3.1.5게이트 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 개방이다.게이트밸브의 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 있다.
미국 밸브 기준 규격인 ANSI B16.34에 의한 압력 온도기준으로 볼 때 게이트 밸브는 4500#Special까지 이상도 제작가능하고 900#이하의 게이트 밸브는 대부분 볼티드 본네트형이고 1500#급 이상은 용접형 또는 프레셜씰(압력 밀봉기)형식이 많이 쓰인다.
게이트배르의 압력-온도 기준은 Ansi B 16.34기준에 따라125#~4500#까지 모든 밸브 재질에 가능하고, 밸브 크기로는 3/8"(10A)부터 200"(5000A)의 대형 콘디트 또는 펜스톡 밸브 까지 제작이 가능하다. 단지 압력-온도 기준이 300#이상인 경우에는 밸브크기에 제한을 키게 받는다. 300#급 게이트 백브로는 현재까지 36"(900)까지 제작된 기록이 있다. 일반적으로 압력-온도기준이 600#(최고 허용사용압력 104.2 bar)이상인 게이트밸브를 고압 밸브로 구분할 수 있고 300#급 이하는 저압용으로 구분한다.
고온고압의 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 크기이다.
온도변화에 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 야기한다.
더블시팅에 의한 밸브조작력의 급격한 증가는 본래의 구동력 산정에 고려된 마진보다 휠씬 크게 나타날 수 있는데, 이 급격한 증가는 다음 그림76과 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, 이때P1 이나P3 (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 P2의 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 있다.
ΔP=K(Vf-Vi)/ Vi여기서 K=유체의 최적탄성계수,Vf=가열시의 유체의 비체적, Vi=냉각 또는 초기시의 유체의 비체적예로써 밸브몸통의 공동부에 물이 꽉차있는 경우200℉만큼 가열될때의 압력상승은 24,540psi가 되는데 이는 다음과 같이 계산된다.
K=300,000psi, Vi=0.01613ft3/16at 100℉, Vf=0.01745ft3/16at,
ΔP=300,000(0.01745-0.01613)/0.01613=24,540(psi)
이와같이 ΔP가 증가하게 되면 밸브를 도저히 열 수 없게 되는데, 설사 앞의 걔산에서와 같지 않은 상태(물의 잔존량 10~20%)라도 ΔP는 역시 크다.
그림77은 가열 온도에 따르는 밸브공동부내의 응축수량 대비 압력상승의 값을 보여주고 있다.
게이트밸브에서 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 한다.
다음은 이에 대한 해결 아이디어 들이다. 밸브 몸통 공동부와 밸브의 입구 또는 출구측과 바이패스배관9통상3/4"~1"크기)를 설치하고 이 바이패스배관에 수도형의 소형 그로브 밸브를 달아 밸브 또는 시스템 테스트시 이 바이패스밸브로써 이상승압 현상을 사전에 예방한다.
디스크, 밸브 입구측에 위치한 디스크를 사용하지 않는다. 즉 입구측 디스크에 V 노치등을 만들면 이 디스크9한쪽0 는 시트로서의 역할을 하지 않는 대신 밸브공동부에서의 이상승압을 자동적으로 배출(릴-이프)시킴으로써 이상승압이 발생할 수 없다.
밸브 입구측 디스크면에 드릴구멍을 낸다. 밸브몸통공동부에 릴-이프 밸브를 장착한다. 예)공동부내에 물함유량이 30%이상 상온 (20℃)에서 510℃까지 가열하였을 때 배르 공동부내의 압력은 약590bar 가 된다.
고온 고착(thermal binging)
고온용 밸브에 있어서 설계상 가장 유의할 사항은 밸브구성부품의 형상에 따른 각기 다른 모드의 열변형을 가능한한 상온 상태의 것으로 맞추는데 있다.
또한 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 있다.이후 몸통이 서섯히 달아올라 충분히 열 팽창되면 다시 부드럽게 운전 될 수 있다.
그러나 밸브몸통은 구조적으로 불연속인 경우가 많고 아울러 살두께의 변화가 크므로 몸통 내부적으로 응력이 심하게 차이가 난다.
또한 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 제공한다.
밸브에 바이패스라인(자체)이 없다. 증기게통에 수직배관상 밸브가 수평으로 설치되어 있다.
계통 특성상 급격하게 가열된다. 온도-압력기준이 높다.
게통정지시(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)8"밸브몸통, SUS316의 왯지 게이트, 상온(70℉)상태에서 완전 닫힘 상태' 계통운전에 따라 600℉까지 가열됨.
