[스크랩] 밸브의 종류 및 설명

3.1 밸브의 종류에 대하여는 1994년 3월호에 개괄적으로 기능별, 형태별, 운전특성별로 이미 설명하였다.
대략적으로 밸브의 종류를 밸브 형태 및 기능상의 제어방법에서  구분하여 보면 약800~1000여종이 될것으로 예상된다. 이토록 밸브의 종류가 많다는 것은 대부분의 밸브가 전형적으로 주문에 의해 제작되는 특수성에 기인한다. 이는 밸브사용의 목적이 워낙 광범위하고 없어서는 안될 프로세스의 핵심제어요소이기 때문이다.

17세기부터 일기 시작한 산업혁명이라는 인류역사의 가장 커다란 지적혁명을 갖기 이전에는 프로세스간의 제어요건도 매우 간단하였다. 따라서 지금과 같이 여러종류의, 프로세스의 제어목적에 맞는 밸브가 필요없었을 지도 모른다.
그러나 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 정리한다.

 

 

3.1.1 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 같다.

볼 밸브는 프러그밸브의 사촌인 셈이다. 볼 밸브는 90도 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 port보다는 연결배관의 호칭직경보다 작은 구경의  유로경 즉 reduced port를 갖는다.

이외에 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 있다.
일반적인 볼밸브의 운전환경은 밸브의 크기에 따라 제약을 받지만 온도-압력기준(pressure temperature  rating)으로 보면  운전온도의  범위가  130~230  운전압력의  경우  25torr(초고진공)~400bar까지  견딜  수  이쓴  볼밸브(high performance ball valve)의 제작도 가능하다.

볼 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 있다.
다음 그림 50은 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-piece로 구성되어 있다. 그러나 소형의 볼 밸브 및 중대형의 볼밸브는 1-piece 또는 2-piece로 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 ptee에 성형 흑연분말을 함침한 씰링 제료가 있다. 볼 밸브 시팅재료에 있어 볼과 씰링재료가 금속인 경우가 가장 이상적이지만 볼과 씰링면의 정밀가공이 전제되어야 함으로 어떤 특정용도에 한정된다.
메탈시팅구조의 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 있다.
이러한 경우 계통중의 어떤 이물질이 시팅부위에 혼입될 경우 4rm(0.15㎛)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 있다.

 

 

3.2.1 버터후라이 밸브

버터후라이 밸브도 볼 밸브, 프러그밸브와 마찬가지로 90도 회전밸브 이다.
특히 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 20%이상 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 편이다.

특히 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 20인치(500mm)를  넘는 대형의 밸브는 거의 모두 버터후라이밸브이다.
헌재까지 기록상으로 호칭직경  10,000mm(10m)의 버터후라이밸브가 생산되었고,  차후바닷물의 조수(潮水)발전이나 해양 온도차에 의한 해양발전등 대규모 에너지 개발 프로젝트가 실용화되려면 이보다 훨씬 큰 버터후라이밸브가 제작되어야만 할 것이다.

단점으로는 디스크와 시트와의 기밀유지 기술이 타 밸브에 비하여 까다로우며, 디스크의 구조상  유체흐름과 대칭상태로 힘을 받기 때문에 높은 차압을 요구하는 계통에는 진동 및 소음등을 유발하므로  적용하는데 어렵고,아울러 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 20bar를  넘거나 밸브간 차압이 5bar 이상을 제어하여야 하는 경우에는 메탈시트(metal to metal  contact)또는 고성능 버터후라이밸브를 채용하는 것이 권장된다.
hpbv는 버터후라이밸브 제작사중 기술력이 좋은 일부 밸브로써, 각사마다 독특한 구조의 시팅구조를 선보이고 있다. 그러나 hpbv의 기본적인 시팅구조의 형식은 디스크와 디스크 축이 편심상태로 설계된  에쎈트릭 디스크구조가 대부분이다. 다음의 그림 51은 일반 법용 버터후라이밸브의 시팅구조를, 그림 52, 53, 54,55는 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 있다.
이렇게 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 performance"를 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 없다.

