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5.밸브의 중요도 구분

밸브 중요도의 구분은 밸브를 포함하는 시스템 설계에 있어서, 시스템에서 요구하는 밸브의 기능과 사용상의 목적이 시스템 운전에 얼마나 중요한가를 구분 짓는 것으로 보면 된다. 시스템의 원활한 운전을 위하여 밸브의 역할을 구분하면 다음과 같이 세 가지로 구분할 수 있다.
첫째는 시스템에 대한 능동적 부품(Active Component)으로써 일반 파이프나 피팅과 구분되고, 두 번째는 시스템에 대한 기능상의 능력(Functional Canal Capability)으로써 파이프나 피팅과 같이 얼마만한 유량, 압력, 온도에 알맞은 크기 또는 능력을 가졌는가이다.
세 번째는 시스템의 운전 또는 제어성보다도 밸브 자체의 운전성(Opeability)이다. 이 세 가지가 시스템에 전체적으로 조화되어야만 밸브와 밸브를 포함한 시스템이 원활하게 운전되는 것이다.

1)시스템에 대한 능동적 부품으로써 밸브의 중요도

일반적으로 1000MW급 원자력발전소당 약 21,500개의 각종 밸브가 필요하지만 750MW급 분탄(粉炭) 화력발전소의 경우에는 약 8,000여개의 밸브가, 30MW급의 유동탄 화력발전소의 경우에는 약 1,000여개의 밸브가 필요한 것으로 알려져 있다.
발전소 시스템에 있어서 가장 중요한 밸브들은 시스템의 원활한 운전과 제어를 위한 주요 제어 및 차단밸브들로서 발전소 총 밸브의 약 5%인 400여개가 가장 중요한 밸브로 취급된다.
그 다음으로 중요한 밸브들은 압력-온도에 따른 고온, 고압밸브 및 고차압밸브(Severe Duty Service Valves)들로서 약 20% 정도를 차지하고, 나머지 약 75%는 단순한 제어용이나 차단용의 일반밸브들(General Service Valves)로 구분될 수 있다.
[그림1]은 화력발전소에서 가장 문제점이 많이 생길 수 있는 밸브들을 표시한 것이다.한 예로 [그림2]의 계통도와 같이 55MW급의 복합화력발전소에 있어서 보일러 급수시스템 구성은 약 0.07~0.08bar(a)와 39℃의 진공도를 가진 복수기(콘덴서, Condenser)로부터 복수기펌프(18.6barg, 39℃), 디미네랄라이저(Demineralizer, 17.6barg, 43.3℃), 저압급수가열기(LP Feedwater Heaters, 7.03barg, 121℃), 탈기기(Deaerator, 6barg, 157.8℃), 보일러 주급수펌프(Boiler Main Feed Pump)를 거쳐 고압 급수가열기(HP Feedwater Heaters, 137barg, 211.7℃), 주급수 제어밸브(Main Feedwater Control Valve, 116barg)를 통하여 보일러에 급수가 된다. 보일러에서 발생하는 증기는 110.8barg/510℃로 하여 발전기를 돌린다.

이 프로세스에서와 같이 시스템에 있어서 능동적인 부품으로의 밸브는 시스템의 일부 또는 전체를 불안정한 운전으로부터 정상운전에의 시스템 복귀 기능은 물론 돌발적인 사고로부터 시스템을 완화시키거나 정지시킬 때 필요한 기능 부품으로서의 역할이다.
따라서 각 프로세스 핵심기기 요소인 복수기, 히터류, 펌프, 탈기기, 터어빈 등의 전후단에는 시스템 운용의 평형을 위한 즉, 주기능이 제어기능인 밸브류가 설치되고 어떤 비정상적인 운전에 대비하여 시스템 운전을 릴리이프 할 수 있는 바이패스 밸브류 및 주기기의 돌발적인 사고로부터의 안전보호를 위한 긴급차단밸브와 안전밸브류가 주요 핵심기기 요소에는 능동적 부품으로서의 밸브가 선정되고, 이들 계통에 속한 밸브의 중요도는 가장 높은 등급의 밸브로 분류할 수 있다.

41회(98.6월호)
2)시스템에 대한 밸브의 기능으로서의 중요도(Functional Capability of the Valve)

공정플랜트에 있어서 배관시스템 즉, 유체 수송시스템은 펌프, 열교환기 또는 각종 탱크류와 같은 공정기기와 유체흐름을 제어하는 밸브 및 오리피스와 배관으로 구성되어 있다. 따라서 공정시스템은 [그림1]과 같은 세 가지 중요 공정요소로서, 각 요소가 프로세스의 핵심 운전인자들인 온도, 압력, 유체질량, 시간 등에 대하여 전체적으로 시스템이 평형과 조화를 이루도록 하는 것이 제어요소인 밸브·오리피스인 것이다.
배관, 피팅, 배관지지대 등 밸브의 기능상의 능력(Functional Capability)은 바로 전체 공정시스템상의 제어기능의 능력을 표시하는 것으로 밸브의 설계 또는 사용 조건하에서 계통 및 밸브자체의 구조적인 안정성을 유지하며 공정시스템이 원활하게 운전되도록 정격 유량을 수송 및 제어하는 능력을 말한다. 밸브 기능의 중요도는 첫째로 밸브의 치수 건전성이고, 둘째로 유로 특성을 결정하는 트림구조의 안정성, 셋째로 유체의 화학적 반응도에 따른 밸브 재질구조의 안전성, 넷째는 밸브 운전조작의 합리성이다.