(계산식):단순히 두 재질간 열팽창의 상이에 따른 열팽창 차이(량)
δL=(α1-α2)(T1-T2)L
(계산결과)
α1=10.3×10-6in/in/℉-SUS316
열팽창계수
α2=6.3×10-6m/in/℉-탄소강의
T1=열팽창 계수
T2=상온시 온도
L=가열후 온도
∴SL=((10.3×10-6-(6.3×10-6))(70-600)4=0.008inch(0.2mm)
결국 0.2mm만큼의 열팽창차이는 디스크와 시트간의 마찰계수 0.01로 한다 하더라도 이론적으로 무려 28800ibf의 추력이 필요하게 된다.
게이크 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 많다.
이때 밸브를 운전하면 디스크나 시트면에 손상을 입게 되는데 주로 피팅(pitting)또는 불순물과의 마찰에 의한 긁힘 등이다.
때로는 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 대부분이다.
밸브 스템패킹에서의 누설문제는 거의 대부분 스템이 부식되거나 부적절 하게 사용처에서 패킹작어한 경우에 있다. 스템의 부식은 가혹한 환경하에서는 피하기 어렵다.
더울이 13Cr(410계열)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 생긴다.
따라서 스템과 팽킹의 재질선택은 매우 중요하다. 최근의 밸브기술은 팽킹재질과 스템재질, 패킹구조등에 대한 괄목할 만한 실적을 쌓았음에도 불구하고 지금도 가장 취약한 밸브 기술부분이 이곳이다.
이들 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 것이다.
1)왯지게이트(Wedge Gate)
일면 솔리드 왯지게이트(Solid Wedge Gate)로 쐐기형의 매우 간단한 왯지로써 유체흐름을 막는 구조이다.
밸브스템의 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 때문이다.
따라서 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 것이다.
미국 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 같다.
peb=CbFbS/CbFbS
위에서 peb는 배관작용력으로 인하여 생기는 게이트밸브의 시트부위의 굽힘응력이다.
Fb=일종의 단면 모멘트로써 밸브에 연결되는 파이프의 굽힘상수(Fb=0.393de3Ps/(20,000Ps)), Cb=연결파이프의 굽힘응력 인덱스로써 밸브 노즐의 두게와 노즐 내경과의 함수(Cb=0.335(γ/te)0.67), S=연결파이프의 허용강도(30,000psi) Gb=노즐면의 단면계수(Gb=I/(ri+te)) 위의 식에 따라 밸브 상즈 별로 peb를 계산해 보면 밸브 크기가 클수록 Fb가 증가되는 비율이 Gb의 증가율 보다
크기 때문에 결국peb로 인한 밸브 자체의 안전성을 확보하기 위해서는 게이트와 시트 부위에서의 응력 이완을 하면서 기밀을 유지할 수 있는 구조의 게이트가 요구되는 것이다.
따라서 경험상 2"초과의 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 있다.
·구조가 간단하여 염가이다.
·유로를 양방향으로 처리할 수 있다.
(단점)
·연결배관의 라인로드(Line Loads)에 민감하게 반응한다.
라인로드라 함은 연결배관으로부터의 축방향 힘(열팽창등에 의한 열하중등), 오토션(비틀림, Torsion), 굽힘 모멘트 등으로써 이러한 라인로드가 클 경우 이들 힘들이 게이트에 집중된다.
·만약 밸브 운전에 고온상태 하면 솔리드 왯지는 밸브몸통의 불균일한 열변형을 흡수할 수 없어 시팅상태를 불안정하게 할 수 있다.
즉 열변형(Thermal Distortions)에 의해 내부 누설 가능성이 높아진다.
·솔리드 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 높다.
·밸브시트의 보수가 어렵다. 즉, 게이트의 경사각과 시트의 경사각은 공장 출고시 확정된것으로이후 게이트 또는 시트의 보수 연마가 실시되면 게이트의 높은 강성으로 인하여 100%의 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 있다.
·구조가 간단하다.
·스템 추력에 비례하여 시팅효과를 높일 수 있는 구조이다.
·양축 디스트가 동시에 시팅하는 구조로 시팅효과가 안정 스럽다.
·솔리드 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 밸브이다.
·게이트와 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 있다.
이러한 잇점은 솔리드 왯지에서 특히, 대형의 게이트에서 생길수 있는 고착(Sticking)문제를 어느정도 완화시키는 것이다.
