①벨로우즈 씰 밸브

벨로우즈라는 금속제 주름관을 밸브에 적용시킨 것이 벨로우즈 씰 밸브라 한다 단지 벨로우즈는

비틀림에 매우 약하기 때문에 밸브스템이 상하운동만 하는 밸브에만 적용될 수 있다 따라서 글로브

밸브 게이트밸브에 적용된다 그러나 벨로우즈는 통상 015mm두께이하의 얇은 박판 2~3 장을

주름잡는 것이기 때문에 구조적인 강도가 매우 낮다따라서 내압부분에서는 어느 정도 구조적인 건전성이 입증되지만 운동량이 많을 경우 피로에 의해

손상될 수 있기 때문에 밸브에의 적용은 기술적으로 매우 고난도의 설계 계산을 요구한다벨로우즈 씰 밸브는 글로브 형식의 밸브에 있어서 폭 넓게 사용된다 적용성이 높은 이유는 비교적

낮은 스템 운동량(Travel Length) 때문이다 유로 직경의 25만 되어도 되기 때문에 글로브 밸브의

경제적 최대 크기인 12Prime(300A)까지도 가능하다 압력-온도 등급으로 보면 ANSI Class 150(PN16)에서 2500(PN260)까지도 가능하다 그러나 압력-온도 등급이 높아질수록

벨로우즈의 수명을 높은 수준으로 유지하기는 기술상 어려움이 많다벨로우즈 밸브에 대하여 수명을 언급한 기술규격으로는 BS5352 가 있는데 API 800를 기준한

밸브에 있어서 게이트밸브가 5000회 글로브 밸브가 10000회이다그러나 통상적으로 벨로우즈 밸브 제작사의 제작 표준은 각각 10000회 20000회 이상으로

유지한다 최근 자연보호와 환경보호의 일환으로 미국의 경우 EPA 에서는 밸브 특히

석유화학계통에서의 밸브 누설을 500PPM 이내로 할 것을 강력히 규정하고 있으며 이 요구사항은

점차 더욱 강조될 것으로 예상된다따라서 기술향상에 따른 벨로우즈의 성능향상 및 경제성 확보 환경보호에 따른 대기누설의 엄격한

통제 등을 고려할 때 앞으로 벨로우즈 밸브의 수요는 대폭적으로 늘어날 것으로 예상할 수 있다②메탈 다이아후램 밸브

메탈 다이아후램 밸브는 얇은 메탈 다이아후램을 몇 겹씩 쌓아 이를 이용하여 유로부와 밸브부를

완전히 차단하는 밸브로써 외부누설이 있어서는 안되는 방사선계통의 밸브 독성가스용 밸브 등에

사용되어 왔다그러나 밸브적용상의 몇 가지 치명적인 제한 때문에 지금은 거의 사라져 가는 구시대 밸브로

일부에서만 극히 제한적으로 사용되고 있다 대신에 벨로우즈 밸브가 이를 점차 교체해 나가고 있는

추세이다 우선 메탈 다이아후램은 변형량이 다이아후램 직경에 비례하므로 필요한 스템 운동량을

갖기 위해서는 큰 직경이 필요하게 된다 그러나 직경이 크게되면 밸브목의 직경이 크게되어

비경제적인 밸브가 된다 따라서 밸브크기가 2Prime이하에 적용되며 스템 운동량도 3~6mm 이내로

제한된다 그러므로 유로부에 대한 저항이 커지게 되므로 밸브모양은 Y 타입이 되어야 하고 시트의

직경을 유로 직경과 같게 설계함으로써 같은 크기의 밸브에 비하여 덩치가 큰 고가의 밸브가 된다 또한 스템 운동량이 적으므로 밸브 설치 후 이물질 등이 후라싱되지 않고 잔류하여 시트와 디스크간에

끼어 시트가 손상될 염려가 많아 내부누설의 가능성이 높다 아울러 메탈 다이아후램 밸브는 완전

개방이나 폐쇄(On-off Service Only)만 가능한 밸브이다 만약 중간 개도에서의 유량조절

(Throttling)은 메탈 다이아후램에 피로를 주어 다이아후램 외주부분이 피로 파괴된다 이는

유체흐름이 어느 정도의 맥을 갖고 있으므로 이로 인한 피로가 다이아후램에 전달되기 때문이다이상과 같은 이유로 최근에선 샘플링 밸브와 같은 12Prime이하의 계장용 밸브에서조차도 적용되지 않고

있으며 제반 성능이 월등히 좋은 벨로우즈 무누설 팩크레스(Zero-Leakage Packless)밸브는

제작되고 있다③ 스톱-체크밸브(글로브-체크밸브)이 밸브는 기본적인 글로브 밸브 모델에 체크밸브 즉 리프트 체크밸브의 기능을 복합한 이중기능의

밸브이다 밸브를 개방해 놓으면 리프트 체크밸브로써 유체가 한쪽 방향으로만 흐르도록 되지만

밸브를 닫는 것은 일반 글로브 밸브와 같다 글로브 밸브의 스템 끝에 이 스템을 안내면으로 하는

리프트 체크밸브를 갖춘 구조로써 펌프 출구전단이나 열교환기 같은 배관 시스템에 사용될 수 있다 즉 스톱밸브와 체크밸브를 각각 설치해야 하는 경우 이 스톱-체크밸브 하나로써 배관계통을 단순화할

수 있는 잇점이 있다④ 체인지오버 밸브(Change Over Valve)체인지오버 밸브는 주로 합섬계통에서 원료의 방향 바꿈 등의 사용 용도로써 많이 사용된다 이 역시

2 개의 글로브 밸브를 밸브하나로 기능을 통합한 밸브로 입구측 밸브와 출구측 밸브가 서로

체인지오버 하면서 유체흐름을 변경하는 것이다 이러한 밸브를 쓸 경우 기존의 2 개 글로브 밸브 1개의 티이 2 개의 엘보우 4 개의 플랜지 9 개의 용접량을 1 개의 체인지오버 밸브 단지 3 개의

용접량으로 배관공사비를 절감할 뿐 아니라 운전조작의 통합 간편성과 설치공간의 대폭 축소로 인한

경제적 이익은 매우 막대하다 하겠다 체인지오버 밸브와 대응하는 밸브형식으로 Three-way 밸브를

들 수 있다 쓰리웨이 밸브는 두 개의 포트를 가진 밸브로써 사용 목적은 유로 흐름을 변경(Diverting or Change-over)하는 것과 두 개 유로의 유체를 섞어 한 측으로 보내는 것(Mixing) 및 유로 흐름을

각기 분리하는 구조(Splitting)등 세 가지 목적에 쓰인다 이 세 가지 목적별로 밸브의 디스크 형상 및

시트 구조는 각기 판이하게 다르다⑤블로우다운 밸브(Blow Down Valve)배관계통에 있어서 블로우다운은 기액(汽液)2 상 유체(Tow Phase Flow)를 후라싱 탱크(Flashing Tank)를 통하여 분리하는 공정으로서 비교적 높은 압력의 기액 2 상 유체를 낮은 압력의 Flashing Tank 에 급속히 인입 시킴으로써 기액을 분리하기 때문에 이를 제어하는 밸브는 운전조건이

가혹하다 예를 들면 발전소용 증기 블로우다운의 경우 블로우다운을 시키는 밸브는 차압(ΔP)이 일반

밸브에 비하여 비교할 수 없을 만큼 크기 때문에 밸브의 트림부는 엄청난 유속으로 인한 마모

(Erosion) 문제에 적절한 대응책이 필요하다따라서 블로우다운 밸브는 기본적으로 밸브에서의 압력손실(ΔP)을 크게 할 수 있는 구조 및 입출구

형상을 가져야 하고 아울러 트림부의 침식문제를 억제하는 구조이어야 한다 따라서 디스크-시트에서

교축된 유로부는 바로 점진적으로 확관되어 속도 에너지의 손실을 크게하고 유로는 항상 디스크의

아래쪽으로 흐르게 한다 또한 디스크와 시트는 두텁게 스텔라이트(Stellite)로 육성 용접하여

내마모성을 증대시키는 구조이어야 한다 아울러 블로우다운 밸브는 계통 조건에 따라 미세한

유량조절이 아울러 요구되는 밸브로써 블로우다운 시스템의 운전초기 또는 관련계통의 시운전시의

최대 유량 조건과 정상운전시의 유량조건의 차이가 크게 나는 밸브이므로

디스크의 형상은 이러한 조건에 맞도록 Needle Type 을 사용한다24회(966월호)317 밸브 전동 구동장치(Motor Actuator)밸브의 제어운동을 전기적인 힘으로 자동으로 조작하는 기계를 전동밸브 구동장치라 하며 일반적으로

이러한 밸브를 통칭하여 MOV(Motor Operated Valve)라 한다 MOV 는 전기에너지를 사용하여

전동기의 회전력으로 밸브를 조작하는 것이기 때문에 전동구동기(Electric Actuator)라고도 하며

응용범위가 다양하고 비교적 저가격으로 신뢰성 높은 운전을 할 수 있기 때문에 거의 모든 종류의

밸브에 적용할 수 있다아울러 밸브제어의 각 고유기능(On-off Fast OpenClose 비례제어 Time Control Remote Control 등)을 수행할 수 있어 밸브의 구동장치로써 매우 많이 사용되고 있다(1)MOV 의 전동구동기 종류

〔회전방법(방향)에 따른 분류〕

MOV 는 전동구동기를 장착한 밸브를 총칭하는 말이므로 구동장치만을 말할 때는 전동구동기라고

통일한다 밸브는 차단기능 제어조절기능에 따라 크게 회전형 밸브와 직선운동형 밸브로 구분된다 대부분의 회전형 밸브는 90회전에 의하여 열리고 닫힌다 직선운동형 밸브는 게이트 밸브 글로우브

밸브와 같이 회전운동을 직선운동으로 변환시키는 것 스템에 나사가 없는 글로우브 게이트 밸브나

다이아후램 밸브와 같이 순전히 직선운동만이 필요한 밸브 등이 있다 여기서는 앞서의 90회전형

밸브 및 스템에 나사가 있어 회전운동에 의해 스템이 오르내리는 밸브의 구동장치에 대하여 설명한다①90회전 구동기(Quarter-Turn Actuator)90회전 또는 14회전 구동기는 90 이내의 회전각을 갖고 작동되기 때문에 90회전밸브인

버터플라이 밸브 볼 밸브 플러그밸브 댐퍼(Damper)등에 사용된다 90회전이기 때문에

작동회전각이 매우 적으므로 에피싸이클로이드(Epicycloid)와 같은 다단계 감속 구조에 의하여 대략

11280 에서 115000 으로 감속되며 01~15rpm(Revolution per minute)범위의 회전속도로

운전한다② 다회전 구동기(Multi-Turn Acutator)Multi-Turn 구동기는 적어도 1회 이상 최대 수백회(le1000회전)까지의 회전이 가능하도록 하여 이

회전을 나사메카니즘을 통하여 스텝을 직선운동으로 변환시켜 밸브를 여닫고 하는 것이다따라서 통상의 게이트밸브 글로우브 밸브 등에 적용한다 이 구동기를 밸브 스템에 연결하는 구조는

스템이 회전하면서 동시에 상하운동하는 Stem Rotating amp Riding 방식과 구동장치에 삽입된

슬리이브를 회전시켜 스템이 단순히 상하운동만 하게 하는 Non-Rotating Rising Strem 방식이

있다 현재의 다회전 구동기는 거의 100가 후자의 Non-Rotating Rising Strem 방식을 채택하고

있다

이는 글랜드 패킹에서의 마찰력을 최소화시켜 구동장치의 Torque 를 절감하고 아울러 패킹에서의

기밀유지구조를 가급적 안정하게 하는데 있다 이 구동기의 회전속도는 14~250rpm 으로 90회전

구동기에 비해 고속으로 운전된다〔조작기능에 의한 분류〕

전동구동기는 밸브의 운전을 자동화하기 위한 것이므로 조작기능 또한 구분할 수 있다 대표적인

회로구성은 다음에 설명한다① 기본형(Basic Model)밸브의 원격운전에 필수적인 최소의 구성 즉 전동기 감속장치 토오크 및 리미트 스위치 수동운전을

위한 메카니즘 위치표시장치 전동기 히터 터미널 블록 등으로 구성되어 있다 독자적인 제어회로에

의한 부가적인 제어기능이 없으므로 주로 On-Off 용으로만 사용된다② 통합형(Integral Model)기본형의 모든 제어기능을 구동기 내부의 판넬에 수용하고 아울러 원격운전은 물론 구동기 자체에

장치된 스위치로 구동기를 운전할 수 있다 따라서 기본형 이외에 밸브운전의 모니터(Monitor)기능 인터록킹(Interlicking)기능 자동위상변조(Auto Phase Correction)기능 긴급차단기능

(Emergency Shutdown) 구동기 속도조절기능 등 다양한 특수기능을 제공한다③ 지능형(Intelligency Model)통합형의 기능에 통신제어기능을 부가하고 아울러 프로그램기능을 추가함으로써 수동적인

밸브운전을 능동적인 밸브운전이 가능하게 하고 구동기와 밸브 그리고 배관내 유체흐름의 상태등을

종합하여 원격에서 모니터링 할 수 있다 아울러 자체의 진단기능으로 하여금 계통의 이상운전 여부를

경보하는 그야말로 지능형의 구동기를 일컫는다최근에는 컴퓨터통신을 이용한 LAN 또는 WAN(Wide Area Network)으로 밸브 구동기를

프로그램에 따라 원격에서 Systematic 하게 운전하고 이 운전을 피드백하여 계통의 운전상태를

감시하고 자체의 진단기능을 갖는 지능형의 밸브 구동장치가 장치산업을 중심으로 많이 사용되기

시작하였다〔운전모드에 따른 분류〕

①완전 On-off 용 구동기

밸브를 완전히 닫고 열게 하는 구동장치로서 아무리 큰 밸브라 하더라도 닫혀있는 상태와 완전히

열려있는 상태를 이 구동기는 유지하여야 한다 통상적으로 밸브개폐의 동작시간만큼만 전원에 의해

구동장치가 동작하고 이후에는 전원이 Off 되어있어야 한다따라서 밸브의 개폐시간은 모터 작동시간으로 보아 15 분을 초과하지 말아야 하므로 시간정격을 가진

단기작동형 즉 IEC 에서 정하는 S2 급으로 15 분 등급을 가져야 한다 이 등급의 전동기는 연속적으로

운전하는 연속정격의 2 배정도의 출력 토오크를 제공할 수 있다 만약 15 분 이상 연속 운전할 경우 모터가 과열될 수 있으므로 이에 대한 보호장치는 필수적이다 일반적으로 게이트밸브나 글로우브 밸브의 경우 밸브가 완전히 닫혀 있을때(더욱 엄밀히 말하여

밸브가 완전히 닫히는 순간이나 완전히 닫힌 상태에서 빠져나올 때) 구동 토오크가 최대가 된다 이후

밸브가 열리면서 구동 토오크는 급격히 감소되므로 구동기의 출력(토오크)은 밸브가 완전히 닫히는

순간 최대가 될 수 있도록 토오크 리미트 스위치와 리미트 스위치로 구동기 출력을 기계식으로

바이패스시켜야 할 것이다 이에 대한 보다 이론적인 설명은 다음에 구체적으로 설명할 예정이다따라서 구동기 드라이브 기어(Drive Gear)에는 모터가 정격속도에 도달한 이후에 보다 큰

토오크력이 전달될 수 있는 햄머블로우(Hammer Blow)장치를 부착하여 밸브 On-off 조작시 가장 큰

토오크가 필요한 언시팅(Unseating 밸브가 완전 닫혀 있다가 열리고자 하는 순간)시의 힘을

제공한다② 유량조절 또는 비례제어형 구동기(Proportional Control Actuator)이 구동기는 배관계통내의 유량 압력 또는 온도에 따른 제어 목적에 적절히 대응하여 운전되도록 한

것으로 운전량을 측정하는 감지기 제어량과 운전량을 비교하고 제어량을 산출하는 콘트롤러 콘트롤러로부터의 제어신호(4~20mA 또는 1~5Volt DC)를 받아 밸브의 개조를 지시하는 포지셔너

및 모터로 구성되어 있다 이러한 구동기는 연속정격(Continuous Duty)의 전동기(IEC S4-25 Class)를 사용하며 앞서의 On-off 구동기에 비하여 약 절반정도의 토오크만 있어도 충분하다 아울러

정밀한 연속적인 제어를 위해서 극히 낮은 관성을 가진 전동기를 사용하고 저속(On-off 용 구동기에

비하여 2~3 배)의 운전속도와 자동체결(Self-Locking)구도를 가져야 한다 물론 감지기와 같은

센서류의 고장(신호손실- Signal Fail)에 대비하는 정지기능(Stay Putfail Open Fail Close Fail as is)이 부가되어 있어야 한다(2)MOV 에서 사용되는 용어 및 크기 선정

〔용어〕

① 밸브시트 단면적(Valve Seat Area)실제 밸브 포트의 단면적 또는 밸브 시트링의 단면적

② 스터핑 박스의 Load(Ff)스터핑 박스 패킹의 마찰력으로 생기는 패킹 마찰력

③ 밸브 계수(Valve Factor)밸브의 트림구조 및 형상에 따라 정해진 계수로서 주로 트림에 있어서 마찰구조에 크게 영향을 받는다-Around 025 for Parraiel Sllde and Flexible or Double Disc Gate Valves-Around 035 for Solid Wedge Gate Valve-Around 115 for Screw Down Globe Valve Above 2Prime-Around 15 for Screw Down Globe Valve Under 2Prime④ 스템 계수(Stem Factor)밸브 스템에 있어서 모터의 출력 토오크를 스템의 나사구조를 통하여 추력(Thrust)으로 변화시키는데

생기는 나사의 효율과 마찰특성 등에 의하여 구해진다 스템 계수 = Ds(cos tanα+μ)24(cos-μ tanα)(Ff)또는

=De(cos[θ2]tanα+μ)2000(cos[θ2]-tanα)(m)여기서 Ds=밸브 스템의 유효직경(inch)De=밸브 스템의 유효직경(mm)25회(967월호)⑤직류 모터(DC Motor)직류 모터는 부하에 매우 민감하므로 설계 속도는 단지 개략적으로 말할 수밖에 없다 설계상 낮은

운전 토오크를 요구할 때는 실제 모터 속도보다 50 내지 100 정도만큼 증가시킨 모터 속도를

택하고 기어 감속비를 증가시켜 주어야 좋다⑥모터 기준운전 토오크

Motor Rated Running Torgue 토오크의 기준운전 토오크를 정하고 있다 기준시동 토오크는

모터의 허용 토오크와 같으며 20 또는 40 기준운전 토오크(20 or 40RRT)의 선정은

다음과 같다Calculated Moter Starting(Running) = 설계기준 Overall RatioStarting(Running) Efficienjcy설계기준 최대 스템

토오크(MaxSte Tprque)계산된 모터운전 토오크는 40 또는 40RRT 비교하여 모터의 토오크를 결정하고 40 RRT 보다

클 때는 다음의 크기를 택한다 일반적으로 Running Efficienjcy Starting Efficiency 보다 값이

크므로 Starting 시에 모터의 토오크는 크게된다 여기서 20 또는 40RRT 를 선정하는 방법은

밸브의 운전하중에 따라 결정된다 즉밸브의 운전하중 = (스터핑 박스의 마찰력+스템에 걸리는 하중[Piston Effect])부하계수(Load Factor) 에서 밸브의 운전하중이 층 스템추력의 99보다 작으면 20RRT 를 사용하고 33보다

높으면 40FFT 를 사용한다 이 토오크는 구동기의 토오크 리미트 스위치의 트리핑을 설정하는

토오크 스케일(Scale)의 100에 해당한다⑦ 스톨 토오크 스톨 추력

완전부하 상태에서 전기적 부품의 비정상적인 동작으로 인하여 모터의 Overrun 이 밸브의 시팅(또는

백시팅)시에 생기는 경우가 있는데 이때 과도한 추력이 발생하게 되는 것을 스톨상태의 토오크라고

한다단위 스톨 토오크 1=모터 허용 토오크구동자 회전비(Overall Ratio)모터 시동효율

단위 스톨 추력 1=스톨 토오크스템계수

1단위 스톨 토오크 및 추력은 Limitorque 카다로그의 설계기준 토오크와 추력(Max Torque RatingampSeating Thrust)의 150를 초과하지 못한다 스톨 토오크를 전동기의 실속(失速) 토오크라고도 말한다⑧ 브레이크어웨이 토오크(Break-away Torgue of Valve Cracking Torgue)구동기 드라이브의 슬리이브에는 밸브를 열기 시작할 때 필요로 하는 Valve Cracking Thrust 를

얻기 위하여 장치된 Lost Motion Hammer Blow 장치가 있다 햄머 블로우의 충격에 의한

운동에너지는 정적운전시의 에너지에 비하여 2 배 이상이 되는 힘으로 순간적으로 작용하기 때문에

토오크리미스 스위치에 영향을 주지 않으면서도 용이하게 밸브 디스크를 시트에서 Unseating 하게

하는 것이다이때 필요로 하는 토오크를 말하며 대략 기준운전 토오크의 200 정도이다〔MOV 구동기의 크기계산〕

MOV 구동기의 크기는 밸브형태 및 사용조건에 따라 결정된다일반적으로 구동장치의 크기의 선정은 밸브의 설계(최고운전)압력과 디스크 포트의 크기와 형상(내경등) 스템의 크기(직경) 패킹의 가압력 및 밸브회사 고유의 설계여유(Design Margin)가

고려된다 이를 식으로 표시하면 다음과 같으며 선정을 위한 설계추력은 아래의 식에 적어도 15이상의 여유를 고려한다설계추력(Design Thrust)=밸브계수(Cv)밸브 디스크의 힘(Pd)-스템의 힘(Fs)-패킹 마찰력(Ff)+스템

및 디스크의 자중(Wsd) 설계토오크(Design Tprque)=스템계수(Cs)설계추력

여기서Fd=πD2 ΔP4Fs=πD2 ΔP4Ff=1000 1bf dle1Prime

1500 1bf 1Prime〈dle2Prime 2500 1bf 2Prime〈d단 패킹의 마찰력은 스터핑 박스의 설계방식에 따라 다르며 일반적으로 패킹에서의 누설을

최소화시킬 목적으로 가압력을 크게 하는 경우가 많으며 실제 Live Loading 의 패킹구조에서는 위의

값보다 크다d=스템의 직경(inch)Cv=밸브 계수

=025 내외(Parallel Slide amp Flex or Double Disc Gate) =035 내외(Solid Wedge Gate) =115 내외(Screw Down Globe Above2Prime) =15 내외(Screw Down Globe Under2Prime)P=설계압력(psig)D=밸브 시트의 직경(inch)ΔP=설계차압(psi)Cs=스

템계수

=Ds(cos-tana+μ)24(cos-μtana)Ds=스템직경(Mean Stem Diameter)=나사각(Thread Angle)tanaα=Thread LeadDs)μ=마찰계수(012~02 통상 014~016)밸브계수라 함은 밸브디스크와 서로간의 마찰에 의해 정해지는 마찰계수이며 스팀계수는 윤활 온도 불순물의 유무 등 운전환경에 따라 변하게 된다 또 이들 계수의 결정은 시험 및 경험 축적자료에

의하여 결정된다특히 스템계는 모터구동장치의 토오크를 결정하는데 중요한 요소로서 모터의 출력 토오크가 스템

또는 드라이빙 부신을 통하여 스템이 변화하는데 생기는 변환기구의 기하학적 형상 및 마찰기구의

특성으로 구성된다따라서 구동장치의 적절한 윤활 테스팅등 유지관리가 소홀한 경우 스템계수는 증가한다 이렇게

스템계수가 증가하면 모터의 설계 토오크가 커져 모터에 과부하가 발생될 우려가 생긴다아울러 이러한 사항을 고려하지 않고 구동장치를 선정하면 통상 스템계수를 적게 잡거나 메이커 표준

스템계수를 사용하게 됨으로 유지관리가 부적절한 경우 구동장치의 트러블을 야기하게 도니다 한

예로 125 의 스템 13Prime의 피치 13Prime의 리이드를 가진 스템에서 윤활등의 적정여부에 따라

스템계수가 0012~002 로 측정되는 것을 보아 적어도 30~35 스템계수 변화가 있음을

고려하여야 한다〔전동 모터출력 토오크의 변화〕

모터구동장치에서 고려할 중요한 사항의 하나는 전압에 따른 모터의 출력 토오크 변화이다모터의 출력 토오크는 전압의 자승으로 변화하기 때문에 10의 전압 강하시를 고려한다면 모터의

크기(출력 토오크) 선정은 123 배로 해야 될 것이다 즉 Design Torque=aV2여기서 a 는 비례상수이고 V 는 전압이다

Design Torque(100)Toruqe at 100 Voltage=Sizing Torque Considering 70 Voltage(70)2(100)2Sizing Torque=100004900=204at 30 Voltage Drop=100006400=156at 20 Voltage Drop=100009100=123at 10 Voltage Drop=1000012100=083at 10 Exceed of Rated Voltage따라서 10~30의 전압변화를 고려한다면 그 범위는 약 25 배(204083)의 출력 토오크 변화를

예상할 수 있다(3)MOV 용 전동구동기의 밀폐와 품질

모터구동장치는 동력원으로써 전동 모터와 이의 제어에 필요한 전기 전자 및 기계장치를 갖고

있으므로 이들의 건전한 운전을 계속 유지하기 위해서는 외부의 유해한 환경에 노출되는 것을

방지해야 한다전동구동기가 설치되는 주변의 온도 습도 먼지 자연적인 제반 유해한 가스 및 비 눈 방사선 햇빛

등이 전동구동장치의 내외부에 직간접으로 영향을 미치므로 이를 차단하는 밀폐기술(Sealing Technology)은 매우 중요하다 따라서 이에 관련한 밀폐기술과 품질에 대한 규정 및 표준 그리고

적용방법은 거의 모두가 국가 또는 국가간의 국제규격으로 제시되고 있다이를 요약하면 방수등급 방진등급 방폭등급 및 원자력등급으로 구분할 수 있다①IEC(International Electricity Commission)에 의한 방수 방진등급

IEC 144 규정에 의한 등급은 IP68 과 같이 두 자리의 숫자코드로 방수 방진등급을 표시한다 첫 자리

0~6 은 보호등급이고 두 번째 자리 0~8 까지는 물의 침투에 대한 방수등급을 나타낸다 (첫자리사람의 접촉 및 외부 물체의 침투에 대한 보호등급)0No protection1Protection Against Foreign Matter(ge50mm)2Protection Against Medium Foreign Matter(ge12mm)3Protection Against Small Foreign Matter(ge25mm)4Protection Against Granular Foreign Matter(ge10mm)5Protection Against Dust Deposits6Protection Against Dust(두째자리 물의 침투에 대한 방수등급)0No Protection 1Protection Against Dripping Water Falling Vertically2Protection Against Dripping Water Falling Diagonally3Protection Against Spraying Water4Protection Against Splashing Water

5Protection Against Jets of Water6Protection Against Flooding7Protection Against the Effect of Immersion8Protection Against the Effect of Submersion② 방폭등급(IEC 규정에 의함)Intrinsic Safety Class 정화에너지 정상운전에서 발생할 수 있는 표면온도 혹은 어떠한 발생

가능한 Fault(손상)조건을 제한함으로써 안전성을 유지하는 기술

Intrinsic Safetiy Standard Class 2 개의 구성요소 Fault 까지 안전을 유지하며 위험한 장소의

설비는 Zone 01 및 2 를 준용한다Note N 형 설비(정상운전시에는 안전)는 Zone 2 를 준용한다Type of Industry 지하 광산 지표면

Type of Hagard 공기 인화성가스 및 중기의 폭발성 혼합물질(먼지 포함)예)ClassⅠ-가스 증기 Class 먼지 Class-화이버 솜Degree of Hagard Zone 0-폭발성 가스와 공기의 혼합물질이 계속적으로 존재하거나 장기간

존재하는 경우 Zone 1-폭발성 가스와 공기의 혼합물질이 정상운전에서 발생할 수 있는 경우 Zone 2-폭발성 가스와 공기의 혼합물질이 발생할 우려가 없으나 단기간은 발생할 우려가 있는 경우

Ignition by Spark Group C-Hydrogen Acetylene Group B-Ethylene Group A-Pro-Pane Group I-MethaneIgnition by Hot Surface 위험한 장소의 설비를 주변온도 40의 조건에서 Fault 가 발생되는 최대

표면온도는 다음과 같이 분류된다T1-450 T2-300 T3-200 T4-135 T5-100 T6-8026회(969월호)(4)전동구동장치의 구조

전동구동장치는 각 제조회사별로 혹은 그 제조방법(적용기술)에 따라 구조 및 구동메카니즘이 조금씩

차이가 있으나

근본적으로 그 원리는 같다 즉 동력으로서의 전동기(Electric Motor) 감속기구(Reduction Device) 제어 및 표시장치(Control Device) 수동운전기구(Manual Override Mechanism) 전선

연결단자(Terminal Block) 그리고 밸브 스템에 연결시키는 체결블럭(Coupling Block)으로

구분된다그러나 특수목적에 부합되도록 밸브를 운전해야 할 경우 추가로 부속장치가 장착되는데 거의 대부분

제어 및 표시장치가 이에 해당한다 이들 각 장치는 구조적으로 제각기 독립된 케이스 내에 구성되어

있는데 운전 조작을 통하여 유기적으로 연합되어 운전하게 된다이러한 이유는 밸브의 설치가 대부분 악조건의 환경에 설치되므로 구동장치 내부의 정밀한 장치를

보호하고 안정된 상태로 신뢰성 있는 운전을 해야 한다〔전동기의 종류 및 특징〕

① 유도 전동기(Induction Motor)유도 전동기는 서로 독립된 2 개의 권선이 있어 그 한 권선에서 전자유도 작용에 의하여 또 다른 한

권선에 에너지가 전달되어 회전하도록 한 전동기이다 즉 1 차 권선에 흐르는 전류에 의하여 발생한

회전자속이 2 차 권선과 전자유도 작용을 일으켜 토오크가 발생하고 이 힘에 의하여 구동자가

회전하게 된다유도 전동기의 실제 회전속도는 동기속도보다 작다 이는 회전자가 동기속도보다

느리게 돌아야만 자속을 끊을 수 있으므로 유기전력이 발생 회전자에 전류가 통해서 이 전류와

자계의 자속 사이에 토오크가 발생한다유도 전동기는 구조가 간단하고 따라서 가격이 저렴하다 아울러 취급이 용이하며 부하가 변하더라도

속도의 변화가 적은 정속도 전동기이기 때문에 여러 가지 전동기 중에서 가장 많이 사용되고 있다유동 전동기는 회전자의 종류에 따라 권선형과 농형(Squirrel Cage) 전동기로 구분된다② 동기 전동기(Synchronous Motor)동기 전동기(同期電動機)는 일반적으로 회전계자형이고 전기자의 권선은 고정자 측에 감고

회전자에는 계자극을 만들고 이 계자권선 측에 스립링을 통해 전류를 공급하여 자극을 만든다 자극수 P 의 교류기에 전원주파수 f 인 교류를 공급하면 회전자는 N=120f1p(rpm)의 항상 같은

방향의 회전력이 생긴다 동기 전동기는 항상 일정한 속도로 회전하는 대신에 기동시의 기동 토오크가

작은 단점이 있어 전동구동장치에의 적용은 곤란하다따라서 전동구동장치에는 권선형의 유도전동기와 같은 구조로의 동기 전동기 즉 유도동기전동기가

널리 사용된다 이 전동기는 운전중에 동기전동기의 특성인 역률을 임의로 조정할 수 있으며 기동입력

대비 기동 토오크와 입력 토오크가 큰 장점이 있다③직류 전동기

직류 전동기는 회전속도에 무관하게 일정한 토오크를 출력하며 속도조절이 용이하므로 속도제어용의

전동구동장치에 널리 사용된다〔감속기구〕

전동구동장치에서 사용하는 감속기구는 전동기의 출력회전수를 매우 큰 감속비율로 감속시킬 수 있는

웜기어(Worm Gear) 성형기어(Planetary Gear)를 주 감속기구로 보조감속기구로서 스퍼어 기어

(Spur Gear)를 조합하여 사용한다 전동기의 회전속도는 전동기의 극수를 P 라 하면 V=(120f)p 로

되어 4극인 전동기의 경우 우리 나라의 전력공급원으로 설치될 경우 이론적으로 1천 8백RPM 이

된다 그러나 밸브 조작에 필요한 회전수는 24~48RPM 이면 되니까 감속기구의 감속비율은

175~1375 가 된다 감속기구에서의 감속기어는 드라이브 슬리이브(Drive Sleeve)를 통하여

동력을 전달하며 햄머블로우(Hammer Blow)장치와 연결하게 함으로써 밸브의 개방초기

(Unseating)시에 최대의 순간 토오크가 발생하도록 설계되어 있다〔제어 및 표시장치〕

제어 및 표시장치는 전동구동장치의 출력과 밸브의 운전범위를 제어함으로써 정확한 위치에서 밸브의

개폐 또는 조절이 가능하도록 구동기구의 여러 가지 운동장치에 제어 및 표시기구를 설치한 것을

말한다 즉 밸브가 열리고 닫히고 할 때의 시동 및 정지기능 밸브가 정확한 위치에서 개폐할 수

있도록 하는 토오크 및 위치제한 기능 전동구동 장치가 운전 중 과열 등으로부터의 보호기능 밸브의

Jamming 부적절한 전원 위상(位相) 잘못된 조작으로부터의 장치 보호기능 등 전동구동장치를

원활하게 운전하는데 필요한 기능을 총칭한 것이다우선 제어 및 표시장치의 각 기능을 설명하기 전에 전동구동장치의 운전현상을 구체적으로 이해함이

중요하다① 전동구동밸브 또는 모터구동밸브(Motor Operated Valve MOV)의 운전

일반적으로 MOV 의 운전은 밸브가 닫힐 때는 토오크 스위치의 동작에 의하고 반대로 열릴 때는

리미트 스위치(위치제한 기능 스위치)의 동작에 의하여 제어운전 되는 것이 일반적이다밸브의 디스크 및 시트의 완전한 접촉은 밸브시트의 내누설 등급에 따라 토오크의 크기로 정해질 만큼

최적의 닫힘 상태를 이루기 위해서는 정격의 전동기 출력 토오크가 밸브 디스크의 제 위치에서

동작되도록 하여야 한다 그러나 토오크 스위치가 밸브의 최적 닫힘 위치에서 즉시 동작한다 하더라도

전동기를 실질적으로 정지시키는 접촉자가 동작하는데는 20~70밀리초(milli-second)가 걸린다 즉 이 시간 사이에는 전동기가 계속 동작하고 있기 때문에 추가의 토오크(Inertial or Motor)가 밸브

스템에 작용하게 되는데 이를 토오크 오버런(Torque Overrun)이라고 한다 토오크 오버런은

실험적으로 기준 정격 토오크의 10~20 정도이다그러나 이 경우 실제 운전조건하에서는 전동구동장치 제작사의 실험조건과는 상당한 차이가 있다 즉 역설적으로 수많은 실제 운전조건을 모두다 실험실에서는 적용할 수 없기 때문에 제작자는 MOV 를

실험할 때 계통의 무부하 상태하에서 정격의 최고속도로 실험함으로써 보다 높은 토오크를 측정하고

있다 이 측정된 값을 실제 운전 조건에서 사용될 수 있도록 시뮬레이션하는 것은 밸브제작사의

노하우이다 실제로 계통의 무부하상태에서의 측정된 토오크는 실제 운전조건의 것보다 상당히 높을

것으로 판단된다MOV 에서 전기적인 부품 즉 제어기구에서의 부적절한 결선이나 리미트 또는 토오크 스위치의

손상등으로 인하여 제어가 부적절할 때는 밸브의 시팅레이트(Seating Rate)가 증가할 수밖에 없다 다음은 밸브의 스템 운동속도 트림구조의 강성 단락시간(Disconnecting)의 영향 및 토오크

스위치의 제어형식에 따라 상호 어떤 관계로 운전되는가를 설명한다스톨(Stall-失速)상태 - 밸브의 강성과 추력 속도와의 관계

스톨상태라 함은 완전부하상태에서 전동구동장치의 전기적 제어 기구의 비정상적인 동작으로 인하여

전동기의 오버런이 밸브의 시팅(또는 백시팅)시에 생기는 경우가 있는데 이때 순간적으로 스템의

리드(Lead)량은 0 이지만 스템의 속도는 0 으로 되지 않기 때문에 순간적인 구동자회전비(Overall Ratio)는 크게 증가됨으로 가상적인(종이상에서 단순히 계산되는 비현실적인 현상) 전동기의

토오크는 거의 0 으로 되어 보이지만 실제로는 전동기의 허용 토오크 이상으로 과도한 토오크가

발생하여 스템에 큰 추력을 발생시킨다 이를 스톨상태의 토오크 추력이라고 한다 밸브의 닫힘속도가

정상이고 밸브 트림구조 및 재질이 높은 탄력을 가지고 있을 때는 실제 밸브스템에 전달되는 추력은

설사 전기제적인 트러블이 있어 정지시간이 길어져도 150내외의 설계추력을 전달한다그러나 닫힘속도가 빠르고 밸브 트림의 강성이 높을 경우에는 단락시간에 별 영향이 없이 스템에는

300~400의 설계추력이 전달된다 따라서 밸브의 개폐시간은 위와 같은 이유로 엄격하게

제한되고 최종 추력에 대한 검토 즉 스톨 토오크 및 스톨 추력에 대한 계산이 필요하다 단위 스톨

토오크 = 전동기 허용 토오크구동자 회전비(Overall Ratio)전동기 시동효율단위 스톨 추력 = 스톨

토오크스템계수

[주]단위 스톨 토오크는 제작사 카다로그의 단위 스톨 토오크 및 추력기준의 150를 초과하지

못한다토오크 시팅-토오크 스위치의 단락시간 영향

전동구동장치(MOV)에 있어서 스위치가 트립되면 스위치의 트립과 전원 컨넥터(Connector)의

차단사이에 미소한 시간지연과 전동기의 운동에너지로 인한 정격 밸브 스템량의 초과(Over Travel) 현상이 생긴다 이 Over Travel 은 계통의 압력상태 및 밸브 스템의 패킹력에 따라 그 정도를

달리한다 이를 제어하는 방법으로는 리미트 스위치를 설계보다 약간 빨리 작동하도록 설치함으로써

해결할 수 있다 이 Preset 의 뜻은 밸브가 충분하게 시팅되어 밸브 스템의 운동량이 정지되었음을

표시한 것이 된다 그러나 시간지연으로 인한 Overrun 은 토오크 스위치 설정치보다 더욱 큰 밸브

토오크 및 추력을 야기시킨다 이 경우는 리미트 스위치의 도입으로 해결할 수 없는 상태로서 커브

C는 정상운전시의 시간에 대한 스템추력 커브 D는 급속 개폐시의 관계로서 커브 D의 경우는

C에 비하여 약 4 배 이상의 스템추력을 보여주고 있다지금 밸브가 설계추력 상태에서 토오크 스위치가 작동하여 기계적 지연시간인 두 커브의 동일한

단락시간 T1 에서 커브 C에서는 X지점 커브 D에서는 Y지점에서 전동기는 정지하게 된다 더욱이 토오크 스위치 작동과 전원차단과의 관계가 미소하게 잘못 설정되는 T2만큼 시간지연이

됨으로 스템의 설계추력은 Z지점 정도의 매우 높은 추력을 발생하게 하여 밸브에 악영향을 초래할

가능성이 높아진다27회(9610월호)토오크 시팅 - 밸브 강성과의 관계

전동기가 정지되더라도 전동기의 운동에너지는 앞서 설명한 바와 같이 Overrun 을 야기시킨다 밸브의 강성이 비교적 낮고 탄력이 유지되는 경우 운동에너지가 서서히 작용하게 됨으로써 커브 E에서와 같이 밸브 스템이 전달되는 추력은 강성이 높은 밸브에 비하여 월등히 작다 이와 같이

밸브트림의 설계는 구동장치의 조작성 및 동작특성을 고려하여 탄력이 유지되는 구조로 설계함이

좋다토오크 시팅 - 차압의 영향과 Dry-Run급속하게 개폐가 요구되는 Fast Acting 밸브의 경우 이 MOV 는 경우에 따라 토오크 스위치에 설정된

값과는 비례하지 않는 토오크 출력을 발생시키기도 한다 이러한 경우는 계통에 압력이 작용할 때와

작용하지 않을 때 생기는 토오크 시팅 효과를 보면 이해할 수 있다 [그림 94]는 계통에 압력이

부과되어 있어 MOV 운전에 의해 차압이 있을 경우의 토오크 시팅과 계통압력이 무부하상태에서의

운전 즉 공운전(空運轉 Dry-Run)시의 토오크 시팅효과를 보여주는 그래프이다커브 G는 최대 차압하에서 토오크 시팅시의 시팅시간에 대한 스템의 추력변화를 보여주는 것으로써

토오크 설정치 S1은 단락시간의 지연 T1에 따른 운동에너지의 K에 의하여 설계 추력을 얻게

되는데 이 과정중 밸브의 디스크면에 작용하는 차압력에 따라 상당량의 토오크가 소비되므로 K값은

커브 H의 것에 비해 월등히 작게된다 커브 H는 커브 G의 토오크 설정치와 같은 조건하에서

계통의 압력이 걸리지 않는 즉 차압이 없는 상태하에서의 토오크 시팅 특성을 보여주는 그래프이다차압이 없는 경우에는 디스크면에 생기는 차압에 의한 마찰력도 거의 없을뿐더러 시팅의 조건 또한

매우 용이하게 이뤄짐으로 그래프에서와 같이 시팅 시작후부터는 스템에 전달되는 추력은 급속히

증가한다따라서 계통이 정지되어 있는 공운전시에 정상운전 토오크치를 변경하지 않고 구동장치의 조작

시험등을 수행하는 경우 그래프 커브 H와 같이 설계추력보다 월등히 높은 추력이 발생되어 큰

문제가 발생하는 사례가 종종 있다②MOV 운전 메카니즘

한 예로 Limitorque社의 전형적 모터 구동장치인 [그림 95]와 같은 SMB 형식의 경우 이 구동장치는

단지 간단한 두 개의 감속 기어열을 갖고 있는데 이 기어열을 통해 전동기의 회전력을 감속시켜 밸브

스템측에 회전력으로 출력시킨다 전동기의 회전력은 전동기에 직결된 헤리칼(Helical) 기어열을

통하여 1 차로 감속되고 1 차로 감속된 전동기 회전력은 웜 샤프트라는 스프라인 축(Splined Shaft)을

구동시킨다 웜은 웜 샤프트에 스플라인 되어있으며 밸브 스템축을 회전 또는 상하 운동시키는 웜 기어에

연결되어 회전력을 감속 전달시킨다 또한 웜 기어는 그 상부에 두 개의 러그(Lug)가 딸린 케스트

(Cast)가 있어 종동(從動)슬리이브의 두 러그와 맞물려 종동슬리이브를 회전시킨다이 종동슬리이브가 회전하면 종동슬리이브 내부에 스플라인 되어있는 밸브 스템너트를 회전시켜 밸브

스템을 회전 또는 상하운동 시킨다 따라서 이러한 전동구동장치의 메카니즘에 따라 밸브의 개폐는

회전방향에 따라 열리거나 닫힌다 이러한 전동구동장치의 운전 메카니즘에서 실제 주의 깊게 짚고

넘어가야 할 중요한 사항의 하나는 밸브의 운전 요건에 부합하는 토오크 또는 스템 추력을 충분히

확보하여야 하고 운전시와 시팅시에 생기는 큰 폭의 토오크 변화량을 적절히 제어되도록 구동장치

내부에 토오크 제어기능을 갖는 장치를 구비한다이 토오크 장치의 운전은 다음과 같다 즉 웜 샤프트에 스플라인된 웜은 웜 기어에 작용하는 부하의

증감에 따라 축방향으로 운동되도록 설계되어 있다 실제로 밸브 스템에 작용하는 추력은 밸브 스템의

나사구조를 통하여 회전력 즉 토오크로 변환되고 이 토오크가 전동기의 회전 토오크와 관계되는

것이다 따라서 밸브의 개폐에 따른 부하의 증가는 전동기의 회전 토오크가 밸브의 스템 나사를

통하여 토오크로 변환되어 웜 기어 슬리이브를 회전시키려고 하는 힘에 대한 저항의 증가로 표현되고 이 증가된 저항은 웜이 웜 기어에서 생기는 저항만큼 앞으로 운동하기 시작할 것이다이 축 방향의 운동은 토오크 스프링이라고 하는 Belleville Spring 조합(PACK)을 압축시켜 토오크

에너지를 축적하고 이 웜 샤프트의 축 방향 운동량을 토오크 스위치와 연결시켜 토오크를 제어한다 따라서 축 방향의 운동량을 x 라 하고 토오크 스프링의 스프링 상수를 k 라 할 때 그 힘은 F=kx임으로

스프링 조합에 적용한 힘 F 는 웜 기어에 적용한 힘과 동일함으로 출력 토오크는 이 힘 F 와 밸브

스템의 모멘트 길이를 곱한 것과 마찬가지이므로 토오크 스위치의 설정으로 밸브 스템에 전달되는

출력 토오크를 제어할 수 있다③ 토오크 리미트 스위치(Torque Limit Switch)토오크 제한 장치

전동구동장치에 있어서 토오크 리미트 스위치는 밸브의 개폐중에 주로 디스크와 시트에서의 과도한

시팅이 원인이 되어 구동력이 크게 될 때 밸브와 전동기를 보호하기 위하여 설정된 전동기의 출력

토오크를 초과할 경우 전동기의 전원을 차단시키는 방법을 제공한다거의 모든 전동구동밸브의 전동기 구동 토오크가 실제 밸브의 시팅 토오크보다 훨씬 크게 선정되고

있으며 배관계통의 여러 가지 불확실성(배관계의 열하중 배관 작용력 유체천이력 밸브 구조상의

고온고착 가능성 및 이상승압 현상 등)으로 인하여 점차 출력 토오크가 높은 전동기를 사용하는

추세이다이러한 경우 전동구동밸브에 있어 가장 중요한 제어기능은 토오크를 어떻게 제어하고 밸브를

구조적으로 안전하게 운전되도록 토오크를 관리할 것인가가 운전상의 중요 포인트가 된다 따라서

현재의 전동구동밸브의 토오크 제한장치는 매우 정밀하고 신뢰성 있으며 필요에 따라 토오크

설정량을 조정할 수 있는 구조로 되어있다일반적으로 전동기의 출력 토오크는 개방 폐쇄의 양방향에서 정격 토오크의 약 25~100 범위

내에서 설정할 수 있으며 설정된 값은 전동구동장치 외부에 있는 지침을 통하여 확인이 가능하다 앞서 MOV 운전 메카니즘에서 언급한 바와 같이 토오크를 설정하는 구조는 전동기의 출력토오크에

직접적으로 비례하도록 되어 있다 즉 토오크 제한장치는 전동기를 통하여 스페어 기어로 감속된 후

웜 휘일(Worm Wheel)과 웜 샤프트(Worm Shaft)에서 토오크가 많이 걸리면 웜 샤프트는 토오크의

양만큼 웜 샤프트 축방향으로 변화량이 생기고 아울러 웜 샤프트에 장착된 코일 스프링에 의해

에너지가 축적된다이 웜 샤프트의 변형량은 샤프트에 장치되어 있는 회전기어에 의하여 회전운동을 만들고 여기에

토오크를 제어할 수 있는 마이크로 리미트 스위치를 장치하여 전동구동장치의 구동 토오크가 설정치

이상이 되면 이 리미트 스위치가 작동하여 전동기 전원을 차단하고 운전을 정지시킨다통상적으로 이러한 토오크 리미트 스위치는 밸브 개방상태로 NO NC 밸브 폐쇄상태로 NO NC 로

구성되어 있는데 NO 는 Make-Contact NC 는 Break-Contact의 뜻이다28회(9611월호)④ 위치 제한 장치(Position Limit Switches)위치 제한 장치는 밸브의 완전 열림 닫힘 도는 특정의 중간 개도에서 제어의 목적상 밸브가

정지되도록 하는 장치이다 이러한 제어상의 시그널은 밸브 조작반이나 원격의 패널에서 밸브의

제어상태를 알리는데 매우 유효하다 일반적으로 위치제한 장치의 구조는 웜 휘일과 웜으로 밸브의

개도위치를 위치지시장치(Position Indicator)와 마이크로 스위치로 직접 전달한다 마이크로

스위치는 기본적으로 8접점을 갖고 있으나 기본적인 제어의 목적으로는 접점이 6 개 이상이면

요구하는 목적을 맞출수 있다그러나 점차 제어의 목적과 기능이 다양화함에 따라 6 개 이상의 접점 즉 8 12 16 개의 접점을

갖추고 있는 것이 일반적으로 되어 있다 [그림 97]은 리미토오크사의 기어 트레인 리미트 스위치

(Gear Train Limit Switches)의 구조도이다즉 웜 드라이브는 웜 휘일의 회전에 따라 비례적인 회전 모멘트를 전달하고 이 회전 모멘트는 기어

트레인을 통하여 위치제한 및 위치신호에 사용되는 마이크로 스위치 박스에 연결되어 스위치의

트리핑(Tripping)에 적절한 회전각으로 감속 회전하면서 밸브의 닫힘 열림 중간 제어목적에 맞도록

설정된 값으로 동작한다 이 위치제한 구조는 운전자에 의하여 용이하게 조정 가능한 구조로 설계되어

있고 이는 수동운전중이라 할지라도 설정된 위치는 변하지 않도록 되어있다 앞서 언급한 토오크

스위치와 리미트 스위치는 전동구동 장치에 있어서는 매우 핵심적인 부품으로서 신뢰성 또한

엄청나게 중요한 부품으로 전동 구동장치의 선정시 결선방식(Wiring Diagram)과 함께 심도 있는 검토가 요구된다⑤ 전동 구동장치의 결선도(Wiring Diagram) 및 제어 해설

전동 구동장치의 제어는 앞서 언급한 제어 및 표시장치들 중에서 토오크 리미트 스위치와 위치제한

장치인 리미트 스위치가 가장 핵심적인 역할을 담당하고 있지만 이외의 보조 또는 부수장치로서

전동기 결로(結露) 방지용 히터 인입(引入) 전원의 위상 판별장치(Phase Discriminator) 자동 위상

교정기 위치 표시장치 등이 있다 이들은 모두 전동구동 장치의 신뢰성 있는 운전을 목적으로 한다 다음의 [그림 98]은 리미토오크사의 표준 결선도(No Control) [그림 99]는 제어기능이 보강된

결선도(Integral Control)이고 [그림 100]은 로오톡사의 표준제품의 하나인 Syncropak의

결선도로서 리미토오크사의 Integral Control 타입과 유사한 기능을 갖고 있고 [그림 101]은

로오톡사의 제어기능이 보강된 IQ Range의 결선도로서 접점을 오히려 줄이면서 표시기능을

디지털로 하고 제어기능을 다양화한 것이 특징이다[그림 102]는 리미토오크의 Integral Control에 비교하기 위한 결선도로서 미국 EIM 사의

표준모델인 Series 2000의 표준 결선도이다 이외에 본고에서 소개하고 싶은 전동구동 장치의

결선도로서는 AUMA Bernard BIFFI 등이 있으나 지면 관계상 및 기능으로 보아 대동소이함으로

생략하였다 [그림 98] [그림 99]의 하단부에서 보는 바와 같이 각 리미트 스위치의 동작은 완전 열림

(Fully Open) 완전 닫힘(Fully Close) 중간개도 AB(Intermidiate Position AB)에 있어서

동작영역을 전개한 표로서 각기 기능은 완전 열림시 바이패스 동작 표시등 열림 표시등 완전

닫힘시 바이패스 닫힘 표시등으로 총 6 개의 기본 기능이 동작하도록 되어있다29회(9612월호)접점은 여유분 8~10 개로서 추가의 선택사양을 위하여 준비되어 있다간단히 결선도를 기준으로 밸브 구동시의 스위치 동작을 설명하면 다음과 같다

1)밸브가 완전히 열려있을 때는 접점 1 은 바이패스 회로로 연결되어 있다2)밸브가 완전 열림 상태에서 닫히기 시작할 때 접점 1 은 떨어지면서 접점 34 는 동작되어 밸브가

열리고 있음을 표시한다3)밸브가 완전히 닫히게 되면 접점 5 의 리미트 스위치는 동작하여 완전 닫힘 바이패스 회로가

동작한다 만약 밸브를 토오크 시팅(Seating) 방식으로 할 경우에는 접점 5 의 리미트 스위치 사이를

점퍼(Jumper)하여야 한다4)다시 밸브를 열려고 할 때 리미트 스위치 78 을 동작시켜 닫힘을 표시한다전동구동 장치의 구체적인 운전 문제점이나 적용성 아울러 운전보수 및 신기술이 접목된 통합제어

방식의 전동구동 장치의 기술적 사항에 대하여는 별도로 기술한다또한 제어밸브의 경우 그 범위가 대단히 넓고 광범위하기 때문에 별도의 항목으로 설명하고자 한다 사실 제어밸브에서 다루는 밸브의 개념은 제어목적에 우선적이므로 밸브의 기능은 수동밸브에

비하여 보다 다양하고 치밀하며 논리적인 측면으로 이해하여야 한다30회(971월호)32 밸브구성 재료

프로세스 플랜트에 있어서 배관계통은 매우 다양한 유체를 취급하게 됨으로 수송 유체의 물리적 화학적 성질에 따라 다양한 재료가 사용된다 본 항에 있어서는 우선적으로 밸브의 압력 유지부인

밸브 몸통 본네트 본네트용 볼트를 비롯하여 디스크 시트 스템과 같은 트림류 밸브 밀봉재인 패킹가스켓 기타 운동부품류(Moving Parts) 및 밸브의 도장(Painting)에 대하여 기술한다다음의 [표 26]은 미국의 ASMEANSI B1634 에서 밸브구성 재료로서 승인하고 있는 미국 재료학회

기준에 의한 밸브재질 목록이다 [표 26]에서 재질그룹번호(Material Group No) 1 은 일반 탄소강 및

탄소강 계열의 합금강 2 는 스테인리스강 3 은 니켈 베이스의 합금강을 말한다31회(973월호)(1)밸브트림용 재료

밸브에 대한 기술기준에서는 특별히 부품용 재료에 대한 요건은 규정되어 있지 않으나 밸브트림인

디스크 시트 스템용의 재료 선택기준은 대략 다음과 같이 분류할 수 있다아울러 밸브트림 부품중 가장 중요한 시트면 및 디스크의 접촉면에 사용되는 표면경화(Hardfacing)용 덧붙임 재질로는 스텔라이트(Stellite 미국 Stoody Deloro Stellite Inc 의 상표명)가 있다 이

스텔라이트 용접봉의 주요 성분은 코발트(Co) 크롬(Cr) 및 텅스텐(W)으로서 탁월한 내식성과

내마모성을 갖고 있으며 특히 고온하에서도 경도가 낮아지지 않는 매우 좋은 특성을 갖고 있어

현재는 밸브용 재료로서 가장 중요하고 또한 널리 쓰이는 재료의 하나이다앞서 언급한 밸브재료 선정기준은 극히 일반적인 것을 언급한 것뿐이다 따라서 최적의 밸브재료

선정은 배관시스템 즉 배관내에 흐르는 유체의 종류 성상(性狀) 화학적 특성 압력 및 온도 요건등

밸브의 사용환경에 최적인 재료를 선정하여야 한다 그러나 사용온도에 따른 각 재료별 열화방지를

위해 사용자가 고려해야만 할 사항들은 ASMEANSI B313 APPENDIX F 에 언급되어 있다 밸브재료를 중심으로 요약하면 다음과 같다① 탄소강(탄소함량 005~15) 일반 니켈강 망간(C-Mn)강 망간-바나듐(Mn-V)강류

427(800F)를 넘는 온도에서 장시간 사용시 탄화물상(Carbide Phase)의 흑연화(Graphite)가

진행될 수 있음으로 이를 넘는 온도에서의 사용은 주의를 요함② 크롬-몰리브덴(Cr-Mo)강 Mn-Mo-V강 Cr-V강4687(875F)를 넘는 온도에서 장시간 사용시 탄화물상(Carbide Phase)의 흑연화(Graphite)가

진행될 수 있음으로

이를 넘는 온도에서의 사용은 주의를 요함③ 스테인리스계

-오스테나이트(Austenitic Stainless Steel)계427~871(800~1600F)의 예민화 온도에서 충분히 노출된 후의 입계부식(Intergranular Corrosion) 문제등-페라이트(Ferritic Stainless Steel)계 371(700F)를 넘는 온도에서의

산화로 인한 사용후 상온에서의 취성(Brittleness)문제 스텔라이트 표면경화 방법은 용접으로

실시하며 따라서 미국용접학회(AWS)에서도 스텔라이트에 해당하는 AWS 분류기호를 가지고 있다 밸브용으로 많이 쓰이는 스텔라이트 번호는 1 6 12 21번으로 이중 특히 스텔라이트 번호 6(업계

속칭 스텔라이트 넘버 식스)가 특히 가장 널리 사용된다 이에 상응하는 AWS 분류기호로는 AWS A513 ERCoCr-ABC 등이 있다 각각의 화학성분 및 이에 대응하는 스텔라이트 번호는 다음과

같다 스텔라이트에 의한 하드페이싱 후의 경도는 대략 HRc 40 정도이다그러나 스텔라이트 번호 6 은 용접성에 나쁜 영향을 주는 탄소성분(09~14) 및 텅스텐의 함량이

많아 하드페이싱 후의 용접부의 취성 또는 크랙 등에 예민한 편이다 따라서 스텔라이트 번호 6 의

하드페이싱은 모재의 화학적 조성과 더불어 매우 조심스럽게 용접하여야 한다 이러한 문제의

대안으로 일부 밸브업체를 중심으로 탄소함량이 02~03인 스텔라이트 번호 21 을 사용하기도

한다각 밸브재료에 따른 사용유체의 내식성 및 내침식성은 이미 재료편에서 구체적으로 언급하였다33 밸브의 압력-온도 기준(Pressure-Temperature Rating)밸브의 설계 제작 및 사용에 있어서 압력-온도 기준은 일병 압력-온도 정격으로도 표시되며 이는

밸브재료별로 설정된 압력등급의 사용온도에 대한 최고 사용압력을 테이블화한 것이다밸브에 있어서 압력-온도의 기준설정(P-T 기준설정)은 기본적으로 미국 ASMEANSI B1634 APPENDIX F 에 있는 설정기준에 따른 것이 세계적으로 가장 보편화되어 있다 기본적으로 P-T 기준설정은 사용재료의 온도에 따른 항복강도 또는 허용응력이 기본이 된다표준등급의 P-T 기준설정

표준등급의 P-T 기준설정은 재료그룹별로 조금씩 다르다 다음은 ASMEANSI B1634 APPENDIX F에서 정하고

있는 P-T 기준설정에 대하여 설명한다(1)밸브재료 그룹 1(탄소강계열)의 표준등급 P-T 기준설정

P-T 기준등급 300(일반적으로 압력 클라스 300 파운드라고 통칭하여 부른다) 이상의 표준등급의 P-T 기준은 다음과

같은 식으로 정한다Pst = (S18750)Pr여기에서

Pst 사용재료(지정재료)의 온도 T 에 있어서 정격 사용압력 psi(poundsquare inch)Pr P-T 기준에 있어서 등급값 등급 300 이상의 모든 등급의 Pr값은 호칭등급의 값과 같다S1 사용재료의 온도 T 에 있어서 설정응력 psi S1 의 값은 다음과 같이 정한다(a)크리이프 영역 미만의 온도에서는 온도 T 에 있어서 항복강도(Sy)의 60이하로 한다 단 다음에서

정한 값을 넘어서는 안된다-상온(100F)에 있어서 사용재료의 최소 항복강도의 60를 넘는 값

-사용재료의 온도 T 에 있어서 ASME BampPV SecⅠ(혹은 SecⅧ Div1)의 허용응력 테이블상의

허용응력의 125 배를 넘는 값

-온도 T 에 있어서의 응력값으로 재료그룹 19 또는 22 에서의 재료중에서 큰 응력값을 넘는 값

(b)어떤 경우에 있어서도 온도상승에 따라 응력값이 증가하지는 않는다(c)크리이프 온도 영역은 재료그룹 1 에서는 700F 그룹 2 에서는 950F 를 넘는 온도로 한다 단 재료에 따라 이보다 낮은 온도에서 사용하는 경우에는 예외로 한다 재료그룹 3 에서의 각 재료별

크리이프 온도 영역은 각각의 재료특성에 따라야 한다(d)기타 세부적인 사항은 ASMEANSI B1634-1988 APPENDIX F 를 참조한다

(2)밸브재료 그룹 2 와 3 의 표준등급 P-T 기준설정

P-T 기준등급 300 이상의 밸브재료 그룹 2 및 3 의 P-T 기준은 앞서의 기준에 따르나 재료의

크리이프 영역 아래에 있어서는 온도 T 에 있어서의 항복강도(Sy)의 70로 한다 단서조항인

상온에서의 최소 항복강도도 60가 아닌 70를 넘어서는 안된다32회(974월호)(3)모든 밸브재료 그룹에 있어서 표준등급 P-T 기준 등급 150 의 설정방법

등급 150 의 P-T 기준은 앞서의 (1) 및 (2)와 같다 그러나 다음의 추가 사항을 만족하여야 한다Pst = (S18750)115Pr값을 등급 150 에서는 일률적으로 Pr=115psi 로 정한다 아울러 사용온도 T에 있어서 각 밸브재료별로 계산된 정격사용압력은 320-03T 의 값을 초과할 수 없다(4)특별등급의 P-T 기준설정

특별등급의 밸브 P-T 기준은 다음 식에 따른다Psp = (S27000)Pr여기에서

Psp = 사용재료(지정재료)의 온도 T 에 있어서 특별등급 밸브의 정격 사용압력 psi(poundsquare inch)Pr = P-T 기준에 있어서 등급값 등급 300 이상의 모든 등급의 Pr값은 호칭등급의 값과 같다 단 등급 150 인 경우에는 Pr = 115psi 로 한다S2 = 사용재료의 온도 T 에 있어서 설정응력 psi S2 의 값은 다음과 같이 정한다(a)크리이프 영역 미만의 온도에서는 온도 T 에 있어서 항복강도(Sy)의 625보다 적거나 같은

값으로 정한다 단 다음에서 정한 값을 넘어서는 안된다-상온(100F)에 있어서 사용재료의 최소 항복강도의 625를 넘는 값

-사용재료의 온도 T 에 있어서 ASME BampPV SecⅠ(혹은 SecⅧ Div1)의 허용응력 테이블상의

허용응력의 10 배를 넘는 값

-온도 T 에 있어서의 응력값으로 재료그룹 19 또는 22 에서의 재료중에서 큰 응력값을 넘는 값

이외의 사항들은 표준등급의 것과 유사하다3-4 구조(Common Valve Construction Features)일반적으로 밸브의 구조는 밸브에 작용하는 내압력에 대한 밸브 몸통의 강도 밸브 시트에서의 내누설

강도 및 밸브가 원활하게 동작하는데 필요한 외력에 대한 구조적 강도가 밸브 구조를 결정하는데

고려되는 사항이다 아울러 밸브에 연결되는 배관계통의 특별한 기능 예를 들면 압력변동이 심한

서어지가 예상된다던가 불가피하게 진동이 예상되는 계통에는 부가적으로 밸브의 구조에 대하여

특별히 추가의 강도 보완을 요구할 수도 있다 앞서의 이러한 세 가지 중요한 밸브 강도의 설계 고려

요소들은 제작자에 따라 어느 정도 그 설계 형식을 달리하기도 한다 제작자별 독자의 밸브 구조의

설계형식은 대개 밸브몸통과 본네트 밸브몸통과 배관의 연결부위(밸브 노즐로 통칭) 및 밸브 스템과

디스크의 체결방식에서 각기 독자적인 모델을 갖고 있다 그러나 기본적으로 고객이 지정한 사양서 밸브의 표준 코드나 기준에 합당해야 함은 물론이다 (1)밸브 몸통과 본네트(Body-to-Bonnet)밸브 몸통과 본네트는 밸브의 내압부분이므로 두 부품의 연결은 구조적으로 완벽하여야 한다 나사로

연결한다던가 볼트로 연결한다던가 압력밀봉(Pressure Sealing) 구조에 의한 연결 또는

용접등으로 연결하는게 일반적이다 이 두 부품은 밸브의 가장 핵심인 밸브 트림을 건전하게 유지

운전하도록 하는 밸브의 기본 구조이기 때문에 체결방법은 매우 신뢰성이 높아야 한다체결방법은 나사식 연결(Screwed Bonnet Joint) 프랜지 연결(Flanged Bolted Bonnet Joint) 용접 연결(Welded Bonnet Joint) 및 압력밀봉식 연결(Pressure Sealed Bonnet Joint)가 있다-나사식 연결가장 간단하고 저가로 제작할 수 있는 체결방식이다 이러한 체결방식은 2(50A)이하의

최대 사용압력 20bar 이내의 저압에 적용할 수 있으며 경우에 따라 최대 3(80A)까지 제작

가능하다 3가 넘으면 본네트의 나사식 체결은 공학적으로 현실성이 없다 따라서 이러한 구조의

밸브는 주로 건축설비용의 물용 소형 밸브나 비철금속제의 소형밸브 등에 일반적으로 채택된다 아울러 이러한 나사식 연결에서 극히 주의할 사항은 나사부에서 발생하는 나사부식(Thread Corrosion) 및 동종 금속간 밀착(Galling)으로 인하여 실질적으로 분해 조립이 어렵다는 것이다 체결방식은 본네트에 직접 나사로 연결하는 방식과 유니온으로 체결하는 방식이 있는데 각

체결방식의 장단점은 앞의 도표와 같다-프랜지 연결

가장 널리 채택되는 체결구조이다 본래 밸브의 크기 및 사용압력 등급에 상관없이 채택할 수 있지만

대형 고압밸브의 경우에는 플랜트 조인트가 밸브 몸통만큼이나 커질 수 있어 일반적으로 소형의 경우

압력등급 ANSI 1500까지 가능하고 4Prime(100A) 이상의 대형밸브에는 통상 ANSI 600까지

채택한다 그러나 12Prime(300A)가 넘는 대형 밸브의 경우에는 경제성 및 기밀의 신뢰성 문제로 인하여

ANSI 300까지 채택하는 경우가 대부분이다 가스켓과 여러 개의 작은 볼트로 체결하기 때문에 작은

공구로 용이하게 체결할 수 있으나 각 볼트의 체결 토오크를 일정하게 하여야 함으로 체결에

신중해야 한다 아울러 온도가 340가 넘는 고온의 경우에는 크리이프에 의한 볼트 체결하중의

저하로 누설 가능성이 많아진다 따라서 중요한 계통에의 적용은 플랜지 조인트면을 씰 용접하도록

한다-용접 연결

용접형 연결은 밸브의 크기나 사용압력 온도에 가장 경제적이면서 강한 구조로 누설 가능성을

근본적으로 제거한 신뢰성이 높은 밸브 몸통과 본네트를 영구히 연결하는 방법이다 용접형 연결

구조를 채택한 밸브는 보수가 근본적으로 어렵기 때문에 보수비용이 신규 제품의 교체비용보다 크게

예상되거나 보수가 거의 불필요할 정도로 밸브 신뢰성 및 계통신뢰성이 높은 경우에 채택하는 것이

좋다따라서 2Prime(50A) 이하의 소형밸브에 많이 채택한다 특히 탄소강이나 크롬-몰리브덴 합금강의 경우

밸브 몸통과 본네트의 용접은 용접부에 용접 잔류응력을 발생시키고 이로 인하여 용접부위의 경도가

밸브 몸통의 모재보다 높아진다 이 부위에는 입계가 자연히 조악해져 있음으로 석유화학공정용의

밸브중 황화수소와 같은 강부식성의 가스나 유체를 취급하는 공정에 사용되는 밸브는 절대로 용접

연결형의 밸브를 완벽하게 모재의 수준과 맞도록 후열처리를 하지 않은 상태로는 사용할 수 없다이러한 특수한 경우를 제외하더라도 크롬-몰리브덴 합금강의 용접 연결형 밸브는 당연히 후열처리

공정을 이행하여 부식등의 문제들을 해결해야 한다 그러나 밸브 스템이나 트림을 조립한 상태하에서

후열처리는 스템의 마찰력을 증대시키고 디스크와 시트의 시팅면에 산화를 가져올 수 있으므로

밸브의 성능 저하가 우려된다따라서 여러 가지로 장점이 많은 구조이지만 선정에는 매우 신중해야 할 것이다 그러므로

제어밸브나 고압용의 대형 밸브와 같은 고가의 밸브에의 용접 연결형 본네트 구조의 밸브 선정은

아무런 메리트도 없기 때문에 매우 특수한 경우를 제외하고는 선택되지 않는다-압력 밀봉식 연결

압력 밀봉식의 본네트 연결은 대형의 고압밸브에 있어서는 플랜지 연결방법에 비하여 매우 장점이

많은 구조이다 아울러 고온에서의 플랜지 볼트의 크리이프 완화와 같은 문제점이 근본적으로 없는 밸브 몸통과 금속과 금속의 접촉 구조를 갖고 높은 접촉압력으로 씰링함으로 씰 특성이 좋다 또한

밸브내의 계통압력이 조인트의 씰링 압력에 부가적으로 작용하기 때문에 압력이 높아질수록 씰링

특성이 좋아지는 특징이 있다 따라서 플랜지 조인트와 비교 밸브를 크게 경량화 할 수 있다 일반적으로 25Prime(65A)이상의 압력등급 ANSI 900이상에 채택하지만 밸브 크기에 따라 밸브의

경제성 문제로 8Prime(200A) 이상의 밸브의 경우 ANSI 600정도만 되어도 압력 밀봉식의 본네트를

채택하는 경향이 많다 단점으로는 밸브 몸통의 씰링면과 금속제 씰링 가스켓 그리고 본네트

면에서의 기계적 정밀도가 매우 높아야 하며 세심한 조립이 필요하다 아울러 이 씰링면에는 정확한

씰링 위치가 정해져 있지 않음으로 씰링면이 왜곡(Misalignment)되어 밸브 스템과 본네트가 서로

간섭하여 스템에 손상을 가져올 수 있으며 또한 패킹구조에 편심력을 발생시켜 밸브 운전이

불가능해질 수 있다 이러한 문제가 발생되면 다시 세심하게 조립해야 한다또 다른 단점으로는 상온상태에서 조립된 압력 밀봉 구조의 밸브가 압력 및 온도가 심하게 변동되는

계통에서 운전되는 경우 밸브의 씰링면에서의 기밀구조가 파괴될 가능성이 높아진다 이때 약간의

누설이 있고 이를 제거하기 위하여 다시 가스켓을 조일 경우 씰링면에 잔류해 있던 유체가

씰링구조면을 부식시킬 수 있으므로 한 번 씰링구조가 파괴된 압력 밀봉식 밸브는 이후 자주 누설될

가능성이 높아진다 따라서 이 방식의 밸브는 한 번 누설이 생기면 플랜지 연결 본네트에 비하여

보수가 어렵고 설사 보수를 하더라도 세심하고 정밀하게 정렬하여 조립해야 하며 이때 씰링

구조면에 부식이나 긁힘 등의 흔적을 완전히 제거한 후 해야 한다 그러나 최근에는 초고압으로 성형된 흑연 가스켓을 금속제 가스켓을 대신하여 채택함으로써 보수성을

대폭 향상시켰으나 고가인 관계로 대형 밸브의 경우 경제성이 금속제 가스켓에 비하여 떨어지므로

주로 4Prime(100A)이하의 소형밸브에 성형 순수 흑연 가스켓이 적용된다또 한가지 이 방식의 밸브에서 주의할 사항은 수압시험시의 최고 시험압력 조건과 실제 운전시의

최고압력이 상당한 차이가 남으로써(일반적으로 수압시험시의 압력과 실제운전시의 압력은 통상 약

25~351 이상이다) 실제 운전시의 고온상태와 시험 압력보다 월등히 낮은 압력에서의 운전으로

인하여 누설 가능성이 있으므로 시운전시 씰 가스켓 볼트를 조정해 주는 것이 좋다(2)시트와 시트링

밸브의 시트 및 시트링은 밸브의 유로조절면에 고정된 압력 경계로서 밸브의 차단 성능에 직접적인

영향을 주는 매우 간단하나 정밀한 부품이다 일반적으로 밸브의 성능을 말하는 중요한 요소로서

밸브의 내누설 특성(Seat Tightness)을 표시하는데 이는 시트의 구조 및 정밀도에 직접 상관된다따라서 시트구조가 약하거나 또는 밸브 구조의 강성이 부족한 경우 계통압력에 의해 시팅의

기밀특성이 약해질 수 있으며 구조상 구조적인 불연속부가 많기 때문에 온도 변화에 따른 열변형

(Thermal Gradient Distortion)문제 배관계로부터 전달되는 기계적인 하중(배관계의 열하중 기타

동적하중등)에 의해 시팅구조가 변형되거나 시팅 접촉력이 약해져서 누설이 생길 수 있다 구체적으로 게이트 밸브에서는 주로 배관계로부터의 굽힘 하중에 의해 글로우브 밸브의 경우에는

주로 밸브 자체내의 구조적 불연속부에서의 불균일한 열변형 및 배관계로부터의 굽힘 하중에 의해

시팅이 불확실하게 되어 누설되는 경우가 많다 따라서 배관계통 특히 고온의 대구경 배관에서는

밸브의 설치 위치가 밸브의 내부 누설에 미치는 영향이 큰 편이다왜냐하면 이러한 배관계에 있어서 밸브 끝단(밸브 노즐)에 작용하는 열하중은 배관계 위치에 따라 큰

차이가 있으며 밸브는 가급적 열하중 특히 열하중에 의한 굽힘이나 비틀림 하중이 적게 작용하는

위치를 선정하여 설치하거나 아예 밸브 노즐의 강성도보다 적은 하중으로 작용하도록 배관계통의

배관지지대 위치선정에 주의를 기울여야 한다 밸브의 설계에서 밸브 노즐의 강도는 압출하중으로서

연결 배관의 항복강도의 05 배가 밸브 노즐에 작용하고 굽힙하중으로서 10 배의 하중이 밸브

노즐에 작용하는 것으로 해석 설계한다그러나 이 기준은 원자력발전소용 밸브에 해당하는 것이고 일반 플랜트용이나 범용 밸브의 경우 이

기준이 적용되지 않기 때문에 앞서의 여러 가지 문제점에 주의를 기울여야 한다 결론적으로 매우

중요한 배관계통의 밸브 설치는 배관계통의 철저한 구조해석과 더불어 설치되는 밸브의 시스템적

구조적 강도를 배관계통내의 여러 부품중에서 가장 높도록 배관배치와 배관지지대의 위치 및

구조강도 설계를 해야 한다 그러나 밸브의 구조자체가 대칭적이고 밸브의 높이가 낮은 볼 밸브 플러그밸브 버터플라이밸브 등은 앞서의 글로우브 밸브나 게이트밸브에 비하면 연결 배관계의

하중에 보다 강한 구조적인 특성이 있다33회(975월호)-금속면과 금속면의 접촉에 의한 시트에서의 기밀 유지(Metal-to-Metal Seating)정밀하고 매끄럽게 연마된 디스크와 시트의 금속 접촉면에서는 선접촉형태로 기밀유지를 하도록 되어

있다 물론 재료의 탄성범위 이내의 접촉하중이 작용해야 하고 만약 이 범위를 넘게되면

소성변형으로 인하여 지속적인 기밀유지가 힘들어 진다 따라서 밸브의 시트와 디스크(또는 플러그)의

기밀유지 설계는 일면 매우 간단해 보이나 여러 가지 주의 깊게 고려해야될 사항들이 많다디스크나 시트의 손상이 없어야 하며 디스크-시트의 높은 접촉 압축압력을 백업할 수 있는 최소한의

접촉폭을 가져야 하며 일정하게 접촉될 수 있도록 해야 한다 제어밸브의 경우와 같이 구동력이

제한되는 경우 시트 조인트면(원주상의)에 작용하는 하중을 1 인치당 하중으로 표시하고 있는데 글로브형의 제어밸브는 인치당 25~600 파운드 레벨까지 실제 설계에 적용하고 있다 ISA(Instrument Society of American) 제어밸브 핸드북에서 시팅 하중은 다음과 같이 구분되어

있다①25poundsinch 저차압 운전으로 완전 기밀유지를 필요로 하지 않을 때

②50poundsinch 중차압 운전으로서 약간의 누설(01 of Cv[max])을 허용할 경우

③100poundsinch 고차압 운전(예로써 3000psi[dP]0015inch[width])으로써 누설이 거의 없음

④300poundsinch 완전 기밀유지(예로서 6000psi[dP]0025inch[width]의 고차압 씰 구조)⑤600poundsinch 완전 기밀유지(6000psi 이상의 고차압 씰 구조) 일반적으로

100~300poundsinch 의 경우 평균 접촉 압축강도가 13000~35000psi 정도로 이는 재료의

항복강도보다는 낮다또한 양호한 시팅 특성을 계속 유지하기 위해서는 시팅 표면에 긁힘(Galling)이나 부식에 의한 피팅

(Pitting) 등에 강한 재료가 필수적이다따라서 밸브의 시팅면은 스텔라이트와 같은 내부식성 및 내마모성이 뛰어나고 항복강도 및 경도가

높으며 이종금속 또는 동종 금속간에 친화력이 약한 재질을 용접하거나 브레이징하여 사용하는게

일반화되어 있다 긁힘이 일어나는 접촉강도는 Stainless 316L 317 및 347 과 같은

스테인리스강에서는 2000psi 부터 스텔라이트 No6 과 같은 강에서는 약 50000psi 에서 발생하나

유체중의 입자에 의해 이보다 훨씬 낮은 접촉강도에서도 긁힘이 발생할 수 있어 시팅 구조의 기밀

유지를 위한 시팅 하중은 무조건 높게 하는 것이 좋은 것은 아니다스텔라이트 No6 의 시팅구조에서도 접촉강도가 20000psi 를 넘지 않도록 해야 한다 글로브 밸브에

있어서 시팅형태(Seating Configuration)는 다음 그림에서 보는 바와 같이 4 가지 형태로 분류할 수

있다각 시팅형태를 A 형 B 형 C 형 D 형으로 구분하여 설명한다 A 형은 시트와 디스크의 접촉면이

평면상태에서 접촉하는 구조로써 주로 저압용에 사용된다이 형태는 시트와 디스크면이 정밀한 접촉을 요구하지 않는다 아울러 시트나 디스크의 표면에 긁힘의

발생가능성도 적은 이점이 있으나 고압이나 고차압의 경우에는 적용할 수가 없다B C D 형은 접촉면적이 적기 때문에 선접촉에 유사한 시팅구조를 갖고 있어 시팅 접촉압력이 높아

고차압의 서비스에 적합한 구조이다그러나 B 형의 경우 시트면이 너무 예각이므로 약간의 시팅하중으로도 시팅면 즉 선접촉에 의한 기밀

구조가 손상되기 쉽기 때문에 널리 쓰이지 않는다 일반적으로 C 형의 경우 시트의 각도와 디스크의 각도를 5~15 차이를 두어 시팅구조를 만들거나 D형과 같이 디스크의 시팅면을 원호로 만들어 시팅구조의 융통성을 기한 것이 시팅구조로 널리

채택된다-소프트 시팅(Soft Seating)소프트 시팅은 금속간의 시팅에 비하여 적은 힘으로 완전에 가까운 내부기밀을 유지하기 위하여

채택된다 그러나 소프트 시트구조라 하더라도 2 차적으로는 금속간 시팅이 되도록 시트구조를

설계해야 한다 소프트 시트의 재질은 탄력 복원성(Resilient)이 좋은 재질로써 온도 및 압력에 강한

재질특성을 가져야 한다특히 높은 차압에서도 이탈되지 않고 견디려면 소프트 시트를 잡아주는 구조에 세밀한 설계가

요구된다 설치하는 방법을 대별하면 디스크나 플러그에 볼트로 고정(Clamping)하는 방법과 시트나

시트링에 고정시키는 방법이 있는데 높은 차압이 발생하는 계통이거나 고온 서비스의 계통인 경우

보수성을 고려하여 가급적 디스크나 플러그에 설치하는 것이 좋다 소프트 시트를 채택할 경우 소프트

시트 재질의 올바른 선정과 밸브 시트 구조의 올바른 설계를 위하여 고려되어야 할 사항은 다음과

같다유체 화학적 특성 특히 부식침식성(Corrosion amp Erosion) 및 열화(Degradation) 시효경도 감소 시효에 의한 찌그러짐 특성 등

온도에 따른 열팽창에 대비한 여유를 고려

소프트 시트의 경도

체결 하중(체결했을 때의 늘어짐 분해했을 때의 복원성)인장 및 압축강도

내마모성

열에 대한 저항력 등

-시트의 고정방법(Seat Attachment)밸브 몸통의 시트 고정에는 다양한 방법이 채택된다 나사식 체결 고정 볼트 고정 몸통 일체형

용접형 브레이징형 클램프에 의한 고정(Quick Change Trim) 등이 사용된다 일반적으로 나사식

체결 고정은 밸브의 크기에 상관없이 채택 가능한 구조로써 시트 보수가 용이하고 제작이 용이한

구조이다몸통 일체형은 주로 소형의 밸브에 채택되는 구조로써 시트를 경도가 높고 내마모성 및 내부식성이

좋은 스텔라이트(Stellite)와 같은 합금을 육성 용접하여 시트로 한 것이다 시트의 기밀 특성이 매우

좋으나 보수성이 떨어지는 단점이 있다 브레이징 방법은 최근에 도입된 시트 고정 방법으로서

용접형에 비해 품질 및 경제성이 높다그러나 브레이징 용착은 별도의 시설과 공정이 전제되므로 아직 국내에서는 채택되어 있지 않다 클램프에 의한 퀵 체인지 트림(Quick Change Trim)은 주로 제어밸브와 같이 시트 및 플러그 등의

정기적인 점검 및 보수가 필요한 비교적 고가의 밸브에 적용한다다른 시트 고정 방법에 비해 고가이고 제작에 높은 정밀도를 요구하지만 구조상 다양한 유량특성을

가진 트림을 용이하게 채택할 수 있어 점차 많이 채택되고 있는 추세이다밸브의 시트 체결 구조는 시팅 하중에 충분히 견딜 수 있도록 설계되지만 밸브 내부의 구조적인

불연속부로 인하여 배관계로부터의 배관작용력 열변화에 따른 열천이 하중 내압에 의해 시트 체결

구조가 변형될 수 있다특히 몸통 일체형이나 나사 체결 고정의 경우 이러한 밸브 몸통의 변형에 의해 실제로 사용할 때에

시트에서의 누설이 생기는 경우가 종종 있다 높은 온도에서 운전되는 밸브의 경우 열변화에 의한

시트 체결 구조의 변형 가능성에 대비하여 시트구조 자체를 유연성 있게 설계 제작한 밸브도 있다(3)디스크와 스템의 연결 구조(Disc and Stem Connections)디스크와 스템의 연결 구조는 밸브 구동력을 디스크에 전달하는 역할을 하며 그 구조강도는 스템의

강도보다 높아야 한다 이 사항에 대해서는 미국석유학회(API)의 스템인장력 시험규정에 구체적인 시험방법과 평가방법이

언급되어 있지만 ANSIASME 코드 규정에는 이러한 사항이 규정되어 있지 않으므로 일부 밸브 제작

社는 이 연결구조의 강도문제를 API 규정대로 따르지 않는 경우도 많다연결구조는 고정형(Fixed Interal Type) 회전형(Free to Rotate Type) 및 측면 자유형(Laterally Floating Type)로 분류할 수 있다첫 번째 고정형의 경우는 스템과 디스크 또는 플러그를 일체형이나 나사 체결 또는 용접형으로 해서

스템과 디스크를 연결한다 이러한 연결 구조는 디스크가 회전할 수 없으므로 스템 또한 회전을 할 수

없다일반적으로 밸브 사양서에서 언급하고 있는 비회전식 스템 상승식(Non-Rotating amp Rising Stem NR amp RS)이 이러한 경우이다 그러나 글로브 밸브에서 고정형 연결구조는 필연적으로 스템이

회전하면서 상승하는 구조로 될 수밖에 없다다음에 구체적으로 설명하겠지만 스템이 회전하는 글로브 밸브의 경우 패킹과 스템과의 마찰 구조가

복잡하여 패킹에서의 내누설 안전성이 떨어지는 단점이 있다 주로 계장용 글로브 밸브 니들 밸브 및

가혹한 운전환경에 있는 블로우 다운용 밸브나 수동조작의 정밀한 유량제어가 필요한 밸브 등에

채택되며 모터구동이나 공압구동 등의 밸브에는 잘 사용되지 않는다특별히 이 구조의 밸브에서 운전상 또는 선정상 고려해야 할 점으로는 과도한 시팅 하중이다과도한 시팅하중은 디스크와 시트간에 긁힘(Galling)이나 장기간 닫혀 있을 때 시트와 디스크간의

재질 친화에 의한 피팅(Pitting)으로 인하여 시트면이 손상될 수 있는 것은 물론이고 스템에 과도한

비틀림 모멘트와 좌굴하중으로 인한 밸브 구조의 손상이 있을 수 있음으로 주의해야 한다 두 번째는

회전형으로서 일반적으로 글로브 밸브나 비상승식 스템 게이트 밸브(Non-Rising Stem Gate Valve)에 자주 채택되고 있는 연결 구조로 스템이 회전식일 경우이다이 연결 구조는 스템과 디스크간에 얼마간의 간격이 있기 때문에 스템의 바인딩(Stem Binding 스템이 본네트 스템가이드에 끼어서 운전불능의 상태)을 예방할 수 있고 아울러 디스크가 시트면에

제대로 자리 잡을 수 있어 시팅성이 양호하다 그러나 계통운전성 차압이 큰 경우 디스크가 심하게

회전(Spinning)할 가능성이 높기 때문에 이를 방지하는 구조를 스템 또는 디스크에 설치하도록 한다심하게 스피닝하면 스템의 연결구조가 손상을 입게 되는데 이러한 밸브 문제 사례는 글로브 밸브에

있어서 의외로 많이 발견되므로 밸브 선정시 이 부문도 심도 있게 고려해야 할 것이다 세 번째는 측면

자유형으로서 게이트 밸브에 거의 모두 적용되는 디스크-스템 연결 구조이다 디스크에 T 형 슬롯

(Slot)을 만들고 이 슬롯에 T 자 모양의 사각형 머리를 가진 스템을 연결하는 것이다 따라서 스템은

비회전이 되고 이 부분에 여유가 있어 디스크의 시팅이 부드럽게 된다34회(976월호)(4)디스크와 스템 안내(DiscStem Guide Types)디스크 또는 플러그 및 스템의 안내는 밸브 기능의 유지에 있어서 중요한 설계 포인트이다 디스크와

스템의 안내 형식은 다음과 같은 것들을 들 수 있다 즉 웨지 게이트 가이드(Wedge Gate Guides) 스템 가이드(Stem Guides) 몸통 가이드(Body Guides) 및 케이지 가이드(Cage Guides 또는

DiscPlug Guides)등이 있다 각 안내 방식의 장단점은 다음과 같다웨지 게이트 가이드

이 가이드 방식은 게이트 밸브의 디스크 안내 방식으로 채택되고 있다 이러한 안내를 함으로써

디스크가 시트링 면에 마모가 거의 없이 정밀하게 안착되도록 하는 것이다그러나 시트링 면에 디스크가 미끄러지면서 시팅되므로 시팅 구조의 경도가 낮거나 이물질의 인입

등으로 긁힘(Galling)이 생길 수 있으므로 게이트 밸브에 있어서는 시트링이나 디스크의 시팅면은

스텔라이트 등으로 하드페이싱 용접(Hardfacing Welding Over-laid with Hardfacing Materials)을 해주어야 한다스템 가이드

스템이 부싱(Bushing)을 끼워 스템을 안내하는 방식으로 대형 수동 글로우브 밸브나 선박용의 밸브에

많이 쓰인다 디스크시트가 두 개인 더블 포트의 밸브에는 상부 백시트 부위 및 하부 스템

지지부싱으로 스템을 안내한다 특히 앵글형 글로우브 밸브의 경우에는 측면으로 심한 유체하중을

받기 때문에 스템 가이드는 필요하다디스크 가이드(GageDisc Guide)이 방식의 가이드는 글로우브형의 제어밸브 및 안전도피밸브(Safety amp Relief Valve)에 가장 널리

채택되는 방식이다 가이드 방식중 가장 정밀하고 안전성이 높다 아울러 보수성도 좋다그러나 제작 코스트는 비교적 다른 형식의 가이드에 비하여 높은 편이다 디스크 가이드에 대한

구체적인 밸브 공학적 설명은 이미 22항 밸브의 구조에서 언급하였다 글로우브 밸브에서는 디스크케이지 가이드 방식이 가장 권장할 만하다(5)밸브의 주요 악세사리(Valve Accessories)밸브의 주요 악세사리로는 핸드휠 오버라이드(Handwheel Override) 스템 릭-오프(Stem Leak-off) 리미트 스위치류(Limit Switches) 바이패스(Internal and External By-pass) 본네트

익스텐숀(Bonnet Extension) 임팩트 함마블로우 체인구동 핸드휠(Impact Hammerblow and Chain Operated Handwheel) 방화구조의 밸브 등이 있다

스템 릭-오프는 스터핑 박스(Stuffing Box)내에 패킹챔버(Packing Chamber)에 직경 6~12mm 의

구멍을 뚫어 부가적인 씰링을 도모하는 것으로서 진공배관인 복수기 연결 배관 시스템인 경우에는 이

릭-오프 배관을 통하여 물을 공급함으로써 진공도가 떨어지는 것을 막고 반면에 유동유체가 고가의

유체를 취급하는 수송배관에는 스터핑 박스의 패킹에서 누설될 수 있는 유체를 따로 포집하여 배관

계통의 안전성을 도모하는 경우에 이를 채택한다바이패스는 특히 게이트 밸브에서 이상승압(Pressure Locking)이 예상되거나 밸브간 차압이 너무

커서 운전 조작시 어려움이 예상될 때 밸브의 공동부(Cavity)와 밸브의 출구측이나 출구 배관에 2(50A)이하의 소구경 배관을 연결하는 것으로써 주로 고온 고압용 배관계통에 적용한다 필자는 고온

고압용의 4(100A)이상의 중요 계통(특히 증기배관)의 게이트 밸브에는 이 바이패스 배관과 밸브의

설치를 권고한다(6)밸브 스템의 밀봉 방법(Valve Stem Seal)밸브 스템의 씰링방법은 유연성(Flexible)있는 금속재 또는 비금속재의 다이아후램(Diaphragm)이나

벨로우즈(Bellows)를 이용하여 유체와 스템을 근본적으로 씰링하는 방법과 기존의 패킹구조를

사용하는 패킹씰링의 방법 등 크게 두 가지 방법으로 구분한다 후렉시블 메탈 씰링(Flexible Metal Sealing)벨로우즈 씰링 방식과 메탈 다이아후램 씰링 방식이 있다 이러한 메탈 씰링은 밸브 외부로의

완전무누설을 도모하는 것으로 최근의 미국 대기환경법규(Clean Air Act CAA)에 의한 휘발성

유기물질(Volatile Organic Compound VOC)의 대기방출 규제(용적비로 500ppm 이하)는

물론이고 캘리포니아주의 완전무누설 밸브의 채택 강제 규정에 따라 점차 이들을 채택한 밸브의

중요성이 강조되고 있다다음호에서는 특별히 대기환경 법규에 따른 미국의 VOC 방출규제를 구체적으로 설명하고자 한다 우리 나라도 여천공단이 특별히 대기 환경보호의 특별지구로 지정되어 있는 만큼 이의 이해는 매우

중요하다①메탈 다이아후램 방식은 원형의 얇은 판재에 곡호(穀弧)를 만들고 이들을 여러 겹 쌓아 밸브의

본네트에 클램핑하거나 씰 용접하여 유체의 누설을 차단한다 다이아후램의 곡호가 가질 수 있는

변위량은 판재의 지름에 따라 다르나 항상 탄성영역 이내에 있어야 함으로 크게 제약을 받게된다 다이아후램의 재질에 따라 다르겠지만 다이아후램의 원직경을 D 곡호의 반경을 R 그리고 허용

변형량을 d 라고 하면 RD=15 이상이어야 하고 dD=008 이내로 하여야 한다 그러나 여러 개의

다이아후램을 겹쳐 놓을 때는 각 판의 변형 거동이 각기 다르게 되므로 각 판 사이에는 특수한 고온

윤활재가 필요하고 아울러 변형량도 줄어들게 마련이다통상적으로 다이아후램의 이러한 특징으로

말미암아 메탈 다이아후램 밸브의 스템 행정(Stroke)은 최대 10mm 가 넘지 않으며 밸브의 크기도

이에 따라 통상 2(50mm)이하가 일반화되어 있다 다이아후램 밸브의 트림구조는 다이아후램이

디스크와 스템을 메탈 다이아후램이 구분하고 있기 때문에 디스크와 시트 디스크를 잡고 있는 디스크

스프링 및 디스크가 회전되지 않도록 하는 베어링 뭉치 등으로 구성되어 있다밸브를 닫을 때는

스템의 힘으로 하지만 열 때는 디스크와 연결된 스프링으로 다이아후램을 밀면서 열게 된다 메탈

다이아후램 밸브에서 주의할 사항은 오직 완전 열림과 완전 닫힘의 개폐용으로만 사용하여야 한다는

것이다 이는 유체의 맥동 등으로 인하여 다이아후램의 클램핑 원주부위에 심각한 피로 파괴를 일으킬

수 있기 때문이다 메탈 다이아후램 밸브는 유한 수명을 가진 밸브이기 때문에 주기적으로 점검하고 정기적으로 교체해 주어야 하는 밸브이다 이러한 문제점으로 인하여 최근에는 그 사용빈도가 급격히

줄어들고 있다 ② 금속제의 주름관인 벨로우즈는 축방향의 신축량을 조정할 수 있으며 주름겹을 늘려

높은 압력에도 견딜 수 있어 최근에 완전무누설 밸브로써 가장 많이 채택되고 있는 밸브이다

벨로우즈의 제작방법은 수압력에 의한 성형방식(Hydroforming Type)과 얇은 원형판의 끝단을

용접한 용접형(Welding Leaf Type)이 있다 벨로우즈 밸브는 완전무누설의 밸브로서 독성유체

(Toxic) 방사선 물질(Radioactive) 휘발성 유기화합물질(Volatile Organic Compounds) 중수와

같이 매우 고가의 유체계통에 널리 쓰인다 벨로우즈 밸브의 구조적 특징은 스템이 회전하지 않는

NRampRS 구조이다 현재 국내에서는 한국 씰 마스터에서 용접형 벨로우즈를 생산하고 있으며 (주)에스제이엠에서 성형 벨로우즈를 생산하고 있다 용접형 벨로우즈는 성형식에 비하여 단위 길이당

변형량이 많아 밸브를 콤팩트하게 제작 가능하고 ANSI CLASS 1500까지 공학적으로 생산

가능하지만 고압용으로 갈수록 제작이 매우 어려워진다 이유는 얇은 판을 3 매 이상 완벽하게

용접하기에는 기술적으로 어려운 점이 많기 때문으로 매우 고가이다 반면에 성형의 벨로우즈는

용접형에 비하여 크지만 대량 생산이 가능하고 불량률이 적으며 ANSI CLASS 2500까지 제작이

가능하므로 비교적 밸브에 널리 채택되고 가격 또한 비교적 저렴하다 현재 국내업체에 의한

벨로우즈 제작은 ANSI CLASS 900까지 가능하다 현재 우리 나라의 산업계에서는 이 벨로우즈

밸브만으로도 연간 약 800 만달러(약 80억원)이상을 수입하여 사용하는 것으로 파악되고 있다(7)밸브 스템의 패킹(Valve Stem Packing)밸브에서 가장 큰 문제는 밸브 스템 패킹에서의 누설문제임은 두말할 나위가 없다 스템 패킹에서의

누설문제는 실제로 밸브의 보수비용을 증대시키고 밸브의 운전 신뢰성을 저하시키는 직접적인

요인이다 따라서 근래의 밸브 기술은 밸브의 유량 특성의 연구보다는 밸브 스템 패킹의 성능향상

또는 개선에 대한 연구가 주된 포인트가 되어왔다1980 년대 초반 밸브 패킹의 주요 재료로 사용되어 왔던 석면(Asbestos)이 인체에 치명적인 폐종양

암을 일으키는 발암물질로 밝혀진 이후 석면보다 탄력성(Resilient)이 양호하고 성형성이 좋은 흑연

(Graphite)을 사용해 오고 있다35회(978월호)(7)밸브 스템의 패킹(Valve Stem Packing)패킹의 밀봉 특성 형식(Sealing Action Charcteristics)에 따른 구분

-압박력에 의한 밀봉 패킹(Lip Type Pressure Energized Packing)-상호 간섭효과에 의한 밀봉 패킹(Interference Type Seal O-Ring)이들 패킹의 밀봉특성은 패킹 제작사의 끊임없는 기술경쟁의 결과로 패킹 재질은 물론 패킹의

성형구조를 개선하여 슈트블로워(Sootblower)형 쐐기(Wedge)형 체브론(Chevron)형 등

기본적으로 고순도의 흑연을 매우 높은 압력으로 성형한 압박력에 의한 밀봉 패킹이 계속 상품화되고

있다현재 밸브 스템의 밀봉에 가장 널리 적용되는 패킹의 밀봉 특성형식은 압축형 패킹으로서 편조(編組 Braided)된 또는 미리 압축시킨 유연성과 탄성복원력(Resilient)이 뛰어난 밀봉재로 밸브의 스터핑

박스내에 미리 사각 단면으로 성형된 밀봉재를 넣고 패킹 글랜드(Packing Gland)로 가압하여

밀봉이 되는 것이다이 패킹의 특징은 밀봉 특성의 지속적인 유지를 위해서는 외부의 가압력이 계속 유지되어야 한다는

것이다 따라서 주기적인 패킹 글랜드의 조임 상태를 점검해 주어야 하는 단점이 있다이에 반해 립타입 브이 패킹(Lip Type V-Packing)은 밀봉구조 자체내에 압박력의 생성이 가능하도록

하여 비교적 적은 외부 힘으로도 밀봉에 필요한 가압력을 얻을 수 있도록 한 것이다 또한 이 구조는

밸브의 계통압력이 상승하면 V 형상의 구조에 따라 밀봉력이 증가되는 구조이기 때문에 고압 유체의

밀봉에 좋은 영향을 미친다 따라서 압축 밀봉 패킹에 비하여 유지보수 노력이 절감될 수 있다

패킹 밀봉 이론

패킹의 밀봉 이론에 대한 체계적인 연구는 1947 년 영국 조달청의 의뢰에 의한 White 와 Denny 에

의한 연구이다 이 연구는 패킹구조의 밀봉력을 체계화하기 위한 실험으로써 밸브의 사용압력과 패킹

글랜드의 가압력 관계를 규명하고자 했던 연구이다 다음의 [그림 108]은 이 실험에 사용된 장치의

개략도이다이 실험결과 패킹 글랜드의 가압력은 패킹 누르개(Gland Follower)에 가까울수록 지수적으로 큰

가압력을 가지고 있으며 이 가압력의 힘의 성분은 대부분 레디얼방향의 레디얼압력(Radial Pressure)으로 분포된다 이 레디알 압력은 밸브의 운전압력(System Pressure)보다 큰 경우에

한하여 밀봉 역할을 할 수 있다[그림 110]은 연구결과 요약된 이들 밀봉력의 힘 분포를 보여주고 [그림 111]은 가압력 Po 와 유체

계통압력 Ps 와의 관계에서 씰링점(Sealing Point)을 보여주고 있다그간 밸브 패킹의 다양한 연구에서 언급되어 왔듯이 패킹 깊이가 깊다고 씰링이 잘 된다는 것은

잘못된 생각이다 [그림 111]에서 보는 바와 같이 흑연패킹의 경우에는 탄력성 및 복원력 특성이 매우

좋기 때문에 패킹 깊이가 짧은 것이 깊은 것에 비하여 씰링특성이 오히려 좋다패킹 깊이가 깊을수록 스템에서의 운전 토오크 및 트러스트가 커지게 되어 오히려 밸브의 스터핑 박스

구조가 커져야 하며 차후 패킹교체(Repacking)의 경우에도 여러 가지 문제점이 돌출된다 예로서

미국의 콘발(Conval Inc)과 같은 고압밸브 제작사는 패킹 재료는 점차 고순도의 흑연패킹으로 하고 패킹 길이는 오히려 줄이는 경향의 패킹설계를 하고 있다 따라서 패킹 깊이가 길게되면 랜턴링

(Latern Ring)을 사용해야 한다최근 미국을 중심으로 한 전세계적인 대기환경 보호 운동과 이에 따라서 IOS 14000 과 같은

환경보존에 대한 국제적인 규정이 제정되었다 미국의 경우 연방대기정화법(Clean Air Act)이

강력하게 시행되고 있고 각 국가별로도 대기환경을 오염시키거나 화재 등 위험성이 매우 많은 휘발성

유기화합물(Volatile Organic Compound VOC)의 외부 누설은 엄격하게 제한하고 있다 미국의

환경보호청(Environmental Protection Agency EPA)에서 규정한 내용을 보면 배관계통의 밸브나

프랜지에서의 외부 누설량은 500ppm 으로 규정하고 있다특히 캘리포니아주와 같은 경우는 올해부터 신규로 건설되는 189 종류의 유해 VOC 관련 플랜트의

밸브는 거의 누설을 허용하지 않는(Phase Ⅲ 로써 100ppm 이내) 구조의 밸브이어야 한다고 되어

있다 따라서 미국에 밸브를 수출하려면 우선적으로 EPA 에서 규정한 휴지티브 에미션(Fugitive Emission) 500ppm 의 조건을 만족하는 밸브이어야 한다 우리나라 밸브업계에서도 이에 대한

관심이 점차 높아지고 있으나 현재의 밸브설계수준 및 제작자의 안이한 상황

대처와 전문 기술인력의 부족등을 고려할 때 매우 심각한 밸브기술의 문제점을 갖고 있는 분야이다 휴지티브 에미션과 VOC 의 누설량 시험 및 이에 따르는 무누설을 전제로 하는 패킹에 대한 이론적인

자세한 배경은 별도로 기고할 예정이다흑연패킹

1980 년대 중반이후 석면이 인간에게 치명적인 폐종양을 일으키는 중대 공해물질로 발표된 이후

밸브의 석면 패킹을 대체하는 패킹재료로 흑연이 수많은 연구결과 가장 우수한 패킹재료로 밝혀져

사용되기 시작하였다 특히 고온하에서의 석면패킹을 대체할 수 있는 유일한 패킹재료로 판정된 이후

흑연제 패킹은 밸브의 표준 패킹재료로 자리잡았다 흑연패킹은 패킹재로써 다음과 같은 장단점을

갖고 있다-낮은 마찰(摩擦)계수(09 이하)

-자체 윤활제 역할 수행가능

-레진 충진재 또는 결속재(Binders Fillers or Resins)가 필요 없이 성형 가능

-액체 및 가스가 흑연재에 침투할 수 없는 안정화된 재료

-고온 및 저온의 유체하에서 유연성 유지 가능(낮은 크리이프 이완율 Low Creep Relaxation)-내부식성

-온도천이와 같은 온도변화에 거의 영향을 받지 않는 물성치

-양호한 온도전달 특성

-산화조건하에서 -200~500까지 불활성 가스 조건하에서 3000까지 사용가능

-강력한 내산성 및 내알카리성(사용 Ph범위1~14)-높은 압력에 의한 고밀도 성형(70~110lbfft3)이 가능하고 아울러 유연한 리본상태의 성형도 가능

-내방사성 특성(패킹재료 중 가장 안전한 내방사선 물질임)36회(979월호)소프트 패킹

소프트 패킹은 플라스틱 또는 테프론 계열의 에라스토머(Elastomers)를 재료로 한 패킹 재료로서 주로 낮은 온도에서 사용된다이 중 테프론 계열의 패킹인 경우는 180이하의 온도에서 사용할 경우 매우 뛰어난 내식성과

저마찰력 높은 탄성력을 가지고 있기 때문에 패킹재로써 좋은 재료이다최근에는 에틸렌프로필렌(Ethylene Propylene)계의 EPDM 도 개발 사용되고 있지만 EPDM 은

석유제품에 약하기 때문에 적용에 유의하여야 한다 스템 및 스터핑 박스 설계

밸브의 패킹성능에 영향을 미치는 요인을 스템과 스터핑 박스 설계 측면에서 요약하면 다음과 같다-패킹 글랜드의 가압력 및 가압구조

-패킹재의 구성 성분 기계적 성질 물성치 패킹재의 형상

-밸브의 운전빈도(스템의 운동량)-배관계통의 압력 온도 유체의 특성

-스템 및 스터핑 박스의 표면 거칠기

-스터핑 박스의 깊이 및 직경

-스템 글랜드 누르개 스터핑 박스의 치수 간섭 공차

-밸브 스템의 설치 방향

-진동의 유무

라이브 로딩 패킹 글랜드(Packing Gland Load by Live-Loading)밸브패킹은 사용중의 마모나 시간에 따른 내부 탄력성의 저하등으로 패킹 글랜드의 씰링압력이

떨어져 글랜드 패킹에서 누설이 생길 가능성이 높아지게 된다 패킹의 씰링구조는 초기에 조금이라도

파괴되면 매우 빠른 속도로 씰링 구조 전체가 파손되어 누설을 급속도로 야기하므로 씰링구조의

보존은 초기부터 매우 중요하다더욱이 흑연패킹의 경우 초기 씰링구조의 사소한 손상도 허용되어서는 안된다이에 대한 사항은 지난호에서도 언급하였듯이 유체의 압력이 패킹의 레디얼 압축압력보다 크게 되는

즉 글랜트 볼트 너트의 이완이 아니라 패킹구조의 탄력성(Resilient) 저하가 원인이 되는 것이다이러한 패킹재의 시효에 따른 내부 탄력성의 저하나 사용에 따른 마모 등의 문제로 패킹구조의

씰링압력의 저하를 지속적으로 유지시키기 위한 방법으로 [그림 113]과 같이 글랜드 볼트에 접시

스프링을 삽입하여 일정한 힘을 패킹 가압력으로 유지시키는 방안이 캐나다의 CANDU 원자력발전소에서 1970 년대 초기 Velan 에 의해 도입되었다즉 접시 스프링의 탄성 압축량만큼의 에너지가 항상 패킹 가압력으로 작용하도록 한 구조이기 때문에

명칭을 Live Loaded Stem Packing 또는 Live Loaded Packing이라고 통칭하고 있다이 Live Loaded Packing 에 대한 보다 체계적이고 구체적인 연구는 1982 년부터 미국 전력 연구소

(Electric Power Research Institute EPRI)에 의해 시작되어 이에 대한 최종 보고서는 EPRI-NP-5697 로 제출되었다이 보고서는 Live Loaded Stem Packing 에 대한 매우 구체적인 이론 및 실무 보수 운전에

이르기까지 라이브 로드 패킹의 거의 모든 사항이 열거되어있다[그림 114]에서 보는 바와 같이 라이브 로딩이 없을 경우에는 콘솔리데이션이 밸브 운전에 따라

급속히 진행됨으로 패킹실링 압력이 급격하게 저하되어 누설이 되기 쉽다라이브 로딩 패킹의 가장 유용한 기술안내는 앞서 언급한 EPRI-5697 로서 모든 밸브에 이 방식의

스템 패킹구조가 적용 가능하다 라이브 로딩 패킹에 쓰이는 스프링은 접시 스프링(Belleville Spring)으로 [그림 115]와 같다이 스프링은 변형률 대비 스프링 강성도가 높고 매우 소형 경량으로도 요구하는 하중을 관리할 수

있어 라이브 로딩 스템 패킹용으로 안성맞춤이다스터핑 박스

흑연 패킹과 라이브 로딩 패킹의 연구가 시작되기 전까지 오랜 기간동안 거의 모든 밸브 제작자들

사이에 스터핑 박스는 깊은 것이 좋다는 것이 일반적인 인식이었다깊은 스터핑 박스는 스템 누설을 보다 효과적으로 제어할 수 있다고 판단하여 심지어 패킹링을 12개씩이나 넣도록 설계된 밸브도 많았다 따라서 밸브 몸통은 커지고 패킹 글랜드 볼트도 커져야

했으며 스템과 패킹 마찰 면적이 넓어 밸브 운전에도 큰 힘이 필요하였다 그러나 흑연 패킹으로

패킹재료가 전환되는 과정에서 밸브 패킹에 대한 심도있는 연구 결과 패킹 구조내에서 밸브 스템

누설에 직접적으로 관계되는 씰링 가압력은 패킹의 가압에 의해 생기는 레디얼 성분의 가압력으로서

이 가압력이 밸브의 계통압력보다 클 경우에는 누설이 생기지 않는다아울러 가압력은 패킹 글랜드 플랜지에서 패킹 깊이 거리의 함수로서 지수적으로 변화하기 때문에

이제는 밸브의 스터핑 박스의 갚이가 낮아도 충분한 기밀특성을 갖게 됨을 알게 되었다현재 잘 성형된 높은 순도(99 이상)의 흑연 패킹인 경우 3~4 개의 패킹링 만으로도 씰링 특성이

충분히 유지된다 스터핑 박스의 깊이가 깊을수록 다음과 같은 문제점이 예상된다특히 구형밸브 즉 스터핑 박스의 깊이가 큰 밸브의 경우 이들 문제점은 패킹 보수시의 어려움을

더한다-글랜드 볼트의 조임력이 패킹 각 부위에 골고루 전달되기 어렵다-패킹의 마모나 성분의 휘발등으로 콘솔리데이션이 크게 일어난다 특히 많은 수의 패킹링을 사용하기

때문에 콘솔리데이션의 양이 커질수록(장기간 사용) 글렌드의 조임력은 이완되어 누설이 생긴다-패킹부의 보수시 세척작업 새 패킹 설치 등의 모든 보수작업이 매우 어렵다이들 문제점은 스터핑 박스의 깊이를 조정하여 설계하거나 기존의 밸브 보수시에는 금속제 또는 카본

스페이셔(Spacer)를 삽입하여 패킹 높이를 조정한다실험경과에 의하면 밸브의 패킹 조합은 양 끝단에는 편조된 유연한 흑연패킹으로 하고 중간 부위에는

3단의 고밀도 성형 흑연패킹으로 구성된 5단 패킹조합이 가장 양호한 것으로 보고되고 있다 이러한

구조의 경우 스템이 가공정밀도(진원도 표면거칠기)와 스터핑 박스의 표면 가공정도가 실질적인 주요

누설요인이 되게 된다스템 부식 방지재(Stem Corrosion Inhibitor)밸브 스템의 부식이나 피팅(Pitting 점식)은 패킹재 구조의 파괴를 급속히 진행시킨다특히 마르텐사이트 계열의 저크롬 스테인리스강(400 Series)은 오스테나이트 계열의 고 크롬

스테인리스(300 Series)강에 비하여 점식부식의 정도가 심하다 열처리된 17-4 PH강(ASTM A564 TP630)의 경우는 점식부식에 가장 강한 재질로 알려져 있다밸브는 제조 후 수압시험을 한 후 설치되기까지 패킹재가 젖어 있는 상태로 장기간 보관되는 것이

일반적이기 때문에 패킹재에 불순물로 존재되어 있는 부식인자들이 스템에 점식을 일으키는 사례가

많다 아울러 밸브의 저장 보관중에도 습기와 부식인자의 침입이 일어나기 때문에 스템의

점식부식방지재(Stem Corrosion Ingibitor)는 필수적이다 부식방지재로서 다양한 종류의 그리이스(Grease)가 사용되고 있으나 이는 근본적인 부식방지재는

아니다 현재 적용되고 있는 부식방지재로 쓰이는 보다 효과적인 부식방지재는 스템의 점식부식이

진행되기 전에 방지재 자체가 산화되는 소모성의 방지재(Sacrificial Corrosion Inhibitors)이다 이

방지재의 주성분은 아연과 알루미늄으로 아연이 알루미늄에 비해 부식방지에 보다 효과적이다 일반적으로 가루형태로 패킹재료에 혼합하여 사용하거나 와샤 형태로 패킹세트와 함께 사용한다 하지만 가장 좋은 사용방법은 고형 아연상태의 와샤로 하여 패킹 세트와 함께 사용하는 것이다 밸브스템의 점식부식방지재로서 최근에 개발된 것은 앞서 아연이나 알루미늄의 산화(희생)에 의한

능동적인 스템 점식부식방지가 아닌 흑연패킹자체에 바리움 몰리데이트(Barium Molybdate)와

같은 윤활성 및 내부식성의 재질을 혼합하여 사용하는 것으로서 산화물질의 발생이 없어 패킹의

압축력이 저하되지 않는 큰 장점이 있으나 가격이 비싼 것이 흠이다37회(9710월호)(8)밸브용 가스켓(Valve Gaskets)밸브에서의 외부 누설 방지장치로는 밸브 패킹시스템과 더불어 볼티드 본네트(Bolted Bonnet)형

밸브의 가스켓 씰링(Gasket Sealing)이 있다밸브 패킹이 동적인 구조의 씰링이라면 가스켓 씰링은 정적인 구조의 씰링이다 따라서 가스켓 씰링은

일반 배관시스템의 플랜지 조인트(Flange Jount)와 씰링구조가 똑같기 때문에 기준이 될 수 있는

대표적인 산업규격은 ASME Sec Ⅷ Division 1 Appendix 2 가 있다 특히 최근의 엄격한

대기환경의 보호정책으로 인하여 모든 배관계통의 누설문제는 매우 중요한 기술적 토픽이

되어있으며 이에 따라 가스켓 씰링에 대한 기술적인 접근방법이 점차 엄격해지고 있다가스켓 씰링에서 누설은 가스켓에 있어서 과도한 압축응력이나 또는 부족한 압축력에 의해서 생기는

것으로 가스켓의 재질 가스켓의 구성방법 두께 및 가스켓 씰링의 폭 조인트면의 형상등에 따라 어느

정도의 압축력을 주어야 하는가가 기술적인 관건이다가스켓 설계에 있어서는 가스켓의 계수(m)와 최소 설계시팅압력(Minimum Design Seating Stress)값인 y 가 중요하다 여기서 가스켓 계수(m)는 가스켓 조인트를 완벽하게 하기 위한 압축력에

대한 계수이다 즉 유체의 압력을 Pf 라 하고 가스켓의 조임압축력을 Pg 라고 할 때 유체가 누설이

개시되려고 하는 때의 조임압축력 Pg 에 대한 Pf 의 비율(m=PgPf)을 말한다 가스켓의 조임력을

간략하게 구하는 방법은 다음을 참고로 한다가스켓의 종류

밸브용 가스켓으로 널리 쓰이는 가스켓의 종류로는 판형금속제 가스켓(Flat Metal Gaskets) 판형

비금속금속 자켓 가스켓(Flat Nom-Metallie and Metal Clad or Jacketed Gaskets) 및 스파이럴

와운드 가스켓(Spiral Wound Gaskets)이 있으며 일부 고압산소 및 수소용 밸브에서 타원형의

링조인트(Ring Joint)나 오발링 조인트(Oval Ring Joint) 가스켓이 쓰인다-판형 금속제 가스켓(Flat Metal Gaskets)이 가스켓은 플랜지 조인트에 비해 무른 재질 즉 알루미늄 구리 황동 연철 또는 스테인리스강으로

제작하며 대략의 경도차는 플랜지 조인트 경도에 비해 적어도 HB 30 이상의 차이를 가진 것이어야

한다 이 판형 금속제 가스켓은 설치하면서 시팅 표면에 고정되도록 해야 하기 때문에 상당히 높은

조인트 볼트 하중과 더불어 높은 시팅응력을 요구한다 가스켓 계수 m 과 최소설계시팅 압력 Y 는 [표1]과 같다판형 비금속금속 가스켓(Flat Nom-MetallicMetal Clad or Jacketed Gaskets)비교적 낮은 압력의 시팅력으로도 씰링을 유지할 수 있도록 고무나 합성수지를 얇은 금속제 판으로

크래딩한 것으로 고온고압용에는 적합하지 않다대략적으로 압력등급은 300이하에서 사용온도는 200 이하의 경우에 채택할 수 있다 가스켓

계수는 25~375범위 최소 설계시팅압력 Y 의 값은 200~620(N)으로서 판형 금속제 가스켓에

비하여 매우 낮다-스파이럴 와운드 가스켓(Spiral Wound Gaskets)이 가스켓은 밸브의 조인트에 있어서 가장 널리 채택되고 있다 이는 판형 가스켓 등에 비하여 매우

양호한 탄성 복원력과 함께 적절한 가스켓 계수 및 시팅압력 y값을 갖고 있기 때문이다 따라서

열변화가 심한 경우나 배관계의 탄성변형에도 적절하게 대응할 수 있다스파이럴 와운드 가스켓은 금속(통상 V 형을 옆으로 뉘인 상태)과 비금속의 테이프를 나선형으로

감아서 내주측(內周側 Inner Side)과 외주측(外周側 Outer Side)에 금속판 테이프가 오도록 만든

가스켓으로 금속의 탄력성 및 강도를 비금속의 윤활성 및 탄성 유지력과 결합하여 만든 것이다 일반적으로 금속 테이브를 테이프(Tape) 또는 후프(Hoop)라고 부르고 비금속 테이프를 휠러(Fillar)라고 부른다 후프로는 스테인리스 304316 계열이 널리 쓰이고 휠러 또는 충진재로는 테프론이나

흑연 또는 석면 등이 널리 사용되고 있다 [그림 116]은 스파이럴 와운드 가스켓의 기본적인

제작형상을 보여주고 있다 여기서 내륜부착 또는 외륜부착의 스파이럴 와운드 가스켓은 가스켓

구조의 강도를 유지하고 아울러 최적의 가스켓 장착이 될 수 있도록 한 것으로 주로 고온고압용의

내압성이 중요시 되는 계통에 적용한다휠러재료에 따른 사용압력 대 사용온도는 [표 2]를 기준으로 한다 아울러 가스켓 계수 m=30 이고 최소설계시팅압력 y=689N 이다가스켓의 선정

가스켓의 선정은 밸브에 있어서 다음과 같은 순서로 가스켓의 선정을 추천한다① 사용조건의 확인 및 검토

-유체의 종류

-유체의 압력온도

-플랜지 조인트의 형상

-볼트 사양(갯수 크기 재질)②필요 체결압력 및 볼트사양에 따른 체결 토오크 검토

③ 가스켓 사양의 결정

④ 가스켓 체결사양의 결정

가스켓 체결사양의 간이 결정법

가스켓 특히 가장 널리 사용되는 스파이럴 와운드 가스켓(스테인리스 후프 흑연 충진)의 체결 사양을

결정하는

방법을 간이식으로 간단하게 표현하면 다음과 같다① 계산에 필요한 가스켓 체결 볼트 하중의 계산법

우선 사용상태에서의 볼트하중(Wm1)과 가스켓 사양에 따른 체결 볼트의 하중(Wm2) 중 큰 값을

선택한다 사용상태하의 볼트하중(Wm1)Wm1 = π4G2P + 2πbGmP = πGP4(G + 8bm)가스켓 사양에 따른 볼트 체결하중(Wm2)Wm2 = πbGy여기서G 가스켓의 평균 직경(mm)b 가스켓의 유효폭(mm) 단 하중을 직접 받는 폭

m 가스켓 계수(m=30)P 설계압력(kgf)y 최소설계 시팅압력(y=703kgf)② 볼트의 체결 토오크를 계산한다T = 02d1W10N여기서W Wm1 Wm2 중 큰 값(kgf)N 볼트 개수

d1 볼트의 외경(mm)(보다 상세한 계산은 ASME Sec Ⅷ Division 1 Appendix 2 를 참고한다)4밸브의 취급

41 지침

밸브가 본래의 기능을 유지하고 지속적으로 건전하게 운전을 하기 위해서는 각각의 밸브 구성부품의

기능이 제 역할을 다해야 한다 밸브 구성부품의 기능유지는 곧 구성부품의 구조적인 강도의 한계를 충분히 견지하고 있어야 한다는

것이다 밸브의 각 구성부품의 어느 하나라도 손상되거나 마모된다면 밸브는 본래의 기능을

정지하거나 정지가 예상되고 아울러 다른 구성부품까지 손상에 이르게 할 수 있기 때문에 밸브 전체의

기능에까지 손상을 가져올 수 있다 밸브를 설계하여 완성된 제품으로 출하할 때까지 제작자는

구성부품의 하나하나에 대하여 미리 강도를 계산하고 형상을 최적화하여 밸브가 조화롭게 운전될 수

있도록 설계하고 요구되는 수명이상을 유지할 수 있도록 적절한 공차와 정밀도로 제작하게 된다한편 밸브가 조립된 후에는 제작조립된 밸브가 설계대로 되어 있는가 또는 설계대로 제작된 밸브가

확실하게 제 기능과 성능을 발휘하고 있는가 등을 검사하는 과정이 있다이러한 설계 제작 및 검사과정을 거친 밸브는 제품으로서 완전하다고 할 수 있으나 실제 배관

계통에의 적용시 과연 제 성능을 발휘할 수 있는가는 밸브제작자와 밸브구매자 그리고 밸브를

설치하는 시공자와의 관계를 올바르게 설정하고 각 업무과정에서의 간섭문제를 심도있게 다루지

않는 한 밸브가 온전하게 제 성능을 발휘할 수 있다고 말하는 것은 옳지 않다 밸브의 취급에서 특별히 언급하고자 하는 것은 밸브제작자와 구매자 그리고 밸브를 설치하는 시공자

사이에서 밸브를 제대로 취급하는 방법을 알려주고자 하는 것이다

밸브제작자는 밸브에 대한 제반시험 및 검사과정과 페인팅(도장 Painting) 포장출하 방법 그리고

제작자가 구매자나 시공자에게 알려주어야 할 보관 방법 등을 책임 있게 관리해야 한다 밸브

구매자는 밸브제작자와 시공자를 전체적으로 관리하며 배관설계자와의 밸브관련 코디네이터

(Coordinator)로서의 역할을 수행하여 밸브로 인한 전체적인 프로세스의 시공차질이 없도록 해야할

것이다 아울러 밸브를 안전하고 신뢰성 있게 운전할 수 있는 방안을 밸브 설치시부터 고려해야 할

것이다42 인간공학적인 측면

밸브는 배관계통에 있어서 최종의 제어요소이기 때문에 밸브의 동작이 잘못되었을 경우 그 잘못된

결과는 즉시 나타나게 된다 밸브의 동작이 정상적으로 수행되기 위해서는 밸브 조작에 대한 신뢰가

전제되어야 한다 예를 들어 1983 년 일본 고압가스협회가 일본의 석유화학단지를 대상으로 밸브사고

사례를 조사한 결과를 보면 밸브조작에 대한 문제가 전체 사고사례 600 여 건 중 약 17인 109건이

밸브에 직접 관련된 사고였으며 109건의 밸브사고 사례 중 56인 61건이 밸브조작의 잘못으로

인한 것이었다아울러 미국전력연구소(EPRI)의 발전소용 밸브의 사고사례 분석에서도 약 50가 밸브조작이나

잘못된 조작을 유발할 수 있는 밸브구조로 인한 것임을 보고하였다 이와 같이 밸브 조작상의

문제점이나 조작실수를 유발할 수 있는 밸브구조의 문제는 의외로 관련 프로세스 시스템에 많이

게재되어 있다즉 실제 사고의 원인이 되는 종업원의 행동에서 보면 관행에 따라 조작하다가 문제를 일으킨 경우가

가장 많으며 기타 지식과 경험에 의한 조작 규칙 절차서에 따라 밸브를 조작하다 실수한 경우가

있었으며 이들은 인간공학적인 측면의 밸브설계상의 오류로 볼 수 있다이밖에 작업 또는 조작환경과 상황에서 보면 단조로운 밸브조작 환경에서 의외로 많은 사고를

경험하고 있다는 것이다 이들은 분명 밸브의 설계 제작 및 설치 등의 제반과정(제작자 측면)과 밸브

시운전을 포함한 운전 및 유지관리(사용자 측면)에서 모두 휴먼에러의 방지가 중요한 설계상의 관점이

된다는 것이다밸브 취급에 있어서 인간공학적인 측면을 생각해 본다는 것은 휴먼에러를 가급적 공학적으로 줄이기

위한 배관 및 밸브 시스템에 관한 설계 고려사항이 된다38회(981월호)2인간공학적인 측면

밸브취급에 있어서 그 기본 목적은 밸브의 기능을 본래대로 유지 관리하는 것이다 실제로 수많은

프로세스에서 밸브 문제로 인한 엄청난 손실을 경험하고 있으며 대부분 밸브의 중요기능인 내부 누설

및 외부 누설 기능의 손상 또는 노화에 따른 것이다설비보전 밸브의 보전(保全 Total Maintenance Management)에 있어서 가장 중요한 것은 사소한

문제로 생각할 수 있는 누설현상이나 이로 인한 경미한 위험 요소들을 간과해서는 안 된다는 것이다 예를 들어 4M(Man Machine Media Management)에서 일어날 수 있는 휴먼 에러 설비의 결함 작업 방법이나 정보의 부족 관리상의 여러 문제점들이 복잡한 프로세스에서 언제든지 위험요소로

존재하는 것이다 석유화학 콤비나트나 발전소와 같은 대규모의 프로세스 플랜트에서 불시정지를

야기하는 설비들 중에서 또는 심각한 사고사례 중에서 밸브 문제가 차지하는 비율은 상당히 높은

것으로 알려져 있다Fran E Bird 가 총 175 만건의 설비 사고사례를 분석한 내용을 보면 [그림 1]과 같은 구조의 비율을

보이고 있다 이와 같이 1건의 재해가 발생하기에는 적어도 600건 이상의 인적 물적 손해가 없는

경미한 사고가 발생되고 이들은 4M 의 문제점으로 남아 관리되지 않고 다음의 큰 사고를

예비하는데도 불구하고 쉽게 간과하거나 망각한다는 것이다이는 도미노 이론에서와 같이 600건이라는 4M 관리상의 문제가 기본요인을 점차 무너뜨리고 이것이

사고의 직접 원인이 되어 사고에 이르고 결국 큰 재해로 야기된다는 것이다특히 밸브에 있어서는 매우 간단한 문제로 치부할 수 있겠지만 다음과 같은 분석을 통하여 프로세스

플랜트에 있어서 밸브의 취급이 얼마나 중요한 것인가를 알 수 있다 이렇듯 프로세스에 있어서

밸브의 관리는 밸브의 종류별로 프로세스 계통의 특성별로 그리고 설치환경에 따라 취급방법을

달리해야 한다(1)밸브의 오조작 문제를 고려한 취급

밸브의 오조작 문제는 전형적인 휴먼 에러로 볼 수 있다일반적으로 프로세스 플랜트에 있어서 대부분의 배관계통은 프로세스 제어목적에 따라 계통의

주제어용 밸브 보조제어용 밸브 계통의 유지 보수를 위한 밸브 프로세스 제어기기용의 보조밸브 계통의 비정상적인 운전을 사전사후 예방하기 위한 급배기(수) 밸브 계통의 안전성에 중점을 둔

안전밸브 릴리이프 밸브등 매우 다양한 밸브들이 설치되어 운전한다이들 밸브는 운전 목적이 각기 상이하고 형식 또한 판이한 다른 모양을 갖고 있으며 운전 방법에 따라

수동조작 자동조작으로 나눌 수 있으며 자동조작은 외부의 제어 시그널과 동력원(動力源 Power Source)을 받아서 조작되는 타력식(他力式) 자동 제어밸브가 있다 본고에서는 밸브의 오조작 문제를

인간공학적인 측면에서 앞서의 3 종류 밸브에 대하여 원론적으로 설명한다〔수동식 밸브〕

수동식 밸브에서 오조작을 방지하기 위한 방법으로는 인간적인 관성과 기술적인 즉 공학적인

관점으로 접근하여야 한다 인간적인 관성에 의한 밸브의 오조작 문제는 앞서 언급한 바와 같이

사고의 근본 원인을 제공하고 있는 습관이라든가 안이한 대처 즉 주기적이고 집중적인 안전교육의

부족 및 관리체계의 허술함이 사고의 동기를 제공하게 된다공학적인 관점으로는 휴먼 에러를 최소화할 수 있는 조건들을 배관 및 밸브 시스템에 반영하는 것으로

다양한 접근 방법이 개발되고 있다〔타력식 자동밸브〕

타력식 자동밸브는 공압식 또는 전동식 자동 제어밸브(Pneumatic or Electric Control Valve)를

말하는 것으로 그 기능은 계통 유로의 개폐 또는 조절(Throttling)하는 것이다유로 개폐 목적의 차단 밸브는 운전 중에는 계통의 절환이나 긴급시의 차단 또는 개방 밸브로

운전빈도가 그다지 높지 않으나 안전 측면이 강조된다 반면에 조절기능의 자동 제어밸브는 항상

운전되는 밸브로서 계통운전의 신뢰에 필수적인 제반 제어 시그널에 따라 운전함으로 운전 신뢰성

측면이 강조된다따라서 조절기능에 손상이 있을 경우 자동 제어밸브의 설치운전에는 보조의 수동밸브와 차단밸브가

함께 설치된다 또한 이들 자동밸브는 외부의 동력공급원에 대한 철저한 안전성이 확보되도록 하여야

한다 즉 방폭 등급이라던가 동력원의 손실시 안전한 운전 모드의 위치 고장시 긴급조치는 어떻게 할

것인가 운전 감시는 어떻게 할 것인가 등을 설계시부터 고려하고 안전한 취급 및 설치방법을

제시하여야 한다 물론 긴급시의 처치에 있어서 오조작 문제가 근본적으로 생기지 않도록 안전조치

(Fail CloseOpen) 기능 및 수동 조작 기구를 함께 갖추는 것이 좋다〔자력식 자동밸브〕

자력식 자동밸브는 안전밸브(Safety Valves) 압력 릴리이프 밸브(Pressure Relief Valves)

감압밸브(Pressure Reducing Valves) 일차 압력 조절밸브(Pressure Sustaining Valves) 펌프

콘트롤 밸브(Pump Control Valves) 후로우트 밸브(Float Control Valves) 등으로 계통내의 압력

또는 온도를 압력도관(Pressure Sensing Line)이나 팽창성 액체도관(Capillary)으로 전달받아

자체의 다이아후램이나 스프링등으로 계통의 압력을 조절하는 것이다따라서 대부분의 제어 최종 목적은 압력 또는 온도가 된다 실제 이들 밸브는 응용에 있어서 약 90이상이 압력조절인 자력식 밸브이다자력식 자동밸브의 구조상 특징은 스프링을 압력제어의 직접적인 요소로 사용하는 안전밸브나

릴리이프 밸브를 제외하고 모든 자력식 밸브는 압력도관을 갖고 있기 때문에 특별한 취급이 필요하다사용 유체에 따라 다르겠지만 물용 감압밸브는 감압밸브 중에서 가장 널리 사용되는 밸브로써

압력도관과 주밸브(Mian Valve)의 동작을 지시하는 파이롯트 밸브 또는 솔레노이드 밸브 및 이에

부수되는 압력계 피팅 필터 또는 스트레이너 체크 밸브가 제어라인으로 복잡하게 구성되어 있다 주밸브를 동작시키는 이들 제어시스템은 밸브의 사용목적에 따라 구성을 달리하여야 하고 배관시스템의 계통운전 조건에 맞도록 공장 및 현장에서 제어 기준값을 설정해 주어야 한다아파트나 대형 오피스 건물의 원수(源水 Raw Water)나 시수(市水 Municipal Water) 시스템의

파이롯트식 감압밸브나 일차 압력조절 밸브 등에서의 제어성 문제는 대부분 필터 스트레이너에서의

불순물이나 물이끼가 파이롯트 밸브의 미세한 노즐을 막음으로써 발생하는 경우가 많다따라서 필터 스트레이너 파이롯트 밸브의 노즐에 대한 취급은 밸브 출하시는 물론 설치운전 중에도

각별한 관심을 기울여야 할 것이다파이롯트식 외에 직동식 즉 압력도관을 직접 자력식 자동밸브의 구동부(다이아후램)에 연결하여

내부의 자체 스프링 힘과 입구 압력 밸브 출구측의 압력의 평형으로 스프링 힘에 의해 밸브 출구

압력이 조절되는 방식의 감압밸브는 감압 조절의 정밀도는 약간 저하될 수 있으나 앞서의 파이롯트

밸브가 없는 구조이기 때문에 취급상 비교적 용이한 구조이다(2)밸브의 누설을 고려한 취급

밸브의 유지보수라 함은 그 대상이 밸브의 내부 누설 및 외부 누설을 차단 또는 허용치 이내로 다시

조정하는 작업이라 할 수 있을 정도로 대부분의 밸브 유지보수가 트림부분과 패킹부분의 수리 또는

교체를 중심으로 이뤄진다아울러 밸브 제작자가 밸브를 출하할 때 집중적으로 시험 검사하는 것도 밸브 시트에서의 누설량

확인과 밸브 외부로의 누설 가능성 여부를 확인하는 것이다 밸브에 관한 기준 및 규격이 모두 이들

사항에 대하여 구체적으로 규정하고 있으나 단시 밸브의 외부 누설 가능성이 매우 높은 글랜드 패킹

부위에서의 누설 관리에 대하여는 특별히 규정하고 있지 않다 그러나 최근의 밸브 기술 및 사용자의

요구는 글랜드 패킹에서의 누설 또한 매우 엄격하게 규제를 하기 시작했으며 이에 대한 대표적인

예가 미국의 대기환경보호법(Clean Air Acts)이다글랜드 패킹에서의 누설 문제는 밀봉재인 패킹(통상적으로 현재에는 순수 흑연계의 성형 또는 편조형)에서 누설이 있을 경우 그때그때 패킹 조임을 통하여 누설을 방지할 수 있다는 전제 조건 때문에 따로

규정하고 있지 않으나 패킹재료의 발전과 CCA 의 요구사항 그리고 사용자 그룹의 요구로 조만간

패킹 또는 가스켓으로부터의 누설량은 엄격한 규제를 받게 될 것으로 예상된다따라서 패킹으로부터의 외부누설을 가능한 한 최소화하는 기술의 확보와 더불어 밸브의 패킹이나

가스켓과 같은 밀봉부문의 취급을 어떻게 하여야 할 것인가가 세밀하게 검토되어야 한다예로써 밸브의 수압이나 시트 기밀시험에 사용되는 시험 액체는 청수가 대부분이다 아울러 일반

밸브의 패킹부분에서의 스템 운동을 원활히 하면서 씰링 효과를 높이기 위해 인히비터(Inhibitor)라는

보조재를 사용하는 경우가 많은데 특별히 아연베이스(Zinc Based)계통의 인히비터는 스템에 점식

(Pitting)현상을 일으킬 수 있어 주의하여 선택 결정하여야 한다더욱이 수압시험후의 불순물이 게재된 청수가 패킹재를 오염시킬 수 있으며 패킹 윤활재의 화학적

안정성을 해치고 대기중의 유해 물질과 결합 흡착되어 스템의 운전을 곤란하게 하는 경우가 실제로

상당수 발생된다 밸브의 내부누설은 트림에서의 시트누설로 대표되며 밸브 종류에 따라 누설량을

엄격히 제한하고 있다 일반적으로 차단용 목적의 밸브는 시트 누설량을 허용하고 있지 않으며 조절용 밸브 및 역류방지 밸브에서만 누설량을 소량 허용하고 있다밸브 사용중 시트 누설이 발생하는 요인은 대부분 취급 유체에 불순물 개제나 시트 접촉부에서의

상대적인 노화나 열화 또는 밸브에서의 압력차에 의한 케비테이션이나 후라싱과 같은 물리적 현상에

의하여 발생된다 금속간 접촉에 의한 씰링구조의 밸브 트림인 게이트밸브 글로브밸브 및 메탈시트

볼이나 버터플라이 밸브의 경우에는 유체내 불순물 개제 또는 금속체간 높은 접촉응력과 금속화학적

반응에 의한 들러붙음(Stick on)으로 인한 긁힘(Galling) 또는 국부부식(점식 Pitting)으로 인한

누설이다 반면에 소프트 시트(주로 테프론) 구조의 트림은 탄성체인 테프론과 같은 시트 재료가 오랜

시간 사용에 의한 노화나 열에 의한 열화등으로 씰링의 탄력성이 손상되어 누설이 생기는 경우로서

소프트 시트를 널리 채용하고 있는 90회전 밸브류인 볼 버터플라이 플러그밸브에서 자주 발생한다 물론 핀치밸브(Pinch Valve)나 다이아후램 밸브도 이러한 유형에 속한다 마지막으로 유체 조절용의

제어밸브에서 유체역학적인 현상으로 여겨지는 케비테이션 후라싱 현상은 밸브 응용에서 매우

조심스럽게 다뤄져야할 현상으로써 계통 설계자와 밸브 제작사가 사전에 이에 대한 엔지니어링을

하여 실제 적용시 이러한 현상이 최소화되도록 밸브를 설계 제작하여야 한다이러한 현상은 주로 제어밸브로 80이상 사용되는 글로브 형식의 제어밸브에서 집중적으로

논의된다 현재까지 케비테이션에 견딜 수 있는 구조의 트림들이 다양한 형태로 개발되고 실용화되고

있으나 후라싱에 견딜 수 있는 밸브 트림에 대하여는 따로 후라싱 서비스용 트림이라 할 정도로

밸브자체 또는 밸브 트림만으로는 해결하기 어려운 점이 많다39회(982월호)2인간공학적인 측면

(2)밸브의 누설을 고려한 취급

지난호에 밝힌 바와 같이 유체역학적 현상에 의해 발생되는 밸브 트림의 씰링구조 손상문제는 전체

시스템에 대한 계통 및 밸브의 역할을 엔지니어링하여 시스템 및 밸브 트림의 설계에 반영함으로써

완화시킬 수 있다이 경우 밸브 트림에서 문제의 해결 방안을 찾는 것보다는 우선 시스템의 운전 조건을 검토하여

시스템부터 문제 해결을 추진하는 것이 보다 바람직하다 역류방지 밸브인 체크밸브의 누설 문제는

실제 시스템의 운전에 있어서 간혹 매우 어려운 문제로 제기되는 경우가 의외로 많다 특히

체크밸브는 사용자가 생각하고 있는 밸브의 기능과 제작자가 실제 관련 코드와 기준에 의해 제작한

밸브의 기능과는 엄청난 견해차를 갖게 된다 이 견해차의 주요 내용을 다음과 같이 요약한다체크밸브에서의 압력 손실 문제

체크밸브에서의 통과 유량 문제

체크밸브에서의 누설 허용량과 실제 설치시의 누설량 과대 문제

사용 유체에 따른 허용 누설량과 실제 계통 적용시의 누설 문제

이중 밸브 엔지니어링 측면에서 심도 있는 기술적인 검토가 필요한 사항은 압력손실의 문제와 실제

설치시의 누설량이 검사시의 허용 누설량과 큰 차이가 나는 원인에 대한 것이다

첫째 체크밸브에서의 압력 손실의 문제는 계통 운전시 심각하게 대두되는 문제로서 그 원인은

다음과 같다체크밸브의 디스크는 계통에 유체가 흐를 때에만 열리도록 되어 있다 통상 계통압력에 의해 열린다고

생각할 수 있지만 계통내에 적정 유량이 흘러야만 밸브의 디스크가 흐르는 유체의 힘에 의해

개방된다 따라서 계통내에 적정 유량이 흐르지 못할 때는 디스크가 완전히 열리지 못하고 중간

개도에서 불안정하게 운전하게 된다 따라서 이때의 밸브에서의 압력손실은 디스크가 완전히 열리지

못함에 의한 유로 포트의 교축으로 크게 발생하게 된다 특히 배관 관경이 크게 선정되어 있고 계통

유량이 적은 경우에는 계통 운전이 불가능할 정도로 압력손실량이 커질 수 있다 체크밸브의 제작자는 이러한 사항을 고려하여 체크밸브에 대한 최소 흐름요구속도(Minimum Flow Velocity)를 제시하고 있다 따라서 계통 설계자나 운용자는 이 최소 흐름요구속도를 가지고 필요

유량과 체크밸브의 유량계수(Cv)를 가지고 이론적이지만 실제 계통설계에 적용할만한 체크밸브의

압력 손실량을 계산할 수 있다 이 압력손실량을 가지고 계통 설계 및 운전에 체크밸브를 적용해야

위와 같은 사용자와 밸브 제작자간의 견해차 즉 문제를 해결할 수 있는 것이다그러나 현재 배관 엔지니어링에 있어서 설계자는 거의 모든 체크밸브를 단지 압력-온도 등급에 의한

외형적인 데이터로 밸브를 선정하기 때문에 워터햄머와 같은 유체의 천이현상을 제외하더라도 시스템

설계에 필수적인 체크밸브의 압력손실량을 적당히 결정하고 있는 것이다이들 문제는 상대적으로 대구경의 배관계통에서 보다 소구경의 배관계통에 보편적으로 적용되는

리프트 체크밸브에서 빈번하게 발생한다 이러한 문제는 밸브 형식 또는 유체흐름의 모양(Flow Passage)을 변경하거나 내부 디스크의 전체 질량을 조정하여 해결할 수 있다 다음에는 이러한

체크밸브에서의 압력손실 문제를 구체적으로 설명하고자 한다다음의 문제는 시트의 허용 누설량 이내의 밸브를 공급하였는데도 불구하고 실제 설치된 체크밸브의

누설량이 과대하여 문제가 되는 경우이다 이 또한 밸브 제작자에게 큰 기술적 경제적 고통을 안겨

주는 사례로서 결론적으로 체크밸브를 부적절하게 설치하였거나 최초 운전시(시운전시) 배관 계통의

청소(Clean Up or Flushing)가 불결하여 이물질에 의해서 경면 연마된 시트면의 기밀 구조 손상이다이중 특별히 주의해야 할 사항은 체크밸브를 설치할 때 설치 위치 및 방향에 따라 생기는 유체역학적

불안정 구조로서 이들 문제에 대한 분석 및 설치상의 고려사항에 대해서는 구체적으로 다음호에서

설명한다 이와 같이 밸브의 누설을 고려한 취급은 보다 깊숙한 기술적 배경을 요구하게 됨으로

밸브엔지니어링 전문가에 의한 체계적인 취급이 바람직하다(3)리프트 체크밸브의 압력 손실의 문제를 고려한 소형 체크밸브의 취급

체크밸브의 압력손실을 예측하는 데에는 우선적으로 배관계통내의 최대 설계유량과 운전 유량에

기준한 유체의 흐름속도 즉 유속이 중요한 설계 계산의 포인트가 된다물론 체크밸브의 형태에 따라 압력손실 계수가 정해지는데 이러한 밸브 형태에 따른 저항계수는 이미

미국 Crane社에서 발간한 Fluid Flow와 같은 기술자료로 널리 알려져 있다 이러한 기술자료 중

기술자들에게 널리 알려져 있으며 아울러 공학적 상식을 체계적으로 정리하고 있는 Crane Technical Paper 410 에서는 배관계의 적정 유속을 [보기 1]과 같이 고려하고 있다그러나 4 인치 이하의 소구경 배관의 경우 상기 배관내 유속보다 30정도 증가시켜도 무방하다 왜냐하면 소구경 배관의 경우 배관의 벽두께가 상대적으로 대구경 배관에 비하여 두껍게 제작되고

있으며 유체의 흐름 관성력이 작기 때문이다리프트 체크밸브의 특성 검토

리프트 체크밸브는 스윙식의 체크밸브에 비하여 리프트 부분을 대쉬포트(Dash Port)로 하기 때문에

디스크의 떨림(채터링 Chattering) 현상이 적어 맥동이 있는 배관계에 널리 채택되고 있다 리프트

체크밸브의 동적 특성은 배관계의 유량 디스크의 질량 디스크와 몸체 가이드면과의 간격 및 편심률 디스크 측면의 밸런스 구멍의 크기 등에 많은 영향을 받는다 이중에서 가장 크게 체크밸브의 안정된

디스크 열림에 영향을 주는 것이 유량 즉 유속이다유속이 높을수록 유체의 흐름관성력(Fluid Flow Inertia Force)이 높아 디스크는 안정된 상태로

열려있게 되는 것이다 다음의 식은 리프트 체크밸브에 있어서 디스크의 운동방정식이다 액체

서비스용 리프트 체크밸브에서 중요한 사항은 액체의 점성도에 따라서 Fγ 의 크기가 크게 변화된다 따라서 Fγ 에 영향을 직접적으로 미치는 디스크와 몸체 가이드면과의 간격(실제적인 예로써

0125~015mm 로 제한한다)이 체크밸브의 원활한 운전을 위해 매우 중요한 설계 포인트가 된다체크밸브의 디스크와 몸체 가이드면의 간격에 의한 편심률 ε 의 값은 어떤 리프트 체크밸브 설계에

있어서도 03 이내로 제한되어야 하며 아울러 Fγ 의 값을 적게 하기 위하여 표면 거칠기도 매우

정밀하게 제어해야 한다 ε 의 값이 적으면 디스크의 안정성이 높아져 ε 의 값이 높은 설계보다 낮은

유속으로도 디스크의 안정성을 기할 수 있다일반적으로 리프트 체크밸브의 디스크에는 밸런스 구멍을 3 개 정도 뚫어 놓는데 이는 디스크가

열렸을 때 디스크 상부의 케비티에 있는 잔류 유체를 이 디스크의 밸런스 구멍으로 릴리이프 하도록

한 것으로 디스크의 신속한 닫힘

작용에 매우 중요한 역할을 수행한다 밸런스 구멍의 크기는 채터링 현상을 감소시키는 목적이라면

가능한 작게(호칭경 2 인치 이하 직경 3mm 내외 호칭경 25~4 인치의 경우 4~5mm 내외)로 하면

좋다소형 리프트 체크밸브의 디스크 안정 열림을 위한 최소 흐름 속도 계산식의 유도

본 계산식을 유도하기 위해서는 디스크 틈새에서의 와류가 없으며 디스크 상부에서의 케비티에서의

잔류 유체는 디스크가 열릴 때 밸브 입구측 압력과 즉시 밸런스가 되고 디스크의 부력에 의한 유속

증가는 고려하지 않은 상태로 조건을 가정하고 다음의 모델에 따라 계산식을 유도한다우선 디스크의 밸런스를 위하여 디스크가 닫힐 때의 힘 F 와 유체력에 의해 디스크가 열릴 때의 힘 f 는

평형이 되어야 한다 따라서 F=f 로 하여 필요한 밸브 입구에서의 최소 흐름속도를 이론적으로 구할

수 있다 참고(1)에서 밸브에서의 압력손실 ΔP 는

ΔP = 6V2Gf(CvD2)2Gf 비중(10)V 배관계의 유속(ftsec)D 배관의 내경(inch)이 식에서 밸브의 압력손실은 배관계의 유속이 증가함에 따라 증가하고 밸브의 유랑계수 Cv 자승에

반비례한다V2 = [ΔP(CvD2)2]6(ftsec)Q = AV(GPM)그런데 밸브에서의 유체흐름 저항으로 인한 압력손실은 참고(2)에 따라 계산하면 다음과 같다 즉ΔPf(100) = 135fGf(Q2d5) psi100ft여기서

Q 유량(GMP)d 유로경(inch)f 마찰계수로써 002 로 가정하고 참고(2)의 TableⅡ 에서 리프트 체크밸브의 등가 파이프길이를

구하여 대입 실제 밸브에서의 압력 손실량을 구한다ΔPv = 135fGf(Q2d5)Le(psi)여기서 Le = 등가 파이프길이(ft)100(ft)임만약 ΔPv = ΔP 가 같다고 가정하여 d 를 확인하고 선정된 밸브의 포트가 적절한가를 확인한다 그리고 실제 유량 Q 를 수송시 밸브에서의 실질적인 동적 압력손실 ΔPv 를 구하면 된다만약 측정된 압력손실량이 계산된 ΔPv 보다 월등히 클 경우에 이는 분명 체크밸브의 디스크가 완전히

열리지 않고 중간개도(원인은 이물질이 디스크와 디스크가이드 사이에 개재 또는 유체의 흐름량이

매우 적게 흐를 경우 등)로 하여 약 3~12 배 정도의 압력손실(참고(2))이 생겼기 때문이다만약 실제의 압력 손실량이 예상보다도 크게 발생할 경우 리프트 체크밸브의 취급에서 다음과 같은

원인으로 과대한 압력손실이 발생된 것으로 고려하여 이들의 원인을 해결하면 된다-디스크와 디스크 가이드 사이에 미세한 이물질이 개재되었을 경우-배관계통내의 유속 저하로 인한

흐름 유체력이 약하여 디스크를 충분히 열지 못했을 경우-스프링의 버클링에 의한 편심량에 의하여

디스크의 열림이 원활하지 못했을 경우-디스크 가이드와 디스크 측면의 표면 조도에 의한 열림

마찰력이 과대하여 발생한 것 대책으로-스프링의 제거 또는 교체를 실시하고 본네트의 스프링 가이드면을 원활하게 한다-디스크와 디스크 가이드면의 간격을 013mm 정도로 조정하고 양쪽 접촉면을 경면사상(鏡面仕上)을 실시한다-시트 밀착면에서의 표면장력 효과를 저감시키고 유체흐름을 원활하게 하기 위하여 디스크의 반경을

시트면의 접촉면 외경에 일치시키고 시트면과 디스크 시팅면에 작은 유로 흐름이 생성될 수 있도록

한다40회(984월호)지난호에서는 소구경 배관계통에서 널리 채택되고 있는 리프트 체크밸브의 적용상의 압력손실에

대하여 설명하였다 체크밸브의 종류별 압력손실 정도는 참고로 대략 [표 1]과 같다(4)설치의 안전성

배관계통은 기본적으로 취급유체가 매우 다양하여 포스겐가스나 염소가스와 같은 맹독성의 가스 황산이나 가성소다와 같은 위험성 액체등도 밸브를 통하여 제어하게 된다밸브는 이러한 유체를 취급할 때에는 특별히 글랜트 패킹이나 가스켓(본네트 가스켓과 플랜지 접속

가스켓)에서의 외부 누설에 심각하게 유의하여야 한다 아울러 가연성 고압가스의 누설은 엄청난

재난을 가져올 수 있다 또한 고압증기 시스템 계통의 경우에는 사람을 다치게 하거나 주변의

전기배선이나 주변기기에 손상을 입혀 큰 사고 피해를 유발하기 때문에 설치 및 관리는 안전을 제일로

하여야 한다4규격밸브

현재 국제적으로 통용되는 밸브 규격은 주로 미국 영국 독일 및 일본등 선진국가에서 제정된 것으로

특히 미국에서 제정된 ASME(미국기계학회) API(미국석유학회) MSS(미국제작자협회) ISA(국제계측제어협회) 등의 규격이 가장 영향력이 크다이중 ASME 는 밸브류의 구조적 강도문제를 중점적인 관점으로 취급하고 있으며 나머지 API 나 MSS등은 ASME 에서 정한 구조적 강도의 허용범위 내에서 실제 프로세스에 적용할 수 있는 실질적인

규격을 정하고 있는 경향이다물론 구조적 문제의 근간이 되는 플랜지 강도 계산이나 압력

용기로서의 밸브 몸통의 구조강도 문제는 일본이나 독일의 기본 국가규격으로 정하고 있지만 일본의

경우 강도 계산방법이나 테이블링(Tabling) 방법 등이 흡사 미국의 ASME 방법과 유사하다 독일의

경우는 보다 자세하고 또한 수많은 고려사항들을 계산에 포함하도록 요구하는 등 산업문화의

차이에서 보면 미국문화권과 독일문화권이 유별나게 구분되는 재미있는 특징이 있다우리 나라의 경우는 흡사 일본 규격을 거의 번역한 것과 마찬가지로 규정되어 있는데 실질적인

밸브의 압력 온도 기준의 근간이 되는 밸브의 재질강도 및 사용(설계)압력 및 온도에 따른 밸브

구조의 강도에 대한 상세한 지침이 규격화되지 않은 사항은 유감이다단지 한전의 발전용 밸브를 중심으로 하는 KEPIC 규격이 1995 년도 말에 제정된 것이 이러한

밸브구조의 강도문제를 규격화한 첫 사례로 볼 수 있다 일반적으로 모든 밸브는 해당분야의 규격에

따라 설계 제작 시험 및 검사를 통해 완제품으로서의 인정을 받도록 되어 있다 크게 분류하면

발전용 석유화학용 상하수도용 제지용 식음료용 소방용등으로 구분되고 보다 세부적으로는

업종별 특성에 따라 또한 구분된다예를 들면 발전용이라 해도 원자력발전소용과 일반 수화력용 밸브의 품질 요건은 엄청난 차이가 나며 밸브의 제어 특성에 따라 기계분야에서 취급할 것인가 또는 제어계측분야에서 취급할 것 인가도

구분된다 다음은 우리 나라에서 비교적 많이 인용되고 있는 대표적인 밸브관련 규격 발행처이다 이와 같이 밸브는 용도별 나라별로 규격이 상이하기 때문에 우리 나라와 같은 경우 분명히 KS 규격이 기준이 될 것으로 판단된다하지만 밸브의 경우에는 불행스럽게도 KS 규격은 극히 제한적인 분야로서 KS B 2306 으로 일반 기계

장치용 선박용 및 옥외 수도용에 대한 호칭 압력별 밸브의 면간 치수를 규정하고 있고 세부적인

용도별 규정은 선박용 및 상대적 저압인 건축설비 및 상수도용에 집중되고 있는 느낌이다 따라서

발전소 및 석유화학 플랜트를 비롯한 프로세스 플랜트에 소요되는 대부분의 밸브류는 플랜트를 어느

나라의 기술로 건설하느냐에 따라 미국 규격 독일 규격 프랑스 규격 일본 규격으로 적용하여

왔으며 단지 상하수도의 제수밸브나 건축설비용으로 쓰이는 일부 밸브들만이 KS 규격을 적용해

왔음을 안다예로써 우리 나라의 대부분의 발전소는 원자력의 경우 울진원자력 12 호기를 제외하고는 미국

규격을 수화력의 경우 어느나라 차관으로 발전소를 건설했느냐에 따라 미국 규격 혹은 독일의 DIN 규격이 널리 사용되었고 일부 일본의 JIS 규격이 준용화되었다 석유화학 콤비나이트의 경우도

대부분 미국의 API ANSI ISA IEEE 규격들이 준용되고 독일의 기술로서 건설된 것은 대부분 DIN 규격으로 밸브들이 도입 설치되었다 따라서 산업용의 밸브 제작자들은 KS 규격의 밸브가 아닌 ANSI API 또는 JIS 규격에 의한 밸브제작 생산에 더욱 익숙해져 있는 것이 현실이다또 한가지 재미있는 사실은 밸브의 종류별로 규격상의 특징이 있다는 것이다 이는 밸브 도매상들의

상술로 빚어진 결과이기도 하지만 섬유도시로 유명한 대구 구미지역의 합섬공장의 열매용 밸브의

대부분은 독일의 DIN 규격제품이 매우 많으며 벨로우즈 씰 밸브의 대다수는 또한 독일제품과

일본제품이 주종이 되어있다 그런데 DIN JIS 및 ANSIAPI 의 밸브 규격상 같은 압력등급이라

하더라도 밸브의 면간 거리가 각기 상이하여 이들 밸브의 개보수 추가 확장 등의 공사시에는 서로

상이한 규격으로 인하여 공사 추진에 많은 영향을 미치게 하며 더욱 많은 공사 경비가 추가될 수

있다 반면에 울산의 SK 쌍용과 같은 석유정제공장 여천 석유화학공장의 대부분은 미국 규격을

준용하고 있다특히 DIN AFNOR 또는 JIS 에 의한 밸브 재질 규격의 ASTM 에 대한 대조는 전문가가 아니면 판단할

수 없을 정도로 복잡하게 되어 있어 기존 플랜트의 밸브 개보수등 밸브의 보전관리에 많은 문제점을

주고 있다필자의 성급한 주문이지만 현재 우리 나라에서 채택되고 있는 다양한 밸브 규격은 가급적

세계화의 추세에 맞춰 가능한 미국규격에 준용하도록 하는 것이 바람직하다

특히 산업용 밸브의 내수용의 경우 금액 대비 약 70이상 수출의 경우 약 80이상을 미국규격에

준용하고 있음을 감안하여 산업용의 경우 거의 활용되지 않는 KS 규격보다는 차라리 미국규격

(ANSIASME)을 우리 것(KS) 화하는 것이 우리 밸브 업계로 봐서 오히려 매우 바람직하다고

생각한다 이렇게 함으로써 규격의 보다 깊은 이해와 통일성 그리고 세계화된 밸브 규격의 적용으로

국내는 물론 해외에서의 우리 밸브 제품의 경쟁력을 확보할 수 있을 것이다

5밸브의 중요도 구분

밸브 중요도의 구분은 밸브를 포함하는 시스템 설계에 있어서 시스템에서 요구하는 밸브의 기능과

사용상의 목적이 시스템 운전에 얼마나 중요한가를 구분 짓는 것으로 보면 된다 시스템의 원활한

운전을 위하여 밸브의 역할을 구분하면 다음과 같이 세 가지로 구분할 수 있다첫째는 시스템에 대한 능동적 부품(Active Component)으로써 일반 파이프나 피팅과 구분되고 두

번째는 시스템에 대한 기능상의 능력(Functional Canal Capability)으로써 파이프나 피팅과 같이

얼마만한 유량 압력 온도에 알맞은 크기 또는 능력을 가졌는가이다세 번째는 시스템의 운전 또는 제어성보다도 밸브 자체의 운전성(Opeability)이다 이 세 가지가

시스템에 전체적으로 조화되어야만 밸브와 밸브를 포함한 시스템이 원활하게 운전되는 것이다1)시스템에 대한 능동적 부품으로써 밸브의 중요도

일반적으로 1000MW 급 원자력발전소당 약 21500 개의 각종 밸브가 필요하지만 750MW 급 분탄

(粉炭) 화력발전소의 경우에는 약 8000 여개의 밸브가 30MW 급의 유동탄 화력발전소의 경우에는

약 1000 여개의 밸브가 필요한 것으로 알려져 있다발전소 시스템에 있어서 가장 중요한 밸브들은 시스템의 원활한 운전과 제어를 위한 주요 제어 및

차단밸브들로서 발전소 총 밸브의 약 5인 400 여개가 가장 중요한 밸브로 취급된다 그 다음으로 중요한 밸브들은 압력-온도에 따른 고온 고압밸브 및 고차압밸브(Severe Duty Service Valves)들로서 약 20 정도를 차지하고 나머지 약 75는 단순한 제어용이나 차단용의 일반밸브들

(General Service Valves)로 구분될 수 있다[그림 1]은 화력발전소에서 가장 문제점이 많이 생길 수 있는 밸브들을 표시한 것이다한 예로 [그림

2]의 계통도와 같이 55MW 급의 복합화력발전소에 있어서 보일러 급수시스템 구성은 약

007~008bar(a)와 39의 진공도를 가진 복수기(콘덴서 Condenser)로부터 복수기펌프

(186barg 39) 디미네랄라이저(Demineralizer 176barg 433) 저압급수가열기(LP Feedwater Heaters 703barg 121) 탈기기(Deaerator 6barg 1578) 보일러

주급수펌프(Boiler Main Feed Pump)를 거쳐 고압 급수가열기(HP Feedwater Heaters 137barg 2117) 주급수 제어밸브(Main Feedwater Control Valve 116barg)를 통하여 보일러에 급수가

된다 보일러에서 발생하는 증기는 1108barg510로 하여 발전기를 돌린다이 프로세스에서와 같이 시스템에 있어서 능동적인 부품으로의 밸브는 시스템의 일부 또는 전체를

불안정한 운전으로부터 정상운전에의 시스템 복귀 기능은 물론 돌발적인 사고로부터 시스템을

완화시키거나 정지시킬 때 필요한 기능 부품으로서의 역할이다따라서 각 프로세스 핵심기기 요소인 복수기 히터류 펌프 탈기기 터어빈 등의 전후단에는 시스템

운용의 평형을 위한 즉 주기능이 제어기능인 밸브류가 설치되고 어떤 비정상적인 운전에 대비하여

시스템 운전을 릴리이프 할 수 있는 바이패스 밸브류 및 주기기의 돌발적인 사고로부터의 안전보호를

위한 긴급차단밸브와 안전밸브류가 주요 핵심기기 요소에는 능동적 부품으로서의 밸브가 선정되고 이들 계통에 속한 밸브의 중요도는 가장 높은 등급의 밸브로 분류할 수 있다41회(986월호)

2)시스템에 대한 밸브의 기능으로서의 중요도(Functional Capability of the Valve)공정플랜트에 있어서 배관시스템 즉 유체 수송시스템은 펌프 열교환기 또는 각종 탱크류와 같은

공정기기와 유체흐름을 제어하는 밸브 및 오리피스와 배관으로 구성되어 있다 따라서 공정시스템은

[그림 1]과 같은 세 가지 중요 공정요소로서 각 요소가 프로세스의 핵심 운전인자들인 온도 압력 유체질량 시간 등에 대하여 전체적으로 시스템이 평형과 조화를 이루도록 하는 것이 제어요소인

밸브오리피스인 것이다배관 피팅 배관지지대 등 밸브의 기능상의 능력(Functional Capability)은 바로 전체

공정시스템상의 제어기능의 능력을 표시하는 것으로 밸브의 설계 또는 사용 조건하에서 계통 및

밸브자체의 구조적인 안정성을 유지하며 공정시스템이 원활하게 운전되도록 정격 유량을 수송 및

제어하는 능력을 말한다 밸브 기능의 중요도는 첫째로 밸브의 치수 건전성이고 둘째로 유로 특성을

결정하는 트림구조의 안정성 셋째로 유체의 화학적 반응도에 따른 밸브 재질구조의 안전성 넷째는

밸브 운전조작의 합리성이다① 밸브의 치수 건전성(Dimensional Stability Based on Structural Integrity)공정시스템의 핵심운전인자인 온도 압력 유체질량 시간 중에서 밸브의 치수 건전성 즉 구조적인

강도를 안전하게 유지하기 위해서는 최우선적으로 사용온도와 압력 그리고 시간에 대하여 충분한

구조적인 강도를 가진 구조로 설계 제작되어야 한다높은 압력의 밸브는 그만큼 밸브의 벽두께를 두껍게 하여야 할 것이며 높은 온도의 밸브는 가능한한

열천이에 의한 열응력의 변화(피로응력을 크게 증대시킴)에 대하여 구조적으로 안정되게 하기 위하여

밸브의 벽두께는 가급적 얇게 그리고 균일한 두께로 설계되어야 할 것이다여기에 시간의 함수를 고려하면 밸브구조는 가급적 얇고 균일한 두께로 설계되어야 한다는 결론에

이른다그러나 실제 밸브의 제작기술상 얇고 균일한 두께라는 이상적 조건의 밸브생산은 불가능한

것이 현실이다 밸브의 경우 포트구조와 유로부분에서의 크로치 부분(Crotch Area)이 대표적인

구조적 불연속부(Structural Discontinuity)로써 이 부분은 앞서의 온도 및 압력에 민감하게

작용하는 구조 부분이다 일반적으로 밸브가 받는 응력지점 중 가장 크게 응력이 발생하는 부분은 이

크로치 부분이고 이는 밸브의 내부면에서 최대치를 가지며 밸브 중심면에 수직으로 전 밸브의 목둘레

부분에 인장 응력을 가하고 있는 것이 특징이다이 부분이 밸브의 가혹한 운전조건하에서 가장 중점적으로 치수의 건전성을 확인할 수 있는

핵심부분이다 아울러 밸브를 주조로 만들 경우 벽두께의 급격한 변화에 의한 응고속도 압탕구조 응고수축등의 영향이 집중되어 많은 불량이 생기는 부분도 이 부분이 된다간단한 방법으로 이 크로치 부분의 구조적 건전성을 단순하게 사용 압력으로만 평가할 경우 이 부분의

1 차 막응력강도(Primary Membrane Stresses Integrity)는 다음과 같이 표시할 수 있다Pm = (AfAm+05)Ps여기서

Pm 크로치 부위에서의 1 차 막응력강도

Af 크로치 구역내의 유체면적

Am 크로치 구역내의 밸브 벽두께 면적

Ps 사용 압력

대부분의 경우 밸브의 구조상 압력을 받는 조건하에서는 그림에서의 Am 부분이 가장 큰 응력을

받게되고 아울러 밸브가 급속히 개폐되어 밸브의 디스크 전후에서의 큰 압력차이가 생기는 특정의

경우에도 Am 부분이 가장 가혹한 응력을 받게된다

다음으로 밸브 사용온도 하에서의 치수건전성 문제 또한 이 크로치 부분이 문제가 된다 밸브 유로

부분은 어느 정도 균일한 두께로 설계되지만 유로와 밸브 목이 구성되는 트림부분인 크로치 부분은

다음의 강도 설계 규칙에서 보는 바와 같이 균일한 열응력 분포를 기대할 수 없다 열응력은

온도구배와 두께변화로 인하여 생기게 되는데 밸브구조 특히 몸통구조에서는 크로치 부위에서 가장

크게 발생한다결론적으로 밸브의 내압구조에서는 크로치 부위의 최적설계가 가장 중요한 설계 핵심부분이고 다음에 언급하는 트림구조의 안정성에도 구조강도상 중요한 지지구조이기 때문에 밸브의 치수건전성

측면에서 주의 깊게 설계해야 될 포인트이다② 밸브의 유로 특성을 결정하는 트림구조의 안정성

밸브의 제어성은 유체의 흐름을 공정시스템의 운전 목적에 맞도록 개폐하거나 조절하는 기능을

말한다 이 제어성은 물리적인 의미로서 밸브에서의 압력손실이라는 물리적인 현상을 능동적으로

이용하는데 있어서 그 정밀도를 의미한다 즉 유체가 배관계통을 흐르고 있을 때는 배관벽의 마찰 피팅에서의 흐름방해 등으로 압력손실이 생기는데 이는 일정한 양의 어쩔 수 없는 압력손실이 되는

것이지만 밸브에서는 유체가 흐르는 형상과 양을 조절함으로써 압력손실의 양과 크기를 고의적으로

조정하는 것이 밸브의 기능이라고 할 수 있을 정도로 압력손실을 중요하게

고려한다 유체가 흐를 때 압력손실은 다음과 같이 물리적 식으로 표현한다P = k PV22g여기서

P 발생 압력손실

k 밸브의 유로형상과 마찰로 인하여 생기는 손실계수

P 비중량

V 유체의 속도

즉 유속이 빠를수록 압력손실이 크게 발생하므로 밸브에서의 제어는 유속을 제어하는 구조인 유로

단면적을 가변하는 구조의 오리피스로 고려하여 해석할 수 있는 것이다 따라서 밸브에서 유체의

흐름을 직접 제어하는 부품인 트림은 그 구조가 공정시스템의 운전제어 목적에 철저히 부합되는

구조이어야 한다그야말로 밸브가 매우 다양한 운전조건하에서 부여된 제어임무를 원활히 수행하려면 트림구조는

공정시스템에서 하나 하나가 특별히 안정스럽게 운전되도록 설계 제작되어야 한다 트림구조의

안정성을 유지하려면 다음과 같은 사항들을 철저히 고려해야 한다유체의 제어특성

급개형 - 개폐용

선 형 - 밸브 개도에 따라 유량의 변화량이 비교적 일정함

등비율형 - 밸브 개도에 따라 유량의 변화가 등비율 구조로 됨

유체의 온도

내부누설의 관리 정밀도

유체의 입구 압력과 밸브 출구측의 공정요소가 요구하고 있는 압력(밸브에서의 설계차압)시스템 운전환경(증기 블로우다운 복수기 방출 개폐빈도등)유체의 종류

트림의 유지보수의 편이성

특히 유체의 흐름이 이상유체(二相流體 Two Phase Flow)인 경우 트림에서의 제어성이 곤란하며

차압(差壓 Differential Pressure)이 클 경우 유체의 성상을 변화시킬 수 있음으로 이를 방지할 수

있는 구조의 트림을 설계하여야 한다실질적으로 트림구조의 안정성은 유체의 제어특성 소음과 진동 케비테이션과 후라싱등으로 그

현상을 판단할 수 있다③ 유체의 화학적 반응도에 따른 밸브 재질 구조의 안전성밸브는 다양한 성상의 유체를 다루기 때문에

공정유체의 종류에 따라 밸브를 구성하는 재질은 화학적으로 상호 반응이 없는 것이어야 한다즉 밸브 재질의 유체 종류별 부식침식(Corrosion amp Erosion)성을 판단하여 선정하는 것이다 이에

대한 것으로는 이미 과월호에 구체적으로 설명한 바 있다④ 밸브의 운전조작의 합리성밸브는 운전부품(Moving Parts)인 스템 디스크와 압력유지부품

(Pressure Retaining Parts)인 몸통 본네트 또는 캡 본네트 볼트등으로 구성된 밸브 몸체가 있고 운전부품의 조작에 필요한 밸브 요크 슬립 핸들 또는 구동부로 구성된 밸브 조작부가 있다밸브를 자동으로 구동하는 경우에는 제어상 필요에 의하여 밸브조작 보조기기류가 추가된다밸브의 운전 조작의 합리성에서 가장 우선적으로 고려되어야 할 사항은 다음과 같다 밸브의 내부 및

외부 누설문제밸브의 개폐에 필요한 운전토오크의 관리문제

밸브의 개폐속도

밸브의 설치상 제한사항

밸브 구동조작의 방법

밸브 설치환경(방폭 본질안전 기밀등급등)시스템 추종성

특히 밸브의 핵심 부품중의 하나인 글랜드 패킹의 설계문제는 패킹 재료 스터핑박스의 구조 패킹

글랜드 후렌지의 패킹 가압력 스템 및 스터핑박스 내면에서의 표면거칠기 등으로 구분된다 이

글랜드 패킹문제는 외부 누설문제 운전토오크 개폐속도에 직접적으로 영향을 미치고 연속 자동제어

밸브의 경우에는 패킹가압력이 과도하면 밸브의 제어성을 상실하는 사례도 있다밸브의 구동조작의 방은 매우 다양하다 수동조작과 자동조작으로 대별되며 자동조작의 경우

구동부의 형식과 구동 동력원에 따라 다음과 같이 구분할 수 있다전기구동식(회전)[Gear Mechanism]-선형구동(Linear Motion)-90회전구동(Quarter Turn)유압구동식(전기모터-유압발생)[유압실린더]-선형구동(Linear Motion)-90회전구동Scotch Yoke공압구동식

-선형구동

-90회전구동Scotch Yoke-90회전구동Rack amp Pinion-Air Motor 구동방식

-Piston Type-Diaphragm Type42회(9812월호)밸브 사용상의 제한사항

밸브는 기능상의 요구사항으로써 차단용 밸브(Isolation Valves) 조절용

밸브(ModulatingThrottling Valves) 과압보호용 밸브(Pressure Relief Valves) 역류방지 밸브

(Non-Return Valves) 등이 계통에서 요구하는 제어기능을 적절히 수행하게 된다앞에서도 언급했듯이 특정 밸브는 특정 기능을 수행하도록 설계되어 있으나 일반적인 대부분의

밸브들은 차단 및 조절기능을 함께 수행할 수 있으므로 계통에서 요구하는 제어기능이 명확할 경우

사용상 또는 적용상의 제한사항이 뒤따른다 다음은 대표적인 각 밸브별로 사용상의 제한사항들을

요약한 것이다(1)차단기능의 밸브

1)게이트 밸브

최적의 설치조건은 수평 배관상에 스템이 수직으로 설치되어야 운전성 및 구조적 건전성이 높아진다 그렇지 않은 경우 수명이 짧아지고 분해 수리가 어렵다배관의 난류원인 피팅에 가깝게 설치하지 말아야 한다특별히 압력 밀봉식(Pressure Seal) 본네트 구조의 게이트 밸브는 필히 수평 배관에 본네트가

수직으로 위쪽에 설치되어야 한다단기간의 유량조절만 가능하므로 완전열림 완전닫힘의 밸브로 취급되어야 한다2)글로우브 밸브

앞의 게이트 밸브와 같은 방법으로 설치되어야 한다 오히려 게이트 밸브의 설치위치와 방향보다도 더

엄중하게 고려되어야 한다일반적으로 유체흐름 방향은 글로우브 밸브의 시트에서 디스크로 흐르는 상향식 흐름이나 진공라인의

경우에는 하향식 흐름으로 되어야 한다일반 화학공장에서 방폭지역 등급에 따른 경계에 밸브로 차단기능을 할 때는 상향식이나 하향식을

방재 방안에 맞춰 정해야 한다기타는 게이트 밸브와 유사하다3)버터플라이 밸브

설치는 스템이 배관라인에 수직이 되게 한다 수평배관에 설치되는 경우 스템이 경사지게 설치되면

과도한 토오크 및 토오크량 변화에 따른 진동이 유발될 수 있다배관의 엘보우나 펌프 토출측에 너무 가깝게 설치되어서는 안된다 적어도 배관직경의 6~10 배만큼

떨어져 설치되어야 한다유속이 빠른 계통에의 버터플라이 밸브 적용은 운전 토오크의 문제로 가급적 피한다4)볼 밸브

소프트 시트인 경우 사용온도는 200를 넘지 않도록 한다메탈시트인 경우 슬러지성 유체나 불순물이 많은 유체 계통에는 사용할 수 없다차단용 기능의 볼 밸브는 20 이하의 개도에서 유량조절을 할 수 있으나 장시간 사용해서는 안된다5)플러그 밸브

플러그 밸브의 경우 배관 작용력에 민감하게 작동 토오크가 변화되므로 고온 계통에서의 적용시에는

배관 및 배관지지대의 형상 및 구조를 참조하여 설치 위치를 정하거나 또는 플러그 밸브가 열하중에

민감한 점을 감안하여 밸브 종류를 재선성해야 한다계통 적용시 플러그 밸브는 보수 유지가 매우 어려운 점을 감안해야 한다6)다이아후램 밸브

낮은 압력에 낮은 온도의 유체에만 적용한다

8Prime(200mm)를 넘는 밸브에는 바람직하지 않다수평배관에 스템이 수직으로 설치되어야 한다(2)조절기능의 밸브

조절기능의 밸브는 계통의 운전조건에 따라 상당히 많은 사용상의 제한사항이 뒤따른다 거의

대부분의 조절기능의 밸브에서의 문제점은 계통의 차압(System Differential Pressure)과

밸브에서의 차압(Control Valve Differential Pressure)으로써 우선 집약된다즉 계통에서 요구되는 차압 P(요구된 P Assigned P)가 조절용 밸브를 포함한 실제 운전시의

차압 P(실제 P Actual P)간의 차이는 조절용 밸브의 잠재적 문제점을 가늠하는 척도가 될 수

있다밸브 종류별로 적용상의 차이는 있지만 실제 조절기능의 밸브의 근본적인 문제점과 사용상의

제한사항은 이들 P 의 차이에서 그 정도를 평가할 수 있다1)글로우브 밸브

가장 다양한 종류의 유체 제어 기능을 갖도록 되어 있는 밸브이기 때문에 직접적으로 유체 제어

기능을 수행하는 밸브트림의 선정에 주의해야 한다케비테이션이나 후라싱등의 현상은 밸브선정 데이터로부터 예측되므로 이러한 현상을 극복할 수

있도록 설계된 트림을 선정하거나 후라싱과 같은 경우에는 아예 후라싱 서비스용 밸브로써 장시간

운전될 수 있는 구조의 밸브로 선정한다수평배관에 스템이 위로하여 수직으로 밸브가 설치되어야 한다 조절용 글로우브 밸브는 대부분

타력식(Power Actuated)이기 때문에 설치방법이 적절하지 못할 경우에는 내부 밸브부품 트림접촉부위 시트부위는 물론 패킹의 수명까지도 단축시키는 경우가 매우 많다별도 항목의 제어밸브에서 트림형식별로 구체적인 사용상의 제한사항을 작성할 계획이다트림형식은 제작사 마다 고유의 기술이 접목되어 있으므로 이에 대한 평가는 유체제어 특성별 트림의

제어범위(Rangeability)별로 하여 단순비교하는 방법으로 할 계획이다2)버터플라이 밸브

일반적으로 개도 60~70에서 토오크의 변화가 크므로 버터플라이 밸브는 압력-온도 기준상 ANSI 300 이내에서 사용하도록 권장된다유량특성상 등비율특성(Equal Percentage)이므로 선형이나 급개형(Linear or Quick Opening)을

요구하는 계통제어에는 적합하지 않다정밀한 유량제어에 사용해서는 안된다난류원인 엘보우나 펌프토출측에 너무 가깝게 설치해서는 안된다 적어도 난류원으로부터 최소 6D이상 떨어진 배관라인에 설치해야 한다계통 특성상 케비테이션이 일어날 수 있는 조건의 경우라면 버터플라이 밸브의 적용은 피하도록

한다 이는 버터플라이 밸브가 전형적인 높은 압력회복(High Recovery Valve)을 하는 밸브이기

때문에 낮은 차압(P)하에서도 케비테이션을 일으킬 수 있기 때문이다3)볼 밸브

일반적으로 버터플라이 밸브와 거의 유사한 유체역학적 특징을 가진 밸브이다 저개도 운전시 유체

제어성이 특별히 떨어지기 때문에 정밀한 유량제어에 사용할 수 없다 특별히 편심구조의 반구형 볼

제어밸브(Eccentric Rotating PlugBall Control Valve)의 경우에는 슬러지성의 유체제어에

적합하나 고온 고압의 고에너지 유체계통의 적용은 곤란하다4)레귤레이터

레귤레이터는 프로세스에서 프로세스가 갖고 있는 물리적 양을 참조하면서 계통의 압력 온도 및

유량을 조절하는 밸브로서 급격하고 빈번한 물리적인 변화가 업삳면 비교적 값싸고 간단하게

믿을만한 제어효과를 가질수 있는 제어밸브이다통상적으로 밸브의 출구측(Downstream)의 압력이나 온도 또는 유량의 변화를 작은 제어관(Control Line)으로 직접 감지하여 입구측(Upstream)의 물리적량과 비교하여 설정하고자 하는 물리적량

(Setting Valve)의 변수를 밸브 자체의 스프링 값으로 제어하는 것이다 레귤레이터에 대한 구체적인

내용은 본 배관기술지 신년호를 통하여 별도 기고할 것이다레귤레이터의 구동구조는 열에 민감한 액체를 이용하여 계통의 온도제어 후로우트(Float)를 이용한

계통의 차단이나 수위 조절 기능 또는 급배기(Vent Drain)와 같은 계통의 안전기능 또는

레귤레이터의 다이아후램 구동장치에 직접적으로 작용하는 제어 목적의 계통압력(Process Fluid Acting on the Valve)등에 의해 작동된다 따라서 레귤레이터는 계통 적용상 상당한 제한사항이

뒤따른다감압밸브(Pressure Reducing Regulators)단동형 감압밸브(Single Stage Pressure Reducing Valve)는 유량변화가 큰 경우 최대

유량조건하에서 감압의 정밀도가 떨어짐으로 정밀한 감압의 효과를 얻기 위해서는 복동식 감압밸브

(Two Stage Pressure Reducing) 또는 파이롯트식 감압밸브를 사용한다복동식 감압밸브의 경우 사용 유체는 청결한 것이어야 한다 파이롯트 밸브의 노즐이 불순물에 의해

막힐 경우가 있기 때문이다 가급적 필터 내장형의 밸브로 선정한다단동형 감압밸브의 최대 제어 가능한 유량은 증기일 경우 500kgh 로 하고 보다 큰 용량이 필요한

경우에는 작은 제어관을 밸브내부에 설치하지 않고 밸브 출구측의 5D 거리에 따로 설치하여 이

제어관을 통한 출구측 제어압력이 다이아후램에 직접 연결되어 제어되도록 해야한다설치시 수평배관상에 스템이 수직으로 하여 설치하고 필히 과압보호용의 안전밸브나 릴리이프 밸브를

함께 설치하여야 한다 이때 과압보호용 밸브의 설정압력은 감압밸브의 설정치 보다 10~15 높은

압력으로 설정한다5)역류방지 밸브

〔스윙체크 밸브〕

스윙체크 밸브는 체크밸브 중에서 가장 압력손실이 낮은 밸브이기 때문에 밸브에서의 손실(P)에

너무 민감하게 밸브를 선정할 필요가 없다 즉 계통의 유량과 압력을 고려하여 과대하게 선정되지

않도록 주의해야 한다 과대하게 선정(Oversiging)되었을 경우 스윙이 완전히 개방위치에 있지 않고

계속 열림닫힘을 계속하게 되므로 마모로 인한 밸브 기능의 손상사례가 많다체크밸브 전단에는 엘보우등과 같은 난류원(Turbulance Source)이 일정한 간격을 유지하고 있어야

한다스윙체크 밸브의 전단에는 적어도 약 5D 이상의 직선관이 있어야 잠재적인 문제점을 사전 예방할 수

있다스윙체크 밸브는 수평배관상에는 디스크가 수직으로 설치되어야 한다계통의 유체흐름이 불균일한 경우에는 노즐체크 밸브와 같은 다른 체크밸브를 고려한다 체크밸브는

설치용 밸브의 기능을 수행할 수 없다가스공급 계통에서의 적용은 피하는 것이 좋다리프트 체크밸브(Lift Check Valve)유속이 낮은 드레인 계통과 같은 계통에서는 리프트 체크밸브의 선정은 적절치 않다

설치는 수평배관상에 피스톤이 수직으로 설치되어야 한다저에너지 계통에서는 압력손실이 비교적 많기 때문에 적용에 유의하여야 한다스프링식 리프트 체크밸브의 경우 가스와 같은 압축성 유체계통에 적용시에는 디스크의 채터링

현상이 야기될 수 있으므로 적용해서는 안된다깨끗한 유체계통에 적용된다 더러운 계통에의 적용시 불순물이 피스톤과 밸브의 가이드면에 끼어서

운전불능 상태에 빠질 수 있다〔틸팅 디스크 체크밸브(Tilting Disc Check Valve)〕리프트 체크밸브나 스윙체크밸브에 비하면 여러 가지 장점이 많은 밸브이나 보수측면에서 보면

현장에 설치되어 있는 상태로는 보수 또는 수리가 블가능한 밸브이다43회(991월호)밸브의 설치

1설치환경의 검토

밸브 제작社는 완성된 밸브를 정해진 규정 및 주문자의 요구에 따라 제반시험 및 검사를 시행한 후 적절한 방법으로 포장해서 설치장소로 운반한다 대부분 밸브의 설치장소는 그 환경이 청결하지

못하며 특히 신설되는 프로세스에 설치되는 경우에는 매우 불결한 환경에 놓이게 된다 일단 밸브의 설치에 앞서 모든 밸브는 입고검사를 시행한 후 창고 도는 임시 보관장소에 보관되는데 밸브의 입고 및 설치를 위한 사전 준비사항은 다음과 같은 절차와 방법으로 수행한다(1)입고검사

모든 밸브는 운반 중 또는 포장 해체시에 입었을지 모르는 손상을 확인해야 한다 아울러 밸브 종류별 밸브번호(Tag No)별로 구분하여 보관하고 사전 입수된 설치 및 보수절차서(Installation amp Maintenance Instruction)에 따라 필요한 조치를 한다스테인리스 밸브와 주강제 밸브는 일정한 간격을 두고 보관하도록 하며 밸브를 바닥에 직접

보관해서는 안된다 밸브는 적어도 바닥에서 6cm 이상 높은 파렛트 위에 보관해야 하며 통풍이 잘

되는 곳이어야 녹의 발생을 억제할 수 있다만약 손상된 밸브가 있다면 손상의 정도를 확인하여 제작자에게 알리는 등의 적절한 조치를 취한다 주요 확인 사항으로는 핸드휠이나 스템 축의 벤딩여부 스위치 등의 전장품의 훼손 여부 볼트 체결의

이완여부 및 누락여부 밸브노즐 보호카바 페인트의 손상여부 예비부품의 확인 등이다 특히

서비스용 밸브 패킹의 확인은 매우 중요하다(2)밸브 품질문서의 확인

밸브는 계통에 있어서 하나의 제어요소이자 압력유지 부품으로써 품질문서의 확인 및 관리는

필수적이다 밸브의 품질문서는 대략 다음과 같다수압검사성적서(Hydrostatic Shell amp Seat Test Certificate)재질증명서(Material Test Certificate)비파괴검사성적서(NDE Test Certificate)설치 및 보수메뉴얼(Installation Operation and Maintenance Instruction)이들 품질문서는 발주시 제시되었던 품질문서 요건과 비교하여 누락된 것이 없도록 한다(3)저장

저장은 앞서 간단히 언급한 바와 같이 비 바람 및 이에 따른 먼지 등의 비산에 의한 문제 발생을

최소화하기 위하여 실내로 하고 밸브의 양쪽 노즐 보호카바는 설치될 때까지 떼어내서는 안된다 제어밸브나 모터구동밸브와 같은 자동밸브들은 구동장치 및 관련 액세서리의 훼손 가능성이 높기

때문에 포장된 박스에서 꺼내어 보관하지 말고 가능한 한 원래의 포장상태로 보관하는 것이 안전하다(4)취급 및 설치준비

밸브의 무게가 30kg 이 넘는 밸브들은 가능한 한 밸브 몸통 아래에 나일론 줄을 대고 전체적인

밸런스를 맞춰가면서 밸브를 수직으로 하여 주의 깊게 취급한다일단 설치장소로 옮겨지면 밸브 양쪽 노즐의 보호카바를 제거하여 노즐의 상태를 필히 확인해야

한다 맞대기 용접(Butt Welding End)의 경우 노즐에서의 녹 발생여부와 함께 끝단의 찍힘 등

손상여부를 확인한다 녹이 발생된 노즐은 적절한 방법으로 녹을 제거해야 한다 녹 제거용 용재로는

아세톤이나 알코올이 사용될 수 있으나 염소 성분이나 불소 성분이 있는 용재는 절대 사용해서는

안된다(5)게이트밸브의 설치시 유의사항

게이트밸브의 설치는 게이트밸브가 양방향성의 흐름을 갖기 때문에 설치 방향의 문제는 없으나

다음의 조건하에서는 설치 방향을 필히 지켜야 한다밸브 디스크에 과압 릴리프 구멍이 뚫려 있는 경우에는 릴리프 구멍이 밸브의 유로 입구측이 된다밸브의 디스크(Wedge)는 완전히 잠근 후 배관에 설치해야 한다 디스크를 완전히 잠그지 않고

용접을 하거나 프렌지 체결을 할 경우 이물질이 시트사이에 끼기 쉽고 용접 연결의 경우 디스크가

비틀려질 염려가 있기 때문이다바이패스 밸브가 설치된 게이트밸브의 경우에는 설치 방향이 정해져 있기 때문에 유로 방향을 필히

확인해야 한다(6)글로브 밸브 설치시 유의사항

글로브 밸브는 유로의 방향성이 정해져 있으며 대개 디스크의 아래쪽에서 디스크의 윗부분으로

유로가 흐르는 상향식 유로 구조이다그러나 수동밸브라 할지라도 유체의 조건이 매우 가혹한 경우에는 하향식을 채택하는 경우도 있기

때문에 고에너지를 다루는 배관계통에의 글로브 밸브는 설치방향을 정확히 확인해야 한다또한 글로브 타입의 제어밸브의 경우에는 시스템 특성에 따라 유로 방향을 달리 적용하는 사례가

많다 예를 들어 후라싱(Flashing)이 발생할 수 있는 히터 드레인 계통(Heater Drain System)과

같은 경우에는 대부분 하향식 유로를 채택하고 있다글로브 밸브의 설치 또한 밸브 시팅구조의 손상을 방지하기 위하여 밸브 디스크를 완전히 잠근 다음

용접 등의 체결 작업을 해야 한다(7)체크밸브의 설치시 유의사항

체크밸브를 배관계에 설치하기 전에 설치위치 설치방향 및 유로 방향에 보다 많은 주의를 기울여야

한다(8)버터플라이 밸브의 설치시 유의사항

버터플라이 밸브는 개도 40~60 사이에 유로의 강도(유속 압력)에 따라 개폐의 토오크가 크게

변화한다 따라서 수동조작인 버터플라이 밸브의 운전시 급격히 유체의 힘에 의해 개폐가 될 수

있음으로 밸브조작을 레체트(Ratchet) 방식으로 하여 안전사고를 방지해야 한다 엘보우와 같이

난류원(Turbulent Source)이 있는 경우 버터플라이 밸브의 설치방향 특히 스템 방향이 밸브의

안전한 운전(진동이 증폭되지 않는)에 많은 영향을 준다 즉 엘보우가 만드는 평면과 밸브의 스템축이

일치하도록 설치해야 진동이 증폭되지 않고 만약 스템축이 일치하지 않을 경우에는 버터플라이

밸브의 디스크가 오히려 난류원의 진동을 증폭시킬 수 있기 때문이다아울러 버터플라이 밸브는 대부분 대형사이즈의 밸브이기 때문에 설치시 볼트의 토오크 관리가

일정해야 하고 배관설치시 일어날 수 있는 연결 프랜지의 평행도를 사전에 확인하여 볼트 토오크의

편심이 생기지 않도록 해야한다(9)볼 밸브의 설치시 유의사항

볼 밸브는 설치 위치에 큰 영향을 받지 않으나 가능한 스템축이 운전조작에 편리하도록 하고 조작

핸들이 상부로 되도록 한다 왜냐하면 비교적 높은 조작 토오크가 필요하고 볼 밸브의 취약부인

패킹부분으로 찌꺼기가 끼지 않기 때문이다소켓용접이나 맞대기 용접시에는 제작자의 설치메뉴얼에 따라 적절한 조치를 취한 다음 용접을

하도록 한다 이는 볼 밸브의 시팅구조를 보호하기 위함이다(10)플러그 밸브

전형적으로 플러그 밸브는 다른 밸브에 비하여 매우 높은 조작 토오크를 가진 밸브이다 윤활형

플러그 밸브(Lubricated Plug Valve)의 경우 플러그와 밸브 몸통과의 간격(Clearance)이 매우 적기

때문에 배관작용력(배관설치시 오프셋 발생 열팽창 영향등)이 이들을 바인딩하여 밸브 조작을 어렵게

할 수 있다 플러그 밸브의 핸들은 다른 밸브에 비해 상당히 크기 때문에 밸브 설치시 핸들의 조작

공간을 크게 잡아놓아야 한다2분해 및 조립

(1)밸브의 분해 및 점검을 위한 사전 점검

밸브를 점검하거나 보수를 위해 시행하는 사전 점검은 매우 중요한 일이다밸브를 분해하고 점검하는 것은 주어진 현장여건상 대부분 열악한 환경에 처해 있다 그러나 이러한

조건들을 치밀한 작업공정 계획과 작업준비로서 대처해 나가야 한다 분해작업 전에는 사전 준비로서

관련자료(특히 설치보수 매뉴얼의 사전 숙지는 필수임) 공기구 소요자재 등의 준비는 물론 다음에서

언급하는 절차에 따라 필요한 조치를 취한다특히 정비 및 점검항목 체크리스트를 사전에 준비하면 더욱 좋다 이렇게 하면 작업시 밸브의

점검요소는 물론 어느 계통의 어느 밸브까지 일목요연하게 할 수 있기 때문이다다음은 사전 점검 요소이다전회의 운전 및 정비기록을 검토

전회 정비시 주요한 문제점을 발췌 숙지

현장답사(Work Down)를 통한 작업장의 여건과 안전상태를 사전점검

현장답사 결과 작업루틴(작업 개소별 작업순서)을 작성

필요시 운전원의 의견을 참조하여 정비기록에 기입

밸브자재 사양과 기존 사양과 동일한가를 사전 점검

(2)분해 및 조립을 위한 사전 준비

사전준비로서 분해 조립을 위한 공간확보 공기구 준비 관련검토 자료의 숙지이다 관련 검토자료는

대략 다음과 같다 그러나 가장 중요한 것은 운전원에 의한 밸브의 문제점을 충분히 자세하게

청취하는 것이다검토 자료는 다음과 같다정비 요청서 또는 작업지시서(운전실rarr정비실)운전일지 등(필요시)밸브 이력카드

설치 및 보수 매뉴얼

설치도면(제작자 도면 및 배관 배치도면)

계통도

(3)밸브를 배관으로부터 분리

밸브를 배관에서 떼어내는 일은 일반적인 기계장치의 분해와 같이 일정한 원칙 하에 분리되어야 한다 분리원칙이라 함은 먼저 분리하기 전에 분해 여건(시간 공간 환경)을 확인하고 관련된 계통의 안전

여부를 필히 확인해야 한다이러한 분리 및 분해 여건이 거듭 확인된 후에는 다음의 절차에 따른다밸브를 계통과 분리하기 전에 최우선적으로 꼬리표를 부착한다꼬리표와 함께 밸브 보수메뉴얼을 준비한다꼬리표와 함께 보수 작업 공구 및 필요 소모품을 준비한다꼬리표와 함께 주변을 청결하게 준비한다인양장치 준비 후 점검한다각 볼트를 풀기 전에 체결 위치를 확인할 수 있도록 표식을 해둔다플랜지면 또는 본네트 커버와 밸브 몸통부에 표식을 해둔다볼트 등을 풀기 위해 WD-40 과 같은 침투유를 체결 나사부위에 충분히 살포해 둔다각 볼트 너트는 일단 느슨하게 풀어놓는다배관의 설치상태(배관지지대 위치 등)를 점검하고 배관이 당겨져 설치(Cold Pulling)되었는가를

볼트를 풀면서 확인 서서히 볼트체결을 풀어낸다완전히 볼트를 풀어내기 전 인양장치에 필요한 인양조치를 해둔다제어밸브와 같이 밸브내부 부품이 별도로 많은 경우 내부 부품을 들어내기 전에 기존 조립된 위치를

확인할 수 있도록 특정 부위에 표식을 한 후 인양장치로 내부 밸브를 분해한다플랜지 밸브의 볼트의 제거는 조금씩 제거하되 대각선 방향으로 양쪽 한 개씩의 볼트는 남겨 두어야

한다 그리고 밸브 하단에 지지물을 대고 필요한 인양조치를 취하여 나머지 볼트를 제거한 후

인양한다플랜지식 밸브의 경우 플랜지면의 쎄레이션을 점검하고 상태가 양호하면 쎄레이션 부위를 적절한

방법으로 보호 조치한다모든 분해된 부품들은 안전한 장소에 정리하여 보관한다(4)밸브몸통의 분해

밸브의 본체 분해는 앞서의 절차에 따라 밸브를 배관으로부터 분리한 후에 실시하거나 배관에 설치된

상태 하에서 밸브의 점검을 위하여 시행하는데 절차는 다음과 같다밸브 핸드휠 고정 너트를 푼 다음 그랜드 너트와 본네트를 밸브 몸통에서 분리한다분리된 본네트에서 스템을 제거한다 스템 제거시 파이프 렌치의 물림 위치는 스템의 백시트 아래쪽을

