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4.밸브의 취급
4.1 지침
밸브가 본래의 기능을 유지하고 지속적으로 건전하게 운전을 하기 위해서는 각각의 밸브
구성부품의 기능이 제 역할을 다해야 한다.
밸브 구성부품의 기능유지는 곧, 구성부품의 구조적인 강도의 한계를 충분히 견지하고
있어야 한다는 것이다. 밸브의 각 구성부품의 어느 하나라도 손상되거나 마모된다면 밸브는
본래의 기능을 정지하거나 정지가 예상되고 아울러 다른 구성부품까지 손상에 이르게 할
수 있기 때문에 밸브 전체의 기능에까지 손상을 가져올 수 있다. 밸브를 설계하여 완성된
제품으로 출하할 때까지 제작자는 구성부품의 하나하나에 대하여 미리 강도를 계산하고,
형상을 최적화하여 밸브가 조화롭게 운전될 수 있도록 설계하고, 요구되는 수명이상을
유지할 수 있도록 적절한 공차와 정밀도로 제작하게 된다.
한편 밸브가 조립된 후에는 제작·조립된 밸브가 설계대로 되어 있는가, 또는 설계대로
제작된 밸브가 확실하게 제 기능과 성능을 발휘하고 있는가 등을 검사하는 과정이 있다.
이러한 설계, 제작 및 검사과정을 거친 밸브는 제품으로서 완전하다고 할 수 있으나,
실제 배관 계통에의 적용시 과연 제 성능을 발휘할 수 있는가는 밸브제작자와 밸브구매자,
그리고 밸브를 설치하는 시공자와의 관계를 올바르게 설정하고, 각 업무과정에서의 간섭문제를
심도있게 다루지 않는 한 밸브가 온전하게 제 성능을 발휘할 수 있다고 말하는 것은
옳지 않다.
밸브의 취급에서 특별히 언급하고자 하는 것은 밸브제작자와 구매자, 그리고 밸브를 설치하는
시공자 사이에서 밸브를 제대로 취급하는 방법을 알려주고자 하는 것이다.
밸브제작자는 밸브에 대한 제반시험 및 검사과정과 페인팅(도장, Painting),
포장출하 방법, 그리고 제작자가 구매자나 시공자에게 알려주어야 할 보관 방법 등을
책임 있게 관리해야 한다. 밸브 구매자는 밸브제작자와 시공자를 전체적으로 관리하며
배관설계자와의 밸브관련 코디네이터(Coordinator)로서의 역할을 수행하여 밸브로
인한 전체적인 프로세스의 시공차질이 없도록 해야할 것이다. 아울러 밸브를 안전하고
신뢰성 있게 운전할 수 있는 방안을 밸브 설치시부터 고려해야 할 것이다.
4.2 인간공학적인 측면
밸브는 배관계통에 있어서 최종의 제어요소이기 때문에 밸브의 동작이 잘못되었을 경우,
그 잘못된 결과는 즉시 나타나게 된다. 밸브의 동작이 정상적으로 수행되기 위해서는
밸브 조작에 대한 신뢰가 전제되어야 한다. 예를 들어 1983년 일본 고압가스협회가
일본의 석유화학단지를 대상으로 밸브사고 사례를 조사한 결과를 보면 밸브조작에 대한
문제가 전체 사고사례 600여 건 중 약 17%인 109건이 밸브에 직접 관련된 사고였으며,
109건의 밸브사고 사례 중 56%인 61건이 밸브조작의 잘못으로 인한 것이었다.
아울러 미국전력연구소(EPRI)의 발전소용 밸브의 사고사례 분석에서도 약 50%가
밸브조작이나 잘못된 조작을 유발할 수 있는 밸브구조로 인한 것임을 보고하였다. 이와
같이 밸브 조작상의 문제점이나 조작실수를 유발할 수 있는 밸브구조의 문제는 의외로
관련 프로세스 시스템에 많이 게재되어 있다.
즉, 실제 사고의 원인이 되는 종업원의 행동에서 보면 관행에 따라 조작하다가 문제를
일으킨 경우가 가장 많으며, 기타 지식과 경험에 의한 조작, 규칙, 절차서에 따라
밸브를 조작하다 실수한 경우가 있었으며, 이들은 인간공학적인 측면의 밸브설계상의 오류로
볼 수 있다.
이밖에 작업 또는 조작환경과 상황에서 보면 단조로운 밸브조작 환경에서 의외로 많은
사고를 경험하고 있다는 것이다. 이들은 분명 밸브의 설계, 제작 및 설치 등의 제반과정(제작자
측면)과 밸브 시운전을 포함한 운전 및 유지관리(사용자 측면)에서 모두 휴먼에러의
방지가 중요한 설계상의 관점이 된다는 것이다.
밸브 취급에 있어서 인간공학적인 측면을 생각해 본다는 것은 휴먼에러를 가급적 공학적으로
줄이기 위한 배관 및 밸브 시스템에 관한 설계 고려사항이 된다.