그러나 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 않다.
스프릿 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 좋다.
·배관계통의 압력에 상관없이 스템추력의 추가만으로 저압력 영역이나 고압력 영역이나 양호한 시팅효과를 갖는다.
·게이트 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 염려된다.
따라서 스프릿 왯지 게이트 밸브에서는 대형이 되면 필수 적으로 바이패스 배간을 권장한다.
·가격이 비싸다.
·스템 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 좋다.
·드로우 콘디트형 더블 왯지(Through-Condnit Type Double Wedge)설계가 가능 하여 게이트 Ofqm의 사용목적을 다양화 할 수 있다.
(단점)
·구조상 각 세그먼트는 다른 왯지 게이트에 비하여 취약하기 때문에 배관작용력이나 열천이하중이 클 경우에는 손상을 받기 쉽다.
·세그먼트 형상이 각기 다르기 때문에 유로 방향설정은 구조적으로 튼튼한 세그먼트쪽이 출구쪽이 되도록 설정한다.
·일반적으로 다른 게이트밸브가 양방향 유로인 반면 이 패러러 슬러아드 게이트밸브는 유로방향이 한족 방향인 것이 특색이다.
·트렙핑 압력에 의한 이상승압이 예상된다.
바이패스 밸브가 필요하다.
·디스크 구조가 복잡하여 가격이 비싸고 과도한 시팅력을 제어하기 위한 특별한 구조 또는 처리가 필요하다.
·스플릿 왯지 게이트와 유사한 디스크 또는 시트면 흠집(Galling)이 예상될 수 있다.
앞서의 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 높다.
따라서 현재의 게이트 밸브는 왯지의 건전한 운전과 보수 유지의 용이성 때문에 대부분2˝
(50A)이하의 작은 밸브는 솔리드 왯지, 중저압용(1500#이하)의 경우는 후렉시블 왯지, 그리고 고온용의 고압밸브에서는 스프링 로디드 패러럴 슬라이드 더블 디스크(Spring Loaded Parallel Slide Double Disc)가 많이 쓰인다.
21회(96.1월호)
(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 적합하다.
·계통운전중 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 유지된다.
·디스크의 시팅이 유연하기 때문에 흠집(Galling) 발생의 정도가 낮다.
·시팅력이 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 있다.
·스프링 가압력에 있어서 그 힘이 디스크 중앙에 위치하기 때문에 디스크의 완전 열림에서 닫히는 순간에는 디스크 끝 부분과 시트가 부분적으로 마모되기 쉽다.
이러한 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 것이다.
따라서 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 있다.
·디스크는 물론 시트까지 보수가 용이하다. 왜냐하면 시트는 밸브 몸통에서 쉽게 분리되는 구조이기 때문이다.
·슬래브 게이트에는 큰 힘이 작용하지 않는 구조임으로 구조가 간단하다.
·계통온도의 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 5000시간을 넘지 말아야 한다.
·버터플라이 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 구조이다.
따라서 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 150#이 최대이다.
나이프 게이트 밸브의 주요 응용분야는 펄프나 레올토지 유체와 같은 슬러리가 있거나 고점도 유체의 차단용으로 주로 사용된다.
〔장점〕
·저압 유체의 제어용 밸브로서는 저가격 구조의 밸브이다.
·슬러리와 같은 찌꺼기가 많거나 고형물이 많은 유체에 적합한 밸브이다.
·가볍고 설치공간이 절약된다.
·스템 및 스템의 나사부위 등이 유체와 접촉하지 않는 구조이다.
〔단점〕
·외부 누설의 가능성이 높다.
·고온 또는 고압에는 부적합하다.
3.1.6 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 선정한다.
그러나 일반적으로 스톱 밸브라고 말하는 밸브는 소형의 글로브형 차단밸브이다. 이는 배관계통의 메인후로우(주관, Main Flow)가 아닌 계장용의 관말(Instrument Root Valve)이나 배기배수관말(Vent & Drain Valve)에 쓰이는 밸브들이 이에 속한다.
글로브 밸브는 앞서 연재한 게이트밸브의 운전상의 여러 문제에 대하여 상당히 양호한 대책이 될 수 있는 차단용 밸브로 선정될 수 있으나 압력손실 면에서는 큰 대가를 치러야 한다.
대략적인 압력손실량은 게이트 밸브가 0.5psi라면 T-타입의 글로브 밸브는 10psi, Y-타입의 글로브 밸브는 2~3psi, 피스톤 체크 밸브의 경우 10psi이다. 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 있다.