이용한다스템을 제거한 후에 패킹을 제거한다몸통내의 내부 밸브(Trim)들을 제거하기 위해 가스켓을 제거하고 주의 깊게 내부밸브 부품을 조립된

순서의 역순으로 제거한다44회(992월호)〔보수관리〕

모든 밸브는 본래의 기능을 제대로 발휘하기 위해서 구성 부품의 하나 하나가 구조적으로 충분한

강도를 유지하여야 함은 물론 마모나 마찰 또는 유체와의 상호작용 등 외부적인 역학 구조에서도

건전하여 운전의 신뢰성을 확보하여야 한다

따라서 밸브를 설계할 때 이러한 사항을 계산이나 경험 그리고 실증실험을 통하여 설계의 파라미터를

정하고 이 파라미터에 따라 밸브의 형상과 재질 그리고 유체흐름에 있어서 동적 정적인 유체의 힘에

대한 적절한 대책을 밸브 구조에 반영해야 하는 것이다 또한 이렇게 설계되어 제작된 밸브는

검사라는 행위를 통하여 설계 사양서 대로 제작되었는가 설계에서 요구된 기능들이 제대로 역할을

수행할 수 있는가를 검증한다 그러나 이러한 과정을 통하여 출하된 제품은 그 자체로 그 시간대에

완벽하다고 할 수 있으나 이들 밸브들을 설치한 배관 시스템에 있어서는 시스템 전체의 수명까지

보증되어 있지 않은 경우가 많으며 경우에 따라서 보증이 불필요한 경우도 많다 특히 밸브의

경우에는 사용환경이 매우 복잡하여 어떤 유체를 어느 압력 어느 온도에 사용하는 가에 따라서 밸브

자체는 물론 관련 시스템의 수명에 큰 영향을 받게 된다일례로 밸브의 사용 유체가 해수이고 사용온도의 범위가 10~20이며 설계압력이 20kg 유량이 6000kgHr 로서 밸브를 포함한 시스템의 수명기간이 40 년인 어떤 플랜트에 밸브가

설치되어 있다면 실제로 이 시스템에 설치된 모든 각각의 기기들이 40 년의 수명을 지킬 것이라고

보는 기술자는 아무도 없을 것이다주기적인 점검과 예방정비는 물론 적절한 보수를 통하여 수명을 지속시키는 것이다 따라서 밸브의

보수라는 것은 어떤 사고 또는 발생된 문제에 대한 백업(Back-up) 행위가 아니고 문제가 발생될

것이라는 예상 하에 필연적으로 예상되는 밸브의 노화에 대한 예방과 실제 발생된 문제에 대한 적절한

처리인 보수 행위가 있으며 이를 한데 합쳐서 밸브의 제반 성능 및 기능을 총체적으로 관리하는 것을

큰 의미의 보수 업무라고 할 수 있다다음 [그림 1]은 보수와 사이클을 설명하고 있다 [그림 1]에서와 같이 실제 제품은 충분한 강도를

갖고 제기능 및 성능을 유지하고 있지만 시간의 경과에 따라 부품이 열화되어 설계 Level 보다 더욱

내려와서 거기의 기능 유지에 필요한 최소한의 강도 한계가 되면 고장이 생기게 된다이 그림에서 보수를 언급하면 (Ⅰ)단계에서는 당연히 설계 Fiterscopes 레벨 위에 있기 때문에 성능이

유지되고 있으므로 특별한 보수 업무는 없다고 볼 수 있으나 기기의 상태를 확인하는 정도의 보수

업무는 계속된다 그 다음 어느 정도의 시간이 흐르면 (Ⅱ)영역에 이르게 되는데 이 영역은 예방보수

업무가 무엇보다도 중요한 시기로서 기기에 대한 어떠한 예방 보수가 취해지지 않으면 안되는

영역으로 사소한 게으름으로 인하여 큰 고장을 야기할 수 있다(Ⅲ)영역에 이르면 고장이 발생되며 따라서 긴급한 보수가 필요한 영역으로서 설비 전체가 정지 또는

제한 운전이 되며 경우에 따라서 계통을 분리하지 않으면 안되는 경우가 있음으로 이러한 지경에

이르지 않도록 (Ⅰ)(Ⅱ)단계의 업무는 매우 중요하다여기서 (Ⅲ)영역은 좁은 의미의 수리 또는 보수(補修)이고 (Ⅱ)영역을 포함하면 넓은 의미의 보수(補修)라 할 수 있다 (Ⅰ)의 영역은 단순히 점검이라고 할 수 있으나 (Ⅰ)(Ⅱ)(Ⅲ)영역 모두를 총칭하여 보수(保守) 또는 보전

(保全)이라고도 말한다다시 말하여 보수 업무의 목적은 기기가 필연적으로 진행되는 열화(또는 노화)와 확률적으로

발생하는 고장에 대비하여 기기를 설계 Level 이상으로 기능과 성능을 유지시키는 일로 요약할 수

있으며 영어로는 Maintenance 라고 부른다1밸브의 고장

각종 산업분야에서 프로세스의 가장 중요한 요소로서 사용되는 밸브는 산업의 고도화와 이에 따른

고신뢰성의 요구로 날로 그 기술이 발전되고 있다그러나 밸브 구조는 여타 다른 기계 장치와 달리 비교적 간단한 구조로 구성되어 있으나 직접적으로

압력을 받으며 사용목적에 따른 밸브기능을 완벽하게 수행해야 하므로 사용목적 기능 및 사용환경에

따라 그 종류가 매우 다양하며 중요부품은 매우 엄격한 해석 및 기능시험을 거쳐 설계 제작됨으로 가혹한 조건하에서 사용되거나 계통 운전상 최종 제어장치로 쓰이는 제어밸브등과 같은 경우에는

주문제작이 필수적이며 이에 따라 가격차이도 천차만별이다본고는 중요 프로세스에서 사용되는 비교적 고가 밸브의 고장 및 손상 원인 등을 고찰하여 봄으로서

밸브의 전반적인 보수 관리에 도움을 주기 위함이다 한 예로 일본의 발전소용 고온고압밸브의 전문

제작사인 오까노 밸브에서 최근 조사한 고온고압밸브의 제반 고장 상황은 다음과 같다 고장

발견시기는 시운전시 전체 고장건수의 약 36가 발견되는데 이것이 초기 고장에 해당한다 운전시의 고장이 실제 프로세스를 정지시킬 수 있는 건수는 비교적 적은 밸브 각 부위에서의 누설등이

대부분이다 따라서 고장 발견은 대다수가 정기 점검 또는 정지시가 약 절반이며 운전중의 고장

발견은 약 10~13 내외이다밸브 종류별 고장 발생률은 약 절반이 통상의 게이트 및 글로브 밸브이며 안전밸브도 약 20가 시트

누설등의 고장률을 기록했다 이외에 제어밸브에서도 게이트 밸브의 절반정도인 11~14의

고장률을 기록하였으며 우리들이 일반적으로 소홀히 관리하고 있는 체크밸브에서는 약 10의

고장률을 보였다 고장의 내용은 매우 다양하나 비내압부품(Non Pressure Retaining Parts)에서의

균열 파단 및 절손 내압부품간의 경제구역인 디스크 시트등의 육성 용접부(Hardfacing)에서의

균열 안전밸브 시트부위에서의 누설 모터 구동밸브의 구동장치 불량 밸브디스크의 개폐동작 불량 밸브본네트가스켓 누설등의 순서로 약 7~11를 점유하였으며 6 내외가 내부밸브에서의 침식 내부밸브 디스크 시트에서의 내부 누설 등이었다이외에 내압부품에서의 손상이 4 운전중 부품의 이완으로 인한 고장과 이상승압(Pressure Locking) 고온고착(Thermal Binding)현상이 약 35 내외를 차지하였다 여기서 특별한 것은

안전밸브를 제외하고 모든 밸브가 운전중 고장을 확인할 수 있는 그랜트 패킹에서의 누설등 외부누설

및 구동장치의 불량을 제외하고는 거의 대부분의 경우가 정기점검시에 발견되었다는 사실을 염두에

둘 필요가 있다 이상과 같이 밸브의 손상구조는 매우 다양하게 구성되어 있으며 의외로

비내압부품에서의 손상이 밸브의 동작불능을 야기하는 경우가 많다다음으로 밸브의 손상 메카니즘을 역학적 측면에서 손상현상을 고찰하여 보면 밸브의 1 차 기능인

유체수송의 제어기능을 수행하는 가운데 발생하는 유체역학적 불안정성으로 인한 케비테이션 과도한

소음 및 후라싱등으로 인한 점진적인 내부밸브 즉 트림의 손상과 밸브구조의 진동원인 제공 등을 들

수 있다아울러 2 차 기능으로 간주되는 밸브 자체의 구조적 안정성의 문제로 인한 구조적 취약성을 생각할 수

있는데 이중에서 특별히 우려되는 것은 1 차기능과 2 차기능이 함께 불안정하게 수행될 대 고장은

증폭되게 된다 이러한 경우는 프로세스를 시운전할 때 주로 발생하기 때문에 밸브에서의 초기

고장발생률은 상당히 높아지게 된다 이후에는 주로 1 차기능 또는 2 차기능의 취약으로 인한

우발고장이 목격되고 사용기간이 길어질수록 고장률은 증가하게 된다 본고에서는 밸브의 손상

메카니즘을 밸브 기능 및 밸브고장의 내용으로 구분하여 상호관계를 규명하여 봄으로써 밸브의

효율적인 선정과 밸브설계에서의 각 밸브 부품별 설계개선의 Weight Valve 를 제시하고 사용자에

있어서는 체계적이고 합리적인 보수방안의 아이디어를 제공하고자 한다2밸브의 손상 메카니즘

1)유체역학적 불안정

밸브에 있어서 유체역학적 불안정은 유체의 수송 및 제어과정 중에서 발생하는데 밸브의 구조와

직접적인 관련이 있다 밸브는 프로세스 배관에서 하나의 제어 요소로 볼 수 있는데 게이트 밸브와 같은 경우는 On-Off 제어

요소이고 글로브 밸브와 같은 경우는 연속제어가 가능한 요소로서 특히 제어밸브는 이러한 목적에

부합되도록 만든 밸브이다 유체수송에 있어서 On-off 목적으로만 사용되는 대표적 밸브인 게이트

밸브에서의 유체역학적 불안정성은 별도 항목에서 설명하고 여기서는 제어밸브의 유체역학적

제반현상을 설명함으로써 밸브의 1 차기능 문제를 다루기로 한다① 유체관로의 압력

밸브 사용에 있어서 중요한 설계 및 운전 포인트가 관로에서의 유체압력이다 프로세스 구성에 있어서

관로 압력의 변화는 피할 수 없으며 관로내 제반압력 손실요소의 존재로 인하여 프로세스의 동력은

원래보다 증가한다 그러나 이 압력손실 요소로서 가장 핵심적인 것이 밸브인데 제어밸브의 경우는

압력손실 요소로서가 아니라 압력제어 요소로서 밸브에서의 압력손실을 적절히 이용할 목적으로

사용된다 일반적으로 유체관로의 유량과 유체관로에서의 밸브 전후간의 압력손실량과의 관계는

압력손실량 즉 압력차의 제곱근에 비례한다그런데 여기서 유의할 사항은 압력차를 조정하여 유량을 제어하고자 할 때 과도한 유량의 제어는

압력차를 크게 하여 밸브에서의 유체흐름에 불안정을 초래한다 이 관계는 유체의 포화증기압에도

관계되므로 유체의 성질 및 온도가 가변요소로서 유체관로의 압력제어시 필히 검토할 사항이다 또한

밸브의 2 차 기능으로 보아 유체관로의 압력은 밸브의 크기를 결정하는 직접적 요인이 되는데 이

관계는 밸브 선정시 가장 먼저 검토하는 압력온도기준(PressureTemperature Rating)으로 가장

일반적으로 사용되는 기준은 ASMEANSI B 1634 로서 1996 년도 판이 가장 최근 판이다 1 차

기능의 수행과정중 가장 빈번하게 발생되는 손상구조는 압력제어시 밸브에서의 압력 손실량이 매우

커서 밸브교축부의 압력이 유체의 포화 증기압보다 내려갔다가 밸브 후단에서 다시 회복되는

과정에서 생기는 케비테이션(Cavitation)이다이 케비테이션은 순간적으로 기포를 생성하고 다시 압력회복시 붕괴되는 과정에서 매우 큰 충격압을

밸브트림에 가하게 됨으로써 트림구조의 케비테이션 손상을 일으키고 아울러 정도의 차이는 있지만

경우에 따라서 심한 소음과 진동을 유발시켜 밸브의 구동부까지 손상시키는 경우가 있으므로 매우

유의하여야 할 사항이다 발전소에서 복수기로 방출되는 히터 배수 계통의 제어밸브는 상대적 진공인

복수기로 유체가 방출됨으로써 밸브 후단에서 유체의 압력이 회복되지 않고 기포상태로 밸브를

운전하게 되는 경우도 있는데 이는 후라싱으로 표현된다 이 경우에도 케비테이션과 마찬가지로

트림구조를 침식 손상시키는데 케비테이션에 의한 트림의 침식손상이 곰보형태인 것에 비해 아주

매끄러운 침식 손상면을 갖고 있다 밸브의 케비테이션 및 후라싱을 구체적으로 설명하면 다음과 같다② 제어밸브의 Cavitation 및 Flashing제어밸브에서의 케비테이션 및 후라싱은 유체가 교축점을 지날 때 유속과 압력의 관계에 의하여

생기는 현상으로 설계 또는 운전시 주의해야 할 사항이다[그림 2]에서 보는 바와 같이 교축점(VCVena Contracta)에서 유체의 증기압 이하로 압력이

떨어지면 유체내에서 기포가 형성되는데 이것을 1단계 케비테이션이라고 한다 물론 유속은

증가한다 이 교축점을 지나면 유체내의 마찰로 인하여 유속도 점차 감소하고 아울러 압력은 증가하여

압력회복이 이뤄진다 그리고 이사이 기생성된 기포는 붕괴되거나 폭발되어 소음과 진동을

일으키면서 케비테이션 현상은 종료된다 이것을 2단계 케비테이션이라 한다이 현상의 특징은 유체내에 기포가 존재치 않는 상태에서 교축점을 중심으로 유속과 압력의 에너지

교환 과정중 생긴 기포의 생성과 소멸로서 밸브 입구에서의 유체 상태는 과냉상태(Sub-Cooled

Condition주어진 압력하에서 포화 온도보다 낮은 상태)로 되어 있어야 하며 만약 포화 상태의

유체가 흐른다면 출구측에서 계속 기포가 잔류하게 되어 후라싱 상태로 될 수 있다따라서 밸브 출구측의 압력은 증기압 이상으로 되어있어야만 케비테이션이 발생할 수 있다 케비테이션 현상은 기포의 생성 소멸이 짧은 시간동안 지속적으로 일어나면서 밸브에 소음 진동은

물론 밸브 트림에 침식을 일으킨다 이 기포의 생성 소멸의 압력 충격파는 매우 크고(as high as 100000psi) 또한 순간적이며 지속적으로 밸브 금속면에 충격을 가하여 피로 현상을 일으키고 결국

그 부분이 침식을 일으키는 것이다 지금 1단계 케비테이션 현상이 밸브 출구측으로 계속 진행된다면 이를 케비테이션과 구분하여 후라싱이라 한다후라싱은 압력이 유체의 증기압 이하로 계속 유지되면서 유속은 크게 증가되어 있는 현상이다 후라싱이 생기는 원인은 밸브 입구의 유체상태가 과냉 상태이거나 포화상태로서 교축점을 지나면서

더욱 기포가 생성되고 유속이 증가되어 압력 또한 포화 압력이하로 유지됨으로 인한다후라싱은 유체입자를 고속으로 관로면에 충돌시킴으로써 꼭 Sand Blasting 을 한 것처럼 매끄러운

표면을 만드나 계속적으로 진행되면 관로 두께가 얇아지고 결국 손상을 입게된다이러한 케비테이션과 후라싱 현상의 발생 과정중 교축점에서의 비체적은 기포의 생성으로 인하여

증가하게 되는데 만약 교축점에서의 유체 속도보다 비체적의 증가 속도가 크거나 이 점에서

액체기포의 2 상 유체 상태로 그 속도가 음속에 다다르게 되면 케비테이션 또는 후라싱과는 다른

현상이 일어나는데 이를 초크흐름(Choked Flow)이라 한다즉 밸브가 열려 있는데도 유체가 순간적으로 흐르지 않고 간헐적으로 큰 진동 또는 소음을 발생하면서

흐르게 된다그러나 이론적으로 유체의 초크현상은 명확히 규명되어 있지 않다 제어 밸브에 있어서

케비테이션은 밸브 트림을 마멸시키고 큰 소음을 일으킨다③ 유체관로의 유량

어떤 프로세스에 있어서 유량의 제어는 곧 밸브에서의 압력손실량의 정도 즉 압력차를 조절하는 것과

직접적인 관계가 있다 원활한 밸브의 운전은 유량과 압력조절이 자연스럽고 부드럽다는 것이나

압력차를 제어함으로 유량의 다소에 관계없이 유량조절이 된다는 것은 아니다왜냐하면 유체관로의 경제유속을 무시하고 많은 유량이 필요하다고 유체를 고속을 흘려보낼 수는

없으므로 경제유속의 범위 내에서 밸브를 운전해야 한다배관의 부식침식을 고려한 결제 유속은 최대 10msec 정도로 제한되며 트림을 정기교환

보수부품으로 할 경우에도 약 1000psi(71bar)의 차압발생시 50msec 이내이어야 한다 따라서

유량의 문제는 밸브 자체의 크기결정 즉 트림의 크기 결정에 유효하고 압력손실량을 제어하는

요소인 트림의 형상 및 특성에는 2 차적으로 영향을 주게된다 유체 관로의 유량과 밸브간 차압과의

관계는 다음의 식으로 물리적 의미를 음미할 수 있다Cv = 117KQ(GP)05단 P = Pu-Pd Pdgt05Pu Plt05PuQ = 유량(hour)G = 액체의 비중(무차원)P = 밸브간 차압(kg)K = 밸브 트림 및 밸브 형상에 따른 상수(무차원)④ 유체의 온도

유체의 온도는 밸브 적용에 있어 매우 중요한 설계 파라메타일 뿐더러 밸브 운전에 있어 케비테이션

또는 후라싱의 경계 및 한계를 정하는데 중요한 요소이다 아울러 밸브의 구조를 결정하는데 직접적인

영향을 주는 인자로서 특히 고온고압밸브의 경우 내압부 및 밸브 구성부분의 비연속성에 따른 열천이

(굽힘 성분의 모멘트를 발생시킴)로 인한 열응력을 발생시킴으로 이 관계를

주의하여 설계제작 되어야 한다45회(993월호)2)유체흐름의 불균일로 인한 밸브의 진동

유체가 밸브를 통과할 때는 불규칙한 내부형상 또는 유로에 장애물이 있어서 난류(Turbalance)의

발생이 필연적이다 이때 난류는 일정한 주기의 진동을 유발하게 된다 가장 간단한 예로서 게이트

밸브에서 디스크가 중간개도에 있을 경우 와류발생(Vortex Shedding)에 의한 진동이 유발되는데 그

관계는 STROUHAL Number 로 표시되는 관계식에서 알 수 있다 즉S = VofD여기서 S = STROUHAL No로서 Reynolds 수에 관계하고 대략 그 범위는 016~022 를 갖는다f = 와류발생에 의한 유체 유발 진동수

Vo = 입구에서의 평균속도(ftsec)D = 특성 간섭거리(Characteristic Dimension)그러나 이 관계식의 실제 적용 시에는 매우 조심해야 하며 이 식의 결과는 측정치에 대한 자료관리

측면에서 해석적 경향을 파악하는데 유효하며 측정치가 없는 경우의 진동해석에는 무리가 있음을

밝혀둔다특히 버터플라이 밸브 및 볼 밸브와 같은 경우는 밸브개도의 정도에 따라 밸브 및 배관계통에

유발시키는 와류진동(Voltex Vibration)이 밸브 구동부품의 손상을 가져오는 경우도 있는데 버터플라이 밸브는 밸브개도 70 내외에서 볼 밸브는 80 내외에서 가장 큰 진폭의 진동이

유발되므로 개도 조절에 유의해야 한다 무게중심이 높은 대형 전동구동밸브나 다이아후램 구동

제어밸브와 같은 Heavy Top Work 밸브의 경우 밸브 구동부의 요크 강성도가 충분하지 못한 즉 고유진동수가 적은 밸브일 가능성이 높으며 이 고유진동수와 유체흐름의 불균일로 인한 진동의 공진

발생으로 구동부가 손상된 사례가 있다이와 같은 경우에는 구동부를 추가로 지지하던가 요크의 강성도를 높이기 위해 보강하는 게 좋다 그러나 이는 어디까지나 운전시의 진동측정 결과에 기초해야 한다3)유체천이에 의한 밸브의 진동프로세스 계통이 고에너지의 유체를 수송한다면 밸브등 각 제어요소의

운전이 어떤 사고 또는 노화로 인해 제어 불능일 경우가 생긴다또한 펌프계의 불시 정지등으로 인한 수격현상등 유체천이에 의한 유체의 관성에너지가 불균형해져

배관계에 진동을 유발하고 심한 경우 배관의 파단이나 기기 손상까지도 유발하게 된다 한 예로

발전소에 있어서 터빈을 지나온 증기는 보일러 급수를 가열하기 위해 각 히터를 거치는데 이때

히터에서 응출된 증기는 어느 일정 수위가 넘으면 즉시 복수기로 By-Pass 하게 된다이 히터 드레인 제어밸브는 히터의 수위가 정상치보다 높으면 밸브를 영어 복수기로 물을 방출해

수위를 조절하는데 이때 상대적 진공인 복수기와 일정 압력의 히터간 차압은 겨의 밸브 운전압력

정도로 크기 때문에 대부분이 후라싱 서비스 목적으로 밸브를 운전한다이 제어밸브는 복수기에 근접하게 설치되는데 이는 토출측의 배관에서 생기는 후라싱의 악영향을

줄이기 위함이다 그런데 만약 히터에서 제어밸브 사이의 배관이 긴 경우 특히 일직선의 배관이 긴

경우에는 제어밸브를 통한 방출유량 만큼 관로속의 유체는 방출 순간 유체흐름의 관성에너지

불균형으로 진동을 유발하는데 배관계의 지지가 대부분 진동 효과를 고려하지 않는 배관의 자중과열

팽창만을 고려하기 때문에 이러한 비정상적인 운전시 배관계의 격심한 진동과 이에 따른 밸브구조의

구조적 취약으로 인해 제어밸브의 요크 부위가 파단되는 경우가 적지 않다 특히 [그림 1]과 같이

관로의 방향쪽으로 진동 가속도가 크게 작용하는 진동이 있을 경우 밸브 구동부의 무게중심(관로

중심에서 L 만큼 떨어져 있음)에서의 가속도는 0 이므로 순간적으로 밸브 요크에 전단력 및 굽힘

모멘트를 발생시켜 결국 파단에 이르게 한다여기서M = 제어밸브의 총 질량(mL)EI = 제어밸브의 Yoke StiffnessL = 관로 중심선과 밸브 무게중심과의 거리

m = 요크의 등분포 질량

밸브에 있어서 운동에너지는

T = intLO m(x)[Φ(x)Y(t)]2 dxthere4[T=05MY(t)2 그리고 Y(xt)=Φ(x)Y(t)]여기서 Φ(x)는 계의 모양을 나타내는 함수로서 Φ(L)=1 로 한다밸브의 운동모형을

Φ(x)=1-Cos πx2L 라고 하면

Y(xt)=Φ(x)Y(t) = Y(t)(1-Cos πx2L)또한 밸브계의 총 질량 M은

M = intLO m(x)Φ2(x) dx+mL = mintLO(1-Cos πx2L)2 dx+mL = mL2π(5π-8)밸브의 Stiffness K는

K = intLO EI(x)[Φ(x)]2 dx = intLO EI(π2L)4 Cos2 πx2L dx = π4EI32L3밸브 요크에서 Damping 이 없다고 가정하면 밸브에 작용하는 유효하중은

Mu + KU = Feff(t)여기에서 U = Y(t)-Yg(t)로서 상대운동 방정식

그리고

Feff(t) = intLO Peff(xt)Φ(x)상대운동 방정식

그리고

-mLag(t)Feff(t) = intLO -mag(t) 0(x) dxPeff(xt) = mag(t)따라서

-mLag(t)이를 풀면

Feff(t) = 11M ag(t)가 된다따라서 밸브에 작용하는 유효하중은 밸브가 부착된 배관계의 진동 가속도에 직접적으로 영향을

받으며 무게중심에서 상대운동(Relative Motion)에서 응답변위 U 를 구할 수 있어 밸브 요크에서의

응력상태를 평가할 수 있다또한 Feff(t)는 고전적 수격해석방법(물론 실제 상황과는 많은 오차가 있으나 진동 특성의 상대적

평가 분석에는 유효함)으로 밸브 전후단의 압력차에 의한 속도 변화량(V)를 구해 관성에너지 즉 밸브에 생기는 유효하중을 계산하여 밸브 구동부에서의 진동 가속도 및 진폭을 상대 평가할 수 있다 그러나 모든 진동현상이 매우 복잡하게 발생되므로 앞서와 같은 해석적 평가는 진동 특성의 경향

파악에 유효하고 실제적인 방법은 실험적 방법인 실제 진동 특성을 측정하여 평가해야 할 것이다4)이상승압 및 이상고온 현상에 의한 게이트 밸브의 개폐불능

이상승압(Pressure Locking)과 이상고온에 의한 게이트 밸브의 개폐불능(Thermal Binding)은

대체적으로 게이트 밸브와 같이 비교적 큰 공동(Cavity)을 가진 밸브에서 발생되는 현상이다[그림 2]와 같이 게이트 밸브에서 유체를 차단할 때 본네트의 공동부에 있는 액체도 유로와 격리되는

상태로 되면 본네트 공동부에 액체가 남아있게 된다이 액체가 배관계통의 재 가동으로 점차 열을 받게 되면 체적팽창을 하여 B 부분의 압력 상승으로 밸브

디스크가 개폐 불능상태에 이르게 된다 액체의 체적팽창에 따른 승압정도는 [그림 3]을 참조한다 이

그래프에서 보는 바와 같이 (B)부분에 액체가 약 30 있고 20에서 510로 가열되는 경우

본네트 공동부 압력은 590 기압 정도로 상승하게 되어 밸브를 열 수 없게 된다이상 승압이 되는 원인은 직접적인 것으로 본네트 공동부에 액체가 잔류하기 때문인데 이는 밸브

설치문제와 직접 관련된다배관계통에 게이트 밸브를 설치할 때는 가능한 한 수평배관에 밸브 스템이 수직이 되도록 설치한다 그러나 이때 밸브 디스크 하부의 공동부가 클 경우 같은 문제가 발생될 여지가 있으나 본네트

공동부에 비하면 상대적으로 적으며 밸브를 여는데 큰 지장이 없으므로 문제삼지 않는다특히 증기 수송용 수직배관에 수평으로 설치된 게이트 밸브일 경우 본네트 공동부내에 응축된 액체가

잔류할 가능성이 높으며 가동시 쉽게 가열될 수 있어 이상승압 발생의 가능성이 높다그러나 현재 게이트 밸브 응용은 디스크를 입구측 배관 압력에 의한 씰(Seal) 방식을 택하고 있기

때문에 쉽게 일어나지는 않지만 보일러 수증기 배관 고압 히터 입출구 배관 급수조절 제어밸브

출구배관 보일러 순환펌프의 입구배관 기타 고온의 주요 배관계통 게이트 밸브의 경우는 이상승압에

대한 대책을 세워야 한다이상승압이 되어 밸브가 열리지 않으면 모터 구동밸브의 경우 모터의 과부하로 소손될 염려가 있으며 유압잭 같은 기구로써 강제로 밸브를 열고자 할 때는 디스크와 스템의 연결부위가 절손되므로

유의해야 한다 이상고온 현상에 의한 Thermal Binding 은 고온배관의 게이트 밸브에서 발생되는

현상으로서 특히 쐐기형 디스크에서 발생되기 쉽다즉 고온상태에서 밸브 몸체는 열 팽창으로 디스크가 쉽게 닫힐 수 있는데 이를 조정하고 제한하는

것이 모터 구동밸브에 널리 쓰이는 토오크 스위치로서 이미 열팽창 되어있는 몸체에는 상온상태에

비해 보다 많은 디스크가 시트에 삽입된 후 정지하게 된다이후 다시 상온으로 되면 밸브몸체는 열 수축되어 디스크를 구속하게 되므로 개폐불능 상태에 이르게

된다 이와 같이 이상승압은 게이트 밸브가 고온상태에서 디스크를 닫고 상온에 이르렀다가 다시

계통이 운전되어 디스크를 열려고 할 때 생기며 이상고온 현상에 의한 Thermal Binding 역시

고온상태에서 디스크를 닫았다가 상온상태에서 열려고 할 때 일어나는 현상으로 발전소의 중요

배관계통과 같은 곳에서의 이러한 현상 발생은 매우 심각한 경제적 손실을 야기시킨다5)모터구동 밸브의 모터구동 장치 고장원인

모터의 소손을 포함한 모터구동 장치의 고장은 프로세스 배관계통의 제어 및 유체 수송을 방해해

플랜트 전체에 심각한 문제를 야기시키는 경우를 종종 경험했을 것이다 모터구동 밸브의 구동장치

고장원인은 다음과 같이 네가지로 대별할 수 있다① 토오크 스위치 설정에 관한 문제

토오크 스위치 설정이 부적절하여 Thermal Binding 시와 같이 디스크가 과도하게 시트내에 삽입되는

것을 방지하지 못하거나 과도한 백시팅 힘으로 인해 스템의 불연속부에 과도한 응력분포를 갖게할 수

있으며 정도가 심할 경우 모터 소손에까지 이르게 된다마찬가지로 토오크 스위치 설정이 불균형하거나 기계적 손상을 입었을 경우에도 이와 같은 현상이

생길 수 있으며 만약 토오크 스위치 조작범위가 너무 근접했을 경우 토오크 스위치 관성상

제어상태가 불안정해 위험하다② 밸브 몸체에 관한 문제

백시팅 상태의 불량 스템 마모 또는 스템 너트 마모로 인한 강성 부족으로 생긴 스템의 변형 디스크

마모로 인한 정격 스템의 운동량 초과(Wear Travel) 스템 마모 또는 부적절한 패킹재로 인한 누설과

이를 조치하기 위한 과도한 패킹압력 및 스템의 윤활이 부적절한 경우이다실제적으로 스템의 마모 또는 패킹재료의 탄력성 결여로 인한 누설은 결국 과도한 패킹압력으로 임시

조치될 수 있으나 이에 따라 모터에 과부하가 발생하고 소위 헌팅(Hunting)과 같은 불안정한 동작을

하게 됨으로써 디 tm 크의 개폐불능 또는 스템 변형을 초래하여 점차 악화되어 간다 이러한 문제로

스템과 패킹력과의 역학적 관계는 물론 패킹재료 개선등의 많은 연구가 현재 선진국에서 활발히

진행되고 있다③ 구동 구조에 관한 문제

구동장치의 노화 또는 부적절한 보수로서 스템 너트 웜 베어링의 풀림 웜 기어구조 즉 피니언 및

웜의 마모로 인한 손상과 윤활상태의 노화나 불량으로 인해 기능의 약화 또는 상실에까지 이르게 된다④ 밸브 계통에 관한 문제

배관계통으로부터 야기되는 제반현상 즉 배관계통의 진동 또는 구동부 지지의 부적절 등으로 인해

불안정한 상태가 계속될 때에는 밸브 구동부의 수명을 단축시키고 손상을 유발하게 되므로 모터

구동밸브와 같이 큰 구동부를 갖는 배관계는 밸브 전후에 진동을 억제시키고 밸브 구조를 건전하게

하는 배관 지지대를 설치한다46회(998월호)밸브 보수 및 엔지니어링

밸브는 프로세스 시스템의 제어 요소로써 시스템의 운전조건에 따라 적절한 기능을 수행하여야 한다 우선 구조적으로 튼튼하여 어떠한 높은 압력이나 온도 또는 극저온의 극한 조건하에서도 제어의

구조적 안정성을 확보하여야 하고 제어기능에 있어서도 내외부 누설이나 시스템 추종의 건전한

제어가 확보되어야 한다 이러한 기능들 즉 프로세스 운전 중 지속적으로 유지 관리되기 위한 제반

활동을 밸브보수라 하고 밸브보수를 보다 과학적으로 프로세스 시스템의 운전조건에 맞도록 하는

기술적인 평가와 판단을 밸브보수 엔지니어링이라고 한다 실질적으로 밸브보수 엔지니어링은

제어요소인 밸브가 제 기능을 상실했거나 상실될 우려가 있는 경우 시스템의 제반 조건중 압력 온도

및 유량(유속) 조건을 밸브의 제어기능을 중심으로 분석하는 것이다 아울러 기계적인 불안정

운전요인이 현상으로 나타나는 경우에는 밸브의 제어기능 이외에도 밸브를 포함한 배관 프로세스

시스템 전체도 아울러 해석할 필요가 있다다음의 예는 발전소 주 급수제어 밸브의 스템 절손사고에 대한 프로세스 운전 조건과 밸브 설계의

제반 측면을 검토한 것으로써 밸브를 보수하기 이전에 왜 문제점이 생겼는가를 분석 평가한 후

시스템의 운전 조건에 맞도록 밸브를 개선하는 과정을 설명한다밸브 보수 엔지니어링의 첫 번째는 우선 보수의 목적이나 문제된 밸브의 분석 목적을 정해야 한다 급수 제어밸브의 스템 절손 사고는 먼저 급수 제어 밸브 자체의 구조 및 설계 개념을 파악하고 급수

계통의 프로세스 운전 특성을 파악하는 것이다 밸브 구조 및 설계 개념과 프로세스 운전 특성을

검토한 후에는 다음과 같은 사항들을 중점 분석할 필요가 있다

밸브의 선정은 프로세스 운전 특성에 부합되는가

밸브의 동적 운전 특성이 프로세스 운전특성에 비추어 충분한 구조적 강도를 갖고 있는가

밸브의 구동부 선정은 프로세스 운전 특성 및 밸브 트림 특성상 충분한 힘을 갖고 있으며 제어성은

건전한가

밸브의 형식 및 프로세스 배관계통의 설계가 프로세스 운전 특성에 비추어 적절히 설계되었는가

밸브 스템의 구조적 강도는 충분한가

위의 사항은 급수 제어밸브의 스템이 절손(밸브 스템과 플러그의 연결부)된 사항에 대한 분석 평가

내용으로 스템이나 플러그 연결부의 구조적 강도에 대한 보강의 목적 또는 프로세스 시스템상의

개선여부를 판단하는 것이다 이를 위해서 프로세스 시스템에 대한 계통구성 및 설계조건 그리고 운전조건을 우선 구체적으로

파악하는 것이다 확인이 필요한 분석자료는 [표 1]과 같다이들 분석자료에 의하여 밸브의 주된 문제점인 스템의 절손 사고에 대한 착안사항으로 밸브의

유량계수 선정과 밸브의 개도는 적절한지 확인해야 한다 또한 밸브 구동부의 선정에서 구동 공기압의

크기 및 안전성인 구동부 스프링의 강성도(다이아후램의 적정 운전 공기압 및 초기 압축량등) 스템

운전 스트로크 거리 패킹의 재질 및 패킹의 조임력과 밸브 입출구의 압력에 대한 밸브 트림의 구조적

안정성을 확인할 필요가 있다아울러 밸브 구동부의 진동 및 프로세스 시스템의 기기 공진에 대한 검토로 진동으로 인한 피로

파괴를 검토한다이는 플러그의 강성도가 스템의 강성도에 비하여 상대적으로 매우 높기 때문에

진동이 있을 경우 피로파괴의 확률은 매우 높아진다 다음으로 배관 설계의 적합성을 검토하는

것으로 배관 배치가 고에너지의 계통특성에 비추어 유체천이에 의한 힘의 과도한 불균형이 발생될

여지가 있는가를 확인하여 이를 밸브 손상원인의 한 요인으로 검토하는 것이다 아울러 밸브 형식에

대한 검토도 중요한 착안사항의 하나이다다음은 밸브 보수 엔지니어링의 한 예를 구체적으로 보여주고 있다1블로우다운 앵글 밸브 개선을 위한 밸브엔지니어링의 예제

(1)개요블로우다운 밸브는 통상적으로 압력과 온도가 높은 포화수를 압력이 낮은 후레쉬 탱크로 방출하는데

사용되는 밸브로써 발전소와 같이 고온고압의 응축수를 효과적으로 이용하는데 쓰인다 예를 들어

증기발생기의 블로우다운은 정상 운전시에는 증기발생기의 수질관리를 위하여 약 1 정도의 일정한

양을 취출한다 아울러 복수기내의 누설이나 증기발생기내의 누설이 예상될 때는 최대 3까지의

블로우다운을 실시한다 블로우다운된 고온 고압의 포화수는 후레쉬 탱크에서 응축수와 증기로

분리되고 증기의 경우에는 급수 히터의 가열 열원으로 응축수는 다시 복수기로 회수 되도록 되어

있다운전조건의 검토

입구압력 856psia출구압력 17psia온도 523F정상운전유량 40gpm최대운전유량 18800lbhour요약된 데이터는 [by2]와 같다(2)밸브 몸통의 선정

(가)밸브 몸통의 온도-압력 등급 ANSI B1634 에 따라 밸브의 온도-압력 등급은 600이나 가혹한

운전상황 임을 감안하여 ANSI 1500로 한다(나)밸브 몸통의 재질 선택

극심한 후라싱을 고려하여 밸브 몸통의 재질은 A217-WC9(F22)인 크롬-몰리브덴의 합금강으로

선택한다 (다)밸브 몸통의 크기 선정

25Prime(65A)의 밸브로 하고 재질이 WC9(F22)이기 때문에 밸브의 연결단은 버트용접(맞대기 용접)으로

한다 밸브의 입구측은 25Prime이고 출구측은 연결배관에 일치하며 후라싱의 강도를 저감할 수 있도록

3Prime(80A)로 한다(라)밸브의 몸통 형태

밸브의 몸통 형태는 블로우다운 용도에 가장 적합한 앵글 글로브 밸브로 한다(마)기존 밸브의 침식 문제점 분석

패킹박스 내부가 부식으로 인하여 손상

패킹박스 내부는 패킹이 장착된 이후 장기간동안 패킹교체가 없었던 것으로 판단되며 아울러 이

밸브는 설치 이후 지금까지 고온의 물이 장시간 스며들어 있으면서 부식을 진전시킨 것으로 판단한다시트부위의 크랙

시트부위는 일단 스텔라이트로 하드페이싱된 것으로 판단 계통 조건상 극심한 후라싱이 발생하는

조건임으로 고에너지의 유체 흐름과 더불어 약 270의 고온이 하드페이싱 용접부의 취약부분인

열영향지역(HAZ Heat Affect Zone)에 반복 열피로(온도가 높아졌다가 낮아지는 경우 열변형의

반복 작용으로 피로가 누적되며 이로 인하여 크랙이 발생할 수 있음)로 인하여 크랙이 발생된 것으로

판단된다 특히 스텔라이트 하드페이싱의 경우 통상적으로 Stelite 6 을 많이 사용하나 이 Stelite 6 은 용접성이 나빠 크랙을 일으키기 쉬운 텅스텐이 약 1 포함되어 용접에 주의하여야 한다 Stelite 12 또는 21 을 사용하면 용접 효과가 보다 나아진다1999 년 9월호 알파와 오메가

(마)기존 밸브의 침식 문제점 분석

밸브 출구 부위의 침식부식은 후라싱에 의한 침식으로 판단된다 후라싱의 강도는 후라싱의 속도가

100msec임을 감안하면 그 강도의 크기를 예상할 수 있다 일반적으로 후라싱이 생기는 시스템의 경우 출구 유속이 고속이므로 일부 액체상태의 액적(Droplet)들이 고속의 증기와 함께 밸브의 하부 출구면에 충돌하기 때문에 이러한 후라싱에 의한 밸브 하부면의

침식은 계산상으로도 충분히 예상된다 미국 전력기술연구소(EPRI)에서 1990 년에 발전소용 밸브 적용지침서로 발간한 연구보고서 NP-6516(Research Project 2233-5) ldquo Guide for the App-lication and Use of Valves in Power Plantrdquo의 Appendix C1 Control Valve Sizing Methods and Example 에 의하면 일반적인 밸브일

경우의 속도제한은 다음과 같이 규정하고 있다 액체상태일 경우 초당 50 피트(15미터) 기체상태일

경우 마하 10 까지 허용 액체와 기체의 혼합 유체(2-Phase Flow) 초당 500 피트(150미터)후라싱에 의한 2 상 유체의 제어가 필수적이고 밸브 포트의 출구로부터 지속적인 기화가 일어나는

조건임으로 밸브 출구에서의 유속제한은 초당 500 피트를 넘지 않도록 강력히 권고하고 있다 따라서 본 시스템에 있어서도 밸브의 출구측 바로 확관을 하여 유속의 500 피트 이하로 제한하고

있으나 침식에 의한 밸브 몸통의 감육을 피할 수 없음으로 상기 연구보고서에서는 밸브 재질을 크롬-몰리브덴 합금강으로 하고 트림에 스텔라이트를 육성 용접하도록 하고 있다

따라서 후라싱이 예상되는 밸브에 있어서 밸브 출구 유속의 검토는 절대적이며 아울러 후라싱 비율을

계산하여 침식의 강도를 예상하고 이를 기준으로 예방정비의 참고자료로 활용하여야 할 것이다후라싱 유체의 유속 및 후라싱 비율을 계산하는 방법은 다음과 같다 보다 자세한 것은 붙임의 물 증기 혼합유체 배관의 침식예측 계산서를 참조한다밸브 출구에서의 압력이 포화증기압보다 같거나 낮을 경우 유체의 일부 또는 전부는 기화되어 증기

상태로 된다 이렇게 어는 액체에서 후라싱이 발생할 때 다음의 식은 후라싱 속도를 계산하는 식으로

활용할 수 있다V = (04A)[(1-Xp100)Vf2 + (Xp100)Vg2]w유체가 물일 경우

V = (20A)[(1-Xp100)Vf2 + (Xp100)Vg2]q여기서 V = 유속 (ftsec)w = 유체(액상) 유량 (lbhr)q = 밸브 입구에서의 유체(액상) 유량 (gpm)A = 적용 유로면적(in2)Vf2 = 출구압력에서의 액체의 포화 비체적(ft3lb)Vg2 = 출구압력에 있어서 기포의 포화 비체적(ft3lb)Xp = 후라싱 비율()= 100(hf1-hf2)(hfg2)hf1 = 입구온도에 있어서 포화액체의 엔탈피(Btulb)hf2 = 출구온도에 있어서 포화액체의 엔탈피(Btulb)hfg2 = 출구압력에 있어서 증발 엔탈피(Btulb)

밸브 출구에 연결된 엘보우에서의 침식은 상기 (3)에 의한 영향으로 침식이 된 것으로 판단한다스템의 습동부에서 부식은 밸브 몸통이 탄소강(A105)인 경우 스템의 재질이 통상 13Cr(SS 410)임을

알 수 있다 SS410 재질은 마르텐사이트 스테인레스 강으로써 장시간 운전하지 않을 경우 흑연계통의 패킹재와 친화력으로 인하여 점식(Pitting)의 발생이 용이한 것으로 알려져 있다(Ref ldquoTest of Asbestos-Free ltGraphitegt Stem Packing for Valves for Elevated Tempera-ture Servicerdquo Aug 1986 R-ockwell Intrdquo) 따라서 이러한 이유에 의해서 점식이 진행된 것으로

판단된다3)트림의 구조

밸브에 있어서 트림은 가급적출구 흐름의 축선상에서 유입된 유체가 상호 충돌하면서 압력 손실이

많이 생기도록 트림을 설계하여야 하며 또한 유량도 정밀하게 제어할 수 있도록 하여야 한다 여기서 트림재질 40047 SST 는 케이지 및 디스크를 SS420QT 소재로 하고 스템은 SS431QT 을

사용함을 말한다 아래 표는 앞서의 운전 데이터를 사용하여 밸브 선정을 계산한 결과이다밸브 몸통 크기에 따른 밸브

출구속도 후라싱 비율 및 출구압력 계산결과 요약 후라싱의 속도는 85~131 msec 로써 가혹한

조건이며 참고로 후라싱율(증기로 되는 비율)은 대략 31로 추정된다 즉 31의 증기는 기체상태로 고속으로 나머지 70의 물로 밸브의 트림부에 지속적으로 충돌하는

것임으로 마모는 피할 수 없다

따라서 고속의 유체가 흐르는 지점에 벤츄리를 설치하고 이 벤츄리는 내마모성이 탁월한

스텔라이트로 한다 벤츄리를 지난 다음에는 유로 면적을 점진적으로 증가시켜 후라싱의 효과를

극대화 하도록 한다 따라서 블로우다운용의 앵글밸브의 출구단은 일반적인 밸브에 비하여 약 2 배의

길이를 갖는다7밸브의 구매

가 밸브의 구매 기술 사양서

밸브의 구매사양은 구매에 따른 행정적인 사항인 발주자와 수주 대상자간의 상거래 조건 을 정하고

있는 일반적인 계약 외에 구매물품의 기능 및 품질을 정하고 있는 기술 사양으로 구분된다 밸브의 구매에 따른 기술사양은 발주자의 밸브사용 목적에 맞는 즉 설비의 한 구성품목으로서 설비의

운용목적에 적합한 기능을 갖도록 강도 측면에서 충분히 강하고 요구되는 설비 운전기간 동안

건전하게 운전하며 운전 및 보수에 편리하도록 발주자가 수주 대상자에게 요구하는 밸브의 총체적

설계 및 기술시방서로 볼 수 있다따라서 밸브의 구매사양에 있어서 기술사양은 밸브의 기능 및 품질을 정하는 계약이다 기술사양서의

작성은 산업의 발달과 관련 기술의 진전에 따라서 날로 고도화되어 가고 있으며 사용자의 입장에서

보면 높은 신뢰성과 보수정비의 용이성 및 자동화가 가능한 방향으로 작성되기 때문에 경우에

따라서는 밸브 제작사의 기술을 선도하기도 한다밸브의 기술사양서는 밸브의 기능 및 품질에 관련되는 내용을 상세하게 기술한다 단지 기술시방

내용이 국가 표준 규격이나 공인 기관의 표준 또는 규격서와 같을 경우에는 관련 표준 또는

규격으로써 가늠할 수 있다 그러나 밸브의 기능상 성격을 특징 지울 수 있는 부분과 특정 재료를 사용하고자 할 때는 표준규격에

포함된 사항이라도 별도로 기술하는 것이 바람직하다밸브의 기술사양서는 수주자가 제공해야만 하는 업무의 책임한계를 먼저 정하고 기술사양서에서

사용되는 용어 및 약어를 미리 정해두고 다음으로 적용하고자 하는 국가 공업규격이나 산업표준을

정하는 것이 좋다 이러한 표준규격들은 관련 밸브의 최소한의 요구사항을 빠짐없이 정한 것이고 이미 경험과 실증으로

밸브의 성능이 확인되었다고 볼 수 있기 때문이다 그러나 이것은 어디까지나 최소한의 요구사항이기 때문에 추가의 요구사항 즉 사용하고자 하는

목적과 사용유체의 특성 및 제어관계 등은 표준규격으로는 만족시킬 수 없는 것이 대부분이어서

추가로 기술하여야 한다또한 책임의 한계를 정할 때 중요한 것은 기술사양의 해석시 상호간의 의무 및 준수사항과 협의사항

그리고 밸브제작사의 선택 사항을 명확히 하는 어휘를 미리 정하여 기술하는 것이 편리하다 아울러 기술사양서의 내용 중 표준규격의 내용과 본 사양서의 내용간에 어떤 차이가 있을 수 있기

때문에 이에 대한 대비책으로서 이들 상반되는 또는 이해하기 곤란한 사항에 대한 적용 순위를

정해두는 것도 편리하다사실 미국의 Rockwell Valve 나 Dresser Valve 사와 같은 선진 밸브회사의 경우는 밸브회사

자체에서 준비하고 있는 밸브 표준 사양서를 밸브 발주자(주문자)가 적극적으로 활용하는 사례도

있는데 이는 주문자가 밸브회사의 기술과 신용을 사는 좋은 예이다다음으로 밸브 품질에 대한 요구사항과 수주자가 밸브를 설계 제작 납품까지 지켜야 할 사항과 검사

항목을 정한다 물론 수주자가 밸브를 제작하기 앞서 발주자의 승인 또는 참고용으로 제출해야 할 밸브의 전반적

성격을 보여주는 조립도 등의 설계관련 도서와 품질관련 서류 등도 기술하여 추후 계약 후 또는 발주

관리시 발생할 수 있는 문제들에 대하여 효과적으로 이용할 수 있는 계약이 된다기술사양서의 본론이라고 할 수 있는 설계요구사항은 밸브의 사용목적 및 운전방법에 부합되도록

밸브의 각 구성부품의 가공방법 형태 재료 조립방법 열처리 방법 도장방법 및 현장 설치시를

고려한 밸브 악세사리 등의 형태를 각 항목별로 기술한다 이 항목은 밸브의 기능 및 품질을 정하는 실질적인 기술시방으로서 전문적인 기술이 필요하다 실제로

밸브의 구매 사양서를 작성하는 부서는 설비의 설계를 담당하는 부서 또는 전문 구매 부서가 되지만 다양한 품목의 구매사양과 신기술의 추세등을 감안한 신기술사양의 작성에는 기술적으로 제한 받고

있는 것이 현실이다예를 들면 밸브의 사용목적에 적합하지 않은 사양을 작성하는 경우가 대표적인 사례로서 대규모

엔지니어링 회사의 구매사양을 내용이 좋다고 그대로 복제하여 쓰는 경우가 이에 속한다 밸브의 사용목적은 배관 계통의 운전 모드가 다양할 뿐만 아니라 사용 유체의 물리화학적 특성이 매우

다양함을 고려할 때 구매사양의 밸브 재질구조압력등급패킹형식 및 재질밸브 구성 방식 등 이루 말할

수 없이 다양하다 따라서 밸브의 기술사양서를 사용목적에 맞도록 작성하기 위해서는 밸브 응용 기술자의 역할이

중요하다 하겠다

이 기술시방 다음에는 밸브의 취급 운반 포장 저장 및 밸브 표식을 설비의 운용목적과 설치현장

여건에 맞도록 기술하고 아울러 밸브의 가공 조립 및 완성품에 대한 비파괴 검사 사항과 수압시험 내

누설시험 기능시험 및 최종 세척방법과 도장방법에 대하여 기술한다 한 예로 미국석유공업협회(API)의 게이트 밸브에 대한 기준서 API STD 600 의 경우는 수동 게이트

밸브의 좋은 구매 기술사양서를 볼 수 있다 이 기술사양서의 내용을 개조식으로 개괄하면 대략

다음과 같은 내용이 포함되어 있어야 할 것이다 1999 년 10월호 알파와 오메가

나 밸브 설계도면의 검토

배관 계통의 설계과정에서 설계자는 밸브 선정을 통상 밸브 제작자의 카다로그상의 조립도로 밸브의

설계특징을 파악하고 대부분 이를 통하여 적용하고자 하는 밸브를 정한다일반적으로 호칭 4Prime이상의 밸브는 공업규격 또는 산업규격으로서 밸브의 양 끝단 노즐간의 치수가

정해져 있지만 2Prime이하의 밸브는 양 끝단 노즐간의 치수가 제작사 표준으로 정해져 있기 때문에

배관계통의 상세설계시 제작사의 카다로그등을 참고해야 된다그러나 카다로그나 또는 참고용으로 제출 받은 밸브의 설계도면은 다음과 같은 사항들을 사용하고자

하는 계통의 목적과 함께 검토한다각 밸브의 부품별 재료규격

접속단의 구체적 형상

프랜지형평면프랜지 R-aised Type 프랜지 링 죠인트형 프랜지

용접형접속될 파이프의 용접단 형상과 합치여부 용접가능성등

소켓형소켓의 깊이

나사 체결형

핸들부의 높이와 핸들간의 직경 특히 볼 밸브나 프러그 밸브일 경우에는 핸들부의 크기(회전반경)을 운전 편이성 측면으로 검토

스터핑 박스의 깊이 및 크기를 검토

밸브의 유로 내경(Port S-ize)를 접속되는 파이프의 내경과 비교하여 가능한 90이상 될 것(예 배관의 내경 2Prime일 때 유로내경은 18Prime이상 일 것)

가능한 한 밸브의 무게 및 무게 중심은 배관응력 해석시에 필수 입력 Data임

밸브의 유량계수

유로 방향의 표시

현장 설치 또는 보수시 용접 작업이 필요할 때 밸브의 디스크 또는 프러그의 위치

밸브의 누설 등급(제어밸브인 경우)

패킹의 재료는 필히 비석면계열의 패킹일 것

사용 패킹 및 가스켓의 종류(제작사 포함) 및 형태

체크밸브의 경우 최소 흐름 속도

스템과 디스크(시트)의 재질 및 경도

하드페이싱(Hard Facing)육성 용접부의 열처리 방법

스템 재질에 따른 열처리 방법

최소 운전 개도(유량 제어용 밸브)다음은 상기 사항을 기준으로 승인용 밸브설계 도면을 검토하는 체크리스트이다 우선 밸브도면 번호

및 도면명이 맞는가를 확인하고 설계(제도) 년월일 및 승인 여부와 밸브의 크기 및 압력-온도 기준을

확인한다 그리고 다음의 순서로 검토해 나간다(1)도면번호는 정확한가 (조립도와 부품도의 도면 번호 관계)(2)도면 명(부품표 포함)은 올바른가(3)문자는 명료하고 오자는 없는가(4)단위 축척 제도 년월일 도면의 크기는 적당한가(5)온도 압력 유체종류 등 사용조건의 표시는 정확한가

(6)검사 압력의 표시는 정확하며 압력시험의 유체는 표시되었는가(7)주요치수는 올바르게 표시되었는가(8)압력 유지부의 트림재질은 올바르게 전부 표시되었는가(9)제조 번호는 기입되었는가

(10)기존의 조립도(승인도)가 있는가(있다면 이하 항목의 검토는 불필요함)(11)신규 설계도면인가 또는 기존 설계도면을 수정했는가(12)치수선치수의 표시는 정확한가

(13)단면도 투영도는 정확한가(14)상세도는 적절히 도시되었는가

(15)필요한 치수는 모두 기입되었는가(16)감합부(Fitting)의 상관 치수는 적절한가(17)제작 및 조립에 따른 공차는 적절한가(18)볼트의 길이는 충분히 여유가 있는가(19)밸브 트림 및 스터핑 박스등의 표면 가공 정밀도는 충분히 높은가 표면 거칠기의 표시는

적절한가(20)정확한 제도기호를 사용하였는가

(21)현장설치시를 고려한 현장용 치수를 계산할 필요는 없는가(22)용접부의 용접크기 및 표시로 적절한가(23)스템 몸통 및 트림등에 13 Cr 를 사용하였는가(24)13Cr 를 사용한 재질에 경도 표시는 되었는가(25)열처리에 관련한 절차서 및 그 기호를 도면에 표시하였는가(26)제작근거인 Code 표시는 되었는가상기 내용 중 밸브의 실질적 성능을 나타내는 밸브의 크기 사용유체의 압력 온도 유량과 같은

중요한 데이터는 밸브의 데이터 시트로 처리하고 상기 내용을 기준으로 하는 보조 주문용 Sheet 를

작성하여 각 밸브별로 관리하면 매우 유용한 밸브의 발주 설치 운전 및 예방정비의 기초자료가 된다

더욱이 널리 보급되어 있는 개인용 컴퓨터(PC)를 이용하여 운전 중 배관설비의 기초 데이터

베이스로서 배관계통의 운전상황 및 특성들과 결부시켜 활용하면 배관계통의 원활한 관리에 많은

도움을 줄 것이다 1999 년 11월호 알파와 오메가

나 밸브 설계도면의 검토

밸브의 설계 엔지니어링 그리고 구매 행위에 있어서 고려하고 검토하여야 할 사항은 다음과 같은

것들이 있다 물론 밸브의 사용상 특성 또는 구매자의 기술력 정도에 따라 이러한 구매 프로세스를 따를 수는

없지만 기본적으로 밸브 구매의 효율적인 구매를 위해서는 밸브가 기술 제품인 이상 밸브엔지니어링의 질에 따라 밸브 구매의 효율성이 크게 영향을 받는다 따라서 적어도 밸브 엔지니어링 측면에서는 아래의 사항들을 숙지해 둘 필요가 있다 밸브 구매자와

밸브 제조자는 프로젝트 수행 엔지니어에게 밸브 제품의 기술 요구사항 이나 제출문서에 대한

중복되거나 소모적인 노력이 가해지지 않도록 구매 절차를 간소화하여야 한다구매자는 가능한 한 빨리 밸브 제작사를 프로젝트 초기에 선정하여 제작사와 함께 밸브 엔지니어링

역무를 수행하여야 좋은 엔지니어링 결과를 얻을 수 있다 이러한 과정을 거치게 되면 기존의

전통적인 견적요청 및 가격 평가에 소요되는 비효율적인 낭비(인력 등)요소를 절감할 수 있다가능한 한 선정된 밸브제작자의 표준 생산제품을 적용할 수 있도록 엔지니어링 조직과 긴밀한 공동

밸브 엔지니어링 역무를 수행한다 특수 밸브 제품의 경우 표준 제품과 같이 엔지니어링을 수행하되 보다 구체적인 사양결정과 일관된 구매사양을 추가 개발하여야 한다도장작업과 같은 경우에는 필수적으로 제작자의 표준 작업기준을 적용하여야 한다 구매자가

요구하는 특수한 도장 작업은 오히려 밸브에 나쁜 영향을 줄 수 있으며 또한 밸브가격 상승의

직접적인 요인이 된다제출문서의 경우 이 역시 밸브제작사의 표준 규정과 서식 양식을 가능한 한 최대로 이용하도록 한다 제품도면 재료증명서 시험성적서 품질계획 밸브 제품사양서 계산서 사용자 유지 보수 매뉴얼

등을 밸브제작자의 표준으로 한다 또한 전자 카다로그 등 가능한 모든 제출서류를 전자 데이터(Electronic Data) 하도록 유도한다 밸브

제작사의 밸브 선정 프로그램이나 절차를 사전에 검토하여 타당성이 입증되면 별도의 자체 계산서

없이 제작사의 선정 도구를 사용한다밸브 구매의 양이 상당할 경우 밸브엔지니어링 단계에서는 제작자의 엔지니어가 프로젝트

엔지니어링팀에 일정기간 참여하여 함께 밸브의 선정작업을 수행하도록 한다 특별히 제어밸브의

경우 실질적인 구매 발주는 다른 연관된 엔지니어링이나 프로세스 데이터가 완전 확정될 때까지

가능한 한 늦게 발주서를 발행한다 이것은 제어밸브가 직접적으로 시스템 프로세스의 데이터에 민감하게 작용하기 때문이다 밸브제품의

일반적인 검사는 제작자의 전적인 책임이므로 구매자는 오직 특수한 경우에만 입회검사를 수행하도록

한다일반적인 입회검사는 최대한 줄인다 다음의 구매 프로세스는 세계최대의 석유화학업체인 셀(Shell) 가 제시하고 있는 것으로 밸브 구매절차의 좋은 예가 될 것이다(1)밸브제작자의 선정(Vendor Selection)

밸브제작사의 선정은 가급적 프로젝트의 상세설계 단계에 들어가기 전에 한다 선정의 기준은

프로젝트의 요구사항과 밸브 구매량에 따라 결정된다 고전적인 구매방법에서 밸브 제작자의 선정은 상세설계가 상당히 진행된 다음에 선정되기 때문에

제작자에 의한 싼 원가의 표준제품 등의 선정이 어렵고 프로세스 데이터에 전적으로 의존되는 밸브를

요구하기 때문에 고가의 특수사양(밸브제작자 측면)의 밸브가 채택될 가능성이 많아 전체적인 공사비

증가와 더불어 전체 시스템의 성능 효율이 저하될 수 있다(2) 기본 밸브엔지니어링 요구사항(Basic Engineering Requirements)

밸브 제작자의 선정이 완료되면 구매자는 제작자에게 다음과 같은 기술자료를 제공한다 밸브에 대한

기본 설계 및 기술자료(Basic amp Enginee-ring Practices) 유체시스템(배관) 엔지니어링 자료

(Process Engineering Flow Schemes) 배관자재 사양서(Piping Specification) 계측제어 및 계장

엔지니어링 자료(Instrument Enginee-ring Database)(3) 사전 기술사양 협의(Pre-Engineering-Identification of Specials)

구매자와 밸브제작자는 앞서의 기본 밸브엔지니어링 요구사항 들에 대하여 함께 연구 하여

표준제품의 채택과 표준제품 외의 특수사양 밸브를 정리한다 가급적 특수사양의 밸브를 프로세스

시스템 측면과 함께 검토하여 표준제품으로 될 수 있도록 한다 이 과정에서 프로세스 시스템의 일부 데이터 및 설계 기준이 달라질 수 있다 앞의 과정에서 계속 특수

사양의 밸브로 될 경우에는 별도의 시험 및 검사 그리고 추가의 엔지니어링 요구 그리고 납기의

문제를 합리적으로 결정한다제어밸브나 안전밸브의 경우에는 전산 코드화된 제작자의 밸브 선정 프로그램을 구매측

엔지니어링팀과 함께 공유하여 이 프로그램에 따라 업무를 진행함이 효과적이다(4) 프로세스 및 기계사양의 결정(Process and Mechanical Data Frozen)

전체적인 프로젝트 일정에 근거하여 밸브에 대한 상세 기술역무 구매 및 제작의 최후 의 시작점

(Latest Starting Date)을 결정한다 이 시점에서는 프로세스 및 기계사양이 결정되어 있음으로 구매자와 제작자는 이들 기술사양에 대한

정기적인 협의를 가지는 것이 좋다 이러한 과정을 통하여 특수사양에 대한 기술적인 판단을 재

검토할 수 있을 것이다(5) 밸브 예비 선정(Pre-Sizing Confirmed)

앞서의 (4)항 결과에 따라 밸브를 예비 선정한다 특별히 프로세스 데이터와 밀접한 관계를 갖는

제어밸브나 안전밸브와 같은 경우에는 구매자와 제작자가 함께 밸브의 법 적요건(Requirement of Regularities)과 예상되는 문제점(소음 케비테이션 트림의 특성 밸브 운전제어 특성 등)을

검토하여 확정한다(6) 사양서 개요 작성 및 이해(Outline Specification)

구매자는 이 단계에서 사양서를 작성하여 밸브 제작자에게 제공한다 이 단계에서 제공되는 밸브의

사양은 상호 데이터베이스로 유지 관리된다 프로세스 데이터의 변경이 없는 한 밸브의 선정과 선정 데이터의 관리는 제작자가 수행한다 이때부터

밸브의 데이터는 정식 관리 유지되어야 한다(7) 밸브 크기 결정 및 선정(Sizing amp Selection)

제어밸브와 안전밸브 그리고 계산근거가 필요한 자동밸브의 경우 이 단계에서 최종의 크기 및

사양결정을 한다 모든 밸브는 이 단계에서 선정계산서 기술사양서 설치 및 보수 유지에 필요한 제품의 각 중요부분의

치수와 상세도가 기입된 제품 승인도를 구매자에게 제출한다 (8) 제품 기술사양서의 검토(Review of Technical Specification)

구매자의 엔지니어링팀은 제출된 기술사양에 대하여 구체적으로 기술 검토를 수행한다 검토결과는

기술적인 측면과 계약 행정적인 측면으로 나누어 원 발주자 구매자 및 관련 조직에 배포된다 이

과정에서 밸브제품에 대한 사양 변경이 검토된다 (9) 구매자에 의한 제품 기술사양 승인(Technical Appro-val by Contractor)

제품에 대한 기술사양 들이 승인된 다음에는 제작자는 최종의 계약을 하기 위하여 최종 기술사양서 계산서 및 도면을 제출한다(10) 계약 및 원 발주자에 의한 업체 검토(Commercial A-pproval amp Commercial Che-ck by Principal)

가계약을 하기 위하여 관련 입찰서류에 대하여 검토를 한다(11) 사양 확정 및 제작지시서 발행(Freeze Scope and Release for Manufacturing)

원 발주자에 의하여 계약자 승인이 되면 구매자는 제작자에게 제작지시서를 발급한다 이 단계부터는

제품 사양의 변경 또는 개정이 일어나서는 안된다 (12) 정식 구매 요구(Requi-sition for Purchase)

제작지시서를 발급한 다음에 구매계약을 체결한다 구매계약서는 최종의 제품 기술사 양서와

구매자가 요구하는 일반적인 상거래 요구사항으로 구성되어 있다(13) 제작 및 프로젝트 관리(Manufacturing Period and Project Management)

주요 프로젝트에 있어서 공급자 문서의 관리나 업무 추진의 효율성을 갖기 위해서 구 매자와 제작자는

주기적으로 만나 제작 일정 및 이에 따른 문제점을 논의한다 이러한 과정을 통하여 제작자는 구매자

프로젝트 팀의 일원으로서 밸브 납기의 중요성을 다시 금 인식하게 된다(14) 시험 검사 및 인증(Test Inspection and Certification)

제작자는 제품의 자체 검사 절차서를 작성하고 이는 구매자의 품질요구서에서 요구하 는 검사계획에

따라서 작성되어야 한다 구매자의 입회 시험검사는 그 범위를 집중적으로 정하여 불필요한 인력

낭비가 없도록 한다각종 시험 검사에 대한 인증서는 제작자의 표준서식에 따라 계약에 의거 제시된다 이상의 구매절차는

제품의 기술적인 측면을 강조한 것이며 이외의 밸브 구매 시 꼭 지켜져야 할 최소한의 구매

품질요건은 다음과 같은 사항들이 구체화되고 문서화 되어야 한다 1999 년 12월호 알파와 오메가

8 제어밸브

81 제어밸브 개요

(1)서론

프로세스 플랜트에 있어서 자동제어밸브는 유체의 제반 물리적량을 직접 제어한다는 점에서

프로세스에 있어서 매우 중요한 역할을 수행하고 있다 자동제어밸브는 본래의 계통에 대한 통합

자동제어의 목적뿐만 아니라 프로세스 플랜트의 잠재적 이상 운전에 대한 안전운전의 목적으로

사용되는 경우도 매우 많다 이러한 자동제어밸브는 밸브의 형식 및 구조에 따라 다양한 형태의 밸브 종류가 사용되고 있으며 산업기술의 급격한 발달과 컴퓨터를 이용한 고급 제어기술의 실용화 적용 등 날로 복잡해지고 고에너지화 되어가고 있는 프로세스 플랜트 제어기술의 용도 및 목적에 부합하는 가장 적합한

제어밸브를 선정하기란 매우 어려운 엔지니어링 업무의 하나이다 자동제어밸브의 선정에 있어서 단순히 밸브만의 선정을 고려한다면 이는 분명 잘못된 일이 된다 제어밸브의 선정은 실질적으로 유체를 제어하는 밸브뿐만 아니라 밸브를 포함하는 전체 시스템

전반을 이해하는 시스템 해석이 전제되지 않고는 밸브의 제어성 안전성 경제성 등의 여러 면에서

만족할만한 결과를 얻을 수 없다 또한 밸브를 적절히 선정하고 운전한다 하여도 적정한 밸브의 유지 보수관리가 뒤따르지 않는다면

자동제어밸브는 본래의 기능을 수행할 수 없게 된다든가 또는 프로세스의 안전 운전을 해칠 수도

있다 이 책은 앞서의 자동제어밸브의 범위가 너무 광범위하기 때문에 특정한 동력원이 필요로 하는

자동제어밸브로써 이 시스템 제어의 입력 제어신호가 전기전자식으로 출력되고 이 제어신호를 받아

밸브로 하여금 시스템을 자동제어 할 수 있는 밸브에 국한하여 lsquo자동제어밸브rsquo라 하고 이에 대한

기술적인 사항을 기술하는 것이다 따라서 이 책에서 언급하고 있는 모든 자동제어밸브는 자력식밸브(Self Regulating Valves) 들인

안전밸브 감압밸브 후로우트밸브 등이 아닌 진정한 의미에서 밸브를 통한 시스템 제어의 특성을

원격에서 한 데 모아 집중적으로 관리 제어할 수 있는 제어밸브를 뜻한다 이 책에서는 자동제어밸브에 대한 종합적인 엔지니어링 즉 밸브의 구조와 대표적인 관련 시스템의

유형에 대한 기술적인 접근은 물론 자동제어밸브에 관련한 이론적인 측면보다는 실제 활용할 수 있는

공학적인 측면을 강조하는 자동제어밸브의 공학서로 활용할 수 있도록 실질적인 제작사 자료(주로

미국의 콥스발칸자료를 중심으로)와 필자의 경험을 시스템측면에서 기술하고 대표적인 제어밸브의

관련 규정 및 코드를 우리 수준에 맞도록 재편집하여 보았다 아울러 이 책을 통하여 우리나라의 제어밸브 기술이 미국 일본 독일 등의 선진국 기술의 틀 안에서

벗어나는 큰 계기가 되기를 바랄 뿐이다 또한 이 책은 제어밸브의 적용대상 밸브 형식 중에서 주로

글로우브밸브를 중심으로 작성되었다 글로우브밸브 이외의 형식의 제어밸브에 대하여는 간단히 소개하는 수준으로 작성되었음을 양해하여

주기를 바란다 (2)제어밸브 선정시의 고려사항

제어밸브의 선정은 프로세스의 운전조건과 제어 로직 제어계통의 안전조치(긴급시의 운전정지 계통

안전 차단 등) 그리고 프로세스를 구성하고 있는 유체의 성상을 반영하여 선정한다자동제어밸브가 시스템의 제어목적에 완전하게 부합하기 위해서는 밸브 자체의 사양결정뿐만 아니라 밸브에 작용 가능한 모든 조건을 충분히 검토하여 밸브 및 시스템 설계에 적용하고 아울러 운전자

능력을 포함하는 제어시스템의 운용체계까지를 함께 고려하여야 한다 이러한 관점에서

자동제어밸브를 선정하는데 꼭 점검해야 될 사항으로는 다음과 같다대상 프로세스의 확인

운전목적과 운전상태의 확인

-응답성

-프로세스의 특성

-유체의 운전조건

-유체의 성상 및 특성

-시스템에 있어서 밸브의 중요성 및 요구되는 신뢰성

-적용 법규

-밸브의 운전 범위성(Ran-geability)-밸브에서의 발생 차압과 그 특성

-설계 최대차압(체절압력 Shut-off Pressure)-시트누설의 정도(Seat Lea-kage Rate)-안전모드 운전(Fail Safe Mode)-밸브의 작동방법

-밸브의 작동환경

-밸브에서의 소음 규제 범위

-밸브의 방폭 특성

-제어입력 신호의 특성

-밸브 구동 동력원

-배관 사양

-블록밸브 바이패스 밸브

-밸브의 보수성

-경제성

(3)대상프로세스의 확인

자동제어밸브 및 관련 배관 기기 기타 밸브를 포함하는 프로세스 시스템 특성의 전반적인 이해와

파악이 필요하며 프로세스의 운전 목적 및 환경을 파악함으로써 자동제어밸브의 중요성 정도를

확인하여 둔다또한 프로세스의 안전에 관련한 제어계통에서의 밸브의 기능을 각 프로세스 시스템의 모듈별로

이해한다 이 확인에는 프로세스 자체의 기동 정지 및 긴급시의 안전조치 모드 등이 포함된다 이 확인 작업에는 기본 설계서로 분류될 수 있는 시스템 에너지 밸런싱 계산서(Process Flow Balancing Calculation Sheets or Diagramor Balance of Plant) 또는 배관 및 계장 계통도

(Piping amp Instrument Diagram)가 주로 이용된다(4)운전목적과 운전상태의 확인

자동제어밸브의 운전목적을 파악한다는 것은 프로세스 시스템의 운전모드를 이해한다는 것으로써 유체의 흐름 온도 압력의 제어 프로세스의 운전변수에 대응하여 유체를 능동적으로 제어하는 일 유체 흐름의 절환 고온고압 프로세스에서 저압 프로세스로의 계통 운전상태의 급격한 렛다운(Let Down) 제어 등 다양한 프로세스 별로 각기 다른 형태의 밸브가 프로세스의 제어 목적으로 사용된다또한 1 개의 밸브에서 여러가지 제어기능을 복합한 밸브(감압과 동시에 온도도 낮추는 밸브인 PRDS Pressure Reducing and Desuper-heating Station)등이 있으므로 이들의 운전목적을 확인한 후에

자동제어밸브를 선정하여야 한다 자동제어밸브의 운전목적이 결정되면 밸브의 운전빈도 운전상황을 비교적 정확하게 파악할 수

있으며 이를 통하여 유체의 연속제어 이상 발생시만의 운전 연속적으로 관련 프로세스를 함께 제어

운전할 때의 뱃치운전 간격(Time Interval) 등 프로세스의 운전상태를 비교적 정확히 제어밸브의

선정에 반영할 수 있다 프로세스 운전목적과 상태의 파악은 자동제어밸브의 선정에 가장 중요한 핵심

요소이다 (5)응답성

자동제어밸브에는 프로세스의 원활한 제어 또는 프로세스 시스템 안전 확보 목적에 따라 자동제어밸브의 조작신호(Input Signal)에 대한 밸브의 응답속도 밸브 자체가 갖고 있는 기구학적인

운전속도 또는 안전운전 모드에서의 신속한 동작 속도 등을 프로세스 전체 시스템 측면에서 이들의

조작 운전 속도 등의 응답성을 알고 있어야 한다(6)프로세스의 특성

자동제어밸브의 운전목적은 유체 시스템의 전체적인 밸런스에 있다고 보아도 과언이 아니다 따라서

프로세스의 주요 특성으로는 전체적인 유체의 밸런스 유무 유량 변화의 범위 압력 손실의 범위 밸브의 응답속도의 크기 등이다 이들 프로세스 특성의 파악과 이해는 전체 제어 시스템의 제어 루프

(Control Loop)를 설계하는데 중요한 요소의 하나이다 (7)유체의 운전조건

유체의 운전조건은 제어밸브의 선정에 있어 직접적으로 입력되는 자료들이다 이들 유체의

운전조건을 통하여 제어밸브의 외적 특성(밸브의 크기 형상 형태 등)들은 결정된다

-유체의 명칭

-혼합 유체인 경우 유체의 성분 또는 조성 특성

-유량(프로세스 운전모드별로 구분)-압력(프로세스 운전모드별로 구분)-온도(프로세스 운전모드별 밸브 입구의 압력과 출구온도의 구분)-점도

-밀도

-포화증기압

-이상유체의 후라싱 비율(Flash Percent in Two-Phase Fluid Flow)-임계압력

-과열증기의 과열도 등

이들 데이터들은 프로세스 운전조건에 따라 정상적인 운전시의 데이터 외에 운전 중 발생할 수 있는

프로세스 시스템의 최대운전 최소운전 조건시의 데이터들도 확인하여야 한다 이러한 제어밸브의 선정을 위한 데이터들은 프로세스 설계자들에 의한 안전 여유율 또는 여유가 있는

가정된 값이 포함되어 있는 경우가 많고 따라서 설계 인터페이스상에서 이러한 안전 여유가 중첩되어

결과적으로 밸브가 정상 운전조건의 것보다 크게 선정되는 경우가 종종 있다 이러한 경우에는 밸브가 정상운전 시에도 낮은 개도로 운전되기 때문에 밸브 시트의 손상 등

자동제어밸브의 운전 신뢰도에 큰 영향을 미치게 됨으로 이들 유체조건의 확인은 매우 중요한

사항이다 아울러 압축성 유체인 기체의 경우에는 온도에 매우 민감하게 체적과 압력이 변화함으로 어느 상태(정상상태(Normal Condition) 0 C 대기압 조건하 또는 표준상태(Standard Condition) 156 C 대기압 조건하)의 조건인가를 확인하여야 한다(8)유체의 성질상태(성상) 및 특성유체의 화학적인 성상

유체의 성질상태(성상) 및 특성유체의 화학적인 성상과 그 특성은 제어밸브의 선정에 있어 밸브

재료와 형태의 선정에 큰 영향을 준다 이를 요약하면 다음과 같다 ① 유체의 위험성 독극물이나 특정 유기물질과 같이 인체 및 환경에 위험을 미치는 유체 특정

물질과의 화합 반응 및 폭발성과 같은 잠재적 위험성이 높은 유체

② 부식성 및 마모성 부식(산화)의 정도 조건 마모를 증가 시킬 수 있는 고체 혼입 물의 정도 및 그

정성정량적 데이터 내부식침식 재료의 데이터 등

③폐쇄성 고형 슬러리의 혼입정도 슬러리 및 고형 불순물의 내용 고점도 유체의 특성 등 막힘

방지를 위한 대책으로서의 유체 성상의 파악

④응고성 응고조건 응고방지 대책 등

(9)시스템에 있어서 밸브의 중요성 및 요구되는 신뢰성

프로세스에 있어서 자동제어밸브의 작동 불량은 밸브 그 자체의 문제가 아니라 프로세스에 직접적인

영향을 미친다 따라서 프로세스 시스템의 원활한 운전을 위한 밸브의 중요성은 곧 밸브 그 자체가 얼마나 높은

신뢰성을 갖고 있는가에 좌우된다 밸브의 신뢰성은 앞서 언급한 제반 요건 중에서도 유체조건과

유체의 성상과 특성에 크게 영향을 받고 특히 과거의 밸브 운전 경험에서 어느 정도 밸브의 신뢰성을

판단할 수 있다고 생각된다 자동제어밸브에 있어서 신뢰성 향상을 위한 제반 대책으로는 다양한 여러 가지의 방법들이 동원되고

있다 예로써 오리피스의 적용 블록밸브 또는 바이패스 병렬 운전의 방법 등이 고려될 수 있다 (10)적용 법규

프로세스의 운전환경에 따라 제어밸브의 설계 선정 설치 보수 등에 관련하는 법규 규격의 내용을

확인하여야 한다 특히 기술 규격에 대하여는 전체 프로세스의 설계 일관성을 위하여 정해진 규격을

필수적으로 따르도록 되어 있다 이에 대한 사항은 추후 구체적으로 따로 기술한다(11)밸브의 운전 범위성(레인지어비리티 Rangeablilty) 밸브의 운전 범위성 레인지어비리티는 밸브의 제어 가능한 최대 유량과 최소 유량의 비율이다 제어밸브의 제어 가능한 최소 유량과 밸브를 완전히 닫았을 때의 시트의 누설량과는 확실하게

구분된다예로써 밸브가 실용상 제어 가능한 최대 유량이 400gpm 이고 최소 조건하의 유량이 5gpm 이라면

레인지어비리티는 801 이 된다

2000 년 1월호 알파와 오메가

8 제어밸브

81 제어밸브 개요

(12) 밸브에서의 발생 차압과그 특성

자동제어밸브를 중심으로 프로세스 시스템의 유체 흐름의 상류측(Upstream)과 하류측 의 압력이

거의 일정하고 자동제어밸브가 프로세스 압력손실의 대부분을 차지하는 경우 에는 밸브의 발생

차압을 정확하게 알 수가 있다 그러나 프로세스가 긴 경우에는 배관시스템내의 배관 및 배관 피팅 등과 각종 프로세스 기기들로

인하여 압력 손실이 많이 생기게 되는데 보다 정확한 밸브 선정을 위해서는 이 압력 손실량을

계산하여야 한다 밸브에서의 차압을 일정하게 하고 유체를 흐르게 할 때의 유량특성은 고유 유량특성이라고 하고 실제

프로세스 시스템상에서 운전할 때의 유량특성을 유효 유량특성이라고 하는데 앞서의 프로세스

시스템 전체에서 생기는 압력손실에서 밸브에서만 발생하는 차압이 차지 하는 비율이 낮으면 낮을수록 유효 유량특성은 고유 유량특성과 많은 차이를 갖게 된다 또한 프로세스 시스템에서의 수송하는 유량이 변화하면 밸브에서의 발생 차압도 변화한다 따라서

프로세스 시스템의 유량은 정상 운전시 시스템 기동 시 시스템 정지시마다 다르므로 밸브에서의

차압도 각각의 운전조건에 따라 검토하여야 한다 실제로 프로세스 시스템 전체의 압력손실에 대한 자동제어밸브의 발생 차압의 비율은 가능한 한

비슷하게 프로세스를 구성 설계하면 좋다 즉 이 수치는 일률적으로 정하기 어렵지만 일반적으로

30~50이면 매우 양호하다 그렇지만 5이하가 되면 제어가 매우 어려워진다 밸브에서의 차압 이

크게 되면 그만큼 밸브의 내부 구조가 복잡해지고 유체의 역학적 거동이 가혹해짐으 로 인하여

밸브의 경제성이 저하된다 (13) 설계 최대차압(체절압력 Shut-off Pressure)

밸브가 완전히 닫혀 있을 때의 밸브 입출구간의 압력의 최대치를 일컫는 압력으로써 이 최대 차압은

밸브의 구동장치의 선정 밸브의 스템 요크 및 본네트와 관련 볼트 너트 등의 강도설계에 입력

데이터로 쓰인다 설계 최대차압을 대부분 밸브 입구에서의 최대압력으로 하여 밸브를 설계하는 경우가 대부분이나 이러한 경우 밸브의 사양이 과대하게 선정될 염려가 있음으로 실제의 사용조건을 감안하여 설계 최대

차압을 고려하면 경제적인 밸브 선정을 할 수 있다 (14) 시트누설의 정도(Seat Leakage Rate)

밸브가 완전히 닫혔을 때 시트에서의 누설을 어느 양 만큼 허용할 것인가를 확인하는 것이다 자동제어밸브의 시트누설의 허용정도는 ANSIB16104FCI 70-2 의 규정을 통상적 으로 많이

적용하고 있다 시트누설의 허용등급은 6 개 등급(Class I thru VI)으로 되어 있으며 등급이

높을수록 허용 누설량이 적다 대부분의 자동제어밸브의 허용누설 등급은 Class IV 가 일반적이며 Class VI 의 경우에는

소프트시트의 사용이 권장된다 시트누설의 정도를 표시하는 방법으로는 밸브의 정격 유량계수(Cv)의

비율로써 표시하는 방법(Class III IV)과 트림 유로 구경(포트 Port)과 밸브의 차압에 대한

누설량으로 표시하는 방법이 있다 (15) 안전모드 운전(Fail Safe Mode)

밸브의 안전모드 운전은 일반적으로 자동제어밸브의 구동공기 또는 동력원이 손실되었 을 때 밸브의

작동이 프로세스가 안전한 방향으로 동작되도록 하는 것이다 일반적으로 Failure to Close Failure to Open Failure to Lock 기능 중 하나가 되며 이러한

안전모드 운전은 밸브 자체의 기능으로서 만 생각하는 경우와 프랜트 프로세스로써 생각하는 경

우와는 다른 결과를 갖고 올 수 있음으로 밸브의 선정시 이 요건의 정의는 프로세스 시스템 측면에서

수행되어야 한다 (16) 밸브의 작동방법 자동제어

밸브의 운전에 있어서 제어신호나 구동 공기의 손실에 대비하는 밸브 작동방법은 프로세스의 조건에

따라 밸브의 안전모드 운전방법으로 검토한다자동제어밸브의 작동방법 에는 정작동(Air to Close 또는 Direct Acting)과 역작동(Air to Open 또는 Reverse Acting)이 있다정작동은 신호량의 증가에 따라 밸브가 닫히는 것이고 역작동은 신호량의 증가에 따라 밸브가

열리는 것을 말한다 즉 밸브 구동장치의 운동방향에서 신호량의 증가에 따라 밸브 스템이

내려오는 것을 정작동형 스템이 상승하는 것을 역작동형이라 한다 (17) 밸브의 작동환경 자동제어

밸브의 작동환경은 대부분 가혹한 환경 조건하에 있다따라서 자동제어밸브가 위치하고 있는 배관

프로세스 시스템이나 프랜트 프로세스 시스템이 외부적으로 갖고 있는 환경조건 즉 온도 염분 부식성 가스의 유무 모래 티끌 등의 먼지 진동의 유무와 크기 등을 확인한다 (18) 밸브에서의 소음 규제 범위

밸브 운전에 있어서 유체흐름의 지배 요소인 유로 단면적과 유속의 변화 이로 인한 동적인

압력손실의 과정에 소음이 발생하게 된다 이러한 밸브의 소음 한계치를 정하고 그 저감화 방안을

검토해야 한다 앞서의 플랜트 환경조건에서의 소음은 법률로서 규정되 어 있으며 대략 90 데시벨

(dB)을 넘어서는 안된다 저감화의 방안은 밸브 트림의 구조에 의한 직접적인 방법과 아울러 배관의 형상 등 외부요인을 함께

고려하여 경제적인 방법을 택한다 이 소음의 문제 하나만 가지고도 밸브의 가격 결정에 매우 큰

영향을 미치고 있 음을 인식해야 한다 (19) 밸브의 방폭특성

가연성 또는 폭발성의 가스를 다루는 프로세스의 자동제어밸브는 그 자체로서 방폭특성을 갖고

있어야 한다 포지셔너 솔렌노이드 밸브 리미트 스위치 등의 자동제어밸브의 부품은 가연성 가스의

종류 위험장소의 등급 구분에 합치되는 방폭성능을 보유해야 한다 이들 밸브의 보조 전기기기는 내압방폭형(Flame Proof Exd)과 본질안전방폭형(Intrinsic Safety Exi)로 구분된다 (20) 제어입력 신호의 특성

제어밸브의 제어용 입력신호 즉 콘트롤러(Controller)의 출력신호 또는 콘트롤러 신호 출력의 종류

(공기 또는 전기) 및 밸브의 스트로크(Full Stroke)에 대응하는 입력신호의 범 위(Range) 등을

확인한다 특히 구동부의 스프링(Spring Range)이나 릴레이에 의한 범위의 변경 작동의 반전 등과 같은

특수한 경우(분할제어[Split Control] 파이롯트 제어 [Pilot Control]) 에는 이 제어입력의

신호특성에 주의를 요한다(21) 밸브 구동 동력원

공기는 구동부의 기능이 손상되지 않도록 수분 기름 띠끌 및 먼지 등의 청정도를 고려한다 동시에

충분한 구동력을 확보하기 위하여 공기의 압력 및 용량을 확인한다 (22) 배관 사양

자동제어밸브가 설치되는 배관의 사양에 대하여 확인한다 배관의 호칭직경 배관의 규 격 재질 접속방법 설치상의 제한사항 및 배관 레이아웃 형상을 확인한다 특히 특정한 밸브 면간치수를

적용하는 경우와 함께 배관지지대의 위치 등도 함께 검토한다 (23) 블록밸브 바이패스 밸브

자동제어밸브에서의 바이패스 밸브의 설치 여부는 유체의 조건 배관 운전방법 등에 의해 종합적으로

검토되어야 한다 바이패스 밸브를 설치하는 경우에는 제어밸브가 고장 에 의해 프로세스가 정지되지

말아야 하는 경우 등 자동제어밸브의 관리차원에서 설치하 는 경우가 많다 바이패스 밸브를 설치하는 경우에는 바이패스 밸브의 조작성 속도 응답 성 및 제어성에 대하여도

충분히 고려하여야 한다 바이패스 밸브를 설치하면 제어밸브의 전후에 블록밸브를 설치하여야 한다 일반적으로 블록밸브는 게이트밸브와 같은 차단용의 밸브 바이패스 밸브는 글로우브밸브를

선택한다 그러나 바이패스 밸브에 차압이 크게 요 구되는 경우 글로우브밸브가 적합하지 않을 경우도 있음으로

유의하여 선정한다 다음은 API RP 550 에서 권고하는 블로밸브와 바이패스 밸브의 선정표이다(24) 보수성

자동제어밸브의 보수 점검 및 정비는 유체조건이나 운전조건 등에 따라 달라짐으로 밸브 각각에

대하여 그 선정 단계에서부터 고려되어야 한다 유체에 의한 침식 부식이 예 상되는 경우에는 이러한

영향이 적은 밸브 형식 재질 등을 선택한다 보수 차원에서도 밸 브의 트림(밸브 프러그 시트링 등)의

교환이 간단한 구조의 밸브가 좋은 밸브이다다음 은 밸브의 보수성을 점검하는 하나의 항목으로 밸브를 선정하기 전에 검토해 둘 필요성 이 있다

- 보수는 어떻게 할 것인가- 밸브에 대한 점검은(중요도 점검 간격 점검의 내용 규제사항의 유무)- 플랜트 운전 중에 작동검사의 필요성 여부와 작동검사 시스템

- 부품의 조달 및 예비 부품의 보유 체계

(25) 경제성

자동제어밸브는 비교적 고가의 밸브임으로 그 자체의 경제성과 보수비용의 양면을 함 께 검토하여야

한다 자동제어밸브의 선정에 있어서 가격에 영향을 미치는 인자들은 다음과 같다 - 밸브의 형식

- 밸브의 구경

- 본체의 재질 주요부의 재질

- 압력온도 등급(Pressure Rating) - 트림의 형식

- 본네트 형식(상온용 고온용 저온용 초저온용 벨로우즈 씰 채택 여부 기타) - 핸드휠의 유무(블로밸브와 바이패스 밸브의 유무에 직접 상관됨) - 구동부 형식 및 크기

- 악세사리류(포지셔너 솔렌노이드 리미트 스위치 등)- 특수사양(자켓트 몸통 밸브 누설등급) - 검사항목(특히 재료검사에 대한 것) - 소음에 대한 규제 정도 여기에 예비부품을 포함하는 보수비용을 고려하여야 하며 초기 구입가격과

보수비용을 함께 포함하여 검토하여야 한다 (30) 자동제어밸브의 선정 방법

밸브를 선정하는 것은 시스템에서 요구하고 있는 제반 특성들을 구체화 시켜 밸브가 시스템에서

안정적으로 운전할 수 있게끔 하는 기술적인 업무이다 밸브의 크기를 결정하고 밸브의 재질과 트림

특성을 결정함에 있어 어떠한 방법으로 밸브가 시스템이 요구하는 운전 목적에 적합하게 추종할

것인가를 결정하는 일은 보다 구체적이고 높은 엔지니어링을 요구하게 된다자동제어밸브를 선정함에 있어 이러한 고도의 기술적업무를 어떤 순서에 따라 실시하는 선정공정 및

제어밸브의 구체적인 사양서(Specification She-et)의 작성요령은 자동제어밸브의 엔지니어링

중에서 가장 중요한 일로 구분된다 따라서 자동제어밸브의 선정은 자동제어밸브의 엔지니어링의 시작이자 끝이라고 할 정도로 중요하며 선정시의 착오로 인하여 많은 문제점이 발생되고 있는 것이 사실이다 자동제어밸브의 정확한 선정을 위해서는 각 단계별로 확인하고 넘어가야 할 엔지니어링이 있는데

이것을 제어밸브의 선정 공정도라고 한다 기초 데이터(운전조건 및 시스템 설계조건)를 이용하여 각

엔지니어링 단계별로 선정시의 제반 조건을 고려하여 선정공정에 따라 사양서에 입력해 나가는 것을

본 장에서 구체적으로 설명한다자동제어밸브는 크게 구분하여 몸통부 구동부 및 악세사리의 세가지로 구성되어 있다 선정에

있어서도 이 세 가지의 공정을 확인하여야 한다 다음은 포괄적인 자동제어밸브의 선정 공정이다

1 단계 몸통부 선정

유체와 직접 접촉하면서 유체의 흐름을 실질적으로 제어하는 부분이 몸통부이다 몸통부는 유체제어의 핵심 요소인 트림부분과 트림부분이 건전하게 운전될 수 있도록 지지하는

압력유지 부분이 몸통으로 구성되어 있다 따라서 유체의 특성에 맞는 재질과 유체제어 특성에 맞는

트림 형식을 가져야 하고 전체적으로 경제성과 내구성이 요구되어야 한다 따라서 몸통부의 선정은 유체의 제반 조건 제어특성 유량특성 레인지어비리티(밸브의 운전 범위성) 설계 최대 차압(체절압력 Shut-offPressure) 허용 시트 누설량 환경조건 소음 보수 및 경제성 등

모든 항목을 확인하고 선정하여야 한다 따라서 제어밸브의 선정은 몸통부의 선정이 선정의 가장

중요한 요소이자 1 차적으로 검토되는 요소이다 2000 년 2월호 알파와 오메가

8 제어밸브

81 제어밸브 개요

2단계 구동부 선정

선정된 몸통부를 기준으로 외부의 입력 신호(제어신호)에 대응하여 몸통부의 트림이 유체를

제어하는데 필요한 위치를 정하는 역할을 하는 것으로 선정의 2 차요소이다3단계 악세사리의 선정

자동제어밸브의 제어기능을 향상시키기 위한 보조기기로써 선정의 3 차 요소이다3010 선정공정도

3020 밸브의 유량계수

자동제어밸브의 유체 수송의 능력을 표시하는 계수로써 3 가지 방식이 있다 이중에서도 미국식

방식인 Cv 계수가 가장 일반적으로 널리 사용된다

Cv 계수

밸브의 개도를 일정하게 하고 60(156)의 청수를 밸브 입출구 전후의 차압을 1psi (00703kgfcm2)로 유지한 상태로 1 분 동안 흐른 유량을 US GallonMinute(1US Gallon = 3785 lit-re)으로 표시한 계수

Kv 계수

독일에서 널리 사용되는 밸브 유량계수로써 밸브의 개도를 일정하게 하고 5~30의 청수를 밸브 입출구 전후의 차압을 1kgfcm2 으로 유지한 상태로 일정시간 흐른유량을 m3Hr 로 표시한 계수

Av 계수

자동제어밸브의 유량계수를 계산할 때 사용되는 모든 단위를 국제 단위인 SI 단위로 환산하여 표시한

계수

관계식

Cv = 117 Kv = (Av 106)243030 자동제어밸브 기술사양서 작성방법

기술사양서의 작성은 제어밸브에 대한 발주자의 일반적인 정보(발주자의 프로젝트명 시스템명 사용목적 밸브번호 등)와 기술적인 성능요건과 함께 설계 및 제작 시험검사의 요건이 발주자에 의해

작성된다 그러나 제어밸브는 제작사마다 독특한 기술력과 함께 경험에 의한 노하우가 있기 때문에

발주자와 제작자가 협의하여 기술사양을 정하는 경우가 일반적이다 따라서 기술사양서에서 발주자는 기본적인 요건 즉 관련 기술산업 기준인 코드 스탠다드(Code amp Standard)를 중심으로 하는 설계 제작 요건을 언급하고 이를 종합적으로 양식화한 사양 명세서를

제작자와 함께 작성한다 이 사양 명세서는 발주자가 작성하는 사양과 발주자 및 제작자가 함께 협의 하여 결정해야 하는 사양

그리고 이에 따라 제작자가 결정해야 하는 사양 등으로 구분된다 다음은 제어 밸브의 사양 명세서에

필히 기록되어야 할 사양들이다 그러나 이들 각 사양 항목들이 사양 명세서에 모두 기입되지 않는 경우가 많은 데 이는 발주자가

그간의 경험이나 보안상의 목적으로 이들 사양을 모두 지정하지 않는 경우도 많다lt 작성의 예 gtA 제어밸브의 밸브번호 사용목적 및 밸브 형식

1밸브번호

2밸브의 사용목적 또는 적용계통의 명칭

3관련 PampID(배관 및 계장 다이아그람) 번호

B 밸브의 운전조건

1유체의 종류(물 액체 증기 기체로 구분)(다음의 사항은 정밀한 밸브 선정을 위하여 운전조건별 최대 정상 최소 또는 운전모드별로 운전

데이터가 필요함)2유량

3밸브 입출구 압력 또는 입구압력과 밸브에서의 차압

4유체의 온도

5유체의 물성치(비중량 점성계수 등)6밸브에서의 최대 차단 압력(Shut-off Pressure)7운전조건별 밸브 유량계수(Cv = Q(GfP)12C밸브의 구조

밸브의 구조는 앞서 언급한 바와 같이 밸브의 트림 밸브 몸통 그리고 구동장치와 액세서리로

구분된다밸브 구조를 기술사양서로 구체화 시킬 때는 밸브 트림의 유량특성 기본적인 밸브 형식과

밸브 몸통의 재질은 발주자가 지정하는 것을 원칙으로 하나 실제 구체적인 밸브 엔지니어링 단계에서

사양이 바뀌어질 가능성도 있다 따라서 밸브의 구조에 대한 것은 발주자와 제작자가 서로 긴밀한

기술 협의가 요청되는 부분이다lt밸브의 몸통 및 본네트 형식gt1밸브의 크기(입구 호칭직경과 호칭직경을 명기)

2밸브의 배관체결 형식 및 압력등급을 규정(Rating amp Connection Standards)(예)플랜지 규결일 경우AN-SI Class600RFRF-Raised Face Flange per ANSI B165 -소켓용접단과 버트용접일 경우600SW 1500 BW

3밸브 본네트 형식 및 재질

-체결형식(예 Bolted Pre-ssure Seal Clamped ect)-본네트 형식(예 Stand-ard Leak-off Extended Bonnet Bellows Seal Fi-nned Bonnet ect)-재질

4연결배관의 크기 및 규격

(예 입구출구배관4Prime(100A)Sch 80S6Prime(150A) Sch 40S ect)

5밸브 몸통의 재질 및 연결배관의 재질

6패킹 및 가스켓의 재질 및 형식

-가스켓의 형상 및 재질(예 Metal Ring Gasket Spiral Wound Graphite Filled Gasket Spiral Wound PTFE Gasket ect)-패킹의 종류 및 형상(예 Graphite Packing Live Loaded Stem Packing PTFE V-Packing ect)lt밸브 트림gt7트림의 형식(예 Single Seat Double Seat Cage Guided BalancedUnbalan-ced ect)8트림의 유체 제어특성(예 EQ Linear Quick Open Modified EQ Parabolic ect)9트림의 재질 및 표면(경도)처리(예 SS410 HT SS304 wStellite HF SS420wNit-ronizing HT ect))10트림의 구조(예 Multi-Hush Raven Drag Megastream CASCA-DE CAVITROL ect과 같이

밸브 제작사 별로 고유의 트림 구조 형식을 표시할수 있음)lt밸브 구동장치gt11구동 장치의 종류 및 형식 예)공기압 구동 다이아후람 공기압 구동 피스톤(싱글 더블) 유압구동 전동구동 기타

12구동장치의 크기 및 규격 예)공기압 구동 다이아후람 엑츄에이터인 경우 다이아후람의 직경피스톤 구동 엑츄에이터인 경우 피스톤의 직경전동 모터 구동의 엑츄에이터인 경우에는 입력 전압 및

출력(HP)13구동 동력원의 사양 예)공기압의 경우 공기압력을 구체적으로 표기(공급 공기압 제어 공기압 등)전동 구동의 경우에는 입력 전압 상 주파수 등

14밸브의 안전모드 설정 예)공기압 손실 시-Air Failto close(닫힘) or to open(열림) or to lock(운전위치) the valve 15밸브 구동장치의 핸들(유무 Top or Side) 3100 유량특성과 밸브에서의 차압 ΔP

제어밸브에 있어서 유량특성은 밸브의 개도에 다른 유량의 변화량과의 관계로 표시한다 유량특성은

밸브 자체의 고유 유량특성과 실제 배관시스템에 설치되었을 때의 실제 유량특성(이하 유효

유량특성이라 한다)이 있다 이들의 유량특성은 제어밸브의 성능평가에 매우 중요한 요소이다3110 고유 유량특성

밸브 전후의 차압을 일정하게 한 경우의 유량특성을 고유 유량특성이라 한다 이 유량특성은 밸브

제작사의 밸브 트림 기술자료로 공급되는 자료이다 유체의 제어용으로 채택되는 근본적인 유량특성은 선형(Linear)특성과 등비율(Equal Percentage)특성이 있으며 이들 두 특성은 밸브 제작자의 트림설계에 따라 다양한 변형의 유량특성이 제공되고

있다 다음의 그림은 ISA Control Valve Handbook 에서 보여주고 있는 밸브의 고유 유량특성도

있다선형특성은 밸브의 유량계수 변화율이 밸브 개도와 일정한 관계를 가지며 등비율특성은 밸브의

유량계수 변화율이 그 밸브개도 변화전의 유량계수과 비례하는 관계로서 다음과 같이 표현된다 일반적으로 그로브 제어밸브는 트림을 다양한 형식으로 변형할 수 있음으로 용이하게 밸브의 고유

유량특성을 얻을 수 있지만 기타의 볼밸브 버터후라이밸브 형식의 제어밸브는 구조상 유량특성을

임의로 변경할 수 없는 단점이 있다-선형특성

y=1R+(1-1R)x dy=(1-1R)dx (3100-1)-등비율특성

y=R(x-l) dy=In Rdx (3100-2)여기서 y= CvCv maxx=LL maxCv max=밸브의 최대 CvCv스템의 L 에서의 밸브 유량계수

L max밸브의 최대 스트로크

L스템의 위치

R제어밸브의 고유 렌지어비리티(Rangeability) 2000 년 3월호 알파와 오메가

8 제어밸브

81 제어밸브 개요

3110 고유 유량특성

선형특성은 밸브의 유량계수 변화율이 밸브 개도와 일정한 관계를 가지며 등비율특성은 밸브의

유량계수 변화율이 그 밸브개도 변화전의 유량계수와 비례하는 관계로써 다음과 같이 표현된다일반적으로 그로브 제어밸브는 트림을 다양한 형식으로 변형할 수 있으므로 용이하게 밸브의 고유

유량특성을 얻을 수 있지만 기타의 볼밸브 버터플라이밸브 형식의 제어밸브는 구조상 유량특성을

임의로 변경할 수 없는 단점이 있다

선형특성

y=1R＋(1-1R)x dy=(1-1R)dx (3100-1)

등비율특성

y=R(x-1) dy=1n Rdx (3100-2) 여기서

y=CvCv maxx=LLmaxCv max=밸브의 최대 CvCv=스템의 L 에서의 밸브 유량계수

Lmax=밸브의 최대 스트로크

L=스템의 위치

R=제어밸브의 고유 렌지어비리티(Rangeability)3120 유효 유량특성

제어밸브를 배관시스템에 설치한 상태에서는 밸브 전후의 배관형상에 따라 차압이 변화하므로 이러한

차압이 밸브의 고유 유량특성에 영향을 주게 된다 이들 영향을 포함하여 밸브의 유량특성을 표시한

것을 유효 유량특성이라고 한다 (1)직렬부하를 가진 프로세스 시스템의 유효 유량특성

그림 3100-2 에서 보는 바와 같이 어느 밸브 개도에서의 유량을 Q 라 하고 각각의 압력손실을 ΔPv ΔPL ΔP 라 하고 각각의 유량계수를 Cv CL C 라고 한 다음 ΔP 를 일정하게 유지시키면

Q=CvSQRT(ΔPv)=CL SQRT(ΔPL)=C SQRT(ΔP) (3100-3)ΔP=ΔP＋ΔPL (3100-4)

또한 제어밸브가 완전히 열릴 때에는 Qmax=Cvmax SQRT(Pvo)=CL SQRT(ΔPLO)=Cmax SQRT(ΔP) (3100-5)ΔP=ΔPvo＋ΔPLO (3100-6)

따라서 Qmax = Cv SQRT(ΔPv) Cvmax SQRT(ΔPvc) (3100-7)Qmax = SQRT(ΔPL)SQRT(ΔPLO)=SQRT(ΔP-ΔPvo)SQRT(ΔP-ΔPvo) (3100-8)(3100-7)과 (3100-8)식에서

QQmax=SQRT[(ΔPvoΔP)+(1-(ΔPvoΔP))(CvCvmax)] (3100-9)

여기서

u=QQmx Pr=ΔPvoΔP y=CvCvmax 라고 하면 u=SQRT(Pr+(1-Pr)y)y (3100-10)(3100-10)식에 선형특성의 (3100-1)식을 그리고 등비율특성의 (3100-2)식을 대입하여 각각의

유효 유량특성을 구할 수 있다 다음의 그림 3100-3 과 3100-4 는 각각 선형특성과 등비율특성의

유효 유량특성의 선도를 Pr 의 비율로써 보여 주고 있다 만약 밸브의 입구측 펌프의 토출수두가

일정한 경우에는 다음과 같은 식으로 밸브의 유효 유량계수를 표시할 수 있다

C=(PCvmax)SQRT((Py)2＋1) (3100-11)여기에서

P=SQRT(ΔPvΔPL)C 제어밸브와 배관시스템을 포함하는유효 유량계수

ΔPv 제어밸브에서의 압력손실

ΔPL 제어밸브를 제외한 배관시스템의 동적 압력손실

지금 밸브의 레인지어비리티 R=30 이라고 하면 선형특성을 가진 밸브의 경우 3100-1 식에서

y=096＋003 등비율특성의 경우 y=30(1x)가 된다 여기에 3100-11 식을 대입하면 밸브의

개도에 따른 밸브시스템의 유효 유량특성과의 관계를 알 수 있다 그림 3100-5 와 3100-6 은 각각 이를 보여준다 그림 3100-3sim6 에서 보는 바와 같이 Pr 값에 따라서

즉 제어밸브를 포함하는 배관시스템의 전체 압력손실에 비해 밸브에서의 압력손실이 상대적으로

작으면 제어밸브의 고유 유량특성은 크게 변하게 됨을 알 수 있다따라서 실용상 배관시스템에서의 압력손실 허용범위를 Pr＞005 로 하거나 다음과 같은 밸브

엔지니어링 지침을 제시하고 있다 펌프시스템에 있어서는 제어밸브의 압력손실량은 펌프시스템

전체의 동적 압력손실량(Dyna-mic Pressure Losses)의 13 이상이고 적어도 ΔP=10bar이상이어야 할 것 원심 압축기의 흡입 토출라인에 있어서는 흡입 절대압력의 5이상이거나 시스템

전체의 동적 압력손실이 12 이상으로써 이중 큰 값을 선정한다액체라인에 있어서는 하류측 탱크압력의 110 이상이거나 배관시스템 동적 압력손실량의 12이상으로써 이중 큰 값을 선정한다 증기 터빈 재열보일러(Reboiler) 압력용기등의 증기

공급배관에 있어서는 설계 절대압력의 110 이상이거나 035bar 중에서 큰 값을 선정한다(2)병렬부하를 가진 프로세스 시스템의 유효 유량특성

그림 3100-7 에 있어서 어느 밸브개도에 있어서 시스템의 유량을 Q 라 하고 제어밸브를 통과하는

유량을 Qv 바이패스의 유량을 Qb 라 하고 이에 대응하는 각각의 유량계수를 C Cv Cb 그리고

시스템의 압력손실을 ΔP 이라 하고 지금 ΔP 를 일정하게 하면

3100-7 병렬부하를 갖고 있는프로세스 시스템

Qv=Cv SQRT(ΔP) (3100-12)Qb=Cb SQRT(ΔP) (3100-13)Q=Qv＋Qb (3100-14) 또 제어밸브가 완전히 열릴 때에는

Qvmax=Cvmax SQRT(ΔP) (3100-15)Qmax=Qvmax＋Qb (3100-16)위의 식에서

QQmax=[(CvCvmax)＋(CbCvmx)][1＋(CbCvmax)] (3100-17)여기서 u=QQmax y=CvCvmax λ=(CbCvmax)2 라고 하면 식 3100-17 은 다음과 같다u=(y＋SQRTλ)(1＋SQRTλ) (3100-18)선형특성의 밸브는 식 3100-1 을 등비율특성의 밸브는 식 3100-2 를 식 3100-18 에 대입하면 각각

다음의 그림 3100-8 과 3100-9 와 같은 유효 유량특성을 갖는다 그림에서 제어밸브의

레인지어비리티가 감소하고 제어성이 나빠지면 유효 유량특성은 밸브의 고유 유량특성과

비슷해진다 시스템 전체의 유량계수는 C=Cv＋Cb 이므로 C=(y＋SQRTλ) Cv max (3100-19)3130 유량특성의 선정

제어밸브에 있어서 유량특성은 프로세스 전체의 특성이 선형에 가깝도록 되는 것이 바람직하다 이를

위해 제어밸브의 고유 유량특성은 일반적으로 다음과 같은 조건에 따라 선정함이 좋다(1)선형특성이 바람직한 경우

제어밸브의 전후 차압이 일정하게 되는 경우

시스템 전체의 압력강하가 제어밸브에 의해 좌우되는 경우

프로세스 변화의 특성이 선형일 경우

(2)등비율특성이 바람직한 경우

제어밸브의 전후 차압이 밸브 개도에 의해 크게 변화되는 경우

시스템 전체의 압력강하가 제어밸브 이외의 것에 의해 크게 좌우되는 경우

프로세스 변화의 특성을 잘 모를 경우

3140 밸브의 운전 범위성(Range-ability)

제어밸브에 있어서 실제 적용 가능한 유량특성을 보여주는 범위의 최대와 최소의 밸브용량비를

레인지어비리티라고 한다 레인지어비리티는 유량특성과 같이 고유 레인지어비리티와 유효

레인지어비리티가 있다 제어밸브를 선정할 때 제어밸브의 유량 및 압력의 범위를 함께 검토하는

일은 매우 중요한 일이다 2000 년 4월호 알파와 오메가

8 제어밸브

81 제어밸브 개요

3141 고유 레인지어비리티

고유 레인지어비리티는 제어밸브 전후의 차압을 그 개도에 비례하는 일정한 경우의

레인지어비리티로써 제어밸브 자체의 고유 레인지어비리티이다 레인지어비리티 R 은 다음과 같이

정의한다R=CvmaxCvmin=(Qmax SQRT(ΔPmax)(Qmin SQRT(ΔPmin)R=QmaxQmin 으로도 표시할 수 있다3142 유효 레인지어비리티

제어밸브를 배관시스템에 설치한 경우의 레인지어비리티로써 제어밸브가 설치된 상태에 따라

달라진다(1)직렬부하를 가진시스템의 경우

이 시스템의 유효 레인지어비리티는 다음과 같이 표시된다 식 3100-3 과 3100-5 에 의해서

QQmax=CSQRT(ΔP)Cvmax SQRT(ΔPvo)= CCvmax SQRT(ΔPr) (3100-20)식 3100-10 과 3100-20 에 의해서 Cv=y[SQRT(Pr＋(1-Pr)y2)Cvmax SQRT(Pr)]C 는 제어밸브를 완전히 열었을 때 즉 y=1 일 때 최대가 되고 밸브를 완전히 닫았을 때 즉 y=(1R)일 때 최소가 된다따라서 유효 레인지어비리티 RA 는 다음과 같이 정의된다 다음의 그림 3100-10 은 Pr 에 따른 유효

레인지어비리티를 보여주고 있다RA = CmaxCmin=R SQRT(Pr)＋(1-Pr)(1R)2 R SQRT(Pr) (3100-21)(2)병렬부하를 가진 시스템의 경우

식 3100-19 에서 병렬부하의 시스템에 있어서 유효 레인지어비리티는 RA = CmaxCmin=SQRT(λ＋1)SQRT(λ＋1R) (3100-22) 위의 식 3100-21 과 3100-22 그리고 그림 3100-10 은 시스템의

상류측(Upstream)과 하류측(Downstream)의 압력이 일정한 경우이다예로써 원심펌프의 토출배관상에 제어밸브를 그림 3100-11 과 같이 설치한 경우 유량과 더불어

압력이 변화하기 위해서는 레인지어비리티도 따라서 변화해야 하기 때문에 주의가 필요하다

3143 프로세스 시스템에 필요한 레인지어비리티

제어밸브를 사이징할 때 유효 레인지어비리티가 실제로 적용되는 경우 사이징 된 제어밸브는

시스템에 필요한 레인지어비리티를 만족해야 한다 그림 3100-12 의 프로세스 시스템에 있어서 이

시스템에 필요한 레인지어비리티는 다음과 같이 구한다

Rs = Cmax(req)Cmin(req) =Qmax SQRT(ΔPmax)Qmin SQRT(ΔPmin)여기서 Rs 시스템에 필요한 레인지어비리티

Cmax(req) 시스템이 필요로 하는 최대 유량계수

Cmin(req) 시스템이 필요로 하는 최소 유량계수

Qmax 시스템의 최대 유량

Qmin 시스템의 최소 유량

ρh 시스템 상류측과 하류측간의 수두의 차

ΔPmax 시스템의 최대차압

ΔPmin 시스템의 최소차압

P1 시스템의 상류측 압력

P2 시스템의 하류측 압력

시스템에서 필요로 하는 레인지어비리티를 구할 때에는 시스템의 기동시 정지시와 같이 일시적인

운전조건이외에도 밸브 사용에 따른 경년변화에 따른 조건 등도 함께 고려해야 한다 다음은 선정된

제어밸브가 실제로 시스템에 적용되었을 경우 레인지어비리티상 원활한 운전이 될 수 있는가를 예를

들어 설명한다그림 3100-12 에서 보는 바와 같이 시스템이 필요로 하는 레인지어비리티는 식 3100-23 에서 Rs = (10 SQRT(6-015-1＋005))(2 SQRT(3-025-1-005))85 이 경우 최대 Cvmax = 117Q SQRT(GsΔP)=11710SQRT(1010)=117 지금 정격 Cv=19 이고 고유 레인지어비리티 R=30인 제어밸브를 선정하는 경우 유효 레인지어비리티 RA 는 식 3100-22 에 따라 RA = A SQRT(Pr)=R SQRT (ΔP(ΔPL1＋ΔPL2＋ΔPv))= 30 SQRT(1017) = 23 Cvmax=117 에 대하여 Cv=19 를

설정한 경우 117 을 넘는 부분은 여유분이 되기 때문에 실제 사용되는 레인지어비리티 RE 는 RE = RA(Cvmax정격 Cv)=23(11719)=142따라서 시스템에서 필요로 하는 레인지어비리티 Rs=85 이고 제어밸브에 실제 사용되는

레인지어비리티는 RE=142 가 되기 때문에 이 프로세스 시스템은 조절이 가능하다3150 제어밸브 크기를선정할 때의 고려사항

3151 용어설명 케비테이션(Cavitation)밸브 몸통을 흐르는 액체가 포화증기압이하로 떨어질 때 발생하는 현상으로 액체가

포화증기압이하로 떨어지게 됨으로써 발생한 기포들은 밸브 출구단에 이르러 포화증기압이상으로

유체의 압력이 회복됨에 따라 발생된 기포는 붕괴된다 밸브에서의 이러한 유체 흐름시에 생기는

현상을 케비테이션이라고 한다

초크드 흐름(Choked Flow)밸브가 일정 개도에서 밸브 입출구사이에 차압이 커지면 유량이 증가되는 것이 일반적인 현상이나 차압이 증가해도 유체(압축성 및 비압축성)의 흐름량이 증가하지 않는 현상을 말한다압축성 유체(Compressible Fluid)프로세스 계통에서 가스의 흐름으로 인한 압력 손실이 입구측 압력과 비교하여 상당히 큰 상태하에서

유체의 밀도가 10이상 감소하는 유체를 말한다제어밸브 기량(Control Valve Authority)제어밸브의 어떤 특정 개도에 있어서의 압력 손실량과 밸브가 완전히 닫혀있을 때의 계산된 시스템

압력 손실량과의 비율을 말한다설계조건(Design Condition)플랜트의 전체 또는 부분적인 프로세스를 계산할 때 또는 주요 공정기기의 주문을 하기 위해 계산할

때의 프로세스 조건이다후라싱(Flashing)액체 흐름에서만 생기는 현상으로 밸브 몸통을 흐르는 액체가 밸브내에서 포화증기압 이하로

떨어지면 유체의 흐름에는 발생된 기포가 상당량 잔류하게 되는데 기포를 포함하고 있는 유체가 밸브

출구단 이후에도 계속 포화증기압 이하로 유지되며 흐르는 상태를 말한다밸브 유량계수( Flow Coeffi-cient)일반적으로 Cv 또는 Kv 값으로 표시되는 계수로써 밸브의 유체수송 능력을 나타내는 계수이다Cv = US gallonminute1psiKv = hour1bar Kv = 0856Cv비압축성 유체(Incompressible Fluid)액체로써 계통에서의 밀도 변화 범위가 10이내인 유체이다Reduced TrimReduced Trim 은 밸브의 호칭직경보다 작은 크기의 트림을 말하는 것으로 예를 들어 밸브의

호칭직경이 8˝인 밸브에 트림은 6˝ 또는 4˝의 작은 트림을 채택한 밸브를 Reduced Trim 의

밸브라고 한다3152 제어밸브의 크기 선정

(1)크기 선정의 기준

특별히 별도로 지정하지 않는 한 밸브의 유량계수 Cv 의 선정은 관련 프로세스 데이터에 의하여 설계

흐름조건을 결정해야 한다최대유량 조절량 Q＋ = 최대 설계유량(Qd)의 110 유량(11Qd)완전 열림시의 밸브 유량 Qo＞최대유량 조절량 Q＋과도한 루프 게인(Loop Gain)의 변화(＞=20)를 피하기 위한 설계조건하의 제어밸브 기량은 023보다 커야하므로 제어밸브 미 설치시의 시스템 유량 Qs＞=115Qd 가 되어야 한다(2)제어밸브 Cv 값의 선정

제어밸브의 크기 선정은 계산된 Cv 값에 따라 선정하되 적어도 최대 유량 조절량 Q＋는 제어할 수

있는 크기이어야 한다 만약 후라싱의 발생이 예상되는 경우에는 계산된 Cv 값에 의거 Reduced Trim 을 가진 밸브를 선정한다3153 선정시 고려사항

(1)일반 고려사항

제어밸브의 제어특성(선형 등비율형 급개형 등)의 선정

제어밸브에 연결되는 배관의 형상 및 크기 사양

소음

유체의 성상(Fluid Mixtures)케비테이션이나 후라싱의 존재 여부

초크드 흐름 여부

(2)제어밸브의 제어특성

제어밸브의 특성은 설계조건으로 선정하되 다음과 같은 기준(항상 일정한 기준으로 사용되는 것은

아니지만)을 우선적으로 고려한다

① 제어밸브가 전체 시스템에서 요구하는 압력 손실량의 70 이하를 조절하는 경우에는

등비율특성의 트림을 선정 즉 제어밸브의 기량 rdlt=07 일 때

② 제어밸브가 전체 시스템에서 요구하는 압력 손실량의 70 이상을 조절하는 경우에는 선형특성의

트림을 선정 즉 제어밸브의 기량 rd＞07 일 때

③ 특정의 가혹한 조건하에서는 추가의 감압용 오리피스를 제어밸브의 상류측에 설치하여 rd 의 값을

05 이하로 할 수 있다 이 경우 rdgt=08 이면 선형특성을 rdlt=05 이면 등비율특성을 05ltrdlt08 이면 추가의 레스트릭션 오리피스를 밸브 상류측에 설치하여 rdlt=05 로 해야 좋다

④ 제어밸브의 기량 rd 는 다음과 같이 계산한다기량 rd = ΔPvd(ΔPvd＋ΔPsd ＋ΔPpd) 여기서ΔPvd 제어밸브에서의 압력 손실량

ΔPsd 프로세스 시스템에서의 압력 손실량

ΔPpd 프로세스 펌프에서의 압력 손실량

(ΔPvd＋ΔPsd＋ΔPpd) 프로세스 시스템 전체의 압력 손실량

그러나 다음과 같은 경우에는 상기의 조건을 무시하고 선형 특성을 선정한다 자연상태하의 탱크 수위 레벨 조절 등

압축기의 서어지 방지 제어

분할제어(Split Range Control)가 필요할 때

레인지어비리티가 크게 요구되어 두 개의 제어밸브를 병렬로 사용할 때

수동의 제어밸브일 때

2000 년 5월호 알파와 오메가

8 제어밸브

81 제어밸브 개요

(3)유체 혼합시의 계산

서로 다른 성질의 액체나 기체가 혼합된 유체의 경우 Cv 의 계산은 혼합된 유체의 밀도로 해야 한다 액체와 이 액체에서 기화된 상태의 기체가 같이 흐르는 이상유체(Two Phase Flow)의 경우는

제어밸브의 선정시 매우 까다로운 문제이며 실제로 심각한 문제를 일으킬 수 있으므로 가급적 피해야

한다 액체와 성질이 전혀 다른 가스가 혼합되어 흐르는 유체의 경우 다음의 식으로 유효밀도

(Effective Density)를 계산한다

1ρeff=AY2ρgas+Bρliq 여기서

A 가스성분의 무게 비율()B 액체성분의 무게 비율()Y 가스의 팽창계수

ρ 밀도

만약 액체의 무게비율이 5를 넘으면 Cv 의 계산은 액체로 가정하여 계산하고 5 미만일 경우

기체(압축성 유체)로 하여 Cv 를 계산한다(4)케비테이션과 후라싱

제어밸브의 선정에 있어서 케비테이션과 후라싱은 적극적으로 피해야 할 현상이다 그러나 다음과

같은 시스템 설계적인 방안을 강구하면 케비테이션이나 후라싱에서 제어밸브의 운전 건전성을 도모할

수 있다1)케비테이션이 예측되고 또한 피할 수 없는 조건에서 케비테이션 완화방법

제어밸브 입구측(Upstream)의 압력을 재검토한다제어밸브의 설치위치를 가능한 한 압력이 높은 쪽이나 온도가 낮은 위치로 변경을 시도한다제어밸브의 유체흐름방향(Upward or Downward)의 변경을 검토한다제어밸브 출구쪽에 가깝게 감압용 오리피스(Restriction Orifice)를 설치하거나 유량의 변동폭을

줄일 수 있는가를 검토한다특수형의 내 케비테이션 트림의 채택을 제작사와 협의한다부하 분담을 검토하고 그 결과에 따라 제어밸브 2sim3 대를 직렬로 설치하는 것을 검토한다

2)후라싱 서비스용 밸브

후라싱을 피할 수 없는 운전조건이라면 밸브의 트림은 밸브 호칭직경과 같은 크기이어야 하며 밸브

몸통은 경도가 높은 합금강(Cr강 WC6 or WC9)3200 액체시스템에 있어서 제어밸브의 유량계수 Cv 계산

상기 계산식에서 각각의 기호는 다음과 같은 의미를 가진다Cv=밸브의 유량계수(Valve Flow Coeffcient)US gallonminuteP=1psiQ=체적유량 HourW=중량유량 1000kgHourG=유체의 흐름온도에 있어서 비중

FL=무차원의 압력회복계수

FF=임계압력비

FP=밸브 입출구 연결배관의 수정계수

FLP=연결배관의 영향을 포함한 압력회복계수

FR=레이놀즈 보정계수 (계산결과 1000ltRelt33000 이면 09 로 가정하여 계산)P1=밸브 입구압력 baraP2=밸브 출구압력 baraPv=유체의 포화증기압 bara1bar=102 kgv=동정성계스 centi-stokeFd=밸브 종류별 보정계수 표 3200-1 참조

CD=밸브 연결배관에 대한 상대 유량계수(CvD2 여기서 D= 연결배관의 호칭직경 inch)Kc=(P1-P2)(P1-Pv) 케비테이션 인덱스

3210 밸브에서의 후라싱 계산

밸브 출구의 압력이 유체 운전온도의 포화증기압 이하로 되는 경우에는 후라싱 현상(용어 정의 참조)이 발생한다 이 경우 운전온도 및 압력에 따라 액체의 일부는 증기(Vapor)화 되는데 증기화되는

정도를 후라싱 비율이라고 한다 일반적으로 후라싱 흐름일 경우에는 밸브내에서 비체적이 팽창함에

따라 출구 유속이 급격하게 증가되므로 밸브 출구는 밸브의 호칭직경 보다 크게 하는 것이

바람직하다 다음은 후라싱 흐름에 있어서 Cv 를 계산하는 식이다여기서 Q=액체의 체적유량(Hr) w=질량유량(kgHr) Gf=배르 입구측 유체의 비중

r1=밸브 입구측 유체의 비중량(kg)후라싱 비율은 유체(액체)의 전체흐름에서 얼마만큼 기화(Vapor)되었는가를 로 보여주는 것으로

후라싱 비율이 클수록 밸브 출구에서의 후라싱 속도는 빨라지게 된다 일반적으로 물과 증기의 경우 전체 질량 유량 대비 증기로 얼마(몇 )만큼 변환되었는가를 무게비 χ 로 표시하면

로 표시할수 있으며 χ 는 다음과 같이 구한다 여기서 hf1= 입구 온도에 있어서 포화액체의 엔탈피

hf2=출구압력에 있어서 포화액체의 엔탈피

hfg2=출구압력에서의 증발엔탈피

후라싱 속도의 계산

여기서 w=유량(lbhr)Vf2=출구압력에서의 포화액체의 비체적(ft3lb)vg2=출구압력에서의 포화증기의 비체적(ft3lb)A=밸브 출구의 유로 단면적(inch2)3300 가스 시스템에 있어서 제어밸브의 유량계수 Cv 계산

Cv=Qn2080FpP1Yradic(MT1ZP1)PCv=Qn387FpP1Yradic(MT1ZP1)PCv=Qn2080FpP1Yradic(MT1Z)FkXTCv=Qn387FpP1Yradic(GT1Z)FkXTCv=Qn2080FpFRP1Yradic(MT1ZP1)P

Cv=Qn387FpFRP1Yradic(GT1ZP1)PCv=밸브 유량계수

Qn=가스의 유량계수(NHour)P1=밸브의 입구압력(kgf)P2=밸브의 출구압력(kgf)

P=밸브에서의 차압(kgf)X=차압비

XT=포화 차압비 XT=084 FL2G=공기에 대한 가스의 비중

M=가스의 분자량

FP=밸브 입출구 연겨배관의 수정계수

T1=밸브 입구의 절대온도(K)Y=팽창계수 10geYge0667=1-X(3FKXT)Z=압축계수(완전가스 Z=10 범위 Z=05~15)K=비열비

Fk=k14 비열비 계수

3400 Cv 계산에 대한 예제

3410 FCI(Flow Control Institute)식에 의한 액체의 경우

유체조건을 다음과 같이 가정한다Q max = 15m3hQ min = 5 m3hP1 max = 5kgcm2 GP1 min = 8kgcm2 G P max = 1 kgfcm2 P mix = 2 kgfcm2Gf=095Cv max = 117QradicGf P=11715radic0951=171Cv miN = 117 QradicGfP=233420 FCI(Flow Control Institute)식에 의한 기체의 경우

유체조건을 하기와 같이 가정한다V=1600 N m3hP1=805 kgfcm2P2=60 kgfcm2Gg= 45T1=293KP(=20kgfcm2)는 05P1(40kgfcm2)보다 적기 때문에 임계상태가 아니다 따라서 FCI 계산식에 상기 수치를 대입해서 Cv 치를 구한다

3430 ISA(Instrument Society of America)식에 의한 후라싱(Flashing)유체조건을 다음과 같이 가정한다Q=20 m3hP1=805 kgfcm2 absPv=67 kgfcm2 absT1= 325F(163)Gf=0904P2=56 kgfcm2 absPc=2244 kgfcm2 abs

밸브의 출구측 압력 P2 와 증기압 Pv 의 위치에서 후라싱이 예상된다 벤츄리형 양글밸브에서 플러그

닫힘 방향으로 유체가 통과한다고 가정하여 FL 치를 3200-1 에서 구한다(1)여기에서 FL=05 를 채용한다(2)우선 PT 를 다음의 식에서 산출한다PT=FL2(P1-FFPv)=FL2[P1-(096-028(3)PT(=0455kgfcm2)는 P(=245kgfcm2)보다 꽤 적기 때문에 쵸크드 흐름(Chocked Flow)영역이다 따라서 다음의 식에서 이 조건에 대한 Cv 치를 계산하면 다음과 같이 된다 =33(계산 Cv 치) 2000 년 11월호 알파와 오메가

제어밸브의 트림

트림은 유체흐름에 직접 접촉하는 밸브의 부품을 총칭하는 것으로써 유체제어 또는 유체 흐름에

의하여 마모되거나 손상될 수 있으며 아울러 교체가 가능한 부품을 트림이라고 한다 제어밸브의

핵심은 결국 트림이며 트림은 제어의 목적에 맞도록 유체흐름을 직접제어하는 부품군인 것이다따라서 트림의 선정에 있어서 가장 중요한 기술적인 요소는 유체가 갖고 있는 다양성(유체의 종류 물리화학적특성 압력유량온도에 수반되는 트림재질의 기계적 성질까지 포함)을 어떻게 잘 제어할 수

있는가의 적용성 문제이다이는 부식침식의 문제와 온도압력의 차이 그리고 운전시간의 문제등을 함께 해결하는 것을 뜻한다 트림선정에 있어서 우선적으로 고려되어야 할 사항은 다음과 같다

① 밸브의 운전상태-간혹 제어 간헐적 제어 연속제어 및 얼마나 계속 운전될 것인가

② 유체의 성질-불순물(고형물질 등)을 포함하고 있는가 유체의 부식특성은 어떤가 온도(초저온 또는

고온) 고청정 유체인가 폭발성 또는 독성가스의 유체인가 등

③ 유체제어 과정에 있어서 케비테이션 또는 후라싱의 발생 가능성

④소음의 규제

⑤ 트림의 서비스 특성-트림의 교체(교환)방법 및 교체 빈도

⑥ 트림에서의 내부 누설 정도-무누설의 트림일 경우 트림구조가 변경될 수 있으며 가격상승의 직접적

요인이 됨

⑦ 유체제어 특성-제어밸브의 게인(Gain)

제어밸브의 트림 구조는 밸브의 종류(글로브밸브 버터플라이밸브 볼밸브 등)에 따라 구조상 큰

특징을 보인다 현재 제어밸브의 트림은 사용하는 유체의 성상과 압력 온도 그리고 밸브에서의

차압의 정도 및 시트에서의 누설등급에 따라 밸브의 종류별로 제한을 받고 있다 볼밸브 버터플라이밸브 및 프러그밸브와 같이 90회전하는 쿼터턴(Quarter Turn)밸브의 경우 밸브에서의

높은 차압 조정이 곤란하고 아울러 시트에서의 시팅구조가 미끄러짐에 의한 슬라이딩 접촉(Sliding Contact)이므로 내누설이 철저히 요구되는 계통에서의 적용은 불가능 하다그러나 일반적인 글로브 밸브에 적용되는 밸브 트림은 매우 다양한 구조로 설계할 수 있다 우선

유량제어 특성에 맞도록 밸브 프러그 또는 케이지(Cage)형상을 기본적인 등비율 특성(Equal Percentage) 선형특성(Linear) 및 급개형특성(Quick Opening)으로 구분하고 있으며 이들 특성을

수정하여 사용하는 경우도 밸브 제작자 별로 많이 있다이들 기본적인 세가지 유량제어특성을 갖는 트림의 구조는 컨투어드 프러그(Contoured Plug) 브이포트(V-Port) 및 특성화된 유로 케이지(Characteriged Flow Cage)가 있다 일반적으로

저압이고 밸브의 최대차단 압력(max Shut off Pressure)이 적으며 밸브 크기가 소형(4이하)일

경우에는 컨투어드 프러그형의 트림을 사용하여도 좋다그러나 밸브에서의 차압이 크게 발생하거나 유체 유동의 유체력(Fluid Flow Inertia Force)이 크게

발생되는 곳에서는 컨투어드 프러그에 안내 가이드로써 케이지를 채택하는 것이 좋다 다음 그림은

미국계기학회(Instrument Society of America ISA)에서 출간한 제어밸브 핸드북에 수록된

유체특성에 따라 설계되는 트림의 형상과 각각의 유량계수 Cr 을 보여주고 있다lt그림 12 참조gt운전압력과 온도가 높고 특히 차압이 큰 경우에는 임계흐름이 될 가능성이 매우 높기 때문에

케비테이션 또는 후라싱의 발생 가능성이 높다 실제로 높은 차압환경에서 운전되는 모든 밸브는

케비테이션 또는 후라싱의 발생으로 특수 설계된 트림이 요구된다후라싱 발생의 경우 밸브 트림에서의 후라싱 방지 방안이 불가능 하기 때문에 밸브 구조 보다는 밸브

트림에서의 후라싱 방지 방안이 불가능 하기 때문에 밸브 구조 보다는 밸브 트림 또는 몸통의

재질등을 보다 강한 재료로 채택한다그러나 케비테이션의 경우 밸브의 트림으로 케비테이션을 저감 또는 억제할 수 있다 모든 제어

밸브회사들은 유체제어에 있어서 유체역학적인 특징들을 고려하여 독자적으로 설계된 트림을 그들의

제어밸브기술 마케팅의 첫째 기술로써 선전하고 있다다음 그림들은 글로브 밸브에 채택되고 있는 고온고압의 내케비테이션(Anti-Cavitation)트림들을

보여주고 있다 lt그림 3~13 참조gt 로브형 제어밸브의 트림선정에 있어서 중점적으로 검토할 항목은

다음과 같다고압운전-강도문제 내침식 재료의 선정 시트에의 내기밀성 유지

고차압운전-내침식 재료의 선정 케비테이션 문제발생(내 케비테이션 트림선정) 스템에서의 강성도

유지 소음(Noise)대책진공운전-시트에서의 내기밀성 유지 금속 벨로우즈에 의한 기밀 유지

고온운전-상용운전온도가 232(450)이상인 경우 고온운전 재료종류에 따른 사용온도 제한 밸브구조의 제한 자켓의 밸브적용

lt트림 재료별 사용온도 제한gt청동 주철 200 이하

주강 300 이하

스텐레스강(SS316)400 이하

마르텐사이트계열(SS420)스텐레스강 45017-4PH 스텐레스강 480 이하

초경합금(텅스텐 카바이드) 650 이하

스텔라이트산화알루미늄 980 이하

인코로이 내열 합금800이하

초저온 운전상용 운전온도가 -100(-150)이하인 경우 초저온 운전 재료 종류에 따른 사용온도

제한 밸브 구조의 제한 콜드박스 또는 진공자켓의 밸브 적용

lt트림 재료별 사용 온도 제한gt구리 청동 황동 오스테나이트 계열 스텐레스 강-268(-450)모넬 하스테로이 -268(-450)마르텐사이트계열 스텐레스강 일반주강-100(-150)주철-17(0)케비테이션 저감 방안

① 밸브 운전 조건(계통 프로세스 운전 조건)의 변경

② 내케비테이션 트림의 선정압력회복이 낮은 밸브선정 높은 KC 및 FL 값을 가진 밸브의 선정 다단계 압력 강하 방식의 트림선정

③ 가스의 투입

④ 밸브 설치 방법의 변경

고점성슬러리 유체 제어- 슬러리(찌꺼기)함유 유체나 고점성 유체의 제어과정에서 원활한 유체

흐름을 갖도록 트림구조를 설계 완전 개방식 앵글밸브 특성 볼 밸브 셀프드레인 밸브 편심형

프러그 밸브 핀치밸브등이 적용된다 2000 년 12월호 알파와 오메가

제어밸브의 트림

다음의 표는 밸브의 대표적인 트림재질 구성으로써 사용조건 사용온도의 범위 사용가능 밸브사이즈

및 사용상의 제한조건을 표로 구성한 것이다제어밸브의 유량 및 레인지어비리티(Rangeability)(1)선형특성(Linear Characteristics)밸브 리프트와 통과 유량이 직접 비례하는 것으로 예를 들어 밸브가 50 리프트이면 전체 유량의

50가 밸브를 통과하게 된다 유체 수위 제어 및 일정한 게인(Gain)을 필요로 하는 유량 제어

목적으로 주로 사용된다(2)등비율특성(Equal Percentage Characteristics)일정한 비율의 스템(Stem)을 이동하였을 경우 이동전 봉과 유량에 대한 스템이동 비율만큼의 유량이

변화하는 것으로 다음과 같은 수식으로 표시될 수 있다dCvdℓ=KCv 즉 Cv=KℓCℓ(단 Cℓ 은 Cv 의 초기값)로 표시되며 Cℓ값 및 K값을 조절함으로써 계통

특성에 맞는 밸브를 선정할 수 있다 주로 계통 압력 강하를 미세하게 조절하기 위한 압력조절

목적으로 사용된다(3)급개형(Quick Opening Characteristics)낮은 스템 이동 부분에서 최대 유량변화 특성을 가진다 대부분 스템이동에 선형적이며 약 30의

밸브를 개방시켰을 경우 총 통과 유량은 전체 유량의 90에 달한다 주로 개폐용이나 자체 구동(Self

Actuated) 제어밸브에 많이 사용한다(4)유량 특성의 선택

계통 설계에 있어서 적절한 밸브 유량 특성은 선택이 중요하다 왜냐하면 밸브 선정시 계통의 특성을

고려한 밸브의 유량 특성은 밸브선정과 매우 밀접한 관계임에도 불구하고 설계자는 밸브의 단순한

기능 즉 유체의 수송 차단 및 조절기능에 의거 설계하기 때문에 실제 운전시 제어상의 문제 제기로

밸브의 선정이 부적절했다는 것을 알게 된다따라서 계통 설계자는 제어 밸브의 크기 및 형상을 선택하는 것이 아니라 제어 밸브의 Cv(밸브 계수) 및 밸브의 유량 특성을 선택하여 설계하는 것이 바람직하다 다음의 [표 234]는 각 계통특성별 밸브

유량 특성의 선택을 요약한 것이다결론적으로 밸브 유량 특성의 선택은 정량적으로 판단하기에는 어려운 것이 사실이나 앞에서 열거한

바와 같이 사용 목적에 따른 유량 특성의 선택 지침은 대략 다음과 같이 요약할 수 있다 즉 등비율 특성을 가진 밸브인 경우 주요 공정에서 계통의 압력 강하를 밸브를 통하여 얻지 못하거나 밸브의 압력 강하가 저유량에서 크고 고유량에서 낮은 경우에 밸브 선택의 지침으로 사용되며 아울러 계통 설계 자료의 부족으로 인하여 밸브를 과대하게 설계할 수밖에 없을 때 이 등비율 특성을 가진

밸브를 선정한다선형 특성을 가진 밸브의 경우는 유체의 흐름이 변화하여 넓은 범위의 유량 측정이 필요하고 계통의

압력 강하량을 밸브를 통하여 알 수 있을 때에 쓰인다(5)레인지어비리티(Rangeability)레인지어비리티는 제어할 수 있는 최소 유량에 대해서 제어할 수 있는 최대 유량비로 정의된다 일반적으로 레인지어비리티는 51(다이아후램 밸브)에서 3001(Throttling 볼밸브)까지 선택할 수

있으나 경험적으로 글로브 밸브의 레인지어비리티는 51sim201 볼 밸브의 레인지어비리티는

301sim501 이다그러나 최근의 특수트림(미로형 트림등)을 사용한 글로브 밸브의 레인지어비리티는 1001 까지도

무난하다 2001 년 1월호 알파와 오메가

(6)누설율

누설율 및 유량특성(Flow Ch-aracteristics)은 밸브 트림(Trim) 즉 프러그 시트 스템 가이드 부싱

(Guide Bushing) 등의 형식을 결정하는 기본 요소이다 ANSI B16104(1976)에는 밸브의 누설율

등급(Leak Class)을 정의하고 있으며 밸브의 닫힘정도(Degree of Shut-off)에 따라 밸브의 가격은

상당히 차이가 난다그러므로 밸브 사양을 작성할 때는 반드시 허용 누설율을 명시함으로써 과도하게 크게 선정된

액츄에이터나 특수 설계를 요하는 밸브를 구매하지 않도록 해야 한다제어밸브의 트림구성에 따른 가격 평가

트림 형식에 따는 누설율(Leak-age Rate)을 [표 7]에 표시하였다 일반적으로 제어밸브의 경우

밸브의 크기별 압력등급별 재질별 사용환경에 따라 밸브가격은 다르게 된다 다음은

미국계측제어공학회에서 경험적으로 밸브의 가격을 비교한 것으로 좋은 참고자료가 될 것이다제어밸브 셋업에 있어서 일반적으로 일어나는 실수

(1)글로브형 제어밸브에 있어서 서비스 조건별 가격 비교(6Prime밸브기준) [표 9참조]

필자의 경험으로 상기 조건에서 가장 큰 가격영향력을 갖는 요소로서는 차압(ΔP)이며 ΔP 와 온도가

높을수록 특수한 트림설계가 요구되므로 밸브트림가격은 기준가격의 10 배까지도 올라갈 수 있다(2)밸브 재질별 가격비교[표 10참조](3)버터플라이 밸브의 라이닝 유무 [표 11참조]제어밸브를 설치하고 실제 운전을 위한 워밍업(Worming up)시에 일반적으로 일어날 수 있는 실수의

사례들을 검토해 보기로 한다 일반적으로 일어날 수 있는 제어밸브 셋업시의 문제는 다음과 같은

사항을 우선 생각하여야 한다 첫째는 셋업 데이터를 잘못 적용하는 사례이고 둘째는 시스템 운전 자료의 변경이나 밸브의

하드웨어의 변경에 따른 충분한 사후 평가 및 대책이 부족한 경우 셋째는 제어밸브를 구성하고 있는

각 구성부품의 기능과 역할을 충분히 숙지하지 못한 경우 넷째로 시스템 운전에 있어서 중점 제어

하여야 할 제어변수(Control Variables)의 지정에 문제가 있는 경우이다 공압식 제어밸브의 경우 이들 문제 중의 상당수가 엑츄에이터에서 자주 경험된다 엑츄에이터의

행정거리 스프링의 초기 압축량 엑츄에이터에 공급되는 공기압력이 제어조건에 모두 잘 맞아야

원활한 운전이 될 수 있다 그러나 실제로 이러한 요인들을 잘 알고 있다고 하여도 일반 현장에서의 사소한 실수는 간혹 매우

심각한 문제를 야기하기도 한다 공압식 제어밸브를 올바르게 셋업하기 위해서는 밸브의 트림과

액츄에이터 그리고 밸브전체의 성능에 영향을 미치는 부품들과 다른 변수에 대하여 확실히 해

두어야 한다 또한 수많은 변수들이 제어밸브의 올바른 셋업에 영향을 주기 때문에 시스템 측면의 운전변수 운전

요구사항 운전 환경 나아가 하나의 작은 제어부품인 리미트 스윗치나 락업밸브(Lock up Valve) 스피드 제어밸브에 이르기까지 하나하나의 구성부품에 대한 올바른 설치 운전을 위한 원리 및 운전

절차서도 충분히 숙지해두어야 하는 것이다 먼저 밸브와 엑츄에이터를 선정하기 전에 제어밸브의 시스템 설계사양에 대하여 충분한 정보와

지식이 있어야 한다 그래야 시스템 설계사양으로부터 밸브의 운전 변수를 갖고 올 수 있으며 특히

밸브의 운전 목적을 확실히 할 수 있다 예를 들어 단순히 운전 데이터만 있는 경우의 제어밸브 선정과

시스템 운전의 제반 운전조건과 목적을 아는 경우의 제어밸브 선정은 그 격을 달리한다 발전소의 히터 드레인 시스템의 경우 간헐적인 조절기능이 있는 제어밸브와 차단밸브로 각각의

시스템을 구성할 수 있지만 단순한 운전 자료만을 가지고는 항상 유량을 제어하는 밸브로 시트

누설등급이 IV 인 밸브로 그리고 운전 모드에 따라 케비테이션과 후라싱이 동시에 생길 수 있는

그야말로 특수의 고가의 트림을 선택하여야 하는 제어밸브로 선정할 수도 있다하지만 이 시스템의 운전기능과 목적을 알고 있다면 제어밸브의 선정은 보다 용이해지고 신뢰도가

높으면서 안정된 가격의 제어밸브를 택할 수 있다 간헐적인 운전의 밸브에 시트 누설이 매우 낮은

등급 V 의 정도의 트림과 더불어 밸브 후단에 희생 오리피스를 장착하거나 또는 밸브의 출구배관을

크게함으로써 시스템의 건전하고 경제적인 운전을 도모할 수 있는 것이다 제어밸브를 선정하기 위해서는 밸브의 입구압력 출구압력 밸브에서의 차압 유체의 온도 유량 그리고 부식침식에 대한 화학적특성 시트의 누설등급 정도 밸브에 동력원이 상실되는 경우에 있어서

밸브의 운전 위치 열고 닫음의 속도 제어의 특성이 모두 고려되어야 한다 또한 제어밸브는 압력 유지부품으로써 운전강도에 대하여 구조적으로 건전하여야 함으로 이에

영향을 받는 밸브의 패킹구조 트림 및 엑츄이에터도 함께 고려하여야 한다 제어밸브의 압력유지

구성품은 밸브의 몸통 본네트 및 본네트 볼트가 일반적으로 해당되고 간혹 프러그가 압력

유지부품으로 간주되는 경우가 있다 밸브의 패킹구조 또한 매우 중요한 제어밸브의 기술적인 부품으로써 시스템의 운전환경에 대해

다양한 형태의 패킹 구조가 도입되어 있다 제어밸브의 트림은 유체의 건전한 제어를 실질적으로

수행하는 핵심으로 운전조건에 따라 제어목적에 따라 그리고 유지 보수의 편의에 따라 또한 매우

다양한 형태가 선택된다무엇보다도 제어밸브의 핵심적인 설계변수는 밸브의 입구압력 출구압력 유체 온도 유량 및 개폐

모드 및 시간이다 본네트 및 패킹의 설계변수는 각기 다른 밸브재질과 설계 형태에 따라 달라지는데 패킹 링의 수량 스템의 표면 가공 정밀도 밸브조립시의 응력 분포 스템에의 윤활 여부 스템

조립시의 직진도와 밸브 조립시의 기능의 정도가 본네트 및 패킹의 설계에 직접적인 영향을 미친다 특히 패킹의 경우 패킹의 재질 형태 및 씰링의 신뢰성등을 고려하면 제어밸브의 셋업에 상당한

영향을 준다 패킹을 얼마나 조이는가에 따라 스템의 운전 부하가 달라지고 과도한 부하(많이 조여서)일 경우 제어밸브의 스템은 헌팅(스템이 부드럽게 운동하지 못하고 덜거덕 거리면서 운동함)이

일어나고 심한 경우 제어가 안될 수도 있다 트림설계의 경우에는 매우 다양한 종류의 트림들이 밸브 여러 회사마다 독특한 디자인으로 소개되어

있다 트림은 기존의 어떤 회사의 브랜드 이미지 보다는 철저하게 시스템의 운전 목적에 합당한

것이어야 하며 그 성능은 밸브별로 각각 평가 보증되어야 한다 트림의 스타일은 바란스 트림(Balance Trim) 언바란스 트림(Unbalance Trim) 파이롯트형

탠덤트림(Pilot Operated Tandem Trim)이 있고 이들 트림은 언바란스면적 씰링 마찰력 파이롯트 밸브 스프링의 힘 트림의 재질 및 트림의 시트 내누설 정도에 따라 액츄에이터의 성능에

영향을 준다 액츄에이터는 피스톤형 다이아후람형 레버 조작형등이 있으며 액츄에이터의 설계변수는 스프링의

초기 압축력 스프링의 상수 작동 공기의 압력 행정 길이 밸브 안전위치(Failure Mode) 액츄에이터의 취부 방향 크기 작동환경 행정에 소요되는 시간 및 액츄에이터의 설계형태 등이다 올바른 액츄에이터를 선정하기 위해서는 우선적으로 동력원인 압축공기가 손실되었을 때 요구되는

안전위치를 정해 두는 것이 좋다 다음은 액츄에이터 및 트림의 형식별 동력원 손실시의 작동

방향이다 [표 12참조]공기작동식 제어밸브에서 가장 잘 일어나는 셋업의 실수는 벤치셋(Bench Set)이다 벤치셋은

엑츄에이터내에 일정한 공기압력에 다달으면 엑츄에이터가 움직이기 시작하는 하는 데 이 때의

공기압력을 설정하는 것을 벤치셋이라고 한다 계산에 근거한 벤치셋 공기압력은 실제의 시스템에 투입되어 운전하고 있는 밸브의 벤치셋과는 다른

값을 가진다 시스템에 투입된 경우에는 패킹의 마찰력 트림의 총 무게 파이롯트 밸브의 스프링

힘 그리고 시스템 운전 압력이 모두 고려되어야 한다 실제적인 밸브의 보증은 시스템에 밸브가

설치된 후 건전하게 운전됨을 확인한 후에 밸브의 보증은 이뤄져야 한다 따라서 밸브를 제작자로부터 인도 받은 후 보관 및 설치가 건전하게 절차에 따라 이루어지고 밸브

제작사의 입회 하에 시스템 운전과 병행하는 커미션닝(Commissioning)이 완료된 후부터 실질적인

밸브 보증은 이뤄지게 되는 것이다 일반적으로 제어밸브의 사용자 불만은 밸브 시트에서의 누설 밸브 운전 중 부드럽지 못한 동작 시트에서의 디스크나 프러그의 고착(Sticking) 비정상적인 행정(Stroke) 시간과 구성 부품의 손상

등이 주된 불만사항 들이다 이들 불만사항 들을 원인별로 정리하면 다음과 같은 요인들에 의한다 트림의 마모 공기 공급체계의 문제 포지션너나 컨버터 등의 제어요소 문제 시스템에서 불순물 침입

셋업의 잘못 액츄에이터 구성 부품의 손상 패킹 문제 부적합한 부품의 사용 등이 이들 요인들이다 다음의 예들은 제어밸브의 셋업에서 일어 난 사례를 정리한 것이다 lt사례gt 밸브제작자는 밸브를 구체적으로 사양을 정하기 전에 어떤 시스템에서 어떻게 운전하는

밸브인가를 먼저 확인하여야 한다 시스템의 운전 환경과 조건을 충분히 숙지하고 다음과 같은 절차에

따라 밸브를 선정한다A 시스템 운전 환경 조건 및 요구사항을 정함1 운전조건 [표 13참조]B 트림의 설계변수는 다음과 같다 프러그설계 언바란스

프러그 언바란스 면적의 계산 UA = 1227 inch스템의 언바란스 면적의 계산 SA = 0442 inch프러그 직경 PD = 125 inch스템 직경 SD = 075inch트림의 재질 SS410 스텐레스강

프러그 작동 직동(Direct 밸브 Open 스템 운동 방향 a 액츄에이터)밸브의 유체 흐름 방향 시트하부로부터

시트 내누설 요구사항 Class IVC 엑츄에이터의 설계변수는 다음과 같다밸브 안전위치 공기압 상실 시 밸브 열림

행정길이(스트로크) S = 10 inch공기압력원 AP = 60 psig최소 시트 접촉력 CL = 120 lbf정상시의 시트 접촉력 CL = 0047(PD)(DP+1000)=0047(125)(2200) = 1293 lbfD 적용되는 본네트패킹의 설계변수는 다음과 같다패킹 재질 팽창흑연 패킹

패킹 링의 수 5 개

패킹 형태 사각형 성형 패킹

패킹에 작용하는 하중의 형태 정적(Static)패킹의 밀도 90lbfft패킹 윤활여부 없음

최소 허용 패킹 응력강도 PS = 1500psi정상 운전 시의 패킹 마찰력 PF = 03(SD)(PP) = 030751500 = 3375E 해 석

유체흐름이 밸브 시트 아래에서 위로 흐르고 언바란스 트림인 경우 밸브 완전 닫힘에서 스템 을

작동시키는 데 필요한 힘은 SFC(Stem Force to Close) = P1(UA)-P2(UA-SA)-PA(SA)+PF+CL= 14151227-215(1227-0442)-150442+3375+1293= 20276 lbfSFO(Stem Force to Open) = 3375 lbf( = PF) 이 경우 밸브 내부의 압력이 작용하지 않고 단지

패킹의 마찰력만이 작용한다 이 값은 엑츄에이터의 초기 스프링 압축량으로 환산되어야 한다F 엑츄에이터의 선정

앞서의 선정 과정을 거쳐 실제 적용할 엑츄에이터로서 다이아후람 단면적이 AA = 60(inch)이고

스프링 상수 R = 1000 lbfinch 인 엑츄에이터를 선정하였다 따라서 엑츄에이터의 벤치셋 스프링

초기 압축압력 BS(psig) 은 BS = PF60 = 337560 = 56 psig 60psig 밸브를 완전히 닫기 위한

스프링 압축압력 AC(psig) 는 AC = [AABS+RS+SFC] 60 = [606+10001+20276]60 = 565 a 60 psigG 액츄에이터에 60 psig 의 구동압력으로 무부하상태의 밸브를 닫았을 때 시트에서의 응력을

검토해야 한다 먼저 시트에 작용하는 시트하중을 구하면 시트 하중 SL(lbf) = AAAP - SR - BSAA - PF = 6060-11000-660-3375 = 19025 lbf시트 응력 SS(psi) = SL(003PD314) = 19025 (003125314) = 1615 psi OKlt 문제점 분석 - 시나리오 1 gt상기 사례에서 선정된 밸브에 라이브 로디드 스템 패킹(Live Loaded Stem Packing)을 채택하였다 새로운 패킹을 삽입한 후의 패킹 마찰력은 600lbf 로 증가될 것으로 판단되었으나 엑츄에이터의

스프링 초기 압축력은 변경하지 않았다 새로운 패킹으로 교체한 경우의 예상 초기 벤치셋은 BS = PFAA = 60060 = 10psig 가 되어

초기의 56psig 보다도 높은데도 불구하고 벤치셋을 수정하지 않은 상태로 운전에 들어 간 결과 반년

후 고객으로부터 밸브 시트에서의 누설이 심하다는 불만사항을 접수 밸브를 분해하여 검토한 결과

시트 표면의 손상이 발견되었다 실제 운전시의 벤치셋을 평가하기 위하여 밸브 닫힘시의 공기

구동압력을 다시 계산하면

AC = (AABS+RS+SFC)60 = 605 psigAP = 580 psig(실제 공급되는 공기압)따라서 부족한 시팅력은 150lbf(= AA(AC-AP) = 60(605-580) = 150 lbf)가 되었다 결론적으로 라이브 로딩 패킹의 채택에 따른 벤치셋을 제대로 하지 않았기 때문에 시트 누설 방지를

위한 최소한의 접촉력인 1293 lbf 가 확보되지 못하여 시트에서의 지속적 누설에 의한 시트 기밀

구조의 파괴에 의하여 문제가 생긴 것으로 판단되었다 해결책은 구동 공기의 압력을 60 psig 에서 70 psig 로 높이고 벤치셋을 다시 점검한다lt문제점 분석 - 시나리오 2gt밸브 진단 장치를 가지고 밸브의 다이아후람 공기압력 대비 밸브의 개도 위치 관계를 밸브를 개폐하면서 기록하여 보았다 기록의 결과는 닫을 때의 다이아후람 공기압력은 밸브를 열 때의

공기압력 보다 11psig 정도 높았다 이러한 결과는 스템 패킹의 과도한 조임에 의하여 생기는 것으로써 이 패킹의 마찰력 차이는 PF = 110AA2 = 1106002 = 330 lbf 로 판단되었다 또한

기록서는 또한 다이아후람의 압력이 60 psig 일 때 닫히기 시작했으며 밸브가 완전히 열리기 전에

다이아후람의 공기압력은 0 psig 가 되었다 이는 엑츄에이터의 벤치 셋이 패킹 마찰력 330 lbf 때문에 다시 조정되어야 함을 보여 주는 것이다 패킹의 추가 조임에 따라 패킹 마찰력이 증가되는 만큼 엑츄에이터의 초기 공기압력은 재조정 즉

벤치셋의 값을 증가 시켜야 하는 것이다 lt결론gt이러한 과정-시나리오를 통하여 본 밸브는 장기간 신뢰성 있는 운전을 보장할 수 있다 즉 운전에

영향을 주는 제반 변수들을 완전히 이해하는 것이 무엇보다 중요한 것이다lt가혹 운전용 밸브의 판정 점검 포인트gt(1) 밸브 입출구의 압력차가 1000psi 이상인 경우

(2) 운전온도가 800 이상인 경우

(3) 케비테이션이 존재하는 조건

(4) 후라싱이 발생하고 후라싱 유체의 유속이 30000 feetminute 를 넘는 경우

(5) 시스템 운전 부하의 변동폭과 횟수가 많아 빈번한 운전을 요구하는 경우

(6) 긴급 운전을 요구하는 경우

(7) 이상유체(Two Phase Flow) 또는 혼합 유체(Mixed Flow)의 운전

lt가혹 운전용 밸브에서 흔히 발생될 수 있는 문제점gt(1) 잘못 선정된 트림 유량특성 형식 또는 과대 사이즈된 결과로 시스템 제어가 잘 안됨

(2) 트림 형식을 잘못 선정하거나 인슐레이션의 부적절로 인한 과도한 소음 또는 진동

(3) 불충분한 엑츄에이터 추력으로 인한 시트의 흠집 또는 와이어드로우잉

(4) 엑츄에이터의 축 정렬 잘못에 의한 시트 누설

(5) 부적절한 배관 세정(Flushing)으로 인한 이물질의 트림내 침입과 이로 인한 시트 누설

(6) 부적절한 트림선정이나 설치 잘못으로 인한 패킹 씰 구조의 파괴

(7) 부적절한 트림재질 선정 또는 경도의 부족으로 인한 고착 또는 긁힘(Galling)(8) 트림 부품의 가공 정밀도 문제로 인한 축 정렬 문제 - 고착 또는 긁힘 발생

(9) 부적절한 트림 형식의 선택 밸브에서의 과도한 압력 강하 또는 적은 사이즈 엑츄에이터의 선정에

의하여 시팅 시 밸브 스템이 점핑하는 현상

(10) 잘못된 시스템 운전 조건에 의한 밸브 트림 선정 불충분한 추력의 엑츄에이터 선정으로 인하여

낮은 개도(10 미만)에서의 운전과 이로 인한 시트의 내누설 구조의 파괴

(11) 가혹한 시스템 운전 조건하에서 케비테이션에 견딜 수 없는 부적절한 트림의 선택

(12) 가혹한 진동 축 정렬 잘못 스템 강도의 부족으로 인한 스템의 굽힘이나 파단의 문제

(13) 시스템의 압력 변동 배관계 설계 잘못으로 인한 진동의 요인 혼합유체의 제어 또는 불충분한

추력의 엑츄에이터 선정으로 인하여 밸브 스템이 춤을 추는 현상 등

2001 년 2월호 알파와 오메가

이번호에서는 제어밸브에 대한 엔지니어링을 기존 발전소에 설치된 밸브를 중심으로 실예를 들어

설명하기로 한다 이 설명에는 제어밸브의 ISA 계산법칙에 따른 계산서를 첨부하여 이를 참고로

평가를 하여야 하나 지면 관계상 이를 생략하고 다음호에서는 제어밸브의 엔지니어링을 발전소를

중심으로 하는 실제 시스템 측면에서 검토하기로 한다 이 검토를 끝낸 후에 제어밸브의 구동장치

설계 선정 및 엔지니어링 계산방법을 기고할 계획이다 실전 예제 - 제어밸브 선정자료의 검토

발전소 주증기 및 주증기 바이패스 계통 콥스-발칸사 제어밸브 선정 자료 검토 보고서(Control Valve Engineering Report of Main Steam amp Bypass System in Power Plant)주증기 드레인 밸브 LCV-14

1제어밸브 최초 설치 조건

(1)제어밸브 구매자 제작사 United Technologies CVI JOB NO91-34285-10(2)Original Control Valve Sizing Condition [표 1참조](3)신규로 시스템 운전에 근접하게 운전조건을 가정하여 밸브의 설계조건으로 함 [표 2참조]

2기능

본 제어밸브는 고압증기배관에 생기는 응축수를 증기트랩을 통하여 계속 방출하기 어려울 정도로

다량의 응축수가 생겼을 경우 MS-14-LSH 의 시그널에 의하여 이들 응축수를 복수기로 방출하는데

사용되는 ON-OFF 용 제어밸브이다

3 운전

4 문제점 및 대책

(1) 문제점 현상

현재의 문제점은 밸브 차단 시 디스크가 들리는 듯한 현상으로 계속 유체가 누설되는 현상이 발생되는

점인데 이는 실제 구동부가 약하여 입구측 압력에 의해 구동부의 스프링이 들리는 것으로도 보일 수

있다 (2) 문제의 원인

문제의 근본적인 원인은 최초 제어밸브의 발주 시 운전 데이터가 전무한 상태로 밸브의 사이즈와 압력

등급(Pressure Tempera- ture Rating)만 제시하고 구매 설치한 것 때문이다 즉 계통특성에

맞도록 제어밸브를 엔지니어링하여 제어밸브를 선정했다면 이런 문제는 발생되지 않았을 것이다계통 특성상 본 제어밸브는 주증기관에 생기는 응축수를 복수기로 방출하는 역할이므로 밸브가 열려

운전하는 상태에서는 후라싱 현상을 피할 수 없다 따라서 후라싱이 게속 진행되어 왔다면 현재의

프러그 조절형(Plug Throttle)트림의 침식현상은 아울러 피할 수 없다 침식 누적으로 인한 유체의

과도한 누설(Passing)은 외부적으로 구동부의 힘이 약하여 발생되는 것으로 인식될 수 있다(3) 문제의 분석평가

앞서 1(3)에서와 같이 기존의 밸브 데이터 시트를 참조하여 역으로 밸브 사이즈와 트림내용만 같고

복수기로 방출되는 응축수의 드레인 량을 최소 시간당 4톤에서 12톤까지 넣어 밸브를 사이징 한

결과 모든 조건에서 후라싱은 피할 수 없으며 밸브가 차단되어 있을 때 밸브의 차단 압력은

입구압력의 15 배(여유를 충분히 고려)로 하여 구동부 사이즈를 검토한 결과 차단용 제어밸브로서의

구동부 크기는 60inch 로써 현재의 구동부로도 충분하게 차단할 수 있는 것으로 판단된다후라싱 서비스용 트림으로써 프러그 조절형 트림은 적절하지 않으며 특히 유체의 유로가 밸브 디스크

하부에서 상부로 흐를 때(under the web)는 특히 후라싱 서비스에서는 적합한 밸브의 유로 방향

선택이 아니다밸브의 출구 후단은 적어도 2단계로 배관이 확관 되어야 고속 유체 흐름에 의한 배관의

침식을 완화 시킬 수 있다(4) 대책정기 보수 시 본 밸브를 해체하여 침식여부를 확인하고 침식의 진행정도에 따라 후라싱(Flashing)용

트림(후라싱 현상에도 트림이 견딜 수 있는)으로 교체한다 현재의 밸브설치 위치와 복수기와의

거리를 측정하여 거리가 멀리 떨어져(5m 이상) 있다면 밸브를 가능한 한 복수기에 가깝도록 이전

설치를 검토한다 아울러 밸브의 출구 배관이 현 계통도에는 1Prime로 되어 있는 바 발전소 유지보수의

경제성 측면에서 적어도 25Prime로 확관하거나 복수기 전단에 레스트릭션 오리피스(Restriction Orifice)를 설치하여 고가의 밸브 보수로 인한 경제적 부담을 완화시킨다 밸브제작사의 공인 서비스

업체에 전반적인 진단을 의뢰한다주증기 바이패스 압력제어 밸브 PCV-151 제어밸브 최초 설치 조건

(1) 제어밸브 구매자 제작사 United Technologies CVI JOB NO91-34285-10(2)Original Control Valve Sizing Condition [표 3참조](3) 신규로 시스템 운전에 근접하게 운전조건을 가정 [표 4참조]2 기능

본 제어밸브는 고압증기의 터빈 바이패스 배관의 주 제어밸브의 릴리이프 밸브로써 바이패스의

증기량이 급격히 증대되거나 주 제어밸브가 운전 불능일 때 증기를 바이패스 하는데 ON-OFF 용도로

사용된다 3 문제점 및 대책

(1) 문제점 현상

현재의 문제점은 밸브 차단 시 디스크가 들리는 듯한 현상으로 계속 유체가 누설되는 현상이 발생되는

점인데 이는 실제 구동부가 약하여 입구측 압력에 의해 구동부의 스프링이 들리는 것으로도 보일 수

있다 (2) 문제 원인

문제의 근본적인 원인은 최초 제어밸브의 발주 시 운전 데이터상 ON-OFF 밸브이기 때문에 증기의

유속을 무시하고 배관 사이즈대로 3Prime의 밸브를 선정하였음 그러나 운전 조건상 입구압력(P1)이

760psia 정도로써 유량 계수는 Cv=110 를 초과하여 운전하는 것이 현재의 운전 상태임 현재 운전

조건 하에서의 유속은 6214 msec 로써 우려할 만한 유속이나 차단용 제어밸브이기 때문에 적용이

가능함

그러나 실제 설치된 밸브의 Cv값은 Cv=97 로써 현 운전조건에 비하여 작은 용량의 밸브를 사용하고

있는 것임 또한 제작사 United Technologies 가 최대 용량으로 밸브를 선정했기 때문에

제어밸브로서는 거의 적용되지 않는 다이아후람의 공기압력을 80psig(56kgcm)을 요구하여

운전토록 하고 있는바 그간의 운전실적으로 보아 스프링의 시효 감소로 구동부의 스프링이 들릴

가능성이 매우 높음 따라서 문제는 밸브의 용량 부족과 더불어 구동부의 크기가 작게 선정된 것이 본

밸브 문제의 근본 원인이라 판단됨

(3) 문제의 분석평가

제어밸브 데이터시트 PCV-15 에서 보는 바와 같이 실제 운전 조건과 최초 선정된 데이터로 사이징 한

결과 밸브가 열릴 때의 소음이 매우 크며(약 110 dBa 이상)밸브가 차단되어 있을 때 밸브의 차단은

오직 구동부의 스프링 힘에 의해서만 차단되도록 되고 있으나 이때의 공기압 압력이 완전 차단에

미치지 못하고 있을 가능성이 있으며 밸브의 요구 유량을 원활하게 차단개방하기 위해서는 구동부의

크기(용량)가 적어도 260inch 로 기존 설치된 160inch 의 것보다 훨씬 큰 사이즈의 구동부를 필요로

하는 것으로 분석됨(4) 대책정기 보수 시 본 밸브를 해체하여 침식여부를 확인하고 침식의 진행정도에 따라 밸브의 트림을

보수한다현재의 운전 모드를 계속 사용하는 조건이라면 본 밸브의 다이아후람 구동부의 크기를

현재의 160 inch 에서 260 inch 의 모델로 교체 설치한다밸브제작사의 공인 서비스 업체에 전반적인

진단을 의뢰한다주증기 바이패스 압력제어밸브 PCV-201 제어밸브 최초 설치 조건

(1) 제어밸브 구매자 제작사 United Technologies CVI JOB NO91-34285-10

(2)Original Control Valve Sizing Condition [표 5참조]신규로 시스템 운전에 근접하게 운전조건을 가정 [표 6참조]2 기능

본 제어밸브는 고압 증기 바이패스 배관의 고압 증기 유량을 제어하는 밸브이다 3 문제점 및 대책

(1) 문제점 현상

(2) 문제 원인

(3) 문제의 분석평가

새로 계산된 밸브 데이터 시트에서 보는 바와 같이 현재 설치되어 있는 밸브의 운전 조건으로 보아 더

많은 유량 더 높은 고압증기의 유입에도 본 밸브는 적절하게 운전되는 밸브로 선정되어 있다 운전

특성상 특별한 문제점이 밸브의 선정상 발생할 소지는 없다(4) 대책정기 보수 시 본 밸브를 해체하여 침식여부를 확인하고 침식의 진행정도에 트림을 보수한다주증기 방출 제어밸브 PCV-321 제어밸브 최초 설치 조건

(1) 제어밸브 구매자 제작사 United Technologies CVI JOB NO91-34285-10 (2)Original Control Valve Sizing Condition [표 7참조](3) 신규로 시스템 운전에 근접하게 운전조건을 가정 [표 8참조]2 기능

본 제어밸브는 HRSG 의 고압증기를 복수기로 바이패스 하는데 사용되는 제어밸브이다 3 문제점 및 대책

(1) 문제점 현상

현재 예상되는 문제점은 밸브가 운전할 때 증기의 유속이 비교적 빠름으로 인하여 생기는 소음문제를

예상할 수 있으며 특히 낮은 개도도로 운전 시 시트부위의 침식으로 인한 누설 가능성이 높은 점이다

(2) 문제의 분석평가

제어밸브 데이터시트에서 보는 바와 같이 실제 운전 조건과 최초 선정된 데이터로 사이징 한 결과

현재의 다이아후람 구동부는 160 inch 로써 실제 운전 조건대로 계산 선정되는 100 inch 보다 큰

구동부 임으로 밸브 구동력에는 아무런 문제점이 없다그러나 고속의 증기를 제어하는 밸브이기

때문에 소음 문제와 더불어 시트 부위의 침식(장기간 사용시) 문제가 예상됨으로 주기적으로 트림을

점검하여 손상 유무를 확인하여야 할 것임 (3) 대책정기 보수 시 본 밸브를 해체하여 침식여부를 확인하고 침식의 진행정도에 따라 밸브 트림의 보수

여부를 결정한다제작사의 공인 서비스 업체에 전반적인 진단을 의뢰한다 2001 년 3월호 알파와 오메가

밸브 디수퍼히터 냉각수 제어밸브 TCV-3743 1제어밸브 최초 설치 조건

(1)제어밸브 구매자 제작사 United TechnologiesCVI JOB NO91-34285-10(2)Original Control Valve Sizing Condition [표 1참조]

(3)신규로 시스템 운전에 근접하게 운전조건을 가정 [표 2참조]2 기능

본 제어밸브는 고압 증기 바이패스 배관의 증기 토출 온도를 제어하기 위해 사용되는 디수퍼히터의

냉각수 제어밸브이다3 문제점 및 대책

(1) 문제점 현상

현재 제어밸브의 운전조건은 케비테이션이 발생하는 조건이므로 이를 방지하기 위하여 케스케이드

트림을 채택하고 있다 따라서 운전 조건상 케비테이션이 있는 밸브이므로 주기적인 점검이 필요한

밸브이다(2)문제의 분석평가

새로 계산된 밸브 데이터 시트에서 보는 바와 같이 현재 설치되어있는 밸브의 운전조건으로 보아

케비테이션이 발생하고 있으나 내 케비테이션 (Anti-Cavitation) 트림인 케스케이드(Cascade) 트림을 채택하고 있어 케비테이션에 의한 심각한 문제는 발생하지 않을 것이다 아울러 운전 특성상

케비테이션외에 다른 특별한 문제점이 밸브의 선정상 발생할 소지는 없는 것으로 판단된다(3) 대책정기 보수 시 본 밸브를 해체하여 침식여부를 확인하고 침식의 진행정도에 트림을 보수한다 케스케이드 트림은 주기적으로 교체한다밸브 디수퍼히터 냉각수 제어밸브 TCV-37A43A1제어밸브 최초 설치 조건

(1)제어밸브 구매자 제작사 United TechnologiesCVI JOB NO91-34285-10(2)Original Control Valve Sizing Condition [표 3참조](3)신규로 시스템 운전에 근접하게 운전조건을 가정 [표 4참조]2 기능

본 제어밸브는 고압 증기 바이패스 배관의 증기 토출 온도를 제어하기 위해 사용되는 디수퍼히터용

냉각수 분사목적의 제어밸브이다3 문제점 및 대책

(1) 문제점 현상

현재의 문제점은 실제 운전 조건과 설치된 밸브의 선정 조건간에 입구압력이 현재 약 54kgcm2 으로

밸브 구매 시 사용된 200psia(약 14kgcm2)보다 월등히 크고 따라서 밸브의 구동장치 크기를

결정하는 완전차단(Shut-off) 운전조건이 크게 차이가 나는 현상이 발생했다 이에 따라 밸브가 닫혀

있어도 밸브 디스크가 들린 상태이기 때문에 근본적으로 밸브 역할을 하지 못하게 되는 것이다 또한

차단 시 약간 들린 상태로 운전함에 의해 밸브의 트림이 크게 침식되는 우려가 있다(2) 문제 원인

문제의 근본 원인은 최초 밸브의 선정 데이터가 잘못되었거나 또는 운전 모드를 다르게 하여

운전하는 결과로 볼 수 있다(3) 문제의 분석평가

본 밸브는 근본적으로 구동부의 선정이 현 운전조건에 비하여 너무 작게 선정되었기 때문에 구동부의

크기를 현재의 100 inch2 에서 160 inch2 의 것으로 바꾸어야 하며 현재 운전조건하의 밸브

유량계수는 Cv = 103 밸브개도율 7 ~10로 매우 작아 밸브가 낮은 개도에서 운전함으로써

제어성능이 떨어지고 밸브 트림의 침식 등 손상 가능성이 매우 높다 따라서 현 운전조건 상태 하에서

밸브의 크기를 바꾸지 않는 조건이라면 밸브의 트림을 적어도 2~3단계이상 줄여서 밸브 트림을

개조하는 것도 좋은 방법이라 평가된다(4) 대책lt1 안gt 밸브를 교체하지 않는다면 밸브 다이아후람 구동부를 현재의 100 inch2 에서 160 inch2 로

교체한다 이 경우 트림사이즈를 밸브 트림의 원활한 제어범위(적어도 40이상의 개도에서

운전되도록)에 맞는 트림으로 교체하여야 한다lt2 안gt 밸브의 다이아후람 구동부를 교체하지 않고 현재의 밸브 3rdquo(80mm)-4port 트림을

1rdquo(25mm)-4port 의 작은 트림 사이즈로 엔지니어링하여 교체한다 정기 보수 시 본 밸브를 해체하여

침식여부를 확인하고 침식의 진행정도에 트림을 보수한다 - 이 밸브의 경우 개보수 작업 시

제작사의 전문적인 조언이 필요하다1 미니멈 흘로우 배관 및 밸브가 설치되는 이유

일반적으로 보일러 급수 펌프는 전형적인 고에너지(높은 압력 높은 온도) 수송용 펌프로써 펌핑작용에 의해 발생되는 전체 에너지 중에서 어느 정도는 열로 변환된다 발전소 기동시 시스템은 보일러가 아직 완전 부하로 되지 않아 많은 급수량을 필요로 하지 않는다 따라서 급수 펌프는 토출 유량이 펌프의 성능곡선상의 적정 유량으로 운전되지 않고 펌프의 최소

흐름상에 가깝게 운전하게 된다 이때 펌프의 토출 압력은 급격히 증대하면서 펌프내의 온도가 상승하여 펌프내의 케비테이션이나

급격한 압력 상승으로 펌프 구조 자체를 손상시킬 수 있다 이러한 현상의 발생을 시스템적으로 예방하기 위한 조치로써 펌프에 미니멈 흘로우 배관을 설치하고 펌프의 운전 부하에 따라 미니멈 흘로우의 유량을 제어하여 펌프의 정격 압력을 유지시키고 펌프

보호를 위하여 미니멈 흘로우 유량을 탈기기 탈기기 저장탱크 또는 복수기로 재순환 시키는 것이다 2 미니멈 흘로우 배관 시스템의 전형적인 운전

-보일러 급수 펌프가 운전을 시작하면 미니멈 흘로우 밸브는 열리고 급수 또는 시동용 급수 배관의

제어밸브는 닫힌다

-미니멈 흘로우 배관 시스템을 통한 초기 펌프의 정상 운전준비(Warm up)가 끝나면 급수 제어밸브는

서서히 열린다

-급수 펌프의 10~25 용량까지 급수량이 증대되면 미니멈 흘로우 밸브는 닫히기 시작한다 대부분의 경우 급수량 기준 출력이 일정량(설계에 따라 다르지만 일반적으로 30~40)에 다다르면

미니멈 흘로우 밸브는 닫힌다

-미니멈 흘로우 밸브가 닫힌 후 급수 시스템 유량이 펌프의 정격 유량의 25 이하까지 떨어지면 펌프에서의 급격한 압력 상승 및 온도 상승에 대비하여 미니멈 흘로우 밸브는 열린다

-따라서 통상적으로 미니멈 흘로우 밸브는 시스템 운전 기간 중 90~95 정도는 완전히 닫힌 상태로

운전한다

-따라서 이러한 운전 모드를 분석하면 미니멈 흘로우 밸브는 발전소내의 어떠한 밸브 보다도 높은

차압 하에서 운전하는 밸브이다3 미니멈 흘로우 밸브의 시스템 구성

-밸브 자체를 시스템 부하에 따라 유량 제어밸브로 하는 경우 한전의 500 만 KW 급 규모이상의 대용량

발전소 주로 채택

-밸브를 단순히 개폐용으로만 하고 높은 차압을 밸브 후단에 오리피스로 해결하는 경우 포스코 광양

발전소와 같이 출력이 150~300 만 KW 급의 중소형 발전소 채택

-밸브를 설치하지 않고 오리피스로만 해결하는 경우 소형 보일러일 경우만 채택

2001 년 4월호 알파와 오메가

4 운전 데이터

1) 제어밸브 [표 1참조]

2) 감압용 오리피스 [표 2참조]A 기존 오리피스제작사(펌프제작사)에서 설계제작 데이터 기준

오리피스의 설계제작은 펌프제작사에서 수행한 것으로 판단되며 설계차압은 펌프의 최대 압력에

기준한 것으로 탈기기의 압력이 통상적으로 5kgcmg 로 예상되고 탈기기까지의 관로 압력 손실을

고려한다면 오리피스 출구의 압력은 적어도 6kgcmg 내외가 되는 것으로 판단하여 입구압력은 약

1874kgcmg 로 가정한다

B 실제 운전 조건 [표 3참조]정상 출력시 급수량이 330000kgHour임으로 출력이 33일 경우에 미니멈 흘로우 밸브상으로는

110000kgHour 가 흐르게 된다5 분석 및 대책

1) 기존 오리피스의 현상 및문제점

A) 기존의 오리피스는 전형적인 다단 오리피스로써 고강도의 마르텐사이트 계열의 스텐레스 강판에

여러 개의 구멍을 내어 필요로 하는 압력차를 갖게 하였다

그러나 다단의 오리피스를 감압용으로 사용하는 경우 오리피스 판과 판 사이에는 케비테이션의

방지책으로 적정의 거리를 유지하여야 하고 구멍을 통한 고속의 유체 흐름으로 인한 침식(구멍의

마모)현상과 이에 따른 구멍의 크기 증대로 인하여 감압성능은 사용연수에 따라 크게 떨어진다

아울러 초기 설계의 유량이 많고(실운전 110th 설계 124th) 설계 차압이 실제 운전과 상당한

차이를 보이는 것으로 판단하여 실제 운전 차압은 상당히 낮아진 것으로 판단한다B) 미니멈 흘로우 배관 시스템의 운전 특성상 실제 운전유량은 설계유량인 124h 로 일정하게

운전하는 것이 아니고 운전 초기의 부하가 정상 운전 부하에 근접하거나 또는 정지 시에는 상당

시간을 설계유량보다 상당히 적은 유량으로 운전하게 됨으로 이 오리피스는 유량 변화에 따른 감압을

대부분 미니멈 흘로우 밸브에 전가함으로 미니멈 흘로우 밸브에는 케비테이션이 발생하게 된다

이때 발생한 케비테이션으로 인한 밸브의 시트 손상은 정상 운전 시에도 계속적인 높은 차압 하에서

강도 높은 누설을 일으키므로 미니멈 흘로우 밸브는 매우 심각한 손상을 입게 되는 것이다 2) 개선 방안 및 대책

A) 미니멈 흘로우 밸브의 시트 누설 등급을 높힌다

B) 오리피스는 유량변화에 부응하는 가변 오리피스를 채택한다 붙임의 개선된 오리피스는 유량의

변화에 따라 오리피스의 개도가 변하는 것으로 시스템의 운전 부하에 비례하게 운전함으로 미니멈

흘로우 밸브의 압력 부하를 일정하게 하여준다

C) 오리피스는 장시간 운전하여도 오리피스 구멍이 구조적으로 잘 마모되지 않는 속도제어식 미로형

오리피스를 채택한다

D) 오리피스는 구조적으로 교환이 가능한 구조로 설계하여 점검 및 교환이 가능하게 하여 미니멈

흘로우 밸브의 안전성을 확보한다주급수펌프 재순환 제어밸브 및 시스템 요구사항

(Boiler Feedpump Recirculation Control Valve and System Requirements)1서론

일반적으로 보일러 급수펌프는 전형적인 고에너지(압력이 높고 온도도 높은) 수송용 펌프로써 펌핑작용에 의해 발생되는 전체 에너지 중에서 어느 정도는 열로 변환한다펌프의 토출 유량이 펌프 성능곡선(Pump Performance Curve)상의 적정 유량으로 운전되지 않고 최소흐름(Minimum Flow Line)선에 가깝게 흐르게 되면 펌프의 토출압력은 급격히 증대하면서

상당한 열이 펌프에 발생하게 된다이러한 현상은 케비테이션이나 급격한 압력 상승으로 인하여 펌프 자체의 구조를 손상시킬 수 있다 따라서 이러한 현상의 발생을 시스템적으로 예방하기 위하여 그림 1 과 같이 펌프 토출 배관측에

최소흐름배관(Minimum Flow Line)을 설치한다이 최소 흐름 배관은

-펌프의 최대 정격 압력(Full Discharge Pressure of the Pump)

-펌프의 보호를 위한 최소 흐름량을 탈기기 탈기기 저장탱크 또는 복수기로 재 순환 (Recirculate the minimum flow rate to Deaerator Deaerator Storage Tank or Condenser to Protect the pump)시켜야 한다보일러 급수 펌프를 초기 운전 시에는 보일러가 아직 완전 부하로 되지 않았기 때문에 보일러 급수

펌프 제어밸브로는 이러한 펌프의 급수압력을 적절히 제어 할 수 없다예전의 소형 보일러의 경우에는 이러한 재순환 배관에 오리피스를 설치하여 급수 펌프를 보호하고 시스템을 안정화했는데 이러한 경우에는 보일러가 정상 가동 시에도 일부의 급수가 계속 재순환 되어

전체적인 시스템 효울이 떨어지는 방법을 채택했지만 지금은 모든 보일러 급수펌프에는 재순환

배관이 설치되어 있으며 정상 운전 시에는 이 배관으로 급수가 전혀 흐르지 않는 구조로 되어 있어

열효율이 매우 높다이와 같은 시스템의 목적하에서 급수 펌프의 재순환 배관의 전형적인 운전 모드는 급수 펌프의 토출

배관이 설치되어 있는 유량 압력 온도계기에 의해 다음과 같은 모드로 운전하게 된다

-보일러 급수 펌프가 운전을 시작하면 미니멈 홀로우 밸브는 열리고 급수 또는 시동용 급수 배관의

제어밸브는 닫힌다

-재순환배관 시스템을 통한 초기 펌프의 준비(Warm-up)가 끝나면 급수 제어밸브는 서서히 열리게

된다

-급수펌프의 10~25 용량까지 급수량이 증대되면 재순환배관의 밸브(이하 미니멈 홀로우 밸브 Minimum Flow Control Valve or Recirculation Valve)는 닫히기 시작한다

-미니멈 홀로우 밸브가 닫힌 후 급수 시스템이 펌프의 25이하까지 떨어지면 펌프에서의 급격한

압력상승 및 온도 상승에 대비하여 미니멈 홀로우 밸브는 열리도록 되어 있다

-따라서 미니멈 홀로우 밸브는 정상적인 시스템운전 시 90~95 정도가 닫혀 있는 상태로

운전한다이러한 운전 모드를 분석하면 보일러 급수펌프의 미니멈 홀로우 밸브는 발전소의 어떠한

밸브보다도 가장 높은 차압을 가지게 되는 밸브로써 분류된다2 유체의 압력 강하와 이에 따른 밸브에서의 유체역학적 특징

미니멈 흘로우 밸브에 있어서 입구의 압력은 적어도 1500~6000psig(105 ~420 barg)에 있으며 출구의 압력은 200psig(14barg)이하의 탈기기 압력이나 복수기의 진공상태의 압력상태로 떨어진다 따라서 재순환 배관시스템이 운전하게 되면 밸브 포트에서의 베나콘트렉타(Vena Contracta)까지는

압력이 떨어지면서 유속은 급격히 증속된다이후 베나콘트렉타를 통과한 유체는 다시금 압력이 회복되면서 유속 또한 감소된다 일련의 이러한

과정은 그림 2 를 참조한다 이 과정 중에서 가장 큰 영향을 미치는 것은 유체의 온도이다 만약 유체의

흐름에 있어서 유체압력의 저하 정도가 그 온도에서의 유체의 포화증기압(Vapor Pressure)보다도

더 떨어질 경우 밸브에는 여러 가지 문제가 생기게 된다 그림 3 에서와 같이 유체압력의 저하에 따른

문제점을 설명하면 다음과 같다- 그림 3-1 정상 운전

밸브를 동한 유체 흐름에 있어서 밸브에서 생기는 최저 압력저하 지점이 유체의 포화증기압보다 높은

곳에 있다-그림 3-2 후라싱(Flashing)밸브에서 생기는 최저 압력 저하 지점이 유체의 포화 증기압보다 낮게 형성되어 운전되는 상태 액체와 증기상태의 이상유동(Two Phase Flow)일 때 증기가 주로 체적을 증대시키고 따라서 출구의

유속은 빨라진다-그림 3-3 케비테이션(Cavitation)일단 유체의 포화증기압 이하로 떨어졌다가 다시금 유체의 포화증기압 이상으로 압력이 회복된다 이러한 케비테이션 과정 중 밸브 트림은 매우 강한 충격압력파(10000psia)가 발생하고 따라서

진동 소음의 문제와 더불어 밸브의 내부부품(트림Trim)을 손상시킨다 붙임 A 의 밸브이해를 위한

밸브 유체역학 기초를 참조한다 2001 년 5월호 알파와 오메가

2 유체의 압력 강하와 이에 따른 밸브에서의 유 체역학적 특징

보일러 급수펌프의 재순환배관 시스템의 구성에 있어서는 일반적으로 두가지 방법이 사용된다

하나는 비례제어식이나 ON-OFF 식의 미니멈 흘로우 밸브를 이용하는 방법이고 다른 하나는 밸브와

함께 적절하게 선정된 압력 강화용 오리피스(Restriction Orifice)를 함께 사용하는 것이다

오리피스를 함께 쓰는 경우에는 ON-OFF 미니멈 흘로우 밸브에 케비테이션이 생기지 않을 정도로

압력 강하를 시키고 나머지 시스템에서 요구하는 압력저하는 오리피스를 통하여 이루는 것이다 그러나 이 경우 오리피스가 있는 배관시스템에 급격한 후압력(Back Pressure)를 제공해야 하므로

밸브는 신속한 동작으로 개폐가 이뤄져야 한다

오리피스를 재택하고 있는 미니멈 흘로우 밸브 시스템은 소형의 보일러 급수 시스템에 매우

경제적이고 효과적인 재순환 배관 시스템으로 권장된다 그러나 규모가 큰 보일러 급수 펌프의 미니멈

흘로우 밸브 시스템에는 이러한 방법 보다는 전체 급수 시스템과 연동되는 비례제어식의 미니멈

흘로우 밸브 시스템으로 구성하여야 한다 이에 대하여 구체적보면 다음과 같다

이 미니멈 흘로우 밸브 시스템에는 급수량에 비례하여 재순환수의 유량이 비례 제어로 조절되고

급수량이 감소함에 따라 재순환수의 유량은 증가된다 따라서 급수 펌프의 건전한 운전에 맞는

유량만큼 이 미니멈 흘로우 밸브가 흐르도록 해주기 때문에 상당한 에너지를 절감할수 있으며 ON-OFF 식의 이 미니멈 흘로우 밸브와 같이 밸브가 급격히 열림에 따른 시스템의 불안전성을 제거할 수

있는 좋은 시스템이다

그러나 이 비례제어식의 미니멈 흘로우 밸브 시스템은 상당한 기간동안 낮은 개도로 운전하게 되면

역시 많은 문제점 특히 케비테이션에 의한 밸브 손상이 생길 수 있다 예을 들어 500Mwe 급의

발전소에서 정상적인 운전시 미니멈 흘로우 밸브는 완전히 닫혀 있지만 전력 소비량이 적은 밤

시간대에는 50Mwe 급으로 운전할 수 있는데 이 경우 미니멈 흘로우 밸브는 낮은 개도로 계속

운전해야 되므로 밸브 시트표면에 지속적인 케비테이션이나 와이어 드로우잉(Wire Drawing) 또는

높은 유속에 의한 시트 마모가 발생한다

이러한 문제를 예방하기 위해서는 10 ~ 20 미만의 밸브 개도에서는 밸브가 급속히 닫힐 수

있도록 하고 닫힌 후에는 완전한 무누설의 시팅구조는 물론 가능한 모든 방법을 동원하여 시트를

보호하는 구조이어야 한다

제어방법으로는 비례제어 스킴(Sheme)에 따라 리미트 스윗치 솔레노이드를 이용한 프로그래밍으로

컴퓨터 제어도 가능하다

3 급수펌프 재순환 배관 시스템의 구성

보일러 급수펌프의 재순환배관의 구성형식은 복수기로 직접 방출하는 방식과 탈기기 또는 탈기기

저장탱크로의 방출방식 두 가지가 있다

(1) 복수기로 직접 방출복수기로 재순환수를 직접 방출하는 경우 복수기의 압력이 대기압 이하의

약한 진공 상태이기 때문에 미니멈 홀로우 밸브에서는 필연적인 후라싱이 발생한다 따라서 후라싱의

정도를 저감하는 방법으로 복수기에 연결되는 재순환배관 계통에 레스트릭션 오리피스나 디퓨저

플레이트(Diffuser Plate) 또는 스파져(Sparger)를 배관 후단에 설치하여 후라싱 강도를 낮춰야

한다

만약 ON-OFF 식 미니멈 홀로우 밸브를 사용한 경우에는 밸브의 개폐를 신속히 함으로써 후라싱에

의한 문제 강도를 낮출 수 있지만 근본적인 대책은 아니다 아울러 압력강하 장치를 사용하여 밸브

후단의 후압력을 높였다 하더라도 밸브의 운전은 상당히 좁은 범위에서 운전하게 됨으로 모든

운전조건하의 유량에 능동적으로 대응할 수가 없다

디퓨져나 스파져는 가능한한 복수기 자체 또는 복수기와 아주 근접한 곳에 설치해야 한다 왜냐하면

어차피 발생할 수 밖에 없는 후라싱을 상대적으로 대용량인 복수기 내부의 공간 속이나 디퓨저

플레이트로 감당하게 하는 것이다 정도의 차이는 크지만 급수가열기의 히터 드레인 시스템의

제어밸브의 경우에도 이와 유사하다

(2) 탈기기로 방출탈기기로의 방출은 탈기기의 운전압력이 대략 50sim200psig(35sim14 barg)임으로

보일러 급수 시스템으로 보아 포화증기압보다 높아 후라싱은 발생하지 않아 별도의 압력강하장치는

일반적으로 설치하지 않는다

또한 미니멈 흘로우 밸브는 터어빈 아랫쪽의 주급수펌프의 근처에 설치되고 탈기기는 상당히 높은

위치의 먼거리에 설치되어 있음으로 배관계통의 유체저항으로 인한 후압력도 상당하기 때문에

실질적으로 추가의 압력강하장치는 큰 효과가 없다 따라서 이 경우에는 케비테이션이 주요

문제점으로 대두된다붙임 B 는 현재 우리나라의 500MWe 급 화력발전소의 미니멈 흘로우 밸브(CCI-DRAG Trim amp CVI-HUSH Trim)의 사양서 및 크기선정 데이터들이다

(3)비교경제성으로 비교할 때 복수기로 직접 방출하는 것이 관련 배관계통의 짧고 구성이 용이하여

경제성이 있는 것으로 판단된다

그러나 상대적으로 탈기기로의 방출은 압력강하장치 등이 없으며 가혹한 후라싱 조건을 피할 수

있으며 탈기기 위치보다 낮은 위치에 있음으로 토출 배관측에 항상 물이 채워져 있어 즉각적으로

운전에 투입될 수 있어 시스템 운전 측면에서 보다 안정적인 운전을 도모할 수 있다

4 미니멈 흘로우 밸브의 조건

보일러 급수 펌프 재순환배관 시스템에서 밸브가 1800psi(126bar)이상의 차압을 갖고 운전하는

경우 다음과 같은 문제점이 예측된다 따라서 미니멈 흘로우 밸브는 이들 문제에 견딜 수 있도록 설계 제작되고 운전되어야 한다

(1)압력저하에 따른 케비테이션 후라싱 발생에 대하여 이들 현상에 충분히 견딜 수 있는 밸브 구조를

가져야 한다

(2)배관시스템의 운전에는 항상 불순물들이 개재될 수 밖에 없으며 불순물이 개재 된다는 전제하에

밸브가 건전하게 운전할 수 있는 방안을 강구하여야 한다 불순물들이 밸브 내부인 트림 부품 속에

개재되면 프러그와 케이지의 미소 간격내에서 경도가 약한 부품 속으로 침투하여 칼로 긁은 듯한

흠집을 내기도 하며 심각한 경우 밸브 스템의 조절작용(Stroking)을 방해하거나 고장나게 한다

또한 이들 불순물 중의 작은 것 하나라도 시트부위에 걸리면 이 흠집 난 곳을 통하여 와이어

드로우잉을 만들고 이 와이어 드로우잉을 통하여 심각한 케비테이션으로 진행하게 된다

(3)미니멈 흘로우 밸브의 운전 중에 시트에서의 미세한 누설로 인한 와이어 드로우잉의 발생과 이로

인하여 발생되는 트림 손상에 대비하여 정상 운전 시에는 미니멈 흘로우 밸브의 시트 누설이

허용되어서는 안 된다 또한 정상 운전 시에 보일러로 급수 되어야 할 에너지가 탈기기로 바이패스

한다면 시스템 운전 효율상에도 큰 문제인 것이다

특히 초임계압 발전소(Super Critical Unit)의 경우 피크 출력과 재순환배관의 흐름(누설로 인한)은

직접적인 연관이 되므로 자연적인 출력 효율의 감소가 발생한다 예로써 500MWe 급의 발전소에서

80000pph(36240kghour 약 초당 10 리터)의 누설이 있다고 하면 밸브의 트림에서는 와이어

드로우잉을 진전시키면서 아울러 약 4Mwe 정도의 출력(약 08)이 누설로 인하여 도둑을 맡고 있는

것이다

(4)미니멈 흘로우 밸브의 수명기간 중 항상 무누설의 시팅 구조를 가져야 한다 일반적인 밸브는 운전

초기에는 거의 완벽한 시팅 구조를 갖고 있다가도 몇번의 보수 점검으로 인하여 정확한 시팅 구조를

유지하기 어렵기 때문에 결국 시트에서의 누설 문제가 발생되는 것이다

이러한 문제는 결국 재순환배관의 운전 효율에 문제점으로 계속 작용하는 것이다 따라서 밸브의 수명

기간 중 어떠한 보수 점검을 하더라도 항상 무누설의 시팅 구조를 갖는 밸브를 선정하는 것이 절대

바람직 하다

5 케비테이션 방지

보일러 급수 펌프의 재순환배관 시스템과 같이 운전 조건상 밸브에서의 압력제어량이 케비테이션을

피할 수 없는 현상이라면 시스템의 건전한 운전을 도모하고 제어의 정확도를 계속 유지하기 위해서는

밸브 내부에서 케비테이션이 발생하지 않도록 특수하게 설계된 엔티-케비테이션 트림(Anti-Cavitation)을 사용하여야 한다

이러한 트림으로는 크게 분류하여 다단 압력 제어 방식(Pressure Staging Trim Design)과 압력

프로화일식(Pressure Profile Con-cept 그림 4)감압방법과 속도 프로화일식(Velocity Control Profile Concept 그림 5)이 있다 다단 압력 제어방식으로는 COPES-VULCAN 의 CASCADE 트림

(그림 6) MASONEILAN 사의 XMAS TREE(그림 7)등이 대표적이고 압력 프로화일식으로는

COPES-VULCAN 사의 HUSH 트림(그림 8) YARWAY 사의 TURBO CASCADE 트림(그림 9) FISHER 사의 WHISPER Ⅲ(그림 10) CAVITROL Ⅲ(그림 11)amp Ⅳ MASONEILAN社의 VRT(79000 그림 12)amp 78000 시리즈 트림(그림 13) VALTEK社의 MEGASTREAM 트림(그림 14) INTROL社의 HF 트림(그림 15)등이 있다2001 년 6월호 알파와 오메가

속도 프로화일식으로는 CCI 사의 DRAG 트림[그림 16] COPES-VULCAN 사의 RAVEN 트림[그림

17] VALTEK 사의 TIGERTOOTH 트림[그림 18] 등이 있다 압력 프로화일식 감압구조의 밸브에서

케비테이션의 발생을 판단하는 식은 다음과 같다

ΔPcav = Kd(P1-Pv) 여기서 ΔPcav = 케비테이션이 일어날 수 있는 압력강하량(차압) Kd = 케비테이션 계수 P1 = 밸브 입구 압력 Pv = 유체의 포화 증기압