38회(98.1월호)
2.인간공학적인 측면
밸브취급에 있어서 그 기본 목적은 밸브의 기능을 본래대로 유지 관리하는 것이다.
실제로 수많은 프로세스에서 밸브 문제로 인한 엄청난 손실을 경험하고 있으며, 대부분
밸브의 중요기능인 내부 누설 및 외부 누설 기능의 손상 또는 노화에 따른 것이다.
설비보전, 밸브의 보전(保全, Total Maintenance Management)에
있어서 가장 중요한 것은 사소한 문제로 생각할 수 있는 누설현상이나, 이로 인한 경미한
위험 요소들을 간과해서는 안 된다는 것이다. 예를 들어 4M(Man, Machine,
Media, Management)에서 일어날 수 있는 휴먼 에러, 설비의 결함, 작업
방법이나 정보의 부족, 관리상의 여러 문제점들이 복잡한 프로세스에서 언제든지 위험요소로
존재하는 것이다. 석유화학 콤비나트나 발전소와 같은 대규모의 프로세스 플랜트에서 불시정지를
야기하는 설비들 중에서, 또는 심각한 사고사례 중에서 밸브 문제가 차지하는 비율은
상당히 높은 것으로 알려져 있다.
Fran E. Bird가 총 175만건의 설비 사고사례를 분석한 내용을 보면 [그림1]과
같은 구조의 비율을 보이고 있다. 이와 같이 1건의 재해가 발생하기에는 적어도 600건
이상의 인적, 물적 손해가 없는 경미한 사고가 발생되고, 이들은 4M의 문제점으로
남아 관리되지 않고 다음의 큰 사고를 예비하는데도 불구하고 쉽게 간과하거나 망각한다는
것이다.
이는 도미노 이론에서와 같이 600건이라는 4M 관리상의 문제가 기본요인을 점차 무너뜨리고
이것이 사고의 직접 원인이 되어 사고에 이르고 결국 큰 재해로 야기된다는 것이다.
특히 밸브에 있어서는 매우 간단한 문제로 치부할 수 있겠지만 다음과 같은 분석을 통하여
프로세스 플랜트에 있어서 밸브의 취급이 얼마나 중요한 것인가를 알 수 있다. 이렇듯,
프로세스에 있어서 밸브의 관리는 밸브의 종류별로, 프로세스 계통의 특성별로, 그리고
설치환경에 따라 취급방법을 달리해야 한다.
(1)밸브의 오조작 문제를 고려한 취급
밸브의 오조작 문제는 전형적인 휴먼 에러로 볼 수 있다.
일반적으로 프로세스 플랜트에 있어서 대부분의 배관계통은 프로세스 제어목적에 따라 계통의
주제어용 밸브, 보조제어용 밸브, 계통의 유지 보수를 위한 밸브, 프로세스 제어기기용의
보조밸브, 계통의 비정상적인 운전을 사전/사후 예방하기 위한 급배기(수) 밸브, 계통의
안전성에 중점을 둔 안전밸브, 릴리이프 밸브등 매우 다양한 밸브들이 설치되어 운전한다.
이들 밸브는 운전 목적이 각기 상이하고 형식 또한 판이한 다른 모양을 갖고 있으며,
운전 방법에 따라 수동조작, 자동조작으로 나눌 수 있으며 자동조작은 외부의 제어 시그널과
동력원(動力源, Power Source)을 받아서 조작되는 타력식(他力式) 자동 제어밸브가
있다. 본고에서는 밸브의 오조작 문제를 인간공학적인 측면에서 앞서의 3종류 밸브에
대하여 원론적으로 설명한다.
〔수동식 밸브〕
수동식 밸브에서 오조작을 방지하기 위한 방법으로는 인간적인 관성과 기술적인 즉, 공학적인
관점으로 접근하여야 한다. 인간적인 관성에 의한 밸브의 오조작 문제는 앞서 언급한
바와 같이 사고의 근본 원인을 제공하고 있는 습관이라든가 안이한 대처 즉, 주기적이고
집중적인 안전교육의 부족 및 관리체계의 허술함이 사고의 동기를 제공하게 된다.
공학적인 관점으로는 휴먼 에러를 최소화할 수 있는 조건들을 배관 및 밸브 시스템에
반영하는 것으로 다양한 접근 방법이 개발되고 있다.
〔타력식 자동밸브〕
타력식 자동밸브는 공압식 또는 전동식 자동 제어밸브(Pneumatic or Electric
Control Valve)를 말하는 것으로 그 기능은 계통 유로의 개폐 또는 조절(Throttling)하는
것이다.
유로 개폐 목적의 차단 밸브는 운전 중에는 계통의 절환이나 긴급시의 차단 또는 개방
밸브로 운전빈도가 그다지 높지 않으나 안전 측면이 강조된다. 반면에 조절기능의 자동
제어밸브는 항상 운전되는 밸브로서 계통운전의 신뢰에 필수적인 제반 제어 시그널에 따라
운전함으로 운전 신뢰성 측면이 강조된다.