 

 

3.1.3 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 영어로"non-return"밸브라고 한다.
체크밸브에 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 언급하였다.
따라서 본 장에서는 보다 실질적인 체크밸브의 운전특징과 종류별 선정기술에 대하여 설명한다.체크밸브는 대별하여 6종류로 구분할 수 있다. 모든 밸브 기술자들에게 익숙한 스윙체크밸브에서부터  최근에 보다 많은 호평을 받고  있는 듀얼프레이트체크밸브, 통상4"(100A)이하 특히2"(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 있다.
체크밸브를 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 구조이다.
따라서 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 있다.
이러한 레버중추를 설치한 체크밸브는 유속이 비교적 빠르고 맥동이 있는 라인에 적용될 수  있으며, 유체계통의 운전상황에 따라 체크밸브의 운전특성을 변경시킬 수 있는 장점도 있다. 다음의 그림61은 미국의 KALSI엔지니어링사에서 연구한 체크밸브(6"와3")의 설치 위치 및 방법에 따른 디스크의 떨림정도를 요약한 그래프이다.
그래프에서와 같이 체크밸브(스윙)를 엘보우 후단에 설체(3"밸브의  경우에는 엘보우 후단에서 2×D 위치에 설치한 경우를 L/D=0로 보면 됨)한  BASELINE떨림(배관계통의 정상적인 유체맥동에  따라 발생하는 디스크의  떨림)보다  2~4배의 디스크 떨림이 있었으며, 유체계통의 흐름이 난류인 경우에는 4~15배의 떨림이 L/D=5 이내의 스윙체크밸브의 경우 엘보우, 티이 또는 제어밸브와 같은 난류원에서는 충분한 거리를 유지하여 설치하여야 한다는 것이다.
즉, 체크밸브의 안전한 운전을 보장하기 위해서는 난류원에서 5D 이상의 거리를 두어설치하여야 한다. 여기서 L은 배관의 길이를 말하고 D는 배관의 호칭 직경 또는 밸브의 호칭크기를 말한다. 그림 62는 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 경우에는48SV내외인 반면 리프트체크밸브는 설계방법에 따라 다르지만55~140SV가 필요하다. 여기서 SV는 유체의 비체적이다. 유속의 단위는 Ft/sec 따라서 앞서의 스윙체크밸브의 적용이 곤란한 경우 비교적 간단한 구조와 신뢰성 높은 구조인 리프트체크밸브가 넓게 쓰인다.
그렇지만 유속이 낮은 배수계통이나 단순한 GRAVITY FLOW에의 적용에는 신중을 기하여야 한다. 리트트체크밸브의 몸체 구성형식은 이미 2.1장에서 구체적으로 언급하였고 여기서는 리프트체크밸브에  있어서의 단점 몇가지와 함께 설치방법을 성명한다.
리프트체크밸브는 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 VALVE로 변경하는게 좋다.
아울러 유체가 디스크/시트를 통과할 때 생기는 와류에 의해 디스크가 제자리 회전하는 spinning이 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 그림63은 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 밸브이다.
따라서 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 감소된다.
또한 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 구조이다.

이는 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 연결된다.
이 헤더전단 즉, 각 펌프의 후단에는 체크밸브가 설치되어야 한다.
즉, 닫힘속도가 빠를수록 좋으며, 디스크가 시트면에 닿는 순간에는 그 충격력을 감소시킬수 있는 구조이면 더욱 좋을 것이다. 이러한 경우 틸팅디스크 체크밸브가 쓰인다.
틸팅 디스크 체크밸브에는 앞서 언급한 구조적인 장점들을 더욱 효과적으로 수행할 수 있게하는 고려사항이 있다. 6〃이상의 대형 틸팅디스크체크 밸브는 스윙체크에 비하면 역류시 순간적인 단힘 동작에 시간이 걸릴 수도 있다.
이는 틸팅디스크의 구조에서와 같이 닫힘 동작이 개시될때의 역류(유체압)의 힘을 받는 단면적이 적기 때문이다. 이를 설계에 고려한 것이 힌지핀에 스프링을 감아 닫힘을 용이하게 한 구조이다.