6 밸브의 시팅

밸브의 시팅 구조는 표면 경도가 비슷한 금속간의 접촉으로 시팅하는 메탈시트(Metal Seat)와 경도가

높은 프러그와 경도가 낮은 유연한 물질간의 접촉으로 시팅하는 소프트시트(Soft Seat)가 있다 [그림

19] 와 같은 메탈 시트에 있어서 프러그와 시트와의 접촉은 선 접촉에 근사한 아주 좁은 밴드로

접촉하여 기밀을 유지한다

그러나 내 기밀 등급이 높아질수록 메탈시트의 접촉은 아무리 잘 가공되고 다듬질이 되었다 하더라도

[그림 20] 과 같이 시트 조인트에서 누설이 될 수 있는 경로가 생기게 된다이 누설을 최소화하기

위해서는 구동부의 추력을 충분히 증대시켜 누설 경로를 차단하여야 한다

그러나 360 원주 방향을 따라 균일한 힘으로 프러그와 시트가 접촉되는 것은 밸브 구조상 현실적으로

거의 불가능한 일이다 메탈 시트 구조에 있어 한번의 시트 누설은 높은 밸브 차압으로 인하여 와이어

드로우잉을 거쳐 케비테이션으로 진행될 수 있으며 그 진행 속도도 매우 빠르다

1800psig 을 넘는 높은 차압의 운전 환경 하에서는 시트를 스텔라이트(Stellite)와 같은 경질의

내마모성 재료로 하드 훼이싱(Hard-facing) 하였다 할지라도 이와같은 침식(Erosion) 현상에 견딜수

있는 재료는 아직까지 개발되어 있지 않다

아울러 이상에 가까울 정도의 프러그시트의 완벽한 축정렬 또한 실제로 얻어질 수 없는 상태이며 운전시 소음 진동에 의한 시트구조의 안전성 또한 시트 누설에 영향을 주게됨으로 메탈시트에 의한

완벽한 시트의 기밀 유지는 불가능한 것이다 반면에 [그림 21]과 같은 소프트 시팅 구조에 있어서는

시트를 탄력성이 높고 내마모성이 높은 재질로 선택하기 때문에 반복적인 시팅에도 완벽한 기밀을

유지할 수 있으며축정렬과 같은 문제에도 능동적으로 기밀을 유지할 수 있다

소프트 시트는 그림에서 보는 바와 같이 시트링 속에 삽입되어 있음으로 유체흐름에 영향을 거의 받지

않는다 [그림 22]는 높은 차압에 의한 가혹한 침식환경에 능동적으로 대처할 수 있는 보다 개선된

트림으로 두 단계의 시팅 구조로 이루어진 소프트 시트 트림이다

이 트림의 인너 프러그(Inner Plug)는 스프링과 가이드로써 주 프러그(Main Plug)에 연결되어

있으며 밸브의 닫힘 시 인너 프러그가 먼저 시팅을 하고 몇 초가 지난 후에 주 프러그가 소프트

시트에 안착함으로 가혹한 유체 흐름에 있어서 시트링의 소프트 시트를 보호하여 무누설의 장시간

운전을 보장하고 더불어 열림 시에도 인너 프러그가 순간적인 가혹한 유체 흐름을 완화시켜 준

다음에 주 프러그가 열리게 되므로써 부드러운 운전이 가능해 진다

7 프러그 밸런스

재순환배관 시스템은 고도한 차압 발생으로 인하여 프러그에 작용하는 힘의 바란스가 매우 중요한

설계 포인트가 된다 [그림 23]에서 보는 바와 같이 밸브 트림은 프러그 내에 바란스 구멍이 뚫려 있어

입구 측의 압력 P1 이 프러그 상부에도 같이 작용하게 되므로 바란스 구멍이 없는 프러그에 비하여

월등히 작은 힘으로 운전이 가능하여 구동부의 크기를 줄일 수 있고 아울러 경제적인 밸브 선정이

되는 것이다

예로써 3의 프러그가 바란스 프러그(트림)으로 되어 있을 경우 5000psig 의 입구 압력 100psig의 출구압력 상태에서 구동부의 힘은 대략 4000 파운드이나 바란스 구멍이 없는 언바란스 프러그

(트림)일 경우에는 약 35000 파운드가 소요된다

8 불순물의 혼입 문제

미니멈 홀로우 밸브의 손상 문제 중 가장 심각한 문제는 밸브가 닫힐 때 딱딱한 불순물이 시트면에

침입하여 시트의 기밀 구조를 손상시키는 일이다 대부분 배관 시스템 내에 혼재될 수 있는 불순물들

가운데 시트면이나 스템의 슬라이딩면 또는 프러그와 케이지의 습동면을 손상 시킬 수 있는

불순물의 크기는 대략 직경이 006(15mm) 이상이고 경도는 시트면이나 밸브의 슬라이딩 부의

경도보다 높아 이들 부위에 끼어 들어 심각한 긁힘을 일으키며 심각한 경우 동작 불능에 까지 이르게

한다

이들 불순물들의 종류로는 파이프 스케일 용접 프래그 펌프의 데브리스(Debris)등인데 이들이

문제를 일으키는 때는 시스템이 정지되었다가 다시 가동 할 때 또는 시스템을 보수한 후의 기동 할

때이다 [그림 24] 는 이러한 불순물들을 근본적으로 잡아주는 스트레이나를 밸브 트림과 일체화한

것이다

9 결론

결론적으로 보일러 급수 펌프의 재순환배관 시스템의 미니멈 흘로우 밸브는 다음과 같은 요건에

합당하여야 한다케비네이션으로부터 밸브를 보호하고 무누설 시트를 유지하여야만 하며 무누설

시트로 계속 유지되어야만 하는 동시에 불순물의 혼입으로부터 계통이 보호되도록 하여야 한다 [그림 25] 는 상기의 요구조건을 충실하게 만족할 수 있는 월등한 미니멈 흘로우 밸브이다

[출처] 밸브에 대해서 (1 탄 ) |작성자 독수리 정래짱

인증 석유화학용 저가밸브를 생산하고 있었을뿐 고부가의 고온고압밸브에는 엄두도 못냈던 시기였다이후 1970 년대 하반기부터 고리원자력발전소 34 호기 및 영광원자력발전소 12 호기가 순차적으로

건설되면서 수만대의 원자력용 밸브가 엄청난 고가로 수입되던차에 (주)삼신이 일본 오까노 밸브사와

기술제휴하여 1983 년경 국내 최초로 원자력용 비안전계통의 2 인치 이하의 단조밸브를 영광원자력

12 호기에 납품하게 되면서 고온고압의 고부가가치밸브 생산에 들어가게 되었다 이어 범한금속이

원자력용 대형 주강밸브를 국산화하고 (주)서흥금속이 삼신의 뒤를 쫒아 원자력용 단조밸브를

생산하게 되었다이후 1987 년 부터의 호경기와 더불어 특히 충남 서산의 대산지방을 중심으로 한 석유화학쪽의

대규모 신규시설 투자와 기존 석유화학플랜트의 신증설 및 일제히 보수기를 맞이하게 됨으로써

유래를 찾아볼수 없는 대호황을 누리게 된다 이때에 플랜트용 주철 주강제의 밸브를 생산하는 업체

또한 전국적으로 300 여개나 될 정도로 우후죽훈격으로 생겨나기도 했던 시기였다이러한 호황의 격동기도 잠시뿐 현재 얼어붙은 불경기속에서 새봄을 기다리고 있는 심정이지만

냉정하게 우리나라 밸브기술의 역사를 생각하면 언제 새봄이 올까 걱정이 앞선다실로 선진국들은 거의 100 여년 이상의 기술적 역사를 가지고 있는 반면에 피부로 느끼는 우리의

밸브역사는 단지 30 여년에 불과해 선진국과 최소한 10 년 정도의 기술격차가 있다고 하겠다 그리고

프로세스 플랜트 공정용의 제어밸브와 일부 특수공정에 쓰이는 고가의 밸브들은 경험이나 기술적

환경을 고려해 볼때 적어도 20 년이상은 격차가 날것으로 생각된다12 밸브공학의 의미

밸브는 아주 오래 전부터 유체의 흐름을 제어하는데 사용되어 왔다여기서 말하는 제어란 뜻은 유체에서 물리적으로 표현되는 압력 온도 및 유체의 속도 즉 유량을

조정한다는 것이다이러한 밸브는 배관계의 유체흐름을 각각의 프로세스계에서 요구하는 유체의 물리적 조건과 양에

맞도록 각 제어단위의 마지막 단계에서 유체흐름을 제어하는 가장 일반적이고 가장 중요한 제어요소

(Control Component)이다밸브공학은 유체계통의 제어요소인 밸브를 공학적으로 다루는 것으로써 밸브가 어느 프로세스계통에서 하나의 구성인자로 보아 그 기능과 목적을 다루는 능동적인

제어부품으로의 공학적 의미와 밸브 그 자체의 역학적인 거동을 프로세스계통의 운전조건에 비교하여

보는 공학적 의미가 있다프로세스 단위로 보면 파이프가 수송해야 할 유체 에너지는 프로세스계의 제어요소인 밸브나

오리피스에서 주로 유체 속도 또는 유체압력의 형태로 조정된다 이를 유체량의 제어기능과

유체압력의 제어기능으로 구분할 수 있으며 이 두 기능은 항상 유체에너지를 수송하는 프로세스

배관계통의 형평과 안전을 위하여 상호보완적인 관계로 제어기능을 수행한다이러한 제어기능에 최대의 관점을 두어 설계된 밸브가 제어밸브인 것이다모든 밸브는 수송하는

유체의 압력 온도 및 유량에 합당한 크기와 구조를 가지고 유체에너지가 손실되지 않도록 외부와

불필요한 에너지 교류는 피하여야 한다 따라서 밸브를 공학적으로 다루기 위해서는 유체역학이 가장

중요한 분야가 되고 밸브의 원활한 기능 유지를 위해서는 구조적 안정성이 중요 설계인자가 된다밸브를 구성하는 재료등은 유체의 화학적 성상(性狀)과 온도 압력등 물리적 특성에 크게 죄우됨으로

재료공학에 대한 지식이 요구된다 아울러 제어를 정밀하게(Sophisticate)하기 위해서는

전기전자공학이 필요하다밸브가 수천년 이전의 아주 오래전부터 유체에너지의 수송과 제어에 핵심적으로 사용되어 오고

있지만 밸브의 근본적 형태에 변화가 있었던 것은 아니다 그러나 산업이 점차 거대화되고 고도화

되어가고 있는 현재의 산업현장의 밸브 운전 환경은 사용유체의 다양성은 물론 고온 고압등

고에너지의 유체제어가 산업의 안전과 더불어 고도로 요구되기 때문에 밸브의 중요성이 날로

부각되고 있다여기서는 이러한 밸브의 중요성을 밸브와 밸브를 포함한 프로세스계로 확대시켜 밸브에 대하여 보다

체계적인 공학적 접근을 시도하기 위해 밸브공학이라고 썼지만 밸브공학을 학문적으로 체계화시켜

도입하기에는 다루는 분야가 협소한 듯하고 아울러 세부적인 사항이 다른 분야에서 깊이있게

다뤄지고 있어 따로 밸브쪽으로 분리해서 말할만한 학문적 일체성(Identity)도 갖고 있지 않다그러나 미국의 몇몇 대학의 수리학(水理學)교실등에서는 밸브의 유체학적 또는 유체에너지를

다루는데 있어 밸브구조의 동력학적인 거동을 연구하는데 매우 활발하며 일부 대규모

밸브전문업체를 중심으로 이뤄지는 밸브의 구조 제어기능 유체동역학 및 재료부분 등으로 활발한

공학적인 접근을 일단 밸브공학이라는 용어로 정리하기로 한 것이다 12-1 밸브의 설계조건

프로세스 계통에 있어서 계통의 원활한 운전과 기능 유지를 위해서는 제어요소인 각 밸브에서의

기능이 문제가 된다 이들 밸브 기능의 문제는 프로세스 계통 설치시 충분하게 고려되어야 한다 이

밸브의 기능 문제를 두고 기능을 설계 목표 이상으로 건전하게 유지시키는 것이 바로 밸브설계의

조건이다밸브가 프로세스 계통에서 과도한 하중이 계통 자체에서 뿐만 아니라 밖에서도 생기게 된다 프로세스의 운전온도 운전압력 유체의 밀도 유체의 수송속도등이 계통내의 하중이 되고 프로세스에 가해지는 배관진동 밸브 구동장체에서의 추력 및 자체하중 지진등의 고려 배관파단으로 생길 수 있느 배관떨림(Pipe Whhipping)등이 계통외의 하중이 될 것이다 이러한

프로세스 계통내외에서의 과도한 하중으로 인하여 밸브의 일부가 손상되어 제어기능을 불안하게 할

경우라든가 운전에 지장을 초래한다면 전체 프로세스 계통의 기능 유지등 그 영향은 점차 매우

어려운 상태에 이를 수도 많다실제로 밸브 손상-주로 밸브의 가장 핵심적인 내부누설구조의 손상으로 인한 거대 프로세스 플랜트의

화재사고등은 어쩌면 사소한 장치로 볼 수 있는 밸브에서 기인된 경우가 많다 따라서 밸브는

구조적으로 충분한 강도를 가지고 있어 내외부의 어떠한 하중이 가해지더라도 손상으로부터

안전하여야 하며 또한 구조적으로 각 밸브 구성부품의 형상이 기능 및 운전성 유지에 적합하여야

한다 그리고 사용조건인 프로세스 계통의 운전환경수송유체의 종류 계통의 제어목적 및 공공의

안전에 관련된 설계 요구사항등에 밸브의 사용목적이 적합하여야 한다밸브에 관한 이러한 관점은 각국의 밸브에 관한 표준규격이나 고압가스협회등에서 밸브에 요구하는

법적인 규제 또는 설계요건사항들을 보면 이해가 잘 된다 밸브는 계통의 한 부품으로서 그 역할은

계통설계자료의 치밀한 계통 밸런스에 대한 형평성추로써의 역할이다이 역할은 계통의 압력 온도 및 유량에서 보면 이들 물리적 양을 제어하고자 하는 것이고 프로세스

계통의 구조적 밸런스에 따르면 계통압력 및 온도에 충분한 구조강도를 갖는 밸브의 강도이다 밸브를

프로세스 계통의 구조해석상(후자의)관점에서 그 역할을 구분하여 보면 다음의 세가지로 구분 설명할

수 있다(1)계통에 대한 능동적 부품(Active Component)으로써의 밸브

프로세스 계통의 일부 또는 전체 계통을 사고로부터 완화시키거나 정지시킬 때 필요한 계통의 한

부품으로서의 역할이다 이는 프로세스 계통의 기능상 이 부품의 역할이 매우 중요함으로 밸브의

구조강도를 충분히 유지함은 물론 계통의 어떤 사고나 피로등에 의한 파괴로부터 더 이상의 연속적인

계통손상을 방지하기 위하여 계통의 한 구성부품인 밸브가 능동적으로 계통의 기능을 보호하는

역할을 수행하여야 한다 통상 이러한 경우를 고려하여 실제의 밸브 운전조건이나 설계조건보다도 더욱 가혹한 비정상적인

프로세스를 고려하여 설계 제작되는게 일반적이다(2)계통에 대한 밸브의 기능상의 능력(Functional Capability)프로세스의 가혹한 운전조건하에서는 계통 및 밸브자체의 치수 안전성을 유지하며 계통운전이

원활히 되도록 정격 유량을 수송 또는 제어하는 능력을 갖고 있어야 한다(3)밸브 자체의 운전성으로 설계 및 사용조건

밸브 자체의 운전성으로 설계 및 사용조건하에서 규정된 안전 기능을 충족하면서 요구되는 밸브 그

자체는 30~40 여개의 부품으로 조립되는 비교적 간단한 기기이지만 높은 압력과 온도 그리고 급격하

에너지의 변화가 밸브의 트림(밸브의 유체 접촉부로써 교환될 수 있는 밸브 구성부품)의 조작부에서

이뤄지게 됨으로 각 구성 부품들이 이러한 환경에 충분히 견딜 수 있는 구조로 되어 있어야 한다 이와같이 밸브는 프로세스 계통에 대한 능동적인 역할과 밸브 자체의 기능 및 운전성의 유지로

계통의 기능 및 운전을 원활하게 수행할 수 있도록 하는 것이다12-2 밸브의 설계

밸브 설계의 기본적 입력데이타는 온도와 압력이다 프로세스 유체의 화학적성상에 따라 밸브의

재질은 달라지지만 소위 밸브 크기를 정하는 기본 단위는 우선 압력과 온도이다밸브의 구조상 밸브의 내압부는 다른 어떤 압력용기 보다도 구조적으로 매우 취약한 구조적인

불연속부(Structural Discontinuity)를 갖고 있어 압력에 대한 복잡한 구조적인 거동으로 인한 국부

응력의 증가와 더불어 열에 의한 굽힘응력과 변형이 밸브의 내부에 복잡하게 생기므로 밸브 설계시

이들 효과를 고려하여야 한다 특히 고온고압으로 갈수록 이의 영향은 매우 크게 되므로 고난도의

설계가 된다아울러 모타구동장치나 제어밸브의 액츄에이터를 장착한 밸브의 경우 이들 구동장치의 무게로 인한

밸브 구조의 불안정성이 고조된다 다음의 그림 6 은 미국 기계학회에서 정한 원자력 발전소용 밸브의

설계요건을 항목별로 요약한 것으로 일반 프로세스용의 밸브 설계와 크게 다를 것이 없다 단지

특별히 더욱 강조한 사항은 밸브구조의 구조적 강도유지를 설계의 핵심으로 한 것이고 여기에 열이나

기계적 교번하중으로 인한 피로상도를 강조하고 있다 프로세스 계통의 유체역학적 천이(Transient)현상에 의해 밸브 구종의 불안정성은 더욱 고조되어 심한 경우 밸브 구조가 파손되는 사례도 적지

않게 발생한다다음의 그림 7 과 그림 8(차호에 소개)은 밸브의 구조적 불연속부에서의 열에의한 굽힘특성을

보여주는 좋은 예이다 그림 9(차호에 소개)는 밸브의 내압에 의한 밸브몸체의 응력구동을 설명하고

그림 10 은 밸브의 구동장치의 무게중심이 밸브몸체에서 멀리 떨어져 있는 경우 밸브의 본네트면에

작용하는 모멘트와 간단한 밸브의 고유진동수를 설명하는 그림이다이외에 배관계에서 전달되는 배관작용력(열팽창에 의한 축방향 힘과 굽힘모멘트 및 토오크)에

안전하게 밸브의 치수 보전과 강도를 유지하도록 설계한다밸브는 유체 수송의 직접 제어부인 디스크(프러그)와 시트(케이지)부를 구조적으로 안정하게

유지하기 위하여 어느정도의 불용(不用)공간이 생긴다 이 공간들을 공동부(Cavity)라고 하는데 이

케비티에서 밸브 기능상 많은 문제점이 생긴다 이곳에 유체가 차 있다가 온도 상승으로 밀폐된

유체가 팽창하여 디스크의 원활한 운동을 방해하기 때문이다밸브 설계시 이러한 불용공간을 최대로 줄이는 것이 밸브의 기능보장을 위해서도 매우 중요한

설계요소이다 아울러 밸브에서 유체를 제어할 때 유체의 흐름속도 및 밸브면에서의 마찰 그리고

유로면의 넓고 좁음에 따른 압력손실등으로 밸브의 유체수송(유체에너지수송)능력이 저하하게 된다최근들어 프로세스 플랜트가 거대화되고 고도화함에 따라 밸브에서의 이러한 유체수송능력의 저하를

가급적으로 줄 이기 위한 밸브의 유로형상(Flowpath)을 설계해야 한다같은 크기의 밸브라 할지라도 밸브의 유량계수가 많고 적음은 이러한 유로형상의 설계기술의

차이에서 기인된다고 볼 수 있다 유로형상의 설계는 이론적으로 설계하기란 거의 불가능하여 각기

다른 유로형상을 가진 시험원형(Proto Type)의 밸브들을 일일이 시험하여 최적의 유로형상을 찾는다물론 여기에 중점적으로 설계입력이 되는 것은 압력항 온도항 그리고 유체의 흐름속도 이다밸브설계에서의 가장 핵심은 누설방지에 있다 누설은 시트와 디스크간에서 발생되는 내부 누설과

그랜드 패킹 또는 본네트 가스켓에서 생기는 외부 누설로 구분된다 이중 가장 문제가 되는 것은

그랜드 패킹에서의 누설이다 밸브 설계에서 심도 있게 다뤄지는 부분이 그랜드 패킹의 재질 편조 및

성형방법 조합방법 크기 및 체결방법이며 상당수의 밸브관련 연구논문중 30이상이 이에 대한

것으로 앞으로도 깊이 다뤄야 할 기술적 당면과제이다12-3 밸브의 기능

밸브의 기능은 밸브공학적 의미에서 두가지 축면으로 고려된다 하나는 밸브자체의 구조적 강도에

관련하는 기능이고 다른하나는 유체 수송 및 제어의 기능이다이 두가지 기능은 서로 불가분의 관계를 가지고 있다 물론 전자의 경우는 밸브의 재료가 갖고 있는

금속학적 특성과 재료자체의 강도 특성 그리고 이들을 밸브의 사용환경에 맞도록 상호 기구학적으로

결합하여 원활하게 밸브로써 운전될 수 있도록 충분한 구조강도를 유지해야 하므로 밸브의 하드웨어

(Hardware)적 기능이고 후자는 밸브의 운용상 특히 프로세스의 운전목적의 달성을 위하여 밸브가

수행해야 할 제어기능 즉 유로개폐(ON-OFF)나 유로 또는 유체에너지량의 조절(Throttling)을

원활하게 해야 하므로 밸브의 소프트웨어적 기능이다이러한 밸브의 기능을 전자의 경우 밸브의 구조기능이라고 하고 후자를 밸브의 제어기능이라고

정한다 이러한 밸브의 기능에 문제가 생기는 원인도 아울러 구분이 된다제어기능에 문제가 생기는 경우 통상 프로세스 계통의 설계과정에서의 오류보다는 시운전이나 실제

운전시에 많이 발견된다 시운전시에는 계통이 전반적으로 불안전하고 불규칙한 운전모드가

설계조건과는 다르게 발생된다 전반적으로 프로세스 계통에서의 밸브문제는 80이상이 시운전시에

발견된다프로세스의 운전시에는 거의 아무런 문제도 생기지 않다가 계통의 기동 또는 정지시에 밸브에

문제가 생겨있음을 발견하는 경우도 앞서의 경우와 같다 이러한 예로써 복수기(Condenser) 복수배관(Feed Water Extraction Drains)의 제어 밸브와 같은 경우 밸브에서의 유체제어시 생길

수 있는 일반적 현상은 후라싱현상이 예측되지만 계통이 장기간 정지하여 있다가 다시 기동될 때는

배관내의 드레인에 의한 수격현상이 생겨 밸브의 제어기능에 악영향을 주는 사례가 있다밸브의

구조기능은 앞서 계속 언급한 대로 밸브가 어떠한 하중 조건하에서도 제어기능을 유지할 수 있도록

밸브 그 자체는 튼튼해야 한다는 것이다

20 밸브공학 기초

밸브는 기본적으로 유체를 제어하는 부품과 이들 제어부품들을 구조적으로 안전하게 유지시키는

몸체로 구성되어 있다 따라서 밸브공학의 목표는 유체제어 기능으로서의 완전한 유체제어를 다양한

하중조건하에서 밸브가 거전하게 운전 되도록 구조적으로 튼튼하게 결함없이 만들어야 한는데 있다따라서 밸브의 이 두가지 목적에 맞는 배관계통의 제어요소(Control Component)로써 또한

배관계의 신뢰성에 가장 핵심적인 역할을 수행하는 부품으로써 프로세스의 운전건전성 즉 장기간

문제없이 제어요소로서 밸브 기능을 뒷받침 할 수 있는 강도를 유지하여야 한다본 절에서는 밸브공학의 기초로서 밸브의 구조 밸브에 있어서 밸브 유체역학의 기초와 밸브의

재료학을 중심으로 설명한다21 밸브의 구조

밸브의 구조는 유체제어의 구조 및 특성 유체의 물리화학적 성상 운전조작의 방법에 따라 매우

다양하다 따라서 밸브 구조는 유체제어의 구조 및 특성에 따라 물리화학정 성상에 따라 밸브의

구조가 달라지기도 한다밸브 구조에서 가장 핵심적인 사항은 압력 유지부분(Pressure Retaining Part) 및 유체와 직접

접촉하면서 밸브의 기능을 수행하는 밸브 트림 그리고 트림부를 조작하는 구동부로 나눈다따라서 밸브의 종류를 구분하는 일반적인 방법은 밸브의 압력유지부의 형태 또는 형식과 트림의

형상또는 형식에 따라 구분한다 다음에 앞서의 밸브 구분 방법에 따른 밸브 종류를 나타내었다 특히

여기서 밸브 기술자가 알아야 할 매우 중요한 밸브 용어는 트림(Trim)으로써 밸브의 유체제어 과정에

있어서 유체와 직접 접촉하면서 유체력에 의하여 직접적인 마모 또는 노화되는 부품으로 교환될 수

있는(Replacible)밸브 부품이라고 정의 한다가 개폐용(ON-OFF 제어)밸브

게이트 밸브(Gate Valve)일반 게이트 밸브(General Gate Valve)솔리드 왯지(Solide Wedge)후렉시블 왯지(Flexible Wedge)스플릿트 왯지(Split Wedge)더블디스크 패러럴 시트(Doubble Disc Parallel Seat)스프링 패러럴 스라이드(Spring Parallel Slide)볼 앤드 소켓 로테이팅 디스크(Ball and Socket Rotating Disc)벨로우즈 씰 게이트 밸브(Bellow Seal Gate Valve)나이프 게이트 밸브(Knife Edge Gate Valve)콘디트밸브(Conduit Valve)그로브타입 스톱 체크밸브(Globe Type Stop Check Valve)T-그로브 타입(T-Type Stop Check Valve) 앵글타입(Angle-Type Stop Check Valve)Y-타입(Y-Type Stop Check Valve)글로블 밸브(Globe Valve)팩레스 그로브 밸브(Packless Hermetic Diaphragm Globe Valve)T-타입 팩레스 밸브(T-Type Packless Valve)Y-타입 팩레스 밸브(Y-Type Packless Valve)앵글 타입 팩레스 밸브(Angle-Type Packless Valve)벨로우즈실 그로브 밸브(Bellows Seal Glove Valve)체크밸브(Check Valve)스윙 체크밸브(Swing Check Valve)밸런스드(중추)체크밸브(Counter Weight Balanced Check Valve)

홀딩 디스크(듀오)체크밸브(Folding Disc Check Valve)리프트 체크밸브(Lift Check Valve)T-타입(T-Type Lift Check Valve)Y-타입(Y-Type Lift Check Valve)볼 타입(Ball Type Check Valve)스프링 로디드 타입(Spring Loaded Lift Check Valve)수평형(Horizontal)티형(T-Type)와이형(Y-Type)틸팅 디스크 체크밸브(Tilting Disc Check Valve)인라인 디스크(푸트)체크밸브(In-Line Disc Check Valve)볼 타입(Ball Type)디스크 타입(Disc Type)푸트 타입(Foot Type)백 후로우 프리벤터(Backflow Preventer)고무 튜브 체크밸브(Rubber Tube Check Valve)다이아후램 체크밸브(Diaphragm Check Valve)버터후라이밸브(Butterfly Valve)ANSI 규정(산업용)(For Industrial Purpose)메탈 시티드(Metal Seated High Performance Butterfly Valve HPBV)프랜지 타입(Flange Type)크로스 볼티트 웨이퍼 타입(Cross Bolted Wafer Type)웨이퍼 타입(Wafer Type)소프트 시티드(Soft Seated)프랜지 타입(Flange Type)크로스 볼티드 웨이퍼 타입(Cross Bolted Wafer Type)웨이퍼 타입(Wafer Type)AWWA 규정(수도관개용)(For Water Works Purpose)프렌지 타입(Flange Type)크로스 볼티드 웨이퍼형(Cross Bolted Wafer Type)프러그 밸브(Plug Valve)테이퍼드 프러그(Tapered Plug Valve)루브리케이트 타입(Lubricated Plug Valve)논 루브리케이트 타입(Non-Lubricated Plug Valve)실린드리컬 프러그(Cylinderical Plug Valve) 엑씬트릭 프러그(Eccentric Plug Valve)볼 밸브(Ball Valve)프로팅 볼(Floating Type Ball Valve)톱 엔츄리(Top Entry Floating Type Ball Valve)엔드엔츄리(End Entry Floating Type Ball Valve)

트러니온 볼(Trunnion Type Ball Type)싱글 터러니온(Single Trunnion Type Ball Type)더블 트러니온(Double Trunnion Type Ball Type)싱글 시티드 오 에스 앤 와이(Single Seated Outside Screw and Yoke Type Ball Valve) 소프트 다이아프램밸브(Soft Diaphragm Valve)웨어형(Weir Type Soft Diaphragm Valve)관통형(Straight-Through-Flow Type Soft Diaphragm Valve)핀치형(Pinch Type Soft Diaphragm Valve)나 유량조절용(Flow Throttling)밸브

게이트 밸브(Gate Valve)유량조절이 가능한 게이트 밸브(Throttable Sliding Gate Valve)브이 오리피스 게이트 밸브(V Orifice Gate Valve)그로브 밸브(Globe Valve)디스크 형상에 따른 그로브밸브(Globe Valve Classified by Disc Type)급개형 디스크(Quick Opening Type Disc)디스크-시트 구조(Disc and SEAT)톱 가이드형(Top Guide Type)바디 가이드형(Body Guide Type)바텀 가이드형(Bottom Guide Type)케이지-프러그 구조(Cage and Plug)선형 디스크(Linear Flow Type Disc)디스크-시트 구조(Disc and Seat by GUide Type)싱글 포트 디스크-시트(Singer Port Disc-Seat)톱 가이드형(Top Guide Type)일체형(Singer Body)멀티오리피스 레스트릭숀(Multi-Orifice Restrication)멀티벨로시티 헤드로스형(Multi-Velocity Head Loss Type)분리형(Split Body)바디 가이드형(Body Guide Type)케이케이드형(Turbo-Cascade Type)바텀 가이드형(Bottom Guide Type)더블 포트 디스크-시트(Double Port Disc-Seat)톱 앤 바텀 가이드형(Top amp Bottim Guide Type)디스크-시트 구조(Disc and Seat by Disc Type)일반형(General Type)멀티 브이 포트 디스크(Multi V-Port Disc)케이지-프러그 구조(Cage and Plug)밸런스트 프러그(Balanced Plug)일반형(General Type)레비린스 형(Labyrinth Type)

슬롯티드 케이지(Slotted Cage)멀티 퍼포레이트 케이지(Multi-Perforated Cage)멀티 오리피스 케이지(Multi-Orifice Cage)언밸런스트 프러그(Unbalanced Plug)일반형(General Type)레비린스 형(Labyrinth Type)슬롯티드 케이지(Slotted Cage)멀티 퍼포레이트 케이지(Multi-Perforated Cage)멀티 오리피스 케이지(Multi-Orifice Cage)스템-디스크 일체형 구조(니이들 밸브Niddle Valve)등비율형 디스크(Equal Percentage Flow Type Disc)(선형 디스크 구조 체계와 동일)혼합용 그로브 타입 제어밸브(Mixing Control Valve)밸브 몸체 형상에 따른 구분(Globe Valve Classified By Body Type)일반 티 그로브(General T-Type Globe Valve)와이 그로브(Y-Type Globe Valve)앵글 그로브(Angle Type Globe Valve)와이 앵글 그로브(Y-Angle Type Globe Valve)버터후라이밸브(Butterfly Valve)몸체 구성은 앞의 가항과 동일

정규 로타리 운동 버터후라이 밸브(Regular Rotary Butterfly Valve)오프셋 디스크 버터후라이밸브(Offset Disc Butterfly Valve)캔티드 디스크 버터후라이밸브(Canted Disc Butterfly Valve)프러그밸브(Plug Valve) -몸체 구성은 앞의가항과 동일

엑쎈트릭 실린드리컬 프러그(Eccentric Cylindrical Plug)엑쎈트릭 디스크 프러그(Eccentric Disc Plug) 스로틀링 프러그(Throttling Plug)실린드리컬 프러그(Cylindrical Plug)테이퍼드 프러그(Tapered Plug)케이지 프러그(Cage Plug)볼밸브(Ball Valve)-몸체 구성은 앞의가항과 동일

유량특성별 세크멘티드 볼밸브(Characterized Segmented Ball Valve)급개형(Quick Openning Type)선형(Linder Type)등비율형(Equal Percentage Type)브이 포티드 볼밸브(V-Ported Ball Valve)선형(Linder Type)등비율형(Equal Percentage Type)소프트 다이아프램밸브(Soft Diaphragm Valve)웨어형(Weir Type Soft Diaphragm Valve)관통형(Straight-Through-Flow Type Soft Diaphragm Valve)핀치형(Pinch Type Soft Diaphragm Valve)

다음으로 밸브의 유체제어를 위한 밸브 구동부의 구동특징 즉 밸브의 스템 및 스템 조작 특징에 의한

밸브를 구하면 다음과 같다밸브 스템은 밸브를 열고 닫을 때 그 조작력을 전달하는 매우 중요한 밸브의 구성부품이다일반적으로

디스크의 상하운동에 의하여 유체를 제어하는 구조를 가진 게이트 및 그로브 밸브는 스템의 길이가

길며 디스크의 조절을 원활하게 하기 위하여 일부 특수한 장치(거의 선형운동을 하는)를 가진 자동

구동장치부의 제어밸브류와 같은 것을 제외한 수동조작 모타구동장치부의 밸브 스템은 사각의 나사를

채용하고 있다 이 스템 즉 밸브 핸드휠의 조작렬에 대한 사항은 추후에 자세히 설명하기로 하고

여기서는 스템의 구분(구동부의 구동특징)조작특성을 밸브 종류별로 구분한다 밸브 디스크의

상하운동에 의하여 유체를 제어하는 구조의 밸브는 통칭하여 Quater Turn밸브라고 한다 이외에

체크밸브와 같이 자체적으로 유체력에 의해 계폐동작을 하는 Self Actuating밸브가 있다lt표gt 생략211 밸브의 구조형식

(1)게이트 밸브

개폐용(ON-OFF 제어)밸브의 대표적 밸브이다 게이트 밸브는 호칭직경 38Prime부터 36Prime까지(또는 이

이상도 제작가능하다) 압력-온도 등급도 ANSI CLASS 로 150LBS 에서 4500LBS 까지 선택의 폭이

매우 넓다 밸브의 구조 형식 및 형태는 다음과 같다솔리드 또는 홀로우 형식의 디스크(SOLID OR HOLLOW GATE VALVE)밸브의 시팅 구조상 가장 튼튼한 구조이나 밸브의 열 팽창과 배관작용력에 대한 디스크에서의 흡수

여유가 없기 때문에 밸브 디스크가 상온 이외의 사용에서는 고착 또는 누설 가능성이 높아진다 따라서 이러한 구조의 게이트 밸브는 통상 호칭직경 4Prime이하 사용온도 100Prime이하의 수동 소형

게이트밸브에 적용된다 일반적으로 ANSI CLASS 2500 까지 제작가능하지만 고압고온 서비스인

경우 밸브 몸체에서의 열변형에 의한 고착 또는 누설에 각별히 유의 하여야 한다현재 국내 밸브제작사중 극히 일부 회사만이 ANSI CLASS 4500 급까지 제작경험이 있으나 스프링

LOADED PARALLEL DISC TYPE 에 비하여 수명이 떨어진다 후렉시블 왯지 디스크(FLEXIBLE WEDGE GSTE VAVE) 디스크의 시팅(SEATING)면에서 어느 정도의 유연성을 갖고 있음으로 팽창

및 배관의 작용력에 대응할 수 있으며 아울러 다스크가 쐐기 형식으로 시트면에 작용함으로써 내누설

특성이 좋다따라서 FLEXIBLE WEDGE 게이트 밸브는 이러한 시팅 구조상 12를 넘는 대형일 경우에는 동력에

의한 밸브 계폐장치(POWER ACTUATOR)가 권고되며 통상 사용온도 200(93)이하의 호칭직경

4Prime를 넘는 중대형 밸브에 적용된다 이 밸브는 ANSI CLASS 로 150~2500 까지 제작되며 현재

국내에서는 특히 고온 고압용(ANSI CLASS 1500 이상)밸브는 단 2 개사 만이 제작할 수 있다분리형 디스크(SPLIT WEDGE GATE VALVE)FLEXIBLE WEDGE디스크와 유사하나 디스크가 완전히 분리되는 구조이다디스크의 연결은 단순히 기계적인 고리를 이용하거나 스프링등의 보조를 받아 구성된다 이러한

밸브는 FLEXIBLE WEDGE 게이트 밸브와 같은 범주로 취급되나 배관의 굽힘등 배관작용력에 보다

신축성 있게 대응할 수 있어서 비교적 높은온도(90~)에 사용되며 밸브의 크기는 통상호칭직경

4이상의 중형밸브에 적용된다그러나 이러한 밸브는 다음의 더블 디스크 게이트 밸브의 장점에 비하면 적용사의 잇점이 적기 때문에

널리 쓰이지 않는다더블 디스크( DOUBLE DISC GATE VALVE)

통상 DOUBLE DISC 게이트 밸브는 디스크가 평행한 구조를 가진 것을 특징으로 한다따라서 대형의 고온 고압용 밸브는 이러한 구조를 많이 갖고 있으며 일명 DOUBLE DISC PARALLEL 케이트 밸브라고도 한다 주로 대형 밸브에서 많이 채용되며 사용온도가 100를 넘는 경우에

사용된다 이 밸브는 시팅 구조상 계통이 가압상태이어야 밸브의 내누설 특성이 좋아지는 구조 즉 계통압력이 한쪽면을 가압함으로써 이 가압력에 의하여 기밀이 유지되는 구조임으로 계통압력이 낮은

경우에는 상대적으로 시팅 효과가 떨어진다따라서 이의 보완책으로 평행된 두 디스크사이에 스프링을 이용 가압력을 보완하는 경우도 많다 밸브

운전시 유의할 사항의 하나는 닫을 때보다 열릴 때가 보다 많은 힘을 필요로 하는 경우가 았음으로

계통의 운전 상태를 고려한 밸브 선정이 필요하다따라서 고온의 운전상태하에서는 가능한 한 고온상태에서 밸브를 열고 닫아야 한다아울러 두 개의 평형된 디스크는 정밀하게 가공되어야 하며 계통압력이 높아질수록 디스크면에

작용하는 면압의 효과를 극대화할 수 있도록 두 시트면의 평행도 및 가공 정밀도는 엄격하게

관리되어야 한다 현재 국내에서는 아직 미개발 분야이다나이프 게이트 밸브(KNIFE GATE VALVE)디스크의 형태가 날카로운 칼날 모양의 원형구조이다따라서 설계는 매우 콤팩트(COMPACT)한 구조로 설계되며 배관계통에 있어서도 설치 및 보수

운전공간을 절약할 수 있다 주로 상온의 낮은 압력하에서 스러리(SLURRY찌거기)등이 있는 유체를

제어할 때 많이 쓰인다 따라서 KNIFE GATE VALVE 에서의 엄밀한 내누설을 요구할 수 없다(2)그로브 밸브(GLOBE VALVE)그로브 밸브는 유로의 차단 또는 유량의 조절용으로 사용된다 게이크 밸브에 비하여 유체의 제어적인

즉 압력조절 유량조절 유로 차단등이 우수하나 밸브구조의 복잡함과 이에 따른 구조적 불안정으로

인하여 밸브 크기는 기술적 경제적으로 제한을 받는다 따라서 글로브 밸브는 통상적으로 특수한

경우를 제외하고는 호칭직경 12Prime를 넘는 대형의 그로브 밸브는 수동 조작의 경우가 매우 드물고

대부분 모타 구동 또는 유공압을 이용한 동력 구동밸브이다그러나 호칭직경 2Prime이하의 그로브 밸브는 유로차단(ON-OFF)과 스로틀링(THROTTLING)이 가능하며

특별히 비록 ON-OFF 라 할지라도 계통 특성이 고압의 경우에는 소형 게이트 밸브보다 그로브 밸브를

선택하는 것이 합리적이다그러나 그로브 밸브 유로 차단용(SHUT OFF)으로 사용할 때는 밸브의 디스크 하부로부터 계통

압력이 작용함으로 닫힘에 요하는 힘이 게이트 밸브의 4~5 배 이상에 이르며 내부 구조가 복잡하여

온도가 변화하는 상태하에서는 열팽창의 비 대칭성으로 인하여 내부 누설의 가능성이 있음으로 보다

큰 힘의 밸브 개폐력 즉 구동장치의 크기가 커야 한다그로브 밸브는 통상 호칭직경 38Prime~12Prime범위로 제작되며 압력-온도 기준으로 4500LBS 까지

제작된다 밸브의 형식 및 형태는 외양으로서 T YDIDRMF 및 Y-앵글 형태가 있으며 스템의 구성

형식상 특수하게 스템 패킹으로부터의 누설을 방지하기 위한 팩레스(PACKLESS-HERMETICALLY SEALED BELLOWS SEALED)밸브등이 있으며 아울러 그로브 밸브의 디스크 및 시트의 설계방식에

따라 스템과 디스크 및 시트의 설계방식에 따라 스템과 디스크의 일체형과 분리형이 있으며

대부분이 분리형 구조를 체택하고 있다 또한 디스크의 형상은 BALL TYPE 조립식 PLUG TYPE NEEDLE TYPE 등이 있으며 디스크 및 스템의 안내방식에 따라 TOP GUIDED(고압용) BODY GUIDED(고형 소형용) 및 BOTTOM GUIDED(저압용 -150LBS~300LBS)가 있다다음의 그림 16 17 18 및 그림 19 에 대략적인 글로브 밸브의 구조형상을 표시하였다

(3)체크밸브

체크 밸브는 배관계통 구성에 있어서 계통의 운전 상태에 따라 자력으로 계폐하는(SELF ACTUATING)유일한 밸브이다 따라서 다른 밸브와는 달리 한번 설치하면서 유지 보수 등의 문제를

간과하기 쉬운 밸브이므로 최초선정에 주의를 요한다체크밸브는 외양 및 작동 측성별로 스윙체크 리프트체크 틸팅 디스크 체크 홀딩디스크 체크 인라인

체크 스톱 체크로 대별할 수 있으며 가장 대표적인 체크 밸브는 스윙 체크 밸브이다 밸브의 크기는

거의 제한이 없으며 설계 형식 또한 매우 다양하다 체크 밸브 선정에 있어서 무엇보다도 중요한 것은

밸브에 있어서 압력 강하량의 크기문제 체크밸브 사이의 유체흐름 속도의 문제 밸브의 설치 위치와

누설한계 등의 문제 및 계통 특성상 체크밸브의 닫힘 시간의 문제를 고려한 후에 체크밸브의 형식을

결정하여야 한다 이에 대한 보다 구체적인 설명은 추후 기술하기로 한다스윙체크밸브(SWING CHECK VALVE)체크 밸브중에서 가장 널리 많이 쓰이고 있는 형식으로서 간단한 구조와 신뢰성 있는 동작을 특징으로

한다 외양에 따른 형태는 T 형 Y 형 및 웨이퍼(WAFER)형이 있으며 T 형이 대부분이다 디스크와

시트의 접촉 형식은 금속 대 금속 금속 대 탄성질의 합성고무 금속 대 합성고무링이 삽입된

금속판으로 접촉된다스윙의 각도는 0~45로 설계되며 수평 설치시를 고려하여 5~7만큼 전방행으로 경사시켜야

한다 유체의 역루에 의한 순간 닫힘시(SLAMMING)디스크의 운동량을 적게하면 급폐가 용이하여

수격현상을 감소시킬 수 있으므로 스윙의 각도는 밸브에서의 마찰로 인한 압력손실이 허용하는

범위내에서 적게하면 좋다 단점으로는 슬램(SLAM)현상과 불규칙한 유체흐름시 디스크의 빈번한

운동으로 힌지 핀의 마모가 예상되며 밸브 구조상 완벽한 기밀 유지가 곤란하다는 점이 있다 스윙

체크 밸브에서의 입력 강하량은 계통 설계 측면에서 낮을수록 좋지만 대략 다음식으로 압력강하량

정도를 예측한다ΔP=3228(1ρ)(MCv)2=2238(1ρ) (mAf)2여기서 ΔP=Psiρ=유체의 밀도(1bft3)m=질량유량(1bsec)Cv=밸브의 유량 계수(gpmradicpsi)또한 스윙 체크 밸브에서 원활한 운전을 위하여 요구되는 최소 흐름속도는 이론적으로 다음과 같은

식으로 표시된다Vmin=4568(wcosθ)(PAsin2θ)05여기서 W=디스크 아암 무게의 05 배와 디스크 무게를 합한 값(1bf)A=디스크의 면적(inch2)θ=유로 충돌면의 각도

리프트 체크 밸브(LIET CHECK VALVE)스윙 체크 밸브에 비하여 유체의 속도가 비교적 빠른 조건에서 사용하며 내누설 특성이 양호하다 그로브 밸브의 외양과 비슷하며 디스크 모양에 따라 피스톤(or POPPET)형식과 볼 형태의 것이 있다 그러나 단점으로는 디스크와 안내면에서의 고착 가능성 과 디스크의 빠른 자전(SPINNING) 그리고

대구경의 경우에는 평형관이 필요하게 된다틸팅디스크밸브(TILTING DISC CHECK VALVE)스윙체크밸브가 밸브 디스크의 개폐 속도 및 유량 변화에 신속히 대응하는데 부족한 반면 리프트 체크

밸브는 아에 비교적 양호한 특헝을 갖고 있다그러나 압력손실의 정도 보수성 및 내수설에 대한 구조로 보아 스윙 체크밸브는 매우 양호한 특성을

갖고 있음으로 스윙 체크 밸브와 리프트 체크밸브의 장버을 절충하고 아울러 슬램(SLAM)에 의한

영향을 최소화시킨 구조의 밸브가 틸팅 디스크 체크밸브(TILTING DISC CHECK VALVE)이다 이

체크밸브도 가능한한 균일한 흐름이 예상되는 곳에서의 사용을 권장한다홀팅디스크 체크 밸브(FOLDING DISC CHECK VALVE)홀딩 디스크 체크 밸브의 가장 큰 특징은 밸브가 매우 콤팩트하다는 것이다 디스크를 스프링의

힘으로 유지하므로 스프링의 상수를 조절하면 디스크의 열림 최소요구 속도를 조절할 수 있으며 또한

매우 미세한 차압상태에서도 개폐를 할 수 있어서 계통의 요구사항대로 설계가 가능하다 물론

스프링의 힘을 이용하기 때문에 디스크의 급폐(急閉)성이 양호하다기타 앞에서 설명한 체크 밸브 이외의 것으로는 리프트 체크 밸브 형식의 인-라인(IN-LINE)체크

밸브와 스톱 밸브와 리프트 체크 밸브를 결합한 스톱 체크 밸브가 있다 체크 밸브의 설치 위치 및

유로 방향이 밸브 기능에 미치는 영향은 다음과 같이 요약한다 스윙 체크밸브수평 또는 수직 수직배관에 설치시에는 밸브의 최소 흐름 속도에 디스크의 최대 열림각도(45이하)만큼을 고려한다즉Vmin vert=( Vminhorize)(tamθ)05또한 밸브의 힌지핀에 중추(COUNTERWEIGHT)를 이용하면 계통 특성에 따라 디스크의 열림

최대흐름 속도를 조절할 수 있다리프트 체크 밸브

TEE TYPE-수평WYE TYPE-수평수직 수직설치시 스프링을 사용하면 효과

ANGLE TYPE- 밸브입구는 필히 수직 배관

틸팅 디스크 체크 밸브수평

홀딩 디스크 체크 밸브수평수직 그러나 한지핀은 필히 수직방향

인-라인 체크 밸브수직(드물게 수평) 내부 점검을 위한 배관분리가 요구됨

스톱체크밸브

TEE TYPE-수평ANGLE TYPE- 밸브 입구는 필히 수직 배관

WYE TYPE-수평수직경사형(INCLINED)-수평그림 89 생략

볼 밸브의 설계

볼 밸브의 구조에 있어서 가장 유의할 부분은 내누설 구조를 위한 밸브 시팅 및 씰링구조이다이 시팅구조는 볼을 감사는 볼 시팅의 씰링과 스템의 씰링이 있다 특히 밸브 내부누설을 완벽히

방지하기 위해서는 볼 씨팅의 씰링과 스템의 씰링이 있다 특히 밸브 내부누설을 완벽히 방지하기

위해서는 볼 씰링재료의 물성 즉 탄성력(Resilient)와 윤활성 및 내온도성이 중요시되며 씰링재료가

합성수지일 경우에는 밸브의 사용온도가 800 이하로 제한된다다음은 볼 밸브의 선정에 있어서 가장 유의깊게 검토하여야 할 볼 씨팅 실링 재료의 허용 최고

사용온도표이다

(6)프러그 밸브(PLUG VALVE)프러그 밸브는 구조가 간단하고 조작의 간편성으로 밸브의 발명이래 현재까지 가장 널리 쓰이는

밸브중의 하나이다 프러그 밸브라는 명칭은 밸브 구조가 테이퍼진 원통 모양의 프러그로서 이

프러그에 원형 또는 사각형의 구멍의 프러그로서 이 프러그에 원형 또는 사각형의 구멍을 내고 이

프러그를 90회전함에 따라 유체의 흐름을 차단 또는 조절하는데에서 유래하였으며 매우

광법위하게 사용되고 있는 밸브이다 다음의 그림은 전형적인 프러그 밸브의 구조를 보여주고 있다 프러그 밸브는 거의 밸브 크기에 제한을 받지않고 생산이 가능하다 즉 크기로 보아 12부터 30까지 다양한 재질로 제작되고 있으며 구조상 12 를 초과하는 대형의 프러그 밸브의 프러그 구동상

윤활이 요구되고 있는게 특징이다 압력 등급기준으로서 상온 상태하의 압력으로는

175psig~1500psig(12~103Bar)까지 제작 가능하다 그러나 밸브의 트림 구조상 씨링이 절대

필요함으로 고온에서의 사용은 통상 400이하이어야 한다프러그 밸브는 기본적으로 다음의 두가지 방식으로 제작된다① 윤활 형식(lubricated type)② 비윤활 형식(non lubricated type)또한 프러그 밸브의 테이퍼 모양에 따라 프러그의 조립 및 보수를 밸브 상단에서 하는 경우 테이퍼가

아래쪽으로 된 하향경사형의 프러그 밸브와 반대로 프러그 밸브 하부에서 조립보수를 하도록 설계된

상향경사형의 프러그 밸브가 있다 그러나 중소형의 대부분 프러그는 하향경사형의 프러그 밸브이다 윤활형식의 프러그 밸브는 윤활이라는 용어로 인하여 밸브에 정말 윤활유를 주입하는 것으로

혼돈하기 쉽다그러나 실상은 별도의 윤활유의 주입을 필요로 하는 밸브가 아니라 밸브 구조상 프러그와 밸브

몸체간의 내부 누설 밸브 트림과 스템간의 외부 누설을 방지하기 위하여 프러그와 밸브 몸체와의

원형 홈(그루브groove)에 O-링(O-RING)과 같은 씰란트(SEALANT)를 삽입시킨 것으로 이

실란트가 프러그와 몸체간의 금속 마찰을 피하면서 부드럽게 작동함으로 이를 윤활 형식(lubricated type)이라고 한 것 이다 씰란트는 대부분 엘라스토머(ELASTOMER)로 튜브형 또는 스틱(STICK)형으로 제작되며 약 400까지는 안전하게 사용할 수 있다 이와 반대로 배윤활 형식은 매끄럽게

가공된 프러그와 밸브 몸체사이의 마찰을 엘로스토머 라이너(LINER)또는 씰 재로로서 자체적으로

해결하는 구조로서 밸브의 크기가 12까지 제한된다밸브가 12가 넘는 대형의 프러그 밸브는 윤활 형식의 구조를 가져야 한다 프러그 밸브의 몸체

형식은 다양한 설계형식을 갖고 있다 즉 밸브 외관으로 보아

SHORT PATTERNREGULAR PATTERNVENTURI PATTERNMULTIPORT PATTERN2-WAY 3-WAY 4-WAY 5-WAY등으로 구분할 수 있으며 접속단 형식도 다른 밸브와 같이 다양한 형식을 갖고 있다 단 프러그

밸브를 용접 설치할 때는 볼 밸브와 마찬가지로 프러그를 제거한 후에 용접하는 것이 바람직 하다프러그 밸브의 설계상 주요관점

프러그 밸브에 있어서 설계상 주요 관점은 볼 밸브와 마찬가지로 시팅 및 스템의 씰링 문제이다 그러나 프러그 밸브의 프러그와 밸브 몸체간의 시팅은 이차적인 시팅구조를 만들 수 없기 때문에

비윤활 형식의 프러그 밸브는 시팅 구조를 만들 수 없기 때문에 비윤활 형식의 프러그 밸브는 시팅

구조로 탕성이 좋은 엘라스토머등으로 라이닝 한 구조로 구성되며 따라서 밸브의 크기는 12까지로

제한한다 아울러 이러한 시팅 구조로 인하여 밸브 개폐에는 많은 토오크가 소요되어 통상적으로 4이상의 프러그 밸브는 기어열의 도움을 받는 작동기 (Geared Actuator)가 필요하다탄성이 좋은 엘라

스토머(Resilient Material)는 소형의 비윤활형 프러그 밸브에서 스리이브라이너로서 TFE(350) FEP(300)가 널리 사용되고 씰 및 와샤 재료로서 TFE TEFLON(400) 및 VITON(400)가 쓰인다 스템 씰링은 프러그 밸브의 형식에 따라

O-Ring Seal가압형 씰란트 챔버(Pressure Packed Sealant Chamber)금속TFE 조합 다이아 후람(Combination MetalTFE Diaphragm)등이 많이 쓰인다프러그 밸브의 응용

일반의 프러그 밸브는 양방향의 유체 흐름을 허용 하지만 3-WAY 4-WAY 5-WAY 프러그 밸브는

제작가사 흐름 방향을 지정한다 프러그 밸브는 공기 가스 기름은 물론 기름 혼합물과 같은 액체

스러리(Liquid Slurries)까지도 완전한 기밀(Bubble Tight)을 유지하며 개폐조작이 가능한 밸브로서

매우 다양하게 사용된다 특히 프러그 밸브는 스러리의 집적을 도모하지 않는 구조이기 때문에

불순물이 개제된 액체계통에 널리 쓰인다 이는 프러그의 개폐동작 자체가 집적된 불순물을

자동적으로 제거하기 때문이다프러그 밸브는 원칙적으로 유량조절용으로는 부적합하지만 프러그의 유로 통과 부분의 형상을

개선하여 유량조절이 가능하도록 한 프러그 밸브도 있다그러나 통상의 프러그 밸브도 유량조절의 정밀도가 그다지 중요하지 않을 경우에는 유량 조절도

가능하다단지 윤활 형식의 프러그 밸브는 절대로 유량 조절용으로 사용해서는 안된다 왜냐하면 프러그

포트큰처의 씰란트가 유로에 노출될 수 있으며 아울러 노출된 씰란트가 유체속도에 의하여

점진적으로 씰란트의 기능을 상실하게 할 우려가 있기 때문이다다이아후람 밸브는 탄성력이 매우 좋은 합성수지 또는 금속으로 다이아후람을 만들고 이를 밸브

몸체의 유로를 수직의 선형 운동으로 차단하여 유체의 흐름을 제어하는 밸브로서 밸브의 주요 트림

재료로서 다이아후람을 채용하였기 때문에 다이아후람 밸브라고 부른다이 다이아후람 밸브는 기본적으로 3 가지 구성요소(Part)로 구성되어 있는데 밸브 몸체 다이아후람

및 밸브 본네트로 구성된다 이 밸브는 구조가 매우 간단하고 밸브 몸체 및 트림부의 금속부를

유체로부터 완저히 격리시킬 수 있어 부식성 액체를 많이 취급하는 화학공장(Chemical Plant)에

많이 쓰인다그러나 트림을 구성하는 다이아후람이 구조 및 재질상의 제한 때문에 고온고압 계통에의 적용은

곤란하며 운전중의 제반 피로와 다이아후람 재질의 열화에 따른 강도 저하로 주기적인 다이아후람

교체가 요구되는 밸브이다아울러 다이아후람 밸브는 밸브의 구성 형식에 구애받지 않으므로 Y-형 T-형 ANGLE 형 및 공기압

작동식의 다이아후람 액츄에이터를 장착할 수 있다 이러한 밸브형식의 다양성가 아울러 PTFE(Non-Elastic Fluoropolymer)등으로 밸브 내부를 초청정상태로 유지할 수 있어 반도체공장용의 순수

가스 및 물라인 제약회사등의 고순도 유체관리가 필요한 프로세서에 핵심적인 밸브로 사용된다다음 그림은 기본적인 다이아후람 밸브의 외관이다다이아후람 밸브의 크기는 현재 14에서 20범위까지 생산이 가능하다일반적으로 가능한 다이아후람 밸브의 크기는 다음과 같다

밸브의 접속다 형식

나사 체결식

소켓용접형

맞대기 용접형

프랜지 체결식

다이아후람 밸브의 크기

14THUR312THUR2(프라스틱제)12THUR212THUR812THUR20(주철제)12THUR8(가단주철 및 청동)12THUR10(주강제)다이아후람 밸브의 몸체 형식

다이아후람 밸브는 유로 흐름을 양방향으로 할 수 있으며 다음의 기본적인 두가지 형식으로 제작된다웨어형(Weir-Type)밸브 몸체 하부에 웨어를 만들어 다이아후람의 운동량을 적게하고 아울러

다이아후람의 구조적 건전성을 높인 것으로 밸브가 비교적 콤팩트하다따라서 다이아후람 밸브의 대부분은 웨어형이고 특히 2가 넘는 밸브는 거의 모두가 웨어형을

채택하고 있다관통형(Straight-through-Flow)밸브몸체의 유로부가 어떠한 간섬이 없는 관통형으로서

밸브에서의 압력 손실을 국소화한 구조이나 밸브 개폐에 필요한 다이아후람의 운동량이 많고 따라서

밸브의 본네트가 웨어형에 비하요 크게됨으로 상대적으로 2이하의 소형에 사용된다 밸브의

건전성이 떨어짐으로 제한된 규모로 사용(제작)된다밸브 몸체의 모양은 T 형과 앵글형이 있으며 접속단 형식 또한 다른밸브와 마찬가지로 다양한 접속단

형식을 갖고 있다설계상 주요 관점

다이아후람 밸브에 있어서 가장 중요한 구성요소는 다이아후람이다 다이아후람은 밸브 트림의

핵심으로서 내부 누설이 없는 완벽한 유로차단(Bubble Tight Shutoff)과 다이아후람의 파손이 없는

즉 외부 누성이 없는 구조 및 재질이어야 한다 특히 여타 밸브와는 달리 다이아후라의 재질은 매우

중요한 것으로서 밸브의 건전한 운전을 위하여 수명기간동안 충분한 신뢰를 가져야 한다 다이아후람의 재질로 보아 제작 가능한 다이아후람밸브의 크기는 다음과 같다다이아후람 밸브의 몸체는 PVC 등과 같은 합성수지로부터 고가의 티타늄가지 매우 다양한 재질을

응용할 수 있으며 특히 밸브내부를 라이닝하기가 그 어떤 밸브보다도 용이한 것을 특징으로 한다다이아후람 밸브의 응용

다이아후람 밸브는 배관계통에서 거의 대부분을 스톱밸브로 사용된다 또한 밸브 몸체의 구성재료의

선택이 자유롭기 때문에 반도체 산업에서 쓰이는 순수(Pure Water)에서부터 찐득찐득한 오염액체 불순물을 다량 포함하고 있는 부식성액체의 수송용 밸브는 물론 개스 수송용 밸브에까지 선택의 폭이

넓다그러나 사실 이 밸브는 상대적으로 좋은 유체제어 특성을 가질 수 있어 적절한 재질의 다이아후람을

사용할 경우에는 유량제어용 밸브로도 사용할 웃 있다

그러나 다이아후람의 재질상 사용 가능한 압력은 다른 밸브류에 비하여 매우 낮으며 밸브의 크기가

커질수록 다이아후람에서 부담해야 하는 유체압려게 의한 힘은 거의 지겨의 제곱에 비례하기 때문에

이 밸브를 배간계통에 적용하고자 할 때는 계통설계자(System Engineer)와 밸브제작자의 충분한

협의가 필요하다이는 고온운전시 뿐만아니라 저온운전시에도 배관계통의 압력이 200Psia 를 넘을 때에는 필히

밸브제작사와 협의하여 밸브를 선정하고 가능하면 운전상 유의사항도 자문하여 주어야 한다 한 예로

미국의 유명 다이아후람 밸브 제작사인 ITT-Grinnell 사의 기준은 다음의 표와 같다 표에서 박스안의

값 단위는 psia 이다(8)기타 밸브류

기타 밸브로는 일반적으로 유체제어에 널리 사용되지 않지만 특수 목적 또는 제작 및 사용상의 요구가

매우 간단한 경우에는 그 경제성 때문에 일부 사용되는 밸브로서 전자와 같은 경우에는 앞서 언급된

게이트 밸브등 7 종류의 밸브를 일부 변형하여 제한된 특수 목적에 사용하는데 특수 목적의 대부분은

유체제어의 방법과 내부 기밀유지로 요약된다특히 프러그 밸브의 경우 트림의 모양을 원형(Prototype)의 프러그를 완전히 변형한 형식인 에센트릭

(Eccentric)프러그 밸브를 대표로 들 수 있다이 밸브는 에센트릭 프러그의 모양에 따라 유체 르므의 특성을 사용자 요구에 맞게 제어할 수 있다 다음 그림은 에센트릭 밸브의 운전형식을 보여주고 있다핀치(Pinch)밸브는 원통형상의 엘라스토머(Elastomer)로 구성된 스리이브를 금속제의 밸브몸체에

끼우고 몸체 중간에서 스리이브를 누름으로 스리이브를 통하여 흐르는 유량을 제어할 수 있다 스리이브를 누르는 형상이 영어로 PINCHING 이라고 함으로 이러한 밸브를 핀티밸브라고 한다 밸브

구조가 너무 간단하고 유로 부분이 자연스럽게 교축됨으로 밸브에서의 저항 즉 압력손실이 적다 밸브 구조상 사용온도는 엘라스토머의 재질에 제한받게 마련이며 스리이브의 코아를 강철코드(steel cord)나 화이바그라스(유리섬유fiber glass)로 보강되었을 경우 40까지 가능하나 사용 압력은

밸브 사이즈에 따라 다르게 됨으로 밸브제작사의 자문을 받아야 한다그러나 사용온도는 아무래도 200이하인 대기압에서의 물의 비드점 이하에서 사용하는 것을

추천한다 다음 그림은 핀치 밸브의 운전 모양을 보여주고 있다이스라엘 MIL 사는 1976 년부터 핀치밸브의 스리이브내에 코아형의 지지대를 설치하고

배관계통의 유체압력평형(Balance)를 이용하여 밸브를 손쉽게 개폐조작하느느 상품명 INBAL 밸브를 소개하고 있다 이 밸브는 특별히 소방배관과 같은 경우에는 계통의 압력응답이 좋기 때문에

해외에서는 청수의 소방배관 농장의 스프링쿨러 배관 및 공공시설의 급수배관의 주 조작밸브로

사용하는 사례가 적지 않다 다음 그림은 INBAL 밸브의 운전조작 특성을 보여주고 있다 다음의

밸브는 피스톤 또는 변위형밸브(Displacement Valve)로 알려져 있는 미국 Fetterolf 사의 특수

밸브이다 이 밸브는 일반적으로 램 밸브(Ram Valve)로 알려려 있는데 탱크의 바닥이나 배관라인에

밸브 디스크(디스크 형상이 Piston 식임)안내면이 직각으로 되게 설치된다이 밸브는 특히 배관라인이나 탱크의 배수에 탁월한 효과를 가진다2밸브공학의 기초

22 밸브에 있어서 유체역학밸브는 유체계통은

제어하는 최종의 제어요소(FINAL CONTROL ELEMENT)로써 계통의 압력 온도 및 유량을

바로미터로 하여 유체계통을 능동적인 형태로 제어한다 따라서 주요 제어목표는 당연히 물리적인

양인 압력과 유량으로 단순화되어야 할 것이다 물론 온도의 영향은 필히 고려 되어야 한다 아울러

유체의 물성(物性) 및 제어환경의 영향이 고려된다기본적으로 제어밸브의 유량특성은 유체가 공학적 측면으로 압축성 유체와 비압축성 유체로 대별하여

설명할 수 있으며 또하 여기에 이 두가지 유체가 혼합되어 배관계를 흐르는 이상 유체도 공학적인

측면에서 매우 중요하다 따라서 현재와 같이 고도화되는 프로세스 플렌트에서는 배관계통의 문제점

대부분이 제어하는 부분에서 유체의 급격한 성질변화-균일 해석가능한 유체에서 불균일하고 해석이

곤란한 二上유체화 등-에 기인한다고 해도 과언이 아니다 대표적인 사례로써 오리피스후단이나

밸브후단에서의 유체천이현상 등이 있다일단 여기서는 우선 제어요소인 밸브의 기본 유체이론으로써 유량특성의 물리적 의미를 간단히

수식으로 표현하요 밸브의 유량제어관계를 이해하고자 하는데 목적이 있다 밸브에 있어서

제어요소가 구성되는 곳은 밸브의 디스크와 시트이다 이 디스크와 시트부분은 교축되어 있으며 이곳의 교축점의 유로 단면적을 인위로 조절함으로써 배관계의 유량과 압력을 조절할 수 있다 지금

이상적인 유체가 이 교축점을 지날대 유체의 에너지 방정식을 적용하면 그림 37 에서와 같이

V122g+H1=V222g+H2 V22-V12=2g(H1-H2)여기서 V12=배관계 내의 유체속도 첨자 1 은 입구배관 첨자 2 는 교축지점 g=중력가속도 H12=기준선으로 부터의 위치 에너지의 양(압력수두) 그리고 배관계 내를 흐르는 유량 Q 는 일정하므로

Q=A1V1=A2V2A12=첨자 12 지점의 유로단면적

V1=(A2A1)V2=mV2따라서 V22-m2V22=2g(H1-H2)V2=radicV2=2g(H1-H2)1-m2결론적으로 제어유량은

Q=A2V2=A2radicV2=2g(H1-H2)1-m2그러나 이 경우는 배관 내를 흐르는 유체의 압력 손실을 전혀 고려하지 않은 이상적인 경우임으로

실제와는 상당한 차이가 있다그림 38 은 배관계통에서의 손실을 고려한 것으로써 이 손실에 대한 양은 유체출구의 형상 및

배관내의 제반손실요소에 따라 실험적으로 결정되므로 이론적으로의 접근은 매우 복잡하고 아울러

어렵다 이 손실의 정도를 손실계수 C1 이라고 정의하고 F=1~m3 라고 하면 출구의 제어유량은

Q=C1FA2radic2g(H1-H2)가 된다 22 밸브에 있어서 유체역학

일반적으로 유체역학에서 오리피스의 적용은 전호에서 간단하게 언급했듯이 교축관에서의

수력구배와 급격한 유로단면적의 변화로 생기는 소용돌이 마찰 손실등 에너지 손실을 적극적

(Positive)으로 이용한 것이다실제로 밸브 디스크와 시트는 분명한 오리피스의 교축과 유사하며 이를 그림으로 표시하면 그림 39 와

같다 오리피스의 목(Throat)바로 하단에 생성되는 유로의 최소단면을 Vena Contracta 라고 하는데

이곳에서의 에너지랭을 Hvc 라고 하고 또한 이곳에서의 급격한 교축으로 인하여 소용돌이로 인한 손실 속도천이로 인한 속도에너지의 손실 등 많은 손실이 이곳에서 일어난다이러한 오리피스에서의 손실의 정도를 계산하기 위하여 새로운 계수 C 를 도입하여 C=C1(AVCA0)로 한다 실제로 Vena Contracta 에서의 유속 Hvc 및 단면적 Avc 의 계산은 실험적으로 C 를

측정하여 정할 수 밖에 없다H1 HVC H2 의 관계를 압력회복계수 FL 로 표현하면

FL=radicH1-H2H1-HVC 이다이 FL 을 적용하여 제어유량의 식을 정리하면

Q=CFAOFLradic2g(H1-H2)가 된다이식을 공학단위로 바꾸면

Q=갤론분A0=inch2 H1-H2=ΔPG 이므로

Q=380CFAOFL 라고 정의하면

Q=CVradicΔPG 가 된다이러한 밸브에서의 유량과 CV 의 관계신은 1945 년경 미국의 유명 제어밸브회사인 MANSONEILAN에서 제시한 아이디어를 구체하시킨 것으로 지금은 ISA(Instrument Society Of America)에서

제어밸브의 기준 Paramerter 로 사용되고 있다 CV 는 ISA 에서 규정한 절차에 따라 실험적으로

측정된다이 CV 의 특정방법조직은 다음의 그림 40 과 같다이 CV 의 의미는 밸브전후의 차압(ΔP)이 1psi 에서 1 분당 흐르는 유량을 US갤론으로 표시한 값이고

이를 미터단위 (유량m3Hour 비중물=1 차압kgfcm2 로 표시하려면 보정계수 117 를 곱하면 된다그러나 실제로

Q=CVradicΔpG 의 식은

유체의 속도가 어느정도 이상인 그리고 밸브 전후의 배관계의 형상은 유체의 흐름에 직접적인

영향을 주게됨으로 밸브를 통한 유량 Q 는 다음의 배관형상계수 FP 를 도입하여 보정되어야 한다 즉Q=FP CVradicΔpG(us gallon 단위)Q=0865FP CVradicΔpG(미터 단위)가 된다만약 밸브내의 유동이 비난류로 판정되면 FP 의 계산은 더욱 쉬워 진다즉 레이놀즈 수를 계산하여 밸브의 FP값을 적용할 수 있다자세한 사항은How Equations for Siging Control Valves ISA-S7501를 참조한다 밸브에서의

통과 유체가 증기나 가스인 경우 계통압력의 변동에 따라 압축되거나 팽창될 수 있어

밸브유량계수의 논리적 설명은 더욱 힘들어 진다특히 가스의 경우 압력이 저하되면 팽창이 되므로 팽창계수 Y 를 고려한다 이 Y 의 값은 밸브 입구와

포트의 면적비 밸브내브의 유로 형상 압력강하비 비열비 및 리에놀즈 수에 크게 영향을 받는다 다음의 그림 41 은 밸브 및 배관계에 있어서 에너지 구배정도를 설명하는 매우 좋은 예이다 이

그림에서 각 기호는 물리적량을 표시한 것으로 모두 에너지량이다 배관계통에 있어서 밸브는 없어서는 안될 중요한 제어요소이다유량을 조절하거나 차단하고 유체가 정상적으로 흐르는가를 확인하기도 한다그러나 밸브는 배관계통상에서 원활한 유체 흐름을 방해하는 일종의 저항요소로서의 작용은 피할 수

없다 이것은 밸브에서의 압력손실을 밸브에서의 압력 손실을 KV 로 표시하면

KV=144ΔpρV22gΔP=1bfinch2 V=bfsecρ=유체의 밀도(16mft3)그런데

Cv=QradicGΔP 이므로

ΔP=KV144GV22G=G(QCV)2또는

CV=radicG2Gρ(QV)12radicKV그런데

Q(231in3gal 1min60sec 1f31728in3)=AV=πD2V4144여기서

D=배관의 직경 inchV=배관내 유체속도(ftsec)앞의 CV 항과 배관내의 유체유량 (Q)를 한데 묶으면

CV=298395 D2radicKV따라서 우리는 밸브응용에서 중요한 사실 한가지를 여기서 알아낼 수 있게 한다즉 밸브제작자로부터 4Prime의 CV=236 인 밸브를 구매하였다면 밸브에서의 압력손실계수는 다음과 같이

계산된다KV=29842(4)42362=4093~41 이 된다물론 배관계통내의 압력 유속과 유체의 밀도에 따라 KV 의 값은 변화하게 되나 일반적

공학응용에서의 완권 개방된 밸브의 형태별 KV 값은 대략 다음과 같다만약 배관내의 유체가 압축성 유체 즉 가스라면 CV 는 여기에 맞게 보정되어야 한다Q=radic520T C1CVP1 Sin(3417C1radicΔPP1)로 나타낸다 여기서 C1CV=Cg 로 표현하고 실험적으로

Cg 의 값은 개략적으로 32-36 정도의 값을 갖는다다른 방법으로는 밸브의 형상계수(Configurationfactor)와 등가오리피스 방법을 사용하여 밸브의 P를 구하는 방식이 있다 즉 밸브크기의 결정에 있어서 밸브의 유체 교축부를 등가의 오리피스

직경으로 고려하며 손실 계수 KV 를 구하는 것이다KV=b1(dLdEO)4 여기서 dL=밸브 입구의 직경(Inch) dEO=C(dL)107C=밸브의 트림형상에 따라 결정되는 형상계수

b1=계수(액체의 경우 2786 공기의 경우 3084)따라서 밸브에서의 압력손실량은

ΔP=KVρV2288g g=3864 inchsei2=00837 kvρQdL4g여기서 Q=US gaLmin(GPM)이다다음의 그림 42 는 밸브의 완전열림상태(Full Ported)를 기준으로 하는 밸브 형상 계수 C 이다 그림

43 은 밸브의 등가 오리피스 지경과 밸브 입구 내경에 대한 형상계수의 관계이고 그림 44 는 밸브

입구내경과 형상계수 C 에 따른밸브에서의 손실계수의 K 의 관계이다 그림 45 46 47 은 볼 밸브 버터플라이 밸브 및 게이트 밸브의 밸브 개도에 따른 밸브의 손실 계수 값을 보여주고 있다23 밸브의 재료학

231 재료 사양의 일반적 사항

재료 사양(Material Specification)이란 재료가 가지고 있는 물리적 및 화학적 고유 특성과 성질을

정의한 것으로써 그 특성에는 화학 성분과 기계적 성질 등이 포함된다한편 재료 사양은 기본적으 로 화학조성 기계적 성질 가공방법 또는 제품 형태별 등의 공공 성격에

따라 분류 되어지고 있다1)재료 사양(Material Specification)재료 사양 체계를 관리하는 기관으로는 여러 기관이 있으며 이들 기관은 정부로 부처 재료 사양의

관리에 대한 권리와 책임을 갖고 있다 이 중에서 강(鋼)에 대한 사양 체계로는 미국 철강협회(AISI)가

만들어 놓은 4 자리 번호 체계가 가장 널리 쓰이고 있다 그리고 이 4 자리 식별 체계는 AISI-SAE steel designation system 이라고 부른다그 외에 미국 시험 및 재료 학회(asme)의 사양 제품에 관한 사양을 만들어 내는 주요기관과 사양을

열거하면lt표 1gt과 같다232 재료 사양의 구성

기자재 설계에서 우리 엔지니어들이 업무 수행중에 가장 자주 접하게 되는 재료 사양의 몇가지에

대하여 그 구성 또는 기호 체계를 좀더 상세히 살펴보면 다음과 같다1)ASTM미국 시험 및 재료 학회 사양으로서 매년 보완하여 발행하고 산업 전반에 걸친 재료와 시험 요건을

규정하고 있으며 1990 년과 ASTM 표준은 표 2 와 같이 총 68권으로 이루어져 있다2)ASME(A) 일반ASME 코드라 하면 보통 미국 기계학회(ASME)가 발행하는 BOILER amp PRESSURE VESSEL CODE를 말하며 이 코드는 11 개 SECTION II 으로 구성되어 있고 그 중에 SECTION II 는 안정성에

적절하며 발전소 건설에 소요되는 압력유지 기기와 압력 용기의 제작 건설에 필요한 재료 사양중 다음

내용을 담고 있다① 추천되는 적용 분야와 제한 사항(suggested service application and limitations)② 실용화된 재료 가공 방법 및 제품 형태

(material processing methdos utilized and product form available)③화학 조성 미치 금속학적 성질

(chemical compositions and metallurgical properties necessary to define meterical characteristics)④ 기계적 성질의 최소값

(established minimum mechanical properties)그렇기 때문에 section II 재료 사양이 다른 section 의 지배를 받는 기기 설계에 모두 그대로

사용해도 적절 하다는 뜻은 아니다 예를 들면 sectionIII 에 의한 원자력 기기의 기술 규격서

작성시에는 sectionII 에서 기기 등급(class)별로 요구하고 있는 충격시험 비파괸시험 등을 추가로

반영한 재료 사양을 적용해야 한다는 뜻이다 한편 section I 는 PART ABC 의 3권으로 나누어져

있다PART A- FERROUS MATERIALSPART B- NONFERROUS MATERIALSPART C-WELDING RODS ELECTRODES AND FILLER METALS그리고 sectionII 중 PART A 와 B 의 재료 사양은 ASTM 사양과 내용이 동일하거나 약간 다른 경우는

압력용기 설계기준을 고려해서 몇가지 사항을 추가했을 뿐이다(B) ASME section II PART APART A 는 철강 재료를 다루고 있으며 11 가지의 제품 형태

(PRODUCT FORMS)별로 사양을 다음과 같이 대별하고 있다1 STEEL PIPE2 STEEL TUBES3 STEEL FLANGES FITTING VALVES AND PARTS

4 STEEL PLATES SHEET AND STRIPS FOR PRESSURE VESSELS5 STRURAL STEEL6 STEEL BARS7 STEEL BOLTING MATERIALS8 STEEL BILLETS AND FORGINGS9 STEEL CASTINGS10 CORROSION-RESISTING AND HEAT-RESISTING STEELS11 WROUGHT IRON CAST IRON AND MALLEABLE IRON(C)ASME SECTION II PART B 비철 재료를 다루고 있는 PART B 는 합금과 제품 형태(ALLOYS AND PRODUCT FORMS)별로 사양을 12 가지로 대별하고 있다1 ALUMINUM AND ALUMINUM ALLOYS2 COPPER AND COPPER ALLOY PLATE SHEET STRIP AND ROLLED BAR3 COPPER AND COPPER ALLOY BAR AND SHAPES4 COPPER AND COPPER ALLOY PIPE AND TUBES5 COPPER ALLOY CASTINGS6 NICKEL AND NICKEL ALLOY PLATE SHEET AND STRIP7 NICKEL AND NICKEL ALLOY OD BAR AND WIRE8 NICKEL AND NCKEL ALLOY PIPEAND TUBES9 NICKEL ALLOY CASTINGS10 NICKEL AND NICKEL ALLOY FITTINGS11TITANIUM AND TITANIUM ALLOYS12 ZIRCONIUM AND ZIRCONIUM ALLOYS(3)JIS(A)일반사항

일본 공업 표준(JIS)에 의한 철강 재료의 규격은 우선 鐵 과 鋼으로 크게 나눠지고 철은 다시 선철 합금철 및 주철로 분류되고 있다또한 보통강은 후판 박판 선재처럼 형상이나 용도별로 특수강은 강인강 공구강 특수 용도강처럼

성질에 따라서 강관은 강종과 용도별로 세분되고 있다(B)철강재 기호 설명

철강재 기호는 원칙적으로 아래 예와같이 3 부분으로 구성되어 있다예 S S 41 (1)(2)(3)(1) 강(2)구조용 압연재

(3)최저 인장강도 41 kgfmm2① 최초 부분은 재질을 표시한다예 S 鋼 F鐵②번째 부분은 규격명 또는 제품을 표시한다예 S STRUCTURAL(일반 구죠용 압연재)U SPECIAL USE(특수 용도강)

C CASTING(주물)FFORGING(단조)슈BOILER AND HEAT EXCHANGE TUBE(열전달용관)UHHEAT RESISTING(내열강)UPSPRINGUSSTAINLESS 강체COLD PLATE(냉연판)HPHOT PLATE(열연판) 등이 있고 구조용 합금강은 NCM처럼 첨가원소의 부호를 사용한다③ 마지막 부분은 재료 종류 번호의 숫자 또는 최저인장강도를 표시한다예 11 종

2A2 종 A GRADE50최저 인장강도(50 KGFMM2)(C)JIS 기계 구조용강 기호 체계

① 주요 합금 원소 기호

주요 합금원소 기호는 표 3 과 표 4 에 따른다② 주용 합금원소량 코드

표 5 는 주요 합금원소량을 구별한 것으로 탄소강을 제외한 다른 강종에 모두 쓰인다③ 탄소량의 대표치

탄소 함유량 중앙치 백분율 100 배한 수치를 적는다

예 SIZE 탄소 중앙치 012④ 부가기호

제 1 그룹은 기본강에 특수원소를 첨가했을 때 표시

(예 L납 첨가 S황 첨가 U캄슘첨가)제 2 그룹은 화학성분 이외헤 특별한 보증하는 성질을 표시

(예 H경화능 보증강 K표면 경화용 탄소강)(4)KS(A) 일반한국공업표준(KS)은 A 에서 W 까지 15 개 부문으로 대별된다A-기본 B-기계 C-전기 D-금속 E-광산 F-토건 G-일용품 H-식료품 K-섬유 L-요업 M-화학 P-의료 R-수송기계 V-조선 W-화공

(B)철강재 약어 설명

KS 철강재에 나오는 강재중 주요한 것을 열거하면 다음과 같다일반 구조용 압연강재(SS)용접 구조용 연압강제(SWS)용접 구조용 내후성 열간 압연강재(늠)고 내후성 압연강재(SPA)보일러용 압연강재(SBB)기계 구조용 탄소강재(늩ㅌㅊ)구조용 합금강 강재(SMnSCr SMnC SCM SNC SNCM SACM)

공구용 탄소강재(STC)합금공구강재(STS STD STF)고속도 공구강재(SKH)스테인리스강

내열강재

C-Cr 베어링 강재

스프링강재

타소강 주강픔

쾌삭강재

스테인리스강 주강품

타소강 단강품

합금강 단강품

(c)ks 구조용 함금강의 기호체계 ksrn 조용 합금강의 기호체계는 2023(c)에서 설명한 JISRLRp 구조용강 기호체계와 동일 하다 예회 탄소강JIS 는 S 利C 인데 비해 KS 는 SM 利 C 이다233철강의 분류 및 식별 체계

1)일반사항

공업용 철강 재료는 화학적으로 순수한 Fe 가 아니고 Fe 를 주성분으로 하여 각종의 성분 즉 C Si Mn P S 등을 품고 있으며 이러한 성분들은 철강의 성질에 중요한 영향을 준다금속 조직학상으로는 C 20 이하를 강 C 20 이상을 주철로 규정하고 있으나 C 13-2 5의 범위는

실용성이 적으므로 공업적인 생산은 별로 하지 않으며 주철의 탄소 함량은 보통 25-45 범위에

있다또 위에서 말한 철강 중에 5 성분 외에 특수한 성질을 얻기 위해서 특수원소 즉 Ni Cr W Mo 등을

철강중에 부가하거나 또는 위에 적은 5 원소 에속하는 것이라도 특수한 성질의 부여를 목적으로

함유량을 많게 하는 것이 있다 예를 들면 Si 를 많이 품은 규소강 Mn 을 많이 품은 냄마모강 등에

특수강(Special Steel)또는 합금강 (Alloy Steel)이라 하고 이에 대하여 보통을 강을 탄소강(Cardon Steel)이라 하고 철광석 제련의 산물 제강 그밖에 원료로서 쓰일 때 선철 (Pig Iron)이라 부른다 KS DOO41 철강용어에서는 합금원소의 최저 함유량 기준에 대해 표 6 과 같이 일본 관세협력이

사회(Customs Cooperation Council)에서 분류하는 화학 성분에 따른 합금강 규정을 채틱하고

있다 편의상 합금워소 함유량의 다소에 따라서 고합금강 또는 저합금강이라 부르는수도 있다2)AISI(A)일반미국 철강 협회 (AISI)에서 탄소강과 합금강을 정의내린 규정을 살펴보면 다음과 같다1 탄소강(Carbon Steel)탄소강이란 탄소를 보통 006sim20 품고 있으며 기타 합금원소는 조금씩 존재하되 특히 다음

원소는 제한된다 Mn 165 maxSi 060 maxCu 060 max한편 탄소강을 Plain Carbon Steels Mild Steels Low-Carbon Steels 또는 Straight-Carbon Steels 이라고 부르기도 한다

2합금강(Alloy Steels)탄소가 1 이하 들어간 철로써 망간 165 규소 06중 1 가지라도 함량이 넘거나 알루미늄 크롬 (최대 399) 코발트 몰리브덴 니켈 티타늄의 여라 합금원속 첨가된 강을 지칭함단 합금의 총합은 5 미만이어야 한다(B)탄소강 및 합금강의 식별체계미국 철강 협회는 미국 자동차 학회 (SAE)가 채택하고 있　

식별체계는 탄소강과 합금강을 식별하는데 가장 널리 쓰이고 있으며 그 식별체계는 4 자리로

구성되어 있고 주요 그릅을 요약하면 표 7 과 같다(1) (2) (3)1첫째자리 숫자는 주요 합금원소를 표시함1Carbon2Nickel3Nickel - Chromuium4Molybdenum5Chromium6Chromium - Canadium7Tungsten - Chromium89Multiple Alloy2둘째짜리는 대체로주요 합금원소의 함량 ()을 표시함 예 23利니켈을 약 3 함유

3마지막 2 자리 숫자는 탄소 함량의 중간치 ( 100)을 표시하며 탄소가 10이상일 때에는 3자리가 됨 예 1040 탄소함량 040 (C)스테인리스강을식별 체계

1가단 스테인리스강

가단 스테인리스강(Wrought Stainless Steel)의 식별을 위해 AISI 와 기타 규제 기관들이 공통으로

채택하고 있는 기

관들이 공통으로 채택하고 있는 체계는 3 자리로 구서되어 있다 (1) (2)(1)첫째 자리는 주성분을 표시함 2利크롬 니켈 망간을 주성분으로 함

3利크롬-니켈 합금

4利크롬 합금

5利원래는 석출경화형에 쓰였으나 현재는 AISI 가 이식별 체계를 버리고 대신에 UNS 체계를

사용하고 있음(2)마지막 2 자리는 특별한 의미가 없으며 스테인리스강을 발전에 따라 고유번호를 붙여왔음2스테인리스 주강

스테인리스 주강을 식별을 위해 미국 주물 학회 (ACIAlloy Casting Institute)가 채택하고 있는

주요 Cast Alloy Designation 을 AISI 의 가단 스테인리스강 Type 과 비교 하면 표 8 과 같다 여기에서 ACI 식별 번호의 첫째 자리중 C 는 내부식 용도를 뜻하고 H 는 내열 및 내산화 용도를

말한다 한편 스테인리스강 주강품에 대하여 KS애소 규정하고 있는 종류를 ASTM 이나 ACI 의 식별

번호와 비교하면 표 9 와같다3)Unified Numbering System(A)일반사항

1Unified Numbering System(UNS)이란 철강을 포함한 모든 금속 합금의 식별 체계를 만족시키가

위하여 미국 재

료 및 시험학회 (ASTM)와 미국 자동차 학회(SAE)가 공동으로 개발한 재료 식별 체계이다2UNS 는 합금의 조성과 특성은 언금하지 않는다다만 AISI 나 다른 재료 사양 작성 기관이 만들어 낸 재료 사양을 총제적으로 식별하고 있을 뿐이다2UNS 는 기존의 재료 사양을 대체해 가는 과정에 있다

(B)구성

UNS 는 5 자리로 구성되어 있으며 대체로 기존 식별 체계를 다음과 같은 형태로 포용하고 있음예 1탄소강 AISI 1020 rarr UNS G10200 2스테인리스강 Type 316 rarr UNS S31600 Type 316 rarr UNS S316513UNS 의 기본 시리즈는 lt표 10gt과 같음4UNS 번호를 부여하는 책임 기관은 lt표 11gt과 같음4)철강 제품의 종류 및 제조 공정

철강 제품에 대한 일반적인 제품의 혀애와 그 제조 공정 및 제품별로 그 사이즈에 대한 저으이는

관련ㄱ 재료 사양을 참조하면 된다한편 ASME B311 Power Piping에서 파이프와 튜브에 대하여 그 차이를 다음과 같이 정의를

내린고 있다-Tube-단면의 형태가 어떠하든지 구멍을 가지고 있으며 그 구멍의 외곽형태가 연소적인 재푸미을

말한다(A tube amd a hollow product of round or any orher cross section having a continnous periphery)-Pipe-단면의 형태가 구형인 튜브를 말함(Apipe is a tube with a round cross section conforming to the dimensional requirements for nominal pipe size as tabulated in ANSIB3610 Tables 2 and 4 ANSI B3619Table 1 For special pipe having a diameter not lisred in these Tables and also for round tube the nominal Diameter corresponds with the outside diamenter234 재질의 특성과 선택

유체제어에 있어 밸브는 유체성의 특겅 즉 압력 온도 및 물리화학적 특성등에 견딜 수 있는 재질로

제작되어야 한다 따라서 밸브용 재질로 널리 사용되는 철강의 종류는 이들의 모든 특성을 고려해야

하기 때문에 의외로 매우 다양하다재지르이 선택기준은 유체의 온도특성 그리고 물리화학적 특성이 우선적으로 고려된다 약 1세기여에 걸쳐 이 분야에 대한 공업선진국들의 노력은 가히경탄할만 하다특별히 유체의 화학적 특성에 대한 부식(Corrosion) 문제와 물리적 특성에 주로 좌우되는 침식

(Erosion) 문제는 밸브 자체의 가치손실뿐만 아니라 전체 계통에 대한 손실비용을 더욱 크게하고

아울러 시간이 흐를수록 이 손실비용은 점차 커질수 있다는 점이다

일반적으로 산(酸 acids)를 취급하는 밸브는 그 용액의 농도에 따라 밸브 재질에 대한 부식력도

달라진다 황산과 같은 경우에는 온도가 낮아지면 용액이 이온화되기쉽기 때문에 산용액은더욱

부식을 촉진시킨다 온도는 밸브 재질의 선전에 있어 가징 중요한 요소이다간단한 예로서 화학반응(부식과정)의 정도는 10상승시마다 2 배로 부식율이 촉진된다는 것이다 따라서 38의 유체를 퀴금하는 밸브는 부식이 발생하지 않지만 같은 화학적 조건에서 유체온도를

150로 높일 경우에는 부식이 급격히 촉진되는 경우가 이의 예이다아울러 온도가 높아지면 밸브재료로서 금속이든 비금속이든간에 물리적 특성이 변화되어 압력에

대한 저항오 떨어지는 것이다 이외에 밸브의 압력경계면에 있는 트림은 압력상승에 의한 재질간에

마찰 마모 및 긁힘등의 문제와 유체의 물리적 성상으로 유체의 속도 불순물 입자의 혼입과 이들

입자의 운동에 의한 침식문제등이 밸브 재질의 설계시 또는 선정시 주된 요소로 고려되어야한다 다음의 그림 48 은 우리나라 밸브업계에서 주로 쓰이는 밸브 몸체와 본네트 재질에 대한 재질코드를

미국재료학회 코드 기준으로 정리한 것이다 어율로 밸브 몸체에 따른 본네트 볼트의 재질도 아울러

표기하였다다음의 표 13 은 우리나라 밸브업계에서 주로 쓰이는 밸브 몸체와 본네트 재질에 대한 재질코드를

미국 재료학회 코트 기준으로 정리한 것이다 아울러 밸브 몸체에 따른 본네트 볼트의 재질도 아울러

표기하였다 그러나 표 13 의 데이터는 실제 사용환경과 비교 다음과 같은 일반적 주의 사항을 염두에

두고 재질의선정을 하여야 할 것이다즉 고려사항으로써 (1)탄소의 함유량은 가능한한 025 를 넘지 안항야 밸브를 배관고 용점시 별

트라블이 없을 것임으로 025이하로 탄소함유량을 제어하는 것이 좋다(2)탄소강 C-Mo강ㅡ Cr-Mo강의 경우에 있어서 고온상태로 장기간 운전할 경우 입계등에서

흑연화현상이 발생하여 밸브구조가 취약하게 될 염려가 있으므로 다음과 같은 사용온도 이상에서는

사용시간을 고려하여 밸브를 선정하거나 계통의 운전모드를 설계하여야 한다(3)고온산화현상에 의한 스키일 발생을 주의하여햐 한다 다음은 고운에 장기간 사용시 스케일 (산화현상)의 발생이 염려되는 온도이다1-14Ci-12Mo (ASTM A182-F11)586(1050)2-14Cr-1Mo (ASTM A182-F22)565(1050)5Ci-12Mo (ASTM A182-F5)593(1100)(4)고온 고압의 수소한경에 있어서 강은 수소를 흡구하여 재질 특성이 취약해지는 경우가 실제로는

매우 심각한 문

제를 야기한다이를 수소취성화라고 말하는데 이는 수소가 강 입계에 침입하여 탄화물을 분해하여 탈탄과 아울러

입계에 균열을 발생시킨다이는 밸브구조의 압려구부를 총체적으로 파괴할 수 있으므로 매우 주의하여햐 한다(5)저온용의 F 효선정에 있어서는저온에 의한 취성을 고려하여햐 한다이를 방지하기 위하여 저온용 재료는재질상의 결함이 없을 것 사용조건에견딜 수 있는 인성이 있는

재료일 것 용접이 및 가공이 좋은 재료일 것 내식성이 양호할 것등이다235 밸브 트림의 재질

(1) 트림재질의 내마모 및 내 Galling 특성

밸브트림은 유체와 직접 접촉한다는 사실과 함께 유체제어를 위한 기계적 운동을 동시에 수행하게

됨으로 밸브 부품중 가장 가혹한 환경에서 운전하는 부품이다아울레 트림은 이러한 특성으로 인하여 침식부식등의 손상이나 오랜 사용으로 인하여 노화될 때

언제든지 교체될 수 있어야 하는 부속품이다 따라서 밸브트림은 재질은 트림 재질간의 기계적 운동에

의한 긁힘 또는 마모등의 문제에 대하여 강한 특성을 가져야 한다 이러한 재질간의 긁힘(Galling)특성에 대한 것은 첫째 친화력이 높을 수 밖에 업는 같은 종(種)의

재질간과 둘째 뚜렷하게 전위차가 큰 재질 셋째 오스테나이트 스텐레스으로써 같은 강종이거나

경도가 유사한 경우에는 친화력이 높아 밸브트림으로써 접촉부 즉 운동부에는 이들을 같이 사용하는

것은 금지하여야 한다 다음의 표 15 는 밸브 트림재질로서 마모 및 긁힘 특성을 보여준다(2) 운전온도에 따른 트림 재질

유체의 온도가 높을 때에는 밸브 몸체의 열팽창과 밸브트림의 열팽창간에 차이가 생기게 되는데

일반적인 밸브 트림재질에서 유체의 온도가 약 450F (268C)를 전후로 이 온도이상으로

운전하는 밸브는 운전압력이 높아 밸브의 살 두께가 매우 두껍기 때문에 밸브 몸체 내부의 구조적

불연속에서 생기는 열변형이 크게 제약받게 된다 따라서 트림부를 지지하고 있는 밸브의 크로치(Crotch)부분에서는 밸브 몸체의 열 변형에 비하여 큰

변형이 생길 수 있기 때문에 특별히 밸브의 시팅구조 부분과 결부하여 전체적인 밸브의 구조적

건전성에 특히 주의하여야 한다 즉 운전온도가 높을 경우에는 밸비 케이지와 같은 부품은 가능한한

구조적인 불연속부가 적은 밸브의 본네트에 가깝게 설치하여 케이지 아랫면의 열변형이 가능한한

구속이 덜 받도록 설계하는 것이 한 방법이다 아울러 트림재질도 재료의 특성상 사용온도에 한계가 있다 다음의 표 16 은 밸브용재질에 있어서

사용온도의 한계를 보여준다(3) 유속에 의한 침식(Erosion)을 고려한 트림재질

유체 계통의 운전에 있어서 밸브의 압력제어범위가 크거나 높은 차압을 밸브에서 제어해야할 경우

밸브의 제어 교축부인 디스크와 시트에서의 유속은 경우에 따라 음속을 뛰어넘은 엄청난 속도로

에너지 변화된다 이때에 밸브트림은 유체의 제반에너지 변환특성 즉 케비테이션이나 후라싱 또는

쵸오킹이 수반되고 이 과정중에 밸브 드림은 유체 임자의 계속적인 충돌로 표피(表皮)에 손상을

입는다 이러한 현상을 침식이라고 한다 대부분의 제어밸브 트림은 정도의 차이는 있지만 침식에

의한 손상을 받을 수 밖에 없다 특히 케비테이션이나 후라싱 서비스를 전젤 운전되는 밸브는 주기적으로 점검하고 정기적으로

예비트림부품으로 트림을 교체해야 될 정도로 침식의 정도가 심한 것으로 이러한 제어밸브의 사례는

자주 경험된다 제어밸브 특히 가혹한 운전조건에서의 트림재질은 앞서 언급한 내마모성과

내부식뿐만 아니라 강력한 내침식성이 요구된다 대표적인 내침식성 재료로는 스텔라이트(Stellite)가 널리 쓰이는데 가장 대표적인 Stellite No6 의

경우 비교적 저가 이면서 용접성 및 가공성이 비교적 양호하여 많은 밸브 제작자가 트림재질의 내마모

및 내침식 보강용으로 많이 선택하고 있다 다음의 표 17 은 밸브트림 재질별 내침식 특성을 보여준다31 밸브의 종류에 대하여는 1994 년 3월호에 개괄적으로 기능별 형태별 운전특성별로 이미

설명하였다대략적으로 밸브의 종류를 밸브 형태 및 기능상의 제어방법에서 구분하여 보면 약 800~1000 여종이

될것으로 예상된다 이토록 밸브의 종류가 많다는 것은 대부분의 밸브가 전형적으로 주문에 의해

제작되는 특수성에 기인한다 이는 밸브사용의 목적이 워낙 광범위하고 없어서는 안될 프로세스의

핵심제어요소이기 때문이다17 세기부터 일기 시작한 산업혁명이라는 인류역사의 가장 커다란 지적혁명을 갖기 이전에는

프로세스간의 제어요건도 매우 간단하였다 따라서 지금과 같이 여러종류의 프로세스의 제어목적에

맞는 밸브가 필요없었을 지도 모른다그러나 지금의 산업의 고도화와 거대화 그리고 단위 프랜트당 높은 생산성을 요구하고 아울러

엄격한 고도의 통제 장치가 필요하게 됨에 따라 어더 조건하에서도 제 성능을 유지할 수 있는 정교한

구조의 밸브들이 필요하게 되었다 이들 목적에 부합하는 밸브들은 산업발전의 추세에 따라

계속적으로 더욱 늘어나게될 것이다 본장에서는 밸브 기술자 또는 밸브 사용자들이 알아 두어야 할

밸브의 종류 및 기능을 분류하고 각각의 특징에 대하여 밸브 사용자의 입장에서 정리하는 것이다 밸브의 설명은 필자의 편의상 영문의 알파벳 순으로 정리한다311 볼밸브(ball valve)볼 밸브에 대하여는 아직도 정확한 의미의 밸브형식을 정하기 곤란한점이 있다 왜냐하며 볼 밸브의

형식은 프러그 밸브의 한 유사종 밸브로 생각할 수 있으며 볼 자체가 후로팅되어 있는 것을 생각하면

구형(球形) 볼밸브(spherical ball valve)라고 정의할 수도 있기 때문이다 나머지 모든 운전동작이나

기밀유지의 형식 구성상의 특징등이 프러그 밸브와 같다볼 밸브는 프러그밸브의 사촌인 셈이다 볼 밸브는 90 도 회전밸브로서 매우 양호한 기밀유지 특성을

갖고 있다 볼을 감싸고 있는 시트는 기밀을 확실하게 하고 또한 비교적 적은 운전토크를 갖는다 아울러 볼의 유로형상이 원형으로 밸브 입출구의 형상(원형)과 같은 모양이기 때문에 유로저항도

매우적다 이는 범용의 밸브 중에서 특히 저압의 상온 유체를 차단 제어특성을 갖고 있다는 것이다 따라서 거의 모든 볼 밸브는 full port 보다는 연결배관의 호칭직경보다 작은 구경의 유로경 즉

reduced port 를 갖는다이외에 같은 호칭직경을 가진 타 종류의 밸브보다도 간단한 구조 보수의 용이성 제작성의 편리성등

경제적인 측면이 많은 반면 시트구조의 치밀성 시트재료의 제한 및 배관 계통의 설치 주의사항등

단점도 있다일반적인 볼밸브의 운전환경은 밸브의 크기에 따라 제약을 받지만 온도-압력기준(pressure temperature rating)으로 보면 운전온도의 범위가 130~230 운전압력의 경우 25torr(초고진공)~400bar 까지 견딜 수 이쓴 볼밸브(high performance ball valve)의 제작도 가능하다볼 밸브의 적용성은 매우 다양하다 일반적인 청수(淸水) 솔벤트 산류(酸類) 가스 천연가스등의

유체수송은 물론 산소 수소 메탄 에틸렌 과산화수소등의 매우 위험한유체 수송에도 널리 쓰인다 그러나 사용상의 제약은 결국 불을 잡아주고 볼과 밸브 몸체의 기밀을 유지하는 씰(seal)구조의

재질사양에 달렸다 앞으로 볼 밸브의 기술적 과제는 기밀유지 접촉부위의 재질선정과 구조의

기술혁신에 있다고 할 수 있다다음 그림 50 은 일반적인 볼밸브의 시트 구성 재질에 따른 운전압력을 보여준다(1) 볼밸브 형식

볼밸브의 몸체형식은 몇 조각의 몸체로 구성되어 있느냐로 정해진다 거의 모든 볼 밸브는 설계 및

제작상의 용이점 때문에 2-piece 또는 3-piece 로 구성되어 있다 그러나 소형의 볼 밸브 및 중대형의

볼밸브는 1-piece 또는 2-piece 로 된 것이 대부분이다 볼 밸브의 볼 구성형식은 플로팅타입

(floating type)과 트러니온(trunnion type)으로 구분되고 볼의 삽입 방법에 따라 톱엔츄리

(topentry)타입과 엔드 엔츄리(end entry)타입이 있다 플로팅 타입은 볼밸브의 시트링에 의해

고정점으로 하여 트러니온과 베어링에 의해 지지되는 구조이다(2)시팅재료

볼밸브에 있어서 가장 중요한 핵심적인 요소는 시팅이다 대부분의 볼 밸브는 탄력성이 좋은

ptee(polytrafluore ethylene)가 가장널리 쓰이고 유체의 부식특성에 따라 특별한 용도의 것으로

나이론 bnna n 성형흑연(graphite) 및 ptee 에 성형 흑연분말을 함침한 씰링 제료가 있다 볼 밸브

시팅재료에 있어 볼과 씰링재료가 금속인 경우가 가장 이상적이지만 볼과 씰링면의 정밀가공이

전제되어야 함으로 어떤 특정용도에 한정된다메탈시팅구조의 볼 밸브는 이러한 제작 가공상의 어려움으로 상대적으로 매우 고가의 밸브 제품으로

분류된다 특히 가스용의 볼밸브인 경우에는 시트에서의 완전기밀이 보장(bubble tight shut off)이

되어야 함으로 시트가 스프링에 의하여 일정한 가압력이 작용되도록 설계된 것이 많고 화이어테스트

(fire test)등의 규격요건을 만족하기 위해서도 중대형의 볼 밸브 구조ㅡ 특히 고성능을 요구하는 볼

밸브는 메탈시트 또는 탄력성이 좋은 합성수지의 시트에도 스프링 가압방식의 시팅구조를 채택하고

있다이러한 경우 계통중의 어떤 이물질이 시팅부위에 혼입될 경우 4rm(015)정도의 초정밀 폴리싱

(supper polishing)된 볼의 표면이 손상될 염려가 크므로 특별히 크롬이나 니켈등을 포함한

고강도의 재료로 하드훼이싱(hardfacing)하여야 한다 볼 밸브에 관련된 미국의 산업규격은 앞장에

있다321 버터후라이 밸브

버터후라이 밸브도 볼 밸브 프러그밸브와 마찬가지로 90 도 회전밸브 이다특히 밸브구경 대비 밸브 노즐면간의 길이가 매우 짧은 콤팩트화된 밸브로써 밸브 구조상의 여러 가지

독특한 장점이 있다 그 예로써 밸브의 구경 대비 밸브 무게가 거의 같은 역할을 수행하는

게이트밸브에 비하여 60~70 정도이고 볼 밸브나 프러그 밸브에 비해서도 20이상 가볍다 또

밸브의 무게중심의 볼 밸브와 같이 배관 중심선과 거의 일치함으로 배관계의 구조를 보다 건전하게

한다 물론 밸브의 구성부품수도 적기 때문에 제작도 용이하고 밸브 구경 대비 가격도 저렴한 편이다특히 웨이퍼(wafer)타입의 버터후라이밸브는 밸브의 크기 및 콤팩트성 가격 제작의 용이성 설치의

편이서 배관계의 구조적 안정성 밸브의 유지보수 측면에서 어쩌면 가장 합리적인 밸브타입으로 볼

수 있다 위와 같은 여러 설계인자로 인하여 버터후라이 밸브는 밸브구경이 커지면 커질수록 장점이

돋보인다 계통의 운전조건에 따라 다르겠지만 밸브의 호칭직경이 20 인치(500mm)를 넘는 대형의

밸브는 거의 모두 버터후라이밸브이다헌재까지 기록상으로 호칭직경 10000mm(10m)의 버터후라이밸브가 생산되었고 차후바닷물의

조수(潮水)발전이나 해양 온도차에 의한 해양발전등 대규모 에너지 개발 프로젝트가 실용화되려면

이보다 훨씬 큰 버터후라이밸브가 제작되어야만 할 것이다단점으로는 디스크와 시트와의 기밀유지 기술이 타 밸브에 비하여 까다로우며 디스크의 구조상

유체흐름과 대칭상태로 힘을 받기 때문에 높은 차압을 요구하는 계통에는 진동 및 소음등을

유발하므로 적용하는데 어렵고아울러 밸브 크기가 클수록 디스크에서의 면압 및 운전토오크가

커지기 때문에 압력이 높은 계통에서의 버터후라이밸브 선정은 제약을 받는다(1) 버터후라이 밸브의 시팅구조

버터후라이 밸브의 시팅구조는 볼 밸브와 마찬가지로 탄력성이 좋은 천연 또는 합성고무 불소수지등으로 만든 시트에 금속 제의 디스크면이 접촉하여 기밀을 유지하는 구조가 범용의 저압

프로세스용 버처후라이밸브에 널리 채용되고 있으며 증기 서비스와 같이 비교적 고온 유체의 제어 및

계통 압력이 20bar 를 넘거나 밸브간 차압이 5bar 이상을 제어하여야 하는 경우에는 메탈시트

(metal to metal contact)또는 고성능 버터후라이밸브를 채용하는 것이 권장된다hpbv 는 버터후라이밸브 제작사중 기술력이 좋은 일부 밸브로써 각사마다 독특한 구조의 시팅구조를

선보이고 있다 그러나 hpbv 의 기본적인 시팅구조의 형식은 디스크와 디스크 축이 편심상태로

설계된 에쎈트릭 디스크구조가 대부분이다 다음의 그림 51 은 일반 법용 버터후라이밸브의

시팅구조를 그림 52 53 5455 는 고성능 버터후라이밸브의 시팅구조와 운전특성을 보여준다(2)버터후라이 밸브의 형식

버터후라이 밸브의 형식은 밸브 몸체의 연결방식과 디스크-시트의 시팅구조의 차이점에 따라 수분할

수 있다 우선적으로 밸브 몸체의 구성방식으로 보면 프랜지형 웨이퍼형 프랜지 관통형으로

구분되면 시팅구조로 보면 디스크와 디스크 구동축이 밸브 몹체의 중심과 일치하는 콘쎈트릭

(concentric)구조와 구동축이 편심되어 있는 에쎈트릭(eccentric)구조로 구분할 수 있다이렇게 기하학적으로 시팅구조가 상이한 것은 시팅의 역학적구조가 밸브의 기본기능인 압력기준 및

완벽한 유로차단기능에 있어서 전자의 경우는 낮은 압력 또는 rubber lined 후자의 경우는 높은

압력 또는 high performance를 갖는다는 뜻을 포함하고 있다(3)버터후라이 밸브의 운전특성

버터후라이 밸브의 운전특성은 디스크 형상의 특성상 독특한 운전특성을 갖고 있다 운전특성은 첫쩨 밸브 개도의 정도에 따라 밸브의 운전토오크가 크게 변화되고 둘째 밸브 시팅에 비교적 큰 토오크가

필료하며 셋째 유량조절시 저개도 운전시 유체 와류현상에 의한 밸브 운전의 불안정성을 들 수 있다 이러한 버터플라이밸브의 운전 특성으로 말미암아 밸브의 구조적 측면에서 많은 장점에도 불구하고

버터후라이 밸브의 적용은 제한 받을 수 밖에 없다밸브의 운전 토오크는 밸브에서의 부하차압(밸브는 계통에 있어서 제어요소 이기 때문에 밸브

전단의 계토압력과 후단에서의 계통압력은 제어요소인 밸브에서 감당하는 경우가 대부분이다 이때

밸브가 수용해야 하는 계통간의 차압을 부하차압이라고 한다)의 정도에 따라서 크게 차이가 난다 한

예로써 범용 고무라이닝된 4 ANSI CLASS300 의 버터후라이 밸브는 일반 청수를

서비스할때100 완전개도시 경험상 10PSI(07BAR)의 차압을 유지하는 것이 권장된다 이런 경우

유속을 9msec로 하면 최대 유량은 1186 GPM(269tonhour)이 된다 이때의 필요 토오크는

시팅되어 있는 디스크를 떼어냄는 힘(breakaway torquid)를 포함하여 24~~25kg~m 가

필요하다그러나 개도가 70정도가 될 때는 차압이 증가되는데 이는 밸브 디스크와 시트의 교축이 원인이 된다이때 차압이 22psi(15bar)정도 생기며 유량은 1313gpm(298tonhour)정도로 증가된다 이때의

운전토오크(dynamic operating torque)는 100개도시의 운전토오크에 비하여 적어도 10배이상의 코오크가 소요된다그림 56 은 버터플라이밸브에 있어서 시팅토오크가 없는 이성적인 조건하에서 밸브 개도에 따른 운전

토오크의 변화를 보여준다 시팅토오크를 무시할 수 있는 밸브는 실제적으로 버터후라이 밸브에서는

없다 단지 이 그림은 운전중 밸브스템의 토오크변화 특성을 설명하기 위한 것이다실제로는 그림 57과 같이 닫힌 밸브를 열기 시작할때는 닫았을 때의 시팅 토오크이상의 토오크가 필요하다 이

토오크를 브레이크어웨이토오크라 한다통상적인 모든 버터플라이밸브는 브레이크어웨이 토오크가 실질적인 밸브 조작토오크가 된다 따라서

버터플라이밸브의 운전 토오크는 계통운전조건의 압력-온도에 의한 토오크 보다 시팅력에 필요한

토오크에 200이상의 토오크를 더 계산한 브레이크-어웨이 토오크를 가지고 사이징하여야 한다 시팅코오크를 구하는 방법은 메탈시트의 경우 다음과 같은 안을 제시한다다음의 그림 58 을 참조한다입력항목p=시트접촉면압

b=사투접촉의 폭

R=시트의 반경

α=시트의 각도함수=(π2)-시팅각도

Θ=디스크의 시팅 유효각도

μ=시트와 디스크면의 마찰

계수 계산 시팅토오크

TS=2Pbr2((1tanα)sinΘcosΘ+Θ)+2μsinΘ)따라서 총 필요토오크는 경험상 Tt=Ts+(스템부 마찰에 의한 토오크)+(정수력학적 토오크)가된다 다음의 그림 59 는 범용 버터플라이밸브의 밸브 개도별 차압 및 유량의 관계를 설명하기 위한

그림이다 그림 60 은 범용 버터후라에밸브의 크기별 차압별로 버터후라이 밸브의 총 조작토오크의

경향을 보여준다여기 그림에서 가르키고 있는 수치는 대부분의 테프론라인드 버터플라이밸브에

적용될 수 있는 수치들이다만약 미터단위로 환산하려면 다음과 같이 한다1 psig=6894PKa=00684bar1GPM(water)=63 10E6(m3sec)=000378(m3Min)=02268(m3hour) 1 1b-in=011298 N-m=001152kgf-m1렌=03048msec표 18 은 버터플라이밸브에 있어서 밸브개도와 차압에 따른 이론적인 유량과 이에 다른 유속을 계산해

본 결과이다 다러서 실제적으로 일어날 수 있는 케비네이션과 같은 현상은 무시되었다그러나 이

표는 다음과 같은 버터플라이밸브만이 가질수 있는 특송을 보여주고 있다즉 (1) 밸브개도 80 90일 때 밸브간에 생기는 차압은 일정하지만 유량은 다르다(2)밸브개도가 60이상이 되면서부터 차압의 증가율이 낮아진다(3)밸브개도가 70 80일때의 차압의 변화율과 유량의 변화율은 상호 비례관계를 갖지 않는다 이와같은 버터플라이밸브에서는 밸브개도 60 90사이에서는 유량과 차압의 변화특징이 많음으로

실제 범용의 버터

후라이 밸브에 있어서 개도조절에 의한 유량제어에의 적용에는 무리가 따름을 알 수 있다(4) 버터플라이밸브 관련 산업규격

API STD598Butterfly Valves Inspection and TestingAPI STD609Butterfly Valves Lug and Wafer Butterfly ValvesASTMF1098 Standard Specification for Envelop Dimensions For Butterfly Valves-NPS 2 to 24AWWA C504 Standard for Rubber-Seated Butterfly ValvesJIS B 2032 Wafer Type Rubber-Seated Butterfly ValvesJIS B 2064Butterfly Valves for Water WorksMIL V-24624 Valves Butterfiy Water and Lug Style Ship-Board Services

MSS SP-67Butterfly ValvesMSS SP-68 High Pressure-Offset Seat Butterfly ValvesUL 1091 UL Standard Safety Butterfly Valves for Fire Portection ServicesUL 1091 Outline of Investigation for Btterfly Valves Indicator Posts for Fire Protection Service313 체크밸브(check valve)체크밸브는 운전특성상 자력으로 또한 밸브의 트림 또는 동작부가 어떻게 운전하고 있는지를

스스로만 가르키는 밸브 중 가장 유별난 밸브의 한 종류이다 또 유테의 흐름을 한 방향으로만

유지하기 때문에 영어로non-return밸브라고 한다체크밸브에 대해서는 심도있는 연구로 체크밸브 응용에 따른 워터햄머(수격)등의 문제점들이 상당히

해결되어가고 있다 이들 문제점들의 해결방안이란 계통의 운전특성에 따른 최적현상의 체크밸브의

운전거동을 계통의 유체 흐름현상 해석에 결부시켜 해석하고 이 해석결과에 따라 보다 정밀하게

설계된 체크밸브 그리고 올바른 설치를 엔지니어링 하는 일련의 과정이다 체크밸브의 기본적인 종류

및 운전특성에 대하여는 밸브의 구조에서 이미 언급하였다따라서 본 장에서는 보다 실질적인 체크밸브의 운전특징과 종류별 선정기술에 대하여 설명한다체크밸브는 대별하여 6 종류로 구분할 수 있다 모든 밸브 기술자들에게 익숙한

스윙체크밸브에서부터 최근에 보다 많은 호평을 받고 있는 듀얼프레이트체크밸브 통상 4(100A)이하 특히 2(50A)이하에서 널리 채택되고 있는 리프트체크 유체 흐름저항이 적고 스윙길이가 적어

스윙체크밸브보다 빨리 닫힐 수 있는 기하학적 이점으로 인하여 디스크의 슬램현상이 감소되는

틸팀디스크 체크밸브 소위 인라인 체크밸브 그리고 마지막으로 그로브밸브와 체크밸브를 한데 묶어

두가지 기능을 각기 수행할 수 있게 한 스톱체크 밸브가 있다체크밸브를 올바르게 선정하기 위해서는 우선 계통설계자가 체크밸브에 대하여 잘 알아야 한다 왜냐하면 체크밸브는 계통의 운전특성에 따라 각기 다른형식의 체크밸브가 필요하기 때문이다 체크밸브를 올바르게 선정하기 위한 선정인자들을 아래와 같이 정리하였다 밸브의 형식 모양 계통의 운전 요구사항 특성등에 따른 정보들이다(1)스윙체크밸브(SWING CHECK VALVE)스윙체크밸브의 운정특징은 힌지핀을 중심으로 디스크가 유체의 흐름량(유속)에 따라 디스크가

열림으로 밸브가 개방되고 유체가 정지(유속=0)함에따라 밸브 추구특의 압력과 디스크의 무게에

의해 닫히는 구조이다따라서 유체흐름의 중심과 힌지핀의 거리가 다른 어느 종류의 체크밸브보다 길어유체계통의 손상에

의한 급격한 역류 발생시 밸브닫힘(디스크 닫힘)시간이 비교적 길어지고 아울러 밸브디스크와

힌지핀을 연결하는 디스크와 암등내부 트림구조 보다 큰 충격력이 작용한다 따라서 계통 및 밸브

보호를 위해 유체의 흐름이 불 균일 하거나 유속이 빠른 유체계통에서는 스윙체크가 리프트 체크 및

틸팅디스크 체크밸브보다 불리하다 특수한 것으로는 힌지핀에 레버 또는 레버중추(LEVER WITH COUNTER WEIGHT)를 부착하여 디스크의 닫힘시간을 조정할 수 있도록 한 것도 있다이러한 레버중추를 설치한 체크밸브는 유속이 비교적 빠르고 맥동이 있는 라인에 적용될 수 있으며 유체계통의 운전상황에 따라 체크밸브의 운전특성을 변경시킬 수 있는 장점도 있다 다음의 그림 61은 미국의 KALSI엔지니어링사에서 연구한 체크밸브(6와 3)의 설치 위치 및 방법에 따른 디스크의

떨림정도를 요약한 그래프이다그래프에서와 같이 체크밸브(스윙)를 엘보우 후단에 설체(3밸브의 경우에는 엘보우 후단에서 2D

위치에 설치한 경우를 LD=0 로 보면 됨)한 BASELINE떨림(배관계통의 정상적인 유체맥동에 따라

발생하는 디스크의 떨림)보다 2~4 배의 디스크 떨림이 있었으며 유체계통의 흐름이 난류인

경우에는 4~15 배의 떨림이 LD=5 이내의 스윙체크밸브의 경우 엘보우 티이 또는 제어밸브와 같은

난류원에서는 충분한 거리를 유지하여 설치하여야 한다는 것이다즉 체크밸브의 안전한 운전을 보장하기 위해서는 난류원에서 5D 이상의 거리를 두어설치하여야

한다 여기서 L 은 배관의 길이를 말하고 D 는 배관의 호칭 직경 또는 밸브의 호칭크기를 말한다 그림

62 는 엘보우와 같은 난류원이 체크밸브에 어떻게 영향을 미치는가를 도식한 것이다 스윙체크밸브

선정을 위한 유체흐름특성 및 유속과의 관계를다음과 같이 요약할 수 있다(2)리프트체크밸브(LIFT CHECK VALVE)리프트체크밸브는 맥동이 있는 유체나 비교적 유속이 높은 배관계통에 적합한 구조를 갖고 있다 예로써 체크밸브의 디스크가 완전 개방되는데 필요한 유속이 수윙체크밸브의 경우에는 48SV 내외인

반면 리프트체크밸브는 설계방법에 따라 다르지만 55~140SV 가 필요하다 여기서 SV 는 유체의

비체적이다 유속의 단위는 Ftsec 따라서 앞서의 스윙체크밸브의 적용이 곤란한 경우 비교적 간단한

구조와 신뢰성 높은 구조인 리프트체크밸브가 넓게 쓰인다그렇지만 유속이 낮은 배수계통이나 단순한 GRAVITY FLOW 에의 적용에는 신중을 기하여야 한다 리트트체크밸브의 몸체 구성형식은 이미 21 장에서 구체적으로 언급하였고 여기서는

리프트체크밸브에 있어서의 단점 몇가지와 함께 설치방법을 성명한다리프트체크밸브는 앞서의 설계상 다양한 잇점이 있는반면 밸브 몸체와 디스크의 안내면이 원활하지

못할 경우에는 밸브가 열려 있는 상태로 다시 닫히지 않는 일면 Cock 또는 Stick 현상이 있다 따라서

이러한 현상을 완화시키기 위해서는 유체 흐름을 유속범위내에서 스프링을 체택한 SPRING LOADED CHECK VALVE 로 변경하는게 좋다아울러 유체가 디스크시트를 통과할 때 생기는 와류에 의해 디스크가 제자리 회전하는 spinning 이

생길 수 있다 이러한 경우에는 디스크 상부의 챔버와 밸브 출구간을 연결하는 구조의 바이패스배관을

설치하여 디스크가 열릴 때 디스크상부 챔버의 잔류 유체가 빠져 나가는 구조의 리프트체크 밸브의

선정이 요구된다 다음의 그림 63 은 리프트 체크밸브의 설치 방향의 제한 사항이다(3)틸팅디스크 체크밸브

틸팅 디스크 체크밸브는 스윙체크밸브와 리프트 체크밸브로써 만족시키기 어려운 역류로 인한

급격한 스램(Slamming)을 감소시키고 (스윙체크밸브 대비) 리프트 체크밸브의 작은 동작범위

(Travel Length) 때문에 디스크의 닫힘이 매우 빨라 순간적인 유체천이력이 크게 되는 경우 이를

어느정도 감소시킬 수 있는 밸브로써 고안된 밸브이다따라서 압력 및 온도가 높고 유속이 빠른 고에너지 유체계통에서 적응성이 높은 밸브이다 그러나

유체의 흐름에 맥동이 있는 경우에는 디스크가 계속 떨리면서 운전됨으로 힌지핀의 마모로 인한

밸브의 선택에 보다 깊은 밸브엔지니어링이 필요하다 틸팅디스크는 구조상 디스크의 피봇포인트

(Pivot Point)가 유체유로의 단위 관성력의 중심과 밸브의 무게 중심과 근접하도록 설계되어 있기

때문에 작은힘의 역류에도 쉽게 닫힐 수 있으며 디스크가 시트에 닿을 때에도 디스크와 피못간의

모멘트 길이가 짧아(물리적인 용어로 Pendulum Period 효과)슬램 현상이 스윙 체크에 비하여

월등히 감소된다또한 밸브가 정상적으로 운전할 때에도 주 디스크와 보조 디스크 사이로 유체가 흐르도록 되어 있기

때문에 운전시에는 원활한 유로관성으로 안정되어 있지만 디스크가 닫힐 때에는 이 두 디스크가

유로를 간섭하게 됨으로 배관 파손시 또는 펌프의 불시정지(Pump Trip)시의 급격한 슬램 또는

워터햄머 문제를 디스크의 닫힘지연효과(Closing Delay Effect)로 상당수준 완화시킬수 있는

구조이다이는 밸브 디스크면에서 생길 수 있는 충격에 의한 스트레스로 디스크면과 시트면의 마모를 스윙체크

밸브에 비하면 상당히 감소시키는 구조이다 예로서 여러대의 펌프가 병열 운전하는

배관시스템에서는 펌프의 출구배관은 통상적으로 펌프헤더(Header 또는 Manifold)에 연결된다이 헤더전단 즉 각 펌프의 후단에는 체크밸브가 설치되어야 한다즉 닫힘속도가 빠를수록 좋으며 디스크가 시트면에 닿는 순간에는 그 충격력을 감소시킬수 있는

구조이면 더욱 좋을 것이다 이러한 경우 틸팅디스크 체크밸브가 쓰인다틸팅 디스크 체크밸브에는 앞서 언급한 구조적인 장점들을 더욱 효과적으로 수행할 수 있게하는

고려사항이 있다 6이상의 대형 틸팅디스크체크 밸브는 스윙체크에 비하면 역류시 순간적인 단힘

동작에 시간이 걸릴 수도 있다이는 틸팅디스크의 구조에서와 같이 닫힘 동작이 개시될때의 역류(유체압)의 힘을 받는 단면적이 적기

때문이다 이를 설계에 고려한 것이 힌지핀에 스프링을 감아 닫힘을 용이하게 한 구조이다그러나 디스크가 완전히 닫힐 때는 이 스프링의 영향력이 거의 없도록 해야 한다 따라서 스프링의

강성도는 틸팅디스크의 날개 무게가 가장 중요한 설계인자가 된다 이렇게 될 경우 스프링

스윙체크밸브의 중추와 유사한 역할을 수행하게 되는 것이다 그림 65 의 경우 틸팅디스크 체크밸브의

디스크 평형 설계를 용약한 구림으러서 틸팅 디스크의 힌지핀은 밸브의 시팅부에 가능한 가깝게

설계하되 선 A-A 와 B-B 및 디스크가 완전 열렸을대의 유선이 만드는 F-F선의 삼각형내에 있어야

한다유체 흐름이 일정 속도가 되어 균일해 지기 위해서는 유체유속으로 인한 유체관성력과 틸팅디스크의

지중에 의한 디스크의 평형이 매우 중요하다따라서 주 디스크의 형상과 날개(보조디스크)의 형상은 이 평형관계 때문에 유로의 접선각도가 다르게

설계된다 그름 66 과 그림 67 은 각각 고압용 체크밸브로 사용되는 미국 에드워드사 및 영구

드란스사의 틸팅디스크 체크밸브인데 모두 힌지핀이 시트면의 법선과 유로의 디스크 접선이 만드는

역삼각형내에 위치하고 있으며 시트면에 최대한 가깝게 설계되어 있다그러나 디스크가 완전히 열려 있는데 필요한 최소요구유속(Minimum Flow Velocity)는 스윙

체크밸브보다 모멘트 길이가 짧기 때문에 (이 모멘트 길이는 제작회사가 다르다) 일반적으로

스위체크밸브에 비하여 최소요구 유속은 50~100더 크다 즉 스윙체크밸브가 V=48V 이면

틸팅디스크 체크밸브는 70~90SV(여기서 SV 는 유체의 비체적으로 ft316)로 크다 따라서 고에너지

유체수송용(4~8msec)의 증기 물또는 가스용으로 사용된다(4)웨이퍼 디스크 체크밸브(Wafer-Type Disc Check Valves)웨이퍼 디스크 체크밸브는 여닫이 창문모양의 Single 또는 여미의 판을 스프링으로 고정하여

체크밸브의 역할을 수행하게 하는 밸브로써 근래에 기술의 진전(스프링 소재의 발전 스프링의

내구성 향상 설계의 최적화 등)으로 이 밸브의 사용추세가 증가되어 가고 있다미국의 석유가공협회(API)에서도 웨이퍼 체크밸브의 규정을 API Standard 594 Wafer-Type Ceck Valve 로 규정하고 있다 웨이퍼 디스크 체크밸브의 가장 큰 장점은 동일 배관 크기에 있어서 경량 소형으로 설계제작이 가능하다는 것이다 예로서 스위체크밸브에 비하면 약 4~5 배 정도로

결량제작이 가능하고 구조가 간단하고 불연속부가 적기 때문에 성능대비 전반적인 소형으로써의

제작이 가능하다따라서 이러한 이유 때문에 가격 배관설치비 공간절약 운송등 경제적인 효과가 여타 체크밸브보다

월등하다 그러나 이 밸브의 선택에 공학적으로 망설이는 이유는 두 개의 핀을 폐쇄시키는데

스프링의 힘이 필요해 스프링의 손상시 계통의 건전성 문제가 제거되기 때문이다스위체크밸브는 구조적으로 계통의 과도현상 등에 의한 힌지핀의 마모 힌지의 손상 등이 있는데

이러한 경우는 공학적인 면에서 웨이퍼 디스크 체크밸브의 스프링 손상 가능성에 비하여 확률적으로

매우 낮기 때문이다 아울러 유체의 흐름이 불균일한 경우에는 계통 운전 중 계속 스프링에

피로응력을 축적시키기 때문에 맥동이 예상되는 배관계통에의 적용은 신중하여야 한다만약 유체흐름의 속도가 웨이퍼핀을 일정하게 열게할 수 있다면 좋지만 웨이퍼 핀을 완전히 개방시킬

수 있는 최소요구유속(Minimum Flow Velocity)은 스윙체크밸브에 비하면 높기 때문에 중력에

의한 역류방지 등 저속유체의 적용에는 타당하지 못한 점이 단점이다유체흐름의 동적인 면(Dynamic Flow)에서 보면 스윙체크밸브는 유속의 변화에 민감하게 작용하나

유속이 증가되었을 때의 계통의 어떤 문제로 인하여 역류가 발생 하였을 때 감가속도가 웨이퍼

디스크 체크밸브 자체의 슬램(Slamming)의 에너지량이 커진다즉 유체천이의 에너지 변화를 크게 할 수 이써 배관계통의 Dynamic Force 는 크게될 수 있다는

것이다 다음의 그림 68 69 는 전형적인 Single Plate 및 Dual Plate Wafer Type Check Valves 를

보여준다 이 밸브의 설계특징은 체크 밸브의 디스크를 두 개로 분리한 소위 디스크 분리형 체크

밸브이다 즉 유체관로를 하나의 디스크로 열고 닫고 하던 것을 관로 가운데에 기둥을 하나 세우고

이곳에 디스크를 두 개로 구분하여 작은 다스크를 두 개로 구분하여 작은 디스크 두 개가 동시에

열리고 닫히게 하는 구조의 체크밸브이다따라서 디스크 하나로 유체흐름을 제어하는 것 보다 디스크 두 개로 힘을 나누어 유체흐름을 제어할

수 있어 밸브 구조가 단순해지고 작아지는 콤팩트한 구조로 되고 아울러 닫힐때의 일반 스윙체크나

리프트 체크 밸브의 모멘트 길이보다 작기 때문에 신속히 닫힌다는 잇점도 있다따라서 이러한 잇점들과 아울러 밸브구성 재료의 기술밸전과 더불어 점차 사용량이 많아지고 있는

체크밸브의 한가지다그렇지만 범용의 스위체크나 리프트 체크밸브에 비하여 실용화된 역사가 짧고 사용 실적에 대한

검증이 보다 많은 시간이 소요된과 더불어 밸브의 메카니즘상 홀딩 디스크(HOLDING DISK)의

핵심이 스프링의 피로문제 등으로 아직가지는 스윙체크 밸브와 같은 일반화된 범용 체크밸브로

구분하지 않고 있다 따라서 뺄브 제조업체도 이러한 웨이퍼 디스크체크 밸브 제조 전문회사로

자리하고 있어 세계적으로 제작업체가 많지 않은 특징이 있다 예를들면 영국의 굿윈(GOODWIN)사 미국의 텍사스 주 휴ㅡ톤에 근거를 둔 석유화학계통의 밸브들을 중점적으로 제작하는 TRW 사 ARCIN 사 등의 있으며 우리나라의 경우에는 복숭아밸브 정도가 홀딩 디스크 계열의 체크밸브를

생산하고 있다 웨이퍼 디스크 체크밸브는 듀오체크밸브 9DUO-CHECK VALVE) 플래퍼 체크밸브

(FLAPPER CECK VALVE) 워터 체크밸브(WATER CHECK VALVE)등으로 호칭하고 있다 API 594는 이러한 밸브를 워터체크밸브(WATER CHECK VALVE)로 정하고 있지만 BS(영국규격)에는 듀얼

플레이트 체크밸브(DUAL PLATE CHECK VALVE)라고 언급되어 있다 그림 70 은 웨이퍼 디스크

체크밸브의 상세도 이다lt웨이퍼 디스크 체크밸브 체크 밸브의 특징gt스윙 체크밸브에 비하여 경량이고 크기가 작으며 강력한 구조를 갖고 있다(그림 71참조)유체수송에

있어서 듀얼 플레이트(DUAL PLATE)로 설계된 구조설계조선을 가진 밸브이다 스윙 체크밸브의

구조적 취약점인 시팅 순간의 시트와 디스크면의 안착노력(SEAT SCRUBBING)을 대폭 감소시킨

구조인 스프링 가압방식을 쓰기 때문에 개폐의 체크밸브 역할이 보다 정확하다

수격현상이 모멘트 아암이 작기 때문에 밸브구조 자체의 손상 가능성이 줄어들고 힌지핀과 스톱핀(스프링 핀 지지대)에 의한 구조적 강도가 보장되어 체크밸브 손상에 의한 수격현상의 천이문제도

완화시킨다 이는 스윙체크 밸브가 손상될 경우 힌지핀 또는 디스트 아암의 파편들이 계통내에

흩어지고 천이의 진행을 막지 못하지만 웨이퍼 디스크 체크 밸브의 경우에는 설사 힌진핀이 손상

되더라도 DUAL PLATE 는 유지되기 때문에 천이 진행을 감소 시킨다 스윙 체크 밸브에 비하여 압력

손실이 적다 단 작은 크기의 밸브는 웨이퍼 디스크 체크밸브가 크다 따라서 50A 이하의 체크밸브는

스윙체크밸브가 보다 용이한 구조이지만 큰 사이즈의 체크밸브에는 웨이퍼 디스크 체크밸브가

스윙체크밸브보다 계통운용의 경제성 측면에서 월등히 좋다그림 72 는 유량수송에 따른 웨이퍼 디스크 체크밸브에서의 압력손실을 보여준다 이 표는 TRW 그룹의 미션 듀오체크(MISSION DUOCHECK VALVE)모델에 기준한 것이다 설치상 제한 사항이

스윙 체크밸브 보다 적다 웨이퍼 디스크 체크밸브의 경우 어느 방향으로도 설치가 가능하나

스윙체크배브는 수평설치시 항상 힌지핀이 수직면으로 유지되어야 한다 그러나 힌지 핀은

수평배관시 반드시 수직 이어야 한다관로 유속이 느린 경우 스웡 체크밸브는 힌지 핀이나 디스크 핀과 같은 MOVING PART 에서의

마모정도가 웨이퍼 디스크 체크밸브 보다 심하다 이는 MOVING PART 가 유로의 속도 변화(변동)에

따라 생기는 흔들림(FLUCTUATION)에 그대로 노출되어 있는 반면에 웨이퍼 디스크 체크밸브는

스프링에 의한 흔들림의 에너지를 어느정도 흡수할 수 있기 때문이다 플랜트 운전 경험상

스윙체크의 치명적 결함은 적정 관로 유속이 유지되지 않을 경우 유체 힘의 파동에 의한 MOVING PART 의 점진적인 마모로 인한 것임이 여러자료를 통하여 알려져 있다설사 MOVING PART 가 손상이 되지 않더라고 MOVING PART간 마모로 인한 공차 증가로

체크밸브의 내부 누설등 성능 저하는 피할 수 없는데 특히 문제가 되는 것은 체크밸브가 완전

손상될때까지 운전원이 체크밸브의 성능저하를 발견하는데는 매우 어렵다는 것이다웨이퍼 디스크 체크밸브에서 가장 기술적인 관점이 되는 것은 스윙 체크밸브에 비하여 장점으로

간주되는 스프링의 신뢰성 문제이다 스프링은 밸브의 수명기간 중 스프링 상수의 변화라든가 가공

경화(STRESS HARDENING)가 없어야 하고 수송유체에 대하여 강력한 내부식성을 가져야 한다 스프링의 피로 파괴를 미연에 방지하기 위해 스프링은 적어도 수백만번의 수명평가를 받은 검증된

재료 제조방법 환경하에서 제작된 것이어야 한다실례로 스프링의 파손은 체크밸브의 급격한 성능 저하에는 즉각적으로 작용하지 않지만 스윙

체크밸브의 예에서와 마찬가지로 게통의 정상적 운전을 예고도 없이 악화시킨다웨이퍼 디스크 체크밸브도 정도의 차이는 있지만 사용중 성능의 증간 점검이 어려운 점이 있다핵심 부품인 스프링은 일단 설치된 연후에는 보수 교체가 용이하지 않다 따라서 디스크의 손상시

디스크 시트며의 연마나 래핑 교체가 상대적으로 어렵다 이는 비교적 고가의 유지보수비용을

요구하게 된다 스프링은 웨이퍼 디스크 체크밸브에서 가장 핵심적인 기술 부품이기 때문에 사용자는

필수적으로 웨이퍼 디스크 체크밸브는 믿을 수 있는 업체 즉 오랜기간의 제작 실적과 운전 실적을

가진소위 검증된 업체의 웨이퍼 디스크 체크밸브를 선택하여야 한다웨이퍼 디스크 체크밸브는 스윙 체크밸브에 비하여 설치상의 잇점이 매우 많다 승윙체크밸브는

구조상 어느 정도의 약한 흔들림 에너지도 흡수할 수 없기 때문에 배관계통의 엘보우나 티 그리고

밸브와 같은 유체의 요동원(FLUCTUATION SOURCE)에 근접하게 설치 해서는 안된다 반면에

웨이퍼 디스크 체크밸브는 이러한 요동원에 직접 또는 인접하여 설치하여도 밸브의 성능 저하가 별로

없으므로 배관 설치공간을 절약할 수 있어 궁극적으로 스윙 체크밸브에 비하여 밸브 가격 뿐만아니라

배관 RDTKQL 도 절감할 수 있다(5)인-라인 체크밸브(IN-LINE CHECK VALVE)인-라인 체크밸브는 일종의 리프트 체크밸브의 형태로서 볼이나 풀 가이드 다스크(FULL GUIDE DISC)를 스프링으로 유지하는 체크밸브로 소형경량이고 스윙체크밸브에 비하여 밸브 면간 길이가

절반 이하이 컴팩트된 구조를 갖고 있다그러나 인-라인 체크밸브의 내부부품(INTERNALS)은 배관 라인을 분해하지 않고서는 접근 방법이

없다는데 있다 즉 여러종류의 체크밸브는 밸브 외부에서 부분적이나 조정이나 분해가 가능하지만 이

-라인 체크밸브로 구분되는 밸브는 일단 설치된 연후에는 조정이나 분해가 전혀 불가능한 구조로

되어있다 이러한 이유 때문에 인-라인 체크밸브는 밸브의 스트로크가 안정되게 운전되는 구조이어야

한다 실제로 인-라인 체크밸브의 스트로크는 입구직경의 14 이내 이어야 하고 필히 센터 필

(CENTER PIN)이나 디스크의 톱엔 바텀 가이드(TOP AND BOTTOM GUIDE FOR DISC STROKE)구조로써 디스크의 운전이 확실해야 한다 인-라인 체크밸브는 거의 대부분이 스프링을 갖고 있지만

일부 인-라인 체크밸브의 경우 스프링이 없는 경우도 있다 따라서 대부분의 인-라인 체크밸브는

스프링 가압방식을 쓰고 있다스프링 가압방식의 인-라인 체크밸브는 유로의 역류정도를 스프릉 에너지로 어느정도 흡수 할 수 있어

압력의 급격하 변동이나 수격현상의 영향을 줄일 수 있어 공기 압축기 출구 배관의 맥동

(PULSATING)흐름과 같은 계통에 적용할 수 있는 밸브이다그림 73 과 같은 체크밸브는 비교적 최근에 계통운전의 철저하 분석하에 개발된 발ㄹ전소의 주급수

배관과 같은 고에너지 배관의 체크밸브로 쓰이는 인-라인 체크밸브이다(6)스톱체크밸브

일반적으로 체크밸브는 차단용 밸브로 구분되지만 엄밀한 의미에서 봄면 항상 누설이 있다는

체크밸브의 운전에 의해 게이트나 글로브 밸브 같이 차단밸브로 간주되지 않는다따러서 영어로 체크밸브를 ISOLATING 기능이 있는 밸브로 간주하지 않는다 단지Check Valve인 것이다 스톱체크밸브는 배관계통운용에 있어 여러 가지 잇점을 제시할 수 이다 즉 정상운전시에는 단순히 리프트 체크밸브로서의 역할을 수행하다가 계통 운전의 필요성 또는

운전절차에 따라 스톱밸브-그로브밸브의 차단기능을 수행 할 수 있는 두가지 기능을 동시에 갖고 있는

밸브이다 이러한 기능을 수행하기 위해서 밸브구조는 스템과 디스크가 고정되지 않아야 하고

스템자체에 백 시트를 갖고 있으며 완벽한 차단기능을 위하여 스템은 Screw-Down 이어야 한다 다음 그림 75 는 미국 Edward 사의 스톱체크밸브이다 일반적으로 스톱체크밸브의 형식은 두가지가

개발되어 있다 하나는 스윙체크밸브형식이고 나머지 하나는 리프트 체크밸브형식이다 스윙체크밸브

형식의 경우는 스윙체크밸브의 본네트부에 스템을 장치한 것이고 리프트 체크 밸브 형식은 리프트

체크밸브의 디스크에 Serew-Down 스템을 장치한 것이다구조의 안정성 및 운전 신뢰성의 이유로 중소형의 스톱체크 밸브는 리프트체크밸브 형식으로 거의

100제작된다 대형의 경우에만 스윙체크밸브형식을 채탹하는게 일반적이다314 다이아후램 밸브(Diaphragmvalve)다이아후램밸브는 일명 위어밸브(Weir Valve)라고도 하며 주로 차단용의 블록밸브(Block Valve)로

사용된다 이 밸브는 비교적 최근(세계제 2 차 대전)에 발명된 밸브로서 비록 다이아후램의 재질

특성상 사용온도가 150이하로 제한되는 것을 제외한다면 부식성 액체의 유량 제어스러지나

고형물이 많은 유체의 제어용으로는 매우 경제적이고 제어특성이 좋은 밸브이다다이아후람은 고무콤파운드나 불소수지계열인 PTFE 가 주로 사용되고 압력-온도기준은 10bar

이내의 최고 사용온도 175이내에 사용된다이 밸브의 주요 사용처는 수처리 시설 부식성 화학물질 식음료용 시스템등이고 거의 대부분 PTFE 폴리프로필렌 고무류 등으로 유체며을 라이닝한 밸브가 쓰인다 이 밸브의 설계상 특징은 다음과

같다(1)다이아후람은 밸브 구성 부품중 가장 취약하기 때문에 용이하게 교체 될 수 있는 구조이어야 한다(2)유로 통과면은 유체흐름이 부드럽고 유연하게 되도록 돌출 부응이 없어야 한다(3)weir 형시의 다이아후램밸브는 weir 로 인하여 배관내부의 자동드레인이 될 수 없기 때문에 설치

방향등을 밸브 매

뉴얼에 기술하여야 한다(5)밸브 몸체는 가급적 낮은 가격의 가단주철등을 사용토록 하고 특별히 스테인레스강을 사용하는

경우를 제외하고는 100 PTFE POLYPROPYLENE RUBBER PVC CPVC PVDF PP 등으로

라이링 한다(6)스템의 스터핑 박스가 없는 대표적 밸브이다 다이아후램 밸브의 제작범위는 통산 밸브의

크기로써 10(250mm)이내 압력-온도기준으로써 Ansi Class 150(PN16)사용온도의 범위로는

80~175이다 간혹 Straght-Through 타입으로써 20(500Mm)까지도 제작 할 수 있으나 밸브의

트림 재질 및 운동특성상 신뢰성이 없다사용용도로는 주로 환경설비분야 청정가스의 제어 식음료분야 제어분야등으로 이는 밸브 내부가

이물질등이 축적될 수 있는 공간이 없는 구조일뿐더러 여타의 다른 밸브보다 분해 청소가 매우 용이한

구조의 밸브이기 때문이다 아울러 다이아후람은 주기적으로 교환해 줄 필요가 있다또한 이 밸브는 수동이 조작부는 물론 공기식 다이아후람 구동장치 솔렌노이드 구동장치로 자동화 할

수 있다 다이아후람밸브의 변종으로는 크램프 밸브(Clamp Valve) 핀치밸브(Pinch Valve) 이리스

밸브(Iris Valve)등이 있으며 모두 밸브 트림을 고무콤파운드등을 사용하며 분체 수송의 제어나

인분등 고형물질이 많은 유체 제어에 사용된다단지 크램프 밸브나 핀치밸브는 다이아후람 막을 눌러 유체 통로를 제어하고 이리스밸브는

다이아후람 튜브를 비틀어서 유체 통로를 제어한다는데 특징이 있다315 게이트 밸브

게이트 밸브는 차단용 밸브로써 여러 산업분야에 매우 다양한 형태로 널리 사용되는 밸브이다 게이트라는 디스크가 시트면과 마찰하면서 열리거나 닫힘으로써 유체 흐름을 제어하는데 제어의 주

목적은 유로의 차단 개방이다게이트밸브의 종류는 게이트의 씰링 메카니즘에 따라 구분되는데

다음과 같다(1)웨지게이트 (2)후렉시블게이트 (3)페러럴 슬라이드 게이트 (4)페러럴 더블 디스크 게이트 (5)스플릿 웨지 게이트 (6)드러우 콘디트 게이트 (7)나이프 게이트 (8)슬루이스게이트 (9)레실리언트 게이트등이 게이트의 씰링메카니즘과 형태에 따라 구분되었다 이외에 라인

브라인드밸브라든가 펜스록밸브도 게이트밸브 범주로 분류된다 이들에 대하여는 다음의 각항으로

구체적으로 설명한다 게이트밸브의 몸체 구성방식은 본네트의 구조에 따라 볼티트 본네트 프레셔 씰

본네트 클램프 본네트 용접형이 있다미국 밸브 기준 규격인 ANSI B1634 에 의한 압력 온도기준으로 볼 때 게이트 밸브는 4500Special까지 이상도 제작가능하고 900이하의 게이트 밸브는 대부분 볼티드 본네트형이고 1500급

이상은 용접형 또는 프레셜씰(압력 밀봉기)형식이 많이 쓰인다게이트배르의 압력-온도 기준은 Ansi B 1634 기준에 따라 125~4500까지 모든 밸브 재질에

가능하고 밸브 크기로는 38(10A)부터 200(5000A)의 대형 콘디트 또는 펜스톡 밸브 까지 제작이

가능하다 단지 압력-온도 기준이 300이상인 경우에는 밸브크기에 제한을 키게 받는다 300급

게이트 백브로는 현재까지 36(900)까지 제작된 기록이 있다 일반적으로 압력-온도기준이 600(최고 허용사용압력 1042 bar)이상인 게이트밸브를 고압 밸브로 구분할 수 있고 300급 이하는

저압용으로 구분한다고온고압의 시스템용으로 게이트밸브를 사용할 시에는 내압에 의한 밸브 구조의 건전성(밸브의

살두께가 커져야 함)과 고온에 따른 밸브 내부의 구조적 불연속 및 공동부(케비티 Cavity)에서의

이상승압등을 고려한 열에 의한 밸브구조의 문제점등이 서로 상반된 역학구조를 갖고 있기 때문에

20~40(500A~600A)가 최대 제작가능한 크기이다온도변화에 의한 이상 승압(pressure locking)게이트 밸브는 유로의 차단기능을 수행하기 때문에 디스크의 한쪽면만 시트와 완전 밀착하면 된다 즉 정상운전시에는 싱글시팅(single seating)만으로도 유로 차단기능이 충분하나 중대형의

게이트밸브중 더블시팅(double seating)을 하는 후렉시블왯지게이트 밸브나 더블 디스크

게이트밸브의 경우 간혹 운전중 착좌(seating)또는 분리(unseating)에 과도한 힘이 걸리는 경우가

있다 정도가 심할 경우에는 운전불능 상태에 이르고 나아가 전체 계통의 불시정지를 야기한다더블시팅에 의한 밸브조작력의 급격한 증가는 본래의 구동력 산정에 고려된 마진보다 휠씬 크게

나타날 수 있는데 이 급격한 증가는 다음 그림 76 과 같이 닫힘 상태에서 배르를 열고자 할 때 생긴다 이것은 밸브가 닫혀 있을 때 계통압력이나 온도의 천이가 있을 경우 발생하기 쉽다 일반적으로

더블시팅에 있어서 마찰력(시팅)만을 고려한 게이트 밸브의 조작력은 다음과 같이 계산된다 F=(P1-P2)A1μ+(P2-P3)A2μ 여기서 P1=입구압력 P2=출구압력 A1=입구측 시트경 단면적 A2=출구측 시트경 단면적 μ=시트면 마찰계수밸브가 닫혀있을 때 밸브몸통 공동부는 고립(트랩핑)되어

있게되고 이때 P1 이나 P3 (밸브입구 또는 출구의 압력)가 저하 되거나 대기압 상태로 될대 위식에서

보다시피 밸브의 마찰 구동력은 치대 두배가 된다 이는 게이트 밸브의 전체 구동력에 큰 영향을 줄

수 있다 더구나 게이트 밸브가 닫혀 있는 상태에서 계통의 압력 스파크나 서지가 일어날 경우 계통유체의 일부가 밸브몸통의 공동부에 고립될수 있게 되는데 이 트랩핑된 유체가 계통의 운전에

따라 가열되는 경우 P2 의 압력은 유체의 체적 탄성계수에 비례하여 큰 폭으로 증가하여 밸브를

도저히 열수 어슨 상태로 하는 현상을 이상승압 이라고 한다 일정량의 유체가 온도변화에 따라

팽창함에 따른 압력상승은 이론적으로 다음과 같이 구할수 있다ΔP=K(Vf-Vi) Vi 여기서 K=유체의 최적탄성계수Vf=가열시의 유체의 비체적 Vi=냉각 또는

초기시의 유체의 비체적예로써 밸브몸통의 공동부에 물이 꽉차있는 경우 200만큼 가열될때의

압력상승은 24540psi 가 되는데 이는 다음과 같이 계산된다K=300000psi Vi=001613ft316at 100 Vf=001745ft316at ΔP=300000(001745-001613)001613=24540(psi)이와같이 ΔP 가 증가하게 되면 밸브를 도저히 열 수 없게 되는데 설사 앞의 걔산에서와 같지 않은

상태(물의 잔존량 10~20)라도 ΔP 는 역시 크다그림 77 은 가열 온도에 따르는 밸브공동부내의 응축수량 대비 압력상승의 값을 보여주고 있다게이트밸브에서 이러한 문제는 밸브의 구동장치를 크게 하여야 할 뿐 아니라 경우에 다라서는

운전불능의 심각한 문제를 야기한다 이러한 문제를 사전에 방지하기 위해서는 그 근본원인인 게이트

밸브 몸통에서의 트랩핑 압력을 완화시키는 바업은 찾아야 한다다음은 이에 대한 해결 아이디어 들이다 밸브 몸통 공동부와 밸브의 입구 또는 출구측과

바이패스배관 9 통상 34~1크기)를 설치하고 이 바이패스배관에 수도형의 소형 그로브 밸브를 달아

밸브 또는 시스템 테스트시 이 바이패스밸브로써 이상승압 현상을 사전에 예방한다디스크 밸브 입구측에 위치한 디스크를 사용하지 않는다 즉 입구측 디스크에 V 노치등을 만들면 이

디스크 9 한쪽 0 는 시트로서의 역할을 하지 않는 대신 밸브공동부에서의 이상승압을 자동적으로 배출

(릴-이프)시킴으로써 이상승압이 발생할 수 없다밸브 입구측 디스크면에 드릴구멍을 낸다 밸브몸통공동부에 릴-이프 밸브를 장착한다 예)공동부내에

물함유량이 30이상 상온 (20)에서 510까지 가열하였을 때 배르 공동부내의 압력은 약

590bar 가 된다고온 고착(thermal binging)고온용 밸브에 있어서 설계상 가장 유의할 사항은 밸브구성부품의 형상에 따른 각기 다른 모드의

열변형을 가능한한 상온 상태의 것으로 맞추는데 있다또한 형상뿐만아니라 다른 모드으이 열 변형을 가져올 수 있는 열팽창율이 각기 다른 이종 금속간의

조합 열 온도 차이에 의한 열 변형 모드의 상이함이 이에 속한다 예로써 상온상태로 운전하던 밸브에

뜨거운 물이 유입되면 밸브몸통은 질량이 크기 때문에 아무래도 천천히 팽창할

것이고 상대적으로 질량이 작은 트림은 쉽게 팽창할 것이다 따러서 팽창된 트림은 밸브 몸통의

가이드 부분과의 운동간극(moving clearance)을 축소시켜 높은 구동력을 필요로 하고 아울러

시트나 가이드면에 흠집 또는 고착될수 있다이후 몸통이 서섯히 달아올라 충분히 열 팽창되면 다시

부드럽게 운전 될 수 있다그러나 밸브몸통은 구조적으로 불연속인 경우가 많고 아울러 살두께의 변화가 크므로 몸통

내부적으로 응력이 심하게 차이가 난다또한 이렇게 굽힘응력의 차가 크므로 취약부위(시트면을 잡고 있는 밸브의 크로치부분)에서는

예상하지 못했던 열변형이 크게 생겨 디스크가 빠져나기 어렵게 되거나 또는 닫을 때 디스크가 시트면

모서리에 꽉 끼게 되어 밸브를 닫을수 없는 운전불능에 빠지는 경우가 게이트밸브에서의 고온 고착

또는 열바인딩이라고 한다 좀더 쉽게 설명하면 한가지 얘로써 어떤 개통의 후렉시블 왯지 게이트

밸브를 계통을 가열하면서 열려고 할 때 잘 열리지 안거나 운전불능의 경우가 있는데 다음과 같은

조건들이 원인을 제공한다밸브에 바이패스라인(자체)이 없다 증기게통에 수직배관상 밸브가 수평으로 설치되어 있다계통 특성상 급격하게 가열된다 온도-압력기준이 높다게통정지시(냉각상태)에는 닫혀 있고 계통운전개시후 개방한다 모타구동 배르의 경우 모타의

구동력이 계통운전조건대로 사이징 되어있다 이러한 상황의 경우 정지시 타이트 하게 닫혀 있는

게이트밸브는 게통운전과 동시에 온도가 급격히 올라가면 밸브게이트보다 밸브 몸통의 열팽창이

적고 아울러 밸브 몸통과 게이트의 구조강도가 높다면 이 열팽창의 차이는 매우 큰 밸브구동력을

요구하게 되는게 일반적이다 따라서 이러한 걔통의 경우에는 바이패스라인을 설치하는게

바람직하다 이를 이론적 측면에서 검토하면 다음과 같다(조)주강(탄소강)8밸브몸통 SUS316 의 왯지 게이트 상온(70)상태에서 완전 닫힘 상태 계통운전에 따라 600까지 가열됨(계산식)단순히 두 재질간 열팽창의 상이에 따른 열팽창 차이(량)δL=(α1-α2)(T1-T2)L(계산결과)α1=10310-6inin-SUS316

열팽창계수

α2=6310-6min-탄소강의

T1=열팽창 계수

T2=상온시 온도

L=가열후 온도

there4SL=((10310-6-(6310-6))(70-600)4=0008inch(02mm)결국 02mm 만큼의 열팽창차이는 디스크와 시트간의 마찰계수 001 로 한다 하더라도 이론적으로

무려 28800ibf 의 추력이 필요하게 된다게이크 밸브에서 생기는 문제점들

게이트밸브는 계통운전의 목적상 차단밸브이므로 일반적으로 장시간 닫혀 있거나 열려 있게

마련이다 장시간 밸브가 운전하지 않을 경우에는 계통내의 불순물들 특히 스팀배관의 경우 배관의

철분등이 미세한 상태로 게이트와 시트의 가이드 구석진 부분에 고착되는 경우가 많다이때 밸브를 운전하면 디스크나 시트면에 손상을 입게 되는데 주로 피팅(pitting)또는 불순물과의

마찰에 의한 긁힘 등이다때로는 계통의 냉각 가열로 인하여 이러한 불순물이 시트 또는 디스크 재질과 친화하여 고착되는

경우도 있다 증기계통의 외부 불순물에 의한 긁힘 또는 불완전한 시팅으로 이 틈새를 통하여 시트

또는 디스크가 손상을 입게되는 와이어드로잉(wire drawing)이 대부분이다밸브 스템패킹에서의 누설문제는 거의 대부분 스템이 부식되거나 부적절 하게 사용처에서 패킹작어한

경우에 있다 스템의 부식은 가혹한 환경하에서는 피하기 어렵다더울이 13Cr(410 계열)인 스템은 부식되기가 쉽고 또한 자주 운전하지 않는 관계로 압축된

패킹재질과 이 분위기 속에서 부식된 수템은 거의 안정화된 상태에서 장시간 있었기 때문에 밸브

개폐시 많은 힘이 필요하고 더불어 일단 개폐하고 난 연후에는 패킹에서의 누설이 생긴다따라서 스템과 팽킹의 재질선택은 매우 중요하다 최근의 밸브기술은 팽킹재질과 스템재질 패킹구조등에 대한 괄목할 만한 실적을 쌓았음에도 불구하고 지금도 가장 취약한 밸브 기술부분이

이곳이다이들 연구결과 중 패킹의 가압력에 대한 연구는 스프링힘에 의해 항상 패킹의 가압력을 일정하게

유지시킬 수 있는 가압력을 일정하게 유지시킬 수 있는 라이브 로딩패킹은 이젠 중요 계통의 밸브에

거의 일반화 되어가고 있다 결론적으로 스템패킹에서의 누설문제를 대비하는 방안은 첫째 최적의

스템재질과 패킹재질로 하고 둘째 팽킹의 가압력을 밸브 제작자의 권장 수준범위내에서 가능한 한

적은 가압력을 오랫동안 유지시킬수 있는 구조로 하고 셋째 중요 계통의 밸브 또는 부식성 액체를

다루는 계통에서의 배르는 주기적으로 스템패킹에서의 누설여부를 점검하는 것이다1)왯지게이트(Wedge Gate)일면 솔리드 왯지게이트(Solid Wedge Gate)로 쐐기형의 매우 간단한 왯지로써 유체흐름을 막는

구조이다밸브스템의 축하중을 밸브의 시트표면에 정면으로 밀착시킴으로써 시트누설을 방지한다 따라서 이

쐐기형 즉 솔리드 왯지게이트밸브의 시팅력은 매우 높은 것이 특징이다 이 솔리드왯지게이트밸브는

연력배관의 작용력보다 월등히 튼 강도를 갖게 마련인 소구경 배르에 적용된다 이 이유는 기밀을

유지하는 시팅의 힘이 완전히 밸브스템의 추력으로만 작용될 수 밖에 없기 때문이다따라서 솔리드 왯지게이트 밸브의 디스크는 물론 이 디스크 강도이상의 밸브강도를 가진 튼튼한

몸통의 밸브만이 솔리즈왯지 게이트밸브에 적용된다 여러 가지 구조적인 측면과 경제적인 측면에서

솔리드 왯지게이트밸브는 호칭 직경 2(50mm)이하의 밸브에만 적용하는 것이 보편화 되어 있다 예를들어 다음과 같은 경우를 생각해 보자 즉 게이트 밸브의 양끝잔 노즐부에 과도한 배관자굥력이

작용된다면 솔리드웨지게이트와 시트는 닫혀 있을 경우 배관작용력에 대한 지지역활을 하게될

것이고 열려있을 경우에는 이 부분이 취약부분이 되어 배관작용력에 약하게 될 것이다미국 기계학회의 원자력부분의 밸브코드(ASME Boiler and Pressure Vessel Code Sec Subsection NB)의 NB-3200(설계해석-Design By Analysis) 및 NB-3500(Valve Design)에

따르면 배관작용력에 대한 규정은 다음과 같다peb=CbFbSCbFbS위에서 peb 는 배관작용력으로 인하여 생기는 게이트밸브의 시트부위의 굽힘응력이다Fb=일종의 단면 모멘트로써 밸브에 연결되는 파이프의 굽힘상수(Fb=0393de3Ps(20000Ps)) Cb=연결파이프의 굽힘응력 인덱스로써 밸브 노즐의 두게와 노즐 내경과의

함수(Cb=0335(γte)067) S=연결파이프의 허용강도(30000psi) Gb=노즐면의 단면계수

(Gb=I(ri+te)) 위의 식에 따라 밸브 상즈 별로 peb 를 계산해 보면 밸브 크기가 클수록 Fb 가

증가되는 비율이 Gb 의 증가율 보다

크기 때문에 결국 peb 로 인한 밸브 자체의 안전성을 확보하기 위해서는 게이트와 시트 부위에서의

응력 이완을 하면서 기밀을 유지할 수 있는 구조의 게이트가 요구되는 것이다따라서 경험상 2초과의 밸브의 경우에는 솔리드 왯지게이트보다는 응력이완이 가능한 후렉시블

왯지 게이트 또는 패러럴 슬라이드 게이트등을 사용하는 것이다 솔리드 왯지 게이트 밸브의 장단점은

대략 다음과 같이 요약할 수 있다(장점)스템 추력에 다라 시팅효과를 극대화 할 수 있다구조가 간단하여 염가이다유로를 양방향으로 처리할 수 있다(단점)연결배관의 라인로드(Line Loads)에 민감하게 반응한다라인로드라 함은 연결배관으로부터의 축방향 힘(열팽창등에 의한 열하중등) 오토션(비틀림 Torsion) 굽힘 모멘트 등으로써 이러한 라인로드가 클 경우 이들 힘들이 게이트에 집중된다만약 밸브 운전에 고온상태 하면 솔리드 왯지는 밸브몸통의 불균일한 열변형을 흡수할 수 없어

시팅상태를 불안정하게 할 수 있다즉 열변형(Thermal Distortions)에 의해 내부 누설 가능성이 높아진다솔리드 왯지 유연성 부족으로 게이트가 닫힘 상태에 있을 때 가열(Heatup) 또는 냉각(Cooldown)동안 고착될 염려가 있다 즉 이상스압(Pressure Locking)떠는 고온고착(Thermal Binding)의

가능성이 타 게이크밸브에 비해 매우 높다밸브시트의 보수가 어렵다 즉 게이트의 경사각과 시트의 경사각은 공장 출고시 확정된것으로이후

게이트 또는 시트의 보수 연마가 실시되면 게이트의 높은 강성으로 인하여 100의 시팅효과를

기대할수 없다(2)후렉시블 왯지 게이트(Flexible Wedge Gate)후렉시블 왯지 게이트 밸브는 솔리드 왯지의 단점을 보완하기 위하여 개발된 것으로서 장단점은

다음과 같다(장점)

솔리드 왯지 게이트 보다 라인로드의 흡수력이 좋으므로 고착이나 흡수력이 좋으므로 고착이나

내부누설을 최소화할 수 있다구조가 간단하다스템 추력에 비례하여 시팅효과를 높일 수 있는 구조이다양축 디스트가 동시에 시팅하는 구조로 시팅효과가 안정 스럽다솔리드 왯지 게이트 밸브에 비하여 시트나 게이트의 유지 보수가 보다 용이하다(단점)양측 디스크가 동시에 독립적으로 시팅하기 때문에 밸브 몸통의 공동부(Cavity)에 압력이 트랩핑

(Trapping)될 수 있고 이는 밸브의 가동시 열천이(Termal Transient)로 인한 이상승압이나

고온고착이 생길 수 있는 구조의 밸브이다게이트와 시트간에 불순물 축적시 시팅 메카니즘이 마찰을 이루면서 수행됨으로서 불순물로 인한

흠집(Galling)이나 마멸 가능성이 높다(3)스프릿 왯지 게이트(Split Wedge Gate)이 케이트는 솔리드 왯지를 분리한 형태로서 두 개의 분리된 왯지가 서로 매칭되는 시트에 독립적으로

시팅(착좌)할수 있으며 분리되었기 때문에 배관라인의 배관 작용력은 물론 열팽창 또는 천이에 의한

제반하중에 어느정도의 여유는 가지고 있다이러한 잇점은 솔리드 왯지에서 특히 대형의 게이트에서 생길수 있는 고착(Sticking)문제를 어느정도

완화시키는 것이다그러나 후렉시블 왯지 게이트에 비하여 가공이 어렵고 더블 디스크 드래그라는 두 개의 왯지가 닫힘

상태하에서 과도한 마찰력에 의해서 열리지 못하는 현상이 발생될 수 있기 때문에 일부 업체를

제외하고는 보편화되어 있지 않다스프릿 왯지 게이트 밸브의 문제 사례에 대한 것은 다음호에 자세히 언급하기로 한다(장점)비교적 적은 추력으로 양측 입출구의 시트면에 동시에 같은 압력으로 시팅하는 구조로서 차단 성능이

매우 좋다배관계통의 압력에 상관없이 스템추력의 추가만으로 저압력 영역이나 고압력 영역이나 양호한

시팅효과를 갖는다게이트 디스크면의 보수 유지가 솔리드 왯지나 후렉시블 왯지 게이트에 비하여 월등히 용이하다 왜냐하면 왯지의 각도에 여유가 있기 때문이다(단점)독립된 각각의 왯지가 동시에 양 시트면에 밀착함으로써 닫히는 순간에 갇힌 유체가 트랩핑 압력으로

작용할 때는 밸브가 열리지 않을 수도 있다 후렉시블 왯지 게이트 밸브에서와 마찬가지인 이상

승압현상이 염려된다따라서 스프릿 왯지 게이트 밸브에서는 대형이 되면 필수 적으로 바이패스 배간을 권장한다가격이 비싸다스템 추력이 양 왯지에 군일하게 작용하지 않을 경우 미스얼라이멘트(Misalignment)에 의해 왯지

디스크의 작동이 부드럽지 못할 가능성이 있다 스템 추력이 과도하게 작용하여 시팅되었을 경우 밸브

개방시 과도한 시트와 왯지 디스크면의 마찰력으로 인하여 디스크 또느 시트면에 흠집이 생길

가능성이 높다(4)패러럴 슬라이드 게이트(Parallel Slide Gate)

일명 패러럴 슬라이드 익스팬딩 게이트(Parallel Slide Expanding Gate)밸브라고도 하며 기본적인

디스크 구조는 두 개의 디스크면 또는 세그먼트(Segment)와 스템과 연결구조인 왯지가 있다 스플릿 왯지 게이트와 유사하게 스탬추력이 증가되면 될수록 양측 디스크가 동시에 양시트면에

시팅하는 구조이다(장점)양 시트면에 충분한 시팅력을 줄 수 있어 누설이 없는 차단 성능이 매우 좋다드로우 콘디트형 더블 왯지(Through-Condnit Type Double Wedge)설계가 가능 하여 게이트

Ofqm 의 사용목적을 다양화 할 수 있다(단점)구조상 각 세그먼트는 다른 왯지 게이트에 비하여 취약하기 때문에 배관작용력이나 열천이하중이 클

경우에는 손상을 받기 쉽다세그먼트 형상이 각기 다르기 때문에 유로 방향설정은 구조적으로 튼튼한 세그먼트쪽이 출구쪽이

되도록 설정한다일반적으로 다른 게이트밸브가 양방향 유로인 반면 이 패러러 슬러아드 게이트밸브는 유로방향이

한족 방향인 것이 특색이다트렙핑 압력에 의한 이상승압이 예상된다바이패스 밸브가 필요하다디스크 구조가 복잡하여 가격이 비싸고 과도한 시팅력을 제어하기 위한 특별한 구조 또는 처리가

필요하다스플릿 왯지 게이트와 유사한 디스크 또는 시트면 흠집(Galling)이 예상될 수 있다앞서의 스플릿 왯지 게이트 밸브와 패러럴 슬라이드 게이트 밸브는 디스트의 구조가 비교적 복잡하고

스템 추력의 증가에 따라 밸브 시트에 과도한 힘이 작용함으로써 시트의 손상 또는 디스크면의 손상이

타 왯지에 비하여 발생될 확률이 높다따라서 현재의 게이트 밸브는 왯지의 건전한 운전과 보수 유지의 용이성 때문에 대부분 2˝(50A)이하의 작은 밸브는 솔리드 왯지 중저압용(1500이하)의 경우는 후렉시블 왯지 그리고

고온용의 고압밸브에서는 스프링 로디드 패러럴 슬라이드 더블 디스크(Spring Loaded Parallel Slide Double Disc)가 많이 쓰인다 21회(961월호)(5)패러럴 슬라이드 더블 디스크(Parallel Slide Double Disc or Parallel Slide Spring Loaded Disc Gate)디스크는 평행되고 형상이 대칭되는 모양으로 그 사이에 강성도가 높은 인코넬 스프링이

끼어 있어 시팅력을 유지시켜 주는 게이트 구조이다 따라서 스프링에 의해 어느 정도 각 디스크는

독립적으로 시트에 착좌(Seating)할 수 있어 특별히 고온계통의 게이트밸브에 적용성이 높다 이는

밸브구조가 구조적인 불연속부가 많아 열응력이나 기타 배관라인의 배관작용력에 의한 뒤틀림

(Distortion)이 예상될 수 있기 때문에 이를 적절히 수용할 수 있는 구조의 디스크가 필요한 것이다 이 구조의 더블 디스크는 다른 구조의 게이트 디스크에서 치명적으로 일어날 수 있는 구조적 불안을

완벽하게 해결할 수 있는 큰 장점이 있는 반면에 구조가 복잡하고 가격이 비싼 것이 흠이다〔장점〕

게이트 밸브의 디스크 구조상 시팅시의 유연성이 가장 좋다 이는 시트의 접촉하중의 큰 변화 없이

기밀을 유지할 수 있기 때문에 高에너지 배관계통에 특히 적합하다계통운전중 계통온도의 급격한 변화로 인한 열팽창 차이로 인한 고온고착이 발생할 수 없는 구조이다

계통의 급격한 온도변화 또는 배관 작용력의 증대등으로 인한 시트의 뒤틀림에도 스프링의 가압력 및

계통압력으로 인하여 적절한 시팅 효과가 유지된다디스크의 시팅이 유연하기 때문에 흠집(Galling) 발생의 정도가 낮다시팅력이 거의 일정하기 때문에 모터 구동장치의 적용 신뢰성이 높으며 따라서 모터를 경제적으로

선정할 수 있다〔단점〕

밸브 출구측 디스크 게이트에만 시팅이 되는 구조로서 시팅의 여유가 제한되어 있다스프링 가압력에 있어서 그 힘이 디스크 중앙에 위치하기 때문에 디스크의 완전 열림에서 닫히는

순간에는 디스크 끝 부분과 시트가 부분적으로 마모되기 쉽다이러한 단점을 보완한 것이 콘디트 패러럴 슬라이드 더블 디스크밸브이다(6)슬래브 게이트 밸브(Slab Gate Valve)매우 간단한 구조의 공간 절약형의 게이트 밸브이다 슬래브 게이트는 밸브 입출구 방향으로 움직일

수 있는 시트와 접촉하면서 기밀을 유지한다 즉 다른 구조의 게이트 밸브들이 모두 디스크에서의

가압력에 의한 시팅구조인 반면에 슬래브 게이트 밸브는 시트가 일정한 시팅 가압력을 가지는 구조인

것이다따라서 시트는 밸브 몸체에서 분리가 용이하며 몸체와 시트 사이에 스프링 테프론과 같은 소프트

시트 구조로 기밀을 유지하도록 되어 있다 슬래브 게이트 밸브의 장단점은 다음과 같다〔장점〕

배관 작용력에 대하여 유연하게 대처할 수 있다디스크는 물론 시트까지 보수가 용이하다 왜냐하면 시트는 밸브 몸통에서 쉽게 분리되는 구조이기

때문이다슬래브 게이트에는 큰 힘이 작용하지 않는 구조임으로 구조가 간단하다계통온도의 급격한 변화등으로 발생할 수 있는 디스크와 케비티(Cavity)사이의 잔존 유체의 증발

팽창을 시트 구조 자체에서 릴리프 할 수 있기 때문에 이상승압과 같은 밸브 작동불량이 생길 수 없다〔단점〕

저온 저압에만 적용 가능하다 고온일 경우 오링 씰의 열화등을 밸브 수명평가에 고려하여야 한다 고압일 경우에는 프리로드 스프링(Preload Spring)의 설계에 어려움이 따른다 운전온도는 최대

200 이내이어야 하고 150 기준 지속운전 시간이 5000 시간을 넘지 말아야 한다버터플라이 밸브와 비교할 때 비경제적이므로 특수한 경우를 제외하고는 거의 사용되지 않는다(7)나이프 게이트(Knife Gate)나이프 게이트 밸브는 디스크를 칼날같이 얇은 길로틴과 유사한 구조를 가진 디스크를 채택한

밸브이다 또한 이 디스크는 본네트를 통과하여 외부로 노출되는 구조이다따라서 스템은 계통 유체에 접촉되지 않는다 이 밸브는 메탈 시트나 소프트 시트(Metal Seats or Soft Seats)가 모두 가능하고 밸브 제작의 크기에는 거의 제한 없이 만들 수 있으나 디스크가 외부로

노출되는 구조이기 때문에 스터핑 박스의 패킹 마찰면적이 넓고 구조적으로 패킹실링 역학상

어려움이 많기 때문에 스터핑 박스의 패킹 기술이 매우 중요시 고려된다 따라서 사용압력기준은

ANSI 125 또는 150이 최대이다나이프 게이트 밸브의 주요 응용분야는 펄프나 레올토지 유체와 같은 슬러리가 있거나 고점도 유체의

차단용으로 주로 사용된다〔장점〕

저압 유체의 제어용 밸브로서는 저가격 구조의 밸브이다슬러리와 같은 찌꺼기가 많거나 고형물이 많은 유체에 적합한 밸브이다가볍고 설치공간이 절약된다스템 및 스템의 나사부위 등이 유체와 접촉하지 않는 구조이다〔단점〕

외부 누설의 가능성이 높다고온 또는 고압에는 부적합하다316 글로브 밸브(Globe Valve)(1)차단밸브로서의 글로브 밸브

일반적으로 차단용 밸브를 선정함에 있어 주요 선정포인트는 밸브에서의 압력손실이 어느 정도인가를

최우선으로 고려한다 이는 전체 시스템에 있어서 압력손실의 누적으로 인한 동력에너지의 손실 등을

감안하면 쉽게 이해가 된다 따라서 차단용 밸브로는 주로 게이트 버터플라이 볼 밸브와 같이

압력손실이 적은 밸브를 선정한다그러나 일반적으로 스톱 밸브라고 말하는 밸브는 소형의 글로브형 차단밸브이다 이는 배관계통의

메인후로우(주관 Main Flow)가 아닌 계장용의 관말(Instrument Root Valve)이나 배기배수관말

(Vent amp Drain Valve)에 쓰이는 밸브들이 이에 속한다글로브 밸브는 앞서 연재한 게이트밸브의 운전상의 여러 문제에 대하여 상당히 양호한 대책이 될 수

있는 차단용 밸브로 선정될 수 있으나 압력손실 면에서는 큰 대가를 치러야 한다대략적인 압력손실량은 게이트 밸브가 05psi 라면 T-타입의 글로브 밸브는 10psi Y-타입의 글로브

밸브는 2~3psi 피스톤 체크 밸브의 경우 10psi 이다 차단용 글로브 밸브는 게이트 밸브와는

상이하게 유로방향을 일정하게 주어야 한다 거의 대부분이 디스크의 하부로부터 상부로 유로를

형성하는 상향식이 주종이나 진공차단용의 글로브 밸브는 이와 반대인 디스크 위측으로부터

하부측으로 유로를 형성시켜야 한다 이는 밸브가 차단된 후에 글랜드 패킹부위와 진공부가

차단되어야 하기 때문이다 (2)유량제어 목적으로서의 글로브 밸브

글로브 밸브는 유량제어의 목적으로 현재 가장 많이 채택하고 있는 밸브형식이다 그 이유로는 다음과

같이 요약 정리할 수 있다유체의 운전조건 즉 온도 압력 밸브에서의 차압조건 등 모든 어려운 조건에 맞도록 밸브 내부형상을

설계할 수 있는 구조가 글로브 밸브이다글로브 밸브는 다른 볼 밸브 버터플라이 밸브 등과 비교하면 상대적으로 매우 높은 유체흐름 저항을

갖고 있기 때문에 유량제어에서의 문제인 저유량 제어시 또는 저개도 운전시의 케비테이션이나

소음문제에 대하여 능동적으로 대처할 수 있는 밸브이다글로브 밸브는 유체제어의 목적으로 설계 제작 및 설치운전의 경험이 풍부하여 쉽게 자문 받을 수

있는 밸브이다밸브제작자 및 연구학계로부터 수많은 연구자료가 있으며 ISA(Instrument Sicety of America)와

같은 기관에서의 표준 규격 또는 권고 규격 등이 있어 유체제어에 대한 일관된 원칙으로 밸브를 설계 제작 및 운전할 수 있다유체제어용 즉 유체의 압력 온도 유량 및 차압제어용의 글로브 밸브는 통상 콘트롤 밸브(제어밸브)라고 하며 제어 목적에 따라 수많은 내부밸브(트림)형식이 있다 콘트롤 글로브 밸브의 트림형식은

배관기술 과월호에 언급한 바와 같으며 여기서는 각 트림별 형상 특성에 대하여 설명하고자 한다

우선적으로 콘트롤 밸브 즉 제어밸브의 배관계통상의 제어특성은 한마디로 유량과 차압(Differential Pressure)으로 요약할 수 있다 따라서 제어밸브를 논의함에 있어 가장 먼저 생각해야 하는 것은

배관계통의 압력손실구조와 제어밸브에서의 압력손실(차압 ΔP)간의 관계를 검토하는 것이다22회(962월호)(3)글로브 밸브의 대표적 트림구조의 이해 글로브 밸브는 통상적으로 유체의 흐름을 흐름방향

정면에서 디스크로 차단하고 아울러 디스크의 개도 위치에 따라 유량을 조절하는 밸브로서

유체흐름에 S 자형을 형성하게 됨으로써 밸브내의 압력손실이 게이트밸브 볼 밸브 및 버터플라이

밸브에 비하여 크다그러므로 글로브 밸브의 사용목적은 호칭 직경 4Prime를 초과하는 대형의 경우 유량제어의 목적이

우선적이나 밸브 개폐의 조작력이 상대적으로 크고 디스크 구조상 중간 개도시의 디스크 회전으로

인한 밸브 스템의 불안정으로 인하여 유량 제어를 최우선으로 하는 프로세스 제어에 사용되는 수동의

대형 글로브 밸브의 경우에는 계통의 보다 신뢰성 있는 엄격한 내부차단 기능(Tight Shutoff Tight Sealing)은 물론 간헐적으로 유량조절이 필요하며 아울러 운전자의 조사환경에 불리한 조건이 없는

경우에 채택하는 것이 일반적이다따라서 글로브 밸브는 사용 목적상 크게 구분하여 다음의 조건에 합당하도록 설계 제작되어야 한다 즉 밸브 스템에서의 기밀유지(Valve Stem Scaling) 밸브 본네트와 몸통간의 기밀유지(Valve Body Sealing) 밸브 좌면에서의 기밀유지(Zero Seat Leakage) 밸브 운전부품(Mechanical Operating Parts)들의 건전성 동저 하중(예로

수격현상 등)에 대한 구조적 건전성 등 다섯 가지 기본사항에 더불어 주문자의 요구사항(Design Specification)과 전체적인 프로세스 안전성과 이에 따른 밸브의 신뢰성에 기초하여

운전수명기간동안 건전한 기능유지와 비정상적인 운전인자로 인한 밸브수명의 저하를 충분히 보전할

수 있는 운전보수 개념을 도입하여 설계 제작하여야 한다 특히 대형의 글로브 밸브는 사용상의 제한

(밸브의 크기 유량 제어방식 구토방법)등이 따르기 때문에 주문社 요구사항의 합리적 반영을 통하여

최적의 설계를 구현하여야 할 것이다〔글로브 밸브〕

글로브 밸브는 그 운전 특징으로 보아 두 가지로 대면할 수 있다첫째는 유량조절이 가능하여야 할 것이며 두 번째는 엄격한 내부 기밀유지(Zero Seat Leaks)를

이루면서 게이트 밸브나 볼 밸브와 같이 승온으로 인한 이상승압(Pressure Locking)이나 고온고착

(Thcermal Binding)을 피하고자 할 때 사용한다그러나 밸브의 Seating 이 게이트 밸브에 비하여 약 4 배 이상 됨으로써 대형의 고압 서비스에는

밸브의 크기 및 작동 방식에 제한이 따르게 되므로 한정적으로 사용될 수밖에 없다첫 번째의 유량조절 기능의 부여는 글로브 밸브의 내부트림(이하 디스크와 시트로 구분하여 설명한다)을 요구되는 유량 특성에 맞추어 설계 제작함으로 이루어진다 유량조절 특성이 계통의 최우선 목적인

경우에는 제어밸브로 특징되는 밸브를 선정해야 할 것이나 이에 대한 구체적인 사항은 다음에

구체적으로 설명한다 따라서 글로브 밸브 특히 대형 글로브 밸브의 경우에는 게이트 밸브에서

예상되는 문제점(이상승압 또는 승온현상등)을 피하면서 유량 조절 기능을 제한적으로 부여하는

의미에서 디스크의 형상은 급개형(Quick Opening Type)에 유사한 형태로 설계하게 된다 특수한

목적(Design Specification 의 요구사항)에 따라 신형(Linear Type)의 디스크를 설계하는 경우는

수동 대형 글로브 응용에 있어서 매우 이례적인 사항이다 두 번째로 엄격한 내부 기밀유지는

무엇보다도 밸브에 있어서 가장 중요한 기능이다 따라서 밸브 디스크와 시트는 정밀하게 가공되고

또한 어떠한 조건의 운전환경에서도 수명기간 동안 디스크 및 시트 재질의 어떠한 노화나 손상이

없도록 설계 제작되어야 한다 따라서 이 디스크 및 시트 부위의 설계 제작 및 보수 기준은 밸브

제작시의 핵심적인 기술중의 하나이다이에 따라 디스크와 시트 형상 디스크의 안내 및 지지방법 디스크의 취부방법 디스크 및 시트면의

가공방법 디스크와 시트의 보수시 고려사항 디스크와 시트의 밸브 몸통간의 기하학적 구조관계 등을

종합적이고 합리적으로 고려하여 밸브를 설계 제작하여야 한다 다음의 글로브 밸브 트림 설계에서

이 사항을 구체적으로 설명한다〔대형 수동 글로브 밸브의 바람직한 트림 설계〕

① 유량 조절용 트림

유량 조절용 트림을 대형 수동 글로브 밸브의 경우 트림 형상에 따라 이상적으로 다음의 네 가지를

채택할 수 있다급개형(Quick Opening Type)의 트림

선형(Linear Type)의 트림

등비유형(Equal Percentage Type)의 트림

수정등비율형(Modified Equal Percentage Type)의 트림

그러나 앞에서 설명한 바와 같이 조직력의 제한과 운전 환경의 고려 운전 특성 등으로 인하여

급개형에 유사한 트림을 채택하는게 일반적이나 예로 대형 프로세스 플랜트나 발전소용 대형 글로브

밸브를 제작하고 있는 미국의 AnchorDarling Co Edward Cast Steel Valve Borg Warner Co등의 대형 글로브 밸브의 디스크 설계가 모두 급개형의 구조로 되어 있다이를 디스크 형상으로 유량 조절 특성에 유추하여 보면 저개도(일반적으로 총 스템의 운동량[Total Stern Traveling]의 40이하)에서는 기준유량(Rated Flow Rate)의 90까지 전형적으로 유량이

변하게 되므로 효율적인 유량조절용 밸브의 총 운동량(Travel Length)의 40미만의 저개도에서

이뤄지게 되므로 결과적으로 유량을 제한적으로 조절하는 것이 되는데 이는 수동 밸브를 조사함에

있어 밸브의 조작량과 시간을 단축시켜야 하는 의도와 부합되므로 급개형 트림 구조의 선택은 수동

대형 글로브 밸브에서 적합하다고 사료된다그러나 4Prime미만의 소형 글로브 밸브의 경우에는 통상적으로 유로차단의 스톱 밸브 역할과 더불어 유량

조절의 조작방법이 대형 글로브 밸브의 상황보다는 월등히 유리할뿐더러 프로세스가 요구하는

계통제어의 적정량에서도 합리적이므로 선형 또는 등비율형의 트림 구조도 많이 채택하고 있다②디스크와 시트의 기밀유지

디스크와 시트가 엄격하게 기밀을 유지하기 위해서는 완벽한 밸브 몸통에 고정된 시트에 대하여

디스크는 부드럽고 완벽하게 시트에 밀착되어야 한다 이렇게 되기 위해서는 디스크는 시트에 완벽한

밀착을 위하여 상대적인 허용 범위 이내의 미세 운동은 허락되어야 하며 아울러 시트에 접촉된

순간부터 시트 경계면에 손상을 주지 않도록 시트면에 점선방향의 상대운동은 허용할 수 없고 오직

접선 방향의 방향만이 허락되어야 한다물론 완전 기밀(Bubble Tight)인 경우에는 디스크와 시트의 기밀유지선은 선접촉(Line Contact)이어야 하므로 디스크 및 시트면에는 경도가 높고 인성도 많으며 내마모성이 우수한

크롬코발트계열의 경질합금(硬質合金)과 같은 것으로 하드페이싱(Hardfacing)되거나 시트 또는

디스크의 한쪽 또는 전체를 경질합금으로 제작하여야 한다그러나 법선방향의 운동이 허용범위를 초과하게 되면 소위 코킹(Cocing)현상 즉 디스크가

밸브몸체의 안내면에 꽉 끼이는 현상이 발생되어 디스크의 상하운동이 곤란하게 되며 심할 경우 밸브

조작이 어려워진다이런 현상이 생길 경우에는 문제의 경중에 상관없이 디스크의 시트는 완벽한 기밀유지를 할 수 없다 따라서 밸브 스템의 안정성과 디스크의 원활한 안내를 유도함으로써 코킹을 방지할 수 있는 밸브구조

즉 디스크의 안내구조가 필요하고 또한 안내구조는 정밀하게 설계되고 제작되어야 한다 또한 초기

접촉시 시트와 디스크면이 일치하여 이후 기밀을 위한 여분의 가압력에 따라 시트의 접촉선과

디스크의 접촉면에서 균일한 압력이 발생되어야 한다 이는 초기 접촉시의 아주 미세한 접촉 압력차를

디스크의 시팅운동으로 바꾸어 주여야 하기 때문이다따라서 글로브 밸브의 디스크는 스템에 완전히 고정되어서는 시팅구조의 정밀도가 곧바로 확보되지

않는 한 이의 적용은 곤란하며 스템의 디스크 연결구조는 일정한 허용 범위를 갖는 유극(간격이 있는) 구조로 설계된다 이를 위하여 디스크를 스템선단(先端)에 연결하는 방식은 대형 글로브 밸브의 경우

디스크와 디스크니트 또는 디스크와 디스크 스커트로 하여 나사로 체결되며 체결 후 필요에 따라

씰용접(Seating)을 위한 최소한의 유극(遊隙)을 갖도록 설계한다 아울러 압력구조상 밸브는

구조적인 불연속부가 많아 구조적으로는 근본적으로 취약한 압력용기일뿐더러 온도에 민감하게

구조가 변형될 수 있는 구조물이다따라서 밸브의 디스크와 시트에서의 교축(絞縮)은 국부적으로 격심한 유체의 운동량 변화를 유발시켜

디스크에 국부적인 불안정을 가져온다 이 국부적인 유체에너지의 불안정을 설계에 미리 반영하는

것은 실제의 운전조건 중 가장 가혹한 경우를 고려해야 하는 것은 물론이고 밸브 설계시 압력-등급에서 최대의 허용압력을 밸브의 최대차압으로 고려하여야 할 것이다물론 최대 설계 차압(ANSI B1634 PT 기준에 의한 100F 시의 최대압력)하에서 구조적 안전성은

보장된다③디스크의 안내 및 지지방법

디스크 유로의 정면에서 유세의 저항을 직접적으로 받게됨으로 디스크가 완전히 닫혀있을 때는

문제가 없지만 열려있을 경우에는 디스크와 시트의 기밀유지에서 언급한 시팅구조(Seating Mechanism)에 의하여 아주 미세한 흔들림을 예상할 수 있다더욱이 고압용의 글로브 밸브 경우 디스크 정면 즉 시트링(Seat Ring) 아래에서의 밸브몸통

내면구조의 복잡한 형상으로 인한 난류현상을 전혀 배제할 수 없으므로 이로 인하여 유로에 와류가

생겨 디스크를 회전 또는 불안정하게 할 수도 있으나(미국의 Pacific Valve Co에서는 회전이 되지

않는 디스크 구조를 갖고 있음)몸통 설계시 이를 대칭으로 하기 때문에 스템에 영향을 줄만큼의

회전은 생기지 않는다디스크의 안내 및 지지는 대형의 글로브 밸브에서 구조적으로 매우 중요한 사안이다일반적으로 호칭 직경 4Prime이상의 ANSI Class 600 이하에서는 밸브 시트링의 하부에 밸브 스템을

지지함으로써 디스크의 안내와 지지를 하는 Bottom Guided Disc 가 있으나 이는 유로 선단에서

난류의 발생 원인이 되며 이로 인하여 밸브의 성능이 저하됨으로 발전소용 밸브에서는 채용하지

않는게 일반적인 추세이다이를 보다 간단히 하고 또한 밸브 성능의 향상 교화를 갖는 디스크 스커트 형식의 밸브 몸체로서

안내하는 구조(Body Guided) 혹은 밸브 몸체에 리브를 제작하여 안내하는 구조(Body Guide Libs)를 채용하고 있다 이는 디스크와 스템간의 정확한 축정열(Alignment)을 확보함으로써 스터핑

박스의 글랜드 패킹에 무리가 없도록 하며 아울러 코킹 현상을 방지하여 밸브 시트에 정확한 밀착을

하기 위함이다 디스크 스커트 또는 디스크 너트는 진원(眞圓)의 정밀한 표면가공으로 정면을

유지하고 통상 3 개의 Body Guide Lib 로 축정열을 시키는데 그 유극(遊隙)은

05~07(002Prime~003Prime)mm 를 가진다 그러나 밸브목의 내면으로 Body Guide 할 때에는 밸브 스커트 또는 너트에 구멍을 뚫어 입력의 평형을 이루도록 한다(예AnchorDarling Valve 의 Disc Skirl 의 구멍)그러나 밸브 구조의 안정성을 고려하여 Body Guide Lib 방식이 널리 사용된다 왜냐하면 글로브 밸브의 시트를 통과한 유체는 일단 안정적인 흐름을 보다 빨리 구현하기 위하여

시트링의 유로 단면적보다 넓은 공간을 필요하게 되는데 이 부분이 밸브의 내압 부분에서 가장 취약한

부분(Valve Crotch Area)에 해당하는 부분이 된다 따라서 이곳에 리브(Lib)를 추가하여 밸브 구조의

안전성을 강화하고 유로 특성을 효과적으로 할 수 있다디스크를 안내하는 리브의 길이는 제작자에 따라 다르지만 가장 좋은 것은 밸브목 끝단까지 되어 있는

것이지만 제작의 편의를 고려하여 밸브 디스크의 가용 운동량(Effective Disc Traveling Length-통상 수동 대형 글로브 밸브의 경우 총 운동량의 40이하로 유지시킴)이상을 확보한다 이에 대한

예로 AnchorDarling Valve 및 Rockwell Edward Valve 가 이러한 구조이다④디스크 및 시트면의 가공

디스크와 시트는 밸브 기능중의 가장 핵심적인 부품으로써 구조적 강도는 물론 표면강도 표면의 가공

정밀도 경도 내부식 및 내침식에 대하여 좋은 특성을 가진 금속으로 심혈을 기울여 쉽게 제작되어야

한다가장 일반적인 방법으로는 디스크와 시트가 서로 밀착되는 면을 Stellite No6 으로 경면육성용접(鏡面肉盛鎔接 Hardfacing)한 후 정밀한 래핑을 하여 서로 경면을 유지하는 것이다 이에 대한 구체적인

시방은 주문자의 요구에 나와 있는 것이 일반적이다23회(964월호)⑤디스크와 시트의 밸브 몸통간 기하학적 구조

밸브가 효율적으로 운전하기 위해서는 유체의 흐름을 방해하는 돌출부 같은 구조물을 가급적

최소화하여야 한다 또한 유로의 궤적에 알맞은 내부 유로로 밸브 내부가 실제 제작되어야 한다 따라서 Bottom Guided Disc 같은 경우는 밸브성능을 저하시키므로 피해야 하고 밸브의 내부형상

(Interior Contour)은 유로 형상에 적절하도록 한다 이 유로 형상의 설계는 밸브의 성능과 밀접한

관계를 가지고 있다 즉 유로 형상이 미끈하게 되어 있는 밸브는 와류에 의한 압력손실이 그만큼

작아지게 되므로 밸브의 Cv 계수가 높은 밸브인 것이다수많은 밸브회사들이 Cv 계수가 좋은 밸브를 만들기 위하여 지금도 디스크와 시트간의 밸브몸통

형상을 계속 연구하고 있으며 아울러 주조인 경우 주조회수율이 높으면서 불량이 감소하는 밸브 구조

형상의 연구와 더불어 앞으로 계속 밸브업계의 노하우로 이 분야는 분류될 것이다〔정리〕

플랜트 공정용 수동 대형 글로브 밸브의 트림은 밸브의 내압부를 포함한 구조적 건전성이 우선적으로

확보되어야 하며 아울러 유량 조절과 이에 따른 차압의 변화를 안전하게 제어하고 밸브의 시팅

기능을 유지함으로써 내 외부에서의 누설을 엄격히 관리할 수 있도록 디스크 및 시트의 형상과 구조

그리고 안내 및 지지 구조를 최적의 조건으로 설계 제작되어야 할 것이다 수동 대형 글로브 밸브의

트림구조는 다음과 같이 하는 것이 바람직하다디스크의 안정성(Stability)을 유지하기 위하여 디스크 너트 또는 디스크 스커트를 채용하여 이를

디스크 안내(Disc Guide)구조로 한다디스크지지 및 안내는 Body Guide 또는 Body Guide Rib 를 채용하는 것이 바람직하다디스크 너트 또는 디스크 스커트 상부에는 유체가 잔류하지 않도록 도피구(또는 압력평형을 위한

구멍)를 설치하거나 Body Guide Rib 구조를 채택한다

디스크 너트 또는 디스크 스커트의 안내면 접촉부는 정밀 가공하여 정확한 축정열 및 정밀한 시팅을

위한 스템 안내의 정확도를 기해야 한다 디스크 너트 또는 디스크 스커트와 밸브목의 안내면(밸브몸통 또는 Guide Rib)과의 유극은 엄밀히 제한되어(05~07mm 정도)안내의 정확도를

높이도록 하고 디스크와 스템의 체결시 이를 고려하여 디스크와 안내면 간의 유극보다도 작은 유극을

갖도록 설계하여 스템에 디스크가 완전고정(6 방향 고정)하는 방법은 피하는 것이 좋다 또한 스템의

끝단선과 디스크에 Hardfacing 을 함으로써 디스크에 이상 마모가 발생하지 않도록 한다디스크와 시트가 접촉하는 면은 Stellite No6 로 Hardfacing 한 후 정밀 래핑하여 내부누설이 없도록

한다수동 대형 글로브 밸브의 디스크 형성은 급개형으로 하는 것이 좋다(4)특수형식의 글로브 밸브

글로브 밸브는 사용목적에 따라 독특한 형식을 가질 수 있는 밸브 구조상 설계 적응력이 높은

밸브중의 하나이다따라서 매우 다양한 종류의 밸브가 글로브 밸브 형식을 중심으로 설계 제작되고 있다 예를 들면 스톱-체크밸브 니들 글로브 밸브 벨로우즈씰 밸브 메탈다이아후렘 밸브 Fluted 플러그 밸브 싱글시트 더블시트 체인지오버 밸브 블로우 다운밸브 쵸크밸브 스리웨이 밸브등 그들 형식이 매우 복잡

다양하다 우선 본지에서는 글로브 밸브 중 특수형식의 밸브에 대하여 소개 차원의 간단한 설명을

하고자 한다①벨로우즈 씰 밸브

벨로우즈라는 금속제 주름관을 밸브에 적용시킨 것이 벨로우즈 씰 밸브라 한다 단지 벨로우즈는

비틀림에 매우 약하기 때문에 밸브스템이 상하운동만 하는 밸브에만 적용될 수 있다 따라서 글로브

밸브 게이트밸브에 적용된다 그러나 벨로우즈는 통상 015mm두께이하의 얇은 박판 2~3 장을

주름잡는 것이기 때문에 구조적인 강도가 매우 낮다따라서 내압부분에서는 어느 정도 구조적인 건전성이 입증되지만 운동량이 많을 경우 피로에 의해

손상될 수 있기 때문에 밸브에의 적용은 기술적으로 매우 고난도의 설계 계산을 요구한다벨로우즈 씰 밸브는 글로브 형식의 밸브에 있어서 폭 넓게 사용된다 적용성이 높은 이유는 비교적