따라서 조절기능에 손상이 있을 경우 자동 제어밸브의 설치운전에는 보조의 수동밸브와
차단밸브가 함께 설치된다. 또한 이들 자동밸브는 외부의 동력공급원에 대한 철저한 안전성이
확보되도록 하여야 한다. 즉, 방폭 등급이라던가 동력원의 손실시 안전한 운전 모드의
위치, 고장시 긴급조치는 어떻게 할 것인가, 운전 감시는 어떻게 할 것인가 등을 설계시부터
고려하고, 안전한 취급 및 설치방법을 제시하여야 한다. 물론 긴급시의 처치에 있어서
오조작 문제가 근본적으로 생기지 않도록 안전조치(Fail Close/Open) 기능
및 수동 조작 기구를 함께 갖추는 것이 좋다.
〔자력식 자동밸브〕
자력식 자동밸브는 안전밸브(Safety Valves) 압력 릴리이프 밸브(Pressure
Relief Valves), 감압밸브(Pressure Reducing Valves),
일차 압력 조절밸브(Pressure Sustaining Valves), 펌프 콘트롤
밸브(Pump Control Valves), 후로우트 밸브(Float Control
Valves) 등으로 계통내의 압력 또는 온도를 압력도관(Pressure Sensing
Line)이나 팽창성 액체도관(Capillary)으로 전달받아 자체의 다이아후램이나
스프링등으로 계통의 압력을 조절하는 것이다.
따라서 대부분의 제어 최종 목적은 압력 또는 온도가 된다. 실제 이들 밸브는 응용에
있어서 약 90%이상이 압력조절인 자력식 밸브이다.
자력식 자동밸브의 구조상 특징은 스프링을 압력제어의 직접적인 요소로 사용하는 안전밸브나
릴리이프 밸브를 제외하고, 모든 자력식 밸브는 압력도관을 갖고 있기 때문에 특별한
취급이 필요하다.
사용 유체에 따라 다르겠지만, 물용 감압밸브는 감압밸브 중에서 가장 널리 사용되는
밸브로써 압력도관과 주밸브(Mian Valve)의 동작을 지시하는 파이롯트 밸브 또는
솔레노이드 밸브 및 이에 부수되는 압력계, 피팅, 필터 또는 스트레이너, 체크 밸브가
제어라인으로 복잡하게 구성되어 있다. 주밸브를 동작시키는 이들 제어시스템은 밸브의
사용목적에 따라 구성을 달리하여야 하고, 배관시스템의 계통운전 조건에 맞도록 공장
및 현장에서 제어 기준값을 설정해 주어야 한다.
아파트나 대형 오피스 건물의 원수(源水, Raw Water)나 시수(市水, Municipal
Water) 시스템의 파이롯트식 감압밸브나 일차 압력조절 밸브 등에서의 제어성 문제는
대부분 필터, 스트레이너에서의 불순물이나, 물이끼가 파이롯트 밸브의 미세한 노즐을
막음으로써 발생하는 경우가 많다.
따라서 필터, 스트레이너, 파이롯트 밸브의 노즐에 대한 취급은 밸브 출하시는 물론
설치운전 중에도 각별한 관심을 기울여야 할 것이다.
파이롯트식 외에 직동식 즉, 압력도관을 직접 자력식 자동밸브의 구동부(다이아후램)에
연결하여 내부의 자체 스프링 힘과 입구 압력, 밸브 출구측의 압력의 평형으로 스프링
힘에 의해 밸브 출구 압력이 조절되는 방식의 감압밸브는 감압 조절의 정밀도는 약간
저하될 수 있으나, 앞서의 파이롯트 밸브가 없는 구조이기 때문에 취급상 비교적 용이한
구조이다.
(2)밸브의 누설을 고려한 취급
밸브의 유지보수라 함은 그 대상이 밸브의 내부 누설 및 외부 누설을 차단 또는 허용치
이내로 다시 조정하는 작업이라 할 수 있을 정도로 대부분의 밸브 유지보수가 트림부분과
패킹부분의 수리 또는 교체를 중심으로 이뤄진다.
아울러 밸브 제작자가 밸브를 출하할 때 집중적으로 시험, 검사하는 것도 밸브 시트에서의
누설량 확인과 밸브 외부로의 누설 가능성 여부를 확인하는 것이다. 밸브에 관한 기준
및 규격이 모두 이들 사항에 대하여 구체적으로 규정하고 있으나, 단시 밸브의 외부
누설 가능성이 매우 높은 글랜드 패킹 부위에서의 누설 관리에 대하여는 특별히 규정하고
있지 않다. 그러나 최근의 밸브 기술 및 사용자의 요구는 글랜드 패킹에서의 누설 또한
매우 엄격하게 규제를 하기 시작했으며, 이에 대한 대표적인 예가 미국의 대기환경보호법(Clean
Air Acts)이다.