①밸브의 치수 건전성(Dimensional Stability Based on Structural Integrity)

공정시스템의 핵심운전인자인 온도, 압력, 유체질량, 시간 중에서 밸브의 치수 건전성 즉, 구조적인 강도를 안전하게 유지하기 위해서는 최우선적으로 사용온도와 압력, 그리고 시간에 대하여 충분한 구조적인 강도를 가진 구조로 설계 제작되어야 한다.
높은 압력의 밸브는 그만큼 밸브의 벽두께를 두껍게 하여야 할 것이며, 높은 온도의 밸브는 가능한한 열천이에 의한 열응력의 변화(피로응력을 크게 증대시킴)에 대하여 구조적으로 안정되게 하기 위하여 밸브의 벽두께는 가급적 얇게, 그리고 균일한 두께로 설계되어야 할 것이다.
여기에 시간의 함수를 고려하면 밸브구조는 가급적 얇고, 균일한 두께로 설계되어야 한다는 결론에 이른다그러나 실제 밸브의 제작기술상 "얇고 균일한 두께"라는 이상적 조건의 밸브생산은 불가능한 것이 현실이다. 밸브의 경우 포트구조와 유로부분에서의 크로치 부분(Crotch Area)이 대표적인 구조적 불연속부(Structural Discontinuity)로써 이 부분은 앞서의 온도 및 압력에 민감하게 작용하는 구조 부분이다. 일반적으로 밸브가 받는 응력지점 중 가장 크게 응력이 발생하는 부분은 이 크로치 부분이고, 이는 밸브의 내부면에서 최대치를 가지며 밸브 중심면에 수직으로 전 밸브의 목둘레 부분에 인장 응력을 가하고 있는 것이 특징이다.

이 부분이 밸브의 가혹한 운전조건하에서 가장 중점적으로 치수의 건전성을 확인할 수 있는 핵심부분이다. 아울러 밸브를 주조로 만들 경우 벽두께의 급격한 변화에 의한 응고속도, 압탕구조, 응고수축등의 영향이 집중되어 많은 불량이 생기는 부분도 이 부분이 된다.
간단한 방법으로 이 크로치 부분의 구조적 건전성을 단순하게 사용 압력으로만 평가할 경우 이 부분의 1차 막응력강도(Primary Membrane Stresses Integrity)는 다음과 같이 표시할 수 있다.
Pm = (Af/Am+0.5)Ps
여기서
Pm : 크로치 부위에서의 1차 막응력강도
Af : 크로치 구역내의 유체면적
Am : 크로치 구역내의 밸브 벽두께 면적
Ps : 사용 압력
대부분의 경우 밸브의 구조상 압력을 받는 조건하에서는 그림에서의 Am부분이 가장 큰 응력을 받게되고, 아울러 밸브가 급속히 개폐되어 밸브의 디스크 전후에서의 큰 압력차이가 생기는 특정의 경우에도 Am부분이 가장 가혹한 응력을 받게된다.
다음으로 밸브 사용온도 하에서의 치수건전성 문제 또한 이 크로치 부분이 문제가 된다. 밸브 유로 부분은 어느 정도 균일한 두께로 설계되지만 유로와 밸브 목이 구성되는 트림부분인 크로치 부분은 다음의 강도 설계 규칙에서 보는 바와 같이 균일한 열응력 분포를 기대할 수 없다. 열응력은 온도구배와 두께변화로 인하여 생기게 되는데, 밸브구조 특히 몸통구조에서는 크로치 부위에서 가장 크게 발생한다.
결론적으로 밸브의 내압구조에서는 크로치 부위의 최적설계가 가장 중요한 설계 핵심부분이고, 다음에 언급하는 트림구조의 안정성에도 구조강도상 중요한 지지구조이기 때문에 밸브의 치수건전성 측면에서 주의 깊게 설계해야 될 포인트이다.

②밸브의 유로 특성을 결정하는 트림구조의 안정성

밸브의 제어성은 유체의 흐름을 공정시스템의 운전 목적에 맞도록 개폐하거나 조절하는 기능을 말한다. 이 제어성은 물리적인 의미로서 밸브에서의 압력손실이라는 물리적인 현상을 능동적으로 이용하는데 있어서 그 정밀도를 의미한다. 즉, 유체가 배관계통을 흐르고 있을 때는 배관벽의 마찰, 피팅에서의 흐름방해 등으로 압력손실이 생기는데 이는 일정한 양의 어쩔 수 없는 압력손실이 되는 것이지만, 밸브에서는 유체가 흐르는 형상과 양을 조절함으로써 압력손실의 양과 크기를 고의적으로 조정하는 것이 밸브의 기능이라고 할 수 있을 정도로 압력손실을 중요하게
고려한다. 유체가 흐를 때 압력손실은 다음과 같이 물리적 식으로 표현한다.
△P = k PV2/2g
여기서
△P : 발생 압력손실
k : 밸브의 유로형상과 마찰로 인하여 생기는 손실계수
P : 비중량
V : 유체의 속도
즉, 유속이 빠를수록 압력손실이 크게 발생하므로 밸브에서의 제어는 유속을 제어하는 구조인 유로 단면적을 가변하는 구조의 오리피스로 고려하여 해석할 수 있는 것이다. 따라서 밸브에서 유체의 흐름을 직접 제어하는 부품인 트림은 그 구조가 공정시스템의 운전제어 목적에 철저히 부합되는 구조이어야 한다.
그야말로 밸브가 매우 다양한 운전조건하에서 부여된 제어임무를 원활히 수행하려면 트림구조는 공정시스템에서 하나 하나가 특별히 안정스럽게 운전되도록 설계, 제작되어야 한다. 트림구조의 안정성을 유지하려면 다음과 같은 사항들을 철저히 고려해야 한다.
·유체의 제어특성
급개형 - 개폐용
선 형 - 밸브 개도에 따라 유량의 변화량이 비교적 일정함
등비율형 - 밸브 개도에 따라 유량의 변화가 등비율 구조로 됨
·유체의 온도
·내부누설의 관리 정밀도
·유체의 입구 압력과 밸브 출구측의 공정요소가 요구하고 있는 압력(밸브에서의 설계차압)
·시스템 운전환경(증기 블로우다운, 복수기 방출, 개폐빈도등)
·유체의 종류
·트림의 유지보수의 편이성

특히 유체의 흐름이 이상유체(二相流體, Two Phase Flow)인 경우 트림에서의 제어성이 곤란하며, 차압(差壓, Differential Pressure)이 클 경우 유체의 성상을 변화시킬 수 있음으로 이를 방지할 수 있는 구조의 트림을 설계하여야 한다.
실질적으로 트림구조의 안정성은 유체의 제어특성, 소음과 진동, 케비테이션과 후라싱등으로 그 현상을 판단할 수 있다.

