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1999년 9월호 알파와 오메가

(마)기존 밸브의 침식 문제점 분석

밸브 출구 부위의 침식부식은 후라싱에 의한 침식으로 판단된다. 후라싱의 강도는 후라싱의 속도가 100m/sec임을 감안하면 그 강도의 크기를 예상할 수 있다.

일반적으로 후라싱이 생기는 시스템의 경우, 출구 유속이 고속이므로 일부 액체상태의 액적(Droplet)들이 고속의 증기와 함께 밸브의 하부 출구면에 충돌하기 때문에 이러한 후라싱에 의한 밸브 하부면의 침식은 계산상으로도 충분히 예상된다.

미국 전력기술연구소(EPRI)에서 1990년에 발전소용 밸브 적용지침서로 발간한 연구보고서 NP-6516(Research Project 2233-5) “ Guide for the App-lication and Use of Valves in Power Plant”의 Appendix C1, Control Valve Sizing Methods and Example에 의하면 일반적인 밸브일 경우의 속도제한은 다음과 같이 규정하고 있다. 액체상태일 경우 초당 50피트(15미터) 기체상태일 경우 마하1.0까지 허용 액체와 기체의 혼합 유체(2-Phase Flow) 초당 500피트(150미터)

후라싱에 의한 2상 유체의 제어가 필수적이고, 밸브 포트의 출구로부터 지속적인 기화가 일어나는 조건임으로 밸브 출구에서의 유속제한은 초당 500피트를 넘지 않도록 강력히 권고하고 있다.

따라서 본 시스템에 있어서도 밸브의 출구측 바로 확관을 하여 유속의 500피트 이하로 제한하고 있으나, 침식에 의한 밸브 몸통의 감육을 피할 수 없음으로 상기 연구보고서에서는 밸브 재질을 크롬-몰리브덴 합금강으로 하고 트림에 스텔라이트를 육성 용접하도록 하고 있다.

따라서 후라싱이 예상되는 밸브에 있어서 밸브 출구 유속의 검토는 절대적이며, 아울러 후라싱 비율을 계산하여 침식의 강도를 예상하고, 이를 기준으로 예방정비의 참고자료로 활용하여야 할 것이다.

후라싱 유체의 유속 및 후라싱 비율을 계산하는 방법은 다음과 같다. 보다 자세한 것은 붙임의 물, 증기 혼합유체 배관의 침식예측 계산서를 참조한다.

밸브 출구에서의 압력이 포화증기압보다 같거나 낮을 경우 유체의 일부 또는 전부는 기화되어 증기 상태로 된다. 이렇게 어는 액체에서 후라싱이 발생할 때, 다음의 식은 후라싱 속도를 계산하는 식으로 활용할 수 있다.

V = (0.4/A)[(1-Xp/100)×Vf2 + (Xp/100)×Vg2]×w
유체가 물일 경우
V = (20/A)[(1-Xp/100)Vf2 + (Xp/100)×Vg2]×q
여기서,
V = 유속 (ft/sec.)
w = 유체(액상) 유량 (lb/hr)
q = 밸브 입구에서의 유체(액상) 유량 (gpm)
A = 적용 유로면적(in2)
Vf2 = 출구압력에서의 액체의 포화 비체적(ft3/lb)
Vg2 = 출구압력에 있어서 기포의 포화 비체적(ft3/lb)
Xp = 후라싱 비율(%)
= 100×(hf1-hf2)/(hfg2)
hf1 = 입구온도에 있어서 포화액체의 엔탈피(Btu/lb)
hf2 = 출구온도에 있어서 포화액체의 엔탈피(Btu/lb)
hfg2 = 출구압력에 있어서 증발 엔탈피(Btu/lb)

밸브 출구에 연결된 엘보우에서의 침식은 상기 (3)에 의한 영향으로 침식이 된 것으로 판단한다.

스템의 습동부에서 부식은 밸브 몸통이 탄소강(A105)인 경우 스템의 재질이 통상 13Cr(SS 410)임을 알 수 있다. SS410재질은 마르텐사이트 스테인레스 강으로써 장시간 운전하지 않을 경우, 흑연계통의 패킹재와 친화력으로 인하여 점식(Pitting)의 발생이 용이한 것으로 알려져 있다.