글랜드 패킹에서의 누설 문제는 밀봉재인 패킹(통상적으로 현재에는 순수 흑연계의 성형
또는 편조형)에서 누설이 있을 경우, 그때그때 패킹 조임을 통하여 누설을 방지할 수
있다는 전제 조건 때문에 따로 규정하고 있지 않으나, 패킹재료의 발전과 CCA의 요구사항,
그리고 사용자 그룹의 요구로 조만간 패킹 또는 가스켓으로부터의 누설량은 엄격한 규제를
받게 될 것으로 예상된다.
따라서 패킹으로부터의 외부누설을 가능한 한 최소화하는 기술의 확보와 더불어 밸브의
패킹이나 가스켓과 같은 밀봉부문의 취급을 어떻게 하여야 할 것인가가 세밀하게 검토되어야
한다.
예로써, 밸브의 수압이나 시트 기밀시험에 사용되는 시험 액체는 청수가 대부분이다.
아울러 일반 밸브의 패킹부분에서의 스템 운동을 원활히 하면서 씰링 효과를 높이기 위해
인히비터(Inhibitor)라는 보조재를 사용하는 경우가 많은데, 특별히 아연베이스(Zinc
Based)계통의 인히비터는 스템에 점식(Pitting)현상을 일으킬 수 있어 주의하여
선택 결정하여야 한다.
더욱이 수압시험후의 불순물이 게재된 청수가 패킹재를 오염시킬 수 있으며, 패킹 윤활재의
화학적 안정성을 해치고, 대기중의 유해 물질과 결합 흡착되어 스템의 운전을 곤란하게
하는 경우가 실제로 상당수 발생된다. 밸브의 내부누설은 트림에서의 시트누설로 대표되며,
밸브 종류에 따라 누설량을 엄격히 제한하고 있다. 일반적으로 차단용 목적의 밸브는
시트 누설량을 허용하고 있지 않으며, 조절용 밸브 및 역류방지 밸브에서만 누설량을
소량 허용하고 있다.
밸브 사용중 시트 누설이 발생하는 요인은 대부분 취급 유체에 불순물 개제나 시트 접촉부에서의
상대적인 노화나 열화, 또는 밸브에서의 압력차에 의한 케비테이션이나 후라싱과 같은
물리적 현상에 의하여 발생된다. 금속간 접촉에 의한 씰링구조의 밸브 트림인 게이트밸브,
글로브밸브 및 메탈시트 볼이나 버터플라이 밸브의 경우에는 유체내 불순물 개제 또는
금속체간 높은 접촉응력과 금속화학적 반응에 의한 들러붙음(Stick on)으로 인한
긁힘(Galling) 또는 국부부식(점식, Pitting)으로 인한 누설이다. 반면에
소프트 시트(주로 테프론) 구조의 트림은 탄성체인 테프론과 같은 시트 재료가 오랜
시간 사용에 의한 노화나 열에 의한 열화등으로 씰링의 탄력성이 손상되어 누설이 생기는
경우로서 소프트 시트를 널리 채용하고 있는 90°회전 밸브류인 볼, 버터플라이, 플러그밸브에서
자주 발생한다. 물론 핀치밸브(Pinch Valve)나 다이아후램 밸브도 이러한 유형에
속한다. 마지막으로 유체 조절용의 제어밸브에서 유체역학적인 현상으로 여겨지는 케비테이션,
후라싱 현상은 밸브 응용에서 매우 조심스럽게 다뤄져야할 현상으로써, 계통 설계자와
밸브 제작사가 사전에 이에 대한 엔지니어링을 하여 실제 적용시 이러한 현상이 최소화되도록
밸브를 설계, 제작하여야 한다.
이러한 현상은 주로 제어밸브로 80%이상 사용되는 글로브 형식의 제어밸브에서 집중적으로
논의된다. 현재까지 케비테이션에 견딜 수 있는 구조의 트림들이 다양한 형태로 개발되고,
실용화되고 있으나 후라싱에 견딜 수 있는 밸브 트림에 대하여는 따로 후라싱 서비스용
트림이라 할 정도로 밸브자체 또는 밸브 트림만으로는 해결하기 어려운 점이 많다.
39회(98.2월호)
2.인간공학적인 측면
(2)밸브의 누설을 고려한 취급
지난호에 밝힌 바와 같이 유체역학적 현상에 의해 발생되는 밸브 트림의 씰링구조 손상문제는
전체 시스템에 대한 계통 및 밸브의 역할을 엔지니어링하여 시스템 및 밸브 트림의 설계에
반영함으로써 완화시킬 수 있다.
이 경우 밸브 트림에서 문제의 해결 방안을 찾는 것보다는 우선 시스템의 운전 조건을
검토하여 시스템부터 문제 해결을 추진하는 것이 보다 바람직하다. 역류방지 밸브인 체크밸브의
누설 문제는 실제 시스템의 운전에 있어서 간혹 매우 어려운 문제로 제기되는 경우가
의외로 많다. 특히 체크밸브는 사용자가 생각하고 있는 밸브의 기능과 제작자가 실제
관련 코드와 기준에 의해 제작한 밸브의 기능과는 엄청난 견해차를 갖게 된다. 이 견해차의
주요 내용을 다음과 같이 요약한다.