유체의 화학적 반응도에 따른 밸브 재질 구조의 안전성밸브는 다양한 성상의 유체를 다루기 때문에 공정유체의 종류에 따라 밸브를 구성하는 재질은 화학적으로 상호 반응이 없는 것이어야 한다.
즉, 밸브 재질의 유체 종류별 부식침식(Corrosion & Erosion)성을 판단하여 선정하는 것이다. 이에 대한 것으로는 이미 과월호에 구체적으로 설명한 바 있다.

밸브의 운전조작의 합리성밸브는 운전부품(Moving Parts)인 스템, 디스크와 압력유지부품(Pressure Retaining Parts)인 몸통, 본네트 또는 캡, 본네트 볼트등으로 구성된 밸브 몸체가 있고, 운전부품의 조작에 필요한 밸브 요크, 슬립, 핸들 또는 구동부로 구성된 밸브 조작부가 있다.
밸브를 자동으로 구동하는 경우에는 제어상 필요에 의하여 밸브조작 보조기기류가 추가된다.
밸브의 운전 조작의 합리성에서 가장 우선적으로 고려되어야 할 사항은 다음과 같다. ·밸브의 내부 및 외부 누설문제·밸브의 개폐에 필요한 운전토오크의 관리문제
·밸브의 개폐속도
·밸브의 설치상 제한사항
·밸브 구동조작의 방법
·밸브 설치환경(방폭, 본질안전, 기밀등급등)
·시스템 추종성

특히 밸브의 핵심 부품중의 하나인 글랜드 패킹의 설계문제는 패킹 재료, 스터핑박스의 구조, 패킹 글랜드 후렌지의 패킹 가압력, 스템 및 스터핑박스 내면에서의 표면거칠기 등으로 구분된다. 이 글랜드 패킹문제는 외부 누설문제, 운전토오크, 개폐속도에 직접적으로 영향을 미치고, 연속 자동제어 밸브의 경우에는 패킹가압력이 과도하면 밸브의 제어성을 상실하는 사례도 있다.
밸브의 구동조작의 방은 매우 다양하다. 수동조작과 자동조작으로 대별되며, 자동조작의 경우 구동부의 형식과 구동 동력원에 따라 다음과 같이 구분할 수 있다.
·전기구동식(회전)[Gear Mechanism]
-선형구동(Linear Motion)
-90°회전구동(Quarter Turn)
·유압구동식(전기모터-유압발생)[유압실린더]
-선형구동(Linear Motion)
-90°회전구동/Scotch Yoke
·공압구동식
-선형구동
-90°회전구동/Scotch Yoke
-90°회전구동/Rack & Pinion
-Air Motor 구동방식
-Piston Type
-Diaphragm Type

42회(98.12월호)
밸브 사용상의 제한사항

밸브는 기능상의 요구사항으로써 차단용 밸브(Isolation Valves), 조절용 밸브(Modulating/Throttling Valves), 과압보호용 밸브(Pressure Relief Valves), 역류방지 밸브(Non-Return Valves) 등이 계통에서 요구하는 제어기능을 적절히 수행하게 된다.
앞에서도 언급했듯이 특정 밸브는 특정 기능을 수행하도록 설계되어 있으나 일반적인 대부분의 밸브들은 차단 및 조절기능을 함께 수행할 수 있으므로 계통에서 요구하는 제어기능이 명확할 경우 사용상 또는 적용상의 제한사항이 뒤따른다. 다음은 대표적인 각 밸브별로 사용상의 제한사항들을 요약한 것이다.

(1)차단기능의 밸브

1)게이트 밸브
·최적의 설치조건은 수평 배관상에 스템이 수직으로 설치되어야 운전성 및 구조적 건전성이 높아진다. 그렇지 않은 경우 수명이 짧아지고, 분해 수리가 어렵다.
·배관의 난류원인 피팅에 가깝게 설치하지 말아야 한다.
·특별히 압력 밀봉식(Pressure Seal) 본네트 구조의 게이트 밸브는 필히 수평 배관에 본네트가 수직으로 위쪽에 설치되어야 한다.
·단기간의 유량조절만 가능하므로 완전열림, 완전닫힘의 밸브로 취급되어야 한다.

2)글로우브 밸브
·앞의 게이트 밸브와 같은 방법으로 설치되어야 한다. 오히려 게이트 밸브의 설치위치와 방향보다도 더 엄중하게 고려되어야 한다.
·일반적으로 유체흐름 방향은 글로우브 밸브의 시트에서 디스크로 흐르는 상향식 흐름이나 진공라인의 경우에는 하향식 흐름으로 되어야 한다.
일반 화학공장에서 방폭지역 등급에 따른 경계에 밸브로 차단기능을 할 때는 상향식이나 하향식을 방재 방안에 맞춰 정해야 한다.
·기타는 게이트 밸브와 유사하다.