·유체의 운전조건 즉, 온도, 압력, 밸브에서의 차압조건 등 모든 어려운 조건에 맞도록 밸브 내부형상을 설계할 수 있는 구조가 글로브 밸브이다.
·글로브 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 밸브이다.
·글로브 밸브는 유체제어의 목적으로 설계, 제작 및 설치운전의 경험이 풍부하여 쉽게 자문 받을 수 있는 밸브이다.
·밸브제작자 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 있다.
유체제어용 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 것이다.
22회(96.2월호)
(3)글로브 밸브의 대표적 트림구조의 이해 글로브 밸브는 통상적으로 유체의 흐름을 흐름방향 정면에서 디스크로 차단하고 아울러 디스크의 개도 위치에 따라 유량을 조절하는 밸브로서 유체흐름에 S자형을 형성하게 됨으로써 밸브내의 압력손실이 게이트밸브, 볼 밸브 및 버터플라이 밸브에 비하여 크다.
그러므로 글로브 밸브의 사용목적은 호칭 직경 4″를 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 일반적이다.
따라서 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 있다.
첫째는 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 사용한다.
그러나 밸브의 Seating이 게이트 밸브에 비하여 약 4배 이상 됨으로써 대형의 고압 서비스에는 밸브의 크기 및 작동 방식에 제한이 따르게 되므로 한정적으로 사용될 수밖에 없다.
첫 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 Specification의 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 하나이다.
이에 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〕
①유량 조절용 트림
유량 조절용 트림을 대형 수동 글로브 밸브의 경우 트림 형상에 따라 이상적으로 다음의 네 가지를 채택할 수 있다.
·급개형(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 Anchor/Darling Co., Edward Cast Steel Valve, Borg Warner Co.등의 대형 글로브 밸브의 디스크 설계가 모두 급개형의 구조로 되어 있다.
이를 디스크 형상으로 유량 조절 특성에 유추하여 보면 저개도(일반적으로 총 스템의 운동량[Total Stern Traveling]의 40%이하)에서는 기준유량(Rated Flow Rate)의 90%까지 전형적으로 유량이 변하게 되므로 효율적인 유량조절용 밸브의 총 운동량(Travel Length)의 40%미만의 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 사료된다.
그러나 4″미만의 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 있다.
②디스크와 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 한다.
물론 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 한다.
그러나 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 어려워진다.
이런 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 때문이다.
따라서 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 구조물이다.
따라서 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 것이다.
물론 최대 설계 차압(ANSI B16.34 P.T기준에 의한 100F시의 최대압력)하에서 구조적 안전성은 보장된다.
③디스크의 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 있다.
더욱이 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 Co.에서는 회전이 되지 않는 디스크 구조를 갖고 있음)몸통 설계시 이를 대칭으로 하기 때문에 스템에 영향을 줄만큼의 회전은 생기지 않는다.
디스크의 안내 및 지지는 대형의 글로브 밸브에서 구조적으로 매우 중요한 사안이다.
일반적으로 호칭 직경 4″이상의 ANSI Class 600이하에서는 밸브 시트링의 하부에 밸브 스템을 지지함으로써 디스크의 안내와 지지를 하는 Bottom Guided Disc가 있으나 이는 유로 선단에서 난류의 발생 원인이 되며 이로 인하여 밸브의 성능이 저하됨으로 발전소용 밸브에서는 채용하지 않는게 일반적인 추세이다.
이를 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 3개의 Body Guide Lib로 축정열을 시키는데, 그 유극(遊隙)은 0.5~0.7(0.02″~0.03″)mm를 가진다. 그러나 밸브목의 내면으로 Body Guide 할 때에는 밸브, 스커트 또는 너트에 구멍을 뚫어 입력의 평형을 이루도록 한다.(예:Anchor/Darling Valve의 Disc Skirl의 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 있다.
디스크를 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 40%이하로 유지시킴)이상을 확보한다. 이에 대한 예로 Anchor/Darling Valve 및 Rockwell Edward Valve가 이러한 구조이다.
④디스크 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 한다.
가장 일반적인 방법으로는 디스크와 시트가 서로 밀착되는 면을 Stellite No.6으로 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 일반적이다.
23회(96.4월호)
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 Disc같은 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 Cv계수가 높은 밸브인 것이다.
수많은 밸브회사들이 Cv계수가 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 바람직하다.