낮은 스템 운동량(Travel Length) 때문이다 유로 직경의 25만 되어도 되기 때문에 글로브 밸브의

경제적 최대 크기인 12Prime(300A)까지도 가능하다 압력-온도 등급으로 보면 ANSI Class 150(PN16)에서 2500(PN260)까지도 가능하다 그러나 압력-온도 등급이 높아질수록

벨로우즈의 수명을 높은 수준으로 유지하기는 기술상 어려움이 많다벨로우즈 밸브에 대하여 수명을 언급한 기술규격으로는 BS5352 가 있는데 API 800를 기준한

밸브에 있어서 게이트밸브가 5000회 글로브 밸브가 10000회이다그러나 통상적으로 벨로우즈 밸브 제작사의 제작 표준은 각각 10000회 20000회 이상으로

유지한다 최근 자연보호와 환경보호의 일환으로 미국의 경우 EPA 에서는 밸브 특히

석유화학계통에서의 밸브 누설을 500PPM 이내로 할 것을 강력히 규정하고 있으며 이 요구사항은

점차 더욱 강조될 것으로 예상된다따라서 기술향상에 따른 벨로우즈의 성능향상 및 경제성 확보 환경보호에 따른 대기누설의 엄격한

통제 등을 고려할 때 앞으로 벨로우즈 밸브의 수요는 대폭적으로 늘어날 것으로 예상할 수 있다②메탈 다이아후램 밸브

메탈 다이아후램 밸브는 얇은 메탈 다이아후램을 몇 겹씩 쌓아 이를 이용하여 유로부와 밸브부를

완전히 차단하는 밸브로써 외부누설이 있어서는 안되는 방사선계통의 밸브 독성가스용 밸브 등에

사용되어 왔다그러나 밸브적용상의 몇 가지 치명적인 제한 때문에 지금은 거의 사라져 가는 구시대 밸브로

일부에서만 극히 제한적으로 사용되고 있다 대신에 벨로우즈 밸브가 이를 점차 교체해 나가고 있는

추세이다 우선 메탈 다이아후램은 변형량이 다이아후램 직경에 비례하므로 필요한 스템 운동량을

갖기 위해서는 큰 직경이 필요하게 된다 그러나 직경이 크게되면 밸브목의 직경이 크게되어

비경제적인 밸브가 된다 따라서 밸브크기가 2Prime이하에 적용되며 스템 운동량도 3~6mm 이내로

제한된다 그러므로 유로부에 대한 저항이 커지게 되므로 밸브모양은 Y 타입이 되어야 하고 시트의

직경을 유로 직경과 같게 설계함으로써 같은 크기의 밸브에 비하여 덩치가 큰 고가의 밸브가 된다 또한 스템 운동량이 적으므로 밸브 설치 후 이물질 등이 후라싱되지 않고 잔류하여 시트와 디스크간에

끼어 시트가 손상될 염려가 많아 내부누설의 가능성이 높다 아울러 메탈 다이아후램 밸브는 완전

개방이나 폐쇄(On-off Service Only)만 가능한 밸브이다 만약 중간 개도에서의 유량조절

(Throttling)은 메탈 다이아후램에 피로를 주어 다이아후램 외주부분이 피로 파괴된다 이는

유체흐름이 어느 정도의 맥을 갖고 있으므로 이로 인한 피로가 다이아후램에 전달되기 때문이다이상과 같은 이유로 최근에선 샘플링 밸브와 같은 12Prime이하의 계장용 밸브에서조차도 적용되지 않고

있으며 제반 성능이 월등히 좋은 벨로우즈 무누설 팩크레스(Zero-Leakage Packless)밸브는

제작되고 있다③ 스톱-체크밸브(글로브-체크밸브)이 밸브는 기본적인 글로브 밸브 모델에 체크밸브 즉 리프트 체크밸브의 기능을 복합한 이중기능의

밸브이다 밸브를 개방해 놓으면 리프트 체크밸브로써 유체가 한쪽 방향으로만 흐르도록 되지만

밸브를 닫는 것은 일반 글로브 밸브와 같다 글로브 밸브의 스템 끝에 이 스템을 안내면으로 하는

리프트 체크밸브를 갖춘 구조로써 펌프 출구전단이나 열교환기 같은 배관 시스템에 사용될 수 있다 즉 스톱밸브와 체크밸브를 각각 설치해야 하는 경우 이 스톱-체크밸브 하나로써 배관계통을 단순화할

수 있는 잇점이 있다④ 체인지오버 밸브(Change Over Valve)체인지오버 밸브는 주로 합섬계통에서 원료의 방향 바꿈 등의 사용 용도로써 많이 사용된다 이 역시

2 개의 글로브 밸브를 밸브하나로 기능을 통합한 밸브로 입구측 밸브와 출구측 밸브가 서로

체인지오버 하면서 유체흐름을 변경하는 것이다 이러한 밸브를 쓸 경우 기존의 2 개 글로브 밸브 1개의 티이 2 개의 엘보우 4 개의 플랜지 9 개의 용접량을 1 개의 체인지오버 밸브 단지 3 개의

용접량으로 배관공사비를 절감할 뿐 아니라 운전조작의 통합 간편성과 설치공간의 대폭 축소로 인한

경제적 이익은 매우 막대하다 하겠다 체인지오버 밸브와 대응하는 밸브형식으로 Three-way 밸브를

들 수 있다 쓰리웨이 밸브는 두 개의 포트를 가진 밸브로써 사용 목적은 유로 흐름을 변경(Diverting or Change-over)하는 것과 두 개 유로의 유체를 섞어 한 측으로 보내는 것(Mixing) 및 유로 흐름을

각기 분리하는 구조(Splitting)등 세 가지 목적에 쓰인다 이 세 가지 목적별로 밸브의 디스크 형상 및

시트 구조는 각기 판이하게 다르다⑤블로우다운 밸브(Blow Down Valve)배관계통에 있어서 블로우다운은 기액(汽液)2 상 유체(Tow Phase Flow)를 후라싱 탱크(Flashing Tank)를 통하여 분리하는 공정으로서 비교적 높은 압력의 기액 2 상 유체를 낮은 압력의 Flashing Tank 에 급속히 인입 시킴으로써 기액을 분리하기 때문에 이를 제어하는 밸브는 운전조건이

가혹하다 예를 들면 발전소용 증기 블로우다운의 경우 블로우다운을 시키는 밸브는 차압(ΔP)이 일반

밸브에 비하여 비교할 수 없을 만큼 크기 때문에 밸브의 트림부는 엄청난 유속으로 인한 마모

(Erosion) 문제에 적절한 대응책이 필요하다따라서 블로우다운 밸브는 기본적으로 밸브에서의 압력손실(ΔP)을 크게 할 수 있는 구조 및 입출구

형상을 가져야 하고 아울러 트림부의 침식문제를 억제하는 구조이어야 한다 따라서 디스크-시트에서

교축된 유로부는 바로 점진적으로 확관되어 속도 에너지의 손실을 크게하고 유로는 항상 디스크의

아래쪽으로 흐르게 한다 또한 디스크와 시트는 두텁게 스텔라이트(Stellite)로 육성 용접하여

내마모성을 증대시키는 구조이어야 한다 아울러 블로우다운 밸브는 계통 조건에 따라 미세한

유량조절이 아울러 요구되는 밸브로써 블로우다운 시스템의 운전초기 또는 관련계통의 시운전시의

최대 유량 조건과 정상운전시의 유량조건의 차이가 크게 나는 밸브이므로

디스크의 형상은 이러한 조건에 맞도록 Needle Type 을 사용한다24회(966월호)317 밸브 전동 구동장치(Motor Actuator)밸브의 제어운동을 전기적인 힘으로 자동으로 조작하는 기계를 전동밸브 구동장치라 하며 일반적으로

이러한 밸브를 통칭하여 MOV(Motor Operated Valve)라 한다 MOV 는 전기에너지를 사용하여

전동기의 회전력으로 밸브를 조작하는 것이기 때문에 전동구동기(Electric Actuator)라고도 하며

응용범위가 다양하고 비교적 저가격으로 신뢰성 높은 운전을 할 수 있기 때문에 거의 모든 종류의

밸브에 적용할 수 있다아울러 밸브제어의 각 고유기능(On-off Fast OpenClose 비례제어 Time Control Remote Control 등)을 수행할 수 있어 밸브의 구동장치로써 매우 많이 사용되고 있다(1)MOV 의 전동구동기 종류

〔회전방법(방향)에 따른 분류〕

MOV 는 전동구동기를 장착한 밸브를 총칭하는 말이므로 구동장치만을 말할 때는 전동구동기라고

통일한다 밸브는 차단기능 제어조절기능에 따라 크게 회전형 밸브와 직선운동형 밸브로 구분된다 대부분의 회전형 밸브는 90회전에 의하여 열리고 닫힌다 직선운동형 밸브는 게이트 밸브 글로우브

밸브와 같이 회전운동을 직선운동으로 변환시키는 것 스템에 나사가 없는 글로우브 게이트 밸브나

다이아후램 밸브와 같이 순전히 직선운동만이 필요한 밸브 등이 있다 여기서는 앞서의 90회전형

밸브 및 스템에 나사가 있어 회전운동에 의해 스템이 오르내리는 밸브의 구동장치에 대하여 설명한다①90회전 구동기(Quarter-Turn Actuator)90회전 또는 14회전 구동기는 90 이내의 회전각을 갖고 작동되기 때문에 90회전밸브인

버터플라이 밸브 볼 밸브 플러그밸브 댐퍼(Damper)등에 사용된다 90회전이기 때문에

작동회전각이 매우 적으므로 에피싸이클로이드(Epicycloid)와 같은 다단계 감속 구조에 의하여 대략

11280 에서 115000 으로 감속되며 01~15rpm(Revolution per minute)범위의 회전속도로

운전한다② 다회전 구동기(Multi-Turn Acutator)Multi-Turn 구동기는 적어도 1회 이상 최대 수백회(le1000회전)까지의 회전이 가능하도록 하여 이

회전을 나사메카니즘을 통하여 스텝을 직선운동으로 변환시켜 밸브를 여닫고 하는 것이다따라서 통상의 게이트밸브 글로우브 밸브 등에 적용한다 이 구동기를 밸브 스템에 연결하는 구조는

스템이 회전하면서 동시에 상하운동하는 Stem Rotating amp Riding 방식과 구동장치에 삽입된

슬리이브를 회전시켜 스템이 단순히 상하운동만 하게 하는 Non-Rotating Rising Strem 방식이

있다 현재의 다회전 구동기는 거의 100가 후자의 Non-Rotating Rising Strem 방식을 채택하고

있다

이는 글랜드 패킹에서의 마찰력을 최소화시켜 구동장치의 Torque 를 절감하고 아울러 패킹에서의

기밀유지구조를 가급적 안정하게 하는데 있다 이 구동기의 회전속도는 14~250rpm 으로 90회전

구동기에 비해 고속으로 운전된다〔조작기능에 의한 분류〕

전동구동기는 밸브의 운전을 자동화하기 위한 것이므로 조작기능 또한 구분할 수 있다 대표적인

회로구성은 다음에 설명한다① 기본형(Basic Model)밸브의 원격운전에 필수적인 최소의 구성 즉 전동기 감속장치 토오크 및 리미트 스위치 수동운전을

위한 메카니즘 위치표시장치 전동기 히터 터미널 블록 등으로 구성되어 있다 독자적인 제어회로에

의한 부가적인 제어기능이 없으므로 주로 On-Off 용으로만 사용된다② 통합형(Integral Model)기본형의 모든 제어기능을 구동기 내부의 판넬에 수용하고 아울러 원격운전은 물론 구동기 자체에

장치된 스위치로 구동기를 운전할 수 있다 따라서 기본형 이외에 밸브운전의 모니터(Monitor)기능 인터록킹(Interlicking)기능 자동위상변조(Auto Phase Correction)기능 긴급차단기능

(Emergency Shutdown) 구동기 속도조절기능 등 다양한 특수기능을 제공한다③ 지능형(Intelligency Model)통합형의 기능에 통신제어기능을 부가하고 아울러 프로그램기능을 추가함으로써 수동적인

밸브운전을 능동적인 밸브운전이 가능하게 하고 구동기와 밸브 그리고 배관내 유체흐름의 상태등을

종합하여 원격에서 모니터링 할 수 있다 아울러 자체의 진단기능으로 하여금 계통의 이상운전 여부를

경보하는 그야말로 지능형의 구동기를 일컫는다최근에는 컴퓨터통신을 이용한 LAN 또는 WAN(Wide Area Network)으로 밸브 구동기를

프로그램에 따라 원격에서 Systematic 하게 운전하고 이 운전을 피드백하여 계통의 운전상태를

감시하고 자체의 진단기능을 갖는 지능형의 밸브 구동장치가 장치산업을 중심으로 많이 사용되기

시작하였다〔운전모드에 따른 분류〕

①완전 On-off 용 구동기

밸브를 완전히 닫고 열게 하는 구동장치로서 아무리 큰 밸브라 하더라도 닫혀있는 상태와 완전히

열려있는 상태를 이 구동기는 유지하여야 한다 통상적으로 밸브개폐의 동작시간만큼만 전원에 의해

구동장치가 동작하고 이후에는 전원이 Off 되어있어야 한다따라서 밸브의 개폐시간은 모터 작동시간으로 보아 15 분을 초과하지 말아야 하므로 시간정격을 가진

단기작동형 즉 IEC 에서 정하는 S2 급으로 15 분 등급을 가져야 한다 이 등급의 전동기는 연속적으로

운전하는 연속정격의 2 배정도의 출력 토오크를 제공할 수 있다 만약 15 분 이상 연속 운전할 경우 모터가 과열될 수 있으므로 이에 대한 보호장치는 필수적이다 일반적으로 게이트밸브나 글로우브 밸브의 경우 밸브가 완전히 닫혀 있을때(더욱 엄밀히 말하여

밸브가 완전히 닫히는 순간이나 완전히 닫힌 상태에서 빠져나올 때) 구동 토오크가 최대가 된다 이후

밸브가 열리면서 구동 토오크는 급격히 감소되므로 구동기의 출력(토오크)은 밸브가 완전히 닫히는

순간 최대가 될 수 있도록 토오크 리미트 스위치와 리미트 스위치로 구동기 출력을 기계식으로

바이패스시켜야 할 것이다 이에 대한 보다 이론적인 설명은 다음에 구체적으로 설명할 예정이다따라서 구동기 드라이브 기어(Drive Gear)에는 모터가 정격속도에 도달한 이후에 보다 큰

토오크력이 전달될 수 있는 햄머블로우(Hammer Blow)장치를 부착하여 밸브 On-off 조작시 가장 큰

토오크가 필요한 언시팅(Unseating 밸브가 완전 닫혀 있다가 열리고자 하는 순간)시의 힘을

제공한다② 유량조절 또는 비례제어형 구동기(Proportional Control Actuator)이 구동기는 배관계통내의 유량 압력 또는 온도에 따른 제어 목적에 적절히 대응하여 운전되도록 한

것으로 운전량을 측정하는 감지기 제어량과 운전량을 비교하고 제어량을 산출하는 콘트롤러 콘트롤러로부터의 제어신호(4~20mA 또는 1~5Volt DC)를 받아 밸브의 개조를 지시하는 포지셔너

및 모터로 구성되어 있다 이러한 구동기는 연속정격(Continuous Duty)의 전동기(IEC S4-25 Class)를 사용하며 앞서의 On-off 구동기에 비하여 약 절반정도의 토오크만 있어도 충분하다 아울러

정밀한 연속적인 제어를 위해서 극히 낮은 관성을 가진 전동기를 사용하고 저속(On-off 용 구동기에

비하여 2~3 배)의 운전속도와 자동체결(Self-Locking)구도를 가져야 한다 물론 감지기와 같은

센서류의 고장(신호손실- Signal Fail)에 대비하는 정지기능(Stay Putfail Open Fail Close Fail as is)이 부가되어 있어야 한다(2)MOV 에서 사용되는 용어 및 크기 선정

〔용어〕

① 밸브시트 단면적(Valve Seat Area)실제 밸브 포트의 단면적 또는 밸브 시트링의 단면적

② 스터핑 박스의 Load(Ff)스터핑 박스 패킹의 마찰력으로 생기는 패킹 마찰력

③ 밸브 계수(Valve Factor)밸브의 트림구조 및 형상에 따라 정해진 계수로서 주로 트림에 있어서 마찰구조에 크게 영향을 받는다-Around 025 for Parraiel Sllde and Flexible or Double Disc Gate Valves-Around 035 for Solid Wedge Gate Valve-Around 115 for Screw Down Globe Valve Above 2Prime-Around 15 for Screw Down Globe Valve Under 2Prime④ 스템 계수(Stem Factor)밸브 스템에 있어서 모터의 출력 토오크를 스템의 나사구조를 통하여 추력(Thrust)으로 변화시키는데

생기는 나사의 효율과 마찰특성 등에 의하여 구해진다 스템 계수 = Ds(cos tanα+μ)24(cos-μ tanα)(Ff)또는

=De(cos[θ2]tanα+μ)2000(cos[θ2]-tanα)(m)여기서 Ds=밸브 스템의 유효직경(inch)De=밸브 스템의 유효직경(mm)25회(967월호)⑤직류 모터(DC Motor)직류 모터는 부하에 매우 민감하므로 설계 속도는 단지 개략적으로 말할 수밖에 없다 설계상 낮은

운전 토오크를 요구할 때는 실제 모터 속도보다 50 내지 100 정도만큼 증가시킨 모터 속도를

택하고 기어 감속비를 증가시켜 주어야 좋다⑥모터 기준운전 토오크

Motor Rated Running Torgue 토오크의 기준운전 토오크를 정하고 있다 기준시동 토오크는

모터의 허용 토오크와 같으며 20 또는 40 기준운전 토오크(20 or 40RRT)의 선정은

다음과 같다Calculated Moter Starting(Running) = 설계기준 Overall RatioStarting(Running) Efficienjcy설계기준 최대 스템

토오크(MaxSte Tprque)계산된 모터운전 토오크는 40 또는 40RRT 비교하여 모터의 토오크를 결정하고 40 RRT 보다

클 때는 다음의 크기를 택한다 일반적으로 Running Efficienjcy Starting Efficiency 보다 값이

크므로 Starting 시에 모터의 토오크는 크게된다 여기서 20 또는 40RRT 를 선정하는 방법은

밸브의 운전하중에 따라 결정된다 즉밸브의 운전하중 = (스터핑 박스의 마찰력+스템에 걸리는 하중[Piston Effect])부하계수(Load Factor) 에서 밸브의 운전하중이 층 스템추력의 99보다 작으면 20RRT 를 사용하고 33보다

높으면 40FFT 를 사용한다 이 토오크는 구동기의 토오크 리미트 스위치의 트리핑을 설정하는

토오크 스케일(Scale)의 100에 해당한다⑦ 스톨 토오크 스톨 추력

완전부하 상태에서 전기적 부품의 비정상적인 동작으로 인하여 모터의 Overrun 이 밸브의 시팅(또는

백시팅)시에 생기는 경우가 있는데 이때 과도한 추력이 발생하게 되는 것을 스톨상태의 토오크라고

한다단위 스톨 토오크 1=모터 허용 토오크구동자 회전비(Overall Ratio)모터 시동효율

단위 스톨 추력 1=스톨 토오크스템계수

1단위 스톨 토오크 및 추력은 Limitorque 카다로그의 설계기준 토오크와 추력(Max Torque RatingampSeating Thrust)의 150를 초과하지 못한다 스톨 토오크를 전동기의 실속(失速) 토오크라고도 말한다⑧ 브레이크어웨이 토오크(Break-away Torgue of Valve Cracking Torgue)구동기 드라이브의 슬리이브에는 밸브를 열기 시작할 때 필요로 하는 Valve Cracking Thrust 를

얻기 위하여 장치된 Lost Motion Hammer Blow 장치가 있다 햄머 블로우의 충격에 의한

운동에너지는 정적운전시의 에너지에 비하여 2 배 이상이 되는 힘으로 순간적으로 작용하기 때문에

토오크리미스 스위치에 영향을 주지 않으면서도 용이하게 밸브 디스크를 시트에서 Unseating 하게

하는 것이다이때 필요로 하는 토오크를 말하며 대략 기준운전 토오크의 200 정도이다〔MOV 구동기의 크기계산〕

MOV 구동기의 크기는 밸브형태 및 사용조건에 따라 결정된다일반적으로 구동장치의 크기의 선정은 밸브의 설계(최고운전)압력과 디스크 포트의 크기와 형상(내경등) 스템의 크기(직경) 패킹의 가압력 및 밸브회사 고유의 설계여유(Design Margin)가

고려된다 이를 식으로 표시하면 다음과 같으며 선정을 위한 설계추력은 아래의 식에 적어도 15이상의 여유를 고려한다설계추력(Design Thrust)=밸브계수(Cv)밸브 디스크의 힘(Pd)-스템의 힘(Fs)-패킹 마찰력(Ff)+스템

및 디스크의 자중(Wsd) 설계토오크(Design Tprque)=스템계수(Cs)설계추력

여기서Fd=πD2 ΔP4Fs=πD2 ΔP4Ff=1000 1bf dle1Prime

1500 1bf 1Prime〈dle2Prime 2500 1bf 2Prime〈d단 패킹의 마찰력은 스터핑 박스의 설계방식에 따라 다르며 일반적으로 패킹에서의 누설을

최소화시킬 목적으로 가압력을 크게 하는 경우가 많으며 실제 Live Loading 의 패킹구조에서는 위의

값보다 크다d=스템의 직경(inch)Cv=밸브 계수

=025 내외(Parallel Slide amp Flex or Double Disc Gate) =035 내외(Solid Wedge Gate) =115 내외(Screw Down Globe Above2Prime) =15 내외(Screw Down Globe Under2Prime)P=설계압력(psig)D=밸브 시트의 직경(inch)ΔP=설계차압(psi)Cs=스

템계수

=Ds(cos-tana+μ)24(cos-μtana)Ds=스템직경(Mean Stem Diameter)=나사각(Thread Angle)tanaα=Thread LeadDs)μ=마찰계수(012~02 통상 014~016)밸브계수라 함은 밸브디스크와 서로간의 마찰에 의해 정해지는 마찰계수이며 스팀계수는 윤활 온도 불순물의 유무 등 운전환경에 따라 변하게 된다 또 이들 계수의 결정은 시험 및 경험 축적자료에

의하여 결정된다특히 스템계는 모터구동장치의 토오크를 결정하는데 중요한 요소로서 모터의 출력 토오크가 스템

또는 드라이빙 부신을 통하여 스템이 변화하는데 생기는 변환기구의 기하학적 형상 및 마찰기구의

특성으로 구성된다따라서 구동장치의 적절한 윤활 테스팅등 유지관리가 소홀한 경우 스템계수는 증가한다 이렇게

스템계수가 증가하면 모터의 설계 토오크가 커져 모터에 과부하가 발생될 우려가 생긴다아울러 이러한 사항을 고려하지 않고 구동장치를 선정하면 통상 스템계수를 적게 잡거나 메이커 표준

스템계수를 사용하게 됨으로 유지관리가 부적절한 경우 구동장치의 트러블을 야기하게 도니다 한

예로 125 의 스템 13Prime의 피치 13Prime의 리이드를 가진 스템에서 윤활등의 적정여부에 따라

스템계수가 0012~002 로 측정되는 것을 보아 적어도 30~35 스템계수 변화가 있음을

고려하여야 한다〔전동 모터출력 토오크의 변화〕

모터구동장치에서 고려할 중요한 사항의 하나는 전압에 따른 모터의 출력 토오크 변화이다모터의 출력 토오크는 전압의 자승으로 변화하기 때문에 10의 전압 강하시를 고려한다면 모터의

크기(출력 토오크) 선정은 123 배로 해야 될 것이다 즉 Design Torque=aV2여기서 a 는 비례상수이고 V 는 전압이다

Design Torque(100)Toruqe at 100 Voltage=Sizing Torque Considering 70 Voltage(70)2(100)2Sizing Torque=100004900=204at 30 Voltage Drop=100006400=156at 20 Voltage Drop=100009100=123at 10 Voltage Drop=1000012100=083at 10 Exceed of Rated Voltage따라서 10~30의 전압변화를 고려한다면 그 범위는 약 25 배(204083)의 출력 토오크 변화를

예상할 수 있다(3)MOV 용 전동구동기의 밀폐와 품질

모터구동장치는 동력원으로써 전동 모터와 이의 제어에 필요한 전기 전자 및 기계장치를 갖고

있으므로 이들의 건전한 운전을 계속 유지하기 위해서는 외부의 유해한 환경에 노출되는 것을

방지해야 한다전동구동기가 설치되는 주변의 온도 습도 먼지 자연적인 제반 유해한 가스 및 비 눈 방사선 햇빛

등이 전동구동장치의 내외부에 직간접으로 영향을 미치므로 이를 차단하는 밀폐기술(Sealing Technology)은 매우 중요하다 따라서 이에 관련한 밀폐기술과 품질에 대한 규정 및 표준 그리고

적용방법은 거의 모두가 국가 또는 국가간의 국제규격으로 제시되고 있다이를 요약하면 방수등급 방진등급 방폭등급 및 원자력등급으로 구분할 수 있다①IEC(International Electricity Commission)에 의한 방수 방진등급

IEC 144 규정에 의한 등급은 IP68 과 같이 두 자리의 숫자코드로 방수 방진등급을 표시한다 첫 자리

0~6 은 보호등급이고 두 번째 자리 0~8 까지는 물의 침투에 대한 방수등급을 나타낸다 (첫자리사람의 접촉 및 외부 물체의 침투에 대한 보호등급)0No protection1Protection Against Foreign Matter(ge50mm)2Protection Against Medium Foreign Matter(ge12mm)3Protection Against Small Foreign Matter(ge25mm)4Protection Against Granular Foreign Matter(ge10mm)5Protection Against Dust Deposits6Protection Against Dust(두째자리 물의 침투에 대한 방수등급)0No Protection 1Protection Against Dripping Water Falling Vertically2Protection Against Dripping Water Falling Diagonally3Protection Against Spraying Water4Protection Against Splashing Water

5Protection Against Jets of Water6Protection Against Flooding7Protection Against the Effect of Immersion8Protection Against the Effect of Submersion② 방폭등급(IEC 규정에 의함)Intrinsic Safety Class 정화에너지 정상운전에서 발생할 수 있는 표면온도 혹은 어떠한 발생

가능한 Fault(손상)조건을 제한함으로써 안전성을 유지하는 기술

Intrinsic Safetiy Standard Class 2 개의 구성요소 Fault 까지 안전을 유지하며 위험한 장소의

설비는 Zone 01 및 2 를 준용한다Note N 형 설비(정상운전시에는 안전)는 Zone 2 를 준용한다Type of Industry 지하 광산 지표면

Type of Hagard 공기 인화성가스 및 중기의 폭발성 혼합물질(먼지 포함)예)ClassⅠ-가스 증기 Class 먼지 Class-화이버 솜Degree of Hagard Zone 0-폭발성 가스와 공기의 혼합물질이 계속적으로 존재하거나 장기간

존재하는 경우 Zone 1-폭발성 가스와 공기의 혼합물질이 정상운전에서 발생할 수 있는 경우 Zone 2-폭발성 가스와 공기의 혼합물질이 발생할 우려가 없으나 단기간은 발생할 우려가 있는 경우

Ignition by Spark Group C-Hydrogen Acetylene Group B-Ethylene Group A-Pro-Pane Group I-MethaneIgnition by Hot Surface 위험한 장소의 설비를 주변온도 40의 조건에서 Fault 가 발생되는 최대

표면온도는 다음과 같이 분류된다T1-450 T2-300 T3-200 T4-135 T5-100 T6-8026회(969월호)(4)전동구동장치의 구조

전동구동장치는 각 제조회사별로 혹은 그 제조방법(적용기술)에 따라 구조 및 구동메카니즘이 조금씩

차이가 있으나

근본적으로 그 원리는 같다 즉 동력으로서의 전동기(Electric Motor) 감속기구(Reduction Device) 제어 및 표시장치(Control Device) 수동운전기구(Manual Override Mechanism) 전선

연결단자(Terminal Block) 그리고 밸브 스템에 연결시키는 체결블럭(Coupling Block)으로

구분된다그러나 특수목적에 부합되도록 밸브를 운전해야 할 경우 추가로 부속장치가 장착되는데 거의 대부분

제어 및 표시장치가 이에 해당한다 이들 각 장치는 구조적으로 제각기 독립된 케이스 내에 구성되어

있는데 운전 조작을 통하여 유기적으로 연합되어 운전하게 된다이러한 이유는 밸브의 설치가 대부분 악조건의 환경에 설치되므로 구동장치 내부의 정밀한 장치를

보호하고 안정된 상태로 신뢰성 있는 운전을 해야 한다〔전동기의 종류 및 특징〕

① 유도 전동기(Induction Motor)유도 전동기는 서로 독립된 2 개의 권선이 있어 그 한 권선에서 전자유도 작용에 의하여 또 다른 한

권선에 에너지가 전달되어 회전하도록 한 전동기이다 즉 1 차 권선에 흐르는 전류에 의하여 발생한

회전자속이 2 차 권선과 전자유도 작용을 일으켜 토오크가 발생하고 이 힘에 의하여 구동자가

회전하게 된다유도 전동기의 실제 회전속도는 동기속도보다 작다 이는 회전자가 동기속도보다

느리게 돌아야만 자속을 끊을 수 있으므로 유기전력이 발생 회전자에 전류가 통해서 이 전류와

자계의 자속 사이에 토오크가 발생한다유도 전동기는 구조가 간단하고 따라서 가격이 저렴하다 아울러 취급이 용이하며 부하가 변하더라도

속도의 변화가 적은 정속도 전동기이기 때문에 여러 가지 전동기 중에서 가장 많이 사용되고 있다유동 전동기는 회전자의 종류에 따라 권선형과 농형(Squirrel Cage) 전동기로 구분된다② 동기 전동기(Synchronous Motor)동기 전동기(同期電動機)는 일반적으로 회전계자형이고 전기자의 권선은 고정자 측에 감고

회전자에는 계자극을 만들고 이 계자권선 측에 스립링을 통해 전류를 공급하여 자극을 만든다 자극수 P 의 교류기에 전원주파수 f 인 교류를 공급하면 회전자는 N=120f1p(rpm)의 항상 같은

방향의 회전력이 생긴다 동기 전동기는 항상 일정한 속도로 회전하는 대신에 기동시의 기동 토오크가

작은 단점이 있어 전동구동장치에의 적용은 곤란하다따라서 전동구동장치에는 권선형의 유도전동기와 같은 구조로의 동기 전동기 즉 유도동기전동기가

널리 사용된다 이 전동기는 운전중에 동기전동기의 특성인 역률을 임의로 조정할 수 있으며 기동입력

대비 기동 토오크와 입력 토오크가 큰 장점이 있다③직류 전동기

직류 전동기는 회전속도에 무관하게 일정한 토오크를 출력하며 속도조절이 용이하므로 속도제어용의

전동구동장치에 널리 사용된다〔감속기구〕

전동구동장치에서 사용하는 감속기구는 전동기의 출력회전수를 매우 큰 감속비율로 감속시킬 수 있는

웜기어(Worm Gear) 성형기어(Planetary Gear)를 주 감속기구로 보조감속기구로서 스퍼어 기어

(Spur Gear)를 조합하여 사용한다 전동기의 회전속도는 전동기의 극수를 P 라 하면 V=(120f)p 로

되어 4극인 전동기의 경우 우리 나라의 전력공급원으로 설치될 경우 이론적으로 1천 8백RPM 이

된다 그러나 밸브 조작에 필요한 회전수는 24~48RPM 이면 되니까 감속기구의 감속비율은

175~1375 가 된다 감속기구에서의 감속기어는 드라이브 슬리이브(Drive Sleeve)를 통하여

동력을 전달하며 햄머블로우(Hammer Blow)장치와 연결하게 함으로써 밸브의 개방초기

(Unseating)시에 최대의 순간 토오크가 발생하도록 설계되어 있다〔제어 및 표시장치〕

제어 및 표시장치는 전동구동장치의 출력과 밸브의 운전범위를 제어함으로써 정확한 위치에서 밸브의

개폐 또는 조절이 가능하도록 구동기구의 여러 가지 운동장치에 제어 및 표시기구를 설치한 것을

말한다 즉 밸브가 열리고 닫히고 할 때의 시동 및 정지기능 밸브가 정확한 위치에서 개폐할 수

있도록 하는 토오크 및 위치제한 기능 전동구동 장치가 운전 중 과열 등으로부터의 보호기능 밸브의

Jamming 부적절한 전원 위상(位相) 잘못된 조작으로부터의 장치 보호기능 등 전동구동장치를

원활하게 운전하는데 필요한 기능을 총칭한 것이다우선 제어 및 표시장치의 각 기능을 설명하기 전에 전동구동장치의 운전현상을 구체적으로 이해함이

중요하다① 전동구동밸브 또는 모터구동밸브(Motor Operated Valve MOV)의 운전

일반적으로 MOV 의 운전은 밸브가 닫힐 때는 토오크 스위치의 동작에 의하고 반대로 열릴 때는

리미트 스위치(위치제한 기능 스위치)의 동작에 의하여 제어운전 되는 것이 일반적이다밸브의 디스크 및 시트의 완전한 접촉은 밸브시트의 내누설 등급에 따라 토오크의 크기로 정해질 만큼

최적의 닫힘 상태를 이루기 위해서는 정격의 전동기 출력 토오크가 밸브 디스크의 제 위치에서

동작되도록 하여야 한다 그러나 토오크 스위치가 밸브의 최적 닫힘 위치에서 즉시 동작한다 하더라도

전동기를 실질적으로 정지시키는 접촉자가 동작하는데는 20~70밀리초(milli-second)가 걸린다 즉 이 시간 사이에는 전동기가 계속 동작하고 있기 때문에 추가의 토오크(Inertial or Motor)가 밸브

스템에 작용하게 되는데 이를 토오크 오버런(Torque Overrun)이라고 한다 토오크 오버런은

실험적으로 기준 정격 토오크의 10~20 정도이다그러나 이 경우 실제 운전조건하에서는 전동구동장치 제작사의 실험조건과는 상당한 차이가 있다 즉 역설적으로 수많은 실제 운전조건을 모두다 실험실에서는 적용할 수 없기 때문에 제작자는 MOV 를

실험할 때 계통의 무부하 상태하에서 정격의 최고속도로 실험함으로써 보다 높은 토오크를 측정하고

있다 이 측정된 값을 실제 운전 조건에서 사용될 수 있도록 시뮬레이션하는 것은 밸브제작사의

노하우이다 실제로 계통의 무부하상태에서의 측정된 토오크는 실제 운전조건의 것보다 상당히 높을

것으로 판단된다MOV 에서 전기적인 부품 즉 제어기구에서의 부적절한 결선이나 리미트 또는 토오크 스위치의

손상등으로 인하여 제어가 부적절할 때는 밸브의 시팅레이트(Seating Rate)가 증가할 수밖에 없다 다음은 밸브의 스템 운동속도 트림구조의 강성 단락시간(Disconnecting)의 영향 및 토오크

스위치의 제어형식에 따라 상호 어떤 관계로 운전되는가를 설명한다스톨(Stall-失速)상태 - 밸브의 강성과 추력 속도와의 관계

스톨상태라 함은 완전부하상태에서 전동구동장치의 전기적 제어 기구의 비정상적인 동작으로 인하여

전동기의 오버런이 밸브의 시팅(또는 백시팅)시에 생기는 경우가 있는데 이때 순간적으로 스템의

리드(Lead)량은 0 이지만 스템의 속도는 0 으로 되지 않기 때문에 순간적인 구동자회전비(Overall Ratio)는 크게 증가됨으로 가상적인(종이상에서 단순히 계산되는 비현실적인 현상) 전동기의

토오크는 거의 0 으로 되어 보이지만 실제로는 전동기의 허용 토오크 이상으로 과도한 토오크가

발생하여 스템에 큰 추력을 발생시킨다 이를 스톨상태의 토오크 추력이라고 한다 밸브의 닫힘속도가

정상이고 밸브 트림구조 및 재질이 높은 탄력을 가지고 있을 때는 실제 밸브스템에 전달되는 추력은

설사 전기제적인 트러블이 있어 정지시간이 길어져도 150내외의 설계추력을 전달한다그러나 닫힘속도가 빠르고 밸브 트림의 강성이 높을 경우에는 단락시간에 별 영향이 없이 스템에는

300~400의 설계추력이 전달된다 따라서 밸브의 개폐시간은 위와 같은 이유로 엄격하게

제한되고 최종 추력에 대한 검토 즉 스톨 토오크 및 스톨 추력에 대한 계산이 필요하다 단위 스톨

토오크 = 전동기 허용 토오크구동자 회전비(Overall Ratio)전동기 시동효율단위 스톨 추력 = 스톨

토오크스템계수

[주]단위 스톨 토오크는 제작사 카다로그의 단위 스톨 토오크 및 추력기준의 150를 초과하지

못한다토오크 시팅-토오크 스위치의 단락시간 영향

전동구동장치(MOV)에 있어서 스위치가 트립되면 스위치의 트립과 전원 컨넥터(Connector)의

차단사이에 미소한 시간지연과 전동기의 운동에너지로 인한 정격 밸브 스템량의 초과(Over Travel) 현상이 생긴다 이 Over Travel 은 계통의 압력상태 및 밸브 스템의 패킹력에 따라 그 정도를

달리한다 이를 제어하는 방법으로는 리미트 스위치를 설계보다 약간 빨리 작동하도록 설치함으로써

해결할 수 있다 이 Preset 의 뜻은 밸브가 충분하게 시팅되어 밸브 스템의 운동량이 정지되었음을

표시한 것이 된다 그러나 시간지연으로 인한 Overrun 은 토오크 스위치 설정치보다 더욱 큰 밸브

토오크 및 추력을 야기시킨다 이 경우는 리미트 스위치의 도입으로 해결할 수 없는 상태로서 커브

C는 정상운전시의 시간에 대한 스템추력 커브 D는 급속 개폐시의 관계로서 커브 D의 경우는

C에 비하여 약 4 배 이상의 스템추력을 보여주고 있다지금 밸브가 설계추력 상태에서 토오크 스위치가 작동하여 기계적 지연시간인 두 커브의 동일한

단락시간 T1 에서 커브 C에서는 X지점 커브 D에서는 Y지점에서 전동기는 정지하게 된다 더욱이 토오크 스위치 작동과 전원차단과의 관계가 미소하게 잘못 설정되는 T2만큼 시간지연이

됨으로 스템의 설계추력은 Z지점 정도의 매우 높은 추력을 발생하게 하여 밸브에 악영향을 초래할

가능성이 높아진다27회(9610월호)토오크 시팅 - 밸브 강성과의 관계

전동기가 정지되더라도 전동기의 운동에너지는 앞서 설명한 바와 같이 Overrun 을 야기시킨다 밸브의 강성이 비교적 낮고 탄력이 유지되는 경우 운동에너지가 서서히 작용하게 됨으로써 커브 E에서와 같이 밸브 스템이 전달되는 추력은 강성이 높은 밸브에 비하여 월등히 작다 이와 같이

밸브트림의 설계는 구동장치의 조작성 및 동작특성을 고려하여 탄력이 유지되는 구조로 설계함이

좋다토오크 시팅 - 차압의 영향과 Dry-Run급속하게 개폐가 요구되는 Fast Acting 밸브의 경우 이 MOV 는 경우에 따라 토오크 스위치에 설정된

값과는 비례하지 않는 토오크 출력을 발생시키기도 한다 이러한 경우는 계통에 압력이 작용할 때와

작용하지 않을 때 생기는 토오크 시팅 효과를 보면 이해할 수 있다 [그림 94]는 계통에 압력이

부과되어 있어 MOV 운전에 의해 차압이 있을 경우의 토오크 시팅과 계통압력이 무부하상태에서의

운전 즉 공운전(空運轉 Dry-Run)시의 토오크 시팅효과를 보여주는 그래프이다커브 G는 최대 차압하에서 토오크 시팅시의 시팅시간에 대한 스템의 추력변화를 보여주는 것으로써

토오크 설정치 S1은 단락시간의 지연 T1에 따른 운동에너지의 K에 의하여 설계 추력을 얻게

되는데 이 과정중 밸브의 디스크면에 작용하는 차압력에 따라 상당량의 토오크가 소비되므로 K값은

커브 H의 것에 비해 월등히 작게된다 커브 H는 커브 G의 토오크 설정치와 같은 조건하에서

계통의 압력이 걸리지 않는 즉 차압이 없는 상태하에서의 토오크 시팅 특성을 보여주는 그래프이다차압이 없는 경우에는 디스크면에 생기는 차압에 의한 마찰력도 거의 없을뿐더러 시팅의 조건 또한

매우 용이하게 이뤄짐으로 그래프에서와 같이 시팅 시작후부터는 스템에 전달되는 추력은 급속히

증가한다따라서 계통이 정지되어 있는 공운전시에 정상운전 토오크치를 변경하지 않고 구동장치의 조작

시험등을 수행하는 경우 그래프 커브 H와 같이 설계추력보다 월등히 높은 추력이 발생되어 큰

문제가 발생하는 사례가 종종 있다②MOV 운전 메카니즘

한 예로 Limitorque社의 전형적 모터 구동장치인 [그림 95]와 같은 SMB 형식의 경우 이 구동장치는

단지 간단한 두 개의 감속 기어열을 갖고 있는데 이 기어열을 통해 전동기의 회전력을 감속시켜 밸브

스템측에 회전력으로 출력시킨다 전동기의 회전력은 전동기에 직결된 헤리칼(Helical) 기어열을

통하여 1 차로 감속되고 1 차로 감속된 전동기 회전력은 웜 샤프트라는 스프라인 축(Splined Shaft)을

구동시킨다 웜은 웜 샤프트에 스플라인 되어있으며 밸브 스템축을 회전 또는 상하 운동시키는 웜 기어에

연결되어 회전력을 감속 전달시킨다 또한 웜 기어는 그 상부에 두 개의 러그(Lug)가 딸린 케스트

(Cast)가 있어 종동(從動)슬리이브의 두 러그와 맞물려 종동슬리이브를 회전시킨다이 종동슬리이브가 회전하면 종동슬리이브 내부에 스플라인 되어있는 밸브 스템너트를 회전시켜 밸브

스템을 회전 또는 상하운동 시킨다 따라서 이러한 전동구동장치의 메카니즘에 따라 밸브의 개폐는

회전방향에 따라 열리거나 닫힌다 이러한 전동구동장치의 운전 메카니즘에서 실제 주의 깊게 짚고

넘어가야 할 중요한 사항의 하나는 밸브의 운전 요건에 부합하는 토오크 또는 스템 추력을 충분히

확보하여야 하고 운전시와 시팅시에 생기는 큰 폭의 토오크 변화량을 적절히 제어되도록 구동장치

내부에 토오크 제어기능을 갖는 장치를 구비한다이 토오크 장치의 운전은 다음과 같다 즉 웜 샤프트에 스플라인된 웜은 웜 기어에 작용하는 부하의

증감에 따라 축방향으로 운동되도록 설계되어 있다 실제로 밸브 스템에 작용하는 추력은 밸브 스템의

나사구조를 통하여 회전력 즉 토오크로 변환되고 이 토오크가 전동기의 회전 토오크와 관계되는

것이다 따라서 밸브의 개폐에 따른 부하의 증가는 전동기의 회전 토오크가 밸브의 스템 나사를

통하여 토오크로 변환되어 웜 기어 슬리이브를 회전시키려고 하는 힘에 대한 저항의 증가로 표현되고 이 증가된 저항은 웜이 웜 기어에서 생기는 저항만큼 앞으로 운동하기 시작할 것이다이 축 방향의 운동은 토오크 스프링이라고 하는 Belleville Spring 조합(PACK)을 압축시켜 토오크

에너지를 축적하고 이 웜 샤프트의 축 방향 운동량을 토오크 스위치와 연결시켜 토오크를 제어한다 따라서 축 방향의 운동량을 x 라 하고 토오크 스프링의 스프링 상수를 k 라 할 때 그 힘은 F=kx임으로

스프링 조합에 적용한 힘 F 는 웜 기어에 적용한 힘과 동일함으로 출력 토오크는 이 힘 F 와 밸브

스템의 모멘트 길이를 곱한 것과 마찬가지이므로 토오크 스위치의 설정으로 밸브 스템에 전달되는

출력 토오크를 제어할 수 있다③ 토오크 리미트 스위치(Torque Limit Switch)토오크 제한 장치

전동구동장치에 있어서 토오크 리미트 스위치는 밸브의 개폐중에 주로 디스크와 시트에서의 과도한

시팅이 원인이 되어 구동력이 크게 될 때 밸브와 전동기를 보호하기 위하여 설정된 전동기의 출력

토오크를 초과할 경우 전동기의 전원을 차단시키는 방법을 제공한다거의 모든 전동구동밸브의 전동기 구동 토오크가 실제 밸브의 시팅 토오크보다 훨씬 크게 선정되고

있으며 배관계통의 여러 가지 불확실성(배관계의 열하중 배관 작용력 유체천이력 밸브 구조상의

고온고착 가능성 및 이상승압 현상 등)으로 인하여 점차 출력 토오크가 높은 전동기를 사용하는

추세이다이러한 경우 전동구동밸브에 있어 가장 중요한 제어기능은 토오크를 어떻게 제어하고 밸브를

구조적으로 안전하게 운전되도록 토오크를 관리할 것인가가 운전상의 중요 포인트가 된다 따라서

현재의 전동구동밸브의 토오크 제한장치는 매우 정밀하고 신뢰성 있으며 필요에 따라 토오크

설정량을 조정할 수 있는 구조로 되어있다일반적으로 전동기의 출력 토오크는 개방 폐쇄의 양방향에서 정격 토오크의 약 25~100 범위

내에서 설정할 수 있으며 설정된 값은 전동구동장치 외부에 있는 지침을 통하여 확인이 가능하다 앞서 MOV 운전 메카니즘에서 언급한 바와 같이 토오크를 설정하는 구조는 전동기의 출력토오크에

직접적으로 비례하도록 되어 있다 즉 토오크 제한장치는 전동기를 통하여 스페어 기어로 감속된 후

웜 휘일(Worm Wheel)과 웜 샤프트(Worm Shaft)에서 토오크가 많이 걸리면 웜 샤프트는 토오크의

양만큼 웜 샤프트 축방향으로 변화량이 생기고 아울러 웜 샤프트에 장착된 코일 스프링에 의해

에너지가 축적된다이 웜 샤프트의 변형량은 샤프트에 장치되어 있는 회전기어에 의하여 회전운동을 만들고 여기에

토오크를 제어할 수 있는 마이크로 리미트 스위치를 장치하여 전동구동장치의 구동 토오크가 설정치

이상이 되면 이 리미트 스위치가 작동하여 전동기 전원을 차단하고 운전을 정지시킨다통상적으로 이러한 토오크 리미트 스위치는 밸브 개방상태로 NO NC 밸브 폐쇄상태로 NO NC 로

구성되어 있는데 NO 는 Make-Contact NC 는 Break-Contact의 뜻이다28회(9611월호)④ 위치 제한 장치(Position Limit Switches)위치 제한 장치는 밸브의 완전 열림 닫힘 도는 특정의 중간 개도에서 제어의 목적상 밸브가

정지되도록 하는 장치이다 이러한 제어상의 시그널은 밸브 조작반이나 원격의 패널에서 밸브의

제어상태를 알리는데 매우 유효하다 일반적으로 위치제한 장치의 구조는 웜 휘일과 웜으로 밸브의

개도위치를 위치지시장치(Position Indicator)와 마이크로 스위치로 직접 전달한다 마이크로

스위치는 기본적으로 8접점을 갖고 있으나 기본적인 제어의 목적으로는 접점이 6 개 이상이면

요구하는 목적을 맞출수 있다그러나 점차 제어의 목적과 기능이 다양화함에 따라 6 개 이상의 접점 즉 8 12 16 개의 접점을

갖추고 있는 것이 일반적으로 되어 있다 [그림 97]은 리미토오크사의 기어 트레인 리미트 스위치

(Gear Train Limit Switches)의 구조도이다즉 웜 드라이브는 웜 휘일의 회전에 따라 비례적인 회전 모멘트를 전달하고 이 회전 모멘트는 기어

트레인을 통하여 위치제한 및 위치신호에 사용되는 마이크로 스위치 박스에 연결되어 스위치의

트리핑(Tripping)에 적절한 회전각으로 감속 회전하면서 밸브의 닫힘 열림 중간 제어목적에 맞도록

설정된 값으로 동작한다 이 위치제한 구조는 운전자에 의하여 용이하게 조정 가능한 구조로 설계되어

있고 이는 수동운전중이라 할지라도 설정된 위치는 변하지 않도록 되어있다 앞서 언급한 토오크

스위치와 리미트 스위치는 전동구동 장치에 있어서는 매우 핵심적인 부품으로서 신뢰성 또한

엄청나게 중요한 부품으로 전동 구동장치의 선정시 결선방식(Wiring Diagram)과 함께 심도 있는 검토가 요구된다⑤ 전동 구동장치의 결선도(Wiring Diagram) 및 제어 해설

전동 구동장치의 제어는 앞서 언급한 제어 및 표시장치들 중에서 토오크 리미트 스위치와 위치제한

장치인 리미트 스위치가 가장 핵심적인 역할을 담당하고 있지만 이외의 보조 또는 부수장치로서

전동기 결로(結露) 방지용 히터 인입(引入) 전원의 위상 판별장치(Phase Discriminator) 자동 위상

교정기 위치 표시장치 등이 있다 이들은 모두 전동구동 장치의 신뢰성 있는 운전을 목적으로 한다 다음의 [그림 98]은 리미토오크사의 표준 결선도(No Control) [그림 99]는 제어기능이 보강된

결선도(Integral Control)이고 [그림 100]은 로오톡사의 표준제품의 하나인 Syncropak의

결선도로서 리미토오크사의 Integral Control 타입과 유사한 기능을 갖고 있고 [그림 101]은

로오톡사의 제어기능이 보강된 IQ Range의 결선도로서 접점을 오히려 줄이면서 표시기능을

디지털로 하고 제어기능을 다양화한 것이 특징이다[그림 102]는 리미토오크의 Integral Control에 비교하기 위한 결선도로서 미국 EIM 사의

표준모델인 Series 2000의 표준 결선도이다 이외에 본고에서 소개하고 싶은 전동구동 장치의

결선도로서는 AUMA Bernard BIFFI 등이 있으나 지면 관계상 및 기능으로 보아 대동소이함으로

생략하였다 [그림 98] [그림 99]의 하단부에서 보는 바와 같이 각 리미트 스위치의 동작은 완전 열림

(Fully Open) 완전 닫힘(Fully Close) 중간개도 AB(Intermidiate Position AB)에 있어서

동작영역을 전개한 표로서 각기 기능은 완전 열림시 바이패스 동작 표시등 열림 표시등 완전

닫힘시 바이패스 닫힘 표시등으로 총 6 개의 기본 기능이 동작하도록 되어있다29회(9612월호)접점은 여유분 8~10 개로서 추가의 선택사양을 위하여 준비되어 있다간단히 결선도를 기준으로 밸브 구동시의 스위치 동작을 설명하면 다음과 같다

1)밸브가 완전히 열려있을 때는 접점 1 은 바이패스 회로로 연결되어 있다2)밸브가 완전 열림 상태에서 닫히기 시작할 때 접점 1 은 떨어지면서 접점 34 는 동작되어 밸브가

열리고 있음을 표시한다3)밸브가 완전히 닫히게 되면 접점 5 의 리미트 스위치는 동작하여 완전 닫힘 바이패스 회로가

동작한다 만약 밸브를 토오크 시팅(Seating) 방식으로 할 경우에는 접점 5 의 리미트 스위치 사이를

점퍼(Jumper)하여야 한다4)다시 밸브를 열려고 할 때 리미트 스위치 78 을 동작시켜 닫힘을 표시한다전동구동 장치의 구체적인 운전 문제점이나 적용성 아울러 운전보수 및 신기술이 접목된 통합제어

방식의 전동구동 장치의 기술적 사항에 대하여는 별도로 기술한다또한 제어밸브의 경우 그 범위가 대단히 넓고 광범위하기 때문에 별도의 항목으로 설명하고자 한다 사실 제어밸브에서 다루는 밸브의 개념은 제어목적에 우선적이므로 밸브의 기능은 수동밸브에

비하여 보다 다양하고 치밀하며 논리적인 측면으로 이해하여야 한다30회(971월호)32 밸브구성 재료

프로세스 플랜트에 있어서 배관계통은 매우 다양한 유체를 취급하게 됨으로 수송 유체의 물리적 화학적 성질에 따라 다양한 재료가 사용된다 본 항에 있어서는 우선적으로 밸브의 압력 유지부인

밸브 몸통 본네트 본네트용 볼트를 비롯하여 디스크 시트 스템과 같은 트림류 밸브 밀봉재인 패킹가스켓 기타 운동부품류(Moving Parts) 및 밸브의 도장(Painting)에 대하여 기술한다다음의 [표 26]은 미국의 ASMEANSI B1634 에서 밸브구성 재료로서 승인하고 있는 미국 재료학회

기준에 의한 밸브재질 목록이다 [표 26]에서 재질그룹번호(Material Group No) 1 은 일반 탄소강 및

탄소강 계열의 합금강 2 는 스테인리스강 3 은 니켈 베이스의 합금강을 말한다31회(973월호)(1)밸브트림용 재료

밸브에 대한 기술기준에서는 특별히 부품용 재료에 대한 요건은 규정되어 있지 않으나 밸브트림인

디스크 시트 스템용의 재료 선택기준은 대략 다음과 같이 분류할 수 있다아울러 밸브트림 부품중 가장 중요한 시트면 및 디스크의 접촉면에 사용되는 표면경화(Hardfacing)용 덧붙임 재질로는 스텔라이트(Stellite 미국 Stoody Deloro Stellite Inc 의 상표명)가 있다 이

스텔라이트 용접봉의 주요 성분은 코발트(Co) 크롬(Cr) 및 텅스텐(W)으로서 탁월한 내식성과

내마모성을 갖고 있으며 특히 고온하에서도 경도가 낮아지지 않는 매우 좋은 특성을 갖고 있어

현재는 밸브용 재료로서 가장 중요하고 또한 널리 쓰이는 재료의 하나이다앞서 언급한 밸브재료 선정기준은 극히 일반적인 것을 언급한 것뿐이다 따라서 최적의 밸브재료

선정은 배관시스템 즉 배관내에 흐르는 유체의 종류 성상(性狀) 화학적 특성 압력 및 온도 요건등

밸브의 사용환경에 최적인 재료를 선정하여야 한다 그러나 사용온도에 따른 각 재료별 열화방지를

위해 사용자가 고려해야만 할 사항들은 ASMEANSI B313 APPENDIX F 에 언급되어 있다 밸브재료를 중심으로 요약하면 다음과 같다① 탄소강(탄소함량 005~15) 일반 니켈강 망간(C-Mn)강 망간-바나듐(Mn-V)강류

427(800F)를 넘는 온도에서 장시간 사용시 탄화물상(Carbide Phase)의 흑연화(Graphite)가

진행될 수 있음으로 이를 넘는 온도에서의 사용은 주의를 요함② 크롬-몰리브덴(Cr-Mo)강 Mn-Mo-V강 Cr-V강4687(875F)를 넘는 온도에서 장시간 사용시 탄화물상(Carbide Phase)의 흑연화(Graphite)가

진행될 수 있음으로

이를 넘는 온도에서의 사용은 주의를 요함③ 스테인리스계

-오스테나이트(Austenitic Stainless Steel)계427~871(800~1600F)의 예민화 온도에서 충분히 노출된 후의 입계부식(Intergranular Corrosion) 문제등-페라이트(Ferritic Stainless Steel)계 371(700F)를 넘는 온도에서의

산화로 인한 사용후 상온에서의 취성(Brittleness)문제 스텔라이트 표면경화 방법은 용접으로

실시하며 따라서 미국용접학회(AWS)에서도 스텔라이트에 해당하는 AWS 분류기호를 가지고 있다 밸브용으로 많이 쓰이는 스텔라이트 번호는 1 6 12 21번으로 이중 특히 스텔라이트 번호 6(업계

속칭 스텔라이트 넘버 식스)가 특히 가장 널리 사용된다 이에 상응하는 AWS 분류기호로는 AWS A513 ERCoCr-ABC 등이 있다 각각의 화학성분 및 이에 대응하는 스텔라이트 번호는 다음과

같다 스텔라이트에 의한 하드페이싱 후의 경도는 대략 HRc 40 정도이다그러나 스텔라이트 번호 6 은 용접성에 나쁜 영향을 주는 탄소성분(09~14) 및 텅스텐의 함량이

많아 하드페이싱 후의 용접부의 취성 또는 크랙 등에 예민한 편이다 따라서 스텔라이트 번호 6 의

하드페이싱은 모재의 화학적 조성과 더불어 매우 조심스럽게 용접하여야 한다 이러한 문제의

대안으로 일부 밸브업체를 중심으로 탄소함량이 02~03인 스텔라이트 번호 21 을 사용하기도

한다각 밸브재료에 따른 사용유체의 내식성 및 내침식성은 이미 재료편에서 구체적으로 언급하였다33 밸브의 압력-온도 기준(Pressure-Temperature Rating)밸브의 설계 제작 및 사용에 있어서 압력-온도 기준은 일병 압력-온도 정격으로도 표시되며 이는

밸브재료별로 설정된 압력등급의 사용온도에 대한 최고 사용압력을 테이블화한 것이다밸브에 있어서 압력-온도의 기준설정(P-T 기준설정)은 기본적으로 미국 ASMEANSI B1634 APPENDIX F 에 있는 설정기준에 따른 것이 세계적으로 가장 보편화되어 있다 기본적으로 P-T 기준설정은 사용재료의 온도에 따른 항복강도 또는 허용응력이 기본이 된다표준등급의 P-T 기준설정

표준등급의 P-T 기준설정은 재료그룹별로 조금씩 다르다 다음은 ASMEANSI B1634 APPENDIX F에서 정하고

있는 P-T 기준설정에 대하여 설명한다(1)밸브재료 그룹 1(탄소강계열)의 표준등급 P-T 기준설정

P-T 기준등급 300(일반적으로 압력 클라스 300 파운드라고 통칭하여 부른다) 이상의 표준등급의 P-T 기준은 다음과

같은 식으로 정한다Pst = (S18750)Pr여기에서

Pst 사용재료(지정재료)의 온도 T 에 있어서 정격 사용압력 psi(poundsquare inch)Pr P-T 기준에 있어서 등급값 등급 300 이상의 모든 등급의 Pr값은 호칭등급의 값과 같다S1 사용재료의 온도 T 에 있어서 설정응력 psi S1 의 값은 다음과 같이 정한다(a)크리이프 영역 미만의 온도에서는 온도 T 에 있어서 항복강도(Sy)의 60이하로 한다 단 다음에서

정한 값을 넘어서는 안된다-상온(100F)에 있어서 사용재료의 최소 항복강도의 60를 넘는 값

-사용재료의 온도 T 에 있어서 ASME BampPV SecⅠ(혹은 SecⅧ Div1)의 허용응력 테이블상의

허용응력의 125 배를 넘는 값

-온도 T 에 있어서의 응력값으로 재료그룹 19 또는 22 에서의 재료중에서 큰 응력값을 넘는 값

(b)어떤 경우에 있어서도 온도상승에 따라 응력값이 증가하지는 않는다(c)크리이프 온도 영역은 재료그룹 1 에서는 700F 그룹 2 에서는 950F 를 넘는 온도로 한다 단 재료에 따라 이보다 낮은 온도에서 사용하는 경우에는 예외로 한다 재료그룹 3 에서의 각 재료별

크리이프 온도 영역은 각각의 재료특성에 따라야 한다(d)기타 세부적인 사항은 ASMEANSI B1634-1988 APPENDIX F 를 참조한다

(2)밸브재료 그룹 2 와 3 의 표준등급 P-T 기준설정

P-T 기준등급 300 이상의 밸브재료 그룹 2 및 3 의 P-T 기준은 앞서의 기준에 따르나 재료의

크리이프 영역 아래에 있어서는 온도 T 에 있어서의 항복강도(Sy)의 70로 한다 단서조항인

상온에서의 최소 항복강도도 60가 아닌 70를 넘어서는 안된다32회(974월호)(3)모든 밸브재료 그룹에 있어서 표준등급 P-T 기준 등급 150 의 설정방법

등급 150 의 P-T 기준은 앞서의 (1) 및 (2)와 같다 그러나 다음의 추가 사항을 만족하여야 한다Pst = (S18750)115Pr값을 등급 150 에서는 일률적으로 Pr=115psi 로 정한다 아울러 사용온도 T에 있어서 각 밸브재료별로 계산된 정격사용압력은 320-03T 의 값을 초과할 수 없다(4)특별등급의 P-T 기준설정

특별등급의 밸브 P-T 기준은 다음 식에 따른다Psp = (S27000)Pr여기에서

Psp = 사용재료(지정재료)의 온도 T 에 있어서 특별등급 밸브의 정격 사용압력 psi(poundsquare inch)Pr = P-T 기준에 있어서 등급값 등급 300 이상의 모든 등급의 Pr값은 호칭등급의 값과 같다 단 등급 150 인 경우에는 Pr = 115psi 로 한다S2 = 사용재료의 온도 T 에 있어서 설정응력 psi S2 의 값은 다음과 같이 정한다(a)크리이프 영역 미만의 온도에서는 온도 T 에 있어서 항복강도(Sy)의 625보다 적거나 같은

값으로 정한다 단 다음에서 정한 값을 넘어서는 안된다-상온(100F)에 있어서 사용재료의 최소 항복강도의 625를 넘는 값

-사용재료의 온도 T 에 있어서 ASME BampPV SecⅠ(혹은 SecⅧ Div1)의 허용응력 테이블상의

허용응력의 10 배를 넘는 값

-온도 T 에 있어서의 응력값으로 재료그룹 19 또는 22 에서의 재료중에서 큰 응력값을 넘는 값

이외의 사항들은 표준등급의 것과 유사하다3-4 구조(Common Valve Construction Features)일반적으로 밸브의 구조는 밸브에 작용하는 내압력에 대한 밸브 몸통의 강도 밸브 시트에서의 내누설

강도 및 밸브가 원활하게 동작하는데 필요한 외력에 대한 구조적 강도가 밸브 구조를 결정하는데

고려되는 사항이다 아울러 밸브에 연결되는 배관계통의 특별한 기능 예를 들면 압력변동이 심한

서어지가 예상된다던가 불가피하게 진동이 예상되는 계통에는 부가적으로 밸브의 구조에 대하여

특별히 추가의 강도 보완을 요구할 수도 있다 앞서의 이러한 세 가지 중요한 밸브 강도의 설계 고려

요소들은 제작자에 따라 어느 정도 그 설계 형식을 달리하기도 한다 제작자별 독자의 밸브 구조의

설계형식은 대개 밸브몸통과 본네트 밸브몸통과 배관의 연결부위(밸브 노즐로 통칭) 및 밸브 스템과

디스크의 체결방식에서 각기 독자적인 모델을 갖고 있다 그러나 기본적으로 고객이 지정한 사양서 밸브의 표준 코드나 기준에 합당해야 함은 물론이다 (1)밸브 몸통과 본네트(Body-to-Bonnet)밸브 몸통과 본네트는 밸브의 내압부분이므로 두 부품의 연결은 구조적으로 완벽하여야 한다 나사로

연결한다던가 볼트로 연결한다던가 압력밀봉(Pressure Sealing) 구조에 의한 연결 또는

용접등으로 연결하는게 일반적이다 이 두 부품은 밸브의 가장 핵심인 밸브 트림을 건전하게 유지

운전하도록 하는 밸브의 기본 구조이기 때문에 체결방법은 매우 신뢰성이 높아야 한다체결방법은 나사식 연결(Screwed Bonnet Joint) 프랜지 연결(Flanged Bolted Bonnet Joint) 용접 연결(Welded Bonnet Joint) 및 압력밀봉식 연결(Pressure Sealed Bonnet Joint)가 있다-나사식 연결가장 간단하고 저가로 제작할 수 있는 체결방식이다 이러한 체결방식은 2(50A)이하의

최대 사용압력 20bar 이내의 저압에 적용할 수 있으며 경우에 따라 최대 3(80A)까지 제작

가능하다 3가 넘으면 본네트의 나사식 체결은 공학적으로 현실성이 없다 따라서 이러한 구조의

밸브는 주로 건축설비용의 물용 소형 밸브나 비철금속제의 소형밸브 등에 일반적으로 채택된다 아울러 이러한 나사식 연결에서 극히 주의할 사항은 나사부에서 발생하는 나사부식(Thread Corrosion) 및 동종 금속간 밀착(Galling)으로 인하여 실질적으로 분해 조립이 어렵다는 것이다 체결방식은 본네트에 직접 나사로 연결하는 방식과 유니온으로 체결하는 방식이 있는데 각

체결방식의 장단점은 앞의 도표와 같다-프랜지 연결

가장 널리 채택되는 체결구조이다 본래 밸브의 크기 및 사용압력 등급에 상관없이 채택할 수 있지만

대형 고압밸브의 경우에는 플랜트 조인트가 밸브 몸통만큼이나 커질 수 있어 일반적으로 소형의 경우

압력등급 ANSI 1500까지 가능하고 4Prime(100A) 이상의 대형밸브에는 통상 ANSI 600까지

채택한다 그러나 12Prime(300A)가 넘는 대형 밸브의 경우에는 경제성 및 기밀의 신뢰성 문제로 인하여

ANSI 300까지 채택하는 경우가 대부분이다 가스켓과 여러 개의 작은 볼트로 체결하기 때문에 작은

공구로 용이하게 체결할 수 있으나 각 볼트의 체결 토오크를 일정하게 하여야 함으로 체결에

신중해야 한다 아울러 온도가 340가 넘는 고온의 경우에는 크리이프에 의한 볼트 체결하중의

저하로 누설 가능성이 많아진다 따라서 중요한 계통에의 적용은 플랜지 조인트면을 씰 용접하도록

한다-용접 연결

용접형 연결은 밸브의 크기나 사용압력 온도에 가장 경제적이면서 강한 구조로 누설 가능성을

근본적으로 제거한 신뢰성이 높은 밸브 몸통과 본네트를 영구히 연결하는 방법이다 용접형 연결

구조를 채택한 밸브는 보수가 근본적으로 어렵기 때문에 보수비용이 신규 제품의 교체비용보다 크게

예상되거나 보수가 거의 불필요할 정도로 밸브 신뢰성 및 계통신뢰성이 높은 경우에 채택하는 것이

좋다따라서 2Prime(50A) 이하의 소형밸브에 많이 채택한다 특히 탄소강이나 크롬-몰리브덴 합금강의 경우

밸브 몸통과 본네트의 용접은 용접부에 용접 잔류응력을 발생시키고 이로 인하여 용접부위의 경도가

밸브 몸통의 모재보다 높아진다 이 부위에는 입계가 자연히 조악해져 있음으로 석유화학공정용의

밸브중 황화수소와 같은 강부식성의 가스나 유체를 취급하는 공정에 사용되는 밸브는 절대로 용접

연결형의 밸브를 완벽하게 모재의 수준과 맞도록 후열처리를 하지 않은 상태로는 사용할 수 없다이러한 특수한 경우를 제외하더라도 크롬-몰리브덴 합금강의 용접 연결형 밸브는 당연히 후열처리

공정을 이행하여 부식등의 문제들을 해결해야 한다 그러나 밸브 스템이나 트림을 조립한 상태하에서

후열처리는 스템의 마찰력을 증대시키고 디스크와 시트의 시팅면에 산화를 가져올 수 있으므로

밸브의 성능 저하가 우려된다따라서 여러 가지로 장점이 많은 구조이지만 선정에는 매우 신중해야 할 것이다 그러므로

제어밸브나 고압용의 대형 밸브와 같은 고가의 밸브에의 용접 연결형 본네트 구조의 밸브 선정은

아무런 메리트도 없기 때문에 매우 특수한 경우를 제외하고는 선택되지 않는다-압력 밀봉식 연결

압력 밀봉식의 본네트 연결은 대형의 고압밸브에 있어서는 플랜지 연결방법에 비하여 매우 장점이

많은 구조이다 아울러 고온에서의 플랜지 볼트의 크리이프 완화와 같은 문제점이 근본적으로 없는 밸브 몸통과 금속과 금속의 접촉 구조를 갖고 높은 접촉압력으로 씰링함으로 씰 특성이 좋다 또한

밸브내의 계통압력이 조인트의 씰링 압력에 부가적으로 작용하기 때문에 압력이 높아질수록 씰링

특성이 좋아지는 특징이 있다 따라서 플랜지 조인트와 비교 밸브를 크게 경량화 할 수 있다 일반적으로 25Prime(65A)이상의 압력등급 ANSI 900이상에 채택하지만 밸브 크기에 따라 밸브의

경제성 문제로 8Prime(200A) 이상의 밸브의 경우 ANSI 600정도만 되어도 압력 밀봉식의 본네트를

채택하는 경향이 많다 단점으로는 밸브 몸통의 씰링면과 금속제 씰링 가스켓 그리고 본네트

면에서의 기계적 정밀도가 매우 높아야 하며 세심한 조립이 필요하다 아울러 이 씰링면에는 정확한

씰링 위치가 정해져 있지 않음으로 씰링면이 왜곡(Misalignment)되어 밸브 스템과 본네트가 서로

간섭하여 스템에 손상을 가져올 수 있으며 또한 패킹구조에 편심력을 발생시켜 밸브 운전이

불가능해질 수 있다 이러한 문제가 발생되면 다시 세심하게 조립해야 한다또 다른 단점으로는 상온상태에서 조립된 압력 밀봉 구조의 밸브가 압력 및 온도가 심하게 변동되는

계통에서 운전되는 경우 밸브의 씰링면에서의 기밀구조가 파괴될 가능성이 높아진다 이때 약간의

누설이 있고 이를 제거하기 위하여 다시 가스켓을 조일 경우 씰링면에 잔류해 있던 유체가

씰링구조면을 부식시킬 수 있으므로 한 번 씰링구조가 파괴된 압력 밀봉식 밸브는 이후 자주 누설될

가능성이 높아진다 따라서 이 방식의 밸브는 한 번 누설이 생기면 플랜지 연결 본네트에 비하여

보수가 어렵고 설사 보수를 하더라도 세심하고 정밀하게 정렬하여 조립해야 하며 이때 씰링

구조면에 부식이나 긁힘 등의 흔적을 완전히 제거한 후 해야 한다 그러나 최근에는 초고압으로 성형된 흑연 가스켓을 금속제 가스켓을 대신하여 채택함으로써 보수성을

대폭 향상시켰으나 고가인 관계로 대형 밸브의 경우 경제성이 금속제 가스켓에 비하여 떨어지므로

주로 4Prime(100A)이하의 소형밸브에 성형 순수 흑연 가스켓이 적용된다또 한가지 이 방식의 밸브에서 주의할 사항은 수압시험시의 최고 시험압력 조건과 실제 운전시의

최고압력이 상당한 차이가 남으로써(일반적으로 수압시험시의 압력과 실제운전시의 압력은 통상 약

25~351 이상이다) 실제 운전시의 고온상태와 시험 압력보다 월등히 낮은 압력에서의 운전으로

인하여 누설 가능성이 있으므로 시운전시 씰 가스켓 볼트를 조정해 주는 것이 좋다(2)시트와 시트링

밸브의 시트 및 시트링은 밸브의 유로조절면에 고정된 압력 경계로서 밸브의 차단 성능에 직접적인

영향을 주는 매우 간단하나 정밀한 부품이다 일반적으로 밸브의 성능을 말하는 중요한 요소로서

밸브의 내누설 특성(Seat Tightness)을 표시하는데 이는 시트의 구조 및 정밀도에 직접 상관된다따라서 시트구조가 약하거나 또는 밸브 구조의 강성이 부족한 경우 계통압력에 의해 시팅의

기밀특성이 약해질 수 있으며 구조상 구조적인 불연속부가 많기 때문에 온도 변화에 따른 열변형

(Thermal Gradient Distortion)문제 배관계로부터 전달되는 기계적인 하중(배관계의 열하중 기타

동적하중등)에 의해 시팅구조가 변형되거나 시팅 접촉력이 약해져서 누설이 생길 수 있다 구체적으로 게이트 밸브에서는 주로 배관계로부터의 굽힘 하중에 의해 글로우브 밸브의 경우에는

주로 밸브 자체내의 구조적 불연속부에서의 불균일한 열변형 및 배관계로부터의 굽힘 하중에 의해

시팅이 불확실하게 되어 누설되는 경우가 많다 따라서 배관계통 특히 고온의 대구경 배관에서는

밸브의 설치 위치가 밸브의 내부 누설에 미치는 영향이 큰 편이다왜냐하면 이러한 배관계에 있어서 밸브 끝단(밸브 노즐)에 작용하는 열하중은 배관계 위치에 따라 큰

차이가 있으며 밸브는 가급적 열하중 특히 열하중에 의한 굽힘이나 비틀림 하중이 적게 작용하는

위치를 선정하여 설치하거나 아예 밸브 노즐의 강성도보다 적은 하중으로 작용하도록 배관계통의

배관지지대 위치선정에 주의를 기울여야 한다 밸브의 설계에서 밸브 노즐의 강도는 압출하중으로서

연결 배관의 항복강도의 05 배가 밸브 노즐에 작용하고 굽힙하중으로서 10 배의 하중이 밸브

노즐에 작용하는 것으로 해석 설계한다그러나 이 기준은 원자력발전소용 밸브에 해당하는 것이고 일반 플랜트용이나 범용 밸브의 경우 이

기준이 적용되지 않기 때문에 앞서의 여러 가지 문제점에 주의를 기울여야 한다 결론적으로 매우

중요한 배관계통의 밸브 설치는 배관계통의 철저한 구조해석과 더불어 설치되는 밸브의 시스템적

구조적 강도를 배관계통내의 여러 부품중에서 가장 높도록 배관배치와 배관지지대의 위치 및

구조강도 설계를 해야 한다 그러나 밸브의 구조자체가 대칭적이고 밸브의 높이가 낮은 볼 밸브 플러그밸브 버터플라이밸브 등은 앞서의 글로우브 밸브나 게이트밸브에 비하면 연결 배관계의

하중에 보다 강한 구조적인 특성이 있다33회(975월호)-금속면과 금속면의 접촉에 의한 시트에서의 기밀 유지(Metal-to-Metal Seating)정밀하고 매끄럽게 연마된 디스크와 시트의 금속 접촉면에서는 선접촉형태로 기밀유지를 하도록 되어

있다 물론 재료의 탄성범위 이내의 접촉하중이 작용해야 하고 만약 이 범위를 넘게되면

소성변형으로 인하여 지속적인 기밀유지가 힘들어 진다 따라서 밸브의 시트와 디스크(또는 플러그)의

기밀유지 설계는 일면 매우 간단해 보이나 여러 가지 주의 깊게 고려해야될 사항들이 많다디스크나 시트의 손상이 없어야 하며 디스크-시트의 높은 접촉 압축압력을 백업할 수 있는 최소한의

접촉폭을 가져야 하며 일정하게 접촉될 수 있도록 해야 한다 제어밸브의 경우와 같이 구동력이

제한되는 경우 시트 조인트면(원주상의)에 작용하는 하중을 1 인치당 하중으로 표시하고 있는데 글로브형의 제어밸브는 인치당 25~600 파운드 레벨까지 실제 설계에 적용하고 있다 ISA(Instrument Society of American) 제어밸브 핸드북에서 시팅 하중은 다음과 같이 구분되어

있다①25poundsinch 저차압 운전으로 완전 기밀유지를 필요로 하지 않을 때

②50poundsinch 중차압 운전으로서 약간의 누설(01 of Cv[max])을 허용할 경우

③100poundsinch 고차압 운전(예로써 3000psi[dP]0015inch[width])으로써 누설이 거의 없음

④300poundsinch 완전 기밀유지(예로서 6000psi[dP]0025inch[width]의 고차압 씰 구조)⑤600poundsinch 완전 기밀유지(6000psi 이상의 고차압 씰 구조) 일반적으로

100~300poundsinch 의 경우 평균 접촉 압축강도가 13000~35000psi 정도로 이는 재료의

항복강도보다는 낮다또한 양호한 시팅 특성을 계속 유지하기 위해서는 시팅 표면에 긁힘(Galling)이나 부식에 의한 피팅

(Pitting) 등에 강한 재료가 필수적이다따라서 밸브의 시팅면은 스텔라이트와 같은 내부식성 및 내마모성이 뛰어나고 항복강도 및 경도가

높으며 이종금속 또는 동종 금속간에 친화력이 약한 재질을 용접하거나 브레이징하여 사용하는게

일반화되어 있다 긁힘이 일어나는 접촉강도는 Stainless 316L 317 및 347 과 같은

스테인리스강에서는 2000psi 부터 스텔라이트 No6 과 같은 강에서는 약 50000psi 에서 발생하나

유체중의 입자에 의해 이보다 훨씬 낮은 접촉강도에서도 긁힘이 발생할 수 있어 시팅 구조의 기밀

유지를 위한 시팅 하중은 무조건 높게 하는 것이 좋은 것은 아니다스텔라이트 No6 의 시팅구조에서도 접촉강도가 20000psi 를 넘지 않도록 해야 한다 글로브 밸브에

있어서 시팅형태(Seating Configuration)는 다음 그림에서 보는 바와 같이 4 가지 형태로 분류할 수

있다각 시팅형태를 A 형 B 형 C 형 D 형으로 구분하여 설명한다 A 형은 시트와 디스크의 접촉면이

평면상태에서 접촉하는 구조로써 주로 저압용에 사용된다이 형태는 시트와 디스크면이 정밀한 접촉을 요구하지 않는다 아울러 시트나 디스크의 표면에 긁힘의

발생가능성도 적은 이점이 있으나 고압이나 고차압의 경우에는 적용할 수가 없다B C D 형은 접촉면적이 적기 때문에 선접촉에 유사한 시팅구조를 갖고 있어 시팅 접촉압력이 높아

고차압의 서비스에 적합한 구조이다그러나 B 형의 경우 시트면이 너무 예각이므로 약간의 시팅하중으로도 시팅면 즉 선접촉에 의한 기밀

구조가 손상되기 쉽기 때문에 널리 쓰이지 않는다 일반적으로 C 형의 경우 시트의 각도와 디스크의 각도를 5~15 차이를 두어 시팅구조를 만들거나 D형과 같이 디스크의 시팅면을 원호로 만들어 시팅구조의 융통성을 기한 것이 시팅구조로 널리

채택된다-소프트 시팅(Soft Seating)소프트 시팅은 금속간의 시팅에 비하여 적은 힘으로 완전에 가까운 내부기밀을 유지하기 위하여

채택된다 그러나 소프트 시트구조라 하더라도 2 차적으로는 금속간 시팅이 되도록 시트구조를

설계해야 한다 소프트 시트의 재질은 탄력 복원성(Resilient)이 좋은 재질로써 온도 및 압력에 강한

재질특성을 가져야 한다특히 높은 차압에서도 이탈되지 않고 견디려면 소프트 시트를 잡아주는 구조에 세밀한 설계가

요구된다 설치하는 방법을 대별하면 디스크나 플러그에 볼트로 고정(Clamping)하는 방법과 시트나

시트링에 고정시키는 방법이 있는데 높은 차압이 발생하는 계통이거나 고온 서비스의 계통인 경우

보수성을 고려하여 가급적 디스크나 플러그에 설치하는 것이 좋다 소프트 시트를 채택할 경우 소프트

시트 재질의 올바른 선정과 밸브 시트 구조의 올바른 설계를 위하여 고려되어야 할 사항은 다음과

같다유체 화학적 특성 특히 부식침식성(Corrosion amp Erosion) 및 열화(Degradation) 시효경도 감소 시효에 의한 찌그러짐 특성 등

온도에 따른 열팽창에 대비한 여유를 고려

소프트 시트의 경도

체결 하중(체결했을 때의 늘어짐 분해했을 때의 복원성)인장 및 압축강도

내마모성

열에 대한 저항력 등

-시트의 고정방법(Seat Attachment)밸브 몸통의 시트 고정에는 다양한 방법이 채택된다 나사식 체결 고정 볼트 고정 몸통 일체형

용접형 브레이징형 클램프에 의한 고정(Quick Change Trim) 등이 사용된다 일반적으로 나사식

체결 고정은 밸브의 크기에 상관없이 채택 가능한 구조로써 시트 보수가 용이하고 제작이 용이한

구조이다몸통 일체형은 주로 소형의 밸브에 채택되는 구조로써 시트를 경도가 높고 내마모성 및 내부식성이

좋은 스텔라이트(Stellite)와 같은 합금을 육성 용접하여 시트로 한 것이다 시트의 기밀 특성이 매우

좋으나 보수성이 떨어지는 단점이 있다 브레이징 방법은 최근에 도입된 시트 고정 방법으로서

용접형에 비해 품질 및 경제성이 높다그러나 브레이징 용착은 별도의 시설과 공정이 전제되므로 아직 국내에서는 채택되어 있지 않다 클램프에 의한 퀵 체인지 트림(Quick Change Trim)은 주로 제어밸브와 같이 시트 및 플러그 등의

정기적인 점검 및 보수가 필요한 비교적 고가의 밸브에 적용한다다른 시트 고정 방법에 비해 고가이고 제작에 높은 정밀도를 요구하지만 구조상 다양한 유량특성을

가진 트림을 용이하게 채택할 수 있어 점차 많이 채택되고 있는 추세이다밸브의 시트 체결 구조는 시팅 하중에 충분히 견딜 수 있도록 설계되지만 밸브 내부의 구조적인

불연속부로 인하여 배관계로부터의 배관작용력 열변화에 따른 열천이 하중 내압에 의해 시트 체결

구조가 변형될 수 있다특히 몸통 일체형이나 나사 체결 고정의 경우 이러한 밸브 몸통의 변형에 의해 실제로 사용할 때에

시트에서의 누설이 생기는 경우가 종종 있다 높은 온도에서 운전되는 밸브의 경우 열변화에 의한

시트 체결 구조의 변형 가능성에 대비하여 시트구조 자체를 유연성 있게 설계 제작한 밸브도 있다(3)디스크와 스템의 연결 구조(Disc and Stem Connections)디스크와 스템의 연결 구조는 밸브 구동력을 디스크에 전달하는 역할을 하며 그 구조강도는 스템의

강도보다 높아야 한다 이 사항에 대해서는 미국석유학회(API)의 스템인장력 시험규정에 구체적인 시험방법과 평가방법이

언급되어 있지만 ANSIASME 코드 규정에는 이러한 사항이 규정되어 있지 않으므로 일부 밸브 제작

社는 이 연결구조의 강도문제를 API 규정대로 따르지 않는 경우도 많다연결구조는 고정형(Fixed Interal Type) 회전형(Free to Rotate Type) 및 측면 자유형(Laterally Floating Type)로 분류할 수 있다첫 번째 고정형의 경우는 스템과 디스크 또는 플러그를 일체형이나 나사 체결 또는 용접형으로 해서

스템과 디스크를 연결한다 이러한 연결 구조는 디스크가 회전할 수 없으므로 스템 또한 회전을 할 수

없다일반적으로 밸브 사양서에서 언급하고 있는 비회전식 스템 상승식(Non-Rotating amp Rising Stem NR amp RS)이 이러한 경우이다 그러나 글로브 밸브에서 고정형 연결구조는 필연적으로 스템이

회전하면서 상승하는 구조로 될 수밖에 없다다음에 구체적으로 설명하겠지만 스템이 회전하는 글로브 밸브의 경우 패킹과 스템과의 마찰 구조가

복잡하여 패킹에서의 내누설 안전성이 떨어지는 단점이 있다 주로 계장용 글로브 밸브 니들 밸브 및

가혹한 운전환경에 있는 블로우 다운용 밸브나 수동조작의 정밀한 유량제어가 필요한 밸브 등에

채택되며 모터구동이나 공압구동 등의 밸브에는 잘 사용되지 않는다특별히 이 구조의 밸브에서 운전상 또는 선정상 고려해야 할 점으로는 과도한 시팅 하중이다과도한 시팅하중은 디스크와 시트간에 긁힘(Galling)이나 장기간 닫혀 있을 때 시트와 디스크간의

재질 친화에 의한 피팅(Pitting)으로 인하여 시트면이 손상될 수 있는 것은 물론이고 스템에 과도한

비틀림 모멘트와 좌굴하중으로 인한 밸브 구조의 손상이 있을 수 있음으로 주의해야 한다 두 번째는

회전형으로서 일반적으로 글로브 밸브나 비상승식 스템 게이트 밸브(Non-Rising Stem Gate Valve)에 자주 채택되고 있는 연결 구조로 스템이 회전식일 경우이다이 연결 구조는 스템과 디스크간에 얼마간의 간격이 있기 때문에 스템의 바인딩(Stem Binding 스템이 본네트 스템가이드에 끼어서 운전불능의 상태)을 예방할 수 있고 아울러 디스크가 시트면에

제대로 자리 잡을 수 있어 시팅성이 양호하다 그러나 계통운전성 차압이 큰 경우 디스크가 심하게

회전(Spinning)할 가능성이 높기 때문에 이를 방지하는 구조를 스템 또는 디스크에 설치하도록 한다심하게 스피닝하면 스템의 연결구조가 손상을 입게 되는데 이러한 밸브 문제 사례는 글로브 밸브에

있어서 의외로 많이 발견되므로 밸브 선정시 이 부문도 심도 있게 고려해야 할 것이다 세 번째는 측면

자유형으로서 게이트 밸브에 거의 모두 적용되는 디스크-스템 연결 구조이다 디스크에 T 형 슬롯

(Slot)을 만들고 이 슬롯에 T 자 모양의 사각형 머리를 가진 스템을 연결하는 것이다 따라서 스템은

비회전이 되고 이 부분에 여유가 있어 디스크의 시팅이 부드럽게 된다34회(976월호)(4)디스크와 스템 안내(DiscStem Guide Types)디스크 또는 플러그 및 스템의 안내는 밸브 기능의 유지에 있어서 중요한 설계 포인트이다 디스크와

스템의 안내 형식은 다음과 같은 것들을 들 수 있다 즉 웨지 게이트 가이드(Wedge Gate Guides) 스템 가이드(Stem Guides) 몸통 가이드(Body Guides) 및 케이지 가이드(Cage Guides 또는

DiscPlug Guides)등이 있다 각 안내 방식의 장단점은 다음과 같다웨지 게이트 가이드

이 가이드 방식은 게이트 밸브의 디스크 안내 방식으로 채택되고 있다 이러한 안내를 함으로써

디스크가 시트링 면에 마모가 거의 없이 정밀하게 안착되도록 하는 것이다그러나 시트링 면에 디스크가 미끄러지면서 시팅되므로 시팅 구조의 경도가 낮거나 이물질의 인입

등으로 긁힘(Galling)이 생길 수 있으므로 게이트 밸브에 있어서는 시트링이나 디스크의 시팅면은

스텔라이트 등으로 하드페이싱 용접(Hardfacing Welding Over-laid with Hardfacing Materials)을 해주어야 한다스템 가이드

스템이 부싱(Bushing)을 끼워 스템을 안내하는 방식으로 대형 수동 글로우브 밸브나 선박용의 밸브에

많이 쓰인다 디스크시트가 두 개인 더블 포트의 밸브에는 상부 백시트 부위 및 하부 스템

지지부싱으로 스템을 안내한다 특히 앵글형 글로우브 밸브의 경우에는 측면으로 심한 유체하중을

받기 때문에 스템 가이드는 필요하다디스크 가이드(GageDisc Guide)이 방식의 가이드는 글로우브형의 제어밸브 및 안전도피밸브(Safety amp Relief Valve)에 가장 널리

채택되는 방식이다 가이드 방식중 가장 정밀하고 안전성이 높다 아울러 보수성도 좋다그러나 제작 코스트는 비교적 다른 형식의 가이드에 비하여 높은 편이다 디스크 가이드에 대한

구체적인 밸브 공학적 설명은 이미 22항 밸브의 구조에서 언급하였다 글로우브 밸브에서는 디스크케이지 가이드 방식이 가장 권장할 만하다(5)밸브의 주요 악세사리(Valve Accessories)밸브의 주요 악세사리로는 핸드휠 오버라이드(Handwheel Override) 스템 릭-오프(Stem Leak-off) 리미트 스위치류(Limit Switches) 바이패스(Internal and External By-pass) 본네트

익스텐숀(Bonnet Extension) 임팩트 함마블로우 체인구동 핸드휠(Impact Hammerblow and Chain Operated Handwheel) 방화구조의 밸브 등이 있다

스템 릭-오프는 스터핑 박스(Stuffing Box)내에 패킹챔버(Packing Chamber)에 직경 6~12mm 의

구멍을 뚫어 부가적인 씰링을 도모하는 것으로서 진공배관인 복수기 연결 배관 시스템인 경우에는 이

릭-오프 배관을 통하여 물을 공급함으로써 진공도가 떨어지는 것을 막고 반면에 유동유체가 고가의

유체를 취급하는 수송배관에는 스터핑 박스의 패킹에서 누설될 수 있는 유체를 따로 포집하여 배관

계통의 안전성을 도모하는 경우에 이를 채택한다바이패스는 특히 게이트 밸브에서 이상승압(Pressure Locking)이 예상되거나 밸브간 차압이 너무

커서 운전 조작시 어려움이 예상될 때 밸브의 공동부(Cavity)와 밸브의 출구측이나 출구 배관에 2(50A)이하의 소구경 배관을 연결하는 것으로써 주로 고온 고압용 배관계통에 적용한다 필자는 고온

고압용의 4(100A)이상의 중요 계통(특히 증기배관)의 게이트 밸브에는 이 바이패스 배관과 밸브의

설치를 권고한다(6)밸브 스템의 밀봉 방법(Valve Stem Seal)밸브 스템의 씰링방법은 유연성(Flexible)있는 금속재 또는 비금속재의 다이아후램(Diaphragm)이나

벨로우즈(Bellows)를 이용하여 유체와 스템을 근본적으로 씰링하는 방법과 기존의 패킹구조를

사용하는 패킹씰링의 방법 등 크게 두 가지 방법으로 구분한다 후렉시블 메탈 씰링(Flexible Metal Sealing)벨로우즈 씰링 방식과 메탈 다이아후램 씰링 방식이 있다 이러한 메탈 씰링은 밸브 외부로의

완전무누설을 도모하는 것으로 최근의 미국 대기환경법규(Clean Air Act CAA)에 의한 휘발성

유기물질(Volatile Organic Compound VOC)의 대기방출 규제(용적비로 500ppm 이하)는

물론이고 캘리포니아주의 완전무누설 밸브의 채택 강제 규정에 따라 점차 이들을 채택한 밸브의

중요성이 강조되고 있다다음호에서는 특별히 대기환경 법규에 따른 미국의 VOC 방출규제를 구체적으로 설명하고자 한다 우리 나라도 여천공단이 특별히 대기 환경보호의 특별지구로 지정되어 있는 만큼 이의 이해는 매우

중요하다①메탈 다이아후램 방식은 원형의 얇은 판재에 곡호(穀弧)를 만들고 이들을 여러 겹 쌓아 밸브의

본네트에 클램핑하거나 씰 용접하여 유체의 누설을 차단한다 다이아후램의 곡호가 가질 수 있는

변위량은 판재의 지름에 따라 다르나 항상 탄성영역 이내에 있어야 함으로 크게 제약을 받게된다 다이아후램의 재질에 따라 다르겠지만 다이아후램의 원직경을 D 곡호의 반경을 R 그리고 허용

변형량을 d 라고 하면 RD=15 이상이어야 하고 dD=008 이내로 하여야 한다 그러나 여러 개의

다이아후램을 겹쳐 놓을 때는 각 판의 변형 거동이 각기 다르게 되므로 각 판 사이에는 특수한 고온

윤활재가 필요하고 아울러 변형량도 줄어들게 마련이다통상적으로 다이아후램의 이러한 특징으로

말미암아 메탈 다이아후램 밸브의 스템 행정(Stroke)은 최대 10mm 가 넘지 않으며 밸브의 크기도

이에 따라 통상 2(50mm)이하가 일반화되어 있다 다이아후램 밸브의 트림구조는 다이아후램이

디스크와 스템을 메탈 다이아후램이 구분하고 있기 때문에 디스크와 시트 디스크를 잡고 있는 디스크

스프링 및 디스크가 회전되지 않도록 하는 베어링 뭉치 등으로 구성되어 있다밸브를 닫을 때는

스템의 힘으로 하지만 열 때는 디스크와 연결된 스프링으로 다이아후램을 밀면서 열게 된다 메탈

다이아후램 밸브에서 주의할 사항은 오직 완전 열림과 완전 닫힘의 개폐용으로만 사용하여야 한다는

것이다 이는 유체의 맥동 등으로 인하여 다이아후램의 클램핑 원주부위에 심각한 피로 파괴를 일으킬

수 있기 때문이다 메탈 다이아후램 밸브는 유한 수명을 가진 밸브이기 때문에 주기적으로 점검하고 정기적으로 교체해 주어야 하는 밸브이다 이러한 문제점으로 인하여 최근에는 그 사용빈도가 급격히

줄어들고 있다 ② 금속제의 주름관인 벨로우즈는 축방향의 신축량을 조정할 수 있으며 주름겹을 늘려

높은 압력에도 견딜 수 있어 최근에 완전무누설 밸브로써 가장 많이 채택되고 있는 밸브이다

벨로우즈의 제작방법은 수압력에 의한 성형방식(Hydroforming Type)과 얇은 원형판의 끝단을

용접한 용접형(Welding Leaf Type)이 있다 벨로우즈 밸브는 완전무누설의 밸브로서 독성유체

(Toxic) 방사선 물질(Radioactive) 휘발성 유기화합물질(Volatile Organic Compounds) 중수와

같이 매우 고가의 유체계통에 널리 쓰인다 벨로우즈 밸브의 구조적 특징은 스템이 회전하지 않는

NRampRS 구조이다 현재 국내에서는 한국 씰 마스터에서 용접형 벨로우즈를 생산하고 있으며 (주)에스제이엠에서 성형 벨로우즈를 생산하고 있다 용접형 벨로우즈는 성형식에 비하여 단위 길이당

변형량이 많아 밸브를 콤팩트하게 제작 가능하고 ANSI CLASS 1500까지 공학적으로 생산

가능하지만 고압용으로 갈수록 제작이 매우 어려워진다 이유는 얇은 판을 3 매 이상 완벽하게

용접하기에는 기술적으로 어려운 점이 많기 때문으로 매우 고가이다 반면에 성형의 벨로우즈는

용접형에 비하여 크지만 대량 생산이 가능하고 불량률이 적으며 ANSI CLASS 2500까지 제작이

가능하므로 비교적 밸브에 널리 채택되고 가격 또한 비교적 저렴하다 현재 국내업체에 의한

벨로우즈 제작은 ANSI CLASS 900까지 가능하다 현재 우리 나라의 산업계에서는 이 벨로우즈

밸브만으로도 연간 약 800 만달러(약 80억원)이상을 수입하여 사용하는 것으로 파악되고 있다(7)밸브 스템의 패킹(Valve Stem Packing)밸브에서 가장 큰 문제는 밸브 스템 패킹에서의 누설문제임은 두말할 나위가 없다 스템 패킹에서의

누설문제는 실제로 밸브의 보수비용을 증대시키고 밸브의 운전 신뢰성을 저하시키는 직접적인

요인이다 따라서 근래의 밸브 기술은 밸브의 유량 특성의 연구보다는 밸브 스템 패킹의 성능향상

또는 개선에 대한 연구가 주된 포인트가 되어왔다1980 년대 초반 밸브 패킹의 주요 재료로 사용되어 왔던 석면(Asbestos)이 인체에 치명적인 폐종양

암을 일으키는 발암물질로 밝혀진 이후 석면보다 탄력성(Resilient)이 양호하고 성형성이 좋은 흑연

(Graphite)을 사용해 오고 있다35회(978월호)(7)밸브 스템의 패킹(Valve Stem Packing)패킹의 밀봉 특성 형식(Sealing Action Charcteristics)에 따른 구분

-압박력에 의한 밀봉 패킹(Lip Type Pressure Energized Packing)-상호 간섭효과에 의한 밀봉 패킹(Interference Type Seal O-Ring)이들 패킹의 밀봉특성은 패킹 제작사의 끊임없는 기술경쟁의 결과로 패킹 재질은 물론 패킹의

성형구조를 개선하여 슈트블로워(Sootblower)형 쐐기(Wedge)형 체브론(Chevron)형 등

기본적으로 고순도의 흑연을 매우 높은 압력으로 성형한 압박력에 의한 밀봉 패킹이 계속 상품화되고

있다현재 밸브 스템의 밀봉에 가장 널리 적용되는 패킹의 밀봉 특성형식은 압축형 패킹으로서 편조(編組 Braided)된 또는 미리 압축시킨 유연성과 탄성복원력(Resilient)이 뛰어난 밀봉재로 밸브의 스터핑

박스내에 미리 사각 단면으로 성형된 밀봉재를 넣고 패킹 글랜드(Packing Gland)로 가압하여

밀봉이 되는 것이다이 패킹의 특징은 밀봉 특성의 지속적인 유지를 위해서는 외부의 가압력이 계속 유지되어야 한다는

것이다 따라서 주기적인 패킹 글랜드의 조임 상태를 점검해 주어야 하는 단점이 있다이에 반해 립타입 브이 패킹(Lip Type V-Packing)은 밀봉구조 자체내에 압박력의 생성이 가능하도록

하여 비교적 적은 외부 힘으로도 밀봉에 필요한 가압력을 얻을 수 있도록 한 것이다 또한 이 구조는

밸브의 계통압력이 상승하면 V 형상의 구조에 따라 밀봉력이 증가되는 구조이기 때문에 고압 유체의

밀봉에 좋은 영향을 미친다 따라서 압축 밀봉 패킹에 비하여 유지보수 노력이 절감될 수 있다

패킹 밀봉 이론

패킹의 밀봉 이론에 대한 체계적인 연구는 1947 년 영국 조달청의 의뢰에 의한 White 와 Denny 에

의한 연구이다 이 연구는 패킹구조의 밀봉력을 체계화하기 위한 실험으로써 밸브의 사용압력과 패킹

글랜드의 가압력 관계를 규명하고자 했던 연구이다 다음의 [그림 108]은 이 실험에 사용된 장치의

개략도이다이 실험결과 패킹 글랜드의 가압력은 패킹 누르개(Gland Follower)에 가까울수록 지수적으로 큰

가압력을 가지고 있으며 이 가압력의 힘의 성분은 대부분 레디얼방향의 레디얼압력(Radial Pressure)으로 분포된다 이 레디알 압력은 밸브의 운전압력(System Pressure)보다 큰 경우에

한하여 밀봉 역할을 할 수 있다[그림 110]은 연구결과 요약된 이들 밀봉력의 힘 분포를 보여주고 [그림 111]은 가압력 Po 와 유체

계통압력 Ps 와의 관계에서 씰링점(Sealing Point)을 보여주고 있다그간 밸브 패킹의 다양한 연구에서 언급되어 왔듯이 패킹 깊이가 깊다고 씰링이 잘 된다는 것은

잘못된 생각이다 [그림 111]에서 보는 바와 같이 흑연패킹의 경우에는 탄력성 및 복원력 특성이 매우

좋기 때문에 패킹 깊이가 짧은 것이 깊은 것에 비하여 씰링특성이 오히려 좋다패킹 깊이가 깊을수록 스템에서의 운전 토오크 및 트러스트가 커지게 되어 오히려 밸브의 스터핑 박스

구조가 커져야 하며 차후 패킹교체(Repacking)의 경우에도 여러 가지 문제점이 돌출된다 예로서

미국의 콘발(Conval Inc)과 같은 고압밸브 제작사는 패킹 재료는 점차 고순도의 흑연패킹으로 하고 패킹 길이는 오히려 줄이는 경향의 패킹설계를 하고 있다 따라서 패킹 깊이가 길게되면 랜턴링

(Latern Ring)을 사용해야 한다최근 미국을 중심으로 한 전세계적인 대기환경 보호 운동과 이에 따라서 IOS 14000 과 같은

환경보존에 대한 국제적인 규정이 제정되었다 미국의 경우 연방대기정화법(Clean Air Act)이

강력하게 시행되고 있고 각 국가별로도 대기환경을 오염시키거나 화재 등 위험성이 매우 많은 휘발성

유기화합물(Volatile Organic Compound VOC)의 외부 누설은 엄격하게 제한하고 있다 미국의

환경보호청(Environmental Protection Agency EPA)에서 규정한 내용을 보면 배관계통의 밸브나

프랜지에서의 외부 누설량은 500ppm 으로 규정하고 있다특히 캘리포니아주와 같은 경우는 올해부터 신규로 건설되는 189 종류의 유해 VOC 관련 플랜트의

밸브는 거의 누설을 허용하지 않는(Phase Ⅲ 로써 100ppm 이내) 구조의 밸브이어야 한다고 되어

있다 따라서 미국에 밸브를 수출하려면 우선적으로 EPA 에서 규정한 휴지티브 에미션(Fugitive Emission) 500ppm 의 조건을 만족하는 밸브이어야 한다 우리나라 밸브업계에서도 이에 대한

관심이 점차 높아지고 있으나 현재의 밸브설계수준 및 제작자의 안이한 상황

대처와 전문 기술인력의 부족등을 고려할 때 매우 심각한 밸브기술의 문제점을 갖고 있는 분야이다 휴지티브 에미션과 VOC 의 누설량 시험 및 이에 따르는 무누설을 전제로 하는 패킹에 대한 이론적인

자세한 배경은 별도로 기고할 예정이다흑연패킹

1980 년대 중반이후 석면이 인간에게 치명적인 폐종양을 일으키는 중대 공해물질로 발표된 이후

밸브의 석면 패킹을 대체하는 패킹재료로 흑연이 수많은 연구결과 가장 우수한 패킹재료로 밝혀져

사용되기 시작하였다 특히 고온하에서의 석면패킹을 대체할 수 있는 유일한 패킹재료로 판정된 이후

흑연제 패킹은 밸브의 표준 패킹재료로 자리잡았다 흑연패킹은 패킹재로써 다음과 같은 장단점을

갖고 있다-낮은 마찰(摩擦)계수(09 이하)

-자체 윤활제 역할 수행가능

-레진 충진재 또는 결속재(Binders Fillers or Resins)가 필요 없이 성형 가능

-액체 및 가스가 흑연재에 침투할 수 없는 안정화된 재료

-고온 및 저온의 유체하에서 유연성 유지 가능(낮은 크리이프 이완율 Low Creep Relaxation)-내부식성

-온도천이와 같은 온도변화에 거의 영향을 받지 않는 물성치

-양호한 온도전달 특성

-산화조건하에서 -200~500까지 불활성 가스 조건하에서 3000까지 사용가능

-강력한 내산성 및 내알카리성(사용 Ph범위1~14)-높은 압력에 의한 고밀도 성형(70~110lbfft3)이 가능하고 아울러 유연한 리본상태의 성형도 가능

-내방사성 특성(패킹재료 중 가장 안전한 내방사선 물질임)36회(979월호)소프트 패킹

소프트 패킹은 플라스틱 또는 테프론 계열의 에라스토머(Elastomers)를 재료로 한 패킹 재료로서 주로 낮은 온도에서 사용된다이 중 테프론 계열의 패킹인 경우는 180이하의 온도에서 사용할 경우 매우 뛰어난 내식성과

저마찰력 높은 탄성력을 가지고 있기 때문에 패킹재로써 좋은 재료이다최근에는 에틸렌프로필렌(Ethylene Propylene)계의 EPDM 도 개발 사용되고 있지만 EPDM 은

석유제품에 약하기 때문에 적용에 유의하여야 한다 스템 및 스터핑 박스 설계

밸브의 패킹성능에 영향을 미치는 요인을 스템과 스터핑 박스 설계 측면에서 요약하면 다음과 같다-패킹 글랜드의 가압력 및 가압구조

-패킹재의 구성 성분 기계적 성질 물성치 패킹재의 형상

-밸브의 운전빈도(스템의 운동량)-배관계통의 압력 온도 유체의 특성

-스템 및 스터핑 박스의 표면 거칠기

-스터핑 박스의 깊이 및 직경

-스템 글랜드 누르개 스터핑 박스의 치수 간섭 공차

-밸브 스템의 설치 방향

-진동의 유무

라이브 로딩 패킹 글랜드(Packing Gland Load by Live-Loading)밸브패킹은 사용중의 마모나 시간에 따른 내부 탄력성의 저하등으로 패킹 글랜드의 씰링압력이

떨어져 글랜드 패킹에서 누설이 생길 가능성이 높아지게 된다 패킹의 씰링구조는 초기에 조금이라도

파괴되면 매우 빠른 속도로 씰링 구조 전체가 파손되어 누설을 급속도로 야기하므로 씰링구조의

보존은 초기부터 매우 중요하다더욱이 흑연패킹의 경우 초기 씰링구조의 사소한 손상도 허용되어서는 안된다이에 대한 사항은 지난호에서도 언급하였듯이 유체의 압력이 패킹의 레디얼 압축압력보다 크게 되는

즉 글랜트 볼트 너트의 이완이 아니라 패킹구조의 탄력성(Resilient) 저하가 원인이 되는 것이다이러한 패킹재의 시효에 따른 내부 탄력성의 저하나 사용에 따른 마모 등의 문제로 패킹구조의

씰링압력의 저하를 지속적으로 유지시키기 위한 방법으로 [그림 113]과 같이 글랜드 볼트에 접시

스프링을 삽입하여 일정한 힘을 패킹 가압력으로 유지시키는 방안이 캐나다의 CANDU 원자력발전소에서 1970 년대 초기 Velan 에 의해 도입되었다즉 접시 스프링의 탄성 압축량만큼의 에너지가 항상 패킹 가압력으로 작용하도록 한 구조이기 때문에

명칭을 Live Loaded Stem Packing 또는 Live Loaded Packing이라고 통칭하고 있다이 Live Loaded Packing 에 대한 보다 체계적이고 구체적인 연구는 1982 년부터 미국 전력 연구소

(Electric Power Research Institute EPRI)에 의해 시작되어 이에 대한 최종 보고서는 EPRI-NP-5697 로 제출되었다이 보고서는 Live Loaded Stem Packing 에 대한 매우 구체적인 이론 및 실무 보수 운전에

이르기까지 라이브 로드 패킹의 거의 모든 사항이 열거되어있다[그림 114]에서 보는 바와 같이 라이브 로딩이 없을 경우에는 콘솔리데이션이 밸브 운전에 따라

급속히 진행됨으로 패킹실링 압력이 급격하게 저하되어 누설이 되기 쉽다라이브 로딩 패킹의 가장 유용한 기술안내는 앞서 언급한 EPRI-5697 로서 모든 밸브에 이 방식의

스템 패킹구조가 적용 가능하다 라이브 로딩 패킹에 쓰이는 스프링은 접시 스프링(Belleville Spring)으로 [그림 115]와 같다이 스프링은 변형률 대비 스프링 강성도가 높고 매우 소형 경량으로도 요구하는 하중을 관리할 수

있어 라이브 로딩 스템 패킹용으로 안성맞춤이다스터핑 박스

흑연 패킹과 라이브 로딩 패킹의 연구가 시작되기 전까지 오랜 기간동안 거의 모든 밸브 제작자들

사이에 스터핑 박스는 깊은 것이 좋다는 것이 일반적인 인식이었다깊은 스터핑 박스는 스템 누설을 보다 효과적으로 제어할 수 있다고 판단하여 심지어 패킹링을 12개씩이나 넣도록 설계된 밸브도 많았다 따라서 밸브 몸통은 커지고 패킹 글랜드 볼트도 커져야

했으며 스템과 패킹 마찰 면적이 넓어 밸브 운전에도 큰 힘이 필요하였다 그러나 흑연 패킹으로

패킹재료가 전환되는 과정에서 밸브 패킹에 대한 심도있는 연구 결과 패킹 구조내에서 밸브 스템

누설에 직접적으로 관계되는 씰링 가압력은 패킹의 가압에 의해 생기는 레디얼 성분의 가압력으로서

이 가압력이 밸브의 계통압력보다 클 경우에는 누설이 생기지 않는다아울러 가압력은 패킹 글랜드 플랜지에서 패킹 깊이 거리의 함수로서 지수적으로 변화하기 때문에

이제는 밸브의 스터핑 박스의 갚이가 낮아도 충분한 기밀특성을 갖게 됨을 알게 되었다현재 잘 성형된 높은 순도(99 이상)의 흑연 패킹인 경우 3~4 개의 패킹링 만으로도 씰링 특성이

충분히 유지된다 스터핑 박스의 깊이가 깊을수록 다음과 같은 문제점이 예상된다특히 구형밸브 즉 스터핑 박스의 깊이가 큰 밸브의 경우 이들 문제점은 패킹 보수시의 어려움을

더한다-글랜드 볼트의 조임력이 패킹 각 부위에 골고루 전달되기 어렵다-패킹의 마모나 성분의 휘발등으로 콘솔리데이션이 크게 일어난다 특히 많은 수의 패킹링을 사용하기

때문에 콘솔리데이션의 양이 커질수록(장기간 사용) 글렌드의 조임력은 이완되어 누설이 생긴다-패킹부의 보수시 세척작업 새 패킹 설치 등의 모든 보수작업이 매우 어렵다이들 문제점은 스터핑 박스의 깊이를 조정하여 설계하거나 기존의 밸브 보수시에는 금속제 또는 카본

스페이셔(Spacer)를 삽입하여 패킹 높이를 조정한다실험경과에 의하면 밸브의 패킹 조합은 양 끝단에는 편조된 유연한 흑연패킹으로 하고 중간 부위에는

3단의 고밀도 성형 흑연패킹으로 구성된 5단 패킹조합이 가장 양호한 것으로 보고되고 있다 이러한

구조의 경우 스템이 가공정밀도(진원도 표면거칠기)와 스터핑 박스의 표면 가공정도가 실질적인 주요

누설요인이 되게 된다스템 부식 방지재(Stem Corrosion Inhibitor)밸브 스템의 부식이나 피팅(Pitting 점식)은 패킹재 구조의 파괴를 급속히 진행시킨다특히 마르텐사이트 계열의 저크롬 스테인리스강(400 Series)은 오스테나이트 계열의 고 크롬

스테인리스(300 Series)강에 비하여 점식부식의 정도가 심하다 열처리된 17-4 PH강(ASTM A564 TP630)의 경우는 점식부식에 가장 강한 재질로 알려져 있다밸브는 제조 후 수압시험을 한 후 설치되기까지 패킹재가 젖어 있는 상태로 장기간 보관되는 것이

일반적이기 때문에 패킹재에 불순물로 존재되어 있는 부식인자들이 스템에 점식을 일으키는 사례가

많다 아울러 밸브의 저장 보관중에도 습기와 부식인자의 침입이 일어나기 때문에 스템의

점식부식방지재(Stem Corrosion Ingibitor)는 필수적이다 부식방지재로서 다양한 종류의 그리이스(Grease)가 사용되고 있으나 이는 근본적인 부식방지재는

아니다 현재 적용되고 있는 부식방지재로 쓰이는 보다 효과적인 부식방지재는 스템의 점식부식이

진행되기 전에 방지재 자체가 산화되는 소모성의 방지재(Sacrificial Corrosion Inhibitors)이다 이

방지재의 주성분은 아연과 알루미늄으로 아연이 알루미늄에 비해 부식방지에 보다 효과적이다 일반적으로 가루형태로 패킹재료에 혼합하여 사용하거나 와샤 형태로 패킹세트와 함께 사용한다 하지만 가장 좋은 사용방법은 고형 아연상태의 와샤로 하여 패킹 세트와 함께 사용하는 것이다 밸브스템의 점식부식방지재로서 최근에 개발된 것은 앞서 아연이나 알루미늄의 산화(희생)에 의한

능동적인 스템 점식부식방지가 아닌 흑연패킹자체에 바리움 몰리데이트(Barium Molybdate)와

같은 윤활성 및 내부식성의 재질을 혼합하여 사용하는 것으로서 산화물질의 발생이 없어 패킹의

압축력이 저하되지 않는 큰 장점이 있으나 가격이 비싼 것이 흠이다37회(9710월호)(8)밸브용 가스켓(Valve Gaskets)밸브에서의 외부 누설 방지장치로는 밸브 패킹시스템과 더불어 볼티드 본네트(Bolted Bonnet)형

밸브의 가스켓 씰링(Gasket Sealing)이 있다밸브 패킹이 동적인 구조의 씰링이라면 가스켓 씰링은 정적인 구조의 씰링이다 따라서 가스켓 씰링은

일반 배관시스템의 플랜지 조인트(Flange Jount)와 씰링구조가 똑같기 때문에 기준이 될 수 있는

대표적인 산업규격은 ASME Sec Ⅷ Division 1 Appendix 2 가 있다 특히 최근의 엄격한

대기환경의 보호정책으로 인하여 모든 배관계통의 누설문제는 매우 중요한 기술적 토픽이

되어있으며 이에 따라 가스켓 씰링에 대한 기술적인 접근방법이 점차 엄격해지고 있다가스켓 씰링에서 누설은 가스켓에 있어서 과도한 압축응력이나 또는 부족한 압축력에 의해서 생기는

것으로 가스켓의 재질 가스켓의 구성방법 두께 및 가스켓 씰링의 폭 조인트면의 형상등에 따라 어느

정도의 압축력을 주어야 하는가가 기술적인 관건이다가스켓 설계에 있어서는 가스켓의 계수(m)와 최소 설계시팅압력(Minimum Design Seating Stress)값인 y 가 중요하다 여기서 가스켓 계수(m)는 가스켓 조인트를 완벽하게 하기 위한 압축력에

대한 계수이다 즉 유체의 압력을 Pf 라 하고 가스켓의 조임압축력을 Pg 라고 할 때 유체가 누설이

개시되려고 하는 때의 조임압축력 Pg 에 대한 Pf 의 비율(m=PgPf)을 말한다 가스켓의 조임력을

간략하게 구하는 방법은 다음을 참고로 한다가스켓의 종류

밸브용 가스켓으로 널리 쓰이는 가스켓의 종류로는 판형금속제 가스켓(Flat Metal Gaskets) 판형

비금속금속 자켓 가스켓(Flat Nom-Metallie and Metal Clad or Jacketed Gaskets) 및 스파이럴

와운드 가스켓(Spiral Wound Gaskets)이 있으며 일부 고압산소 및 수소용 밸브에서 타원형의

링조인트(Ring Joint)나 오발링 조인트(Oval Ring Joint) 가스켓이 쓰인다-판형 금속제 가스켓(Flat Metal Gaskets)이 가스켓은 플랜지 조인트에 비해 무른 재질 즉 알루미늄 구리 황동 연철 또는 스테인리스강으로

제작하며 대략의 경도차는 플랜지 조인트 경도에 비해 적어도 HB 30 이상의 차이를 가진 것이어야

한다 이 판형 금속제 가스켓은 설치하면서 시팅 표면에 고정되도록 해야 하기 때문에 상당히 높은

조인트 볼트 하중과 더불어 높은 시팅응력을 요구한다 가스켓 계수 m 과 최소설계시팅 압력 Y 는 [표1]과 같다판형 비금속금속 가스켓(Flat Nom-MetallicMetal Clad or Jacketed Gaskets)비교적 낮은 압력의 시팅력으로도 씰링을 유지할 수 있도록 고무나 합성수지를 얇은 금속제 판으로

크래딩한 것으로 고온고압용에는 적합하지 않다대략적으로 압력등급은 300이하에서 사용온도는 200 이하의 경우에 채택할 수 있다 가스켓

계수는 25~375범위 최소 설계시팅압력 Y 의 값은 200~620(N)으로서 판형 금속제 가스켓에

비하여 매우 낮다-스파이럴 와운드 가스켓(Spiral Wound Gaskets)이 가스켓은 밸브의 조인트에 있어서 가장 널리 채택되고 있다 이는 판형 가스켓 등에 비하여 매우

양호한 탄성 복원력과 함께 적절한 가스켓 계수 및 시팅압력 y값을 갖고 있기 때문이다 따라서

열변화가 심한 경우나 배관계의 탄성변형에도 적절하게 대응할 수 있다스파이럴 와운드 가스켓은 금속(통상 V 형을 옆으로 뉘인 상태)과 비금속의 테이프를 나선형으로

감아서 내주측(內周側 Inner Side)과 외주측(外周側 Outer Side)에 금속판 테이프가 오도록 만든

가스켓으로 금속의 탄력성 및 강도를 비금속의 윤활성 및 탄성 유지력과 결합하여 만든 것이다 일반적으로 금속 테이브를 테이프(Tape) 또는 후프(Hoop)라고 부르고 비금속 테이프를 휠러(Fillar)라고 부른다 후프로는 스테인리스 304316 계열이 널리 쓰이고 휠러 또는 충진재로는 테프론이나

흑연 또는 석면 등이 널리 사용되고 있다 [그림 116]은 스파이럴 와운드 가스켓의 기본적인

제작형상을 보여주고 있다 여기서 내륜부착 또는 외륜부착의 스파이럴 와운드 가스켓은 가스켓

구조의 강도를 유지하고 아울러 최적의 가스켓 장착이 될 수 있도록 한 것으로 주로 고온고압용의

내압성이 중요시 되는 계통에 적용한다휠러재료에 따른 사용압력 대 사용온도는 [표 2]를 기준으로 한다 아울러 가스켓 계수 m=30 이고 최소설계시팅압력 y=689N 이다가스켓의 선정

가스켓의 선정은 밸브에 있어서 다음과 같은 순서로 가스켓의 선정을 추천한다① 사용조건의 확인 및 검토

-유체의 종류

-유체의 압력온도

-플랜지 조인트의 형상

-볼트 사양(갯수 크기 재질)②필요 체결압력 및 볼트사양에 따른 체결 토오크 검토

③ 가스켓 사양의 결정

④ 가스켓 체결사양의 결정

가스켓 체결사양의 간이 결정법

가스켓 특히 가장 널리 사용되는 스파이럴 와운드 가스켓(스테인리스 후프 흑연 충진)의 체결 사양을

결정하는

방법을 간이식으로 간단하게 표현하면 다음과 같다① 계산에 필요한 가스켓 체결 볼트 하중의 계산법

우선 사용상태에서의 볼트하중(Wm1)과 가스켓 사양에 따른 체결 볼트의 하중(Wm2) 중 큰 값을

선택한다 사용상태하의 볼트하중(Wm1)Wm1 = π4G2P + 2πbGmP = πGP4(G + 8bm)가스켓 사양에 따른 볼트 체결하중(Wm2)Wm2 = πbGy여기서G 가스켓의 평균 직경(mm)b 가스켓의 유효폭(mm) 단 하중을 직접 받는 폭

m 가스켓 계수(m=30)P 설계압력(kgf)y 최소설계 시팅압력(y=703kgf)② 볼트의 체결 토오크를 계산한다T = 02d1W10N여기서W Wm1 Wm2 중 큰 값(kgf)N 볼트 개수

d1 볼트의 외경(mm)(보다 상세한 계산은 ASME Sec Ⅷ Division 1 Appendix 2 를 참고한다)4밸브의 취급

41 지침

밸브가 본래의 기능을 유지하고 지속적으로 건전하게 운전을 하기 위해서는 각각의 밸브 구성부품의

기능이 제 역할을 다해야 한다 밸브 구성부품의 기능유지는 곧 구성부품의 구조적인 강도의 한계를 충분히 견지하고 있어야 한다는

것이다 밸브의 각 구성부품의 어느 하나라도 손상되거나 마모된다면 밸브는 본래의 기능을

정지하거나 정지가 예상되고 아울러 다른 구성부품까지 손상에 이르게 할 수 있기 때문에 밸브 전체의

기능에까지 손상을 가져올 수 있다 밸브를 설계하여 완성된 제품으로 출하할 때까지 제작자는

구성부품의 하나하나에 대하여 미리 강도를 계산하고 형상을 최적화하여 밸브가 조화롭게 운전될 수

있도록 설계하고 요구되는 수명이상을 유지할 수 있도록 적절한 공차와 정밀도로 제작하게 된다한편 밸브가 조립된 후에는 제작조립된 밸브가 설계대로 되어 있는가 또는 설계대로 제작된 밸브가

확실하게 제 기능과 성능을 발휘하고 있는가 등을 검사하는 과정이 있다이러한 설계 제작 및 검사과정을 거친 밸브는 제품으로서 완전하다고 할 수 있으나 실제 배관

계통에의 적용시 과연 제 성능을 발휘할 수 있는가는 밸브제작자와 밸브구매자 그리고 밸브를

설치하는 시공자와의 관계를 올바르게 설정하고 각 업무과정에서의 간섭문제를 심도있게 다루지

않는 한 밸브가 온전하게 제 성능을 발휘할 수 있다고 말하는 것은 옳지 않다 밸브의 취급에서 특별히 언급하고자 하는 것은 밸브제작자와 구매자 그리고 밸브를 설치하는 시공자

사이에서 밸브를 제대로 취급하는 방법을 알려주고자 하는 것이다

밸브제작자는 밸브에 대한 제반시험 및 검사과정과 페인팅(도장 Painting) 포장출하 방법 그리고

제작자가 구매자나 시공자에게 알려주어야 할 보관 방법 등을 책임 있게 관리해야 한다 밸브

구매자는 밸브제작자와 시공자를 전체적으로 관리하며 배관설계자와의 밸브관련 코디네이터

(Coordinator)로서의 역할을 수행하여 밸브로 인한 전체적인 프로세스의 시공차질이 없도록 해야할

것이다 아울러 밸브를 안전하고 신뢰성 있게 운전할 수 있는 방안을 밸브 설치시부터 고려해야 할

것이다42 인간공학적인 측면

밸브는 배관계통에 있어서 최종의 제어요소이기 때문에 밸브의 동작이 잘못되었을 경우 그 잘못된

결과는 즉시 나타나게 된다 밸브의 동작이 정상적으로 수행되기 위해서는 밸브 조작에 대한 신뢰가

전제되어야 한다 예를 들어 1983 년 일본 고압가스협회가 일본의 석유화학단지를 대상으로 밸브사고

사례를 조사한 결과를 보면 밸브조작에 대한 문제가 전체 사고사례 600 여 건 중 약 17인 109건이

밸브에 직접 관련된 사고였으며 109건의 밸브사고 사례 중 56인 61건이 밸브조작의 잘못으로

인한 것이었다아울러 미국전력연구소(EPRI)의 발전소용 밸브의 사고사례 분석에서도 약 50가 밸브조작이나

잘못된 조작을 유발할 수 있는 밸브구조로 인한 것임을 보고하였다 이와 같이 밸브 조작상의

문제점이나 조작실수를 유발할 수 있는 밸브구조의 문제는 의외로 관련 프로세스 시스템에 많이

게재되어 있다즉 실제 사고의 원인이 되는 종업원의 행동에서 보면 관행에 따라 조작하다가 문제를 일으킨 경우가

가장 많으며 기타 지식과 경험에 의한 조작 규칙 절차서에 따라 밸브를 조작하다 실수한 경우가

있었으며 이들은 인간공학적인 측면의 밸브설계상의 오류로 볼 수 있다이밖에 작업 또는 조작환경과 상황에서 보면 단조로운 밸브조작 환경에서 의외로 많은 사고를

경험하고 있다는 것이다 이들은 분명 밸브의 설계 제작 및 설치 등의 제반과정(제작자 측면)과 밸브

시운전을 포함한 운전 및 유지관리(사용자 측면)에서 모두 휴먼에러의 방지가 중요한 설계상의 관점이

된다는 것이다밸브 취급에 있어서 인간공학적인 측면을 생각해 본다는 것은 휴먼에러를 가급적 공학적으로 줄이기

위한 배관 및 밸브 시스템에 관한 설계 고려사항이 된다38회(981월호)2인간공학적인 측면

밸브취급에 있어서 그 기본 목적은 밸브의 기능을 본래대로 유지 관리하는 것이다 실제로 수많은

프로세스에서 밸브 문제로 인한 엄청난 손실을 경험하고 있으며 대부분 밸브의 중요기능인 내부 누설

및 외부 누설 기능의 손상 또는 노화에 따른 것이다설비보전 밸브의 보전(保全 Total Maintenance Management)에 있어서 가장 중요한 것은 사소한

문제로 생각할 수 있는 누설현상이나 이로 인한 경미한 위험 요소들을 간과해서는 안 된다는 것이다 예를 들어 4M(Man Machine Media Management)에서 일어날 수 있는 휴먼 에러 설비의 결함 작업 방법이나 정보의 부족 관리상의 여러 문제점들이 복잡한 프로세스에서 언제든지 위험요소로

존재하는 것이다 석유화학 콤비나트나 발전소와 같은 대규모의 프로세스 플랜트에서 불시정지를

야기하는 설비들 중에서 또는 심각한 사고사례 중에서 밸브 문제가 차지하는 비율은 상당히 높은

것으로 알려져 있다Fran E Bird 가 총 175 만건의 설비 사고사례를 분석한 내용을 보면 [그림 1]과 같은 구조의 비율을

보이고 있다 이와 같이 1건의 재해가 발생하기에는 적어도 600건 이상의 인적 물적 손해가 없는

경미한 사고가 발생되고 이들은 4M 의 문제점으로 남아 관리되지 않고 다음의 큰 사고를

예비하는데도 불구하고 쉽게 간과하거나 망각한다는 것이다이는 도미노 이론에서와 같이 600건이라는 4M 관리상의 문제가 기본요인을 점차 무너뜨리고 이것이

사고의 직접 원인이 되어 사고에 이르고 결국 큰 재해로 야기된다는 것이다특히 밸브에 있어서는 매우 간단한 문제로 치부할 수 있겠지만 다음과 같은 분석을 통하여 프로세스

플랜트에 있어서 밸브의 취급이 얼마나 중요한 것인가를 알 수 있다 이렇듯 프로세스에 있어서

밸브의 관리는 밸브의 종류별로 프로세스 계통의 특성별로 그리고 설치환경에 따라 취급방법을

달리해야 한다(1)밸브의 오조작 문제를 고려한 취급

밸브의 오조작 문제는 전형적인 휴먼 에러로 볼 수 있다일반적으로 프로세스 플랜트에 있어서 대부분의 배관계통은 프로세스 제어목적에 따라 계통의

주제어용 밸브 보조제어용 밸브 계통의 유지 보수를 위한 밸브 프로세스 제어기기용의 보조밸브 계통의 비정상적인 운전을 사전사후 예방하기 위한 급배기(수) 밸브 계통의 안전성에 중점을 둔

안전밸브 릴리이프 밸브등 매우 다양한 밸브들이 설치되어 운전한다이들 밸브는 운전 목적이 각기 상이하고 형식 또한 판이한 다른 모양을 갖고 있으며 운전 방법에 따라

수동조작 자동조작으로 나눌 수 있으며 자동조작은 외부의 제어 시그널과 동력원(動力源 Power Source)을 받아서 조작되는 타력식(他力式) 자동 제어밸브가 있다 본고에서는 밸브의 오조작 문제를

인간공학적인 측면에서 앞서의 3 종류 밸브에 대하여 원론적으로 설명한다〔수동식 밸브〕

수동식 밸브에서 오조작을 방지하기 위한 방법으로는 인간적인 관성과 기술적인 즉 공학적인

관점으로 접근하여야 한다 인간적인 관성에 의한 밸브의 오조작 문제는 앞서 언급한 바와 같이

사고의 근본 원인을 제공하고 있는 습관이라든가 안이한 대처 즉 주기적이고 집중적인 안전교육의

부족 및 관리체계의 허술함이 사고의 동기를 제공하게 된다공학적인 관점으로는 휴먼 에러를 최소화할 수 있는 조건들을 배관 및 밸브 시스템에 반영하는 것으로

다양한 접근 방법이 개발되고 있다〔타력식 자동밸브〕

타력식 자동밸브는 공압식 또는 전동식 자동 제어밸브(Pneumatic or Electric Control Valve)를

말하는 것으로 그 기능은 계통 유로의 개폐 또는 조절(Throttling)하는 것이다유로 개폐 목적의 차단 밸브는 운전 중에는 계통의 절환이나 긴급시의 차단 또는 개방 밸브로

운전빈도가 그다지 높지 않으나 안전 측면이 강조된다 반면에 조절기능의 자동 제어밸브는 항상

운전되는 밸브로서 계통운전의 신뢰에 필수적인 제반 제어 시그널에 따라 운전함으로 운전 신뢰성

측면이 강조된다따라서 조절기능에 손상이 있을 경우 자동 제어밸브의 설치운전에는 보조의 수동밸브와 차단밸브가

함께 설치된다 또한 이들 자동밸브는 외부의 동력공급원에 대한 철저한 안전성이 확보되도록 하여야

한다 즉 방폭 등급이라던가 동력원의 손실시 안전한 운전 모드의 위치 고장시 긴급조치는 어떻게 할

것인가 운전 감시는 어떻게 할 것인가 등을 설계시부터 고려하고 안전한 취급 및 설치방법을

제시하여야 한다 물론 긴급시의 처치에 있어서 오조작 문제가 근본적으로 생기지 않도록 안전조치

(Fail CloseOpen) 기능 및 수동 조작 기구를 함께 갖추는 것이 좋다〔자력식 자동밸브〕

자력식 자동밸브는 안전밸브(Safety Valves) 압력 릴리이프 밸브(Pressure Relief Valves)

감압밸브(Pressure Reducing Valves) 일차 압력 조절밸브(Pressure Sustaining Valves) 펌프

콘트롤 밸브(Pump Control Valves) 후로우트 밸브(Float Control Valves) 등으로 계통내의 압력

또는 온도를 압력도관(Pressure Sensing Line)이나 팽창성 액체도관(Capillary)으로 전달받아

자체의 다이아후램이나 스프링등으로 계통의 압력을 조절하는 것이다따라서 대부분의 제어 최종 목적은 압력 또는 온도가 된다 실제 이들 밸브는 응용에 있어서 약 90이상이 압력조절인 자력식 밸브이다자력식 자동밸브의 구조상 특징은 스프링을 압력제어의 직접적인 요소로 사용하는 안전밸브나

릴리이프 밸브를 제외하고 모든 자력식 밸브는 압력도관을 갖고 있기 때문에 특별한 취급이 필요하다사용 유체에 따라 다르겠지만 물용 감압밸브는 감압밸브 중에서 가장 널리 사용되는 밸브로써

압력도관과 주밸브(Mian Valve)의 동작을 지시하는 파이롯트 밸브 또는 솔레노이드 밸브 및 이에

부수되는 압력계 피팅 필터 또는 스트레이너 체크 밸브가 제어라인으로 복잡하게 구성되어 있다 주밸브를 동작시키는 이들 제어시스템은 밸브의 사용목적에 따라 구성을 달리하여야 하고 배관시스템의 계통운전 조건에 맞도록 공장 및 현장에서 제어 기준값을 설정해 주어야 한다아파트나 대형 오피스 건물의 원수(源水 Raw Water)나 시수(市水 Municipal Water) 시스템의

파이롯트식 감압밸브나 일차 압력조절 밸브 등에서의 제어성 문제는 대부분 필터 스트레이너에서의

불순물이나 물이끼가 파이롯트 밸브의 미세한 노즐을 막음으로써 발생하는 경우가 많다따라서 필터 스트레이너 파이롯트 밸브의 노즐에 대한 취급은 밸브 출하시는 물론 설치운전 중에도

각별한 관심을 기울여야 할 것이다파이롯트식 외에 직동식 즉 압력도관을 직접 자력식 자동밸브의 구동부(다이아후램)에 연결하여

내부의 자체 스프링 힘과 입구 압력 밸브 출구측의 압력의 평형으로 스프링 힘에 의해 밸브 출구

압력이 조절되는 방식의 감압밸브는 감압 조절의 정밀도는 약간 저하될 수 있으나 앞서의 파이롯트

밸브가 없는 구조이기 때문에 취급상 비교적 용이한 구조이다(2)밸브의 누설을 고려한 취급

밸브의 유지보수라 함은 그 대상이 밸브의 내부 누설 및 외부 누설을 차단 또는 허용치 이내로 다시

조정하는 작업이라 할 수 있을 정도로 대부분의 밸브 유지보수가 트림부분과 패킹부분의 수리 또는

교체를 중심으로 이뤄진다아울러 밸브 제작자가 밸브를 출하할 때 집중적으로 시험 검사하는 것도 밸브 시트에서의 누설량

확인과 밸브 외부로의 누설 가능성 여부를 확인하는 것이다 밸브에 관한 기준 및 규격이 모두 이들

사항에 대하여 구체적으로 규정하고 있으나 단시 밸브의 외부 누설 가능성이 매우 높은 글랜드 패킹

부위에서의 누설 관리에 대하여는 특별히 규정하고 있지 않다 그러나 최근의 밸브 기술 및 사용자의

요구는 글랜드 패킹에서의 누설 또한 매우 엄격하게 규제를 하기 시작했으며 이에 대한 대표적인

예가 미국의 대기환경보호법(Clean Air Acts)이다글랜드 패킹에서의 누설 문제는 밀봉재인 패킹(통상적으로 현재에는 순수 흑연계의 성형 또는 편조형)에서 누설이 있을 경우 그때그때 패킹 조임을 통하여 누설을 방지할 수 있다는 전제 조건 때문에 따로

규정하고 있지 않으나 패킹재료의 발전과 CCA 의 요구사항 그리고 사용자 그룹의 요구로 조만간

패킹 또는 가스켓으로부터의 누설량은 엄격한 규제를 받게 될 것으로 예상된다따라서 패킹으로부터의 외부누설을 가능한 한 최소화하는 기술의 확보와 더불어 밸브의 패킹이나

가스켓과 같은 밀봉부문의 취급을 어떻게 하여야 할 것인가가 세밀하게 검토되어야 한다예로써 밸브의 수압이나 시트 기밀시험에 사용되는 시험 액체는 청수가 대부분이다 아울러 일반

밸브의 패킹부분에서의 스템 운동을 원활히 하면서 씰링 효과를 높이기 위해 인히비터(Inhibitor)라는

보조재를 사용하는 경우가 많은데 특별히 아연베이스(Zinc Based)계통의 인히비터는 스템에 점식

(Pitting)현상을 일으킬 수 있어 주의하여 선택 결정하여야 한다더욱이 수압시험후의 불순물이 게재된 청수가 패킹재를 오염시킬 수 있으며 패킹 윤활재의 화학적

안정성을 해치고 대기중의 유해 물질과 결합 흡착되어 스템의 운전을 곤란하게 하는 경우가 실제로

상당수 발생된다 밸브의 내부누설은 트림에서의 시트누설로 대표되며 밸브 종류에 따라 누설량을

엄격히 제한하고 있다 일반적으로 차단용 목적의 밸브는 시트 누설량을 허용하고 있지 않으며 조절용 밸브 및 역류방지 밸브에서만 누설량을 소량 허용하고 있다밸브 사용중 시트 누설이 발생하는 요인은 대부분 취급 유체에 불순물 개제나 시트 접촉부에서의

상대적인 노화나 열화 또는 밸브에서의 압력차에 의한 케비테이션이나 후라싱과 같은 물리적 현상에

의하여 발생된다 금속간 접촉에 의한 씰링구조의 밸브 트림인 게이트밸브 글로브밸브 및 메탈시트

볼이나 버터플라이 밸브의 경우에는 유체내 불순물 개제 또는 금속체간 높은 접촉응력과 금속화학적

반응에 의한 들러붙음(Stick on)으로 인한 긁힘(Galling) 또는 국부부식(점식 Pitting)으로 인한

누설이다 반면에 소프트 시트(주로 테프론) 구조의 트림은 탄성체인 테프론과 같은 시트 재료가 오랜

시간 사용에 의한 노화나 열에 의한 열화등으로 씰링의 탄력성이 손상되어 누설이 생기는 경우로서

소프트 시트를 널리 채용하고 있는 90회전 밸브류인 볼 버터플라이 플러그밸브에서 자주 발생한다 물론 핀치밸브(Pinch Valve)나 다이아후램 밸브도 이러한 유형에 속한다 마지막으로 유체 조절용의

제어밸브에서 유체역학적인 현상으로 여겨지는 케비테이션 후라싱 현상은 밸브 응용에서 매우

조심스럽게 다뤄져야할 현상으로써 계통 설계자와 밸브 제작사가 사전에 이에 대한 엔지니어링을

하여 실제 적용시 이러한 현상이 최소화되도록 밸브를 설계 제작하여야 한다이러한 현상은 주로 제어밸브로 80이상 사용되는 글로브 형식의 제어밸브에서 집중적으로

논의된다 현재까지 케비테이션에 견딜 수 있는 구조의 트림들이 다양한 형태로 개발되고 실용화되고

있으나 후라싱에 견딜 수 있는 밸브 트림에 대하여는 따로 후라싱 서비스용 트림이라 할 정도로

밸브자체 또는 밸브 트림만으로는 해결하기 어려운 점이 많다39회(982월호)2인간공학적인 측면

(2)밸브의 누설을 고려한 취급

지난호에 밝힌 바와 같이 유체역학적 현상에 의해 발생되는 밸브 트림의 씰링구조 손상문제는 전체

시스템에 대한 계통 및 밸브의 역할을 엔지니어링하여 시스템 및 밸브 트림의 설계에 반영함으로써

완화시킬 수 있다이 경우 밸브 트림에서 문제의 해결 방안을 찾는 것보다는 우선 시스템의 운전 조건을 검토하여

시스템부터 문제 해결을 추진하는 것이 보다 바람직하다 역류방지 밸브인 체크밸브의 누설 문제는

실제 시스템의 운전에 있어서 간혹 매우 어려운 문제로 제기되는 경우가 의외로 많다 특히

체크밸브는 사용자가 생각하고 있는 밸브의 기능과 제작자가 실제 관련 코드와 기준에 의해 제작한

밸브의 기능과는 엄청난 견해차를 갖게 된다 이 견해차의 주요 내용을 다음과 같이 요약한다체크밸브에서의 압력 손실 문제

체크밸브에서의 통과 유량 문제

체크밸브에서의 누설 허용량과 실제 설치시의 누설량 과대 문제

사용 유체에 따른 허용 누설량과 실제 계통 적용시의 누설 문제

이중 밸브 엔지니어링 측면에서 심도 있는 기술적인 검토가 필요한 사항은 압력손실의 문제와 실제

설치시의 누설량이 검사시의 허용 누설량과 큰 차이가 나는 원인에 대한 것이다

첫째 체크밸브에서의 압력 손실의 문제는 계통 운전시 심각하게 대두되는 문제로서 그 원인은

다음과 같다체크밸브의 디스크는 계통에 유체가 흐를 때에만 열리도록 되어 있다 통상 계통압력에 의해 열린다고

생각할 수 있지만 계통내에 적정 유량이 흘러야만 밸브의 디스크가 흐르는 유체의 힘에 의해

개방된다 따라서 계통내에 적정 유량이 흐르지 못할 때는 디스크가 완전히 열리지 못하고 중간

개도에서 불안정하게 운전하게 된다 따라서 이때의 밸브에서의 압력손실은 디스크가 완전히 열리지

못함에 의한 유로 포트의 교축으로 크게 발생하게 된다 특히 배관 관경이 크게 선정되어 있고 계통

유량이 적은 경우에는 계통 운전이 불가능할 정도로 압력손실량이 커질 수 있다 체크밸브의 제작자는 이러한 사항을 고려하여 체크밸브에 대한 최소 흐름요구속도(Minimum Flow Velocity)를 제시하고 있다 따라서 계통 설계자나 운용자는 이 최소 흐름요구속도를 가지고 필요

유량과 체크밸브의 유량계수(Cv)를 가지고 이론적이지만 실제 계통설계에 적용할만한 체크밸브의

압력 손실량을 계산할 수 있다 이 압력손실량을 가지고 계통 설계 및 운전에 체크밸브를 적용해야

위와 같은 사용자와 밸브 제작자간의 견해차 즉 문제를 해결할 수 있는 것이다그러나 현재 배관 엔지니어링에 있어서 설계자는 거의 모든 체크밸브를 단지 압력-온도 등급에 의한

외형적인 데이터로 밸브를 선정하기 때문에 워터햄머와 같은 유체의 천이현상을 제외하더라도 시스템

설계에 필수적인 체크밸브의 압력손실량을 적당히 결정하고 있는 것이다이들 문제는 상대적으로 대구경의 배관계통에서 보다 소구경의 배관계통에 보편적으로 적용되는

리프트 체크밸브에서 빈번하게 발생한다 이러한 문제는 밸브 형식 또는 유체흐름의 모양(Flow Passage)을 변경하거나 내부 디스크의 전체 질량을 조정하여 해결할 수 있다 다음에는 이러한

체크밸브에서의 압력손실 문제를 구체적으로 설명하고자 한다다음의 문제는 시트의 허용 누설량 이내의 밸브를 공급하였는데도 불구하고 실제 설치된 체크밸브의

누설량이 과대하여 문제가 되는 경우이다 이 또한 밸브 제작자에게 큰 기술적 경제적 고통을 안겨

주는 사례로서 결론적으로 체크밸브를 부적절하게 설치하였거나 최초 운전시(시운전시) 배관 계통의

청소(Clean Up or Flushing)가 불결하여 이물질에 의해서 경면 연마된 시트면의 기밀 구조 손상이다이중 특별히 주의해야 할 사항은 체크밸브를 설치할 때 설치 위치 및 방향에 따라 생기는 유체역학적

불안정 구조로서 이들 문제에 대한 분석 및 설치상의 고려사항에 대해서는 구체적으로 다음호에서

설명한다 이와 같이 밸브의 누설을 고려한 취급은 보다 깊숙한 기술적 배경을 요구하게 됨으로

밸브엔지니어링 전문가에 의한 체계적인 취급이 바람직하다(3)리프트 체크밸브의 압력 손실의 문제를 고려한 소형 체크밸브의 취급

체크밸브의 압력손실을 예측하는 데에는 우선적으로 배관계통내의 최대 설계유량과 운전 유량에

기준한 유체의 흐름속도 즉 유속이 중요한 설계 계산의 포인트가 된다물론 체크밸브의 형태에 따라 압력손실 계수가 정해지는데 이러한 밸브 형태에 따른 저항계수는 이미

미국 Crane社에서 발간한 Fluid Flow와 같은 기술자료로 널리 알려져 있다 이러한 기술자료 중

기술자들에게 널리 알려져 있으며 아울러 공학적 상식을 체계적으로 정리하고 있는 Crane Technical Paper 410 에서는 배관계의 적정 유속을 [보기 1]과 같이 고려하고 있다그러나 4 인치 이하의 소구경 배관의 경우 상기 배관내 유속보다 30정도 증가시켜도 무방하다 왜냐하면 소구경 배관의 경우 배관의 벽두께가 상대적으로 대구경 배관에 비하여 두껍게 제작되고

있으며 유체의 흐름 관성력이 작기 때문이다리프트 체크밸브의 특성 검토

리프트 체크밸브는 스윙식의 체크밸브에 비하여 리프트 부분을 대쉬포트(Dash Port)로 하기 때문에

디스크의 떨림(채터링 Chattering) 현상이 적어 맥동이 있는 배관계에 널리 채택되고 있다 리프트

체크밸브의 동적 특성은 배관계의 유량 디스크의 질량 디스크와 몸체 가이드면과의 간격 및 편심률 디스크 측면의 밸런스 구멍의 크기 등에 많은 영향을 받는다 이중에서 가장 크게 체크밸브의 안정된

디스크 열림에 영향을 주는 것이 유량 즉 유속이다유속이 높을수록 유체의 흐름관성력(Fluid Flow Inertia Force)이 높아 디스크는 안정된 상태로

열려있게 되는 것이다 다음의 식은 리프트 체크밸브에 있어서 디스크의 운동방정식이다 액체

서비스용 리프트 체크밸브에서 중요한 사항은 액체의 점성도에 따라서 Fγ 의 크기가 크게 변화된다 따라서 Fγ 에 영향을 직접적으로 미치는 디스크와 몸체 가이드면과의 간격(실제적인 예로써

0125~015mm 로 제한한다)이 체크밸브의 원활한 운전을 위해 매우 중요한 설계 포인트가 된다체크밸브의 디스크와 몸체 가이드면의 간격에 의한 편심률 ε 의 값은 어떤 리프트 체크밸브 설계에

있어서도 03 이내로 제한되어야 하며 아울러 Fγ 의 값을 적게 하기 위하여 표면 거칠기도 매우

정밀하게 제어해야 한다 ε 의 값이 적으면 디스크의 안정성이 높아져 ε 의 값이 높은 설계보다 낮은

유속으로도 디스크의 안정성을 기할 수 있다일반적으로 리프트 체크밸브의 디스크에는 밸런스 구멍을 3 개 정도 뚫어 놓는데 이는 디스크가

열렸을 때 디스크 상부의 케비티에 있는 잔류 유체를 이 디스크의 밸런스 구멍으로 릴리이프 하도록

한 것으로 디스크의 신속한 닫힘

작용에 매우 중요한 역할을 수행한다 밸런스 구멍의 크기는 채터링 현상을 감소시키는 목적이라면

가능한 작게(호칭경 2 인치 이하 직경 3mm 내외 호칭경 25~4 인치의 경우 4~5mm 내외)로 하면

좋다소형 리프트 체크밸브의 디스크 안정 열림을 위한 최소 흐름 속도 계산식의 유도

본 계산식을 유도하기 위해서는 디스크 틈새에서의 와류가 없으며 디스크 상부에서의 케비티에서의

잔류 유체는 디스크가 열릴 때 밸브 입구측 압력과 즉시 밸런스가 되고 디스크의 부력에 의한 유속

증가는 고려하지 않은 상태로 조건을 가정하고 다음의 모델에 따라 계산식을 유도한다우선 디스크의 밸런스를 위하여 디스크가 닫힐 때의 힘 F 와 유체력에 의해 디스크가 열릴 때의 힘 f 는

평형이 되어야 한다 따라서 F=f 로 하여 필요한 밸브 입구에서의 최소 흐름속도를 이론적으로 구할

수 있다 참고(1)에서 밸브에서의 압력손실 ΔP 는

ΔP = 6V2Gf(CvD2)2Gf 비중(10)V 배관계의 유속(ftsec)D 배관의 내경(inch)이 식에서 밸브의 압력손실은 배관계의 유속이 증가함에 따라 증가하고 밸브의 유랑계수 Cv 자승에

반비례한다V2 = [ΔP(CvD2)2]6(ftsec)Q = AV(GPM)그런데 밸브에서의 유체흐름 저항으로 인한 압력손실은 참고(2)에 따라 계산하면 다음과 같다 즉ΔPf(100) = 135fGf(Q2d5) psi100ft여기서

Q 유량(GMP)d 유로경(inch)f 마찰계수로써 002 로 가정하고 참고(2)의 TableⅡ 에서 리프트 체크밸브의 등가 파이프길이를

구하여 대입 실제 밸브에서의 압력 손실량을 구한다ΔPv = 135fGf(Q2d5)Le(psi)여기서 Le = 등가 파이프길이(ft)100(ft)임만약 ΔPv = ΔP 가 같다고 가정하여 d 를 확인하고 선정된 밸브의 포트가 적절한가를 확인한다 그리고 실제 유량 Q 를 수송시 밸브에서의 실질적인 동적 압력손실 ΔPv 를 구하면 된다만약 측정된 압력손실량이 계산된 ΔPv 보다 월등히 클 경우에 이는 분명 체크밸브의 디스크가 완전히

열리지 않고 중간개도(원인은 이물질이 디스크와 디스크가이드 사이에 개재 또는 유체의 흐름량이

매우 적게 흐를 경우 등)로 하여 약 3~12 배 정도의 압력손실(참고(2))이 생겼기 때문이다만약 실제의 압력 손실량이 예상보다도 크게 발생할 경우 리프트 체크밸브의 취급에서 다음과 같은

원인으로 과대한 압력손실이 발생된 것으로 고려하여 이들의 원인을 해결하면 된다-디스크와 디스크 가이드 사이에 미세한 이물질이 개재되었을 경우-배관계통내의 유속 저하로 인한

흐름 유체력이 약하여 디스크를 충분히 열지 못했을 경우-스프링의 버클링에 의한 편심량에 의하여

디스크의 열림이 원활하지 못했을 경우-디스크 가이드와 디스크 측면의 표면 조도에 의한 열림

마찰력이 과대하여 발생한 것 대책으로-스프링의 제거 또는 교체를 실시하고 본네트의 스프링 가이드면을 원활하게 한다-디스크와 디스크 가이드면의 간격을 013mm 정도로 조정하고 양쪽 접촉면을 경면사상(鏡面仕上)을 실시한다-시트 밀착면에서의 표면장력 효과를 저감시키고 유체흐름을 원활하게 하기 위하여 디스크의 반경을

시트면의 접촉면 외경에 일치시키고 시트면과 디스크 시팅면에 작은 유로 흐름이 생성될 수 있도록

한다40회(984월호)지난호에서는 소구경 배관계통에서 널리 채택되고 있는 리프트 체크밸브의 적용상의 압력손실에

대하여 설명하였다 체크밸브의 종류별 압력손실 정도는 참고로 대략 [표 1]과 같다(4)설치의 안전성

배관계통은 기본적으로 취급유체가 매우 다양하여 포스겐가스나 염소가스와 같은 맹독성의 가스 황산이나 가성소다와 같은 위험성 액체등도 밸브를 통하여 제어하게 된다밸브는 이러한 유체를 취급할 때에는 특별히 글랜트 패킹이나 가스켓(본네트 가스켓과 플랜지 접속

가스켓)에서의 외부 누설에 심각하게 유의하여야 한다 아울러 가연성 고압가스의 누설은 엄청난

재난을 가져올 수 있다 또한 고압증기 시스템 계통의 경우에는 사람을 다치게 하거나 주변의

전기배선이나 주변기기에 손상을 입혀 큰 사고 피해를 유발하기 때문에 설치 및 관리는 안전을 제일로

하여야 한다4규격밸브

현재 국제적으로 통용되는 밸브 규격은 주로 미국 영국 독일 및 일본등 선진국가에서 제정된 것으로

특히 미국에서 제정된 ASME(미국기계학회) API(미국석유학회) MSS(미국제작자협회) ISA(국제계측제어협회) 등의 규격이 가장 영향력이 크다이중 ASME 는 밸브류의 구조적 강도문제를 중점적인 관점으로 취급하고 있으며 나머지 API 나 MSS등은 ASME 에서 정한 구조적 강도의 허용범위 내에서 실제 프로세스에 적용할 수 있는 실질적인

규격을 정하고 있는 경향이다물론 구조적 문제의 근간이 되는 플랜지 강도 계산이나 압력

용기로서의 밸브 몸통의 구조강도 문제는 일본이나 독일의 기본 국가규격으로 정하고 있지만 일본의

경우 강도 계산방법이나 테이블링(Tabling) 방법 등이 흡사 미국의 ASME 방법과 유사하다 독일의

경우는 보다 자세하고 또한 수많은 고려사항들을 계산에 포함하도록 요구하는 등 산업문화의

차이에서 보면 미국문화권과 독일문화권이 유별나게 구분되는 재미있는 특징이 있다우리 나라의 경우는 흡사 일본 규격을 거의 번역한 것과 마찬가지로 규정되어 있는데 실질적인

밸브의 압력 온도 기준의 근간이 되는 밸브의 재질강도 및 사용(설계)압력 및 온도에 따른 밸브

구조의 강도에 대한 상세한 지침이 규격화되지 않은 사항은 유감이다단지 한전의 발전용 밸브를 중심으로 하는 KEPIC 규격이 1995 년도 말에 제정된 것이 이러한

밸브구조의 강도문제를 규격화한 첫 사례로 볼 수 있다 일반적으로 모든 밸브는 해당분야의 규격에

따라 설계 제작 시험 및 검사를 통해 완제품으로서의 인정을 받도록 되어 있다 크게 분류하면

발전용 석유화학용 상하수도용 제지용 식음료용 소방용등으로 구분되고 보다 세부적으로는

업종별 특성에 따라 또한 구분된다예를 들면 발전용이라 해도 원자력발전소용과 일반 수화력용 밸브의 품질 요건은 엄청난 차이가 나며 밸브의 제어 특성에 따라 기계분야에서 취급할 것인가 또는 제어계측분야에서 취급할 것 인가도

구분된다 다음은 우리 나라에서 비교적 많이 인용되고 있는 대표적인 밸브관련 규격 발행처이다 이와 같이 밸브는 용도별 나라별로 규격이 상이하기 때문에 우리 나라와 같은 경우 분명히 KS 규격이 기준이 될 것으로 판단된다하지만 밸브의 경우에는 불행스럽게도 KS 규격은 극히 제한적인 분야로서 KS B 2306 으로 일반 기계

장치용 선박용 및 옥외 수도용에 대한 호칭 압력별 밸브의 면간 치수를 규정하고 있고 세부적인

용도별 규정은 선박용 및 상대적 저압인 건축설비 및 상수도용에 집중되고 있는 느낌이다 따라서

발전소 및 석유화학 플랜트를 비롯한 프로세스 플랜트에 소요되는 대부분의 밸브류는 플랜트를 어느

나라의 기술로 건설하느냐에 따라 미국 규격 독일 규격 프랑스 규격 일본 규격으로 적용하여

왔으며 단지 상하수도의 제수밸브나 건축설비용으로 쓰이는 일부 밸브들만이 KS 규격을 적용해

왔음을 안다예로써 우리 나라의 대부분의 발전소는 원자력의 경우 울진원자력 12 호기를 제외하고는 미국

규격을 수화력의 경우 어느나라 차관으로 발전소를 건설했느냐에 따라 미국 규격 혹은 독일의 DIN 규격이 널리 사용되었고 일부 일본의 JIS 규격이 준용화되었다 석유화학 콤비나이트의 경우도

대부분 미국의 API ANSI ISA IEEE 규격들이 준용되고 독일의 기술로서 건설된 것은 대부분 DIN 규격으로 밸브들이 도입 설치되었다 따라서 산업용의 밸브 제작자들은 KS 규격의 밸브가 아닌 ANSI API 또는 JIS 규격에 의한 밸브제작 생산에 더욱 익숙해져 있는 것이 현실이다또 한가지 재미있는 사실은 밸브의 종류별로 규격상의 특징이 있다는 것이다 이는 밸브 도매상들의

상술로 빚어진 결과이기도 하지만 섬유도시로 유명한 대구 구미지역의 합섬공장의 열매용 밸브의

대부분은 독일의 DIN 규격제품이 매우 많으며 벨로우즈 씰 밸브의 대다수는 또한 독일제품과

일본제품이 주종이 되어있다 그런데 DIN JIS 및 ANSIAPI 의 밸브 규격상 같은 압력등급이라

하더라도 밸브의 면간 거리가 각기 상이하여 이들 밸브의 개보수 추가 확장 등의 공사시에는 서로

상이한 규격으로 인하여 공사 추진에 많은 영향을 미치게 하며 더욱 많은 공사 경비가 추가될 수

있다 반면에 울산의 SK 쌍용과 같은 석유정제공장 여천 석유화학공장의 대부분은 미국 규격을

준용하고 있다특히 DIN AFNOR 또는 JIS 에 의한 밸브 재질 규격의 ASTM 에 대한 대조는 전문가가 아니면 판단할

수 없을 정도로 복잡하게 되어 있어 기존 플랜트의 밸브 개보수등 밸브의 보전관리에 많은 문제점을

주고 있다필자의 성급한 주문이지만 현재 우리 나라에서 채택되고 있는 다양한 밸브 규격은 가급적

세계화의 추세에 맞춰 가능한 미국규격에 준용하도록 하는 것이 바람직하다

특히 산업용 밸브의 내수용의 경우 금액 대비 약 70이상 수출의 경우 약 80이상을 미국규격에

준용하고 있음을 감안하여 산업용의 경우 거의 활용되지 않는 KS 규격보다는 차라리 미국규격

(ANSIASME)을 우리 것(KS) 화하는 것이 우리 밸브 업계로 봐서 오히려 매우 바람직하다고

생각한다 이렇게 함으로써 규격의 보다 깊은 이해와 통일성 그리고 세계화된 밸브 규격의 적용으로

국내는 물론 해외에서의 우리 밸브 제품의 경쟁력을 확보할 수 있을 것이다

5밸브의 중요도 구분

밸브 중요도의 구분은 밸브를 포함하는 시스템 설계에 있어서 시스템에서 요구하는 밸브의 기능과

사용상의 목적이 시스템 운전에 얼마나 중요한가를 구분 짓는 것으로 보면 된다 시스템의 원활한

운전을 위하여 밸브의 역할을 구분하면 다음과 같이 세 가지로 구분할 수 있다첫째는 시스템에 대한 능동적 부품(Active Component)으로써 일반 파이프나 피팅과 구분되고 두

번째는 시스템에 대한 기능상의 능력(Functional Canal Capability)으로써 파이프나 피팅과 같이

얼마만한 유량 압력 온도에 알맞은 크기 또는 능력을 가졌는가이다세 번째는 시스템의 운전 또는 제어성보다도 밸브 자체의 운전성(Opeability)이다 이 세 가지가

시스템에 전체적으로 조화되어야만 밸브와 밸브를 포함한 시스템이 원활하게 운전되는 것이다1)시스템에 대한 능동적 부품으로써 밸브의 중요도

일반적으로 1000MW 급 원자력발전소당 약 21500 개의 각종 밸브가 필요하지만 750MW 급 분탄

(粉炭) 화력발전소의 경우에는 약 8000 여개의 밸브가 30MW 급의 유동탄 화력발전소의 경우에는

약 1000 여개의 밸브가 필요한 것으로 알려져 있다발전소 시스템에 있어서 가장 중요한 밸브들은 시스템의 원활한 운전과 제어를 위한 주요 제어 및

차단밸브들로서 발전소 총 밸브의 약 5인 400 여개가 가장 중요한 밸브로 취급된다 그 다음으로 중요한 밸브들은 압력-온도에 따른 고온 고압밸브 및 고차압밸브(Severe Duty Service Valves)들로서 약 20 정도를 차지하고 나머지 약 75는 단순한 제어용이나 차단용의 일반밸브들

(General Service Valves)로 구분될 수 있다[그림 1]은 화력발전소에서 가장 문제점이 많이 생길 수 있는 밸브들을 표시한 것이다한 예로 [그림

2]의 계통도와 같이 55MW 급의 복합화력발전소에 있어서 보일러 급수시스템 구성은 약

007~008bar(a)와 39의 진공도를 가진 복수기(콘덴서 Condenser)로부터 복수기펌프

(186barg 39) 디미네랄라이저(Demineralizer 176barg 433) 저압급수가열기(LP Feedwater Heaters 703barg 121) 탈기기(Deaerator 6barg 1578) 보일러

주급수펌프(Boiler Main Feed Pump)를 거쳐 고압 급수가열기(HP Feedwater Heaters 137barg 2117) 주급수 제어밸브(Main Feedwater Control Valve 116barg)를 통하여 보일러에 급수가

된다 보일러에서 발생하는 증기는 1108barg510로 하여 발전기를 돌린다이 프로세스에서와 같이 시스템에 있어서 능동적인 부품으로의 밸브는 시스템의 일부 또는 전체를

불안정한 운전으로부터 정상운전에의 시스템 복귀 기능은 물론 돌발적인 사고로부터 시스템을

완화시키거나 정지시킬 때 필요한 기능 부품으로서의 역할이다따라서 각 프로세스 핵심기기 요소인 복수기 히터류 펌프 탈기기 터어빈 등의 전후단에는 시스템

운용의 평형을 위한 즉 주기능이 제어기능인 밸브류가 설치되고 어떤 비정상적인 운전에 대비하여

시스템 운전을 릴리이프 할 수 있는 바이패스 밸브류 및 주기기의 돌발적인 사고로부터의 안전보호를

위한 긴급차단밸브와 안전밸브류가 주요 핵심기기 요소에는 능동적 부품으로서의 밸브가 선정되고 이들 계통에 속한 밸브의 중요도는 가장 높은 등급의 밸브로 분류할 수 있다41회(986월호)

2)시스템에 대한 밸브의 기능으로서의 중요도(Functional Capability of the Valve)공정플랜트에 있어서 배관시스템 즉 유체 수송시스템은 펌프 열교환기 또는 각종 탱크류와 같은

공정기기와 유체흐름을 제어하는 밸브 및 오리피스와 배관으로 구성되어 있다 따라서 공정시스템은

[그림 1]과 같은 세 가지 중요 공정요소로서 각 요소가 프로세스의 핵심 운전인자들인 온도 압력 유체질량 시간 등에 대하여 전체적으로 시스템이 평형과 조화를 이루도록 하는 것이 제어요소인

밸브오리피스인 것이다배관 피팅 배관지지대 등 밸브의 기능상의 능력(Functional Capability)은 바로 전체

공정시스템상의 제어기능의 능력을 표시하는 것으로 밸브의 설계 또는 사용 조건하에서 계통 및

밸브자체의 구조적인 안정성을 유지하며 공정시스템이 원활하게 운전되도록 정격 유량을 수송 및

제어하는 능력을 말한다 밸브 기능의 중요도는 첫째로 밸브의 치수 건전성이고 둘째로 유로 특성을

결정하는 트림구조의 안정성 셋째로 유체의 화학적 반응도에 따른 밸브 재질구조의 안전성 넷째는

밸브 운전조작의 합리성이다① 밸브의 치수 건전성(Dimensional Stability Based on Structural Integrity)공정시스템의 핵심운전인자인 온도 압력 유체질량 시간 중에서 밸브의 치수 건전성 즉 구조적인

강도를 안전하게 유지하기 위해서는 최우선적으로 사용온도와 압력 그리고 시간에 대하여 충분한

구조적인 강도를 가진 구조로 설계 제작되어야 한다높은 압력의 밸브는 그만큼 밸브의 벽두께를 두껍게 하여야 할 것이며 높은 온도의 밸브는 가능한한

열천이에 의한 열응력의 변화(피로응력을 크게 증대시킴)에 대하여 구조적으로 안정되게 하기 위하여

밸브의 벽두께는 가급적 얇게 그리고 균일한 두께로 설계되어야 할 것이다여기에 시간의 함수를 고려하면 밸브구조는 가급적 얇고 균일한 두께로 설계되어야 한다는 결론에

이른다그러나 실제 밸브의 제작기술상 얇고 균일한 두께라는 이상적 조건의 밸브생산은 불가능한

것이 현실이다 밸브의 경우 포트구조와 유로부분에서의 크로치 부분(Crotch Area)이 대표적인

구조적 불연속부(Structural Discontinuity)로써 이 부분은 앞서의 온도 및 압력에 민감하게

작용하는 구조 부분이다 일반적으로 밸브가 받는 응력지점 중 가장 크게 응력이 발생하는 부분은 이

크로치 부분이고 이는 밸브의 내부면에서 최대치를 가지며 밸브 중심면에 수직으로 전 밸브의 목둘레

부분에 인장 응력을 가하고 있는 것이 특징이다이 부분이 밸브의 가혹한 운전조건하에서 가장 중점적으로 치수의 건전성을 확인할 수 있는

핵심부분이다 아울러 밸브를 주조로 만들 경우 벽두께의 급격한 변화에 의한 응고속도 압탕구조 응고수축등의 영향이 집중되어 많은 불량이 생기는 부분도 이 부분이 된다간단한 방법으로 이 크로치 부분의 구조적 건전성을 단순하게 사용 압력으로만 평가할 경우 이 부분의

1 차 막응력강도(Primary Membrane Stresses Integrity)는 다음과 같이 표시할 수 있다Pm = (AfAm+05)Ps여기서

Pm 크로치 부위에서의 1 차 막응력강도

Af 크로치 구역내의 유체면적

Am 크로치 구역내의 밸브 벽두께 면적

Ps 사용 압력

대부분의 경우 밸브의 구조상 압력을 받는 조건하에서는 그림에서의 Am 부분이 가장 큰 응력을

받게되고 아울러 밸브가 급속히 개폐되어 밸브의 디스크 전후에서의 큰 압력차이가 생기는 특정의

경우에도 Am 부분이 가장 가혹한 응력을 받게된다

다음으로 밸브 사용온도 하에서의 치수건전성 문제 또한 이 크로치 부분이 문제가 된다 밸브 유로

부분은 어느 정도 균일한 두께로 설계되지만 유로와 밸브 목이 구성되는 트림부분인 크로치 부분은

다음의 강도 설계 규칙에서 보는 바와 같이 균일한 열응력 분포를 기대할 수 없다 열응력은

온도구배와 두께변화로 인하여 생기게 되는데 밸브구조 특히 몸통구조에서는 크로치 부위에서 가장

크게 발생한다결론적으로 밸브의 내압구조에서는 크로치 부위의 최적설계가 가장 중요한 설계 핵심부분이고 다음에 언급하는 트림구조의 안정성에도 구조강도상 중요한 지지구조이기 때문에 밸브의 치수건전성

측면에서 주의 깊게 설계해야 될 포인트이다② 밸브의 유로 특성을 결정하는 트림구조의 안정성

밸브의 제어성은 유체의 흐름을 공정시스템의 운전 목적에 맞도록 개폐하거나 조절하는 기능을

말한다 이 제어성은 물리적인 의미로서 밸브에서의 압력손실이라는 물리적인 현상을 능동적으로

이용하는데 있어서 그 정밀도를 의미한다 즉 유체가 배관계통을 흐르고 있을 때는 배관벽의 마찰 피팅에서의 흐름방해 등으로 압력손실이 생기는데 이는 일정한 양의 어쩔 수 없는 압력손실이 되는

것이지만 밸브에서는 유체가 흐르는 형상과 양을 조절함으로써 압력손실의 양과 크기를 고의적으로

조정하는 것이 밸브의 기능이라고 할 수 있을 정도로 압력손실을 중요하게

고려한다 유체가 흐를 때 압력손실은 다음과 같이 물리적 식으로 표현한다P = k PV22g여기서

P 발생 압력손실

k 밸브의 유로형상과 마찰로 인하여 생기는 손실계수

P 비중량

V 유체의 속도

즉 유속이 빠를수록 압력손실이 크게 발생하므로 밸브에서의 제어는 유속을 제어하는 구조인 유로

단면적을 가변하는 구조의 오리피스로 고려하여 해석할 수 있는 것이다 따라서 밸브에서 유체의

흐름을 직접 제어하는 부품인 트림은 그 구조가 공정시스템의 운전제어 목적에 철저히 부합되는

구조이어야 한다그야말로 밸브가 매우 다양한 운전조건하에서 부여된 제어임무를 원활히 수행하려면 트림구조는

공정시스템에서 하나 하나가 특별히 안정스럽게 운전되도록 설계 제작되어야 한다 트림구조의

안정성을 유지하려면 다음과 같은 사항들을 철저히 고려해야 한다유체의 제어특성

급개형 - 개폐용

선 형 - 밸브 개도에 따라 유량의 변화량이 비교적 일정함

등비율형 - 밸브 개도에 따라 유량의 변화가 등비율 구조로 됨

유체의 온도

내부누설의 관리 정밀도

유체의 입구 압력과 밸브 출구측의 공정요소가 요구하고 있는 압력(밸브에서의 설계차압)시스템 운전환경(증기 블로우다운 복수기 방출 개폐빈도등)유체의 종류

트림의 유지보수의 편이성

특히 유체의 흐름이 이상유체(二相流體 Two Phase Flow)인 경우 트림에서의 제어성이 곤란하며

차압(差壓 Differential Pressure)이 클 경우 유체의 성상을 변화시킬 수 있음으로 이를 방지할 수

있는 구조의 트림을 설계하여야 한다실질적으로 트림구조의 안정성은 유체의 제어특성 소음과 진동 케비테이션과 후라싱등으로 그

현상을 판단할 수 있다③ 유체의 화학적 반응도에 따른 밸브 재질 구조의 안전성밸브는 다양한 성상의 유체를 다루기 때문에

공정유체의 종류에 따라 밸브를 구성하는 재질은 화학적으로 상호 반응이 없는 것이어야 한다즉 밸브 재질의 유체 종류별 부식침식(Corrosion amp Erosion)성을 판단하여 선정하는 것이다 이에

대한 것으로는 이미 과월호에 구체적으로 설명한 바 있다④ 밸브의 운전조작의 합리성밸브는 운전부품(Moving Parts)인 스템 디스크와 압력유지부품

(Pressure Retaining Parts)인 몸통 본네트 또는 캡 본네트 볼트등으로 구성된 밸브 몸체가 있고 운전부품의 조작에 필요한 밸브 요크 슬립 핸들 또는 구동부로 구성된 밸브 조작부가 있다밸브를 자동으로 구동하는 경우에는 제어상 필요에 의하여 밸브조작 보조기기류가 추가된다밸브의 운전 조작의 합리성에서 가장 우선적으로 고려되어야 할 사항은 다음과 같다 밸브의 내부 및

외부 누설문제밸브의 개폐에 필요한 운전토오크의 관리문제

밸브의 개폐속도

밸브의 설치상 제한사항

밸브 구동조작의 방법

밸브 설치환경(방폭 본질안전 기밀등급등)시스템 추종성

특히 밸브의 핵심 부품중의 하나인 글랜드 패킹의 설계문제는 패킹 재료 스터핑박스의 구조 패킹

글랜드 후렌지의 패킹 가압력 스템 및 스터핑박스 내면에서의 표면거칠기 등으로 구분된다 이

글랜드 패킹문제는 외부 누설문제 운전토오크 개폐속도에 직접적으로 영향을 미치고 연속 자동제어

밸브의 경우에는 패킹가압력이 과도하면 밸브의 제어성을 상실하는 사례도 있다밸브의 구동조작의 방은 매우 다양하다 수동조작과 자동조작으로 대별되며 자동조작의 경우

구동부의 형식과 구동 동력원에 따라 다음과 같이 구분할 수 있다전기구동식(회전)[Gear Mechanism]-선형구동(Linear Motion)-90회전구동(Quarter Turn)유압구동식(전기모터-유압발생)[유압실린더]-선형구동(Linear Motion)-90회전구동Scotch Yoke공압구동식

-선형구동

-90회전구동Scotch Yoke-90회전구동Rack amp Pinion-Air Motor 구동방식

-Piston Type-Diaphragm Type42회(9812월호)밸브 사용상의 제한사항

밸브는 기능상의 요구사항으로써 차단용 밸브(Isolation Valves) 조절용

밸브(ModulatingThrottling Valves) 과압보호용 밸브(Pressure Relief Valves) 역류방지 밸브

(Non-Return Valves) 등이 계통에서 요구하는 제어기능을 적절히 수행하게 된다앞에서도 언급했듯이 특정 밸브는 특정 기능을 수행하도록 설계되어 있으나 일반적인 대부분의

밸브들은 차단 및 조절기능을 함께 수행할 수 있으므로 계통에서 요구하는 제어기능이 명확할 경우

사용상 또는 적용상의 제한사항이 뒤따른다 다음은 대표적인 각 밸브별로 사용상의 제한사항들을

요약한 것이다(1)차단기능의 밸브

1)게이트 밸브

최적의 설치조건은 수평 배관상에 스템이 수직으로 설치되어야 운전성 및 구조적 건전성이 높아진다 그렇지 않은 경우 수명이 짧아지고 분해 수리가 어렵다배관의 난류원인 피팅에 가깝게 설치하지 말아야 한다특별히 압력 밀봉식(Pressure Seal) 본네트 구조의 게이트 밸브는 필히 수평 배관에 본네트가

수직으로 위쪽에 설치되어야 한다단기간의 유량조절만 가능하므로 완전열림 완전닫힘의 밸브로 취급되어야 한다2)글로우브 밸브

앞의 게이트 밸브와 같은 방법으로 설치되어야 한다 오히려 게이트 밸브의 설치위치와 방향보다도 더

엄중하게 고려되어야 한다일반적으로 유체흐름 방향은 글로우브 밸브의 시트에서 디스크로 흐르는 상향식 흐름이나 진공라인의

경우에는 하향식 흐름으로 되어야 한다일반 화학공장에서 방폭지역 등급에 따른 경계에 밸브로 차단기능을 할 때는 상향식이나 하향식을

방재 방안에 맞춰 정해야 한다기타는 게이트 밸브와 유사하다3)버터플라이 밸브

설치는 스템이 배관라인에 수직이 되게 한다 수평배관에 설치되는 경우 스템이 경사지게 설치되면

과도한 토오크 및 토오크량 변화에 따른 진동이 유발될 수 있다배관의 엘보우나 펌프 토출측에 너무 가깝게 설치되어서는 안된다 적어도 배관직경의 6~10 배만큼

떨어져 설치되어야 한다유속이 빠른 계통에의 버터플라이 밸브 적용은 운전 토오크의 문제로 가급적 피한다4)볼 밸브

소프트 시트인 경우 사용온도는 200를 넘지 않도록 한다메탈시트인 경우 슬러지성 유체나 불순물이 많은 유체 계통에는 사용할 수 없다차단용 기능의 볼 밸브는 20 이하의 개도에서 유량조절을 할 수 있으나 장시간 사용해서는 안된다5)플러그 밸브

플러그 밸브의 경우 배관 작용력에 민감하게 작동 토오크가 변화되므로 고온 계통에서의 적용시에는

배관 및 배관지지대의 형상 및 구조를 참조하여 설치 위치를 정하거나 또는 플러그 밸브가 열하중에

민감한 점을 감안하여 밸브 종류를 재선성해야 한다계통 적용시 플러그 밸브는 보수 유지가 매우 어려운 점을 감안해야 한다6)다이아후램 밸브

낮은 압력에 낮은 온도의 유체에만 적용한다

8Prime(200mm)를 넘는 밸브에는 바람직하지 않다수평배관에 스템이 수직으로 설치되어야 한다(2)조절기능의 밸브

조절기능의 밸브는 계통의 운전조건에 따라 상당히 많은 사용상의 제한사항이 뒤따른다 거의

대부분의 조절기능의 밸브에서의 문제점은 계통의 차압(System Differential Pressure)과

밸브에서의 차압(Control Valve Differential Pressure)으로써 우선 집약된다즉 계통에서 요구되는 차압 P(요구된 P Assigned P)가 조절용 밸브를 포함한 실제 운전시의

차압 P(실제 P Actual P)간의 차이는 조절용 밸브의 잠재적 문제점을 가늠하는 척도가 될 수

있다밸브 종류별로 적용상의 차이는 있지만 실제 조절기능의 밸브의 근본적인 문제점과 사용상의

제한사항은 이들 P 의 차이에서 그 정도를 평가할 수 있다1)글로우브 밸브

가장 다양한 종류의 유체 제어 기능을 갖도록 되어 있는 밸브이기 때문에 직접적으로 유체 제어

기능을 수행하는 밸브트림의 선정에 주의해야 한다케비테이션이나 후라싱등의 현상은 밸브선정 데이터로부터 예측되므로 이러한 현상을 극복할 수

있도록 설계된 트림을 선정하거나 후라싱과 같은 경우에는 아예 후라싱 서비스용 밸브로써 장시간

운전될 수 있는 구조의 밸브로 선정한다수평배관에 스템이 위로하여 수직으로 밸브가 설치되어야 한다 조절용 글로우브 밸브는 대부분

타력식(Power Actuated)이기 때문에 설치방법이 적절하지 못할 경우에는 내부 밸브부품 트림접촉부위 시트부위는 물론 패킹의 수명까지도 단축시키는 경우가 매우 많다별도 항목의 제어밸브에서 트림형식별로 구체적인 사용상의 제한사항을 작성할 계획이다트림형식은 제작사 마다 고유의 기술이 접목되어 있으므로 이에 대한 평가는 유체제어 특성별 트림의

제어범위(Rangeability)별로 하여 단순비교하는 방법으로 할 계획이다2)버터플라이 밸브

일반적으로 개도 60~70에서 토오크의 변화가 크므로 버터플라이 밸브는 압력-온도 기준상 ANSI 300 이내에서 사용하도록 권장된다유량특성상 등비율특성(Equal Percentage)이므로 선형이나 급개형(Linear or Quick Opening)을

요구하는 계통제어에는 적합하지 않다정밀한 유량제어에 사용해서는 안된다난류원인 엘보우나 펌프토출측에 너무 가깝게 설치해서는 안된다 적어도 난류원으로부터 최소 6D이상 떨어진 배관라인에 설치해야 한다계통 특성상 케비테이션이 일어날 수 있는 조건의 경우라면 버터플라이 밸브의 적용은 피하도록

한다 이는 버터플라이 밸브가 전형적인 높은 압력회복(High Recovery Valve)을 하는 밸브이기

때문에 낮은 차압(P)하에서도 케비테이션을 일으킬 수 있기 때문이다3)볼 밸브

일반적으로 버터플라이 밸브와 거의 유사한 유체역학적 특징을 가진 밸브이다 저개도 운전시 유체

제어성이 특별히 떨어지기 때문에 정밀한 유량제어에 사용할 수 없다 특별히 편심구조의 반구형 볼

제어밸브(Eccentric Rotating PlugBall Control Valve)의 경우에는 슬러지성의 유체제어에

적합하나 고온 고압의 고에너지 유체계통의 적용은 곤란하다4)레귤레이터

레귤레이터는 프로세스에서 프로세스가 갖고 있는 물리적 양을 참조하면서 계통의 압력 온도 및

유량을 조절하는 밸브로서 급격하고 빈번한 물리적인 변화가 업삳면 비교적 값싸고 간단하게

믿을만한 제어효과를 가질수 있는 제어밸브이다통상적으로 밸브의 출구측(Downstream)의 압력이나 온도 또는 유량의 변화를 작은 제어관(Control Line)으로 직접 감지하여 입구측(Upstream)의 물리적량과 비교하여 설정하고자 하는 물리적량

(Setting Valve)의 변수를 밸브 자체의 스프링 값으로 제어하는 것이다 레귤레이터에 대한 구체적인

내용은 본 배관기술지 신년호를 통하여 별도 기고할 것이다레귤레이터의 구동구조는 열에 민감한 액체를 이용하여 계통의 온도제어 후로우트(Float)를 이용한

계통의 차단이나 수위 조절 기능 또는 급배기(Vent Drain)와 같은 계통의 안전기능 또는

레귤레이터의 다이아후램 구동장치에 직접적으로 작용하는 제어 목적의 계통압력(Process Fluid Acting on the Valve)등에 의해 작동된다 따라서 레귤레이터는 계통 적용상 상당한 제한사항이

뒤따른다감압밸브(Pressure Reducing Regulators)단동형 감압밸브(Single Stage Pressure Reducing Valve)는 유량변화가 큰 경우 최대

유량조건하에서 감압의 정밀도가 떨어짐으로 정밀한 감압의 효과를 얻기 위해서는 복동식 감압밸브

(Two Stage Pressure Reducing) 또는 파이롯트식 감압밸브를 사용한다복동식 감압밸브의 경우 사용 유체는 청결한 것이어야 한다 파이롯트 밸브의 노즐이 불순물에 의해

막힐 경우가 있기 때문이다 가급적 필터 내장형의 밸브로 선정한다단동형 감압밸브의 최대 제어 가능한 유량은 증기일 경우 500kgh 로 하고 보다 큰 용량이 필요한

경우에는 작은 제어관을 밸브내부에 설치하지 않고 밸브 출구측의 5D 거리에 따로 설치하여 이

제어관을 통한 출구측 제어압력이 다이아후램에 직접 연결되어 제어되도록 해야한다설치시 수평배관상에 스템이 수직으로 하여 설치하고 필히 과압보호용의 안전밸브나 릴리이프 밸브를

함께 설치하여야 한다 이때 과압보호용 밸브의 설정압력은 감압밸브의 설정치 보다 10~15 높은

압력으로 설정한다5)역류방지 밸브

〔스윙체크 밸브〕

스윙체크 밸브는 체크밸브 중에서 가장 압력손실이 낮은 밸브이기 때문에 밸브에서의 손실(P)에

너무 민감하게 밸브를 선정할 필요가 없다 즉 계통의 유량과 압력을 고려하여 과대하게 선정되지

않도록 주의해야 한다 과대하게 선정(Oversiging)되었을 경우 스윙이 완전히 개방위치에 있지 않고

계속 열림닫힘을 계속하게 되므로 마모로 인한 밸브 기능의 손상사례가 많다체크밸브 전단에는 엘보우등과 같은 난류원(Turbulance Source)이 일정한 간격을 유지하고 있어야

한다스윙체크 밸브의 전단에는 적어도 약 5D 이상의 직선관이 있어야 잠재적인 문제점을 사전 예방할 수

있다스윙체크 밸브는 수평배관상에는 디스크가 수직으로 설치되어야 한다계통의 유체흐름이 불균일한 경우에는 노즐체크 밸브와 같은 다른 체크밸브를 고려한다 체크밸브는

설치용 밸브의 기능을 수행할 수 없다가스공급 계통에서의 적용은 피하는 것이 좋다리프트 체크밸브(Lift Check Valve)유속이 낮은 드레인 계통과 같은 계통에서는 리프트 체크밸브의 선정은 적절치 않다

설치는 수평배관상에 피스톤이 수직으로 설치되어야 한다저에너지 계통에서는 압력손실이 비교적 많기 때문에 적용에 유의하여야 한다스프링식 리프트 체크밸브의 경우 가스와 같은 압축성 유체계통에 적용시에는 디스크의 채터링

현상이 야기될 수 있으므로 적용해서는 안된다깨끗한 유체계통에 적용된다 더러운 계통에의 적용시 불순물이 피스톤과 밸브의 가이드면에 끼어서

운전불능 상태에 빠질 수 있다〔틸팅 디스크 체크밸브(Tilting Disc Check Valve)〕리프트 체크밸브나 스윙체크밸브에 비하면 여러 가지 장점이 많은 밸브이나 보수측면에서 보면

현장에 설치되어 있는 상태로는 보수 또는 수리가 블가능한 밸브이다43회(991월호)밸브의 설치

1설치환경의 검토

밸브 제작社는 완성된 밸브를 정해진 규정 및 주문자의 요구에 따라 제반시험 및 검사를 시행한 후 적절한 방법으로 포장해서 설치장소로 운반한다 대부분 밸브의 설치장소는 그 환경이 청결하지

못하며 특히 신설되는 프로세스에 설치되는 경우에는 매우 불결한 환경에 놓이게 된다 일단 밸브의 설치에 앞서 모든 밸브는 입고검사를 시행한 후 창고 도는 임시 보관장소에 보관되는데 밸브의 입고 및 설치를 위한 사전 준비사항은 다음과 같은 절차와 방법으로 수행한다(1)입고검사

모든 밸브는 운반 중 또는 포장 해체시에 입었을지 모르는 손상을 확인해야 한다 아울러 밸브 종류별 밸브번호(Tag No)별로 구분하여 보관하고 사전 입수된 설치 및 보수절차서(Installation amp Maintenance Instruction)에 따라 필요한 조치를 한다스테인리스 밸브와 주강제 밸브는 일정한 간격을 두고 보관하도록 하며 밸브를 바닥에 직접

보관해서는 안된다 밸브는 적어도 바닥에서 6cm 이상 높은 파렛트 위에 보관해야 하며 통풍이 잘

되는 곳이어야 녹의 발생을 억제할 수 있다만약 손상된 밸브가 있다면 손상의 정도를 확인하여 제작자에게 알리는 등의 적절한 조치를 취한다 주요 확인 사항으로는 핸드휠이나 스템 축의 벤딩여부 스위치 등의 전장품의 훼손 여부 볼트 체결의

이완여부 및 누락여부 밸브노즐 보호카바 페인트의 손상여부 예비부품의 확인 등이다 특히

서비스용 밸브 패킹의 확인은 매우 중요하다(2)밸브 품질문서의 확인

밸브는 계통에 있어서 하나의 제어요소이자 압력유지 부품으로써 품질문서의 확인 및 관리는

필수적이다 밸브의 품질문서는 대략 다음과 같다수압검사성적서(Hydrostatic Shell amp Seat Test Certificate)재질증명서(Material Test Certificate)비파괴검사성적서(NDE Test Certificate)설치 및 보수메뉴얼(Installation Operation and Maintenance Instruction)이들 품질문서는 발주시 제시되었던 품질문서 요건과 비교하여 누락된 것이 없도록 한다(3)저장

저장은 앞서 간단히 언급한 바와 같이 비 바람 및 이에 따른 먼지 등의 비산에 의한 문제 발생을

최소화하기 위하여 실내로 하고 밸브의 양쪽 노즐 보호카바는 설치될 때까지 떼어내서는 안된다 제어밸브나 모터구동밸브와 같은 자동밸브들은 구동장치 및 관련 액세서리의 훼손 가능성이 높기

때문에 포장된 박스에서 꺼내어 보관하지 말고 가능한 한 원래의 포장상태로 보관하는 것이 안전하다(4)취급 및 설치준비

밸브의 무게가 30kg 이 넘는 밸브들은 가능한 한 밸브 몸통 아래에 나일론 줄을 대고 전체적인

밸런스를 맞춰가면서 밸브를 수직으로 하여 주의 깊게 취급한다일단 설치장소로 옮겨지면 밸브 양쪽 노즐의 보호카바를 제거하여 노즐의 상태를 필히 확인해야

한다 맞대기 용접(Butt Welding End)의 경우 노즐에서의 녹 발생여부와 함께 끝단의 찍힘 등

손상여부를 확인한다 녹이 발생된 노즐은 적절한 방법으로 녹을 제거해야 한다 녹 제거용 용재로는

아세톤이나 알코올이 사용될 수 있으나 염소 성분이나 불소 성분이 있는 용재는 절대 사용해서는

안된다(5)게이트밸브의 설치시 유의사항

게이트밸브의 설치는 게이트밸브가 양방향성의 흐름을 갖기 때문에 설치 방향의 문제는 없으나

다음의 조건하에서는 설치 방향을 필히 지켜야 한다밸브 디스크에 과압 릴리프 구멍이 뚫려 있는 경우에는 릴리프 구멍이 밸브의 유로 입구측이 된다밸브의 디스크(Wedge)는 완전히 잠근 후 배관에 설치해야 한다 디스크를 완전히 잠그지 않고

용접을 하거나 프렌지 체결을 할 경우 이물질이 시트사이에 끼기 쉽고 용접 연결의 경우 디스크가

비틀려질 염려가 있기 때문이다바이패스 밸브가 설치된 게이트밸브의 경우에는 설치 방향이 정해져 있기 때문에 유로 방향을 필히

확인해야 한다(6)글로브 밸브 설치시 유의사항

글로브 밸브는 유로의 방향성이 정해져 있으며 대개 디스크의 아래쪽에서 디스크의 윗부분으로

유로가 흐르는 상향식 유로 구조이다그러나 수동밸브라 할지라도 유체의 조건이 매우 가혹한 경우에는 하향식을 채택하는 경우도 있기

때문에 고에너지를 다루는 배관계통에의 글로브 밸브는 설치방향을 정확히 확인해야 한다또한 글로브 타입의 제어밸브의 경우에는 시스템 특성에 따라 유로 방향을 달리 적용하는 사례가

많다 예를 들어 후라싱(Flashing)이 발생할 수 있는 히터 드레인 계통(Heater Drain System)과

같은 경우에는 대부분 하향식 유로를 채택하고 있다글로브 밸브의 설치 또한 밸브 시팅구조의 손상을 방지하기 위하여 밸브 디스크를 완전히 잠근 다음

용접 등의 체결 작업을 해야 한다(7)체크밸브의 설치시 유의사항

체크밸브를 배관계에 설치하기 전에 설치위치 설치방향 및 유로 방향에 보다 많은 주의를 기울여야

한다(8)버터플라이 밸브의 설치시 유의사항

버터플라이 밸브는 개도 40~60 사이에 유로의 강도(유속 압력)에 따라 개폐의 토오크가 크게

변화한다 따라서 수동조작인 버터플라이 밸브의 운전시 급격히 유체의 힘에 의해 개폐가 될 수

있음으로 밸브조작을 레체트(Ratchet) 방식으로 하여 안전사고를 방지해야 한다 엘보우와 같이

난류원(Turbulent Source)이 있는 경우 버터플라이 밸브의 설치방향 특히 스템 방향이 밸브의

안전한 운전(진동이 증폭되지 않는)에 많은 영향을 준다 즉 엘보우가 만드는 평면과 밸브의 스템축이

일치하도록 설치해야 진동이 증폭되지 않고 만약 스템축이 일치하지 않을 경우에는 버터플라이

밸브의 디스크가 오히려 난류원의 진동을 증폭시킬 수 있기 때문이다아울러 버터플라이 밸브는 대부분 대형사이즈의 밸브이기 때문에 설치시 볼트의 토오크 관리가

일정해야 하고 배관설치시 일어날 수 있는 연결 프랜지의 평행도를 사전에 확인하여 볼트 토오크의

편심이 생기지 않도록 해야한다(9)볼 밸브의 설치시 유의사항

볼 밸브는 설치 위치에 큰 영향을 받지 않으나 가능한 스템축이 운전조작에 편리하도록 하고 조작

핸들이 상부로 되도록 한다 왜냐하면 비교적 높은 조작 토오크가 필요하고 볼 밸브의 취약부인

패킹부분으로 찌꺼기가 끼지 않기 때문이다소켓용접이나 맞대기 용접시에는 제작자의 설치메뉴얼에 따라 적절한 조치를 취한 다음 용접을

하도록 한다 이는 볼 밸브의 시팅구조를 보호하기 위함이다(10)플러그 밸브

전형적으로 플러그 밸브는 다른 밸브에 비하여 매우 높은 조작 토오크를 가진 밸브이다 윤활형

플러그 밸브(Lubricated Plug Valve)의 경우 플러그와 밸브 몸통과의 간격(Clearance)이 매우 적기

때문에 배관작용력(배관설치시 오프셋 발생 열팽창 영향등)이 이들을 바인딩하여 밸브 조작을 어렵게

할 수 있다 플러그 밸브의 핸들은 다른 밸브에 비해 상당히 크기 때문에 밸브 설치시 핸들의 조작

공간을 크게 잡아놓아야 한다2분해 및 조립

(1)밸브의 분해 및 점검을 위한 사전 점검

밸브를 점검하거나 보수를 위해 시행하는 사전 점검은 매우 중요한 일이다밸브를 분해하고 점검하는 것은 주어진 현장여건상 대부분 열악한 환경에 처해 있다 그러나 이러한

조건들을 치밀한 작업공정 계획과 작업준비로서 대처해 나가야 한다 분해작업 전에는 사전 준비로서

관련자료(특히 설치보수 매뉴얼의 사전 숙지는 필수임) 공기구 소요자재 등의 준비는 물론 다음에서

언급하는 절차에 따라 필요한 조치를 취한다특히 정비 및 점검항목 체크리스트를 사전에 준비하면 더욱 좋다 이렇게 하면 작업시 밸브의

점검요소는 물론 어느 계통의 어느 밸브까지 일목요연하게 할 수 있기 때문이다다음은 사전 점검 요소이다전회의 운전 및 정비기록을 검토

전회 정비시 주요한 문제점을 발췌 숙지

현장답사(Work Down)를 통한 작업장의 여건과 안전상태를 사전점검

현장답사 결과 작업루틴(작업 개소별 작업순서)을 작성

필요시 운전원의 의견을 참조하여 정비기록에 기입

밸브자재 사양과 기존 사양과 동일한가를 사전 점검

(2)분해 및 조립을 위한 사전 준비

사전준비로서 분해 조립을 위한 공간확보 공기구 준비 관련검토 자료의 숙지이다 관련 검토자료는

대략 다음과 같다 그러나 가장 중요한 것은 운전원에 의한 밸브의 문제점을 충분히 자세하게

청취하는 것이다검토 자료는 다음과 같다정비 요청서 또는 작업지시서(운전실rarr정비실)운전일지 등(필요시)밸브 이력카드

설치 및 보수 매뉴얼

설치도면(제작자 도면 및 배관 배치도면)

계통도

(3)밸브를 배관으로부터 분리

밸브를 배관에서 떼어내는 일은 일반적인 기계장치의 분해와 같이 일정한 원칙 하에 분리되어야 한다 분리원칙이라 함은 먼저 분리하기 전에 분해 여건(시간 공간 환경)을 확인하고 관련된 계통의 안전

여부를 필히 확인해야 한다이러한 분리 및 분해 여건이 거듭 확인된 후에는 다음의 절차에 따른다밸브를 계통과 분리하기 전에 최우선적으로 꼬리표를 부착한다꼬리표와 함께 밸브 보수메뉴얼을 준비한다꼬리표와 함께 보수 작업 공구 및 필요 소모품을 준비한다꼬리표와 함께 주변을 청결하게 준비한다인양장치 준비 후 점검한다각 볼트를 풀기 전에 체결 위치를 확인할 수 있도록 표식을 해둔다플랜지면 또는 본네트 커버와 밸브 몸통부에 표식을 해둔다볼트 등을 풀기 위해 WD-40 과 같은 침투유를 체결 나사부위에 충분히 살포해 둔다각 볼트 너트는 일단 느슨하게 풀어놓는다배관의 설치상태(배관지지대 위치 등)를 점검하고 배관이 당겨져 설치(Cold Pulling)되었는가를

볼트를 풀면서 확인 서서히 볼트체결을 풀어낸다완전히 볼트를 풀어내기 전 인양장치에 필요한 인양조치를 해둔다제어밸브와 같이 밸브내부 부품이 별도로 많은 경우 내부 부품을 들어내기 전에 기존 조립된 위치를

확인할 수 있도록 특정 부위에 표식을 한 후 인양장치로 내부 밸브를 분해한다플랜지 밸브의 볼트의 제거는 조금씩 제거하되 대각선 방향으로 양쪽 한 개씩의 볼트는 남겨 두어야

한다 그리고 밸브 하단에 지지물을 대고 필요한 인양조치를 취하여 나머지 볼트를 제거한 후

인양한다플랜지식 밸브의 경우 플랜지면의 쎄레이션을 점검하고 상태가 양호하면 쎄레이션 부위를 적절한

방법으로 보호 조치한다모든 분해된 부품들은 안전한 장소에 정리하여 보관한다(4)밸브몸통의 분해

밸브의 본체 분해는 앞서의 절차에 따라 밸브를 배관으로부터 분리한 후에 실시하거나 배관에 설치된

상태 하에서 밸브의 점검을 위하여 시행하는데 절차는 다음과 같다밸브 핸드휠 고정 너트를 푼 다음 그랜드 너트와 본네트를 밸브 몸통에서 분리한다분리된 본네트에서 스템을 제거한다 스템 제거시 파이프 렌치의 물림 위치는 스템의 백시트 아래쪽을

이용한다스템을 제거한 후에 패킹을 제거한다몸통내의 내부 밸브(Trim)들을 제거하기 위해 가스켓을 제거하고 주의 깊게 내부밸브 부품을 조립된

순서의 역순으로 제거한다44회(992월호)〔보수관리〕

모든 밸브는 본래의 기능을 제대로 발휘하기 위해서 구성 부품의 하나 하나가 구조적으로 충분한

강도를 유지하여야 함은 물론 마모나 마찰 또는 유체와의 상호작용 등 외부적인 역학 구조에서도

건전하여 운전의 신뢰성을 확보하여야 한다

따라서 밸브를 설계할 때 이러한 사항을 계산이나 경험 그리고 실증실험을 통하여 설계의 파라미터를

정하고 이 파라미터에 따라 밸브의 형상과 재질 그리고 유체흐름에 있어서 동적 정적인 유체의 힘에

대한 적절한 대책을 밸브 구조에 반영해야 하는 것이다 또한 이렇게 설계되어 제작된 밸브는

검사라는 행위를 통하여 설계 사양서 대로 제작되었는가 설계에서 요구된 기능들이 제대로 역할을

수행할 수 있는가를 검증한다 그러나 이러한 과정을 통하여 출하된 제품은 그 자체로 그 시간대에

완벽하다고 할 수 있으나 이들 밸브들을 설치한 배관 시스템에 있어서는 시스템 전체의 수명까지

보증되어 있지 않은 경우가 많으며 경우에 따라서 보증이 불필요한 경우도 많다 특히 밸브의

경우에는 사용환경이 매우 복잡하여 어떤 유체를 어느 압력 어느 온도에 사용하는 가에 따라서 밸브

자체는 물론 관련 시스템의 수명에 큰 영향을 받게 된다일례로 밸브의 사용 유체가 해수이고 사용온도의 범위가 10~20이며 설계압력이 20kg 유량이 6000kgHr 로서 밸브를 포함한 시스템의 수명기간이 40 년인 어떤 플랜트에 밸브가