그러나 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. 그림65의 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-F'선의 삼각형내에 있어야 한다.
유체 흐름이 일정 속도가 되어  균일해 지기 위해서는 유체유속으로 인한  유체관성력과 틸팅디스크의 지중에 의한 디스크의 평형이 매우 중요하다.
따라서 주 디스크의 형상과 날개(보조디스크)의 형상은 이 평형관계 때문에 유로의 접선각도가 다르게 설계된다. 그름 66과 그림67은 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 있다.
그러나 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 50~100%더 크다. 즉, 스윙체크밸브가 V=48V이면 틸팅디스크 체크밸브는 70~90SV(여기서 SV는 유체의 비체적으로 ft3/16)로 크다. 따라서 고에너지 유체수송용(4~8m/sec)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 있다.
미국의 석유가공협회(API)에서도 웨이퍼 체크밸브의 규정을 API Standard  594 Wafer-Type Ceck Valve로 규정하고 있다. 웨이퍼 디스크 체크밸브의 가장 큰 장점은 동일 배관 크기에 있어서, 경량, 소형으로 설계제작이 가능하다는 것이다. 예로서 스위체크밸브에 비하면 약 4~5배 정도로 결량제작이 가능하고  구조가 간단하고 불연속부가 적기 때문에 성능대비 전반적인 소형으로써의 제작이 가능하다.
따라서 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 때문이다.
스위체크밸브는 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 한다.
만약 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 단점이다.
유체흐름의 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 커진다.
즉, 유체천이의 에너지 변화를  크게 할 수 이써 배관계통의 Dynamic Force는 크게될 수 있다는 것이다. 다음의 그림 68, 69는 전형적인 Single Plate 및 Dual Plate Wafer Type Check Valves를 보여준다. 이 밸브의 설계특징은 체크 밸브의 디스크를 두 개로 분리한 소위 "디스크 분리형 체크 밸브"이다. 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 체크밸브이다.
따라서 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 있다.
따라서 이러한 잇점들과 아울러 밸브구성 재료의 기술밸전과 더불어 점차 사용량이 많아지고 있는 체크밸브의 한가지다.

그렇지만 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, ARCIN사 등의 있으며 우리나라의 경우에는 복숭아밸브 정도가 홀딩 디스크 계열의 체크밸브를 생산하고 있다. 웨이퍼 디스크 체크밸브는 듀오체크밸브9DUO-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. 그림70은 웨이퍼 디스크 체크밸브의 상세도 이다.

<웨이퍼 디스크 체크밸브 체크 밸브의 특징>
스윙 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 PLATE는 유지되기 때문에 천이 진행을 감소 시킨다. 스윙 체크 밸브에 비하여 압력 손실이 적다. 단, 작은 크기의 밸브는 웨이퍼 디스크 체크밸브가 크다. 따라서 50A이하의 체크밸브는 스윙체크밸브가 보다 용이한 구조이지만 큰 사이즈의  체크밸브에는 웨이퍼 디스크 체크밸브가 스윙체크밸브보다 계통운용의 경제성 측면에서 월등히 좋다.
그림 72는 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 한다.

관로 유속이 느린 경우 스웡 체크밸브는 힌지 핀이나 디스크 핀과 같은 MOVING PART에서의  마모정도가 웨이퍼 디스크 체크밸브 보다 심하다. 이는  MOVING PART가 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 PART의 점진적인 마모로 인한 것임이 여러자료를 통하여 알려져 있다.
설사 MOVING PART가 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 것이다.
웨이퍼 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 한다.

실례로 스프링의 파손은 체크밸브의 급격한 성능 저하에는 즉각적으로  작용하지 않지만 스윙 체크밸브의 예에서와 마찬가지로 게통의 정상적 운전을 예고도 없이 악화시킨다.
웨이퍼 디스크 체크밸브도 정도의 차이는 있지만 사용중 성능의 증간 점검이 어려운 점이 있다.
핵심 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 한다.
웨이퍼 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 RDTKQL도 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 있다.
그러나 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 1/4이내 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 있다.
스프링 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 밸브이다.
그림 73과 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 않는다.
따러서 영어로 체크밸브를 "ISOLATING" 기능이 있는 밸브로 간주하지 않는다. 단지"Check Valve"인 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 75는 미국 Edward사의 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 것이다.
구조의 안정성 및 운전 신뢰성의 이유로 중소형의 스톱체크 밸브는 리프트체크밸브 형식으로 거의 100%제작된다. 대형의 경우에만 스윙체크밸브형식을 채�하는게 일반적이다.