·디스크의 안정성(Stability)을 유지하기 위하여 디스크 너트 또는 디스크 스커트를 채용하여 이를 디스크 안내(Disc Guide)구조로 한다.
·디스크지지 및 안내는 Body Guide 또는 Body Guide Rib를 채용하는 것이 바람직하다.
·디스크 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(0.5~0.7mm정도)안내의 정확도를 높이도록 하고, 디스크와 스템의 체결시 이를 고려하여 디스크와 안내면 간의 유극보다도 작은 유극을 갖도록 설계하여 스템에 디스크가 완전고정(6방향 고정)하는 방법은 피하는 것이 좋다. 또한 스템의 끝단선과 디스크에 Hardfacing을 함으로써 디스크에 이상 마모가 발생하지 않도록 한다.
·디스크와 시트가 접촉하는 면은 Stellite No.6로 Hardfacing한 후 정밀 래핑하여 내부누설이 없도록 한다.
·수동 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 하나이다.
따라서 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 한다.
①벨로우즈 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 0.15mm두께이하의 얇은 박판 2~3장을 주름잡는 것이기 때문에 구조적인 강도가 매우 낮다.
따라서 내압부분에서는 어느 정도 구조적인 건전성이 입증되지만 운동량이 많을 경우 피로에 의해 손상될 수 있기 때문에 밸브에의 적용은 기술적으로 매우 고난도의 설계 계산을 요구한다.
벨로우즈 씰 밸브는 글로브 형식의 밸브에 있어서 폭 넓게 사용된다. 적용성이 높은 이유는 비교적 낮은 스템 운동량(Travel Length) 때문이다. 유로 직경의 25%만 되어도 되기 때문에 글로브 밸브의 경제적 최대 크기인 12″(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 많다.
벨로우즈 밸브에 대하여 수명을 언급한 기술규격으로는 BS5352가 있는데 API 800#를 기준한 밸브에 있어서 게이트밸브가 5,000회, 글로브 밸브가 10,000회이다.
그러나 통상적으로 벨로우즈 밸브 제작사의 제작 표준은 각각 10,000회, 20,000회 이상으로 유지한다. 최근 자연보호와 환경보호의 일환으로 미국의 경우 EPA에서는 밸브 특히 석유화학계통에서의 밸브 누설을 500PPM 이내로 할 것을 강력히 규정하고 있으며, 이 요구사항은 점차 더욱 강조될 것으로 예상된다.
따라서 기술향상에 따른 벨로우즈의 성능향상 및 경제성 확보, 환경보호에 따른 대기누설의 엄격한 통제 등을 고려할 때 앞으로 벨로우즈 밸브의 수요는 대폭적으로 늘어날 것으로 예상할 수 있다.
②메탈 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 왔다.
그러나 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 2″이하에 적용되며 스템 운동량도 3~6mm 이내로 제한된다. 그러므로 유로부에 대한 저항이 커지게 되므로 밸브모양은 Y타입이 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 때문이다.
이상과 같은 이유로 최근에선 샘플링 밸브와 같은 1/2″이하의 계장용 밸브에서조차도 적용되지 않고 있으며 제반 성능이 월등히 좋은 벨로우즈 무누설 팩크레스(Zero-Leakage Packless)밸브는 제작되고 있다.
③스톱-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 있다.
④체인지오버 밸브(Change Over Valve)
체인지오버 밸브는 주로 합섬계통에서 원료의 방향 바꿈 등의 사용 용도로써 많이 사용된다. 이 역시 2개의 글로브 밸브를 밸브하나로 기능을 통합한 밸브로 입구측 밸브와 출구측 밸브가 서로 체인지오버 하면서 유체흐름을 변경하는 것이다. 이러한 밸브를 쓸 경우 기존의 2개 글로브 밸브, 1개의 티이, 2개의 엘보우, 4개의 플랜지, 9개의 용접량을 1개의 체인지오버 밸브, 단지 3개의 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 다르다.
⑤블로우다운 밸브(Blow Down Valve)
배관계통에 있어서 블로우다운은 기액(汽液)2상 유체(Tow Phase Flow)를 후라싱 탱크(Flashing Tank)를 통하여 분리하는 공정으로서 비교적 높은 압력의 기액 2상 유체를 낮은 압력의 Flashing Tank에 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 필요하다.
따라서 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 Type을 사용한다.
24회(96.6월호)
3.1.7 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. MOV는 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 있다.