설치되어 있다면 실제로 이 시스템에 설치된 모든 각각의 기기들이 40 년의 수명을 지킬 것이라고

보는 기술자는 아무도 없을 것이다주기적인 점검과 예방정비는 물론 적절한 보수를 통하여 수명을 지속시키는 것이다 따라서 밸브의

보수라는 것은 어떤 사고 또는 발생된 문제에 대한 백업(Back-up) 행위가 아니고 문제가 발생될

것이라는 예상 하에 필연적으로 예상되는 밸브의 노화에 대한 예방과 실제 발생된 문제에 대한 적절한

처리인 보수 행위가 있으며 이를 한데 합쳐서 밸브의 제반 성능 및 기능을 총체적으로 관리하는 것을

큰 의미의 보수 업무라고 할 수 있다다음 [그림 1]은 보수와 사이클을 설명하고 있다 [그림 1]에서와 같이 실제 제품은 충분한 강도를

갖고 제기능 및 성능을 유지하고 있지만 시간의 경과에 따라 부품이 열화되어 설계 Level 보다 더욱

내려와서 거기의 기능 유지에 필요한 최소한의 강도 한계가 되면 고장이 생기게 된다이 그림에서 보수를 언급하면 (Ⅰ)단계에서는 당연히 설계 Fiterscopes 레벨 위에 있기 때문에 성능이

유지되고 있으므로 특별한 보수 업무는 없다고 볼 수 있으나 기기의 상태를 확인하는 정도의 보수

업무는 계속된다 그 다음 어느 정도의 시간이 흐르면 (Ⅱ)영역에 이르게 되는데 이 영역은 예방보수

업무가 무엇보다도 중요한 시기로서 기기에 대한 어떠한 예방 보수가 취해지지 않으면 안되는

영역으로 사소한 게으름으로 인하여 큰 고장을 야기할 수 있다(Ⅲ)영역에 이르면 고장이 발생되며 따라서 긴급한 보수가 필요한 영역으로서 설비 전체가 정지 또는

제한 운전이 되며 경우에 따라서 계통을 분리하지 않으면 안되는 경우가 있음으로 이러한 지경에

이르지 않도록 (Ⅰ)(Ⅱ)단계의 업무는 매우 중요하다여기서 (Ⅲ)영역은 좁은 의미의 수리 또는 보수(補修)이고 (Ⅱ)영역을 포함하면 넓은 의미의 보수(補修)라 할 수 있다 (Ⅰ)의 영역은 단순히 점검이라고 할 수 있으나 (Ⅰ)(Ⅱ)(Ⅲ)영역 모두를 총칭하여 보수(保守) 또는 보전

(保全)이라고도 말한다다시 말하여 보수 업무의 목적은 기기가 필연적으로 진행되는 열화(또는 노화)와 확률적으로

발생하는 고장에 대비하여 기기를 설계 Level 이상으로 기능과 성능을 유지시키는 일로 요약할 수

있으며 영어로는 Maintenance 라고 부른다1밸브의 고장

각종 산업분야에서 프로세스의 가장 중요한 요소로서 사용되는 밸브는 산업의 고도화와 이에 따른

고신뢰성의 요구로 날로 그 기술이 발전되고 있다그러나 밸브 구조는 여타 다른 기계 장치와 달리 비교적 간단한 구조로 구성되어 있으나 직접적으로

압력을 받으며 사용목적에 따른 밸브기능을 완벽하게 수행해야 하므로 사용목적 기능 및 사용환경에

따라 그 종류가 매우 다양하며 중요부품은 매우 엄격한 해석 및 기능시험을 거쳐 설계 제작됨으로 가혹한 조건하에서 사용되거나 계통 운전상 최종 제어장치로 쓰이는 제어밸브등과 같은 경우에는

주문제작이 필수적이며 이에 따라 가격차이도 천차만별이다본고는 중요 프로세스에서 사용되는 비교적 고가 밸브의 고장 및 손상 원인 등을 고찰하여 봄으로서

밸브의 전반적인 보수 관리에 도움을 주기 위함이다 한 예로 일본의 발전소용 고온고압밸브의 전문

제작사인 오까노 밸브에서 최근 조사한 고온고압밸브의 제반 고장 상황은 다음과 같다 고장

발견시기는 시운전시 전체 고장건수의 약 36가 발견되는데 이것이 초기 고장에 해당한다 운전시의 고장이 실제 프로세스를 정지시킬 수 있는 건수는 비교적 적은 밸브 각 부위에서의 누설등이

대부분이다 따라서 고장 발견은 대다수가 정기 점검 또는 정지시가 약 절반이며 운전중의 고장

발견은 약 10~13 내외이다밸브 종류별 고장 발생률은 약 절반이 통상의 게이트 및 글로브 밸브이며 안전밸브도 약 20가 시트

누설등의 고장률을 기록했다 이외에 제어밸브에서도 게이트 밸브의 절반정도인 11~14의

고장률을 기록하였으며 우리들이 일반적으로 소홀히 관리하고 있는 체크밸브에서는 약 10의

고장률을 보였다 고장의 내용은 매우 다양하나 비내압부품(Non Pressure Retaining Parts)에서의

균열 파단 및 절손 내압부품간의 경제구역인 디스크 시트등의 육성 용접부(Hardfacing)에서의

균열 안전밸브 시트부위에서의 누설 모터 구동밸브의 구동장치 불량 밸브디스크의 개폐동작 불량 밸브본네트가스켓 누설등의 순서로 약 7~11를 점유하였으며 6 내외가 내부밸브에서의 침식 내부밸브 디스크 시트에서의 내부 누설 등이었다이외에 내압부품에서의 손상이 4 운전중 부품의 이완으로 인한 고장과 이상승압(Pressure Locking) 고온고착(Thermal Binding)현상이 약 35 내외를 차지하였다 여기서 특별한 것은

안전밸브를 제외하고 모든 밸브가 운전중 고장을 확인할 수 있는 그랜트 패킹에서의 누설등 외부누설

및 구동장치의 불량을 제외하고는 거의 대부분의 경우가 정기점검시에 발견되었다는 사실을 염두에

둘 필요가 있다 이상과 같이 밸브의 손상구조는 매우 다양하게 구성되어 있으며 의외로

비내압부품에서의 손상이 밸브의 동작불능을 야기하는 경우가 많다다음으로 밸브의 손상 메카니즘을 역학적 측면에서 손상현상을 고찰하여 보면 밸브의 1 차 기능인

유체수송의 제어기능을 수행하는 가운데 발생하는 유체역학적 불안정성으로 인한 케비테이션 과도한

소음 및 후라싱등으로 인한 점진적인 내부밸브 즉 트림의 손상과 밸브구조의 진동원인 제공 등을 들

수 있다아울러 2 차 기능으로 간주되는 밸브 자체의 구조적 안정성의 문제로 인한 구조적 취약성을 생각할 수

있는데 이중에서 특별히 우려되는 것은 1 차기능과 2 차기능이 함께 불안정하게 수행될 대 고장은

증폭되게 된다 이러한 경우는 프로세스를 시운전할 때 주로 발생하기 때문에 밸브에서의 초기

고장발생률은 상당히 높아지게 된다 이후에는 주로 1 차기능 또는 2 차기능의 취약으로 인한

우발고장이 목격되고 사용기간이 길어질수록 고장률은 증가하게 된다 본고에서는 밸브의 손상

메카니즘을 밸브 기능 및 밸브고장의 내용으로 구분하여 상호관계를 규명하여 봄으로써 밸브의

효율적인 선정과 밸브설계에서의 각 밸브 부품별 설계개선의 Weight Valve 를 제시하고 사용자에

있어서는 체계적이고 합리적인 보수방안의 아이디어를 제공하고자 한다2밸브의 손상 메카니즘

1)유체역학적 불안정

밸브에 있어서 유체역학적 불안정은 유체의 수송 및 제어과정 중에서 발생하는데 밸브의 구조와

직접적인 관련이 있다 밸브는 프로세스 배관에서 하나의 제어 요소로 볼 수 있는데 게이트 밸브와 같은 경우는 On-Off 제어

요소이고 글로브 밸브와 같은 경우는 연속제어가 가능한 요소로서 특히 제어밸브는 이러한 목적에

부합되도록 만든 밸브이다 유체수송에 있어서 On-off 목적으로만 사용되는 대표적 밸브인 게이트

밸브에서의 유체역학적 불안정성은 별도 항목에서 설명하고 여기서는 제어밸브의 유체역학적

제반현상을 설명함으로써 밸브의 1 차기능 문제를 다루기로 한다① 유체관로의 압력

밸브 사용에 있어서 중요한 설계 및 운전 포인트가 관로에서의 유체압력이다 프로세스 구성에 있어서

관로 압력의 변화는 피할 수 없으며 관로내 제반압력 손실요소의 존재로 인하여 프로세스의 동력은

원래보다 증가한다 그러나 이 압력손실 요소로서 가장 핵심적인 것이 밸브인데 제어밸브의 경우는

압력손실 요소로서가 아니라 압력제어 요소로서 밸브에서의 압력손실을 적절히 이용할 목적으로

사용된다 일반적으로 유체관로의 유량과 유체관로에서의 밸브 전후간의 압력손실량과의 관계는

압력손실량 즉 압력차의 제곱근에 비례한다그런데 여기서 유의할 사항은 압력차를 조정하여 유량을 제어하고자 할 때 과도한 유량의 제어는

압력차를 크게 하여 밸브에서의 유체흐름에 불안정을 초래한다 이 관계는 유체의 포화증기압에도

관계되므로 유체의 성질 및 온도가 가변요소로서 유체관로의 압력제어시 필히 검토할 사항이다 또한

밸브의 2 차 기능으로 보아 유체관로의 압력은 밸브의 크기를 결정하는 직접적 요인이 되는데 이

관계는 밸브 선정시 가장 먼저 검토하는 압력온도기준(PressureTemperature Rating)으로 가장

일반적으로 사용되는 기준은 ASMEANSI B 1634 로서 1996 년도 판이 가장 최근 판이다 1 차

기능의 수행과정중 가장 빈번하게 발생되는 손상구조는 압력제어시 밸브에서의 압력 손실량이 매우

커서 밸브교축부의 압력이 유체의 포화 증기압보다 내려갔다가 밸브 후단에서 다시 회복되는

과정에서 생기는 케비테이션(Cavitation)이다이 케비테이션은 순간적으로 기포를 생성하고 다시 압력회복시 붕괴되는 과정에서 매우 큰 충격압을

밸브트림에 가하게 됨으로써 트림구조의 케비테이션 손상을 일으키고 아울러 정도의 차이는 있지만

경우에 따라서 심한 소음과 진동을 유발시켜 밸브의 구동부까지 손상시키는 경우가 있으므로 매우

유의하여야 할 사항이다 발전소에서 복수기로 방출되는 히터 배수 계통의 제어밸브는 상대적 진공인

복수기로 유체가 방출됨으로써 밸브 후단에서 유체의 압력이 회복되지 않고 기포상태로 밸브를

운전하게 되는 경우도 있는데 이는 후라싱으로 표현된다 이 경우에도 케비테이션과 마찬가지로

트림구조를 침식 손상시키는데 케비테이션에 의한 트림의 침식손상이 곰보형태인 것에 비해 아주

매끄러운 침식 손상면을 갖고 있다 밸브의 케비테이션 및 후라싱을 구체적으로 설명하면 다음과 같다② 제어밸브의 Cavitation 및 Flashing제어밸브에서의 케비테이션 및 후라싱은 유체가 교축점을 지날 때 유속과 압력의 관계에 의하여

생기는 현상으로 설계 또는 운전시 주의해야 할 사항이다[그림 2]에서 보는 바와 같이 교축점(VCVena Contracta)에서 유체의 증기압 이하로 압력이

떨어지면 유체내에서 기포가 형성되는데 이것을 1단계 케비테이션이라고 한다 물론 유속은

증가한다 이 교축점을 지나면 유체내의 마찰로 인하여 유속도 점차 감소하고 아울러 압력은 증가하여

압력회복이 이뤄진다 그리고 이사이 기생성된 기포는 붕괴되거나 폭발되어 소음과 진동을

일으키면서 케비테이션 현상은 종료된다 이것을 2단계 케비테이션이라 한다이 현상의 특징은 유체내에 기포가 존재치 않는 상태에서 교축점을 중심으로 유속과 압력의 에너지

교환 과정중 생긴 기포의 생성과 소멸로서 밸브 입구에서의 유체 상태는 과냉상태(Sub-Cooled

Condition주어진 압력하에서 포화 온도보다 낮은 상태)로 되어 있어야 하며 만약 포화 상태의

유체가 흐른다면 출구측에서 계속 기포가 잔류하게 되어 후라싱 상태로 될 수 있다따라서 밸브 출구측의 압력은 증기압 이상으로 되어있어야만 케비테이션이 발생할 수 있다 케비테이션 현상은 기포의 생성 소멸이 짧은 시간동안 지속적으로 일어나면서 밸브에 소음 진동은

물론 밸브 트림에 침식을 일으킨다 이 기포의 생성 소멸의 압력 충격파는 매우 크고(as high as 100000psi) 또한 순간적이며 지속적으로 밸브 금속면에 충격을 가하여 피로 현상을 일으키고 결국

그 부분이 침식을 일으키는 것이다 지금 1단계 케비테이션 현상이 밸브 출구측으로 계속 진행된다면 이를 케비테이션과 구분하여 후라싱이라 한다후라싱은 압력이 유체의 증기압 이하로 계속 유지되면서 유속은 크게 증가되어 있는 현상이다 후라싱이 생기는 원인은 밸브 입구의 유체상태가 과냉 상태이거나 포화상태로서 교축점을 지나면서

더욱 기포가 생성되고 유속이 증가되어 압력 또한 포화 압력이하로 유지됨으로 인한다후라싱은 유체입자를 고속으로 관로면에 충돌시킴으로써 꼭 Sand Blasting 을 한 것처럼 매끄러운

표면을 만드나 계속적으로 진행되면 관로 두께가 얇아지고 결국 손상을 입게된다이러한 케비테이션과 후라싱 현상의 발생 과정중 교축점에서의 비체적은 기포의 생성으로 인하여

증가하게 되는데 만약 교축점에서의 유체 속도보다 비체적의 증가 속도가 크거나 이 점에서

액체기포의 2 상 유체 상태로 그 속도가 음속에 다다르게 되면 케비테이션 또는 후라싱과는 다른

현상이 일어나는데 이를 초크흐름(Choked Flow)이라 한다즉 밸브가 열려 있는데도 유체가 순간적으로 흐르지 않고 간헐적으로 큰 진동 또는 소음을 발생하면서

흐르게 된다그러나 이론적으로 유체의 초크현상은 명확히 규명되어 있지 않다 제어 밸브에 있어서

케비테이션은 밸브 트림을 마멸시키고 큰 소음을 일으킨다③ 유체관로의 유량

어떤 프로세스에 있어서 유량의 제어는 곧 밸브에서의 압력손실량의 정도 즉 압력차를 조절하는 것과

직접적인 관계가 있다 원활한 밸브의 운전은 유량과 압력조절이 자연스럽고 부드럽다는 것이나

압력차를 제어함으로 유량의 다소에 관계없이 유량조절이 된다는 것은 아니다왜냐하면 유체관로의 경제유속을 무시하고 많은 유량이 필요하다고 유체를 고속을 흘려보낼 수는

없으므로 경제유속의 범위 내에서 밸브를 운전해야 한다배관의 부식침식을 고려한 결제 유속은 최대 10msec 정도로 제한되며 트림을 정기교환

보수부품으로 할 경우에도 약 1000psi(71bar)의 차압발생시 50msec 이내이어야 한다 따라서

유량의 문제는 밸브 자체의 크기결정 즉 트림의 크기 결정에 유효하고 압력손실량을 제어하는

요소인 트림의 형상 및 특성에는 2 차적으로 영향을 주게된다 유체 관로의 유량과 밸브간 차압과의

관계는 다음의 식으로 물리적 의미를 음미할 수 있다Cv = 117KQ(GP)05단 P = Pu-Pd Pdgt05Pu Plt05PuQ = 유량(hour)G = 액체의 비중(무차원)P = 밸브간 차압(kg)K = 밸브 트림 및 밸브 형상에 따른 상수(무차원)④ 유체의 온도

유체의 온도는 밸브 적용에 있어 매우 중요한 설계 파라메타일 뿐더러 밸브 운전에 있어 케비테이션

또는 후라싱의 경계 및 한계를 정하는데 중요한 요소이다 아울러 밸브의 구조를 결정하는데 직접적인

영향을 주는 인자로서 특히 고온고압밸브의 경우 내압부 및 밸브 구성부분의 비연속성에 따른 열천이

(굽힘 성분의 모멘트를 발생시킴)로 인한 열응력을 발생시킴으로 이 관계를

주의하여 설계제작 되어야 한다45회(993월호)2)유체흐름의 불균일로 인한 밸브의 진동

유체가 밸브를 통과할 때는 불규칙한 내부형상 또는 유로에 장애물이 있어서 난류(Turbalance)의

발생이 필연적이다 이때 난류는 일정한 주기의 진동을 유발하게 된다 가장 간단한 예로서 게이트

밸브에서 디스크가 중간개도에 있을 경우 와류발생(Vortex Shedding)에 의한 진동이 유발되는데 그

관계는 STROUHAL Number 로 표시되는 관계식에서 알 수 있다 즉S = VofD여기서 S = STROUHAL No로서 Reynolds 수에 관계하고 대략 그 범위는 016~022 를 갖는다f = 와류발생에 의한 유체 유발 진동수

Vo = 입구에서의 평균속도(ftsec)D = 특성 간섭거리(Characteristic Dimension)그러나 이 관계식의 실제 적용 시에는 매우 조심해야 하며 이 식의 결과는 측정치에 대한 자료관리

측면에서 해석적 경향을 파악하는데 유효하며 측정치가 없는 경우의 진동해석에는 무리가 있음을

밝혀둔다특히 버터플라이 밸브 및 볼 밸브와 같은 경우는 밸브개도의 정도에 따라 밸브 및 배관계통에

유발시키는 와류진동(Voltex Vibration)이 밸브 구동부품의 손상을 가져오는 경우도 있는데 버터플라이 밸브는 밸브개도 70 내외에서 볼 밸브는 80 내외에서 가장 큰 진폭의 진동이

유발되므로 개도 조절에 유의해야 한다 무게중심이 높은 대형 전동구동밸브나 다이아후램 구동

제어밸브와 같은 Heavy Top Work 밸브의 경우 밸브 구동부의 요크 강성도가 충분하지 못한 즉 고유진동수가 적은 밸브일 가능성이 높으며 이 고유진동수와 유체흐름의 불균일로 인한 진동의 공진

발생으로 구동부가 손상된 사례가 있다이와 같은 경우에는 구동부를 추가로 지지하던가 요크의 강성도를 높이기 위해 보강하는 게 좋다 그러나 이는 어디까지나 운전시의 진동측정 결과에 기초해야 한다3)유체천이에 의한 밸브의 진동프로세스 계통이 고에너지의 유체를 수송한다면 밸브등 각 제어요소의

운전이 어떤 사고 또는 노화로 인해 제어 불능일 경우가 생긴다또한 펌프계의 불시 정지등으로 인한 수격현상등 유체천이에 의한 유체의 관성에너지가 불균형해져

배관계에 진동을 유발하고 심한 경우 배관의 파단이나 기기 손상까지도 유발하게 된다 한 예로

발전소에 있어서 터빈을 지나온 증기는 보일러 급수를 가열하기 위해 각 히터를 거치는데 이때

히터에서 응출된 증기는 어느 일정 수위가 넘으면 즉시 복수기로 By-Pass 하게 된다이 히터 드레인 제어밸브는 히터의 수위가 정상치보다 높으면 밸브를 영어 복수기로 물을 방출해

수위를 조절하는데 이때 상대적 진공인 복수기와 일정 압력의 히터간 차압은 겨의 밸브 운전압력

정도로 크기 때문에 대부분이 후라싱 서비스 목적으로 밸브를 운전한다이 제어밸브는 복수기에 근접하게 설치되는데 이는 토출측의 배관에서 생기는 후라싱의 악영향을

줄이기 위함이다 그런데 만약 히터에서 제어밸브 사이의 배관이 긴 경우 특히 일직선의 배관이 긴

경우에는 제어밸브를 통한 방출유량 만큼 관로속의 유체는 방출 순간 유체흐름의 관성에너지

불균형으로 진동을 유발하는데 배관계의 지지가 대부분 진동 효과를 고려하지 않는 배관의 자중과열

팽창만을 고려하기 때문에 이러한 비정상적인 운전시 배관계의 격심한 진동과 이에 따른 밸브구조의

구조적 취약으로 인해 제어밸브의 요크 부위가 파단되는 경우가 적지 않다 특히 [그림 1]과 같이

관로의 방향쪽으로 진동 가속도가 크게 작용하는 진동이 있을 경우 밸브 구동부의 무게중심(관로

중심에서 L 만큼 떨어져 있음)에서의 가속도는 0 이므로 순간적으로 밸브 요크에 전단력 및 굽힘

모멘트를 발생시켜 결국 파단에 이르게 한다여기서M = 제어밸브의 총 질량(mL)EI = 제어밸브의 Yoke StiffnessL = 관로 중심선과 밸브 무게중심과의 거리

m = 요크의 등분포 질량

밸브에 있어서 운동에너지는

T = intLO m(x)[Φ(x)Y(t)]2 dxthere4[T=05MY(t)2 그리고 Y(xt)=Φ(x)Y(t)]여기서 Φ(x)는 계의 모양을 나타내는 함수로서 Φ(L)=1 로 한다밸브의 운동모형을

Φ(x)=1-Cos πx2L 라고 하면

Y(xt)=Φ(x)Y(t) = Y(t)(1-Cos πx2L)또한 밸브계의 총 질량 M은

M = intLO m(x)Φ2(x) dx+mL = mintLO(1-Cos πx2L)2 dx+mL = mL2π(5π-8)밸브의 Stiffness K는

K = intLO EI(x)[Φ(x)]2 dx = intLO EI(π2L)4 Cos2 πx2L dx = π4EI32L3밸브 요크에서 Damping 이 없다고 가정하면 밸브에 작용하는 유효하중은

Mu + KU = Feff(t)여기에서 U = Y(t)-Yg(t)로서 상대운동 방정식

그리고

Feff(t) = intLO Peff(xt)Φ(x)상대운동 방정식

그리고

-mLag(t)Feff(t) = intLO -mag(t) 0(x) dxPeff(xt) = mag(t)따라서

-mLag(t)이를 풀면

Feff(t) = 11M ag(t)가 된다따라서 밸브에 작용하는 유효하중은 밸브가 부착된 배관계의 진동 가속도에 직접적으로 영향을

받으며 무게중심에서 상대운동(Relative Motion)에서 응답변위 U 를 구할 수 있어 밸브 요크에서의

응력상태를 평가할 수 있다또한 Feff(t)는 고전적 수격해석방법(물론 실제 상황과는 많은 오차가 있으나 진동 특성의 상대적

평가 분석에는 유효함)으로 밸브 전후단의 압력차에 의한 속도 변화량(V)를 구해 관성에너지 즉 밸브에 생기는 유효하중을 계산하여 밸브 구동부에서의 진동 가속도 및 진폭을 상대 평가할 수 있다 그러나 모든 진동현상이 매우 복잡하게 발생되므로 앞서와 같은 해석적 평가는 진동 특성의 경향

파악에 유효하고 실제적인 방법은 실험적 방법인 실제 진동 특성을 측정하여 평가해야 할 것이다4)이상승압 및 이상고온 현상에 의한 게이트 밸브의 개폐불능

이상승압(Pressure Locking)과 이상고온에 의한 게이트 밸브의 개폐불능(Thermal Binding)은

대체적으로 게이트 밸브와 같이 비교적 큰 공동(Cavity)을 가진 밸브에서 발생되는 현상이다[그림 2]와 같이 게이트 밸브에서 유체를 차단할 때 본네트의 공동부에 있는 액체도 유로와 격리되는

상태로 되면 본네트 공동부에 액체가 남아있게 된다이 액체가 배관계통의 재 가동으로 점차 열을 받게 되면 체적팽창을 하여 B 부분의 압력 상승으로 밸브

디스크가 개폐 불능상태에 이르게 된다 액체의 체적팽창에 따른 승압정도는 [그림 3]을 참조한다 이

그래프에서 보는 바와 같이 (B)부분에 액체가 약 30 있고 20에서 510로 가열되는 경우

본네트 공동부 압력은 590 기압 정도로 상승하게 되어 밸브를 열 수 없게 된다이상 승압이 되는 원인은 직접적인 것으로 본네트 공동부에 액체가 잔류하기 때문인데 이는 밸브

설치문제와 직접 관련된다배관계통에 게이트 밸브를 설치할 때는 가능한 한 수평배관에 밸브 스템이 수직이 되도록 설치한다 그러나 이때 밸브 디스크 하부의 공동부가 클 경우 같은 문제가 발생될 여지가 있으나 본네트

공동부에 비하면 상대적으로 적으며 밸브를 여는데 큰 지장이 없으므로 문제삼지 않는다특히 증기 수송용 수직배관에 수평으로 설치된 게이트 밸브일 경우 본네트 공동부내에 응축된 액체가

잔류할 가능성이 높으며 가동시 쉽게 가열될 수 있어 이상승압 발생의 가능성이 높다그러나 현재 게이트 밸브 응용은 디스크를 입구측 배관 압력에 의한 씰(Seal) 방식을 택하고 있기

때문에 쉽게 일어나지는 않지만 보일러 수증기 배관 고압 히터 입출구 배관 급수조절 제어밸브

출구배관 보일러 순환펌프의 입구배관 기타 고온의 주요 배관계통 게이트 밸브의 경우는 이상승압에

대한 대책을 세워야 한다이상승압이 되어 밸브가 열리지 않으면 모터 구동밸브의 경우 모터의 과부하로 소손될 염려가 있으며 유압잭 같은 기구로써 강제로 밸브를 열고자 할 때는 디스크와 스템의 연결부위가 절손되므로

유의해야 한다 이상고온 현상에 의한 Thermal Binding 은 고온배관의 게이트 밸브에서 발생되는

현상으로서 특히 쐐기형 디스크에서 발생되기 쉽다즉 고온상태에서 밸브 몸체는 열 팽창으로 디스크가 쉽게 닫힐 수 있는데 이를 조정하고 제한하는

것이 모터 구동밸브에 널리 쓰이는 토오크 스위치로서 이미 열팽창 되어있는 몸체에는 상온상태에

비해 보다 많은 디스크가 시트에 삽입된 후 정지하게 된다이후 다시 상온으로 되면 밸브몸체는 열 수축되어 디스크를 구속하게 되므로 개폐불능 상태에 이르게

된다 이와 같이 이상승압은 게이트 밸브가 고온상태에서 디스크를 닫고 상온에 이르렀다가 다시

계통이 운전되어 디스크를 열려고 할 때 생기며 이상고온 현상에 의한 Thermal Binding 역시

고온상태에서 디스크를 닫았다가 상온상태에서 열려고 할 때 일어나는 현상으로 발전소의 중요

배관계통과 같은 곳에서의 이러한 현상 발생은 매우 심각한 경제적 손실을 야기시킨다5)모터구동 밸브의 모터구동 장치 고장원인

모터의 소손을 포함한 모터구동 장치의 고장은 프로세스 배관계통의 제어 및 유체 수송을 방해해

플랜트 전체에 심각한 문제를 야기시키는 경우를 종종 경험했을 것이다 모터구동 밸브의 구동장치

고장원인은 다음과 같이 네가지로 대별할 수 있다① 토오크 스위치 설정에 관한 문제

토오크 스위치 설정이 부적절하여 Thermal Binding 시와 같이 디스크가 과도하게 시트내에 삽입되는

것을 방지하지 못하거나 과도한 백시팅 힘으로 인해 스템의 불연속부에 과도한 응력분포를 갖게할 수

있으며 정도가 심할 경우 모터 소손에까지 이르게 된다마찬가지로 토오크 스위치 설정이 불균형하거나 기계적 손상을 입었을 경우에도 이와 같은 현상이

생길 수 있으며 만약 토오크 스위치 조작범위가 너무 근접했을 경우 토오크 스위치 관성상

제어상태가 불안정해 위험하다② 밸브 몸체에 관한 문제

백시팅 상태의 불량 스템 마모 또는 스템 너트 마모로 인한 강성 부족으로 생긴 스템의 변형 디스크

마모로 인한 정격 스템의 운동량 초과(Wear Travel) 스템 마모 또는 부적절한 패킹재로 인한 누설과

이를 조치하기 위한 과도한 패킹압력 및 스템의 윤활이 부적절한 경우이다실제적으로 스템의 마모 또는 패킹재료의 탄력성 결여로 인한 누설은 결국 과도한 패킹압력으로 임시

조치될 수 있으나 이에 따라 모터에 과부하가 발생하고 소위 헌팅(Hunting)과 같은 불안정한 동작을

하게 됨으로써 디 tm 크의 개폐불능 또는 스템 변형을 초래하여 점차 악화되어 간다 이러한 문제로

스템과 패킹력과의 역학적 관계는 물론 패킹재료 개선등의 많은 연구가 현재 선진국에서 활발히

진행되고 있다③ 구동 구조에 관한 문제

구동장치의 노화 또는 부적절한 보수로서 스템 너트 웜 베어링의 풀림 웜 기어구조 즉 피니언 및

웜의 마모로 인한 손상과 윤활상태의 노화나 불량으로 인해 기능의 약화 또는 상실에까지 이르게 된다④ 밸브 계통에 관한 문제

배관계통으로부터 야기되는 제반현상 즉 배관계통의 진동 또는 구동부 지지의 부적절 등으로 인해

불안정한 상태가 계속될 때에는 밸브 구동부의 수명을 단축시키고 손상을 유발하게 되므로 모터

구동밸브와 같이 큰 구동부를 갖는 배관계는 밸브 전후에 진동을 억제시키고 밸브 구조를 건전하게

하는 배관 지지대를 설치한다46회(998월호)밸브 보수 및 엔지니어링

밸브는 프로세스 시스템의 제어 요소로써 시스템의 운전조건에 따라 적절한 기능을 수행하여야 한다 우선 구조적으로 튼튼하여 어떠한 높은 압력이나 온도 또는 극저온의 극한 조건하에서도 제어의

구조적 안정성을 확보하여야 하고 제어기능에 있어서도 내외부 누설이나 시스템 추종의 건전한

제어가 확보되어야 한다 이러한 기능들 즉 프로세스 운전 중 지속적으로 유지 관리되기 위한 제반

활동을 밸브보수라 하고 밸브보수를 보다 과학적으로 프로세스 시스템의 운전조건에 맞도록 하는

기술적인 평가와 판단을 밸브보수 엔지니어링이라고 한다 실질적으로 밸브보수 엔지니어링은

제어요소인 밸브가 제 기능을 상실했거나 상실될 우려가 있는 경우 시스템의 제반 조건중 압력 온도

및 유량(유속) 조건을 밸브의 제어기능을 중심으로 분석하는 것이다 아울러 기계적인 불안정

운전요인이 현상으로 나타나는 경우에는 밸브의 제어기능 이외에도 밸브를 포함한 배관 프로세스

시스템 전체도 아울러 해석할 필요가 있다다음의 예는 발전소 주 급수제어 밸브의 스템 절손사고에 대한 프로세스 운전 조건과 밸브 설계의

제반 측면을 검토한 것으로써 밸브를 보수하기 이전에 왜 문제점이 생겼는가를 분석 평가한 후

시스템의 운전 조건에 맞도록 밸브를 개선하는 과정을 설명한다밸브 보수 엔지니어링의 첫 번째는 우선 보수의 목적이나 문제된 밸브의 분석 목적을 정해야 한다 급수 제어밸브의 스템 절손 사고는 먼저 급수 제어 밸브 자체의 구조 및 설계 개념을 파악하고 급수

계통의 프로세스 운전 특성을 파악하는 것이다 밸브 구조 및 설계 개념과 프로세스 운전 특성을

검토한 후에는 다음과 같은 사항들을 중점 분석할 필요가 있다

밸브의 선정은 프로세스 운전 특성에 부합되는가

밸브의 동적 운전 특성이 프로세스 운전특성에 비추어 충분한 구조적 강도를 갖고 있는가

밸브의 구동부 선정은 프로세스 운전 특성 및 밸브 트림 특성상 충분한 힘을 갖고 있으며 제어성은

건전한가

밸브의 형식 및 프로세스 배관계통의 설계가 프로세스 운전 특성에 비추어 적절히 설계되었는가

밸브 스템의 구조적 강도는 충분한가

위의 사항은 급수 제어밸브의 스템이 절손(밸브 스템과 플러그의 연결부)된 사항에 대한 분석 평가

내용으로 스템이나 플러그 연결부의 구조적 강도에 대한 보강의 목적 또는 프로세스 시스템상의

개선여부를 판단하는 것이다 이를 위해서 프로세스 시스템에 대한 계통구성 및 설계조건 그리고 운전조건을 우선 구체적으로

파악하는 것이다 확인이 필요한 분석자료는 [표 1]과 같다이들 분석자료에 의하여 밸브의 주된 문제점인 스템의 절손 사고에 대한 착안사항으로 밸브의

유량계수 선정과 밸브의 개도는 적절한지 확인해야 한다 또한 밸브 구동부의 선정에서 구동 공기압의

크기 및 안전성인 구동부 스프링의 강성도(다이아후램의 적정 운전 공기압 및 초기 압축량등) 스템

운전 스트로크 거리 패킹의 재질 및 패킹의 조임력과 밸브 입출구의 압력에 대한 밸브 트림의 구조적

안정성을 확인할 필요가 있다아울러 밸브 구동부의 진동 및 프로세스 시스템의 기기 공진에 대한 검토로 진동으로 인한 피로

파괴를 검토한다이는 플러그의 강성도가 스템의 강성도에 비하여 상대적으로 매우 높기 때문에

진동이 있을 경우 피로파괴의 확률은 매우 높아진다 다음으로 배관 설계의 적합성을 검토하는

것으로 배관 배치가 고에너지의 계통특성에 비추어 유체천이에 의한 힘의 과도한 불균형이 발생될

여지가 있는가를 확인하여 이를 밸브 손상원인의 한 요인으로 검토하는 것이다 아울러 밸브 형식에

대한 검토도 중요한 착안사항의 하나이다다음은 밸브 보수 엔지니어링의 한 예를 구체적으로 보여주고 있다1블로우다운 앵글 밸브 개선을 위한 밸브엔지니어링의 예제

(1)개요블로우다운 밸브는 통상적으로 압력과 온도가 높은 포화수를 압력이 낮은 후레쉬 탱크로 방출하는데

사용되는 밸브로써 발전소와 같이 고온고압의 응축수를 효과적으로 이용하는데 쓰인다 예를 들어

증기발생기의 블로우다운은 정상 운전시에는 증기발생기의 수질관리를 위하여 약 1 정도의 일정한

양을 취출한다 아울러 복수기내의 누설이나 증기발생기내의 누설이 예상될 때는 최대 3까지의

블로우다운을 실시한다 블로우다운된 고온 고압의 포화수는 후레쉬 탱크에서 응축수와 증기로

분리되고 증기의 경우에는 급수 히터의 가열 열원으로 응축수는 다시 복수기로 회수 되도록 되어

있다운전조건의 검토

입구압력 856psia출구압력 17psia온도 523F정상운전유량 40gpm최대운전유량 18800lbhour요약된 데이터는 [by2]와 같다(2)밸브 몸통의 선정

(가)밸브 몸통의 온도-압력 등급 ANSI B1634 에 따라 밸브의 온도-압력 등급은 600이나 가혹한

운전상황 임을 감안하여 ANSI 1500로 한다(나)밸브 몸통의 재질 선택

극심한 후라싱을 고려하여 밸브 몸통의 재질은 A217-WC9(F22)인 크롬-몰리브덴의 합금강으로

선택한다 (다)밸브 몸통의 크기 선정

25Prime(65A)의 밸브로 하고 재질이 WC9(F22)이기 때문에 밸브의 연결단은 버트용접(맞대기 용접)으로

한다 밸브의 입구측은 25Prime이고 출구측은 연결배관에 일치하며 후라싱의 강도를 저감할 수 있도록

3Prime(80A)로 한다(라)밸브의 몸통 형태

밸브의 몸통 형태는 블로우다운 용도에 가장 적합한 앵글 글로브 밸브로 한다(마)기존 밸브의 침식 문제점 분석

패킹박스 내부가 부식으로 인하여 손상

패킹박스 내부는 패킹이 장착된 이후 장기간동안 패킹교체가 없었던 것으로 판단되며 아울러 이

밸브는 설치 이후 지금까지 고온의 물이 장시간 스며들어 있으면서 부식을 진전시킨 것으로 판단한다시트부위의 크랙

시트부위는 일단 스텔라이트로 하드페이싱된 것으로 판단 계통 조건상 극심한 후라싱이 발생하는

조건임으로 고에너지의 유체 흐름과 더불어 약 270의 고온이 하드페이싱 용접부의 취약부분인

열영향지역(HAZ Heat Affect Zone)에 반복 열피로(온도가 높아졌다가 낮아지는 경우 열변형의

반복 작용으로 피로가 누적되며 이로 인하여 크랙이 발생할 수 있음)로 인하여 크랙이 발생된 것으로

판단된다 특히 스텔라이트 하드페이싱의 경우 통상적으로 Stelite 6 을 많이 사용하나 이 Stelite 6 은 용접성이 나빠 크랙을 일으키기 쉬운 텅스텐이 약 1 포함되어 용접에 주의하여야 한다 Stelite 12 또는 21 을 사용하면 용접 효과가 보다 나아진다1999 년 9월호 알파와 오메가

(마)기존 밸브의 침식 문제점 분석

밸브 출구 부위의 침식부식은 후라싱에 의한 침식으로 판단된다 후라싱의 강도는 후라싱의 속도가

100msec임을 감안하면 그 강도의 크기를 예상할 수 있다 일반적으로 후라싱이 생기는 시스템의 경우 출구 유속이 고속이므로 일부 액체상태의 액적(Droplet)들이 고속의 증기와 함께 밸브의 하부 출구면에 충돌하기 때문에 이러한 후라싱에 의한 밸브 하부면의

침식은 계산상으로도 충분히 예상된다 미국 전력기술연구소(EPRI)에서 1990 년에 발전소용 밸브 적용지침서로 발간한 연구보고서 NP-6516(Research Project 2233-5) ldquo Guide for the App-lication and Use of Valves in Power Plantrdquo의 Appendix C1 Control Valve Sizing Methods and Example 에 의하면 일반적인 밸브일

경우의 속도제한은 다음과 같이 규정하고 있다 액체상태일 경우 초당 50 피트(15미터) 기체상태일

경우 마하 10 까지 허용 액체와 기체의 혼합 유체(2-Phase Flow) 초당 500 피트(150미터)후라싱에 의한 2 상 유체의 제어가 필수적이고 밸브 포트의 출구로부터 지속적인 기화가 일어나는

조건임으로 밸브 출구에서의 유속제한은 초당 500 피트를 넘지 않도록 강력히 권고하고 있다 따라서 본 시스템에 있어서도 밸브의 출구측 바로 확관을 하여 유속의 500 피트 이하로 제한하고

있으나 침식에 의한 밸브 몸통의 감육을 피할 수 없음으로 상기 연구보고서에서는 밸브 재질을 크롬-몰리브덴 합금강으로 하고 트림에 스텔라이트를 육성 용접하도록 하고 있다

따라서 후라싱이 예상되는 밸브에 있어서 밸브 출구 유속의 검토는 절대적이며 아울러 후라싱 비율을

계산하여 침식의 강도를 예상하고 이를 기준으로 예방정비의 참고자료로 활용하여야 할 것이다후라싱 유체의 유속 및 후라싱 비율을 계산하는 방법은 다음과 같다 보다 자세한 것은 붙임의 물 증기 혼합유체 배관의 침식예측 계산서를 참조한다밸브 출구에서의 압력이 포화증기압보다 같거나 낮을 경우 유체의 일부 또는 전부는 기화되어 증기

상태로 된다 이렇게 어는 액체에서 후라싱이 발생할 때 다음의 식은 후라싱 속도를 계산하는 식으로

활용할 수 있다V = (04A)[(1-Xp100)Vf2 + (Xp100)Vg2]w유체가 물일 경우

V = (20A)[(1-Xp100)Vf2 + (Xp100)Vg2]q여기서 V = 유속 (ftsec)w = 유체(액상) 유량 (lbhr)q = 밸브 입구에서의 유체(액상) 유량 (gpm)A = 적용 유로면적(in2)Vf2 = 출구압력에서의 액체의 포화 비체적(ft3lb)Vg2 = 출구압력에 있어서 기포의 포화 비체적(ft3lb)Xp = 후라싱 비율()= 100(hf1-hf2)(hfg2)hf1 = 입구온도에 있어서 포화액체의 엔탈피(Btulb)hf2 = 출구온도에 있어서 포화액체의 엔탈피(Btulb)hfg2 = 출구압력에 있어서 증발 엔탈피(Btulb)

밸브 출구에 연결된 엘보우에서의 침식은 상기 (3)에 의한 영향으로 침식이 된 것으로 판단한다스템의 습동부에서 부식은 밸브 몸통이 탄소강(A105)인 경우 스템의 재질이 통상 13Cr(SS 410)임을

알 수 있다 SS410 재질은 마르텐사이트 스테인레스 강으로써 장시간 운전하지 않을 경우 흑연계통의 패킹재와 친화력으로 인하여 점식(Pitting)의 발생이 용이한 것으로 알려져 있다(Ref ldquoTest of Asbestos-Free ltGraphitegt Stem Packing for Valves for Elevated Tempera-ture Servicerdquo Aug 1986 R-ockwell Intrdquo) 따라서 이러한 이유에 의해서 점식이 진행된 것으로

판단된다3)트림의 구조

밸브에 있어서 트림은 가급적출구 흐름의 축선상에서 유입된 유체가 상호 충돌하면서 압력 손실이

많이 생기도록 트림을 설계하여야 하며 또한 유량도 정밀하게 제어할 수 있도록 하여야 한다 여기서 트림재질 40047 SST 는 케이지 및 디스크를 SS420QT 소재로 하고 스템은 SS431QT 을

사용함을 말한다 아래 표는 앞서의 운전 데이터를 사용하여 밸브 선정을 계산한 결과이다밸브 몸통 크기에 따른 밸브

출구속도 후라싱 비율 및 출구압력 계산결과 요약 후라싱의 속도는 85~131 msec 로써 가혹한

조건이며 참고로 후라싱율(증기로 되는 비율)은 대략 31로 추정된다 즉 31의 증기는 기체상태로 고속으로 나머지 70의 물로 밸브의 트림부에 지속적으로 충돌하는

것임으로 마모는 피할 수 없다

따라서 고속의 유체가 흐르는 지점에 벤츄리를 설치하고 이 벤츄리는 내마모성이 탁월한

스텔라이트로 한다 벤츄리를 지난 다음에는 유로 면적을 점진적으로 증가시켜 후라싱의 효과를

극대화 하도록 한다 따라서 블로우다운용의 앵글밸브의 출구단은 일반적인 밸브에 비하여 약 2 배의

길이를 갖는다7밸브의 구매

가 밸브의 구매 기술 사양서

밸브의 구매사양은 구매에 따른 행정적인 사항인 발주자와 수주 대상자간의 상거래 조건 을 정하고

있는 일반적인 계약 외에 구매물품의 기능 및 품질을 정하고 있는 기술 사양으로 구분된다 밸브의 구매에 따른 기술사양은 발주자의 밸브사용 목적에 맞는 즉 설비의 한 구성품목으로서 설비의

운용목적에 적합한 기능을 갖도록 강도 측면에서 충분히 강하고 요구되는 설비 운전기간 동안

건전하게 운전하며 운전 및 보수에 편리하도록 발주자가 수주 대상자에게 요구하는 밸브의 총체적

설계 및 기술시방서로 볼 수 있다따라서 밸브의 구매사양에 있어서 기술사양은 밸브의 기능 및 품질을 정하는 계약이다 기술사양서의

작성은 산업의 발달과 관련 기술의 진전에 따라서 날로 고도화되어 가고 있으며 사용자의 입장에서

보면 높은 신뢰성과 보수정비의 용이성 및 자동화가 가능한 방향으로 작성되기 때문에 경우에

따라서는 밸브 제작사의 기술을 선도하기도 한다밸브의 기술사양서는 밸브의 기능 및 품질에 관련되는 내용을 상세하게 기술한다 단지 기술시방

내용이 국가 표준 규격이나 공인 기관의 표준 또는 규격서와 같을 경우에는 관련 표준 또는

규격으로써 가늠할 수 있다 그러나 밸브의 기능상 성격을 특징 지울 수 있는 부분과 특정 재료를 사용하고자 할 때는 표준규격에

포함된 사항이라도 별도로 기술하는 것이 바람직하다밸브의 기술사양서는 수주자가 제공해야만 하는 업무의 책임한계를 먼저 정하고 기술사양서에서

사용되는 용어 및 약어를 미리 정해두고 다음으로 적용하고자 하는 국가 공업규격이나 산업표준을

정하는 것이 좋다 이러한 표준규격들은 관련 밸브의 최소한의 요구사항을 빠짐없이 정한 것이고 이미 경험과 실증으로

밸브의 성능이 확인되었다고 볼 수 있기 때문이다 그러나 이것은 어디까지나 최소한의 요구사항이기 때문에 추가의 요구사항 즉 사용하고자 하는

목적과 사용유체의 특성 및 제어관계 등은 표준규격으로는 만족시킬 수 없는 것이 대부분이어서

추가로 기술하여야 한다또한 책임의 한계를 정할 때 중요한 것은 기술사양의 해석시 상호간의 의무 및 준수사항과 협의사항

그리고 밸브제작사의 선택 사항을 명확히 하는 어휘를 미리 정하여 기술하는 것이 편리하다 아울러 기술사양서의 내용 중 표준규격의 내용과 본 사양서의 내용간에 어떤 차이가 있을 수 있기

때문에 이에 대한 대비책으로서 이들 상반되는 또는 이해하기 곤란한 사항에 대한 적용 순위를

정해두는 것도 편리하다사실 미국의 Rockwell Valve 나 Dresser Valve 사와 같은 선진 밸브회사의 경우는 밸브회사

자체에서 준비하고 있는 밸브 표준 사양서를 밸브 발주자(주문자)가 적극적으로 활용하는 사례도

있는데 이는 주문자가 밸브회사의 기술과 신용을 사는 좋은 예이다다음으로 밸브 품질에 대한 요구사항과 수주자가 밸브를 설계 제작 납품까지 지켜야 할 사항과 검사

항목을 정한다 물론 수주자가 밸브를 제작하기 앞서 발주자의 승인 또는 참고용으로 제출해야 할 밸브의 전반적

성격을 보여주는 조립도 등의 설계관련 도서와 품질관련 서류 등도 기술하여 추후 계약 후 또는 발주

관리시 발생할 수 있는 문제들에 대하여 효과적으로 이용할 수 있는 계약이 된다기술사양서의 본론이라고 할 수 있는 설계요구사항은 밸브의 사용목적 및 운전방법에 부합되도록

밸브의 각 구성부품의 가공방법 형태 재료 조립방법 열처리 방법 도장방법 및 현장 설치시를

고려한 밸브 악세사리 등의 형태를 각 항목별로 기술한다 이 항목은 밸브의 기능 및 품질을 정하는 실질적인 기술시방으로서 전문적인 기술이 필요하다 실제로

밸브의 구매 사양서를 작성하는 부서는 설비의 설계를 담당하는 부서 또는 전문 구매 부서가 되지만 다양한 품목의 구매사양과 신기술의 추세등을 감안한 신기술사양의 작성에는 기술적으로 제한 받고

있는 것이 현실이다예를 들면 밸브의 사용목적에 적합하지 않은 사양을 작성하는 경우가 대표적인 사례로서 대규모

엔지니어링 회사의 구매사양을 내용이 좋다고 그대로 복제하여 쓰는 경우가 이에 속한다 밸브의 사용목적은 배관 계통의 운전 모드가 다양할 뿐만 아니라 사용 유체의 물리화학적 특성이 매우

다양함을 고려할 때 구매사양의 밸브 재질구조압력등급패킹형식 및 재질밸브 구성 방식 등 이루 말할

수 없이 다양하다 따라서 밸브의 기술사양서를 사용목적에 맞도록 작성하기 위해서는 밸브 응용 기술자의 역할이

중요하다 하겠다

이 기술시방 다음에는 밸브의 취급 운반 포장 저장 및 밸브 표식을 설비의 운용목적과 설치현장

여건에 맞도록 기술하고 아울러 밸브의 가공 조립 및 완성품에 대한 비파괴 검사 사항과 수압시험 내

누설시험 기능시험 및 최종 세척방법과 도장방법에 대하여 기술한다 한 예로 미국석유공업협회(API)의 게이트 밸브에 대한 기준서 API STD 600 의 경우는 수동 게이트

밸브의 좋은 구매 기술사양서를 볼 수 있다 이 기술사양서의 내용을 개조식으로 개괄하면 대략

다음과 같은 내용이 포함되어 있어야 할 것이다 1999 년 10월호 알파와 오메가

나 밸브 설계도면의 검토

배관 계통의 설계과정에서 설계자는 밸브 선정을 통상 밸브 제작자의 카다로그상의 조립도로 밸브의

설계특징을 파악하고 대부분 이를 통하여 적용하고자 하는 밸브를 정한다일반적으로 호칭 4Prime이상의 밸브는 공업규격 또는 산업규격으로서 밸브의 양 끝단 노즐간의 치수가

정해져 있지만 2Prime이하의 밸브는 양 끝단 노즐간의 치수가 제작사 표준으로 정해져 있기 때문에

배관계통의 상세설계시 제작사의 카다로그등을 참고해야 된다그러나 카다로그나 또는 참고용으로 제출 받은 밸브의 설계도면은 다음과 같은 사항들을 사용하고자

하는 계통의 목적과 함께 검토한다각 밸브의 부품별 재료규격

접속단의 구체적 형상

프랜지형평면프랜지 R-aised Type 프랜지 링 죠인트형 프랜지

용접형접속될 파이프의 용접단 형상과 합치여부 용접가능성등

소켓형소켓의 깊이

나사 체결형

핸들부의 높이와 핸들간의 직경 특히 볼 밸브나 프러그 밸브일 경우에는 핸들부의 크기(회전반경)을 운전 편이성 측면으로 검토

스터핑 박스의 깊이 및 크기를 검토

밸브의 유로 내경(Port S-ize)를 접속되는 파이프의 내경과 비교하여 가능한 90이상 될 것(예 배관의 내경 2Prime일 때 유로내경은 18Prime이상 일 것)

가능한 한 밸브의 무게 및 무게 중심은 배관응력 해석시에 필수 입력 Data임

밸브의 유량계수

유로 방향의 표시

현장 설치 또는 보수시 용접 작업이 필요할 때 밸브의 디스크 또는 프러그의 위치

밸브의 누설 등급(제어밸브인 경우)

패킹의 재료는 필히 비석면계열의 패킹일 것

사용 패킹 및 가스켓의 종류(제작사 포함) 및 형태

체크밸브의 경우 최소 흐름 속도

스템과 디스크(시트)의 재질 및 경도

하드페이싱(Hard Facing)육성 용접부의 열처리 방법

스템 재질에 따른 열처리 방법

최소 운전 개도(유량 제어용 밸브)다음은 상기 사항을 기준으로 승인용 밸브설계 도면을 검토하는 체크리스트이다 우선 밸브도면 번호

및 도면명이 맞는가를 확인하고 설계(제도) 년월일 및 승인 여부와 밸브의 크기 및 압력-온도 기준을

확인한다 그리고 다음의 순서로 검토해 나간다(1)도면번호는 정확한가 (조립도와 부품도의 도면 번호 관계)(2)도면 명(부품표 포함)은 올바른가(3)문자는 명료하고 오자는 없는가(4)단위 축척 제도 년월일 도면의 크기는 적당한가(5)온도 압력 유체종류 등 사용조건의 표시는 정확한가

(6)검사 압력의 표시는 정확하며 압력시험의 유체는 표시되었는가(7)주요치수는 올바르게 표시되었는가(8)압력 유지부의 트림재질은 올바르게 전부 표시되었는가(9)제조 번호는 기입되었는가

(10)기존의 조립도(승인도)가 있는가(있다면 이하 항목의 검토는 불필요함)(11)신규 설계도면인가 또는 기존 설계도면을 수정했는가(12)치수선치수의 표시는 정확한가

(13)단면도 투영도는 정확한가(14)상세도는 적절히 도시되었는가

(15)필요한 치수는 모두 기입되었는가(16)감합부(Fitting)의 상관 치수는 적절한가(17)제작 및 조립에 따른 공차는 적절한가(18)볼트의 길이는 충분히 여유가 있는가(19)밸브 트림 및 스터핑 박스등의 표면 가공 정밀도는 충분히 높은가 표면 거칠기의 표시는

적절한가(20)정확한 제도기호를 사용하였는가

(21)현장설치시를 고려한 현장용 치수를 계산할 필요는 없는가(22)용접부의 용접크기 및 표시로 적절한가(23)스템 몸통 및 트림등에 13 Cr 를 사용하였는가(24)13Cr 를 사용한 재질에 경도 표시는 되었는가(25)열처리에 관련한 절차서 및 그 기호를 도면에 표시하였는가(26)제작근거인 Code 표시는 되었는가상기 내용 중 밸브의 실질적 성능을 나타내는 밸브의 크기 사용유체의 압력 온도 유량과 같은

중요한 데이터는 밸브의 데이터 시트로 처리하고 상기 내용을 기준으로 하는 보조 주문용 Sheet 를

작성하여 각 밸브별로 관리하면 매우 유용한 밸브의 발주 설치 운전 및 예방정비의 기초자료가 된다

더욱이 널리 보급되어 있는 개인용 컴퓨터(PC)를 이용하여 운전 중 배관설비의 기초 데이터

베이스로서 배관계통의 운전상황 및 특성들과 결부시켜 활용하면 배관계통의 원활한 관리에 많은

도움을 줄 것이다 1999 년 11월호 알파와 오메가

나 밸브 설계도면의 검토

밸브의 설계 엔지니어링 그리고 구매 행위에 있어서 고려하고 검토하여야 할 사항은 다음과 같은

것들이 있다 물론 밸브의 사용상 특성 또는 구매자의 기술력 정도에 따라 이러한 구매 프로세스를 따를 수는

없지만 기본적으로 밸브 구매의 효율적인 구매를 위해서는 밸브가 기술 제품인 이상 밸브엔지니어링의 질에 따라 밸브 구매의 효율성이 크게 영향을 받는다 따라서 적어도 밸브 엔지니어링 측면에서는 아래의 사항들을 숙지해 둘 필요가 있다 밸브 구매자와

밸브 제조자는 프로젝트 수행 엔지니어에게 밸브 제품의 기술 요구사항 이나 제출문서에 대한

중복되거나 소모적인 노력이 가해지지 않도록 구매 절차를 간소화하여야 한다구매자는 가능한 한 빨리 밸브 제작사를 프로젝트 초기에 선정하여 제작사와 함께 밸브 엔지니어링

역무를 수행하여야 좋은 엔지니어링 결과를 얻을 수 있다 이러한 과정을 거치게 되면 기존의

전통적인 견적요청 및 가격 평가에 소요되는 비효율적인 낭비(인력 등)요소를 절감할 수 있다가능한 한 선정된 밸브제작자의 표준 생산제품을 적용할 수 있도록 엔지니어링 조직과 긴밀한 공동

밸브 엔지니어링 역무를 수행한다 특수 밸브 제품의 경우 표준 제품과 같이 엔지니어링을 수행하되 보다 구체적인 사양결정과 일관된 구매사양을 추가 개발하여야 한다도장작업과 같은 경우에는 필수적으로 제작자의 표준 작업기준을 적용하여야 한다 구매자가

요구하는 특수한 도장 작업은 오히려 밸브에 나쁜 영향을 줄 수 있으며 또한 밸브가격 상승의

직접적인 요인이 된다제출문서의 경우 이 역시 밸브제작사의 표준 규정과 서식 양식을 가능한 한 최대로 이용하도록 한다 제품도면 재료증명서 시험성적서 품질계획 밸브 제품사양서 계산서 사용자 유지 보수 매뉴얼

등을 밸브제작자의 표준으로 한다 또한 전자 카다로그 등 가능한 모든 제출서류를 전자 데이터(Electronic Data) 하도록 유도한다 밸브

제작사의 밸브 선정 프로그램이나 절차를 사전에 검토하여 타당성이 입증되면 별도의 자체 계산서

없이 제작사의 선정 도구를 사용한다밸브 구매의 양이 상당할 경우 밸브엔지니어링 단계에서는 제작자의 엔지니어가 프로젝트

엔지니어링팀에 일정기간 참여하여 함께 밸브의 선정작업을 수행하도록 한다 특별히 제어밸브의

경우 실질적인 구매 발주는 다른 연관된 엔지니어링이나 프로세스 데이터가 완전 확정될 때까지

가능한 한 늦게 발주서를 발행한다 이것은 제어밸브가 직접적으로 시스템 프로세스의 데이터에 민감하게 작용하기 때문이다 밸브제품의

일반적인 검사는 제작자의 전적인 책임이므로 구매자는 오직 특수한 경우에만 입회검사를 수행하도록

한다일반적인 입회검사는 최대한 줄인다 다음의 구매 프로세스는 세계최대의 석유화학업체인 셀(Shell) 가 제시하고 있는 것으로 밸브 구매절차의 좋은 예가 될 것이다(1)밸브제작자의 선정(Vendor Selection)

밸브제작사의 선정은 가급적 프로젝트의 상세설계 단계에 들어가기 전에 한다 선정의 기준은

프로젝트의 요구사항과 밸브 구매량에 따라 결정된다 고전적인 구매방법에서 밸브 제작자의 선정은 상세설계가 상당히 진행된 다음에 선정되기 때문에

제작자에 의한 싼 원가의 표준제품 등의 선정이 어렵고 프로세스 데이터에 전적으로 의존되는 밸브를

요구하기 때문에 고가의 특수사양(밸브제작자 측면)의 밸브가 채택될 가능성이 많아 전체적인 공사비

증가와 더불어 전체 시스템의 성능 효율이 저하될 수 있다(2) 기본 밸브엔지니어링 요구사항(Basic Engineering Requirements)

밸브 제작자의 선정이 완료되면 구매자는 제작자에게 다음과 같은 기술자료를 제공한다 밸브에 대한

기본 설계 및 기술자료(Basic amp Enginee-ring Practices) 유체시스템(배관) 엔지니어링 자료

(Process Engineering Flow Schemes) 배관자재 사양서(Piping Specification) 계측제어 및 계장

엔지니어링 자료(Instrument Enginee-ring Database)(3) 사전 기술사양 협의(Pre-Engineering-Identification of Specials)

구매자와 밸브제작자는 앞서의 기본 밸브엔지니어링 요구사항 들에 대하여 함께 연구 하여

표준제품의 채택과 표준제품 외의 특수사양 밸브를 정리한다 가급적 특수사양의 밸브를 프로세스

시스템 측면과 함께 검토하여 표준제품으로 될 수 있도록 한다 이 과정에서 프로세스 시스템의 일부 데이터 및 설계 기준이 달라질 수 있다 앞의 과정에서 계속 특수

사양의 밸브로 될 경우에는 별도의 시험 및 검사 그리고 추가의 엔지니어링 요구 그리고 납기의

문제를 합리적으로 결정한다제어밸브나 안전밸브의 경우에는 전산 코드화된 제작자의 밸브 선정 프로그램을 구매측

엔지니어링팀과 함께 공유하여 이 프로그램에 따라 업무를 진행함이 효과적이다(4) 프로세스 및 기계사양의 결정(Process and Mechanical Data Frozen)

전체적인 프로젝트 일정에 근거하여 밸브에 대한 상세 기술역무 구매 및 제작의 최후 의 시작점

(Latest Starting Date)을 결정한다 이 시점에서는 프로세스 및 기계사양이 결정되어 있음으로 구매자와 제작자는 이들 기술사양에 대한

정기적인 협의를 가지는 것이 좋다 이러한 과정을 통하여 특수사양에 대한 기술적인 판단을 재

검토할 수 있을 것이다(5) 밸브 예비 선정(Pre-Sizing Confirmed)

앞서의 (4)항 결과에 따라 밸브를 예비 선정한다 특별히 프로세스 데이터와 밀접한 관계를 갖는

제어밸브나 안전밸브와 같은 경우에는 구매자와 제작자가 함께 밸브의 법 적요건(Requirement of Regularities)과 예상되는 문제점(소음 케비테이션 트림의 특성 밸브 운전제어 특성 등)을

검토하여 확정한다(6) 사양서 개요 작성 및 이해(Outline Specification)

구매자는 이 단계에서 사양서를 작성하여 밸브 제작자에게 제공한다 이 단계에서 제공되는 밸브의

사양은 상호 데이터베이스로 유지 관리된다 프로세스 데이터의 변경이 없는 한 밸브의 선정과 선정 데이터의 관리는 제작자가 수행한다 이때부터

밸브의 데이터는 정식 관리 유지되어야 한다(7) 밸브 크기 결정 및 선정(Sizing amp Selection)

제어밸브와 안전밸브 그리고 계산근거가 필요한 자동밸브의 경우 이 단계에서 최종의 크기 및

사양결정을 한다 모든 밸브는 이 단계에서 선정계산서 기술사양서 설치 및 보수 유지에 필요한 제품의 각 중요부분의

치수와 상세도가 기입된 제품 승인도를 구매자에게 제출한다 (8) 제품 기술사양서의 검토(Review of Technical Specification)

구매자의 엔지니어링팀은 제출된 기술사양에 대하여 구체적으로 기술 검토를 수행한다 검토결과는

기술적인 측면과 계약 행정적인 측면으로 나누어 원 발주자 구매자 및 관련 조직에 배포된다 이

과정에서 밸브제품에 대한 사양 변경이 검토된다 (9) 구매자에 의한 제품 기술사양 승인(Technical Appro-val by Contractor)

제품에 대한 기술사양 들이 승인된 다음에는 제작자는 최종의 계약을 하기 위하여 최종 기술사양서 계산서 및 도면을 제출한다(10) 계약 및 원 발주자에 의한 업체 검토(Commercial A-pproval amp Commercial Che-ck by Principal)

가계약을 하기 위하여 관련 입찰서류에 대하여 검토를 한다(11) 사양 확정 및 제작지시서 발행(Freeze Scope and Release for Manufacturing)

원 발주자에 의하여 계약자 승인이 되면 구매자는 제작자에게 제작지시서를 발급한다 이 단계부터는

제품 사양의 변경 또는 개정이 일어나서는 안된다 (12) 정식 구매 요구(Requi-sition for Purchase)

제작지시서를 발급한 다음에 구매계약을 체결한다 구매계약서는 최종의 제품 기술사 양서와

구매자가 요구하는 일반적인 상거래 요구사항으로 구성되어 있다(13) 제작 및 프로젝트 관리(Manufacturing Period and Project Management)

주요 프로젝트에 있어서 공급자 문서의 관리나 업무 추진의 효율성을 갖기 위해서 구 매자와 제작자는

주기적으로 만나 제작 일정 및 이에 따른 문제점을 논의한다 이러한 과정을 통하여 제작자는 구매자

프로젝트 팀의 일원으로서 밸브 납기의 중요성을 다시 금 인식하게 된다(14) 시험 검사 및 인증(Test Inspection and Certification)

제작자는 제품의 자체 검사 절차서를 작성하고 이는 구매자의 품질요구서에서 요구하 는 검사계획에

따라서 작성되어야 한다 구매자의 입회 시험검사는 그 범위를 집중적으로 정하여 불필요한 인력

낭비가 없도록 한다각종 시험 검사에 대한 인증서는 제작자의 표준서식에 따라 계약에 의거 제시된다 이상의 구매절차는

제품의 기술적인 측면을 강조한 것이며 이외의 밸브 구매 시 꼭 지켜져야 할 최소한의 구매

품질요건은 다음과 같은 사항들이 구체화되고 문서화 되어야 한다 1999 년 12월호 알파와 오메가

8 제어밸브

81 제어밸브 개요

(1)서론

프로세스 플랜트에 있어서 자동제어밸브는 유체의 제반 물리적량을 직접 제어한다는 점에서

프로세스에 있어서 매우 중요한 역할을 수행하고 있다 자동제어밸브는 본래의 계통에 대한 통합

자동제어의 목적뿐만 아니라 프로세스 플랜트의 잠재적 이상 운전에 대한 안전운전의 목적으로

사용되는 경우도 매우 많다 이러한 자동제어밸브는 밸브의 형식 및 구조에 따라 다양한 형태의 밸브 종류가 사용되고 있으며 산업기술의 급격한 발달과 컴퓨터를 이용한 고급 제어기술의 실용화 적용 등 날로 복잡해지고 고에너지화 되어가고 있는 프로세스 플랜트 제어기술의 용도 및 목적에 부합하는 가장 적합한

제어밸브를 선정하기란 매우 어려운 엔지니어링 업무의 하나이다 자동제어밸브의 선정에 있어서 단순히 밸브만의 선정을 고려한다면 이는 분명 잘못된 일이 된다 제어밸브의 선정은 실질적으로 유체를 제어하는 밸브뿐만 아니라 밸브를 포함하는 전체 시스템

전반을 이해하는 시스템 해석이 전제되지 않고는 밸브의 제어성 안전성 경제성 등의 여러 면에서

만족할만한 결과를 얻을 수 없다 또한 밸브를 적절히 선정하고 운전한다 하여도 적정한 밸브의 유지 보수관리가 뒤따르지 않는다면

자동제어밸브는 본래의 기능을 수행할 수 없게 된다든가 또는 프로세스의 안전 운전을 해칠 수도

있다 이 책은 앞서의 자동제어밸브의 범위가 너무 광범위하기 때문에 특정한 동력원이 필요로 하는

자동제어밸브로써 이 시스템 제어의 입력 제어신호가 전기전자식으로 출력되고 이 제어신호를 받아

밸브로 하여금 시스템을 자동제어 할 수 있는 밸브에 국한하여 lsquo자동제어밸브rsquo라 하고 이에 대한

기술적인 사항을 기술하는 것이다 따라서 이 책에서 언급하고 있는 모든 자동제어밸브는 자력식밸브(Self Regulating Valves) 들인

안전밸브 감압밸브 후로우트밸브 등이 아닌 진정한 의미에서 밸브를 통한 시스템 제어의 특성을

원격에서 한 데 모아 집중적으로 관리 제어할 수 있는 제어밸브를 뜻한다 이 책에서는 자동제어밸브에 대한 종합적인 엔지니어링 즉 밸브의 구조와 대표적인 관련 시스템의

유형에 대한 기술적인 접근은 물론 자동제어밸브에 관련한 이론적인 측면보다는 실제 활용할 수 있는

공학적인 측면을 강조하는 자동제어밸브의 공학서로 활용할 수 있도록 실질적인 제작사 자료(주로

미국의 콥스발칸자료를 중심으로)와 필자의 경험을 시스템측면에서 기술하고 대표적인 제어밸브의

관련 규정 및 코드를 우리 수준에 맞도록 재편집하여 보았다 아울러 이 책을 통하여 우리나라의 제어밸브 기술이 미국 일본 독일 등의 선진국 기술의 틀 안에서

벗어나는 큰 계기가 되기를 바랄 뿐이다 또한 이 책은 제어밸브의 적용대상 밸브 형식 중에서 주로

글로우브밸브를 중심으로 작성되었다 글로우브밸브 이외의 형식의 제어밸브에 대하여는 간단히 소개하는 수준으로 작성되었음을 양해하여

주기를 바란다 (2)제어밸브 선정시의 고려사항

제어밸브의 선정은 프로세스의 운전조건과 제어 로직 제어계통의 안전조치(긴급시의 운전정지 계통

안전 차단 등) 그리고 프로세스를 구성하고 있는 유체의 성상을 반영하여 선정한다자동제어밸브가 시스템의 제어목적에 완전하게 부합하기 위해서는 밸브 자체의 사양결정뿐만 아니라 밸브에 작용 가능한 모든 조건을 충분히 검토하여 밸브 및 시스템 설계에 적용하고 아울러 운전자

능력을 포함하는 제어시스템의 운용체계까지를 함께 고려하여야 한다 이러한 관점에서

자동제어밸브를 선정하는데 꼭 점검해야 될 사항으로는 다음과 같다대상 프로세스의 확인

운전목적과 운전상태의 확인

-응답성

-프로세스의 특성

-유체의 운전조건

-유체의 성상 및 특성

-시스템에 있어서 밸브의 중요성 및 요구되는 신뢰성

-적용 법규

-밸브의 운전 범위성(Ran-geability)-밸브에서의 발생 차압과 그 특성

-설계 최대차압(체절압력 Shut-off Pressure)-시트누설의 정도(Seat Lea-kage Rate)-안전모드 운전(Fail Safe Mode)-밸브의 작동방법

-밸브의 작동환경

-밸브에서의 소음 규제 범위

-밸브의 방폭 특성

-제어입력 신호의 특성

-밸브 구동 동력원

-배관 사양

-블록밸브 바이패스 밸브

-밸브의 보수성

-경제성

(3)대상프로세스의 확인

자동제어밸브 및 관련 배관 기기 기타 밸브를 포함하는 프로세스 시스템 특성의 전반적인 이해와

파악이 필요하며 프로세스의 운전 목적 및 환경을 파악함으로써 자동제어밸브의 중요성 정도를

확인하여 둔다또한 프로세스의 안전에 관련한 제어계통에서의 밸브의 기능을 각 프로세스 시스템의 모듈별로

이해한다 이 확인에는 프로세스 자체의 기동 정지 및 긴급시의 안전조치 모드 등이 포함된다 이 확인 작업에는 기본 설계서로 분류될 수 있는 시스템 에너지 밸런싱 계산서(Process Flow Balancing Calculation Sheets or Diagramor Balance of Plant) 또는 배관 및 계장 계통도

(Piping amp Instrument Diagram)가 주로 이용된다(4)운전목적과 운전상태의 확인

자동제어밸브의 운전목적을 파악한다는 것은 프로세스 시스템의 운전모드를 이해한다는 것으로써 유체의 흐름 온도 압력의 제어 프로세스의 운전변수에 대응하여 유체를 능동적으로 제어하는 일 유체 흐름의 절환 고온고압 프로세스에서 저압 프로세스로의 계통 운전상태의 급격한 렛다운(Let Down) 제어 등 다양한 프로세스 별로 각기 다른 형태의 밸브가 프로세스의 제어 목적으로 사용된다또한 1 개의 밸브에서 여러가지 제어기능을 복합한 밸브(감압과 동시에 온도도 낮추는 밸브인 PRDS Pressure Reducing and Desuper-heating Station)등이 있으므로 이들의 운전목적을 확인한 후에

자동제어밸브를 선정하여야 한다 자동제어밸브의 운전목적이 결정되면 밸브의 운전빈도 운전상황을 비교적 정확하게 파악할 수

있으며 이를 통하여 유체의 연속제어 이상 발생시만의 운전 연속적으로 관련 프로세스를 함께 제어

운전할 때의 뱃치운전 간격(Time Interval) 등 프로세스의 운전상태를 비교적 정확히 제어밸브의

선정에 반영할 수 있다 프로세스 운전목적과 상태의 파악은 자동제어밸브의 선정에 가장 중요한 핵심

요소이다 (5)응답성

자동제어밸브에는 프로세스의 원활한 제어 또는 프로세스 시스템 안전 확보 목적에 따라 자동제어밸브의 조작신호(Input Signal)에 대한 밸브의 응답속도 밸브 자체가 갖고 있는 기구학적인

운전속도 또는 안전운전 모드에서의 신속한 동작 속도 등을 프로세스 전체 시스템 측면에서 이들의

조작 운전 속도 등의 응답성을 알고 있어야 한다(6)프로세스의 특성

자동제어밸브의 운전목적은 유체 시스템의 전체적인 밸런스에 있다고 보아도 과언이 아니다 따라서

프로세스의 주요 특성으로는 전체적인 유체의 밸런스 유무 유량 변화의 범위 압력 손실의 범위 밸브의 응답속도의 크기 등이다 이들 프로세스 특성의 파악과 이해는 전체 제어 시스템의 제어 루프

(Control Loop)를 설계하는데 중요한 요소의 하나이다 (7)유체의 운전조건

유체의 운전조건은 제어밸브의 선정에 있어 직접적으로 입력되는 자료들이다 이들 유체의

운전조건을 통하여 제어밸브의 외적 특성(밸브의 크기 형상 형태 등)들은 결정된다

-유체의 명칭

-혼합 유체인 경우 유체의 성분 또는 조성 특성

-유량(프로세스 운전모드별로 구분)-압력(프로세스 운전모드별로 구분)-온도(프로세스 운전모드별 밸브 입구의 압력과 출구온도의 구분)-점도

-밀도

-포화증기압

-이상유체의 후라싱 비율(Flash Percent in Two-Phase Fluid Flow)-임계압력

-과열증기의 과열도 등

이들 데이터들은 프로세스 운전조건에 따라 정상적인 운전시의 데이터 외에 운전 중 발생할 수 있는

프로세스 시스템의 최대운전 최소운전 조건시의 데이터들도 확인하여야 한다 이러한 제어밸브의 선정을 위한 데이터들은 프로세스 설계자들에 의한 안전 여유율 또는 여유가 있는

가정된 값이 포함되어 있는 경우가 많고 따라서 설계 인터페이스상에서 이러한 안전 여유가 중첩되어

결과적으로 밸브가 정상 운전조건의 것보다 크게 선정되는 경우가 종종 있다 이러한 경우에는 밸브가 정상운전 시에도 낮은 개도로 운전되기 때문에 밸브 시트의 손상 등

자동제어밸브의 운전 신뢰도에 큰 영향을 미치게 됨으로 이들 유체조건의 확인은 매우 중요한

사항이다 아울러 압축성 유체인 기체의 경우에는 온도에 매우 민감하게 체적과 압력이 변화함으로 어느 상태(정상상태(Normal Condition) 0 C 대기압 조건하 또는 표준상태(Standard Condition) 156 C 대기압 조건하)의 조건인가를 확인하여야 한다(8)유체의 성질상태(성상) 및 특성유체의 화학적인 성상

유체의 성질상태(성상) 및 특성유체의 화학적인 성상과 그 특성은 제어밸브의 선정에 있어 밸브

재료와 형태의 선정에 큰 영향을 준다 이를 요약하면 다음과 같다 ① 유체의 위험성 독극물이나 특정 유기물질과 같이 인체 및 환경에 위험을 미치는 유체 특정

물질과의 화합 반응 및 폭발성과 같은 잠재적 위험성이 높은 유체

② 부식성 및 마모성 부식(산화)의 정도 조건 마모를 증가 시킬 수 있는 고체 혼입 물의 정도 및 그

정성정량적 데이터 내부식침식 재료의 데이터 등

③폐쇄성 고형 슬러리의 혼입정도 슬러리 및 고형 불순물의 내용 고점도 유체의 특성 등 막힘

방지를 위한 대책으로서의 유체 성상의 파악

④응고성 응고조건 응고방지 대책 등

(9)시스템에 있어서 밸브의 중요성 및 요구되는 신뢰성

프로세스에 있어서 자동제어밸브의 작동 불량은 밸브 그 자체의 문제가 아니라 프로세스에 직접적인

영향을 미친다 따라서 프로세스 시스템의 원활한 운전을 위한 밸브의 중요성은 곧 밸브 그 자체가 얼마나 높은

신뢰성을 갖고 있는가에 좌우된다 밸브의 신뢰성은 앞서 언급한 제반 요건 중에서도 유체조건과

유체의 성상과 특성에 크게 영향을 받고 특히 과거의 밸브 운전 경험에서 어느 정도 밸브의 신뢰성을

판단할 수 있다고 생각된다 자동제어밸브에 있어서 신뢰성 향상을 위한 제반 대책으로는 다양한 여러 가지의 방법들이 동원되고

있다 예로써 오리피스의 적용 블록밸브 또는 바이패스 병렬 운전의 방법 등이 고려될 수 있다 (10)적용 법규

프로세스의 운전환경에 따라 제어밸브의 설계 선정 설치 보수 등에 관련하는 법규 규격의 내용을

확인하여야 한다 특히 기술 규격에 대하여는 전체 프로세스의 설계 일관성을 위하여 정해진 규격을

필수적으로 따르도록 되어 있다 이에 대한 사항은 추후 구체적으로 따로 기술한다(11)밸브의 운전 범위성(레인지어비리티 Rangeablilty) 밸브의 운전 범위성 레인지어비리티는 밸브의 제어 가능한 최대 유량과 최소 유량의 비율이다 제어밸브의 제어 가능한 최소 유량과 밸브를 완전히 닫았을 때의 시트의 누설량과는 확실하게

구분된다예로써 밸브가 실용상 제어 가능한 최대 유량이 400gpm 이고 최소 조건하의 유량이 5gpm 이라면

레인지어비리티는 801 이 된다

2000 년 1월호 알파와 오메가

8 제어밸브

81 제어밸브 개요

(12) 밸브에서의 발생 차압과그 특성

자동제어밸브를 중심으로 프로세스 시스템의 유체 흐름의 상류측(Upstream)과 하류측 의 압력이

거의 일정하고 자동제어밸브가 프로세스 압력손실의 대부분을 차지하는 경우 에는 밸브의 발생

차압을 정확하게 알 수가 있다 그러나 프로세스가 긴 경우에는 배관시스템내의 배관 및 배관 피팅 등과 각종 프로세스 기기들로

인하여 압력 손실이 많이 생기게 되는데 보다 정확한 밸브 선정을 위해서는 이 압력 손실량을

계산하여야 한다 밸브에서의 차압을 일정하게 하고 유체를 흐르게 할 때의 유량특성은 고유 유량특성이라고 하고 실제

프로세스 시스템상에서 운전할 때의 유량특성을 유효 유량특성이라고 하는데 앞서의 프로세스

시스템 전체에서 생기는 압력손실에서 밸브에서만 발생하는 차압이 차지 하는 비율이 낮으면 낮을수록 유효 유량특성은 고유 유량특성과 많은 차이를 갖게 된다 또한 프로세스 시스템에서의 수송하는 유량이 변화하면 밸브에서의 발생 차압도 변화한다 따라서

프로세스 시스템의 유량은 정상 운전시 시스템 기동 시 시스템 정지시마다 다르므로 밸브에서의

차압도 각각의 운전조건에 따라 검토하여야 한다 실제로 프로세스 시스템 전체의 압력손실에 대한 자동제어밸브의 발생 차압의 비율은 가능한 한

비슷하게 프로세스를 구성 설계하면 좋다 즉 이 수치는 일률적으로 정하기 어렵지만 일반적으로

30~50이면 매우 양호하다 그렇지만 5이하가 되면 제어가 매우 어려워진다 밸브에서의 차압 이

크게 되면 그만큼 밸브의 내부 구조가 복잡해지고 유체의 역학적 거동이 가혹해짐으 로 인하여

밸브의 경제성이 저하된다 (13) 설계 최대차압(체절압력 Shut-off Pressure)

밸브가 완전히 닫혀 있을 때의 밸브 입출구간의 압력의 최대치를 일컫는 압력으로써 이 최대 차압은

밸브의 구동장치의 선정 밸브의 스템 요크 및 본네트와 관련 볼트 너트 등의 강도설계에 입력

데이터로 쓰인다 설계 최대차압을 대부분 밸브 입구에서의 최대압력으로 하여 밸브를 설계하는 경우가 대부분이나 이러한 경우 밸브의 사양이 과대하게 선정될 염려가 있음으로 실제의 사용조건을 감안하여 설계 최대

차압을 고려하면 경제적인 밸브 선정을 할 수 있다 (14) 시트누설의 정도(Seat Leakage Rate)

밸브가 완전히 닫혔을 때 시트에서의 누설을 어느 양 만큼 허용할 것인가를 확인하는 것이다 자동제어밸브의 시트누설의 허용정도는 ANSIB16104FCI 70-2 의 규정을 통상적 으로 많이

적용하고 있다 시트누설의 허용등급은 6 개 등급(Class I thru VI)으로 되어 있으며 등급이

높을수록 허용 누설량이 적다 대부분의 자동제어밸브의 허용누설 등급은 Class IV 가 일반적이며 Class VI 의 경우에는

소프트시트의 사용이 권장된다 시트누설의 정도를 표시하는 방법으로는 밸브의 정격 유량계수(Cv)의

비율로써 표시하는 방법(Class III IV)과 트림 유로 구경(포트 Port)과 밸브의 차압에 대한

누설량으로 표시하는 방법이 있다 (15) 안전모드 운전(Fail Safe Mode)

밸브의 안전모드 운전은 일반적으로 자동제어밸브의 구동공기 또는 동력원이 손실되었 을 때 밸브의

작동이 프로세스가 안전한 방향으로 동작되도록 하는 것이다 일반적으로 Failure to Close Failure to Open Failure to Lock 기능 중 하나가 되며 이러한

안전모드 운전은 밸브 자체의 기능으로서 만 생각하는 경우와 프랜트 프로세스로써 생각하는 경

우와는 다른 결과를 갖고 올 수 있음으로 밸브의 선정시 이 요건의 정의는 프로세스 시스템 측면에서

수행되어야 한다 (16) 밸브의 작동방법 자동제어

밸브의 운전에 있어서 제어신호나 구동 공기의 손실에 대비하는 밸브 작동방법은 프로세스의 조건에

따라 밸브의 안전모드 운전방법으로 검토한다자동제어밸브의 작동방법 에는 정작동(Air to Close 또는 Direct Acting)과 역작동(Air to Open 또는 Reverse Acting)이 있다정작동은 신호량의 증가에 따라 밸브가 닫히는 것이고 역작동은 신호량의 증가에 따라 밸브가

열리는 것을 말한다 즉 밸브 구동장치의 운동방향에서 신호량의 증가에 따라 밸브 스템이

내려오는 것을 정작동형 스템이 상승하는 것을 역작동형이라 한다 (17) 밸브의 작동환경 자동제어

밸브의 작동환경은 대부분 가혹한 환경 조건하에 있다따라서 자동제어밸브가 위치하고 있는 배관

프로세스 시스템이나 프랜트 프로세스 시스템이 외부적으로 갖고 있는 환경조건 즉 온도 염분 부식성 가스의 유무 모래 티끌 등의 먼지 진동의 유무와 크기 등을 확인한다 (18) 밸브에서의 소음 규제 범위

밸브 운전에 있어서 유체흐름의 지배 요소인 유로 단면적과 유속의 변화 이로 인한 동적인

압력손실의 과정에 소음이 발생하게 된다 이러한 밸브의 소음 한계치를 정하고 그 저감화 방안을

검토해야 한다 앞서의 플랜트 환경조건에서의 소음은 법률로서 규정되 어 있으며 대략 90 데시벨

(dB)을 넘어서는 안된다 저감화의 방안은 밸브 트림의 구조에 의한 직접적인 방법과 아울러 배관의 형상 등 외부요인을 함께

고려하여 경제적인 방법을 택한다 이 소음의 문제 하나만 가지고도 밸브의 가격 결정에 매우 큰

영향을 미치고 있 음을 인식해야 한다 (19) 밸브의 방폭특성

가연성 또는 폭발성의 가스를 다루는 프로세스의 자동제어밸브는 그 자체로서 방폭특성을 갖고

있어야 한다 포지셔너 솔렌노이드 밸브 리미트 스위치 등의 자동제어밸브의 부품은 가연성 가스의

종류 위험장소의 등급 구분에 합치되는 방폭성능을 보유해야 한다 이들 밸브의 보조 전기기기는 내압방폭형(Flame Proof Exd)과 본질안전방폭형(Intrinsic Safety Exi)로 구분된다 (20) 제어입력 신호의 특성

제어밸브의 제어용 입력신호 즉 콘트롤러(Controller)의 출력신호 또는 콘트롤러 신호 출력의 종류

(공기 또는 전기) 및 밸브의 스트로크(Full Stroke)에 대응하는 입력신호의 범 위(Range) 등을

확인한다 특히 구동부의 스프링(Spring Range)이나 릴레이에 의한 범위의 변경 작동의 반전 등과 같은

특수한 경우(분할제어[Split Control] 파이롯트 제어 [Pilot Control]) 에는 이 제어입력의

신호특성에 주의를 요한다(21) 밸브 구동 동력원

공기는 구동부의 기능이 손상되지 않도록 수분 기름 띠끌 및 먼지 등의 청정도를 고려한다 동시에

충분한 구동력을 확보하기 위하여 공기의 압력 및 용량을 확인한다 (22) 배관 사양

자동제어밸브가 설치되는 배관의 사양에 대하여 확인한다 배관의 호칭직경 배관의 규 격 재질 접속방법 설치상의 제한사항 및 배관 레이아웃 형상을 확인한다 특히 특정한 밸브 면간치수를

적용하는 경우와 함께 배관지지대의 위치 등도 함께 검토한다 (23) 블록밸브 바이패스 밸브

자동제어밸브에서의 바이패스 밸브의 설치 여부는 유체의 조건 배관 운전방법 등에 의해 종합적으로

검토되어야 한다 바이패스 밸브를 설치하는 경우에는 제어밸브가 고장 에 의해 프로세스가 정지되지

말아야 하는 경우 등 자동제어밸브의 관리차원에서 설치하 는 경우가 많다 바이패스 밸브를 설치하는 경우에는 바이패스 밸브의 조작성 속도 응답 성 및 제어성에 대하여도

충분히 고려하여야 한다 바이패스 밸브를 설치하면 제어밸브의 전후에 블록밸브를 설치하여야 한다 일반적으로 블록밸브는 게이트밸브와 같은 차단용의 밸브 바이패스 밸브는 글로우브밸브를

선택한다 그러나 바이패스 밸브에 차압이 크게 요 구되는 경우 글로우브밸브가 적합하지 않을 경우도 있음으로

유의하여 선정한다 다음은 API RP 550 에서 권고하는 블로밸브와 바이패스 밸브의 선정표이다(24) 보수성

자동제어밸브의 보수 점검 및 정비는 유체조건이나 운전조건 등에 따라 달라짐으로 밸브 각각에

대하여 그 선정 단계에서부터 고려되어야 한다 유체에 의한 침식 부식이 예 상되는 경우에는 이러한

영향이 적은 밸브 형식 재질 등을 선택한다 보수 차원에서도 밸 브의 트림(밸브 프러그 시트링 등)의

교환이 간단한 구조의 밸브가 좋은 밸브이다다음 은 밸브의 보수성을 점검하는 하나의 항목으로 밸브를 선정하기 전에 검토해 둘 필요성 이 있다

- 보수는 어떻게 할 것인가- 밸브에 대한 점검은(중요도 점검 간격 점검의 내용 규제사항의 유무)- 플랜트 운전 중에 작동검사의 필요성 여부와 작동검사 시스템

- 부품의 조달 및 예비 부품의 보유 체계

(25) 경제성

자동제어밸브는 비교적 고가의 밸브임으로 그 자체의 경제성과 보수비용의 양면을 함 께 검토하여야

한다 자동제어밸브의 선정에 있어서 가격에 영향을 미치는 인자들은 다음과 같다 - 밸브의 형식

- 밸브의 구경

- 본체의 재질 주요부의 재질

- 압력온도 등급(Pressure Rating) - 트림의 형식

- 본네트 형식(상온용 고온용 저온용 초저온용 벨로우즈 씰 채택 여부 기타) - 핸드휠의 유무(블로밸브와 바이패스 밸브의 유무에 직접 상관됨) - 구동부 형식 및 크기

- 악세사리류(포지셔너 솔렌노이드 리미트 스위치 등)- 특수사양(자켓트 몸통 밸브 누설등급) - 검사항목(특히 재료검사에 대한 것) - 소음에 대한 규제 정도 여기에 예비부품을 포함하는 보수비용을 고려하여야 하며 초기 구입가격과

보수비용을 함께 포함하여 검토하여야 한다 (30) 자동제어밸브의 선정 방법

밸브를 선정하는 것은 시스템에서 요구하고 있는 제반 특성들을 구체화 시켜 밸브가 시스템에서

안정적으로 운전할 수 있게끔 하는 기술적인 업무이다 밸브의 크기를 결정하고 밸브의 재질과 트림

특성을 결정함에 있어 어떠한 방법으로 밸브가 시스템이 요구하는 운전 목적에 적합하게 추종할

것인가를 결정하는 일은 보다 구체적이고 높은 엔지니어링을 요구하게 된다자동제어밸브를 선정함에 있어 이러한 고도의 기술적업무를 어떤 순서에 따라 실시하는 선정공정 및

제어밸브의 구체적인 사양서(Specification She-et)의 작성요령은 자동제어밸브의 엔지니어링

중에서 가장 중요한 일로 구분된다 따라서 자동제어밸브의 선정은 자동제어밸브의 엔지니어링의 시작이자 끝이라고 할 정도로 중요하며 선정시의 착오로 인하여 많은 문제점이 발생되고 있는 것이 사실이다 자동제어밸브의 정확한 선정을 위해서는 각 단계별로 확인하고 넘어가야 할 엔지니어링이 있는데

이것을 제어밸브의 선정 공정도라고 한다 기초 데이터(운전조건 및 시스템 설계조건)를 이용하여 각

엔지니어링 단계별로 선정시의 제반 조건을 고려하여 선정공정에 따라 사양서에 입력해 나가는 것을

본 장에서 구체적으로 설명한다자동제어밸브는 크게 구분하여 몸통부 구동부 및 악세사리의 세가지로 구성되어 있다 선정에

있어서도 이 세 가지의 공정을 확인하여야 한다 다음은 포괄적인 자동제어밸브의 선정 공정이다

1 단계 몸통부 선정

유체와 직접 접촉하면서 유체의 흐름을 실질적으로 제어하는 부분이 몸통부이다 몸통부는 유체제어의 핵심 요소인 트림부분과 트림부분이 건전하게 운전될 수 있도록 지지하는

압력유지 부분이 몸통으로 구성되어 있다 따라서 유체의 특성에 맞는 재질과 유체제어 특성에 맞는

트림 형식을 가져야 하고 전체적으로 경제성과 내구성이 요구되어야 한다 따라서 몸통부의 선정은 유체의 제반 조건 제어특성 유량특성 레인지어비리티(밸브의 운전 범위성) 설계 최대 차압(체절압력 Shut-offPressure) 허용 시트 누설량 환경조건 소음 보수 및 경제성 등

모든 항목을 확인하고 선정하여야 한다 따라서 제어밸브의 선정은 몸통부의 선정이 선정의 가장

중요한 요소이자 1 차적으로 검토되는 요소이다 2000 년 2월호 알파와 오메가

8 제어밸브

81 제어밸브 개요

2단계 구동부 선정

선정된 몸통부를 기준으로 외부의 입력 신호(제어신호)에 대응하여 몸통부의 트림이 유체를

제어하는데 필요한 위치를 정하는 역할을 하는 것으로 선정의 2 차요소이다3단계 악세사리의 선정

자동제어밸브의 제어기능을 향상시키기 위한 보조기기로써 선정의 3 차 요소이다3010 선정공정도

3020 밸브의 유량계수

자동제어밸브의 유체 수송의 능력을 표시하는 계수로써 3 가지 방식이 있다 이중에서도 미국식

방식인 Cv 계수가 가장 일반적으로 널리 사용된다

Cv 계수

밸브의 개도를 일정하게 하고 60(156)의 청수를 밸브 입출구 전후의 차압을 1psi (00703kgfcm2)로 유지한 상태로 1 분 동안 흐른 유량을 US GallonMinute(1US Gallon = 3785 lit-re)으로 표시한 계수

Kv 계수

독일에서 널리 사용되는 밸브 유량계수로써 밸브의 개도를 일정하게 하고 5~30의 청수를 밸브 입출구 전후의 차압을 1kgfcm2 으로 유지한 상태로 일정시간 흐른유량을 m3Hr 로 표시한 계수

Av 계수

자동제어밸브의 유량계수를 계산할 때 사용되는 모든 단위를 국제 단위인 SI 단위로 환산하여 표시한

계수

관계식

Cv = 117 Kv = (Av 106)243030 자동제어밸브 기술사양서 작성방법

기술사양서의 작성은 제어밸브에 대한 발주자의 일반적인 정보(발주자의 프로젝트명 시스템명 사용목적 밸브번호 등)와 기술적인 성능요건과 함께 설계 및 제작 시험검사의 요건이 발주자에 의해

작성된다 그러나 제어밸브는 제작사마다 독특한 기술력과 함께 경험에 의한 노하우가 있기 때문에

발주자와 제작자가 협의하여 기술사양을 정하는 경우가 일반적이다 따라서 기술사양서에서 발주자는 기본적인 요건 즉 관련 기술산업 기준인 코드 스탠다드(Code amp Standard)를 중심으로 하는 설계 제작 요건을 언급하고 이를 종합적으로 양식화한 사양 명세서를

제작자와 함께 작성한다 이 사양 명세서는 발주자가 작성하는 사양과 발주자 및 제작자가 함께 협의 하여 결정해야 하는 사양

그리고 이에 따라 제작자가 결정해야 하는 사양 등으로 구분된다 다음은 제어 밸브의 사양 명세서에

필히 기록되어야 할 사양들이다 그러나 이들 각 사양 항목들이 사양 명세서에 모두 기입되지 않는 경우가 많은 데 이는 발주자가

그간의 경험이나 보안상의 목적으로 이들 사양을 모두 지정하지 않는 경우도 많다lt 작성의 예 gtA 제어밸브의 밸브번호 사용목적 및 밸브 형식

1밸브번호

2밸브의 사용목적 또는 적용계통의 명칭

3관련 PampID(배관 및 계장 다이아그람) 번호

B 밸브의 운전조건

1유체의 종류(물 액체 증기 기체로 구분)(다음의 사항은 정밀한 밸브 선정을 위하여 운전조건별 최대 정상 최소 또는 운전모드별로 운전

데이터가 필요함)2유량

3밸브 입출구 압력 또는 입구압력과 밸브에서의 차압

4유체의 온도

5유체의 물성치(비중량 점성계수 등)6밸브에서의 최대 차단 압력(Shut-off Pressure)7운전조건별 밸브 유량계수(Cv = Q(GfP)12C밸브의 구조

밸브의 구조는 앞서 언급한 바와 같이 밸브의 트림 밸브 몸통 그리고 구동장치와 액세서리로

구분된다밸브 구조를 기술사양서로 구체화 시킬 때는 밸브 트림의 유량특성 기본적인 밸브 형식과

밸브 몸통의 재질은 발주자가 지정하는 것을 원칙으로 하나 실제 구체적인 밸브 엔지니어링 단계에서

사양이 바뀌어질 가능성도 있다 따라서 밸브의 구조에 대한 것은 발주자와 제작자가 서로 긴밀한

기술 협의가 요청되는 부분이다lt밸브의 몸통 및 본네트 형식gt1밸브의 크기(입구 호칭직경과 호칭직경을 명기)

2밸브의 배관체결 형식 및 압력등급을 규정(Rating amp Connection Standards)(예)플랜지 규결일 경우AN-SI Class600RFRF-Raised Face Flange per ANSI B165 -소켓용접단과 버트용접일 경우600SW 1500 BW

3밸브 본네트 형식 및 재질

-체결형식(예 Bolted Pre-ssure Seal Clamped ect)-본네트 형식(예 Stand-ard Leak-off Extended Bonnet Bellows Seal Fi-nned Bonnet ect)-재질

4연결배관의 크기 및 규격

(예 입구출구배관4Prime(100A)Sch 80S6Prime(150A) Sch 40S ect)

5밸브 몸통의 재질 및 연결배관의 재질

6패킹 및 가스켓의 재질 및 형식

-가스켓의 형상 및 재질(예 Metal Ring Gasket Spiral Wound Graphite Filled Gasket Spiral Wound PTFE Gasket ect)-패킹의 종류 및 형상(예 Graphite Packing Live Loaded Stem Packing PTFE V-Packing ect)lt밸브 트림gt7트림의 형식(예 Single Seat Double Seat Cage Guided BalancedUnbalan-ced ect)8트림의 유체 제어특성(예 EQ Linear Quick Open Modified EQ Parabolic ect)9트림의 재질 및 표면(경도)처리(예 SS410 HT SS304 wStellite HF SS420wNit-ronizing HT ect))10트림의 구조(예 Multi-Hush Raven Drag Megastream CASCA-DE CAVITROL ect과 같이

밸브 제작사 별로 고유의 트림 구조 형식을 표시할수 있음)lt밸브 구동장치gt11구동 장치의 종류 및 형식 예)공기압 구동 다이아후람 공기압 구동 피스톤(싱글 더블) 유압구동 전동구동 기타

12구동장치의 크기 및 규격 예)공기압 구동 다이아후람 엑츄에이터인 경우 다이아후람의 직경피스톤 구동 엑츄에이터인 경우 피스톤의 직경전동 모터 구동의 엑츄에이터인 경우에는 입력 전압 및

출력(HP)13구동 동력원의 사양 예)공기압의 경우 공기압력을 구체적으로 표기(공급 공기압 제어 공기압 등)전동 구동의 경우에는 입력 전압 상 주파수 등

14밸브의 안전모드 설정 예)공기압 손실 시-Air Failto close(닫힘) or to open(열림) or to lock(운전위치) the valve 15밸브 구동장치의 핸들(유무 Top or Side) 3100 유량특성과 밸브에서의 차압 ΔP

제어밸브에 있어서 유량특성은 밸브의 개도에 다른 유량의 변화량과의 관계로 표시한다 유량특성은

밸브 자체의 고유 유량특성과 실제 배관시스템에 설치되었을 때의 실제 유량특성(이하 유효

유량특성이라 한다)이 있다 이들의 유량특성은 제어밸브의 성능평가에 매우 중요한 요소이다3110 고유 유량특성

밸브 전후의 차압을 일정하게 한 경우의 유량특성을 고유 유량특성이라 한다 이 유량특성은 밸브

제작사의 밸브 트림 기술자료로 공급되는 자료이다 유체의 제어용으로 채택되는 근본적인 유량특성은 선형(Linear)특성과 등비율(Equal Percentage)특성이 있으며 이들 두 특성은 밸브 제작자의 트림설계에 따라 다양한 변형의 유량특성이 제공되고

있다 다음의 그림은 ISA Control Valve Handbook 에서 보여주고 있는 밸브의 고유 유량특성도

있다선형특성은 밸브의 유량계수 변화율이 밸브 개도와 일정한 관계를 가지며 등비율특성은 밸브의

유량계수 변화율이 그 밸브개도 변화전의 유량계수과 비례하는 관계로서 다음과 같이 표현된다 일반적으로 그로브 제어밸브는 트림을 다양한 형식으로 변형할 수 있음으로 용이하게 밸브의 고유

유량특성을 얻을 수 있지만 기타의 볼밸브 버터후라이밸브 형식의 제어밸브는 구조상 유량특성을

임의로 변경할 수 없는 단점이 있다-선형특성

y=1R+(1-1R)x dy=(1-1R)dx (3100-1)-등비율특성

y=R(x-l) dy=In Rdx (3100-2)여기서 y= CvCv maxx=LL maxCv max=밸브의 최대 CvCv스템의 L 에서의 밸브 유량계수

L max밸브의 최대 스트로크

L스템의 위치

R제어밸브의 고유 렌지어비리티(Rangeability) 2000 년 3월호 알파와 오메가

8 제어밸브

81 제어밸브 개요

3110 고유 유량특성

선형특성은 밸브의 유량계수 변화율이 밸브 개도와 일정한 관계를 가지며 등비율특성은 밸브의

유량계수 변화율이 그 밸브개도 변화전의 유량계수와 비례하는 관계로써 다음과 같이 표현된다일반적으로 그로브 제어밸브는 트림을 다양한 형식으로 변형할 수 있으므로 용이하게 밸브의 고유

유량특성을 얻을 수 있지만 기타의 볼밸브 버터플라이밸브 형식의 제어밸브는 구조상 유량특성을

임의로 변경할 수 없는 단점이 있다

선형특성

y=1R＋(1-1R)x dy=(1-1R)dx (3100-1)

등비율특성

y=R(x-1) dy=1n Rdx (3100-2) 여기서

y=CvCv maxx=LLmaxCv max=밸브의 최대 CvCv=스템의 L 에서의 밸브 유량계수

Lmax=밸브의 최대 스트로크

L=스템의 위치

R=제어밸브의 고유 렌지어비리티(Rangeability)3120 유효 유량특성

제어밸브를 배관시스템에 설치한 상태에서는 밸브 전후의 배관형상에 따라 차압이 변화하므로 이러한

차압이 밸브의 고유 유량특성에 영향을 주게 된다 이들 영향을 포함하여 밸브의 유량특성을 표시한

것을 유효 유량특성이라고 한다 (1)직렬부하를 가진 프로세스 시스템의 유효 유량특성

그림 3100-2 에서 보는 바와 같이 어느 밸브 개도에서의 유량을 Q 라 하고 각각의 압력손실을 ΔPv ΔPL ΔP 라 하고 각각의 유량계수를 Cv CL C 라고 한 다음 ΔP 를 일정하게 유지시키면

Q=CvSQRT(ΔPv)=CL SQRT(ΔPL)=C SQRT(ΔP) (3100-3)ΔP=ΔP＋ΔPL (3100-4)

또한 제어밸브가 완전히 열릴 때에는 Qmax=Cvmax SQRT(Pvo)=CL SQRT(ΔPLO)=Cmax SQRT(ΔP) (3100-5)ΔP=ΔPvo＋ΔPLO (3100-6)

따라서 Qmax = Cv SQRT(ΔPv) Cvmax SQRT(ΔPvc) (3100-7)Qmax = SQRT(ΔPL)SQRT(ΔPLO)=SQRT(ΔP-ΔPvo)SQRT(ΔP-ΔPvo) (3100-8)(3100-7)과 (3100-8)식에서

QQmax=SQRT[(ΔPvoΔP)+(1-(ΔPvoΔP))(CvCvmax)] (3100-9)

여기서

u=QQmx Pr=ΔPvoΔP y=CvCvmax 라고 하면 u=SQRT(Pr+(1-Pr)y)y (3100-10)(3100-10)식에 선형특성의 (3100-1)식을 그리고 등비율특성의 (3100-2)식을 대입하여 각각의

유효 유량특성을 구할 수 있다 다음의 그림 3100-3 과 3100-4 는 각각 선형특성과 등비율특성의

유효 유량특성의 선도를 Pr 의 비율로써 보여 주고 있다 만약 밸브의 입구측 펌프의 토출수두가

일정한 경우에는 다음과 같은 식으로 밸브의 유효 유량계수를 표시할 수 있다

C=(PCvmax)SQRT((Py)2＋1) (3100-11)여기에서

P=SQRT(ΔPvΔPL)C 제어밸브와 배관시스템을 포함하는유효 유량계수

ΔPv 제어밸브에서의 압력손실

ΔPL 제어밸브를 제외한 배관시스템의 동적 압력손실

지금 밸브의 레인지어비리티 R=30 이라고 하면 선형특성을 가진 밸브의 경우 3100-1 식에서

y=096＋003 등비율특성의 경우 y=30(1x)가 된다 여기에 3100-11 식을 대입하면 밸브의

개도에 따른 밸브시스템의 유효 유량특성과의 관계를 알 수 있다 그림 3100-5 와 3100-6 은 각각 이를 보여준다 그림 3100-3sim6 에서 보는 바와 같이 Pr 값에 따라서

즉 제어밸브를 포함하는 배관시스템의 전체 압력손실에 비해 밸브에서의 압력손실이 상대적으로

작으면 제어밸브의 고유 유량특성은 크게 변하게 됨을 알 수 있다따라서 실용상 배관시스템에서의 압력손실 허용범위를 Pr＞005 로 하거나 다음과 같은 밸브

엔지니어링 지침을 제시하고 있다 펌프시스템에 있어서는 제어밸브의 압력손실량은 펌프시스템

전체의 동적 압력손실량(Dyna-mic Pressure Losses)의 13 이상이고 적어도 ΔP=10bar이상이어야 할 것 원심 압축기의 흡입 토출라인에 있어서는 흡입 절대압력의 5이상이거나 시스템

전체의 동적 압력손실이 12 이상으로써 이중 큰 값을 선정한다액체라인에 있어서는 하류측 탱크압력의 110 이상이거나 배관시스템 동적 압력손실량의 12이상으로써 이중 큰 값을 선정한다 증기 터빈 재열보일러(Reboiler) 압력용기등의 증기

공급배관에 있어서는 설계 절대압력의 110 이상이거나 035bar 중에서 큰 값을 선정한다(2)병렬부하를 가진 프로세스 시스템의 유효 유량특성

그림 3100-7 에 있어서 어느 밸브개도에 있어서 시스템의 유량을 Q 라 하고 제어밸브를 통과하는

유량을 Qv 바이패스의 유량을 Qb 라 하고 이에 대응하는 각각의 유량계수를 C Cv Cb 그리고

시스템의 압력손실을 ΔP 이라 하고 지금 ΔP 를 일정하게 하면

3100-7 병렬부하를 갖고 있는프로세스 시스템

Qv=Cv SQRT(ΔP) (3100-12)Qb=Cb SQRT(ΔP) (3100-13)Q=Qv＋Qb (3100-14) 또 제어밸브가 완전히 열릴 때에는

Qvmax=Cvmax SQRT(ΔP) (3100-15)Qmax=Qvmax＋Qb (3100-16)위의 식에서

QQmax=[(CvCvmax)＋(CbCvmx)][1＋(CbCvmax)] (3100-17)여기서 u=QQmax y=CvCvmax λ=(CbCvmax)2 라고 하면 식 3100-17 은 다음과 같다u=(y＋SQRTλ)(1＋SQRTλ) (3100-18)선형특성의 밸브는 식 3100-1 을 등비율특성의 밸브는 식 3100-2 를 식 3100-18 에 대입하면 각각

다음의 그림 3100-8 과 3100-9 와 같은 유효 유량특성을 갖는다 그림에서 제어밸브의

레인지어비리티가 감소하고 제어성이 나빠지면 유효 유량특성은 밸브의 고유 유량특성과

비슷해진다 시스템 전체의 유량계수는 C=Cv＋Cb 이므로 C=(y＋SQRTλ) Cv max (3100-19)3130 유량특성의 선정

제어밸브에 있어서 유량특성은 프로세스 전체의 특성이 선형에 가깝도록 되는 것이 바람직하다 이를

위해 제어밸브의 고유 유량특성은 일반적으로 다음과 같은 조건에 따라 선정함이 좋다(1)선형특성이 바람직한 경우

제어밸브의 전후 차압이 일정하게 되는 경우

시스템 전체의 압력강하가 제어밸브에 의해 좌우되는 경우

프로세스 변화의 특성이 선형일 경우

(2)등비율특성이 바람직한 경우

제어밸브의 전후 차압이 밸브 개도에 의해 크게 변화되는 경우

시스템 전체의 압력강하가 제어밸브 이외의 것에 의해 크게 좌우되는 경우

프로세스 변화의 특성을 잘 모를 경우

3140 밸브의 운전 범위성(Range-ability)

제어밸브에 있어서 실제 적용 가능한 유량특성을 보여주는 범위의 최대와 최소의 밸브용량비를

레인지어비리티라고 한다 레인지어비리티는 유량특성과 같이 고유 레인지어비리티와 유효

레인지어비리티가 있다 제어밸브를 선정할 때 제어밸브의 유량 및 압력의 범위를 함께 검토하는

일은 매우 중요한 일이다 2000 년 4월호 알파와 오메가

8 제어밸브

81 제어밸브 개요

3141 고유 레인지어비리티

고유 레인지어비리티는 제어밸브 전후의 차압을 그 개도에 비례하는 일정한 경우의

레인지어비리티로써 제어밸브 자체의 고유 레인지어비리티이다 레인지어비리티 R 은 다음과 같이

정의한다R=CvmaxCvmin=(Qmax SQRT(ΔPmax)(Qmin SQRT(ΔPmin)R=QmaxQmin 으로도 표시할 수 있다3142 유효 레인지어비리티

제어밸브를 배관시스템에 설치한 경우의 레인지어비리티로써 제어밸브가 설치된 상태에 따라

달라진다(1)직렬부하를 가진시스템의 경우

이 시스템의 유효 레인지어비리티는 다음과 같이 표시된다 식 3100-3 과 3100-5 에 의해서

QQmax=CSQRT(ΔP)Cvmax SQRT(ΔPvo)= CCvmax SQRT(ΔPr) (3100-20)식 3100-10 과 3100-20 에 의해서 Cv=y[SQRT(Pr＋(1-Pr)y2)Cvmax SQRT(Pr)]C 는 제어밸브를 완전히 열었을 때 즉 y=1 일 때 최대가 되고 밸브를 완전히 닫았을 때 즉 y=(1R)일 때 최소가 된다따라서 유효 레인지어비리티 RA 는 다음과 같이 정의된다 다음의 그림 3100-10 은 Pr 에 따른 유효

레인지어비리티를 보여주고 있다RA = CmaxCmin=R SQRT(Pr)＋(1-Pr)(1R)2 R SQRT(Pr) (3100-21)(2)병렬부하를 가진 시스템의 경우

식 3100-19 에서 병렬부하의 시스템에 있어서 유효 레인지어비리티는 RA = CmaxCmin=SQRT(λ＋1)SQRT(λ＋1R) (3100-22) 위의 식 3100-21 과 3100-22 그리고 그림 3100-10 은 시스템의

상류측(Upstream)과 하류측(Downstream)의 압력이 일정한 경우이다예로써 원심펌프의 토출배관상에 제어밸브를 그림 3100-11 과 같이 설치한 경우 유량과 더불어

압력이 변화하기 위해서는 레인지어비리티도 따라서 변화해야 하기 때문에 주의가 필요하다

3143 프로세스 시스템에 필요한 레인지어비리티

제어밸브를 사이징할 때 유효 레인지어비리티가 실제로 적용되는 경우 사이징 된 제어밸브는

시스템에 필요한 레인지어비리티를 만족해야 한다 그림 3100-12 의 프로세스 시스템에 있어서 이

시스템에 필요한 레인지어비리티는 다음과 같이 구한다

Rs = Cmax(req)Cmin(req) =Qmax SQRT(ΔPmax)Qmin SQRT(ΔPmin)여기서 Rs 시스템에 필요한 레인지어비리티

Cmax(req) 시스템이 필요로 하는 최대 유량계수

Cmin(req) 시스템이 필요로 하는 최소 유량계수

Qmax 시스템의 최대 유량

Qmin 시스템의 최소 유량

ρh 시스템 상류측과 하류측간의 수두의 차

ΔPmax 시스템의 최대차압

ΔPmin 시스템의 최소차압

P1 시스템의 상류측 압력

P2 시스템의 하류측 압력

시스템에서 필요로 하는 레인지어비리티를 구할 때에는 시스템의 기동시 정지시와 같이 일시적인

운전조건이외에도 밸브 사용에 따른 경년변화에 따른 조건 등도 함께 고려해야 한다 다음은 선정된

제어밸브가 실제로 시스템에 적용되었을 경우 레인지어비리티상 원활한 운전이 될 수 있는가를 예를

들어 설명한다그림 3100-12 에서 보는 바와 같이 시스템이 필요로 하는 레인지어비리티는 식 3100-23 에서 Rs = (10 SQRT(6-015-1＋005))(2 SQRT(3-025-1-005))85 이 경우 최대 Cvmax = 117Q SQRT(GsΔP)=11710SQRT(1010)=117 지금 정격 Cv=19 이고 고유 레인지어비리티 R=30인 제어밸브를 선정하는 경우 유효 레인지어비리티 RA 는 식 3100-22 에 따라 RA = A SQRT(Pr)=R SQRT (ΔP(ΔPL1＋ΔPL2＋ΔPv))= 30 SQRT(1017) = 23 Cvmax=117 에 대하여 Cv=19 를

설정한 경우 117 을 넘는 부분은 여유분이 되기 때문에 실제 사용되는 레인지어비리티 RE 는 RE = RA(Cvmax정격 Cv)=23(11719)=142따라서 시스템에서 필요로 하는 레인지어비리티 Rs=85 이고 제어밸브에 실제 사용되는

레인지어비리티는 RE=142 가 되기 때문에 이 프로세스 시스템은 조절이 가능하다3150 제어밸브 크기를선정할 때의 고려사항

3151 용어설명 케비테이션(Cavitation)밸브 몸통을 흐르는 액체가 포화증기압이하로 떨어질 때 발생하는 현상으로 액체가

포화증기압이하로 떨어지게 됨으로써 발생한 기포들은 밸브 출구단에 이르러 포화증기압이상으로

유체의 압력이 회복됨에 따라 발생된 기포는 붕괴된다 밸브에서의 이러한 유체 흐름시에 생기는

현상을 케비테이션이라고 한다

초크드 흐름(Choked Flow)밸브가 일정 개도에서 밸브 입출구사이에 차압이 커지면 유량이 증가되는 것이 일반적인 현상이나 차압이 증가해도 유체(압축성 및 비압축성)의 흐름량이 증가하지 않는 현상을 말한다압축성 유체(Compressible Fluid)프로세스 계통에서 가스의 흐름으로 인한 압력 손실이 입구측 압력과 비교하여 상당히 큰 상태하에서

유체의 밀도가 10이상 감소하는 유체를 말한다제어밸브 기량(Control Valve Authority)제어밸브의 어떤 특정 개도에 있어서의 압력 손실량과 밸브가 완전히 닫혀있을 때의 계산된 시스템

압력 손실량과의 비율을 말한다설계조건(Design Condition)플랜트의 전체 또는 부분적인 프로세스를 계산할 때 또는 주요 공정기기의 주문을 하기 위해 계산할

때의 프로세스 조건이다후라싱(Flashing)액체 흐름에서만 생기는 현상으로 밸브 몸통을 흐르는 액체가 밸브내에서 포화증기압 이하로

떨어지면 유체의 흐름에는 발생된 기포가 상당량 잔류하게 되는데 기포를 포함하고 있는 유체가 밸브

출구단 이후에도 계속 포화증기압 이하로 유지되며 흐르는 상태를 말한다밸브 유량계수( Flow Coeffi-cient)일반적으로 Cv 또는 Kv 값으로 표시되는 계수로써 밸브의 유체수송 능력을 나타내는 계수이다Cv = US gallonminute1psiKv = hour1bar Kv = 0856Cv비압축성 유체(Incompressible Fluid)액체로써 계통에서의 밀도 변화 범위가 10이내인 유체이다Reduced TrimReduced Trim 은 밸브의 호칭직경보다 작은 크기의 트림을 말하는 것으로 예를 들어 밸브의

호칭직경이 8˝인 밸브에 트림은 6˝ 또는 4˝의 작은 트림을 채택한 밸브를 Reduced Trim 의

밸브라고 한다3152 제어밸브의 크기 선정

(1)크기 선정의 기준

특별히 별도로 지정하지 않는 한 밸브의 유량계수 Cv 의 선정은 관련 프로세스 데이터에 의하여 설계

흐름조건을 결정해야 한다최대유량 조절량 Q＋ = 최대 설계유량(Qd)의 110 유량(11Qd)완전 열림시의 밸브 유량 Qo＞최대유량 조절량 Q＋과도한 루프 게인(Loop Gain)의 변화(＞=20)를 피하기 위한 설계조건하의 제어밸브 기량은 023보다 커야하므로 제어밸브 미 설치시의 시스템 유량 Qs＞=115Qd 가 되어야 한다(2)제어밸브 Cv 값의 선정

제어밸브의 크기 선정은 계산된 Cv 값에 따라 선정하되 적어도 최대 유량 조절량 Q＋는 제어할 수

있는 크기이어야 한다 만약 후라싱의 발생이 예상되는 경우에는 계산된 Cv 값에 의거 Reduced Trim 을 가진 밸브를 선정한다3153 선정시 고려사항

(1)일반 고려사항

제어밸브의 제어특성(선형 등비율형 급개형 등)의 선정

제어밸브에 연결되는 배관의 형상 및 크기 사양

소음

유체의 성상(Fluid Mixtures)케비테이션이나 후라싱의 존재 여부

초크드 흐름 여부

(2)제어밸브의 제어특성

제어밸브의 특성은 설계조건으로 선정하되 다음과 같은 기준(항상 일정한 기준으로 사용되는 것은

아니지만)을 우선적으로 고려한다

① 제어밸브가 전체 시스템에서 요구하는 압력 손실량의 70 이하를 조절하는 경우에는

등비율특성의 트림을 선정 즉 제어밸브의 기량 rdlt=07 일 때

② 제어밸브가 전체 시스템에서 요구하는 압력 손실량의 70 이상을 조절하는 경우에는 선형특성의

트림을 선정 즉 제어밸브의 기량 rd＞07 일 때

③ 특정의 가혹한 조건하에서는 추가의 감압용 오리피스를 제어밸브의 상류측에 설치하여 rd 의 값을

05 이하로 할 수 있다 이 경우 rdgt=08 이면 선형특성을 rdlt=05 이면 등비율특성을 05ltrdlt08 이면 추가의 레스트릭션 오리피스를 밸브 상류측에 설치하여 rdlt=05 로 해야 좋다

④ 제어밸브의 기량 rd 는 다음과 같이 계산한다기량 rd = ΔPvd(ΔPvd＋ΔPsd ＋ΔPpd) 여기서ΔPvd 제어밸브에서의 압력 손실량

ΔPsd 프로세스 시스템에서의 압력 손실량

ΔPpd 프로세스 펌프에서의 압력 손실량

(ΔPvd＋ΔPsd＋ΔPpd) 프로세스 시스템 전체의 압력 손실량

그러나 다음과 같은 경우에는 상기의 조건을 무시하고 선형 특성을 선정한다 자연상태하의 탱크 수위 레벨 조절 등

압축기의 서어지 방지 제어

분할제어(Split Range Control)가 필요할 때

레인지어비리티가 크게 요구되어 두 개의 제어밸브를 병렬로 사용할 때

수동의 제어밸브일 때

2000 년 5월호 알파와 오메가

8 제어밸브

81 제어밸브 개요

(3)유체 혼합시의 계산

서로 다른 성질의 액체나 기체가 혼합된 유체의 경우 Cv 의 계산은 혼합된 유체의 밀도로 해야 한다 액체와 이 액체에서 기화된 상태의 기체가 같이 흐르는 이상유체(Two Phase Flow)의 경우는

제어밸브의 선정시 매우 까다로운 문제이며 실제로 심각한 문제를 일으킬 수 있으므로 가급적 피해야

한다 액체와 성질이 전혀 다른 가스가 혼합되어 흐르는 유체의 경우 다음의 식으로 유효밀도

(Effective Density)를 계산한다

1ρeff=AY2ρgas+Bρliq 여기서

A 가스성분의 무게 비율()B 액체성분의 무게 비율()Y 가스의 팽창계수

ρ 밀도

만약 액체의 무게비율이 5를 넘으면 Cv 의 계산은 액체로 가정하여 계산하고 5 미만일 경우

기체(압축성 유체)로 하여 Cv 를 계산한다(4)케비테이션과 후라싱

제어밸브의 선정에 있어서 케비테이션과 후라싱은 적극적으로 피해야 할 현상이다 그러나 다음과

같은 시스템 설계적인 방안을 강구하면 케비테이션이나 후라싱에서 제어밸브의 운전 건전성을 도모할

수 있다1)케비테이션이 예측되고 또한 피할 수 없는 조건에서 케비테이션 완화방법

제어밸브 입구측(Upstream)의 압력을 재검토한다제어밸브의 설치위치를 가능한 한 압력이 높은 쪽이나 온도가 낮은 위치로 변경을 시도한다제어밸브의 유체흐름방향(Upward or Downward)의 변경을 검토한다제어밸브 출구쪽에 가깝게 감압용 오리피스(Restriction Orifice)를 설치하거나 유량의 변동폭을

줄일 수 있는가를 검토한다특수형의 내 케비테이션 트림의 채택을 제작사와 협의한다부하 분담을 검토하고 그 결과에 따라 제어밸브 2sim3 대를 직렬로 설치하는 것을 검토한다

2)후라싱 서비스용 밸브

후라싱을 피할 수 없는 운전조건이라면 밸브의 트림은 밸브 호칭직경과 같은 크기이어야 하며 밸브

몸통은 경도가 높은 합금강(Cr강 WC6 or WC9)3200 액체시스템에 있어서 제어밸브의 유량계수 Cv 계산

상기 계산식에서 각각의 기호는 다음과 같은 의미를 가진다Cv=밸브의 유량계수(Valve Flow Coeffcient)US gallonminuteP=1psiQ=체적유량 HourW=중량유량 1000kgHourG=유체의 흐름온도에 있어서 비중

FL=무차원의 압력회복계수

FF=임계압력비

FP=밸브 입출구 연결배관의 수정계수

FLP=연결배관의 영향을 포함한 압력회복계수

FR=레이놀즈 보정계수 (계산결과 1000ltRelt33000 이면 09 로 가정하여 계산)P1=밸브 입구압력 baraP2=밸브 출구압력 baraPv=유체의 포화증기압 bara1bar=102 kgv=동정성계스 centi-stokeFd=밸브 종류별 보정계수 표 3200-1 참조

CD=밸브 연결배관에 대한 상대 유량계수(CvD2 여기서 D= 연결배관의 호칭직경 inch)Kc=(P1-P2)(P1-Pv) 케비테이션 인덱스

3210 밸브에서의 후라싱 계산

밸브 출구의 압력이 유체 운전온도의 포화증기압 이하로 되는 경우에는 후라싱 현상(용어 정의 참조)이 발생한다 이 경우 운전온도 및 압력에 따라 액체의 일부는 증기(Vapor)화 되는데 증기화되는

정도를 후라싱 비율이라고 한다 일반적으로 후라싱 흐름일 경우에는 밸브내에서 비체적이 팽창함에

따라 출구 유속이 급격하게 증가되므로 밸브 출구는 밸브의 호칭직경 보다 크게 하는 것이

바람직하다 다음은 후라싱 흐름에 있어서 Cv 를 계산하는 식이다여기서 Q=액체의 체적유량(Hr) w=질량유량(kgHr) Gf=배르 입구측 유체의 비중

r1=밸브 입구측 유체의 비중량(kg)후라싱 비율은 유체(액체)의 전체흐름에서 얼마만큼 기화(Vapor)되었는가를 로 보여주는 것으로

후라싱 비율이 클수록 밸브 출구에서의 후라싱 속도는 빨라지게 된다 일반적으로 물과 증기의 경우 전체 질량 유량 대비 증기로 얼마(몇 )만큼 변환되었는가를 무게비 χ 로 표시하면

로 표시할수 있으며 χ 는 다음과 같이 구한다 여기서 hf1= 입구 온도에 있어서 포화액체의 엔탈피

hf2=출구압력에 있어서 포화액체의 엔탈피

hfg2=출구압력에서의 증발엔탈피

후라싱 속도의 계산

여기서 w=유량(lbhr)Vf2=출구압력에서의 포화액체의 비체적(ft3lb)vg2=출구압력에서의 포화증기의 비체적(ft3lb)A=밸브 출구의 유로 단면적(inch2)3300 가스 시스템에 있어서 제어밸브의 유량계수 Cv 계산

Cv=Qn2080FpP1Yradic(MT1ZP1)PCv=Qn387FpP1Yradic(MT1ZP1)PCv=Qn2080FpP1Yradic(MT1Z)FkXTCv=Qn387FpP1Yradic(GT1Z)FkXTCv=Qn2080FpFRP1Yradic(MT1ZP1)P

Cv=Qn387FpFRP1Yradic(GT1ZP1)PCv=밸브 유량계수

Qn=가스의 유량계수(NHour)P1=밸브의 입구압력(kgf)P2=밸브의 출구압력(kgf)

P=밸브에서의 차압(kgf)X=차압비

XT=포화 차압비 XT=084 FL2G=공기에 대한 가스의 비중

M=가스의 분자량

FP=밸브 입출구 연겨배관의 수정계수

T1=밸브 입구의 절대온도(K)Y=팽창계수 10geYge0667=1-X(3FKXT)Z=압축계수(완전가스 Z=10 범위 Z=05~15)K=비열비

Fk=k14 비열비 계수

3400 Cv 계산에 대한 예제

3410 FCI(Flow Control Institute)식에 의한 액체의 경우

유체조건을 다음과 같이 가정한다Q max = 15m3hQ min = 5 m3hP1 max = 5kgcm2 GP1 min = 8kgcm2 G P max = 1 kgfcm2 P mix = 2 kgfcm2Gf=095Cv max = 117QradicGf P=11715radic0951=171Cv miN = 117 QradicGfP=233420 FCI(Flow Control Institute)식에 의한 기체의 경우

유체조건을 하기와 같이 가정한다V=1600 N m3hP1=805 kgfcm2P2=60 kgfcm2Gg= 45T1=293KP(=20kgfcm2)는 05P1(40kgfcm2)보다 적기 때문에 임계상태가 아니다 따라서 FCI 계산식에 상기 수치를 대입해서 Cv 치를 구한다

3430 ISA(Instrument Society of America)식에 의한 후라싱(Flashing)유체조건을 다음과 같이 가정한다Q=20 m3hP1=805 kgfcm2 absPv=67 kgfcm2 absT1= 325F(163)Gf=0904P2=56 kgfcm2 absPc=2244 kgfcm2 abs

밸브의 출구측 압력 P2 와 증기압 Pv 의 위치에서 후라싱이 예상된다 벤츄리형 양글밸브에서 플러그

닫힘 방향으로 유체가 통과한다고 가정하여 FL 치를 3200-1 에서 구한다(1)여기에서 FL=05 를 채용한다(2)우선 PT 를 다음의 식에서 산출한다PT=FL2(P1-FFPv)=FL2[P1-(096-028(3)PT(=0455kgfcm2)는 P(=245kgfcm2)보다 꽤 적기 때문에 쵸크드 흐름(Chocked Flow)영역이다 따라서 다음의 식에서 이 조건에 대한 Cv 치를 계산하면 다음과 같이 된다 =33(계산 Cv 치) 2000 년 11월호 알파와 오메가

제어밸브의 트림

트림은 유체흐름에 직접 접촉하는 밸브의 부품을 총칭하는 것으로써 유체제어 또는 유체 흐름에

의하여 마모되거나 손상될 수 있으며 아울러 교체가 가능한 부품을 트림이라고 한다 제어밸브의

핵심은 결국 트림이며 트림은 제어의 목적에 맞도록 유체흐름을 직접제어하는 부품군인 것이다따라서 트림의 선정에 있어서 가장 중요한 기술적인 요소는 유체가 갖고 있는 다양성(유체의 종류 물리화학적특성 압력유량온도에 수반되는 트림재질의 기계적 성질까지 포함)을 어떻게 잘 제어할 수

있는가의 적용성 문제이다이는 부식침식의 문제와 온도압력의 차이 그리고 운전시간의 문제등을 함께 해결하는 것을 뜻한다 트림선정에 있어서 우선적으로 고려되어야 할 사항은 다음과 같다

① 밸브의 운전상태-간혹 제어 간헐적 제어 연속제어 및 얼마나 계속 운전될 것인가

② 유체의 성질-불순물(고형물질 등)을 포함하고 있는가 유체의 부식특성은 어떤가 온도(초저온 또는

고온) 고청정 유체인가 폭발성 또는 독성가스의 유체인가 등

③ 유체제어 과정에 있어서 케비테이션 또는 후라싱의 발생 가능성

④소음의 규제

⑤ 트림의 서비스 특성-트림의 교체(교환)방법 및 교체 빈도

⑥ 트림에서의 내부 누설 정도-무누설의 트림일 경우 트림구조가 변경될 수 있으며 가격상승의 직접적

요인이 됨

⑦ 유체제어 특성-제어밸브의 게인(Gain)

제어밸브의 트림 구조는 밸브의 종류(글로브밸브 버터플라이밸브 볼밸브 등)에 따라 구조상 큰

특징을 보인다 현재 제어밸브의 트림은 사용하는 유체의 성상과 압력 온도 그리고 밸브에서의

차압의 정도 및 시트에서의 누설등급에 따라 밸브의 종류별로 제한을 받고 있다 볼밸브 버터플라이밸브 및 프러그밸브와 같이 90회전하는 쿼터턴(Quarter Turn)밸브의 경우 밸브에서의

높은 차압 조정이 곤란하고 아울러 시트에서의 시팅구조가 미끄러짐에 의한 슬라이딩 접촉(Sliding Contact)이므로 내누설이 철저히 요구되는 계통에서의 적용은 불가능 하다그러나 일반적인 글로브 밸브에 적용되는 밸브 트림은 매우 다양한 구조로 설계할 수 있다 우선

유량제어 특성에 맞도록 밸브 프러그 또는 케이지(Cage)형상을 기본적인 등비율 특성(Equal Percentage) 선형특성(Linear) 및 급개형특성(Quick Opening)으로 구분하고 있으며 이들 특성을

수정하여 사용하는 경우도 밸브 제작자 별로 많이 있다이들 기본적인 세가지 유량제어특성을 갖는 트림의 구조는 컨투어드 프러그(Contoured Plug) 브이포트(V-Port) 및 특성화된 유로 케이지(Characteriged Flow Cage)가 있다 일반적으로

저압이고 밸브의 최대차단 압력(max Shut off Pressure)이 적으며 밸브 크기가 소형(4이하)일

경우에는 컨투어드 프러그형의 트림을 사용하여도 좋다그러나 밸브에서의 차압이 크게 발생하거나 유체 유동의 유체력(Fluid Flow Inertia Force)이 크게

발생되는 곳에서는 컨투어드 프러그에 안내 가이드로써 케이지를 채택하는 것이 좋다 다음 그림은

미국계기학회(Instrument Society of America ISA)에서 출간한 제어밸브 핸드북에 수록된

유체특성에 따라 설계되는 트림의 형상과 각각의 유량계수 Cr 을 보여주고 있다lt그림 12 참조gt운전압력과 온도가 높고 특히 차압이 큰 경우에는 임계흐름이 될 가능성이 매우 높기 때문에

케비테이션 또는 후라싱의 발생 가능성이 높다 실제로 높은 차압환경에서 운전되는 모든 밸브는

케비테이션 또는 후라싱의 발생으로 특수 설계된 트림이 요구된다후라싱 발생의 경우 밸브 트림에서의 후라싱 방지 방안이 불가능 하기 때문에 밸브 구조 보다는 밸브

트림에서의 후라싱 방지 방안이 불가능 하기 때문에 밸브 구조 보다는 밸브 트림 또는 몸통의

재질등을 보다 강한 재료로 채택한다그러나 케비테이션의 경우 밸브의 트림으로 케비테이션을 저감 또는 억제할 수 있다 모든 제어

밸브회사들은 유체제어에 있어서 유체역학적인 특징들을 고려하여 독자적으로 설계된 트림을 그들의

제어밸브기술 마케팅의 첫째 기술로써 선전하고 있다다음 그림들은 글로브 밸브에 채택되고 있는 고온고압의 내케비테이션(Anti-Cavitation)트림들을

보여주고 있다 lt그림 3~13 참조gt 로브형 제어밸브의 트림선정에 있어서 중점적으로 검토할 항목은

다음과 같다고압운전-강도문제 내침식 재료의 선정 시트에의 내기밀성 유지

고차압운전-내침식 재료의 선정 케비테이션 문제발생(내 케비테이션 트림선정) 스템에서의 강성도

유지 소음(Noise)대책진공운전-시트에서의 내기밀성 유지 금속 벨로우즈에 의한 기밀 유지

고온운전-상용운전온도가 232(450)이상인 경우 고온운전 재료종류에 따른 사용온도 제한 밸브구조의 제한 자켓의 밸브적용

lt트림 재료별 사용온도 제한gt청동 주철 200 이하

주강 300 이하

스텐레스강(SS316)400 이하

마르텐사이트계열(SS420)스텐레스강 45017-4PH 스텐레스강 480 이하

초경합금(텅스텐 카바이드) 650 이하

스텔라이트산화알루미늄 980 이하

인코로이 내열 합금800이하

초저온 운전상용 운전온도가 -100(-150)이하인 경우 초저온 운전 재료 종류에 따른 사용온도

제한 밸브 구조의 제한 콜드박스 또는 진공자켓의 밸브 적용

lt트림 재료별 사용 온도 제한gt구리 청동 황동 오스테나이트 계열 스텐레스 강-268(-450)모넬 하스테로이 -268(-450)마르텐사이트계열 스텐레스강 일반주강-100(-150)주철-17(0)케비테이션 저감 방안

① 밸브 운전 조건(계통 프로세스 운전 조건)의 변경

② 내케비테이션 트림의 선정압력회복이 낮은 밸브선정 높은 KC 및 FL 값을 가진 밸브의 선정 다단계 압력 강하 방식의 트림선정

③ 가스의 투입

④ 밸브 설치 방법의 변경

고점성슬러리 유체 제어- 슬러리(찌꺼기)함유 유체나 고점성 유체의 제어과정에서 원활한 유체

흐름을 갖도록 트림구조를 설계 완전 개방식 앵글밸브 특성 볼 밸브 셀프드레인 밸브 편심형

프러그 밸브 핀치밸브등이 적용된다 2000 년 12월호 알파와 오메가

제어밸브의 트림

다음의 표는 밸브의 대표적인 트림재질 구성으로써 사용조건 사용온도의 범위 사용가능 밸브사이즈

및 사용상의 제한조건을 표로 구성한 것이다제어밸브의 유량 및 레인지어비리티(Rangeability)(1)선형특성(Linear Characteristics)밸브 리프트와 통과 유량이 직접 비례하는 것으로 예를 들어 밸브가 50 리프트이면 전체 유량의

50가 밸브를 통과하게 된다 유체 수위 제어 및 일정한 게인(Gain)을 필요로 하는 유량 제어

목적으로 주로 사용된다(2)등비율특성(Equal Percentage Characteristics)일정한 비율의 스템(Stem)을 이동하였을 경우 이동전 봉과 유량에 대한 스템이동 비율만큼의 유량이

변화하는 것으로 다음과 같은 수식으로 표시될 수 있다dCvdℓ=KCv 즉 Cv=KℓCℓ(단 Cℓ 은 Cv 의 초기값)로 표시되며 Cℓ값 및 K값을 조절함으로써 계통

특성에 맞는 밸브를 선정할 수 있다 주로 계통 압력 강하를 미세하게 조절하기 위한 압력조절

목적으로 사용된다(3)급개형(Quick Opening Characteristics)낮은 스템 이동 부분에서 최대 유량변화 특성을 가진다 대부분 스템이동에 선형적이며 약 30의

밸브를 개방시켰을 경우 총 통과 유량은 전체 유량의 90에 달한다 주로 개폐용이나 자체 구동(Self

Actuated) 제어밸브에 많이 사용한다(4)유량 특성의 선택

계통 설계에 있어서 적절한 밸브 유량 특성은 선택이 중요하다 왜냐하면 밸브 선정시 계통의 특성을

고려한 밸브의 유량 특성은 밸브선정과 매우 밀접한 관계임에도 불구하고 설계자는 밸브의 단순한

기능 즉 유체의 수송 차단 및 조절기능에 의거 설계하기 때문에 실제 운전시 제어상의 문제 제기로

밸브의 선정이 부적절했다는 것을 알게 된다따라서 계통 설계자는 제어 밸브의 크기 및 형상을 선택하는 것이 아니라 제어 밸브의 Cv(밸브 계수) 및 밸브의 유량 특성을 선택하여 설계하는 것이 바람직하다 다음의 [표 234]는 각 계통특성별 밸브

유량 특성의 선택을 요약한 것이다결론적으로 밸브 유량 특성의 선택은 정량적으로 판단하기에는 어려운 것이 사실이나 앞에서 열거한

바와 같이 사용 목적에 따른 유량 특성의 선택 지침은 대략 다음과 같이 요약할 수 있다 즉 등비율 특성을 가진 밸브인 경우 주요 공정에서 계통의 압력 강하를 밸브를 통하여 얻지 못하거나 밸브의 압력 강하가 저유량에서 크고 고유량에서 낮은 경우에 밸브 선택의 지침으로 사용되며 아울러 계통 설계 자료의 부족으로 인하여 밸브를 과대하게 설계할 수밖에 없을 때 이 등비율 특성을 가진

밸브를 선정한다선형 특성을 가진 밸브의 경우는 유체의 흐름이 변화하여 넓은 범위의 유량 측정이 필요하고 계통의

압력 강하량을 밸브를 통하여 알 수 있을 때에 쓰인다(5)레인지어비리티(Rangeability)레인지어비리티는 제어할 수 있는 최소 유량에 대해서 제어할 수 있는 최대 유량비로 정의된다 일반적으로 레인지어비리티는 51(다이아후램 밸브)에서 3001(Throttling 볼밸브)까지 선택할 수

있으나 경험적으로 글로브 밸브의 레인지어비리티는 51sim201 볼 밸브의 레인지어비리티는

301sim501 이다그러나 최근의 특수트림(미로형 트림등)을 사용한 글로브 밸브의 레인지어비리티는 1001 까지도

무난하다 2001 년 1월호 알파와 오메가

(6)누설율

누설율 및 유량특성(Flow Ch-aracteristics)은 밸브 트림(Trim) 즉 프러그 시트 스템 가이드 부싱

(Guide Bushing) 등의 형식을 결정하는 기본 요소이다 ANSI B16104(1976)에는 밸브의 누설율

등급(Leak Class)을 정의하고 있으며 밸브의 닫힘정도(Degree of Shut-off)에 따라 밸브의 가격은

상당히 차이가 난다그러므로 밸브 사양을 작성할 때는 반드시 허용 누설율을 명시함으로써 과도하게 크게 선정된

액츄에이터나 특수 설계를 요하는 밸브를 구매하지 않도록 해야 한다제어밸브의 트림구성에 따른 가격 평가

트림 형식에 따는 누설율(Leak-age Rate)을 [표 7]에 표시하였다 일반적으로 제어밸브의 경우

밸브의 크기별 압력등급별 재질별 사용환경에 따라 밸브가격은 다르게 된다 다음은

미국계측제어공학회에서 경험적으로 밸브의 가격을 비교한 것으로 좋은 참고자료가 될 것이다제어밸브 셋업에 있어서 일반적으로 일어나는 실수

(1)글로브형 제어밸브에 있어서 서비스 조건별 가격 비교(6Prime밸브기준) [표 9참조]

필자의 경험으로 상기 조건에서 가장 큰 가격영향력을 갖는 요소로서는 차압(ΔP)이며 ΔP 와 온도가

높을수록 특수한 트림설계가 요구되므로 밸브트림가격은 기준가격의 10 배까지도 올라갈 수 있다(2)밸브 재질별 가격비교[표 10참조](3)버터플라이 밸브의 라이닝 유무 [표 11참조]제어밸브를 설치하고 실제 운전을 위한 워밍업(Worming up)시에 일반적으로 일어날 수 있는 실수의

사례들을 검토해 보기로 한다 일반적으로 일어날 수 있는 제어밸브 셋업시의 문제는 다음과 같은

사항을 우선 생각하여야 한다 첫째는 셋업 데이터를 잘못 적용하는 사례이고 둘째는 시스템 운전 자료의 변경이나 밸브의

하드웨어의 변경에 따른 충분한 사후 평가 및 대책이 부족한 경우 셋째는 제어밸브를 구성하고 있는

각 구성부품의 기능과 역할을 충분히 숙지하지 못한 경우 넷째로 시스템 운전에 있어서 중점 제어

하여야 할 제어변수(Control Variables)의 지정에 문제가 있는 경우이다 공압식 제어밸브의 경우 이들 문제 중의 상당수가 엑츄에이터에서 자주 경험된다 엑츄에이터의

행정거리 스프링의 초기 압축량 엑츄에이터에 공급되는 공기압력이 제어조건에 모두 잘 맞아야

원활한 운전이 될 수 있다 그러나 실제로 이러한 요인들을 잘 알고 있다고 하여도 일반 현장에서의 사소한 실수는 간혹 매우

심각한 문제를 야기하기도 한다 공압식 제어밸브를 올바르게 셋업하기 위해서는 밸브의 트림과

액츄에이터 그리고 밸브전체의 성능에 영향을 미치는 부품들과 다른 변수에 대하여 확실히 해

두어야 한다 또한 수많은 변수들이 제어밸브의 올바른 셋업에 영향을 주기 때문에 시스템 측면의 운전변수 운전

요구사항 운전 환경 나아가 하나의 작은 제어부품인 리미트 스윗치나 락업밸브(Lock up Valve) 스피드 제어밸브에 이르기까지 하나하나의 구성부품에 대한 올바른 설치 운전을 위한 원리 및 운전

절차서도 충분히 숙지해두어야 하는 것이다 먼저 밸브와 엑츄에이터를 선정하기 전에 제어밸브의 시스템 설계사양에 대하여 충분한 정보와

지식이 있어야 한다 그래야 시스템 설계사양으로부터 밸브의 운전 변수를 갖고 올 수 있으며 특히

밸브의 운전 목적을 확실히 할 수 있다 예를 들어 단순히 운전 데이터만 있는 경우의 제어밸브 선정과

시스템 운전의 제반 운전조건과 목적을 아는 경우의 제어밸브 선정은 그 격을 달리한다 발전소의 히터 드레인 시스템의 경우 간헐적인 조절기능이 있는 제어밸브와 차단밸브로 각각의

시스템을 구성할 수 있지만 단순한 운전 자료만을 가지고는 항상 유량을 제어하는 밸브로 시트

누설등급이 IV 인 밸브로 그리고 운전 모드에 따라 케비테이션과 후라싱이 동시에 생길 수 있는

그야말로 특수의 고가의 트림을 선택하여야 하는 제어밸브로 선정할 수도 있다하지만 이 시스템의 운전기능과 목적을 알고 있다면 제어밸브의 선정은 보다 용이해지고 신뢰도가

높으면서 안정된 가격의 제어밸브를 택할 수 있다 간헐적인 운전의 밸브에 시트 누설이 매우 낮은

등급 V 의 정도의 트림과 더불어 밸브 후단에 희생 오리피스를 장착하거나 또는 밸브의 출구배관을

크게함으로써 시스템의 건전하고 경제적인 운전을 도모할 수 있는 것이다 제어밸브를 선정하기 위해서는 밸브의 입구압력 출구압력 밸브에서의 차압 유체의 온도 유량 그리고 부식침식에 대한 화학적특성 시트의 누설등급 정도 밸브에 동력원이 상실되는 경우에 있어서

밸브의 운전 위치 열고 닫음의 속도 제어의 특성이 모두 고려되어야 한다 또한 제어밸브는 압력 유지부품으로써 운전강도에 대하여 구조적으로 건전하여야 함으로 이에

영향을 받는 밸브의 패킹구조 트림 및 엑츄이에터도 함께 고려하여야 한다 제어밸브의 압력유지

구성품은 밸브의 몸통 본네트 및 본네트 볼트가 일반적으로 해당되고 간혹 프러그가 압력

유지부품으로 간주되는 경우가 있다 밸브의 패킹구조 또한 매우 중요한 제어밸브의 기술적인 부품으로써 시스템의 운전환경에 대해

다양한 형태의 패킹 구조가 도입되어 있다 제어밸브의 트림은 유체의 건전한 제어를 실질적으로

수행하는 핵심으로 운전조건에 따라 제어목적에 따라 그리고 유지 보수의 편의에 따라 또한 매우

다양한 형태가 선택된다무엇보다도 제어밸브의 핵심적인 설계변수는 밸브의 입구압력 출구압력 유체 온도 유량 및 개폐

모드 및 시간이다 본네트 및 패킹의 설계변수는 각기 다른 밸브재질과 설계 형태에 따라 달라지는데 패킹 링의 수량 스템의 표면 가공 정밀도 밸브조립시의 응력 분포 스템에의 윤활 여부 스템

조립시의 직진도와 밸브 조립시의 기능의 정도가 본네트 및 패킹의 설계에 직접적인 영향을 미친다 특히 패킹의 경우 패킹의 재질 형태 및 씰링의 신뢰성등을 고려하면 제어밸브의 셋업에 상당한

영향을 준다 패킹을 얼마나 조이는가에 따라 스템의 운전 부하가 달라지고 과도한 부하(많이 조여서)일 경우 제어밸브의 스템은 헌팅(스템이 부드럽게 운동하지 못하고 덜거덕 거리면서 운동함)이

일어나고 심한 경우 제어가 안될 수도 있다 트림설계의 경우에는 매우 다양한 종류의 트림들이 밸브 여러 회사마다 독특한 디자인으로 소개되어

있다 트림은 기존의 어떤 회사의 브랜드 이미지 보다는 철저하게 시스템의 운전 목적에 합당한

것이어야 하며 그 성능은 밸브별로 각각 평가 보증되어야 한다 트림의 스타일은 바란스 트림(Balance Trim) 언바란스 트림(Unbalance Trim) 파이롯트형

탠덤트림(Pilot Operated Tandem Trim)이 있고 이들 트림은 언바란스면적 씰링 마찰력 파이롯트 밸브 스프링의 힘 트림의 재질 및 트림의 시트 내누설 정도에 따라 액츄에이터의 성능에

영향을 준다 액츄에이터는 피스톤형 다이아후람형 레버 조작형등이 있으며 액츄에이터의 설계변수는 스프링의

초기 압축력 스프링의 상수 작동 공기의 압력 행정 길이 밸브 안전위치(Failure Mode) 액츄에이터의 취부 방향 크기 작동환경 행정에 소요되는 시간 및 액츄에이터의 설계형태 등이다 올바른 액츄에이터를 선정하기 위해서는 우선적으로 동력원인 압축공기가 손실되었을 때 요구되는

안전위치를 정해 두는 것이 좋다 다음은 액츄에이터 및 트림의 형식별 동력원 손실시의 작동

방향이다 [표 12참조]공기작동식 제어밸브에서 가장 잘 일어나는 셋업의 실수는 벤치셋(Bench Set)이다 벤치셋은

엑츄에이터내에 일정한 공기압력에 다달으면 엑츄에이터가 움직이기 시작하는 하는 데 이 때의

공기압력을 설정하는 것을 벤치셋이라고 한다 계산에 근거한 벤치셋 공기압력은 실제의 시스템에 투입되어 운전하고 있는 밸브의 벤치셋과는 다른

값을 가진다 시스템에 투입된 경우에는 패킹의 마찰력 트림의 총 무게 파이롯트 밸브의 스프링

힘 그리고 시스템 운전 압력이 모두 고려되어야 한다 실제적인 밸브의 보증은 시스템에 밸브가

설치된 후 건전하게 운전됨을 확인한 후에 밸브의 보증은 이뤄져야 한다 따라서 밸브를 제작자로부터 인도 받은 후 보관 및 설치가 건전하게 절차에 따라 이루어지고 밸브

제작사의 입회 하에 시스템 운전과 병행하는 커미션닝(Commissioning)이 완료된 후부터 실질적인

밸브 보증은 이뤄지게 되는 것이다 일반적으로 제어밸브의 사용자 불만은 밸브 시트에서의 누설 밸브 운전 중 부드럽지 못한 동작 시트에서의 디스크나 프러그의 고착(Sticking) 비정상적인 행정(Stroke) 시간과 구성 부품의 손상

등이 주된 불만사항 들이다 이들 불만사항 들을 원인별로 정리하면 다음과 같은 요인들에 의한다 트림의 마모 공기 공급체계의 문제 포지션너나 컨버터 등의 제어요소 문제 시스템에서 불순물 침입

셋업의 잘못 액츄에이터 구성 부품의 손상 패킹 문제 부적합한 부품의 사용 등이 이들 요인들이다 다음의 예들은 제어밸브의 셋업에서 일어 난 사례를 정리한 것이다 lt사례gt 밸브제작자는 밸브를 구체적으로 사양을 정하기 전에 어떤 시스템에서 어떻게 운전하는

밸브인가를 먼저 확인하여야 한다 시스템의 운전 환경과 조건을 충분히 숙지하고 다음과 같은 절차에

따라 밸브를 선정한다A 시스템 운전 환경 조건 및 요구사항을 정함1 운전조건 [표 13참조]B 트림의 설계변수는 다음과 같다 프러그설계 언바란스

프러그 언바란스 면적의 계산 UA = 1227 inch스템의 언바란스 면적의 계산 SA = 0442 inch프러그 직경 PD = 125 inch스템 직경 SD = 075inch트림의 재질 SS410 스텐레스강

프러그 작동 직동(Direct 밸브 Open 스템 운동 방향 a 액츄에이터)밸브의 유체 흐름 방향 시트하부로부터

시트 내누설 요구사항 Class IVC 엑츄에이터의 설계변수는 다음과 같다밸브 안전위치 공기압 상실 시 밸브 열림

행정길이(스트로크) S = 10 inch공기압력원 AP = 60 psig최소 시트 접촉력 CL = 120 lbf정상시의 시트 접촉력 CL = 0047(PD)(DP+1000)=0047(125)(2200) = 1293 lbfD 적용되는 본네트패킹의 설계변수는 다음과 같다패킹 재질 팽창흑연 패킹

패킹 링의 수 5 개

패킹 형태 사각형 성형 패킹

패킹에 작용하는 하중의 형태 정적(Static)패킹의 밀도 90lbfft패킹 윤활여부 없음

최소 허용 패킹 응력강도 PS = 1500psi정상 운전 시의 패킹 마찰력 PF = 03(SD)(PP) = 030751500 = 3375E 해 석

유체흐름이 밸브 시트 아래에서 위로 흐르고 언바란스 트림인 경우 밸브 완전 닫힘에서 스템 을

작동시키는 데 필요한 힘은 SFC(Stem Force to Close) = P1(UA)-P2(UA-SA)-PA(SA)+PF+CL= 14151227-215(1227-0442)-150442+3375+1293= 20276 lbfSFO(Stem Force to Open) = 3375 lbf( = PF) 이 경우 밸브 내부의 압력이 작용하지 않고 단지

패킹의 마찰력만이 작용한다 이 값은 엑츄에이터의 초기 스프링 압축량으로 환산되어야 한다F 엑츄에이터의 선정

앞서의 선정 과정을 거쳐 실제 적용할 엑츄에이터로서 다이아후람 단면적이 AA = 60(inch)이고

스프링 상수 R = 1000 lbfinch 인 엑츄에이터를 선정하였다 따라서 엑츄에이터의 벤치셋 스프링

초기 압축압력 BS(psig) 은 BS = PF60 = 337560 = 56 psig 60psig 밸브를 완전히 닫기 위한

스프링 압축압력 AC(psig) 는 AC = [AABS+RS+SFC] 60 = [606+10001+20276]60 = 565 a 60 psigG 액츄에이터에 60 psig 의 구동압력으로 무부하상태의 밸브를 닫았을 때 시트에서의 응력을

검토해야 한다 먼저 시트에 작용하는 시트하중을 구하면 시트 하중 SL(lbf) = AAAP - SR - BSAA - PF = 6060-11000-660-3375 = 19025 lbf시트 응력 SS(psi) = SL(003PD314) = 19025 (003125314) = 1615 psi OKlt 문제점 분석 - 시나리오 1 gt상기 사례에서 선정된 밸브에 라이브 로디드 스템 패킹(Live Loaded Stem Packing)을 채택하였다 새로운 패킹을 삽입한 후의 패킹 마찰력은 600lbf 로 증가될 것으로 판단되었으나 엑츄에이터의

스프링 초기 압축력은 변경하지 않았다 새로운 패킹으로 교체한 경우의 예상 초기 벤치셋은 BS = PFAA = 60060 = 10psig 가 되어

초기의 56psig 보다도 높은데도 불구하고 벤치셋을 수정하지 않은 상태로 운전에 들어 간 결과 반년

후 고객으로부터 밸브 시트에서의 누설이 심하다는 불만사항을 접수 밸브를 분해하여 검토한 결과

시트 표면의 손상이 발견되었다 실제 운전시의 벤치셋을 평가하기 위하여 밸브 닫힘시의 공기

구동압력을 다시 계산하면

AC = (AABS+RS+SFC)60 = 605 psigAP = 580 psig(실제 공급되는 공기압)따라서 부족한 시팅력은 150lbf(= AA(AC-AP) = 60(605-580) = 150 lbf)가 되었다 결론적으로 라이브 로딩 패킹의 채택에 따른 벤치셋을 제대로 하지 않았기 때문에 시트 누설 방지를

위한 최소한의 접촉력인 1293 lbf 가 확보되지 못하여 시트에서의 지속적 누설에 의한 시트 기밀

구조의 파괴에 의하여 문제가 생긴 것으로 판단되었다 해결책은 구동 공기의 압력을 60 psig 에서 70 psig 로 높이고 벤치셋을 다시 점검한다lt문제점 분석 - 시나리오 2gt밸브 진단 장치를 가지고 밸브의 다이아후람 공기압력 대비 밸브의 개도 위치 관계를 밸브를 개폐하면서 기록하여 보았다 기록의 결과는 닫을 때의 다이아후람 공기압력은 밸브를 열 때의

공기압력 보다 11psig 정도 높았다 이러한 결과는 스템 패킹의 과도한 조임에 의하여 생기는 것으로써 이 패킹의 마찰력 차이는 PF = 110AA2 = 1106002 = 330 lbf 로 판단되었다 또한

기록서는 또한 다이아후람의 압력이 60 psig 일 때 닫히기 시작했으며 밸브가 완전히 열리기 전에

다이아후람의 공기압력은 0 psig 가 되었다 이는 엑츄에이터의 벤치 셋이 패킹 마찰력 330 lbf 때문에 다시 조정되어야 함을 보여 주는 것이다 패킹의 추가 조임에 따라 패킹 마찰력이 증가되는 만큼 엑츄에이터의 초기 공기압력은 재조정 즉

벤치셋의 값을 증가 시켜야 하는 것이다 lt결론gt이러한 과정-시나리오를 통하여 본 밸브는 장기간 신뢰성 있는 운전을 보장할 수 있다 즉 운전에

영향을 주는 제반 변수들을 완전히 이해하는 것이 무엇보다 중요한 것이다lt가혹 운전용 밸브의 판정 점검 포인트gt(1) 밸브 입출구의 압력차가 1000psi 이상인 경우

(2) 운전온도가 800 이상인 경우

(3) 케비테이션이 존재하는 조건

(4) 후라싱이 발생하고 후라싱 유체의 유속이 30000 feetminute 를 넘는 경우

(5) 시스템 운전 부하의 변동폭과 횟수가 많아 빈번한 운전을 요구하는 경우

(6) 긴급 운전을 요구하는 경우

(7) 이상유체(Two Phase Flow) 또는 혼합 유체(Mixed Flow)의 운전

lt가혹 운전용 밸브에서 흔히 발생될 수 있는 문제점gt(1) 잘못 선정된 트림 유량특성 형식 또는 과대 사이즈된 결과로 시스템 제어가 잘 안됨

(2) 트림 형식을 잘못 선정하거나 인슐레이션의 부적절로 인한 과도한 소음 또는 진동

(3) 불충분한 엑츄에이터 추력으로 인한 시트의 흠집 또는 와이어드로우잉

(4) 엑츄에이터의 축 정렬 잘못에 의한 시트 누설

(5) 부적절한 배관 세정(Flushing)으로 인한 이물질의 트림내 침입과 이로 인한 시트 누설

(6) 부적절한 트림선정이나 설치 잘못으로 인한 패킹 씰 구조의 파괴

(7) 부적절한 트림재질 선정 또는 경도의 부족으로 인한 고착 또는 긁힘(Galling)(8) 트림 부품의 가공 정밀도 문제로 인한 축 정렬 문제 - 고착 또는 긁힘 발생

(9) 부적절한 트림 형식의 선택 밸브에서의 과도한 압력 강하 또는 적은 사이즈 엑츄에이터의 선정에

의하여 시팅 시 밸브 스템이 점핑하는 현상

(10) 잘못된 시스템 운전 조건에 의한 밸브 트림 선정 불충분한 추력의 엑츄에이터 선정으로 인하여

낮은 개도(10 미만)에서의 운전과 이로 인한 시트의 내누설 구조의 파괴

(11) 가혹한 시스템 운전 조건하에서 케비테이션에 견딜 수 없는 부적절한 트림의 선택

(12) 가혹한 진동 축 정렬 잘못 스템 강도의 부족으로 인한 스템의 굽힘이나 파단의 문제

(13) 시스템의 압력 변동 배관계 설계 잘못으로 인한 진동의 요인 혼합유체의 제어 또는 불충분한

추력의 엑츄에이터 선정으로 인하여 밸브 스템이 춤을 추는 현상 등

2001 년 2월호 알파와 오메가

이번호에서는 제어밸브에 대한 엔지니어링을 기존 발전소에 설치된 밸브를 중심으로 실예를 들어

설명하기로 한다 이 설명에는 제어밸브의 ISA 계산법칙에 따른 계산서를 첨부하여 이를 참고로

평가를 하여야 하나 지면 관계상 이를 생략하고 다음호에서는 제어밸브의 엔지니어링을 발전소를

중심으로 하는 실제 시스템 측면에서 검토하기로 한다 이 검토를 끝낸 후에 제어밸브의 구동장치

설계 선정 및 엔지니어링 계산방법을 기고할 계획이다 실전 예제 - 제어밸브 선정자료의 검토

발전소 주증기 및 주증기 바이패스 계통 콥스-발칸사 제어밸브 선정 자료 검토 보고서(Control Valve Engineering Report of Main Steam amp Bypass System in Power Plant)주증기 드레인 밸브 LCV-14

1제어밸브 최초 설치 조건

(1)제어밸브 구매자 제작사 United Technologies CVI JOB NO91-34285-10(2)Original Control Valve Sizing Condition [표 1참조](3)신규로 시스템 운전에 근접하게 운전조건을 가정하여 밸브의 설계조건으로 함 [표 2참조]

2기능

본 제어밸브는 고압증기배관에 생기는 응축수를 증기트랩을 통하여 계속 방출하기 어려울 정도로

다량의 응축수가 생겼을 경우 MS-14-LSH 의 시그널에 의하여 이들 응축수를 복수기로 방출하는데

사용되는 ON-OFF 용 제어밸브이다

3 운전

4 문제점 및 대책

(1) 문제점 현상

현재의 문제점은 밸브 차단 시 디스크가 들리는 듯한 현상으로 계속 유체가 누설되는 현상이 발생되는

점인데 이는 실제 구동부가 약하여 입구측 압력에 의해 구동부의 스프링이 들리는 것으로도 보일 수

있다 (2) 문제의 원인

문제의 근본적인 원인은 최초 제어밸브의 발주 시 운전 데이터가 전무한 상태로 밸브의 사이즈와 압력

등급(Pressure Tempera- ture Rating)만 제시하고 구매 설치한 것 때문이다 즉 계통특성에

맞도록 제어밸브를 엔지니어링하여 제어밸브를 선정했다면 이런 문제는 발생되지 않았을 것이다계통 특성상 본 제어밸브는 주증기관에 생기는 응축수를 복수기로 방출하는 역할이므로 밸브가 열려

운전하는 상태에서는 후라싱 현상을 피할 수 없다 따라서 후라싱이 게속 진행되어 왔다면 현재의

프러그 조절형(Plug Throttle)트림의 침식현상은 아울러 피할 수 없다 침식 누적으로 인한 유체의

과도한 누설(Passing)은 외부적으로 구동부의 힘이 약하여 발생되는 것으로 인식될 수 있다(3) 문제의 분석평가

앞서 1(3)에서와 같이 기존의 밸브 데이터 시트를 참조하여 역으로 밸브 사이즈와 트림내용만 같고

복수기로 방출되는 응축수의 드레인 량을 최소 시간당 4톤에서 12톤까지 넣어 밸브를 사이징 한

결과 모든 조건에서 후라싱은 피할 수 없으며 밸브가 차단되어 있을 때 밸브의 차단 압력은

입구압력의 15 배(여유를 충분히 고려)로 하여 구동부 사이즈를 검토한 결과 차단용 제어밸브로서의

구동부 크기는 60inch 로써 현재의 구동부로도 충분하게 차단할 수 있는 것으로 판단된다후라싱 서비스용 트림으로써 프러그 조절형 트림은 적절하지 않으며 특히 유체의 유로가 밸브 디스크

하부에서 상부로 흐를 때(under the web)는 특히 후라싱 서비스에서는 적합한 밸브의 유로 방향

선택이 아니다밸브의 출구 후단은 적어도 2단계로 배관이 확관 되어야 고속 유체 흐름에 의한 배관의

침식을 완화 시킬 수 있다(4) 대책정기 보수 시 본 밸브를 해체하여 침식여부를 확인하고 침식의 진행정도에 따라 후라싱(Flashing)용

트림(후라싱 현상에도 트림이 견딜 수 있는)으로 교체한다 현재의 밸브설치 위치와 복수기와의

거리를 측정하여 거리가 멀리 떨어져(5m 이상) 있다면 밸브를 가능한 한 복수기에 가깝도록 이전

설치를 검토한다 아울러 밸브의 출구 배관이 현 계통도에는 1Prime로 되어 있는 바 발전소 유지보수의

경제성 측면에서 적어도 25Prime로 확관하거나 복수기 전단에 레스트릭션 오리피스(Restriction Orifice)를 설치하여 고가의 밸브 보수로 인한 경제적 부담을 완화시킨다 밸브제작사의 공인 서비스

업체에 전반적인 진단을 의뢰한다주증기 바이패스 압력제어 밸브 PCV-151 제어밸브 최초 설치 조건

(1) 제어밸브 구매자 제작사 United Technologies CVI JOB NO91-34285-10(2)Original Control Valve Sizing Condition [표 3참조](3) 신규로 시스템 운전에 근접하게 운전조건을 가정 [표 4참조]2 기능

본 제어밸브는 고압증기의 터빈 바이패스 배관의 주 제어밸브의 릴리이프 밸브로써 바이패스의

증기량이 급격히 증대되거나 주 제어밸브가 운전 불능일 때 증기를 바이패스 하는데 ON-OFF 용도로

사용된다 3 문제점 및 대책

(1) 문제점 현상

현재의 문제점은 밸브 차단 시 디스크가 들리는 듯한 현상으로 계속 유체가 누설되는 현상이 발생되는

점인데 이는 실제 구동부가 약하여 입구측 압력에 의해 구동부의 스프링이 들리는 것으로도 보일 수

있다 (2) 문제 원인

문제의 근본적인 원인은 최초 제어밸브의 발주 시 운전 데이터상 ON-OFF 밸브이기 때문에 증기의

유속을 무시하고 배관 사이즈대로 3Prime의 밸브를 선정하였음 그러나 운전 조건상 입구압력(P1)이

760psia 정도로써 유량 계수는 Cv=110 를 초과하여 운전하는 것이 현재의 운전 상태임 현재 운전

조건 하에서의 유속은 6214 msec 로써 우려할 만한 유속이나 차단용 제어밸브이기 때문에 적용이

가능함

그러나 실제 설치된 밸브의 Cv값은 Cv=97 로써 현 운전조건에 비하여 작은 용량의 밸브를 사용하고

있는 것임 또한 제작사 United Technologies 가 최대 용량으로 밸브를 선정했기 때문에

제어밸브로서는 거의 적용되지 않는 다이아후람의 공기압력을 80psig(56kgcm)을 요구하여

운전토록 하고 있는바 그간의 운전실적으로 보아 스프링의 시효 감소로 구동부의 스프링이 들릴

가능성이 매우 높음 따라서 문제는 밸브의 용량 부족과 더불어 구동부의 크기가 작게 선정된 것이 본

밸브 문제의 근본 원인이라 판단됨

(3) 문제의 분석평가

제어밸브 데이터시트 PCV-15 에서 보는 바와 같이 실제 운전 조건과 최초 선정된 데이터로 사이징 한

결과 밸브가 열릴 때의 소음이 매우 크며(약 110 dBa 이상)밸브가 차단되어 있을 때 밸브의 차단은

오직 구동부의 스프링 힘에 의해서만 차단되도록 되고 있으나 이때의 공기압 압력이 완전 차단에

미치지 못하고 있을 가능성이 있으며 밸브의 요구 유량을 원활하게 차단개방하기 위해서는 구동부의

크기(용량)가 적어도 260inch 로 기존 설치된 160inch 의 것보다 훨씬 큰 사이즈의 구동부를 필요로

하는 것으로 분석됨(4) 대책정기 보수 시 본 밸브를 해체하여 침식여부를 확인하고 침식의 진행정도에 따라 밸브의 트림을

보수한다현재의 운전 모드를 계속 사용하는 조건이라면 본 밸브의 다이아후람 구동부의 크기를

현재의 160 inch 에서 260 inch 의 모델로 교체 설치한다밸브제작사의 공인 서비스 업체에 전반적인

진단을 의뢰한다주증기 바이패스 압력제어밸브 PCV-201 제어밸브 최초 설치 조건

(1) 제어밸브 구매자 제작사 United Technologies CVI JOB NO91-34285-10

(2)Original Control Valve Sizing Condition [표 5참조]신규로 시스템 운전에 근접하게 운전조건을 가정 [표 6참조]2 기능

본 제어밸브는 고압 증기 바이패스 배관의 고압 증기 유량을 제어하는 밸브이다 3 문제점 및 대책

(1) 문제점 현상

(2) 문제 원인

(3) 문제의 분석평가

새로 계산된 밸브 데이터 시트에서 보는 바와 같이 현재 설치되어 있는 밸브의 운전 조건으로 보아 더

많은 유량 더 높은 고압증기의 유입에도 본 밸브는 적절하게 운전되는 밸브로 선정되어 있다 운전

특성상 특별한 문제점이 밸브의 선정상 발생할 소지는 없다(4) 대책정기 보수 시 본 밸브를 해체하여 침식여부를 확인하고 침식의 진행정도에 트림을 보수한다주증기 방출 제어밸브 PCV-321 제어밸브 최초 설치 조건

(1) 제어밸브 구매자 제작사 United Technologies CVI JOB NO91-34285-10 (2)Original Control Valve Sizing Condition [표 7참조](3) 신규로 시스템 운전에 근접하게 운전조건을 가정 [표 8참조]2 기능

본 제어밸브는 HRSG 의 고압증기를 복수기로 바이패스 하는데 사용되는 제어밸브이다 3 문제점 및 대책

(1) 문제점 현상

현재 예상되는 문제점은 밸브가 운전할 때 증기의 유속이 비교적 빠름으로 인하여 생기는 소음문제를

예상할 수 있으며 특히 낮은 개도도로 운전 시 시트부위의 침식으로 인한 누설 가능성이 높은 점이다

(2) 문제의 분석평가

제어밸브 데이터시트에서 보는 바와 같이 실제 운전 조건과 최초 선정된 데이터로 사이징 한 결과

현재의 다이아후람 구동부는 160 inch 로써 실제 운전 조건대로 계산 선정되는 100 inch 보다 큰

구동부 임으로 밸브 구동력에는 아무런 문제점이 없다그러나 고속의 증기를 제어하는 밸브이기

때문에 소음 문제와 더불어 시트 부위의 침식(장기간 사용시) 문제가 예상됨으로 주기적으로 트림을

점검하여 손상 유무를 확인하여야 할 것임 (3) 대책정기 보수 시 본 밸브를 해체하여 침식여부를 확인하고 침식의 진행정도에 따라 밸브 트림의 보수

여부를 결정한다제작사의 공인 서비스 업체에 전반적인 진단을 의뢰한다 2001 년 3월호 알파와 오메가

밸브 디수퍼히터 냉각수 제어밸브 TCV-3743 1제어밸브 최초 설치 조건

(1)제어밸브 구매자 제작사 United TechnologiesCVI JOB NO91-34285-10(2)Original Control Valve Sizing Condition [표 1참조]

(3)신규로 시스템 운전에 근접하게 운전조건을 가정 [표 2참조]2 기능

본 제어밸브는 고압 증기 바이패스 배관의 증기 토출 온도를 제어하기 위해 사용되는 디수퍼히터의

냉각수 제어밸브이다3 문제점 및 대책

(1) 문제점 현상

현재 제어밸브의 운전조건은 케비테이션이 발생하는 조건이므로 이를 방지하기 위하여 케스케이드

트림을 채택하고 있다 따라서 운전 조건상 케비테이션이 있는 밸브이므로 주기적인 점검이 필요한

밸브이다(2)문제의 분석평가

새로 계산된 밸브 데이터 시트에서 보는 바와 같이 현재 설치되어있는 밸브의 운전조건으로 보아

케비테이션이 발생하고 있으나 내 케비테이션 (Anti-Cavitation) 트림인 케스케이드(Cascade) 트림을 채택하고 있어 케비테이션에 의한 심각한 문제는 발생하지 않을 것이다 아울러 운전 특성상

케비테이션외에 다른 특별한 문제점이 밸브의 선정상 발생할 소지는 없는 것으로 판단된다(3) 대책정기 보수 시 본 밸브를 해체하여 침식여부를 확인하고 침식의 진행정도에 트림을 보수한다 케스케이드 트림은 주기적으로 교체한다밸브 디수퍼히터 냉각수 제어밸브 TCV-37A43A1제어밸브 최초 설치 조건

(1)제어밸브 구매자 제작사 United TechnologiesCVI JOB NO91-34285-10(2)Original Control Valve Sizing Condition [표 3참조](3)신규로 시스템 운전에 근접하게 운전조건을 가정 [표 4참조]2 기능

본 제어밸브는 고압 증기 바이패스 배관의 증기 토출 온도를 제어하기 위해 사용되는 디수퍼히터용

냉각수 분사목적의 제어밸브이다3 문제점 및 대책

(1) 문제점 현상

현재의 문제점은 실제 운전 조건과 설치된 밸브의 선정 조건간에 입구압력이 현재 약 54kgcm2 으로

밸브 구매 시 사용된 200psia(약 14kgcm2)보다 월등히 크고 따라서 밸브의 구동장치 크기를

결정하는 완전차단(Shut-off) 운전조건이 크게 차이가 나는 현상이 발생했다 이에 따라 밸브가 닫혀

있어도 밸브 디스크가 들린 상태이기 때문에 근본적으로 밸브 역할을 하지 못하게 되는 것이다 또한

차단 시 약간 들린 상태로 운전함에 의해 밸브의 트림이 크게 침식되는 우려가 있다(2) 문제 원인

문제의 근본 원인은 최초 밸브의 선정 데이터가 잘못되었거나 또는 운전 모드를 다르게 하여

운전하는 결과로 볼 수 있다(3) 문제의 분석평가

본 밸브는 근본적으로 구동부의 선정이 현 운전조건에 비하여 너무 작게 선정되었기 때문에 구동부의

크기를 현재의 100 inch2 에서 160 inch2 의 것으로 바꾸어야 하며 현재 운전조건하의 밸브

유량계수는 Cv = 103 밸브개도율 7 ~10로 매우 작아 밸브가 낮은 개도에서 운전함으로써

제어성능이 떨어지고 밸브 트림의 침식 등 손상 가능성이 매우 높다 따라서 현 운전조건 상태 하에서

밸브의 크기를 바꾸지 않는 조건이라면 밸브의 트림을 적어도 2~3단계이상 줄여서 밸브 트림을

개조하는 것도 좋은 방법이라 평가된다(4) 대책lt1 안gt 밸브를 교체하지 않는다면 밸브 다이아후람 구동부를 현재의 100 inch2 에서 160 inch2 로

교체한다 이 경우 트림사이즈를 밸브 트림의 원활한 제어범위(적어도 40이상의 개도에서

운전되도록)에 맞는 트림으로 교체하여야 한다lt2 안gt 밸브의 다이아후람 구동부를 교체하지 않고 현재의 밸브 3rdquo(80mm)-4port 트림을

1rdquo(25mm)-4port 의 작은 트림 사이즈로 엔지니어링하여 교체한다 정기 보수 시 본 밸브를 해체하여

침식여부를 확인하고 침식의 진행정도에 트림을 보수한다 - 이 밸브의 경우 개보수 작업 시

제작사의 전문적인 조언이 필요하다1 미니멈 흘로우 배관 및 밸브가 설치되는 이유

일반적으로 보일러 급수 펌프는 전형적인 고에너지(높은 압력 높은 온도) 수송용 펌프로써 펌핑작용에 의해 발생되는 전체 에너지 중에서 어느 정도는 열로 변환된다 발전소 기동시 시스템은 보일러가 아직 완전 부하로 되지 않아 많은 급수량을 필요로 하지 않는다 따라서 급수 펌프는 토출 유량이 펌프의 성능곡선상의 적정 유량으로 운전되지 않고 펌프의 최소

흐름상에 가깝게 운전하게 된다 이때 펌프의 토출 압력은 급격히 증대하면서 펌프내의 온도가 상승하여 펌프내의 케비테이션이나

급격한 압력 상승으로 펌프 구조 자체를 손상시킬 수 있다 이러한 현상의 발생을 시스템적으로 예방하기 위한 조치로써 펌프에 미니멈 흘로우 배관을 설치하고 펌프의 운전 부하에 따라 미니멈 흘로우의 유량을 제어하여 펌프의 정격 압력을 유지시키고 펌프

보호를 위하여 미니멈 흘로우 유량을 탈기기 탈기기 저장탱크 또는 복수기로 재순환 시키는 것이다 2 미니멈 흘로우 배관 시스템의 전형적인 운전

-보일러 급수 펌프가 운전을 시작하면 미니멈 흘로우 밸브는 열리고 급수 또는 시동용 급수 배관의

제어밸브는 닫힌다

-미니멈 흘로우 배관 시스템을 통한 초기 펌프의 정상 운전준비(Warm up)가 끝나면 급수 제어밸브는

서서히 열린다

-급수 펌프의 10~25 용량까지 급수량이 증대되면 미니멈 흘로우 밸브는 닫히기 시작한다 대부분의 경우 급수량 기준 출력이 일정량(설계에 따라 다르지만 일반적으로 30~40)에 다다르면

미니멈 흘로우 밸브는 닫힌다

-미니멈 흘로우 밸브가 닫힌 후 급수 시스템 유량이 펌프의 정격 유량의 25 이하까지 떨어지면 펌프에서의 급격한 압력 상승 및 온도 상승에 대비하여 미니멈 흘로우 밸브는 열린다

-따라서 통상적으로 미니멈 흘로우 밸브는 시스템 운전 기간 중 90~95 정도는 완전히 닫힌 상태로

운전한다

-따라서 이러한 운전 모드를 분석하면 미니멈 흘로우 밸브는 발전소내의 어떠한 밸브 보다도 높은

차압 하에서 운전하는 밸브이다3 미니멈 흘로우 밸브의 시스템 구성

-밸브 자체를 시스템 부하에 따라 유량 제어밸브로 하는 경우 한전의 500 만 KW 급 규모이상의 대용량

발전소 주로 채택

-밸브를 단순히 개폐용으로만 하고 높은 차압을 밸브 후단에 오리피스로 해결하는 경우 포스코 광양

발전소와 같이 출력이 150~300 만 KW 급의 중소형 발전소 채택

-밸브를 설치하지 않고 오리피스로만 해결하는 경우 소형 보일러일 경우만 채택

2001 년 4월호 알파와 오메가

4 운전 데이터

1) 제어밸브 [표 1참조]

2) 감압용 오리피스 [표 2참조]A 기존 오리피스제작사(펌프제작사)에서 설계제작 데이터 기준

오리피스의 설계제작은 펌프제작사에서 수행한 것으로 판단되며 설계차압은 펌프의 최대 압력에

기준한 것으로 탈기기의 압력이 통상적으로 5kgcmg 로 예상되고 탈기기까지의 관로 압력 손실을

고려한다면 오리피스 출구의 압력은 적어도 6kgcmg 내외가 되는 것으로 판단하여 입구압력은 약

1874kgcmg 로 가정한다

B 실제 운전 조건 [표 3참조]정상 출력시 급수량이 330000kgHour임으로 출력이 33일 경우에 미니멈 흘로우 밸브상으로는

110000kgHour 가 흐르게 된다5 분석 및 대책

1) 기존 오리피스의 현상 및문제점

A) 기존의 오리피스는 전형적인 다단 오리피스로써 고강도의 마르텐사이트 계열의 스텐레스 강판에

여러 개의 구멍을 내어 필요로 하는 압력차를 갖게 하였다

그러나 다단의 오리피스를 감압용으로 사용하는 경우 오리피스 판과 판 사이에는 케비테이션의

방지책으로 적정의 거리를 유지하여야 하고 구멍을 통한 고속의 유체 흐름으로 인한 침식(구멍의

마모)현상과 이에 따른 구멍의 크기 증대로 인하여 감압성능은 사용연수에 따라 크게 떨어진다

아울러 초기 설계의 유량이 많고(실운전 110th 설계 124th) 설계 차압이 실제 운전과 상당한

차이를 보이는 것으로 판단하여 실제 운전 차압은 상당히 낮아진 것으로 판단한다B) 미니멈 흘로우 배관 시스템의 운전 특성상 실제 운전유량은 설계유량인 124h 로 일정하게

운전하는 것이 아니고 운전 초기의 부하가 정상 운전 부하에 근접하거나 또는 정지 시에는 상당

시간을 설계유량보다 상당히 적은 유량으로 운전하게 됨으로 이 오리피스는 유량 변화에 따른 감압을

대부분 미니멈 흘로우 밸브에 전가함으로 미니멈 흘로우 밸브에는 케비테이션이 발생하게 된다

이때 발생한 케비테이션으로 인한 밸브의 시트 손상은 정상 운전 시에도 계속적인 높은 차압 하에서

강도 높은 누설을 일으키므로 미니멈 흘로우 밸브는 매우 심각한 손상을 입게 되는 것이다 2) 개선 방안 및 대책

A) 미니멈 흘로우 밸브의 시트 누설 등급을 높힌다

B) 오리피스는 유량변화에 부응하는 가변 오리피스를 채택한다 붙임의 개선된 오리피스는 유량의

변화에 따라 오리피스의 개도가 변하는 것으로 시스템의 운전 부하에 비례하게 운전함으로 미니멈

흘로우 밸브의 압력 부하를 일정하게 하여준다

C) 오리피스는 장시간 운전하여도 오리피스 구멍이 구조적으로 잘 마모되지 않는 속도제어식 미로형

오리피스를 채택한다

D) 오리피스는 구조적으로 교환이 가능한 구조로 설계하여 점검 및 교환이 가능하게 하여 미니멈

흘로우 밸브의 안전성을 확보한다주급수펌프 재순환 제어밸브 및 시스템 요구사항

(Boiler Feedpump Recirculation Control Valve and System Requirements)1서론

일반적으로 보일러 급수펌프는 전형적인 고에너지(압력이 높고 온도도 높은) 수송용 펌프로써 펌핑작용에 의해 발생되는 전체 에너지 중에서 어느 정도는 열로 변환한다펌프의 토출 유량이 펌프 성능곡선(Pump Performance Curve)상의 적정 유량으로 운전되지 않고 최소흐름(Minimum Flow Line)선에 가깝게 흐르게 되면 펌프의 토출압력은 급격히 증대하면서

상당한 열이 펌프에 발생하게 된다이러한 현상은 케비테이션이나 급격한 압력 상승으로 인하여 펌프 자체의 구조를 손상시킬 수 있다 따라서 이러한 현상의 발생을 시스템적으로 예방하기 위하여 그림 1 과 같이 펌프 토출 배관측에

최소흐름배관(Minimum Flow Line)을 설치한다이 최소 흐름 배관은

-펌프의 최대 정격 압력(Full Discharge Pressure of the Pump)

-펌프의 보호를 위한 최소 흐름량을 탈기기 탈기기 저장탱크 또는 복수기로 재 순환 (Recirculate the minimum flow rate to Deaerator Deaerator Storage Tank or Condenser to Protect the pump)시켜야 한다보일러 급수 펌프를 초기 운전 시에는 보일러가 아직 완전 부하로 되지 않았기 때문에 보일러 급수

펌프 제어밸브로는 이러한 펌프의 급수압력을 적절히 제어 할 수 없다예전의 소형 보일러의 경우에는 이러한 재순환 배관에 오리피스를 설치하여 급수 펌프를 보호하고 시스템을 안정화했는데 이러한 경우에는 보일러가 정상 가동 시에도 일부의 급수가 계속 재순환 되어

전체적인 시스템 효울이 떨어지는 방법을 채택했지만 지금은 모든 보일러 급수펌프에는 재순환

배관이 설치되어 있으며 정상 운전 시에는 이 배관으로 급수가 전혀 흐르지 않는 구조로 되어 있어

열효율이 매우 높다이와 같은 시스템의 목적하에서 급수 펌프의 재순환 배관의 전형적인 운전 모드는 급수 펌프의 토출

배관이 설치되어 있는 유량 압력 온도계기에 의해 다음과 같은 모드로 운전하게 된다

-보일러 급수 펌프가 운전을 시작하면 미니멈 홀로우 밸브는 열리고 급수 또는 시동용 급수 배관의

제어밸브는 닫힌다

-재순환배관 시스템을 통한 초기 펌프의 준비(Warm-up)가 끝나면 급수 제어밸브는 서서히 열리게

된다

-급수펌프의 10~25 용량까지 급수량이 증대되면 재순환배관의 밸브(이하 미니멈 홀로우 밸브 Minimum Flow Control Valve or Recirculation Valve)는 닫히기 시작한다

-미니멈 홀로우 밸브가 닫힌 후 급수 시스템이 펌프의 25이하까지 떨어지면 펌프에서의 급격한

압력상승 및 온도 상승에 대비하여 미니멈 홀로우 밸브는 열리도록 되어 있다

-따라서 미니멈 홀로우 밸브는 정상적인 시스템운전 시 90~95 정도가 닫혀 있는 상태로

운전한다이러한 운전 모드를 분석하면 보일러 급수펌프의 미니멈 홀로우 밸브는 발전소의 어떠한

밸브보다도 가장 높은 차압을 가지게 되는 밸브로써 분류된다2 유체의 압력 강하와 이에 따른 밸브에서의 유체역학적 특징

미니멈 흘로우 밸브에 있어서 입구의 압력은 적어도 1500~6000psig(105 ~420 barg)에 있으며 출구의 압력은 200psig(14barg)이하의 탈기기 압력이나 복수기의 진공상태의 압력상태로 떨어진다 따라서 재순환 배관시스템이 운전하게 되면 밸브 포트에서의 베나콘트렉타(Vena Contracta)까지는

압력이 떨어지면서 유속은 급격히 증속된다이후 베나콘트렉타를 통과한 유체는 다시금 압력이 회복되면서 유속 또한 감소된다 일련의 이러한

과정은 그림 2 를 참조한다 이 과정 중에서 가장 큰 영향을 미치는 것은 유체의 온도이다 만약 유체의

흐름에 있어서 유체압력의 저하 정도가 그 온도에서의 유체의 포화증기압(Vapor Pressure)보다도

더 떨어질 경우 밸브에는 여러 가지 문제가 생기게 된다 그림 3 에서와 같이 유체압력의 저하에 따른

문제점을 설명하면 다음과 같다- 그림 3-1 정상 운전

밸브를 동한 유체 흐름에 있어서 밸브에서 생기는 최저 압력저하 지점이 유체의 포화증기압보다 높은

곳에 있다-그림 3-2 후라싱(Flashing)밸브에서 생기는 최저 압력 저하 지점이 유체의 포화 증기압보다 낮게 형성되어 운전되는 상태 액체와 증기상태의 이상유동(Two Phase Flow)일 때 증기가 주로 체적을 증대시키고 따라서 출구의

유속은 빨라진다-그림 3-3 케비테이션(Cavitation)일단 유체의 포화증기압 이하로 떨어졌다가 다시금 유체의 포화증기압 이상으로 압력이 회복된다 이러한 케비테이션 과정 중 밸브 트림은 매우 강한 충격압력파(10000psia)가 발생하고 따라서

진동 소음의 문제와 더불어 밸브의 내부부품(트림Trim)을 손상시킨다 붙임 A 의 밸브이해를 위한

밸브 유체역학 기초를 참조한다 2001 년 5월호 알파와 오메가

2 유체의 압력 강하와 이에 따른 밸브에서의 유 체역학적 특징

보일러 급수펌프의 재순환배관 시스템의 구성에 있어서는 일반적으로 두가지 방법이 사용된다

하나는 비례제어식이나 ON-OFF 식의 미니멈 흘로우 밸브를 이용하는 방법이고 다른 하나는 밸브와

함께 적절하게 선정된 압력 강화용 오리피스(Restriction Orifice)를 함께 사용하는 것이다

오리피스를 함께 쓰는 경우에는 ON-OFF 미니멈 흘로우 밸브에 케비테이션이 생기지 않을 정도로

압력 강하를 시키고 나머지 시스템에서 요구하는 압력저하는 오리피스를 통하여 이루는 것이다 그러나 이 경우 오리피스가 있는 배관시스템에 급격한 후압력(Back Pressure)를 제공해야 하므로

밸브는 신속한 동작으로 개폐가 이뤄져야 한다

오리피스를 재택하고 있는 미니멈 흘로우 밸브 시스템은 소형의 보일러 급수 시스템에 매우

경제적이고 효과적인 재순환 배관 시스템으로 권장된다 그러나 규모가 큰 보일러 급수 펌프의 미니멈

흘로우 밸브 시스템에는 이러한 방법 보다는 전체 급수 시스템과 연동되는 비례제어식의 미니멈

흘로우 밸브 시스템으로 구성하여야 한다 이에 대하여 구체적보면 다음과 같다

이 미니멈 흘로우 밸브 시스템에는 급수량에 비례하여 재순환수의 유량이 비례 제어로 조절되고

급수량이 감소함에 따라 재순환수의 유량은 증가된다 따라서 급수 펌프의 건전한 운전에 맞는

유량만큼 이 미니멈 흘로우 밸브가 흐르도록 해주기 때문에 상당한 에너지를 절감할수 있으며 ON-OFF 식의 이 미니멈 흘로우 밸브와 같이 밸브가 급격히 열림에 따른 시스템의 불안전성을 제거할 수

있는 좋은 시스템이다

그러나 이 비례제어식의 미니멈 흘로우 밸브 시스템은 상당한 기간동안 낮은 개도로 운전하게 되면

역시 많은 문제점 특히 케비테이션에 의한 밸브 손상이 생길 수 있다 예을 들어 500Mwe 급의

발전소에서 정상적인 운전시 미니멈 흘로우 밸브는 완전히 닫혀 있지만 전력 소비량이 적은 밤

시간대에는 50Mwe 급으로 운전할 수 있는데 이 경우 미니멈 흘로우 밸브는 낮은 개도로 계속

운전해야 되므로 밸브 시트표면에 지속적인 케비테이션이나 와이어 드로우잉(Wire Drawing) 또는

높은 유속에 의한 시트 마모가 발생한다

이러한 문제를 예방하기 위해서는 10 ~ 20 미만의 밸브 개도에서는 밸브가 급속히 닫힐 수

있도록 하고 닫힌 후에는 완전한 무누설의 시팅구조는 물론 가능한 모든 방법을 동원하여 시트를

보호하는 구조이어야 한다

제어방법으로는 비례제어 스킴(Sheme)에 따라 리미트 스윗치 솔레노이드를 이용한 프로그래밍으로

컴퓨터 제어도 가능하다

3 급수펌프 재순환 배관 시스템의 구성

보일러 급수펌프의 재순환배관의 구성형식은 복수기로 직접 방출하는 방식과 탈기기 또는 탈기기

저장탱크로의 방출방식 두 가지가 있다

(1) 복수기로 직접 방출복수기로 재순환수를 직접 방출하는 경우 복수기의 압력이 대기압 이하의

약한 진공 상태이기 때문에 미니멈 홀로우 밸브에서는 필연적인 후라싱이 발생한다 따라서 후라싱의

정도를 저감하는 방법으로 복수기에 연결되는 재순환배관 계통에 레스트릭션 오리피스나 디퓨저

플레이트(Diffuser Plate) 또는 스파져(Sparger)를 배관 후단에 설치하여 후라싱 강도를 낮춰야

한다

만약 ON-OFF 식 미니멈 홀로우 밸브를 사용한 경우에는 밸브의 개폐를 신속히 함으로써 후라싱에

의한 문제 강도를 낮출 수 있지만 근본적인 대책은 아니다 아울러 압력강하 장치를 사용하여 밸브

후단의 후압력을 높였다 하더라도 밸브의 운전은 상당히 좁은 범위에서 운전하게 됨으로 모든

운전조건하의 유량에 능동적으로 대응할 수가 없다

디퓨져나 스파져는 가능한한 복수기 자체 또는 복수기와 아주 근접한 곳에 설치해야 한다 왜냐하면

어차피 발생할 수 밖에 없는 후라싱을 상대적으로 대용량인 복수기 내부의 공간 속이나 디퓨저

플레이트로 감당하게 하는 것이다 정도의 차이는 크지만 급수가열기의 히터 드레인 시스템의

제어밸브의 경우에도 이와 유사하다

(2) 탈기기로 방출탈기기로의 방출은 탈기기의 운전압력이 대략 50sim200psig(35sim14 barg)임으로

보일러 급수 시스템으로 보아 포화증기압보다 높아 후라싱은 발생하지 않아 별도의 압력강하장치는

일반적으로 설치하지 않는다

또한 미니멈 흘로우 밸브는 터어빈 아랫쪽의 주급수펌프의 근처에 설치되고 탈기기는 상당히 높은

위치의 먼거리에 설치되어 있음으로 배관계통의 유체저항으로 인한 후압력도 상당하기 때문에

실질적으로 추가의 압력강하장치는 큰 효과가 없다 따라서 이 경우에는 케비테이션이 주요

문제점으로 대두된다붙임 B 는 현재 우리나라의 500MWe 급 화력발전소의 미니멈 흘로우 밸브(CCI-DRAG Trim amp CVI-HUSH Trim)의 사양서 및 크기선정 데이터들이다

(3)비교경제성으로 비교할 때 복수기로 직접 방출하는 것이 관련 배관계통의 짧고 구성이 용이하여

경제성이 있는 것으로 판단된다

그러나 상대적으로 탈기기로의 방출은 압력강하장치 등이 없으며 가혹한 후라싱 조건을 피할 수

있으며 탈기기 위치보다 낮은 위치에 있음으로 토출 배관측에 항상 물이 채워져 있어 즉각적으로

운전에 투입될 수 있어 시스템 운전 측면에서 보다 안정적인 운전을 도모할 수 있다

4 미니멈 흘로우 밸브의 조건

보일러 급수 펌프 재순환배관 시스템에서 밸브가 1800psi(126bar)이상의 차압을 갖고 운전하는

경우 다음과 같은 문제점이 예측된다 따라서 미니멈 흘로우 밸브는 이들 문제에 견딜 수 있도록 설계 제작되고 운전되어야 한다

(1)압력저하에 따른 케비테이션 후라싱 발생에 대하여 이들 현상에 충분히 견딜 수 있는 밸브 구조를

가져야 한다

(2)배관시스템의 운전에는 항상 불순물들이 개재될 수 밖에 없으며 불순물이 개재 된다는 전제하에

밸브가 건전하게 운전할 수 있는 방안을 강구하여야 한다 불순물들이 밸브 내부인 트림 부품 속에

개재되면 프러그와 케이지의 미소 간격내에서 경도가 약한 부품 속으로 침투하여 칼로 긁은 듯한

흠집을 내기도 하며 심각한 경우 밸브 스템의 조절작용(Stroking)을 방해하거나 고장나게 한다

또한 이들 불순물 중의 작은 것 하나라도 시트부위에 걸리면 이 흠집 난 곳을 통하여 와이어

드로우잉을 만들고 이 와이어 드로우잉을 통하여 심각한 케비테이션으로 진행하게 된다

(3)미니멈 흘로우 밸브의 운전 중에 시트에서의 미세한 누설로 인한 와이어 드로우잉의 발생과 이로

인하여 발생되는 트림 손상에 대비하여 정상 운전 시에는 미니멈 흘로우 밸브의 시트 누설이

허용되어서는 안 된다 또한 정상 운전 시에 보일러로 급수 되어야 할 에너지가 탈기기로 바이패스

한다면 시스템 운전 효율상에도 큰 문제인 것이다

특히 초임계압 발전소(Super Critical Unit)의 경우 피크 출력과 재순환배관의 흐름(누설로 인한)은

직접적인 연관이 되므로 자연적인 출력 효율의 감소가 발생한다 예로써 500MWe 급의 발전소에서

80000pph(36240kghour 약 초당 10 리터)의 누설이 있다고 하면 밸브의 트림에서는 와이어

드로우잉을 진전시키면서 아울러 약 4Mwe 정도의 출력(약 08)이 누설로 인하여 도둑을 맡고 있는

것이다

(4)미니멈 흘로우 밸브의 수명기간 중 항상 무누설의 시팅 구조를 가져야 한다 일반적인 밸브는 운전

초기에는 거의 완벽한 시팅 구조를 갖고 있다가도 몇번의 보수 점검으로 인하여 정확한 시팅 구조를

유지하기 어렵기 때문에 결국 시트에서의 누설 문제가 발생되는 것이다

이러한 문제는 결국 재순환배관의 운전 효율에 문제점으로 계속 작용하는 것이다 따라서 밸브의 수명

기간 중 어떠한 보수 점검을 하더라도 항상 무누설의 시팅 구조를 갖는 밸브를 선정하는 것이 절대

바람직 하다

5 케비테이션 방지

보일러 급수 펌프의 재순환배관 시스템과 같이 운전 조건상 밸브에서의 압력제어량이 케비테이션을

피할 수 없는 현상이라면 시스템의 건전한 운전을 도모하고 제어의 정확도를 계속 유지하기 위해서는

밸브 내부에서 케비테이션이 발생하지 않도록 특수하게 설계된 엔티-케비테이션 트림(Anti-Cavitation)을 사용하여야 한다

이러한 트림으로는 크게 분류하여 다단 압력 제어 방식(Pressure Staging Trim Design)과 압력

프로화일식(Pressure Profile Con-cept 그림 4)감압방법과 속도 프로화일식(Velocity Control Profile Concept 그림 5)이 있다 다단 압력 제어방식으로는 COPES-VULCAN 의 CASCADE 트림

(그림 6) MASONEILAN 사의 XMAS TREE(그림 7)등이 대표적이고 압력 프로화일식으로는

COPES-VULCAN 사의 HUSH 트림(그림 8) YARWAY 사의 TURBO CASCADE 트림(그림 9) FISHER 사의 WHISPER Ⅲ(그림 10) CAVITROL Ⅲ(그림 11)amp Ⅳ MASONEILAN社의 VRT(79000 그림 12)amp 78000 시리즈 트림(그림 13) VALTEK社의 MEGASTREAM 트림(그림 14) INTROL社의 HF 트림(그림 15)등이 있다2001 년 6월호 알파와 오메가

속도 프로화일식으로는 CCI 사의 DRAG 트림[그림 16] COPES-VULCAN 사의 RAVEN 트림[그림

17] VALTEK 사의 TIGERTOOTH 트림[그림 18] 등이 있다 압력 프로화일식 감압구조의 밸브에서

케비테이션의 발생을 판단하는 식은 다음과 같다

ΔPcav = Kd(P1-Pv) 여기서 ΔPcav = 케비테이션이 일어날 수 있는 압력강하량(차압) Kd = 케비테이션 계수 P1 = 밸브 입구 압력 Pv = 유체의 포화 증기압

