(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, ANSI/ASME 코드 규정에는 이러한 사항이 규정되어 있지 않으므로 일부 밸브 제작社는 이 연결구조의 강도문제를 API 규정대로 따르지 않는 경우도 많다.
연결구조는 고정형(Fixed Interal Type), 회전형(Free to Rotate Type) 및 측면 자유형(Laterally Floating Type)로 분류할 수 있다.
첫 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 없다.
일반적으로 밸브 사양서에서 언급하고 있는 비회전식 스템 상승식(Non-Rotating & Rising Stem, NR & RS)이 이러한 경우이다. 그러나 글로브 밸브에서 고정형 연결구조는 필연적으로 스템이 회전하면서 상승하는 구조로 될 수밖에 없다.
다음에 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 않는다.
특별히 이 구조의 밸브에서 운전상 또는 선정상 고려해야 할 점으로는 과도한 시팅 하중이다.
과도한 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 경우이다.
이 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 한다.
심하게 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 T형 슬롯(Slot)을 만들고 이 슬롯에 T자 모양의 사각형 머리를 가진 스템을 연결하는 것이다. 따라서 스템은 비회전이 되고, 이 부분에 여유가 있어 디스크의 시팅이 부드럽게 된다.
34회(97.6월호)
(4)디스크와 스템 안내(Disc/Stem 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 Disc/Plug Guides)등이 있다. 각 안내 방식의 장단점은 다음과 같다.
·웨지 게이트 가이드
이 가이드 방식은 게이트 밸브의 디스크 안내 방식으로 채택되고 있다. 이러한 안내를 함으로써 디스크가 시트링 면에 마모가 거의 없이 정밀하게 안착되도록 하는 것이다.
그러나 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 한다.
·스템 가이드
스템이 부싱(Bushing)을 끼워 스템을 안내하는 방식으로 대형 수동 글로우브 밸브나 선박용의 밸브에 많이 쓰인다. 디스크/시트가 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 필요하다.
·디스크 가이드(Gage/Disc Guide)
이 방식의 가이드는 글로우브형의 제어밸브 및 안전/도피밸브(Safety & Relief Valve)에 가장 널리 채택되는 방식이다. 가이드 방식중 가장 정밀하고, 안전성이 높다. 아울러 보수성도 좋다.
그러나 제작 코스트는 비교적 다른 형식의 가이드에 비하여 높은 편이다. 디스크 가이드에 대한 구체적인 밸브 공학적 설명은 이미 2.2항 밸브의 구조에서 언급하였다. 글로우브 밸브에서는 디스크/케이지 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 6~12mm의 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 채택한다.
바이패스는 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 500ppm이하)는 물론이고, 캘리포니아주의 완전무누설 밸브의 채택 강제 규정에 따라 점차 이들을 채택한 밸브의 중요성이 강조되고 있다.
다음호에서는 특별히 대기환경 법규에 따른 미국의 VOC 방출규제를 구체적으로 설명하고자 한다. 우리 나라도 여천공단이 특별히 대기 환경보호의 특별지구로 지정되어 있는 만큼, 이의 이해는 매우 중요하다.
①메탈 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 d라고 하면 R/D=1.5 이상이어야 하고, d/D=0.08 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 마련이다.
통상적으로 다이아후램의 이러한 특징으로 말미암아 메탈 다이아후램 밸브의 스템 행정(Stroke)은 최대 10mm가 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 있다.
밸브를 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.
②금속제의 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 NR&RS 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 1500#까지 공학적으로 생산 가능하지만 고압용으로 갈수록 제작이 매우 어려워진다. 이유는 얇은 판을 3매 이상 완벽하게 용접하기에는 기술적으로 어려운 점이 많기 때문으로 매우 고가이다. 반면에 성형의 벨로우즈는 용접형에 비하여 크지만, 대량 생산이 가능하고 불량률이 적으며 ANSI CLASS 2500#까지 제작이 가능하므로 비교적 밸브에 널리 채택되고 가격 또한 비교적 저렴하다.
현재 국내업체에 의한 벨로우즈 제작은 ANSI CLASS 900#까지 가능하다. 현재 우리 나라의 산업계에서는 이 벨로우즈 밸브만으로도 연간 약 800만달러(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 되어왔다.
1980년대 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 있다.
35회(97.8월호)
(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 있다.
현재 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 것이다.
이 패킹의 특징은 밀봉 특성의 지속적인 유지를 위해서는 외부의 가압력이 계속 유지되어야 한다는 것이다. 따라서 주기적인 패킹 글랜드의 조임 상태를 점검해 주어야 하는 단점이 있다.
이에 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 V형상의 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 1947년 영국 조달청의 의뢰에 의한 White와 Denny에 의한 연구이다. 이 연구는 패킹구조의 밀봉력을 체계화하기 위한 실험으로써, 밸브의 사용압력과 패킹 글랜드의 가압력 관계를 규명하고자 했던 연구이다. 다음의 [그림108]은 이 실험에 사용된 장치의 개략도이다.
이 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.