 

3.1.4다이아후램 밸브(Diaphragmvalve)

다이아후램밸브는 일명 위어밸브(Weir Valve)라고도 하며 주로 차단용의 블록밸브(Block Valve)로 사용된다. 이 밸브는 비교적 최근(세계제 2차 대전)에 발명된 밸브로서 비록 다이아후램의 재질 특성상  사용온도가 150℃이하로 제한되는 것을 제외한다면 부식성 액체의 유량 제어스러지나 고형물이 많은 유체의 제어용으로는 매우 경제적이고 제어특성이 좋은 밸브이다.
다이아후람은 고무콤파운드나 불소수지계열인 PTFE가 주로 사용되고  , 압력-온도기준은 10bar이내의 최고 사용온도 175℃이내에 사용된다.
이 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)weir형시의 다이아후램밸브는 weir로 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, PP등으로 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 80~175℃이다. 간혹 Straght-Through 타입으로써20"(500Mm)까지도 제작 할 수 있으나 밸브의 트림 재질 및 운동특성상 신뢰성이 없다.
사용용도로는 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 있다.
또한 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 사용된다.
단지 크램프 밸브나 핀치밸브는 다이아후람 막을 눌러 유체 통로를 제어하고 이리스밸브는 다이아후람 튜브를 비틀어서 유체 통로를 제어한다는데 특징이 있다.

 

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 배관자�력이 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.

(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.

 

(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 구분된다.
그러나 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 된다.
이러한 이유는 밸브의 설치가 대부분 악조건의 환경에 설치되므로 구동장치 내부의 정밀한 장치를 보호하고, 안정된 상태로 신뢰성 있는 운전을 해야 한다.

 

〔전동기의 종류 및 특징〕
①유도 전동기(Induction Motor)
유도 전동기는 서로 독립된 2개의 권선이 있어 그 한 권선에서 전자유도 작용에 의하여 또 다른 한 권선에 에너지가 전달되어 회전하도록 한 전동기이다. 즉 1차 권선에 흐르는 전류에 의하여 발생한 회전자속이 2차 권선과 전자유도 작용을 일으켜 토오크가 발생하고 이 힘에 의하여 구동자가 회전하게 된다.유도 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 발생한다.
유도 전동기는 구조가 간단하고 따라서 가격이 저렴하다. 아울러 취급이 용이하며 부하가 변하더라도 속도의 변화가 적은 정속도 전동기이기 때문에 여러 가지 전동기 중에서 가장 많이 사용되고 있다.유동 전동기는 회전자의 종류에 따라 권선형과 농형(Squirrel Cage) 전동기로 구분된다.

 

②동기 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 P의 교류기에 전원주파수 f인 교류를 공급하면 회전자는 N=120·f·1/p(rpm)의 항상 같은 방향의 회전력이 생긴다. 동기 전동기는 항상 일정한 속도로 회전하는 대신에 기동시의 기동 토오크가 작은 단점이 있어 전동구동장치에의 적용은 곤란하다.
따라서 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 있다.

 

③직류 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 P라 하면 V=(120·f)/p로 되어 4극인 전동기의 경우 우리 나라의 전력공급원으로 설치될 경우 이론적으로 1천8백RPM이 된다. 그러나 밸브 조작에 필요한 회전수는 24~48RPM이면 되니까 감속기구의 감속비율은 1/75~1/37.5가 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 것이다.
우선 제어 및 표시장치의 각 기능을 설명하기 전에 전동구동장치의 운전현상을 구체적으로 이해함이 중요하다.

 

①전동구동밸브 또는 모터구동밸브(Motor Operated Valve, MOV)의 운전
일반적으로 MOV의 운전은 밸브가 닫힐 때는 토오크 스위치의 동작에 의하고 반대로 열릴 때는 리미트 스위치(위치제한 기능 스위치)의 동작에 의하여 제어운전 되는 것이 일반적이다.
밸브의 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% 정도이다.
그러나 이 경우 실제 운전조건하에서는 전동구동장치 제작사의 실험조건과는 상당한 차이가 있다. 즉, 역설적으로 수많은 실제 운전조건을 모두다 실험실에서는 적용할 수 없기 때문에 제작자는 MOV를 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 판단된다.
MOV에서 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 설명한다.