6 밸브의 시팅

밸브의 시팅 구조는 표면 경도가 비슷한 금속간의 접촉으로 시팅하는 메탈시트(Metal Seat)와 경도가

높은 프러그와 경도가 낮은 유연한 물질간의 접촉으로 시팅하는 소프트시트(Soft Seat)가 있다 [그림

19] 와 같은 메탈 시트에 있어서 프러그와 시트와의 접촉은 선 접촉에 근사한 아주 좁은 밴드로

접촉하여 기밀을 유지한다

그러나 내 기밀 등급이 높아질수록 메탈시트의 접촉은 아무리 잘 가공되고 다듬질이 되었다 하더라도

[그림 20] 과 같이 시트 조인트에서 누설이 될 수 있는 경로가 생기게 된다이 누설을 최소화하기

위해서는 구동부의 추력을 충분히 증대시켜 누설 경로를 차단하여야 한다

그러나 360 원주 방향을 따라 균일한 힘으로 프러그와 시트가 접촉되는 것은 밸브 구조상 현실적으로

거의 불가능한 일이다 메탈 시트 구조에 있어 한번의 시트 누설은 높은 밸브 차압으로 인하여 와이어

드로우잉을 거쳐 케비테이션으로 진행될 수 있으며 그 진행 속도도 매우 빠르다

1800psig 을 넘는 높은 차압의 운전 환경 하에서는 시트를 스텔라이트(Stellite)와 같은 경질의

내마모성 재료로 하드 훼이싱(Hard-facing) 하였다 할지라도 이와같은 침식(Erosion) 현상에 견딜수

있는 재료는 아직까지 개발되어 있지 않다

아울러 이상에 가까울 정도의 프러그시트의 완벽한 축정렬 또한 실제로 얻어질 수 없는 상태이며 운전시 소음 진동에 의한 시트구조의 안전성 또한 시트 누설에 영향을 주게됨으로 메탈시트에 의한

완벽한 시트의 기밀 유지는 불가능한 것이다 반면에 [그림 21]과 같은 소프트 시팅 구조에 있어서는

시트를 탄력성이 높고 내마모성이 높은 재질로 선택하기 때문에 반복적인 시팅에도 완벽한 기밀을

유지할 수 있으며축정렬과 같은 문제에도 능동적으로 기밀을 유지할 수 있다

소프트 시트는 그림에서 보는 바와 같이 시트링 속에 삽입되어 있음으로 유체흐름에 영향을 거의 받지

않는다 [그림 22]는 높은 차압에 의한 가혹한 침식환경에 능동적으로 대처할 수 있는 보다 개선된

트림으로 두 단계의 시팅 구조로 이루어진 소프트 시트 트림이다

이 트림의 인너 프러그(Inner Plug)는 스프링과 가이드로써 주 프러그(Main Plug)에 연결되어

있으며 밸브의 닫힘 시 인너 프러그가 먼저 시팅을 하고 몇 초가 지난 후에 주 프러그가 소프트

시트에 안착함으로 가혹한 유체 흐름에 있어서 시트링의 소프트 시트를 보호하여 무누설의 장시간

운전을 보장하고 더불어 열림 시에도 인너 프러그가 순간적인 가혹한 유체 흐름을 완화시켜 준

다음에 주 프러그가 열리게 되므로써 부드러운 운전이 가능해 진다

7 프러그 밸런스

재순환배관 시스템은 고도한 차압 발생으로 인하여 프러그에 작용하는 힘의 바란스가 매우 중요한

설계 포인트가 된다 [그림 23]에서 보는 바와 같이 밸브 트림은 프러그 내에 바란스 구멍이 뚫려 있어

입구 측의 압력 P1 이 프러그 상부에도 같이 작용하게 되므로 바란스 구멍이 없는 프러그에 비하여

월등히 작은 힘으로 운전이 가능하여 구동부의 크기를 줄일 수 있고 아울러 경제적인 밸브 선정이

되는 것이다

예로써 3의 프러그가 바란스 프러그(트림)으로 되어 있을 경우 5000psig 의 입구 압력 100psig의 출구압력 상태에서 구동부의 힘은 대략 4000 파운드이나 바란스 구멍이 없는 언바란스 프러그

(트림)일 경우에는 약 35000 파운드가 소요된다

8 불순물의 혼입 문제

미니멈 홀로우 밸브의 손상 문제 중 가장 심각한 문제는 밸브가 닫힐 때 딱딱한 불순물이 시트면에

침입하여 시트의 기밀 구조를 손상시키는 일이다 대부분 배관 시스템 내에 혼재될 수 있는 불순물들

가운데 시트면이나 스템의 슬라이딩면 또는 프러그와 케이지의 습동면을 손상 시킬 수 있는

불순물의 크기는 대략 직경이 006(15mm) 이상이고 경도는 시트면이나 밸브의 슬라이딩 부의

경도보다 높아 이들 부위에 끼어 들어 심각한 긁힘을 일으키며 심각한 경우 동작 불능에 까지 이르게

한다

이들 불순물들의 종류로는 파이프 스케일 용접 프래그 펌프의 데브리스(Debris)등인데 이들이

문제를 일으키는 때는 시스템이 정지되었다가 다시 가동 할 때 또는 시스템을 보수한 후의 기동 할

때이다 [그림 24] 는 이러한 불순물들을 근본적으로 잡아주는 스트레이나를 밸브 트림과 일체화한

것이다

9 결론

결론적으로 보일러 급수 펌프의 재순환배관 시스템의 미니멈 흘로우 밸브는 다음과 같은 요건에

합당하여야 한다케비네이션으로부터 밸브를 보호하고 무누설 시트를 유지하여야만 하며 무누설

시트로 계속 유지되어야만 하는 동시에 불순물의 혼입으로부터 계통이 보호되도록 하여야 한다 [그림 25] 는 상기의 요구조건을 충실하게 만족할 수 있는 월등한 미니멈 흘로우 밸브이다

[출처] 밸브에 대해서 (1 탄 ) |작성자 독수리 정래짱

되어가고 있는 현재의 산업현장의 밸브 운전 환경은 사용유체의 다양성은 물론 고온 고압등

고에너지의 유체제어가 산업의 안전과 더불어 고도로 요구되기 때문에 밸브의 중요성이 날로

부각되고 있다여기서는 이러한 밸브의 중요성을 밸브와 밸브를 포함한 프로세스계로 확대시켜 밸브에 대하여 보다

체계적인 공학적 접근을 시도하기 위해 밸브공학이라고 썼지만 밸브공학을 학문적으로 체계화시켜

도입하기에는 다루는 분야가 협소한 듯하고 아울러 세부적인 사항이 다른 분야에서 깊이있게

다뤄지고 있어 따로 밸브쪽으로 분리해서 말할만한 학문적 일체성(Identity)도 갖고 있지 않다그러나 미국의 몇몇 대학의 수리학(水理學)교실등에서는 밸브의 유체학적 또는 유체에너지를

다루는데 있어 밸브구조의 동력학적인 거동을 연구하는데 매우 활발하며 일부 대규모

밸브전문업체를 중심으로 이뤄지는 밸브의 구조 제어기능 유체동역학 및 재료부분 등으로 활발한

공학적인 접근을 일단 밸브공학이라는 용어로 정리하기로 한 것이다 12-1 밸브의 설계조건

프로세스 계통에 있어서 계통의 원활한 운전과 기능 유지를 위해서는 제어요소인 각 밸브에서의

기능이 문제가 된다 이들 밸브 기능의 문제는 프로세스 계통 설치시 충분하게 고려되어야 한다 이

밸브의 기능 문제를 두고 기능을 설계 목표 이상으로 건전하게 유지시키는 것이 바로 밸브설계의

조건이다밸브가 프로세스 계통에서 과도한 하중이 계통 자체에서 뿐만 아니라 밖에서도 생기게 된다 프로세스의 운전온도 운전압력 유체의 밀도 유체의 수송속도등이 계통내의 하중이 되고 프로세스에 가해지는 배관진동 밸브 구동장체에서의 추력 및 자체하중 지진등의 고려 배관파단으로 생길 수 있느 배관떨림(Pipe Whhipping)등이 계통외의 하중이 될 것이다 이러한

프로세스 계통내외에서의 과도한 하중으로 인하여 밸브의 일부가 손상되어 제어기능을 불안하게 할

경우라든가 운전에 지장을 초래한다면 전체 프로세스 계통의 기능 유지등 그 영향은 점차 매우

어려운 상태에 이를 수도 많다실제로 밸브 손상-주로 밸브의 가장 핵심적인 내부누설구조의 손상으로 인한 거대 프로세스 플랜트의

화재사고등은 어쩌면 사소한 장치로 볼 수 있는 밸브에서 기인된 경우가 많다 따라서 밸브는

구조적으로 충분한 강도를 가지고 있어 내외부의 어떠한 하중이 가해지더라도 손상으로부터

안전하여야 하며 또한 구조적으로 각 밸브 구성부품의 형상이 기능 및 운전성 유지에 적합하여야

한다 그리고 사용조건인 프로세스 계통의 운전환경수송유체의 종류 계통의 제어목적 및 공공의

안전에 관련된 설계 요구사항등에 밸브의 사용목적이 적합하여야 한다밸브에 관한 이러한 관점은 각국의 밸브에 관한 표준규격이나 고압가스협회등에서 밸브에 요구하는

법적인 규제 또는 설계요건사항들을 보면 이해가 잘 된다 밸브는 계통의 한 부품으로서 그 역할은

계통설계자료의 치밀한 계통 밸런스에 대한 형평성추로써의 역할이다이 역할은 계통의 압력 온도 및 유량에서 보면 이들 물리적 양을 제어하고자 하는 것이고 프로세스

계통의 구조적 밸런스에 따르면 계통압력 및 온도에 충분한 구조강도를 갖는 밸브의 강도이다 밸브를

프로세스 계통의 구조해석상(후자의)관점에서 그 역할을 구분하여 보면 다음의 세가지로 구분 설명할

수 있다(1)계통에 대한 능동적 부품(Active Component)으로써의 밸브

프로세스 계통의 일부 또는 전체 계통을 사고로부터 완화시키거나 정지시킬 때 필요한 계통의 한

부품으로서의 역할이다 이는 프로세스 계통의 기능상 이 부품의 역할이 매우 중요함으로 밸브의

구조강도를 충분히 유지함은 물론 계통의 어떤 사고나 피로등에 의한 파괴로부터 더 이상의 연속적인

계통손상을 방지하기 위하여 계통의 한 구성부품인 밸브가 능동적으로 계통의 기능을 보호하는

역할을 수행하여야 한다 통상 이러한 경우를 고려하여 실제의 밸브 운전조건이나 설계조건보다도 더욱 가혹한 비정상적인

프로세스를 고려하여 설계 제작되는게 일반적이다(2)계통에 대한 밸브의 기능상의 능력(Functional Capability)프로세스의 가혹한 운전조건하에서는 계통 및 밸브자체의 치수 안전성을 유지하며 계통운전이

원활히 되도록 정격 유량을 수송 또는 제어하는 능력을 갖고 있어야 한다(3)밸브 자체의 운전성으로 설계 및 사용조건

밸브 자체의 운전성으로 설계 및 사용조건하에서 규정된 안전 기능을 충족하면서 요구되는 밸브 그

자체는 30~40 여개의 부품으로 조립되는 비교적 간단한 기기이지만 높은 압력과 온도 그리고 급격하

에너지의 변화가 밸브의 트림(밸브의 유체 접촉부로써 교환될 수 있는 밸브 구성부품)의 조작부에서

이뤄지게 됨으로 각 구성 부품들이 이러한 환경에 충분히 견딜 수 있는 구조로 되어 있어야 한다 이와같이 밸브는 프로세스 계통에 대한 능동적인 역할과 밸브 자체의 기능 및 운전성의 유지로

계통의 기능 및 운전을 원활하게 수행할 수 있도록 하는 것이다12-2 밸브의 설계

밸브 설계의 기본적 입력데이타는 온도와 압력이다 프로세스 유체의 화학적성상에 따라 밸브의

재질은 달라지지만 소위 밸브 크기를 정하는 기본 단위는 우선 압력과 온도이다밸브의 구조상 밸브의 내압부는 다른 어떤 압력용기 보다도 구조적으로 매우 취약한 구조적인

불연속부(Structural Discontinuity)를 갖고 있어 압력에 대한 복잡한 구조적인 거동으로 인한 국부

응력의 증가와 더불어 열에 의한 굽힘응력과 변형이 밸브의 내부에 복잡하게 생기므로 밸브 설계시

이들 효과를 고려하여야 한다 특히 고온고압으로 갈수록 이의 영향은 매우 크게 되므로 고난도의

설계가 된다아울러 모타구동장치나 제어밸브의 액츄에이터를 장착한 밸브의 경우 이들 구동장치의 무게로 인한

밸브 구조의 불안정성이 고조된다 다음의 그림 6 은 미국 기계학회에서 정한 원자력 발전소용 밸브의

설계요건을 항목별로 요약한 것으로 일반 프로세스용의 밸브 설계와 크게 다를 것이 없다 단지

특별히 더욱 강조한 사항은 밸브구조의 구조적 강도유지를 설계의 핵심으로 한 것이고 여기에 열이나

기계적 교번하중으로 인한 피로상도를 강조하고 있다 프로세스 계통의 유체역학적 천이(Transient)현상에 의해 밸브 구종의 불안정성은 더욱 고조되어 심한 경우 밸브 구조가 파손되는 사례도 적지

않게 발생한다다음의 그림 7 과 그림 8(차호에 소개)은 밸브의 구조적 불연속부에서의 열에의한 굽힘특성을

보여주는 좋은 예이다 그림 9(차호에 소개)는 밸브의 내압에 의한 밸브몸체의 응력구동을 설명하고

그림 10 은 밸브의 구동장치의 무게중심이 밸브몸체에서 멀리 떨어져 있는 경우 밸브의 본네트면에

작용하는 모멘트와 간단한 밸브의 고유진동수를 설명하는 그림이다이외에 배관계에서 전달되는 배관작용력(열팽창에 의한 축방향 힘과 굽힘모멘트 및 토오크)에

안전하게 밸브의 치수 보전과 강도를 유지하도록 설계한다밸브는 유체 수송의 직접 제어부인 디스크(프러그)와 시트(케이지)부를 구조적으로 안정하게

유지하기 위하여 어느정도의 불용(不用)공간이 생긴다 이 공간들을 공동부(Cavity)라고 하는데 이

케비티에서 밸브 기능상 많은 문제점이 생긴다 이곳에 유체가 차 있다가 온도 상승으로 밀폐된

유체가 팽창하여 디스크의 원활한 운동을 방해하기 때문이다밸브 설계시 이러한 불용공간을 최대로 줄이는 것이 밸브의 기능보장을 위해서도 매우 중요한

설계요소이다 아울러 밸브에서 유체를 제어할 때 유체의 흐름속도 및 밸브면에서의 마찰 그리고

유로면의 넓고 좁음에 따른 압력손실등으로 밸브의 유체수송(유체에너지수송)능력이 저하하게 된다최근들어 프로세스 플랜트가 거대화되고 고도화함에 따라 밸브에서의 이러한 유체수송능력의 저하를

가급적으로 줄 이기 위한 밸브의 유로형상(Flowpath)을 설계해야 한다같은 크기의 밸브라 할지라도 밸브의 유량계수가 많고 적음은 이러한 유로형상의 설계기술의

차이에서 기인된다고 볼 수 있다 유로형상의 설계는 이론적으로 설계하기란 거의 불가능하여 각기

다른 유로형상을 가진 시험원형(Proto Type)의 밸브들을 일일이 시험하여 최적의 유로형상을 찾는다물론 여기에 중점적으로 설계입력이 되는 것은 압력항 온도항 그리고 유체의 흐름속도 이다밸브설계에서의 가장 핵심은 누설방지에 있다 누설은 시트와 디스크간에서 발생되는 내부 누설과

그랜드 패킹 또는 본네트 가스켓에서 생기는 외부 누설로 구분된다 이중 가장 문제가 되는 것은

그랜드 패킹에서의 누설이다 밸브 설계에서 심도 있게 다뤄지는 부분이 그랜드 패킹의 재질 편조 및

성형방법 조합방법 크기 및 체결방법이며 상당수의 밸브관련 연구논문중 30이상이 이에 대한

것으로 앞으로도 깊이 다뤄야 할 기술적 당면과제이다12-3 밸브의 기능

밸브의 기능은 밸브공학적 의미에서 두가지 축면으로 고려된다 하나는 밸브자체의 구조적 강도에

관련하는 기능이고 다른하나는 유체 수송 및 제어의 기능이다이 두가지 기능은 서로 불가분의 관계를 가지고 있다 물론 전자의 경우는 밸브의 재료가 갖고 있는

금속학적 특성과 재료자체의 강도 특성 그리고 이들을 밸브의 사용환경에 맞도록 상호 기구학적으로

결합하여 원활하게 밸브로써 운전될 수 있도록 충분한 구조강도를 유지해야 하므로 밸브의 하드웨어

(Hardware)적 기능이고 후자는 밸브의 운용상 특히 프로세스의 운전목적의 달성을 위하여 밸브가

수행해야 할 제어기능 즉 유로개폐(ON-OFF)나 유로 또는 유체에너지량의 조절(Throttling)을

원활하게 해야 하므로 밸브의 소프트웨어적 기능이다이러한 밸브의 기능을 전자의 경우 밸브의 구조기능이라고 하고 후자를 밸브의 제어기능이라고

정한다 이러한 밸브의 기능에 문제가 생기는 원인도 아울러 구분이 된다제어기능에 문제가 생기는 경우 통상 프로세스 계통의 설계과정에서의 오류보다는 시운전이나 실제

운전시에 많이 발견된다 시운전시에는 계통이 전반적으로 불안전하고 불규칙한 운전모드가

설계조건과는 다르게 발생된다 전반적으로 프로세스 계통에서의 밸브문제는 80이상이 시운전시에

발견된다프로세스의 운전시에는 거의 아무런 문제도 생기지 않다가 계통의 기동 또는 정지시에 밸브에

문제가 생겨있음을 발견하는 경우도 앞서의 경우와 같다 이러한 예로써 복수기(Condenser) 복수배관(Feed Water Extraction Drains)의 제어 밸브와 같은 경우 밸브에서의 유체제어시 생길

수 있는 일반적 현상은 후라싱현상이 예측되지만 계통이 장기간 정지하여 있다가 다시 기동될 때는

배관내의 드레인에 의한 수격현상이 생겨 밸브의 제어기능에 악영향을 주는 사례가 있다밸브의

구조기능은 앞서 계속 언급한 대로 밸브가 어떠한 하중 조건하에서도 제어기능을 유지할 수 있도록

밸브 그 자체는 튼튼해야 한다는 것이다

20 밸브공학 기초

밸브는 기본적으로 유체를 제어하는 부품과 이들 제어부품들을 구조적으로 안전하게 유지시키는

몸체로 구성되어 있다 따라서 밸브공학의 목표는 유체제어 기능으로서의 완전한 유체제어를 다양한

하중조건하에서 밸브가 거전하게 운전 되도록 구조적으로 튼튼하게 결함없이 만들어야 한는데 있다따라서 밸브의 이 두가지 목적에 맞는 배관계통의 제어요소(Control Component)로써 또한

배관계의 신뢰성에 가장 핵심적인 역할을 수행하는 부품으로써 프로세스의 운전건전성 즉 장기간

문제없이 제어요소로서 밸브 기능을 뒷받침 할 수 있는 강도를 유지하여야 한다본 절에서는 밸브공학의 기초로서 밸브의 구조 밸브에 있어서 밸브 유체역학의 기초와 밸브의

재료학을 중심으로 설명한다21 밸브의 구조

밸브의 구조는 유체제어의 구조 및 특성 유체의 물리화학적 성상 운전조작의 방법에 따라 매우

다양하다 따라서 밸브 구조는 유체제어의 구조 및 특성에 따라 물리화학정 성상에 따라 밸브의

구조가 달라지기도 한다밸브 구조에서 가장 핵심적인 사항은 압력 유지부분(Pressure Retaining Part) 및 유체와 직접

접촉하면서 밸브의 기능을 수행하는 밸브 트림 그리고 트림부를 조작하는 구동부로 나눈다따라서 밸브의 종류를 구분하는 일반적인 방법은 밸브의 압력유지부의 형태 또는 형식과 트림의

형상또는 형식에 따라 구분한다 다음에 앞서의 밸브 구분 방법에 따른 밸브 종류를 나타내었다 특히

여기서 밸브 기술자가 알아야 할 매우 중요한 밸브 용어는 트림(Trim)으로써 밸브의 유체제어 과정에

있어서 유체와 직접 접촉하면서 유체력에 의하여 직접적인 마모 또는 노화되는 부품으로 교환될 수

있는(Replacible)밸브 부품이라고 정의 한다가 개폐용(ON-OFF 제어)밸브

게이트 밸브(Gate Valve)일반 게이트 밸브(General Gate Valve)솔리드 왯지(Solide Wedge)후렉시블 왯지(Flexible Wedge)스플릿트 왯지(Split Wedge)더블디스크 패러럴 시트(Doubble Disc Parallel Seat)스프링 패러럴 스라이드(Spring Parallel Slide)볼 앤드 소켓 로테이팅 디스크(Ball and Socket Rotating Disc)벨로우즈 씰 게이트 밸브(Bellow Seal Gate Valve)나이프 게이트 밸브(Knife Edge Gate Valve)콘디트밸브(Conduit Valve)그로브타입 스톱 체크밸브(Globe Type Stop Check Valve)T-그로브 타입(T-Type Stop Check Valve) 앵글타입(Angle-Type Stop Check Valve)Y-타입(Y-Type Stop Check Valve)글로블 밸브(Globe Valve)팩레스 그로브 밸브(Packless Hermetic Diaphragm Globe Valve)T-타입 팩레스 밸브(T-Type Packless Valve)Y-타입 팩레스 밸브(Y-Type Packless Valve)앵글 타입 팩레스 밸브(Angle-Type Packless Valve)벨로우즈실 그로브 밸브(Bellows Seal Glove Valve)체크밸브(Check Valve)스윙 체크밸브(Swing Check Valve)밸런스드(중추)체크밸브(Counter Weight Balanced Check Valve)

홀딩 디스크(듀오)체크밸브(Folding Disc Check Valve)리프트 체크밸브(Lift Check Valve)T-타입(T-Type Lift Check Valve)Y-타입(Y-Type Lift Check Valve)볼 타입(Ball Type Check Valve)스프링 로디드 타입(Spring Loaded Lift Check Valve)수평형(Horizontal)티형(T-Type)와이형(Y-Type)틸팅 디스크 체크밸브(Tilting Disc Check Valve)인라인 디스크(푸트)체크밸브(In-Line Disc Check Valve)볼 타입(Ball Type)디스크 타입(Disc Type)푸트 타입(Foot Type)백 후로우 프리벤터(Backflow Preventer)고무 튜브 체크밸브(Rubber Tube Check Valve)다이아후램 체크밸브(Diaphragm Check Valve)버터후라이밸브(Butterfly Valve)ANSI 규정(산업용)(For Industrial Purpose)메탈 시티드(Metal Seated High Performance Butterfly Valve HPBV)프랜지 타입(Flange Type)크로스 볼티트 웨이퍼 타입(Cross Bolted Wafer Type)웨이퍼 타입(Wafer Type)소프트 시티드(Soft Seated)프랜지 타입(Flange Type)크로스 볼티드 웨이퍼 타입(Cross Bolted Wafer Type)웨이퍼 타입(Wafer Type)AWWA 규정(수도관개용)(For Water Works Purpose)프렌지 타입(Flange Type)크로스 볼티드 웨이퍼형(Cross Bolted Wafer Type)프러그 밸브(Plug Valve)테이퍼드 프러그(Tapered Plug Valve)루브리케이트 타입(Lubricated Plug Valve)논 루브리케이트 타입(Non-Lubricated Plug Valve)실린드리컬 프러그(Cylinderical Plug Valve) 엑씬트릭 프러그(Eccentric Plug Valve)볼 밸브(Ball Valve)프로팅 볼(Floating Type Ball Valve)톱 엔츄리(Top Entry Floating Type Ball Valve)엔드엔츄리(End Entry Floating Type Ball Valve)

트러니온 볼(Trunnion Type Ball Type)싱글 터러니온(Single Trunnion Type Ball Type)더블 트러니온(Double Trunnion Type Ball Type)싱글 시티드 오 에스 앤 와이(Single Seated Outside Screw and Yoke Type Ball Valve) 소프트 다이아프램밸브(Soft Diaphragm Valve)웨어형(Weir Type Soft Diaphragm Valve)관통형(Straight-Through-Flow Type Soft Diaphragm Valve)핀치형(Pinch Type Soft Diaphragm Valve)나 유량조절용(Flow Throttling)밸브

게이트 밸브(Gate Valve)유량조절이 가능한 게이트 밸브(Throttable Sliding Gate Valve)브이 오리피스 게이트 밸브(V Orifice Gate Valve)그로브 밸브(Globe Valve)디스크 형상에 따른 그로브밸브(Globe Valve Classified by Disc Type)급개형 디스크(Quick Opening Type Disc)디스크-시트 구조(Disc and SEAT)톱 가이드형(Top Guide Type)바디 가이드형(Body Guide Type)바텀 가이드형(Bottom Guide Type)케이지-프러그 구조(Cage and Plug)선형 디스크(Linear Flow Type Disc)디스크-시트 구조(Disc and Seat by GUide Type)싱글 포트 디스크-시트(Singer Port Disc-Seat)톱 가이드형(Top Guide Type)일체형(Singer Body)멀티오리피스 레스트릭숀(Multi-Orifice Restrication)멀티벨로시티 헤드로스형(Multi-Velocity Head Loss Type)분리형(Split Body)바디 가이드형(Body Guide Type)케이케이드형(Turbo-Cascade Type)바텀 가이드형(Bottom Guide Type)더블 포트 디스크-시트(Double Port Disc-Seat)톱 앤 바텀 가이드형(Top amp Bottim Guide Type)디스크-시트 구조(Disc and Seat by Disc Type)일반형(General Type)멀티 브이 포트 디스크(Multi V-Port Disc)케이지-프러그 구조(Cage and Plug)밸런스트 프러그(Balanced Plug)일반형(General Type)레비린스 형(Labyrinth Type)

슬롯티드 케이지(Slotted Cage)멀티 퍼포레이트 케이지(Multi-Perforated Cage)멀티 오리피스 케이지(Multi-Orifice Cage)언밸런스트 프러그(Unbalanced Plug)일반형(General Type)레비린스 형(Labyrinth Type)슬롯티드 케이지(Slotted Cage)멀티 퍼포레이트 케이지(Multi-Perforated Cage)멀티 오리피스 케이지(Multi-Orifice Cage)스템-디스크 일체형 구조(니이들 밸브Niddle Valve)등비율형 디스크(Equal Percentage Flow Type Disc)(선형 디스크 구조 체계와 동일)혼합용 그로브 타입 제어밸브(Mixing Control Valve)밸브 몸체 형상에 따른 구분(Globe Valve Classified By Body Type)일반 티 그로브(General T-Type Globe Valve)와이 그로브(Y-Type Globe Valve)앵글 그로브(Angle Type Globe Valve)와이 앵글 그로브(Y-Angle Type Globe Valve)버터후라이밸브(Butterfly Valve)몸체 구성은 앞의 가항과 동일

정규 로타리 운동 버터후라이 밸브(Regular Rotary Butterfly Valve)오프셋 디스크 버터후라이밸브(Offset Disc Butterfly Valve)캔티드 디스크 버터후라이밸브(Canted Disc Butterfly Valve)프러그밸브(Plug Valve) -몸체 구성은 앞의가항과 동일

엑쎈트릭 실린드리컬 프러그(Eccentric Cylindrical Plug)엑쎈트릭 디스크 프러그(Eccentric Disc Plug) 스로틀링 프러그(Throttling Plug)실린드리컬 프러그(Cylindrical Plug)테이퍼드 프러그(Tapered Plug)케이지 프러그(Cage Plug)볼밸브(Ball Valve)-몸체 구성은 앞의가항과 동일

유량특성별 세크멘티드 볼밸브(Characterized Segmented Ball Valve)급개형(Quick Openning Type)선형(Linder Type)등비율형(Equal Percentage Type)브이 포티드 볼밸브(V-Ported Ball Valve)선형(Linder Type)등비율형(Equal Percentage Type)소프트 다이아프램밸브(Soft Diaphragm Valve)웨어형(Weir Type Soft Diaphragm Valve)관통형(Straight-Through-Flow Type Soft Diaphragm Valve)핀치형(Pinch Type Soft Diaphragm Valve)

다음으로 밸브의 유체제어를 위한 밸브 구동부의 구동특징 즉 밸브의 스템 및 스템 조작 특징에 의한

밸브를 구하면 다음과 같다밸브 스템은 밸브를 열고 닫을 때 그 조작력을 전달하는 매우 중요한 밸브의 구성부품이다일반적으로

디스크의 상하운동에 의하여 유체를 제어하는 구조를 가진 게이트 및 그로브 밸브는 스템의 길이가

길며 디스크의 조절을 원활하게 하기 위하여 일부 특수한 장치(거의 선형운동을 하는)를 가진 자동

구동장치부의 제어밸브류와 같은 것을 제외한 수동조작 모타구동장치부의 밸브 스템은 사각의 나사를

채용하고 있다 이 스템 즉 밸브 핸드휠의 조작렬에 대한 사항은 추후에 자세히 설명하기로 하고

여기서는 스템의 구분(구동부의 구동특징)조작특성을 밸브 종류별로 구분한다 밸브 디스크의

상하운동에 의하여 유체를 제어하는 구조의 밸브는 통칭하여 Quater Turn밸브라고 한다 이외에

체크밸브와 같이 자체적으로 유체력에 의해 계폐동작을 하는 Self Actuating밸브가 있다lt표gt 생략211 밸브의 구조형식

(1)게이트 밸브

개폐용(ON-OFF 제어)밸브의 대표적 밸브이다 게이트 밸브는 호칭직경 38Prime부터 36Prime까지(또는 이

이상도 제작가능하다) 압력-온도 등급도 ANSI CLASS 로 150LBS 에서 4500LBS 까지 선택의 폭이

매우 넓다 밸브의 구조 형식 및 형태는 다음과 같다솔리드 또는 홀로우 형식의 디스크(SOLID OR HOLLOW GATE VALVE)밸브의 시팅 구조상 가장 튼튼한 구조이나 밸브의 열 팽창과 배관작용력에 대한 디스크에서의 흡수

여유가 없기 때문에 밸브 디스크가 상온 이외의 사용에서는 고착 또는 누설 가능성이 높아진다 따라서 이러한 구조의 게이트 밸브는 통상 호칭직경 4Prime이하 사용온도 100Prime이하의 수동 소형

게이트밸브에 적용된다 일반적으로 ANSI CLASS 2500 까지 제작가능하지만 고압고온 서비스인

경우 밸브 몸체에서의 열변형에 의한 고착 또는 누설에 각별히 유의 하여야 한다현재 국내 밸브제작사중 극히 일부 회사만이 ANSI CLASS 4500 급까지 제작경험이 있으나 스프링

LOADED PARALLEL DISC TYPE 에 비하여 수명이 떨어진다 후렉시블 왯지 디스크(FLEXIBLE WEDGE GSTE VAVE) 디스크의 시팅(SEATING)면에서 어느 정도의 유연성을 갖고 있음으로 팽창

및 배관의 작용력에 대응할 수 있으며 아울러 다스크가 쐐기 형식으로 시트면에 작용함으로써 내누설

특성이 좋다따라서 FLEXIBLE WEDGE 게이트 밸브는 이러한 시팅 구조상 12를 넘는 대형일 경우에는 동력에

의한 밸브 계폐장치(POWER ACTUATOR)가 권고되며 통상 사용온도 200(93)이하의 호칭직경

4Prime를 넘는 중대형 밸브에 적용된다 이 밸브는 ANSI CLASS 로 150~2500 까지 제작되며 현재

국내에서는 특히 고온 고압용(ANSI CLASS 1500 이상)밸브는 단 2 개사 만이 제작할 수 있다분리형 디스크(SPLIT WEDGE GATE VALVE)FLEXIBLE WEDGE디스크와 유사하나 디스크가 완전히 분리되는 구조이다디스크의 연결은 단순히 기계적인 고리를 이용하거나 스프링등의 보조를 받아 구성된다 이러한

밸브는 FLEXIBLE WEDGE 게이트 밸브와 같은 범주로 취급되나 배관의 굽힘등 배관작용력에 보다

신축성 있게 대응할 수 있어서 비교적 높은온도(90~)에 사용되며 밸브의 크기는 통상호칭직경

4이상의 중형밸브에 적용된다그러나 이러한 밸브는 다음의 더블 디스크 게이트 밸브의 장점에 비하면 적용사의 잇점이 적기 때문에

널리 쓰이지 않는다더블 디스크( DOUBLE DISC GATE VALVE)

통상 DOUBLE DISC 게이트 밸브는 디스크가 평행한 구조를 가진 것을 특징으로 한다따라서 대형의 고온 고압용 밸브는 이러한 구조를 많이 갖고 있으며 일명 DOUBLE DISC PARALLEL 케이트 밸브라고도 한다 주로 대형 밸브에서 많이 채용되며 사용온도가 100를 넘는 경우에

사용된다 이 밸브는 시팅 구조상 계통이 가압상태이어야 밸브의 내누설 특성이 좋아지는 구조 즉 계통압력이 한쪽면을 가압함으로써 이 가압력에 의하여 기밀이 유지되는 구조임으로 계통압력이 낮은

경우에는 상대적으로 시팅 효과가 떨어진다따라서 이의 보완책으로 평행된 두 디스크사이에 스프링을 이용 가압력을 보완하는 경우도 많다 밸브

운전시 유의할 사항의 하나는 닫을 때보다 열릴 때가 보다 많은 힘을 필요로 하는 경우가 았음으로

계통의 운전 상태를 고려한 밸브 선정이 필요하다따라서 고온의 운전상태하에서는 가능한 한 고온상태에서 밸브를 열고 닫아야 한다아울러 두 개의 평형된 디스크는 정밀하게 가공되어야 하며 계통압력이 높아질수록 디스크면에

작용하는 면압의 효과를 극대화할 수 있도록 두 시트면의 평행도 및 가공 정밀도는 엄격하게

관리되어야 한다 현재 국내에서는 아직 미개발 분야이다나이프 게이트 밸브(KNIFE GATE VALVE)디스크의 형태가 날카로운 칼날 모양의 원형구조이다따라서 설계는 매우 콤팩트(COMPACT)한 구조로 설계되며 배관계통에 있어서도 설치 및 보수

운전공간을 절약할 수 있다 주로 상온의 낮은 압력하에서 스러리(SLURRY찌거기)등이 있는 유체를

제어할 때 많이 쓰인다 따라서 KNIFE GATE VALVE 에서의 엄밀한 내누설을 요구할 수 없다(2)그로브 밸브(GLOBE VALVE)그로브 밸브는 유로의 차단 또는 유량의 조절용으로 사용된다 게이크 밸브에 비하여 유체의 제어적인

즉 압력조절 유량조절 유로 차단등이 우수하나 밸브구조의 복잡함과 이에 따른 구조적 불안정으로

인하여 밸브 크기는 기술적 경제적으로 제한을 받는다 따라서 글로브 밸브는 통상적으로 특수한

경우를 제외하고는 호칭직경 12Prime를 넘는 대형의 그로브 밸브는 수동 조작의 경우가 매우 드물고

대부분 모타 구동 또는 유공압을 이용한 동력 구동밸브이다그러나 호칭직경 2Prime이하의 그로브 밸브는 유로차단(ON-OFF)과 스로틀링(THROTTLING)이 가능하며

특별히 비록 ON-OFF 라 할지라도 계통 특성이 고압의 경우에는 소형 게이트 밸브보다 그로브 밸브를

선택하는 것이 합리적이다그러나 그로브 밸브 유로 차단용(SHUT OFF)으로 사용할 때는 밸브의 디스크 하부로부터 계통

압력이 작용함으로 닫힘에 요하는 힘이 게이트 밸브의 4~5 배 이상에 이르며 내부 구조가 복잡하여

온도가 변화하는 상태하에서는 열팽창의 비 대칭성으로 인하여 내부 누설의 가능성이 있음으로 보다

큰 힘의 밸브 개폐력 즉 구동장치의 크기가 커야 한다그로브 밸브는 통상 호칭직경 38Prime~12Prime범위로 제작되며 압력-온도 기준으로 4500LBS 까지

제작된다 밸브의 형식 및 형태는 외양으로서 T YDIDRMF 및 Y-앵글 형태가 있으며 스템의 구성

형식상 특수하게 스템 패킹으로부터의 누설을 방지하기 위한 팩레스(PACKLESS-HERMETICALLY SEALED BELLOWS SEALED)밸브등이 있으며 아울러 그로브 밸브의 디스크 및 시트의 설계방식에

따라 스템과 디스크 및 시트의 설계방식에 따라 스템과 디스크의 일체형과 분리형이 있으며

대부분이 분리형 구조를 체택하고 있다 또한 디스크의 형상은 BALL TYPE 조립식 PLUG TYPE NEEDLE TYPE 등이 있으며 디스크 및 스템의 안내방식에 따라 TOP GUIDED(고압용) BODY GUIDED(고형 소형용) 및 BOTTOM GUIDED(저압용 -150LBS~300LBS)가 있다다음의 그림 16 17 18 및 그림 19 에 대략적인 글로브 밸브의 구조형상을 표시하였다

(3)체크밸브

체크 밸브는 배관계통 구성에 있어서 계통의 운전 상태에 따라 자력으로 계폐하는(SELF ACTUATING)유일한 밸브이다 따라서 다른 밸브와는 달리 한번 설치하면서 유지 보수 등의 문제를

간과하기 쉬운 밸브이므로 최초선정에 주의를 요한다체크밸브는 외양 및 작동 측성별로 스윙체크 리프트체크 틸팅 디스크 체크 홀딩디스크 체크 인라인

체크 스톱 체크로 대별할 수 있으며 가장 대표적인 체크 밸브는 스윙 체크 밸브이다 밸브의 크기는

거의 제한이 없으며 설계 형식 또한 매우 다양하다 체크 밸브 선정에 있어서 무엇보다도 중요한 것은

밸브에 있어서 압력 강하량의 크기문제 체크밸브 사이의 유체흐름 속도의 문제 밸브의 설치 위치와

누설한계 등의 문제 및 계통 특성상 체크밸브의 닫힘 시간의 문제를 고려한 후에 체크밸브의 형식을

결정하여야 한다 이에 대한 보다 구체적인 설명은 추후 기술하기로 한다스윙체크밸브(SWING CHECK VALVE)체크 밸브중에서 가장 널리 많이 쓰이고 있는 형식으로서 간단한 구조와 신뢰성 있는 동작을 특징으로

한다 외양에 따른 형태는 T 형 Y 형 및 웨이퍼(WAFER)형이 있으며 T 형이 대부분이다 디스크와

시트의 접촉 형식은 금속 대 금속 금속 대 탄성질의 합성고무 금속 대 합성고무링이 삽입된

금속판으로 접촉된다스윙의 각도는 0~45로 설계되며 수평 설치시를 고려하여 5~7만큼 전방행으로 경사시켜야

한다 유체의 역루에 의한 순간 닫힘시(SLAMMING)디스크의 운동량을 적게하면 급폐가 용이하여

수격현상을 감소시킬 수 있으므로 스윙의 각도는 밸브에서의 마찰로 인한 압력손실이 허용하는

범위내에서 적게하면 좋다 단점으로는 슬램(SLAM)현상과 불규칙한 유체흐름시 디스크의 빈번한

운동으로 힌지 핀의 마모가 예상되며 밸브 구조상 완벽한 기밀 유지가 곤란하다는 점이 있다 스윙

체크 밸브에서의 입력 강하량은 계통 설계 측면에서 낮을수록 좋지만 대략 다음식으로 압력강하량

정도를 예측한다ΔP=3228(1ρ)(MCv)2=2238(1ρ) (mAf)2여기서 ΔP=Psiρ=유체의 밀도(1bft3)m=질량유량(1bsec)Cv=밸브의 유량 계수(gpmradicpsi)또한 스윙 체크 밸브에서 원활한 운전을 위하여 요구되는 최소 흐름속도는 이론적으로 다음과 같은

식으로 표시된다Vmin=4568(wcosθ)(PAsin2θ)05여기서 W=디스크 아암 무게의 05 배와 디스크 무게를 합한 값(1bf)A=디스크의 면적(inch2)θ=유로 충돌면의 각도

리프트 체크 밸브(LIET CHECK VALVE)스윙 체크 밸브에 비하여 유체의 속도가 비교적 빠른 조건에서 사용하며 내누설 특성이 양호하다 그로브 밸브의 외양과 비슷하며 디스크 모양에 따라 피스톤(or POPPET)형식과 볼 형태의 것이 있다 그러나 단점으로는 디스크와 안내면에서의 고착 가능성 과 디스크의 빠른 자전(SPINNING) 그리고

대구경의 경우에는 평형관이 필요하게 된다틸팅디스크밸브(TILTING DISC CHECK VALVE)스윙체크밸브가 밸브 디스크의 개폐 속도 및 유량 변화에 신속히 대응하는데 부족한 반면 리프트 체크

밸브는 아에 비교적 양호한 특헝을 갖고 있다그러나 압력손실의 정도 보수성 및 내수설에 대한 구조로 보아 스윙 체크밸브는 매우 양호한 특성을

갖고 있음으로 스윙 체크 밸브와 리프트 체크밸브의 장버을 절충하고 아울러 슬램(SLAM)에 의한

영향을 최소화시킨 구조의 밸브가 틸팅 디스크 체크밸브(TILTING DISC CHECK VALVE)이다 이

체크밸브도 가능한한 균일한 흐름이 예상되는 곳에서의 사용을 권장한다홀팅디스크 체크 밸브(FOLDING DISC CHECK VALVE)홀딩 디스크 체크 밸브의 가장 큰 특징은 밸브가 매우 콤팩트하다는 것이다 디스크를 스프링의

힘으로 유지하므로 스프링의 상수를 조절하면 디스크의 열림 최소요구 속도를 조절할 수 있으며 또한

매우 미세한 차압상태에서도 개폐를 할 수 있어서 계통의 요구사항대로 설계가 가능하다 물론

스프링의 힘을 이용하기 때문에 디스크의 급폐(急閉)성이 양호하다기타 앞에서 설명한 체크 밸브 이외의 것으로는 리프트 체크 밸브 형식의 인-라인(IN-LINE)체크

밸브와 스톱 밸브와 리프트 체크 밸브를 결합한 스톱 체크 밸브가 있다 체크 밸브의 설치 위치 및

유로 방향이 밸브 기능에 미치는 영향은 다음과 같이 요약한다 스윙 체크밸브수평 또는 수직 수직배관에 설치시에는 밸브의 최소 흐름 속도에 디스크의 최대 열림각도(45이하)만큼을 고려한다즉Vmin vert=( Vminhorize)(tamθ)05또한 밸브의 힌지핀에 중추(COUNTERWEIGHT)를 이용하면 계통 특성에 따라 디스크의 열림

최대흐름 속도를 조절할 수 있다리프트 체크 밸브

TEE TYPE-수평WYE TYPE-수평수직 수직설치시 스프링을 사용하면 효과

ANGLE TYPE- 밸브입구는 필히 수직 배관

틸팅 디스크 체크 밸브수평

홀딩 디스크 체크 밸브수평수직 그러나 한지핀은 필히 수직방향

인-라인 체크 밸브수직(드물게 수평) 내부 점검을 위한 배관분리가 요구됨

스톱체크밸브

TEE TYPE-수평ANGLE TYPE- 밸브 입구는 필히 수직 배관

WYE TYPE-수평수직경사형(INCLINED)-수평그림 89 생략

볼 밸브의 설계

볼 밸브의 구조에 있어서 가장 유의할 부분은 내누설 구조를 위한 밸브 시팅 및 씰링구조이다이 시팅구조는 볼을 감사는 볼 시팅의 씰링과 스템의 씰링이 있다 특히 밸브 내부누설을 완벽히

방지하기 위해서는 볼 씨팅의 씰링과 스템의 씰링이 있다 특히 밸브 내부누설을 완벽히 방지하기

위해서는 볼 씰링재료의 물성 즉 탄성력(Resilient)와 윤활성 및 내온도성이 중요시되며 씰링재료가

합성수지일 경우에는 밸브의 사용온도가 800 이하로 제한된다다음은 볼 밸브의 선정에 있어서 가장 유의깊게 검토하여야 할 볼 씨팅 실링 재료의 허용 최고

사용온도표이다

(6)프러그 밸브(PLUG VALVE)프러그 밸브는 구조가 간단하고 조작의 간편성으로 밸브의 발명이래 현재까지 가장 널리 쓰이는

밸브중의 하나이다 프러그 밸브라는 명칭은 밸브 구조가 테이퍼진 원통 모양의 프러그로서 이

프러그에 원형 또는 사각형의 구멍의 프러그로서 이 프러그에 원형 또는 사각형의 구멍을 내고 이

프러그를 90회전함에 따라 유체의 흐름을 차단 또는 조절하는데에서 유래하였으며 매우

광법위하게 사용되고 있는 밸브이다 다음의 그림은 전형적인 프러그 밸브의 구조를 보여주고 있다 프러그 밸브는 거의 밸브 크기에 제한을 받지않고 생산이 가능하다 즉 크기로 보아 12부터 30까지 다양한 재질로 제작되고 있으며 구조상 12 를 초과하는 대형의 프러그 밸브의 프러그 구동상

윤활이 요구되고 있는게 특징이다 압력 등급기준으로서 상온 상태하의 압력으로는

175psig~1500psig(12~103Bar)까지 제작 가능하다 그러나 밸브의 트림 구조상 씨링이 절대

필요함으로 고온에서의 사용은 통상 400이하이어야 한다프러그 밸브는 기본적으로 다음의 두가지 방식으로 제작된다① 윤활 형식(lubricated type)② 비윤활 형식(non lubricated type)또한 프러그 밸브의 테이퍼 모양에 따라 프러그의 조립 및 보수를 밸브 상단에서 하는 경우 테이퍼가

아래쪽으로 된 하향경사형의 프러그 밸브와 반대로 프러그 밸브 하부에서 조립보수를 하도록 설계된

상향경사형의 프러그 밸브가 있다 그러나 중소형의 대부분 프러그는 하향경사형의 프러그 밸브이다 윤활형식의 프러그 밸브는 윤활이라는 용어로 인하여 밸브에 정말 윤활유를 주입하는 것으로

혼돈하기 쉽다그러나 실상은 별도의 윤활유의 주입을 필요로 하는 밸브가 아니라 밸브 구조상 프러그와 밸브

몸체간의 내부 누설 밸브 트림과 스템간의 외부 누설을 방지하기 위하여 프러그와 밸브 몸체와의

원형 홈(그루브groove)에 O-링(O-RING)과 같은 씰란트(SEALANT)를 삽입시킨 것으로 이

실란트가 프러그와 몸체간의 금속 마찰을 피하면서 부드럽게 작동함으로 이를 윤활 형식(lubricated type)이라고 한 것 이다 씰란트는 대부분 엘라스토머(ELASTOMER)로 튜브형 또는 스틱(STICK)형으로 제작되며 약 400까지는 안전하게 사용할 수 있다 이와 반대로 배윤활 형식은 매끄럽게

가공된 프러그와 밸브 몸체사이의 마찰을 엘로스토머 라이너(LINER)또는 씰 재로로서 자체적으로

해결하는 구조로서 밸브의 크기가 12까지 제한된다밸브가 12가 넘는 대형의 프러그 밸브는 윤활 형식의 구조를 가져야 한다 프러그 밸브의 몸체

형식은 다양한 설계형식을 갖고 있다 즉 밸브 외관으로 보아

SHORT PATTERNREGULAR PATTERNVENTURI PATTERNMULTIPORT PATTERN2-WAY 3-WAY 4-WAY 5-WAY등으로 구분할 수 있으며 접속단 형식도 다른 밸브와 같이 다양한 형식을 갖고 있다 단 프러그

밸브를 용접 설치할 때는 볼 밸브와 마찬가지로 프러그를 제거한 후에 용접하는 것이 바람직 하다프러그 밸브의 설계상 주요관점

프러그 밸브에 있어서 설계상 주요 관점은 볼 밸브와 마찬가지로 시팅 및 스템의 씰링 문제이다 그러나 프러그 밸브의 프러그와 밸브 몸체간의 시팅은 이차적인 시팅구조를 만들 수 없기 때문에

비윤활 형식의 프러그 밸브는 시팅 구조를 만들 수 없기 때문에 비윤활 형식의 프러그 밸브는 시팅

구조로 탕성이 좋은 엘라스토머등으로 라이닝 한 구조로 구성되며 따라서 밸브의 크기는 12까지로

제한한다 아울러 이러한 시팅 구조로 인하여 밸브 개폐에는 많은 토오크가 소요되어 통상적으로 4이상의 프러그 밸브는 기어열의 도움을 받는 작동기 (Geared Actuator)가 필요하다탄성이 좋은 엘라

스토머(Resilient Material)는 소형의 비윤활형 프러그 밸브에서 스리이브라이너로서 TFE(350) FEP(300)가 널리 사용되고 씰 및 와샤 재료로서 TFE TEFLON(400) 및 VITON(400)가 쓰인다 스템 씰링은 프러그 밸브의 형식에 따라

O-Ring Seal가압형 씰란트 챔버(Pressure Packed Sealant Chamber)금속TFE 조합 다이아 후람(Combination MetalTFE Diaphragm)등이 많이 쓰인다프러그 밸브의 응용

일반의 프러그 밸브는 양방향의 유체 흐름을 허용 하지만 3-WAY 4-WAY 5-WAY 프러그 밸브는

제작가사 흐름 방향을 지정한다 프러그 밸브는 공기 가스 기름은 물론 기름 혼합물과 같은 액체

스러리(Liquid Slurries)까지도 완전한 기밀(Bubble Tight)을 유지하며 개폐조작이 가능한 밸브로서

매우 다양하게 사용된다 특히 프러그 밸브는 스러리의 집적을 도모하지 않는 구조이기 때문에

불순물이 개제된 액체계통에 널리 쓰인다 이는 프러그의 개폐동작 자체가 집적된 불순물을

자동적으로 제거하기 때문이다프러그 밸브는 원칙적으로 유량조절용으로는 부적합하지만 프러그의 유로 통과 부분의 형상을

개선하여 유량조절이 가능하도록 한 프러그 밸브도 있다그러나 통상의 프러그 밸브도 유량조절의 정밀도가 그다지 중요하지 않을 경우에는 유량 조절도

가능하다단지 윤활 형식의 프러그 밸브는 절대로 유량 조절용으로 사용해서는 안된다 왜냐하면 프러그

포트큰처의 씰란트가 유로에 노출될 수 있으며 아울러 노출된 씰란트가 유체속도에 의하여

점진적으로 씰란트의 기능을 상실하게 할 우려가 있기 때문이다다이아후람 밸브는 탄성력이 매우 좋은 합성수지 또는 금속으로 다이아후람을 만들고 이를 밸브

몸체의 유로를 수직의 선형 운동으로 차단하여 유체의 흐름을 제어하는 밸브로서 밸브의 주요 트림

재료로서 다이아후람을 채용하였기 때문에 다이아후람 밸브라고 부른다이 다이아후람 밸브는 기본적으로 3 가지 구성요소(Part)로 구성되어 있는데 밸브 몸체 다이아후람

및 밸브 본네트로 구성된다 이 밸브는 구조가 매우 간단하고 밸브 몸체 및 트림부의 금속부를

유체로부터 완저히 격리시킬 수 있어 부식성 액체를 많이 취급하는 화학공장(Chemical Plant)에

많이 쓰인다그러나 트림을 구성하는 다이아후람이 구조 및 재질상의 제한 때문에 고온고압 계통에의 적용은

곤란하며 운전중의 제반 피로와 다이아후람 재질의 열화에 따른 강도 저하로 주기적인 다이아후람

교체가 요구되는 밸브이다아울러 다이아후람 밸브는 밸브의 구성 형식에 구애받지 않으므로 Y-형 T-형 ANGLE 형 및 공기압

작동식의 다이아후람 액츄에이터를 장착할 수 있다 이러한 밸브형식의 다양성가 아울러 PTFE(Non-Elastic Fluoropolymer)등으로 밸브 내부를 초청정상태로 유지할 수 있어 반도체공장용의 순수

가스 및 물라인 제약회사등의 고순도 유체관리가 필요한 프로세서에 핵심적인 밸브로 사용된다다음 그림은 기본적인 다이아후람 밸브의 외관이다다이아후람 밸브의 크기는 현재 14에서 20범위까지 생산이 가능하다일반적으로 가능한 다이아후람 밸브의 크기는 다음과 같다

밸브의 접속다 형식

나사 체결식

소켓용접형

맞대기 용접형

프랜지 체결식

다이아후람 밸브의 크기

14THUR312THUR2(프라스틱제)12THUR212THUR812THUR20(주철제)12THUR8(가단주철 및 청동)12THUR10(주강제)다이아후람 밸브의 몸체 형식

다이아후람 밸브는 유로 흐름을 양방향으로 할 수 있으며 다음의 기본적인 두가지 형식으로 제작된다웨어형(Weir-Type)밸브 몸체 하부에 웨어를 만들어 다이아후람의 운동량을 적게하고 아울러

다이아후람의 구조적 건전성을 높인 것으로 밸브가 비교적 콤팩트하다따라서 다이아후람 밸브의 대부분은 웨어형이고 특히 2가 넘는 밸브는 거의 모두가 웨어형을

채택하고 있다관통형(Straight-through-Flow)밸브몸체의 유로부가 어떠한 간섬이 없는 관통형으로서

밸브에서의 압력 손실을 국소화한 구조이나 밸브 개폐에 필요한 다이아후람의 운동량이 많고 따라서

밸브의 본네트가 웨어형에 비하요 크게됨으로 상대적으로 2이하의 소형에 사용된다 밸브의

건전성이 떨어짐으로 제한된 규모로 사용(제작)된다밸브 몸체의 모양은 T 형과 앵글형이 있으며 접속단 형식 또한 다른밸브와 마찬가지로 다양한 접속단

형식을 갖고 있다설계상 주요 관점

다이아후람 밸브에 있어서 가장 중요한 구성요소는 다이아후람이다 다이아후람은 밸브 트림의

핵심으로서 내부 누설이 없는 완벽한 유로차단(Bubble Tight Shutoff)과 다이아후람의 파손이 없는

즉 외부 누성이 없는 구조 및 재질이어야 한다 특히 여타 밸브와는 달리 다이아후라의 재질은 매우

중요한 것으로서 밸브의 건전한 운전을 위하여 수명기간동안 충분한 신뢰를 가져야 한다 다이아후람의 재질로 보아 제작 가능한 다이아후람밸브의 크기는 다음과 같다다이아후람 밸브의 몸체는 PVC 등과 같은 합성수지로부터 고가의 티타늄가지 매우 다양한 재질을

응용할 수 있으며 특히 밸브내부를 라이닝하기가 그 어떤 밸브보다도 용이한 것을 특징으로 한다다이아후람 밸브의 응용

다이아후람 밸브는 배관계통에서 거의 대부분을 스톱밸브로 사용된다 또한 밸브 몸체의 구성재료의

선택이 자유롭기 때문에 반도체 산업에서 쓰이는 순수(Pure Water)에서부터 찐득찐득한 오염액체 불순물을 다량 포함하고 있는 부식성액체의 수송용 밸브는 물론 개스 수송용 밸브에까지 선택의 폭이

넓다그러나 사실 이 밸브는 상대적으로 좋은 유체제어 특성을 가질 수 있어 적절한 재질의 다이아후람을

사용할 경우에는 유량제어용 밸브로도 사용할 웃 있다

그러나 다이아후람의 재질상 사용 가능한 압력은 다른 밸브류에 비하여 매우 낮으며 밸브의 크기가

커질수록 다이아후람에서 부담해야 하는 유체압려게 의한 힘은 거의 지겨의 제곱에 비례하기 때문에

이 밸브를 배간계통에 적용하고자 할 때는 계통설계자(System Engineer)와 밸브제작자의 충분한

협의가 필요하다이는 고온운전시 뿐만아니라 저온운전시에도 배관계통의 압력이 200Psia 를 넘을 때에는 필히

밸브제작사와 협의하여 밸브를 선정하고 가능하면 운전상 유의사항도 자문하여 주어야 한다 한 예로

미국의 유명 다이아후람 밸브 제작사인 ITT-Grinnell 사의 기준은 다음의 표와 같다 표에서 박스안의

값 단위는 psia 이다(8)기타 밸브류

기타 밸브로는 일반적으로 유체제어에 널리 사용되지 않지만 특수 목적 또는 제작 및 사용상의 요구가

매우 간단한 경우에는 그 경제성 때문에 일부 사용되는 밸브로서 전자와 같은 경우에는 앞서 언급된

게이트 밸브등 7 종류의 밸브를 일부 변형하여 제한된 특수 목적에 사용하는데 특수 목적의 대부분은

유체제어의 방법과 내부 기밀유지로 요약된다특히 프러그 밸브의 경우 트림의 모양을 원형(Prototype)의 프러그를 완전히 변형한 형식인 에센트릭

(Eccentric)프러그 밸브를 대표로 들 수 있다이 밸브는 에센트릭 프러그의 모양에 따라 유체 르므의 특성을 사용자 요구에 맞게 제어할 수 있다 다음 그림은 에센트릭 밸브의 운전형식을 보여주고 있다핀치(Pinch)밸브는 원통형상의 엘라스토머(Elastomer)로 구성된 스리이브를 금속제의 밸브몸체에

끼우고 몸체 중간에서 스리이브를 누름으로 스리이브를 통하여 흐르는 유량을 제어할 수 있다 스리이브를 누르는 형상이 영어로 PINCHING 이라고 함으로 이러한 밸브를 핀티밸브라고 한다 밸브

구조가 너무 간단하고 유로 부분이 자연스럽게 교축됨으로 밸브에서의 저항 즉 압력손실이 적다 밸브 구조상 사용온도는 엘라스토머의 재질에 제한받게 마련이며 스리이브의 코아를 강철코드(steel cord)나 화이바그라스(유리섬유fiber glass)로 보강되었을 경우 40까지 가능하나 사용 압력은

밸브 사이즈에 따라 다르게 됨으로 밸브제작사의 자문을 받아야 한다그러나 사용온도는 아무래도 200이하인 대기압에서의 물의 비드점 이하에서 사용하는 것을

추천한다 다음 그림은 핀치 밸브의 운전 모양을 보여주고 있다이스라엘 MIL 사는 1976 년부터 핀치밸브의 스리이브내에 코아형의 지지대를 설치하고

배관계통의 유체압력평형(Balance)를 이용하여 밸브를 손쉽게 개폐조작하느느 상품명 INBAL 밸브를 소개하고 있다 이 밸브는 특별히 소방배관과 같은 경우에는 계통의 압력응답이 좋기 때문에

해외에서는 청수의 소방배관 농장의 스프링쿨러 배관 및 공공시설의 급수배관의 주 조작밸브로

사용하는 사례가 적지 않다 다음 그림은 INBAL 밸브의 운전조작 특성을 보여주고 있다 다음의

밸브는 피스톤 또는 변위형밸브(Displacement Valve)로 알려져 있는 미국 Fetterolf 사의 특수

밸브이다 이 밸브는 일반적으로 램 밸브(Ram Valve)로 알려려 있는데 탱크의 바닥이나 배관라인에

밸브 디스크(디스크 형상이 Piston 식임)안내면이 직각으로 되게 설치된다이 밸브는 특히 배관라인이나 탱크의 배수에 탁월한 효과를 가진다2밸브공학의 기초

22 밸브에 있어서 유체역학밸브는 유체계통은

제어하는 최종의 제어요소(FINAL CONTROL ELEMENT)로써 계통의 압력 온도 및 유량을

바로미터로 하여 유체계통을 능동적인 형태로 제어한다 따라서 주요 제어목표는 당연히 물리적인

양인 압력과 유량으로 단순화되어야 할 것이다 물론 온도의 영향은 필히 고려 되어야 한다 아울러

유체의 물성(物性) 및 제어환경의 영향이 고려된다기본적으로 제어밸브의 유량특성은 유체가 공학적 측면으로 압축성 유체와 비압축성 유체로 대별하여

설명할 수 있으며 또하 여기에 이 두가지 유체가 혼합되어 배관계를 흐르는 이상 유체도 공학적인

측면에서 매우 중요하다 따라서 현재와 같이 고도화되는 프로세스 플렌트에서는 배관계통의 문제점

대부분이 제어하는 부분에서 유체의 급격한 성질변화-균일 해석가능한 유체에서 불균일하고 해석이

곤란한 二上유체화 등-에 기인한다고 해도 과언이 아니다 대표적인 사례로써 오리피스후단이나

밸브후단에서의 유체천이현상 등이 있다일단 여기서는 우선 제어요소인 밸브의 기본 유체이론으로써 유량특성의 물리적 의미를 간단히

수식으로 표현하요 밸브의 유량제어관계를 이해하고자 하는데 목적이 있다 밸브에 있어서

제어요소가 구성되는 곳은 밸브의 디스크와 시트이다 이 디스크와 시트부분은 교축되어 있으며 이곳의 교축점의 유로 단면적을 인위로 조절함으로써 배관계의 유량과 압력을 조절할 수 있다 지금

이상적인 유체가 이 교축점을 지날대 유체의 에너지 방정식을 적용하면 그림 37 에서와 같이

V122g+H1=V222g+H2 V22-V12=2g(H1-H2)여기서 V12=배관계 내의 유체속도 첨자 1 은 입구배관 첨자 2 는 교축지점 g=중력가속도 H12=기준선으로 부터의 위치 에너지의 양(압력수두) 그리고 배관계 내를 흐르는 유량 Q 는 일정하므로

Q=A1V1=A2V2A12=첨자 12 지점의 유로단면적

V1=(A2A1)V2=mV2따라서 V22-m2V22=2g(H1-H2)V2=radicV2=2g(H1-H2)1-m2결론적으로 제어유량은

Q=A2V2=A2radicV2=2g(H1-H2)1-m2그러나 이 경우는 배관 내를 흐르는 유체의 압력 손실을 전혀 고려하지 않은 이상적인 경우임으로

실제와는 상당한 차이가 있다그림 38 은 배관계통에서의 손실을 고려한 것으로써 이 손실에 대한 양은 유체출구의 형상 및

배관내의 제반손실요소에 따라 실험적으로 결정되므로 이론적으로의 접근은 매우 복잡하고 아울러

어렵다 이 손실의 정도를 손실계수 C1 이라고 정의하고 F=1~m3 라고 하면 출구의 제어유량은

Q=C1FA2radic2g(H1-H2)가 된다 22 밸브에 있어서 유체역학

일반적으로 유체역학에서 오리피스의 적용은 전호에서 간단하게 언급했듯이 교축관에서의

수력구배와 급격한 유로단면적의 변화로 생기는 소용돌이 마찰 손실등 에너지 손실을 적극적

(Positive)으로 이용한 것이다실제로 밸브 디스크와 시트는 분명한 오리피스의 교축과 유사하며 이를 그림으로 표시하면 그림 39 와

같다 오리피스의 목(Throat)바로 하단에 생성되는 유로의 최소단면을 Vena Contracta 라고 하는데

이곳에서의 에너지랭을 Hvc 라고 하고 또한 이곳에서의 급격한 교축으로 인하여 소용돌이로 인한 손실 속도천이로 인한 속도에너지의 손실 등 많은 손실이 이곳에서 일어난다이러한 오리피스에서의 손실의 정도를 계산하기 위하여 새로운 계수 C 를 도입하여 C=C1(AVCA0)로 한다 실제로 Vena Contracta 에서의 유속 Hvc 및 단면적 Avc 의 계산은 실험적으로 C 를

측정하여 정할 수 밖에 없다H1 HVC H2 의 관계를 압력회복계수 FL 로 표현하면

FL=radicH1-H2H1-HVC 이다이 FL 을 적용하여 제어유량의 식을 정리하면

Q=CFAOFLradic2g(H1-H2)가 된다이식을 공학단위로 바꾸면

Q=갤론분A0=inch2 H1-H2=ΔPG 이므로

Q=380CFAOFL 라고 정의하면

Q=CVradicΔPG 가 된다이러한 밸브에서의 유량과 CV 의 관계신은 1945 년경 미국의 유명 제어밸브회사인 MANSONEILAN에서 제시한 아이디어를 구체하시킨 것으로 지금은 ISA(Instrument Society Of America)에서

제어밸브의 기준 Paramerter 로 사용되고 있다 CV 는 ISA 에서 규정한 절차에 따라 실험적으로

측정된다이 CV 의 특정방법조직은 다음의 그림 40 과 같다이 CV 의 의미는 밸브전후의 차압(ΔP)이 1psi 에서 1 분당 흐르는 유량을 US갤론으로 표시한 값이고

이를 미터단위 (유량m3Hour 비중물=1 차압kgfcm2 로 표시하려면 보정계수 117 를 곱하면 된다그러나 실제로

Q=CVradicΔpG 의 식은

유체의 속도가 어느정도 이상인 그리고 밸브 전후의 배관계의 형상은 유체의 흐름에 직접적인

영향을 주게됨으로 밸브를 통한 유량 Q 는 다음의 배관형상계수 FP 를 도입하여 보정되어야 한다 즉Q=FP CVradicΔpG(us gallon 단위)Q=0865FP CVradicΔpG(미터 단위)가 된다만약 밸브내의 유동이 비난류로 판정되면 FP 의 계산은 더욱 쉬워 진다즉 레이놀즈 수를 계산하여 밸브의 FP값을 적용할 수 있다자세한 사항은How Equations for Siging Control Valves ISA-S7501를 참조한다 밸브에서의

통과 유체가 증기나 가스인 경우 계통압력의 변동에 따라 압축되거나 팽창될 수 있어

밸브유량계수의 논리적 설명은 더욱 힘들어 진다특히 가스의 경우 압력이 저하되면 팽창이 되므로 팽창계수 Y 를 고려한다 이 Y 의 값은 밸브 입구와

포트의 면적비 밸브내브의 유로 형상 압력강하비 비열비 및 리에놀즈 수에 크게 영향을 받는다 다음의 그림 41 은 밸브 및 배관계에 있어서 에너지 구배정도를 설명하는 매우 좋은 예이다 이

그림에서 각 기호는 물리적량을 표시한 것으로 모두 에너지량이다 배관계통에 있어서 밸브는 없어서는 안될 중요한 제어요소이다유량을 조절하거나 차단하고 유체가 정상적으로 흐르는가를 확인하기도 한다그러나 밸브는 배관계통상에서 원활한 유체 흐름을 방해하는 일종의 저항요소로서의 작용은 피할 수

없다 이것은 밸브에서의 압력손실을 밸브에서의 압력 손실을 KV 로 표시하면

KV=144ΔpρV22gΔP=1bfinch2 V=bfsecρ=유체의 밀도(16mft3)그런데

Cv=QradicGΔP 이므로

ΔP=KV144GV22G=G(QCV)2또는

CV=radicG2Gρ(QV)12radicKV그런데

Q(231in3gal 1min60sec 1f31728in3)=AV=πD2V4144여기서

D=배관의 직경 inchV=배관내 유체속도(ftsec)앞의 CV 항과 배관내의 유체유량 (Q)를 한데 묶으면

CV=298395 D2radicKV따라서 우리는 밸브응용에서 중요한 사실 한가지를 여기서 알아낼 수 있게 한다즉 밸브제작자로부터 4Prime의 CV=236 인 밸브를 구매하였다면 밸브에서의 압력손실계수는 다음과 같이

계산된다KV=29842(4)42362=4093~41 이 된다물론 배관계통내의 압력 유속과 유체의 밀도에 따라 KV 의 값은 변화하게 되나 일반적

공학응용에서의 완권 개방된 밸브의 형태별 KV 값은 대략 다음과 같다만약 배관내의 유체가 압축성 유체 즉 가스라면 CV 는 여기에 맞게 보정되어야 한다Q=radic520T C1CVP1 Sin(3417C1radicΔPP1)로 나타낸다 여기서 C1CV=Cg 로 표현하고 실험적으로

Cg 의 값은 개략적으로 32-36 정도의 값을 갖는다다른 방법으로는 밸브의 형상계수(Configurationfactor)와 등가오리피스 방법을 사용하여 밸브의 P를 구하는 방식이 있다 즉 밸브크기의 결정에 있어서 밸브의 유체 교축부를 등가의 오리피스

직경으로 고려하며 손실 계수 KV 를 구하는 것이다KV=b1(dLdEO)4 여기서 dL=밸브 입구의 직경(Inch) dEO=C(dL)107C=밸브의 트림형상에 따라 결정되는 형상계수

b1=계수(액체의 경우 2786 공기의 경우 3084)따라서 밸브에서의 압력손실량은

ΔP=KVρV2288g g=3864 inchsei2=00837 kvρQdL4g여기서 Q=US gaLmin(GPM)이다다음의 그림 42 는 밸브의 완전열림상태(Full Ported)를 기준으로 하는 밸브 형상 계수 C 이다 그림

43 은 밸브의 등가 오리피스 지경과 밸브 입구 내경에 대한 형상계수의 관계이고 그림 44 는 밸브

입구내경과 형상계수 C 에 따른밸브에서의 손실계수의 K 의 관계이다 그림 45 46 47 은 볼 밸브 버터플라이 밸브 및 게이트 밸브의 밸브 개도에 따른 밸브의 손실 계수 값을 보여주고 있다23 밸브의 재료학

231 재료 사양의 일반적 사항

재료 사양(Material Specification)이란 재료가 가지고 있는 물리적 및 화학적 고유 특성과 성질을

정의한 것으로써 그 특성에는 화학 성분과 기계적 성질 등이 포함된다한편 재료 사양은 기본적으 로 화학조성 기계적 성질 가공방법 또는 제품 형태별 등의 공공 성격에

따라 분류 되어지고 있다1)재료 사양(Material Specification)재료 사양 체계를 관리하는 기관으로는 여러 기관이 있으며 이들 기관은 정부로 부처 재료 사양의

관리에 대한 권리와 책임을 갖고 있다 이 중에서 강(鋼)에 대한 사양 체계로는 미국 철강협회(AISI)가

만들어 놓은 4 자리 번호 체계가 가장 널리 쓰이고 있다 그리고 이 4 자리 식별 체계는 AISI-SAE steel designation system 이라고 부른다그 외에 미국 시험 및 재료 학회(asme)의 사양 제품에 관한 사양을 만들어 내는 주요기관과 사양을

열거하면lt표 1gt과 같다232 재료 사양의 구성

기자재 설계에서 우리 엔지니어들이 업무 수행중에 가장 자주 접하게 되는 재료 사양의 몇가지에

대하여 그 구성 또는 기호 체계를 좀더 상세히 살펴보면 다음과 같다1)ASTM미국 시험 및 재료 학회 사양으로서 매년 보완하여 발행하고 산업 전반에 걸친 재료와 시험 요건을

규정하고 있으며 1990 년과 ASTM 표준은 표 2 와 같이 총 68권으로 이루어져 있다2)ASME(A) 일반ASME 코드라 하면 보통 미국 기계학회(ASME)가 발행하는 BOILER amp PRESSURE VESSEL CODE를 말하며 이 코드는 11 개 SECTION II 으로 구성되어 있고 그 중에 SECTION II 는 안정성에

적절하며 발전소 건설에 소요되는 압력유지 기기와 압력 용기의 제작 건설에 필요한 재료 사양중 다음

내용을 담고 있다① 추천되는 적용 분야와 제한 사항(suggested service application and limitations)② 실용화된 재료 가공 방법 및 제품 형태

(material processing methdos utilized and product form available)③화학 조성 미치 금속학적 성질

(chemical compositions and metallurgical properties necessary to define meterical characteristics)④ 기계적 성질의 최소값

(established minimum mechanical properties)그렇기 때문에 section II 재료 사양이 다른 section 의 지배를 받는 기기 설계에 모두 그대로

사용해도 적절 하다는 뜻은 아니다 예를 들면 sectionIII 에 의한 원자력 기기의 기술 규격서

작성시에는 sectionII 에서 기기 등급(class)별로 요구하고 있는 충격시험 비파괸시험 등을 추가로

반영한 재료 사양을 적용해야 한다는 뜻이다 한편 section I 는 PART ABC 의 3권으로 나누어져

있다PART A- FERROUS MATERIALSPART B- NONFERROUS MATERIALSPART C-WELDING RODS ELECTRODES AND FILLER METALS그리고 sectionII 중 PART A 와 B 의 재료 사양은 ASTM 사양과 내용이 동일하거나 약간 다른 경우는

압력용기 설계기준을 고려해서 몇가지 사항을 추가했을 뿐이다(B) ASME section II PART APART A 는 철강 재료를 다루고 있으며 11 가지의 제품 형태

(PRODUCT FORMS)별로 사양을 다음과 같이 대별하고 있다1 STEEL PIPE2 STEEL TUBES3 STEEL FLANGES FITTING VALVES AND PARTS

4 STEEL PLATES SHEET AND STRIPS FOR PRESSURE VESSELS5 STRURAL STEEL6 STEEL BARS7 STEEL BOLTING MATERIALS8 STEEL BILLETS AND FORGINGS9 STEEL CASTINGS10 CORROSION-RESISTING AND HEAT-RESISTING STEELS11 WROUGHT IRON CAST IRON AND MALLEABLE IRON(C)ASME SECTION II PART B 비철 재료를 다루고 있는 PART B 는 합금과 제품 형태(ALLOYS AND PRODUCT FORMS)별로 사양을 12 가지로 대별하고 있다1 ALUMINUM AND ALUMINUM ALLOYS2 COPPER AND COPPER ALLOY PLATE SHEET STRIP AND ROLLED BAR3 COPPER AND COPPER ALLOY BAR AND SHAPES4 COPPER AND COPPER ALLOY PIPE AND TUBES5 COPPER ALLOY CASTINGS6 NICKEL AND NICKEL ALLOY PLATE SHEET AND STRIP7 NICKEL AND NICKEL ALLOY OD BAR AND WIRE8 NICKEL AND NCKEL ALLOY PIPEAND TUBES9 NICKEL ALLOY CASTINGS10 NICKEL AND NICKEL ALLOY FITTINGS11TITANIUM AND TITANIUM ALLOYS12 ZIRCONIUM AND ZIRCONIUM ALLOYS(3)JIS(A)일반사항

일본 공업 표준(JIS)에 의한 철강 재료의 규격은 우선 鐵 과 鋼으로 크게 나눠지고 철은 다시 선철 합금철 및 주철로 분류되고 있다또한 보통강은 후판 박판 선재처럼 형상이나 용도별로 특수강은 강인강 공구강 특수 용도강처럼

성질에 따라서 강관은 강종과 용도별로 세분되고 있다(B)철강재 기호 설명

철강재 기호는 원칙적으로 아래 예와같이 3 부분으로 구성되어 있다예 S S 41 (1)(2)(3)(1) 강(2)구조용 압연재

(3)최저 인장강도 41 kgfmm2① 최초 부분은 재질을 표시한다예 S 鋼 F鐵②번째 부분은 규격명 또는 제품을 표시한다예 S STRUCTURAL(일반 구죠용 압연재)U SPECIAL USE(특수 용도강)

C CASTING(주물)FFORGING(단조)슈BOILER AND HEAT EXCHANGE TUBE(열전달용관)UHHEAT RESISTING(내열강)UPSPRINGUSSTAINLESS 강체COLD PLATE(냉연판)HPHOT PLATE(열연판) 등이 있고 구조용 합금강은 NCM처럼 첨가원소의 부호를 사용한다③ 마지막 부분은 재료 종류 번호의 숫자 또는 최저인장강도를 표시한다예 11 종

2A2 종 A GRADE50최저 인장강도(50 KGFMM2)(C)JIS 기계 구조용강 기호 체계

① 주요 합금 원소 기호

주요 합금원소 기호는 표 3 과 표 4 에 따른다② 주용 합금원소량 코드

표 5 는 주요 합금원소량을 구별한 것으로 탄소강을 제외한 다른 강종에 모두 쓰인다③ 탄소량의 대표치

탄소 함유량 중앙치 백분율 100 배한 수치를 적는다

예 SIZE 탄소 중앙치 012④ 부가기호

제 1 그룹은 기본강에 특수원소를 첨가했을 때 표시

(예 L납 첨가 S황 첨가 U캄슘첨가)제 2 그룹은 화학성분 이외헤 특별한 보증하는 성질을 표시

(예 H경화능 보증강 K표면 경화용 탄소강)(4)KS(A) 일반한국공업표준(KS)은 A 에서 W 까지 15 개 부문으로 대별된다A-기본 B-기계 C-전기 D-금속 E-광산 F-토건 G-일용품 H-식료품 K-섬유 L-요업 M-화학 P-의료 R-수송기계 V-조선 W-화공

(B)철강재 약어 설명

KS 철강재에 나오는 강재중 주요한 것을 열거하면 다음과 같다일반 구조용 압연강재(SS)용접 구조용 연압강제(SWS)용접 구조용 내후성 열간 압연강재(늠)고 내후성 압연강재(SPA)보일러용 압연강재(SBB)기계 구조용 탄소강재(늩ㅌㅊ)구조용 합금강 강재(SMnSCr SMnC SCM SNC SNCM SACM)

공구용 탄소강재(STC)합금공구강재(STS STD STF)고속도 공구강재(SKH)스테인리스강

내열강재

C-Cr 베어링 강재

스프링강재

타소강 주강픔

쾌삭강재

스테인리스강 주강품

타소강 단강품

합금강 단강품

(c)ks 구조용 함금강의 기호체계 ksrn 조용 합금강의 기호체계는 2023(c)에서 설명한 JISRLRp 구조용강 기호체계와 동일 하다 예회 탄소강JIS 는 S 利C 인데 비해 KS 는 SM 利 C 이다233철강의 분류 및 식별 체계

1)일반사항

공업용 철강 재료는 화학적으로 순수한 Fe 가 아니고 Fe 를 주성분으로 하여 각종의 성분 즉 C Si Mn P S 등을 품고 있으며 이러한 성분들은 철강의 성질에 중요한 영향을 준다금속 조직학상으로는 C 20 이하를 강 C 20 이상을 주철로 규정하고 있으나 C 13-2 5의 범위는

실용성이 적으므로 공업적인 생산은 별로 하지 않으며 주철의 탄소 함량은 보통 25-45 범위에

있다또 위에서 말한 철강 중에 5 성분 외에 특수한 성질을 얻기 위해서 특수원소 즉 Ni Cr W Mo 등을

철강중에 부가하거나 또는 위에 적은 5 원소 에속하는 것이라도 특수한 성질의 부여를 목적으로

함유량을 많게 하는 것이 있다 예를 들면 Si 를 많이 품은 규소강 Mn 을 많이 품은 냄마모강 등에

특수강(Special Steel)또는 합금강 (Alloy Steel)이라 하고 이에 대하여 보통을 강을 탄소강(Cardon Steel)이라 하고 철광석 제련의 산물 제강 그밖에 원료로서 쓰일 때 선철 (Pig Iron)이라 부른다 KS DOO41 철강용어에서는 합금원소의 최저 함유량 기준에 대해 표 6 과 같이 일본 관세협력이

사회(Customs Cooperation Council)에서 분류하는 화학 성분에 따른 합금강 규정을 채틱하고

있다 편의상 합금워소 함유량의 다소에 따라서 고합금강 또는 저합금강이라 부르는수도 있다2)AISI(A)일반미국 철강 협회 (AISI)에서 탄소강과 합금강을 정의내린 규정을 살펴보면 다음과 같다1 탄소강(Carbon Steel)탄소강이란 탄소를 보통 006sim20 품고 있으며 기타 합금원소는 조금씩 존재하되 특히 다음

원소는 제한된다 Mn 165 maxSi 060 maxCu 060 max한편 탄소강을 Plain Carbon Steels Mild Steels Low-Carbon Steels 또는 Straight-Carbon Steels 이라고 부르기도 한다

2합금강(Alloy Steels)탄소가 1 이하 들어간 철로써 망간 165 규소 06중 1 가지라도 함량이 넘거나 알루미늄 크롬 (최대 399) 코발트 몰리브덴 니켈 티타늄의 여라 합금원속 첨가된 강을 지칭함단 합금의 총합은 5 미만이어야 한다(B)탄소강 및 합금강의 식별체계미국 철강 협회는 미국 자동차 학회 (SAE)가 채택하고 있　

식별체계는 탄소강과 합금강을 식별하는데 가장 널리 쓰이고 있으며 그 식별체계는 4 자리로

구성되어 있고 주요 그릅을 요약하면 표 7 과 같다(1) (2) (3)1첫째자리 숫자는 주요 합금원소를 표시함1Carbon2Nickel3Nickel - Chromuium4Molybdenum5Chromium6Chromium - Canadium7Tungsten - Chromium89Multiple Alloy2둘째짜리는 대체로주요 합금원소의 함량 ()을 표시함 예 23利니켈을 약 3 함유

3마지막 2 자리 숫자는 탄소 함량의 중간치 ( 100)을 표시하며 탄소가 10이상일 때에는 3자리가 됨 예 1040 탄소함량 040 (C)스테인리스강을식별 체계

1가단 스테인리스강

가단 스테인리스강(Wrought Stainless Steel)의 식별을 위해 AISI 와 기타 규제 기관들이 공통으로

채택하고 있는 기

관들이 공통으로 채택하고 있는 체계는 3 자리로 구서되어 있다 (1) (2)(1)첫째 자리는 주성분을 표시함 2利크롬 니켈 망간을 주성분으로 함

3利크롬-니켈 합금

4利크롬 합금

5利원래는 석출경화형에 쓰였으나 현재는 AISI 가 이식별 체계를 버리고 대신에 UNS 체계를

사용하고 있음(2)마지막 2 자리는 특별한 의미가 없으며 스테인리스강을 발전에 따라 고유번호를 붙여왔음2스테인리스 주강

스테인리스 주강을 식별을 위해 미국 주물 학회 (ACIAlloy Casting Institute)가 채택하고 있는

주요 Cast Alloy Designation 을 AISI 의 가단 스테인리스강 Type 과 비교 하면 표 8 과 같다 여기에서 ACI 식별 번호의 첫째 자리중 C 는 내부식 용도를 뜻하고 H 는 내열 및 내산화 용도를

말한다 한편 스테인리스강 주강품에 대하여 KS애소 규정하고 있는 종류를 ASTM 이나 ACI 의 식별

번호와 비교하면 표 9 와같다3)Unified Numbering System(A)일반사항

1Unified Numbering System(UNS)이란 철강을 포함한 모든 금속 합금의 식별 체계를 만족시키가

위하여 미국 재

료 및 시험학회 (ASTM)와 미국 자동차 학회(SAE)가 공동으로 개발한 재료 식별 체계이다2UNS 는 합금의 조성과 특성은 언금하지 않는다다만 AISI 나 다른 재료 사양 작성 기관이 만들어 낸 재료 사양을 총제적으로 식별하고 있을 뿐이다2UNS 는 기존의 재료 사양을 대체해 가는 과정에 있다

(B)구성

UNS 는 5 자리로 구성되어 있으며 대체로 기존 식별 체계를 다음과 같은 형태로 포용하고 있음예 1탄소강 AISI 1020 rarr UNS G10200 2스테인리스강 Type 316 rarr UNS S31600 Type 316 rarr UNS S316513UNS 의 기본 시리즈는 lt표 10gt과 같음4UNS 번호를 부여하는 책임 기관은 lt표 11gt과 같음4)철강 제품의 종류 및 제조 공정

철강 제품에 대한 일반적인 제품의 혀애와 그 제조 공정 및 제품별로 그 사이즈에 대한 저으이는

관련ㄱ 재료 사양을 참조하면 된다한편 ASME B311 Power Piping에서 파이프와 튜브에 대하여 그 차이를 다음과 같이 정의를

내린고 있다-Tube-단면의 형태가 어떠하든지 구멍을 가지고 있으며 그 구멍의 외곽형태가 연소적인 재푸미을

말한다(A tube amd a hollow product of round or any orher cross section having a continnous periphery)-Pipe-단면의 형태가 구형인 튜브를 말함(Apipe is a tube with a round cross section conforming to the dimensional requirements for nominal pipe size as tabulated in ANSIB3610 Tables 2 and 4 ANSI B3619Table 1 For special pipe having a diameter not lisred in these Tables and also for round tube the nominal Diameter corresponds with the outside diamenter234 재질의 특성과 선택

유체제어에 있어 밸브는 유체성의 특겅 즉 압력 온도 및 물리화학적 특성등에 견딜 수 있는 재질로

제작되어야 한다 따라서 밸브용 재질로 널리 사용되는 철강의 종류는 이들의 모든 특성을 고려해야

하기 때문에 의외로 매우 다양하다재지르이 선택기준은 유체의 온도특성 그리고 물리화학적 특성이 우선적으로 고려된다 약 1세기여에 걸쳐 이 분야에 대한 공업선진국들의 노력은 가히경탄할만 하다특별히 유체의 화학적 특성에 대한 부식(Corrosion) 문제와 물리적 특성에 주로 좌우되는 침식

(Erosion) 문제는 밸브 자체의 가치손실뿐만 아니라 전체 계통에 대한 손실비용을 더욱 크게하고

아울러 시간이 흐를수록 이 손실비용은 점차 커질수 있다는 점이다

일반적으로 산(酸 acids)를 취급하는 밸브는 그 용액의 농도에 따라 밸브 재질에 대한 부식력도

달라진다 황산과 같은 경우에는 온도가 낮아지면 용액이 이온화되기쉽기 때문에 산용액은더욱

부식을 촉진시킨다 온도는 밸브 재질의 선전에 있어 가징 중요한 요소이다간단한 예로서 화학반응(부식과정)의 정도는 10상승시마다 2 배로 부식율이 촉진된다는 것이다 따라서 38의 유체를 퀴금하는 밸브는 부식이 발생하지 않지만 같은 화학적 조건에서 유체온도를

150로 높일 경우에는 부식이 급격히 촉진되는 경우가 이의 예이다아울러 온도가 높아지면 밸브재료로서 금속이든 비금속이든간에 물리적 특성이 변화되어 압력에

대한 저항오 떨어지는 것이다 이외에 밸브의 압력경계면에 있는 트림은 압력상승에 의한 재질간에

마찰 마모 및 긁힘등의 문제와 유체의 물리적 성상으로 유체의 속도 불순물 입자의 혼입과 이들

입자의 운동에 의한 침식문제등이 밸브 재질의 설계시 또는 선정시 주된 요소로 고려되어야한다 다음의 그림 48 은 우리나라 밸브업계에서 주로 쓰이는 밸브 몸체와 본네트 재질에 대한 재질코드를

미국재료학회 코드 기준으로 정리한 것이다 어율로 밸브 몸체에 따른 본네트 볼트의 재질도 아울러

표기하였다다음의 표 13 은 우리나라 밸브업계에서 주로 쓰이는 밸브 몸체와 본네트 재질에 대한 재질코드를

미국 재료학회 코트 기준으로 정리한 것이다 아울러 밸브 몸체에 따른 본네트 볼트의 재질도 아울러

표기하였다 그러나 표 13 의 데이터는 실제 사용환경과 비교 다음과 같은 일반적 주의 사항을 염두에

두고 재질의선정을 하여야 할 것이다즉 고려사항으로써 (1)탄소의 함유량은 가능한한 025 를 넘지 안항야 밸브를 배관고 용점시 별

트라블이 없을 것임으로 025이하로 탄소함유량을 제어하는 것이 좋다(2)탄소강 C-Mo강ㅡ Cr-Mo강의 경우에 있어서 고온상태로 장기간 운전할 경우 입계등에서

흑연화현상이 발생하여 밸브구조가 취약하게 될 염려가 있으므로 다음과 같은 사용온도 이상에서는

사용시간을 고려하여 밸브를 선정하거나 계통의 운전모드를 설계하여야 한다(3)고온산화현상에 의한 스키일 발생을 주의하여햐 한다 다음은 고운에 장기간 사용시 스케일 (산화현상)의 발생이 염려되는 온도이다1-14Ci-12Mo (ASTM A182-F11)586(1050)2-14Cr-1Mo (ASTM A182-F22)565(1050)5Ci-12Mo (ASTM A182-F5)593(1100)(4)고온 고압의 수소한경에 있어서 강은 수소를 흡구하여 재질 특성이 취약해지는 경우가 실제로는

매우 심각한 문

제를 야기한다이를 수소취성화라고 말하는데 이는 수소가 강 입계에 침입하여 탄화물을 분해하여 탈탄과 아울러

입계에 균열을 발생시킨다이는 밸브구조의 압려구부를 총체적으로 파괴할 수 있으므로 매우 주의하여햐 한다(5)저온용의 F 효선정에 있어서는저온에 의한 취성을 고려하여햐 한다이를 방지하기 위하여 저온용 재료는재질상의 결함이 없을 것 사용조건에견딜 수 있는 인성이 있는

재료일 것 용접이 및 가공이 좋은 재료일 것 내식성이 양호할 것등이다235 밸브 트림의 재질

(1) 트림재질의 내마모 및 내 Galling 특성

밸브트림은 유체와 직접 접촉한다는 사실과 함께 유체제어를 위한 기계적 운동을 동시에 수행하게

됨으로 밸브 부품중 가장 가혹한 환경에서 운전하는 부품이다아울레 트림은 이러한 특성으로 인하여 침식부식등의 손상이나 오랜 사용으로 인하여 노화될 때

언제든지 교체될 수 있어야 하는 부속품이다 따라서 밸브트림은 재질은 트림 재질간의 기계적 운동에

의한 긁힘 또는 마모등의 문제에 대하여 강한 특성을 가져야 한다 이러한 재질간의 긁힘(Galling)특성에 대한 것은 첫째 친화력이 높을 수 밖에 업는 같은 종(種)의

재질간과 둘째 뚜렷하게 전위차가 큰 재질 셋째 오스테나이트 스텐레스으로써 같은 강종이거나

경도가 유사한 경우에는 친화력이 높아 밸브트림으로써 접촉부 즉 운동부에는 이들을 같이 사용하는

것은 금지하여야 한다 다음의 표 15 는 밸브 트림재질로서 마모 및 긁힘 특성을 보여준다(2) 운전온도에 따른 트림 재질

유체의 온도가 높을 때에는 밸브 몸체의 열팽창과 밸브트림의 열팽창간에 차이가 생기게 되는데

일반적인 밸브 트림재질에서 유체의 온도가 약 450F (268C)를 전후로 이 온도이상으로

운전하는 밸브는 운전압력이 높아 밸브의 살 두께가 매우 두껍기 때문에 밸브 몸체 내부의 구조적

불연속에서 생기는 열변형이 크게 제약받게 된다 따라서 트림부를 지지하고 있는 밸브의 크로치(Crotch)부분에서는 밸브 몸체의 열 변형에 비하여 큰

변형이 생길 수 있기 때문에 특별히 밸브의 시팅구조 부분과 결부하여 전체적인 밸브의 구조적

건전성에 특히 주의하여야 한다 즉 운전온도가 높을 경우에는 밸비 케이지와 같은 부품은 가능한한

구조적인 불연속부가 적은 밸브의 본네트에 가깝게 설치하여 케이지 아랫면의 열변형이 가능한한

구속이 덜 받도록 설계하는 것이 한 방법이다 아울러 트림재질도 재료의 특성상 사용온도에 한계가 있다 다음의 표 16 은 밸브용재질에 있어서

사용온도의 한계를 보여준다(3) 유속에 의한 침식(Erosion)을 고려한 트림재질

유체 계통의 운전에 있어서 밸브의 압력제어범위가 크거나 높은 차압을 밸브에서 제어해야할 경우

밸브의 제어 교축부인 디스크와 시트에서의 유속은 경우에 따라 음속을 뛰어넘은 엄청난 속도로

에너지 변화된다 이때에 밸브트림은 유체의 제반에너지 변환특성 즉 케비테이션이나 후라싱 또는

쵸오킹이 수반되고 이 과정중에 밸브 드림은 유체 임자의 계속적인 충돌로 표피(表皮)에 손상을

입는다 이러한 현상을 침식이라고 한다 대부분의 제어밸브 트림은 정도의 차이는 있지만 침식에

의한 손상을 받을 수 밖에 없다 특히 케비테이션이나 후라싱 서비스를 전젤 운전되는 밸브는 주기적으로 점검하고 정기적으로

예비트림부품으로 트림을 교체해야 될 정도로 침식의 정도가 심한 것으로 이러한 제어밸브의 사례는

자주 경험된다 제어밸브 특히 가혹한 운전조건에서의 트림재질은 앞서 언급한 내마모성과

내부식뿐만 아니라 강력한 내침식성이 요구된다 대표적인 내침식성 재료로는 스텔라이트(Stellite)가 널리 쓰이는데 가장 대표적인 Stellite No6 의

경우 비교적 저가 이면서 용접성 및 가공성이 비교적 양호하여 많은 밸브 제작자가 트림재질의 내마모

및 내침식 보강용으로 많이 선택하고 있다 다음의 표 17 은 밸브트림 재질별 내침식 특성을 보여준다31 밸브의 종류에 대하여는 1994 년 3월호에 개괄적으로 기능별 형태별 운전특성별로 이미

설명하였다대략적으로 밸브의 종류를 밸브 형태 및 기능상의 제어방법에서 구분하여 보면 약 800~1000 여종이

될것으로 예상된다 이토록 밸브의 종류가 많다는 것은 대부분의 밸브가 전형적으로 주문에 의해

제작되는 특수성에 기인한다 이는 밸브사용의 목적이 워낙 광범위하고 없어서는 안될 프로세스의

핵심제어요소이기 때문이다17 세기부터 일기 시작한 산업혁명이라는 인류역사의 가장 커다란 지적혁명을 갖기 이전에는

프로세스간의 제어요건도 매우 간단하였다 따라서 지금과 같이 여러종류의 프로세스의 제어목적에

맞는 밸브가 필요없었을 지도 모른다그러나 지금의 산업의 고도화와 거대화 그리고 단위 프랜트당 높은 생산성을 요구하고 아울러

엄격한 고도의 통제 장치가 필요하게 됨에 따라 어더 조건하에서도 제 성능을 유지할 수 있는 정교한

구조의 밸브들이 필요하게 되었다 이들 목적에 부합하는 밸브들은 산업발전의 추세에 따라

계속적으로 더욱 늘어나게될 것이다 본장에서는 밸브 기술자 또는 밸브 사용자들이 알아 두어야 할

밸브의 종류 및 기능을 분류하고 각각의 특징에 대하여 밸브 사용자의 입장에서 정리하는 것이다 밸브의 설명은 필자의 편의상 영문의 알파벳 순으로 정리한다311 볼밸브(ball valve)볼 밸브에 대하여는 아직도 정확한 의미의 밸브형식을 정하기 곤란한점이 있다 왜냐하며 볼 밸브의

형식은 프러그 밸브의 한 유사종 밸브로 생각할 수 있으며 볼 자체가 후로팅되어 있는 것을 생각하면

구형(球形) 볼밸브(spherical ball valve)라고 정의할 수도 있기 때문이다 나머지 모든 운전동작이나

기밀유지의 형식 구성상의 특징등이 프러그 밸브와 같다볼 밸브는 프러그밸브의 사촌인 셈이다 볼 밸브는 90 도 회전밸브로서 매우 양호한 기밀유지 특성을

갖고 있다 볼을 감싸고 있는 시트는 기밀을 확실하게 하고 또한 비교적 적은 운전토크를 갖는다 아울러 볼의 유로형상이 원형으로 밸브 입출구의 형상(원형)과 같은 모양이기 때문에 유로저항도

매우적다 이는 범용의 밸브 중에서 특히 저압의 상온 유체를 차단 제어특성을 갖고 있다는 것이다 따라서 거의 모든 볼 밸브는 full port 보다는 연결배관의 호칭직경보다 작은 구경의 유로경 즉

reduced port 를 갖는다이외에 같은 호칭직경을 가진 타 종류의 밸브보다도 간단한 구조 보수의 용이성 제작성의 편리성등

경제적인 측면이 많은 반면 시트구조의 치밀성 시트재료의 제한 및 배관 계통의 설치 주의사항등

단점도 있다일반적인 볼밸브의 운전환경은 밸브의 크기에 따라 제약을 받지만 온도-압력기준(pressure temperature rating)으로 보면 운전온도의 범위가 130~230 운전압력의 경우 25torr(초고진공)~400bar 까지 견딜 수 이쓴 볼밸브(high performance ball valve)의 제작도 가능하다볼 밸브의 적용성은 매우 다양하다 일반적인 청수(淸水) 솔벤트 산류(酸類) 가스 천연가스등의

유체수송은 물론 산소 수소 메탄 에틸렌 과산화수소등의 매우 위험한유체 수송에도 널리 쓰인다 그러나 사용상의 제약은 결국 불을 잡아주고 볼과 밸브 몸체의 기밀을 유지하는 씰(seal)구조의

재질사양에 달렸다 앞으로 볼 밸브의 기술적 과제는 기밀유지 접촉부위의 재질선정과 구조의

기술혁신에 있다고 할 수 있다다음 그림 50 은 일반적인 볼밸브의 시트 구성 재질에 따른 운전압력을 보여준다(1) 볼밸브 형식

볼밸브의 몸체형식은 몇 조각의 몸체로 구성되어 있느냐로 정해진다 거의 모든 볼 밸브는 설계 및

제작상의 용이점 때문에 2-piece 또는 3-piece 로 구성되어 있다 그러나 소형의 볼 밸브 및 중대형의

볼밸브는 1-piece 또는 2-piece 로 된 것이 대부분이다 볼 밸브의 볼 구성형식은 플로팅타입

(floating type)과 트러니온(trunnion type)으로 구분되고 볼의 삽입 방법에 따라 톱엔츄리

(topentry)타입과 엔드 엔츄리(end entry)타입이 있다 플로팅 타입은 볼밸브의 시트링에 의해

고정점으로 하여 트러니온과 베어링에 의해 지지되는 구조이다(2)시팅재료

볼밸브에 있어서 가장 중요한 핵심적인 요소는 시팅이다 대부분의 볼 밸브는 탄력성이 좋은

ptee(polytrafluore ethylene)가 가장널리 쓰이고 유체의 부식특성에 따라 특별한 용도의 것으로

나이론 bnna n 성형흑연(graphite) 및 ptee 에 성형 흑연분말을 함침한 씰링 제료가 있다 볼 밸브

시팅재료에 있어 볼과 씰링재료가 금속인 경우가 가장 이상적이지만 볼과 씰링면의 정밀가공이

전제되어야 함으로 어떤 특정용도에 한정된다메탈시팅구조의 볼 밸브는 이러한 제작 가공상의 어려움으로 상대적으로 매우 고가의 밸브 제품으로

분류된다 특히 가스용의 볼밸브인 경우에는 시트에서의 완전기밀이 보장(bubble tight shut off)이

되어야 함으로 시트가 스프링에 의하여 일정한 가압력이 작용되도록 설계된 것이 많고 화이어테스트

(fire test)등의 규격요건을 만족하기 위해서도 중대형의 볼 밸브 구조ㅡ 특히 고성능을 요구하는 볼

밸브는 메탈시트 또는 탄력성이 좋은 합성수지의 시트에도 스프링 가압방식의 시팅구조를 채택하고

있다이러한 경우 계통중의 어떤 이물질이 시팅부위에 혼입될 경우 4rm(015)정도의 초정밀 폴리싱

(supper polishing)된 볼의 표면이 손상될 염려가 크므로 특별히 크롬이나 니켈등을 포함한

고강도의 재료로 하드훼이싱(hardfacing)하여야 한다 볼 밸브에 관련된 미국의 산업규격은 앞장에

있다321 버터후라이 밸브

버터후라이 밸브도 볼 밸브 프러그밸브와 마찬가지로 90 도 회전밸브 이다특히 밸브구경 대비 밸브 노즐면간의 길이가 매우 짧은 콤팩트화된 밸브로써 밸브 구조상의 여러 가지

독특한 장점이 있다 그 예로써 밸브의 구경 대비 밸브 무게가 거의 같은 역할을 수행하는

게이트밸브에 비하여 60~70 정도이고 볼 밸브나 프러그 밸브에 비해서도 20이상 가볍다 또

밸브의 무게중심의 볼 밸브와 같이 배관 중심선과 거의 일치함으로 배관계의 구조를 보다 건전하게

한다 물론 밸브의 구성부품수도 적기 때문에 제작도 용이하고 밸브 구경 대비 가격도 저렴한 편이다특히 웨이퍼(wafer)타입의 버터후라이밸브는 밸브의 크기 및 콤팩트성 가격 제작의 용이성 설치의

편이서 배관계의 구조적 안정성 밸브의 유지보수 측면에서 어쩌면 가장 합리적인 밸브타입으로 볼

수 있다 위와 같은 여러 설계인자로 인하여 버터후라이 밸브는 밸브구경이 커지면 커질수록 장점이

돋보인다 계통의 운전조건에 따라 다르겠지만 밸브의 호칭직경이 20 인치(500mm)를 넘는 대형의

밸브는 거의 모두 버터후라이밸브이다헌재까지 기록상으로 호칭직경 10000mm(10m)의 버터후라이밸브가 생산되었고 차후바닷물의

조수(潮水)발전이나 해양 온도차에 의한 해양발전등 대규모 에너지 개발 프로젝트가 실용화되려면

이보다 훨씬 큰 버터후라이밸브가 제작되어야만 할 것이다단점으로는 디스크와 시트와의 기밀유지 기술이 타 밸브에 비하여 까다로우며 디스크의 구조상

유체흐름과 대칭상태로 힘을 받기 때문에 높은 차압을 요구하는 계통에는 진동 및 소음등을

유발하므로 적용하는데 어렵고아울러 밸브 크기가 클수록 디스크에서의 면압 및 운전토오크가

커지기 때문에 압력이 높은 계통에서의 버터후라이밸브 선정은 제약을 받는다(1) 버터후라이 밸브의 시팅구조

버터후라이 밸브의 시팅구조는 볼 밸브와 마찬가지로 탄력성이 좋은 천연 또는 합성고무 불소수지등으로 만든 시트에 금속 제의 디스크면이 접촉하여 기밀을 유지하는 구조가 범용의 저압

프로세스용 버처후라이밸브에 널리 채용되고 있으며 증기 서비스와 같이 비교적 고온 유체의 제어 및

계통 압력이 20bar 를 넘거나 밸브간 차압이 5bar 이상을 제어하여야 하는 경우에는 메탈시트

(metal to metal contact)또는 고성능 버터후라이밸브를 채용하는 것이 권장된다hpbv 는 버터후라이밸브 제작사중 기술력이 좋은 일부 밸브로써 각사마다 독특한 구조의 시팅구조를

선보이고 있다 그러나 hpbv 의 기본적인 시팅구조의 형식은 디스크와 디스크 축이 편심상태로

설계된 에쎈트릭 디스크구조가 대부분이다 다음의 그림 51 은 일반 법용 버터후라이밸브의

시팅구조를 그림 52 53 5455 는 고성능 버터후라이밸브의 시팅구조와 운전특성을 보여준다(2)버터후라이 밸브의 형식

버터후라이 밸브의 형식은 밸브 몸체의 연결방식과 디스크-시트의 시팅구조의 차이점에 따라 수분할

수 있다 우선적으로 밸브 몸체의 구성방식으로 보면 프랜지형 웨이퍼형 프랜지 관통형으로

구분되면 시팅구조로 보면 디스크와 디스크 구동축이 밸브 몹체의 중심과 일치하는 콘쎈트릭

(concentric)구조와 구동축이 편심되어 있는 에쎈트릭(eccentric)구조로 구분할 수 있다이렇게 기하학적으로 시팅구조가 상이한 것은 시팅의 역학적구조가 밸브의 기본기능인 압력기준 및

완벽한 유로차단기능에 있어서 전자의 경우는 낮은 압력 또는 rubber lined 후자의 경우는 높은

압력 또는 high performance를 갖는다는 뜻을 포함하고 있다(3)버터후라이 밸브의 운전특성

버터후라이 밸브의 운전특성은 디스크 형상의 특성상 독특한 운전특성을 갖고 있다 운전특성은 첫쩨 밸브 개도의 정도에 따라 밸브의 운전토오크가 크게 변화되고 둘째 밸브 시팅에 비교적 큰 토오크가

필료하며 셋째 유량조절시 저개도 운전시 유체 와류현상에 의한 밸브 운전의 불안정성을 들 수 있다 이러한 버터플라이밸브의 운전 특성으로 말미암아 밸브의 구조적 측면에서 많은 장점에도 불구하고

버터후라이 밸브의 적용은 제한 받을 수 밖에 없다밸브의 운전 토오크는 밸브에서의 부하차압(밸브는 계통에 있어서 제어요소 이기 때문에 밸브

전단의 계토압력과 후단에서의 계통압력은 제어요소인 밸브에서 감당하는 경우가 대부분이다 이때

밸브가 수용해야 하는 계통간의 차압을 부하차압이라고 한다)의 정도에 따라서 크게 차이가 난다 한

예로써 범용 고무라이닝된 4 ANSI CLASS300 의 버터후라이 밸브는 일반 청수를

서비스할때100 완전개도시 경험상 10PSI(07BAR)의 차압을 유지하는 것이 권장된다 이런 경우

유속을 9msec로 하면 최대 유량은 1186 GPM(269tonhour)이 된다 이때의 필요 토오크는

시팅되어 있는 디스크를 떼어냄는 힘(breakaway torquid)를 포함하여 24~~25kg~m 가

필요하다그러나 개도가 70정도가 될 때는 차압이 증가되는데 이는 밸브 디스크와 시트의 교축이 원인이 된다이때 차압이 22psi(15bar)정도 생기며 유량은 1313gpm(298tonhour)정도로 증가된다 이때의

운전토오크(dynamic operating torque)는 100개도시의 운전토오크에 비하여 적어도 10배이상의 코오크가 소요된다그림 56 은 버터플라이밸브에 있어서 시팅토오크가 없는 이성적인 조건하에서 밸브 개도에 따른 운전

토오크의 변화를 보여준다 시팅토오크를 무시할 수 있는 밸브는 실제적으로 버터후라이 밸브에서는

없다 단지 이 그림은 운전중 밸브스템의 토오크변화 특성을 설명하기 위한 것이다실제로는 그림 57과 같이 닫힌 밸브를 열기 시작할때는 닫았을 때의 시팅 토오크이상의 토오크가 필요하다 이

토오크를 브레이크어웨이토오크라 한다통상적인 모든 버터플라이밸브는 브레이크어웨이 토오크가 실질적인 밸브 조작토오크가 된다 따라서

버터플라이밸브의 운전 토오크는 계통운전조건의 압력-온도에 의한 토오크 보다 시팅력에 필요한

토오크에 200이상의 토오크를 더 계산한 브레이크-어웨이 토오크를 가지고 사이징하여야 한다 시팅코오크를 구하는 방법은 메탈시트의 경우 다음과 같은 안을 제시한다다음의 그림 58 을 참조한다입력항목p=시트접촉면압

b=사투접촉의 폭

R=시트의 반경

α=시트의 각도함수=(π2)-시팅각도

Θ=디스크의 시팅 유효각도

μ=시트와 디스크면의 마찰

계수 계산 시팅토오크

TS=2Pbr2((1tanα)sinΘcosΘ+Θ)+2μsinΘ)따라서 총 필요토오크는 경험상 Tt=Ts+(스템부 마찰에 의한 토오크)+(정수력학적 토오크)가된다 다음의 그림 59 는 범용 버터플라이밸브의 밸브 개도별 차압 및 유량의 관계를 설명하기 위한

그림이다 그림 60 은 범용 버터후라에밸브의 크기별 차압별로 버터후라이 밸브의 총 조작토오크의

경향을 보여준다여기 그림에서 가르키고 있는 수치는 대부분의 테프론라인드 버터플라이밸브에

적용될 수 있는 수치들이다만약 미터단위로 환산하려면 다음과 같이 한다1 psig=6894PKa=00684bar1GPM(water)=63 10E6(m3sec)=000378(m3Min)=02268(m3hour) 1 1b-in=011298 N-m=001152kgf-m1렌=03048msec표 18 은 버터플라이밸브에 있어서 밸브개도와 차압에 따른 이론적인 유량과 이에 다른 유속을 계산해

본 결과이다 다러서 실제적으로 일어날 수 있는 케비네이션과 같은 현상은 무시되었다그러나 이

표는 다음과 같은 버터플라이밸브만이 가질수 있는 특송을 보여주고 있다즉 (1) 밸브개도 80 90일 때 밸브간에 생기는 차압은 일정하지만 유량은 다르다(2)밸브개도가 60이상이 되면서부터 차압의 증가율이 낮아진다(3)밸브개도가 70 80일때의 차압의 변화율과 유량의 변화율은 상호 비례관계를 갖지 않는다 이와같은 버터플라이밸브에서는 밸브개도 60 90사이에서는 유량과 차압의 변화특징이 많음으로

실제 범용의 버터

후라이 밸브에 있어서 개도조절에 의한 유량제어에의 적용에는 무리가 따름을 알 수 있다(4) 버터플라이밸브 관련 산업규격

API STD598Butterfly Valves Inspection and TestingAPI STD609Butterfly Valves Lug and Wafer Butterfly ValvesASTMF1098 Standard Specification for Envelop Dimensions For Butterfly Valves-NPS 2 to 24AWWA C504 Standard for Rubber-Seated Butterfly ValvesJIS B 2032 Wafer Type Rubber-Seated Butterfly ValvesJIS B 2064Butterfly Valves for Water WorksMIL V-24624 Valves Butterfiy Water and Lug Style Ship-Board Services

MSS SP-67Butterfly ValvesMSS SP-68 High Pressure-Offset Seat Butterfly ValvesUL 1091 UL Standard Safety Butterfly Valves for Fire Portection ServicesUL 1091 Outline of Investigation for Btterfly Valves Indicator Posts for Fire Protection Service313 체크밸브(check valve)체크밸브는 운전특성상 자력으로 또한 밸브의 트림 또는 동작부가 어떻게 운전하고 있는지를

스스로만 가르키는 밸브 중 가장 유별난 밸브의 한 종류이다 또 유테의 흐름을 한 방향으로만

유지하기 때문에 영어로non-return밸브라고 한다체크밸브에 대해서는 심도있는 연구로 체크밸브 응용에 따른 워터햄머(수격)등의 문제점들이 상당히

해결되어가고 있다 이들 문제점들의 해결방안이란 계통의 운전특성에 따른 최적현상의 체크밸브의

운전거동을 계통의 유체 흐름현상 해석에 결부시켜 해석하고 이 해석결과에 따라 보다 정밀하게

설계된 체크밸브 그리고 올바른 설치를 엔지니어링 하는 일련의 과정이다 체크밸브의 기본적인 종류

및 운전특성에 대하여는 밸브의 구조에서 이미 언급하였다따라서 본 장에서는 보다 실질적인 체크밸브의 운전특징과 종류별 선정기술에 대하여 설명한다체크밸브는 대별하여 6 종류로 구분할 수 있다 모든 밸브 기술자들에게 익숙한

스윙체크밸브에서부터 최근에 보다 많은 호평을 받고 있는 듀얼프레이트체크밸브 통상 4(100A)이하 특히 2(50A)이하에서 널리 채택되고 있는 리프트체크 유체 흐름저항이 적고 스윙길이가 적어

스윙체크밸브보다 빨리 닫힐 수 있는 기하학적 이점으로 인하여 디스크의 슬램현상이 감소되는

틸팀디스크 체크밸브 소위 인라인 체크밸브 그리고 마지막으로 그로브밸브와 체크밸브를 한데 묶어

두가지 기능을 각기 수행할 수 있게 한 스톱체크 밸브가 있다체크밸브를 올바르게 선정하기 위해서는 우선 계통설계자가 체크밸브에 대하여 잘 알아야 한다 왜냐하면 체크밸브는 계통의 운전특성에 따라 각기 다른형식의 체크밸브가 필요하기 때문이다 체크밸브를 올바르게 선정하기 위한 선정인자들을 아래와 같이 정리하였다 밸브의 형식 모양 계통의 운전 요구사항 특성등에 따른 정보들이다(1)스윙체크밸브(SWING CHECK VALVE)스윙체크밸브의 운정특징은 힌지핀을 중심으로 디스크가 유체의 흐름량(유속)에 따라 디스크가

열림으로 밸브가 개방되고 유체가 정지(유속=0)함에따라 밸브 추구특의 압력과 디스크의 무게에

의해 닫히는 구조이다따라서 유체흐름의 중심과 힌지핀의 거리가 다른 어느 종류의 체크밸브보다 길어유체계통의 손상에

의한 급격한 역류 발생시 밸브닫힘(디스크 닫힘)시간이 비교적 길어지고 아울러 밸브디스크와

힌지핀을 연결하는 디스크와 암등내부 트림구조 보다 큰 충격력이 작용한다 따라서 계통 및 밸브

보호를 위해 유체의 흐름이 불 균일 하거나 유속이 빠른 유체계통에서는 스윙체크가 리프트 체크 및

틸팅디스크 체크밸브보다 불리하다 특수한 것으로는 힌지핀에 레버 또는 레버중추(LEVER WITH COUNTER WEIGHT)를 부착하여 디스크의 닫힘시간을 조정할 수 있도록 한 것도 있다이러한 레버중추를 설치한 체크밸브는 유속이 비교적 빠르고 맥동이 있는 라인에 적용될 수 있으며 유체계통의 운전상황에 따라 체크밸브의 운전특성을 변경시킬 수 있는 장점도 있다 다음의 그림 61은 미국의 KALSI엔지니어링사에서 연구한 체크밸브(6와 3)의 설치 위치 및 방법에 따른 디스크의

떨림정도를 요약한 그래프이다그래프에서와 같이 체크밸브(스윙)를 엘보우 후단에 설체(3밸브의 경우에는 엘보우 후단에서 2D

위치에 설치한 경우를 LD=0 로 보면 됨)한 BASELINE떨림(배관계통의 정상적인 유체맥동에 따라

발생하는 디스크의 떨림)보다 2~4 배의 디스크 떨림이 있었으며 유체계통의 흐름이 난류인

경우에는 4~15 배의 떨림이 LD=5 이내의 스윙체크밸브의 경우 엘보우 티이 또는 제어밸브와 같은

난류원에서는 충분한 거리를 유지하여 설치하여야 한다는 것이다즉 체크밸브의 안전한 운전을 보장하기 위해서는 난류원에서 5D 이상의 거리를 두어설치하여야

한다 여기서 L 은 배관의 길이를 말하고 D 는 배관의 호칭 직경 또는 밸브의 호칭크기를 말한다 그림

62 는 엘보우와 같은 난류원이 체크밸브에 어떻게 영향을 미치는가를 도식한 것이다 스윙체크밸브

선정을 위한 유체흐름특성 및 유속과의 관계를다음과 같이 요약할 수 있다(2)리프트체크밸브(LIFT CHECK VALVE)리프트체크밸브는 맥동이 있는 유체나 비교적 유속이 높은 배관계통에 적합한 구조를 갖고 있다 예로써 체크밸브의 디스크가 완전 개방되는데 필요한 유속이 수윙체크밸브의 경우에는 48SV 내외인

반면 리프트체크밸브는 설계방법에 따라 다르지만 55~140SV 가 필요하다 여기서 SV 는 유체의

비체적이다 유속의 단위는 Ftsec 따라서 앞서의 스윙체크밸브의 적용이 곤란한 경우 비교적 간단한

구조와 신뢰성 높은 구조인 리프트체크밸브가 넓게 쓰인다그렇지만 유속이 낮은 배수계통이나 단순한 GRAVITY FLOW 에의 적용에는 신중을 기하여야 한다 리트트체크밸브의 몸체 구성형식은 이미 21 장에서 구체적으로 언급하였고 여기서는

리프트체크밸브에 있어서의 단점 몇가지와 함께 설치방법을 성명한다리프트체크밸브는 앞서의 설계상 다양한 잇점이 있는반면 밸브 몸체와 디스크의 안내면이 원활하지

못할 경우에는 밸브가 열려 있는 상태로 다시 닫히지 않는 일면 Cock 또는 Stick 현상이 있다 따라서

이러한 현상을 완화시키기 위해서는 유체 흐름을 유속범위내에서 스프링을 체택한 SPRING LOADED CHECK VALVE 로 변경하는게 좋다아울러 유체가 디스크시트를 통과할 때 생기는 와류에 의해 디스크가 제자리 회전하는 spinning 이

생길 수 있다 이러한 경우에는 디스크 상부의 챔버와 밸브 출구간을 연결하는 구조의 바이패스배관을

설치하여 디스크가 열릴 때 디스크상부 챔버의 잔류 유체가 빠져 나가는 구조의 리프트체크 밸브의

선정이 요구된다 다음의 그림 63 은 리프트 체크밸브의 설치 방향의 제한 사항이다(3)틸팅디스크 체크밸브

틸팅 디스크 체크밸브는 스윙체크밸브와 리프트 체크밸브로써 만족시키기 어려운 역류로 인한

급격한 스램(Slamming)을 감소시키고 (스윙체크밸브 대비) 리프트 체크밸브의 작은 동작범위

(Travel Length) 때문에 디스크의 닫힘이 매우 빨라 순간적인 유체천이력이 크게 되는 경우 이를

어느정도 감소시킬 수 있는 밸브로써 고안된 밸브이다따라서 압력 및 온도가 높고 유속이 빠른 고에너지 유체계통에서 적응성이 높은 밸브이다 그러나

유체의 흐름에 맥동이 있는 경우에는 디스크가 계속 떨리면서 운전됨으로 힌지핀의 마모로 인한

밸브의 선택에 보다 깊은 밸브엔지니어링이 필요하다 틸팅디스크는 구조상 디스크의 피봇포인트

(Pivot Point)가 유체유로의 단위 관성력의 중심과 밸브의 무게 중심과 근접하도록 설계되어 있기

때문에 작은힘의 역류에도 쉽게 닫힐 수 있으며 디스크가 시트에 닿을 때에도 디스크와 피못간의

모멘트 길이가 짧아(물리적인 용어로 Pendulum Period 효과)슬램 현상이 스윙 체크에 비하여

월등히 감소된다또한 밸브가 정상적으로 운전할 때에도 주 디스크와 보조 디스크 사이로 유체가 흐르도록 되어 있기

때문에 운전시에는 원활한 유로관성으로 안정되어 있지만 디스크가 닫힐 때에는 이 두 디스크가

유로를 간섭하게 됨으로 배관 파손시 또는 펌프의 불시정지(Pump Trip)시의 급격한 슬램 또는

워터햄머 문제를 디스크의 닫힘지연효과(Closing Delay Effect)로 상당수준 완화시킬수 있는

구조이다이는 밸브 디스크면에서 생길 수 있는 충격에 의한 스트레스로 디스크면과 시트면의 마모를 스윙체크

밸브에 비하면 상당히 감소시키는 구조이다 예로서 여러대의 펌프가 병열 운전하는

배관시스템에서는 펌프의 출구배관은 통상적으로 펌프헤더(Header 또는 Manifold)에 연결된다이 헤더전단 즉 각 펌프의 후단에는 체크밸브가 설치되어야 한다즉 닫힘속도가 빠를수록 좋으며 디스크가 시트면에 닿는 순간에는 그 충격력을 감소시킬수 있는

구조이면 더욱 좋을 것이다 이러한 경우 틸팅디스크 체크밸브가 쓰인다틸팅 디스크 체크밸브에는 앞서 언급한 구조적인 장점들을 더욱 효과적으로 수행할 수 있게하는

고려사항이 있다 6이상의 대형 틸팅디스크체크 밸브는 스윙체크에 비하면 역류시 순간적인 단힘

동작에 시간이 걸릴 수도 있다이는 틸팅디스크의 구조에서와 같이 닫힘 동작이 개시될때의 역류(유체압)의 힘을 받는 단면적이 적기

때문이다 이를 설계에 고려한 것이 힌지핀에 스프링을 감아 닫힘을 용이하게 한 구조이다그러나 디스크가 완전히 닫힐 때는 이 스프링의 영향력이 거의 없도록 해야 한다 따라서 스프링의

강성도는 틸팅디스크의 날개 무게가 가장 중요한 설계인자가 된다 이렇게 될 경우 스프링

스윙체크밸브의 중추와 유사한 역할을 수행하게 되는 것이다 그림 65 의 경우 틸팅디스크 체크밸브의

디스크 평형 설계를 용약한 구림으러서 틸팅 디스크의 힌지핀은 밸브의 시팅부에 가능한 가깝게

설계하되 선 A-A 와 B-B 및 디스크가 완전 열렸을대의 유선이 만드는 F-F선의 삼각형내에 있어야

한다유체 흐름이 일정 속도가 되어 균일해 지기 위해서는 유체유속으로 인한 유체관성력과 틸팅디스크의

지중에 의한 디스크의 평형이 매우 중요하다따라서 주 디스크의 형상과 날개(보조디스크)의 형상은 이 평형관계 때문에 유로의 접선각도가 다르게

설계된다 그름 66 과 그림 67 은 각각 고압용 체크밸브로 사용되는 미국 에드워드사 및 영구

드란스사의 틸팅디스크 체크밸브인데 모두 힌지핀이 시트면의 법선과 유로의 디스크 접선이 만드는

역삼각형내에 위치하고 있으며 시트면에 최대한 가깝게 설계되어 있다그러나 디스크가 완전히 열려 있는데 필요한 최소요구유속(Minimum Flow Velocity)는 스윙

체크밸브보다 모멘트 길이가 짧기 때문에 (이 모멘트 길이는 제작회사가 다르다) 일반적으로

스위체크밸브에 비하여 최소요구 유속은 50~100더 크다 즉 스윙체크밸브가 V=48V 이면

틸팅디스크 체크밸브는 70~90SV(여기서 SV 는 유체의 비체적으로 ft316)로 크다 따라서 고에너지

유체수송용(4~8msec)의 증기 물또는 가스용으로 사용된다(4)웨이퍼 디스크 체크밸브(Wafer-Type Disc Check Valves)웨이퍼 디스크 체크밸브는 여닫이 창문모양의 Single 또는 여미의 판을 스프링으로 고정하여

체크밸브의 역할을 수행하게 하는 밸브로써 근래에 기술의 진전(스프링 소재의 발전 스프링의

내구성 향상 설계의 최적화 등)으로 이 밸브의 사용추세가 증가되어 가고 있다미국의 석유가공협회(API)에서도 웨이퍼 체크밸브의 규정을 API Standard 594 Wafer-Type Ceck Valve 로 규정하고 있다 웨이퍼 디스크 체크밸브의 가장 큰 장점은 동일 배관 크기에 있어서 경량 소형으로 설계제작이 가능하다는 것이다 예로서 스위체크밸브에 비하면 약 4~5 배 정도로

결량제작이 가능하고 구조가 간단하고 불연속부가 적기 때문에 성능대비 전반적인 소형으로써의

제작이 가능하다따라서 이러한 이유 때문에 가격 배관설치비 공간절약 운송등 경제적인 효과가 여타 체크밸브보다

월등하다 그러나 이 밸브의 선택에 공학적으로 망설이는 이유는 두 개의 핀을 폐쇄시키는데

스프링의 힘이 필요해 스프링의 손상시 계통의 건전성 문제가 제거되기 때문이다스위체크밸브는 구조적으로 계통의 과도현상 등에 의한 힌지핀의 마모 힌지의 손상 등이 있는데

이러한 경우는 공학적인 면에서 웨이퍼 디스크 체크밸브의 스프링 손상 가능성에 비하여 확률적으로

매우 낮기 때문이다 아울러 유체의 흐름이 불균일한 경우에는 계통 운전 중 계속 스프링에

피로응력을 축적시키기 때문에 맥동이 예상되는 배관계통에의 적용은 신중하여야 한다만약 유체흐름의 속도가 웨이퍼핀을 일정하게 열게할 수 있다면 좋지만 웨이퍼 핀을 완전히 개방시킬

수 있는 최소요구유속(Minimum Flow Velocity)은 스윙체크밸브에 비하면 높기 때문에 중력에

의한 역류방지 등 저속유체의 적용에는 타당하지 못한 점이 단점이다유체흐름의 동적인 면(Dynamic Flow)에서 보면 스윙체크밸브는 유속의 변화에 민감하게 작용하나

유속이 증가되었을 때의 계통의 어떤 문제로 인하여 역류가 발생 하였을 때 감가속도가 웨이퍼

디스크 체크밸브 자체의 슬램(Slamming)의 에너지량이 커진다즉 유체천이의 에너지 변화를 크게 할 수 이써 배관계통의 Dynamic Force 는 크게될 수 있다는

것이다 다음의 그림 68 69 는 전형적인 Single Plate 및 Dual Plate Wafer Type Check Valves 를

보여준다 이 밸브의 설계특징은 체크 밸브의 디스크를 두 개로 분리한 소위 디스크 분리형 체크

밸브이다 즉 유체관로를 하나의 디스크로 열고 닫고 하던 것을 관로 가운데에 기둥을 하나 세우고

이곳에 디스크를 두 개로 구분하여 작은 다스크를 두 개로 구분하여 작은 디스크 두 개가 동시에

열리고 닫히게 하는 구조의 체크밸브이다따라서 디스크 하나로 유체흐름을 제어하는 것 보다 디스크 두 개로 힘을 나누어 유체흐름을 제어할

수 있어 밸브 구조가 단순해지고 작아지는 콤팩트한 구조로 되고 아울러 닫힐때의 일반 스윙체크나

리프트 체크 밸브의 모멘트 길이보다 작기 때문에 신속히 닫힌다는 잇점도 있다따라서 이러한 잇점들과 아울러 밸브구성 재료의 기술밸전과 더불어 점차 사용량이 많아지고 있는

체크밸브의 한가지다그렇지만 범용의 스위체크나 리프트 체크밸브에 비하여 실용화된 역사가 짧고 사용 실적에 대한

검증이 보다 많은 시간이 소요된과 더불어 밸브의 메카니즘상 홀딩 디스크(HOLDING DISK)의

핵심이 스프링의 피로문제 등으로 아직가지는 스윙체크 밸브와 같은 일반화된 범용 체크밸브로

구분하지 않고 있다 따라서 뺄브 제조업체도 이러한 웨이퍼 디스크체크 밸브 제조 전문회사로

자리하고 있어 세계적으로 제작업체가 많지 않은 특징이 있다 예를들면 영국의 굿윈(GOODWIN)사 미국의 텍사스 주 휴ㅡ톤에 근거를 둔 석유화학계통의 밸브들을 중점적으로 제작하는 TRW 사 ARCIN 사 등의 있으며 우리나라의 경우에는 복숭아밸브 정도가 홀딩 디스크 계열의 체크밸브를

생산하고 있다 웨이퍼 디스크 체크밸브는 듀오체크밸브 9DUO-CHECK VALVE) 플래퍼 체크밸브

(FLAPPER CECK VALVE) 워터 체크밸브(WATER CHECK VALVE)등으로 호칭하고 있다 API 594는 이러한 밸브를 워터체크밸브(WATER CHECK VALVE)로 정하고 있지만 BS(영국규격)에는 듀얼

플레이트 체크밸브(DUAL PLATE CHECK VALVE)라고 언급되어 있다 그림 70 은 웨이퍼 디스크

체크밸브의 상세도 이다lt웨이퍼 디스크 체크밸브 체크 밸브의 특징gt스윙 체크밸브에 비하여 경량이고 크기가 작으며 강력한 구조를 갖고 있다(그림 71참조)유체수송에

있어서 듀얼 플레이트(DUAL PLATE)로 설계된 구조설계조선을 가진 밸브이다 스윙 체크밸브의

구조적 취약점인 시팅 순간의 시트와 디스크면의 안착노력(SEAT SCRUBBING)을 대폭 감소시킨

구조인 스프링 가압방식을 쓰기 때문에 개폐의 체크밸브 역할이 보다 정확하다

수격현상이 모멘트 아암이 작기 때문에 밸브구조 자체의 손상 가능성이 줄어들고 힌지핀과 스톱핀(스프링 핀 지지대)에 의한 구조적 강도가 보장되어 체크밸브 손상에 의한 수격현상의 천이문제도

완화시킨다 이는 스윙체크 밸브가 손상될 경우 힌지핀 또는 디스트 아암의 파편들이 계통내에

흩어지고 천이의 진행을 막지 못하지만 웨이퍼 디스크 체크 밸브의 경우에는 설사 힌진핀이 손상

되더라도 DUAL PLATE 는 유지되기 때문에 천이 진행을 감소 시킨다 스윙 체크 밸브에 비하여 압력

손실이 적다 단 작은 크기의 밸브는 웨이퍼 디스크 체크밸브가 크다 따라서 50A 이하의 체크밸브는

스윙체크밸브가 보다 용이한 구조이지만 큰 사이즈의 체크밸브에는 웨이퍼 디스크 체크밸브가

스윙체크밸브보다 계통운용의 경제성 측면에서 월등히 좋다그림 72 는 유량수송에 따른 웨이퍼 디스크 체크밸브에서의 압력손실을 보여준다 이 표는 TRW 그룹의 미션 듀오체크(MISSION DUOCHECK VALVE)모델에 기준한 것이다 설치상 제한 사항이

스윙 체크밸브 보다 적다 웨이퍼 디스크 체크밸브의 경우 어느 방향으로도 설치가 가능하나

스윙체크배브는 수평설치시 항상 힌지핀이 수직면으로 유지되어야 한다 그러나 힌지 핀은

수평배관시 반드시 수직 이어야 한다관로 유속이 느린 경우 스웡 체크밸브는 힌지 핀이나 디스크 핀과 같은 MOVING PART 에서의

마모정도가 웨이퍼 디스크 체크밸브 보다 심하다 이는 MOVING PART 가 유로의 속도 변화(변동)에

따라 생기는 흔들림(FLUCTUATION)에 그대로 노출되어 있는 반면에 웨이퍼 디스크 체크밸브는

스프링에 의한 흔들림의 에너지를 어느정도 흡수할 수 있기 때문이다 플랜트 운전 경험상

스윙체크의 치명적 결함은 적정 관로 유속이 유지되지 않을 경우 유체 힘의 파동에 의한 MOVING PART 의 점진적인 마모로 인한 것임이 여러자료를 통하여 알려져 있다설사 MOVING PART 가 손상이 되지 않더라고 MOVING PART간 마모로 인한 공차 증가로

체크밸브의 내부 누설등 성능 저하는 피할 수 없는데 특히 문제가 되는 것은 체크밸브가 완전

손상될때까지 운전원이 체크밸브의 성능저하를 발견하는데는 매우 어렵다는 것이다웨이퍼 디스크 체크밸브에서 가장 기술적인 관점이 되는 것은 스윙 체크밸브에 비하여 장점으로

간주되는 스프링의 신뢰성 문제이다 스프링은 밸브의 수명기간 중 스프링 상수의 변화라든가 가공

경화(STRESS HARDENING)가 없어야 하고 수송유체에 대하여 강력한 내부식성을 가져야 한다 스프링의 피로 파괴를 미연에 방지하기 위해 스프링은 적어도 수백만번의 수명평가를 받은 검증된

재료 제조방법 환경하에서 제작된 것이어야 한다실례로 스프링의 파손은 체크밸브의 급격한 성능 저하에는 즉각적으로 작용하지 않지만 스윙

체크밸브의 예에서와 마찬가지로 게통의 정상적 운전을 예고도 없이 악화시킨다웨이퍼 디스크 체크밸브도 정도의 차이는 있지만 사용중 성능의 증간 점검이 어려운 점이 있다핵심 부품인 스프링은 일단 설치된 연후에는 보수 교체가 용이하지 않다 따라서 디스크의 손상시

디스크 시트며의 연마나 래핑 교체가 상대적으로 어렵다 이는 비교적 고가의 유지보수비용을

요구하게 된다 스프링은 웨이퍼 디스크 체크밸브에서 가장 핵심적인 기술 부품이기 때문에 사용자는

필수적으로 웨이퍼 디스크 체크밸브는 믿을 수 있는 업체 즉 오랜기간의 제작 실적과 운전 실적을

가진소위 검증된 업체의 웨이퍼 디스크 체크밸브를 선택하여야 한다웨이퍼 디스크 체크밸브는 스윙 체크밸브에 비하여 설치상의 잇점이 매우 많다 승윙체크밸브는

구조상 어느 정도의 약한 흔들림 에너지도 흡수할 수 없기 때문에 배관계통의 엘보우나 티 그리고

밸브와 같은 유체의 요동원(FLUCTUATION SOURCE)에 근접하게 설치 해서는 안된다 반면에

웨이퍼 디스크 체크밸브는 이러한 요동원에 직접 또는 인접하여 설치하여도 밸브의 성능 저하가 별로

없으므로 배관 설치공간을 절약할 수 있어 궁극적으로 스윙 체크밸브에 비하여 밸브 가격 뿐만아니라

배관 RDTKQL 도 절감할 수 있다(5)인-라인 체크밸브(IN-LINE CHECK VALVE)인-라인 체크밸브는 일종의 리프트 체크밸브의 형태로서 볼이나 풀 가이드 다스크(FULL GUIDE DISC)를 스프링으로 유지하는 체크밸브로 소형경량이고 스윙체크밸브에 비하여 밸브 면간 길이가

절반 이하이 컴팩트된 구조를 갖고 있다그러나 인-라인 체크밸브의 내부부품(INTERNALS)은 배관 라인을 분해하지 않고서는 접근 방법이

없다는데 있다 즉 여러종류의 체크밸브는 밸브 외부에서 부분적이나 조정이나 분해가 가능하지만 이

-라인 체크밸브로 구분되는 밸브는 일단 설치된 연후에는 조정이나 분해가 전혀 불가능한 구조로

되어있다 이러한 이유 때문에 인-라인 체크밸브는 밸브의 스트로크가 안정되게 운전되는 구조이어야

한다 실제로 인-라인 체크밸브의 스트로크는 입구직경의 14 이내 이어야 하고 필히 센터 필

(CENTER PIN)이나 디스크의 톱엔 바텀 가이드(TOP AND BOTTOM GUIDE FOR DISC STROKE)구조로써 디스크의 운전이 확실해야 한다 인-라인 체크밸브는 거의 대부분이 스프링을 갖고 있지만

일부 인-라인 체크밸브의 경우 스프링이 없는 경우도 있다 따라서 대부분의 인-라인 체크밸브는

스프링 가압방식을 쓰고 있다스프링 가압방식의 인-라인 체크밸브는 유로의 역류정도를 스프릉 에너지로 어느정도 흡수 할 수 있어

압력의 급격하 변동이나 수격현상의 영향을 줄일 수 있어 공기 압축기 출구 배관의 맥동

(PULSATING)흐름과 같은 계통에 적용할 수 있는 밸브이다그림 73 과 같은 체크밸브는 비교적 최근에 계통운전의 철저하 분석하에 개발된 발ㄹ전소의 주급수

배관과 같은 고에너지 배관의 체크밸브로 쓰이는 인-라인 체크밸브이다(6)스톱체크밸브

일반적으로 체크밸브는 차단용 밸브로 구분되지만 엄밀한 의미에서 봄면 항상 누설이 있다는

체크밸브의 운전에 의해 게이트나 글로브 밸브 같이 차단밸브로 간주되지 않는다따러서 영어로 체크밸브를 ISOLATING 기능이 있는 밸브로 간주하지 않는다 단지Check Valve인 것이다 스톱체크밸브는 배관계통운용에 있어 여러 가지 잇점을 제시할 수 이다 즉 정상운전시에는 단순히 리프트 체크밸브로서의 역할을 수행하다가 계통 운전의 필요성 또는

운전절차에 따라 스톱밸브-그로브밸브의 차단기능을 수행 할 수 있는 두가지 기능을 동시에 갖고 있는

밸브이다 이러한 기능을 수행하기 위해서 밸브구조는 스템과 디스크가 고정되지 않아야 하고

스템자체에 백 시트를 갖고 있으며 완벽한 차단기능을 위하여 스템은 Screw-Down 이어야 한다 다음 그림 75 는 미국 Edward 사의 스톱체크밸브이다 일반적으로 스톱체크밸브의 형식은 두가지가

개발되어 있다 하나는 스윙체크밸브형식이고 나머지 하나는 리프트 체크밸브형식이다 스윙체크밸브

형식의 경우는 스윙체크밸브의 본네트부에 스템을 장치한 것이고 리프트 체크 밸브 형식은 리프트

체크밸브의 디스크에 Serew-Down 스템을 장치한 것이다구조의 안정성 및 운전 신뢰성의 이유로 중소형의 스톱체크 밸브는 리프트체크밸브 형식으로 거의

100제작된다 대형의 경우에만 스윙체크밸브형식을 채탹하는게 일반적이다314 다이아후램 밸브(Diaphragmvalve)다이아후램밸브는 일명 위어밸브(Weir Valve)라고도 하며 주로 차단용의 블록밸브(Block Valve)로

사용된다 이 밸브는 비교적 최근(세계제 2 차 대전)에 발명된 밸브로서 비록 다이아후램의 재질

특성상 사용온도가 150이하로 제한되는 것을 제외한다면 부식성 액체의 유량 제어스러지나

고형물이 많은 유체의 제어용으로는 매우 경제적이고 제어특성이 좋은 밸브이다다이아후람은 고무콤파운드나 불소수지계열인 PTFE 가 주로 사용되고 압력-온도기준은 10bar

이내의 최고 사용온도 175이내에 사용된다이 밸브의 주요 사용처는 수처리 시설 부식성 화학물질 식음료용 시스템등이고 거의 대부분 PTFE 폴리프로필렌 고무류 등으로 유체며을 라이닝한 밸브가 쓰인다 이 밸브의 설계상 특징은 다음과

같다(1)다이아후람은 밸브 구성 부품중 가장 취약하기 때문에 용이하게 교체 될 수 있는 구조이어야 한다(2)유로 통과면은 유체흐름이 부드럽고 유연하게 되도록 돌출 부응이 없어야 한다(3)weir 형시의 다이아후램밸브는 weir 로 인하여 배관내부의 자동드레인이 될 수 없기 때문에 설치

방향등을 밸브 매

뉴얼에 기술하여야 한다(5)밸브 몸체는 가급적 낮은 가격의 가단주철등을 사용토록 하고 특별히 스테인레스강을 사용하는

경우를 제외하고는 100 PTFE POLYPROPYLENE RUBBER PVC CPVC PVDF PP 등으로

라이링 한다(6)스템의 스터핑 박스가 없는 대표적 밸브이다 다이아후램 밸브의 제작범위는 통산 밸브의

크기로써 10(250mm)이내 압력-온도기준으로써 Ansi Class 150(PN16)사용온도의 범위로는

80~175이다 간혹 Straght-Through 타입으로써 20(500Mm)까지도 제작 할 수 있으나 밸브의

트림 재질 및 운동특성상 신뢰성이 없다사용용도로는 주로 환경설비분야 청정가스의 제어 식음료분야 제어분야등으로 이는 밸브 내부가

이물질등이 축적될 수 있는 공간이 없는 구조일뿐더러 여타의 다른 밸브보다 분해 청소가 매우 용이한

구조의 밸브이기 때문이다 아울러 다이아후람은 주기적으로 교환해 줄 필요가 있다또한 이 밸브는 수동이 조작부는 물론 공기식 다이아후람 구동장치 솔렌노이드 구동장치로 자동화 할

수 있다 다이아후람밸브의 변종으로는 크램프 밸브(Clamp Valve) 핀치밸브(Pinch Valve) 이리스

밸브(Iris Valve)등이 있으며 모두 밸브 트림을 고무콤파운드등을 사용하며 분체 수송의 제어나

인분등 고형물질이 많은 유체 제어에 사용된다단지 크램프 밸브나 핀치밸브는 다이아후람 막을 눌러 유체 통로를 제어하고 이리스밸브는

다이아후람 튜브를 비틀어서 유체 통로를 제어한다는데 특징이 있다315 게이트 밸브

게이트 밸브는 차단용 밸브로써 여러 산업분야에 매우 다양한 형태로 널리 사용되는 밸브이다 게이트라는 디스크가 시트면과 마찰하면서 열리거나 닫힘으로써 유체 흐름을 제어하는데 제어의 주

목적은 유로의 차단 개방이다게이트밸브의 종류는 게이트의 씰링 메카니즘에 따라 구분되는데

다음과 같다(1)웨지게이트 (2)후렉시블게이트 (3)페러럴 슬라이드 게이트 (4)페러럴 더블 디스크 게이트 (5)스플릿 웨지 게이트 (6)드러우 콘디트 게이트 (7)나이프 게이트 (8)슬루이스게이트 (9)레실리언트 게이트등이 게이트의 씰링메카니즘과 형태에 따라 구분되었다 이외에 라인

브라인드밸브라든가 펜스록밸브도 게이트밸브 범주로 분류된다 이들에 대하여는 다음의 각항으로

구체적으로 설명한다 게이트밸브의 몸체 구성방식은 본네트의 구조에 따라 볼티트 본네트 프레셔 씰

본네트 클램프 본네트 용접형이 있다미국 밸브 기준 규격인 ANSI B1634 에 의한 압력 온도기준으로 볼 때 게이트 밸브는 4500Special까지 이상도 제작가능하고 900이하의 게이트 밸브는 대부분 볼티드 본네트형이고 1500급

이상은 용접형 또는 프레셜씰(압력 밀봉기)형식이 많이 쓰인다게이트배르의 압력-온도 기준은 Ansi B 1634 기준에 따라 125~4500까지 모든 밸브 재질에

가능하고 밸브 크기로는 38(10A)부터 200(5000A)의 대형 콘디트 또는 펜스톡 밸브 까지 제작이

가능하다 단지 압력-온도 기준이 300이상인 경우에는 밸브크기에 제한을 키게 받는다 300급

게이트 백브로는 현재까지 36(900)까지 제작된 기록이 있다 일반적으로 압력-온도기준이 600(최고 허용사용압력 1042 bar)이상인 게이트밸브를 고압 밸브로 구분할 수 있고 300급 이하는

저압용으로 구분한다고온고압의 시스템용으로 게이트밸브를 사용할 시에는 내압에 의한 밸브 구조의 건전성(밸브의

살두께가 커져야 함)과 고온에 따른 밸브 내부의 구조적 불연속 및 공동부(케비티 Cavity)에서의

이상승압등을 고려한 열에 의한 밸브구조의 문제점등이 서로 상반된 역학구조를 갖고 있기 때문에

20~40(500A~600A)가 최대 제작가능한 크기이다온도변화에 의한 이상 승압(pressure locking)게이트 밸브는 유로의 차단기능을 수행하기 때문에 디스크의 한쪽면만 시트와 완전 밀착하면 된다 즉 정상운전시에는 싱글시팅(single seating)만으로도 유로 차단기능이 충분하나 중대형의

게이트밸브중 더블시팅(double seating)을 하는 후렉시블왯지게이트 밸브나 더블 디스크

게이트밸브의 경우 간혹 운전중 착좌(seating)또는 분리(unseating)에 과도한 힘이 걸리는 경우가

있다 정도가 심할 경우에는 운전불능 상태에 이르고 나아가 전체 계통의 불시정지를 야기한다더블시팅에 의한 밸브조작력의 급격한 증가는 본래의 구동력 산정에 고려된 마진보다 휠씬 크게

나타날 수 있는데 이 급격한 증가는 다음 그림 76 과 같이 닫힘 상태에서 배르를 열고자 할 때 생긴다 이것은 밸브가 닫혀 있을 때 계통압력이나 온도의 천이가 있을 경우 발생하기 쉽다 일반적으로

더블시팅에 있어서 마찰력(시팅)만을 고려한 게이트 밸브의 조작력은 다음과 같이 계산된다 F=(P1-P2)A1μ+(P2-P3)A2μ 여기서 P1=입구압력 P2=출구압력 A1=입구측 시트경 단면적 A2=출구측 시트경 단면적 μ=시트면 마찰계수밸브가 닫혀있을 때 밸브몸통 공동부는 고립(트랩핑)되어

있게되고 이때 P1 이나 P3 (밸브입구 또는 출구의 압력)가 저하 되거나 대기압 상태로 될대 위식에서

보다시피 밸브의 마찰 구동력은 치대 두배가 된다 이는 게이트 밸브의 전체 구동력에 큰 영향을 줄

수 있다 더구나 게이트 밸브가 닫혀 있는 상태에서 계통의 압력 스파크나 서지가 일어날 경우 계통유체의 일부가 밸브몸통의 공동부에 고립될수 있게 되는데 이 트랩핑된 유체가 계통의 운전에

따라 가열되는 경우 P2 의 압력은 유체의 체적 탄성계수에 비례하여 큰 폭으로 증가하여 밸브를

도저히 열수 어슨 상태로 하는 현상을 이상승압 이라고 한다 일정량의 유체가 온도변화에 따라

팽창함에 따른 압력상승은 이론적으로 다음과 같이 구할수 있다ΔP=K(Vf-Vi) Vi 여기서 K=유체의 최적탄성계수Vf=가열시의 유체의 비체적 Vi=냉각 또는

초기시의 유체의 비체적예로써 밸브몸통의 공동부에 물이 꽉차있는 경우 200만큼 가열될때의

압력상승은 24540psi 가 되는데 이는 다음과 같이 계산된다K=300000psi Vi=001613ft316at 100 Vf=001745ft316at ΔP=300000(001745-001613)001613=24540(psi)이와같이 ΔP 가 증가하게 되면 밸브를 도저히 열 수 없게 되는데 설사 앞의 걔산에서와 같지 않은

상태(물의 잔존량 10~20)라도 ΔP 는 역시 크다그림 77 은 가열 온도에 따르는 밸브공동부내의 응축수량 대비 압력상승의 값을 보여주고 있다게이트밸브에서 이러한 문제는 밸브의 구동장치를 크게 하여야 할 뿐 아니라 경우에 다라서는

운전불능의 심각한 문제를 야기한다 이러한 문제를 사전에 방지하기 위해서는 그 근본원인인 게이트

밸브 몸통에서의 트랩핑 압력을 완화시키는 바업은 찾아야 한다다음은 이에 대한 해결 아이디어 들이다 밸브 몸통 공동부와 밸브의 입구 또는 출구측과

바이패스배관 9 통상 34~1크기)를 설치하고 이 바이패스배관에 수도형의 소형 그로브 밸브를 달아

밸브 또는 시스템 테스트시 이 바이패스밸브로써 이상승압 현상을 사전에 예방한다디스크 밸브 입구측에 위치한 디스크를 사용하지 않는다 즉 입구측 디스크에 V 노치등을 만들면 이

디스크 9 한쪽 0 는 시트로서의 역할을 하지 않는 대신 밸브공동부에서의 이상승압을 자동적으로 배출

(릴-이프)시킴으로써 이상승압이 발생할 수 없다밸브 입구측 디스크면에 드릴구멍을 낸다 밸브몸통공동부에 릴-이프 밸브를 장착한다 예)공동부내에

물함유량이 30이상 상온 (20)에서 510까지 가열하였을 때 배르 공동부내의 압력은 약

590bar 가 된다고온 고착(thermal binging)고온용 밸브에 있어서 설계상 가장 유의할 사항은 밸브구성부품의 형상에 따른 각기 다른 모드의

열변형을 가능한한 상온 상태의 것으로 맞추는데 있다또한 형상뿐만아니라 다른 모드으이 열 변형을 가져올 수 있는 열팽창율이 각기 다른 이종 금속간의

조합 열 온도 차이에 의한 열 변형 모드의 상이함이 이에 속한다 예로써 상온상태로 운전하던 밸브에

뜨거운 물이 유입되면 밸브몸통은 질량이 크기 때문에 아무래도 천천히 팽창할

것이고 상대적으로 질량이 작은 트림은 쉽게 팽창할 것이다 따러서 팽창된 트림은 밸브 몸통의

가이드 부분과의 운동간극(moving clearance)을 축소시켜 높은 구동력을 필요로 하고 아울러

시트나 가이드면에 흠집 또는 고착될수 있다이후 몸통이 서섯히 달아올라 충분히 열 팽창되면 다시

부드럽게 운전 될 수 있다그러나 밸브몸통은 구조적으로 불연속인 경우가 많고 아울러 살두께의 변화가 크므로 몸통

내부적으로 응력이 심하게 차이가 난다또한 이렇게 굽힘응력의 차가 크므로 취약부위(시트면을 잡고 있는 밸브의 크로치부분)에서는

예상하지 못했던 열변형이 크게 생겨 디스크가 빠져나기 어렵게 되거나 또는 닫을 때 디스크가 시트면

모서리에 꽉 끼게 되어 밸브를 닫을수 없는 운전불능에 빠지는 경우가 게이트밸브에서의 고온 고착

또는 열바인딩이라고 한다 좀더 쉽게 설명하면 한가지 얘로써 어떤 개통의 후렉시블 왯지 게이트

밸브를 계통을 가열하면서 열려고 할 때 잘 열리지 안거나 운전불능의 경우가 있는데 다음과 같은

조건들이 원인을 제공한다밸브에 바이패스라인(자체)이 없다 증기게통에 수직배관상 밸브가 수평으로 설치되어 있다계통 특성상 급격하게 가열된다 온도-압력기준이 높다게통정지시(냉각상태)에는 닫혀 있고 계통운전개시후 개방한다 모타구동 배르의 경우 모타의

구동력이 계통운전조건대로 사이징 되어있다 이러한 상황의 경우 정지시 타이트 하게 닫혀 있는

게이트밸브는 게통운전과 동시에 온도가 급격히 올라가면 밸브게이트보다 밸브 몸통의 열팽창이

적고 아울러 밸브 몸통과 게이트의 구조강도가 높다면 이 열팽창의 차이는 매우 큰 밸브구동력을

요구하게 되는게 일반적이다 따라서 이러한 걔통의 경우에는 바이패스라인을 설치하는게

바람직하다 이를 이론적 측면에서 검토하면 다음과 같다(조)주강(탄소강)8밸브몸통 SUS316 의 왯지 게이트 상온(70)상태에서 완전 닫힘 상태 계통운전에 따라 600까지 가열됨(계산식)단순히 두 재질간 열팽창의 상이에 따른 열팽창 차이(량)δL=(α1-α2)(T1-T2)L(계산결과)α1=10310-6inin-SUS316

열팽창계수

α2=6310-6min-탄소강의

T1=열팽창 계수

T2=상온시 온도

L=가열후 온도

there4SL=((10310-6-(6310-6))(70-600)4=0008inch(02mm)결국 02mm 만큼의 열팽창차이는 디스크와 시트간의 마찰계수 001 로 한다 하더라도 이론적으로

무려 28800ibf 의 추력이 필요하게 된다게이크 밸브에서 생기는 문제점들

게이트밸브는 계통운전의 목적상 차단밸브이므로 일반적으로 장시간 닫혀 있거나 열려 있게

마련이다 장시간 밸브가 운전하지 않을 경우에는 계통내의 불순물들 특히 스팀배관의 경우 배관의

철분등이 미세한 상태로 게이트와 시트의 가이드 구석진 부분에 고착되는 경우가 많다이때 밸브를 운전하면 디스크나 시트면에 손상을 입게 되는데 주로 피팅(pitting)또는 불순물과의

마찰에 의한 긁힘 등이다때로는 계통의 냉각 가열로 인하여 이러한 불순물이 시트 또는 디스크 재질과 친화하여 고착되는

경우도 있다 증기계통의 외부 불순물에 의한 긁힘 또는 불완전한 시팅으로 이 틈새를 통하여 시트

또는 디스크가 손상을 입게되는 와이어드로잉(wire drawing)이 대부분이다밸브 스템패킹에서의 누설문제는 거의 대부분 스템이 부식되거나 부적절 하게 사용처에서 패킹작어한

경우에 있다 스템의 부식은 가혹한 환경하에서는 피하기 어렵다더울이 13Cr(410 계열)인 스템은 부식되기가 쉽고 또한 자주 운전하지 않는 관계로 압축된

패킹재질과 이 분위기 속에서 부식된 수템은 거의 안정화된 상태에서 장시간 있었기 때문에 밸브

개폐시 많은 힘이 필요하고 더불어 일단 개폐하고 난 연후에는 패킹에서의 누설이 생긴다따라서 스템과 팽킹의 재질선택은 매우 중요하다 최근의 밸브기술은 팽킹재질과 스템재질 패킹구조등에 대한 괄목할 만한 실적을 쌓았음에도 불구하고 지금도 가장 취약한 밸브 기술부분이

이곳이다이들 연구결과 중 패킹의 가압력에 대한 연구는 스프링힘에 의해 항상 패킹의 가압력을 일정하게

유지시킬 수 있는 가압력을 일정하게 유지시킬 수 있는 라이브 로딩패킹은 이젠 중요 계통의 밸브에

거의 일반화 되어가고 있다 결론적으로 스템패킹에서의 누설문제를 대비하는 방안은 첫째 최적의

스템재질과 패킹재질로 하고 둘째 팽킹의 가압력을 밸브 제작자의 권장 수준범위내에서 가능한 한

적은 가압력을 오랫동안 유지시킬수 있는 구조로 하고 셋째 중요 계통의 밸브 또는 부식성 액체를

다루는 계통에서의 배르는 주기적으로 스템패킹에서의 누설여부를 점검하는 것이다1)왯지게이트(Wedge Gate)일면 솔리드 왯지게이트(Solid Wedge Gate)로 쐐기형의 매우 간단한 왯지로써 유체흐름을 막는

구조이다밸브스템의 축하중을 밸브의 시트표면에 정면으로 밀착시킴으로써 시트누설을 방지한다 따라서 이

쐐기형 즉 솔리드 왯지게이트밸브의 시팅력은 매우 높은 것이 특징이다 이 솔리드왯지게이트밸브는

연력배관의 작용력보다 월등히 튼 강도를 갖게 마련인 소구경 배르에 적용된다 이 이유는 기밀을

유지하는 시팅의 힘이 완전히 밸브스템의 추력으로만 작용될 수 밖에 없기 때문이다따라서 솔리드 왯지게이트 밸브의 디스크는 물론 이 디스크 강도이상의 밸브강도를 가진 튼튼한

몸통의 밸브만이 솔리즈왯지 게이트밸브에 적용된다 여러 가지 구조적인 측면과 경제적인 측면에서

솔리드 왯지게이트밸브는 호칭 직경 2(50mm)이하의 밸브에만 적용하는 것이 보편화 되어 있다 예를들어 다음과 같은 경우를 생각해 보자 즉 게이트 밸브의 양끝잔 노즐부에 과도한 배관자굥력이

작용된다면 솔리드웨지게이트와 시트는 닫혀 있을 경우 배관작용력에 대한 지지역활을 하게될

것이고 열려있을 경우에는 이 부분이 취약부분이 되어 배관작용력에 약하게 될 것이다미국 기계학회의 원자력부분의 밸브코드(ASME Boiler and Pressure Vessel Code Sec Subsection NB)의 NB-3200(설계해석-Design By Analysis) 및 NB-3500(Valve Design)에

따르면 배관작용력에 대한 규정은 다음과 같다peb=CbFbSCbFbS위에서 peb 는 배관작용력으로 인하여 생기는 게이트밸브의 시트부위의 굽힘응력이다Fb=일종의 단면 모멘트로써 밸브에 연결되는 파이프의 굽힘상수(Fb=0393de3Ps(20000Ps)) Cb=연결파이프의 굽힘응력 인덱스로써 밸브 노즐의 두게와 노즐 내경과의

함수(Cb=0335(γte)067) S=연결파이프의 허용강도(30000psi) Gb=노즐면의 단면계수

(Gb=I(ri+te)) 위의 식에 따라 밸브 상즈 별로 peb 를 계산해 보면 밸브 크기가 클수록 Fb 가

증가되는 비율이 Gb 의 증가율 보다

크기 때문에 결국 peb 로 인한 밸브 자체의 안전성을 확보하기 위해서는 게이트와 시트 부위에서의

응력 이완을 하면서 기밀을 유지할 수 있는 구조의 게이트가 요구되는 것이다따라서 경험상 2초과의 밸브의 경우에는 솔리드 왯지게이트보다는 응력이완이 가능한 후렉시블

왯지 게이트 또는 패러럴 슬라이드 게이트등을 사용하는 것이다 솔리드 왯지 게이트 밸브의 장단점은

대략 다음과 같이 요약할 수 있다(장점)스템 추력에 다라 시팅효과를 극대화 할 수 있다구조가 간단하여 염가이다유로를 양방향으로 처리할 수 있다(단점)연결배관의 라인로드(Line Loads)에 민감하게 반응한다라인로드라 함은 연결배관으로부터의 축방향 힘(열팽창등에 의한 열하중등) 오토션(비틀림 Torsion) 굽힘 모멘트 등으로써 이러한 라인로드가 클 경우 이들 힘들이 게이트에 집중된다만약 밸브 운전에 고온상태 하면 솔리드 왯지는 밸브몸통의 불균일한 열변형을 흡수할 수 없어

시팅상태를 불안정하게 할 수 있다즉 열변형(Thermal Distortions)에 의해 내부 누설 가능성이 높아진다솔리드 왯지 유연성 부족으로 게이트가 닫힘 상태에 있을 때 가열(Heatup) 또는 냉각(Cooldown)동안 고착될 염려가 있다 즉 이상스압(Pressure Locking)떠는 고온고착(Thermal Binding)의

가능성이 타 게이크밸브에 비해 매우 높다밸브시트의 보수가 어렵다 즉 게이트의 경사각과 시트의 경사각은 공장 출고시 확정된것으로이후

게이트 또는 시트의 보수 연마가 실시되면 게이트의 높은 강성으로 인하여 100의 시팅효과를

기대할수 없다(2)후렉시블 왯지 게이트(Flexible Wedge Gate)후렉시블 왯지 게이트 밸브는 솔리드 왯지의 단점을 보완하기 위하여 개발된 것으로서 장단점은

다음과 같다(장점)

솔리드 왯지 게이트 보다 라인로드의 흡수력이 좋으므로 고착이나 흡수력이 좋으므로 고착이나

내부누설을 최소화할 수 있다구조가 간단하다스템 추력에 비례하여 시팅효과를 높일 수 있는 구조이다양축 디스트가 동시에 시팅하는 구조로 시팅효과가 안정 스럽다솔리드 왯지 게이트 밸브에 비하여 시트나 게이트의 유지 보수가 보다 용이하다(단점)양측 디스크가 동시에 독립적으로 시팅하기 때문에 밸브 몸통의 공동부(Cavity)에 압력이 트랩핑

(Trapping)될 수 있고 이는 밸브의 가동시 열천이(Termal Transient)로 인한 이상승압이나

고온고착이 생길 수 있는 구조의 밸브이다게이트와 시트간에 불순물 축적시 시팅 메카니즘이 마찰을 이루면서 수행됨으로서 불순물로 인한

흠집(Galling)이나 마멸 가능성이 높다(3)스프릿 왯지 게이트(Split Wedge Gate)이 케이트는 솔리드 왯지를 분리한 형태로서 두 개의 분리된 왯지가 서로 매칭되는 시트에 독립적으로

시팅(착좌)할수 있으며 분리되었기 때문에 배관라인의 배관 작용력은 물론 열팽창 또는 천이에 의한

제반하중에 어느정도의 여유는 가지고 있다이러한 잇점은 솔리드 왯지에서 특히 대형의 게이트에서 생길수 있는 고착(Sticking)문제를 어느정도

완화시키는 것이다그러나 후렉시블 왯지 게이트에 비하여 가공이 어렵고 더블 디스크 드래그라는 두 개의 왯지가 닫힘

상태하에서 과도한 마찰력에 의해서 열리지 못하는 현상이 발생될 수 있기 때문에 일부 업체를

제외하고는 보편화되어 있지 않다스프릿 왯지 게이트 밸브의 문제 사례에 대한 것은 다음호에 자세히 언급하기로 한다(장점)비교적 적은 추력으로 양측 입출구의 시트면에 동시에 같은 압력으로 시팅하는 구조로서 차단 성능이

매우 좋다배관계통의 압력에 상관없이 스템추력의 추가만으로 저압력 영역이나 고압력 영역이나 양호한

시팅효과를 갖는다게이트 디스크면의 보수 유지가 솔리드 왯지나 후렉시블 왯지 게이트에 비하여 월등히 용이하다 왜냐하면 왯지의 각도에 여유가 있기 때문이다(단점)독립된 각각의 왯지가 동시에 양 시트면에 밀착함으로써 닫히는 순간에 갇힌 유체가 트랩핑 압력으로

작용할 때는 밸브가 열리지 않을 수도 있다 후렉시블 왯지 게이트 밸브에서와 마찬가지인 이상

승압현상이 염려된다따라서 스프릿 왯지 게이트 밸브에서는 대형이 되면 필수 적으로 바이패스 배간을 권장한다가격이 비싸다스템 추력이 양 왯지에 군일하게 작용하지 않을 경우 미스얼라이멘트(Misalignment)에 의해 왯지

디스크의 작동이 부드럽지 못할 가능성이 있다 스템 추력이 과도하게 작용하여 시팅되었을 경우 밸브

개방시 과도한 시트와 왯지 디스크면의 마찰력으로 인하여 디스크 또느 시트면에 흠집이 생길

가능성이 높다(4)패러럴 슬라이드 게이트(Parallel Slide Gate)

일명 패러럴 슬라이드 익스팬딩 게이트(Parallel Slide Expanding Gate)밸브라고도 하며 기본적인

디스크 구조는 두 개의 디스크면 또는 세그먼트(Segment)와 스템과 연결구조인 왯지가 있다 스플릿 왯지 게이트와 유사하게 스탬추력이 증가되면 될수록 양측 디스크가 동시에 양시트면에

시팅하는 구조이다(장점)양 시트면에 충분한 시팅력을 줄 수 있어 누설이 없는 차단 성능이 매우 좋다드로우 콘디트형 더블 왯지(Through-Condnit Type Double Wedge)설계가 가능 하여 게이트

Ofqm 의 사용목적을 다양화 할 수 있다(단점)구조상 각 세그먼트는 다른 왯지 게이트에 비하여 취약하기 때문에 배관작용력이나 열천이하중이 클

경우에는 손상을 받기 쉽다세그먼트 형상이 각기 다르기 때문에 유로 방향설정은 구조적으로 튼튼한 세그먼트쪽이 출구쪽이

되도록 설정한다일반적으로 다른 게이트밸브가 양방향 유로인 반면 이 패러러 슬러아드 게이트밸브는 유로방향이

한족 방향인 것이 특색이다트렙핑 압력에 의한 이상승압이 예상된다바이패스 밸브가 필요하다디스크 구조가 복잡하여 가격이 비싸고 과도한 시팅력을 제어하기 위한 특별한 구조 또는 처리가

필요하다스플릿 왯지 게이트와 유사한 디스크 또는 시트면 흠집(Galling)이 예상될 수 있다앞서의 스플릿 왯지 게이트 밸브와 패러럴 슬라이드 게이트 밸브는 디스트의 구조가 비교적 복잡하고

스템 추력의 증가에 따라 밸브 시트에 과도한 힘이 작용함으로써 시트의 손상 또는 디스크면의 손상이

타 왯지에 비하여 발생될 확률이 높다따라서 현재의 게이트 밸브는 왯지의 건전한 운전과 보수 유지의 용이성 때문에 대부분 2˝(50A)이하의 작은 밸브는 솔리드 왯지 중저압용(1500이하)의 경우는 후렉시블 왯지 그리고

고온용의 고압밸브에서는 스프링 로디드 패러럴 슬라이드 더블 디스크(Spring Loaded Parallel Slide Double Disc)가 많이 쓰인다 21회(961월호)(5)패러럴 슬라이드 더블 디스크(Parallel Slide Double Disc or Parallel Slide Spring Loaded Disc Gate)디스크는 평행되고 형상이 대칭되는 모양으로 그 사이에 강성도가 높은 인코넬 스프링이

끼어 있어 시팅력을 유지시켜 주는 게이트 구조이다 따라서 스프링에 의해 어느 정도 각 디스크는

독립적으로 시트에 착좌(Seating)할 수 있어 특별히 고온계통의 게이트밸브에 적용성이 높다 이는

밸브구조가 구조적인 불연속부가 많아 열응력이나 기타 배관라인의 배관작용력에 의한 뒤틀림

(Distortion)이 예상될 수 있기 때문에 이를 적절히 수용할 수 있는 구조의 디스크가 필요한 것이다 이 구조의 더블 디스크는 다른 구조의 게이트 디스크에서 치명적으로 일어날 수 있는 구조적 불안을

완벽하게 해결할 수 있는 큰 장점이 있는 반면에 구조가 복잡하고 가격이 비싼 것이 흠이다〔장점〕

게이트 밸브의 디스크 구조상 시팅시의 유연성이 가장 좋다 이는 시트의 접촉하중의 큰 변화 없이

기밀을 유지할 수 있기 때문에 高에너지 배관계통에 특히 적합하다계통운전중 계통온도의 급격한 변화로 인한 열팽창 차이로 인한 고온고착이 발생할 수 없는 구조이다

계통의 급격한 온도변화 또는 배관 작용력의 증대등으로 인한 시트의 뒤틀림에도 스프링의 가압력 및

계통압력으로 인하여 적절한 시팅 효과가 유지된다디스크의 시팅이 유연하기 때문에 흠집(Galling) 발생의 정도가 낮다시팅력이 거의 일정하기 때문에 모터 구동장치의 적용 신뢰성이 높으며 따라서 모터를 경제적으로

선정할 수 있다〔단점〕

밸브 출구측 디스크 게이트에만 시팅이 되는 구조로서 시팅의 여유가 제한되어 있다스프링 가압력에 있어서 그 힘이 디스크 중앙에 위치하기 때문에 디스크의 완전 열림에서 닫히는

순간에는 디스크 끝 부분과 시트가 부분적으로 마모되기 쉽다이러한 단점을 보완한 것이 콘디트 패러럴 슬라이드 더블 디스크밸브이다(6)슬래브 게이트 밸브(Slab Gate Valve)매우 간단한 구조의 공간 절약형의 게이트 밸브이다 슬래브 게이트는 밸브 입출구 방향으로 움직일

수 있는 시트와 접촉하면서 기밀을 유지한다 즉 다른 구조의 게이트 밸브들이 모두 디스크에서의

가압력에 의한 시팅구조인 반면에 슬래브 게이트 밸브는 시트가 일정한 시팅 가압력을 가지는 구조인

것이다따라서 시트는 밸브 몸체에서 분리가 용이하며 몸체와 시트 사이에 스프링 테프론과 같은 소프트

시트 구조로 기밀을 유지하도록 되어 있다 슬래브 게이트 밸브의 장단점은 다음과 같다〔장점〕

배관 작용력에 대하여 유연하게 대처할 수 있다디스크는 물론 시트까지 보수가 용이하다 왜냐하면 시트는 밸브 몸통에서 쉽게 분리되는 구조이기

때문이다슬래브 게이트에는 큰 힘이 작용하지 않는 구조임으로 구조가 간단하다계통온도의 급격한 변화등으로 발생할 수 있는 디스크와 케비티(Cavity)사이의 잔존 유체의 증발

팽창을 시트 구조 자체에서 릴리프 할 수 있기 때문에 이상승압과 같은 밸브 작동불량이 생길 수 없다〔단점〕

저온 저압에만 적용 가능하다 고온일 경우 오링 씰의 열화등을 밸브 수명평가에 고려하여야 한다 고압일 경우에는 프리로드 스프링(Preload Spring)의 설계에 어려움이 따른다 운전온도는 최대

200 이내이어야 하고 150 기준 지속운전 시간이 5000 시간을 넘지 말아야 한다버터플라이 밸브와 비교할 때 비경제적이므로 특수한 경우를 제외하고는 거의 사용되지 않는다(7)나이프 게이트(Knife Gate)나이프 게이트 밸브는 디스크를 칼날같이 얇은 길로틴과 유사한 구조를 가진 디스크를 채택한

밸브이다 또한 이 디스크는 본네트를 통과하여 외부로 노출되는 구조이다따라서 스템은 계통 유체에 접촉되지 않는다 이 밸브는 메탈 시트나 소프트 시트(Metal Seats or Soft Seats)가 모두 가능하고 밸브 제작의 크기에는 거의 제한 없이 만들 수 있으나 디스크가 외부로

노출되는 구조이기 때문에 스터핑 박스의 패킹 마찰면적이 넓고 구조적으로 패킹실링 역학상

어려움이 많기 때문에 스터핑 박스의 패킹 기술이 매우 중요시 고려된다 따라서 사용압력기준은

ANSI 125 또는 150이 최대이다나이프 게이트 밸브의 주요 응용분야는 펄프나 레올토지 유체와 같은 슬러리가 있거나 고점도 유체의

차단용으로 주로 사용된다〔장점〕

저압 유체의 제어용 밸브로서는 저가격 구조의 밸브이다슬러리와 같은 찌꺼기가 많거나 고형물이 많은 유체에 적합한 밸브이다가볍고 설치공간이 절약된다스템 및 스템의 나사부위 등이 유체와 접촉하지 않는 구조이다〔단점〕

외부 누설의 가능성이 높다고온 또는 고압에는 부적합하다316 글로브 밸브(Globe Valve)(1)차단밸브로서의 글로브 밸브

일반적으로 차단용 밸브를 선정함에 있어 주요 선정포인트는 밸브에서의 압력손실이 어느 정도인가를

최우선으로 고려한다 이는 전체 시스템에 있어서 압력손실의 누적으로 인한 동력에너지의 손실 등을

감안하면 쉽게 이해가 된다 따라서 차단용 밸브로는 주로 게이트 버터플라이 볼 밸브와 같이

압력손실이 적은 밸브를 선정한다그러나 일반적으로 스톱 밸브라고 말하는 밸브는 소형의 글로브형 차단밸브이다 이는 배관계통의

메인후로우(주관 Main Flow)가 아닌 계장용의 관말(Instrument Root Valve)이나 배기배수관말

(Vent amp Drain Valve)에 쓰이는 밸브들이 이에 속한다글로브 밸브는 앞서 연재한 게이트밸브의 운전상의 여러 문제에 대하여 상당히 양호한 대책이 될 수

있는 차단용 밸브로 선정될 수 있으나 압력손실 면에서는 큰 대가를 치러야 한다대략적인 압력손실량은 게이트 밸브가 05psi 라면 T-타입의 글로브 밸브는 10psi Y-타입의 글로브

밸브는 2~3psi 피스톤 체크 밸브의 경우 10psi 이다 차단용 글로브 밸브는 게이트 밸브와는

상이하게 유로방향을 일정하게 주어야 한다 거의 대부분이 디스크의 하부로부터 상부로 유로를

형성하는 상향식이 주종이나 진공차단용의 글로브 밸브는 이와 반대인 디스크 위측으로부터

하부측으로 유로를 형성시켜야 한다 이는 밸브가 차단된 후에 글랜드 패킹부위와 진공부가

차단되어야 하기 때문이다 (2)유량제어 목적으로서의 글로브 밸브

글로브 밸브는 유량제어의 목적으로 현재 가장 많이 채택하고 있는 밸브형식이다 그 이유로는 다음과

같이 요약 정리할 수 있다유체의 운전조건 즉 온도 압력 밸브에서의 차압조건 등 모든 어려운 조건에 맞도록 밸브 내부형상을

설계할 수 있는 구조가 글로브 밸브이다글로브 밸브는 다른 볼 밸브 버터플라이 밸브 등과 비교하면 상대적으로 매우 높은 유체흐름 저항을

갖고 있기 때문에 유량제어에서의 문제인 저유량 제어시 또는 저개도 운전시의 케비테이션이나

소음문제에 대하여 능동적으로 대처할 수 있는 밸브이다글로브 밸브는 유체제어의 목적으로 설계 제작 및 설치운전의 경험이 풍부하여 쉽게 자문 받을 수

있는 밸브이다밸브제작자 및 연구학계로부터 수많은 연구자료가 있으며 ISA(Instrument Sicety of America)와

같은 기관에서의 표준 규격 또는 권고 규격 등이 있어 유체제어에 대한 일관된 원칙으로 밸브를 설계 제작 및 운전할 수 있다유체제어용 즉 유체의 압력 온도 유량 및 차압제어용의 글로브 밸브는 통상 콘트롤 밸브(제어밸브)라고 하며 제어 목적에 따라 수많은 내부밸브(트림)형식이 있다 콘트롤 글로브 밸브의 트림형식은

배관기술 과월호에 언급한 바와 같으며 여기서는 각 트림별 형상 특성에 대하여 설명하고자 한다

우선적으로 콘트롤 밸브 즉 제어밸브의 배관계통상의 제어특성은 한마디로 유량과 차압(Differential Pressure)으로 요약할 수 있다 따라서 제어밸브를 논의함에 있어 가장 먼저 생각해야 하는 것은

배관계통의 압력손실구조와 제어밸브에서의 압력손실(차압 ΔP)간의 관계를 검토하는 것이다22회(962월호)(3)글로브 밸브의 대표적 트림구조의 이해 글로브 밸브는 통상적으로 유체의 흐름을 흐름방향

정면에서 디스크로 차단하고 아울러 디스크의 개도 위치에 따라 유량을 조절하는 밸브로서

유체흐름에 S 자형을 형성하게 됨으로써 밸브내의 압력손실이 게이트밸브 볼 밸브 및 버터플라이

밸브에 비하여 크다그러므로 글로브 밸브의 사용목적은 호칭 직경 4Prime를 초과하는 대형의 경우 유량제어의 목적이

우선적이나 밸브 개폐의 조작력이 상대적으로 크고 디스크 구조상 중간 개도시의 디스크 회전으로

인한 밸브 스템의 불안정으로 인하여 유량 제어를 최우선으로 하는 프로세스 제어에 사용되는 수동의

대형 글로브 밸브의 경우에는 계통의 보다 신뢰성 있는 엄격한 내부차단 기능(Tight Shutoff Tight Sealing)은 물론 간헐적으로 유량조절이 필요하며 아울러 운전자의 조사환경에 불리한 조건이 없는

경우에 채택하는 것이 일반적이다따라서 글로브 밸브는 사용 목적상 크게 구분하여 다음의 조건에 합당하도록 설계 제작되어야 한다 즉 밸브 스템에서의 기밀유지(Valve Stem Scaling) 밸브 본네트와 몸통간의 기밀유지(Valve Body Sealing) 밸브 좌면에서의 기밀유지(Zero Seat Leakage) 밸브 운전부품(Mechanical Operating Parts)들의 건전성 동저 하중(예로

수격현상 등)에 대한 구조적 건전성 등 다섯 가지 기본사항에 더불어 주문자의 요구사항(Design Specification)과 전체적인 프로세스 안전성과 이에 따른 밸브의 신뢰성에 기초하여

운전수명기간동안 건전한 기능유지와 비정상적인 운전인자로 인한 밸브수명의 저하를 충분히 보전할

수 있는 운전보수 개념을 도입하여 설계 제작하여야 한다 특히 대형의 글로브 밸브는 사용상의 제한

(밸브의 크기 유량 제어방식 구토방법)등이 따르기 때문에 주문社 요구사항의 합리적 반영을 통하여

최적의 설계를 구현하여야 할 것이다〔글로브 밸브〕

글로브 밸브는 그 운전 특징으로 보아 두 가지로 대면할 수 있다첫째는 유량조절이 가능하여야 할 것이며 두 번째는 엄격한 내부 기밀유지(Zero Seat Leaks)를

이루면서 게이트 밸브나 볼 밸브와 같이 승온으로 인한 이상승압(Pressure Locking)이나 고온고착

(Thcermal Binding)을 피하고자 할 때 사용한다그러나 밸브의 Seating 이 게이트 밸브에 비하여 약 4 배 이상 됨으로써 대형의 고압 서비스에는

밸브의 크기 및 작동 방식에 제한이 따르게 되므로 한정적으로 사용될 수밖에 없다첫 번째의 유량조절 기능의 부여는 글로브 밸브의 내부트림(이하 디스크와 시트로 구분하여 설명한다)을 요구되는 유량 특성에 맞추어 설계 제작함으로 이루어진다 유량조절 특성이 계통의 최우선 목적인

경우에는 제어밸브로 특징되는 밸브를 선정해야 할 것이나 이에 대한 구체적인 사항은 다음에

구체적으로 설명한다 따라서 글로브 밸브 특히 대형 글로브 밸브의 경우에는 게이트 밸브에서

예상되는 문제점(이상승압 또는 승온현상등)을 피하면서 유량 조절 기능을 제한적으로 부여하는

의미에서 디스크의 형상은 급개형(Quick Opening Type)에 유사한 형태로 설계하게 된다 특수한

목적(Design Specification 의 요구사항)에 따라 신형(Linear Type)의 디스크를 설계하는 경우는

수동 대형 글로브 응용에 있어서 매우 이례적인 사항이다 두 번째로 엄격한 내부 기밀유지는

무엇보다도 밸브에 있어서 가장 중요한 기능이다 따라서 밸브 디스크와 시트는 정밀하게 가공되고

또한 어떠한 조건의 운전환경에서도 수명기간 동안 디스크 및 시트 재질의 어떠한 노화나 손상이

없도록 설계 제작되어야 한다 따라서 이 디스크 및 시트 부위의 설계 제작 및 보수 기준은 밸브

제작시의 핵심적인 기술중의 하나이다이에 따라 디스크와 시트 형상 디스크의 안내 및 지지방법 디스크의 취부방법 디스크 및 시트면의

가공방법 디스크와 시트의 보수시 고려사항 디스크와 시트의 밸브 몸통간의 기하학적 구조관계 등을

종합적이고 합리적으로 고려하여 밸브를 설계 제작하여야 한다 다음의 글로브 밸브 트림 설계에서

이 사항을 구체적으로 설명한다〔대형 수동 글로브 밸브의 바람직한 트림 설계〕

① 유량 조절용 트림

유량 조절용 트림을 대형 수동 글로브 밸브의 경우 트림 형상에 따라 이상적으로 다음의 네 가지를

채택할 수 있다급개형(Quick Opening Type)의 트림

선형(Linear Type)의 트림

등비유형(Equal Percentage Type)의 트림

수정등비율형(Modified Equal Percentage Type)의 트림

그러나 앞에서 설명한 바와 같이 조직력의 제한과 운전 환경의 고려 운전 특성 등으로 인하여

급개형에 유사한 트림을 채택하는게 일반적이나 예로 대형 프로세스 플랜트나 발전소용 대형 글로브

밸브를 제작하고 있는 미국의 AnchorDarling Co Edward Cast Steel Valve Borg Warner Co등의 대형 글로브 밸브의 디스크 설계가 모두 급개형의 구조로 되어 있다이를 디스크 형상으로 유량 조절 특성에 유추하여 보면 저개도(일반적으로 총 스템의 운동량[Total Stern Traveling]의 40이하)에서는 기준유량(Rated Flow Rate)의 90까지 전형적으로 유량이

변하게 되므로 효율적인 유량조절용 밸브의 총 운동량(Travel Length)의 40미만의 저개도에서

이뤄지게 되므로 결과적으로 유량을 제한적으로 조절하는 것이 되는데 이는 수동 밸브를 조사함에

있어 밸브의 조작량과 시간을 단축시켜야 하는 의도와 부합되므로 급개형 트림 구조의 선택은 수동

대형 글로브 밸브에서 적합하다고 사료된다그러나 4Prime미만의 소형 글로브 밸브의 경우에는 통상적으로 유로차단의 스톱 밸브 역할과 더불어 유량

조절의 조작방법이 대형 글로브 밸브의 상황보다는 월등히 유리할뿐더러 프로세스가 요구하는

계통제어의 적정량에서도 합리적이므로 선형 또는 등비율형의 트림 구조도 많이 채택하고 있다②디스크와 시트의 기밀유지

디스크와 시트가 엄격하게 기밀을 유지하기 위해서는 완벽한 밸브 몸통에 고정된 시트에 대하여

디스크는 부드럽고 완벽하게 시트에 밀착되어야 한다 이렇게 되기 위해서는 디스크는 시트에 완벽한

밀착을 위하여 상대적인 허용 범위 이내의 미세 운동은 허락되어야 하며 아울러 시트에 접촉된

순간부터 시트 경계면에 손상을 주지 않도록 시트면에 점선방향의 상대운동은 허용할 수 없고 오직

접선 방향의 방향만이 허락되어야 한다물론 완전 기밀(Bubble Tight)인 경우에는 디스크와 시트의 기밀유지선은 선접촉(Line Contact)이어야 하므로 디스크 및 시트면에는 경도가 높고 인성도 많으며 내마모성이 우수한

크롬코발트계열의 경질합금(硬質合金)과 같은 것으로 하드페이싱(Hardfacing)되거나 시트 또는

디스크의 한쪽 또는 전체를 경질합금으로 제작하여야 한다그러나 법선방향의 운동이 허용범위를 초과하게 되면 소위 코킹(Cocing)현상 즉 디스크가

밸브몸체의 안내면에 꽉 끼이는 현상이 발생되어 디스크의 상하운동이 곤란하게 되며 심할 경우 밸브

조작이 어려워진다이런 현상이 생길 경우에는 문제의 경중에 상관없이 디스크의 시트는 완벽한 기밀유지를 할 수 없다 따라서 밸브 스템의 안정성과 디스크의 원활한 안내를 유도함으로써 코킹을 방지할 수 있는 밸브구조

즉 디스크의 안내구조가 필요하고 또한 안내구조는 정밀하게 설계되고 제작되어야 한다 또한 초기

접촉시 시트와 디스크면이 일치하여 이후 기밀을 위한 여분의 가압력에 따라 시트의 접촉선과

디스크의 접촉면에서 균일한 압력이 발생되어야 한다 이는 초기 접촉시의 아주 미세한 접촉 압력차를

디스크의 시팅운동으로 바꾸어 주여야 하기 때문이다따라서 글로브 밸브의 디스크는 스템에 완전히 고정되어서는 시팅구조의 정밀도가 곧바로 확보되지

않는 한 이의 적용은 곤란하며 스템의 디스크 연결구조는 일정한 허용 범위를 갖는 유극(간격이 있는) 구조로 설계된다 이를 위하여 디스크를 스템선단(先端)에 연결하는 방식은 대형 글로브 밸브의 경우

디스크와 디스크니트 또는 디스크와 디스크 스커트로 하여 나사로 체결되며 체결 후 필요에 따라

씰용접(Seating)을 위한 최소한의 유극(遊隙)을 갖도록 설계한다 아울러 압력구조상 밸브는

구조적인 불연속부가 많아 구조적으로는 근본적으로 취약한 압력용기일뿐더러 온도에 민감하게

구조가 변형될 수 있는 구조물이다따라서 밸브의 디스크와 시트에서의 교축(絞縮)은 국부적으로 격심한 유체의 운동량 변화를 유발시켜

디스크에 국부적인 불안정을 가져온다 이 국부적인 유체에너지의 불안정을 설계에 미리 반영하는

것은 실제의 운전조건 중 가장 가혹한 경우를 고려해야 하는 것은 물론이고 밸브 설계시 압력-등급에서 최대의 허용압력을 밸브의 최대차압으로 고려하여야 할 것이다물론 최대 설계 차압(ANSI B1634 PT 기준에 의한 100F 시의 최대압력)하에서 구조적 안전성은

보장된다③디스크의 안내 및 지지방법

디스크 유로의 정면에서 유세의 저항을 직접적으로 받게됨으로 디스크가 완전히 닫혀있을 때는

문제가 없지만 열려있을 경우에는 디스크와 시트의 기밀유지에서 언급한 시팅구조(Seating Mechanism)에 의하여 아주 미세한 흔들림을 예상할 수 있다더욱이 고압용의 글로브 밸브 경우 디스크 정면 즉 시트링(Seat Ring) 아래에서의 밸브몸통

내면구조의 복잡한 형상으로 인한 난류현상을 전혀 배제할 수 없으므로 이로 인하여 유로에 와류가

생겨 디스크를 회전 또는 불안정하게 할 수도 있으나(미국의 Pacific Valve Co에서는 회전이 되지

않는 디스크 구조를 갖고 있음)몸통 설계시 이를 대칭으로 하기 때문에 스템에 영향을 줄만큼의

회전은 생기지 않는다디스크의 안내 및 지지는 대형의 글로브 밸브에서 구조적으로 매우 중요한 사안이다일반적으로 호칭 직경 4Prime이상의 ANSI Class 600 이하에서는 밸브 시트링의 하부에 밸브 스템을

지지함으로써 디스크의 안내와 지지를 하는 Bottom Guided Disc 가 있으나 이는 유로 선단에서

난류의 발생 원인이 되며 이로 인하여 밸브의 성능이 저하됨으로 발전소용 밸브에서는 채용하지

않는게 일반적인 추세이다이를 보다 간단히 하고 또한 밸브 성능의 향상 교화를 갖는 디스크 스커트 형식의 밸브 몸체로서

안내하는 구조(Body Guided) 혹은 밸브 몸체에 리브를 제작하여 안내하는 구조(Body Guide Libs)를 채용하고 있다 이는 디스크와 스템간의 정확한 축정열(Alignment)을 확보함으로써 스터핑

박스의 글랜드 패킹에 무리가 없도록 하며 아울러 코킹 현상을 방지하여 밸브 시트에 정확한 밀착을

하기 위함이다 디스크 스커트 또는 디스크 너트는 진원(眞圓)의 정밀한 표면가공으로 정면을

유지하고 통상 3 개의 Body Guide Lib 로 축정열을 시키는데 그 유극(遊隙)은

05~07(002Prime~003Prime)mm 를 가진다 그러나 밸브목의 내면으로 Body Guide 할 때에는 밸브 스커트 또는 너트에 구멍을 뚫어 입력의 평형을 이루도록 한다(예AnchorDarling Valve 의 Disc Skirl 의 구멍)그러나 밸브 구조의 안정성을 고려하여 Body Guide Lib 방식이 널리 사용된다 왜냐하면 글로브 밸브의 시트를 통과한 유체는 일단 안정적인 흐름을 보다 빨리 구현하기 위하여

시트링의 유로 단면적보다 넓은 공간을 필요하게 되는데 이 부분이 밸브의 내압 부분에서 가장 취약한

부분(Valve Crotch Area)에 해당하는 부분이 된다 따라서 이곳에 리브(Lib)를 추가하여 밸브 구조의

안전성을 강화하고 유로 특성을 효과적으로 할 수 있다디스크를 안내하는 리브의 길이는 제작자에 따라 다르지만 가장 좋은 것은 밸브목 끝단까지 되어 있는

것이지만 제작의 편의를 고려하여 밸브 디스크의 가용 운동량(Effective Disc Traveling Length-통상 수동 대형 글로브 밸브의 경우 총 운동량의 40이하로 유지시킴)이상을 확보한다 이에 대한

예로 AnchorDarling Valve 및 Rockwell Edward Valve 가 이러한 구조이다④디스크 및 시트면의 가공

디스크와 시트는 밸브 기능중의 가장 핵심적인 부품으로써 구조적 강도는 물론 표면강도 표면의 가공

정밀도 경도 내부식 및 내침식에 대하여 좋은 특성을 가진 금속으로 심혈을 기울여 쉽게 제작되어야

한다가장 일반적인 방법으로는 디스크와 시트가 서로 밀착되는 면을 Stellite No6 으로 경면육성용접(鏡面肉盛鎔接 Hardfacing)한 후 정밀한 래핑을 하여 서로 경면을 유지하는 것이다 이에 대한 구체적인

시방은 주문자의 요구에 나와 있는 것이 일반적이다23회(964월호)⑤디스크와 시트의 밸브 몸통간 기하학적 구조

밸브가 효율적으로 운전하기 위해서는 유체의 흐름을 방해하는 돌출부 같은 구조물을 가급적

최소화하여야 한다 또한 유로의 궤적에 알맞은 내부 유로로 밸브 내부가 실제 제작되어야 한다 따라서 Bottom Guided Disc 같은 경우는 밸브성능을 저하시키므로 피해야 하고 밸브의 내부형상

(Interior Contour)은 유로 형상에 적절하도록 한다 이 유로 형상의 설계는 밸브의 성능과 밀접한

관계를 가지고 있다 즉 유로 형상이 미끈하게 되어 있는 밸브는 와류에 의한 압력손실이 그만큼

작아지게 되므로 밸브의 Cv 계수가 높은 밸브인 것이다수많은 밸브회사들이 Cv 계수가 좋은 밸브를 만들기 위하여 지금도 디스크와 시트간의 밸브몸통

형상을 계속 연구하고 있으며 아울러 주조인 경우 주조회수율이 높으면서 불량이 감소하는 밸브 구조

형상의 연구와 더불어 앞으로 계속 밸브업계의 노하우로 이 분야는 분류될 것이다〔정리〕

플랜트 공정용 수동 대형 글로브 밸브의 트림은 밸브의 내압부를 포함한 구조적 건전성이 우선적으로

확보되어야 하며 아울러 유량 조절과 이에 따른 차압의 변화를 안전하게 제어하고 밸브의 시팅

기능을 유지함으로써 내 외부에서의 누설을 엄격히 관리할 수 있도록 디스크 및 시트의 형상과 구조

그리고 안내 및 지지 구조를 최적의 조건으로 설계 제작되어야 할 것이다 수동 대형 글로브 밸브의

트림구조는 다음과 같이 하는 것이 바람직하다디스크의 안정성(Stability)을 유지하기 위하여 디스크 너트 또는 디스크 스커트를 채용하여 이를

디스크 안내(Disc Guide)구조로 한다디스크지지 및 안내는 Body Guide 또는 Body Guide Rib 를 채용하는 것이 바람직하다디스크 너트 또는 디스크 스커트 상부에는 유체가 잔류하지 않도록 도피구(또는 압력평형을 위한

구멍)를 설치하거나 Body Guide Rib 구조를 채택한다

디스크 너트 또는 디스크 스커트의 안내면 접촉부는 정밀 가공하여 정확한 축정열 및 정밀한 시팅을

위한 스템 안내의 정확도를 기해야 한다 디스크 너트 또는 디스크 스커트와 밸브목의 안내면(밸브몸통 또는 Guide Rib)과의 유극은 엄밀히 제한되어(05~07mm 정도)안내의 정확도를

높이도록 하고 디스크와 스템의 체결시 이를 고려하여 디스크와 안내면 간의 유극보다도 작은 유극을

갖도록 설계하여 스템에 디스크가 완전고정(6 방향 고정)하는 방법은 피하는 것이 좋다 또한 스템의

끝단선과 디스크에 Hardfacing 을 함으로써 디스크에 이상 마모가 발생하지 않도록 한다디스크와 시트가 접촉하는 면은 Stellite No6 로 Hardfacing 한 후 정밀 래핑하여 내부누설이 없도록

한다수동 대형 글로브 밸브의 디스크 형성은 급개형으로 하는 것이 좋다(4)특수형식의 글로브 밸브

글로브 밸브는 사용목적에 따라 독특한 형식을 가질 수 있는 밸브 구조상 설계 적응력이 높은

밸브중의 하나이다따라서 매우 다양한 종류의 밸브가 글로브 밸브 형식을 중심으로 설계 제작되고 있다 예를 들면 스톱-체크밸브 니들 글로브 밸브 벨로우즈씰 밸브 메탈다이아후렘 밸브 Fluted 플러그 밸브 싱글시트 더블시트 체인지오버 밸브 블로우 다운밸브 쵸크밸브 스리웨이 밸브등 그들 형식이 매우 복잡

다양하다 우선 본지에서는 글로브 밸브 중 특수형식의 밸브에 대하여 소개 차원의 간단한 설명을

하고자 한다①벨로우즈 씰 밸브

벨로우즈라는 금속제 주름관을 밸브에 적용시킨 것이 벨로우즈 씰 밸브라 한다 단지 벨로우즈는

비틀림에 매우 약하기 때문에 밸브스템이 상하운동만 하는 밸브에만 적용될 수 있다 따라서 글로브

밸브 게이트밸브에 적용된다 그러나 벨로우즈는 통상 015mm두께이하의 얇은 박판 2~3 장을

주름잡는 것이기 때문에 구조적인 강도가 매우 낮다따라서 내압부분에서는 어느 정도 구조적인 건전성이 입증되지만 운동량이 많을 경우 피로에 의해

손상될 수 있기 때문에 밸브에의 적용은 기술적으로 매우 고난도의 설계 계산을 요구한다벨로우즈 씰 밸브는 글로브 형식의 밸브에 있어서 폭 넓게 사용된다 적용성이 높은 이유는 비교적

낮은 스템 운동량(Travel Length) 때문이다 유로 직경의 25만 되어도 되기 때문에 글로브 밸브의

경제적 최대 크기인 12Prime(300A)까지도 가능하다 압력-온도 등급으로 보면 ANSI Class 150(PN16)에서 2500(PN260)까지도 가능하다 그러나 압력-온도 등급이 높아질수록

벨로우즈의 수명을 높은 수준으로 유지하기는 기술상 어려움이 많다벨로우즈 밸브에 대하여 수명을 언급한 기술규격으로는 BS5352 가 있는데 API 800를 기준한

밸브에 있어서 게이트밸브가 5000회 글로브 밸브가 10000회이다그러나 통상적으로 벨로우즈 밸브 제작사의 제작 표준은 각각 10000회 20000회 이상으로

유지한다 최근 자연보호와 환경보호의 일환으로 미국의 경우 EPA 에서는 밸브 특히

석유화학계통에서의 밸브 누설을 500PPM 이내로 할 것을 강력히 규정하고 있으며 이 요구사항은

점차 더욱 강조될 것으로 예상된다따라서 기술향상에 따른 벨로우즈의 성능향상 및 경제성 확보 환경보호에 따른 대기누설의 엄격한

통제 등을 고려할 때 앞으로 벨로우즈 밸브의 수요는 대폭적으로 늘어날 것으로 예상할 수 있다②메탈 다이아후램 밸브

메탈 다이아후램 밸브는 얇은 메탈 다이아후램을 몇 겹씩 쌓아 이를 이용하여 유로부와 밸브부를

완전히 차단하는 밸브로써 외부누설이 있어서는 안되는 방사선계통의 밸브 독성가스용 밸브 등에

사용되어 왔다그러나 밸브적용상의 몇 가지 치명적인 제한 때문에 지금은 거의 사라져 가는 구시대 밸브로

일부에서만 극히 제한적으로 사용되고 있다 대신에 벨로우즈 밸브가 이를 점차 교체해 나가고 있는

추세이다 우선 메탈 다이아후램은 변형량이 다이아후램 직경에 비례하므로 필요한 스템 운동량을

갖기 위해서는 큰 직경이 필요하게 된다 그러나 직경이 크게되면 밸브목의 직경이 크게되어

비경제적인 밸브가 된다 따라서 밸브크기가 2Prime이하에 적용되며 스템 운동량도 3~6mm 이내로

제한된다 그러므로 유로부에 대한 저항이 커지게 되므로 밸브모양은 Y 타입이 되어야 하고 시트의

직경을 유로 직경과 같게 설계함으로써 같은 크기의 밸브에 비하여 덩치가 큰 고가의 밸브가 된다 또한 스템 운동량이 적으므로 밸브 설치 후 이물질 등이 후라싱되지 않고 잔류하여 시트와 디스크간에

끼어 시트가 손상될 염려가 많아 내부누설의 가능성이 높다 아울러 메탈 다이아후램 밸브는 완전

개방이나 폐쇄(On-off Service Only)만 가능한 밸브이다 만약 중간 개도에서의 유량조절

(Throttling)은 메탈 다이아후램에 피로를 주어 다이아후램 외주부분이 피로 파괴된다 이는

유체흐름이 어느 정도의 맥을 갖고 있으므로 이로 인한 피로가 다이아후램에 전달되기 때문이다이상과 같은 이유로 최근에선 샘플링 밸브와 같은 12Prime이하의 계장용 밸브에서조차도 적용되지 않고

있으며 제반 성능이 월등히 좋은 벨로우즈 무누설 팩크레스(Zero-Leakage Packless)밸브는

제작되고 있다③ 스톱-체크밸브(글로브-체크밸브)이 밸브는 기본적인 글로브 밸브 모델에 체크밸브 즉 리프트 체크밸브의 기능을 복합한 이중기능의

밸브이다 밸브를 개방해 놓으면 리프트 체크밸브로써 유체가 한쪽 방향으로만 흐르도록 되지만

밸브를 닫는 것은 일반 글로브 밸브와 같다 글로브 밸브의 스템 끝에 이 스템을 안내면으로 하는

리프트 체크밸브를 갖춘 구조로써 펌프 출구전단이나 열교환기 같은 배관 시스템에 사용될 수 있다 즉 스톱밸브와 체크밸브를 각각 설치해야 하는 경우 이 스톱-체크밸브 하나로써 배관계통을 단순화할

수 있는 잇점이 있다④ 체인지오버 밸브(Change Over Valve)체인지오버 밸브는 주로 합섬계통에서 원료의 방향 바꿈 등의 사용 용도로써 많이 사용된다 이 역시

2 개의 글로브 밸브를 밸브하나로 기능을 통합한 밸브로 입구측 밸브와 출구측 밸브가 서로

체인지오버 하면서 유체흐름을 변경하는 것이다 이러한 밸브를 쓸 경우 기존의 2 개 글로브 밸브 1개의 티이 2 개의 엘보우 4 개의 플랜지 9 개의 용접량을 1 개의 체인지오버 밸브 단지 3 개의