3)버터플라이 밸브
·설치는 스템이 배관라인에 수직이 되게 한다. 수평배관에 설치되는 경우 스템이 경사지게 설치되면 과도한 토오크 및 토오크량 변화에 따른 진동이 유발될 수 있다.
·배관의 엘보우나 펌프 토출측에 너무 가깝게 설치되어서는 안된다. 적어도 배관직경의 6~10배만큼 떨어져 설치되어야 한다.
·유속이 빠른 계통에의 버터플라이 밸브 적용은 운전 토오크의 문제로 가급적 피한다.

4)볼 밸브
·소프트 시트인 경우 사용온도는 200℃를 넘지 않도록 한다.
·메탈시트인 경우 슬러지성 유체나 불순물이 많은 유체 계통에는 사용할 수 없다.
·차단용 기능의 볼 밸브는 20% 이하의 개도에서 유량조절을 할 수 있으나 장시간 사용해서는 안된다.

5)플러그 밸브
·플러그 밸브의 경우 배관 작용력에 민감하게 작동 토오크가 변화되므로 고온 계통에서의 적용시에는 배관 및 배관지지대의 형상 및 구조를 참조하여 설치 위치를 정하거나 또는 플러그 밸브가 열하중에 민감한 점을 감안하여 밸브 종류를 재선성해야 한다.
·계통 적용시 플러그 밸브는 보수 유지가 매우 어려운 점을 감안해야 한다.

6)다이아후램 밸브
·낮은 압력에 낮은 온도의 유체에만 적용한다.
·8″(200mm)를 넘는 밸브에는 바람직하지 않다.
·수평배관에 스템이 수직으로 설치되어야 한다.

(2)조절기능의 밸브

조절기능의 밸브는 계통의 운전조건에 따라 상당히 많은 사용상의 제한사항이 뒤따른다. 거의 대부분의 조절기능의 밸브에서의 문제점은 계통의 차압(System Differential Pressure)과 밸브에서의 차압(Control Valve Differential Pressure)으로써 우선 집약된다.
즉, 계통에서 요구되는 차압 △P(요구된 △P, Assigned △P)가 조절용 밸브를 포함한 실제 운전시의 차압 △P(실제 △P, Actual △P)간의 차이는 조절용 밸브의 잠재적 문제점을 가늠하는 척도가 될 수 있다.
밸브 종류별로 적용상의 차이는 있지만 실제 조절기능의 밸브의 근본적인 문제점과 사용상의 제한사항은 이들 △P의 차이에서 그 정도를 평가할 수 있다.

1)글로우브 밸브
·가장 다양한 종류의 유체 제어 기능을 갖도록 되어 있는 밸브이기 때문에 직접적으로 유체 제어 기능을 수행하는 밸브트림의 선정에 주의해야 한다.
케비테이션이나 후라싱등의 현상은 밸브선정 데이터로부터 예측되므로 이러한 현상을 극복할 수 있도록 설계된 트림을 선정하거나 후라싱과 같은 경우에는 아예 후라싱 서비스용 밸브로써 장시간 운전될 수 있는 구조의 밸브로 선정한다.
·수평배관에 스템이 위로하여 수직으로 밸브가 설치되어야 한다. 조절용 글로우브 밸브는 대부분 타력식(Power Actuated)이기 때문에 설치방법이 적절하지 못할 경우에는 내부 밸브부품, 트림접촉부위, 시트부위는 물론 패킹의 수명까지도 단축시키는 경우가 매우 많다.
·별도 항목의 제어밸브에서 트림형식별로 구체적인 사용상의 제한사항을 작성할 계획이다.
트림형식은 제작사 마다 고유의 기술이 접목되어 있으므로 이에 대한 평가는 유체제어 특성별 트림의 제어범위(Rangeability)별로 하여 단순비교하는 방법으로 할 계획이다.

2)버터플라이 밸브
·일반적으로 개도 60~70%에서 토오크의 변화가 크므로 버터플라이 밸브는 압력-온도 기준상 ANSI 300# 이내에서 사용하도록 권장된다.
·유량특성상 등비율특성(Equal Percentage)이므로 선형이나 급개형(Linear or Quick Opening)을 요구하는 계통제어에는 적합하지 않다.
·정밀한 유량제어에 사용해서는 안된다.
·난류원인 엘보우나 펌프토출측에 너무 가깝게 설치해서는 안된다. 적어도 난류원으로부터 최소 6D이상 떨어진 배관라인에 설치해야 한다.
·계통 특성상 케비테이션이 일어날 수 있는 조건의 경우라면, 버터플라이 밸브의 적용은 피하도록 한다. 이는 버터플라이 밸브가 전형적인 높은 압력회복(High Recovery Valve)을 하는 밸브이기 때문에 낮은 차압(△P)하에서도 케비테이션을 일으킬 수 있기 때문이다.

3)볼 밸브
일반적으로 버터플라이 밸브와 거의 유사한 유체역학적 특징을 가진 밸브이다. 저개도 운전시 유체 제어성이 특별히 떨어지기 때문에 정밀한 유량제어에 사용할 수 없다. 특별히 편심구조의 반구형 볼 제어밸브(Eccentric Rotating Plug/Ball Control Valve)의 경우에는 슬러지성의 유체제어에 적합하나 고온 고압의 고에너지 유체계통의 적용은 곤란하다.

4)레귤레이터
레귤레이터는 프로세스에서 프로세스가 갖고 있는 물리적 양을 참조하면서 계통의 압력, 온도 및 유량을 조절하는 밸브로서 급격하고 빈번한 물리적인 변화가 업삳면 비교적 값싸고, 간단하게 믿을만한 제어효과를 가질수 있는 제어밸브이다.
통상적으로 밸브의 출구측(Downstream)의 압력이나 온도 또는 유량의 변화를 작은 제어관(Control Line)으로 직접 감지하여 입구측(Upstream)의 물리적량과 비교하여, 설정하고자 하는 물리적량(Setting Valve)의 변수를 밸브 자체의 스프링 값으로 제어하는 것이다. 레귤레이터에 대한 구체적인 내용은 본 배관기술지 신년호를 통하여 별도 기고할 것이다.
레귤레이터의 구동구조는 열에 민감한 액체를 이용하여 계통의 온도제어, 후로우트(Float)를 이용한 계통의 차단이나 수위 조절 기능 또는 급배기(Vent Drain)와 같은 계통의 안전기능 또는 레귤레이터의 다이아후램 구동장치에 직접적으로 작용하는 제어 목적의 계통압력(Process Fluid Acting on the Valve)등에 의해 작동된다. 따라서 레귤레이터는 계통 적용상 상당한 제한사항이 뒤따른다.