■스톨(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 0이지만 스템의 속도는 0으로 되지 않기 때문에 순간적인 구동자회전비(Overall Ratio)는 크게 증가됨으로 가상적인(종이상에서 단순히 계산되는 비현실적인 현상) 전동기의 토오크는 거의 0으로 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 150%내외의 설계추력을 전달한다.
그러나 닫힘속도가 빠르고 밸브 트림의 강성이 높을 경우에는 단락시간에 별 영향이 없이 스템에는 300~400%의 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 토오크×구동자 회전비(Overall Ratio)×전동기 시동효율단위 스톨 추력 = 스톨 토오크/스템계수
[주]단위 스톨 토오크는 제작사 카다로그의 단위 스톨 토오크 및 추력기준의 150%를 초과하지 못한다.

■토오크 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 Travel은 계통의 압력상태 및 밸브 스템의 패킹력에 따라 그 정도를 달리한다. 이를 제어하는 방법으로는 리미트 스위치를 설계보다 약간 빨리 작동하도록 설치함으로써 해결할 수 있다. 이 Preset의 뜻은 밸브가 충분하게 시팅되어 밸브 스템의 운동량이 정지되었음을 표시한 것이 된다. 그러나 시간지연으로 인한 Overrun은 토오크 스위치 설정치보다 더욱 큰 밸브 토오크 및 추력을 야기시킨다. 이 경우는 리미트 스위치의 도입으로 해결할 수 없는 상태로서, 커브 'C'는 정상운전시의 시간에 대한 스템추력, 커브 'D'는 급속 개폐시의 관계로서 커브 'D'의 경우는 'C'에 비하여 약 4배 이상의 스템추력을 보여주고 있다.
지금 밸브가 설계추력 상태에서 토오크 스위치가 작동하여 기계적 지연시간인 두 커브의 동일한 단락시간 T1에서 커브 'C'에서는 'X'지점, 커브 'D'에서는 'Y'지점에서 전동기는 정지하게 된다. 더욱이 토오크 스위치 작동과 전원차단과의 관계가 미소하게 잘못 설정되는 'T2'만큼 시간지연이 됨으로 스템의 설계추력은 'Z'지점 정도의 매우 높은 추력을 발생하게 하여 밸브에 악영향을 초래할 가능성이 높아진다.

27회(96.10월호)

·토오크 시팅 - 밸브 강성과의 관계
전동기가 정지되더라도 전동기의 운동에너지는 앞서 설명한 바와 같이 Overrun을 야기시킨다. 밸브의 강성이 비교적 낮고 탄력이 유지되는 경우 운동에너지가 서서히 작용하게 됨으로써 커브 'E'에서와 같이 밸브 스템이 전달되는 추력은 강성이 높은 밸브에 비하여 월등히 작다. 이와 같이 밸브트림의 설계는 구동장치의 조작성 및 동작특성을 고려하여 탄력이 유지되는 구조로 설계함이 좋다.

·토오크 시팅 - 차압의 영향과 Dry-Run
급속하게 개폐가 요구되는 Fast Acting밸브의 경우, 이 MOV는 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. [그림94]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 그래프이다.
커브 'G'는 최대 차압하에서 토오크 시팅시의 시팅시간에 대한 스템의 추력변화를 보여주는 것으로써 토오크 설정치 'S1'은 단락시간의 지연 'T1'에 따른 운동에너지의 'K'에 의하여 설계 추력을 얻게 되는데, 이 과정중 밸브의 디스크면에 작용하는 차압력에 따라 상당량의 토오크가 소비되므로 'K'값은 커브 'H'의 것에 비해 월등히 작게된다. 커브 'H'는 커브 'G'의 토오크 설정치와 같은 조건하에서 계통의 압력이 걸리지 않는 즉, 차압이 없는 상태하에서의 토오크 시팅 특성을 보여주는 그래프이다.
차압이 없는 경우에는 디스크면에 생기는 차압에 의한 마찰력도 거의 없을뿐더러 시팅의 조건 또한 매우 용이하게 이뤄짐으로 그래프에서와 같이 시팅 시작후부터는 스템에 전달되는 추력은 급속히 증가한다.
따라서 계통이 정지되어 있는 공운전시에 정상운전 토오크치를 변경하지 않고 구동장치의 조작 시험등을 수행하는 경우 그래프 커브 'H'와 같이 설계추력보다 월등히 높은 추력이 발생되어 큰 문제가 발생하는 사례가 종종 있다.

