밸브의 누설을 고려한 취급

[라 훈]

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 이뤄진다.

아울러 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)이다.

글랜드 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 CCA의 요구사항, 그리고 사용자 그룹의 요구로 조만간 패킹 또는 가스켓으로부터의 누설량은 엄격한 규제를 받게 될 것으로 예상된다.
따라서 패킹으로부터의 외부누설을 가능한 한 최소화하는 기술의 확보와 더불어 밸브의 패킹이나 가스켓과 같은 밀봉부문의 취급을 어떻게 하여야 할 것인가가 세밀하게 검토되어야 한다.

예로써, 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 한다.

더욱이 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 있다.

밸브 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 90°회전 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 한다.

이러한 현상은 주로 제어밸브로 80%이상 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 많다.

유체역학적 현상에 의해 발생되는 밸브 트림의 씰링구조 손상문제는 전체 시스템에 대한 계통 및 밸브의 역할을 엔지니어링하여 시스템 및 밸브 트림의 설계에 반영함으로써 완화시킬 수 있다.

이 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 요약한다.

·체크밸브에서의 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 같다.
체크밸브의 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 것이다.

그러나 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 것이다.

이들 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 한다.

다음의 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 손상이다.
이중 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.