용접량으로 배관공사비를 절감할 뿐 아니라 운전조작의 통합 간편성과 설치공간의 대폭 축소로 인한

경제적 이익은 매우 막대하다 하겠다 체인지오버 밸브와 대응하는 밸브형식으로 Three-way 밸브를

들 수 있다 쓰리웨이 밸브는 두 개의 포트를 가진 밸브로써 사용 목적은 유로 흐름을 변경(Diverting or Change-over)하는 것과 두 개 유로의 유체를 섞어 한 측으로 보내는 것(Mixing) 및 유로 흐름을

각기 분리하는 구조(Splitting)등 세 가지 목적에 쓰인다 이 세 가지 목적별로 밸브의 디스크 형상 및

시트 구조는 각기 판이하게 다르다⑤블로우다운 밸브(Blow Down Valve)배관계통에 있어서 블로우다운은 기액(汽液)2 상 유체(Tow Phase Flow)를 후라싱 탱크(Flashing Tank)를 통하여 분리하는 공정으로서 비교적 높은 압력의 기액 2 상 유체를 낮은 압력의 Flashing Tank 에 급속히 인입 시킴으로써 기액을 분리하기 때문에 이를 제어하는 밸브는 운전조건이

가혹하다 예를 들면 발전소용 증기 블로우다운의 경우 블로우다운을 시키는 밸브는 차압(ΔP)이 일반

밸브에 비하여 비교할 수 없을 만큼 크기 때문에 밸브의 트림부는 엄청난 유속으로 인한 마모

(Erosion) 문제에 적절한 대응책이 필요하다따라서 블로우다운 밸브는 기본적으로 밸브에서의 압력손실(ΔP)을 크게 할 수 있는 구조 및 입출구

형상을 가져야 하고 아울러 트림부의 침식문제를 억제하는 구조이어야 한다 따라서 디스크-시트에서

교축된 유로부는 바로 점진적으로 확관되어 속도 에너지의 손실을 크게하고 유로는 항상 디스크의

아래쪽으로 흐르게 한다 또한 디스크와 시트는 두텁게 스텔라이트(Stellite)로 육성 용접하여

내마모성을 증대시키는 구조이어야 한다 아울러 블로우다운 밸브는 계통 조건에 따라 미세한

유량조절이 아울러 요구되는 밸브로써 블로우다운 시스템의 운전초기 또는 관련계통의 시운전시의

최대 유량 조건과 정상운전시의 유량조건의 차이가 크게 나는 밸브이므로

디스크의 형상은 이러한 조건에 맞도록 Needle Type 을 사용한다24회(966월호)317 밸브 전동 구동장치(Motor Actuator)밸브의 제어운동을 전기적인 힘으로 자동으로 조작하는 기계를 전동밸브 구동장치라 하며 일반적으로

이러한 밸브를 통칭하여 MOV(Motor Operated Valve)라 한다 MOV 는 전기에너지를 사용하여

전동기의 회전력으로 밸브를 조작하는 것이기 때문에 전동구동기(Electric Actuator)라고도 하며

응용범위가 다양하고 비교적 저가격으로 신뢰성 높은 운전을 할 수 있기 때문에 거의 모든 종류의

밸브에 적용할 수 있다아울러 밸브제어의 각 고유기능(On-off Fast OpenClose 비례제어 Time Control Remote Control 등)을 수행할 수 있어 밸브의 구동장치로써 매우 많이 사용되고 있다(1)MOV 의 전동구동기 종류

〔회전방법(방향)에 따른 분류〕

MOV 는 전동구동기를 장착한 밸브를 총칭하는 말이므로 구동장치만을 말할 때는 전동구동기라고

통일한다 밸브는 차단기능 제어조절기능에 따라 크게 회전형 밸브와 직선운동형 밸브로 구분된다 대부분의 회전형 밸브는 90회전에 의하여 열리고 닫힌다 직선운동형 밸브는 게이트 밸브 글로우브

밸브와 같이 회전운동을 직선운동으로 변환시키는 것 스템에 나사가 없는 글로우브 게이트 밸브나

다이아후램 밸브와 같이 순전히 직선운동만이 필요한 밸브 등이 있다 여기서는 앞서의 90회전형

밸브 및 스템에 나사가 있어 회전운동에 의해 스템이 오르내리는 밸브의 구동장치에 대하여 설명한다①90회전 구동기(Quarter-Turn Actuator)90회전 또는 14회전 구동기는 90 이내의 회전각을 갖고 작동되기 때문에 90회전밸브인

버터플라이 밸브 볼 밸브 플러그밸브 댐퍼(Damper)등에 사용된다 90회전이기 때문에

작동회전각이 매우 적으므로 에피싸이클로이드(Epicycloid)와 같은 다단계 감속 구조에 의하여 대략

11280 에서 115000 으로 감속되며 01~15rpm(Revolution per minute)범위의 회전속도로

운전한다② 다회전 구동기(Multi-Turn Acutator)Multi-Turn 구동기는 적어도 1회 이상 최대 수백회(le1000회전)까지의 회전이 가능하도록 하여 이

회전을 나사메카니즘을 통하여 스텝을 직선운동으로 변환시켜 밸브를 여닫고 하는 것이다따라서 통상의 게이트밸브 글로우브 밸브 등에 적용한다 이 구동기를 밸브 스템에 연결하는 구조는

스템이 회전하면서 동시에 상하운동하는 Stem Rotating amp Riding 방식과 구동장치에 삽입된

슬리이브를 회전시켜 스템이 단순히 상하운동만 하게 하는 Non-Rotating Rising Strem 방식이

있다 현재의 다회전 구동기는 거의 100가 후자의 Non-Rotating Rising Strem 방식을 채택하고

있다

이는 글랜드 패킹에서의 마찰력을 최소화시켜 구동장치의 Torque 를 절감하고 아울러 패킹에서의

기밀유지구조를 가급적 안정하게 하는데 있다 이 구동기의 회전속도는 14~250rpm 으로 90회전

구동기에 비해 고속으로 운전된다〔조작기능에 의한 분류〕

전동구동기는 밸브의 운전을 자동화하기 위한 것이므로 조작기능 또한 구분할 수 있다 대표적인

회로구성은 다음에 설명한다① 기본형(Basic Model)밸브의 원격운전에 필수적인 최소의 구성 즉 전동기 감속장치 토오크 및 리미트 스위치 수동운전을

위한 메카니즘 위치표시장치 전동기 히터 터미널 블록 등으로 구성되어 있다 독자적인 제어회로에

의한 부가적인 제어기능이 없으므로 주로 On-Off 용으로만 사용된다② 통합형(Integral Model)기본형의 모든 제어기능을 구동기 내부의 판넬에 수용하고 아울러 원격운전은 물론 구동기 자체에

장치된 스위치로 구동기를 운전할 수 있다 따라서 기본형 이외에 밸브운전의 모니터(Monitor)기능 인터록킹(Interlicking)기능 자동위상변조(Auto Phase Correction)기능 긴급차단기능

(Emergency Shutdown) 구동기 속도조절기능 등 다양한 특수기능을 제공한다③ 지능형(Intelligency Model)통합형의 기능에 통신제어기능을 부가하고 아울러 프로그램기능을 추가함으로써 수동적인

밸브운전을 능동적인 밸브운전이 가능하게 하고 구동기와 밸브 그리고 배관내 유체흐름의 상태등을

종합하여 원격에서 모니터링 할 수 있다 아울러 자체의 진단기능으로 하여금 계통의 이상운전 여부를

경보하는 그야말로 지능형의 구동기를 일컫는다최근에는 컴퓨터통신을 이용한 LAN 또는 WAN(Wide Area Network)으로 밸브 구동기를

프로그램에 따라 원격에서 Systematic 하게 운전하고 이 운전을 피드백하여 계통의 운전상태를

감시하고 자체의 진단기능을 갖는 지능형의 밸브 구동장치가 장치산업을 중심으로 많이 사용되기

시작하였다〔운전모드에 따른 분류〕

①완전 On-off 용 구동기

밸브를 완전히 닫고 열게 하는 구동장치로서 아무리 큰 밸브라 하더라도 닫혀있는 상태와 완전히

열려있는 상태를 이 구동기는 유지하여야 한다 통상적으로 밸브개폐의 동작시간만큼만 전원에 의해

구동장치가 동작하고 이후에는 전원이 Off 되어있어야 한다따라서 밸브의 개폐시간은 모터 작동시간으로 보아 15 분을 초과하지 말아야 하므로 시간정격을 가진

단기작동형 즉 IEC 에서 정하는 S2 급으로 15 분 등급을 가져야 한다 이 등급의 전동기는 연속적으로

운전하는 연속정격의 2 배정도의 출력 토오크를 제공할 수 있다 만약 15 분 이상 연속 운전할 경우 모터가 과열될 수 있으므로 이에 대한 보호장치는 필수적이다 일반적으로 게이트밸브나 글로우브 밸브의 경우 밸브가 완전히 닫혀 있을때(더욱 엄밀히 말하여

밸브가 완전히 닫히는 순간이나 완전히 닫힌 상태에서 빠져나올 때) 구동 토오크가 최대가 된다 이후

밸브가 열리면서 구동 토오크는 급격히 감소되므로 구동기의 출력(토오크)은 밸브가 완전히 닫히는

순간 최대가 될 수 있도록 토오크 리미트 스위치와 리미트 스위치로 구동기 출력을 기계식으로

바이패스시켜야 할 것이다 이에 대한 보다 이론적인 설명은 다음에 구체적으로 설명할 예정이다따라서 구동기 드라이브 기어(Drive Gear)에는 모터가 정격속도에 도달한 이후에 보다 큰

토오크력이 전달될 수 있는 햄머블로우(Hammer Blow)장치를 부착하여 밸브 On-off 조작시 가장 큰

토오크가 필요한 언시팅(Unseating 밸브가 완전 닫혀 있다가 열리고자 하는 순간)시의 힘을

제공한다② 유량조절 또는 비례제어형 구동기(Proportional Control Actuator)이 구동기는 배관계통내의 유량 압력 또는 온도에 따른 제어 목적에 적절히 대응하여 운전되도록 한

것으로 운전량을 측정하는 감지기 제어량과 운전량을 비교하고 제어량을 산출하는 콘트롤러 콘트롤러로부터의 제어신호(4~20mA 또는 1~5Volt DC)를 받아 밸브의 개조를 지시하는 포지셔너

및 모터로 구성되어 있다 이러한 구동기는 연속정격(Continuous Duty)의 전동기(IEC S4-25 Class)를 사용하며 앞서의 On-off 구동기에 비하여 약 절반정도의 토오크만 있어도 충분하다 아울러

정밀한 연속적인 제어를 위해서 극히 낮은 관성을 가진 전동기를 사용하고 저속(On-off 용 구동기에

비하여 2~3 배)의 운전속도와 자동체결(Self-Locking)구도를 가져야 한다 물론 감지기와 같은

센서류의 고장(신호손실- Signal Fail)에 대비하는 정지기능(Stay Putfail Open Fail Close Fail as is)이 부가되어 있어야 한다(2)MOV 에서 사용되는 용어 및 크기 선정

〔용어〕

① 밸브시트 단면적(Valve Seat Area)실제 밸브 포트의 단면적 또는 밸브 시트링의 단면적

② 스터핑 박스의 Load(Ff)스터핑 박스 패킹의 마찰력으로 생기는 패킹 마찰력

③ 밸브 계수(Valve Factor)밸브의 트림구조 및 형상에 따라 정해진 계수로서 주로 트림에 있어서 마찰구조에 크게 영향을 받는다-Around 025 for Parraiel Sllde and Flexible or Double Disc Gate Valves-Around 035 for Solid Wedge Gate Valve-Around 115 for Screw Down Globe Valve Above 2Prime-Around 15 for Screw Down Globe Valve Under 2Prime④ 스템 계수(Stem Factor)밸브 스템에 있어서 모터의 출력 토오크를 스템의 나사구조를 통하여 추력(Thrust)으로 변화시키는데

생기는 나사의 효율과 마찰특성 등에 의하여 구해진다 스템 계수 = Ds(cos tanα+μ)24(cos-μ tanα)(Ff)또는

=De(cos[θ2]tanα+μ)2000(cos[θ2]-tanα)(m)여기서 Ds=밸브 스템의 유효직경(inch)De=밸브 스템의 유효직경(mm)25회(967월호)⑤직류 모터(DC Motor)직류 모터는 부하에 매우 민감하므로 설계 속도는 단지 개략적으로 말할 수밖에 없다 설계상 낮은

운전 토오크를 요구할 때는 실제 모터 속도보다 50 내지 100 정도만큼 증가시킨 모터 속도를

택하고 기어 감속비를 증가시켜 주어야 좋다⑥모터 기준운전 토오크

Motor Rated Running Torgue 토오크의 기준운전 토오크를 정하고 있다 기준시동 토오크는

모터의 허용 토오크와 같으며 20 또는 40 기준운전 토오크(20 or 40RRT)의 선정은

다음과 같다Calculated Moter Starting(Running) = 설계기준 Overall RatioStarting(Running) Efficienjcy설계기준 최대 스템

토오크(MaxSte Tprque)계산된 모터운전 토오크는 40 또는 40RRT 비교하여 모터의 토오크를 결정하고 40 RRT 보다

클 때는 다음의 크기를 택한다 일반적으로 Running Efficienjcy Starting Efficiency 보다 값이

크므로 Starting 시에 모터의 토오크는 크게된다 여기서 20 또는 40RRT 를 선정하는 방법은

밸브의 운전하중에 따라 결정된다 즉밸브의 운전하중 = (스터핑 박스의 마찰력+스템에 걸리는 하중[Piston Effect])부하계수(Load Factor) 에서 밸브의 운전하중이 층 스템추력의 99보다 작으면 20RRT 를 사용하고 33보다

높으면 40FFT 를 사용한다 이 토오크는 구동기의 토오크 리미트 스위치의 트리핑을 설정하는

토오크 스케일(Scale)의 100에 해당한다⑦ 스톨 토오크 스톨 추력

완전부하 상태에서 전기적 부품의 비정상적인 동작으로 인하여 모터의 Overrun 이 밸브의 시팅(또는

백시팅)시에 생기는 경우가 있는데 이때 과도한 추력이 발생하게 되는 것을 스톨상태의 토오크라고

한다단위 스톨 토오크 1=모터 허용 토오크구동자 회전비(Overall Ratio)모터 시동효율

단위 스톨 추력 1=스톨 토오크스템계수

1단위 스톨 토오크 및 추력은 Limitorque 카다로그의 설계기준 토오크와 추력(Max Torque RatingampSeating Thrust)의 150를 초과하지 못한다 스톨 토오크를 전동기의 실속(失速) 토오크라고도 말한다⑧ 브레이크어웨이 토오크(Break-away Torgue of Valve Cracking Torgue)구동기 드라이브의 슬리이브에는 밸브를 열기 시작할 때 필요로 하는 Valve Cracking Thrust 를

얻기 위하여 장치된 Lost Motion Hammer Blow 장치가 있다 햄머 블로우의 충격에 의한

운동에너지는 정적운전시의 에너지에 비하여 2 배 이상이 되는 힘으로 순간적으로 작용하기 때문에

토오크리미스 스위치에 영향을 주지 않으면서도 용이하게 밸브 디스크를 시트에서 Unseating 하게

하는 것이다이때 필요로 하는 토오크를 말하며 대략 기준운전 토오크의 200 정도이다〔MOV 구동기의 크기계산〕

MOV 구동기의 크기는 밸브형태 및 사용조건에 따라 결정된다일반적으로 구동장치의 크기의 선정은 밸브의 설계(최고운전)압력과 디스크 포트의 크기와 형상(내경등) 스템의 크기(직경) 패킹의 가압력 및 밸브회사 고유의 설계여유(Design Margin)가

고려된다 이를 식으로 표시하면 다음과 같으며 선정을 위한 설계추력은 아래의 식에 적어도 15이상의 여유를 고려한다설계추력(Design Thrust)=밸브계수(Cv)밸브 디스크의 힘(Pd)-스템의 힘(Fs)-패킹 마찰력(Ff)+스템

및 디스크의 자중(Wsd) 설계토오크(Design Tprque)=스템계수(Cs)설계추력

여기서Fd=πD2 ΔP4Fs=πD2 ΔP4Ff=1000 1bf dle1Prime

1500 1bf 1Prime〈dle2Prime 2500 1bf 2Prime〈d단 패킹의 마찰력은 스터핑 박스의 설계방식에 따라 다르며 일반적으로 패킹에서의 누설을

최소화시킬 목적으로 가압력을 크게 하는 경우가 많으며 실제 Live Loading 의 패킹구조에서는 위의

값보다 크다d=스템의 직경(inch)Cv=밸브 계수

=025 내외(Parallel Slide amp Flex or Double Disc Gate) =035 내외(Solid Wedge Gate) =115 내외(Screw Down Globe Above2Prime) =15 내외(Screw Down Globe Under2Prime)P=설계압력(psig)D=밸브 시트의 직경(inch)ΔP=설계차압(psi)Cs=스

템계수

=Ds(cos-tana+μ)24(cos-μtana)Ds=스템직경(Mean Stem Diameter)=나사각(Thread Angle)tanaα=Thread LeadDs)μ=마찰계수(012~02 통상 014~016)밸브계수라 함은 밸브디스크와 서로간의 마찰에 의해 정해지는 마찰계수이며 스팀계수는 윤활 온도 불순물의 유무 등 운전환경에 따라 변하게 된다 또 이들 계수의 결정은 시험 및 경험 축적자료에

의하여 결정된다특히 스템계는 모터구동장치의 토오크를 결정하는데 중요한 요소로서 모터의 출력 토오크가 스템

또는 드라이빙 부신을 통하여 스템이 변화하는데 생기는 변환기구의 기하학적 형상 및 마찰기구의

특성으로 구성된다따라서 구동장치의 적절한 윤활 테스팅등 유지관리가 소홀한 경우 스템계수는 증가한다 이렇게

스템계수가 증가하면 모터의 설계 토오크가 커져 모터에 과부하가 발생될 우려가 생긴다아울러 이러한 사항을 고려하지 않고 구동장치를 선정하면 통상 스템계수를 적게 잡거나 메이커 표준

스템계수를 사용하게 됨으로 유지관리가 부적절한 경우 구동장치의 트러블을 야기하게 도니다 한

예로 125 의 스템 13Prime의 피치 13Prime의 리이드를 가진 스템에서 윤활등의 적정여부에 따라

스템계수가 0012~002 로 측정되는 것을 보아 적어도 30~35 스템계수 변화가 있음을

고려하여야 한다〔전동 모터출력 토오크의 변화〕

모터구동장치에서 고려할 중요한 사항의 하나는 전압에 따른 모터의 출력 토오크 변화이다모터의 출력 토오크는 전압의 자승으로 변화하기 때문에 10의 전압 강하시를 고려한다면 모터의

크기(출력 토오크) 선정은 123 배로 해야 될 것이다 즉 Design Torque=aV2여기서 a 는 비례상수이고 V 는 전압이다

Design Torque(100)Toruqe at 100 Voltage=Sizing Torque Considering 70 Voltage(70)2(100)2Sizing Torque=100004900=204at 30 Voltage Drop=100006400=156at 20 Voltage Drop=100009100=123at 10 Voltage Drop=1000012100=083at 10 Exceed of Rated Voltage따라서 10~30의 전압변화를 고려한다면 그 범위는 약 25 배(204083)의 출력 토오크 변화를

예상할 수 있다(3)MOV 용 전동구동기의 밀폐와 품질

모터구동장치는 동력원으로써 전동 모터와 이의 제어에 필요한 전기 전자 및 기계장치를 갖고

있으므로 이들의 건전한 운전을 계속 유지하기 위해서는 외부의 유해한 환경에 노출되는 것을

방지해야 한다전동구동기가 설치되는 주변의 온도 습도 먼지 자연적인 제반 유해한 가스 및 비 눈 방사선 햇빛

등이 전동구동장치의 내외부에 직간접으로 영향을 미치므로 이를 차단하는 밀폐기술(Sealing Technology)은 매우 중요하다 따라서 이에 관련한 밀폐기술과 품질에 대한 규정 및 표준 그리고

적용방법은 거의 모두가 국가 또는 국가간의 국제규격으로 제시되고 있다이를 요약하면 방수등급 방진등급 방폭등급 및 원자력등급으로 구분할 수 있다①IEC(International Electricity Commission)에 의한 방수 방진등급

IEC 144 규정에 의한 등급은 IP68 과 같이 두 자리의 숫자코드로 방수 방진등급을 표시한다 첫 자리

0~6 은 보호등급이고 두 번째 자리 0~8 까지는 물의 침투에 대한 방수등급을 나타낸다 (첫자리사람의 접촉 및 외부 물체의 침투에 대한 보호등급)0No protection1Protection Against Foreign Matter(ge50mm)2Protection Against Medium Foreign Matter(ge12mm)3Protection Against Small Foreign Matter(ge25mm)4Protection Against Granular Foreign Matter(ge10mm)5Protection Against Dust Deposits6Protection Against Dust(두째자리 물의 침투에 대한 방수등급)0No Protection 1Protection Against Dripping Water Falling Vertically2Protection Against Dripping Water Falling Diagonally3Protection Against Spraying Water4Protection Against Splashing Water

5Protection Against Jets of Water6Protection Against Flooding7Protection Against the Effect of Immersion8Protection Against the Effect of Submersion② 방폭등급(IEC 규정에 의함)Intrinsic Safety Class 정화에너지 정상운전에서 발생할 수 있는 표면온도 혹은 어떠한 발생

가능한 Fault(손상)조건을 제한함으로써 안전성을 유지하는 기술

Intrinsic Safetiy Standard Class 2 개의 구성요소 Fault 까지 안전을 유지하며 위험한 장소의

설비는 Zone 01 및 2 를 준용한다Note N 형 설비(정상운전시에는 안전)는 Zone 2 를 준용한다Type of Industry 지하 광산 지표면

Type of Hagard 공기 인화성가스 및 중기의 폭발성 혼합물질(먼지 포함)예)ClassⅠ-가스 증기 Class 먼지 Class-화이버 솜Degree of Hagard Zone 0-폭발성 가스와 공기의 혼합물질이 계속적으로 존재하거나 장기간

존재하는 경우 Zone 1-폭발성 가스와 공기의 혼합물질이 정상운전에서 발생할 수 있는 경우 Zone 2-폭발성 가스와 공기의 혼합물질이 발생할 우려가 없으나 단기간은 발생할 우려가 있는 경우

Ignition by Spark Group C-Hydrogen Acetylene Group B-Ethylene Group A-Pro-Pane Group I-MethaneIgnition by Hot Surface 위험한 장소의 설비를 주변온도 40의 조건에서 Fault 가 발생되는 최대

표면온도는 다음과 같이 분류된다T1-450 T2-300 T3-200 T4-135 T5-100 T6-8026회(969월호)(4)전동구동장치의 구조

전동구동장치는 각 제조회사별로 혹은 그 제조방법(적용기술)에 따라 구조 및 구동메카니즘이 조금씩

차이가 있으나

근본적으로 그 원리는 같다 즉 동력으로서의 전동기(Electric Motor) 감속기구(Reduction Device) 제어 및 표시장치(Control Device) 수동운전기구(Manual Override Mechanism) 전선

연결단자(Terminal Block) 그리고 밸브 스템에 연결시키는 체결블럭(Coupling Block)으로

구분된다그러나 특수목적에 부합되도록 밸브를 운전해야 할 경우 추가로 부속장치가 장착되는데 거의 대부분

제어 및 표시장치가 이에 해당한다 이들 각 장치는 구조적으로 제각기 독립된 케이스 내에 구성되어

있는데 운전 조작을 통하여 유기적으로 연합되어 운전하게 된다이러한 이유는 밸브의 설치가 대부분 악조건의 환경에 설치되므로 구동장치 내부의 정밀한 장치를

보호하고 안정된 상태로 신뢰성 있는 운전을 해야 한다〔전동기의 종류 및 특징〕

① 유도 전동기(Induction Motor)유도 전동기는 서로 독립된 2 개의 권선이 있어 그 한 권선에서 전자유도 작용에 의하여 또 다른 한

권선에 에너지가 전달되어 회전하도록 한 전동기이다 즉 1 차 권선에 흐르는 전류에 의하여 발생한

회전자속이 2 차 권선과 전자유도 작용을 일으켜 토오크가 발생하고 이 힘에 의하여 구동자가

회전하게 된다유도 전동기의 실제 회전속도는 동기속도보다 작다 이는 회전자가 동기속도보다

느리게 돌아야만 자속을 끊을 수 있으므로 유기전력이 발생 회전자에 전류가 통해서 이 전류와

자계의 자속 사이에 토오크가 발생한다유도 전동기는 구조가 간단하고 따라서 가격이 저렴하다 아울러 취급이 용이하며 부하가 변하더라도

속도의 변화가 적은 정속도 전동기이기 때문에 여러 가지 전동기 중에서 가장 많이 사용되고 있다유동 전동기는 회전자의 종류에 따라 권선형과 농형(Squirrel Cage) 전동기로 구분된다② 동기 전동기(Synchronous Motor)동기 전동기(同期電動機)는 일반적으로 회전계자형이고 전기자의 권선은 고정자 측에 감고

회전자에는 계자극을 만들고 이 계자권선 측에 스립링을 통해 전류를 공급하여 자극을 만든다 자극수 P 의 교류기에 전원주파수 f 인 교류를 공급하면 회전자는 N=120f1p(rpm)의 항상 같은

방향의 회전력이 생긴다 동기 전동기는 항상 일정한 속도로 회전하는 대신에 기동시의 기동 토오크가

작은 단점이 있어 전동구동장치에의 적용은 곤란하다따라서 전동구동장치에는 권선형의 유도전동기와 같은 구조로의 동기 전동기 즉 유도동기전동기가

널리 사용된다 이 전동기는 운전중에 동기전동기의 특성인 역률을 임의로 조정할 수 있으며 기동입력

대비 기동 토오크와 입력 토오크가 큰 장점이 있다③직류 전동기

직류 전동기는 회전속도에 무관하게 일정한 토오크를 출력하며 속도조절이 용이하므로 속도제어용의

전동구동장치에 널리 사용된다〔감속기구〕

전동구동장치에서 사용하는 감속기구는 전동기의 출력회전수를 매우 큰 감속비율로 감속시킬 수 있는

웜기어(Worm Gear) 성형기어(Planetary Gear)를 주 감속기구로 보조감속기구로서 스퍼어 기어

(Spur Gear)를 조합하여 사용한다 전동기의 회전속도는 전동기의 극수를 P 라 하면 V=(120f)p 로

되어 4극인 전동기의 경우 우리 나라의 전력공급원으로 설치될 경우 이론적으로 1천 8백RPM 이

된다 그러나 밸브 조작에 필요한 회전수는 24~48RPM 이면 되니까 감속기구의 감속비율은

175~1375 가 된다 감속기구에서의 감속기어는 드라이브 슬리이브(Drive Sleeve)를 통하여

동력을 전달하며 햄머블로우(Hammer Blow)장치와 연결하게 함으로써 밸브의 개방초기

(Unseating)시에 최대의 순간 토오크가 발생하도록 설계되어 있다〔제어 및 표시장치〕

제어 및 표시장치는 전동구동장치의 출력과 밸브의 운전범위를 제어함으로써 정확한 위치에서 밸브의

개폐 또는 조절이 가능하도록 구동기구의 여러 가지 운동장치에 제어 및 표시기구를 설치한 것을

말한다 즉 밸브가 열리고 닫히고 할 때의 시동 및 정지기능 밸브가 정확한 위치에서 개폐할 수

있도록 하는 토오크 및 위치제한 기능 전동구동 장치가 운전 중 과열 등으로부터의 보호기능 밸브의

Jamming 부적절한 전원 위상(位相) 잘못된 조작으로부터의 장치 보호기능 등 전동구동장치를

원활하게 운전하는데 필요한 기능을 총칭한 것이다우선 제어 및 표시장치의 각 기능을 설명하기 전에 전동구동장치의 운전현상을 구체적으로 이해함이

중요하다① 전동구동밸브 또는 모터구동밸브(Motor Operated Valve MOV)의 운전

일반적으로 MOV 의 운전은 밸브가 닫힐 때는 토오크 스위치의 동작에 의하고 반대로 열릴 때는

리미트 스위치(위치제한 기능 스위치)의 동작에 의하여 제어운전 되는 것이 일반적이다밸브의 디스크 및 시트의 완전한 접촉은 밸브시트의 내누설 등급에 따라 토오크의 크기로 정해질 만큼

최적의 닫힘 상태를 이루기 위해서는 정격의 전동기 출력 토오크가 밸브 디스크의 제 위치에서

동작되도록 하여야 한다 그러나 토오크 스위치가 밸브의 최적 닫힘 위치에서 즉시 동작한다 하더라도

전동기를 실질적으로 정지시키는 접촉자가 동작하는데는 20~70밀리초(milli-second)가 걸린다 즉 이 시간 사이에는 전동기가 계속 동작하고 있기 때문에 추가의 토오크(Inertial or Motor)가 밸브

스템에 작용하게 되는데 이를 토오크 오버런(Torque Overrun)이라고 한다 토오크 오버런은

실험적으로 기준 정격 토오크의 10~20 정도이다그러나 이 경우 실제 운전조건하에서는 전동구동장치 제작사의 실험조건과는 상당한 차이가 있다 즉 역설적으로 수많은 실제 운전조건을 모두다 실험실에서는 적용할 수 없기 때문에 제작자는 MOV 를

실험할 때 계통의 무부하 상태하에서 정격의 최고속도로 실험함으로써 보다 높은 토오크를 측정하고

있다 이 측정된 값을 실제 운전 조건에서 사용될 수 있도록 시뮬레이션하는 것은 밸브제작사의

노하우이다 실제로 계통의 무부하상태에서의 측정된 토오크는 실제 운전조건의 것보다 상당히 높을

것으로 판단된다MOV 에서 전기적인 부품 즉 제어기구에서의 부적절한 결선이나 리미트 또는 토오크 스위치의

손상등으로 인하여 제어가 부적절할 때는 밸브의 시팅레이트(Seating Rate)가 증가할 수밖에 없다 다음은 밸브의 스템 운동속도 트림구조의 강성 단락시간(Disconnecting)의 영향 및 토오크

스위치의 제어형식에 따라 상호 어떤 관계로 운전되는가를 설명한다스톨(Stall-失速)상태 - 밸브의 강성과 추력 속도와의 관계

스톨상태라 함은 완전부하상태에서 전동구동장치의 전기적 제어 기구의 비정상적인 동작으로 인하여

전동기의 오버런이 밸브의 시팅(또는 백시팅)시에 생기는 경우가 있는데 이때 순간적으로 스템의

리드(Lead)량은 0 이지만 스템의 속도는 0 으로 되지 않기 때문에 순간적인 구동자회전비(Overall Ratio)는 크게 증가됨으로 가상적인(종이상에서 단순히 계산되는 비현실적인 현상) 전동기의

토오크는 거의 0 으로 되어 보이지만 실제로는 전동기의 허용 토오크 이상으로 과도한 토오크가

발생하여 스템에 큰 추력을 발생시킨다 이를 스톨상태의 토오크 추력이라고 한다 밸브의 닫힘속도가

정상이고 밸브 트림구조 및 재질이 높은 탄력을 가지고 있을 때는 실제 밸브스템에 전달되는 추력은

설사 전기제적인 트러블이 있어 정지시간이 길어져도 150내외의 설계추력을 전달한다그러나 닫힘속도가 빠르고 밸브 트림의 강성이 높을 경우에는 단락시간에 별 영향이 없이 스템에는

300~400의 설계추력이 전달된다 따라서 밸브의 개폐시간은 위와 같은 이유로 엄격하게

제한되고 최종 추력에 대한 검토 즉 스톨 토오크 및 스톨 추력에 대한 계산이 필요하다 단위 스톨

토오크 = 전동기 허용 토오크구동자 회전비(Overall Ratio)전동기 시동효율단위 스톨 추력 = 스톨

토오크스템계수

[주]단위 스톨 토오크는 제작사 카다로그의 단위 스톨 토오크 및 추력기준의 150를 초과하지

못한다토오크 시팅-토오크 스위치의 단락시간 영향

전동구동장치(MOV)에 있어서 스위치가 트립되면 스위치의 트립과 전원 컨넥터(Connector)의

차단사이에 미소한 시간지연과 전동기의 운동에너지로 인한 정격 밸브 스템량의 초과(Over Travel) 현상이 생긴다 이 Over Travel 은 계통의 압력상태 및 밸브 스템의 패킹력에 따라 그 정도를

달리한다 이를 제어하는 방법으로는 리미트 스위치를 설계보다 약간 빨리 작동하도록 설치함으로써

해결할 수 있다 이 Preset 의 뜻은 밸브가 충분하게 시팅되어 밸브 스템의 운동량이 정지되었음을

표시한 것이 된다 그러나 시간지연으로 인한 Overrun 은 토오크 스위치 설정치보다 더욱 큰 밸브

토오크 및 추력을 야기시킨다 이 경우는 리미트 스위치의 도입으로 해결할 수 없는 상태로서 커브

C는 정상운전시의 시간에 대한 스템추력 커브 D는 급속 개폐시의 관계로서 커브 D의 경우는

C에 비하여 약 4 배 이상의 스템추력을 보여주고 있다지금 밸브가 설계추력 상태에서 토오크 스위치가 작동하여 기계적 지연시간인 두 커브의 동일한

단락시간 T1 에서 커브 C에서는 X지점 커브 D에서는 Y지점에서 전동기는 정지하게 된다 더욱이 토오크 스위치 작동과 전원차단과의 관계가 미소하게 잘못 설정되는 T2만큼 시간지연이

됨으로 스템의 설계추력은 Z지점 정도의 매우 높은 추력을 발생하게 하여 밸브에 악영향을 초래할

가능성이 높아진다27회(9610월호)토오크 시팅 - 밸브 강성과의 관계

전동기가 정지되더라도 전동기의 운동에너지는 앞서 설명한 바와 같이 Overrun 을 야기시킨다 밸브의 강성이 비교적 낮고 탄력이 유지되는 경우 운동에너지가 서서히 작용하게 됨으로써 커브 E에서와 같이 밸브 스템이 전달되는 추력은 강성이 높은 밸브에 비하여 월등히 작다 이와 같이

밸브트림의 설계는 구동장치의 조작성 및 동작특성을 고려하여 탄력이 유지되는 구조로 설계함이

좋다토오크 시팅 - 차압의 영향과 Dry-Run급속하게 개폐가 요구되는 Fast Acting 밸브의 경우 이 MOV 는 경우에 따라 토오크 스위치에 설정된

값과는 비례하지 않는 토오크 출력을 발생시키기도 한다 이러한 경우는 계통에 압력이 작용할 때와

작용하지 않을 때 생기는 토오크 시팅 효과를 보면 이해할 수 있다 [그림 94]는 계통에 압력이

부과되어 있어 MOV 운전에 의해 차압이 있을 경우의 토오크 시팅과 계통압력이 무부하상태에서의

운전 즉 공운전(空運轉 Dry-Run)시의 토오크 시팅효과를 보여주는 그래프이다커브 G는 최대 차압하에서 토오크 시팅시의 시팅시간에 대한 스템의 추력변화를 보여주는 것으로써

토오크 설정치 S1은 단락시간의 지연 T1에 따른 운동에너지의 K에 의하여 설계 추력을 얻게

되는데 이 과정중 밸브의 디스크면에 작용하는 차압력에 따라 상당량의 토오크가 소비되므로 K값은

커브 H의 것에 비해 월등히 작게된다 커브 H는 커브 G의 토오크 설정치와 같은 조건하에서

계통의 압력이 걸리지 않는 즉 차압이 없는 상태하에서의 토오크 시팅 특성을 보여주는 그래프이다차압이 없는 경우에는 디스크면에 생기는 차압에 의한 마찰력도 거의 없을뿐더러 시팅의 조건 또한

매우 용이하게 이뤄짐으로 그래프에서와 같이 시팅 시작후부터는 스템에 전달되는 추력은 급속히

증가한다따라서 계통이 정지되어 있는 공운전시에 정상운전 토오크치를 변경하지 않고 구동장치의 조작

시험등을 수행하는 경우 그래프 커브 H와 같이 설계추력보다 월등히 높은 추력이 발생되어 큰

문제가 발생하는 사례가 종종 있다②MOV 운전 메카니즘

한 예로 Limitorque社의 전형적 모터 구동장치인 [그림 95]와 같은 SMB 형식의 경우 이 구동장치는

단지 간단한 두 개의 감속 기어열을 갖고 있는데 이 기어열을 통해 전동기의 회전력을 감속시켜 밸브

스템측에 회전력으로 출력시킨다 전동기의 회전력은 전동기에 직결된 헤리칼(Helical) 기어열을

통하여 1 차로 감속되고 1 차로 감속된 전동기 회전력은 웜 샤프트라는 스프라인 축(Splined Shaft)을

구동시킨다 웜은 웜 샤프트에 스플라인 되어있으며 밸브 스템축을 회전 또는 상하 운동시키는 웜 기어에

연결되어 회전력을 감속 전달시킨다 또한 웜 기어는 그 상부에 두 개의 러그(Lug)가 딸린 케스트

(Cast)가 있어 종동(從動)슬리이브의 두 러그와 맞물려 종동슬리이브를 회전시킨다이 종동슬리이브가 회전하면 종동슬리이브 내부에 스플라인 되어있는 밸브 스템너트를 회전시켜 밸브

스템을 회전 또는 상하운동 시킨다 따라서 이러한 전동구동장치의 메카니즘에 따라 밸브의 개폐는

회전방향에 따라 열리거나 닫힌다 이러한 전동구동장치의 운전 메카니즘에서 실제 주의 깊게 짚고

넘어가야 할 중요한 사항의 하나는 밸브의 운전 요건에 부합하는 토오크 또는 스템 추력을 충분히

확보하여야 하고 운전시와 시팅시에 생기는 큰 폭의 토오크 변화량을 적절히 제어되도록 구동장치

내부에 토오크 제어기능을 갖는 장치를 구비한다이 토오크 장치의 운전은 다음과 같다 즉 웜 샤프트에 스플라인된 웜은 웜 기어에 작용하는 부하의

증감에 따라 축방향으로 운동되도록 설계되어 있다 실제로 밸브 스템에 작용하는 추력은 밸브 스템의

나사구조를 통하여 회전력 즉 토오크로 변환되고 이 토오크가 전동기의 회전 토오크와 관계되는

것이다 따라서 밸브의 개폐에 따른 부하의 증가는 전동기의 회전 토오크가 밸브의 스템 나사를

통하여 토오크로 변환되어 웜 기어 슬리이브를 회전시키려고 하는 힘에 대한 저항의 증가로 표현되고 이 증가된 저항은 웜이 웜 기어에서 생기는 저항만큼 앞으로 운동하기 시작할 것이다이 축 방향의 운동은 토오크 스프링이라고 하는 Belleville Spring 조합(PACK)을 압축시켜 토오크

에너지를 축적하고 이 웜 샤프트의 축 방향 운동량을 토오크 스위치와 연결시켜 토오크를 제어한다 따라서 축 방향의 운동량을 x 라 하고 토오크 스프링의 스프링 상수를 k 라 할 때 그 힘은 F=kx임으로

스프링 조합에 적용한 힘 F 는 웜 기어에 적용한 힘과 동일함으로 출력 토오크는 이 힘 F 와 밸브

스템의 모멘트 길이를 곱한 것과 마찬가지이므로 토오크 스위치의 설정으로 밸브 스템에 전달되는

출력 토오크를 제어할 수 있다③ 토오크 리미트 스위치(Torque Limit Switch)토오크 제한 장치

전동구동장치에 있어서 토오크 리미트 스위치는 밸브의 개폐중에 주로 디스크와 시트에서의 과도한

시팅이 원인이 되어 구동력이 크게 될 때 밸브와 전동기를 보호하기 위하여 설정된 전동기의 출력

토오크를 초과할 경우 전동기의 전원을 차단시키는 방법을 제공한다거의 모든 전동구동밸브의 전동기 구동 토오크가 실제 밸브의 시팅 토오크보다 훨씬 크게 선정되고

있으며 배관계통의 여러 가지 불확실성(배관계의 열하중 배관 작용력 유체천이력 밸브 구조상의

고온고착 가능성 및 이상승압 현상 등)으로 인하여 점차 출력 토오크가 높은 전동기를 사용하는

추세이다이러한 경우 전동구동밸브에 있어 가장 중요한 제어기능은 토오크를 어떻게 제어하고 밸브를

구조적으로 안전하게 운전되도록 토오크를 관리할 것인가가 운전상의 중요 포인트가 된다 따라서

현재의 전동구동밸브의 토오크 제한장치는 매우 정밀하고 신뢰성 있으며 필요에 따라 토오크

설정량을 조정할 수 있는 구조로 되어있다일반적으로 전동기의 출력 토오크는 개방 폐쇄의 양방향에서 정격 토오크의 약 25~100 범위

내에서 설정할 수 있으며 설정된 값은 전동구동장치 외부에 있는 지침을 통하여 확인이 가능하다 앞서 MOV 운전 메카니즘에서 언급한 바와 같이 토오크를 설정하는 구조는 전동기의 출력토오크에

직접적으로 비례하도록 되어 있다 즉 토오크 제한장치는 전동기를 통하여 스페어 기어로 감속된 후

웜 휘일(Worm Wheel)과 웜 샤프트(Worm Shaft)에서 토오크가 많이 걸리면 웜 샤프트는 토오크의

양만큼 웜 샤프트 축방향으로 변화량이 생기고 아울러 웜 샤프트에 장착된 코일 스프링에 의해

에너지가 축적된다이 웜 샤프트의 변형량은 샤프트에 장치되어 있는 회전기어에 의하여 회전운동을 만들고 여기에

토오크를 제어할 수 있는 마이크로 리미트 스위치를 장치하여 전동구동장치의 구동 토오크가 설정치

이상이 되면 이 리미트 스위치가 작동하여 전동기 전원을 차단하고 운전을 정지시킨다통상적으로 이러한 토오크 리미트 스위치는 밸브 개방상태로 NO NC 밸브 폐쇄상태로 NO NC 로

구성되어 있는데 NO 는 Make-Contact NC 는 Break-Contact의 뜻이다28회(9611월호)④ 위치 제한 장치(Position Limit Switches)위치 제한 장치는 밸브의 완전 열림 닫힘 도는 특정의 중간 개도에서 제어의 목적상 밸브가

정지되도록 하는 장치이다 이러한 제어상의 시그널은 밸브 조작반이나 원격의 패널에서 밸브의

제어상태를 알리는데 매우 유효하다 일반적으로 위치제한 장치의 구조는 웜 휘일과 웜으로 밸브의

개도위치를 위치지시장치(Position Indicator)와 마이크로 스위치로 직접 전달한다 마이크로

스위치는 기본적으로 8접점을 갖고 있으나 기본적인 제어의 목적으로는 접점이 6 개 이상이면

요구하는 목적을 맞출수 있다그러나 점차 제어의 목적과 기능이 다양화함에 따라 6 개 이상의 접점 즉 8 12 16 개의 접점을

갖추고 있는 것이 일반적으로 되어 있다 [그림 97]은 리미토오크사의 기어 트레인 리미트 스위치

(Gear Train Limit Switches)의 구조도이다즉 웜 드라이브는 웜 휘일의 회전에 따라 비례적인 회전 모멘트를 전달하고 이 회전 모멘트는 기어

트레인을 통하여 위치제한 및 위치신호에 사용되는 마이크로 스위치 박스에 연결되어 스위치의

트리핑(Tripping)에 적절한 회전각으로 감속 회전하면서 밸브의 닫힘 열림 중간 제어목적에 맞도록

설정된 값으로 동작한다 이 위치제한 구조는 운전자에 의하여 용이하게 조정 가능한 구조로 설계되어

있고 이는 수동운전중이라 할지라도 설정된 위치는 변하지 않도록 되어있다 앞서 언급한 토오크

스위치와 리미트 스위치는 전동구동 장치에 있어서는 매우 핵심적인 부품으로서 신뢰성 또한

엄청나게 중요한 부품으로 전동 구동장치의 선정시 결선방식(Wiring Diagram)과 함께 심도 있는 검토가 요구된다⑤ 전동 구동장치의 결선도(Wiring Diagram) 및 제어 해설

전동 구동장치의 제어는 앞서 언급한 제어 및 표시장치들 중에서 토오크 리미트 스위치와 위치제한

장치인 리미트 스위치가 가장 핵심적인 역할을 담당하고 있지만 이외의 보조 또는 부수장치로서

전동기 결로(結露) 방지용 히터 인입(引入) 전원의 위상 판별장치(Phase Discriminator) 자동 위상

교정기 위치 표시장치 등이 있다 이들은 모두 전동구동 장치의 신뢰성 있는 운전을 목적으로 한다 다음의 [그림 98]은 리미토오크사의 표준 결선도(No Control) [그림 99]는 제어기능이 보강된

결선도(Integral Control)이고 [그림 100]은 로오톡사의 표준제품의 하나인 Syncropak의

결선도로서 리미토오크사의 Integral Control 타입과 유사한 기능을 갖고 있고 [그림 101]은

로오톡사의 제어기능이 보강된 IQ Range의 결선도로서 접점을 오히려 줄이면서 표시기능을

디지털로 하고 제어기능을 다양화한 것이 특징이다[그림 102]는 리미토오크의 Integral Control에 비교하기 위한 결선도로서 미국 EIM 사의

표준모델인 Series 2000의 표준 결선도이다 이외에 본고에서 소개하고 싶은 전동구동 장치의

결선도로서는 AUMA Bernard BIFFI 등이 있으나 지면 관계상 및 기능으로 보아 대동소이함으로

생략하였다 [그림 98] [그림 99]의 하단부에서 보는 바와 같이 각 리미트 스위치의 동작은 완전 열림

(Fully Open) 완전 닫힘(Fully Close) 중간개도 AB(Intermidiate Position AB)에 있어서

동작영역을 전개한 표로서 각기 기능은 완전 열림시 바이패스 동작 표시등 열림 표시등 완전

닫힘시 바이패스 닫힘 표시등으로 총 6 개의 기본 기능이 동작하도록 되어있다29회(9612월호)접점은 여유분 8~10 개로서 추가의 선택사양을 위하여 준비되어 있다간단히 결선도를 기준으로 밸브 구동시의 스위치 동작을 설명하면 다음과 같다

1)밸브가 완전히 열려있을 때는 접점 1 은 바이패스 회로로 연결되어 있다2)밸브가 완전 열림 상태에서 닫히기 시작할 때 접점 1 은 떨어지면서 접점 34 는 동작되어 밸브가

열리고 있음을 표시한다3)밸브가 완전히 닫히게 되면 접점 5 의 리미트 스위치는 동작하여 완전 닫힘 바이패스 회로가

동작한다 만약 밸브를 토오크 시팅(Seating) 방식으로 할 경우에는 접점 5 의 리미트 스위치 사이를

점퍼(Jumper)하여야 한다4)다시 밸브를 열려고 할 때 리미트 스위치 78 을 동작시켜 닫힘을 표시한다전동구동 장치의 구체적인 운전 문제점이나 적용성 아울러 운전보수 및 신기술이 접목된 통합제어

방식의 전동구동 장치의 기술적 사항에 대하여는 별도로 기술한다또한 제어밸브의 경우 그 범위가 대단히 넓고 광범위하기 때문에 별도의 항목으로 설명하고자 한다 사실 제어밸브에서 다루는 밸브의 개념은 제어목적에 우선적이므로 밸브의 기능은 수동밸브에

비하여 보다 다양하고 치밀하며 논리적인 측면으로 이해하여야 한다30회(971월호)32 밸브구성 재료

프로세스 플랜트에 있어서 배관계통은 매우 다양한 유체를 취급하게 됨으로 수송 유체의 물리적 화학적 성질에 따라 다양한 재료가 사용된다 본 항에 있어서는 우선적으로 밸브의 압력 유지부인

밸브 몸통 본네트 본네트용 볼트를 비롯하여 디스크 시트 스템과 같은 트림류 밸브 밀봉재인 패킹가스켓 기타 운동부품류(Moving Parts) 및 밸브의 도장(Painting)에 대하여 기술한다다음의 [표 26]은 미국의 ASMEANSI B1634 에서 밸브구성 재료로서 승인하고 있는 미국 재료학회

기준에 의한 밸브재질 목록이다 [표 26]에서 재질그룹번호(Material Group No) 1 은 일반 탄소강 및

탄소강 계열의 합금강 2 는 스테인리스강 3 은 니켈 베이스의 합금강을 말한다31회(973월호)(1)밸브트림용 재료

밸브에 대한 기술기준에서는 특별히 부품용 재료에 대한 요건은 규정되어 있지 않으나 밸브트림인

디스크 시트 스템용의 재료 선택기준은 대략 다음과 같이 분류할 수 있다아울러 밸브트림 부품중 가장 중요한 시트면 및 디스크의 접촉면에 사용되는 표면경화(Hardfacing)용 덧붙임 재질로는 스텔라이트(Stellite 미국 Stoody Deloro Stellite Inc 의 상표명)가 있다 이

스텔라이트 용접봉의 주요 성분은 코발트(Co) 크롬(Cr) 및 텅스텐(W)으로서 탁월한 내식성과

내마모성을 갖고 있으며 특히 고온하에서도 경도가 낮아지지 않는 매우 좋은 특성을 갖고 있어

현재는 밸브용 재료로서 가장 중요하고 또한 널리 쓰이는 재료의 하나이다앞서 언급한 밸브재료 선정기준은 극히 일반적인 것을 언급한 것뿐이다 따라서 최적의 밸브재료

선정은 배관시스템 즉 배관내에 흐르는 유체의 종류 성상(性狀) 화학적 특성 압력 및 온도 요건등

밸브의 사용환경에 최적인 재료를 선정하여야 한다 그러나 사용온도에 따른 각 재료별 열화방지를

위해 사용자가 고려해야만 할 사항들은 ASMEANSI B313 APPENDIX F 에 언급되어 있다 밸브재료를 중심으로 요약하면 다음과 같다① 탄소강(탄소함량 005~15) 일반 니켈강 망간(C-Mn)강 망간-바나듐(Mn-V)강류

427(800F)를 넘는 온도에서 장시간 사용시 탄화물상(Carbide Phase)의 흑연화(Graphite)가

진행될 수 있음으로 이를 넘는 온도에서의 사용은 주의를 요함② 크롬-몰리브덴(Cr-Mo)강 Mn-Mo-V강 Cr-V강4687(875F)를 넘는 온도에서 장시간 사용시 탄화물상(Carbide Phase)의 흑연화(Graphite)가

진행될 수 있음으로

이를 넘는 온도에서의 사용은 주의를 요함③ 스테인리스계

-오스테나이트(Austenitic Stainless Steel)계427~871(800~1600F)의 예민화 온도에서 충분히 노출된 후의 입계부식(Intergranular Corrosion) 문제등-페라이트(Ferritic Stainless Steel)계 371(700F)를 넘는 온도에서의

산화로 인한 사용후 상온에서의 취성(Brittleness)문제 스텔라이트 표면경화 방법은 용접으로

실시하며 따라서 미국용접학회(AWS)에서도 스텔라이트에 해당하는 AWS 분류기호를 가지고 있다 밸브용으로 많이 쓰이는 스텔라이트 번호는 1 6 12 21번으로 이중 특히 스텔라이트 번호 6(업계

속칭 스텔라이트 넘버 식스)가 특히 가장 널리 사용된다 이에 상응하는 AWS 분류기호로는 AWS A513 ERCoCr-ABC 등이 있다 각각의 화학성분 및 이에 대응하는 스텔라이트 번호는 다음과

같다 스텔라이트에 의한 하드페이싱 후의 경도는 대략 HRc 40 정도이다그러나 스텔라이트 번호 6 은 용접성에 나쁜 영향을 주는 탄소성분(09~14) 및 텅스텐의 함량이

많아 하드페이싱 후의 용접부의 취성 또는 크랙 등에 예민한 편이다 따라서 스텔라이트 번호 6 의

하드페이싱은 모재의 화학적 조성과 더불어 매우 조심스럽게 용접하여야 한다 이러한 문제의

대안으로 일부 밸브업체를 중심으로 탄소함량이 02~03인 스텔라이트 번호 21 을 사용하기도

한다각 밸브재료에 따른 사용유체의 내식성 및 내침식성은 이미 재료편에서 구체적으로 언급하였다33 밸브의 압력-온도 기준(Pressure-Temperature Rating)밸브의 설계 제작 및 사용에 있어서 압력-온도 기준은 일병 압력-온도 정격으로도 표시되며 이는

밸브재료별로 설정된 압력등급의 사용온도에 대한 최고 사용압력을 테이블화한 것이다밸브에 있어서 압력-온도의 기준설정(P-T 기준설정)은 기본적으로 미국 ASMEANSI B1634 APPENDIX F 에 있는 설정기준에 따른 것이 세계적으로 가장 보편화되어 있다 기본적으로 P-T 기준설정은 사용재료의 온도에 따른 항복강도 또는 허용응력이 기본이 된다표준등급의 P-T 기준설정

표준등급의 P-T 기준설정은 재료그룹별로 조금씩 다르다 다음은 ASMEANSI B1634 APPENDIX F에서 정하고

있는 P-T 기준설정에 대하여 설명한다(1)밸브재료 그룹 1(탄소강계열)의 표준등급 P-T 기준설정

P-T 기준등급 300(일반적으로 압력 클라스 300 파운드라고 통칭하여 부른다) 이상의 표준등급의 P-T 기준은 다음과

같은 식으로 정한다Pst = (S18750)Pr여기에서

Pst 사용재료(지정재료)의 온도 T 에 있어서 정격 사용압력 psi(poundsquare inch)Pr P-T 기준에 있어서 등급값 등급 300 이상의 모든 등급의 Pr값은 호칭등급의 값과 같다S1 사용재료의 온도 T 에 있어서 설정응력 psi S1 의 값은 다음과 같이 정한다(a)크리이프 영역 미만의 온도에서는 온도 T 에 있어서 항복강도(Sy)의 60이하로 한다 단 다음에서

정한 값을 넘어서는 안된다-상온(100F)에 있어서 사용재료의 최소 항복강도의 60를 넘는 값

-사용재료의 온도 T 에 있어서 ASME BampPV SecⅠ(혹은 SecⅧ Div1)의 허용응력 테이블상의

허용응력의 125 배를 넘는 값

-온도 T 에 있어서의 응력값으로 재료그룹 19 또는 22 에서의 재료중에서 큰 응력값을 넘는 값

(b)어떤 경우에 있어서도 온도상승에 따라 응력값이 증가하지는 않는다(c)크리이프 온도 영역은 재료그룹 1 에서는 700F 그룹 2 에서는 950F 를 넘는 온도로 한다 단 재료에 따라 이보다 낮은 온도에서 사용하는 경우에는 예외로 한다 재료그룹 3 에서의 각 재료별

크리이프 온도 영역은 각각의 재료특성에 따라야 한다(d)기타 세부적인 사항은 ASMEANSI B1634-1988 APPENDIX F 를 참조한다

(2)밸브재료 그룹 2 와 3 의 표준등급 P-T 기준설정

P-T 기준등급 300 이상의 밸브재료 그룹 2 및 3 의 P-T 기준은 앞서의 기준에 따르나 재료의

크리이프 영역 아래에 있어서는 온도 T 에 있어서의 항복강도(Sy)의 70로 한다 단서조항인

상온에서의 최소 항복강도도 60가 아닌 70를 넘어서는 안된다32회(974월호)(3)모든 밸브재료 그룹에 있어서 표준등급 P-T 기준 등급 150 의 설정방법

등급 150 의 P-T 기준은 앞서의 (1) 및 (2)와 같다 그러나 다음의 추가 사항을 만족하여야 한다Pst = (S18750)115Pr값을 등급 150 에서는 일률적으로 Pr=115psi 로 정한다 아울러 사용온도 T에 있어서 각 밸브재료별로 계산된 정격사용압력은 320-03T 의 값을 초과할 수 없다(4)특별등급의 P-T 기준설정

특별등급의 밸브 P-T 기준은 다음 식에 따른다Psp = (S27000)Pr여기에서

Psp = 사용재료(지정재료)의 온도 T 에 있어서 특별등급 밸브의 정격 사용압력 psi(poundsquare inch)Pr = P-T 기준에 있어서 등급값 등급 300 이상의 모든 등급의 Pr값은 호칭등급의 값과 같다 단 등급 150 인 경우에는 Pr = 115psi 로 한다S2 = 사용재료의 온도 T 에 있어서 설정응력 psi S2 의 값은 다음과 같이 정한다(a)크리이프 영역 미만의 온도에서는 온도 T 에 있어서 항복강도(Sy)의 625보다 적거나 같은

값으로 정한다 단 다음에서 정한 값을 넘어서는 안된다-상온(100F)에 있어서 사용재료의 최소 항복강도의 625를 넘는 값

-사용재료의 온도 T 에 있어서 ASME BampPV SecⅠ(혹은 SecⅧ Div1)의 허용응력 테이블상의

허용응력의 10 배를 넘는 값

-온도 T 에 있어서의 응력값으로 재료그룹 19 또는 22 에서의 재료중에서 큰 응력값을 넘는 값

이외의 사항들은 표준등급의 것과 유사하다3-4 구조(Common Valve Construction Features)일반적으로 밸브의 구조는 밸브에 작용하는 내압력에 대한 밸브 몸통의 강도 밸브 시트에서의 내누설

강도 및 밸브가 원활하게 동작하는데 필요한 외력에 대한 구조적 강도가 밸브 구조를 결정하는데

고려되는 사항이다 아울러 밸브에 연결되는 배관계통의 특별한 기능 예를 들면 압력변동이 심한

서어지가 예상된다던가 불가피하게 진동이 예상되는 계통에는 부가적으로 밸브의 구조에 대하여

특별히 추가의 강도 보완을 요구할 수도 있다 앞서의 이러한 세 가지 중요한 밸브 강도의 설계 고려

요소들은 제작자에 따라 어느 정도 그 설계 형식을 달리하기도 한다 제작자별 독자의 밸브 구조의

설계형식은 대개 밸브몸통과 본네트 밸브몸통과 배관의 연결부위(밸브 노즐로 통칭) 및 밸브 스템과

디스크의 체결방식에서 각기 독자적인 모델을 갖고 있다 그러나 기본적으로 고객이 지정한 사양서 밸브의 표준 코드나 기준에 합당해야 함은 물론이다 (1)밸브 몸통과 본네트(Body-to-Bonnet)밸브 몸통과 본네트는 밸브의 내압부분이므로 두 부품의 연결은 구조적으로 완벽하여야 한다 나사로

연결한다던가 볼트로 연결한다던가 압력밀봉(Pressure Sealing) 구조에 의한 연결 또는

용접등으로 연결하는게 일반적이다 이 두 부품은 밸브의 가장 핵심인 밸브 트림을 건전하게 유지

운전하도록 하는 밸브의 기본 구조이기 때문에 체결방법은 매우 신뢰성이 높아야 한다체결방법은 나사식 연결(Screwed Bonnet Joint) 프랜지 연결(Flanged Bolted Bonnet Joint) 용접 연결(Welded Bonnet Joint) 및 압력밀봉식 연결(Pressure Sealed Bonnet Joint)가 있다-나사식 연결가장 간단하고 저가로 제작할 수 있는 체결방식이다 이러한 체결방식은 2(50A)이하의

최대 사용압력 20bar 이내의 저압에 적용할 수 있으며 경우에 따라 최대 3(80A)까지 제작

가능하다 3가 넘으면 본네트의 나사식 체결은 공학적으로 현실성이 없다 따라서 이러한 구조의

밸브는 주로 건축설비용의 물용 소형 밸브나 비철금속제의 소형밸브 등에 일반적으로 채택된다 아울러 이러한 나사식 연결에서 극히 주의할 사항은 나사부에서 발생하는 나사부식(Thread Corrosion) 및 동종 금속간 밀착(Galling)으로 인하여 실질적으로 분해 조립이 어렵다는 것이다 체결방식은 본네트에 직접 나사로 연결하는 방식과 유니온으로 체결하는 방식이 있는데 각

체결방식의 장단점은 앞의 도표와 같다-프랜지 연결

가장 널리 채택되는 체결구조이다 본래 밸브의 크기 및 사용압력 등급에 상관없이 채택할 수 있지만

대형 고압밸브의 경우에는 플랜트 조인트가 밸브 몸통만큼이나 커질 수 있어 일반적으로 소형의 경우

압력등급 ANSI 1500까지 가능하고 4Prime(100A) 이상의 대형밸브에는 통상 ANSI 600까지

채택한다 그러나 12Prime(300A)가 넘는 대형 밸브의 경우에는 경제성 및 기밀의 신뢰성 문제로 인하여

ANSI 300까지 채택하는 경우가 대부분이다 가스켓과 여러 개의 작은 볼트로 체결하기 때문에 작은

공구로 용이하게 체결할 수 있으나 각 볼트의 체결 토오크를 일정하게 하여야 함으로 체결에

신중해야 한다 아울러 온도가 340가 넘는 고온의 경우에는 크리이프에 의한 볼트 체결하중의

저하로 누설 가능성이 많아진다 따라서 중요한 계통에의 적용은 플랜지 조인트면을 씰 용접하도록

한다-용접 연결

용접형 연결은 밸브의 크기나 사용압력 온도에 가장 경제적이면서 강한 구조로 누설 가능성을

근본적으로 제거한 신뢰성이 높은 밸브 몸통과 본네트를 영구히 연결하는 방법이다 용접형 연결

구조를 채택한 밸브는 보수가 근본적으로 어렵기 때문에 보수비용이 신규 제품의 교체비용보다 크게

예상되거나 보수가 거의 불필요할 정도로 밸브 신뢰성 및 계통신뢰성이 높은 경우에 채택하는 것이

좋다따라서 2Prime(50A) 이하의 소형밸브에 많이 채택한다 특히 탄소강이나 크롬-몰리브덴 합금강의 경우

밸브 몸통과 본네트의 용접은 용접부에 용접 잔류응력을 발생시키고 이로 인하여 용접부위의 경도가

밸브 몸통의 모재보다 높아진다 이 부위에는 입계가 자연히 조악해져 있음으로 석유화학공정용의

밸브중 황화수소와 같은 강부식성의 가스나 유체를 취급하는 공정에 사용되는 밸브는 절대로 용접

연결형의 밸브를 완벽하게 모재의 수준과 맞도록 후열처리를 하지 않은 상태로는 사용할 수 없다이러한 특수한 경우를 제외하더라도 크롬-몰리브덴 합금강의 용접 연결형 밸브는 당연히 후열처리

공정을 이행하여 부식등의 문제들을 해결해야 한다 그러나 밸브 스템이나 트림을 조립한 상태하에서

후열처리는 스템의 마찰력을 증대시키고 디스크와 시트의 시팅면에 산화를 가져올 수 있으므로

밸브의 성능 저하가 우려된다따라서 여러 가지로 장점이 많은 구조이지만 선정에는 매우 신중해야 할 것이다 그러므로

제어밸브나 고압용의 대형 밸브와 같은 고가의 밸브에의 용접 연결형 본네트 구조의 밸브 선정은

아무런 메리트도 없기 때문에 매우 특수한 경우를 제외하고는 선택되지 않는다-압력 밀봉식 연결

압력 밀봉식의 본네트 연결은 대형의 고압밸브에 있어서는 플랜지 연결방법에 비하여 매우 장점이

많은 구조이다 아울러 고온에서의 플랜지 볼트의 크리이프 완화와 같은 문제점이 근본적으로 없는 밸브 몸통과 금속과 금속의 접촉 구조를 갖고 높은 접촉압력으로 씰링함으로 씰 특성이 좋다 또한

밸브내의 계통압력이 조인트의 씰링 압력에 부가적으로 작용하기 때문에 압력이 높아질수록 씰링

특성이 좋아지는 특징이 있다 따라서 플랜지 조인트와 비교 밸브를 크게 경량화 할 수 있다 일반적으로 25Prime(65A)이상의 압력등급 ANSI 900이상에 채택하지만 밸브 크기에 따라 밸브의

경제성 문제로 8Prime(200A) 이상의 밸브의 경우 ANSI 600정도만 되어도 압력 밀봉식의 본네트를

채택하는 경향이 많다 단점으로는 밸브 몸통의 씰링면과 금속제 씰링 가스켓 그리고 본네트

면에서의 기계적 정밀도가 매우 높아야 하며 세심한 조립이 필요하다 아울러 이 씰링면에는 정확한

씰링 위치가 정해져 있지 않음으로 씰링면이 왜곡(Misalignment)되어 밸브 스템과 본네트가 서로

간섭하여 스템에 손상을 가져올 수 있으며 또한 패킹구조에 편심력을 발생시켜 밸브 운전이

불가능해질 수 있다 이러한 문제가 발생되면 다시 세심하게 조립해야 한다또 다른 단점으로는 상온상태에서 조립된 압력 밀봉 구조의 밸브가 압력 및 온도가 심하게 변동되는

계통에서 운전되는 경우 밸브의 씰링면에서의 기밀구조가 파괴될 가능성이 높아진다 이때 약간의

누설이 있고 이를 제거하기 위하여 다시 가스켓을 조일 경우 씰링면에 잔류해 있던 유체가

씰링구조면을 부식시킬 수 있으므로 한 번 씰링구조가 파괴된 압력 밀봉식 밸브는 이후 자주 누설될

가능성이 높아진다 따라서 이 방식의 밸브는 한 번 누설이 생기면 플랜지 연결 본네트에 비하여

보수가 어렵고 설사 보수를 하더라도 세심하고 정밀하게 정렬하여 조립해야 하며 이때 씰링

구조면에 부식이나 긁힘 등의 흔적을 완전히 제거한 후 해야 한다 그러나 최근에는 초고압으로 성형된 흑연 가스켓을 금속제 가스켓을 대신하여 채택함으로써 보수성을

대폭 향상시켰으나 고가인 관계로 대형 밸브의 경우 경제성이 금속제 가스켓에 비하여 떨어지므로

주로 4Prime(100A)이하의 소형밸브에 성형 순수 흑연 가스켓이 적용된다또 한가지 이 방식의 밸브에서 주의할 사항은 수압시험시의 최고 시험압력 조건과 실제 운전시의

최고압력이 상당한 차이가 남으로써(일반적으로 수압시험시의 압력과 실제운전시의 압력은 통상 약

25~351 이상이다) 실제 운전시의 고온상태와 시험 압력보다 월등히 낮은 압력에서의 운전으로

인하여 누설 가능성이 있으므로 시운전시 씰 가스켓 볼트를 조정해 주는 것이 좋다(2)시트와 시트링

밸브의 시트 및 시트링은 밸브의 유로조절면에 고정된 압력 경계로서 밸브의 차단 성능에 직접적인

영향을 주는 매우 간단하나 정밀한 부품이다 일반적으로 밸브의 성능을 말하는 중요한 요소로서

밸브의 내누설 특성(Seat Tightness)을 표시하는데 이는 시트의 구조 및 정밀도에 직접 상관된다따라서 시트구조가 약하거나 또는 밸브 구조의 강성이 부족한 경우 계통압력에 의해 시팅의

기밀특성이 약해질 수 있으며 구조상 구조적인 불연속부가 많기 때문에 온도 변화에 따른 열변형

(Thermal Gradient Distortion)문제 배관계로부터 전달되는 기계적인 하중(배관계의 열하중 기타

동적하중등)에 의해 시팅구조가 변형되거나 시팅 접촉력이 약해져서 누설이 생길 수 있다 구체적으로 게이트 밸브에서는 주로 배관계로부터의 굽힘 하중에 의해 글로우브 밸브의 경우에는

주로 밸브 자체내의 구조적 불연속부에서의 불균일한 열변형 및 배관계로부터의 굽힘 하중에 의해

시팅이 불확실하게 되어 누설되는 경우가 많다 따라서 배관계통 특히 고온의 대구경 배관에서는

밸브의 설치 위치가 밸브의 내부 누설에 미치는 영향이 큰 편이다왜냐하면 이러한 배관계에 있어서 밸브 끝단(밸브 노즐)에 작용하는 열하중은 배관계 위치에 따라 큰

차이가 있으며 밸브는 가급적 열하중 특히 열하중에 의한 굽힘이나 비틀림 하중이 적게 작용하는

위치를 선정하여 설치하거나 아예 밸브 노즐의 강성도보다 적은 하중으로 작용하도록 배관계통의

배관지지대 위치선정에 주의를 기울여야 한다 밸브의 설계에서 밸브 노즐의 강도는 압출하중으로서

연결 배관의 항복강도의 05 배가 밸브 노즐에 작용하고 굽힙하중으로서 10 배의 하중이 밸브

노즐에 작용하는 것으로 해석 설계한다그러나 이 기준은 원자력발전소용 밸브에 해당하는 것이고 일반 플랜트용이나 범용 밸브의 경우 이

기준이 적용되지 않기 때문에 앞서의 여러 가지 문제점에 주의를 기울여야 한다 결론적으로 매우

중요한 배관계통의 밸브 설치는 배관계통의 철저한 구조해석과 더불어 설치되는 밸브의 시스템적

구조적 강도를 배관계통내의 여러 부품중에서 가장 높도록 배관배치와 배관지지대의 위치 및

구조강도 설계를 해야 한다 그러나 밸브의 구조자체가 대칭적이고 밸브의 높이가 낮은 볼 밸브 플러그밸브 버터플라이밸브 등은 앞서의 글로우브 밸브나 게이트밸브에 비하면 연결 배관계의

하중에 보다 강한 구조적인 특성이 있다33회(975월호)-금속면과 금속면의 접촉에 의한 시트에서의 기밀 유지(Metal-to-Metal Seating)정밀하고 매끄럽게 연마된 디스크와 시트의 금속 접촉면에서는 선접촉형태로 기밀유지를 하도록 되어

있다 물론 재료의 탄성범위 이내의 접촉하중이 작용해야 하고 만약 이 범위를 넘게되면

소성변형으로 인하여 지속적인 기밀유지가 힘들어 진다 따라서 밸브의 시트와 디스크(또는 플러그)의

기밀유지 설계는 일면 매우 간단해 보이나 여러 가지 주의 깊게 고려해야될 사항들이 많다디스크나 시트의 손상이 없어야 하며 디스크-시트의 높은 접촉 압축압력을 백업할 수 있는 최소한의

접촉폭을 가져야 하며 일정하게 접촉될 수 있도록 해야 한다 제어밸브의 경우와 같이 구동력이

제한되는 경우 시트 조인트면(원주상의)에 작용하는 하중을 1 인치당 하중으로 표시하고 있는데 글로브형의 제어밸브는 인치당 25~600 파운드 레벨까지 실제 설계에 적용하고 있다 ISA(Instrument Society of American) 제어밸브 핸드북에서 시팅 하중은 다음과 같이 구분되어

있다①25poundsinch 저차압 운전으로 완전 기밀유지를 필요로 하지 않을 때

②50poundsinch 중차압 운전으로서 약간의 누설(01 of Cv[max])을 허용할 경우

③100poundsinch 고차압 운전(예로써 3000psi[dP]0015inch[width])으로써 누설이 거의 없음

④300poundsinch 완전 기밀유지(예로서 6000psi[dP]0025inch[width]의 고차압 씰 구조)⑤600poundsinch 완전 기밀유지(6000psi 이상의 고차압 씰 구조) 일반적으로

100~300poundsinch 의 경우 평균 접촉 압축강도가 13000~35000psi 정도로 이는 재료의

항복강도보다는 낮다또한 양호한 시팅 특성을 계속 유지하기 위해서는 시팅 표면에 긁힘(Galling)이나 부식에 의한 피팅

(Pitting) 등에 강한 재료가 필수적이다따라서 밸브의 시팅면은 스텔라이트와 같은 내부식성 및 내마모성이 뛰어나고 항복강도 및 경도가

높으며 이종금속 또는 동종 금속간에 친화력이 약한 재질을 용접하거나 브레이징하여 사용하는게

일반화되어 있다 긁힘이 일어나는 접촉강도는 Stainless 316L 317 및 347 과 같은

스테인리스강에서는 2000psi 부터 스텔라이트 No6 과 같은 강에서는 약 50000psi 에서 발생하나

유체중의 입자에 의해 이보다 훨씬 낮은 접촉강도에서도 긁힘이 발생할 수 있어 시팅 구조의 기밀

유지를 위한 시팅 하중은 무조건 높게 하는 것이 좋은 것은 아니다스텔라이트 No6 의 시팅구조에서도 접촉강도가 20000psi 를 넘지 않도록 해야 한다 글로브 밸브에

있어서 시팅형태(Seating Configuration)는 다음 그림에서 보는 바와 같이 4 가지 형태로 분류할 수

있다각 시팅형태를 A 형 B 형 C 형 D 형으로 구분하여 설명한다 A 형은 시트와 디스크의 접촉면이

평면상태에서 접촉하는 구조로써 주로 저압용에 사용된다이 형태는 시트와 디스크면이 정밀한 접촉을 요구하지 않는다 아울러 시트나 디스크의 표면에 긁힘의

발생가능성도 적은 이점이 있으나 고압이나 고차압의 경우에는 적용할 수가 없다B C D 형은 접촉면적이 적기 때문에 선접촉에 유사한 시팅구조를 갖고 있어 시팅 접촉압력이 높아

고차압의 서비스에 적합한 구조이다그러나 B 형의 경우 시트면이 너무 예각이므로 약간의 시팅하중으로도 시팅면 즉 선접촉에 의한 기밀

구조가 손상되기 쉽기 때문에 널리 쓰이지 않는다 일반적으로 C 형의 경우 시트의 각도와 디스크의 각도를 5~15 차이를 두어 시팅구조를 만들거나 D형과 같이 디스크의 시팅면을 원호로 만들어 시팅구조의 융통성을 기한 것이 시팅구조로 널리

채택된다-소프트 시팅(Soft Seating)소프트 시팅은 금속간의 시팅에 비하여 적은 힘으로 완전에 가까운 내부기밀을 유지하기 위하여

채택된다 그러나 소프트 시트구조라 하더라도 2 차적으로는 금속간 시팅이 되도록 시트구조를

설계해야 한다 소프트 시트의 재질은 탄력 복원성(Resilient)이 좋은 재질로써 온도 및 압력에 강한

재질특성을 가져야 한다특히 높은 차압에서도 이탈되지 않고 견디려면 소프트 시트를 잡아주는 구조에 세밀한 설계가

요구된다 설치하는 방법을 대별하면 디스크나 플러그에 볼트로 고정(Clamping)하는 방법과 시트나

시트링에 고정시키는 방법이 있는데 높은 차압이 발생하는 계통이거나 고온 서비스의 계통인 경우

보수성을 고려하여 가급적 디스크나 플러그에 설치하는 것이 좋다 소프트 시트를 채택할 경우 소프트

시트 재질의 올바른 선정과 밸브 시트 구조의 올바른 설계를 위하여 고려되어야 할 사항은 다음과

같다유체 화학적 특성 특히 부식침식성(Corrosion amp Erosion) 및 열화(Degradation) 시효경도 감소 시효에 의한 찌그러짐 특성 등

온도에 따른 열팽창에 대비한 여유를 고려

소프트 시트의 경도

체결 하중(체결했을 때의 늘어짐 분해했을 때의 복원성)인장 및 압축강도

내마모성

열에 대한 저항력 등

-시트의 고정방법(Seat Attachment)밸브 몸통의 시트 고정에는 다양한 방법이 채택된다 나사식 체결 고정 볼트 고정 몸통 일체형

용접형 브레이징형 클램프에 의한 고정(Quick Change Trim) 등이 사용된다 일반적으로 나사식

체결 고정은 밸브의 크기에 상관없이 채택 가능한 구조로써 시트 보수가 용이하고 제작이 용이한

구조이다몸통 일체형은 주로 소형의 밸브에 채택되는 구조로써 시트를 경도가 높고 내마모성 및 내부식성이

좋은 스텔라이트(Stellite)와 같은 합금을 육성 용접하여 시트로 한 것이다 시트의 기밀 특성이 매우

좋으나 보수성이 떨어지는 단점이 있다 브레이징 방법은 최근에 도입된 시트 고정 방법으로서

용접형에 비해 품질 및 경제성이 높다그러나 브레이징 용착은 별도의 시설과 공정이 전제되므로 아직 국내에서는 채택되어 있지 않다 클램프에 의한 퀵 체인지 트림(Quick Change Trim)은 주로 제어밸브와 같이 시트 및 플러그 등의

정기적인 점검 및 보수가 필요한 비교적 고가의 밸브에 적용한다다른 시트 고정 방법에 비해 고가이고 제작에 높은 정밀도를 요구하지만 구조상 다양한 유량특성을

가진 트림을 용이하게 채택할 수 있어 점차 많이 채택되고 있는 추세이다밸브의 시트 체결 구조는 시팅 하중에 충분히 견딜 수 있도록 설계되지만 밸브 내부의 구조적인

불연속부로 인하여 배관계로부터의 배관작용력 열변화에 따른 열천이 하중 내압에 의해 시트 체결

구조가 변형될 수 있다특히 몸통 일체형이나 나사 체결 고정의 경우 이러한 밸브 몸통의 변형에 의해 실제로 사용할 때에

시트에서의 누설이 생기는 경우가 종종 있다 높은 온도에서 운전되는 밸브의 경우 열변화에 의한

시트 체결 구조의 변형 가능성에 대비하여 시트구조 자체를 유연성 있게 설계 제작한 밸브도 있다(3)디스크와 스템의 연결 구조(Disc and Stem Connections)디스크와 스템의 연결 구조는 밸브 구동력을 디스크에 전달하는 역할을 하며 그 구조강도는 스템의

강도보다 높아야 한다 이 사항에 대해서는 미국석유학회(API)의 스템인장력 시험규정에 구체적인 시험방법과 평가방법이

언급되어 있지만 ANSIASME 코드 규정에는 이러한 사항이 규정되어 있지 않으므로 일부 밸브 제작

社는 이 연결구조의 강도문제를 API 규정대로 따르지 않는 경우도 많다연결구조는 고정형(Fixed Interal Type) 회전형(Free to Rotate Type) 및 측면 자유형(Laterally Floating Type)로 분류할 수 있다첫 번째 고정형의 경우는 스템과 디스크 또는 플러그를 일체형이나 나사 체결 또는 용접형으로 해서

스템과 디스크를 연결한다 이러한 연결 구조는 디스크가 회전할 수 없으므로 스템 또한 회전을 할 수

없다일반적으로 밸브 사양서에서 언급하고 있는 비회전식 스템 상승식(Non-Rotating amp Rising Stem NR amp RS)이 이러한 경우이다 그러나 글로브 밸브에서 고정형 연결구조는 필연적으로 스템이

회전하면서 상승하는 구조로 될 수밖에 없다다음에 구체적으로 설명하겠지만 스템이 회전하는 글로브 밸브의 경우 패킹과 스템과의 마찰 구조가

복잡하여 패킹에서의 내누설 안전성이 떨어지는 단점이 있다 주로 계장용 글로브 밸브 니들 밸브 및

가혹한 운전환경에 있는 블로우 다운용 밸브나 수동조작의 정밀한 유량제어가 필요한 밸브 등에

채택되며 모터구동이나 공압구동 등의 밸브에는 잘 사용되지 않는다특별히 이 구조의 밸브에서 운전상 또는 선정상 고려해야 할 점으로는 과도한 시팅 하중이다과도한 시팅하중은 디스크와 시트간에 긁힘(Galling)이나 장기간 닫혀 있을 때 시트와 디스크간의

재질 친화에 의한 피팅(Pitting)으로 인하여 시트면이 손상될 수 있는 것은 물론이고 스템에 과도한

비틀림 모멘트와 좌굴하중으로 인한 밸브 구조의 손상이 있을 수 있음으로 주의해야 한다 두 번째는

회전형으로서 일반적으로 글로브 밸브나 비상승식 스템 게이트 밸브(Non-Rising Stem Gate Valve)에 자주 채택되고 있는 연결 구조로 스템이 회전식일 경우이다이 연결 구조는 스템과 디스크간에 얼마간의 간격이 있기 때문에 스템의 바인딩(Stem Binding 스템이 본네트 스템가이드에 끼어서 운전불능의 상태)을 예방할 수 있고 아울러 디스크가 시트면에

제대로 자리 잡을 수 있어 시팅성이 양호하다 그러나 계통운전성 차압이 큰 경우 디스크가 심하게

회전(Spinning)할 가능성이 높기 때문에 이를 방지하는 구조를 스템 또는 디스크에 설치하도록 한다심하게 스피닝하면 스템의 연결구조가 손상을 입게 되는데 이러한 밸브 문제 사례는 글로브 밸브에

있어서 의외로 많이 발견되므로 밸브 선정시 이 부문도 심도 있게 고려해야 할 것이다 세 번째는 측면

자유형으로서 게이트 밸브에 거의 모두 적용되는 디스크-스템 연결 구조이다 디스크에 T 형 슬롯

(Slot)을 만들고 이 슬롯에 T 자 모양의 사각형 머리를 가진 스템을 연결하는 것이다 따라서 스템은

비회전이 되고 이 부분에 여유가 있어 디스크의 시팅이 부드럽게 된다34회(976월호)(4)디스크와 스템 안내(DiscStem Guide Types)디스크 또는 플러그 및 스템의 안내는 밸브 기능의 유지에 있어서 중요한 설계 포인트이다 디스크와

스템의 안내 형식은 다음과 같은 것들을 들 수 있다 즉 웨지 게이트 가이드(Wedge Gate Guides) 스템 가이드(Stem Guides) 몸통 가이드(Body Guides) 및 케이지 가이드(Cage Guides 또는

DiscPlug Guides)등이 있다 각 안내 방식의 장단점은 다음과 같다웨지 게이트 가이드

이 가이드 방식은 게이트 밸브의 디스크 안내 방식으로 채택되고 있다 이러한 안내를 함으로써

디스크가 시트링 면에 마모가 거의 없이 정밀하게 안착되도록 하는 것이다그러나 시트링 면에 디스크가 미끄러지면서 시팅되므로 시팅 구조의 경도가 낮거나 이물질의 인입

등으로 긁힘(Galling)이 생길 수 있으므로 게이트 밸브에 있어서는 시트링이나 디스크의 시팅면은

스텔라이트 등으로 하드페이싱 용접(Hardfacing Welding Over-laid with Hardfacing Materials)을 해주어야 한다스템 가이드

스템이 부싱(Bushing)을 끼워 스템을 안내하는 방식으로 대형 수동 글로우브 밸브나 선박용의 밸브에

많이 쓰인다 디스크시트가 두 개인 더블 포트의 밸브에는 상부 백시트 부위 및 하부 스템

지지부싱으로 스템을 안내한다 특히 앵글형 글로우브 밸브의 경우에는 측면으로 심한 유체하중을

받기 때문에 스템 가이드는 필요하다디스크 가이드(GageDisc Guide)이 방식의 가이드는 글로우브형의 제어밸브 및 안전도피밸브(Safety amp Relief Valve)에 가장 널리

채택되는 방식이다 가이드 방식중 가장 정밀하고 안전성이 높다 아울러 보수성도 좋다그러나 제작 코스트는 비교적 다른 형식의 가이드에 비하여 높은 편이다 디스크 가이드에 대한

구체적인 밸브 공학적 설명은 이미 22항 밸브의 구조에서 언급하였다 글로우브 밸브에서는 디스크케이지 가이드 방식이 가장 권장할 만하다(5)밸브의 주요 악세사리(Valve Accessories)밸브의 주요 악세사리로는 핸드휠 오버라이드(Handwheel Override) 스템 릭-오프(Stem Leak-off) 리미트 스위치류(Limit Switches) 바이패스(Internal and External By-pass) 본네트

익스텐숀(Bonnet Extension) 임팩트 함마블로우 체인구동 핸드휠(Impact Hammerblow and Chain Operated Handwheel) 방화구조의 밸브 등이 있다

스템 릭-오프는 스터핑 박스(Stuffing Box)내에 패킹챔버(Packing Chamber)에 직경 6~12mm 의

구멍을 뚫어 부가적인 씰링을 도모하는 것으로서 진공배관인 복수기 연결 배관 시스템인 경우에는 이

릭-오프 배관을 통하여 물을 공급함으로써 진공도가 떨어지는 것을 막고 반면에 유동유체가 고가의

유체를 취급하는 수송배관에는 스터핑 박스의 패킹에서 누설될 수 있는 유체를 따로 포집하여 배관

계통의 안전성을 도모하는 경우에 이를 채택한다바이패스는 특히 게이트 밸브에서 이상승압(Pressure Locking)이 예상되거나 밸브간 차압이 너무

커서 운전 조작시 어려움이 예상될 때 밸브의 공동부(Cavity)와 밸브의 출구측이나 출구 배관에 2(50A)이하의 소구경 배관을 연결하는 것으로써 주로 고온 고압용 배관계통에 적용한다 필자는 고온

고압용의 4(100A)이상의 중요 계통(특히 증기배관)의 게이트 밸브에는 이 바이패스 배관과 밸브의

설치를 권고한다(6)밸브 스템의 밀봉 방법(Valve Stem Seal)밸브 스템의 씰링방법은 유연성(Flexible)있는 금속재 또는 비금속재의 다이아후램(Diaphragm)이나

벨로우즈(Bellows)를 이용하여 유체와 스템을 근본적으로 씰링하는 방법과 기존의 패킹구조를

사용하는 패킹씰링의 방법 등 크게 두 가지 방법으로 구분한다 후렉시블 메탈 씰링(Flexible Metal Sealing)벨로우즈 씰링 방식과 메탈 다이아후램 씰링 방식이 있다 이러한 메탈 씰링은 밸브 외부로의

완전무누설을 도모하는 것으로 최근의 미국 대기환경법규(Clean Air Act CAA)에 의한 휘발성

유기물질(Volatile Organic Compound VOC)의 대기방출 규제(용적비로 500ppm 이하)는

물론이고 캘리포니아주의 완전무누설 밸브의 채택 강제 규정에 따라 점차 이들을 채택한 밸브의

중요성이 강조되고 있다다음호에서는 특별히 대기환경 법규에 따른 미국의 VOC 방출규제를 구체적으로 설명하고자 한다 우리 나라도 여천공단이 특별히 대기 환경보호의 특별지구로 지정되어 있는 만큼 이의 이해는 매우

중요하다①메탈 다이아후램 방식은 원형의 얇은 판재에 곡호(穀弧)를 만들고 이들을 여러 겹 쌓아 밸브의

본네트에 클램핑하거나 씰 용접하여 유체의 누설을 차단한다 다이아후램의 곡호가 가질 수 있는

변위량은 판재의 지름에 따라 다르나 항상 탄성영역 이내에 있어야 함으로 크게 제약을 받게된다 다이아후램의 재질에 따라 다르겠지만 다이아후램의 원직경을 D 곡호의 반경을 R 그리고 허용

변형량을 d 라고 하면 RD=15 이상이어야 하고 dD=008 이내로 하여야 한다 그러나 여러 개의

다이아후램을 겹쳐 놓을 때는 각 판의 변형 거동이 각기 다르게 되므로 각 판 사이에는 특수한 고온

윤활재가 필요하고 아울러 변형량도 줄어들게 마련이다통상적으로 다이아후램의 이러한 특징으로

말미암아 메탈 다이아후램 밸브의 스템 행정(Stroke)은 최대 10mm 가 넘지 않으며 밸브의 크기도

이에 따라 통상 2(50mm)이하가 일반화되어 있다 다이아후램 밸브의 트림구조는 다이아후램이

디스크와 스템을 메탈 다이아후램이 구분하고 있기 때문에 디스크와 시트 디스크를 잡고 있는 디스크

스프링 및 디스크가 회전되지 않도록 하는 베어링 뭉치 등으로 구성되어 있다밸브를 닫을 때는

스템의 힘으로 하지만 열 때는 디스크와 연결된 스프링으로 다이아후램을 밀면서 열게 된다 메탈

다이아후램 밸브에서 주의할 사항은 오직 완전 열림과 완전 닫힘의 개폐용으로만 사용하여야 한다는

것이다 이는 유체의 맥동 등으로 인하여 다이아후램의 클램핑 원주부위에 심각한 피로 파괴를 일으킬

수 있기 때문이다 메탈 다이아후램 밸브는 유한 수명을 가진 밸브이기 때문에 주기적으로 점검하고 정기적으로 교체해 주어야 하는 밸브이다 이러한 문제점으로 인하여 최근에는 그 사용빈도가 급격히

줄어들고 있다 ② 금속제의 주름관인 벨로우즈는 축방향의 신축량을 조정할 수 있으며 주름겹을 늘려

높은 압력에도 견딜 수 있어 최근에 완전무누설 밸브로써 가장 많이 채택되고 있는 밸브이다

벨로우즈의 제작방법은 수압력에 의한 성형방식(Hydroforming Type)과 얇은 원형판의 끝단을

용접한 용접형(Welding Leaf Type)이 있다 벨로우즈 밸브는 완전무누설의 밸브로서 독성유체

(Toxic) 방사선 물질(Radioactive) 휘발성 유기화합물질(Volatile Organic Compounds) 중수와

같이 매우 고가의 유체계통에 널리 쓰인다 벨로우즈 밸브의 구조적 특징은 스템이 회전하지 않는

NRampRS 구조이다 현재 국내에서는 한국 씰 마스터에서 용접형 벨로우즈를 생산하고 있으며 (주)에스제이엠에서 성형 벨로우즈를 생산하고 있다 용접형 벨로우즈는 성형식에 비하여 단위 길이당

변형량이 많아 밸브를 콤팩트하게 제작 가능하고 ANSI CLASS 1500까지 공학적으로 생산

가능하지만 고압용으로 갈수록 제작이 매우 어려워진다 이유는 얇은 판을 3 매 이상 완벽하게

용접하기에는 기술적으로 어려운 점이 많기 때문으로 매우 고가이다 반면에 성형의 벨로우즈는

용접형에 비하여 크지만 대량 생산이 가능하고 불량률이 적으며 ANSI CLASS 2500까지 제작이

가능하므로 비교적 밸브에 널리 채택되고 가격 또한 비교적 저렴하다 현재 국내업체에 의한

벨로우즈 제작은 ANSI CLASS 900까지 가능하다 현재 우리 나라의 산업계에서는 이 벨로우즈

밸브만으로도 연간 약 800 만달러(약 80억원)이상을 수입하여 사용하는 것으로 파악되고 있다(7)밸브 스템의 패킹(Valve Stem Packing)밸브에서 가장 큰 문제는 밸브 스템 패킹에서의 누설문제임은 두말할 나위가 없다 스템 패킹에서의

누설문제는 실제로 밸브의 보수비용을 증대시키고 밸브의 운전 신뢰성을 저하시키는 직접적인

요인이다 따라서 근래의 밸브 기술은 밸브의 유량 특성의 연구보다는 밸브 스템 패킹의 성능향상

또는 개선에 대한 연구가 주된 포인트가 되어왔다1980 년대 초반 밸브 패킹의 주요 재료로 사용되어 왔던 석면(Asbestos)이 인체에 치명적인 폐종양

암을 일으키는 발암물질로 밝혀진 이후 석면보다 탄력성(Resilient)이 양호하고 성형성이 좋은 흑연

(Graphite)을 사용해 오고 있다35회(978월호)(7)밸브 스템의 패킹(Valve Stem Packing)패킹의 밀봉 특성 형식(Sealing Action Charcteristics)에 따른 구분

-압박력에 의한 밀봉 패킹(Lip Type Pressure Energized Packing)-상호 간섭효과에 의한 밀봉 패킹(Interference Type Seal O-Ring)이들 패킹의 밀봉특성은 패킹 제작사의 끊임없는 기술경쟁의 결과로 패킹 재질은 물론 패킹의

성형구조를 개선하여 슈트블로워(Sootblower)형 쐐기(Wedge)형 체브론(Chevron)형 등

기본적으로 고순도의 흑연을 매우 높은 압력으로 성형한 압박력에 의한 밀봉 패킹이 계속 상품화되고

있다현재 밸브 스템의 밀봉에 가장 널리 적용되는 패킹의 밀봉 특성형식은 압축형 패킹으로서 편조(編組 Braided)된 또는 미리 압축시킨 유연성과 탄성복원력(Resilient)이 뛰어난 밀봉재로 밸브의 스터핑

박스내에 미리 사각 단면으로 성형된 밀봉재를 넣고 패킹 글랜드(Packing Gland)로 가압하여

밀봉이 되는 것이다이 패킹의 특징은 밀봉 특성의 지속적인 유지를 위해서는 외부의 가압력이 계속 유지되어야 한다는

것이다 따라서 주기적인 패킹 글랜드의 조임 상태를 점검해 주어야 하는 단점이 있다이에 반해 립타입 브이 패킹(Lip Type V-Packing)은 밀봉구조 자체내에 압박력의 생성이 가능하도록

하여 비교적 적은 외부 힘으로도 밀봉에 필요한 가압력을 얻을 수 있도록 한 것이다 또한 이 구조는

밸브의 계통압력이 상승하면 V 형상의 구조에 따라 밀봉력이 증가되는 구조이기 때문에 고압 유체의

밀봉에 좋은 영향을 미친다 따라서 압축 밀봉 패킹에 비하여 유지보수 노력이 절감될 수 있다

패킹 밀봉 이론

패킹의 밀봉 이론에 대한 체계적인 연구는 1947 년 영국 조달청의 의뢰에 의한 White 와 Denny 에

의한 연구이다 이 연구는 패킹구조의 밀봉력을 체계화하기 위한 실험으로써 밸브의 사용압력과 패킹

글랜드의 가압력 관계를 규명하고자 했던 연구이다 다음의 [그림 108]은 이 실험에 사용된 장치의

개략도이다이 실험결과 패킹 글랜드의 가압력은 패킹 누르개(Gland Follower)에 가까울수록 지수적으로 큰

가압력을 가지고 있으며 이 가압력의 힘의 성분은 대부분 레디얼방향의 레디얼압력(Radial Pressure)으로 분포된다 이 레디알 압력은 밸브의 운전압력(System Pressure)보다 큰 경우에

한하여 밀봉 역할을 할 수 있다[그림 110]은 연구결과 요약된 이들 밀봉력의 힘 분포를 보여주고 [그림 111]은 가압력 Po 와 유체

계통압력 Ps 와의 관계에서 씰링점(Sealing Point)을 보여주고 있다그간 밸브 패킹의 다양한 연구에서 언급되어 왔듯이 패킹 깊이가 깊다고 씰링이 잘 된다는 것은

잘못된 생각이다 [그림 111]에서 보는 바와 같이 흑연패킹의 경우에는 탄력성 및 복원력 특성이 매우

좋기 때문에 패킹 깊이가 짧은 것이 깊은 것에 비하여 씰링특성이 오히려 좋다패킹 깊이가 깊을수록 스템에서의 운전 토오크 및 트러스트가 커지게 되어 오히려 밸브의 스터핑 박스

구조가 커져야 하며 차후 패킹교체(Repacking)의 경우에도 여러 가지 문제점이 돌출된다 예로서

미국의 콘발(Conval Inc)과 같은 고압밸브 제작사는 패킹 재료는 점차 고순도의 흑연패킹으로 하고 패킹 길이는 오히려 줄이는 경향의 패킹설계를 하고 있다 따라서 패킹 깊이가 길게되면 랜턴링

(Latern Ring)을 사용해야 한다최근 미국을 중심으로 한 전세계적인 대기환경 보호 운동과 이에 따라서 IOS 14000 과 같은

환경보존에 대한 국제적인 규정이 제정되었다 미국의 경우 연방대기정화법(Clean Air Act)이

강력하게 시행되고 있고 각 국가별로도 대기환경을 오염시키거나 화재 등 위험성이 매우 많은 휘발성

유기화합물(Volatile Organic Compound VOC)의 외부 누설은 엄격하게 제한하고 있다 미국의

환경보호청(Environmental Protection Agency EPA)에서 규정한 내용을 보면 배관계통의 밸브나

프랜지에서의 외부 누설량은 500ppm 으로 규정하고 있다특히 캘리포니아주와 같은 경우는 올해부터 신규로 건설되는 189 종류의 유해 VOC 관련 플랜트의

밸브는 거의 누설을 허용하지 않는(Phase Ⅲ 로써 100ppm 이내) 구조의 밸브이어야 한다고 되어

있다 따라서 미국에 밸브를 수출하려면 우선적으로 EPA 에서 규정한 휴지티브 에미션(Fugitive Emission) 500ppm 의 조건을 만족하는 밸브이어야 한다 우리나라 밸브업계에서도 이에 대한

관심이 점차 높아지고 있으나 현재의 밸브설계수준 및 제작자의 안이한 상황

대처와 전문 기술인력의 부족등을 고려할 때 매우 심각한 밸브기술의 문제점을 갖고 있는 분야이다 휴지티브 에미션과 VOC 의 누설량 시험 및 이에 따르는 무누설을 전제로 하는 패킹에 대한 이론적인

자세한 배경은 별도로 기고할 예정이다흑연패킹

1980 년대 중반이후 석면이 인간에게 치명적인 폐종양을 일으키는 중대 공해물질로 발표된 이후

밸브의 석면 패킹을 대체하는 패킹재료로 흑연이 수많은 연구결과 가장 우수한 패킹재료로 밝혀져

사용되기 시작하였다 특히 고온하에서의 석면패킹을 대체할 수 있는 유일한 패킹재료로 판정된 이후

흑연제 패킹은 밸브의 표준 패킹재료로 자리잡았다 흑연패킹은 패킹재로써 다음과 같은 장단점을

갖고 있다-낮은 마찰(摩擦)계수(09 이하)

-자체 윤활제 역할 수행가능

-레진 충진재 또는 결속재(Binders Fillers or Resins)가 필요 없이 성형 가능

-액체 및 가스가 흑연재에 침투할 수 없는 안정화된 재료

-고온 및 저온의 유체하에서 유연성 유지 가능(낮은 크리이프 이완율 Low Creep Relaxation)-내부식성

-온도천이와 같은 온도변화에 거의 영향을 받지 않는 물성치

-양호한 온도전달 특성

-산화조건하에서 -200~500까지 불활성 가스 조건하에서 3000까지 사용가능

-강력한 내산성 및 내알카리성(사용 Ph범위1~14)-높은 압력에 의한 고밀도 성형(70~110lbfft3)이 가능하고 아울러 유연한 리본상태의 성형도 가능

-내방사성 특성(패킹재료 중 가장 안전한 내방사선 물질임)36회(979월호)소프트 패킹

소프트 패킹은 플라스틱 또는 테프론 계열의 에라스토머(Elastomers)를 재료로 한 패킹 재료로서 주로 낮은 온도에서 사용된다이 중 테프론 계열의 패킹인 경우는 180이하의 온도에서 사용할 경우 매우 뛰어난 내식성과

저마찰력 높은 탄성력을 가지고 있기 때문에 패킹재로써 좋은 재료이다최근에는 에틸렌프로필렌(Ethylene Propylene)계의 EPDM 도 개발 사용되고 있지만 EPDM 은

석유제품에 약하기 때문에 적용에 유의하여야 한다 스템 및 스터핑 박스 설계

밸브의 패킹성능에 영향을 미치는 요인을 스템과 스터핑 박스 설계 측면에서 요약하면 다음과 같다-패킹 글랜드의 가압력 및 가압구조

-패킹재의 구성 성분 기계적 성질 물성치 패킹재의 형상

-밸브의 운전빈도(스템의 운동량)-배관계통의 압력 온도 유체의 특성

-스템 및 스터핑 박스의 표면 거칠기

-스터핑 박스의 깊이 및 직경

-스템 글랜드 누르개 스터핑 박스의 치수 간섭 공차

-밸브 스템의 설치 방향

-진동의 유무

라이브 로딩 패킹 글랜드(Packing Gland Load by Live-Loading)밸브패킹은 사용중의 마모나 시간에 따른 내부 탄력성의 저하등으로 패킹 글랜드의 씰링압력이

떨어져 글랜드 패킹에서 누설이 생길 가능성이 높아지게 된다 패킹의 씰링구조는 초기에 조금이라도

파괴되면 매우 빠른 속도로 씰링 구조 전체가 파손되어 누설을 급속도로 야기하므로 씰링구조의

보존은 초기부터 매우 중요하다더욱이 흑연패킹의 경우 초기 씰링구조의 사소한 손상도 허용되어서는 안된다이에 대한 사항은 지난호에서도 언급하였듯이 유체의 압력이 패킹의 레디얼 압축압력보다 크게 되는

즉 글랜트 볼트 너트의 이완이 아니라 패킹구조의 탄력성(Resilient) 저하가 원인이 되는 것이다이러한 패킹재의 시효에 따른 내부 탄력성의 저하나 사용에 따른 마모 등의 문제로 패킹구조의

씰링압력의 저하를 지속적으로 유지시키기 위한 방법으로 [그림 113]과 같이 글랜드 볼트에 접시

스프링을 삽입하여 일정한 힘을 패킹 가압력으로 유지시키는 방안이 캐나다의 CANDU 원자력발전소에서 1970 년대 초기 Velan 에 의해 도입되었다즉 접시 스프링의 탄성 압축량만큼의 에너지가 항상 패킹 가압력으로 작용하도록 한 구조이기 때문에

명칭을 Live Loaded Stem Packing 또는 Live Loaded Packing이라고 통칭하고 있다이 Live Loaded Packing 에 대한 보다 체계적이고 구체적인 연구는 1982 년부터 미국 전력 연구소

(Electric Power Research Institute EPRI)에 의해 시작되어 이에 대한 최종 보고서는 EPRI-NP-5697 로 제출되었다이 보고서는 Live Loaded Stem Packing 에 대한 매우 구체적인 이론 및 실무 보수 운전에

이르기까지 라이브 로드 패킹의 거의 모든 사항이 열거되어있다[그림 114]에서 보는 바와 같이 라이브 로딩이 없을 경우에는 콘솔리데이션이 밸브 운전에 따라

급속히 진행됨으로 패킹실링 압력이 급격하게 저하되어 누설이 되기 쉽다라이브 로딩 패킹의 가장 유용한 기술안내는 앞서 언급한 EPRI-5697 로서 모든 밸브에 이 방식의

스템 패킹구조가 적용 가능하다 라이브 로딩 패킹에 쓰이는 스프링은 접시 스프링(Belleville Spring)으로 [그림 115]와 같다이 스프링은 변형률 대비 스프링 강성도가 높고 매우 소형 경량으로도 요구하는 하중을 관리할 수

있어 라이브 로딩 스템 패킹용으로 안성맞춤이다스터핑 박스

흑연 패킹과 라이브 로딩 패킹의 연구가 시작되기 전까지 오랜 기간동안 거의 모든 밸브 제작자들

사이에 스터핑 박스는 깊은 것이 좋다는 것이 일반적인 인식이었다깊은 스터핑 박스는 스템 누설을 보다 효과적으로 제어할 수 있다고 판단하여 심지어 패킹링을 12개씩이나 넣도록 설계된 밸브도 많았다 따라서 밸브 몸통은 커지고 패킹 글랜드 볼트도 커져야

했으며 스템과 패킹 마찰 면적이 넓어 밸브 운전에도 큰 힘이 필요하였다 그러나 흑연 패킹으로

패킹재료가 전환되는 과정에서 밸브 패킹에 대한 심도있는 연구 결과 패킹 구조내에서 밸브 스템

누설에 직접적으로 관계되는 씰링 가압력은 패킹의 가압에 의해 생기는 레디얼 성분의 가압력으로서

이 가압력이 밸브의 계통압력보다 클 경우에는 누설이 생기지 않는다아울러 가압력은 패킹 글랜드 플랜지에서 패킹 깊이 거리의 함수로서 지수적으로 변화하기 때문에

이제는 밸브의 스터핑 박스의 갚이가 낮아도 충분한 기밀특성을 갖게 됨을 알게 되었다현재 잘 성형된 높은 순도(99 이상)의 흑연 패킹인 경우 3~4 개의 패킹링 만으로도 씰링 특성이

충분히 유지된다 스터핑 박스의 깊이가 깊을수록 다음과 같은 문제점이 예상된다특히 구형밸브 즉 스터핑 박스의 깊이가 큰 밸브의 경우 이들 문제점은 패킹 보수시의 어려움을

더한다-글랜드 볼트의 조임력이 패킹 각 부위에 골고루 전달되기 어렵다-패킹의 마모나 성분의 휘발등으로 콘솔리데이션이 크게 일어난다 특히 많은 수의 패킹링을 사용하기

때문에 콘솔리데이션의 양이 커질수록(장기간 사용) 글렌드의 조임력은 이완되어 누설이 생긴다-패킹부의 보수시 세척작업 새 패킹 설치 등의 모든 보수작업이 매우 어렵다이들 문제점은 스터핑 박스의 깊이를 조정하여 설계하거나 기존의 밸브 보수시에는 금속제 또는 카본

스페이셔(Spacer)를 삽입하여 패킹 높이를 조정한다실험경과에 의하면 밸브의 패킹 조합은 양 끝단에는 편조된 유연한 흑연패킹으로 하고 중간 부위에는

3단의 고밀도 성형 흑연패킹으로 구성된 5단 패킹조합이 가장 양호한 것으로 보고되고 있다 이러한

구조의 경우 스템이 가공정밀도(진원도 표면거칠기)와 스터핑 박스의 표면 가공정도가 실질적인 주요

누설요인이 되게 된다스템 부식 방지재(Stem Corrosion Inhibitor)밸브 스템의 부식이나 피팅(Pitting 점식)은 패킹재 구조의 파괴를 급속히 진행시킨다특히 마르텐사이트 계열의 저크롬 스테인리스강(400 Series)은 오스테나이트 계열의 고 크롬

스테인리스(300 Series)강에 비하여 점식부식의 정도가 심하다 열처리된 17-4 PH강(ASTM A564 TP630)의 경우는 점식부식에 가장 강한 재질로 알려져 있다밸브는 제조 후 수압시험을 한 후 설치되기까지 패킹재가 젖어 있는 상태로 장기간 보관되는 것이

일반적이기 때문에 패킹재에 불순물로 존재되어 있는 부식인자들이 스템에 점식을 일으키는 사례가

많다 아울러 밸브의 저장 보관중에도 습기와 부식인자의 침입이 일어나기 때문에 스템의

점식부식방지재(Stem Corrosion Ingibitor)는 필수적이다 부식방지재로서 다양한 종류의 그리이스(Grease)가 사용되고 있으나 이는 근본적인 부식방지재는

아니다 현재 적용되고 있는 부식방지재로 쓰이는 보다 효과적인 부식방지재는 스템의 점식부식이

진행되기 전에 방지재 자체가 산화되는 소모성의 방지재(Sacrificial Corrosion Inhibitors)이다 이

방지재의 주성분은 아연과 알루미늄으로 아연이 알루미늄에 비해 부식방지에 보다 효과적이다 일반적으로 가루형태로 패킹재료에 혼합하여 사용하거나 와샤 형태로 패킹세트와 함께 사용한다 하지만 가장 좋은 사용방법은 고형 아연상태의 와샤로 하여 패킹 세트와 함께 사용하는 것이다 밸브스템의 점식부식방지재로서 최근에 개발된 것은 앞서 아연이나 알루미늄의 산화(희생)에 의한

능동적인 스템 점식부식방지가 아닌 흑연패킹자체에 바리움 몰리데이트(Barium Molybdate)와

같은 윤활성 및 내부식성의 재질을 혼합하여 사용하는 것으로서 산화물질의 발생이 없어 패킹의

압축력이 저하되지 않는 큰 장점이 있으나 가격이 비싼 것이 흠이다37회(9710월호)(8)밸브용 가스켓(Valve Gaskets)밸브에서의 외부 누설 방지장치로는 밸브 패킹시스템과 더불어 볼티드 본네트(Bolted Bonnet)형

밸브의 가스켓 씰링(Gasket Sealing)이 있다밸브 패킹이 동적인 구조의 씰링이라면 가스켓 씰링은 정적인 구조의 씰링이다 따라서 가스켓 씰링은

일반 배관시스템의 플랜지 조인트(Flange Jount)와 씰링구조가 똑같기 때문에 기준이 될 수 있는

대표적인 산업규격은 ASME Sec Ⅷ Division 1 Appendix 2 가 있다 특히 최근의 엄격한

대기환경의 보호정책으로 인하여 모든 배관계통의 누설문제는 매우 중요한 기술적 토픽이

되어있으며 이에 따라 가스켓 씰링에 대한 기술적인 접근방법이 점차 엄격해지고 있다가스켓 씰링에서 누설은 가스켓에 있어서 과도한 압축응력이나 또는 부족한 압축력에 의해서 생기는

것으로 가스켓의 재질 가스켓의 구성방법 두께 및 가스켓 씰링의 폭 조인트면의 형상등에 따라 어느

정도의 압축력을 주어야 하는가가 기술적인 관건이다가스켓 설계에 있어서는 가스켓의 계수(m)와 최소 설계시팅압력(Minimum Design Seating Stress)값인 y 가 중요하다 여기서 가스켓 계수(m)는 가스켓 조인트를 완벽하게 하기 위한 압축력에

대한 계수이다 즉 유체의 압력을 Pf 라 하고 가스켓의 조임압축력을 Pg 라고 할 때 유체가 누설이

개시되려고 하는 때의 조임압축력 Pg 에 대한 Pf 의 비율(m=PgPf)을 말한다 가스켓의 조임력을

간략하게 구하는 방법은 다음을 참고로 한다가스켓의 종류

밸브용 가스켓으로 널리 쓰이는 가스켓의 종류로는 판형금속제 가스켓(Flat Metal Gaskets) 판형

비금속금속 자켓 가스켓(Flat Nom-Metallie and Metal Clad or Jacketed Gaskets) 및 스파이럴

와운드 가스켓(Spiral Wound Gaskets)이 있으며 일부 고압산소 및 수소용 밸브에서 타원형의

링조인트(Ring Joint)나 오발링 조인트(Oval Ring Joint) 가스켓이 쓰인다-판형 금속제 가스켓(Flat Metal Gaskets)이 가스켓은 플랜지 조인트에 비해 무른 재질 즉 알루미늄 구리 황동 연철 또는 스테인리스강으로

제작하며 대략의 경도차는 플랜지 조인트 경도에 비해 적어도 HB 30 이상의 차이를 가진 것이어야

한다 이 판형 금속제 가스켓은 설치하면서 시팅 표면에 고정되도록 해야 하기 때문에 상당히 높은

조인트 볼트 하중과 더불어 높은 시팅응력을 요구한다 가스켓 계수 m 과 최소설계시팅 압력 Y 는 [표1]과 같다판형 비금속금속 가스켓(Flat Nom-MetallicMetal Clad or Jacketed Gaskets)비교적 낮은 압력의 시팅력으로도 씰링을 유지할 수 있도록 고무나 합성수지를 얇은 금속제 판으로

크래딩한 것으로 고온고압용에는 적합하지 않다대략적으로 압력등급은 300이하에서 사용온도는 200 이하의 경우에 채택할 수 있다 가스켓

계수는 25~375범위 최소 설계시팅압력 Y 의 값은 200~620(N)으로서 판형 금속제 가스켓에

비하여 매우 낮다-스파이럴 와운드 가스켓(Spiral Wound Gaskets)이 가스켓은 밸브의 조인트에 있어서 가장 널리 채택되고 있다 이는 판형 가스켓 등에 비하여 매우

양호한 탄성 복원력과 함께 적절한 가스켓 계수 및 시팅압력 y값을 갖고 있기 때문이다 따라서

열변화가 심한 경우나 배관계의 탄성변형에도 적절하게 대응할 수 있다스파이럴 와운드 가스켓은 금속(통상 V 형을 옆으로 뉘인 상태)과 비금속의 테이프를 나선형으로

감아서 내주측(內周側 Inner Side)과 외주측(外周側 Outer Side)에 금속판 테이프가 오도록 만든

가스켓으로 금속의 탄력성 및 강도를 비금속의 윤활성 및 탄성 유지력과 결합하여 만든 것이다 일반적으로 금속 테이브를 테이프(Tape) 또는 후프(Hoop)라고 부르고 비금속 테이프를 휠러(Fillar)라고 부른다 후프로는 스테인리스 304316 계열이 널리 쓰이고 휠러 또는 충진재로는 테프론이나

흑연 또는 석면 등이 널리 사용되고 있다 [그림 116]은 스파이럴 와운드 가스켓의 기본적인

제작형상을 보여주고 있다 여기서 내륜부착 또는 외륜부착의 스파이럴 와운드 가스켓은 가스켓

구조의 강도를 유지하고 아울러 최적의 가스켓 장착이 될 수 있도록 한 것으로 주로 고온고압용의

내압성이 중요시 되는 계통에 적용한다휠러재료에 따른 사용압력 대 사용온도는 [표 2]를 기준으로 한다 아울러 가스켓 계수 m=30 이고 최소설계시팅압력 y=689N 이다가스켓의 선정

가스켓의 선정은 밸브에 있어서 다음과 같은 순서로 가스켓의 선정을 추천한다① 사용조건의 확인 및 검토

-유체의 종류

-유체의 압력온도

-플랜지 조인트의 형상

-볼트 사양(갯수 크기 재질)②필요 체결압력 및 볼트사양에 따른 체결 토오크 검토

③ 가스켓 사양의 결정

④ 가스켓 체결사양의 결정

가스켓 체결사양의 간이 결정법

가스켓 특히 가장 널리 사용되는 스파이럴 와운드 가스켓(스테인리스 후프 흑연 충진)의 체결 사양을

결정하는

방법을 간이식으로 간단하게 표현하면 다음과 같다① 계산에 필요한 가스켓 체결 볼트 하중의 계산법

우선 사용상태에서의 볼트하중(Wm1)과 가스켓 사양에 따른 체결 볼트의 하중(Wm2) 중 큰 값을

선택한다 사용상태하의 볼트하중(Wm1)Wm1 = π4G2P + 2πbGmP = πGP4(G + 8bm)가스켓 사양에 따른 볼트 체결하중(Wm2)Wm2 = πbGy여기서G 가스켓의 평균 직경(mm)b 가스켓의 유효폭(mm) 단 하중을 직접 받는 폭

m 가스켓 계수(m=30)P 설계압력(kgf)y 최소설계 시팅압력(y=703kgf)② 볼트의 체결 토오크를 계산한다T = 02d1W10N여기서W Wm1 Wm2 중 큰 값(kgf)N 볼트 개수

d1 볼트의 외경(mm)(보다 상세한 계산은 ASME Sec Ⅷ Division 1 Appendix 2 를 참고한다)4밸브의 취급

41 지침

밸브가 본래의 기능을 유지하고 지속적으로 건전하게 운전을 하기 위해서는 각각의 밸브 구성부품의

기능이 제 역할을 다해야 한다 밸브 구성부품의 기능유지는 곧 구성부품의 구조적인 강도의 한계를 충분히 견지하고 있어야 한다는

것이다 밸브의 각 구성부품의 어느 하나라도 손상되거나 마모된다면 밸브는 본래의 기능을

정지하거나 정지가 예상되고 아울러 다른 구성부품까지 손상에 이르게 할 수 있기 때문에 밸브 전체의

기능에까지 손상을 가져올 수 있다 밸브를 설계하여 완성된 제품으로 출하할 때까지 제작자는

구성부품의 하나하나에 대하여 미리 강도를 계산하고 형상을 최적화하여 밸브가 조화롭게 운전될 수

있도록 설계하고 요구되는 수명이상을 유지할 수 있도록 적절한 공차와 정밀도로 제작하게 된다한편 밸브가 조립된 후에는 제작조립된 밸브가 설계대로 되어 있는가 또는 설계대로 제작된 밸브가

확실하게 제 기능과 성능을 발휘하고 있는가 등을 검사하는 과정이 있다이러한 설계 제작 및 검사과정을 거친 밸브는 제품으로서 완전하다고 할 수 있으나 실제 배관

계통에의 적용시 과연 제 성능을 발휘할 수 있는가는 밸브제작자와 밸브구매자 그리고 밸브를

설치하는 시공자와의 관계를 올바르게 설정하고 각 업무과정에서의 간섭문제를 심도있게 다루지

않는 한 밸브가 온전하게 제 성능을 발휘할 수 있다고 말하는 것은 옳지 않다 밸브의 취급에서 특별히 언급하고자 하는 것은 밸브제작자와 구매자 그리고 밸브를 설치하는 시공자

사이에서 밸브를 제대로 취급하는 방법을 알려주고자 하는 것이다

밸브제작자는 밸브에 대한 제반시험 및 검사과정과 페인팅(도장 Painting) 포장출하 방법 그리고

제작자가 구매자나 시공자에게 알려주어야 할 보관 방법 등을 책임 있게 관리해야 한다 밸브

구매자는 밸브제작자와 시공자를 전체적으로 관리하며 배관설계자와의 밸브관련 코디네이터

(Coordinator)로서의 역할을 수행하여 밸브로 인한 전체적인 프로세스의 시공차질이 없도록 해야할

것이다 아울러 밸브를 안전하고 신뢰성 있게 운전할 수 있는 방안을 밸브 설치시부터 고려해야 할

것이다42 인간공학적인 측면

밸브는 배관계통에 있어서 최종의 제어요소이기 때문에 밸브의 동작이 잘못되었을 경우 그 잘못된

결과는 즉시 나타나게 된다 밸브의 동작이 정상적으로 수행되기 위해서는 밸브 조작에 대한 신뢰가

전제되어야 한다 예를 들어 1983 년 일본 고압가스협회가 일본의 석유화학단지를 대상으로 밸브사고

사례를 조사한 결과를 보면 밸브조작에 대한 문제가 전체 사고사례 600 여 건 중 약 17인 109건이

밸브에 직접 관련된 사고였으며 109건의 밸브사고 사례 중 56인 61건이 밸브조작의 잘못으로

인한 것이었다아울러 미국전력연구소(EPRI)의 발전소용 밸브의 사고사례 분석에서도 약 50가 밸브조작이나

잘못된 조작을 유발할 수 있는 밸브구조로 인한 것임을 보고하였다 이와 같이 밸브 조작상의

문제점이나 조작실수를 유발할 수 있는 밸브구조의 문제는 의외로 관련 프로세스 시스템에 많이

게재되어 있다즉 실제 사고의 원인이 되는 종업원의 행동에서 보면 관행에 따라 조작하다가 문제를 일으킨 경우가

가장 많으며 기타 지식과 경험에 의한 조작 규칙 절차서에 따라 밸브를 조작하다 실수한 경우가

있었으며 이들은 인간공학적인 측면의 밸브설계상의 오류로 볼 수 있다이밖에 작업 또는 조작환경과 상황에서 보면 단조로운 밸브조작 환경에서 의외로 많은 사고를

경험하고 있다는 것이다 이들은 분명 밸브의 설계 제작 및 설치 등의 제반과정(제작자 측면)과 밸브

시운전을 포함한 운전 및 유지관리(사용자 측면)에서 모두 휴먼에러의 방지가 중요한 설계상의 관점이

된다는 것이다밸브 취급에 있어서 인간공학적인 측면을 생각해 본다는 것은 휴먼에러를 가급적 공학적으로 줄이기

위한 배관 및 밸브 시스템에 관한 설계 고려사항이 된다38회(981월호)2인간공학적인 측면

밸브취급에 있어서 그 기본 목적은 밸브의 기능을 본래대로 유지 관리하는 것이다 실제로 수많은

프로세스에서 밸브 문제로 인한 엄청난 손실을 경험하고 있으며 대부분 밸브의 중요기능인 내부 누설

및 외부 누설 기능의 손상 또는 노화에 따른 것이다설비보전 밸브의 보전(保全 Total Maintenance Management)에 있어서 가장 중요한 것은 사소한

문제로 생각할 수 있는 누설현상이나 이로 인한 경미한 위험 요소들을 간과해서는 안 된다는 것이다 예를 들어 4M(Man Machine Media Management)에서 일어날 수 있는 휴먼 에러 설비의 결함 작업 방법이나 정보의 부족 관리상의 여러 문제점들이 복잡한 프로세스에서 언제든지 위험요소로

존재하는 것이다 석유화학 콤비나트나 발전소와 같은 대규모의 프로세스 플랜트에서 불시정지를

야기하는 설비들 중에서 또는 심각한 사고사례 중에서 밸브 문제가 차지하는 비율은 상당히 높은

것으로 알려져 있다Fran E Bird 가 총 175 만건의 설비 사고사례를 분석한 내용을 보면 [그림 1]과 같은 구조의 비율을

보이고 있다 이와 같이 1건의 재해가 발생하기에는 적어도 600건 이상의 인적 물적 손해가 없는

경미한 사고가 발생되고 이들은 4M 의 문제점으로 남아 관리되지 않고 다음의 큰 사고를

예비하는데도 불구하고 쉽게 간과하거나 망각한다는 것이다이는 도미노 이론에서와 같이 600건이라는 4M 관리상의 문제가 기본요인을 점차 무너뜨리고 이것이

사고의 직접 원인이 되어 사고에 이르고 결국 큰 재해로 야기된다는 것이다특히 밸브에 있어서는 매우 간단한 문제로 치부할 수 있겠지만 다음과 같은 분석을 통하여 프로세스

플랜트에 있어서 밸브의 취급이 얼마나 중요한 것인가를 알 수 있다 이렇듯 프로세스에 있어서

밸브의 관리는 밸브의 종류별로 프로세스 계통의 특성별로 그리고 설치환경에 따라 취급방법을

달리해야 한다(1)밸브의 오조작 문제를 고려한 취급

밸브의 오조작 문제는 전형적인 휴먼 에러로 볼 수 있다일반적으로 프로세스 플랜트에 있어서 대부분의 배관계통은 프로세스 제어목적에 따라 계통의

주제어용 밸브 보조제어용 밸브 계통의 유지 보수를 위한 밸브 프로세스 제어기기용의 보조밸브 계통의 비정상적인 운전을 사전사후 예방하기 위한 급배기(수) 밸브 계통의 안전성에 중점을 둔

안전밸브 릴리이프 밸브등 매우 다양한 밸브들이 설치되어 운전한다이들 밸브는 운전 목적이 각기 상이하고 형식 또한 판이한 다른 모양을 갖고 있으며 운전 방법에 따라

수동조작 자동조작으로 나눌 수 있으며 자동조작은 외부의 제어 시그널과 동력원(動力源 Power Source)을 받아서 조작되는 타력식(他力式) 자동 제어밸브가 있다 본고에서는 밸브의 오조작 문제를

인간공학적인 측면에서 앞서의 3 종류 밸브에 대하여 원론적으로 설명한다〔수동식 밸브〕

수동식 밸브에서 오조작을 방지하기 위한 방법으로는 인간적인 관성과 기술적인 즉 공학적인

관점으로 접근하여야 한다 인간적인 관성에 의한 밸브의 오조작 문제는 앞서 언급한 바와 같이

사고의 근본 원인을 제공하고 있는 습관이라든가 안이한 대처 즉 주기적이고 집중적인 안전교육의

부족 및 관리체계의 허술함이 사고의 동기를 제공하게 된다공학적인 관점으로는 휴먼 에러를 최소화할 수 있는 조건들을 배관 및 밸브 시스템에 반영하는 것으로

다양한 접근 방법이 개발되고 있다〔타력식 자동밸브〕

타력식 자동밸브는 공압식 또는 전동식 자동 제어밸브(Pneumatic or Electric Control Valve)를

말하는 것으로 그 기능은 계통 유로의 개폐 또는 조절(Throttling)하는 것이다유로 개폐 목적의 차단 밸브는 운전 중에는 계통의 절환이나 긴급시의 차단 또는 개방 밸브로

운전빈도가 그다지 높지 않으나 안전 측면이 강조된다 반면에 조절기능의 자동 제어밸브는 항상

운전되는 밸브로서 계통운전의 신뢰에 필수적인 제반 제어 시그널에 따라 운전함으로 운전 신뢰성

측면이 강조된다따라서 조절기능에 손상이 있을 경우 자동 제어밸브의 설치운전에는 보조의 수동밸브와 차단밸브가

함께 설치된다 또한 이들 자동밸브는 외부의 동력공급원에 대한 철저한 안전성이 확보되도록 하여야

한다 즉 방폭 등급이라던가 동력원의 손실시 안전한 운전 모드의 위치 고장시 긴급조치는 어떻게 할

것인가 운전 감시는 어떻게 할 것인가 등을 설계시부터 고려하고 안전한 취급 및 설치방법을

제시하여야 한다 물론 긴급시의 처치에 있어서 오조작 문제가 근본적으로 생기지 않도록 안전조치

(Fail CloseOpen) 기능 및 수동 조작 기구를 함께 갖추는 것이 좋다〔자력식 자동밸브〕

자력식 자동밸브는 안전밸브(Safety Valves) 압력 릴리이프 밸브(Pressure Relief Valves)

감압밸브(Pressure Reducing Valves) 일차 압력 조절밸브(Pressure Sustaining Valves) 펌프

콘트롤 밸브(Pump Control Valves) 후로우트 밸브(Float Control Valves) 등으로 계통내의 압력

또는 온도를 압력도관(Pressure Sensing Line)이나 팽창성 액체도관(Capillary)으로 전달받아

자체의 다이아후램이나 스프링등으로 계통의 압력을 조절하는 것이다따라서 대부분의 제어 최종 목적은 압력 또는 온도가 된다 실제 이들 밸브는 응용에 있어서 약 90이상이 압력조절인 자력식 밸브이다자력식 자동밸브의 구조상 특징은 스프링을 압력제어의 직접적인 요소로 사용하는 안전밸브나

릴리이프 밸브를 제외하고 모든 자력식 밸브는 압력도관을 갖고 있기 때문에 특별한 취급이 필요하다사용 유체에 따라 다르겠지만 물용 감압밸브는 감압밸브 중에서 가장 널리 사용되는 밸브로써

압력도관과 주밸브(Mian Valve)의 동작을 지시하는 파이롯트 밸브 또는 솔레노이드 밸브 및 이에

부수되는 압력계 피팅 필터 또는 스트레이너 체크 밸브가 제어라인으로 복잡하게 구성되어 있다 주밸브를 동작시키는 이들 제어시스템은 밸브의 사용목적에 따라 구성을 달리하여야 하고 배관시스템의 계통운전 조건에 맞도록 공장 및 현장에서 제어 기준값을 설정해 주어야 한다아파트나 대형 오피스 건물의 원수(源水 Raw Water)나 시수(市水 Municipal Water) 시스템의

파이롯트식 감압밸브나 일차 압력조절 밸브 등에서의 제어성 문제는 대부분 필터 스트레이너에서의

불순물이나 물이끼가 파이롯트 밸브의 미세한 노즐을 막음으로써 발생하는 경우가 많다따라서 필터 스트레이너 파이롯트 밸브의 노즐에 대한 취급은 밸브 출하시는 물론 설치운전 중에도

각별한 관심을 기울여야 할 것이다파이롯트식 외에 직동식 즉 압력도관을 직접 자력식 자동밸브의 구동부(다이아후램)에 연결하여

내부의 자체 스프링 힘과 입구 압력 밸브 출구측의 압력의 평형으로 스프링 힘에 의해 밸브 출구

압력이 조절되는 방식의 감압밸브는 감압 조절의 정밀도는 약간 저하될 수 있으나 앞서의 파이롯트

밸브가 없는 구조이기 때문에 취급상 비교적 용이한 구조이다(2)밸브의 누설을 고려한 취급

밸브의 유지보수라 함은 그 대상이 밸브의 내부 누설 및 외부 누설을 차단 또는 허용치 이내로 다시

조정하는 작업이라 할 수 있을 정도로 대부분의 밸브 유지보수가 트림부분과 패킹부분의 수리 또는

교체를 중심으로 이뤄진다아울러 밸브 제작자가 밸브를 출하할 때 집중적으로 시험 검사하는 것도 밸브 시트에서의 누설량

확인과 밸브 외부로의 누설 가능성 여부를 확인하는 것이다 밸브에 관한 기준 및 규격이 모두 이들

사항에 대하여 구체적으로 규정하고 있으나 단시 밸브의 외부 누설 가능성이 매우 높은 글랜드 패킹

부위에서의 누설 관리에 대하여는 특별히 규정하고 있지 않다 그러나 최근의 밸브 기술 및 사용자의

요구는 글랜드 패킹에서의 누설 또한 매우 엄격하게 규제를 하기 시작했으며 이에 대한 대표적인

예가 미국의 대기환경보호법(Clean Air Acts)이다글랜드 패킹에서의 누설 문제는 밀봉재인 패킹(통상적으로 현재에는 순수 흑연계의 성형 또는 편조형)에서 누설이 있을 경우 그때그때 패킹 조임을 통하여 누설을 방지할 수 있다는 전제 조건 때문에 따로

규정하고 있지 않으나 패킹재료의 발전과 CCA 의 요구사항 그리고 사용자 그룹의 요구로 조만간

패킹 또는 가스켓으로부터의 누설량은 엄격한 규제를 받게 될 것으로 예상된다따라서 패킹으로부터의 외부누설을 가능한 한 최소화하는 기술의 확보와 더불어 밸브의 패킹이나

가스켓과 같은 밀봉부문의 취급을 어떻게 하여야 할 것인가가 세밀하게 검토되어야 한다예로써 밸브의 수압이나 시트 기밀시험에 사용되는 시험 액체는 청수가 대부분이다 아울러 일반

밸브의 패킹부분에서의 스템 운동을 원활히 하면서 씰링 효과를 높이기 위해 인히비터(Inhibitor)라는

보조재를 사용하는 경우가 많은데 특별히 아연베이스(Zinc Based)계통의 인히비터는 스템에 점식

(Pitting)현상을 일으킬 수 있어 주의하여 선택 결정하여야 한다더욱이 수압시험후의 불순물이 게재된 청수가 패킹재를 오염시킬 수 있으며 패킹 윤활재의 화학적

안정성을 해치고 대기중의 유해 물질과 결합 흡착되어 스템의 운전을 곤란하게 하는 경우가 실제로

상당수 발생된다 밸브의 내부누설은 트림에서의 시트누설로 대표되며 밸브 종류에 따라 누설량을

엄격히 제한하고 있다 일반적으로 차단용 목적의 밸브는 시트 누설량을 허용하고 있지 않으며 조절용 밸브 및 역류방지 밸브에서만 누설량을 소량 허용하고 있다밸브 사용중 시트 누설이 발생하는 요인은 대부분 취급 유체에 불순물 개제나 시트 접촉부에서의

상대적인 노화나 열화 또는 밸브에서의 압력차에 의한 케비테이션이나 후라싱과 같은 물리적 현상에

의하여 발생된다 금속간 접촉에 의한 씰링구조의 밸브 트림인 게이트밸브 글로브밸브 및 메탈시트

볼이나 버터플라이 밸브의 경우에는 유체내 불순물 개제 또는 금속체간 높은 접촉응력과 금속화학적

반응에 의한 들러붙음(Stick on)으로 인한 긁힘(Galling) 또는 국부부식(점식 Pitting)으로 인한

누설이다 반면에 소프트 시트(주로 테프론) 구조의 트림은 탄성체인 테프론과 같은 시트 재료가 오랜

시간 사용에 의한 노화나 열에 의한 열화등으로 씰링의 탄력성이 손상되어 누설이 생기는 경우로서

소프트 시트를 널리 채용하고 있는 90회전 밸브류인 볼 버터플라이 플러그밸브에서 자주 발생한다 물론 핀치밸브(Pinch Valve)나 다이아후램 밸브도 이러한 유형에 속한다 마지막으로 유체 조절용의

제어밸브에서 유체역학적인 현상으로 여겨지는 케비테이션 후라싱 현상은 밸브 응용에서 매우

조심스럽게 다뤄져야할 현상으로써 계통 설계자와 밸브 제작사가 사전에 이에 대한 엔지니어링을

하여 실제 적용시 이러한 현상이 최소화되도록 밸브를 설계 제작하여야 한다이러한 현상은 주로 제어밸브로 80이상 사용되는 글로브 형식의 제어밸브에서 집중적으로

논의된다 현재까지 케비테이션에 견딜 수 있는 구조의 트림들이 다양한 형태로 개발되고 실용화되고

있으나 후라싱에 견딜 수 있는 밸브 트림에 대하여는 따로 후라싱 서비스용 트림이라 할 정도로

밸브자체 또는 밸브 트림만으로는 해결하기 어려운 점이 많다39회(982월호)2인간공학적인 측면

(2)밸브의 누설을 고려한 취급

지난호에 밝힌 바와 같이 유체역학적 현상에 의해 발생되는 밸브 트림의 씰링구조 손상문제는 전체

시스템에 대한 계통 및 밸브의 역할을 엔지니어링하여 시스템 및 밸브 트림의 설계에 반영함으로써

완화시킬 수 있다이 경우 밸브 트림에서 문제의 해결 방안을 찾는 것보다는 우선 시스템의 운전 조건을 검토하여

시스템부터 문제 해결을 추진하는 것이 보다 바람직하다 역류방지 밸브인 체크밸브의 누설 문제는

실제 시스템의 운전에 있어서 간혹 매우 어려운 문제로 제기되는 경우가 의외로 많다 특히

체크밸브는 사용자가 생각하고 있는 밸브의 기능과 제작자가 실제 관련 코드와 기준에 의해 제작한

밸브의 기능과는 엄청난 견해차를 갖게 된다 이 견해차의 주요 내용을 다음과 같이 요약한다체크밸브에서의 압력 손실 문제

체크밸브에서의 통과 유량 문제

체크밸브에서의 누설 허용량과 실제 설치시의 누설량 과대 문제

사용 유체에 따른 허용 누설량과 실제 계통 적용시의 누설 문제

이중 밸브 엔지니어링 측면에서 심도 있는 기술적인 검토가 필요한 사항은 압력손실의 문제와 실제

설치시의 누설량이 검사시의 허용 누설량과 큰 차이가 나는 원인에 대한 것이다

첫째 체크밸브에서의 압력 손실의 문제는 계통 운전시 심각하게 대두되는 문제로서 그 원인은

다음과 같다체크밸브의 디스크는 계통에 유체가 흐를 때에만 열리도록 되어 있다 통상 계통압력에 의해 열린다고

생각할 수 있지만 계통내에 적정 유량이 흘러야만 밸브의 디스크가 흐르는 유체의 힘에 의해

개방된다 따라서 계통내에 적정 유량이 흐르지 못할 때는 디스크가 완전히 열리지 못하고 중간

개도에서 불안정하게 운전하게 된다 따라서 이때의 밸브에서의 압력손실은 디스크가 완전히 열리지

못함에 의한 유로 포트의 교축으로 크게 발생하게 된다 특히 배관 관경이 크게 선정되어 있고 계통

유량이 적은 경우에는 계통 운전이 불가능할 정도로 압력손실량이 커질 수 있다 체크밸브의 제작자는 이러한 사항을 고려하여 체크밸브에 대한 최소 흐름요구속도(Minimum Flow Velocity)를 제시하고 있다 따라서 계통 설계자나 운용자는 이 최소 흐름요구속도를 가지고 필요

유량과 체크밸브의 유량계수(Cv)를 가지고 이론적이지만 실제 계통설계에 적용할만한 체크밸브의

압력 손실량을 계산할 수 있다 이 압력손실량을 가지고 계통 설계 및 운전에 체크밸브를 적용해야

위와 같은 사용자와 밸브 제작자간의 견해차 즉 문제를 해결할 수 있는 것이다그러나 현재 배관 엔지니어링에 있어서 설계자는 거의 모든 체크밸브를 단지 압력-온도 등급에 의한

외형적인 데이터로 밸브를 선정하기 때문에 워터햄머와 같은 유체의 천이현상을 제외하더라도 시스템

설계에 필수적인 체크밸브의 압력손실량을 적당히 결정하고 있는 것이다이들 문제는 상대적으로 대구경의 배관계통에서 보다 소구경의 배관계통에 보편적으로 적용되는

리프트 체크밸브에서 빈번하게 발생한다 이러한 문제는 밸브 형식 또는 유체흐름의 모양(Flow Passage)을 변경하거나 내부 디스크의 전체 질량을 조정하여 해결할 수 있다 다음에는 이러한

체크밸브에서의 압력손실 문제를 구체적으로 설명하고자 한다다음의 문제는 시트의 허용 누설량 이내의 밸브를 공급하였는데도 불구하고 실제 설치된 체크밸브의

누설량이 과대하여 문제가 되는 경우이다 이 또한 밸브 제작자에게 큰 기술적 경제적 고통을 안겨

주는 사례로서 결론적으로 체크밸브를 부적절하게 설치하였거나 최초 운전시(시운전시) 배관 계통의

청소(Clean Up or Flushing)가 불결하여 이물질에 의해서 경면 연마된 시트면의 기밀 구조 손상이다이중 특별히 주의해야 할 사항은 체크밸브를 설치할 때 설치 위치 및 방향에 따라 생기는 유체역학적

불안정 구조로서 이들 문제에 대한 분석 및 설치상의 고려사항에 대해서는 구체적으로 다음호에서

설명한다 이와 같이 밸브의 누설을 고려한 취급은 보다 깊숙한 기술적 배경을 요구하게 됨으로

밸브엔지니어링 전문가에 의한 체계적인 취급이 바람직하다(3)리프트 체크밸브의 압력 손실의 문제를 고려한 소형 체크밸브의 취급

체크밸브의 압력손실을 예측하는 데에는 우선적으로 배관계통내의 최대 설계유량과 운전 유량에

기준한 유체의 흐름속도 즉 유속이 중요한 설계 계산의 포인트가 된다물론 체크밸브의 형태에 따라 압력손실 계수가 정해지는데 이러한 밸브 형태에 따른 저항계수는 이미

미국 Crane社에서 발간한 Fluid Flow와 같은 기술자료로 널리 알려져 있다 이러한 기술자료 중

기술자들에게 널리 알려져 있으며 아울러 공학적 상식을 체계적으로 정리하고 있는 Crane Technical Paper 410 에서는 배관계의 적정 유속을 [보기 1]과 같이 고려하고 있다그러나 4 인치 이하의 소구경 배관의 경우 상기 배관내 유속보다 30정도 증가시켜도 무방하다 왜냐하면 소구경 배관의 경우 배관의 벽두께가 상대적으로 대구경 배관에 비하여 두껍게 제작되고

있으며 유체의 흐름 관성력이 작기 때문이다리프트 체크밸브의 특성 검토

리프트 체크밸브는 스윙식의 체크밸브에 비하여 리프트 부분을 대쉬포트(Dash Port)로 하기 때문에

디스크의 떨림(채터링 Chattering) 현상이 적어 맥동이 있는 배관계에 널리 채택되고 있다 리프트

체크밸브의 동적 특성은 배관계의 유량 디스크의 질량 디스크와 몸체 가이드면과의 간격 및 편심률 디스크 측면의 밸런스 구멍의 크기 등에 많은 영향을 받는다 이중에서 가장 크게 체크밸브의 안정된

디스크 열림에 영향을 주는 것이 유량 즉 유속이다유속이 높을수록 유체의 흐름관성력(Fluid Flow Inertia Force)이 높아 디스크는 안정된 상태로

열려있게 되는 것이다 다음의 식은 리프트 체크밸브에 있어서 디스크의 운동방정식이다 액체

서비스용 리프트 체크밸브에서 중요한 사항은 액체의 점성도에 따라서 Fγ 의 크기가 크게 변화된다 따라서 Fγ 에 영향을 직접적으로 미치는 디스크와 몸체 가이드면과의 간격(실제적인 예로써

0125~015mm 로 제한한다)이 체크밸브의 원활한 운전을 위해 매우 중요한 설계 포인트가 된다체크밸브의 디스크와 몸체 가이드면의 간격에 의한 편심률 ε 의 값은 어떤 리프트 체크밸브 설계에

있어서도 03 이내로 제한되어야 하며 아울러 Fγ 의 값을 적게 하기 위하여 표면 거칠기도 매우

정밀하게 제어해야 한다 ε 의 값이 적으면 디스크의 안정성이 높아져 ε 의 값이 높은 설계보다 낮은

유속으로도 디스크의 안정성을 기할 수 있다일반적으로 리프트 체크밸브의 디스크에는 밸런스 구멍을 3 개 정도 뚫어 놓는데 이는 디스크가

열렸을 때 디스크 상부의 케비티에 있는 잔류 유체를 이 디스크의 밸런스 구멍으로 릴리이프 하도록

한 것으로 디스크의 신속한 닫힘

작용에 매우 중요한 역할을 수행한다 밸런스 구멍의 크기는 채터링 현상을 감소시키는 목적이라면

가능한 작게(호칭경 2 인치 이하 직경 3mm 내외 호칭경 25~4 인치의 경우 4~5mm 내외)로 하면

좋다소형 리프트 체크밸브의 디스크 안정 열림을 위한 최소 흐름 속도 계산식의 유도

본 계산식을 유도하기 위해서는 디스크 틈새에서의 와류가 없으며 디스크 상부에서의 케비티에서의

잔류 유체는 디스크가 열릴 때 밸브 입구측 압력과 즉시 밸런스가 되고 디스크의 부력에 의한 유속

증가는 고려하지 않은 상태로 조건을 가정하고 다음의 모델에 따라 계산식을 유도한다우선 디스크의 밸런스를 위하여 디스크가 닫힐 때의 힘 F 와 유체력에 의해 디스크가 열릴 때의 힘 f 는

평형이 되어야 한다 따라서 F=f 로 하여 필요한 밸브 입구에서의 최소 흐름속도를 이론적으로 구할

수 있다 참고(1)에서 밸브에서의 압력손실 ΔP 는

ΔP = 6V2Gf(CvD2)2Gf 비중(10)V 배관계의 유속(ftsec)D 배관의 내경(inch)이 식에서 밸브의 압력손실은 배관계의 유속이 증가함에 따라 증가하고 밸브의 유랑계수 Cv 자승에

반비례한다V2 = [ΔP(CvD2)2]6(ftsec)Q = AV(GPM)그런데 밸브에서의 유체흐름 저항으로 인한 압력손실은 참고(2)에 따라 계산하면 다음과 같다 즉ΔPf(100) = 135fGf(Q2d5) psi100ft여기서

Q 유량(GMP)d 유로경(inch)f 마찰계수로써 002 로 가정하고 참고(2)의 TableⅡ 에서 리프트 체크밸브의 등가 파이프길이를

구하여 대입 실제 밸브에서의 압력 손실량을 구한다ΔPv = 135fGf(Q2d5)Le(psi)여기서 Le = 등가 파이프길이(ft)100(ft)임만약 ΔPv = ΔP 가 같다고 가정하여 d 를 확인하고 선정된 밸브의 포트가 적절한가를 확인한다 그리고 실제 유량 Q 를 수송시 밸브에서의 실질적인 동적 압력손실 ΔPv 를 구하면 된다만약 측정된 압력손실량이 계산된 ΔPv 보다 월등히 클 경우에 이는 분명 체크밸브의 디스크가 완전히

열리지 않고 중간개도(원인은 이물질이 디스크와 디스크가이드 사이에 개재 또는 유체의 흐름량이

매우 적게 흐를 경우 등)로 하여 약 3~12 배 정도의 압력손실(참고(2))이 생겼기 때문이다만약 실제의 압력 손실량이 예상보다도 크게 발생할 경우 리프트 체크밸브의 취급에서 다음과 같은

원인으로 과대한 압력손실이 발생된 것으로 고려하여 이들의 원인을 해결하면 된다-디스크와 디스크 가이드 사이에 미세한 이물질이 개재되었을 경우-배관계통내의 유속 저하로 인한

흐름 유체력이 약하여 디스크를 충분히 열지 못했을 경우-스프링의 버클링에 의한 편심량에 의하여

디스크의 열림이 원활하지 못했을 경우-디스크 가이드와 디스크 측면의 표면 조도에 의한 열림

마찰력이 과대하여 발생한 것 대책으로-스프링의 제거 또는 교체를 실시하고 본네트의 스프링 가이드면을 원활하게 한다-디스크와 디스크 가이드면의 간격을 013mm 정도로 조정하고 양쪽 접촉면을 경면사상(鏡面仕上)을 실시한다-시트 밀착면에서의 표면장력 효과를 저감시키고 유체흐름을 원활하게 하기 위하여 디스크의 반경을

시트면의 접촉면 외경에 일치시키고 시트면과 디스크 시팅면에 작은 유로 흐름이 생성될 수 있도록

한다40회(984월호)지난호에서는 소구경 배관계통에서 널리 채택되고 있는 리프트 체크밸브의 적용상의 압력손실에

대하여 설명하였다 체크밸브의 종류별 압력손실 정도는 참고로 대략 [표 1]과 같다(4)설치의 안전성

배관계통은 기본적으로 취급유체가 매우 다양하여 포스겐가스나 염소가스와 같은 맹독성의 가스 황산이나 가성소다와 같은 위험성 액체등도 밸브를 통하여 제어하게 된다밸브는 이러한 유체를 취급할 때에는 특별히 글랜트 패킹이나 가스켓(본네트 가스켓과 플랜지 접속

가스켓)에서의 외부 누설에 심각하게 유의하여야 한다 아울러 가연성 고압가스의 누설은 엄청난

재난을 가져올 수 있다 또한 고압증기 시스템 계통의 경우에는 사람을 다치게 하거나 주변의

전기배선이나 주변기기에 손상을 입혀 큰 사고 피해를 유발하기 때문에 설치 및 관리는 안전을 제일로

하여야 한다4규격밸브

현재 국제적으로 통용되는 밸브 규격은 주로 미국 영국 독일 및 일본등 선진국가에서 제정된 것으로

특히 미국에서 제정된 ASME(미국기계학회) API(미국석유학회) MSS(미국제작자협회) ISA(국제계측제어협회) 등의 규격이 가장 영향력이 크다이중 ASME 는 밸브류의 구조적 강도문제를 중점적인 관점으로 취급하고 있으며 나머지 API 나 MSS등은 ASME 에서 정한 구조적 강도의 허용범위 내에서 실제 프로세스에 적용할 수 있는 실질적인

규격을 정하고 있는 경향이다물론 구조적 문제의 근간이 되는 플랜지 강도 계산이나 압력

용기로서의 밸브 몸통의 구조강도 문제는 일본이나 독일의 기본 국가규격으로 정하고 있지만 일본의

경우 강도 계산방법이나 테이블링(Tabling) 방법 등이 흡사 미국의 ASME 방법과 유사하다 독일의

경우는 보다 자세하고 또한 수많은 고려사항들을 계산에 포함하도록 요구하는 등 산업문화의

차이에서 보면 미국문화권과 독일문화권이 유별나게 구분되는 재미있는 특징이 있다우리 나라의 경우는 흡사 일본 규격을 거의 번역한 것과 마찬가지로 규정되어 있는데 실질적인

밸브의 압력 온도 기준의 근간이 되는 밸브의 재질강도 및 사용(설계)압력 및 온도에 따른 밸브

구조의 강도에 대한 상세한 지침이 규격화되지 않은 사항은 유감이다단지 한전의 발전용 밸브를 중심으로 하는 KEPIC 규격이 1995 년도 말에 제정된 것이 이러한

밸브구조의 강도문제를 규격화한 첫 사례로 볼 수 있다 일반적으로 모든 밸브는 해당분야의 규격에

따라 설계 제작 시험 및 검사를 통해 완제품으로서의 인정을 받도록 되어 있다 크게 분류하면

발전용 석유화학용 상하수도용 제지용 식음료용 소방용등으로 구분되고 보다 세부적으로는

업종별 특성에 따라 또한 구분된다예를 들면 발전용이라 해도 원자력발전소용과 일반 수화력용 밸브의 품질 요건은 엄청난 차이가 나며 밸브의 제어 특성에 따라 기계분야에서 취급할 것인가 또는 제어계측분야에서 취급할 것 인가도

구분된다 다음은 우리 나라에서 비교적 많이 인용되고 있는 대표적인 밸브관련 규격 발행처이다 이와 같이 밸브는 용도별 나라별로 규격이 상이하기 때문에 우리 나라와 같은 경우 분명히 KS 규격이 기준이 될 것으로 판단된다하지만 밸브의 경우에는 불행스럽게도 KS 규격은 극히 제한적인 분야로서 KS B 2306 으로 일반 기계

장치용 선박용 및 옥외 수도용에 대한 호칭 압력별 밸브의 면간 치수를 규정하고 있고 세부적인

용도별 규정은 선박용 및 상대적 저압인 건축설비 및 상수도용에 집중되고 있는 느낌이다 따라서

발전소 및 석유화학 플랜트를 비롯한 프로세스 플랜트에 소요되는 대부분의 밸브류는 플랜트를 어느

나라의 기술로 건설하느냐에 따라 미국 규격 독일 규격 프랑스 규격 일본 규격으로 적용하여

왔으며 단지 상하수도의 제수밸브나 건축설비용으로 쓰이는 일부 밸브들만이 KS 규격을 적용해

왔음을 안다예로써 우리 나라의 대부분의 발전소는 원자력의 경우 울진원자력 12 호기를 제외하고는 미국

규격을 수화력의 경우 어느나라 차관으로 발전소를 건설했느냐에 따라 미국 규격 혹은 독일의 DIN 규격이 널리 사용되었고 일부 일본의 JIS 규격이 준용화되었다 석유화학 콤비나이트의 경우도

대부분 미국의 API ANSI ISA IEEE 규격들이 준용되고 독일의 기술로서 건설된 것은 대부분 DIN 규격으로 밸브들이 도입 설치되었다 따라서 산업용의 밸브 제작자들은 KS 규격의 밸브가 아닌 ANSI API 또는 JIS 규격에 의한 밸브제작 생산에 더욱 익숙해져 있는 것이 현실이다또 한가지 재미있는 사실은 밸브의 종류별로 규격상의 특징이 있다는 것이다 이는 밸브 도매상들의

상술로 빚어진 결과이기도 하지만 섬유도시로 유명한 대구 구미지역의 합섬공장의 열매용 밸브의

대부분은 독일의 DIN 규격제품이 매우 많으며 벨로우즈 씰 밸브의 대다수는 또한 독일제품과

일본제품이 주종이 되어있다 그런데 DIN JIS 및 ANSIAPI 의 밸브 규격상 같은 압력등급이라

하더라도 밸브의 면간 거리가 각기 상이하여 이들 밸브의 개보수 추가 확장 등의 공사시에는 서로

상이한 규격으로 인하여 공사 추진에 많은 영향을 미치게 하며 더욱 많은 공사 경비가 추가될 수

있다 반면에 울산의 SK 쌍용과 같은 석유정제공장 여천 석유화학공장의 대부분은 미국 규격을

준용하고 있다특히 DIN AFNOR 또는 JIS 에 의한 밸브 재질 규격의 ASTM 에 대한 대조는 전문가가 아니면 판단할

수 없을 정도로 복잡하게 되어 있어 기존 플랜트의 밸브 개보수등 밸브의 보전관리에 많은 문제점을

주고 있다필자의 성급한 주문이지만 현재 우리 나라에서 채택되고 있는 다양한 밸브 규격은 가급적

세계화의 추세에 맞춰 가능한 미국규격에 준용하도록 하는 것이 바람직하다

특히 산업용 밸브의 내수용의 경우 금액 대비 약 70이상 수출의 경우 약 80이상을 미국규격에

준용하고 있음을 감안하여 산업용의 경우 거의 활용되지 않는 KS 규격보다는 차라리 미국규격

(ANSIASME)을 우리 것(KS) 화하는 것이 우리 밸브 업계로 봐서 오히려 매우 바람직하다고

생각한다 이렇게 함으로써 규격의 보다 깊은 이해와 통일성 그리고 세계화된 밸브 규격의 적용으로

국내는 물론 해외에서의 우리 밸브 제품의 경쟁력을 확보할 수 있을 것이다

5밸브의 중요도 구분

밸브 중요도의 구분은 밸브를 포함하는 시스템 설계에 있어서 시스템에서 요구하는 밸브의 기능과

사용상의 목적이 시스템 운전에 얼마나 중요한가를 구분 짓는 것으로 보면 된다 시스템의 원활한

운전을 위하여 밸브의 역할을 구분하면 다음과 같이 세 가지로 구분할 수 있다첫째는 시스템에 대한 능동적 부품(Active Component)으로써 일반 파이프나 피팅과 구분되고 두

번째는 시스템에 대한 기능상의 능력(Functional Canal Capability)으로써 파이프나 피팅과 같이

얼마만한 유량 압력 온도에 알맞은 크기 또는 능력을 가졌는가이다세 번째는 시스템의 운전 또는 제어성보다도 밸브 자체의 운전성(Opeability)이다 이 세 가지가

시스템에 전체적으로 조화되어야만 밸브와 밸브를 포함한 시스템이 원활하게 운전되는 것이다1)시스템에 대한 능동적 부품으로써 밸브의 중요도

일반적으로 1000MW 급 원자력발전소당 약 21500 개의 각종 밸브가 필요하지만 750MW 급 분탄

(粉炭) 화력발전소의 경우에는 약 8000 여개의 밸브가 30MW 급의 유동탄 화력발전소의 경우에는

약 1000 여개의 밸브가 필요한 것으로 알려져 있다발전소 시스템에 있어서 가장 중요한 밸브들은 시스템의 원활한 운전과 제어를 위한 주요 제어 및

차단밸브들로서 발전소 총 밸브의 약 5인 400 여개가 가장 중요한 밸브로 취급된다 그 다음으로 중요한 밸브들은 압력-온도에 따른 고온 고압밸브 및 고차압밸브(Severe Duty Service Valves)들로서 약 20 정도를 차지하고 나머지 약 75는 단순한 제어용이나 차단용의 일반밸브들

(General Service Valves)로 구분될 수 있다[그림 1]은 화력발전소에서 가장 문제점이 많이 생길 수 있는 밸브들을 표시한 것이다한 예로 [그림

2]의 계통도와 같이 55MW 급의 복합화력발전소에 있어서 보일러 급수시스템 구성은 약

007~008bar(a)와 39의 진공도를 가진 복수기(콘덴서 Condenser)로부터 복수기펌프

(186barg 39) 디미네랄라이저(Demineralizer 176barg 433) 저압급수가열기(LP Feedwater Heaters 703barg 121) 탈기기(Deaerator 6barg 1578) 보일러

주급수펌프(Boiler Main Feed Pump)를 거쳐 고압 급수가열기(HP Feedwater Heaters 137barg 2117) 주급수 제어밸브(Main Feedwater Control Valve 116barg)를 통하여 보일러에 급수가

된다 보일러에서 발생하는 증기는 1108barg510로 하여 발전기를 돌린다이 프로세스에서와 같이 시스템에 있어서 능동적인 부품으로의 밸브는 시스템의 일부 또는 전체를

불안정한 운전으로부터 정상운전에의 시스템 복귀 기능은 물론 돌발적인 사고로부터 시스템을

완화시키거나 정지시킬 때 필요한 기능 부품으로서의 역할이다따라서 각 프로세스 핵심기기 요소인 복수기 히터류 펌프 탈기기 터어빈 등의 전후단에는 시스템

운용의 평형을 위한 즉 주기능이 제어기능인 밸브류가 설치되고 어떤 비정상적인 운전에 대비하여

시스템 운전을 릴리이프 할 수 있는 바이패스 밸브류 및 주기기의 돌발적인 사고로부터의 안전보호를

위한 긴급차단밸브와 안전밸브류가 주요 핵심기기 요소에는 능동적 부품으로서의 밸브가 선정되고 이들 계통에 속한 밸브의 중요도는 가장 높은 등급의 밸브로 분류할 수 있다41회(986월호)

2)시스템에 대한 밸브의 기능으로서의 중요도(Functional Capability of the Valve)공정플랜트에 있어서 배관시스템 즉 유체 수송시스템은 펌프 열교환기 또는 각종 탱크류와 같은

공정기기와 유체흐름을 제어하는 밸브 및 오리피스와 배관으로 구성되어 있다 따라서 공정시스템은

[그림 1]과 같은 세 가지 중요 공정요소로서 각 요소가 프로세스의 핵심 운전인자들인 온도 압력 유체질량 시간 등에 대하여 전체적으로 시스템이 평형과 조화를 이루도록 하는 것이 제어요소인

밸브오리피스인 것이다배관 피팅 배관지지대 등 밸브의 기능상의 능력(Functional Capability)은 바로 전체

공정시스템상의 제어기능의 능력을 표시하는 것으로 밸브의 설계 또는 사용 조건하에서 계통 및

밸브자체의 구조적인 안정성을 유지하며 공정시스템이 원활하게 운전되도록 정격 유량을 수송 및

제어하는 능력을 말한다 밸브 기능의 중요도는 첫째로 밸브의 치수 건전성이고 둘째로 유로 특성을

결정하는 트림구조의 안정성 셋째로 유체의 화학적 반응도에 따른 밸브 재질구조의 안전성 넷째는

밸브 운전조작의 합리성이다① 밸브의 치수 건전성(Dimensional Stability Based on Structural Integrity)공정시스템의 핵심운전인자인 온도 압력 유체질량 시간 중에서 밸브의 치수 건전성 즉 구조적인

강도를 안전하게 유지하기 위해서는 최우선적으로 사용온도와 압력 그리고 시간에 대하여 충분한

구조적인 강도를 가진 구조로 설계 제작되어야 한다높은 압력의 밸브는 그만큼 밸브의 벽두께를 두껍게 하여야 할 것이며 높은 온도의 밸브는 가능한한

열천이에 의한 열응력의 변화(피로응력을 크게 증대시킴)에 대하여 구조적으로 안정되게 하기 위하여

밸브의 벽두께는 가급적 얇게 그리고 균일한 두께로 설계되어야 할 것이다여기에 시간의 함수를 고려하면 밸브구조는 가급적 얇고 균일한 두께로 설계되어야 한다는 결론에

이른다그러나 실제 밸브의 제작기술상 얇고 균일한 두께라는 이상적 조건의 밸브생산은 불가능한

것이 현실이다 밸브의 경우 포트구조와 유로부분에서의 크로치 부분(Crotch Area)이 대표적인

구조적 불연속부(Structural Discontinuity)로써 이 부분은 앞서의 온도 및 압력에 민감하게

작용하는 구조 부분이다 일반적으로 밸브가 받는 응력지점 중 가장 크게 응력이 발생하는 부분은 이

크로치 부분이고 이는 밸브의 내부면에서 최대치를 가지며 밸브 중심면에 수직으로 전 밸브의 목둘레

부분에 인장 응력을 가하고 있는 것이 특징이다이 부분이 밸브의 가혹한 운전조건하에서 가장 중점적으로 치수의 건전성을 확인할 수 있는

핵심부분이다 아울러 밸브를 주조로 만들 경우 벽두께의 급격한 변화에 의한 응고속도 압탕구조 응고수축등의 영향이 집중되어 많은 불량이 생기는 부분도 이 부분이 된다간단한 방법으로 이 크로치 부분의 구조적 건전성을 단순하게 사용 압력으로만 평가할 경우 이 부분의

1 차 막응력강도(Primary Membrane Stresses Integrity)는 다음과 같이 표시할 수 있다Pm = (AfAm+05)Ps여기서

Pm 크로치 부위에서의 1 차 막응력강도

Af 크로치 구역내의 유체면적

Am 크로치 구역내의 밸브 벽두께 면적

Ps 사용 압력

대부분의 경우 밸브의 구조상 압력을 받는 조건하에서는 그림에서의 Am 부분이 가장 큰 응력을

받게되고 아울러 밸브가 급속히 개폐되어 밸브의 디스크 전후에서의 큰 압력차이가 생기는 특정의

경우에도 Am 부분이 가장 가혹한 응력을 받게된다

다음으로 밸브 사용온도 하에서의 치수건전성 문제 또한 이 크로치 부분이 문제가 된다 밸브 유로

부분은 어느 정도 균일한 두께로 설계되지만 유로와 밸브 목이 구성되는 트림부분인 크로치 부분은

다음의 강도 설계 규칙에서 보는 바와 같이 균일한 열응력 분포를 기대할 수 없다 열응력은

온도구배와 두께변화로 인하여 생기게 되는데 밸브구조 특히 몸통구조에서는 크로치 부위에서 가장

크게 발생한다결론적으로 밸브의 내압구조에서는 크로치 부위의 최적설계가 가장 중요한 설계 핵심부분이고 다음에 언급하는 트림구조의 안정성에도 구조강도상 중요한 지지구조이기 때문에 밸브의 치수건전성

측면에서 주의 깊게 설계해야 될 포인트이다② 밸브의 유로 특성을 결정하는 트림구조의 안정성

밸브의 제어성은 유체의 흐름을 공정시스템의 운전 목적에 맞도록 개폐하거나 조절하는 기능을

말한다 이 제어성은 물리적인 의미로서 밸브에서의 압력손실이라는 물리적인 현상을 능동적으로

이용하는데 있어서 그 정밀도를 의미한다 즉 유체가 배관계통을 흐르고 있을 때는 배관벽의 마찰 피팅에서의 흐름방해 등으로 압력손실이 생기는데 이는 일정한 양의 어쩔 수 없는 압력손실이 되는

것이지만 밸브에서는 유체가 흐르는 형상과 양을 조절함으로써 압력손실의 양과 크기를 고의적으로

조정하는 것이 밸브의 기능이라고 할 수 있을 정도로 압력손실을 중요하게

고려한다 유체가 흐를 때 압력손실은 다음과 같이 물리적 식으로 표현한다P = k PV22g여기서

P 발생 압력손실

k 밸브의 유로형상과 마찰로 인하여 생기는 손실계수

P 비중량

V 유체의 속도

즉 유속이 빠를수록 압력손실이 크게 발생하므로 밸브에서의 제어는 유속을 제어하는 구조인 유로

단면적을 가변하는 구조의 오리피스로 고려하여 해석할 수 있는 것이다 따라서 밸브에서 유체의

흐름을 직접 제어하는 부품인 트림은 그 구조가 공정시스템의 운전제어 목적에 철저히 부합되는

구조이어야 한다그야말로 밸브가 매우 다양한 운전조건하에서 부여된 제어임무를 원활히 수행하려면 트림구조는

공정시스템에서 하나 하나가 특별히 안정스럽게 운전되도록 설계 제작되어야 한다 트림구조의

안정성을 유지하려면 다음과 같은 사항들을 철저히 고려해야 한다유체의 제어특성

급개형 - 개폐용

선 형 - 밸브 개도에 따라 유량의 변화량이 비교적 일정함

등비율형 - 밸브 개도에 따라 유량의 변화가 등비율 구조로 됨

유체의 온도

내부누설의 관리 정밀도

유체의 입구 압력과 밸브 출구측의 공정요소가 요구하고 있는 압력(밸브에서의 설계차압)시스템 운전환경(증기 블로우다운 복수기 방출 개폐빈도등)유체의 종류

트림의 유지보수의 편이성

특히 유체의 흐름이 이상유체(二相流體 Two Phase Flow)인 경우 트림에서의 제어성이 곤란하며

차압(差壓 Differential Pressure)이 클 경우 유체의 성상을 변화시킬 수 있음으로 이를 방지할 수

있는 구조의 트림을 설계하여야 한다실질적으로 트림구조의 안정성은 유체의 제어특성 소음과 진동 케비테이션과 후라싱등으로 그

현상을 판단할 수 있다③ 유체의 화학적 반응도에 따른 밸브 재질 구조의 안전성밸브는 다양한 성상의 유체를 다루기 때문에

공정유체의 종류에 따라 밸브를 구성하는 재질은 화학적으로 상호 반응이 없는 것이어야 한다즉 밸브 재질의 유체 종류별 부식침식(Corrosion amp Erosion)성을 판단하여 선정하는 것이다 이에

대한 것으로는 이미 과월호에 구체적으로 설명한 바 있다④ 밸브의 운전조작의 합리성밸브는 운전부품(Moving Parts)인 스템 디스크와 압력유지부품

(Pressure Retaining Parts)인 몸통 본네트 또는 캡 본네트 볼트등으로 구성된 밸브 몸체가 있고 운전부품의 조작에 필요한 밸브 요크 슬립 핸들 또는 구동부로 구성된 밸브 조작부가 있다밸브를 자동으로 구동하는 경우에는 제어상 필요에 의하여 밸브조작 보조기기류가 추가된다밸브의 운전 조작의 합리성에서 가장 우선적으로 고려되어야 할 사항은 다음과 같다 밸브의 내부 및

외부 누설문제밸브의 개폐에 필요한 운전토오크의 관리문제

밸브의 개폐속도

밸브의 설치상 제한사항

밸브 구동조작의 방법

밸브 설치환경(방폭 본질안전 기밀등급등)시스템 추종성

특히 밸브의 핵심 부품중의 하나인 글랜드 패킹의 설계문제는 패킹 재료 스터핑박스의 구조 패킹

글랜드 후렌지의 패킹 가압력 스템 및 스터핑박스 내면에서의 표면거칠기 등으로 구분된다 이

글랜드 패킹문제는 외부 누설문제 운전토오크 개폐속도에 직접적으로 영향을 미치고 연속 자동제어

밸브의 경우에는 패킹가압력이 과도하면 밸브의 제어성을 상실하는 사례도 있다밸브의 구동조작의 방은 매우 다양하다 수동조작과 자동조작으로 대별되며 자동조작의 경우

구동부의 형식과 구동 동력원에 따라 다음과 같이 구분할 수 있다전기구동식(회전)[Gear Mechanism]-선형구동(Linear Motion)-90회전구동(Quarter Turn)유압구동식(전기모터-유압발생)[유압실린더]-선형구동(Linear Motion)-90회전구동Scotch Yoke공압구동식

-선형구동

-90회전구동Scotch Yoke-90회전구동Rack amp Pinion-Air Motor 구동방식

-Piston Type-Diaphragm Type42회(9812월호)밸브 사용상의 제한사항

밸브는 기능상의 요구사항으로써 차단용 밸브(Isolation Valves) 조절용

밸브(ModulatingThrottling Valves) 과압보호용 밸브(Pressure Relief Valves) 역류방지 밸브

(Non-Return Valves) 등이 계통에서 요구하는 제어기능을 적절히 수행하게 된다앞에서도 언급했듯이 특정 밸브는 특정 기능을 수행하도록 설계되어 있으나 일반적인 대부분의

밸브들은 차단 및 조절기능을 함께 수행할 수 있으므로 계통에서 요구하는 제어기능이 명확할 경우

사용상 또는 적용상의 제한사항이 뒤따른다 다음은 대표적인 각 밸브별로 사용상의 제한사항들을

요약한 것이다(1)차단기능의 밸브

1)게이트 밸브

최적의 설치조건은 수평 배관상에 스템이 수직으로 설치되어야 운전성 및 구조적 건전성이 높아진다 그렇지 않은 경우 수명이 짧아지고 분해 수리가 어렵다배관의 난류원인 피팅에 가깝게 설치하지 말아야 한다특별히 압력 밀봉식(Pressure Seal) 본네트 구조의 게이트 밸브는 필히 수평 배관에 본네트가

수직으로 위쪽에 설치되어야 한다단기간의 유량조절만 가능하므로 완전열림 완전닫힘의 밸브로 취급되어야 한다2)글로우브 밸브

앞의 게이트 밸브와 같은 방법으로 설치되어야 한다 오히려 게이트 밸브의 설치위치와 방향보다도 더

엄중하게 고려되어야 한다일반적으로 유체흐름 방향은 글로우브 밸브의 시트에서 디스크로 흐르는 상향식 흐름이나 진공라인의

경우에는 하향식 흐름으로 되어야 한다일반 화학공장에서 방폭지역 등급에 따른 경계에 밸브로 차단기능을 할 때는 상향식이나 하향식을

방재 방안에 맞춰 정해야 한다기타는 게이트 밸브와 유사하다3)버터플라이 밸브

설치는 스템이 배관라인에 수직이 되게 한다 수평배관에 설치되는 경우 스템이 경사지게 설치되면

과도한 토오크 및 토오크량 변화에 따른 진동이 유발될 수 있다배관의 엘보우나 펌프 토출측에 너무 가깝게 설치되어서는 안된다 적어도 배관직경의 6~10 배만큼

떨어져 설치되어야 한다유속이 빠른 계통에의 버터플라이 밸브 적용은 운전 토오크의 문제로 가급적 피한다4)볼 밸브

소프트 시트인 경우 사용온도는 200를 넘지 않도록 한다메탈시트인 경우 슬러지성 유체나 불순물이 많은 유체 계통에는 사용할 수 없다차단용 기능의 볼 밸브는 20 이하의 개도에서 유량조절을 할 수 있으나 장시간 사용해서는 안된다5)플러그 밸브

플러그 밸브의 경우 배관 작용력에 민감하게 작동 토오크가 변화되므로 고온 계통에서의 적용시에는

배관 및 배관지지대의 형상 및 구조를 참조하여 설치 위치를 정하거나 또는 플러그 밸브가 열하중에

민감한 점을 감안하여 밸브 종류를 재선성해야 한다계통 적용시 플러그 밸브는 보수 유지가 매우 어려운 점을 감안해야 한다6)다이아후램 밸브

낮은 압력에 낮은 온도의 유체에만 적용한다

8Prime(200mm)를 넘는 밸브에는 바람직하지 않다수평배관에 스템이 수직으로 설치되어야 한다(2)조절기능의 밸브

조절기능의 밸브는 계통의 운전조건에 따라 상당히 많은 사용상의 제한사항이 뒤따른다 거의

대부분의 조절기능의 밸브에서의 문제점은 계통의 차압(System Differential Pressure)과

밸브에서의 차압(Control Valve Differential Pressure)으로써 우선 집약된다즉 계통에서 요구되는 차압 P(요구된 P Assigned P)가 조절용 밸브를 포함한 실제 운전시의

차압 P(실제 P Actual P)간의 차이는 조절용 밸브의 잠재적 문제점을 가늠하는 척도가 될 수

있다밸브 종류별로 적용상의 차이는 있지만 실제 조절기능의 밸브의 근본적인 문제점과 사용상의

제한사항은 이들 P 의 차이에서 그 정도를 평가할 수 있다1)글로우브 밸브

가장 다양한 종류의 유체 제어 기능을 갖도록 되어 있는 밸브이기 때문에 직접적으로 유체 제어

기능을 수행하는 밸브트림의 선정에 주의해야 한다케비테이션이나 후라싱등의 현상은 밸브선정 데이터로부터 예측되므로 이러한 현상을 극복할 수

있도록 설계된 트림을 선정하거나 후라싱과 같은 경우에는 아예 후라싱 서비스용 밸브로써 장시간

운전될 수 있는 구조의 밸브로 선정한다수평배관에 스템이 위로하여 수직으로 밸브가 설치되어야 한다 조절용 글로우브 밸브는 대부분

타력식(Power Actuated)이기 때문에 설치방법이 적절하지 못할 경우에는 내부 밸브부품 트림접촉부위 시트부위는 물론 패킹의 수명까지도 단축시키는 경우가 매우 많다별도 항목의 제어밸브에서 트림형식별로 구체적인 사용상의 제한사항을 작성할 계획이다트림형식은 제작사 마다 고유의 기술이 접목되어 있으므로 이에 대한 평가는 유체제어 특성별 트림의

제어범위(Rangeability)별로 하여 단순비교하는 방법으로 할 계획이다2)버터플라이 밸브

일반적으로 개도 60~70에서 토오크의 변화가 크므로 버터플라이 밸브는 압력-온도 기준상 ANSI 300 이내에서 사용하도록 권장된다유량특성상 등비율특성(Equal Percentage)이므로 선형이나 급개형(Linear or Quick Opening)을

요구하는 계통제어에는 적합하지 않다정밀한 유량제어에 사용해서는 안된다난류원인 엘보우나 펌프토출측에 너무 가깝게 설치해서는 안된다 적어도 난류원으로부터 최소 6D이상 떨어진 배관라인에 설치해야 한다계통 특성상 케비테이션이 일어날 수 있는 조건의 경우라면 버터플라이 밸브의 적용은 피하도록

한다 이는 버터플라이 밸브가 전형적인 높은 압력회복(High Recovery Valve)을 하는 밸브이기

때문에 낮은 차압(P)하에서도 케비테이션을 일으킬 수 있기 때문이다3)볼 밸브

일반적으로 버터플라이 밸브와 거의 유사한 유체역학적 특징을 가진 밸브이다 저개도 운전시 유체

제어성이 특별히 떨어지기 때문에 정밀한 유량제어에 사용할 수 없다 특별히 편심구조의 반구형 볼

제어밸브(Eccentric Rotating PlugBall Control Valve)의 경우에는 슬러지성의 유체제어에

적합하나 고온 고압의 고에너지 유체계통의 적용은 곤란하다4)레귤레이터

레귤레이터는 프로세스에서 프로세스가 갖고 있는 물리적 양을 참조하면서 계통의 압력 온도 및

유량을 조절하는 밸브로서 급격하고 빈번한 물리적인 변화가 업삳면 비교적 값싸고 간단하게

믿을만한 제어효과를 가질수 있는 제어밸브이다통상적으로 밸브의 출구측(Downstream)의 압력이나 온도 또는 유량의 변화를 작은 제어관(Control Line)으로 직접 감지하여 입구측(Upstream)의 물리적량과 비교하여 설정하고자 하는 물리적량

(Setting Valve)의 변수를 밸브 자체의 스프링 값으로 제어하는 것이다 레귤레이터에 대한 구체적인

내용은 본 배관기술지 신년호를 통하여 별도 기고할 것이다레귤레이터의 구동구조는 열에 민감한 액체를 이용하여 계통의 온도제어 후로우트(Float)를 이용한

계통의 차단이나 수위 조절 기능 또는 급배기(Vent Drain)와 같은 계통의 안전기능 또는

레귤레이터의 다이아후램 구동장치에 직접적으로 작용하는 제어 목적의 계통압력(Process Fluid Acting on the Valve)등에 의해 작동된다 따라서 레귤레이터는 계통 적용상 상당한 제한사항이

뒤따른다감압밸브(Pressure Reducing Regulators)단동형 감압밸브(Single Stage Pressure Reducing Valve)는 유량변화가 큰 경우 최대

유량조건하에서 감압의 정밀도가 떨어짐으로 정밀한 감압의 효과를 얻기 위해서는 복동식 감압밸브

(Two Stage Pressure Reducing) 또는 파이롯트식 감압밸브를 사용한다복동식 감압밸브의 경우 사용 유체는 청결한 것이어야 한다 파이롯트 밸브의 노즐이 불순물에 의해

막힐 경우가 있기 때문이다 가급적 필터 내장형의 밸브로 선정한다단동형 감압밸브의 최대 제어 가능한 유량은 증기일 경우 500kgh 로 하고 보다 큰 용량이 필요한

경우에는 작은 제어관을 밸브내부에 설치하지 않고 밸브 출구측의 5D 거리에 따로 설치하여 이

제어관을 통한 출구측 제어압력이 다이아후램에 직접 연결되어 제어되도록 해야한다설치시 수평배관상에 스템이 수직으로 하여 설치하고 필히 과압보호용의 안전밸브나 릴리이프 밸브를

함께 설치하여야 한다 이때 과압보호용 밸브의 설정압력은 감압밸브의 설정치 보다 10~15 높은

압력으로 설정한다5)역류방지 밸브

〔스윙체크 밸브〕

스윙체크 밸브는 체크밸브 중에서 가장 압력손실이 낮은 밸브이기 때문에 밸브에서의 손실(P)에

너무 민감하게 밸브를 선정할 필요가 없다 즉 계통의 유량과 압력을 고려하여 과대하게 선정되지

않도록 주의해야 한다 과대하게 선정(Oversiging)되었을 경우 스윙이 완전히 개방위치에 있지 않고

계속 열림닫힘을 계속하게 되므로 마모로 인한 밸브 기능의 손상사례가 많다체크밸브 전단에는 엘보우등과 같은 난류원(Turbulance Source)이 일정한 간격을 유지하고 있어야

한다스윙체크 밸브의 전단에는 적어도 약 5D 이상의 직선관이 있어야 잠재적인 문제점을 사전 예방할 수

있다스윙체크 밸브는 수평배관상에는 디스크가 수직으로 설치되어야 한다계통의 유체흐름이 불균일한 경우에는 노즐체크 밸브와 같은 다른 체크밸브를 고려한다 체크밸브는

설치용 밸브의 기능을 수행할 수 없다가스공급 계통에서의 적용은 피하는 것이 좋다리프트 체크밸브(Lift Check Valve)유속이 낮은 드레인 계통과 같은 계통에서는 리프트 체크밸브의 선정은 적절치 않다

설치는 수평배관상에 피스톤이 수직으로 설치되어야 한다저에너지 계통에서는 압력손실이 비교적 많기 때문에 적용에 유의하여야 한다스프링식 리프트 체크밸브의 경우 가스와 같은 압축성 유체계통에 적용시에는 디스크의 채터링

현상이 야기될 수 있으므로 적용해서는 안된다깨끗한 유체계통에 적용된다 더러운 계통에의 적용시 불순물이 피스톤과 밸브의 가이드면에 끼어서

운전불능 상태에 빠질 수 있다〔틸팅 디스크 체크밸브(Tilting Disc Check Valve)〕리프트 체크밸브나 스윙체크밸브에 비하면 여러 가지 장점이 많은 밸브이나 보수측면에서 보면

현장에 설치되어 있는 상태로는 보수 또는 수리가 블가능한 밸브이다43회(991월호)밸브의 설치

1설치환경의 검토

밸브 제작社는 완성된 밸브를 정해진 규정 및 주문자의 요구에 따라 제반시험 및 검사를 시행한 후 적절한 방법으로 포장해서 설치장소로 운반한다 대부분 밸브의 설치장소는 그 환경이 청결하지

못하며 특히 신설되는 프로세스에 설치되는 경우에는 매우 불결한 환경에 놓이게 된다 일단 밸브의 설치에 앞서 모든 밸브는 입고검사를 시행한 후 창고 도는 임시 보관장소에 보관되는데 밸브의 입고 및 설치를 위한 사전 준비사항은 다음과 같은 절차와 방법으로 수행한다(1)입고검사

모든 밸브는 운반 중 또는 포장 해체시에 입었을지 모르는 손상을 확인해야 한다 아울러 밸브 종류별 밸브번호(Tag No)별로 구분하여 보관하고 사전 입수된 설치 및 보수절차서(Installation amp Maintenance Instruction)에 따라 필요한 조치를 한다스테인리스 밸브와 주강제 밸브는 일정한 간격을 두고 보관하도록 하며 밸브를 바닥에 직접

보관해서는 안된다 밸브는 적어도 바닥에서 6cm 이상 높은 파렛트 위에 보관해야 하며 통풍이 잘

되는 곳이어야 녹의 발생을 억제할 수 있다만약 손상된 밸브가 있다면 손상의 정도를 확인하여 제작자에게 알리는 등의 적절한 조치를 취한다 주요 확인 사항으로는 핸드휠이나 스템 축의 벤딩여부 스위치 등의 전장품의 훼손 여부 볼트 체결의

이완여부 및 누락여부 밸브노즐 보호카바 페인트의 손상여부 예비부품의 확인 등이다 특히

서비스용 밸브 패킹의 확인은 매우 중요하다(2)밸브 품질문서의 확인

밸브는 계통에 있어서 하나의 제어요소이자 압력유지 부품으로써 품질문서의 확인 및 관리는

필수적이다 밸브의 품질문서는 대략 다음과 같다수압검사성적서(Hydrostatic Shell amp Seat Test Certificate)재질증명서(Material Test Certificate)비파괴검사성적서(NDE Test Certificate)설치 및 보수메뉴얼(Installation Operation and Maintenance Instruction)이들 품질문서는 발주시 제시되었던 품질문서 요건과 비교하여 누락된 것이 없도록 한다(3)저장

저장은 앞서 간단히 언급한 바와 같이 비 바람 및 이에 따른 먼지 등의 비산에 의한 문제 발생을

최소화하기 위하여 실내로 하고 밸브의 양쪽 노즐 보호카바는 설치될 때까지 떼어내서는 안된다 제어밸브나 모터구동밸브와 같은 자동밸브들은 구동장치 및 관련 액세서리의 훼손 가능성이 높기

때문에 포장된 박스에서 꺼내어 보관하지 말고 가능한 한 원래의 포장상태로 보관하는 것이 안전하다(4)취급 및 설치준비

밸브의 무게가 30kg 이 넘는 밸브들은 가능한 한 밸브 몸통 아래에 나일론 줄을 대고 전체적인

밸런스를 맞춰가면서 밸브를 수직으로 하여 주의 깊게 취급한다일단 설치장소로 옮겨지면 밸브 양쪽 노즐의 보호카바를 제거하여 노즐의 상태를 필히 확인해야

한다 맞대기 용접(Butt Welding End)의 경우 노즐에서의 녹 발생여부와 함께 끝단의 찍힘 등

손상여부를 확인한다 녹이 발생된 노즐은 적절한 방법으로 녹을 제거해야 한다 녹 제거용 용재로는

아세톤이나 알코올이 사용될 수 있으나 염소 성분이나 불소 성분이 있는 용재는 절대 사용해서는

안된다(5)게이트밸브의 설치시 유의사항

게이트밸브의 설치는 게이트밸브가 양방향성의 흐름을 갖기 때문에 설치 방향의 문제는 없으나

다음의 조건하에서는 설치 방향을 필히 지켜야 한다밸브 디스크에 과압 릴리프 구멍이 뚫려 있는 경우에는 릴리프 구멍이 밸브의 유로 입구측이 된다밸브의 디스크(Wedge)는 완전히 잠근 후 배관에 설치해야 한다 디스크를 완전히 잠그지 않고

용접을 하거나 프렌지 체결을 할 경우 이물질이 시트사이에 끼기 쉽고 용접 연결의 경우 디스크가

비틀려질 염려가 있기 때문이다바이패스 밸브가 설치된 게이트밸브의 경우에는 설치 방향이 정해져 있기 때문에 유로 방향을 필히

확인해야 한다(6)글로브 밸브 설치시 유의사항

글로브 밸브는 유로의 방향성이 정해져 있으며 대개 디스크의 아래쪽에서 디스크의 윗부분으로

유로가 흐르는 상향식 유로 구조이다그러나 수동밸브라 할지라도 유체의 조건이 매우 가혹한 경우에는 하향식을 채택하는 경우도 있기

때문에 고에너지를 다루는 배관계통에의 글로브 밸브는 설치방향을 정확히 확인해야 한다또한 글로브 타입의 제어밸브의 경우에는 시스템 특성에 따라 유로 방향을 달리 적용하는 사례가

많다 예를 들어 후라싱(Flashing)이 발생할 수 있는 히터 드레인 계통(Heater Drain System)과

같은 경우에는 대부분 하향식 유로를 채택하고 있다글로브 밸브의 설치 또한 밸브 시팅구조의 손상을 방지하기 위하여 밸브 디스크를 완전히 잠근 다음

용접 등의 체결 작업을 해야 한다(7)체크밸브의 설치시 유의사항

체크밸브를 배관계에 설치하기 전에 설치위치 설치방향 및 유로 방향에 보다 많은 주의를 기울여야

한다(8)버터플라이 밸브의 설치시 유의사항

버터플라이 밸브는 개도 40~60 사이에 유로의 강도(유속 압력)에 따라 개폐의 토오크가 크게

변화한다 따라서 수동조작인 버터플라이 밸브의 운전시 급격히 유체의 힘에 의해 개폐가 될 수

있음으로 밸브조작을 레체트(Ratchet) 방식으로 하여 안전사고를 방지해야 한다 엘보우와 같이

난류원(Turbulent Source)이 있는 경우 버터플라이 밸브의 설치방향 특히 스템 방향이 밸브의

안전한 운전(진동이 증폭되지 않는)에 많은 영향을 준다 즉 엘보우가 만드는 평면과 밸브의 스템축이

일치하도록 설치해야 진동이 증폭되지 않고 만약 스템축이 일치하지 않을 경우에는 버터플라이

밸브의 디스크가 오히려 난류원의 진동을 증폭시킬 수 있기 때문이다아울러 버터플라이 밸브는 대부분 대형사이즈의 밸브이기 때문에 설치시 볼트의 토오크 관리가

일정해야 하고 배관설치시 일어날 수 있는 연결 프랜지의 평행도를 사전에 확인하여 볼트 토오크의

편심이 생기지 않도록 해야한다(9)볼 밸브의 설치시 유의사항

볼 밸브는 설치 위치에 큰 영향을 받지 않으나 가능한 스템축이 운전조작에 편리하도록 하고 조작

핸들이 상부로 되도록 한다 왜냐하면 비교적 높은 조작 토오크가 필요하고 볼 밸브의 취약부인

패킹부분으로 찌꺼기가 끼지 않기 때문이다소켓용접이나 맞대기 용접시에는 제작자의 설치메뉴얼에 따라 적절한 조치를 취한 다음 용접을

하도록 한다 이는 볼 밸브의 시팅구조를 보호하기 위함이다(10)플러그 밸브

전형적으로 플러그 밸브는 다른 밸브에 비하여 매우 높은 조작 토오크를 가진 밸브이다 윤활형

플러그 밸브(Lubricated Plug Valve)의 경우 플러그와 밸브 몸통과의 간격(Clearance)이 매우 적기

때문에 배관작용력(배관설치시 오프셋 발생 열팽창 영향등)이 이들을 바인딩하여 밸브 조작을 어렵게

할 수 있다 플러그 밸브의 핸들은 다른 밸브에 비해 상당히 크기 때문에 밸브 설치시 핸들의 조작

공간을 크게 잡아놓아야 한다2분해 및 조립

(1)밸브의 분해 및 점검을 위한 사전 점검

밸브를 점검하거나 보수를 위해 시행하는 사전 점검은 매우 중요한 일이다밸브를 분해하고 점검하는 것은 주어진 현장여건상 대부분 열악한 환경에 처해 있다 그러나 이러한

조건들을 치밀한 작업공정 계획과 작업준비로서 대처해 나가야 한다 분해작업 전에는 사전 준비로서

관련자료(특히 설치보수 매뉴얼의 사전 숙지는 필수임) 공기구 소요자재 등의 준비는 물론 다음에서

언급하는 절차에 따라 필요한 조치를 취한다특히 정비 및 점검항목 체크리스트를 사전에 준비하면 더욱 좋다 이렇게 하면 작업시 밸브의

점검요소는 물론 어느 계통의 어느 밸브까지 일목요연하게 할 수 있기 때문이다다음은 사전 점검 요소이다전회의 운전 및 정비기록을 검토

전회 정비시 주요한 문제점을 발췌 숙지

현장답사(Work Down)를 통한 작업장의 여건과 안전상태를 사전점검

현장답사 결과 작업루틴(작업 개소별 작업순서)을 작성

필요시 운전원의 의견을 참조하여 정비기록에 기입

밸브자재 사양과 기존 사양과 동일한가를 사전 점검

(2)분해 및 조립을 위한 사전 준비

사전준비로서 분해 조립을 위한 공간확보 공기구 준비 관련검토 자료의 숙지이다 관련 검토자료는

대략 다음과 같다 그러나 가장 중요한 것은 운전원에 의한 밸브의 문제점을 충분히 자세하게

청취하는 것이다검토 자료는 다음과 같다정비 요청서 또는 작업지시서(운전실rarr정비실)운전일지 등(필요시)밸브 이력카드

설치 및 보수 매뉴얼

설치도면(제작자 도면 및 배관 배치도면)

계통도

(3)밸브를 배관으로부터 분리

밸브를 배관에서 떼어내는 일은 일반적인 기계장치의 분해와 같이 일정한 원칙 하에 분리되어야 한다 분리원칙이라 함은 먼저 분리하기 전에 분해 여건(시간 공간 환경)을 확인하고 관련된 계통의 안전

여부를 필히 확인해야 한다이러한 분리 및 분해 여건이 거듭 확인된 후에는 다음의 절차에 따른다밸브를 계통과 분리하기 전에 최우선적으로 꼬리표를 부착한다꼬리표와 함께 밸브 보수메뉴얼을 준비한다꼬리표와 함께 보수 작업 공구 및 필요 소모품을 준비한다꼬리표와 함께 주변을 청결하게 준비한다인양장치 준비 후 점검한다각 볼트를 풀기 전에 체결 위치를 확인할 수 있도록 표식을 해둔다플랜지면 또는 본네트 커버와 밸브 몸통부에 표식을 해둔다볼트 등을 풀기 위해 WD-40 과 같은 침투유를 체결 나사부위에 충분히 살포해 둔다각 볼트 너트는 일단 느슨하게 풀어놓는다배관의 설치상태(배관지지대 위치 등)를 점검하고 배관이 당겨져 설치(Cold Pulling)되었는가를

볼트를 풀면서 확인 서서히 볼트체결을 풀어낸다완전히 볼트를 풀어내기 전 인양장치에 필요한 인양조치를 해둔다제어밸브와 같이 밸브내부 부품이 별도로 많은 경우 내부 부품을 들어내기 전에 기존 조립된 위치를

확인할 수 있도록 특정 부위에 표식을 한 후 인양장치로 내부 밸브를 분해한다플랜지 밸브의 볼트의 제거는 조금씩 제거하되 대각선 방향으로 양쪽 한 개씩의 볼트는 남겨 두어야

한다 그리고 밸브 하단에 지지물을 대고 필요한 인양조치를 취하여 나머지 볼트를 제거한 후

인양한다플랜지식 밸브의 경우 플랜지면의 쎄레이션을 점검하고 상태가 양호하면 쎄레이션 부위를 적절한

방법으로 보호 조치한다모든 분해된 부품들은 안전한 장소에 정리하여 보관한다(4)밸브몸통의 분해

밸브의 본체 분해는 앞서의 절차에 따라 밸브를 배관으로부터 분리한 후에 실시하거나 배관에 설치된

상태 하에서 밸브의 점검을 위하여 시행하는데 절차는 다음과 같다밸브 핸드휠 고정 너트를 푼 다음 그랜드 너트와 본네트를 밸브 몸통에서 분리한다분리된 본네트에서 스템을 제거한다 스템 제거시 파이프 렌치의 물림 위치는 스템의 백시트 아래쪽을

이용한다스템을 제거한 후에 패킹을 제거한다몸통내의 내부 밸브(Trim)들을 제거하기 위해 가스켓을 제거하고 주의 깊게 내부밸브 부품을 조립된

순서의 역순으로 제거한다44회(992월호)〔보수관리〕

모든 밸브는 본래의 기능을 제대로 발휘하기 위해서 구성 부품의 하나 하나가 구조적으로 충분한

강도를 유지하여야 함은 물론 마모나 마찰 또는 유체와의 상호작용 등 외부적인 역학 구조에서도

건전하여 운전의 신뢰성을 확보하여야 한다

따라서 밸브를 설계할 때 이러한 사항을 계산이나 경험 그리고 실증실험을 통하여 설계의 파라미터를

정하고 이 파라미터에 따라 밸브의 형상과 재질 그리고 유체흐름에 있어서 동적 정적인 유체의 힘에

대한 적절한 대책을 밸브 구조에 반영해야 하는 것이다 또한 이렇게 설계되어 제작된 밸브는

검사라는 행위를 통하여 설계 사양서 대로 제작되었는가 설계에서 요구된 기능들이 제대로 역할을

수행할 수 있는가를 검증한다 그러나 이러한 과정을 통하여 출하된 제품은 그 자체로 그 시간대에

완벽하다고 할 수 있으나 이들 밸브들을 설치한 배관 시스템에 있어서는 시스템 전체의 수명까지

보증되어 있지 않은 경우가 많으며 경우에 따라서 보증이 불필요한 경우도 많다 특히 밸브의

경우에는 사용환경이 매우 복잡하여 어떤 유체를 어느 압력 어느 온도에 사용하는 가에 따라서 밸브

자체는 물론 관련 시스템의 수명에 큰 영향을 받게 된다일례로 밸브의 사용 유체가 해수이고 사용온도의 범위가 10~20이며 설계압력이 20kg 유량이 6000kgHr 로서 밸브를 포함한 시스템의 수명기간이 40 년인 어떤 플랜트에 밸브가

설치되어 있다면 실제로 이 시스템에 설치된 모든 각각의 기기들이 40 년의 수명을 지킬 것이라고

보는 기술자는 아무도 없을 것이다주기적인 점검과 예방정비는 물론 적절한 보수를 통하여 수명을 지속시키는 것이다 따라서 밸브의

보수라는 것은 어떤 사고 또는 발생된 문제에 대한 백업(Back-up) 행위가 아니고 문제가 발생될

것이라는 예상 하에 필연적으로 예상되는 밸브의 노화에 대한 예방과 실제 발생된 문제에 대한 적절한

처리인 보수 행위가 있으며 이를 한데 합쳐서 밸브의 제반 성능 및 기능을 총체적으로 관리하는 것을

큰 의미의 보수 업무라고 할 수 있다다음 [그림 1]은 보수와 사이클을 설명하고 있다 [그림 1]에서와 같이 실제 제품은 충분한 강도를

갖고 제기능 및 성능을 유지하고 있지만 시간의 경과에 따라 부품이 열화되어 설계 Level 보다 더욱

내려와서 거기의 기능 유지에 필요한 최소한의 강도 한계가 되면 고장이 생기게 된다이 그림에서 보수를 언급하면 (Ⅰ)단계에서는 당연히 설계 Fiterscopes 레벨 위에 있기 때문에 성능이

유지되고 있으므로 특별한 보수 업무는 없다고 볼 수 있으나 기기의 상태를 확인하는 정도의 보수

업무는 계속된다 그 다음 어느 정도의 시간이 흐르면 (Ⅱ)영역에 이르게 되는데 이 영역은 예방보수

업무가 무엇보다도 중요한 시기로서 기기에 대한 어떠한 예방 보수가 취해지지 않으면 안되는

영역으로 사소한 게으름으로 인하여 큰 고장을 야기할 수 있다(Ⅲ)영역에 이르면 고장이 발생되며 따라서 긴급한 보수가 필요한 영역으로서 설비 전체가 정지 또는

제한 운전이 되며 경우에 따라서 계통을 분리하지 않으면 안되는 경우가 있음으로 이러한 지경에

이르지 않도록 (Ⅰ)(Ⅱ)단계의 업무는 매우 중요하다여기서 (Ⅲ)영역은 좁은 의미의 수리 또는 보수(補修)이고 (Ⅱ)영역을 포함하면 넓은 의미의 보수(補修)라 할 수 있다 (Ⅰ)의 영역은 단순히 점검이라고 할 수 있으나 (Ⅰ)(Ⅱ)(Ⅲ)영역 모두를 총칭하여 보수(保守) 또는 보전

(保全)이라고도 말한다다시 말하여 보수 업무의 목적은 기기가 필연적으로 진행되는 열화(또는 노화)와 확률적으로

발생하는 고장에 대비하여 기기를 설계 Level 이상으로 기능과 성능을 유지시키는 일로 요약할 수

있으며 영어로는 Maintenance 라고 부른다1밸브의 고장

각종 산업분야에서 프로세스의 가장 중요한 요소로서 사용되는 밸브는 산업의 고도화와 이에 따른

고신뢰성의 요구로 날로 그 기술이 발전되고 있다그러나 밸브 구조는 여타 다른 기계 장치와 달리 비교적 간단한 구조로 구성되어 있으나 직접적으로

압력을 받으며 사용목적에 따른 밸브기능을 완벽하게 수행해야 하므로 사용목적 기능 및 사용환경에

따라 그 종류가 매우 다양하며 중요부품은 매우 엄격한 해석 및 기능시험을 거쳐 설계 제작됨으로 가혹한 조건하에서 사용되거나 계통 운전상 최종 제어장치로 쓰이는 제어밸브등과 같은 경우에는

주문제작이 필수적이며 이에 따라 가격차이도 천차만별이다본고는 중요 프로세스에서 사용되는 비교적 고가 밸브의 고장 및 손상 원인 등을 고찰하여 봄으로서

밸브의 전반적인 보수 관리에 도움을 주기 위함이다 한 예로 일본의 발전소용 고온고압밸브의 전문

제작사인 오까노 밸브에서 최근 조사한 고온고압밸브의 제반 고장 상황은 다음과 같다 고장

발견시기는 시운전시 전체 고장건수의 약 36가 발견되는데 이것이 초기 고장에 해당한다 운전시의 고장이 실제 프로세스를 정지시킬 수 있는 건수는 비교적 적은 밸브 각 부위에서의 누설등이