아울러 밸브제어의 각 고유기능(On-off, Fast Open/Close, 비례제어, Time Control, Remote Control등)을 수행할 수 있어 밸브의 구동장치로써 매우 많이 사용되고 있다.
(1)MOV의 전동구동기 종류
〔회전방법(방향)에 따른 분류〕
MOV는 전동구동기를 장착한 밸브를 총칭하는 말이므로 구동장치만을 말할 때는 전동구동기라고 통일한다. 밸브는 차단기능, 제어조절기능에 따라 크게 회전형 밸브와 직선운동형 밸브로 구분된다. 대부분의 회전형 밸브는 90°회전에 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 90°회전형 밸브 및 스템에 나사가 있어 회전운동에 의해 스템이 오르내리는 밸브의 구동장치에 대하여 설명한다.
①90°회전 구동기(Quarter-Turn Actuator)
90°회전 또는 1/4회전 구동기는 90°이내의 회전각을 갖고 작동되기 때문에 90°회전밸브인 버터플라이 밸브, 볼 밸브, 플러그밸브, 댐퍼(Damper)등에 사용된다. 90°회전이기 때문에 작동회전각이 매우 적으므로 에피싸이클로이드(Epicycloid)와 같은 다단계 감속 구조에 의하여 대략 1/1,280에서 1/15,000으로 감속되며 0.1~1.5rpm(Revolution per minute)범위의 회전속도로 운전한다.
②다회전 구동기(Multi-Turn Acutator)
Multi-Turn구동기는 적어도 1회 이상 최대 수백회(≤1000회전)까지의 회전이 가능하도록 하여 이 회전을 나사메카니즘을 통하여 스텝을 직선운동으로 변환시켜 밸브를 여닫고 하는 것이다.
따라서 통상의 게이트밸브, 글로우브 밸브 등에 적용한다. 이 구동기를 밸브 스템에 연결하는 구조는 스템이 회전하면서 동시에 상하운동하는 Stem Rotating & Riding 방식과 구동장치에 삽입된 슬리이브를 회전시켜 스템이 단순히 상하운동만 하게 하는 Non-Rotating Rising Strem방식이 있다. 현재의 다회전 구동기는 거의 100%가 후자의 Non-Rotating Rising Strem방식을 채택하고 있다.
이는 글랜드 패킹에서의 마찰력을 최소화시켜 구동장치의 Torque를 절감하고 아울러 패킹에서의 기밀유지구조를 가급적 안정하게 하는데 있다. 이 구동기의 회전속도는 14~250rpm으로 90°회전 구동기에 비해 고속으로 운전된다.
〔조작기능에 의한 분류〕
전동구동기는 밸브의 운전을 자동화하기 위한 것이므로 조작기능 또한 구분할 수 있다. 대표적인 회로구성은 다음에 설명한다.
①기본형(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 사용된다.
②통합형(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 제공한다.
③지능형(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 일컫는다.
최근에는 컴퓨터통신을 이용한 LAN 또는 WAN(Wide Area Network)으로 밸브 구동기를 프로그램에 따라 원격에서 Systematic하게 운전하고, 이 운전을 피드백하여 계통의 운전상태를 감시하고 자체의 진단기능을 갖는 지능형의 밸브 구동장치가 장치산업을 중심으로 많이 사용되기 시작하였다.
〔운전모드에 따른 분류〕
①완전 On-off용 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 Off되어있어야 한다.
따라서 밸브의 개폐시간은 모터 작동시간으로 보아 15분을 초과하지 말아야 하므로 시간정격을 가진 단기작동형, 즉 IEC에서 정하는 S2급으로 15분 등급을 가져야 한다. 이 등급의 전동기는 연속적으로 운전하는 연속정격의 2배정도의 출력 토오크를 제공할 수 있다.
만약 15분 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 예정이다.
따라서 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 제공한다.
②유량조절 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-off용 구동기에 비하여 2~3배)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)MOV에서 사용되는 용어 및 크기 선정
〔용어〕
①밸브시트 단면적(Valve Seat Area)
실제 밸브 포트의 단면적 또는 밸브 시트링의 단면적
②스터핑 박스의 Load(Ff)
스터핑 박스 패킹의 마찰력으로 생기는 패킹 마찰력
③밸브 계수(Valve Factor)
밸브의 트림구조 및 형상에 따라 정해진 계수로서 주로 트림에 있어서 마찰구조에 크게 영향을 받는다.
