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목 차 1. 개요 2.발전소용 밸브 종류 가. 용도에 따른 분류 나. 구동원에 따른 분류 다. 밸브 각부 명칭 3. 밸브 종류별 특징 4. 주요 문제점과 대책 가. Gate & Globe Valve 나. Control Valve Cavitation 다. 모타 구동 밸브(MOV) 라. 솔레노이드 밸브(SOV)
1. 개 요 밸브는 파이프 및 튜브와 같은 밀폐된 관내를 흐르는 유체를 차단 및 개방 또는 유량 조절을 하는 기기이다. 모든 밸브에서는 유체의 압력 손실이 발생하지만 이상적인 밸브는 완전 개방시동일한 길 이의 파이프 이상으로 압력 손실을 일으키지 않아야 하고 완전폐쇄시는 조금의 누설도 없 어야 한다. 또한 접속 배관으로부터 전달되는 힘에 의한 뒤틀림 등도 완전히 견딜수 있어 야 하고 유체의 동력학적 영향, 온도, 압력강하, 진동, 부식 미세한 입자에 의한 침식 및 유체 흐름속의 이물질에 의한 손상등도 견디어 내야 한다. 그러나 현실적으로는 이와 같 은 이상적인 밸브 성능을 갖기가 어려우므로, 설계자나 사용자는 성능이나 비용면을 고려 하여 적절히 선택 사용해야 하며 밸브의 유사고장을 줄이기 위해서는 구입, 설치, 정비, 조작 및 신기술 적용까지 보다 체계적으로 접근할 필요가 있다. 2. 발전소용 밸브종류 가. 용도에 따른 분류 1) 개폐용 : Gate Valve (Wedge Type) 2) 조절용 : Glove Valve (Cage Type) 3) 조절과 개폐 겸용 : Butterfly Valve, Ball Valve 4) 역유동 방지용 : Check Valve (Swing Type, lift Valve) 5) 유동 방향 변경용 : Multiport Valve, Diverting Valve 6) 방출용 : Relief Valve, Safety Valve 나. 구동원에 따른 분류 1) Manual Valve 2)Moter Operated Valve(MOV) 3) Diaphragm Valve(AOV) 4) Solenoid Valve(SOV) 다. 밸브 각부 명칭 1) Disc(Plug) : 유체 유동에 직접적으로 영향을 미치며 움직이는 부분 2) Seat : Discr와의 접촉으로 유체의 흐름을 차단하며, 움직이지 않는 부분 3) Port : 유체가 흐를수 있는 내부의 최대 열림으로 밸브가 완전히 열린 상태 4) Stem : Disc를 움직이는 구동부로 수동이나 구동원에 의해 자동으로 열림. 위로 상승하는 것과 회전만하고 상승하지 않는 것(Ring Stem)이 있다. Ring Stem 은 외측나사형과 내측나사형이 있으며, 외측나사형은 Bonnet 위에 Yoke가 있다. 5) Bonnet : Stem을 고정시켜 주는 것으로 보통 몸체에 나사나 볼트로 고정된다. 6) Body : 밸브크기는 몸체 끝단의 크리로 나타내며, 플랜지나 용접으로 배관과 연결된다. 7) Seal : Stem과 Bonnet 사이는 패킹과 밀봉장치로 내부 유체가 외부로 유출되는것을 방지한다. Bonnet과 몸체 사이에는 가스켓을 넣어 밀봉한다. 외부 나사와 Yoke 형식의 고압용 밸브에는 Pressure Seal로 계통의 압력을 이용하여 밀봉한다.