 

②MOV 운전 메카니즘

한 예로 Limitorque社의 전형적 모터 구동장치인 [그림95]와 같은 SMB형식의 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 1차로 감속되고 1차로 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 회전시킨다.
이 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 구비한다.
이 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 것이다.
이 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 x라 하고 토오크 스프링의 스프링 상수를 k라 할 때 그 힘은 F=kx임으로 스프링 조합에 적용한 힘 F는 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 있다.

 

③토오크 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 제공한다.
거의 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 추세이다.
이러한 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 되어있다.
일반적으로 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 MOV운전 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 축적된다.
이 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 정지시킨다.
통상적으로 이러한 토오크 리미트 스위치는 밸브 개방상태로 N.O, N.C, 밸브 폐쇄상태로 N.O, N.C로 구성되어 있는데 N.O는 'Make-Contact', N.C는 'Break-Contact'의 뜻이다.

28회(96.11월호)

④위치 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 6개 이상이면 요구하는 목적을 맞출수 있다.
그러나 점차 제어의 목적과 기능이 다양화함에 따라 6개 이상의 접점 즉, 8, 12, 16개의 접점을 갖추고 있는 것이 일반적으로 되어 있다. [그림97]은 리미토오크사의 기어 트레인 리미트 스위치(Gear Train Limit Switches)의 구조도이다.
즉, 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 요구된다.

 

⑤전동 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 [그림98]은 리미토오크사의 표준 결선도(No Control), [그림99]는 제어기능이 보강된 결선도(Integral Control)이고, [그림100]은 로오톡사의 표준제품의 하나인 'Syncropak'의 결선도로서 리미토오크사의 'Integral Control' 타입과 유사한 기능을 갖고 있고, [그림101]은 로오톡사의 제어기능이 보강된 'IQ Range'의 결선도로서  접점을 오히려 줄이면서 표시기능을 디지털로 하고 제어기능을 다양화한 것이 특징이다.
[그림102]는 리미토오크의 'Integral Control'에 비교하기 위한 결선도로서, 미국 EIM사의 표준모델인 'Series 2000'의 표준 결선도이다. 이외에 본고에서 소개하고 싶은 전동구동 장치의 결선도로서는 'AUMA', 'Bernard', 'BIFFI' 등이 있으나 지면 관계상 및 기능으로 보아 대동소이함으로 생략하였다. [그림98], [그림99]의 하단부에서 보는 바와 같이 각 리미트 스위치의 동작은 완전 열림(Fully Open), 완전 닫힘(Fully Close), 중간개도 A,B(Intermidiate Position A,B)에 있어서 동작영역을 전개한 표로서, 각기 기능은 완전 열림시 바이패스, 동작 표시등, 열림 표시등, 완전 닫힘시 바이패스, 닫힘 표시등으로 총 6개의 기본 기능이 동작하도록 되어있다.

29회(96.12월호)
접점은 여유분 8~10개로서 추가의 선택사양을 위하여 준비되어 있다.
간단히 결선도를 기준으로 밸브 구동시의 스위치 동작을 설명하면 다음과 같다.
1)밸브가 완전히 열려있을 때는 접점 1은 바이패스 회로로 연결되어 있다.
2)밸브가 완전 열림 상태에서 닫히기 시작할 때, 접점 1은 떨어지면서 접점 3,4는 동작되어 밸브가 열리고 있음을 표시한다.
3)밸브가 완전히 닫히게 되면, 접점 5의 리미트 스위치는 동작하여 완전 닫힘 바이패스 회로가 동작한다. 만약 밸브를 토오크 시팅(Seating) 방식으로 할 경우에는 접점 5의 리미트 스위치 사이를 점퍼(Jumper)하여야 한다.
4)다시 밸브를 열려고 할 때, 리미트 스위치 7,8을 동작시켜 닫힘을 표시한다.
전동구동 장치의 구체적인 운전 문제점이나 적용성, 아울러 운전보수 및 신기술이 접목된 통합제어 방식의 전동구동 장치의 기술적 사항에 대하여는 별도로 기술한다.
또한 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 한다.