감압밸브(Pressure Reducing Regulators)
·단동형 감압밸브(Single Stage Pressure Reducing Valve)는 유량변화가 큰 경우, 최대 유량조건하에서 감압의 정밀도가 떨어짐으로 정밀한 감압의 효과를 얻기 위해서는 복동식 감압밸브(Two Stage Pressure Reducing) 또는 파이롯트식 감압밸브를 사용한다.
·복동식 감압밸브의 경우 사용 유체는 청결한 것이어야 한다. 파이롯트 밸브의 노즐이 불순물에 의해 막힐 경우가 있기 때문이다. 가급적 필터 내장형의 밸브로 선정한다.
·단동형 감압밸브의 최대 제어 가능한 유량은 증기일 경우 500kg/h로 하고, 보다 큰 용량이 필요한 경우에는 작은 제어관을 밸브내부에 설치하지 않고 밸브 출구측의 5D거리에 따로 설치하여 이 제어관을 통한 출구측 제어압력이 다이아후램에 직접 연결되어 제어되도록 해야한다.
·설치시 수평배관상에 스템이 수직으로 하여 설치하고 필히 과압보호용의 안전밸브나 릴리이프 밸브를 함께 설치하여야 한다. 이때 과압보호용 밸브의 설정압력은 감압밸브의 설정치 보다 10~15% 높은 압력으로 설정한다.

5)역류방지 밸브

〔스윙체크 밸브〕
·스윙체크 밸브는 체크밸브 중에서 가장 압력손실이 낮은 밸브이기 때문에 밸브에서의 손실(△P)에 너무 민감하게 밸브를 선정할 필요가 없다. 즉 계통의 유량과 압력을 고려하여 과대하게 선정되지 않도록 주의해야 한다. 과대하게 선정(Oversiging)되었을 경우 스윙이 완전히 개방위치에 있지 않고 계속 열림/닫힘을 계속하게 되므로 마모로 인한 밸브 기능의 손상사례가 많다.
·체크밸브 전단에는 엘보우등과 같은 난류원(Turbulance Source)이 일정한 간격을 유지하고 있어야 한다.
·스윙체크 밸브의 전단에는 적어도 약 5D이상의 직선관이 있어야 잠재적인 문제점을 사전 예방할 수 있다.
·스윙체크 밸브는 수평배관상에는 디스크가 수직으로 설치되어야 한다.
·계통의 유체흐름이 불균일한 경우에는 노즐체크 밸브와 같은 다른 체크밸브를 고려한다. 체크밸브는 설치용 밸브의 기능을 수행할 수 없다.
·가스공급 계통에서의 적용은 피하는 것이 좋다.

리프트 체크밸브(Lift Check Valve)
·유속이 낮은 드레인 계통과 같은 계통에서는 리프트 체크밸브의 선정은 적절치 않다.
·설치는 수평배관상에 피스톤이 수직으로 설치되어야 한다.
·저에너지 계통에서는 압력손실이 비교적 많기 때문에 적용에 유의하여야 한다.
·스프링식 리프트 체크밸브의 경우 가스와 같은 압축성 유체계통에 적용시에는 디스크의 채터링 현상이 야기될 수 있으므로 적용해서는 안된다.
·깨끗한 유체계통에 적용된다. 더러운 계통에의 적용시 불순물이 피스톤과 밸브의 가이드면에 끼어서 운전불능 상태에 빠질 수 있다.

〔틸팅 디스크 체크밸브(Tilting Disc Check Valve)〕
리프트 체크밸브나 스윙체크밸브에 비하면 여러 가지 장점이 많은 밸브이나 보수측면에서 보면 현장에 설치되어 있는 상태로는 보수 또는 수리가 블가능한 밸브이다.

43회(99.1월호)
밸브의 설치

1.설치환경의 검토

밸브 제작社는 완성된 밸브를 정해진 규정 및 주문자의 요구에 따라 제반시험 및 검사를 시행한 후, 적절한 방법으로 포장해서 설치장소로 운반한다. 대부분 밸브의 설치장소는 그 환경이 청결하지 못하며 특히, 신설되는 프로세스에 설치되는 경우에는 매우 불결한 환경에 놓이게 된다.
일단 밸브의 설치에 앞서 모든 밸브는 입고검사를 시행한 후 창고 도는 임시 보관장소에 보관되는데, 밸브의 입고 및 설치를 위한 사전 준비사항은 다음과 같은 절차와 방법으로 수행한다.

(1)입고검사
모든 밸브는 운반 중 또는 포장 해체시에 입었을지 모르는 손상을 확인해야 한다. 아울러 밸브 종류별, 밸브번호(Tag No.)별로 구분하여 보관하고, 사전 입수된 설치 및 보수절차서(Installation & Maintenance Instruction)에 따라 필요한 조치를 한다.
스테인리스 밸브와 주강제 밸브는 일정한 간격을 두고 보관하도록 하며, 밸브를 바닥에 직접 보관해서는 안된다. 밸브는 적어도 바닥에서 6cm이상 높은 파렛트 위에 보관해야 하며, 통풍이 잘 되는 곳이어야 녹의 발생을 억제할 수 있다.
만약 손상된 밸브가 있다면 손상의 정도를 확인하여 제작자에게 알리는 등의 적절한 조치를 취한다. 주요 확인 사항으로는 핸드휠이나 스템 축의 벤딩여부, 스위치 등의 전장품의 훼손 여부, 볼트 체결의 이완여부 및 누락여부, 밸브노즐 보호카바, 페인트의 손상여부, 예비부품의 확인 등이다. 특히 서비스용 밸브 패킹의 확인은 매우 중요하다.