·체크밸브에서의 압력 손실 문제
·체크밸브에서의 통과 유량 문제
·체크밸브에서의 누설 허용량과 실제 설치시의 누설량 과대 문제
·사용 유체에 따른 허용 누설량과 실제 계통 적용시의 누설 문제
이중 밸브 엔지니어링 측면에서 심도 있는 기술적인 검토가 필요한 사항은 압력손실의
문제와 실제 설치시의 누설량이 검사시의 허용 누설량과 큰 차이가 나는 원인에 대한
것이다.
첫째, 체크밸브에서의 압력 손실의 문제는 계통 운전시 심각하게 대두되는 문제로서,
그 원인은 다음과 같다.
체크밸브의 디스크는 계통에 유체가 흐를 때에만 열리도록 되어 있다. 통상 계통압력에
의해 열린다고 생각할 수 있지만 계통내에 적정 유량이 흘러야만 밸브의 디스크가 흐르는
유체의 힘에 의해 개방된다. 따라서 계통내에 적정 유량이 흐르지 못할 때는 디스크가
완전히 열리지 못하고 중간 개도에서 불안정하게 운전하게 된다. 따라서 이때의 밸브에서의
압력손실은 디스크가 완전히 열리지 못함에 의한 유로 포트의 교축으로 크게 발생하게
된다. 특히 배관 관경이 크게 선정되어 있고 계통 유량이 적은 경우에는 계통 운전이
불가능할 정도로 압력손실량이 커질 수 있다.
체크밸브의 제작자는 이러한 사항을 고려하여 체크밸브에 대한 최소 흐름요구속도(Minimum
Flow Velocity)를 제시하고 있다. 따라서 계통 설계자나 운용자는 이 최소
흐름요구속도를 가지고 필요 유량과 체크밸브의 유량계수(Cv)를 가지고 이론적이지만
실제 계통설계에 적용할만한 체크밸브의 압력 손실량을 계산할 수 있다. 이 압력손실량을
가지고 계통 설계 및 운전에 체크밸브를 적용해야 위와 같은 사용자와 밸브 제작자간의
견해차 즉, 문제를 해결할 수 있는 것이다.
그러나 현재 배관 엔지니어링에 있어서 설계자는 거의 모든 체크밸브를 단지 압력-온도
등급에 의한 외형적인 데이터로 밸브를 선정하기 때문에 워터햄머와 같은 유체의 천이현상을
제외하더라도 시스템 설계에 필수적인 체크밸브의 압력손실량을 적당히 결정하고 있는 것이다.
이들 문제는 상대적으로 대구경의 배관계통에서 보다 소구경의 배관계통에 보편적으로 적용되는
리프트 체크밸브에서 빈번하게 발생한다. 이러한 문제는 밸브 형식 또는 유체흐름의 모양(Flow
Passage)을 변경하거나 내부 디스크의 전체 질량을 조정하여 해결할 수 있다.
다음에는 이러한 체크밸브에서의 압력손실 문제를 구체적으로 설명하고자 한다.
다음의 문제는 시트의 허용 누설량 이내의 밸브를 공급하였는데도 불구하고 실제 설치된
체크밸브의 누설량이 과대하여 문제가 되는 경우이다. 이 또한 밸브 제작자에게 큰 기술적,
경제적 고통을 안겨 주는 사례로서, 결론적으로 체크밸브를 부적절하게 설치하였거나 최초
운전시(시운전시) 배관 계통의 청소(Clean Up or Flushing)가 불결하여
이물질에 의해서 경면 연마된 시트면의 기밀 구조 손상이다.
이중 특별히 주의해야 할 사항은 체크밸브를 설치할 때 설치 위치 및 방향에 따라 생기는
유체역학적 불안정 구조로서, 이들 문제에 대한 분석 및 설치상의 고려사항에 대해서는
구체적으로 다음호에서 설명한다. 이와 같이 밸브의 누설을 고려한 취급은 보다 깊숙한
기술적 배경을 요구하게 됨으로 밸브엔지니어링 전문가에 의한 체계적인 취급이 바람직하다.
(3)리프트 체크밸브의 압력 손실의 문제를 고려한 소형 체크밸브의
취급
체크밸브의 압력손실을 예측하는 데에는 우선적으로 배관계통내의 최대 설계유량과 운전
유량에 기준한 유체의 흐름속도 즉, 유속이 중요한 설계 계산의 포인트가 된다.
물론 체크밸브의 형태에 따라 압력손실 계수가 정해지는데 이러한 밸브 형태에 따른 저항계수는
이미 미국 Crane社에서 발간한 'Fluid Flow'와 같은 기술자료로 널리 알려져
있다. 이러한 기술자료 중 기술자들에게 널리 알려져 있으며, 아울러 공학적 상식을
체계적으로 정리하고 있는 Crane Technical Paper #410에서는 배관계의
적정 유속을 [보기1]과 같이 고려하고 있다.