30회(97.1월호)

3.2 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 패킹/가스켓, 기타 운동부품류(Moving Parts) 및 밸브의 도장(Painting)에 대하여 기술한다.
다음의 [표26]은 미국의 ASME/ANSI B16.34에서 밸브구성 재료로서 승인하고 있는 미국 재료학회 기준에 의한 밸브재질 목록이다. [표26]에서 재질그룹번호(Material Group No) 1은 일반 탄소강 및 탄소강 계열의 합금강, 2는 스테인리스강, 3은 니켈 베이스의 합금강을 말한다.

31회(97.3월호)

(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 있다.
아울러 밸브트림 부품중 가장 중요한 시트면 및 디스크의 접촉면에 사용되는 표면경화(Hardfacing)용 덧붙임 재질로는 스텔라이트(Stellite, 미국 Stoody Deloro Stellite Inc의 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 하나이다.
앞서 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 ASME/ANSI B31.3 APPENDIX F에 언급되어 있다. 밸브재료를 중심으로 요약하면 다음과 같다.

①탄소강(탄소함량 0.05~1.5%), 일반 니켈강, 망간(C-Mn)강, 망간-바나듐(Mn-V)강류
427℃(800。F)를 넘는 온도에서 장시간 사용시 탄화물상(,Carbide Phase)의 흑연화(Graphite)가 진행될 수 있음으로 이를 넘는 온도에서의 사용은 주의를 요함.

②크롬-몰리브덴(Cr-Mo)강, Mn-Mo-V강, Cr-V강
4687℃(875。F)를 넘는 온도에서 장시간 사용시 탄화물상(Carbide Phase)의 흑연화(Graphite)가 진행될 수 있음으로
이를 넘는 온도에서의 사용은 주의를 요함.

③스테인리스계
-오스테나이트(Austenitic Stainless Steel)계
427~871℃(800~1600。F)의 예민화 온도에서 충분히 노출된 후의 입계부식(Intergranular Corrosion) 문제등-페라이트(Ferritic Stainless Steel)계 371℃(700。F)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 A5.13, E/RCoCr-A,B,C 등이 있다. 각각의 화학성분 및 이에 대응하는  스텔라이트 번호는 다음과 같다. 스텔라이트에 의한 하드페이싱 후의 경도는 대략 HRc 40 정도이다.
그러나 스텔라이트 번호 6은 용접성에 나쁜 영향을 주는 탄소성분(0.9~1.4%) 및 텅스텐의 함량이 많아 하드페이싱 후의 용접부의 취성 또는 크랙 등에 예민한 편이다. 따라서 스텔라이트 번호 6의 하드페이싱은 모재의 화학적 조성과 더불어 매우 조심스럽게 용접하여야 한다. 이러한 문제의 대안으로 일부 밸브업체를 중심으로 탄소함량이 0.2~0.3%인 스텔라이트 번호 21을 사용하기도 한다.
각 밸브재료에 따른 사용유체의 내식성 및 내침식성은 이미 재료편에서 구체적으로 언급하였다.

 

3.3 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 것이다.
밸브에 있어서 압력-온도의 기준설정(P-T 기준설정)은 기본적으로 미국 ASME/ANSI B16.34 APPENDIX F에 있는 설정기준에 따른 것이 세계적으로 가장 보편화되어 있다. 기본적으로 P-T 기준설정은 사용재료의 온도에 따른 항복강도 또는 허용응력이 기본이 된다.

·표준등급의 P-T 기준설정
표준등급의 P-T 기준설정은 재료그룹별로 조금씩 다르다. 다음은 ASME/ANSI B16.34 APPENDIX F에서 정하고
있는 P-T 기준설정에 대하여 설명한다.