대부분이다 따라서 고장 발견은 대다수가 정기 점검 또는 정지시가 약 절반이며 운전중의 고장

발견은 약 10~13 내외이다밸브 종류별 고장 발생률은 약 절반이 통상의 게이트 및 글로브 밸브이며 안전밸브도 약 20가 시트

누설등의 고장률을 기록했다 이외에 제어밸브에서도 게이트 밸브의 절반정도인 11~14의

고장률을 기록하였으며 우리들이 일반적으로 소홀히 관리하고 있는 체크밸브에서는 약 10의

고장률을 보였다 고장의 내용은 매우 다양하나 비내압부품(Non Pressure Retaining Parts)에서의

균열 파단 및 절손 내압부품간의 경제구역인 디스크 시트등의 육성 용접부(Hardfacing)에서의

균열 안전밸브 시트부위에서의 누설 모터 구동밸브의 구동장치 불량 밸브디스크의 개폐동작 불량 밸브본네트가스켓 누설등의 순서로 약 7~11를 점유하였으며 6 내외가 내부밸브에서의 침식 내부밸브 디스크 시트에서의 내부 누설 등이었다이외에 내압부품에서의 손상이 4 운전중 부품의 이완으로 인한 고장과 이상승압(Pressure Locking) 고온고착(Thermal Binding)현상이 약 35 내외를 차지하였다 여기서 특별한 것은

안전밸브를 제외하고 모든 밸브가 운전중 고장을 확인할 수 있는 그랜트 패킹에서의 누설등 외부누설

및 구동장치의 불량을 제외하고는 거의 대부분의 경우가 정기점검시에 발견되었다는 사실을 염두에

둘 필요가 있다 이상과 같이 밸브의 손상구조는 매우 다양하게 구성되어 있으며 의외로

비내압부품에서의 손상이 밸브의 동작불능을 야기하는 경우가 많다다음으로 밸브의 손상 메카니즘을 역학적 측면에서 손상현상을 고찰하여 보면 밸브의 1 차 기능인

유체수송의 제어기능을 수행하는 가운데 발생하는 유체역학적 불안정성으로 인한 케비테이션 과도한

소음 및 후라싱등으로 인한 점진적인 내부밸브 즉 트림의 손상과 밸브구조의 진동원인 제공 등을 들

수 있다아울러 2 차 기능으로 간주되는 밸브 자체의 구조적 안정성의 문제로 인한 구조적 취약성을 생각할 수

있는데 이중에서 특별히 우려되는 것은 1 차기능과 2 차기능이 함께 불안정하게 수행될 대 고장은

증폭되게 된다 이러한 경우는 프로세스를 시운전할 때 주로 발생하기 때문에 밸브에서의 초기

고장발생률은 상당히 높아지게 된다 이후에는 주로 1 차기능 또는 2 차기능의 취약으로 인한

우발고장이 목격되고 사용기간이 길어질수록 고장률은 증가하게 된다 본고에서는 밸브의 손상

메카니즘을 밸브 기능 및 밸브고장의 내용으로 구분하여 상호관계를 규명하여 봄으로써 밸브의

효율적인 선정과 밸브설계에서의 각 밸브 부품별 설계개선의 Weight Valve 를 제시하고 사용자에

있어서는 체계적이고 합리적인 보수방안의 아이디어를 제공하고자 한다2밸브의 손상 메카니즘

1)유체역학적 불안정

밸브에 있어서 유체역학적 불안정은 유체의 수송 및 제어과정 중에서 발생하는데 밸브의 구조와

직접적인 관련이 있다 밸브는 프로세스 배관에서 하나의 제어 요소로 볼 수 있는데 게이트 밸브와 같은 경우는 On-Off 제어

요소이고 글로브 밸브와 같은 경우는 연속제어가 가능한 요소로서 특히 제어밸브는 이러한 목적에

부합되도록 만든 밸브이다 유체수송에 있어서 On-off 목적으로만 사용되는 대표적 밸브인 게이트

밸브에서의 유체역학적 불안정성은 별도 항목에서 설명하고 여기서는 제어밸브의 유체역학적

제반현상을 설명함으로써 밸브의 1 차기능 문제를 다루기로 한다① 유체관로의 압력

밸브 사용에 있어서 중요한 설계 및 운전 포인트가 관로에서의 유체압력이다 프로세스 구성에 있어서

관로 압력의 변화는 피할 수 없으며 관로내 제반압력 손실요소의 존재로 인하여 프로세스의 동력은

원래보다 증가한다 그러나 이 압력손실 요소로서 가장 핵심적인 것이 밸브인데 제어밸브의 경우는

압력손실 요소로서가 아니라 압력제어 요소로서 밸브에서의 압력손실을 적절히 이용할 목적으로

사용된다 일반적으로 유체관로의 유량과 유체관로에서의 밸브 전후간의 압력손실량과의 관계는

압력손실량 즉 압력차의 제곱근에 비례한다그런데 여기서 유의할 사항은 압력차를 조정하여 유량을 제어하고자 할 때 과도한 유량의 제어는

압력차를 크게 하여 밸브에서의 유체흐름에 불안정을 초래한다 이 관계는 유체의 포화증기압에도

관계되므로 유체의 성질 및 온도가 가변요소로서 유체관로의 압력제어시 필히 검토할 사항이다 또한

밸브의 2 차 기능으로 보아 유체관로의 압력은 밸브의 크기를 결정하는 직접적 요인이 되는데 이

관계는 밸브 선정시 가장 먼저 검토하는 압력온도기준(PressureTemperature Rating)으로 가장

일반적으로 사용되는 기준은 ASMEANSI B 1634 로서 1996 년도 판이 가장 최근 판이다 1 차

기능의 수행과정중 가장 빈번하게 발생되는 손상구조는 압력제어시 밸브에서의 압력 손실량이 매우

커서 밸브교축부의 압력이 유체의 포화 증기압보다 내려갔다가 밸브 후단에서 다시 회복되는

과정에서 생기는 케비테이션(Cavitation)이다이 케비테이션은 순간적으로 기포를 생성하고 다시 압력회복시 붕괴되는 과정에서 매우 큰 충격압을

밸브트림에 가하게 됨으로써 트림구조의 케비테이션 손상을 일으키고 아울러 정도의 차이는 있지만

경우에 따라서 심한 소음과 진동을 유발시켜 밸브의 구동부까지 손상시키는 경우가 있으므로 매우

유의하여야 할 사항이다 발전소에서 복수기로 방출되는 히터 배수 계통의 제어밸브는 상대적 진공인

복수기로 유체가 방출됨으로써 밸브 후단에서 유체의 압력이 회복되지 않고 기포상태로 밸브를

운전하게 되는 경우도 있는데 이는 후라싱으로 표현된다 이 경우에도 케비테이션과 마찬가지로

트림구조를 침식 손상시키는데 케비테이션에 의한 트림의 침식손상이 곰보형태인 것에 비해 아주

매끄러운 침식 손상면을 갖고 있다 밸브의 케비테이션 및 후라싱을 구체적으로 설명하면 다음과 같다② 제어밸브의 Cavitation 및 Flashing제어밸브에서의 케비테이션 및 후라싱은 유체가 교축점을 지날 때 유속과 압력의 관계에 의하여

생기는 현상으로 설계 또는 운전시 주의해야 할 사항이다[그림 2]에서 보는 바와 같이 교축점(VCVena Contracta)에서 유체의 증기압 이하로 압력이

떨어지면 유체내에서 기포가 형성되는데 이것을 1단계 케비테이션이라고 한다 물론 유속은

증가한다 이 교축점을 지나면 유체내의 마찰로 인하여 유속도 점차 감소하고 아울러 압력은 증가하여

압력회복이 이뤄진다 그리고 이사이 기생성된 기포는 붕괴되거나 폭발되어 소음과 진동을

일으키면서 케비테이션 현상은 종료된다 이것을 2단계 케비테이션이라 한다이 현상의 특징은 유체내에 기포가 존재치 않는 상태에서 교축점을 중심으로 유속과 압력의 에너지

교환 과정중 생긴 기포의 생성과 소멸로서 밸브 입구에서의 유체 상태는 과냉상태(Sub-Cooled

Condition주어진 압력하에서 포화 온도보다 낮은 상태)로 되어 있어야 하며 만약 포화 상태의

유체가 흐른다면 출구측에서 계속 기포가 잔류하게 되어 후라싱 상태로 될 수 있다따라서 밸브 출구측의 압력은 증기압 이상으로 되어있어야만 케비테이션이 발생할 수 있다 케비테이션 현상은 기포의 생성 소멸이 짧은 시간동안 지속적으로 일어나면서 밸브에 소음 진동은

물론 밸브 트림에 침식을 일으킨다 이 기포의 생성 소멸의 압력 충격파는 매우 크고(as high as 100000psi) 또한 순간적이며 지속적으로 밸브 금속면에 충격을 가하여 피로 현상을 일으키고 결국

그 부분이 침식을 일으키는 것이다 지금 1단계 케비테이션 현상이 밸브 출구측으로 계속 진행된다면 이를 케비테이션과 구분하여 후라싱이라 한다후라싱은 압력이 유체의 증기압 이하로 계속 유지되면서 유속은 크게 증가되어 있는 현상이다 후라싱이 생기는 원인은 밸브 입구의 유체상태가 과냉 상태이거나 포화상태로서 교축점을 지나면서

더욱 기포가 생성되고 유속이 증가되어 압력 또한 포화 압력이하로 유지됨으로 인한다후라싱은 유체입자를 고속으로 관로면에 충돌시킴으로써 꼭 Sand Blasting 을 한 것처럼 매끄러운

표면을 만드나 계속적으로 진행되면 관로 두께가 얇아지고 결국 손상을 입게된다이러한 케비테이션과 후라싱 현상의 발생 과정중 교축점에서의 비체적은 기포의 생성으로 인하여

증가하게 되는데 만약 교축점에서의 유체 속도보다 비체적의 증가 속도가 크거나 이 점에서

액체기포의 2 상 유체 상태로 그 속도가 음속에 다다르게 되면 케비테이션 또는 후라싱과는 다른

현상이 일어나는데 이를 초크흐름(Choked Flow)이라 한다즉 밸브가 열려 있는데도 유체가 순간적으로 흐르지 않고 간헐적으로 큰 진동 또는 소음을 발생하면서

흐르게 된다그러나 이론적으로 유체의 초크현상은 명확히 규명되어 있지 않다 제어 밸브에 있어서

케비테이션은 밸브 트림을 마멸시키고 큰 소음을 일으킨다③ 유체관로의 유량

어떤 프로세스에 있어서 유량의 제어는 곧 밸브에서의 압력손실량의 정도 즉 압력차를 조절하는 것과

직접적인 관계가 있다 원활한 밸브의 운전은 유량과 압력조절이 자연스럽고 부드럽다는 것이나

압력차를 제어함으로 유량의 다소에 관계없이 유량조절이 된다는 것은 아니다왜냐하면 유체관로의 경제유속을 무시하고 많은 유량이 필요하다고 유체를 고속을 흘려보낼 수는

없으므로 경제유속의 범위 내에서 밸브를 운전해야 한다배관의 부식침식을 고려한 결제 유속은 최대 10msec 정도로 제한되며 트림을 정기교환

보수부품으로 할 경우에도 약 1000psi(71bar)의 차압발생시 50msec 이내이어야 한다 따라서

유량의 문제는 밸브 자체의 크기결정 즉 트림의 크기 결정에 유효하고 압력손실량을 제어하는

요소인 트림의 형상 및 특성에는 2 차적으로 영향을 주게된다 유체 관로의 유량과 밸브간 차압과의

관계는 다음의 식으로 물리적 의미를 음미할 수 있다Cv = 117KQ(GP)05단 P = Pu-Pd Pdgt05Pu Plt05PuQ = 유량(hour)G = 액체의 비중(무차원)P = 밸브간 차압(kg)K = 밸브 트림 및 밸브 형상에 따른 상수(무차원)④ 유체의 온도

유체의 온도는 밸브 적용에 있어 매우 중요한 설계 파라메타일 뿐더러 밸브 운전에 있어 케비테이션

또는 후라싱의 경계 및 한계를 정하는데 중요한 요소이다 아울러 밸브의 구조를 결정하는데 직접적인

영향을 주는 인자로서 특히 고온고압밸브의 경우 내압부 및 밸브 구성부분의 비연속성에 따른 열천이

(굽힘 성분의 모멘트를 발생시킴)로 인한 열응력을 발생시킴으로 이 관계를

주의하여 설계제작 되어야 한다45회(993월호)2)유체흐름의 불균일로 인한 밸브의 진동

유체가 밸브를 통과할 때는 불규칙한 내부형상 또는 유로에 장애물이 있어서 난류(Turbalance)의

발생이 필연적이다 이때 난류는 일정한 주기의 진동을 유발하게 된다 가장 간단한 예로서 게이트

밸브에서 디스크가 중간개도에 있을 경우 와류발생(Vortex Shedding)에 의한 진동이 유발되는데 그

관계는 STROUHAL Number 로 표시되는 관계식에서 알 수 있다 즉S = VofD여기서 S = STROUHAL No로서 Reynolds 수에 관계하고 대략 그 범위는 016~022 를 갖는다f = 와류발생에 의한 유체 유발 진동수

Vo = 입구에서의 평균속도(ftsec)D = 특성 간섭거리(Characteristic Dimension)그러나 이 관계식의 실제 적용 시에는 매우 조심해야 하며 이 식의 결과는 측정치에 대한 자료관리

측면에서 해석적 경향을 파악하는데 유효하며 측정치가 없는 경우의 진동해석에는 무리가 있음을

밝혀둔다특히 버터플라이 밸브 및 볼 밸브와 같은 경우는 밸브개도의 정도에 따라 밸브 및 배관계통에

유발시키는 와류진동(Voltex Vibration)이 밸브 구동부품의 손상을 가져오는 경우도 있는데 버터플라이 밸브는 밸브개도 70 내외에서 볼 밸브는 80 내외에서 가장 큰 진폭의 진동이

유발되므로 개도 조절에 유의해야 한다 무게중심이 높은 대형 전동구동밸브나 다이아후램 구동

제어밸브와 같은 Heavy Top Work 밸브의 경우 밸브 구동부의 요크 강성도가 충분하지 못한 즉 고유진동수가 적은 밸브일 가능성이 높으며 이 고유진동수와 유체흐름의 불균일로 인한 진동의 공진

발생으로 구동부가 손상된 사례가 있다이와 같은 경우에는 구동부를 추가로 지지하던가 요크의 강성도를 높이기 위해 보강하는 게 좋다 그러나 이는 어디까지나 운전시의 진동측정 결과에 기초해야 한다3)유체천이에 의한 밸브의 진동프로세스 계통이 고에너지의 유체를 수송한다면 밸브등 각 제어요소의

운전이 어떤 사고 또는 노화로 인해 제어 불능일 경우가 생긴다또한 펌프계의 불시 정지등으로 인한 수격현상등 유체천이에 의한 유체의 관성에너지가 불균형해져

배관계에 진동을 유발하고 심한 경우 배관의 파단이나 기기 손상까지도 유발하게 된다 한 예로

발전소에 있어서 터빈을 지나온 증기는 보일러 급수를 가열하기 위해 각 히터를 거치는데 이때

히터에서 응출된 증기는 어느 일정 수위가 넘으면 즉시 복수기로 By-Pass 하게 된다이 히터 드레인 제어밸브는 히터의 수위가 정상치보다 높으면 밸브를 영어 복수기로 물을 방출해

수위를 조절하는데 이때 상대적 진공인 복수기와 일정 압력의 히터간 차압은 겨의 밸브 운전압력

정도로 크기 때문에 대부분이 후라싱 서비스 목적으로 밸브를 운전한다이 제어밸브는 복수기에 근접하게 설치되는데 이는 토출측의 배관에서 생기는 후라싱의 악영향을

줄이기 위함이다 그런데 만약 히터에서 제어밸브 사이의 배관이 긴 경우 특히 일직선의 배관이 긴

경우에는 제어밸브를 통한 방출유량 만큼 관로속의 유체는 방출 순간 유체흐름의 관성에너지

불균형으로 진동을 유발하는데 배관계의 지지가 대부분 진동 효과를 고려하지 않는 배관의 자중과열

팽창만을 고려하기 때문에 이러한 비정상적인 운전시 배관계의 격심한 진동과 이에 따른 밸브구조의

구조적 취약으로 인해 제어밸브의 요크 부위가 파단되는 경우가 적지 않다 특히 [그림 1]과 같이

관로의 방향쪽으로 진동 가속도가 크게 작용하는 진동이 있을 경우 밸브 구동부의 무게중심(관로

중심에서 L 만큼 떨어져 있음)에서의 가속도는 0 이므로 순간적으로 밸브 요크에 전단력 및 굽힘

모멘트를 발생시켜 결국 파단에 이르게 한다여기서M = 제어밸브의 총 질량(mL)EI = 제어밸브의 Yoke StiffnessL = 관로 중심선과 밸브 무게중심과의 거리

m = 요크의 등분포 질량

밸브에 있어서 운동에너지는

T = intLO m(x)[Φ(x)Y(t)]2 dxthere4[T=05MY(t)2 그리고 Y(xt)=Φ(x)Y(t)]여기서 Φ(x)는 계의 모양을 나타내는 함수로서 Φ(L)=1 로 한다밸브의 운동모형을

Φ(x)=1-Cos πx2L 라고 하면

Y(xt)=Φ(x)Y(t) = Y(t)(1-Cos πx2L)또한 밸브계의 총 질량 M은

M = intLO m(x)Φ2(x) dx+mL = mintLO(1-Cos πx2L)2 dx+mL = mL2π(5π-8)밸브의 Stiffness K는

K = intLO EI(x)[Φ(x)]2 dx = intLO EI(π2L)4 Cos2 πx2L dx = π4EI32L3밸브 요크에서 Damping 이 없다고 가정하면 밸브에 작용하는 유효하중은

Mu + KU = Feff(t)여기에서 U = Y(t)-Yg(t)로서 상대운동 방정식

그리고

Feff(t) = intLO Peff(xt)Φ(x)상대운동 방정식

그리고

-mLag(t)Feff(t) = intLO -mag(t) 0(x) dxPeff(xt) = mag(t)따라서

-mLag(t)이를 풀면

Feff(t) = 11M ag(t)가 된다따라서 밸브에 작용하는 유효하중은 밸브가 부착된 배관계의 진동 가속도에 직접적으로 영향을

받으며 무게중심에서 상대운동(Relative Motion)에서 응답변위 U 를 구할 수 있어 밸브 요크에서의

응력상태를 평가할 수 있다또한 Feff(t)는 고전적 수격해석방법(물론 실제 상황과는 많은 오차가 있으나 진동 특성의 상대적

평가 분석에는 유효함)으로 밸브 전후단의 압력차에 의한 속도 변화량(V)를 구해 관성에너지 즉 밸브에 생기는 유효하중을 계산하여 밸브 구동부에서의 진동 가속도 및 진폭을 상대 평가할 수 있다 그러나 모든 진동현상이 매우 복잡하게 발생되므로 앞서와 같은 해석적 평가는 진동 특성의 경향

파악에 유효하고 실제적인 방법은 실험적 방법인 실제 진동 특성을 측정하여 평가해야 할 것이다4)이상승압 및 이상고온 현상에 의한 게이트 밸브의 개폐불능

이상승압(Pressure Locking)과 이상고온에 의한 게이트 밸브의 개폐불능(Thermal Binding)은

대체적으로 게이트 밸브와 같이 비교적 큰 공동(Cavity)을 가진 밸브에서 발생되는 현상이다[그림 2]와 같이 게이트 밸브에서 유체를 차단할 때 본네트의 공동부에 있는 액체도 유로와 격리되는

상태로 되면 본네트 공동부에 액체가 남아있게 된다이 액체가 배관계통의 재 가동으로 점차 열을 받게 되면 체적팽창을 하여 B 부분의 압력 상승으로 밸브

디스크가 개폐 불능상태에 이르게 된다 액체의 체적팽창에 따른 승압정도는 [그림 3]을 참조한다 이

그래프에서 보는 바와 같이 (B)부분에 액체가 약 30 있고 20에서 510로 가열되는 경우

본네트 공동부 압력은 590 기압 정도로 상승하게 되어 밸브를 열 수 없게 된다이상 승압이 되는 원인은 직접적인 것으로 본네트 공동부에 액체가 잔류하기 때문인데 이는 밸브

설치문제와 직접 관련된다배관계통에 게이트 밸브를 설치할 때는 가능한 한 수평배관에 밸브 스템이 수직이 되도록 설치한다 그러나 이때 밸브 디스크 하부의 공동부가 클 경우 같은 문제가 발생될 여지가 있으나 본네트

공동부에 비하면 상대적으로 적으며 밸브를 여는데 큰 지장이 없으므로 문제삼지 않는다특히 증기 수송용 수직배관에 수평으로 설치된 게이트 밸브일 경우 본네트 공동부내에 응축된 액체가

잔류할 가능성이 높으며 가동시 쉽게 가열될 수 있어 이상승압 발생의 가능성이 높다그러나 현재 게이트 밸브 응용은 디스크를 입구측 배관 압력에 의한 씰(Seal) 방식을 택하고 있기

때문에 쉽게 일어나지는 않지만 보일러 수증기 배관 고압 히터 입출구 배관 급수조절 제어밸브

출구배관 보일러 순환펌프의 입구배관 기타 고온의 주요 배관계통 게이트 밸브의 경우는 이상승압에

대한 대책을 세워야 한다이상승압이 되어 밸브가 열리지 않으면 모터 구동밸브의 경우 모터의 과부하로 소손될 염려가 있으며 유압잭 같은 기구로써 강제로 밸브를 열고자 할 때는 디스크와 스템의 연결부위가 절손되므로

유의해야 한다 이상고온 현상에 의한 Thermal Binding 은 고온배관의 게이트 밸브에서 발생되는

현상으로서 특히 쐐기형 디스크에서 발생되기 쉽다즉 고온상태에서 밸브 몸체는 열 팽창으로 디스크가 쉽게 닫힐 수 있는데 이를 조정하고 제한하는

것이 모터 구동밸브에 널리 쓰이는 토오크 스위치로서 이미 열팽창 되어있는 몸체에는 상온상태에

비해 보다 많은 디스크가 시트에 삽입된 후 정지하게 된다이후 다시 상온으로 되면 밸브몸체는 열 수축되어 디스크를 구속하게 되므로 개폐불능 상태에 이르게

된다 이와 같이 이상승압은 게이트 밸브가 고온상태에서 디스크를 닫고 상온에 이르렀다가 다시

계통이 운전되어 디스크를 열려고 할 때 생기며 이상고온 현상에 의한 Thermal Binding 역시

고온상태에서 디스크를 닫았다가 상온상태에서 열려고 할 때 일어나는 현상으로 발전소의 중요

배관계통과 같은 곳에서의 이러한 현상 발생은 매우 심각한 경제적 손실을 야기시킨다5)모터구동 밸브의 모터구동 장치 고장원인

모터의 소손을 포함한 모터구동 장치의 고장은 프로세스 배관계통의 제어 및 유체 수송을 방해해

플랜트 전체에 심각한 문제를 야기시키는 경우를 종종 경험했을 것이다 모터구동 밸브의 구동장치

고장원인은 다음과 같이 네가지로 대별할 수 있다① 토오크 스위치 설정에 관한 문제

토오크 스위치 설정이 부적절하여 Thermal Binding 시와 같이 디스크가 과도하게 시트내에 삽입되는

것을 방지하지 못하거나 과도한 백시팅 힘으로 인해 스템의 불연속부에 과도한 응력분포를 갖게할 수

있으며 정도가 심할 경우 모터 소손에까지 이르게 된다마찬가지로 토오크 스위치 설정이 불균형하거나 기계적 손상을 입었을 경우에도 이와 같은 현상이

생길 수 있으며 만약 토오크 스위치 조작범위가 너무 근접했을 경우 토오크 스위치 관성상

제어상태가 불안정해 위험하다② 밸브 몸체에 관한 문제

백시팅 상태의 불량 스템 마모 또는 스템 너트 마모로 인한 강성 부족으로 생긴 스템의 변형 디스크

마모로 인한 정격 스템의 운동량 초과(Wear Travel) 스템 마모 또는 부적절한 패킹재로 인한 누설과

이를 조치하기 위한 과도한 패킹압력 및 스템의 윤활이 부적절한 경우이다실제적으로 스템의 마모 또는 패킹재료의 탄력성 결여로 인한 누설은 결국 과도한 패킹압력으로 임시

조치될 수 있으나 이에 따라 모터에 과부하가 발생하고 소위 헌팅(Hunting)과 같은 불안정한 동작을

하게 됨으로써 디 tm 크의 개폐불능 또는 스템 변형을 초래하여 점차 악화되어 간다 이러한 문제로

스템과 패킹력과의 역학적 관계는 물론 패킹재료 개선등의 많은 연구가 현재 선진국에서 활발히

진행되고 있다③ 구동 구조에 관한 문제

구동장치의 노화 또는 부적절한 보수로서 스템 너트 웜 베어링의 풀림 웜 기어구조 즉 피니언 및

웜의 마모로 인한 손상과 윤활상태의 노화나 불량으로 인해 기능의 약화 또는 상실에까지 이르게 된다④ 밸브 계통에 관한 문제

배관계통으로부터 야기되는 제반현상 즉 배관계통의 진동 또는 구동부 지지의 부적절 등으로 인해

불안정한 상태가 계속될 때에는 밸브 구동부의 수명을 단축시키고 손상을 유발하게 되므로 모터

구동밸브와 같이 큰 구동부를 갖는 배관계는 밸브 전후에 진동을 억제시키고 밸브 구조를 건전하게

하는 배관 지지대를 설치한다46회(998월호)밸브 보수 및 엔지니어링

밸브는 프로세스 시스템의 제어 요소로써 시스템의 운전조건에 따라 적절한 기능을 수행하여야 한다 우선 구조적으로 튼튼하여 어떠한 높은 압력이나 온도 또는 극저온의 극한 조건하에서도 제어의

구조적 안정성을 확보하여야 하고 제어기능에 있어서도 내외부 누설이나 시스템 추종의 건전한

제어가 확보되어야 한다 이러한 기능들 즉 프로세스 운전 중 지속적으로 유지 관리되기 위한 제반

활동을 밸브보수라 하고 밸브보수를 보다 과학적으로 프로세스 시스템의 운전조건에 맞도록 하는

기술적인 평가와 판단을 밸브보수 엔지니어링이라고 한다 실질적으로 밸브보수 엔지니어링은

제어요소인 밸브가 제 기능을 상실했거나 상실될 우려가 있는 경우 시스템의 제반 조건중 압력 온도

및 유량(유속) 조건을 밸브의 제어기능을 중심으로 분석하는 것이다 아울러 기계적인 불안정

운전요인이 현상으로 나타나는 경우에는 밸브의 제어기능 이외에도 밸브를 포함한 배관 프로세스

시스템 전체도 아울러 해석할 필요가 있다다음의 예는 발전소 주 급수제어 밸브의 스템 절손사고에 대한 프로세스 운전 조건과 밸브 설계의

제반 측면을 검토한 것으로써 밸브를 보수하기 이전에 왜 문제점이 생겼는가를 분석 평가한 후

시스템의 운전 조건에 맞도록 밸브를 개선하는 과정을 설명한다밸브 보수 엔지니어링의 첫 번째는 우선 보수의 목적이나 문제된 밸브의 분석 목적을 정해야 한다 급수 제어밸브의 스템 절손 사고는 먼저 급수 제어 밸브 자체의 구조 및 설계 개념을 파악하고 급수

계통의 프로세스 운전 특성을 파악하는 것이다 밸브 구조 및 설계 개념과 프로세스 운전 특성을

검토한 후에는 다음과 같은 사항들을 중점 분석할 필요가 있다

밸브의 선정은 프로세스 운전 특성에 부합되는가

밸브의 동적 운전 특성이 프로세스 운전특성에 비추어 충분한 구조적 강도를 갖고 있는가

밸브의 구동부 선정은 프로세스 운전 특성 및 밸브 트림 특성상 충분한 힘을 갖고 있으며 제어성은

건전한가

밸브의 형식 및 프로세스 배관계통의 설계가 프로세스 운전 특성에 비추어 적절히 설계되었는가

밸브 스템의 구조적 강도는 충분한가

위의 사항은 급수 제어밸브의 스템이 절손(밸브 스템과 플러그의 연결부)된 사항에 대한 분석 평가

내용으로 스템이나 플러그 연결부의 구조적 강도에 대한 보강의 목적 또는 프로세스 시스템상의

개선여부를 판단하는 것이다 이를 위해서 프로세스 시스템에 대한 계통구성 및 설계조건 그리고 운전조건을 우선 구체적으로

파악하는 것이다 확인이 필요한 분석자료는 [표 1]과 같다이들 분석자료에 의하여 밸브의 주된 문제점인 스템의 절손 사고에 대한 착안사항으로 밸브의

유량계수 선정과 밸브의 개도는 적절한지 확인해야 한다 또한 밸브 구동부의 선정에서 구동 공기압의

크기 및 안전성인 구동부 스프링의 강성도(다이아후램의 적정 운전 공기압 및 초기 압축량등) 스템

운전 스트로크 거리 패킹의 재질 및 패킹의 조임력과 밸브 입출구의 압력에 대한 밸브 트림의 구조적

안정성을 확인할 필요가 있다아울러 밸브 구동부의 진동 및 프로세스 시스템의 기기 공진에 대한 검토로 진동으로 인한 피로

파괴를 검토한다이는 플러그의 강성도가 스템의 강성도에 비하여 상대적으로 매우 높기 때문에

진동이 있을 경우 피로파괴의 확률은 매우 높아진다 다음으로 배관 설계의 적합성을 검토하는

것으로 배관 배치가 고에너지의 계통특성에 비추어 유체천이에 의한 힘의 과도한 불균형이 발생될

여지가 있는가를 확인하여 이를 밸브 손상원인의 한 요인으로 검토하는 것이다 아울러 밸브 형식에

대한 검토도 중요한 착안사항의 하나이다다음은 밸브 보수 엔지니어링의 한 예를 구체적으로 보여주고 있다1블로우다운 앵글 밸브 개선을 위한 밸브엔지니어링의 예제

(1)개요블로우다운 밸브는 통상적으로 압력과 온도가 높은 포화수를 압력이 낮은 후레쉬 탱크로 방출하는데

사용되는 밸브로써 발전소와 같이 고온고압의 응축수를 효과적으로 이용하는데 쓰인다 예를 들어

증기발생기의 블로우다운은 정상 운전시에는 증기발생기의 수질관리를 위하여 약 1 정도의 일정한

양을 취출한다 아울러 복수기내의 누설이나 증기발생기내의 누설이 예상될 때는 최대 3까지의

블로우다운을 실시한다 블로우다운된 고온 고압의 포화수는 후레쉬 탱크에서 응축수와 증기로

분리되고 증기의 경우에는 급수 히터의 가열 열원으로 응축수는 다시 복수기로 회수 되도록 되어

있다운전조건의 검토

입구압력 856psia출구압력 17psia온도 523F정상운전유량 40gpm최대운전유량 18800lbhour요약된 데이터는 [by2]와 같다(2)밸브 몸통의 선정

(가)밸브 몸통의 온도-압력 등급 ANSI B1634 에 따라 밸브의 온도-압력 등급은 600이나 가혹한

운전상황 임을 감안하여 ANSI 1500로 한다(나)밸브 몸통의 재질 선택

극심한 후라싱을 고려하여 밸브 몸통의 재질은 A217-WC9(F22)인 크롬-몰리브덴의 합금강으로

선택한다 (다)밸브 몸통의 크기 선정

25Prime(65A)의 밸브로 하고 재질이 WC9(F22)이기 때문에 밸브의 연결단은 버트용접(맞대기 용접)으로

한다 밸브의 입구측은 25Prime이고 출구측은 연결배관에 일치하며 후라싱의 강도를 저감할 수 있도록

3Prime(80A)로 한다(라)밸브의 몸통 형태

밸브의 몸통 형태는 블로우다운 용도에 가장 적합한 앵글 글로브 밸브로 한다(마)기존 밸브의 침식 문제점 분석

패킹박스 내부가 부식으로 인하여 손상

패킹박스 내부는 패킹이 장착된 이후 장기간동안 패킹교체가 없었던 것으로 판단되며 아울러 이

밸브는 설치 이후 지금까지 고온의 물이 장시간 스며들어 있으면서 부식을 진전시킨 것으로 판단한다시트부위의 크랙

시트부위는 일단 스텔라이트로 하드페이싱된 것으로 판단 계통 조건상 극심한 후라싱이 발생하는

조건임으로 고에너지의 유체 흐름과 더불어 약 270의 고온이 하드페이싱 용접부의 취약부분인

열영향지역(HAZ Heat Affect Zone)에 반복 열피로(온도가 높아졌다가 낮아지는 경우 열변형의

반복 작용으로 피로가 누적되며 이로 인하여 크랙이 발생할 수 있음)로 인하여 크랙이 발생된 것으로

판단된다 특히 스텔라이트 하드페이싱의 경우 통상적으로 Stelite 6 을 많이 사용하나 이 Stelite 6 은 용접성이 나빠 크랙을 일으키기 쉬운 텅스텐이 약 1 포함되어 용접에 주의하여야 한다 Stelite 12 또는 21 을 사용하면 용접 효과가 보다 나아진다1999 년 9월호 알파와 오메가

(마)기존 밸브의 침식 문제점 분석

밸브 출구 부위의 침식부식은 후라싱에 의한 침식으로 판단된다 후라싱의 강도는 후라싱의 속도가

100msec임을 감안하면 그 강도의 크기를 예상할 수 있다 일반적으로 후라싱이 생기는 시스템의 경우 출구 유속이 고속이므로 일부 액체상태의 액적(Droplet)들이 고속의 증기와 함께 밸브의 하부 출구면에 충돌하기 때문에 이러한 후라싱에 의한 밸브 하부면의

침식은 계산상으로도 충분히 예상된다 미국 전력기술연구소(EPRI)에서 1990 년에 발전소용 밸브 적용지침서로 발간한 연구보고서 NP-6516(Research Project 2233-5) ldquo Guide for the App-lication and Use of Valves in Power Plantrdquo의 Appendix C1 Control Valve Sizing Methods and Example 에 의하면 일반적인 밸브일

경우의 속도제한은 다음과 같이 규정하고 있다 액체상태일 경우 초당 50 피트(15미터) 기체상태일

경우 마하 10 까지 허용 액체와 기체의 혼합 유체(2-Phase Flow) 초당 500 피트(150미터)후라싱에 의한 2 상 유체의 제어가 필수적이고 밸브 포트의 출구로부터 지속적인 기화가 일어나는

조건임으로 밸브 출구에서의 유속제한은 초당 500 피트를 넘지 않도록 강력히 권고하고 있다 따라서 본 시스템에 있어서도 밸브의 출구측 바로 확관을 하여 유속의 500 피트 이하로 제한하고

있으나 침식에 의한 밸브 몸통의 감육을 피할 수 없음으로 상기 연구보고서에서는 밸브 재질을 크롬-몰리브덴 합금강으로 하고 트림에 스텔라이트를 육성 용접하도록 하고 있다

따라서 후라싱이 예상되는 밸브에 있어서 밸브 출구 유속의 검토는 절대적이며 아울러 후라싱 비율을

계산하여 침식의 강도를 예상하고 이를 기준으로 예방정비의 참고자료로 활용하여야 할 것이다후라싱 유체의 유속 및 후라싱 비율을 계산하는 방법은 다음과 같다 보다 자세한 것은 붙임의 물 증기 혼합유체 배관의 침식예측 계산서를 참조한다밸브 출구에서의 압력이 포화증기압보다 같거나 낮을 경우 유체의 일부 또는 전부는 기화되어 증기

상태로 된다 이렇게 어는 액체에서 후라싱이 발생할 때 다음의 식은 후라싱 속도를 계산하는 식으로

활용할 수 있다V = (04A)[(1-Xp100)Vf2 + (Xp100)Vg2]w유체가 물일 경우

V = (20A)[(1-Xp100)Vf2 + (Xp100)Vg2]q여기서 V = 유속 (ftsec)w = 유체(액상) 유량 (lbhr)q = 밸브 입구에서의 유체(액상) 유량 (gpm)A = 적용 유로면적(in2)Vf2 = 출구압력에서의 액체의 포화 비체적(ft3lb)Vg2 = 출구압력에 있어서 기포의 포화 비체적(ft3lb)Xp = 후라싱 비율()= 100(hf1-hf2)(hfg2)hf1 = 입구온도에 있어서 포화액체의 엔탈피(Btulb)hf2 = 출구온도에 있어서 포화액체의 엔탈피(Btulb)hfg2 = 출구압력에 있어서 증발 엔탈피(Btulb)

밸브 출구에 연결된 엘보우에서의 침식은 상기 (3)에 의한 영향으로 침식이 된 것으로 판단한다스템의 습동부에서 부식은 밸브 몸통이 탄소강(A105)인 경우 스템의 재질이 통상 13Cr(SS 410)임을

알 수 있다 SS410 재질은 마르텐사이트 스테인레스 강으로써 장시간 운전하지 않을 경우 흑연계통의 패킹재와 친화력으로 인하여 점식(Pitting)의 발생이 용이한 것으로 알려져 있다(Ref ldquoTest of Asbestos-Free ltGraphitegt Stem Packing for Valves for Elevated Tempera-ture Servicerdquo Aug 1986 R-ockwell Intrdquo) 따라서 이러한 이유에 의해서 점식이 진행된 것으로

판단된다3)트림의 구조

밸브에 있어서 트림은 가급적출구 흐름의 축선상에서 유입된 유체가 상호 충돌하면서 압력 손실이

많이 생기도록 트림을 설계하여야 하며 또한 유량도 정밀하게 제어할 수 있도록 하여야 한다 여기서 트림재질 40047 SST 는 케이지 및 디스크를 SS420QT 소재로 하고 스템은 SS431QT 을

사용함을 말한다 아래 표는 앞서의 운전 데이터를 사용하여 밸브 선정을 계산한 결과이다밸브 몸통 크기에 따른 밸브

출구속도 후라싱 비율 및 출구압력 계산결과 요약 후라싱의 속도는 85~131 msec 로써 가혹한

조건이며 참고로 후라싱율(증기로 되는 비율)은 대략 31로 추정된다 즉 31의 증기는 기체상태로 고속으로 나머지 70의 물로 밸브의 트림부에 지속적으로 충돌하는

것임으로 마모는 피할 수 없다

따라서 고속의 유체가 흐르는 지점에 벤츄리를 설치하고 이 벤츄리는 내마모성이 탁월한

스텔라이트로 한다 벤츄리를 지난 다음에는 유로 면적을 점진적으로 증가시켜 후라싱의 효과를

극대화 하도록 한다 따라서 블로우다운용의 앵글밸브의 출구단은 일반적인 밸브에 비하여 약 2 배의

길이를 갖는다7밸브의 구매

가 밸브의 구매 기술 사양서

밸브의 구매사양은 구매에 따른 행정적인 사항인 발주자와 수주 대상자간의 상거래 조건 을 정하고

있는 일반적인 계약 외에 구매물품의 기능 및 품질을 정하고 있는 기술 사양으로 구분된다 밸브의 구매에 따른 기술사양은 발주자의 밸브사용 목적에 맞는 즉 설비의 한 구성품목으로서 설비의

운용목적에 적합한 기능을 갖도록 강도 측면에서 충분히 강하고 요구되는 설비 운전기간 동안

건전하게 운전하며 운전 및 보수에 편리하도록 발주자가 수주 대상자에게 요구하는 밸브의 총체적

설계 및 기술시방서로 볼 수 있다따라서 밸브의 구매사양에 있어서 기술사양은 밸브의 기능 및 품질을 정하는 계약이다 기술사양서의

작성은 산업의 발달과 관련 기술의 진전에 따라서 날로 고도화되어 가고 있으며 사용자의 입장에서

보면 높은 신뢰성과 보수정비의 용이성 및 자동화가 가능한 방향으로 작성되기 때문에 경우에

따라서는 밸브 제작사의 기술을 선도하기도 한다밸브의 기술사양서는 밸브의 기능 및 품질에 관련되는 내용을 상세하게 기술한다 단지 기술시방

내용이 국가 표준 규격이나 공인 기관의 표준 또는 규격서와 같을 경우에는 관련 표준 또는

규격으로써 가늠할 수 있다 그러나 밸브의 기능상 성격을 특징 지울 수 있는 부분과 특정 재료를 사용하고자 할 때는 표준규격에

포함된 사항이라도 별도로 기술하는 것이 바람직하다밸브의 기술사양서는 수주자가 제공해야만 하는 업무의 책임한계를 먼저 정하고 기술사양서에서

사용되는 용어 및 약어를 미리 정해두고 다음으로 적용하고자 하는 국가 공업규격이나 산업표준을

정하는 것이 좋다 이러한 표준규격들은 관련 밸브의 최소한의 요구사항을 빠짐없이 정한 것이고 이미 경험과 실증으로

밸브의 성능이 확인되었다고 볼 수 있기 때문이다 그러나 이것은 어디까지나 최소한의 요구사항이기 때문에 추가의 요구사항 즉 사용하고자 하는

목적과 사용유체의 특성 및 제어관계 등은 표준규격으로는 만족시킬 수 없는 것이 대부분이어서

추가로 기술하여야 한다또한 책임의 한계를 정할 때 중요한 것은 기술사양의 해석시 상호간의 의무 및 준수사항과 협의사항

그리고 밸브제작사의 선택 사항을 명확히 하는 어휘를 미리 정하여 기술하는 것이 편리하다 아울러 기술사양서의 내용 중 표준규격의 내용과 본 사양서의 내용간에 어떤 차이가 있을 수 있기

때문에 이에 대한 대비책으로서 이들 상반되는 또는 이해하기 곤란한 사항에 대한 적용 순위를

정해두는 것도 편리하다사실 미국의 Rockwell Valve 나 Dresser Valve 사와 같은 선진 밸브회사의 경우는 밸브회사

자체에서 준비하고 있는 밸브 표준 사양서를 밸브 발주자(주문자)가 적극적으로 활용하는 사례도

있는데 이는 주문자가 밸브회사의 기술과 신용을 사는 좋은 예이다다음으로 밸브 품질에 대한 요구사항과 수주자가 밸브를 설계 제작 납품까지 지켜야 할 사항과 검사

항목을 정한다 물론 수주자가 밸브를 제작하기 앞서 발주자의 승인 또는 참고용으로 제출해야 할 밸브의 전반적

성격을 보여주는 조립도 등의 설계관련 도서와 품질관련 서류 등도 기술하여 추후 계약 후 또는 발주

관리시 발생할 수 있는 문제들에 대하여 효과적으로 이용할 수 있는 계약이 된다기술사양서의 본론이라고 할 수 있는 설계요구사항은 밸브의 사용목적 및 운전방법에 부합되도록

밸브의 각 구성부품의 가공방법 형태 재료 조립방법 열처리 방법 도장방법 및 현장 설치시를

고려한 밸브 악세사리 등의 형태를 각 항목별로 기술한다 이 항목은 밸브의 기능 및 품질을 정하는 실질적인 기술시방으로서 전문적인 기술이 필요하다 실제로

밸브의 구매 사양서를 작성하는 부서는 설비의 설계를 담당하는 부서 또는 전문 구매 부서가 되지만 다양한 품목의 구매사양과 신기술의 추세등을 감안한 신기술사양의 작성에는 기술적으로 제한 받고

있는 것이 현실이다예를 들면 밸브의 사용목적에 적합하지 않은 사양을 작성하는 경우가 대표적인 사례로서 대규모

엔지니어링 회사의 구매사양을 내용이 좋다고 그대로 복제하여 쓰는 경우가 이에 속한다 밸브의 사용목적은 배관 계통의 운전 모드가 다양할 뿐만 아니라 사용 유체의 물리화학적 특성이 매우

다양함을 고려할 때 구매사양의 밸브 재질구조압력등급패킹형식 및 재질밸브 구성 방식 등 이루 말할

수 없이 다양하다 따라서 밸브의 기술사양서를 사용목적에 맞도록 작성하기 위해서는 밸브 응용 기술자의 역할이

중요하다 하겠다

이 기술시방 다음에는 밸브의 취급 운반 포장 저장 및 밸브 표식을 설비의 운용목적과 설치현장

여건에 맞도록 기술하고 아울러 밸브의 가공 조립 및 완성품에 대한 비파괴 검사 사항과 수압시험 내

누설시험 기능시험 및 최종 세척방법과 도장방법에 대하여 기술한다 한 예로 미국석유공업협회(API)의 게이트 밸브에 대한 기준서 API STD 600 의 경우는 수동 게이트

밸브의 좋은 구매 기술사양서를 볼 수 있다 이 기술사양서의 내용을 개조식으로 개괄하면 대략

다음과 같은 내용이 포함되어 있어야 할 것이다 1999 년 10월호 알파와 오메가

나 밸브 설계도면의 검토

배관 계통의 설계과정에서 설계자는 밸브 선정을 통상 밸브 제작자의 카다로그상의 조립도로 밸브의

설계특징을 파악하고 대부분 이를 통하여 적용하고자 하는 밸브를 정한다일반적으로 호칭 4Prime이상의 밸브는 공업규격 또는 산업규격으로서 밸브의 양 끝단 노즐간의 치수가

정해져 있지만 2Prime이하의 밸브는 양 끝단 노즐간의 치수가 제작사 표준으로 정해져 있기 때문에

배관계통의 상세설계시 제작사의 카다로그등을 참고해야 된다그러나 카다로그나 또는 참고용으로 제출 받은 밸브의 설계도면은 다음과 같은 사항들을 사용하고자

하는 계통의 목적과 함께 검토한다각 밸브의 부품별 재료규격

접속단의 구체적 형상

프랜지형평면프랜지 R-aised Type 프랜지 링 죠인트형 프랜지

용접형접속될 파이프의 용접단 형상과 합치여부 용접가능성등

소켓형소켓의 깊이

나사 체결형

핸들부의 높이와 핸들간의 직경 특히 볼 밸브나 프러그 밸브일 경우에는 핸들부의 크기(회전반경)을 운전 편이성 측면으로 검토

스터핑 박스의 깊이 및 크기를 검토

밸브의 유로 내경(Port S-ize)를 접속되는 파이프의 내경과 비교하여 가능한 90이상 될 것(예 배관의 내경 2Prime일 때 유로내경은 18Prime이상 일 것)

가능한 한 밸브의 무게 및 무게 중심은 배관응력 해석시에 필수 입력 Data임

밸브의 유량계수

유로 방향의 표시

현장 설치 또는 보수시 용접 작업이 필요할 때 밸브의 디스크 또는 프러그의 위치

밸브의 누설 등급(제어밸브인 경우)

패킹의 재료는 필히 비석면계열의 패킹일 것

사용 패킹 및 가스켓의 종류(제작사 포함) 및 형태

체크밸브의 경우 최소 흐름 속도

스템과 디스크(시트)의 재질 및 경도

하드페이싱(Hard Facing)육성 용접부의 열처리 방법

스템 재질에 따른 열처리 방법

최소 운전 개도(유량 제어용 밸브)다음은 상기 사항을 기준으로 승인용 밸브설계 도면을 검토하는 체크리스트이다 우선 밸브도면 번호

및 도면명이 맞는가를 확인하고 설계(제도) 년월일 및 승인 여부와 밸브의 크기 및 압력-온도 기준을

확인한다 그리고 다음의 순서로 검토해 나간다(1)도면번호는 정확한가 (조립도와 부품도의 도면 번호 관계)(2)도면 명(부품표 포함)은 올바른가(3)문자는 명료하고 오자는 없는가(4)단위 축척 제도 년월일 도면의 크기는 적당한가(5)온도 압력 유체종류 등 사용조건의 표시는 정확한가

(6)검사 압력의 표시는 정확하며 압력시험의 유체는 표시되었는가(7)주요치수는 올바르게 표시되었는가(8)압력 유지부의 트림재질은 올바르게 전부 표시되었는가(9)제조 번호는 기입되었는가

(10)기존의 조립도(승인도)가 있는가(있다면 이하 항목의 검토는 불필요함)(11)신규 설계도면인가 또는 기존 설계도면을 수정했는가(12)치수선치수의 표시는 정확한가

(13)단면도 투영도는 정확한가(14)상세도는 적절히 도시되었는가

(15)필요한 치수는 모두 기입되었는가(16)감합부(Fitting)의 상관 치수는 적절한가(17)제작 및 조립에 따른 공차는 적절한가(18)볼트의 길이는 충분히 여유가 있는가(19)밸브 트림 및 스터핑 박스등의 표면 가공 정밀도는 충분히 높은가 표면 거칠기의 표시는

적절한가(20)정확한 제도기호를 사용하였는가

(21)현장설치시를 고려한 현장용 치수를 계산할 필요는 없는가(22)용접부의 용접크기 및 표시로 적절한가(23)스템 몸통 및 트림등에 13 Cr 를 사용하였는가(24)13Cr 를 사용한 재질에 경도 표시는 되었는가(25)열처리에 관련한 절차서 및 그 기호를 도면에 표시하였는가(26)제작근거인 Code 표시는 되었는가상기 내용 중 밸브의 실질적 성능을 나타내는 밸브의 크기 사용유체의 압력 온도 유량과 같은

중요한 데이터는 밸브의 데이터 시트로 처리하고 상기 내용을 기준으로 하는 보조 주문용 Sheet 를

작성하여 각 밸브별로 관리하면 매우 유용한 밸브의 발주 설치 운전 및 예방정비의 기초자료가 된다

더욱이 널리 보급되어 있는 개인용 컴퓨터(PC)를 이용하여 운전 중 배관설비의 기초 데이터

베이스로서 배관계통의 운전상황 및 특성들과 결부시켜 활용하면 배관계통의 원활한 관리에 많은

도움을 줄 것이다 1999 년 11월호 알파와 오메가

나 밸브 설계도면의 검토

밸브의 설계 엔지니어링 그리고 구매 행위에 있어서 고려하고 검토하여야 할 사항은 다음과 같은

것들이 있다 물론 밸브의 사용상 특성 또는 구매자의 기술력 정도에 따라 이러한 구매 프로세스를 따를 수는

없지만 기본적으로 밸브 구매의 효율적인 구매를 위해서는 밸브가 기술 제품인 이상 밸브엔지니어링의 질에 따라 밸브 구매의 효율성이 크게 영향을 받는다 따라서 적어도 밸브 엔지니어링 측면에서는 아래의 사항들을 숙지해 둘 필요가 있다 밸브 구매자와

밸브 제조자는 프로젝트 수행 엔지니어에게 밸브 제품의 기술 요구사항 이나 제출문서에 대한

중복되거나 소모적인 노력이 가해지지 않도록 구매 절차를 간소화하여야 한다구매자는 가능한 한 빨리 밸브 제작사를 프로젝트 초기에 선정하여 제작사와 함께 밸브 엔지니어링

역무를 수행하여야 좋은 엔지니어링 결과를 얻을 수 있다 이러한 과정을 거치게 되면 기존의

전통적인 견적요청 및 가격 평가에 소요되는 비효율적인 낭비(인력 등)요소를 절감할 수 있다가능한 한 선정된 밸브제작자의 표준 생산제품을 적용할 수 있도록 엔지니어링 조직과 긴밀한 공동

밸브 엔지니어링 역무를 수행한다 특수 밸브 제품의 경우 표준 제품과 같이 엔지니어링을 수행하되 보다 구체적인 사양결정과 일관된 구매사양을 추가 개발하여야 한다도장작업과 같은 경우에는 필수적으로 제작자의 표준 작업기준을 적용하여야 한다 구매자가

요구하는 특수한 도장 작업은 오히려 밸브에 나쁜 영향을 줄 수 있으며 또한 밸브가격 상승의

직접적인 요인이 된다제출문서의 경우 이 역시 밸브제작사의 표준 규정과 서식 양식을 가능한 한 최대로 이용하도록 한다 제품도면 재료증명서 시험성적서 품질계획 밸브 제품사양서 계산서 사용자 유지 보수 매뉴얼

등을 밸브제작자의 표준으로 한다 또한 전자 카다로그 등 가능한 모든 제출서류를 전자 데이터(Electronic Data) 하도록 유도한다 밸브

제작사의 밸브 선정 프로그램이나 절차를 사전에 검토하여 타당성이 입증되면 별도의 자체 계산서

없이 제작사의 선정 도구를 사용한다밸브 구매의 양이 상당할 경우 밸브엔지니어링 단계에서는 제작자의 엔지니어가 프로젝트

엔지니어링팀에 일정기간 참여하여 함께 밸브의 선정작업을 수행하도록 한다 특별히 제어밸브의

경우 실질적인 구매 발주는 다른 연관된 엔지니어링이나 프로세스 데이터가 완전 확정될 때까지

가능한 한 늦게 발주서를 발행한다 이것은 제어밸브가 직접적으로 시스템 프로세스의 데이터에 민감하게 작용하기 때문이다 밸브제품의

일반적인 검사는 제작자의 전적인 책임이므로 구매자는 오직 특수한 경우에만 입회검사를 수행하도록

한다일반적인 입회검사는 최대한 줄인다 다음의 구매 프로세스는 세계최대의 석유화학업체인 셀(Shell) 가 제시하고 있는 것으로 밸브 구매절차의 좋은 예가 될 것이다(1)밸브제작자의 선정(Vendor Selection)

밸브제작사의 선정은 가급적 프로젝트의 상세설계 단계에 들어가기 전에 한다 선정의 기준은

프로젝트의 요구사항과 밸브 구매량에 따라 결정된다 고전적인 구매방법에서 밸브 제작자의 선정은 상세설계가 상당히 진행된 다음에 선정되기 때문에

제작자에 의한 싼 원가의 표준제품 등의 선정이 어렵고 프로세스 데이터에 전적으로 의존되는 밸브를

요구하기 때문에 고가의 특수사양(밸브제작자 측면)의 밸브가 채택될 가능성이 많아 전체적인 공사비

증가와 더불어 전체 시스템의 성능 효율이 저하될 수 있다(2) 기본 밸브엔지니어링 요구사항(Basic Engineering Requirements)

밸브 제작자의 선정이 완료되면 구매자는 제작자에게 다음과 같은 기술자료를 제공한다 밸브에 대한

기본 설계 및 기술자료(Basic amp Enginee-ring Practices) 유체시스템(배관) 엔지니어링 자료

(Process Engineering Flow Schemes) 배관자재 사양서(Piping Specification) 계측제어 및 계장

엔지니어링 자료(Instrument Enginee-ring Database)(3) 사전 기술사양 협의(Pre-Engineering-Identification of Specials)

구매자와 밸브제작자는 앞서의 기본 밸브엔지니어링 요구사항 들에 대하여 함께 연구 하여

표준제품의 채택과 표준제품 외의 특수사양 밸브를 정리한다 가급적 특수사양의 밸브를 프로세스

시스템 측면과 함께 검토하여 표준제품으로 될 수 있도록 한다 이 과정에서 프로세스 시스템의 일부 데이터 및 설계 기준이 달라질 수 있다 앞의 과정에서 계속 특수

사양의 밸브로 될 경우에는 별도의 시험 및 검사 그리고 추가의 엔지니어링 요구 그리고 납기의

문제를 합리적으로 결정한다제어밸브나 안전밸브의 경우에는 전산 코드화된 제작자의 밸브 선정 프로그램을 구매측

엔지니어링팀과 함께 공유하여 이 프로그램에 따라 업무를 진행함이 효과적이다(4) 프로세스 및 기계사양의 결정(Process and Mechanical Data Frozen)

전체적인 프로젝트 일정에 근거하여 밸브에 대한 상세 기술역무 구매 및 제작의 최후 의 시작점

(Latest Starting Date)을 결정한다 이 시점에서는 프로세스 및 기계사양이 결정되어 있음으로 구매자와 제작자는 이들 기술사양에 대한

정기적인 협의를 가지는 것이 좋다 이러한 과정을 통하여 특수사양에 대한 기술적인 판단을 재

검토할 수 있을 것이다(5) 밸브 예비 선정(Pre-Sizing Confirmed)

앞서의 (4)항 결과에 따라 밸브를 예비 선정한다 특별히 프로세스 데이터와 밀접한 관계를 갖는

제어밸브나 안전밸브와 같은 경우에는 구매자와 제작자가 함께 밸브의 법 적요건(Requirement of Regularities)과 예상되는 문제점(소음 케비테이션 트림의 특성 밸브 운전제어 특성 등)을

검토하여 확정한다(6) 사양서 개요 작성 및 이해(Outline Specification)

구매자는 이 단계에서 사양서를 작성하여 밸브 제작자에게 제공한다 이 단계에서 제공되는 밸브의

사양은 상호 데이터베이스로 유지 관리된다 프로세스 데이터의 변경이 없는 한 밸브의 선정과 선정 데이터의 관리는 제작자가 수행한다 이때부터

밸브의 데이터는 정식 관리 유지되어야 한다(7) 밸브 크기 결정 및 선정(Sizing amp Selection)

제어밸브와 안전밸브 그리고 계산근거가 필요한 자동밸브의 경우 이 단계에서 최종의 크기 및

사양결정을 한다 모든 밸브는 이 단계에서 선정계산서 기술사양서 설치 및 보수 유지에 필요한 제품의 각 중요부분의

치수와 상세도가 기입된 제품 승인도를 구매자에게 제출한다 (8) 제품 기술사양서의 검토(Review of Technical Specification)

구매자의 엔지니어링팀은 제출된 기술사양에 대하여 구체적으로 기술 검토를 수행한다 검토결과는

기술적인 측면과 계약 행정적인 측면으로 나누어 원 발주자 구매자 및 관련 조직에 배포된다 이

과정에서 밸브제품에 대한 사양 변경이 검토된다 (9) 구매자에 의한 제품 기술사양 승인(Technical Appro-val by Contractor)

제품에 대한 기술사양 들이 승인된 다음에는 제작자는 최종의 계약을 하기 위하여 최종 기술사양서 계산서 및 도면을 제출한다(10) 계약 및 원 발주자에 의한 업체 검토(Commercial A-pproval amp Commercial Che-ck by Principal)

가계약을 하기 위하여 관련 입찰서류에 대하여 검토를 한다(11) 사양 확정 및 제작지시서 발행(Freeze Scope and Release for Manufacturing)

원 발주자에 의하여 계약자 승인이 되면 구매자는 제작자에게 제작지시서를 발급한다 이 단계부터는

제품 사양의 변경 또는 개정이 일어나서는 안된다 (12) 정식 구매 요구(Requi-sition for Purchase)

제작지시서를 발급한 다음에 구매계약을 체결한다 구매계약서는 최종의 제품 기술사 양서와

구매자가 요구하는 일반적인 상거래 요구사항으로 구성되어 있다(13) 제작 및 프로젝트 관리(Manufacturing Period and Project Management)

주요 프로젝트에 있어서 공급자 문서의 관리나 업무 추진의 효율성을 갖기 위해서 구 매자와 제작자는

주기적으로 만나 제작 일정 및 이에 따른 문제점을 논의한다 이러한 과정을 통하여 제작자는 구매자

프로젝트 팀의 일원으로서 밸브 납기의 중요성을 다시 금 인식하게 된다(14) 시험 검사 및 인증(Test Inspection and Certification)

제작자는 제품의 자체 검사 절차서를 작성하고 이는 구매자의 품질요구서에서 요구하 는 검사계획에

따라서 작성되어야 한다 구매자의 입회 시험검사는 그 범위를 집중적으로 정하여 불필요한 인력

낭비가 없도록 한다각종 시험 검사에 대한 인증서는 제작자의 표준서식에 따라 계약에 의거 제시된다 이상의 구매절차는

제품의 기술적인 측면을 강조한 것이며 이외의 밸브 구매 시 꼭 지켜져야 할 최소한의 구매

품질요건은 다음과 같은 사항들이 구체화되고 문서화 되어야 한다 1999 년 12월호 알파와 오메가

8 제어밸브

81 제어밸브 개요

(1)서론

프로세스 플랜트에 있어서 자동제어밸브는 유체의 제반 물리적량을 직접 제어한다는 점에서

프로세스에 있어서 매우 중요한 역할을 수행하고 있다 자동제어밸브는 본래의 계통에 대한 통합

자동제어의 목적뿐만 아니라 프로세스 플랜트의 잠재적 이상 운전에 대한 안전운전의 목적으로

사용되는 경우도 매우 많다 이러한 자동제어밸브는 밸브의 형식 및 구조에 따라 다양한 형태의 밸브 종류가 사용되고 있으며 산업기술의 급격한 발달과 컴퓨터를 이용한 고급 제어기술의 실용화 적용 등 날로 복잡해지고 고에너지화 되어가고 있는 프로세스 플랜트 제어기술의 용도 및 목적에 부합하는 가장 적합한

제어밸브를 선정하기란 매우 어려운 엔지니어링 업무의 하나이다 자동제어밸브의 선정에 있어서 단순히 밸브만의 선정을 고려한다면 이는 분명 잘못된 일이 된다 제어밸브의 선정은 실질적으로 유체를 제어하는 밸브뿐만 아니라 밸브를 포함하는 전체 시스템

전반을 이해하는 시스템 해석이 전제되지 않고는 밸브의 제어성 안전성 경제성 등의 여러 면에서

만족할만한 결과를 얻을 수 없다 또한 밸브를 적절히 선정하고 운전한다 하여도 적정한 밸브의 유지 보수관리가 뒤따르지 않는다면

자동제어밸브는 본래의 기능을 수행할 수 없게 된다든가 또는 프로세스의 안전 운전을 해칠 수도

있다 이 책은 앞서의 자동제어밸브의 범위가 너무 광범위하기 때문에 특정한 동력원이 필요로 하는

자동제어밸브로써 이 시스템 제어의 입력 제어신호가 전기전자식으로 출력되고 이 제어신호를 받아

밸브로 하여금 시스템을 자동제어 할 수 있는 밸브에 국한하여 lsquo자동제어밸브rsquo라 하고 이에 대한

기술적인 사항을 기술하는 것이다 따라서 이 책에서 언급하고 있는 모든 자동제어밸브는 자력식밸브(Self Regulating Valves) 들인

안전밸브 감압밸브 후로우트밸브 등이 아닌 진정한 의미에서 밸브를 통한 시스템 제어의 특성을

원격에서 한 데 모아 집중적으로 관리 제어할 수 있는 제어밸브를 뜻한다 이 책에서는 자동제어밸브에 대한 종합적인 엔지니어링 즉 밸브의 구조와 대표적인 관련 시스템의

유형에 대한 기술적인 접근은 물론 자동제어밸브에 관련한 이론적인 측면보다는 실제 활용할 수 있는

공학적인 측면을 강조하는 자동제어밸브의 공학서로 활용할 수 있도록 실질적인 제작사 자료(주로

미국의 콥스발칸자료를 중심으로)와 필자의 경험을 시스템측면에서 기술하고 대표적인 제어밸브의

관련 규정 및 코드를 우리 수준에 맞도록 재편집하여 보았다 아울러 이 책을 통하여 우리나라의 제어밸브 기술이 미국 일본 독일 등의 선진국 기술의 틀 안에서

벗어나는 큰 계기가 되기를 바랄 뿐이다 또한 이 책은 제어밸브의 적용대상 밸브 형식 중에서 주로

글로우브밸브를 중심으로 작성되었다 글로우브밸브 이외의 형식의 제어밸브에 대하여는 간단히 소개하는 수준으로 작성되었음을 양해하여

주기를 바란다 (2)제어밸브 선정시의 고려사항

제어밸브의 선정은 프로세스의 운전조건과 제어 로직 제어계통의 안전조치(긴급시의 운전정지 계통

안전 차단 등) 그리고 프로세스를 구성하고 있는 유체의 성상을 반영하여 선정한다자동제어밸브가 시스템의 제어목적에 완전하게 부합하기 위해서는 밸브 자체의 사양결정뿐만 아니라 밸브에 작용 가능한 모든 조건을 충분히 검토하여 밸브 및 시스템 설계에 적용하고 아울러 운전자

능력을 포함하는 제어시스템의 운용체계까지를 함께 고려하여야 한다 이러한 관점에서

자동제어밸브를 선정하는데 꼭 점검해야 될 사항으로는 다음과 같다대상 프로세스의 확인

운전목적과 운전상태의 확인

-응답성

-프로세스의 특성

-유체의 운전조건

-유체의 성상 및 특성

-시스템에 있어서 밸브의 중요성 및 요구되는 신뢰성

-적용 법규

-밸브의 운전 범위성(Ran-geability)-밸브에서의 발생 차압과 그 특성

-설계 최대차압(체절압력 Shut-off Pressure)-시트누설의 정도(Seat Lea-kage Rate)-안전모드 운전(Fail Safe Mode)-밸브의 작동방법

-밸브의 작동환경

-밸브에서의 소음 규제 범위

-밸브의 방폭 특성

-제어입력 신호의 특성

-밸브 구동 동력원

-배관 사양

-블록밸브 바이패스 밸브

-밸브의 보수성

-경제성

(3)대상프로세스의 확인

자동제어밸브 및 관련 배관 기기 기타 밸브를 포함하는 프로세스 시스템 특성의 전반적인 이해와

파악이 필요하며 프로세스의 운전 목적 및 환경을 파악함으로써 자동제어밸브의 중요성 정도를

확인하여 둔다또한 프로세스의 안전에 관련한 제어계통에서의 밸브의 기능을 각 프로세스 시스템의 모듈별로

이해한다 이 확인에는 프로세스 자체의 기동 정지 및 긴급시의 안전조치 모드 등이 포함된다 이 확인 작업에는 기본 설계서로 분류될 수 있는 시스템 에너지 밸런싱 계산서(Process Flow Balancing Calculation Sheets or Diagramor Balance of Plant) 또는 배관 및 계장 계통도

(Piping amp Instrument Diagram)가 주로 이용된다(4)운전목적과 운전상태의 확인

자동제어밸브의 운전목적을 파악한다는 것은 프로세스 시스템의 운전모드를 이해한다는 것으로써 유체의 흐름 온도 압력의 제어 프로세스의 운전변수에 대응하여 유체를 능동적으로 제어하는 일 유체 흐름의 절환 고온고압 프로세스에서 저압 프로세스로의 계통 운전상태의 급격한 렛다운(Let Down) 제어 등 다양한 프로세스 별로 각기 다른 형태의 밸브가 프로세스의 제어 목적으로 사용된다또한 1 개의 밸브에서 여러가지 제어기능을 복합한 밸브(감압과 동시에 온도도 낮추는 밸브인 PRDS Pressure Reducing and Desuper-heating Station)등이 있으므로 이들의 운전목적을 확인한 후에

자동제어밸브를 선정하여야 한다 자동제어밸브의 운전목적이 결정되면 밸브의 운전빈도 운전상황을 비교적 정확하게 파악할 수

있으며 이를 통하여 유체의 연속제어 이상 발생시만의 운전 연속적으로 관련 프로세스를 함께 제어

운전할 때의 뱃치운전 간격(Time Interval) 등 프로세스의 운전상태를 비교적 정확히 제어밸브의

선정에 반영할 수 있다 프로세스 운전목적과 상태의 파악은 자동제어밸브의 선정에 가장 중요한 핵심

요소이다 (5)응답성

자동제어밸브에는 프로세스의 원활한 제어 또는 프로세스 시스템 안전 확보 목적에 따라 자동제어밸브의 조작신호(Input Signal)에 대한 밸브의 응답속도 밸브 자체가 갖고 있는 기구학적인

운전속도 또는 안전운전 모드에서의 신속한 동작 속도 등을 프로세스 전체 시스템 측면에서 이들의

조작 운전 속도 등의 응답성을 알고 있어야 한다(6)프로세스의 특성

자동제어밸브의 운전목적은 유체 시스템의 전체적인 밸런스에 있다고 보아도 과언이 아니다 따라서

프로세스의 주요 특성으로는 전체적인 유체의 밸런스 유무 유량 변화의 범위 압력 손실의 범위 밸브의 응답속도의 크기 등이다 이들 프로세스 특성의 파악과 이해는 전체 제어 시스템의 제어 루프

(Control Loop)를 설계하는데 중요한 요소의 하나이다 (7)유체의 운전조건

유체의 운전조건은 제어밸브의 선정에 있어 직접적으로 입력되는 자료들이다 이들 유체의

운전조건을 통하여 제어밸브의 외적 특성(밸브의 크기 형상 형태 등)들은 결정된다

-유체의 명칭

-혼합 유체인 경우 유체의 성분 또는 조성 특성

-유량(프로세스 운전모드별로 구분)-압력(프로세스 운전모드별로 구분)-온도(프로세스 운전모드별 밸브 입구의 압력과 출구온도의 구분)-점도

-밀도

-포화증기압

-이상유체의 후라싱 비율(Flash Percent in Two-Phase Fluid Flow)-임계압력

-과열증기의 과열도 등

이들 데이터들은 프로세스 운전조건에 따라 정상적인 운전시의 데이터 외에 운전 중 발생할 수 있는

프로세스 시스템의 최대운전 최소운전 조건시의 데이터들도 확인하여야 한다 이러한 제어밸브의 선정을 위한 데이터들은 프로세스 설계자들에 의한 안전 여유율 또는 여유가 있는

가정된 값이 포함되어 있는 경우가 많고 따라서 설계 인터페이스상에서 이러한 안전 여유가 중첩되어

결과적으로 밸브가 정상 운전조건의 것보다 크게 선정되는 경우가 종종 있다 이러한 경우에는 밸브가 정상운전 시에도 낮은 개도로 운전되기 때문에 밸브 시트의 손상 등

자동제어밸브의 운전 신뢰도에 큰 영향을 미치게 됨으로 이들 유체조건의 확인은 매우 중요한

사항이다 아울러 압축성 유체인 기체의 경우에는 온도에 매우 민감하게 체적과 압력이 변화함으로 어느 상태(정상상태(Normal Condition) 0 C 대기압 조건하 또는 표준상태(Standard Condition) 156 C 대기압 조건하)의 조건인가를 확인하여야 한다(8)유체의 성질상태(성상) 및 특성유체의 화학적인 성상

유체의 성질상태(성상) 및 특성유체의 화학적인 성상과 그 특성은 제어밸브의 선정에 있어 밸브

재료와 형태의 선정에 큰 영향을 준다 이를 요약하면 다음과 같다 ① 유체의 위험성 독극물이나 특정 유기물질과 같이 인체 및 환경에 위험을 미치는 유체 특정

물질과의 화합 반응 및 폭발성과 같은 잠재적 위험성이 높은 유체

② 부식성 및 마모성 부식(산화)의 정도 조건 마모를 증가 시킬 수 있는 고체 혼입 물의 정도 및 그

정성정량적 데이터 내부식침식 재료의 데이터 등

③폐쇄성 고형 슬러리의 혼입정도 슬러리 및 고형 불순물의 내용 고점도 유체의 특성 등 막힘

방지를 위한 대책으로서의 유체 성상의 파악

④응고성 응고조건 응고방지 대책 등

(9)시스템에 있어서 밸브의 중요성 및 요구되는 신뢰성

프로세스에 있어서 자동제어밸브의 작동 불량은 밸브 그 자체의 문제가 아니라 프로세스에 직접적인

영향을 미친다 따라서 프로세스 시스템의 원활한 운전을 위한 밸브의 중요성은 곧 밸브 그 자체가 얼마나 높은

신뢰성을 갖고 있는가에 좌우된다 밸브의 신뢰성은 앞서 언급한 제반 요건 중에서도 유체조건과

유체의 성상과 특성에 크게 영향을 받고 특히 과거의 밸브 운전 경험에서 어느 정도 밸브의 신뢰성을

판단할 수 있다고 생각된다 자동제어밸브에 있어서 신뢰성 향상을 위한 제반 대책으로는 다양한 여러 가지의 방법들이 동원되고

있다 예로써 오리피스의 적용 블록밸브 또는 바이패스 병렬 운전의 방법 등이 고려될 수 있다 (10)적용 법규

프로세스의 운전환경에 따라 제어밸브의 설계 선정 설치 보수 등에 관련하는 법규 규격의 내용을

확인하여야 한다 특히 기술 규격에 대하여는 전체 프로세스의 설계 일관성을 위하여 정해진 규격을

필수적으로 따르도록 되어 있다 이에 대한 사항은 추후 구체적으로 따로 기술한다(11)밸브의 운전 범위성(레인지어비리티 Rangeablilty) 밸브의 운전 범위성 레인지어비리티는 밸브의 제어 가능한 최대 유량과 최소 유량의 비율이다 제어밸브의 제어 가능한 최소 유량과 밸브를 완전히 닫았을 때의 시트의 누설량과는 확실하게

구분된다예로써 밸브가 실용상 제어 가능한 최대 유량이 400gpm 이고 최소 조건하의 유량이 5gpm 이라면

레인지어비리티는 801 이 된다

2000 년 1월호 알파와 오메가

8 제어밸브

81 제어밸브 개요

(12) 밸브에서의 발생 차압과그 특성

자동제어밸브를 중심으로 프로세스 시스템의 유체 흐름의 상류측(Upstream)과 하류측 의 압력이

거의 일정하고 자동제어밸브가 프로세스 압력손실의 대부분을 차지하는 경우 에는 밸브의 발생

차압을 정확하게 알 수가 있다 그러나 프로세스가 긴 경우에는 배관시스템내의 배관 및 배관 피팅 등과 각종 프로세스 기기들로

인하여 압력 손실이 많이 생기게 되는데 보다 정확한 밸브 선정을 위해서는 이 압력 손실량을

계산하여야 한다 밸브에서의 차압을 일정하게 하고 유체를 흐르게 할 때의 유량특성은 고유 유량특성이라고 하고 실제

프로세스 시스템상에서 운전할 때의 유량특성을 유효 유량특성이라고 하는데 앞서의 프로세스

시스템 전체에서 생기는 압력손실에서 밸브에서만 발생하는 차압이 차지 하는 비율이 낮으면 낮을수록 유효 유량특성은 고유 유량특성과 많은 차이를 갖게 된다 또한 프로세스 시스템에서의 수송하는 유량이 변화하면 밸브에서의 발생 차압도 변화한다 따라서

프로세스 시스템의 유량은 정상 운전시 시스템 기동 시 시스템 정지시마다 다르므로 밸브에서의

차압도 각각의 운전조건에 따라 검토하여야 한다 실제로 프로세스 시스템 전체의 압력손실에 대한 자동제어밸브의 발생 차압의 비율은 가능한 한

비슷하게 프로세스를 구성 설계하면 좋다 즉 이 수치는 일률적으로 정하기 어렵지만 일반적으로

30~50이면 매우 양호하다 그렇지만 5이하가 되면 제어가 매우 어려워진다 밸브에서의 차압 이

크게 되면 그만큼 밸브의 내부 구조가 복잡해지고 유체의 역학적 거동이 가혹해짐으 로 인하여

밸브의 경제성이 저하된다 (13) 설계 최대차압(체절압력 Shut-off Pressure)

밸브가 완전히 닫혀 있을 때의 밸브 입출구간의 압력의 최대치를 일컫는 압력으로써 이 최대 차압은

밸브의 구동장치의 선정 밸브의 스템 요크 및 본네트와 관련 볼트 너트 등의 강도설계에 입력

데이터로 쓰인다 설계 최대차압을 대부분 밸브 입구에서의 최대압력으로 하여 밸브를 설계하는 경우가 대부분이나 이러한 경우 밸브의 사양이 과대하게 선정될 염려가 있음으로 실제의 사용조건을 감안하여 설계 최대

차압을 고려하면 경제적인 밸브 선정을 할 수 있다 (14) 시트누설의 정도(Seat Leakage Rate)

밸브가 완전히 닫혔을 때 시트에서의 누설을 어느 양 만큼 허용할 것인가를 확인하는 것이다 자동제어밸브의 시트누설의 허용정도는 ANSIB16104FCI 70-2 의 규정을 통상적 으로 많이

적용하고 있다 시트누설의 허용등급은 6 개 등급(Class I thru VI)으로 되어 있으며 등급이

높을수록 허용 누설량이 적다 대부분의 자동제어밸브의 허용누설 등급은 Class IV 가 일반적이며 Class VI 의 경우에는

소프트시트의 사용이 권장된다 시트누설의 정도를 표시하는 방법으로는 밸브의 정격 유량계수(Cv)의

비율로써 표시하는 방법(Class III IV)과 트림 유로 구경(포트 Port)과 밸브의 차압에 대한

누설량으로 표시하는 방법이 있다 (15) 안전모드 운전(Fail Safe Mode)

밸브의 안전모드 운전은 일반적으로 자동제어밸브의 구동공기 또는 동력원이 손실되었 을 때 밸브의

작동이 프로세스가 안전한 방향으로 동작되도록 하는 것이다 일반적으로 Failure to Close Failure to Open Failure to Lock 기능 중 하나가 되며 이러한

안전모드 운전은 밸브 자체의 기능으로서 만 생각하는 경우와 프랜트 프로세스로써 생각하는 경

우와는 다른 결과를 갖고 올 수 있음으로 밸브의 선정시 이 요건의 정의는 프로세스 시스템 측면에서

수행되어야 한다 (16) 밸브의 작동방법 자동제어

밸브의 운전에 있어서 제어신호나 구동 공기의 손실에 대비하는 밸브 작동방법은 프로세스의 조건에

따라 밸브의 안전모드 운전방법으로 검토한다자동제어밸브의 작동방법 에는 정작동(Air to Close 또는 Direct Acting)과 역작동(Air to Open 또는 Reverse Acting)이 있다정작동은 신호량의 증가에 따라 밸브가 닫히는 것이고 역작동은 신호량의 증가에 따라 밸브가

열리는 것을 말한다 즉 밸브 구동장치의 운동방향에서 신호량의 증가에 따라 밸브 스템이

내려오는 것을 정작동형 스템이 상승하는 것을 역작동형이라 한다 (17) 밸브의 작동환경 자동제어

밸브의 작동환경은 대부분 가혹한 환경 조건하에 있다따라서 자동제어밸브가 위치하고 있는 배관

프로세스 시스템이나 프랜트 프로세스 시스템이 외부적으로 갖고 있는 환경조건 즉 온도 염분 부식성 가스의 유무 모래 티끌 등의 먼지 진동의 유무와 크기 등을 확인한다 (18) 밸브에서의 소음 규제 범위

밸브 운전에 있어서 유체흐름의 지배 요소인 유로 단면적과 유속의 변화 이로 인한 동적인

압력손실의 과정에 소음이 발생하게 된다 이러한 밸브의 소음 한계치를 정하고 그 저감화 방안을

검토해야 한다 앞서의 플랜트 환경조건에서의 소음은 법률로서 규정되 어 있으며 대략 90 데시벨

(dB)을 넘어서는 안된다 저감화의 방안은 밸브 트림의 구조에 의한 직접적인 방법과 아울러 배관의 형상 등 외부요인을 함께

고려하여 경제적인 방법을 택한다 이 소음의 문제 하나만 가지고도 밸브의 가격 결정에 매우 큰

영향을 미치고 있 음을 인식해야 한다 (19) 밸브의 방폭특성

가연성 또는 폭발성의 가스를 다루는 프로세스의 자동제어밸브는 그 자체로서 방폭특성을 갖고

있어야 한다 포지셔너 솔렌노이드 밸브 리미트 스위치 등의 자동제어밸브의 부품은 가연성 가스의

종류 위험장소의 등급 구분에 합치되는 방폭성능을 보유해야 한다 이들 밸브의 보조 전기기기는 내압방폭형(Flame Proof Exd)과 본질안전방폭형(Intrinsic Safety Exi)로 구분된다 (20) 제어입력 신호의 특성

제어밸브의 제어용 입력신호 즉 콘트롤러(Controller)의 출력신호 또는 콘트롤러 신호 출력의 종류

(공기 또는 전기) 및 밸브의 스트로크(Full Stroke)에 대응하는 입력신호의 범 위(Range) 등을

확인한다 특히 구동부의 스프링(Spring Range)이나 릴레이에 의한 범위의 변경 작동의 반전 등과 같은

특수한 경우(분할제어[Split Control] 파이롯트 제어 [Pilot Control]) 에는 이 제어입력의

신호특성에 주의를 요한다(21) 밸브 구동 동력원

공기는 구동부의 기능이 손상되지 않도록 수분 기름 띠끌 및 먼지 등의 청정도를 고려한다 동시에

충분한 구동력을 확보하기 위하여 공기의 압력 및 용량을 확인한다 (22) 배관 사양

자동제어밸브가 설치되는 배관의 사양에 대하여 확인한다 배관의 호칭직경 배관의 규 격 재질 접속방법 설치상의 제한사항 및 배관 레이아웃 형상을 확인한다 특히 특정한 밸브 면간치수를

적용하는 경우와 함께 배관지지대의 위치 등도 함께 검토한다 (23) 블록밸브 바이패스 밸브

자동제어밸브에서의 바이패스 밸브의 설치 여부는 유체의 조건 배관 운전방법 등에 의해 종합적으로

검토되어야 한다 바이패스 밸브를 설치하는 경우에는 제어밸브가 고장 에 의해 프로세스가 정지되지

말아야 하는 경우 등 자동제어밸브의 관리차원에서 설치하 는 경우가 많다 바이패스 밸브를 설치하는 경우에는 바이패스 밸브의 조작성 속도 응답 성 및 제어성에 대하여도

충분히 고려하여야 한다 바이패스 밸브를 설치하면 제어밸브의 전후에 블록밸브를 설치하여야 한다 일반적으로 블록밸브는 게이트밸브와 같은 차단용의 밸브 바이패스 밸브는 글로우브밸브를

선택한다 그러나 바이패스 밸브에 차압이 크게 요 구되는 경우 글로우브밸브가 적합하지 않을 경우도 있음으로

유의하여 선정한다 다음은 API RP 550 에서 권고하는 블로밸브와 바이패스 밸브의 선정표이다(24) 보수성

자동제어밸브의 보수 점검 및 정비는 유체조건이나 운전조건 등에 따라 달라짐으로 밸브 각각에

대하여 그 선정 단계에서부터 고려되어야 한다 유체에 의한 침식 부식이 예 상되는 경우에는 이러한

영향이 적은 밸브 형식 재질 등을 선택한다 보수 차원에서도 밸 브의 트림(밸브 프러그 시트링 등)의

교환이 간단한 구조의 밸브가 좋은 밸브이다다음 은 밸브의 보수성을 점검하는 하나의 항목으로 밸브를 선정하기 전에 검토해 둘 필요성 이 있다

- 보수는 어떻게 할 것인가- 밸브에 대한 점검은(중요도 점검 간격 점검의 내용 규제사항의 유무)- 플랜트 운전 중에 작동검사의 필요성 여부와 작동검사 시스템

- 부품의 조달 및 예비 부품의 보유 체계

(25) 경제성

자동제어밸브는 비교적 고가의 밸브임으로 그 자체의 경제성과 보수비용의 양면을 함 께 검토하여야

한다 자동제어밸브의 선정에 있어서 가격에 영향을 미치는 인자들은 다음과 같다 - 밸브의 형식

- 밸브의 구경

- 본체의 재질 주요부의 재질

- 압력온도 등급(Pressure Rating) - 트림의 형식

- 본네트 형식(상온용 고온용 저온용 초저온용 벨로우즈 씰 채택 여부 기타) - 핸드휠의 유무(블로밸브와 바이패스 밸브의 유무에 직접 상관됨) - 구동부 형식 및 크기

- 악세사리류(포지셔너 솔렌노이드 리미트 스위치 등)- 특수사양(자켓트 몸통 밸브 누설등급) - 검사항목(특히 재료검사에 대한 것) - 소음에 대한 규제 정도 여기에 예비부품을 포함하는 보수비용을 고려하여야 하며 초기 구입가격과

보수비용을 함께 포함하여 검토하여야 한다 (30) 자동제어밸브의 선정 방법

밸브를 선정하는 것은 시스템에서 요구하고 있는 제반 특성들을 구체화 시켜 밸브가 시스템에서

안정적으로 운전할 수 있게끔 하는 기술적인 업무이다 밸브의 크기를 결정하고 밸브의 재질과 트림

특성을 결정함에 있어 어떠한 방법으로 밸브가 시스템이 요구하는 운전 목적에 적합하게 추종할

것인가를 결정하는 일은 보다 구체적이고 높은 엔지니어링을 요구하게 된다자동제어밸브를 선정함에 있어 이러한 고도의 기술적업무를 어떤 순서에 따라 실시하는 선정공정 및

제어밸브의 구체적인 사양서(Specification She-et)의 작성요령은 자동제어밸브의 엔지니어링

중에서 가장 중요한 일로 구분된다 따라서 자동제어밸브의 선정은 자동제어밸브의 엔지니어링의 시작이자 끝이라고 할 정도로 중요하며 선정시의 착오로 인하여 많은 문제점이 발생되고 있는 것이 사실이다 자동제어밸브의 정확한 선정을 위해서는 각 단계별로 확인하고 넘어가야 할 엔지니어링이 있는데

이것을 제어밸브의 선정 공정도라고 한다 기초 데이터(운전조건 및 시스템 설계조건)를 이용하여 각

엔지니어링 단계별로 선정시의 제반 조건을 고려하여 선정공정에 따라 사양서에 입력해 나가는 것을

본 장에서 구체적으로 설명한다자동제어밸브는 크게 구분하여 몸통부 구동부 및 악세사리의 세가지로 구성되어 있다 선정에

있어서도 이 세 가지의 공정을 확인하여야 한다 다음은 포괄적인 자동제어밸브의 선정 공정이다

1 단계 몸통부 선정

유체와 직접 접촉하면서 유체의 흐름을 실질적으로 제어하는 부분이 몸통부이다 몸통부는 유체제어의 핵심 요소인 트림부분과 트림부분이 건전하게 운전될 수 있도록 지지하는

압력유지 부분이 몸통으로 구성되어 있다 따라서 유체의 특성에 맞는 재질과 유체제어 특성에 맞는

트림 형식을 가져야 하고 전체적으로 경제성과 내구성이 요구되어야 한다 따라서 몸통부의 선정은 유체의 제반 조건 제어특성 유량특성 레인지어비리티(밸브의 운전 범위성) 설계 최대 차압(체절압력 Shut-offPressure) 허용 시트 누설량 환경조건 소음 보수 및 경제성 등

모든 항목을 확인하고 선정하여야 한다 따라서 제어밸브의 선정은 몸통부의 선정이 선정의 가장

중요한 요소이자 1 차적으로 검토되는 요소이다 2000 년 2월호 알파와 오메가

8 제어밸브

81 제어밸브 개요

2단계 구동부 선정

선정된 몸통부를 기준으로 외부의 입력 신호(제어신호)에 대응하여 몸통부의 트림이 유체를

제어하는데 필요한 위치를 정하는 역할을 하는 것으로 선정의 2 차요소이다3단계 악세사리의 선정

자동제어밸브의 제어기능을 향상시키기 위한 보조기기로써 선정의 3 차 요소이다3010 선정공정도

3020 밸브의 유량계수

자동제어밸브의 유체 수송의 능력을 표시하는 계수로써 3 가지 방식이 있다 이중에서도 미국식

방식인 Cv 계수가 가장 일반적으로 널리 사용된다

Cv 계수

밸브의 개도를 일정하게 하고 60(156)의 청수를 밸브 입출구 전후의 차압을 1psi (00703kgfcm2)로 유지한 상태로 1 분 동안 흐른 유량을 US GallonMinute(1US Gallon = 3785 lit-re)으로 표시한 계수

Kv 계수

독일에서 널리 사용되는 밸브 유량계수로써 밸브의 개도를 일정하게 하고 5~30의 청수를 밸브 입출구 전후의 차압을 1kgfcm2 으로 유지한 상태로 일정시간 흐른유량을 m3Hr 로 표시한 계수

Av 계수

자동제어밸브의 유량계수를 계산할 때 사용되는 모든 단위를 국제 단위인 SI 단위로 환산하여 표시한

계수

관계식

Cv = 117 Kv = (Av 106)243030 자동제어밸브 기술사양서 작성방법

기술사양서의 작성은 제어밸브에 대한 발주자의 일반적인 정보(발주자의 프로젝트명 시스템명 사용목적 밸브번호 등)와 기술적인 성능요건과 함께 설계 및 제작 시험검사의 요건이 발주자에 의해

작성된다 그러나 제어밸브는 제작사마다 독특한 기술력과 함께 경험에 의한 노하우가 있기 때문에

발주자와 제작자가 협의하여 기술사양을 정하는 경우가 일반적이다 따라서 기술사양서에서 발주자는 기본적인 요건 즉 관련 기술산업 기준인 코드 스탠다드(Code amp Standard)를 중심으로 하는 설계 제작 요건을 언급하고 이를 종합적으로 양식화한 사양 명세서를

제작자와 함께 작성한다 이 사양 명세서는 발주자가 작성하는 사양과 발주자 및 제작자가 함께 협의 하여 결정해야 하는 사양

그리고 이에 따라 제작자가 결정해야 하는 사양 등으로 구분된다 다음은 제어 밸브의 사양 명세서에

필히 기록되어야 할 사양들이다 그러나 이들 각 사양 항목들이 사양 명세서에 모두 기입되지 않는 경우가 많은 데 이는 발주자가

그간의 경험이나 보안상의 목적으로 이들 사양을 모두 지정하지 않는 경우도 많다lt 작성의 예 gtA 제어밸브의 밸브번호 사용목적 및 밸브 형식

1밸브번호

2밸브의 사용목적 또는 적용계통의 명칭

3관련 PampID(배관 및 계장 다이아그람) 번호

B 밸브의 운전조건

1유체의 종류(물 액체 증기 기체로 구분)(다음의 사항은 정밀한 밸브 선정을 위하여 운전조건별 최대 정상 최소 또는 운전모드별로 운전

데이터가 필요함)2유량

3밸브 입출구 압력 또는 입구압력과 밸브에서의 차압

4유체의 온도

5유체의 물성치(비중량 점성계수 등)6밸브에서의 최대 차단 압력(Shut-off Pressure)7운전조건별 밸브 유량계수(Cv = Q(GfP)12C밸브의 구조

밸브의 구조는 앞서 언급한 바와 같이 밸브의 트림 밸브 몸통 그리고 구동장치와 액세서리로

구분된다밸브 구조를 기술사양서로 구체화 시킬 때는 밸브 트림의 유량특성 기본적인 밸브 형식과

밸브 몸통의 재질은 발주자가 지정하는 것을 원칙으로 하나 실제 구체적인 밸브 엔지니어링 단계에서

사양이 바뀌어질 가능성도 있다 따라서 밸브의 구조에 대한 것은 발주자와 제작자가 서로 긴밀한

기술 협의가 요청되는 부분이다lt밸브의 몸통 및 본네트 형식gt1밸브의 크기(입구 호칭직경과 호칭직경을 명기)

2밸브의 배관체결 형식 및 압력등급을 규정(Rating amp Connection Standards)(예)플랜지 규결일 경우AN-SI Class600RFRF-Raised Face Flange per ANSI B165 -소켓용접단과 버트용접일 경우600SW 1500 BW

3밸브 본네트 형식 및 재질

-체결형식(예 Bolted Pre-ssure Seal Clamped ect)-본네트 형식(예 Stand-ard Leak-off Extended Bonnet Bellows Seal Fi-nned Bonnet ect)-재질

4연결배관의 크기 및 규격

(예 입구출구배관4Prime(100A)Sch 80S6Prime(150A) Sch 40S ect)

5밸브 몸통의 재질 및 연결배관의 재질

6패킹 및 가스켓의 재질 및 형식

-가스켓의 형상 및 재질(예 Metal Ring Gasket Spiral Wound Graphite Filled Gasket Spiral Wound PTFE Gasket ect)-패킹의 종류 및 형상(예 Graphite Packing Live Loaded Stem Packing PTFE V-Packing ect)lt밸브 트림gt7트림의 형식(예 Single Seat Double Seat Cage Guided BalancedUnbalan-ced ect)8트림의 유체 제어특성(예 EQ Linear Quick Open Modified EQ Parabolic ect)9트림의 재질 및 표면(경도)처리(예 SS410 HT SS304 wStellite HF SS420wNit-ronizing HT ect))10트림의 구조(예 Multi-Hush Raven Drag Megastream CASCA-DE CAVITROL ect과 같이

밸브 제작사 별로 고유의 트림 구조 형식을 표시할수 있음)lt밸브 구동장치gt11구동 장치의 종류 및 형식 예)공기압 구동 다이아후람 공기압 구동 피스톤(싱글 더블) 유압구동 전동구동 기타

12구동장치의 크기 및 규격 예)공기압 구동 다이아후람 엑츄에이터인 경우 다이아후람의 직경피스톤 구동 엑츄에이터인 경우 피스톤의 직경전동 모터 구동의 엑츄에이터인 경우에는 입력 전압 및

출력(HP)13구동 동력원의 사양 예)공기압의 경우 공기압력을 구체적으로 표기(공급 공기압 제어 공기압 등)전동 구동의 경우에는 입력 전압 상 주파수 등

14밸브의 안전모드 설정 예)공기압 손실 시-Air Failto close(닫힘) or to open(열림) or to lock(운전위치) the valve 15밸브 구동장치의 핸들(유무 Top or Side) 3100 유량특성과 밸브에서의 차압 ΔP

제어밸브에 있어서 유량특성은 밸브의 개도에 다른 유량의 변화량과의 관계로 표시한다 유량특성은

밸브 자체의 고유 유량특성과 실제 배관시스템에 설치되었을 때의 실제 유량특성(이하 유효

유량특성이라 한다)이 있다 이들의 유량특성은 제어밸브의 성능평가에 매우 중요한 요소이다3110 고유 유량특성

밸브 전후의 차압을 일정하게 한 경우의 유량특성을 고유 유량특성이라 한다 이 유량특성은 밸브

제작사의 밸브 트림 기술자료로 공급되는 자료이다 유체의 제어용으로 채택되는 근본적인 유량특성은 선형(Linear)특성과 등비율(Equal Percentage)특성이 있으며 이들 두 특성은 밸브 제작자의 트림설계에 따라 다양한 변형의 유량특성이 제공되고

있다 다음의 그림은 ISA Control Valve Handbook 에서 보여주고 있는 밸브의 고유 유량특성도

있다선형특성은 밸브의 유량계수 변화율이 밸브 개도와 일정한 관계를 가지며 등비율특성은 밸브의

유량계수 변화율이 그 밸브개도 변화전의 유량계수과 비례하는 관계로서 다음과 같이 표현된다 일반적으로 그로브 제어밸브는 트림을 다양한 형식으로 변형할 수 있음으로 용이하게 밸브의 고유

유량특성을 얻을 수 있지만 기타의 볼밸브 버터후라이밸브 형식의 제어밸브는 구조상 유량특성을

임의로 변경할 수 없는 단점이 있다-선형특성

y=1R+(1-1R)x dy=(1-1R)dx (3100-1)-등비율특성

y=R(x-l) dy=In Rdx (3100-2)여기서 y= CvCv maxx=LL maxCv max=밸브의 최대 CvCv스템의 L 에서의 밸브 유량계수

L max밸브의 최대 스트로크

L스템의 위치

R제어밸브의 고유 렌지어비리티(Rangeability) 2000 년 3월호 알파와 오메가

8 제어밸브

81 제어밸브 개요

3110 고유 유량특성

선형특성은 밸브의 유량계수 변화율이 밸브 개도와 일정한 관계를 가지며 등비율특성은 밸브의

유량계수 변화율이 그 밸브개도 변화전의 유량계수와 비례하는 관계로써 다음과 같이 표현된다일반적으로 그로브 제어밸브는 트림을 다양한 형식으로 변형할 수 있으므로 용이하게 밸브의 고유

유량특성을 얻을 수 있지만 기타의 볼밸브 버터플라이밸브 형식의 제어밸브는 구조상 유량특성을

임의로 변경할 수 없는 단점이 있다

선형특성

y=1R＋(1-1R)x dy=(1-1R)dx (3100-1)

등비율특성

y=R(x-1) dy=1n Rdx (3100-2) 여기서

y=CvCv maxx=LLmaxCv max=밸브의 최대 CvCv=스템의 L 에서의 밸브 유량계수

Lmax=밸브의 최대 스트로크

L=스템의 위치

R=제어밸브의 고유 렌지어비리티(Rangeability)3120 유효 유량특성

제어밸브를 배관시스템에 설치한 상태에서는 밸브 전후의 배관형상에 따라 차압이 변화하므로 이러한

차압이 밸브의 고유 유량특성에 영향을 주게 된다 이들 영향을 포함하여 밸브의 유량특성을 표시한

것을 유효 유량특성이라고 한다 (1)직렬부하를 가진 프로세스 시스템의 유효 유량특성

그림 3100-2 에서 보는 바와 같이 어느 밸브 개도에서의 유량을 Q 라 하고 각각의 압력손실을 ΔPv ΔPL ΔP 라 하고 각각의 유량계수를 Cv CL C 라고 한 다음 ΔP 를 일정하게 유지시키면

Q=CvSQRT(ΔPv)=CL SQRT(ΔPL)=C SQRT(ΔP) (3100-3)ΔP=ΔP＋ΔPL (3100-4)

또한 제어밸브가 완전히 열릴 때에는 Qmax=Cvmax SQRT(Pvo)=CL SQRT(ΔPLO)=Cmax SQRT(ΔP) (3100-5)ΔP=ΔPvo＋ΔPLO (3100-6)

따라서 Qmax = Cv SQRT(ΔPv) Cvmax SQRT(ΔPvc) (3100-7)Qmax = SQRT(ΔPL)SQRT(ΔPLO)=SQRT(ΔP-ΔPvo)SQRT(ΔP-ΔPvo) (3100-8)(3100-7)과 (3100-8)식에서

QQmax=SQRT[(ΔPvoΔP)+(1-(ΔPvoΔP))(CvCvmax)] (3100-9)

여기서

u=QQmx Pr=ΔPvoΔP y=CvCvmax 라고 하면 u=SQRT(Pr+(1-Pr)y)y (3100-10)(3100-10)식에 선형특성의 (3100-1)식을 그리고 등비율특성의 (3100-2)식을 대입하여 각각의

유효 유량특성을 구할 수 있다 다음의 그림 3100-3 과 3100-4 는 각각 선형특성과 등비율특성의

유효 유량특성의 선도를 Pr 의 비율로써 보여 주고 있다 만약 밸브의 입구측 펌프의 토출수두가

일정한 경우에는 다음과 같은 식으로 밸브의 유효 유량계수를 표시할 수 있다

C=(PCvmax)SQRT((Py)2＋1) (3100-11)여기에서

P=SQRT(ΔPvΔPL)C 제어밸브와 배관시스템을 포함하는유효 유량계수

ΔPv 제어밸브에서의 압력손실

ΔPL 제어밸브를 제외한 배관시스템의 동적 압력손실

지금 밸브의 레인지어비리티 R=30 이라고 하면 선형특성을 가진 밸브의 경우 3100-1 식에서

y=096＋003 등비율특성의 경우 y=30(1x)가 된다 여기에 3100-11 식을 대입하면 밸브의

개도에 따른 밸브시스템의 유효 유량특성과의 관계를 알 수 있다 그림 3100-5 와 3100-6 은 각각 이를 보여준다 그림 3100-3sim6 에서 보는 바와 같이 Pr 값에 따라서

즉 제어밸브를 포함하는 배관시스템의 전체 압력손실에 비해 밸브에서의 압력손실이 상대적으로

작으면 제어밸브의 고유 유량특성은 크게 변하게 됨을 알 수 있다따라서 실용상 배관시스템에서의 압력손실 허용범위를 Pr＞005 로 하거나 다음과 같은 밸브

엔지니어링 지침을 제시하고 있다 펌프시스템에 있어서는 제어밸브의 압력손실량은 펌프시스템

전체의 동적 압력손실량(Dyna-mic Pressure Losses)의 13 이상이고 적어도 ΔP=10bar이상이어야 할 것 원심 압축기의 흡입 토출라인에 있어서는 흡입 절대압력의 5이상이거나 시스템

전체의 동적 압력손실이 12 이상으로써 이중 큰 값을 선정한다액체라인에 있어서는 하류측 탱크압력의 110 이상이거나 배관시스템 동적 압력손실량의 12이상으로써 이중 큰 값을 선정한다 증기 터빈 재열보일러(Reboiler) 압력용기등의 증기

공급배관에 있어서는 설계 절대압력의 110 이상이거나 035bar 중에서 큰 값을 선정한다(2)병렬부하를 가진 프로세스 시스템의 유효 유량특성

그림 3100-7 에 있어서 어느 밸브개도에 있어서 시스템의 유량을 Q 라 하고 제어밸브를 통과하는

유량을 Qv 바이패스의 유량을 Qb 라 하고 이에 대응하는 각각의 유량계수를 C Cv Cb 그리고

시스템의 압력손실을 ΔP 이라 하고 지금 ΔP 를 일정하게 하면

3100-7 병렬부하를 갖고 있는프로세스 시스템

Qv=Cv SQRT(ΔP) (3100-12)Qb=Cb SQRT(ΔP) (3100-13)Q=Qv＋Qb (3100-14) 또 제어밸브가 완전히 열릴 때에는

Qvmax=Cvmax SQRT(ΔP) (3100-15)Qmax=Qvmax＋Qb (3100-16)위의 식에서

QQmax=[(CvCvmax)＋(CbCvmx)][1＋(CbCvmax)] (3100-17)여기서 u=QQmax y=CvCvmax λ=(CbCvmax)2 라고 하면 식 3100-17 은 다음과 같다u=(y＋SQRTλ)(1＋SQRTλ) (3100-18)선형특성의 밸브는 식 3100-1 을 등비율특성의 밸브는 식 3100-2 를 식 3100-18 에 대입하면 각각

다음의 그림 3100-8 과 3100-9 와 같은 유효 유량특성을 갖는다 그림에서 제어밸브의

레인지어비리티가 감소하고 제어성이 나빠지면 유효 유량특성은 밸브의 고유 유량특성과

비슷해진다 시스템 전체의 유량계수는 C=Cv＋Cb 이므로 C=(y＋SQRTλ) Cv max (3100-19)3130 유량특성의 선정

제어밸브에 있어서 유량특성은 프로세스 전체의 특성이 선형에 가깝도록 되는 것이 바람직하다 이를

위해 제어밸브의 고유 유량특성은 일반적으로 다음과 같은 조건에 따라 선정함이 좋다(1)선형특성이 바람직한 경우

제어밸브의 전후 차압이 일정하게 되는 경우

시스템 전체의 압력강하가 제어밸브에 의해 좌우되는 경우

프로세스 변화의 특성이 선형일 경우

(2)등비율특성이 바람직한 경우

제어밸브의 전후 차압이 밸브 개도에 의해 크게 변화되는 경우

시스템 전체의 압력강하가 제어밸브 이외의 것에 의해 크게 좌우되는 경우

프로세스 변화의 특성을 잘 모를 경우

3140 밸브의 운전 범위성(Range-ability)

제어밸브에 있어서 실제 적용 가능한 유량특성을 보여주는 범위의 최대와 최소의 밸브용량비를

레인지어비리티라고 한다 레인지어비리티는 유량특성과 같이 고유 레인지어비리티와 유효

레인지어비리티가 있다 제어밸브를 선정할 때 제어밸브의 유량 및 압력의 범위를 함께 검토하는

일은 매우 중요한 일이다 2000 년 4월호 알파와 오메가

8 제어밸브

81 제어밸브 개요

3141 고유 레인지어비리티

고유 레인지어비리티는 제어밸브 전후의 차압을 그 개도에 비례하는 일정한 경우의

레인지어비리티로써 제어밸브 자체의 고유 레인지어비리티이다 레인지어비리티 R 은 다음과 같이

정의한다R=CvmaxCvmin=(Qmax SQRT(ΔPmax)(Qmin SQRT(ΔPmin)R=QmaxQmin 으로도 표시할 수 있다3142 유효 레인지어비리티

제어밸브를 배관시스템에 설치한 경우의 레인지어비리티로써 제어밸브가 설치된 상태에 따라

달라진다(1)직렬부하를 가진시스템의 경우

이 시스템의 유효 레인지어비리티는 다음과 같이 표시된다 식 3100-3 과 3100-5 에 의해서

QQmax=CSQRT(ΔP)Cvmax SQRT(ΔPvo)= CCvmax SQRT(ΔPr) (3100-20)식 3100-10 과 3100-20 에 의해서 Cv=y[SQRT(Pr＋(1-Pr)y2)Cvmax SQRT(Pr)]C 는 제어밸브를 완전히 열었을 때 즉 y=1 일 때 최대가 되고 밸브를 완전히 닫았을 때 즉 y=(1R)일 때 최소가 된다따라서 유효 레인지어비리티 RA 는 다음과 같이 정의된다 다음의 그림 3100-10 은 Pr 에 따른 유효

레인지어비리티를 보여주고 있다RA = CmaxCmin=R SQRT(Pr)＋(1-Pr)(1R)2 R SQRT(Pr) (3100-21)(2)병렬부하를 가진 시스템의 경우

식 3100-19 에서 병렬부하의 시스템에 있어서 유효 레인지어비리티는 RA = CmaxCmin=SQRT(λ＋1)SQRT(λ＋1R) (3100-22) 위의 식 3100-21 과 3100-22 그리고 그림 3100-10 은 시스템의

상류측(Upstream)과 하류측(Downstream)의 압력이 일정한 경우이다예로써 원심펌프의 토출배관상에 제어밸브를 그림 3100-11 과 같이 설치한 경우 유량과 더불어

압력이 변화하기 위해서는 레인지어비리티도 따라서 변화해야 하기 때문에 주의가 필요하다

3143 프로세스 시스템에 필요한 레인지어비리티

제어밸브를 사이징할 때 유효 레인지어비리티가 실제로 적용되는 경우 사이징 된 제어밸브는

시스템에 필요한 레인지어비리티를 만족해야 한다 그림 3100-12 의 프로세스 시스템에 있어서 이

시스템에 필요한 레인지어비리티는 다음과 같이 구한다

Rs = Cmax(req)Cmin(req) =Qmax SQRT(ΔPmax)Qmin SQRT(ΔPmin)여기서 Rs 시스템에 필요한 레인지어비리티

Cmax(req) 시스템이 필요로 하는 최대 유량계수

Cmin(req) 시스템이 필요로 하는 최소 유량계수

Qmax 시스템의 최대 유량

Qmin 시스템의 최소 유량

ρh 시스템 상류측과 하류측간의 수두의 차

ΔPmax 시스템의 최대차압

ΔPmin 시스템의 최소차압

P1 시스템의 상류측 압력

P2 시스템의 하류측 압력

시스템에서 필요로 하는 레인지어비리티를 구할 때에는 시스템의 기동시 정지시와 같이 일시적인

운전조건이외에도 밸브 사용에 따른 경년변화에 따른 조건 등도 함께 고려해야 한다 다음은 선정된

제어밸브가 실제로 시스템에 적용되었을 경우 레인지어비리티상 원활한 운전이 될 수 있는가를 예를

들어 설명한다그림 3100-12 에서 보는 바와 같이 시스템이 필요로 하는 레인지어비리티는 식 3100-23 에서 Rs = (10 SQRT(6-015-1＋005))(2 SQRT(3-025-1-005))85 이 경우 최대 Cvmax = 117Q SQRT(GsΔP)=11710SQRT(1010)=117 지금 정격 Cv=19 이고 고유 레인지어비리티 R=30인 제어밸브를 선정하는 경우 유효 레인지어비리티 RA 는 식 3100-22 에 따라 RA = A SQRT(Pr)=R SQRT (ΔP(ΔPL1＋ΔPL2＋ΔPv))= 30 SQRT(1017) = 23 Cvmax=117 에 대하여 Cv=19 를

설정한 경우 117 을 넘는 부분은 여유분이 되기 때문에 실제 사용되는 레인지어비리티 RE 는 RE = RA(Cvmax정격 Cv)=23(11719)=142따라서 시스템에서 필요로 하는 레인지어비리티 Rs=85 이고 제어밸브에 실제 사용되는

레인지어비리티는 RE=142 가 되기 때문에 이 프로세스 시스템은 조절이 가능하다3150 제어밸브 크기를선정할 때의 고려사항

3151 용어설명 케비테이션(Cavitation)밸브 몸통을 흐르는 액체가 포화증기압이하로 떨어질 때 발생하는 현상으로 액체가

포화증기압이하로 떨어지게 됨으로써 발생한 기포들은 밸브 출구단에 이르러 포화증기압이상으로

유체의 압력이 회복됨에 따라 발생된 기포는 붕괴된다 밸브에서의 이러한 유체 흐름시에 생기는

현상을 케비테이션이라고 한다

초크드 흐름(Choked Flow)밸브가 일정 개도에서 밸브 입출구사이에 차압이 커지면 유량이 증가되는 것이 일반적인 현상이나 차압이 증가해도 유체(압축성 및 비압축성)의 흐름량이 증가하지 않는 현상을 말한다압축성 유체(Compressible Fluid)프로세스 계통에서 가스의 흐름으로 인한 압력 손실이 입구측 압력과 비교하여 상당히 큰 상태하에서

유체의 밀도가 10이상 감소하는 유체를 말한다제어밸브 기량(Control Valve Authority)제어밸브의 어떤 특정 개도에 있어서의 압력 손실량과 밸브가 완전히 닫혀있을 때의 계산된 시스템

압력 손실량과의 비율을 말한다설계조건(Design Condition)플랜트의 전체 또는 부분적인 프로세스를 계산할 때 또는 주요 공정기기의 주문을 하기 위해 계산할

때의 프로세스 조건이다후라싱(Flashing)액체 흐름에서만 생기는 현상으로 밸브 몸통을 흐르는 액체가 밸브내에서 포화증기압 이하로

떨어지면 유체의 흐름에는 발생된 기포가 상당량 잔류하게 되는데 기포를 포함하고 있는 유체가 밸브

출구단 이후에도 계속 포화증기압 이하로 유지되며 흐르는 상태를 말한다밸브 유량계수( Flow Coeffi-cient)일반적으로 Cv 또는 Kv 값으로 표시되는 계수로써 밸브의 유체수송 능력을 나타내는 계수이다Cv = US gallonminute1psiKv = hour1bar Kv = 0856Cv비압축성 유체(Incompressible Fluid)액체로써 계통에서의 밀도 변화 범위가 10이내인 유체이다Reduced TrimReduced Trim 은 밸브의 호칭직경보다 작은 크기의 트림을 말하는 것으로 예를 들어 밸브의

호칭직경이 8˝인 밸브에 트림은 6˝ 또는 4˝의 작은 트림을 채택한 밸브를 Reduced Trim 의

밸브라고 한다3152 제어밸브의 크기 선정

(1)크기 선정의 기준

특별히 별도로 지정하지 않는 한 밸브의 유량계수 Cv 의 선정은 관련 프로세스 데이터에 의하여 설계

흐름조건을 결정해야 한다최대유량 조절량 Q＋ = 최대 설계유량(Qd)의 110 유량(11Qd)완전 열림시의 밸브 유량 Qo＞최대유량 조절량 Q＋과도한 루프 게인(Loop Gain)의 변화(＞=20)를 피하기 위한 설계조건하의 제어밸브 기량은 023보다 커야하므로 제어밸브 미 설치시의 시스템 유량 Qs＞=115Qd 가 되어야 한다(2)제어밸브 Cv 값의 선정

제어밸브의 크기 선정은 계산된 Cv 값에 따라 선정하되 적어도 최대 유량 조절량 Q＋는 제어할 수

있는 크기이어야 한다 만약 후라싱의 발생이 예상되는 경우에는 계산된 Cv 값에 의거 Reduced Trim 을 가진 밸브를 선정한다3153 선정시 고려사항

(1)일반 고려사항

제어밸브의 제어특성(선형 등비율형 급개형 등)의 선정

제어밸브에 연결되는 배관의 형상 및 크기 사양

소음

유체의 성상(Fluid Mixtures)케비테이션이나 후라싱의 존재 여부

초크드 흐름 여부

(2)제어밸브의 제어특성

제어밸브의 특성은 설계조건으로 선정하되 다음과 같은 기준(항상 일정한 기준으로 사용되는 것은

아니지만)을 우선적으로 고려한다

① 제어밸브가 전체 시스템에서 요구하는 압력 손실량의 70 이하를 조절하는 경우에는

등비율특성의 트림을 선정 즉 제어밸브의 기량 rdlt=07 일 때

② 제어밸브가 전체 시스템에서 요구하는 압력 손실량의 70 이상을 조절하는 경우에는 선형특성의

트림을 선정 즉 제어밸브의 기량 rd＞07 일 때

③ 특정의 가혹한 조건하에서는 추가의 감압용 오리피스를 제어밸브의 상류측에 설치하여 rd 의 값을

05 이하로 할 수 있다 이 경우 rdgt=08 이면 선형특성을 rdlt=05 이면 등비율특성을 05ltrdlt08 이면 추가의 레스트릭션 오리피스를 밸브 상류측에 설치하여 rdlt=05 로 해야 좋다

④ 제어밸브의 기량 rd 는 다음과 같이 계산한다기량 rd = ΔPvd(ΔPvd＋ΔPsd ＋ΔPpd) 여기서ΔPvd 제어밸브에서의 압력 손실량

ΔPsd 프로세스 시스템에서의 압력 손실량

ΔPpd 프로세스 펌프에서의 압력 손실량

(ΔPvd＋ΔPsd＋ΔPpd) 프로세스 시스템 전체의 압력 손실량

그러나 다음과 같은 경우에는 상기의 조건을 무시하고 선형 특성을 선정한다 자연상태하의 탱크 수위 레벨 조절 등

압축기의 서어지 방지 제어

분할제어(Split Range Control)가 필요할 때

레인지어비리티가 크게 요구되어 두 개의 제어밸브를 병렬로 사용할 때

수동의 제어밸브일 때

2000 년 5월호 알파와 오메가

8 제어밸브

81 제어밸브 개요

(3)유체 혼합시의 계산

서로 다른 성질의 액체나 기체가 혼합된 유체의 경우 Cv 의 계산은 혼합된 유체의 밀도로 해야 한다 액체와 이 액체에서 기화된 상태의 기체가 같이 흐르는 이상유체(Two Phase Flow)의 경우는

제어밸브의 선정시 매우 까다로운 문제이며 실제로 심각한 문제를 일으킬 수 있으므로 가급적 피해야

한다 액체와 성질이 전혀 다른 가스가 혼합되어 흐르는 유체의 경우 다음의 식으로 유효밀도

(Effective Density)를 계산한다

1ρeff=AY2ρgas+Bρliq 여기서

A 가스성분의 무게 비율()B 액체성분의 무게 비율()Y 가스의 팽창계수

ρ 밀도

만약 액체의 무게비율이 5를 넘으면 Cv 의 계산은 액체로 가정하여 계산하고 5 미만일 경우

기체(압축성 유체)로 하여 Cv 를 계산한다(4)케비테이션과 후라싱

제어밸브의 선정에 있어서 케비테이션과 후라싱은 적극적으로 피해야 할 현상이다 그러나 다음과

같은 시스템 설계적인 방안을 강구하면 케비테이션이나 후라싱에서 제어밸브의 운전 건전성을 도모할

수 있다1)케비테이션이 예측되고 또한 피할 수 없는 조건에서 케비테이션 완화방법

제어밸브 입구측(Upstream)의 압력을 재검토한다제어밸브의 설치위치를 가능한 한 압력이 높은 쪽이나 온도가 낮은 위치로 변경을 시도한다제어밸브의 유체흐름방향(Upward or Downward)의 변경을 검토한다제어밸브 출구쪽에 가깝게 감압용 오리피스(Restriction Orifice)를 설치하거나 유량의 변동폭을

줄일 수 있는가를 검토한다특수형의 내 케비테이션 트림의 채택을 제작사와 협의한다부하 분담을 검토하고 그 결과에 따라 제어밸브 2sim3 대를 직렬로 설치하는 것을 검토한다

2)후라싱 서비스용 밸브

후라싱을 피할 수 없는 운전조건이라면 밸브의 트림은 밸브 호칭직경과 같은 크기이어야 하며 밸브

몸통은 경도가 높은 합금강(Cr강 WC6 or WC9)3200 액체시스템에 있어서 제어밸브의 유량계수 Cv 계산

상기 계산식에서 각각의 기호는 다음과 같은 의미를 가진다Cv=밸브의 유량계수(Valve Flow Coeffcient)US gallonminuteP=1psiQ=체적유량 HourW=중량유량 1000kgHourG=유체의 흐름온도에 있어서 비중

FL=무차원의 압력회복계수

FF=임계압력비

FP=밸브 입출구 연결배관의 수정계수

FLP=연결배관의 영향을 포함한 압력회복계수

FR=레이놀즈 보정계수 (계산결과 1000ltRelt33000 이면 09 로 가정하여 계산)P1=밸브 입구압력 baraP2=밸브 출구압력 baraPv=유체의 포화증기압 bara1bar=102 kgv=동정성계스 centi-stokeFd=밸브 종류별 보정계수 표 3200-1 참조

CD=밸브 연결배관에 대한 상대 유량계수(CvD2 여기서 D= 연결배관의 호칭직경 inch)Kc=(P1-P2)(P1-Pv) 케비테이션 인덱스

3210 밸브에서의 후라싱 계산

밸브 출구의 압력이 유체 운전온도의 포화증기압 이하로 되는 경우에는 후라싱 현상(용어 정의 참조)이 발생한다 이 경우 운전온도 및 압력에 따라 액체의 일부는 증기(Vapor)화 되는데 증기화되는

정도를 후라싱 비율이라고 한다 일반적으로 후라싱 흐름일 경우에는 밸브내에서 비체적이 팽창함에

따라 출구 유속이 급격하게 증가되므로 밸브 출구는 밸브의 호칭직경 보다 크게 하는 것이

바람직하다 다음은 후라싱 흐름에 있어서 Cv 를 계산하는 식이다여기서 Q=액체의 체적유량(Hr) w=질량유량(kgHr) Gf=배르 입구측 유체의 비중

r1=밸브 입구측 유체의 비중량(kg)후라싱 비율은 유체(액체)의 전체흐름에서 얼마만큼 기화(Vapor)되었는가를 로 보여주는 것으로

후라싱 비율이 클수록 밸브 출구에서의 후라싱 속도는 빨라지게 된다 일반적으로 물과 증기의 경우 전체 질량 유량 대비 증기로 얼마(몇 )만큼 변환되었는가를 무게비 χ 로 표시하면

로 표시할수 있으며 χ 는 다음과 같이 구한다 여기서 hf1= 입구 온도에 있어서 포화액체의 엔탈피

hf2=출구압력에 있어서 포화액체의 엔탈피

hfg2=출구압력에서의 증발엔탈피

후라싱 속도의 계산

여기서 w=유량(lbhr)Vf2=출구압력에서의 포화액체의 비체적(ft3lb)vg2=출구압력에서의 포화증기의 비체적(ft3lb)A=밸브 출구의 유로 단면적(inch2)3300 가스 시스템에 있어서 제어밸브의 유량계수 Cv 계산

Cv=Qn2080FpP1Yradic(MT1ZP1)PCv=Qn387FpP1Yradic(MT1ZP1)PCv=Qn2080FpP1Yradic(MT1Z)FkXTCv=Qn387FpP1Yradic(GT1Z)FkXTCv=Qn2080FpFRP1Yradic(MT1ZP1)P

Cv=Qn387FpFRP1Yradic(GT1ZP1)PCv=밸브 유량계수

Qn=가스의 유량계수(NHour)P1=밸브의 입구압력(kgf)P2=밸브의 출구압력(kgf)

P=밸브에서의 차압(kgf)X=차압비

XT=포화 차압비 XT=084 FL2G=공기에 대한 가스의 비중

M=가스의 분자량

FP=밸브 입출구 연겨배관의 수정계수

T1=밸브 입구의 절대온도(K)Y=팽창계수 10geYge0667=1-X(3FKXT)Z=압축계수(완전가스 Z=10 범위 Z=05~15)K=비열비

Fk=k14 비열비 계수

3400 Cv 계산에 대한 예제

3410 FCI(Flow Control Institute)식에 의한 액체의 경우

유체조건을 다음과 같이 가정한다Q max = 15m3hQ min = 5 m3hP1 max = 5kgcm2 GP1 min = 8kgcm2 G P max = 1 kgfcm2 P mix = 2 kgfcm2Gf=095Cv max = 117QradicGf P=11715radic0951=171Cv miN = 117 QradicGfP=233420 FCI(Flow Control Institute)식에 의한 기체의 경우

유체조건을 하기와 같이 가정한다V=1600 N m3hP1=805 kgfcm2P2=60 kgfcm2Gg= 45T1=293KP(=20kgfcm2)는 05P1(40kgfcm2)보다 적기 때문에 임계상태가 아니다 따라서 FCI 계산식에 상기 수치를 대입해서 Cv 치를 구한다

3430 ISA(Instrument Society of America)식에 의한 후라싱(Flashing)유체조건을 다음과 같이 가정한다Q=20 m3hP1=805 kgfcm2 absPv=67 kgfcm2 absT1= 325F(163)Gf=0904P2=56 kgfcm2 absPc=2244 kgfcm2 abs

밸브의 출구측 압력 P2 와 증기압 Pv 의 위치에서 후라싱이 예상된다 벤츄리형 양글밸브에서 플러그

닫힘 방향으로 유체가 통과한다고 가정하여 FL 치를 3200-1 에서 구한다(1)여기에서 FL=05 를 채용한다(2)우선 PT 를 다음의 식에서 산출한다PT=FL2(P1-FFPv)=FL2[P1-(096-028(3)PT(=0455kgfcm2)는 P(=245kgfcm2)보다 꽤 적기 때문에 쵸크드 흐름(Chocked Flow)영역이다 따라서 다음의 식에서 이 조건에 대한 Cv 치를 계산하면 다음과 같이 된다 =33(계산 Cv 치) 2000 년 11월호 알파와 오메가

제어밸브의 트림

트림은 유체흐름에 직접 접촉하는 밸브의 부품을 총칭하는 것으로써 유체제어 또는 유체 흐름에

의하여 마모되거나 손상될 수 있으며 아울러 교체가 가능한 부품을 트림이라고 한다 제어밸브의

핵심은 결국 트림이며 트림은 제어의 목적에 맞도록 유체흐름을 직접제어하는 부품군인 것이다따라서 트림의 선정에 있어서 가장 중요한 기술적인 요소는 유체가 갖고 있는 다양성(유체의 종류 물리화학적특성 압력유량온도에 수반되는 트림재질의 기계적 성질까지 포함)을 어떻게 잘 제어할 수

있는가의 적용성 문제이다이는 부식침식의 문제와 온도압력의 차이 그리고 운전시간의 문제등을 함께 해결하는 것을 뜻한다 트림선정에 있어서 우선적으로 고려되어야 할 사항은 다음과 같다

① 밸브의 운전상태-간혹 제어 간헐적 제어 연속제어 및 얼마나 계속 운전될 것인가

② 유체의 성질-불순물(고형물질 등)을 포함하고 있는가 유체의 부식특성은 어떤가 온도(초저온 또는

고온) 고청정 유체인가 폭발성 또는 독성가스의 유체인가 등

③ 유체제어 과정에 있어서 케비테이션 또는 후라싱의 발생 가능성

④소음의 규제

⑤ 트림의 서비스 특성-트림의 교체(교환)방법 및 교체 빈도

⑥ 트림에서의 내부 누설 정도-무누설의 트림일 경우 트림구조가 변경될 수 있으며 가격상승의 직접적

요인이 됨

⑦ 유체제어 특성-제어밸브의 게인(Gain)

제어밸브의 트림 구조는 밸브의 종류(글로브밸브 버터플라이밸브 볼밸브 등)에 따라 구조상 큰

특징을 보인다 현재 제어밸브의 트림은 사용하는 유체의 성상과 압력 온도 그리고 밸브에서의

차압의 정도 및 시트에서의 누설등급에 따라 밸브의 종류별로 제한을 받고 있다 볼밸브 버터플라이밸브 및 프러그밸브와 같이 90회전하는 쿼터턴(Quarter Turn)밸브의 경우 밸브에서의

높은 차압 조정이 곤란하고 아울러 시트에서의 시팅구조가 미끄러짐에 의한 슬라이딩 접촉(Sliding Contact)이므로 내누설이 철저히 요구되는 계통에서의 적용은 불가능 하다그러나 일반적인 글로브 밸브에 적용되는 밸브 트림은 매우 다양한 구조로 설계할 수 있다 우선

유량제어 특성에 맞도록 밸브 프러그 또는 케이지(Cage)형상을 기본적인 등비율 특성(Equal Percentage) 선형특성(Linear) 및 급개형특성(Quick Opening)으로 구분하고 있으며 이들 특성을

수정하여 사용하는 경우도 밸브 제작자 별로 많이 있다이들 기본적인 세가지 유량제어특성을 갖는 트림의 구조는 컨투어드 프러그(Contoured Plug) 브이포트(V-Port) 및 특성화된 유로 케이지(Characteriged Flow Cage)가 있다 일반적으로

저압이고 밸브의 최대차단 압력(max Shut off Pressure)이 적으며 밸브 크기가 소형(4이하)일

경우에는 컨투어드 프러그형의 트림을 사용하여도 좋다그러나 밸브에서의 차압이 크게 발생하거나 유체 유동의 유체력(Fluid Flow Inertia Force)이 크게

발생되는 곳에서는 컨투어드 프러그에 안내 가이드로써 케이지를 채택하는 것이 좋다 다음 그림은

미국계기학회(Instrument Society of America ISA)에서 출간한 제어밸브 핸드북에 수록된

유체특성에 따라 설계되는 트림의 형상과 각각의 유량계수 Cr 을 보여주고 있다lt그림 12 참조gt운전압력과 온도가 높고 특히 차압이 큰 경우에는 임계흐름이 될 가능성이 매우 높기 때문에

케비테이션 또는 후라싱의 발생 가능성이 높다 실제로 높은 차압환경에서 운전되는 모든 밸브는

케비테이션 또는 후라싱의 발생으로 특수 설계된 트림이 요구된다후라싱 발생의 경우 밸브 트림에서의 후라싱 방지 방안이 불가능 하기 때문에 밸브 구조 보다는 밸브

트림에서의 후라싱 방지 방안이 불가능 하기 때문에 밸브 구조 보다는 밸브 트림 또는 몸통의

재질등을 보다 강한 재료로 채택한다그러나 케비테이션의 경우 밸브의 트림으로 케비테이션을 저감 또는 억제할 수 있다 모든 제어

밸브회사들은 유체제어에 있어서 유체역학적인 특징들을 고려하여 독자적으로 설계된 트림을 그들의

제어밸브기술 마케팅의 첫째 기술로써 선전하고 있다다음 그림들은 글로브 밸브에 채택되고 있는 고온고압의 내케비테이션(Anti-Cavitation)트림들을

보여주고 있다 lt그림 3~13 참조gt 로브형 제어밸브의 트림선정에 있어서 중점적으로 검토할 항목은

다음과 같다고압운전-강도문제 내침식 재료의 선정 시트에의 내기밀성 유지

고차압운전-내침식 재료의 선정 케비테이션 문제발생(내 케비테이션 트림선정) 스템에서의 강성도

유지 소음(Noise)대책진공운전-시트에서의 내기밀성 유지 금속 벨로우즈에 의한 기밀 유지

고온운전-상용운전온도가 232(450)이상인 경우 고온운전 재료종류에 따른 사용온도 제한 밸브구조의 제한 자켓의 밸브적용

lt트림 재료별 사용온도 제한gt청동 주철 200 이하

주강 300 이하

스텐레스강(SS316)400 이하

마르텐사이트계열(SS420)스텐레스강 45017-4PH 스텐레스강 480 이하

초경합금(텅스텐 카바이드) 650 이하

스텔라이트산화알루미늄 980 이하

인코로이 내열 합금800이하

초저온 운전상용 운전온도가 -100(-150)이하인 경우 초저온 운전 재료 종류에 따른 사용온도

제한 밸브 구조의 제한 콜드박스 또는 진공자켓의 밸브 적용

lt트림 재료별 사용 온도 제한gt구리 청동 황동 오스테나이트 계열 스텐레스 강-268(-450)모넬 하스테로이 -268(-450)마르텐사이트계열 스텐레스강 일반주강-100(-150)주철-17(0)케비테이션 저감 방안

① 밸브 운전 조건(계통 프로세스 운전 조건)의 변경

② 내케비테이션 트림의 선정압력회복이 낮은 밸브선정 높은 KC 및 FL 값을 가진 밸브의 선정 다단계 압력 강하 방식의 트림선정

③ 가스의 투입

④ 밸브 설치 방법의 변경

고점성슬러리 유체 제어- 슬러리(찌꺼기)함유 유체나 고점성 유체의 제어과정에서 원활한 유체

흐름을 갖도록 트림구조를 설계 완전 개방식 앵글밸브 특성 볼 밸브 셀프드레인 밸브 편심형

프러그 밸브 핀치밸브등이 적용된다 2000 년 12월호 알파와 오메가

제어밸브의 트림

다음의 표는 밸브의 대표적인 트림재질 구성으로써 사용조건 사용온도의 범위 사용가능 밸브사이즈

및 사용상의 제한조건을 표로 구성한 것이다제어밸브의 유량 및 레인지어비리티(Rangeability)(1)선형특성(Linear Characteristics)밸브 리프트와 통과 유량이 직접 비례하는 것으로 예를 들어 밸브가 50 리프트이면 전체 유량의

50가 밸브를 통과하게 된다 유체 수위 제어 및 일정한 게인(Gain)을 필요로 하는 유량 제어

목적으로 주로 사용된다(2)등비율특성(Equal Percentage Characteristics)일정한 비율의 스템(Stem)을 이동하였을 경우 이동전 봉과 유량에 대한 스템이동 비율만큼의 유량이

변화하는 것으로 다음과 같은 수식으로 표시될 수 있다dCvdℓ=KCv 즉 Cv=KℓCℓ(단 Cℓ 은 Cv 의 초기값)로 표시되며 Cℓ값 및 K값을 조절함으로써 계통

특성에 맞는 밸브를 선정할 수 있다 주로 계통 압력 강하를 미세하게 조절하기 위한 압력조절

목적으로 사용된다(3)급개형(Quick Opening Characteristics)낮은 스템 이동 부분에서 최대 유량변화 특성을 가진다 대부분 스템이동에 선형적이며 약 30의

밸브를 개방시켰을 경우 총 통과 유량은 전체 유량의 90에 달한다 주로 개폐용이나 자체 구동(Self

Actuated) 제어밸브에 많이 사용한다(4)유량 특성의 선택

계통 설계에 있어서 적절한 밸브 유량 특성은 선택이 중요하다 왜냐하면 밸브 선정시 계통의 특성을

고려한 밸브의 유량 특성은 밸브선정과 매우 밀접한 관계임에도 불구하고 설계자는 밸브의 단순한

기능 즉 유체의 수송 차단 및 조절기능에 의거 설계하기 때문에 실제 운전시 제어상의 문제 제기로

밸브의 선정이 부적절했다는 것을 알게 된다따라서 계통 설계자는 제어 밸브의 크기 및 형상을 선택하는 것이 아니라 제어 밸브의 Cv(밸브 계수) 및 밸브의 유량 특성을 선택하여 설계하는 것이 바람직하다 다음의 [표 234]는 각 계통특성별 밸브

유량 특성의 선택을 요약한 것이다결론적으로 밸브 유량 특성의 선택은 정량적으로 판단하기에는 어려운 것이 사실이나 앞에서 열거한

바와 같이 사용 목적에 따른 유량 특성의 선택 지침은 대략 다음과 같이 요약할 수 있다 즉 등비율 특성을 가진 밸브인 경우 주요 공정에서 계통의 압력 강하를 밸브를 통하여 얻지 못하거나 밸브의 압력 강하가 저유량에서 크고 고유량에서 낮은 경우에 밸브 선택의 지침으로 사용되며 아울러 계통 설계 자료의 부족으로 인하여 밸브를 과대하게 설계할 수밖에 없을 때 이 등비율 특성을 가진

밸브를 선정한다선형 특성을 가진 밸브의 경우는 유체의 흐름이 변화하여 넓은 범위의 유량 측정이 필요하고 계통의

압력 강하량을 밸브를 통하여 알 수 있을 때에 쓰인다(5)레인지어비리티(Rangeability)레인지어비리티는 제어할 수 있는 최소 유량에 대해서 제어할 수 있는 최대 유량비로 정의된다 일반적으로 레인지어비리티는 51(다이아후램 밸브)에서 3001(Throttling 볼밸브)까지 선택할 수

있으나 경험적으로 글로브 밸브의 레인지어비리티는 51sim201 볼 밸브의 레인지어비리티는

301sim501 이다그러나 최근의 특수트림(미로형 트림등)을 사용한 글로브 밸브의 레인지어비리티는 1001 까지도

무난하다 2001 년 1월호 알파와 오메가

(6)누설율

누설율 및 유량특성(Flow Ch-aracteristics)은 밸브 트림(Trim) 즉 프러그 시트 스템 가이드 부싱

(Guide Bushing) 등의 형식을 결정하는 기본 요소이다 ANSI B16104(1976)에는 밸브의 누설율

등급(Leak Class)을 정의하고 있으며 밸브의 닫힘정도(Degree of Shut-off)에 따라 밸브의 가격은

상당히 차이가 난다그러므로 밸브 사양을 작성할 때는 반드시 허용 누설율을 명시함으로써 과도하게 크게 선정된

액츄에이터나 특수 설계를 요하는 밸브를 구매하지 않도록 해야 한다제어밸브의 트림구성에 따른 가격 평가

트림 형식에 따는 누설율(Leak-age Rate)을 [표 7]에 표시하였다 일반적으로 제어밸브의 경우

밸브의 크기별 압력등급별 재질별 사용환경에 따라 밸브가격은 다르게 된다 다음은

미국계측제어공학회에서 경험적으로 밸브의 가격을 비교한 것으로 좋은 참고자료가 될 것이다제어밸브 셋업에 있어서 일반적으로 일어나는 실수

(1)글로브형 제어밸브에 있어서 서비스 조건별 가격 비교(6Prime밸브기준) [표 9참조]

필자의 경험으로 상기 조건에서 가장 큰 가격영향력을 갖는 요소로서는 차압(ΔP)이며 ΔP 와 온도가

높을수록 특수한 트림설계가 요구되므로 밸브트림가격은 기준가격의 10 배까지도 올라갈 수 있다(2)밸브 재질별 가격비교[표 10참조](3)버터플라이 밸브의 라이닝 유무 [표 11참조]제어밸브를 설치하고 실제 운전을 위한 워밍업(Worming up)시에 일반적으로 일어날 수 있는 실수의

사례들을 검토해 보기로 한다 일반적으로 일어날 수 있는 제어밸브 셋업시의 문제는 다음과 같은

사항을 우선 생각하여야 한다 첫째는 셋업 데이터를 잘못 적용하는 사례이고 둘째는 시스템 운전 자료의 변경이나 밸브의

하드웨어의 변경에 따른 충분한 사후 평가 및 대책이 부족한 경우 셋째는 제어밸브를 구성하고 있는

각 구성부품의 기능과 역할을 충분히 숙지하지 못한 경우 넷째로 시스템 운전에 있어서 중점 제어

하여야 할 제어변수(Control Variables)의 지정에 문제가 있는 경우이다 공압식 제어밸브의 경우 이들 문제 중의 상당수가 엑츄에이터에서 자주 경험된다 엑츄에이터의

행정거리 스프링의 초기 압축량 엑츄에이터에 공급되는 공기압력이 제어조건에 모두 잘 맞아야

원활한 운전이 될 수 있다 그러나 실제로 이러한 요인들을 잘 알고 있다고 하여도 일반 현장에서의 사소한 실수는 간혹 매우

심각한 문제를 야기하기도 한다 공압식 제어밸브를 올바르게 셋업하기 위해서는 밸브의 트림과

액츄에이터 그리고 밸브전체의 성능에 영향을 미치는 부품들과 다른 변수에 대하여 확실히 해

두어야 한다 또한 수많은 변수들이 제어밸브의 올바른 셋업에 영향을 주기 때문에 시스템 측면의 운전변수 운전

요구사항 운전 환경 나아가 하나의 작은 제어부품인 리미트 스윗치나 락업밸브(Lock up Valve) 스피드 제어밸브에 이르기까지 하나하나의 구성부품에 대한 올바른 설치 운전을 위한 원리 및 운전

절차서도 충분히 숙지해두어야 하는 것이다 먼저 밸브와 엑츄에이터를 선정하기 전에 제어밸브의 시스템 설계사양에 대하여 충분한 정보와

지식이 있어야 한다 그래야 시스템 설계사양으로부터 밸브의 운전 변수를 갖고 올 수 있으며 특히

밸브의 운전 목적을 확실히 할 수 있다 예를 들어 단순히 운전 데이터만 있는 경우의 제어밸브 선정과

시스템 운전의 제반 운전조건과 목적을 아는 경우의 제어밸브 선정은 그 격을 달리한다 발전소의 히터 드레인 시스템의 경우 간헐적인 조절기능이 있는 제어밸브와 차단밸브로 각각의

시스템을 구성할 수 있지만 단순한 운전 자료만을 가지고는 항상 유량을 제어하는 밸브로 시트

누설등급이 IV 인 밸브로 그리고 운전 모드에 따라 케비테이션과 후라싱이 동시에 생길 수 있는

그야말로 특수의 고가의 트림을 선택하여야 하는 제어밸브로 선정할 수도 있다하지만 이 시스템의 운전기능과 목적을 알고 있다면 제어밸브의 선정은 보다 용이해지고 신뢰도가

높으면서 안정된 가격의 제어밸브를 택할 수 있다 간헐적인 운전의 밸브에 시트 누설이 매우 낮은

등급 V 의 정도의 트림과 더불어 밸브 후단에 희생 오리피스를 장착하거나 또는 밸브의 출구배관을

크게함으로써 시스템의 건전하고 경제적인 운전을 도모할 수 있는 것이다 제어밸브를 선정하기 위해서는 밸브의 입구압력 출구압력 밸브에서의 차압 유체의 온도 유량 그리고 부식침식에 대한 화학적특성 시트의 누설등급 정도 밸브에 동력원이 상실되는 경우에 있어서

밸브의 운전 위치 열고 닫음의 속도 제어의 특성이 모두 고려되어야 한다 또한 제어밸브는 압력 유지부품으로써 운전강도에 대하여 구조적으로 건전하여야 함으로 이에

영향을 받는 밸브의 패킹구조 트림 및 엑츄이에터도 함께 고려하여야 한다 제어밸브의 압력유지

구성품은 밸브의 몸통 본네트 및 본네트 볼트가 일반적으로 해당되고 간혹 프러그가 압력

유지부품으로 간주되는 경우가 있다 밸브의 패킹구조 또한 매우 중요한 제어밸브의 기술적인 부품으로써 시스템의 운전환경에 대해

다양한 형태의 패킹 구조가 도입되어 있다 제어밸브의 트림은 유체의 건전한 제어를 실질적으로

수행하는 핵심으로 운전조건에 따라 제어목적에 따라 그리고 유지 보수의 편의에 따라 또한 매우

다양한 형태가 선택된다무엇보다도 제어밸브의 핵심적인 설계변수는 밸브의 입구압력 출구압력 유체 온도 유량 및 개폐

모드 및 시간이다 본네트 및 패킹의 설계변수는 각기 다른 밸브재질과 설계 형태에 따라 달라지는데 패킹 링의 수량 스템의 표면 가공 정밀도 밸브조립시의 응력 분포 스템에의 윤활 여부 스템

조립시의 직진도와 밸브 조립시의 기능의 정도가 본네트 및 패킹의 설계에 직접적인 영향을 미친다 특히 패킹의 경우 패킹의 재질 형태 및 씰링의 신뢰성등을 고려하면 제어밸브의 셋업에 상당한

영향을 준다 패킹을 얼마나 조이는가에 따라 스템의 운전 부하가 달라지고 과도한 부하(많이 조여서)일 경우 제어밸브의 스템은 헌팅(스템이 부드럽게 운동하지 못하고 덜거덕 거리면서 운동함)이

일어나고 심한 경우 제어가 안될 수도 있다 트림설계의 경우에는 매우 다양한 종류의 트림들이 밸브 여러 회사마다 독특한 디자인으로 소개되어

있다 트림은 기존의 어떤 회사의 브랜드 이미지 보다는 철저하게 시스템의 운전 목적에 합당한

것이어야 하며 그 성능은 밸브별로 각각 평가 보증되어야 한다 트림의 스타일은 바란스 트림(Balance Trim) 언바란스 트림(Unbalance Trim) 파이롯트형

탠덤트림(Pilot Operated Tandem Trim)이 있고 이들 트림은 언바란스면적 씰링 마찰력 파이롯트 밸브 스프링의 힘 트림의 재질 및 트림의 시트 내누설 정도에 따라 액츄에이터의 성능에

영향을 준다 액츄에이터는 피스톤형 다이아후람형 레버 조작형등이 있으며 액츄에이터의 설계변수는 스프링의

초기 압축력 스프링의 상수 작동 공기의 압력 행정 길이 밸브 안전위치(Failure Mode) 액츄에이터의 취부 방향 크기 작동환경 행정에 소요되는 시간 및 액츄에이터의 설계형태 등이다 올바른 액츄에이터를 선정하기 위해서는 우선적으로 동력원인 압축공기가 손실되었을 때 요구되는

안전위치를 정해 두는 것이 좋다 다음은 액츄에이터 및 트림의 형식별 동력원 손실시의 작동

방향이다 [표 12참조]공기작동식 제어밸브에서 가장 잘 일어나는 셋업의 실수는 벤치셋(Bench Set)이다 벤치셋은

엑츄에이터내에 일정한 공기압력에 다달으면 엑츄에이터가 움직이기 시작하는 하는 데 이 때의

공기압력을 설정하는 것을 벤치셋이라고 한다 계산에 근거한 벤치셋 공기압력은 실제의 시스템에 투입되어 운전하고 있는 밸브의 벤치셋과는 다른

값을 가진다 시스템에 투입된 경우에는 패킹의 마찰력 트림의 총 무게 파이롯트 밸브의 스프링

힘 그리고 시스템 운전 압력이 모두 고려되어야 한다 실제적인 밸브의 보증은 시스템에 밸브가

설치된 후 건전하게 운전됨을 확인한 후에 밸브의 보증은 이뤄져야 한다 따라서 밸브를 제작자로부터 인도 받은 후 보관 및 설치가 건전하게 절차에 따라 이루어지고 밸브

제작사의 입회 하에 시스템 운전과 병행하는 커미션닝(Commissioning)이 완료된 후부터 실질적인

밸브 보증은 이뤄지게 되는 것이다 일반적으로 제어밸브의 사용자 불만은 밸브 시트에서의 누설 밸브 운전 중 부드럽지 못한 동작 시트에서의 디스크나 프러그의 고착(Sticking) 비정상적인 행정(Stroke) 시간과 구성 부품의 손상

등이 주된 불만사항 들이다 이들 불만사항 들을 원인별로 정리하면 다음과 같은 요인들에 의한다 트림의 마모 공기 공급체계의 문제 포지션너나 컨버터 등의 제어요소 문제 시스템에서 불순물 침입

셋업의 잘못 액츄에이터 구성 부품의 손상 패킹 문제 부적합한 부품의 사용 등이 이들 요인들이다 다음의 예들은 제어밸브의 셋업에서 일어 난 사례를 정리한 것이다 lt사례gt 밸브제작자는 밸브를 구체적으로 사양을 정하기 전에 어떤 시스템에서 어떻게 운전하는

밸브인가를 먼저 확인하여야 한다 시스템의 운전 환경과 조건을 충분히 숙지하고 다음과 같은 절차에

따라 밸브를 선정한다A 시스템 운전 환경 조건 및 요구사항을 정함1 운전조건 [표 13참조]B 트림의 설계변수는 다음과 같다 프러그설계 언바란스

프러그 언바란스 면적의 계산 UA = 1227 inch스템의 언바란스 면적의 계산 SA = 0442 inch프러그 직경 PD = 125 inch스템 직경 SD = 075inch트림의 재질 SS410 스텐레스강

프러그 작동 직동(Direct 밸브 Open 스템 운동 방향 a 액츄에이터)밸브의 유체 흐름 방향 시트하부로부터

시트 내누설 요구사항 Class IVC 엑츄에이터의 설계변수는 다음과 같다밸브 안전위치 공기압 상실 시 밸브 열림

행정길이(스트로크) S = 10 inch공기압력원 AP = 60 psig최소 시트 접촉력 CL = 120 lbf정상시의 시트 접촉력 CL = 0047(PD)(DP+1000)=0047(125)(2200) = 1293 lbfD 적용되는 본네트패킹의 설계변수는 다음과 같다패킹 재질 팽창흑연 패킹

패킹 링의 수 5 개

패킹 형태 사각형 성형 패킹

패킹에 작용하는 하중의 형태 정적(Static)패킹의 밀도 90lbfft패킹 윤활여부 없음

최소 허용 패킹 응력강도 PS = 1500psi정상 운전 시의 패킹 마찰력 PF = 03(SD)(PP) = 030751500 = 3375E 해 석

유체흐름이 밸브 시트 아래에서 위로 흐르고 언바란스 트림인 경우 밸브 완전 닫힘에서 스템 을

작동시키는 데 필요한 힘은 SFC(Stem Force to Close) = P1(UA)-P2(UA-SA)-PA(SA)+PF+CL= 14151227-215(1227-0442)-150442+3375+1293= 20276 lbfSFO(Stem Force to Open) = 3375 lbf( = PF) 이 경우 밸브 내부의 압력이 작용하지 않고 단지

패킹의 마찰력만이 작용한다 이 값은 엑츄에이터의 초기 스프링 압축량으로 환산되어야 한다F 엑츄에이터의 선정

앞서의 선정 과정을 거쳐 실제 적용할 엑츄에이터로서 다이아후람 단면적이 AA = 60(inch)이고

스프링 상수 R = 1000 lbfinch 인 엑츄에이터를 선정하였다 따라서 엑츄에이터의 벤치셋 스프링

초기 압축압력 BS(psig) 은 BS = PF60 = 337560 = 56 psig 60psig 밸브를 완전히 닫기 위한

스프링 압축압력 AC(psig) 는 AC = [AABS+RS+SFC] 60 = [606+10001+20276]60 = 565 a 60 psigG 액츄에이터에 60 psig 의 구동압력으로 무부하상태의 밸브를 닫았을 때 시트에서의 응력을

검토해야 한다 먼저 시트에 작용하는 시트하중을 구하면 시트 하중 SL(lbf) = AAAP - SR - BSAA - PF = 6060-11000-660-3375 = 19025 lbf시트 응력 SS(psi) = SL(003PD314) = 19025 (003125314) = 1615 psi OKlt 문제점 분석 - 시나리오 1 gt상기 사례에서 선정된 밸브에 라이브 로디드 스템 패킹(Live Loaded Stem Packing)을 채택하였다 새로운 패킹을 삽입한 후의 패킹 마찰력은 600lbf 로 증가될 것으로 판단되었으나 엑츄에이터의

스프링 초기 압축력은 변경하지 않았다 새로운 패킹으로 교체한 경우의 예상 초기 벤치셋은 BS = PFAA = 60060 = 10psig 가 되어

초기의 56psig 보다도 높은데도 불구하고 벤치셋을 수정하지 않은 상태로 운전에 들어 간 결과 반년

후 고객으로부터 밸브 시트에서의 누설이 심하다는 불만사항을 접수 밸브를 분해하여 검토한 결과

시트 표면의 손상이 발견되었다 실제 운전시의 벤치셋을 평가하기 위하여 밸브 닫힘시의 공기

구동압력을 다시 계산하면

AC = (AABS+RS+SFC)60 = 605 psigAP = 580 psig(실제 공급되는 공기압)따라서 부족한 시팅력은 150lbf(= AA(AC-AP) = 60(605-580) = 150 lbf)가 되었다 결론적으로 라이브 로딩 패킹의 채택에 따른 벤치셋을 제대로 하지 않았기 때문에 시트 누설 방지를

위한 최소한의 접촉력인 1293 lbf 가 확보되지 못하여 시트에서의 지속적 누설에 의한 시트 기밀

구조의 파괴에 의하여 문제가 생긴 것으로 판단되었다 해결책은 구동 공기의 압력을 60 psig 에서 70 psig 로 높이고 벤치셋을 다시 점검한다lt문제점 분석 - 시나리오 2gt밸브 진단 장치를 가지고 밸브의 다이아후람 공기압력 대비 밸브의 개도 위치 관계를 밸브를 개폐하면서 기록하여 보았다 기록의 결과는 닫을 때의 다이아후람 공기압력은 밸브를 열 때의

공기압력 보다 11psig 정도 높았다 이러한 결과는 스템 패킹의 과도한 조임에 의하여 생기는 것으로써 이 패킹의 마찰력 차이는 PF = 110AA2 = 1106002 = 330 lbf 로 판단되었다 또한

기록서는 또한 다이아후람의 압력이 60 psig 일 때 닫히기 시작했으며 밸브가 완전히 열리기 전에

다이아후람의 공기압력은 0 psig 가 되었다 이는 엑츄에이터의 벤치 셋이 패킹 마찰력 330 lbf 때문에 다시 조정되어야 함을 보여 주는 것이다 패킹의 추가 조임에 따라 패킹 마찰력이 증가되는 만큼 엑츄에이터의 초기 공기압력은 재조정 즉

벤치셋의 값을 증가 시켜야 하는 것이다 lt결론gt이러한 과정-시나리오를 통하여 본 밸브는 장기간 신뢰성 있는 운전을 보장할 수 있다 즉 운전에

영향을 주는 제반 변수들을 완전히 이해하는 것이 무엇보다 중요한 것이다lt가혹 운전용 밸브의 판정 점검 포인트gt(1) 밸브 입출구의 압력차가 1000psi 이상인 경우

(2) 운전온도가 800 이상인 경우

(3) 케비테이션이 존재하는 조건

(4) 후라싱이 발생하고 후라싱 유체의 유속이 30000 feetminute 를 넘는 경우

(5) 시스템 운전 부하의 변동폭과 횟수가 많아 빈번한 운전을 요구하는 경우

(6) 긴급 운전을 요구하는 경우

(7) 이상유체(Two Phase Flow) 또는 혼합 유체(Mixed Flow)의 운전

lt가혹 운전용 밸브에서 흔히 발생될 수 있는 문제점gt(1) 잘못 선정된 트림 유량특성 형식 또는 과대 사이즈된 결과로 시스템 제어가 잘 안됨

(2) 트림 형식을 잘못 선정하거나 인슐레이션의 부적절로 인한 과도한 소음 또는 진동

(3) 불충분한 엑츄에이터 추력으로 인한 시트의 흠집 또는 와이어드로우잉

(4) 엑츄에이터의 축 정렬 잘못에 의한 시트 누설

(5) 부적절한 배관 세정(Flushing)으로 인한 이물질의 트림내 침입과 이로 인한 시트 누설

(6) 부적절한 트림선정이나 설치 잘못으로 인한 패킹 씰 구조의 파괴

(7) 부적절한 트림재질 선정 또는 경도의 부족으로 인한 고착 또는 긁힘(Galling)(8) 트림 부품의 가공 정밀도 문제로 인한 축 정렬 문제 - 고착 또는 긁힘 발생

(9) 부적절한 트림 형식의 선택 밸브에서의 과도한 압력 강하 또는 적은 사이즈 엑츄에이터의 선정에

의하여 시팅 시 밸브 스템이 점핑하는 현상

(10) 잘못된 시스템 운전 조건에 의한 밸브 트림 선정 불충분한 추력의 엑츄에이터 선정으로 인하여

낮은 개도(10 미만)에서의 운전과 이로 인한 시트의 내누설 구조의 파괴

(11) 가혹한 시스템 운전 조건하에서 케비테이션에 견딜 수 없는 부적절한 트림의 선택

(12) 가혹한 진동 축 정렬 잘못 스템 강도의 부족으로 인한 스템의 굽힘이나 파단의 문제

(13) 시스템의 압력 변동 배관계 설계 잘못으로 인한 진동의 요인 혼합유체의 제어 또는 불충분한

추력의 엑츄에이터 선정으로 인하여 밸브 스템이 춤을 추는 현상 등

2001 년 2월호 알파와 오메가

이번호에서는 제어밸브에 대한 엔지니어링을 기존 발전소에 설치된 밸브를 중심으로 실예를 들어

설명하기로 한다 이 설명에는 제어밸브의 ISA 계산법칙에 따른 계산서를 첨부하여 이를 참고로

평가를 하여야 하나 지면 관계상 이를 생략하고 다음호에서는 제어밸브의 엔지니어링을 발전소를

중심으로 하는 실제 시스템 측면에서 검토하기로 한다 이 검토를 끝낸 후에 제어밸브의 구동장치

설계 선정 및 엔지니어링 계산방법을 기고할 계획이다 실전 예제 - 제어밸브 선정자료의 검토

발전소 주증기 및 주증기 바이패스 계통 콥스-발칸사 제어밸브 선정 자료 검토 보고서(Control Valve Engineering Report of Main Steam amp Bypass System in Power Plant)주증기 드레인 밸브 LCV-14

1제어밸브 최초 설치 조건

(1)제어밸브 구매자 제작사 United Technologies CVI JOB NO91-34285-10(2)Original Control Valve Sizing Condition [표 1참조](3)신규로 시스템 운전에 근접하게 운전조건을 가정하여 밸브의 설계조건으로 함 [표 2참조]

2기능

본 제어밸브는 고압증기배관에 생기는 응축수를 증기트랩을 통하여 계속 방출하기 어려울 정도로

다량의 응축수가 생겼을 경우 MS-14-LSH 의 시그널에 의하여 이들 응축수를 복수기로 방출하는데

사용되는 ON-OFF 용 제어밸브이다

3 운전

4 문제점 및 대책

(1) 문제점 현상

현재의 문제점은 밸브 차단 시 디스크가 들리는 듯한 현상으로 계속 유체가 누설되는 현상이 발생되는

점인데 이는 실제 구동부가 약하여 입구측 압력에 의해 구동부의 스프링이 들리는 것으로도 보일 수

있다 (2) 문제의 원인

문제의 근본적인 원인은 최초 제어밸브의 발주 시 운전 데이터가 전무한 상태로 밸브의 사이즈와 압력

등급(Pressure Tempera- ture Rating)만 제시하고 구매 설치한 것 때문이다 즉 계통특성에

맞도록 제어밸브를 엔지니어링하여 제어밸브를 선정했다면 이런 문제는 발생되지 않았을 것이다계통 특성상 본 제어밸브는 주증기관에 생기는 응축수를 복수기로 방출하는 역할이므로 밸브가 열려

운전하는 상태에서는 후라싱 현상을 피할 수 없다 따라서 후라싱이 게속 진행되어 왔다면 현재의

프러그 조절형(Plug Throttle)트림의 침식현상은 아울러 피할 수 없다 침식 누적으로 인한 유체의

과도한 누설(Passing)은 외부적으로 구동부의 힘이 약하여 발생되는 것으로 인식될 수 있다(3) 문제의 분석평가

앞서 1(3)에서와 같이 기존의 밸브 데이터 시트를 참조하여 역으로 밸브 사이즈와 트림내용만 같고

복수기로 방출되는 응축수의 드레인 량을 최소 시간당 4톤에서 12톤까지 넣어 밸브를 사이징 한

결과 모든 조건에서 후라싱은 피할 수 없으며 밸브가 차단되어 있을 때 밸브의 차단 압력은

입구압력의 15 배(여유를 충분히 고려)로 하여 구동부 사이즈를 검토한 결과 차단용 제어밸브로서의

구동부 크기는 60inch 로써 현재의 구동부로도 충분하게 차단할 수 있는 것으로 판단된다후라싱 서비스용 트림으로써 프러그 조절형 트림은 적절하지 않으며 특히 유체의 유로가 밸브 디스크

하부에서 상부로 흐를 때(under the web)는 특히 후라싱 서비스에서는 적합한 밸브의 유로 방향

선택이 아니다밸브의 출구 후단은 적어도 2단계로 배관이 확관 되어야 고속 유체 흐름에 의한 배관의

침식을 완화 시킬 수 있다(4) 대책정기 보수 시 본 밸브를 해체하여 침식여부를 확인하고 침식의 진행정도에 따라 후라싱(Flashing)용

트림(후라싱 현상에도 트림이 견딜 수 있는)으로 교체한다 현재의 밸브설치 위치와 복수기와의

거리를 측정하여 거리가 멀리 떨어져(5m 이상) 있다면 밸브를 가능한 한 복수기에 가깝도록 이전

설치를 검토한다 아울러 밸브의 출구 배관이 현 계통도에는 1Prime로 되어 있는 바 발전소 유지보수의

경제성 측면에서 적어도 25Prime로 확관하거나 복수기 전단에 레스트릭션 오리피스(Restriction Orifice)를 설치하여 고가의 밸브 보수로 인한 경제적 부담을 완화시킨다 밸브제작사의 공인 서비스

업체에 전반적인 진단을 의뢰한다주증기 바이패스 압력제어 밸브 PCV-151 제어밸브 최초 설치 조건

(1) 제어밸브 구매자 제작사 United Technologies CVI JOB NO91-34285-10(2)Original Control Valve Sizing Condition [표 3참조](3) 신규로 시스템 운전에 근접하게 운전조건을 가정 [표 4참조]2 기능

본 제어밸브는 고압증기의 터빈 바이패스 배관의 주 제어밸브의 릴리이프 밸브로써 바이패스의

증기량이 급격히 증대되거나 주 제어밸브가 운전 불능일 때 증기를 바이패스 하는데 ON-OFF 용도로

사용된다 3 문제점 및 대책

(1) 문제점 현상

현재의 문제점은 밸브 차단 시 디스크가 들리는 듯한 현상으로 계속 유체가 누설되는 현상이 발생되는

점인데 이는 실제 구동부가 약하여 입구측 압력에 의해 구동부의 스프링이 들리는 것으로도 보일 수

있다 (2) 문제 원인

문제의 근본적인 원인은 최초 제어밸브의 발주 시 운전 데이터상 ON-OFF 밸브이기 때문에 증기의

유속을 무시하고 배관 사이즈대로 3Prime의 밸브를 선정하였음 그러나 운전 조건상 입구압력(P1)이

760psia 정도로써 유량 계수는 Cv=110 를 초과하여 운전하는 것이 현재의 운전 상태임 현재 운전

조건 하에서의 유속은 6214 msec 로써 우려할 만한 유속이나 차단용 제어밸브이기 때문에 적용이

가능함

그러나 실제 설치된 밸브의 Cv값은 Cv=97 로써 현 운전조건에 비하여 작은 용량의 밸브를 사용하고

있는 것임 또한 제작사 United Technologies 가 최대 용량으로 밸브를 선정했기 때문에

제어밸브로서는 거의 적용되지 않는 다이아후람의 공기압력을 80psig(56kgcm)을 요구하여

운전토록 하고 있는바 그간의 운전실적으로 보아 스프링의 시효 감소로 구동부의 스프링이 들릴

가능성이 매우 높음 따라서 문제는 밸브의 용량 부족과 더불어 구동부의 크기가 작게 선정된 것이 본

밸브 문제의 근본 원인이라 판단됨

(3) 문제의 분석평가

제어밸브 데이터시트 PCV-15 에서 보는 바와 같이 실제 운전 조건과 최초 선정된 데이터로 사이징 한

결과 밸브가 열릴 때의 소음이 매우 크며(약 110 dBa 이상)밸브가 차단되어 있을 때 밸브의 차단은

오직 구동부의 스프링 힘에 의해서만 차단되도록 되고 있으나 이때의 공기압 압력이 완전 차단에

미치지 못하고 있을 가능성이 있으며 밸브의 요구 유량을 원활하게 차단개방하기 위해서는 구동부의

크기(용량)가 적어도 260inch 로 기존 설치된 160inch 의 것보다 훨씬 큰 사이즈의 구동부를 필요로

하는 것으로 분석됨(4) 대책정기 보수 시 본 밸브를 해체하여 침식여부를 확인하고 침식의 진행정도에 따라 밸브의 트림을

보수한다현재의 운전 모드를 계속 사용하는 조건이라면 본 밸브의 다이아후람 구동부의 크기를

현재의 160 inch 에서 260 inch 의 모델로 교체 설치한다밸브제작사의 공인 서비스 업체에 전반적인

진단을 의뢰한다주증기 바이패스 압력제어밸브 PCV-201 제어밸브 최초 설치 조건

(1) 제어밸브 구매자 제작사 United Technologies CVI JOB NO91-34285-10

(2)Original Control Valve Sizing Condition [표 5참조]신규로 시스템 운전에 근접하게 운전조건을 가정 [표 6참조]2 기능

본 제어밸브는 고압 증기 바이패스 배관의 고압 증기 유량을 제어하는 밸브이다 3 문제점 및 대책

(1) 문제점 현상

(2) 문제 원인

(3) 문제의 분석평가

새로 계산된 밸브 데이터 시트에서 보는 바와 같이 현재 설치되어 있는 밸브의 운전 조건으로 보아 더

많은 유량 더 높은 고압증기의 유입에도 본 밸브는 적절하게 운전되는 밸브로 선정되어 있다 운전

특성상 특별한 문제점이 밸브의 선정상 발생할 소지는 없다(4) 대책정기 보수 시 본 밸브를 해체하여 침식여부를 확인하고 침식의 진행정도에 트림을 보수한다주증기 방출 제어밸브 PCV-321 제어밸브 최초 설치 조건

(1) 제어밸브 구매자 제작사 United Technologies CVI JOB NO91-34285-10 (2)Original Control Valve Sizing Condition [표 7참조](3) 신규로 시스템 운전에 근접하게 운전조건을 가정 [표 8참조]2 기능

본 제어밸브는 HRSG 의 고압증기를 복수기로 바이패스 하는데 사용되는 제어밸브이다 3 문제점 및 대책

(1) 문제점 현상

현재 예상되는 문제점은 밸브가 운전할 때 증기의 유속이 비교적 빠름으로 인하여 생기는 소음문제를

예상할 수 있으며 특히 낮은 개도도로 운전 시 시트부위의 침식으로 인한 누설 가능성이 높은 점이다

(2) 문제의 분석평가

제어밸브 데이터시트에서 보는 바와 같이 실제 운전 조건과 최초 선정된 데이터로 사이징 한 결과

현재의 다이아후람 구동부는 160 inch 로써 실제 운전 조건대로 계산 선정되는 100 inch 보다 큰

구동부 임으로 밸브 구동력에는 아무런 문제점이 없다그러나 고속의 증기를 제어하는 밸브이기

때문에 소음 문제와 더불어 시트 부위의 침식(장기간 사용시) 문제가 예상됨으로 주기적으로 트림을

점검하여 손상 유무를 확인하여야 할 것임 (3) 대책정기 보수 시 본 밸브를 해체하여 침식여부를 확인하고 침식의 진행정도에 따라 밸브 트림의 보수

여부를 결정한다제작사의 공인 서비스 업체에 전반적인 진단을 의뢰한다 2001 년 3월호 알파와 오메가

밸브 디수퍼히터 냉각수 제어밸브 TCV-3743 1제어밸브 최초 설치 조건

(1)제어밸브 구매자 제작사 United TechnologiesCVI JOB NO91-34285-10(2)Original Control Valve Sizing Condition [표 1참조]

(3)신규로 시스템 운전에 근접하게 운전조건을 가정 [표 2참조]2 기능

본 제어밸브는 고압 증기 바이패스 배관의 증기 토출 온도를 제어하기 위해 사용되는 디수퍼히터의

냉각수 제어밸브이다3 문제점 및 대책

(1) 문제점 현상

현재 제어밸브의 운전조건은 케비테이션이 발생하는 조건이므로 이를 방지하기 위하여 케스케이드

트림을 채택하고 있다 따라서 운전 조건상 케비테이션이 있는 밸브이므로 주기적인 점검이 필요한

밸브이다(2)문제의 분석평가

새로 계산된 밸브 데이터 시트에서 보는 바와 같이 현재 설치되어있는 밸브의 운전조건으로 보아

케비테이션이 발생하고 있으나 내 케비테이션 (Anti-Cavitation) 트림인 케스케이드(Cascade) 트림을 채택하고 있어 케비테이션에 의한 심각한 문제는 발생하지 않을 것이다 아울러 운전 특성상

케비테이션외에 다른 특별한 문제점이 밸브의 선정상 발생할 소지는 없는 것으로 판단된다(3) 대책정기 보수 시 본 밸브를 해체하여 침식여부를 확인하고 침식의 진행정도에 트림을 보수한다 케스케이드 트림은 주기적으로 교체한다밸브 디수퍼히터 냉각수 제어밸브 TCV-37A43A1제어밸브 최초 설치 조건

(1)제어밸브 구매자 제작사 United TechnologiesCVI JOB NO91-34285-10(2)Original Control Valve Sizing Condition [표 3참조](3)신규로 시스템 운전에 근접하게 운전조건을 가정 [표 4참조]2 기능

본 제어밸브는 고압 증기 바이패스 배관의 증기 토출 온도를 제어하기 위해 사용되는 디수퍼히터용

냉각수 분사목적의 제어밸브이다3 문제점 및 대책

(1) 문제점 현상

현재의 문제점은 실제 운전 조건과 설치된 밸브의 선정 조건간에 입구압력이 현재 약 54kgcm2 으로

밸브 구매 시 사용된 200psia(약 14kgcm2)보다 월등히 크고 따라서 밸브의 구동장치 크기를

결정하는 완전차단(Shut-off) 운전조건이 크게 차이가 나는 현상이 발생했다 이에 따라 밸브가 닫혀

있어도 밸브 디스크가 들린 상태이기 때문에 근본적으로 밸브 역할을 하지 못하게 되는 것이다 또한

차단 시 약간 들린 상태로 운전함에 의해 밸브의 트림이 크게 침식되는 우려가 있다(2) 문제 원인

문제의 근본 원인은 최초 밸브의 선정 데이터가 잘못되었거나 또는 운전 모드를 다르게 하여

운전하는 결과로 볼 수 있다(3) 문제의 분석평가

본 밸브는 근본적으로 구동부의 선정이 현 운전조건에 비하여 너무 작게 선정되었기 때문에 구동부의

크기를 현재의 100 inch2 에서 160 inch2 의 것으로 바꾸어야 하며 현재 운전조건하의 밸브

유량계수는 Cv = 103 밸브개도율 7 ~10로 매우 작아 밸브가 낮은 개도에서 운전함으로써

제어성능이 떨어지고 밸브 트림의 침식 등 손상 가능성이 매우 높다 따라서 현 운전조건 상태 하에서

밸브의 크기를 바꾸지 않는 조건이라면 밸브의 트림을 적어도 2~3단계이상 줄여서 밸브 트림을

개조하는 것도 좋은 방법이라 평가된다(4) 대책lt1 안gt 밸브를 교체하지 않는다면 밸브 다이아후람 구동부를 현재의 100 inch2 에서 160 inch2 로

교체한다 이 경우 트림사이즈를 밸브 트림의 원활한 제어범위(적어도 40이상의 개도에서

운전되도록)에 맞는 트림으로 교체하여야 한다lt2 안gt 밸브의 다이아후람 구동부를 교체하지 않고 현재의 밸브 3rdquo(80mm)-4port 트림을

1rdquo(25mm)-4port 의 작은 트림 사이즈로 엔지니어링하여 교체한다 정기 보수 시 본 밸브를 해체하여

침식여부를 확인하고 침식의 진행정도에 트림을 보수한다 - 이 밸브의 경우 개보수 작업 시

제작사의 전문적인 조언이 필요하다1 미니멈 흘로우 배관 및 밸브가 설치되는 이유

일반적으로 보일러 급수 펌프는 전형적인 고에너지(높은 압력 높은 온도) 수송용 펌프로써 펌핑작용에 의해 발생되는 전체 에너지 중에서 어느 정도는 열로 변환된다 발전소 기동시 시스템은 보일러가 아직 완전 부하로 되지 않아 많은 급수량을 필요로 하지 않는다 따라서 급수 펌프는 토출 유량이 펌프의 성능곡선상의 적정 유량으로 운전되지 않고 펌프의 최소

흐름상에 가깝게 운전하게 된다 이때 펌프의 토출 압력은 급격히 증대하면서 펌프내의 온도가 상승하여 펌프내의 케비테이션이나

급격한 압력 상승으로 펌프 구조 자체를 손상시킬 수 있다 이러한 현상의 발생을 시스템적으로 예방하기 위한 조치로써 펌프에 미니멈 흘로우 배관을 설치하고 펌프의 운전 부하에 따라 미니멈 흘로우의 유량을 제어하여 펌프의 정격 압력을 유지시키고 펌프

보호를 위하여 미니멈 흘로우 유량을 탈기기 탈기기 저장탱크 또는 복수기로 재순환 시키는 것이다 2 미니멈 흘로우 배관 시스템의 전형적인 운전

-보일러 급수 펌프가 운전을 시작하면 미니멈 흘로우 밸브는 열리고 급수 또는 시동용 급수 배관의

제어밸브는 닫힌다

-미니멈 흘로우 배관 시스템을 통한 초기 펌프의 정상 운전준비(Warm up)가 끝나면 급수 제어밸브는

서서히 열린다

-급수 펌프의 10~25 용량까지 급수량이 증대되면 미니멈 흘로우 밸브는 닫히기 시작한다 대부분의 경우 급수량 기준 출력이 일정량(설계에 따라 다르지만 일반적으로 30~40)에 다다르면

미니멈 흘로우 밸브는 닫힌다

-미니멈 흘로우 밸브가 닫힌 후 급수 시스템 유량이 펌프의 정격 유량의 25 이하까지 떨어지면 펌프에서의 급격한 압력 상승 및 온도 상승에 대비하여 미니멈 흘로우 밸브는 열린다

-따라서 통상적으로 미니멈 흘로우 밸브는 시스템 운전 기간 중 90~95 정도는 완전히 닫힌 상태로

운전한다

-따라서 이러한 운전 모드를 분석하면 미니멈 흘로우 밸브는 발전소내의 어떠한 밸브 보다도 높은

차압 하에서 운전하는 밸브이다3 미니멈 흘로우 밸브의 시스템 구성

-밸브 자체를 시스템 부하에 따라 유량 제어밸브로 하는 경우 한전의 500 만 KW 급 규모이상의 대용량

발전소 주로 채택

-밸브를 단순히 개폐용으로만 하고 높은 차압을 밸브 후단에 오리피스로 해결하는 경우 포스코 광양

발전소와 같이 출력이 150~300 만 KW 급의 중소형 발전소 채택

-밸브를 설치하지 않고 오리피스로만 해결하는 경우 소형 보일러일 경우만 채택

2001 년 4월호 알파와 오메가

4 운전 데이터

1) 제어밸브 [표 1참조]

2) 감압용 오리피스 [표 2참조]A 기존 오리피스제작사(펌프제작사)에서 설계제작 데이터 기준

오리피스의 설계제작은 펌프제작사에서 수행한 것으로 판단되며 설계차압은 펌프의 최대 압력에

기준한 것으로 탈기기의 압력이 통상적으로 5kgcmg 로 예상되고 탈기기까지의 관로 압력 손실을

고려한다면 오리피스 출구의 압력은 적어도 6kgcmg 내외가 되는 것으로 판단하여 입구압력은 약

1874kgcmg 로 가정한다

B 실제 운전 조건 [표 3참조]정상 출력시 급수량이 330000kgHour임으로 출력이 33일 경우에 미니멈 흘로우 밸브상으로는

110000kgHour 가 흐르게 된다5 분석 및 대책

1) 기존 오리피스의 현상 및문제점

A) 기존의 오리피스는 전형적인 다단 오리피스로써 고강도의 마르텐사이트 계열의 스텐레스 강판에

여러 개의 구멍을 내어 필요로 하는 압력차를 갖게 하였다

그러나 다단의 오리피스를 감압용으로 사용하는 경우 오리피스 판과 판 사이에는 케비테이션의

방지책으로 적정의 거리를 유지하여야 하고 구멍을 통한 고속의 유체 흐름으로 인한 침식(구멍의

마모)현상과 이에 따른 구멍의 크기 증대로 인하여 감압성능은 사용연수에 따라 크게 떨어진다

아울러 초기 설계의 유량이 많고(실운전 110th 설계 124th) 설계 차압이 실제 운전과 상당한

차이를 보이는 것으로 판단하여 실제 운전 차압은 상당히 낮아진 것으로 판단한다B) 미니멈 흘로우 배관 시스템의 운전 특성상 실제 운전유량은 설계유량인 124h 로 일정하게

운전하는 것이 아니고 운전 초기의 부하가 정상 운전 부하에 근접하거나 또는 정지 시에는 상당

시간을 설계유량보다 상당히 적은 유량으로 운전하게 됨으로 이 오리피스는 유량 변화에 따른 감압을

대부분 미니멈 흘로우 밸브에 전가함으로 미니멈 흘로우 밸브에는 케비테이션이 발생하게 된다

이때 발생한 케비테이션으로 인한 밸브의 시트 손상은 정상 운전 시에도 계속적인 높은 차압 하에서

강도 높은 누설을 일으키므로 미니멈 흘로우 밸브는 매우 심각한 손상을 입게 되는 것이다 2) 개선 방안 및 대책

A) 미니멈 흘로우 밸브의 시트 누설 등급을 높힌다

B) 오리피스는 유량변화에 부응하는 가변 오리피스를 채택한다 붙임의 개선된 오리피스는 유량의

변화에 따라 오리피스의 개도가 변하는 것으로 시스템의 운전 부하에 비례하게 운전함으로 미니멈

흘로우 밸브의 압력 부하를 일정하게 하여준다

C) 오리피스는 장시간 운전하여도 오리피스 구멍이 구조적으로 잘 마모되지 않는 속도제어식 미로형

오리피스를 채택한다

D) 오리피스는 구조적으로 교환이 가능한 구조로 설계하여 점검 및 교환이 가능하게 하여 미니멈

흘로우 밸브의 안전성을 확보한다주급수펌프 재순환 제어밸브 및 시스템 요구사항

(Boiler Feedpump Recirculation Control Valve and System Requirements)1서론

일반적으로 보일러 급수펌프는 전형적인 고에너지(압력이 높고 온도도 높은) 수송용 펌프로써 펌핑작용에 의해 발생되는 전체 에너지 중에서 어느 정도는 열로 변환한다펌프의 토출 유량이 펌프 성능곡선(Pump Performance Curve)상의 적정 유량으로 운전되지 않고 최소흐름(Minimum Flow Line)선에 가깝게 흐르게 되면 펌프의 토출압력은 급격히 증대하면서

상당한 열이 펌프에 발생하게 된다이러한 현상은 케비테이션이나 급격한 압력 상승으로 인하여 펌프 자체의 구조를 손상시킬 수 있다 따라서 이러한 현상의 발생을 시스템적으로 예방하기 위하여 그림 1 과 같이 펌프 토출 배관측에

최소흐름배관(Minimum Flow Line)을 설치한다이 최소 흐름 배관은

-펌프의 최대 정격 압력(Full Discharge Pressure of the Pump)

-펌프의 보호를 위한 최소 흐름량을 탈기기 탈기기 저장탱크 또는 복수기로 재 순환 (Recirculate the minimum flow rate to Deaerator Deaerator Storage Tank or Condenser to Protect the pump)시켜야 한다보일러 급수 펌프를 초기 운전 시에는 보일러가 아직 완전 부하로 되지 않았기 때문에 보일러 급수

펌프 제어밸브로는 이러한 펌프의 급수압력을 적절히 제어 할 수 없다예전의 소형 보일러의 경우에는 이러한 재순환 배관에 오리피스를 설치하여 급수 펌프를 보호하고 시스템을 안정화했는데 이러한 경우에는 보일러가 정상 가동 시에도 일부의 급수가 계속 재순환 되어

전체적인 시스템 효울이 떨어지는 방법을 채택했지만 지금은 모든 보일러 급수펌프에는 재순환

배관이 설치되어 있으며 정상 운전 시에는 이 배관으로 급수가 전혀 흐르지 않는 구조로 되어 있어

열효율이 매우 높다이와 같은 시스템의 목적하에서 급수 펌프의 재순환 배관의 전형적인 운전 모드는 급수 펌프의 토출

배관이 설치되어 있는 유량 압력 온도계기에 의해 다음과 같은 모드로 운전하게 된다

-보일러 급수 펌프가 운전을 시작하면 미니멈 홀로우 밸브는 열리고 급수 또는 시동용 급수 배관의

제어밸브는 닫힌다

-재순환배관 시스템을 통한 초기 펌프의 준비(Warm-up)가 끝나면 급수 제어밸브는 서서히 열리게

된다

-급수펌프의 10~25 용량까지 급수량이 증대되면 재순환배관의 밸브(이하 미니멈 홀로우 밸브 Minimum Flow Control Valve or Recirculation Valve)는 닫히기 시작한다

-미니멈 홀로우 밸브가 닫힌 후 급수 시스템이 펌프의 25이하까지 떨어지면 펌프에서의 급격한

압력상승 및 온도 상승에 대비하여 미니멈 홀로우 밸브는 열리도록 되어 있다

-따라서 미니멈 홀로우 밸브는 정상적인 시스템운전 시 90~95 정도가 닫혀 있는 상태로

운전한다이러한 운전 모드를 분석하면 보일러 급수펌프의 미니멈 홀로우 밸브는 발전소의 어떠한

밸브보다도 가장 높은 차압을 가지게 되는 밸브로써 분류된다2 유체의 압력 강하와 이에 따른 밸브에서의 유체역학적 특징

미니멈 흘로우 밸브에 있어서 입구의 압력은 적어도 1500~6000psig(105 ~420 barg)에 있으며 출구의 압력은 200psig(14barg)이하의 탈기기 압력이나 복수기의 진공상태의 압력상태로 떨어진다 따라서 재순환 배관시스템이 운전하게 되면 밸브 포트에서의 베나콘트렉타(Vena Contracta)까지는

압력이 떨어지면서 유속은 급격히 증속된다이후 베나콘트렉타를 통과한 유체는 다시금 압력이 회복되면서 유속 또한 감소된다 일련의 이러한

과정은 그림 2 를 참조한다 이 과정 중에서 가장 큰 영향을 미치는 것은 유체의 온도이다 만약 유체의

흐름에 있어서 유체압력의 저하 정도가 그 온도에서의 유체의 포화증기압(Vapor Pressure)보다도

더 떨어질 경우 밸브에는 여러 가지 문제가 생기게 된다 그림 3 에서와 같이 유체압력의 저하에 따른

문제점을 설명하면 다음과 같다- 그림 3-1 정상 운전

밸브를 동한 유체 흐름에 있어서 밸브에서 생기는 최저 압력저하 지점이 유체의 포화증기압보다 높은

곳에 있다-그림 3-2 후라싱(Flashing)밸브에서 생기는 최저 압력 저하 지점이 유체의 포화 증기압보다 낮게 형성되어 운전되는 상태 액체와 증기상태의 이상유동(Two Phase Flow)일 때 증기가 주로 체적을 증대시키고 따라서 출구의

유속은 빨라진다-그림 3-3 케비테이션(Cavitation)일단 유체의 포화증기압 이하로 떨어졌다가 다시금 유체의 포화증기압 이상으로 압력이 회복된다 이러한 케비테이션 과정 중 밸브 트림은 매우 강한 충격압력파(10000psia)가 발생하고 따라서

진동 소음의 문제와 더불어 밸브의 내부부품(트림Trim)을 손상시킨다 붙임 A 의 밸브이해를 위한

밸브 유체역학 기초를 참조한다 2001 년 5월호 알파와 오메가

2 유체의 압력 강하와 이에 따른 밸브에서의 유 체역학적 특징

보일러 급수펌프의 재순환배관 시스템의 구성에 있어서는 일반적으로 두가지 방법이 사용된다

하나는 비례제어식이나 ON-OFF 식의 미니멈 흘로우 밸브를 이용하는 방법이고 다른 하나는 밸브와

함께 적절하게 선정된 압력 강화용 오리피스(Restriction Orifice)를 함께 사용하는 것이다

오리피스를 함께 쓰는 경우에는 ON-OFF 미니멈 흘로우 밸브에 케비테이션이 생기지 않을 정도로

압력 강하를 시키고 나머지 시스템에서 요구하는 압력저하는 오리피스를 통하여 이루는 것이다 그러나 이 경우 오리피스가 있는 배관시스템에 급격한 후압력(Back Pressure)를 제공해야 하므로

밸브는 신속한 동작으로 개폐가 이뤄져야 한다

오리피스를 재택하고 있는 미니멈 흘로우 밸브 시스템은 소형의 보일러 급수 시스템에 매우

경제적이고 효과적인 재순환 배관 시스템으로 권장된다 그러나 규모가 큰 보일러 급수 펌프의 미니멈

흘로우 밸브 시스템에는 이러한 방법 보다는 전체 급수 시스템과 연동되는 비례제어식의 미니멈

흘로우 밸브 시스템으로 구성하여야 한다 이에 대하여 구체적보면 다음과 같다

이 미니멈 흘로우 밸브 시스템에는 급수량에 비례하여 재순환수의 유량이 비례 제어로 조절되고

급수량이 감소함에 따라 재순환수의 유량은 증가된다 따라서 급수 펌프의 건전한 운전에 맞는

유량만큼 이 미니멈 흘로우 밸브가 흐르도록 해주기 때문에 상당한 에너지를 절감할수 있으며 ON-OFF 식의 이 미니멈 흘로우 밸브와 같이 밸브가 급격히 열림에 따른 시스템의 불안전성을 제거할 수

있는 좋은 시스템이다

그러나 이 비례제어식의 미니멈 흘로우 밸브 시스템은 상당한 기간동안 낮은 개도로 운전하게 되면

역시 많은 문제점 특히 케비테이션에 의한 밸브 손상이 생길 수 있다 예을 들어 500Mwe 급의

발전소에서 정상적인 운전시 미니멈 흘로우 밸브는 완전히 닫혀 있지만 전력 소비량이 적은 밤

시간대에는 50Mwe 급으로 운전할 수 있는데 이 경우 미니멈 흘로우 밸브는 낮은 개도로 계속

운전해야 되므로 밸브 시트표면에 지속적인 케비테이션이나 와이어 드로우잉(Wire Drawing) 또는

높은 유속에 의한 시트 마모가 발생한다

이러한 문제를 예방하기 위해서는 10 ~ 20 미만의 밸브 개도에서는 밸브가 급속히 닫힐 수

있도록 하고 닫힌 후에는 완전한 무누설의 시팅구조는 물론 가능한 모든 방법을 동원하여 시트를

보호하는 구조이어야 한다

제어방법으로는 비례제어 스킴(Sheme)에 따라 리미트 스윗치 솔레노이드를 이용한 프로그래밍으로

컴퓨터 제어도 가능하다

3 급수펌프 재순환 배관 시스템의 구성

보일러 급수펌프의 재순환배관의 구성형식은 복수기로 직접 방출하는 방식과 탈기기 또는 탈기기

저장탱크로의 방출방식 두 가지가 있다

(1) 복수기로 직접 방출복수기로 재순환수를 직접 방출하는 경우 복수기의 압력이 대기압 이하의

약한 진공 상태이기 때문에 미니멈 홀로우 밸브에서는 필연적인 후라싱이 발생한다 따라서 후라싱의

정도를 저감하는 방법으로 복수기에 연결되는 재순환배관 계통에 레스트릭션 오리피스나 디퓨저

플레이트(Diffuser Plate) 또는 스파져(Sparger)를 배관 후단에 설치하여 후라싱 강도를 낮춰야

한다

만약 ON-OFF 식 미니멈 홀로우 밸브를 사용한 경우에는 밸브의 개폐를 신속히 함으로써 후라싱에

의한 문제 강도를 낮출 수 있지만 근본적인 대책은 아니다 아울러 압력강하 장치를 사용하여 밸브

후단의 후압력을 높였다 하더라도 밸브의 운전은 상당히 좁은 범위에서 운전하게 됨으로 모든

운전조건하의 유량에 능동적으로 대응할 수가 없다

디퓨져나 스파져는 가능한한 복수기 자체 또는 복수기와 아주 근접한 곳에 설치해야 한다 왜냐하면

어차피 발생할 수 밖에 없는 후라싱을 상대적으로 대용량인 복수기 내부의 공간 속이나 디퓨저

플레이트로 감당하게 하는 것이다 정도의 차이는 크지만 급수가열기의 히터 드레인 시스템의

제어밸브의 경우에도 이와 유사하다

(2) 탈기기로 방출탈기기로의 방출은 탈기기의 운전압력이 대략 50sim200psig(35sim14 barg)임으로

보일러 급수 시스템으로 보아 포화증기압보다 높아 후라싱은 발생하지 않아 별도의 압력강하장치는

일반적으로 설치하지 않는다

또한 미니멈 흘로우 밸브는 터어빈 아랫쪽의 주급수펌프의 근처에 설치되고 탈기기는 상당히 높은

위치의 먼거리에 설치되어 있음으로 배관계통의 유체저항으로 인한 후압력도 상당하기 때문에

실질적으로 추가의 압력강하장치는 큰 효과가 없다 따라서 이 경우에는 케비테이션이 주요

문제점으로 대두된다붙임 B 는 현재 우리나라의 500MWe 급 화력발전소의 미니멈 흘로우 밸브(CCI-DRAG Trim amp CVI-HUSH Trim)의 사양서 및 크기선정 데이터들이다

(3)비교경제성으로 비교할 때 복수기로 직접 방출하는 것이 관련 배관계통의 짧고 구성이 용이하여

경제성이 있는 것으로 판단된다

그러나 상대적으로 탈기기로의 방출은 압력강하장치 등이 없으며 가혹한 후라싱 조건을 피할 수

있으며 탈기기 위치보다 낮은 위치에 있음으로 토출 배관측에 항상 물이 채워져 있어 즉각적으로

운전에 투입될 수 있어 시스템 운전 측면에서 보다 안정적인 운전을 도모할 수 있다

4 미니멈 흘로우 밸브의 조건

보일러 급수 펌프 재순환배관 시스템에서 밸브가 1800psi(126bar)이상의 차압을 갖고 운전하는

경우 다음과 같은 문제점이 예측된다 따라서 미니멈 흘로우 밸브는 이들 문제에 견딜 수 있도록 설계 제작되고 운전되어야 한다

(1)압력저하에 따른 케비테이션 후라싱 발생에 대하여 이들 현상에 충분히 견딜 수 있는 밸브 구조를

가져야 한다

(2)배관시스템의 운전에는 항상 불순물들이 개재될 수 밖에 없으며 불순물이 개재 된다는 전제하에

밸브가 건전하게 운전할 수 있는 방안을 강구하여야 한다 불순물들이 밸브 내부인 트림 부품 속에

개재되면 프러그와 케이지의 미소 간격내에서 경도가 약한 부품 속으로 침투하여 칼로 긁은 듯한

흠집을 내기도 하며 심각한 경우 밸브 스템의 조절작용(Stroking)을 방해하거나 고장나게 한다

또한 이들 불순물 중의 작은 것 하나라도 시트부위에 걸리면 이 흠집 난 곳을 통하여 와이어

드로우잉을 만들고 이 와이어 드로우잉을 통하여 심각한 케비테이션으로 진행하게 된다

(3)미니멈 흘로우 밸브의 운전 중에 시트에서의 미세한 누설로 인한 와이어 드로우잉의 발생과 이로

인하여 발생되는 트림 손상에 대비하여 정상 운전 시에는 미니멈 흘로우 밸브의 시트 누설이

허용되어서는 안 된다 또한 정상 운전 시에 보일러로 급수 되어야 할 에너지가 탈기기로 바이패스

한다면 시스템 운전 효율상에도 큰 문제인 것이다

특히 초임계압 발전소(Super Critical Unit)의 경우 피크 출력과 재순환배관의 흐름(누설로 인한)은

직접적인 연관이 되므로 자연적인 출력 효율의 감소가 발생한다 예로써 500MWe 급의 발전소에서

80000pph(36240kghour 약 초당 10 리터)의 누설이 있다고 하면 밸브의 트림에서는 와이어

드로우잉을 진전시키면서 아울러 약 4Mwe 정도의 출력(약 08)이 누설로 인하여 도둑을 맡고 있는

것이다

(4)미니멈 흘로우 밸브의 수명기간 중 항상 무누설의 시팅 구조를 가져야 한다 일반적인 밸브는 운전

초기에는 거의 완벽한 시팅 구조를 갖고 있다가도 몇번의 보수 점검으로 인하여 정확한 시팅 구조를

유지하기 어렵기 때문에 결국 시트에서의 누설 문제가 발생되는 것이다

이러한 문제는 결국 재순환배관의 운전 효율에 문제점으로 계속 작용하는 것이다 따라서 밸브의 수명

기간 중 어떠한 보수 점검을 하더라도 항상 무누설의 시팅 구조를 갖는 밸브를 선정하는 것이 절대

바람직 하다

5 케비테이션 방지

보일러 급수 펌프의 재순환배관 시스템과 같이 운전 조건상 밸브에서의 압력제어량이 케비테이션을

피할 수 없는 현상이라면 시스템의 건전한 운전을 도모하고 제어의 정확도를 계속 유지하기 위해서는

밸브 내부에서 케비테이션이 발생하지 않도록 특수하게 설계된 엔티-케비테이션 트림(Anti-Cavitation)을 사용하여야 한다

이러한 트림으로는 크게 분류하여 다단 압력 제어 방식(Pressure Staging Trim Design)과 압력

프로화일식(Pressure Profile Con-cept 그림 4)감압방법과 속도 프로화일식(Velocity Control Profile Concept 그림 5)이 있다 다단 압력 제어방식으로는 COPES-VULCAN 의 CASCADE 트림

(그림 6) MASONEILAN 사의 XMAS TREE(그림 7)등이 대표적이고 압력 프로화일식으로는

COPES-VULCAN 사의 HUSH 트림(그림 8) YARWAY 사의 TURBO CASCADE 트림(그림 9) FISHER 사의 WHISPER Ⅲ(그림 10) CAVITROL Ⅲ(그림 11)amp Ⅳ MASONEILAN社의 VRT(79000 그림 12)amp 78000 시리즈 트림(그림 13) VALTEK社의 MEGASTREAM 트림(그림 14) INTROL社의 HF 트림(그림 15)등이 있다2001 년 6월호 알파와 오메가

속도 프로화일식으로는 CCI 사의 DRAG 트림[그림 16] COPES-VULCAN 사의 RAVEN 트림[그림

17] VALTEK 사의 TIGERTOOTH 트림[그림 18] 등이 있다 압력 프로화일식 감압구조의 밸브에서

케비테이션의 발생을 판단하는 식은 다음과 같다

ΔPcav = Kd(P1-Pv) 여기서 ΔPcav = 케비테이션이 일어날 수 있는 압력강하량(차압) Kd = 케비테이션 계수 P1 = 밸브 입구 압력 Pv = 유체의 포화 증기압

6 밸브의 시팅

밸브의 시팅 구조는 표면 경도가 비슷한 금속간의 접촉으로 시팅하는 메탈시트(Metal Seat)와 경도가

높은 프러그와 경도가 낮은 유연한 물질간의 접촉으로 시팅하는 소프트시트(Soft Seat)가 있다 [그림

19] 와 같은 메탈 시트에 있어서 프러그와 시트와의 접촉은 선 접촉에 근사한 아주 좁은 밴드로

접촉하여 기밀을 유지한다

그러나 내 기밀 등급이 높아질수록 메탈시트의 접촉은 아무리 잘 가공되고 다듬질이 되었다 하더라도

[그림 20] 과 같이 시트 조인트에서 누설이 될 수 있는 경로가 생기게 된다이 누설을 최소화하기

위해서는 구동부의 추력을 충분히 증대시켜 누설 경로를 차단하여야 한다

그러나 360 원주 방향을 따라 균일한 힘으로 프러그와 시트가 접촉되는 것은 밸브 구조상 현실적으로

거의 불가능한 일이다 메탈 시트 구조에 있어 한번의 시트 누설은 높은 밸브 차압으로 인하여 와이어

드로우잉을 거쳐 케비테이션으로 진행될 수 있으며 그 진행 속도도 매우 빠르다

1800psig 을 넘는 높은 차압의 운전 환경 하에서는 시트를 스텔라이트(Stellite)와 같은 경질의

내마모성 재료로 하드 훼이싱(Hard-facing) 하였다 할지라도 이와같은 침식(Erosion) 현상에 견딜수

있는 재료는 아직까지 개발되어 있지 않다

아울러 이상에 가까울 정도의 프러그시트의 완벽한 축정렬 또한 실제로 얻어질 수 없는 상태이며 운전시 소음 진동에 의한 시트구조의 안전성 또한 시트 누설에 영향을 주게됨으로 메탈시트에 의한

완벽한 시트의 기밀 유지는 불가능한 것이다 반면에 [그림 21]과 같은 소프트 시팅 구조에 있어서는

시트를 탄력성이 높고 내마모성이 높은 재질로 선택하기 때문에 반복적인 시팅에도 완벽한 기밀을

유지할 수 있으며축정렬과 같은 문제에도 능동적으로 기밀을 유지할 수 있다

소프트 시트는 그림에서 보는 바와 같이 시트링 속에 삽입되어 있음으로 유체흐름에 영향을 거의 받지

않는다 [그림 22]는 높은 차압에 의한 가혹한 침식환경에 능동적으로 대처할 수 있는 보다 개선된

트림으로 두 단계의 시팅 구조로 이루어진 소프트 시트 트림이다

이 트림의 인너 프러그(Inner Plug)는 스프링과 가이드로써 주 프러그(Main Plug)에 연결되어

있으며 밸브의 닫힘 시 인너 프러그가 먼저 시팅을 하고 몇 초가 지난 후에 주 프러그가 소프트

시트에 안착함으로 가혹한 유체 흐름에 있어서 시트링의 소프트 시트를 보호하여 무누설의 장시간

운전을 보장하고 더불어 열림 시에도 인너 프러그가 순간적인 가혹한 유체 흐름을 완화시켜 준

다음에 주 프러그가 열리게 되므로써 부드러운 운전이 가능해 진다

7 프러그 밸런스

재순환배관 시스템은 고도한 차압 발생으로 인하여 프러그에 작용하는 힘의 바란스가 매우 중요한

설계 포인트가 된다 [그림 23]에서 보는 바와 같이 밸브 트림은 프러그 내에 바란스 구멍이 뚫려 있어

입구 측의 압력 P1 이 프러그 상부에도 같이 작용하게 되므로 바란스 구멍이 없는 프러그에 비하여

월등히 작은 힘으로 운전이 가능하여 구동부의 크기를 줄일 수 있고 아울러 경제적인 밸브 선정이

되는 것이다

예로써 3의 프러그가 바란스 프러그(트림)으로 되어 있을 경우 5000psig 의 입구 압력 100psig의 출구압력 상태에서 구동부의 힘은 대략 4000 파운드이나 바란스 구멍이 없는 언바란스 프러그

(트림)일 경우에는 약 35000 파운드가 소요된다

8 불순물의 혼입 문제

미니멈 홀로우 밸브의 손상 문제 중 가장 심각한 문제는 밸브가 닫힐 때 딱딱한 불순물이 시트면에

침입하여 시트의 기밀 구조를 손상시키는 일이다 대부분 배관 시스템 내에 혼재될 수 있는 불순물들

가운데 시트면이나 스템의 슬라이딩면 또는 프러그와 케이지의 습동면을 손상 시킬 수 있는

불순물의 크기는 대략 직경이 006(15mm) 이상이고 경도는 시트면이나 밸브의 슬라이딩 부의

경도보다 높아 이들 부위에 끼어 들어 심각한 긁힘을 일으키며 심각한 경우 동작 불능에 까지 이르게

한다

이들 불순물들의 종류로는 파이프 스케일 용접 프래그 펌프의 데브리스(Debris)등인데 이들이

문제를 일으키는 때는 시스템이 정지되었다가 다시 가동 할 때 또는 시스템을 보수한 후의 기동 할

때이다 [그림 24] 는 이러한 불순물들을 근본적으로 잡아주는 스트레이나를 밸브 트림과 일체화한

것이다

9 결론

결론적으로 보일러 급수 펌프의 재순환배관 시스템의 미니멈 흘로우 밸브는 다음과 같은 요건에

합당하여야 한다케비네이션으로부터 밸브를 보호하고 무누설 시트를 유지하여야만 하며 무누설

시트로 계속 유지되어야만 하는 동시에 불순물의 혼입으로부터 계통이 보호되도록 하여야 한다 [그림 25] 는 상기의 요구조건을 충실하게 만족할 수 있는 월등한 미니멈 흘로우 밸브이다

[출처] 밸브에 대해서 (1 탄 ) |작성자 독수리 정래짱