3. 밸브 종류별 특징 가. Gate Valve 1) 유체 통로를 Disc에 의해 수직 차단하는 구조 2) 전개시 압력 손실이 매우 적다 3) 유체의 흐름을 개방 또는 차단용 4) 밸브 개도에 따라 유체의 흐름은 비선형적으로 증가 5) 부분 개방시 유체의 흐름 저항에 의한 진동과 와류 발생으로 Disc와 Seat의 마모 초래(유량조절용으로 사용치 않음)
나. Globe Valve 1) Disc가 Seat에 직각 방향으로 작동되는 구조 2) 입구와 출구의 중심선이 일직선상에 있어 유체의 흐름은 S자 모양 3) Disc와 Seatring 사이의 고리 모양(Annular Space) 공간에서 단계적으로 좁혀지므로 유량 조절 밸브로 사용 다. Check Valve 1) Swing Check Valve 가) 유체의 흐름이 Disc를 Open시키는 방향으로 흐름 나) 역류 발생시 Disc가 닫힘 다) Disc Open 상태에서 유체의 흐름 저항이 적으므로 적은 압력 손실이 요구되는 계통에 사용됨 2) Lift Check Valve 가) 구조가 Globe Valve와 비슷 나) 플러그 티스크는 스템위에 있는 슬라이드 레일을 따라 자유로이 움직일 수 있는 구조 라. Ball Valve 1) 유체의 흐름을 신속하게 차단 및 개방하기 위해 사용 2) Plug는 테이퍼 또는 원통모양 3) 90° 회전으로 차단 및 개방 마. Butterfly Valve 1) 유체 흐름의 차단, 개방, 유량조절 목적에 사용 2) 완전 Open 상태에서 저항이 적어 압력 손실이 매우 적다 3) 완전 Close 상태에서 누설이 거의 없다 4) 가격이 싸고 유지 정비가 쉽다
5) 순환수 계통 등 저압 계통에 주로 사용된다 바. Diaphragm Valve 1) 탄력있는 고무재질을 견고한 Seat에 밀착시켜 유체의 흐름을 차단 2) 물처리 계통 및 금속 접촉으로 오염될 수 있는 부식성 유체에 사용 3) 이물질 포함된 폐수 계통에도 사용됨
사. Relief & Safety Valve 1) 유체의 과도한 압력 상승을 방지하여 기기의 손상을 방지
아. Control Valve 1) 구동방식 가) 공기식 나) 전기식 다) 전자 유압식 라) 수동식 2) 공기식 구동장치 가) 격판(Diaphragm)구동 장치 나) Piston 구동장치 3) Diaphragm Actuator의 특징 가) 정방향 구동방식 (Direct-Acting Diaphragm) - 압력실의 공기 압력이 상승되면 구동축이 Casing 외부로 밀려 나옴 나) 역방향 구동방식 (Reverse-Acting Diaphragm) - 압력실의 공기 압력 상승 시 구동축이 Casing 내부로 밀려 들어감 다) 조작력은 스프링 힘과 공기압력이 작용하는 격판 힘과 차이다 라) 소형 구동장치를 정,역 방향으로 쉽게 바꾸어 조립할 수 있다 마) 격판의 크기는 욕디는 조작력과 공급되는 공기 압력에 의해서 결정
바) 간단하고 호환성이 있으며, 경제적이다 4) 공기식 Control Valve 구성 요소의 기능 가) Diaphragm - 공기의 압력 변화에 따른 변위가 Stem의 위치를 변화시킨다 나) Actuator Spring - Yoke 속의 Spring은 Diaphragm힘의 반대 방향으로 작용 - Diaphragm 힘과 Spring 힘의 차가 Stem의 위치를 결정 다) Actuator Stem - Diaphragm의 운동량 을 Valve Plug에 전달 라) Diaphragm Casing - 상부 및 하부 압력실 로되며, Diaphragm을 보호하며 압력실에 공급되는 공기 압력은 Diaphragm을 이동 시킨다 마) Spring Adjuster - Spring의 압축력을 조정하는 기계요소 바) Stem Connector - Actuator Stem과 Plug Stem을 연결