 

3-4. 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 한다.
체결방법은 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 20bar이내의 저압에 적용할 수 있으며, 경우에 따라 최대 3〃(80A)까지 제작 가능하다. 3〃가 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 1500#까지 가능하고, 4″(100A) 이상의 대형밸브에는 통상 ANSI 600#까지 채택한다. 그러나 12″(300A)가 넘는 대형 밸브의 경우에는 경제성 및 기밀의 신뢰성 문제로 인하여 ANSI 300#까지 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 340℃가 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 좋다.
따라서 2″(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 없다.
이러한 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 우려된다.
따라서 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 2.5″(65A)이상의 압력등급 ANSI 900#이상에 채택하지만 밸브 크기에 따라 밸브의 경제성 문제로 8″(200A) 이상의 밸브의 경우 ANSI 600#정도만 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 한다.
또 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 4″(100A)이하의 소형밸브에 성형 순수 흑연 가스켓이 적용된다.
또 한가지 이 방식의 밸브에서 주의할 사항은 수압시험시의 최고 시험압력 조건과 실제 운전시의 최고압력이 상당한 차이가 남으로써(일반적으로 수압시험시의 압력과 실제운전시의 압력은 통상 약 2.5~3.5:1 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 상관된다.
따라서 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 편이다.
왜냐하면 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 0.5배가 밸브 노즐에 작용하고, 굽힙하중으로서 1.0배의 하중이 밸브 노즐에 작용하는 것으로 해석, 설계한다.
그러나 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 있다.

33회(97.5월호)

-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 많다.
디스크나 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 1인치당 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 있다.
①25pounds/inch : 저차압 운전으로 완전 기밀유지를 필요로 하지 않을 때
②50pounds/inch : 중차압 운전으로서 약간의 누설(0.1% of Cv[max])을 허용할 경우
③100pounds/inch : 고차압 운전(예로써 3000psi[dP]/0.015inch[width])으로써 누설이 거의 없음
④300pounds/inch : 완전 기밀유지(예로서 6000psi[dP]/0.025inch[width]의 고차압 씰 구조)
⑤600pounds/inch : 완전 기밀유지(6000psi 이상의 고차압 씰 구조) 일반적으로 100~300pounds/inch의 경우 평균 접촉 압축강도가 13,000~35,000psi 정도로 이는 재료의 항복강도보다는 낮다.
또한 양호한 시팅 특성을 계속 유지하기 위해서는 시팅 표면에 긁힘(Galling)이나, 부식에 의한 피팅(Pitting) 등에 강한 재료가 필수적이다.
따라서 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 347과 같은 스테인리스강에서는 2,000psi부터, 스텔라이트 No.6과 같은 강에서는 약 50,000psi에서 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 아니다.
스텔라이트 No.6의 시팅구조에서도 접촉강도가 20,000psi를 넘지 않도록 해야 한다. 글로브 밸브에 있어서 시팅형태(Seating Configuration)는 다음 그림에서 보는 바와 같이 4가지 형태로 분류할 수 있다.
각 시팅형태를 A형, B형, C형, D형으로 구분하여 설명한다. A형은 시트와 디스크의 접촉면이 평면상태에서 접촉하는 구조로써 주로 저압용에 사용된다.
이 형태는 시트와 디스크면이 정밀한 접촉을 요구하지 않는다. 아울러 시트나 디스크의 표면에 긁힘의 발생가능성도 적은 이점이 있으나 고압이나 고차압의 경우에는 적용할 수가 없다.
B, C, D형은 접촉면적이 적기 때문에 선접촉에 유사한 시팅구조를 갖고 있어 시팅 접촉압력이 높아 고차압의 서비스에 적합한 구조이다.
그러나 B형의 경우 시트면이 너무 예각이므로 약간의 시팅하중으로도 시팅면, 즉 선접촉에 의한 기밀 구조가 손상되기 쉽기 때문에 널리 쓰이지 않는다.
일반적으로 C형의 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 2차적으로는 금속간 시팅이 되도록 시트구조를 설계해야 한다. 소프트 시트의 재질은 탄력 복원성(Resilient)이 좋은 재질로써 온도 및 압력에 강한 재질특성을 가져야 한다.
특히 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 같다.

·유체 화학적 특성, 특히 부식침식성(Corrosion & 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 구조이다.
몸통 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 높다.
그러나 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 적용한다.
다른 시트 고정 방법에 비해 고가이고, 제작에 높은 정밀도를 요구하지만 구조상 다양한 유량특성을 가진 트림을 용이하게 채택할 수 있어 점차 많이 채택되고 있는 추세이다.
밸브의 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 있다.
특히 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, 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.)

[출처] [펌] 밸브의 종류|작성자 black28th

출처 : 양소장 블로그

글쓴이 : 신양재천 원글보기

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