그러나 4인치 이하의 소구경 배관의 경우 상기 배관내 유속보다 30%정도 증가시켜도
무방하다. 왜냐하면 소구경 배관의 경우 배관의 벽두께가 상대적으로 대구경 배관에 비하여
두껍게 제작되고 있으며, 유체의 흐름 관성력이 작기 때문이다.
·리프트 체크밸브의 특성 검토
리프트 체크밸브는 스윙식의 체크밸브에 비하여 리프트 부분을 대쉬포트(Dash Port)로
하기 때문에 디스크의 떨림(채터링, Chattering) 현상이 적어 맥동이 있는
배관계에 널리 채택되고 있다. 리프트 체크밸브의 동적 특성은 배관계의 유량, 디스크의
질량, 디스크와 몸체 가이드면과의 간격 및 편심률, 디스크 측면의 밸런스 구멍의 크기
등에 많은 영향을 받는다. 이중에서 가장 크게 체크밸브의 안정된 디스크 열림에 영향을
주는 것이 유량 즉, 유속이다.
유속이 높을수록 유체의 흐름관성력(Fluid Flow Inertia Force)이
높아 디스크는 안정된 상태로 열려있게 되는 것이다. 다음의 식은 리프트 체크밸브에
있어서 디스크의 운동방정식이다. 액체 서비스용 리프트 체크밸브에서 중요한 사항은 액체의
점성도에 따라서 Fγ의 크기가 크게 변화된다. 따라서 Fγ에 영향을 직접적으로 미치는
디스크와 몸체 가이드면과의 간격(실제적인 예로써 0.125~0.15mm로 제한한다)이
체크밸브의 원활한 운전을 위해 매우 중요한 설계 포인트가 된다.
체크밸브의 디스크와 몸체 가이드면의 간격에 의한 편심률 ε의 값은 어떤 리프트 체크밸브
설계에 있어서도 0.3 이내로 제한되어야 하며, 아울러 Fγ의 값을 적게 하기 위하여
표면 거칠기도 매우 정밀하게 제어해야 한다. ε의 값이 적으면 디스크의 안정성이 높아져
ε의 값이 높은 설계보다 낮은 유속으로도 디스크의 안정성을 기할 수 있다.
일반적으로 리프트 체크밸브의 디스크에는 밸런스 구멍을 3개 정도 뚫어 놓는데, 이는
디스크가 열렸을 때 디스크 상부의 케비티에 있는 잔류 유체를 이 디스크의 밸런스 구멍으로
릴리이프 하도록 한 것으로 디스크의 신속한 닫힘
작용에 매우 중요한 역할을 수행한다. 밸런스 구멍의 크기는 채터링 현상을 감소시키는
목적이라면 가능한 작게(호칭경 2인치 이하 직경 3mm 내외, 호칭경 2.5~4인치의
경우 4~5mm 내외)로 하면 좋다.
·소형 리프트 체크밸브의 디스크 안정 열림을 위한 최소 흐름 속도
계산식의 유도
본 계산식을 유도하기 위해서는 디스크 틈새에서의 와류가 없으며, 디스크 상부에서의
케비티에서의 잔류 유체는 디스크가 열릴 때 밸브 입구측 압력과 즉시 밸런스가 되고,
디스크의 부력에 의한 유속 증가는 고려하지 않은 상태로 조건을 가정하고 다음의 모델에
따라 계산식을 유도한다.
우선 디스크의 밸런스를 위하여 디스크가 닫힐 때의 힘 F와 유체력에 의해 디스크가
열릴 때의 힘 f는 평형이 되어야 한다. 따라서 F=f로 하여 필요한 밸브 입구에서의
최소 흐름속도를 이론적으로 구할 수 있다. 참고(1)에서 밸브에서의 압력손실 ΔP는
ΔP = 6×V2×Gf/(Cv/D2)2
Gf : 비중(1.0)
V : 배관계의 유속(ft/sec)
D : 배관의 내경(inch)
이 식에서 밸브의 압력손실은 배관계의 유속이 증가함에 따라 증가하고, 밸브의 유랑계수
Cv자승에 반비례한다.
V2 = [ΔP×(Cv/D2)2]/6(ft/sec)
Q = AV(GPM)
그런데 밸브에서의 유체흐름 저항으로 인한 압력손실은 참고(2)에 따라 계산하면 다음과
같다. 즉,
ΔPf(100) = 1.35×f×Gf×(Q2/d5), psi/100ft
여기서
Q : 유량(GMP)
d : 유로경(inch)
f : 마찰계수로써 0.02로 가정하고, 참고(2)의 TableⅡ에서 리프트 체크밸브의
등가 파이프길이를 구하여 대입, 실제 밸브에서의 압력 손실량을 구한다.