(2)밸브 품질문서의 확인
밸브는 계통에 있어서 하나의 제어요소이자 압력유지 부품으로써 품질문서의 확인 및 관리는 필수적이다. 밸브의 품질문서는 대략 다음과 같다.
·수압검사성적서(Hydrostatic Shell & Seat Test Certificate)
·재질증명서(Material Test Certificate)
·비파괴검사성적서(NDE Test Certificate)
·설치 및 보수메뉴얼(Installation, Operation and Maintenance Instruction)
이들 품질문서는 발주시 제시되었던 품질문서 요건과 비교하여 누락된 것이 없도록 한다.

(3)저장
저장은 앞서 간단히 언급한 바와 같이 비, 바람 및 이에 따른 먼지 등의 비산에 의한 문제 발생을 최소화하기 위하여 실내로 하고, 밸브의 양쪽 노즐 보호카바는 설치될 때까지 떼어내서는 안된다. 제어밸브나 모터구동밸브와 같은 자동밸브들은 구동장치 및 관련 액세서리의 훼손 가능성이 높기 때문에 포장된 박스에서 꺼내어 보관하지 말고, 가능한 한 원래의 포장상태로 보관하는 것이 안전하다.

(4)취급 및 설치준비
밸브의 무게가 30kg이 넘는 밸브들은 가능한 한 밸브 몸통 아래에 나일론 줄을 대고 전체적인 밸런스를 맞춰가면서 밸브를 수직으로 하여 주의 깊게 취급한다.
일단 설치장소로 옮겨지면, 밸브 양쪽 노즐의 보호카바를 제거하여 노즐의 상태를 필히 확인해야 한다. 맞대기 용접(Butt Welding End)의 경우 노즐에서의 녹 발생여부와 함께 끝단의 찍힘 등 손상여부를 확인한다. 녹이 발생된 노즐은 적절한 방법으로 녹을 제거해야 한다. 녹 제거용 용재로는 아세톤이나 알코올이 사용될 수 있으나, 염소 성분이나 불소 성분이 있는 용재는 절대 사용해서는 안된다.

(5)게이트밸브의 설치시 유의사항
게이트밸브의 설치는 게이트밸브가 양방향성의 흐름을 갖기 때문에 설치 방향의 문제는 없으나 다음의 조건하에서는 설치 방향을 필히 지켜야 한다.
·밸브 디스크에 과압 릴리프 구멍이 뚫려 있는 경우에는 릴리프 구멍이 밸브의 유로 입구측이 된다.
·밸브의 디스크(Wedge)는 완전히 잠근 후 배관에 설치해야 한다. 디스크를 완전히 잠그지 않고 용접을 하거나 프렌지 체결을 할 경우 이물질이 시트사이에 끼기 쉽고, 용접 연결의 경우 디스크가 비틀려질 염려가 있기 때문이다.
·바이패스 밸브가 설치된 게이트밸브의 경우에는 설치 방향이 정해져 있기 때문에 유로 방향을 필히 확인해야 한다.

(6)글로브 밸브 설치시 유의사항
글로브 밸브는 유로의 방향성이 정해져 있으며, 대개 디스크의 아래쪽에서 디스크의 윗부분으로 유로가 흐르는 상향식 유로 구조이다.
그러나 수동밸브라 할지라도 유체의 조건이 매우 가혹한 경우에는 하향식을 채택하는 경우도 있기 때문에, 고에너지를 다루는 배관계통에의 글로브 밸브는 설치방향을 정확히 확인해야 한다.
또한 글로브 타입의 제어밸브의 경우에는 시스템 특성에 따라 유로 방향을 달리 적용하는 사례가 많다. 예를 들어 후라싱(Flashing)이 발생할 수 있는 히터 드레인 계통(Heater Drain System)과 같은 경우에는 대부분 하향식 유로를 채택하고 있다.
글로브 밸브의 설치 또한 밸브 시팅구조의 손상을 방지하기 위하여 밸브 디스크를 완전히 잠근 다음 용접 등의 체결 작업을 해야 한다.

(7)체크밸브의 설치시 유의사항
체크밸브를 배관계에 설치하기 전에 설치위치, 설치방향 및 유로 방향에 보다 많은 주의를 기울여야 한다.

(8)버터플라이 밸브의 설치시 유의사항
버터플라이 밸브는 개도 40~60% 사이에 유로의 강도(유속, 압력)에 따라 개폐의 토오크가 크게 변화한다. 따라서 수동조작인 버터플라이 밸브의 운전시 급격히 유체의 힘에 의해 개폐가 될 수 있음으로 밸브조작을 레체트(Ratchet) 방식으로 하여 안전사고를 방지해야 한다. 엘보우와 같이 난류원(Turbulent Source)이 있는 경우 버터플라이 밸브의 설치방향, 특히 스템 방향이 밸브의 안전한 운전(진동이 증폭되지 않는)에 많은 영향을 준다. 즉, 엘보우가 만드는 평면과 밸브의 스템축이 일치하도록 설치해야 진동이 증폭되지 않고, 만약 스템축이 일치하지 않을 경우에는 버터플라이 밸브의 디스크가 오히려 난류원의 진동을 증폭시킬 수 있기 때문이다.
아울러 버터플라이 밸브는 대부분 대형사이즈의 밸브이기 때문에 설치시 볼트의 토오크 관리가 일정해야 하고, 배관설치시 일어날 수 있는 연결 프랜지의 평행도를 사전에 확인하여 볼트 토오크의 편심이 생기지 않도록 해야한다.