-Around 0.25 for Parraiel Sllde and Flexible or Double Disc Gate Valves
-Around 0.35 for Solid Wedge Gate Valve
-Around 1.15 for Screw Down Globe Valve Above 2″
-Around 1.5 for Screw Down Globe Valve Under 2″
④스템 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(cosø tanα+μ)/24(cosø-μ tanα)(Ff)
또는
=De(cos[θ/2]tanα+μ)/2000(cos[θ/2]-tanα)(m)
여기서 Ds=밸브 스템의 유효직경(inch)
De=밸브 스템의 유효직경(mm)
25회(96.7월호)
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 50내지 100% 정도만큼 증가시킨 모터 속도를 택하고 기어 감속비를 증가시켜 주어야 좋다.
⑥모터 기준운전 토오크
Motor Rated Running Torgue 토오크의 기준운전 토오크를 정하고 있다. 기준시동 토오크는 모터의 허용 토오크와 같으며, 20% 또는 40% 기준운전 토오크(20% or 40%R.R.T)의 선정은 다음과 같다.
Calculated Moter Starting(Running) = 설계기준 Overall Ratio×Starting(Running) Efficienjcy/설계기준 최대 스템
토오크(Max.Ste, Tprque)
계산된 모터운전 토오크는 40% 또는 40%RRT 비교하여 모터의 토오크를 결정하고 40% RRT보다 클 때는 다음의 크기를 택한다. 일반적으로 Running Efficienjcy Starting Efficiency 보다 값이 크므로 Starting시에 모터의 토오크는 크게된다. 여기서 20% 또는 40%RRT를 선정하는 방법은 밸브의 운전하중에 따라 결정된다. 즉,
밸브의 운전하중 = (스터핑 박스의 마찰력+스템에 걸리는 하중[Piston Effect])×부하계수(Load Factor) 에서 밸브의 운전하중이 층 스템추력의 99%보다 작으면 20%RRT를 사용하고 33%보다 높으면 40%FFT를 사용한다. 이 토오크는 구동기의 토오크 리미트 스위치의 트리핑을 설정하는 토오크 스케일(Scale)의 100%에 해당한다.
⑦스톨 토오크, 스톨 추력
완전부하 상태에서 전기적 부품의 비정상적인 동작으로 인하여 모터의 Overrun이 밸브의 시팅(또는 백시팅)시에 생기는 경우가 있는데 이때 과도한 추력이 발생하게 되는 것을 스톨상태의 토오크라고 한다.
단위 스톨 토오크 *1=모터 허용 토오크×구동자 회전비(Overall Ratio)×모터 시동효율
단위 스톨 추력 *1=스톨 토오크/스템계수
*1:단위 스톨 토오크 및 추력은 Limitorque 카다로그의 설계기준 토오크와 추력(Max. Torque Rating&Seating Thrust)의 150%를 초과하지 못한다. 스톨 토오크를 전동기의 실속(失速) 토오크라고도 말한다.
⑧브레이크어웨이 토오크(Break-away Torgue of Valve Cracking Torgue)
구동기 드라이브의 슬리이브에는 밸브를 열기 시작할 때 필요로 하는 Valve Cracking Thrust를 얻기 위하여 장치된 Lost Motion Hammer Blow 장치가 있다. 햄머 블로우의 충격에 의한 운동에너지는 정적운전시의 에너지에 비하여 2배 이상이 되는 힘으로 순간적으로 작용하기 때문에 토오크리미스 스위치에 영향을 주지 않으면서도 용이하게 밸브 디스크를 시트에서 Unseating 하게 하는 것이다.
이때 필요로 하는 토오크를 말하며 대략 기준운전 토오크의 200% 정도이다.
〔MOV 구동기의 크기계산〕
MOV 구동기의 크기는 밸브형태 및 사용조건에 따라 결정된다.
일반적으로 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 15%이상의 여유를 고려한다.
설계추력(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
여기서,
Fd=πD2 ΔP/4
Fs=πD2 ΔP/4
Ff=1000 1bf, d≤1″
1500 1bf, 1″〈d≤2″
2500 1bf, 2″〈d
단, 패킹의 마찰력은 스터핑 박스의 설계방식에 따라 다르며 일반적으로 패킹에서의 누설을 최소화시킬 목적으로 가압력을 크게 하는 경우가 많으며 실제 Live Loading의 패킹구조에서는 위의 값보다 크다.
d=스템의 직경(inch)
Cv=밸브 계수
=0.25내외(Parallel Slide & Flex. or Double Disc Gate)
=0.35내외(Solid Wedge Gate)
=1.15내외(Screw Down Globe Above2″)
=1.5내외(Screw Down Globe Under2″)
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)
ø=나사각(Thread Angle)
tanaα=Thread Lead/Ds)
μ=마찰계수(0.12~0.2, 통상 0.14~0.16)
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 결정된다.