사) Cage - Seat Ring을 고정시키고, Plug의 운동을 일직선이 되게 안내하며 유량 조절용 Hole이 있음 - Cage Hole(Orifice) * 유체의 통로로 구멍의 크기와 갯수를 적절 히 조합하면 유량 특성을 조절할 수 있다 * 소음과 캐비테이션을 방지하기 위해서는 작은 구멍을 다수 설치하여 에너지를 분산 시킨다. 단 작은 구멍은 막히기 쉬우므로 주의할것 아) Plug - Cage 내에서 상하 운동을 하면서 유량을 조절 - Balancing Hole * 플러그의 상부와 하부의 압력을 같게 하기 위하여 플러그 상하로 관통된 구멍으로 상류 유동이나, 하류 유동에 관계없이 미세한 유량조절이 용이하며 엑튜에이터도 작아진다 ※ 유동방향 - 하류유동 : 유체가 케이지 외부에서 내부로 흐르는 경우로 기포 억제에는 유리하나, 교축시 플러그와 시트 사이에 벤튜리 현상으로 밸브가 급격히 닫혀 시트가 손상될 우려가 있다. - 상류유동 : 유체가 케이지 내부에서 외부로 흐르는 경우로 미세한 유량조절이 용이하고 밸브가 부드럽게 닫혀 시트 손상은 적으나 유체가 위로 미는 힘 때문에 엑튜에이터가 커진다. 4. 주요 문제점과 대책
가. Gate & Globe Valve 1) Packing Chamber Leak 스템이나 그랜드 주위의 Packing Chambe에서 누설이 발생되면 그랜드 볼트를 조여도 소용이 없으므로 다음사항을 고려하여 점검한다. 가) 노후된 패킹은 교체한다 나) 그랜드 볼트가 끝까지 조여져 있으면 새로운 패킹으로 교체한다 다) 규격에 맞는 패킹을 사용하였는지 확인한다 라) 스템이 스크렛치, 마모, 테이퍼, 굽힘등으로 변형된 것은 스템을 교체한다 마) 그랜드가 챔버에 걸려 패킹을 적절히 누르지 못하고 있는 경우 다시 잘 맞추어 전반적으로 골고루 조여준다 바) 패킹을 넣기전에 스템을 깨끗이 청소하고 패킹을 하나씩 분리하여 챔버바닥까지 하나씩 차례로 밀어넣는다. 링의 갈라진 부분은 120도 간격으로 엇갈리게 넣은 다음 렌치로 그랜드를 조인다 2) Pressure seal Leak 가) Pressurt Seal 에서 누설이 있을 경우에는 토오크렌치를 사용하여 본네트나 카바 고정나사 또는 가스켓을 고정하고 이쓴 캡나사를 조인다. 토오크 렌치를 사용할 때는 반드시 규정된 토오크로 조여햐 한다. 나) 토오크렌치로 조여도 누설이 계속될때는 Pressure Seal이 불안전하다고 판단하고 밸브를 분해하여 본네트와 가스켓사이의 밀봉상태를 점검한다. 일단 분해하면 고장원인에 관계없이 새로운 가스켓으로 교체 후 재조립한다. 3) Seat & Disc Joint Leak(Passing) 가) 용접온도나 응력제거온도가 고르지 못하여 시트가 뒤틀려 있는 경우나 조작부의 결함으로 완전히 닫히지 않는 경우 발생한다. 나) 일단 미세한 틈새로 누설이 생기면 속도가 증가되어 시트와 디스크를 깍아 낸다. 특히 배과에 스케일이 있을 경우 심하다. 다) 심한 Steam Cutting으로 인한 증기 누설은 휘파람소리나 웅하고 울리는 소리가 나므로 청진봉으로 감지할 수 있다. 4) 이상 승압 (Pressure Locking) 게이트밸브와 같이 비교적 본네트 공동(Cavity)이 큰 곳에서 발생되는 현상이다. 밸브가 차단되면 본네트 공동부의 유체는 계통과 격리되어 냉각된 액체가 잔류하다가 배관계통이 가열되면 액체가 체적팽창하고 공동부의 압력이 급상승한다. 예를 들어 공동부에 액체가 30% 있을 경우 20℃에서 510℃로 가열되면 공동부위 압력은 590㎏/㎠에 이른다. 공동부에 액체잔류를 없애기 위해서는 수평배관에 스템을 수직으로 설치하는 것이 좋다 이상승압시 모타구동밸브가 과부하로 소손되는 경우가 있으며, 강제로 개방시 디스크와 스템 연결부가 절손될 염려가 있으므로 주의를 요한다. 5) 고온 고착(Thermal Binding) 쐐기형 디스크의 모타구동 밸브에서 많이발생된다. 고온상태에서는 밸브 몸체가 열팽창되어 디스크가 쉽게 닫히나 상온이 되었을때 밸브 몸체는 수축되어 디스크를 구속하여 개폐불능 상태가 된다. 모타구동 밸브의 경우 토오크 스위치의 설정에 의해 상온시보다 고온시에 디스크가 시트에 더 깊이 삽입된 수 있으므로 주의를 요한다. 6) 패킹의 누설방지 방안 밸브스템의 패킹은 누설방지와 동시에 미끄럼 마찰이 적어야 한다. 