[그림110]은 연구결과 요약된 이들 밀봉력의 힘 분포를 보여주고, [그림111]은 가압력 Po와 유체 계통압력 Ps와의 관계에서 씰링점(Sealing Point)을 보여주고 있다.
그간 밸브 패킹의 다양한 연구에서 언급되어 왔듯이 패킹 깊이가 깊다고 씰링이 잘 된다는 것은 잘못된 생각이다. [그림111]에서 보는 바와 같이 흑연패킹의 경우에는 탄력성 및 복원력 특성이 매우 좋기 때문에 패킹 깊이가 짧은 것이 깊은 것에 비하여 씰링특성이 오히려 좋다.
패킹 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 한다.
최근 미국을 중심으로 한 전세계적인 대기환경 보호 운동과 이에 따라서 IOS 14000과 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 500ppm으로 규정하고 있다.
특히 캘리포니아주와 같은 경우는 올해부터 신규로 건설되는 189종류의 유해 VOC관련 플랜트의 밸브는 거의 누설을 허용하지 않는(Phase Ⅲ로써 100ppm이내) 구조의 밸브이어야 한다고 되어 있다. 따라서 미국에 밸브를 수출하려면 우선적으로 EPA에서 규정한 휴지티브 에미션(Fugitive Emission) 500ppm의 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 VOC의 누설량 시험 및 이에 따르는 무누설을 전제로 하는 패킹에 대한 이론적인 자세한 배경은 별도로 기고할 예정이다.
·흑연패킹
1980년대 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(0.9이하)
-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℃~500℃까지, 불활성 가스 조건하에서 3000℃까지 사용가능
-강력한 내산성 및 내알카리성(사용Ph범위:1~14)
-높은 압력에 의한 고밀도 성형(70~110lbf/ft3)이 가능하고 아울러 유연한 리본상태의 성형도 가능
-내방사성 특성(패킹재료 중 가장 안전한 내방사선 물질임)
36회(97.9월호)
·소프트 패킹
소프트 패킹은 플라스틱 또는 테프론 계열의 에라스토머(Elastomers)를 재료로 한 패킹 재료로서, 주로 낮은 온도에서 사용된다.
이 중 테프론 계열의 패킹인 경우는 180℃이하의 온도에서 사용할 경우 매우 뛰어난 내식성과 저마찰력, 높은 탄성력을 가지고 있기 때문에 패킹재로써 좋은 재료이다.
최근에는 에틸렌프로필렌(Ethylene Propylene)계의 EPDM도 개발, 사용되고 있지만 EPDM은 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 중요하다.
더욱이 흑연패킹의 경우 초기 씰링구조의 사소한 손상도 허용되어서는 안된다.
이에 대한 사항은 지난호에서도 언급하였듯이 유체의 압력이 패킹의 레디얼 압축압력보다 크게 되는 즉 글랜트 볼트, 너트의 이완이 아니라 패킹구조의 탄력성(Resilient) 저하가 원인이 되는 것이다.
이러한 패킹재의 시효에 따른 내부 탄력성의 저하나 사용에 따른 마모 등의 문제로 패킹구조의 씰링압력의 저하를 지속적으로 유지시키기 위한 방법으로 [그림113]과 같이 글랜드 볼트에 접시 스프링을 삽입하여 일정한 힘을 패킹 가압력으로 유지시키는 방안이 캐나다의 CANDU 원자력발전소에서 1970년대 초기 Velan에 의해 도입되었다.
즉 접시 스프링의 탄성 압축량만큼의 에너지가 항상 패킹 가압력으로 작용하도록 한 구조이기 때문에 명칭을 'Live Loaded Stem Packing' 또는 'Live Loaded Packing'이라고 통칭하고 있다.
이 Live Loaded Packing에 대한 보다 체계적이고 구체적인 연구는 1982년부터 미국 전력 연구소(Electric Power Research Institute, EPRI)에 의해 시작되어 이에 대한 최종 보고서는 EPRI-NP-5697로 제출되었다.
이 보고서는 Live Loaded Stem Packing에 대한 매우 구체적인 이론 및 실무, 보수, 운전에 이르기까지 라이브 로드 패킹의 거의 모든 사항이 열거되어있다.
[그림114]에서 보는 바와 같이 라이브 로딩이 없을 경우에는 콘솔리데이션이 밸브 운전에 따라 급속히 진행됨으로 패킹실링 압력이 급격하게 저하되어 누설이 되기 쉽다.
라이브 로딩 패킹의 가장 유용한 기술안내는 앞서 언급한 EPRI-5697로서, 모든 밸브에 이 방식의 스템 패킹구조가 적용 가능하다. 라이브 로딩 패킹에 쓰이는 스프링은 접시 스프링(Belleville Spring)으로 [그림115]와 같다.
이 스프링은 변형률 대비 스프링 강성도가 높고, 매우 소형 경량으로도 요구하는 하중을 관리할 수 있어 라이브 로딩 스템 패킹용으로 안성맞춤이다.
·스터핑 박스
흑연 패킹과 라이브 로딩 패킹의 연구가 시작되기 전까지 오랜 기간동안 거의 모든 밸브 제작자들 사이에 스터핑 박스는 깊은 것이 좋다는 것이 일반적인 인식이었다.