ΔPv = 1.35×f×Gf×(Q2/d5)×Le(psi)
여기서, Le = 등가 파이프길이(ft)/100(ft)임.
만약 ΔPv = ΔP가 같다고 가정하여 d를 확인하고 선정된 밸브의 포트가 적절한가를
확인한다. 그리고 실제 유량 Q를 수송시, 밸브에서의 실질적인 동적 압력손실 ΔPv를
구하면 된다.
만약 측정된 압력손실량이 계산된 ΔPv보다 월등히 클 경우에, 이는 분명 체크밸브의
디스크가 완전히 열리지 않고 중간개도(원인은 이물질이 디스크와 디스크가이드 사이에
개재 또는 유체의 흐름량이 매우 적게 흐를 경우 등)로 하여 약 3~12배 정도의
압력손실(참고(2))이 생겼기 때문이다.
만약 실제의 압력 손실량이 예상보다도 크게 발생할 경우, 리프트 체크밸브의 취급에서
다음과 같은 원인으로 과대한 압력손실이 발생된 것으로 고려하여 이들의 원인을 해결하면
된다.
- 디스크와 디스크 가이드 사이에 미세한 이물질이 개재되었을 경우-배관계통내의 유속
저하로 인한 흐름 유체력이 약하여 디스크를 충분히 열지 못했을 경우-스프링의 버클링에
의한 편심량에 의하여 디스크의 열림이 원활하지 못했을 경우-디스크 가이드와 디스크
측면의 표면 조도에 의한 열림 마찰력이 과대하여 발생한 것 대책으로,
- 스프링의 제거 또는 교체를 실시하고 본네트의 스프링 가이드면을 원활하게 한다.
- 디스크와 디스크 가이드면의 간격을 0.13mm정도로 조정하고, 양쪽 접촉면을 경면사상(鏡面仕上)을
실시한다.
- 시트 밀착면에서의 표면장력 효과를 저감시키고, 유체흐름을 원활하게 하기 위하여
디스크의 반경을 시트면의 접촉면 외경에 일치시키고 시트면과 디스크 시팅면에 작은 유로
흐름이 생성될 수 있도록 한다.
40회(98.4월호)
지난호에서는 소구경 배관계통에서 널리 채택되고 있는 리프트 체크밸브의 적용상의 압력손실에
대하여 설명하였다. 체크밸브의 종류별 압력손실 정도는 참고로 대략 [표1]과 같다.
(4)설치의 안전성
배관계통은 기본적으로 취급유체가 매우 다양하여 포스겐가스나 염소가스와 같은 맹독성의
가스, 황산이나 가성소다와 같은 위험성 액체등도 밸브를 통하여 제어하게 된다.
밸브는 이러한 유체를 취급할 때에는 특별히 글랜트 패킹이나 가스켓(본네트 가스켓과
플랜지 접속 가스켓)에서의 외부 누설에 심각하게 유의하여야 한다. 아울러 가연성 고압가스의
누설은 엄청난 재난을 가져올 수 있다. 또한 고압증기 시스템 계통의 경우에는 사람을
다치게 하거나 주변의 전기배선이나 주변기기에 손상을 입혀 큰 사고 피해를 유발하기
때문에 설치 및 관리는 안전을 제일로 하여야 한다.
4.규격밸브
현재 국제적으로 통용되는 밸브 규격은 주로 미국, 영국, 독일 및 일본등 선진국가에서
제정된 것으로 특히 미국에서 제정된 ASME(미국기계학회), API(미국석유학회),
MSS(미국제작자협회), ISA(국제계측제어협회) 등의 규격이 가장 영향력이 크다.
이중 ASME는 밸브류의 구조적 강도문제를 중점적인 관점으로 취급하고 있으며, 나머지
API나 MSS등은 ASME에서 정한 구조적 강도의 허용범위 내에서 실제 프로세스에
적용할 수 있는 실질적인 규격을 정하고 있는 경향이다.물론 구조적 문제의 근간이 되는
플랜지 강도 계산이나, 압력 용기로서의 밸브 몸통의 구조강도 문제는 일본이나 독일의
기본 국가규격으로 정하고 있지만, 일본의 경우 강도 계산방법이나 테이블링(Tabling)
방법 등이 흡사 미국의 ASME 방법과 유사하다. 독일의 경우는 보다 자세하고 또한
수많은 고려사항들을 계산에 포함하도록 요구하는 등 산업문화의 차이에서 보면 미국문화권과
독일문화권이 유별나게 구분되는 재미있는 특징이 있다.
우리 나라의 경우는 흡사 일본 규격을 거의 번역한 것과 마찬가지로 규정되어 있는데,
실질적인 밸브의 압력, 온도 기준의 근간이 되는 밸브의 재질강도 및 사용(설계)압력
및 온도에 따른 밸브 구조의 강도에 대한 상세한 지침이 규격화되지 않은 사항은 유감이다.