특히 스템계는 모터구동장치의 토오크를 결정하는데 중요한 요소로서 모터의 출력 토오크가 스템 또는 드라이빙 부신을 통하여 스템이 변화하는데 생기는 변환기구의 기하학적 형상 및 마찰기구의 특성으로 구성된다.
따라서 구동장치의 적절한 윤활, 테스팅등 유지관리가 소홀한 경우 스템계수는 증가한다. 이렇게 스템계수가 증가하면 모터의 설계 토오크가 커져 모터에 과부하가 발생될 우려가 생긴다.
아울러 이러한 사항을 고려하지 않고 구동장치를 선정하면 통상 스템계수를 적게 잡거나 메이커 표준 스템계수를 사용하게 됨으로 유지관리가 부적절한 경우 구동장치의 트러블을 야기하게 도니다. 한 예로 1.25의 스템, 1/3″의 피치, 1/3″의 리이드를 가진 스템에서 윤활등의 적정여부에 따라 스템계수가 0.012~0.02로 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 변화이다.
모터의 출력 토오크는 전압의 자승으로 변화하기 때문에 10%의 전압 강하시를 고려한다면 모터의 크기(출력 토오크) 선정은 1.23배로 해야 될 것이다.
즉, Design Torque=aV2,
여기서 a는 비례상수이고, V는 전압이다.
Design Torque(100)/Toruqe at 100% Voltage
=Sizing Torque Considering 70% Voltage(70)2/(100)2
Sizing Torque
=10000/4900=2.04
at 30% Voltage Drop
=10000/6400=1.56
at 20% Voltage Drop
=10000/9100=1.23
at 10% Voltage Drop
=10000/12100=0.83
at 10% Exceed of Rated Voltage
따라서 10~30%의 전압변화를 고려한다면 그 범위는 약 2.5배(2.04/0.83)의 출력 토오크 변화를 예상할 수 있다.
(3)MOV용 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 한다.
전동구동기가 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 있다.
이를 요약하면 방수등급, 방진등급, 방폭등급 및 원자력등급으로 구분할 수 있다.
①IEC(International Electricity Commission)에 의한 방수, 방진등급
IEC 144 규정에 의한 등급은 IP68과 같이 두 자리의 숫자코드로 방수, 방진등급을 표시한다. 첫 자리 0~6은 보호등급이고 두 번째 자리 0~8까지는 물의 침투에 대한 방수등급을 나타낸다. (첫자리:사람의 접촉 및 외부 물체의 침투에 대한 보호등급)
0:No protection
1:Protection Against Foreign Matter(≥ø50mm)
2:Protection Against Medium Foreign Matter(≥ø12mm)
3:Protection Against Small Foreign Matter(≥ø2.5mm)
4:Protection Against Granular Foreign Matter(≥ø1.0mm)
5:Protection Against Dust Deposits
6:Protection Against Dust
(두째자리: 물의 침투에 대한 방수등급)
0:No Protection
1::Protection Against Dripping Water Falling Vertically
2::Protection Against Dripping Water Falling Diagonally
3:Protection
Against Spraying Water
4::Protection Against Splashing Water
5::Protection Against Jets of Water
6::Protection Against Flooding
7::Protection Against the Effect of Immersion
8::Protection Against the Effect of Submersion
②방폭등급(IEC규정에 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 : 2개의 구성요소 Fault까지 안전을 유지하며, 위험한 장소의 설비는 Zone 0.1 및 2를 준용한다.
·Note : N형 설비(정상운전시에는 안전)는 Zone 2를 준용한다.
·Type of Industry : 지하, 광산, 지표면
·Type of Hagard : 공기, 인화성가스 및 중기의 폭발성 혼합물질(먼지 포함)
예)ClassⅠ-가스, 증기, Class 먼지, Class-화이버, 솜
·Degree 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-Methane
·Ignition by Hot Surface : 위험한 장소의 설비를 주변온도 40℃의 조건에서 Fault가 발생되는 최대 표면온도는 다음과 같이 분류된다.
T1-450℃, T2-300℃, T3-200℃, T4-135℃, T5-100℃, T6-80℃
26회(96.9월호)