(9)볼 밸브의 설치시 유의사항
볼 밸브는 설치 위치에 큰 영향을 받지 않으나 가능한 스템축이 운전조작에 편리하도록 하고, 조작 핸들이 상부로 되도록 한다. 왜냐하면 비교적 높은 조작 토오크가 필요하고, 볼 밸브의 취약부인 패킹부분으로 찌꺼기가 끼지 않기 때문이다.
소켓용접이나 맞대기 용접시에는 제작자의 설치메뉴얼에 따라 적절한 조치를 취한 다음 용접을 하도록 한다. 이는 볼 밸브의 시팅구조를 보호하기 위함이다.

(10)플러그 밸브
전형적으로 플러그 밸브는 다른 밸브에 비하여 매우 높은 조작 토오크를 가진 밸브이다. 윤활형 플러그 밸브(Lubricated Plug Valve)의 경우 플러그와 밸브 몸통과의 간격(Clearance)이 매우 적기 때문에 배관작용력(배관설치시 오프셋 발생, 열팽창 영향등)이 이들을 바인딩하여 밸브 조작을 어렵게 할 수 있다. 플러그 밸브의 핸들은 다른 밸브에 비해 상당히 크기 때문에 밸브 설치시 핸들의 조작 공간을 크게 잡아놓아야 한다.

2.분해 및 조립

(1)밸브의 분해 및 점검을 위한 사전 점검
밸브를 점검하거나 보수를 위해 시행하는 사전 점검은 매우 중요한 일이다.
밸브를 분해하고 점검하는 것은 주어진 현장여건상 대부분 열악한 환경에 처해 있다. 그러나 이러한 조건들을 치밀한 작업공정 계획과 작업준비로서 대처해 나가야 한다. 분해작업 전에는 사전 준비로서 관련자료(특히 설치보수 매뉴얼의 사전 숙지는 필수임), 공기구, 소요자재 등의 준비는 물론 다음에서 언급하는 절차에 따라 필요한 조치를 취한다.
특히 정비 및 점검항목 체크리스트를 사전에 준비하면 더욱 좋다. 이렇게 하면 작업시 밸브의 점검요소는 물론 어느 계통의 어느 밸브까지 일목요연하게 할 수 있기 때문이다.

다음은 사전 점검 요소이다.
·전회의 운전 및 정비기록을 검토
·전회 정비시 주요한 문제점을 발췌 숙지
·현장답사(Work Down)를 통한 작업장의 여건과 안전상태를 사전점검
·현장답사 결과 작업루틴(작업 개소별 작업순서)을 작성
·필요시 운전원의 의견을 참조하여 정비기록에 기입
·밸브자재 사양과 기존 사양과 동일한가를 사전 점검

(2)분해 및 조립을 위한 사전 준비
사전준비로서 분해 조립을 위한 공간확보, 공기구 준비, 관련검토 자료의 숙지이다. 관련 검토자료는 대략 다음과 같다. 그러나 가장 중요한 것은 운전원에 의한 밸브의 문제점을 충분히 자세하게 청취하는 것이다.
검토 자료는 다음과 같다.
·정비 요청서 또는 작업지시서(운전실→정비실)
·운전일지 등(필요시)
·밸브 이력카드
·설치 및 보수 매뉴얼
·설치도면(제작자 도면 및 배관 배치도면)
·계통도

(3)밸브를 배관으로부터 분리
밸브를 배관에서 떼어내는 일은 일반적인 기계장치의 분해와 같이 일정한 원칙 하에 분리되어야 한다. 분리원칙이라 함은 먼저 분리하기 전에 분해 여건(시간, 공간, 환경)을 확인하고, 관련된 계통의 안전 여부를 필히 확인해야 한다.
이러한 분리 및 분해 여건이 거듭 확인된 후에는 다음의 절차에 따른다.
·밸브를 계통과 분리하기 전에 최우선적으로 꼬리표를 부착한다.
·꼬리표와 함께 밸브 보수메뉴얼을 준비한다.
·꼬리표와 함께 보수 작업 공구 및 필요 소모품을 준비한다.
·꼬리표와 함께 주변을 청결하게 준비한다.
·인양장치 준비 후 점검한다.
·각 볼트를 풀기 전에 체결 위치를 확인할 수 있도록 표식을 해둔다.
·플랜지면 또는 본네트 커버와 밸브 몸통부에 표식을 해둔다.
·볼트 등을 풀기 위해 WD-40과 같은 침투유를 체결 나사부위에 충분히 살포해 둔다.
·각 볼트, 너트는 일단 느슨하게 풀어놓는다.
·배관의 설치상태(배관지지대 위치 등)를 점검하고, 배관이 당겨져 설치(Cold Pulling)되었는가를 볼트를 풀면서 확인, 서서히 볼트체결을 풀어낸다.
·완전히 볼트를 풀어내기 전 인양장치에 필요한 인양조치를 해둔다.
·제어밸브와 같이 밸브내부 부품이 별도로 많은 경우, 내부 부품을 들어내기 전에 기존 조립된 위치를 확인할 수 있도록 특정 부위에 표식을 한 후 인양장치로 내부 밸브를 분해한다.
·플랜지 밸브의 볼트의 제거는 조금씩 제거하되 대각선 방향으로 양쪽 한 개씩의 볼트는 남겨 두어야 한다. 그리고 밸브 하단에 지지물을 대고, 필요한 인양조치를 취하여 나머지 볼트를 제거한 후 인양한다.
·플랜지식 밸브의 경우 플랜지면의 쎄레이션을 점검하고, 상태가 양호하면 쎄레이션 부위를 적절한 방법으로 보호 조치한다.
·모든 분해된 부품들은 안전한 장소에 정리하여 보관한다.