게이트 밸브나 조절밸브의 미끄럼운동은 패킹이 없는 부분까지 스템이 상승되어 외부의 이물질이 패킹 내부로 유입되어 패킹을 손상시킨다. 장시간 밀봉이 가능하게 하기위아여 석면 패킹대신 내부식제가 함유된 섬유질과 철심으로 된 패킹을 사용하며, 마찰감소를 위해 흑연처리가 되어 있다. 패킹 갯수를 줄이기 위해 패킹박스 하부에 Spacer Ring이 삽입되어 있다. 패킹갯수가 적으므로 패킹 신축량이 적고 상부에 설치된 Belleville 스프링은 종동부 (Follower)를 통하여 패킹에 일정한 힘을 가하여주므로 Gland Packing부의 누설이 감소된다 그림 : 일정하게 가압되는 패킹
나. Control Valve Cavitation 1) Cavitation 이란 고온고압의 유체량을 조절하기 위해서는 압력손실이 필연적이다(Q=AV, V∝√Pr) 압력강하가 커지면, 밸브 교축부의 압력이 유체의 포화 증기압 보다 내려갔다가 밸브 후단에서 다시 회복되는 현상을 케비테이션이라 하며, 유체가 증기압 이하로 떨어질때 기포가 형성되어 압력 회복시 기포가 붕괴되면서 매우 큰 충격압을 발생하여 밸브에 침식은 물론 소음과 진동을 유발시켜 밸브 구동부까지 손상시킨다. 2) Cavitation 손상방지 방안 가) 밸브설치 우치 조정 : 출구압력(Back Pressure)이 가능한 높은 위치에 설치 나) 재질 선정 : 고속제트류와 충격파로 인한 침식 등 기계적 손상과 보호피막 파괴로 인한 화학적 부식에 강한 재질 선택 다) Anti-Cavitation Valve 선택(Cage-Type) - 기포고립 방법 : 케이지 구멍을 대칭적으로 설치하여 케이지 중앙에서 기포가 터지게 함으로서, 밸브나 배관의손상을 방지한다. 그림 : 케비테이션 손상방지를 위한 기포고립법 - 에너지 분산방법 : 두꺼운 케이지벽에 구멍을 특이한 오리피스 형태로 가공하여 유체가 오리피스 벽면에 오래 접촉함으로서 마찰손실 증가, 와류감소, 교축점(Vena Contracta)면적 증가로 케비테이션이 감소된다.
압력 강하가 커서 1단으로 부족할 경우에는 다단오리피스를 사용하여 교축과 회복을 반복시킴으로서 유체압력이 증가압 이하로 떨어지게 하여 기포 형성을 방지한다.
그림 : 3단 압력 강하 다. Check Valve 1) 문제점 (swing Type) 가) Disc Flutter : 디스크가 다 열린 상태에서 일정한 주기와 크기로 요동하는 현상으로 밸브 크기 선정, 유체압력이 수리로 바뀌어 유체 흐름이 일정치 않을 경우 아암이 견고히 안착되지 못하여 발생됨 나) Backstop & Seat Tapping : 밸브가 닫히거나 열려있는 상태에서 Backstop나 시트를 계속 두드리는 현상으로 유체의 흐름이 일정치 않을때 발생됨. 다) Flow Leakage : 디스크가 닫길때 유속이 천천히 감소되면서 흐름이 불균일 해지고 그때 발생된 난류는 닫김상태를 지연시키다가 갑자기 큰 역류가 흐르면 디스크는 손상되고 디스크가 파손되어 누설이 발생됨 라) Disc Pin & Hinge Pin Wear : 윤활제로 사용되는 물은 윤활작용이 원할하지 못하며 Flutter, Tapping 현상도 마모를 가중시킴 마) Missing Disc : 디스크 핀이나 힌지핀의 심한 마모로 디스크가 유실된다. 2) 점검방법 체크밸브는 몸체와 보온재에 의해 완전히 밀폐되어 있어 운전중 밸브의 동작상태나 내부 부품의 존재 여부를 확인하기 어렵다. 또한 분해하여 점검하는 데는 많은 시간이 소요된다. B&W에서 개발된 Ultra Check 방법은 가속도계, 초음파변환기, 신호분석기등으로구성되어 있으며, 밸브 몸체에 장착된 포음파 전송 및 수신 변환기는 음파를 발생하여 디스크에서 반사된 신호를 분석한다. 이러한 신호분석으로부터 디스크의 열림각, 플러터의 변위 및 주파수룰 알 수있어 밸브를 분해하지 않고도 동작상태를 진단할 수 있다.