단지 한전의 발전용 밸브를 중심으로 하는 KEPIC규격이 1995년도 말에 제정된
것이 이러한 밸브구조의 강도문제를 규격화한 첫 사례로 볼 수 있다. 일반적으로 모든
밸브는 해당분야의 규격에 따라 설계, 제작, 시험 및 검사를 통해 완제품으로서의 인정을
받도록 되어 있다. 크게 분류하면 발전용, 석유화학용, 상하수도용, 제지용, 식음료용,
소방용등으로 구분되고 보다 세부적으로는 업종별 특성에 따라 또한 구분된다.
예를 들면 발전용이라 해도 원자력발전소용과 일반 수화력용 밸브의 품질 요건은 엄청난
차이가 나며, 밸브의 제어 특성에 따라 기계분야에서 취급할 것인가 또는 제어계측분야에서
취급할 것 인가도 구분된다. 다음은 우리 나라에서 비교적 많이 인용되고 있는 대표적인
밸브관련 규격 발행처이다. 이와 같이 밸브는 용도별, 나라별로 규격이 상이하기 때문에
우리 나라와 같은 경우, 분명히 KS 규격이 기준이 될 것으로 판단된다.
하지만 밸브의 경우에는 불행스럽게도 KS 규격은 극히 제한적인 분야로서 KS B 2306으로
일반 기계 장치용, 선박용 및 옥외 수도용에 대한 호칭 압력별 밸브의 면간 치수를
규정하고 있고, 세부적인 용도별 규정은 선박용 및 상대적 저압인 건축설비 및 상수도용에
집중되고 있는 느낌이다. 따라서 발전소 및 석유화학 플랜트를 비롯한 프로세스 플랜트에
소요되는 대부분의 밸브류는 플랜트를 어느 나라의 기술로 건설하느냐에 따라 미국 규격,
독일 규격, 프랑스 규격, 일본 규격으로 적용하여 왔으며, 단지 상하수도의 제수밸브나
건축설비용으로 쓰이는 일부 밸브들만이 KS 규격을 적용해 왔음을 안다.
예로써 우리 나라의 대부분의 발전소는 원자력의 경우 울진원자력 1,2호기를 제외하고는
미국 규격을, 수화력의 경우 어느나라 차관으로 발전소를 건설했느냐에 따라 미국 규격
혹은 독일의 DIN 규격이 널리 사용되었고, 일부 일본의 ,JIS 규격이 준용화되었다.
석유화학 콤비나이트의 경우도 대부분 미국의 API, ANSI, ISA, IEEE 규격들이
준용되고, 독일의 기술로서 건설된 것은 대부분 DIN 규격으로 밸브들이 도입 설치되었다.
따라서 산업용의 밸브 제작자들은 KS 규격의 밸브가 아닌 ANSI, API 또는 JIS
규격에 의한 밸브제작 생산에 더욱 익숙해져 있는 것이 현실이다.
또 한가지 재미있는 사실은 밸브의 종류별로 규격상의 특징이 있다는 것이다. 이는
밸브 도매상들의 상술로 빚어진 결과이기도 하지만, 섬유도시로 유명한 대구, 구미지역의
합섬공장의 열매용 밸브의 대부분은 독일의 DIN 규격제품이 매우 많으며, 벨로우즈
씰 밸브의 대다수는 또한 독일제품과 일본제품이 주종이 되어있다. 그런데 DIN, JIS
및 ANSI/API의 밸브 규격상 같은 압력등급이라 하더라도 밸브의 면간 거리가 각기
상이하여 이들 밸브의 개보수, 추가 확장 등의 공사시에는 서로 상이한 규격으로 인하여
공사 추진에 많은 영향을 미치게 하며, 더욱 많은 공사 경비가 추가될 수 있다. 반면에
울산의 SK, 쌍용과 같은 석유정제공장, 여천 석유화학공장의 대부분은 미국 규격을
준용하고 있다.
특히 DIN, AFNOR 또는 JIS에 의한 밸브 재질 규격의 ASTM에 대한 대조는
전문가가 아니면 판단할 수 없을 정도로 복잡하게 되어 있어, 기존 플랜트의 밸브 개보수등
밸브의 보전관리에 많은 문제점을 주고 있다.필자의 성급한 주문이지만, 현재 우리 나라에서
채택되고 있는 다양한 밸브 규격은 가급적 세계화의 추세에 맞춰 가능한 미국규격에 준용하도록
하는 것이 바람직하다.
특히 산업용 밸브의 내수용의 경우 금액 대비 약 70%이상, 수출의 경우 약 80%이상을
미국규격에 준용하고 있음을 감안하여 산업용의 경우 거의 활용되지 않는 KS 규격보다는
차라리 미국규격(ANSI/ASME)을 우리 것(KS) 화하는 것이 우리 밸브 업계로
봐서 오히려 매우 바람직하다고 생각한다. 이렇게 함으로써 규격의 보다 깊은 이해와
통일성, 그리고 세계화된 밸브 규격의 적용으로 국내는 물론 해외에서의 우리 밸브 제품의
경쟁력을 확보할 수 있을 것이다. |