(4)밸브몸통의 분해
밸브의 본체 분해는 앞서의 절차에 따라 밸브를 배관으로부터 분리한 후에 실시하거나, 배관에 설치된 상태 하에서 밸브의 점검을 위하여 시행하는데 절차는 다음과 같다.
·밸브 핸드휠 고정 너트를 푼 다음, 그랜드 너트와 본네트를 밸브 몸통에서 분리한다.
·분리된 본네트에서 스템을 제거한다. 스템 제거시 파이프 렌치의 물림 위치는 스템의 백시트 아래쪽을 이용한다.
·스템을 제거한 후에 패킹을 제거한다.
·몸통내의 내부 밸브(Trim)들을 제거하기 위해 가스켓을 제거하고, 주의 깊게 내부밸브 부품을 조립된 순서의 역순으로 제거한다.

44회(99.2월호)
〔보수관리〕
모든 밸브는 본래의 기능을 제대로 발휘하기 위해서 구성 부품의 하나 하나가 구조적으로 충분한 강도를 유지하여야 함은 물론 마모나 마찰 또는 유체와의 상호작용 등 외부적인 역학 구조에서도 건전하여 운전의 신뢰성을 확보하여야 한다.
따라서 밸브를 설계할 때, 이러한 사항을 계산이나 경험 그리고 실증실험을 통하여 설계의 파라미터를 정하고, 이 파라미터에 따라 밸브의 형상과 재질 그리고 유체흐름에 있어서 동적, 정적인 유체의 힘에 대한 적절한 대책을 밸브 구조에 반영해야 하는 것이다. 또한 이렇게 설계되어 제작된 밸브는 검사라는 행위를 통하여 설계 사양서 대로 제작되었는가, 설계에서 요구된 기능들이 제대로 역할을 수행할 수 있는가를 검증한다. 그러나 이러한 과정을 통하여 출하된 제품은 그 자체로 그 시간대에 완벽하다고 할 수 있으나, 이들 밸브들을 설치한 배관 시스템에 있어서는 시스템 전체의 수명까지 보증되어 있지 않은 경우가 많으며, 경우에 따라서 보증이 불필요한 경우도 많다. 특히 밸브의 경우에는 사용환경이 매우 복잡하여 어떤 유체를 어느 압력, 어느 온도에 사용하는 가에 따라서 밸브 자체는 물론 관련 시스템의 수명에 큰 영향을 받게 된다.
일례로 밸브의 사용 유체가 해수이고, 사용온도의 범위가 10~20℃이며, 설계압력이 20kg/㎠, 유량이 6000kg/Hr로서, 밸브를 포함한 시스템의 수명기간이 40년인 어떤 플랜트에 밸브가 설치되어 있다면, 실제로 이 시스템에 설치된 모든 각각의 기기들이 40년의 수명을 지킬 것이라고 보는 기술자는 아무도 없을 것이다.

주기적인 점검과 예방정비는 물론 적절한 보수를 통하여 수명을 지속시키는 것이다. 따라서 밸브의 보수라는 것은 어떤 사고, 또는 발생된 문제에 대한 백업(Back-up) 행위가 아니고 문제가 발생될 것이라는 예상 하에 필연적으로 예상되는 밸브의 노화에 대한 예방과 실제 발생된 문제에 대한 적절한 처리인 보수 행위가 있으며, 이를 한데 합쳐서 밸브의 제반 성능 및 기능을 총체적으로 관리하는 것을 큰 의미의 보수 업무라고 할 수 있다.
다음 [그림1]은 보수와 사이클을 설명하고 있다. [그림1]에서와 같이 실제 제품은 충분한 강도를 갖고 제기능 및 성능을 유지하고 있지만 시간의 경과에 따라 부품이 열화되어 설계 Level보다 더욱 내려와서 거기의 기능 유지에 필요한 최소한의 강도 한계가 되면 고장이 생기게 된다.
이 그림에서 보수를 언급하면 (Ⅰ)단계에서는 당연히 설계 Fiterscopes레벨 위에 있기 때문에 성능이 유지되고 있으므로 특별한 보수 업무는 없다고 볼 수 있으나 기기의 상태를 확인하는 정도의 보수 업무는 계속된다. 그 다음 어느 정도의 시간이 흐르면 (Ⅱ)영역에 이르게 되는데 이 영역은 예방보수 업무가 무엇보다도 중요한 시기로서 기기에 대한 어떠한 예방 보수가 취해지지 않으면 안되는 영역으로 사소한 게으름으로 인하여 큰 고장을 야기할 수 있다.
(Ⅲ)영역에 이르면 고장이 발생되며 따라서 긴급한 보수가 필요한 영역으로서 설비 전체가 정지 또는 제한 운전이 되며 경우에 따라서 계통을 분리하지 않으면 안되는 경우가 있음으로 이러한 지경에 이르지 않도록 (Ⅰ),(Ⅱ)단계의 업무는 매우 중요하다.
여기서 (Ⅲ)영역은 좁은 의미의 수리 또는 보수(補修)이고, (Ⅱ)영역을 포함하면 넓은 의미의 보수(補修)라 할 수 있다.
(Ⅰ)의 영역은 단순히 점검이라고 할 수 있으나 (Ⅰ),(Ⅱ),(Ⅲ)영역 모두를 총칭하여 보수(保守) 또는 보전(保全)이라고도 말한다.
다시 말하여 보수 업무의 목적은 "기기가 필연적으로 진행되는 열화(또는 노화)와 확률적으로 발생하는 고장에 대비하여 기기를 설계 Level 이상으로 기능과 성능을 유지시키는 일"로 요약할 수 있으며 영어로는 Maintenance라고 부른다.

   
  [ 출처 : www.pipingjournal.com ]