깊은 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 않는다.
아울러 가압력은 패킹 글랜드 플랜지에서 패킹 깊이 거리의 함수로서 지수적으로 변화하기 때문에 이제는 밸브의 스터핑 박스의 갚이가 낮아도 충분한 기밀특성을 갖게 됨을 알게 되었다.
현재 잘 성형된 높은 순도(99% 이상)의 흑연 패킹인 경우 3~4개의 패킹링 만으로도 씰링 특성이 충분히 유지된다. 스터핑 박스의 깊이가 깊을수록 다음과 같은 문제점이 예상된다.
특히 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 어렵다.
이들 문제점은 스터핑 박스의 깊이를 조정하여 설계하거나, 기존의 밸브 보수시에는 금속제 또는 카본 스페이셔(Spacer)를 삽입하여 패킹 높이를 조정한다.
실험경과에 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 된다.
·스템 부식 방지재(Stem Corrosion Inhibitor)
밸브 스템의 부식이나 피팅(Pitting, 점식)은 패킹재 구조의 파괴를 급속히 진행시킨다.
특히 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 있다.
밸브는 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 흠이다.
37회(97.10월호)
(8)밸브용 가스켓(Valve Gaskets)
밸브에서의 외부 누설 방지장치로는 밸브 패킹시스템과 더불어 볼티드 본네트(Bolted Bonnet)형 밸브의 가스켓 씰링(Gasket Sealing)이 있다.
밸브 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 2가 있다. 특히 최근의 엄격한 대기환경의 보호정책으로 인하여 모든 배관계통의 누설문제는 매우 중요한 기술적 토픽이 되어있으며, 이에 따라 가스켓 씰링에 대한 기술적인 접근방법이 점차 엄격해지고 있다.
가스켓 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 관건이다.
가스켓 설계에 있어서는 가스켓의 계수(m)와 최소 설계시팅압력(Minimum Design Seating Stress)값인 y가 중요하다. 여기서 가스켓 계수(m)는 가스켓 조인트를 완벽하게 하기 위한 압축력에 대한 계수이다. 즉, 유체의 압력을 Pf라 하고 가스켓의 조임압축력을 Pg라고 할 때, 유체가 누설이 개시되려고 하는 때의 조임압축력 Pg에 대한 Pf의 비율(m=Pg/Pf)을 말한다. 가스켓의 조임력을 간략하게 구하는 방법은 다음을 참고로 한다.
·가스켓의 종류
밸브용 가스켓으로 널리 쓰이는 가스켓의 종류로는 판형금속제 가스켓(Flat Metal Gaskets), 판형 비금속/금속 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 30이상의 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 m과 최소설계시팅 압력 Y는 [표1]과 같다.
판형 비금속/금속 가스켓(Flat Nom-Metallic/Metal Clad or Jacketed Gaskets)
비교적 낮은 압력의 시팅력으로도 씰링을 유지할 수 있도록 고무나 합성수지를 얇은 금속제 판으로 크래딩한 것으로 고온고압용에는 적합하지 않다.
대략적으로 압력등급은 300#이하에서, 사용온도는 200℃ 이하의 경우에 채택할 수 있다. 가스켓 계수는 2.5~3.75범위, 최소 설계시팅압력 Y의 값은 20.0~62.0(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 있다.
스파이럴 와운드 가스켓은 금속(통상 V형을 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 304/316 계열이 널리 쓰이고 휠러 또는 충진재로는 테프론이나 흑연 또는 석면 등이 널리 사용되고 있다. [그림116]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 고온·고압용의 내압성이 중요시 되는 계통에 적용한다.
휠러재료에 따른 사용압력 대 사용온도는 [표2]를 기준으로 한다. 아울러 가스켓 계수 m=3.0이고, 최소설계시팅압력 y=68.9N/㎟ 이다.
·가스켓의 선정
가스켓의 선정은 밸브에 있어서 다음과 같은 순서로 가스켓의 선정을 추천한다.
①사용조건의 확인 및 검토
-유체의 종류
-유체의 압력·온도
-플랜지 조인트의 형상
-볼트 사양(갯수, 크기, 재질)
②필요 체결압력 및 볼트사양에 따른 체결 토오크 검토
③가스켓 사양의 결정
④가스켓 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 같다.
①계산에 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 = π/4G2P + 2πbGmP = πGP/4(G + 8bm)
가스켓 사양에 따른 볼트 체결하중(Wm2)
Wm2 = πbGy
여기서,
G : 가스켓의 평균 직경(mm)
b : 가스켓의 유효폭(mm) 단, 하중을 직접 받는 폭
m : 가스켓 계수(m=3.0)
P : 설계압력(kgf/㎠)
y : 최소설계 시팅압력(y=7.03kgf/㎟)
②볼트의 체결 토오크를 계산한다.
T = 0.2d1W/10N
여기서,
W : Wm1, Wm2 중 큰 값(kgf)
N : 볼트 개수
d1 : 볼트의 외경(mm)
(※보다 상세한 계산은 ASME Sec, Ⅷ, Division 1, Appendix 2를 참고한다.)