(Ref. “Test of Asbestos-Free <Graphite> Stem Packing for Valves for Elevated Tempera-ture Service”, Aug. 1986, R-ockwell Int.”) 따라서 이러한 이유에 의해서 점식이 진행된 것으로 판단된다.

3)트림의 구조

밸브에 있어서 트림은 가급적출구 흐름의 축선상에서 유입된 유체가 상호 충돌하면서 압력 손실이 많이 생기도록 트림을 설계하여야 하며, 또한 유량도 정밀하게 제어할 수 있도록 하여야 한다.

여기서 트림재질 400/47 SST는 케이지 및 디스크를 SS420/QT 소재로 하고, 스템은 SS431/QT을 사용함을 말한다.

아래 표는 앞서의 운전 데이터를 사용하여 밸브 선정을 계산한 결과이다.밸브 몸통 크기에 따른 밸브 출구속도, 후라싱 비율 및 출구압력 계산결과 요약 후라싱의 속도는 85~131 m/sec로써 가혹한 조건이며, 참고로 후라싱율(증기로 되는 비율)은 대략 31%로 추정된다.

즉, 31%의 증기는 기체상태로 고속으로 나머지 70%의 물로 밸브의 트림부에 지속적으로 충돌하는 것임으로 마모는 피할 수 없다.

따라서 고속의 유체가 흐르는 지점에 벤츄리를 설치하고, 이 벤츄리는 내마모성이 탁월한 스텔라이트로 한다. 벤츄리를 지난 다음에는 유로 면적을 점진적으로 증가시켜, 후라싱의 효과를 극대화 하도록 한다. 따라서 블로우다운용의 앵글밸브의 출구단은 일반적인 밸브에 비하여 약 2배의 길이를 갖는다.

7.밸브의 구매

가. 밸브의 구매 기술 사양서

밸브의 구매사양은 구매에 따른 행정적인 사항인 발주자와 수주 대상자간의 상거래 조건 을 정하고 있는 일반적인 계약 외에 구매물품의 기능 및 품질을 정하고 있는 기술 사양으로 구분된다.

밸브의 구매에 따른 기술사양은 발주자의 밸브사용 목적에 맞는 즉, 설비의 한 구성품목으로서 설비의 운용목적에 적합한 기능을 갖도록 강도 측면에서 충분히 강하고, 요구되는 설비 운전기간 동안 건전하게 운전하며, 운전 및 보수에 편리하도록 발주자가 수주 대상자에게 요구하는 밸브의 총체적 설계 및 기술시방서로 볼 수 있다.

따라서 밸브의 구매사양에 있어서 기술사양은 밸브의 기능 및 품질을 정하는 계약이다. 기술사양서의 작성은 산업의 발달과 관련 기술의 진전에 따라서 날로 고도화되어 가고 있으며, 사용자의 입장에서 보면 높은 신뢰성과 보수정비의 용이성 및 자동화가 가능한 방향으로 작성되기 때문에, 경우에 따라서는 밸브 제작사의 기술을 선도하기도 한다.

밸브의 기술사양서는 밸브의 기능 및 품질에 관련되는 내용을 상세하게 기술한다. 단지 기술시방 내용이 국가 표준 규격이나 공인 기관의 표준 또는 규격서와 같을 경우에는 관련 표준 또는 규격으로써 가늠할 수 있다.

그러나 밸브의 기능상 성격을 특징 지울 수 있는 부분과 특정 재료를 사용하고자 할 때는 표준규격에 포함된 사항이라도 별도로 기술하는 것이 바람직하다.

밸브의 기술사양서는 수주자가 제공해야만 하는 업무의 책임한계를 먼저 정하고 기술사양서에서 사용되는 용어 및 약어를 미리 정해두고, 다음으로 적용하고자 하는 국가 공업규격이나 산업표준을 정하는 것이 좋다.

이러한 표준규격들은 관련 밸브의 최소한의 요구사항을 빠짐없이 정한 것이고, 이미 경험과 실증으로 밸브의 성능이 확인되었다고 볼 수 있기 때문이다.