그림 : 스윙체크밸브의 초음파탐상 요령 라. 모타구동 밸브(MOV) 1) MOV의 고장 원인
※ MOV의 주된 손상원인은 기계적 손상보다는 전기적인 토오크 스위치나 리미트 스위치의 설정문제가 75%로 매우 많고, 특히 부품의 불량보다는 정비시 스위치 설정불량이라는 인적실수에 기인된 것이 많다. 2) Torque & Limit Switch
3) 토오크란? 가) 설계 토오크 = 스템계수 × (밸브계수 × 밸브 디스크의 힘 + 스템의 힘 + 패킹 마찰력 + 스템 및 디스크 하중) - 밸브 계수 : 밸브와 시트간의 마찰계수로 밸브 종류에 따라 다름 - 스템계수 : 윤활, 온도, 불순물 유입등 운전환경에 따라 다름 구동장치에 적절한 윤활, 시험등 유지 관리 소홀시 증가 스템계수 증가시 설계 토오크가 켜저 모타 과부하됨 - 밸브 디스크 힘 : 시트 단면적 × 설계차압 - 스템의 힘 : 스템 단면적 × 설계압력 - 패킹의 말찰력 : 스템 직경에 따라 다르며 스터핑박스 설계방식, 패킹느설방지를 위한 가압력에 따라 만듬 나) 토오크 변화요인 - 토오크 스위치 설정 시기 : 정상운전 중 계통에 차압이 있을 때 설정치와 정지시 설정치(Dry-Run)와는 차이가 있다. 정상운전 기준으로 설정된 토오크는 정지시 디스크가 시트에 꽉 끼인다. - 모타 전압 변화 : 모타 출력 토오크는 전압의 자승에 비례하며 10% 전압 강하시 출력 토오크는 1.23배 증가한다. - 스템 운전속도 : 운전속도가 커질수록 모타 회전수가 높아지고 접속자의 지연동작(Torque Overrun)등 으로 모타곤성이 발생된다. ※ 스템의 적정운전속도는 게이트 밸브 12“/min, 글로우브 밸브 4”/min ○ Torque Overrun : 토오크 스위치가 밸브의 최적위치에서 즉시 동작하더라도 모타를 실질적으로 정지시키는 접촉자가 동작하는데는 20~70msec가 더 걸려 이 시간동안 모타가 계속 동작하여 모타관성이 밸브스템에 작용하는 현상 - 정비 불량 : 구동장치등에 윤활이 부족하거나, 패킹누설 발지를 위해 패킹을 필요이상 조일 경우 토오크가 증가된다. 4) 고장 진단 요령 가) 토오크 및 리미트 스위치 교정시 - 주위 운전조선을 충분히 고려 (온도,압력 등) - 토오크 스프링의 스프링 상수 축정 및 노화상태 점검 - 밸브 스템의 행정 및 행정 소요시간 측정 - 이력카드를 작성하여 추적관리 나) 밸브 구동시험시 - 모타 절연저항 측정 - 운전 전류 측정 - 과부하 보호장치 점검 다) 밸브 몸체 - 백시팅 상태, 시트 및 디스크의 마모상태 - 스템의 힘여부, 스템너트 마모상태, 스템 윤활상태 - 패킹의 노화 및 조임 상태 라) 구동 구조 - 웜베어링의 이완여부, 웜기어의 마모 및 손상여부 - 윤활상태의 노화문제 마) 밸브 계통 - 밸브간 차입의 극심한 변화 - 계통정지 후의 Dry-Run - 밸브 및 배관지지의 부적절로 인한 진동 마. 솔레노이드 밸브(SOV) 1) 솔레노이드 밸브란? 가) 특징 모타 구동밸브(MOV)의 대용으로 많이 사용되며, 다이아프램 밸브(AOV)를 조절하는 파일로트 조작부로 상용된다. MOV에 비해 구동부가 적고 컴팩트하며 설치가 용이하다. 소모전력이 적으며, 응답시간이 빠르고 수명이 길다. 초기 설치비와 유지보수비가 적게든다. 나) SOV의 분류 - Normally Open, Normally Closed - Fail open, Fail Closed - Normally Energized, Normally De-energized - AC Power, DC Power - Tow-way, Three-way, Four-way - Direct Ligr, Pilot Assist 다) 동작원리 이 밸브는 Pilot와 Bleed Orifice가 있어 밸브조작이 계통 자체 압력에 의해 이루어진다. 솔레노이드가 소자되면 Pilot Orifice가 닫히고 계통의 전체압력이 Boeed Orifice를 통해 다이아프램 상부에 가해져서 밸브를 꼭 닫히게 한다.
솔레노이드가 여자되면 코아는 Pilot Orifice를 열고 다이아프램 상부에 가해진 압력은 밸브 출구를 통해 감소된다. 계통압력은 다이아프램을 밀어 올려 밸브가 열리고 유체가 흐르게 된다. De-energized Eenergized 그림 : 솔레노이드 밸브(2-Way) De-energized Eenergized 2) 솔레노이드 밸브의 고장 유형
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2) Relief Valve와 Safety Valve의 구분
출처: 소나무 원문보기 글쓴이: 소나무