그러나 이것은 어디까지나 최소한의 요구사항이기 때문에 추가의 요구사항 즉, 사용하고자 하는 목적과 사용유체의 특성 및 제어관계 등은 표준규격으로는 만족시킬 수 없는 것이 대부분이어서 추가로 기술하여야 한다.

또한 책임의 한계를 정할 때 중요한 것은 기술사양의 해석시 상호간의 의무 및 준수사항과 협의사항 그리고 밸브제작사의 선택 사항을 명확히 하는 어휘를 미리 정하여 기술하는 것이 편리하다.

아울러 기술사양서의 내용 중 표준규격의 내용과 본 사양서의 내용간에 어떤 차이가 있을 수 있기 때문에 이에 대한 대비책으로서, 이들 상반되는 또는 이해하기 곤란한 사항에 대한 적용 순위를 정해두는 것도 편리하다.

사실 미국의 Rockwell Valve나 Dresser Valve사와 같은 선진 밸브회사의 경우는 밸브회사 자체에서 준비하고 있는 밸브 표준 사양서를 밸브 발주자(주문자)가 적극적으로 활용하는 사례도 있는데 이는 주문자가 밸브회사의 기술과 신용을 사는 좋은 예이다.

다음으로 밸브 품질에 대한 요구사항과 수주자가 밸브를 설계, 제작, 납품까지 지켜야 할 사항과 검사 항목을 정한다.

물론 수주자가 밸브를 제작하기 앞서 발주자의 승인 또는 참고용으로 제출해야 할 밸브의 전반적 성격을 보여주는 조립도 등의 설계관련 도서와 품질관련 서류 등도 기술하여 추후 계약 후 또는 발주 관리시 발생할 수 있는 문제들에 대하여 효과적으로 이용할 수 있는 계약이 된다.

기술사양서의 본론이라고 할 수 있는 설계요구사항은 밸브의 사용목적 및 운전방법에 부합되도록 밸브의 각 구성부품의 가공방법, 형태, 재료, 조립방법, 열처리 방법, 도장방법 및 현장 설치시를 고려한 밸브 악세사리 등의 형태를 각 항목별로 기술한다.

이 항목은 밸브의 기능 및 품질을 정하는 실질적인 기술시방으로서 전문적인 기술이 필요하다. 실제로 밸브의 구매 사양서를 작성하는 부서는 설비의 설계를 담당하는 부서 또는 전문 구매 부서가 되지만, 다양한 품목의 구매사양과 신기술의 추세등을 감안한 신기술사양의 작성에는 기술적으로 제한 받고 있는 것이 현실이다.

예를 들면 밸브의 사용목적에 적합하지 않은 사양을 작성하는 경우가 대표적인 사례로서 대규모 엔지니어링 회사의 구매사양을 내용이 좋다고 그대로 복제하여 쓰는 경우가 이에 속한다.

밸브의 사용목적은 배관 계통의 운전 모드가 다양할 뿐만 아니라 사용 유체의 물리·화학적 특성이 매우 다양함을 고려할 때 구매사양의 밸브 재질·구조·압력등급·패킹형식 및 재질·밸브 구성 방식 등 이루 말할 수 없이 다양하다.

따라서 밸브의 기술사양서를 사용목적에 맞도록 작성하기 위해서는 밸브 응용 기술자의 역할이 중요하다 하겠다

이 기술시방 다음에는 밸브의 취급, 운반, 포장, 저장 및 밸브 표식을 설비의 운용목적과 설치현장 여건에 맞도록 기술하고 아울러 밸브의 가공, 조립 및 완성품에 대한 비파괴 검사 사항과 수압시험, 내 누설시험, 기능시험 및 최종 세척방법과 도장방법에 대하여 기술한다.

한 예로 미국석유공업협회(API)의 게이트 밸브에 대한 기준서 API STD 600의 경우는 수동 게이트 밸브의 좋은 구매 기술사양서를 볼 수 있다. 이 기술사양서의 내용을 개조식으로 개괄하면 대략 다음과 같은 내용이 포함되어 있어야 할 것이다.

   
  [ 출처 : www.pipingjournal.com ]