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2000년 11월호 알파와 오메가

제어밸브의 트림

트림은 유체흐름에 직접 접촉하는 밸브의 부품을 총칭하는 것으로써 유체제어 또는 유체 흐름에 의하여 마모되거나 손상될 수 있으며, 아울러 교체가 가능한 부품을 트림이라고 한다. 제어밸브의 핵심은 결국 트림이며, 트림은 제어의 목적에 맞도록 유체흐름을 직접제어하는 부품군인 것이다.

따라서 트림의 선정에 있어서 가장 중요한 기술적인 요소는 유체가 갖고 있는 다양성(유체의 종류, 물리·화학적특성, 압력·유량·온도에 수반되는 트림재질의 기계적 성질까지 포함)을 어떻게 잘 제어할 수 있는가의 적용성 문제이다.

이는 부식·침식의 문제와 온도·압력의 차이 그리고 운전시간의 문제등을 함께 해결하는 것을 뜻한다. 트림선정에 있어서 우선적으로 고려되어야 할 사항은 다음과 같다.

① 밸브의 운전상태-간혹 제어, 간헐적 제어, 연속제어 및 얼마나 계속 운전될 것인가
②유체의 성질-불순물(고형물질 등)을 포함하고 있는가, 유체의 부식특성은 어떤가, 온도(초저온 또는 고온), 고청정 유체인가, 폭발성 또는 독성가스의 유체인가 등
③유체제어 과정에 있어서 케비테이션 또는 후라싱의 발생 가능성
④소음의 규제
⑤트림의 서비스 특성-트림의 교체(교환)방법 및 교체 빈도
⑥트림에서의 내부 누설 정도-무누설의 트림일 경우 트림구조가 변경될 수 있으며, 가격상승의 직접적 요인이 됨
⑦유체제어 특성-제어밸브의 게인(Gain)

제어밸브의 트림 구조는 밸브의 종류(글로브밸브, 버터플라이밸브, 볼밸브 등)에 따라 구조상 큰 특징을 보인다. 현재 제어밸브의 트림은 사용하는 유체의 성상과 압력, 온도 그리고 밸브에서의 차압의 정도 및 시트에서의 누설등급에 따라 밸브의 종류별로 제한을 받고 있다. 볼밸브, 버터플라이밸브 및 프러그밸브와 같이 90°회전하는 쿼터턴(Quarter Turn)밸브의 경우 밸브에서의 높은 차압 조정이 곤란하고 아울러 시트에서의 시팅구조가 미끄러짐에 의한 슬라이딩 접촉(Sliding Contact)이므로 내누설이 철저히 요구되는 계통에서의 적용은 불가능 하다.

그러나 일반적인 글로브 밸브에 적용되는 밸브 트림은 매우 다양한 구조로 설계할 수 있다. 우선 유량제어 특성에 맞도록 밸브 프러그 또는 케이지(Cage)형상을 기본적인 등비율 특성(Equal Percentage), 선형특성(Linear) 및 급개형특성(Quick Opening)으로 구분하고 있으며, 이들 특성을 수정하여 사용하는 경우도 밸브 제작자 별로 많이 있다.

이들 기본적인 세가지 유량제어특성을 갖는 트림의 구조는 컨투어드 프러그(Contoured Plug), 브이포트(V-Port) 및 특성화된 유로 케이지(Characteriged Flow Cage)가 있다. 일반적으로 저압이고, 밸브의 최대차단 압력(max. Shut off Pressure)이 적으며, 밸브 크기가 소형(4"이하)일 경우에는 컨투어드 프러그형의 트림을 사용하여도 좋다.

그러나 밸브에서의 차압이 크게 발생하거나 유체 유동의 유체력(Fluid Flow Inertia Force)이 크게 발생되는 곳에서는 컨투어드 프러그에 안내 가이드로써 케이지를 채택하는 것이 좋다. 다음 그림은 미국계기학회(Instrument Society of America, ISA)에서 출간한 제어밸브 핸드북에 수록된 유체특성에 따라 설계되는 트림의 형상과 각각의 유량계수 Cr을 보여주고 있다.<그림 1,2 참조>

운전압력과 온도가 높고, 특히 차압이 큰 경우에는 임계흐름이 될 가능성이 매우 높기 때문에 케비테이션 또는 후라싱의 발생 가능성이 높다. 실제로 높은 차압환경에서 운전되는 모든 밸브는 케비테이션 또는 후라싱의 발생으로 특수 설계된 트림이 요구된다.

후라싱 발생의 경우, 밸브 트림에서의 후라싱 방지 방안이 불가능 하기 때문에 밸브 구조 보다는 밸브 트림에서의 후라싱 방지 방안이 불가능 하기 때문에 밸브 구조 보다는 밸브 트림 또는 몸통의 재질등을 보다 강한 재료로 채택한다.

그러나 케비테이션의 경우 밸브의 트림으로 케비테이션을 저감 또는 억제할 수 있다. 모든 제어 밸브회사들은 유체제어에 있어서 유체역학적인 특징들을 고려하여 독자적으로 설계된 트림을 그들의 제어밸브기술 마케팅의 첫째 기술로써 선전하고 있다.

다음 그림들은 글로브 밸브에 채택되고 있는 고온/고압의 내케비테이션(Anti-Cavitation)트림들을 보여주고 있다. <그림3~13 참조> 로브형 제어밸브의 트림선정에 있어서 중점적으로 검토할 항목은 다음과 같다.

·고압운전-강도문제, 내침식 재료의 선정, 시트에의 내기밀성 유지
·고차압운전-내침식 재료의 선정, 케비테이션 문제발생(내 케비테이션 트림선정), 스템에서의 강성도 유지, 소음(Noise)대책
·진공운전-시트에서의 내기밀성 유지, 금속 벨로우즈에 의한 기밀 유지
·고온운전-상용운전온도가 232℃(450℉)이상인 경우 고온운전, 재료종류에 따른 사용온도 제한, 밸브구조의 제한, 자켓의 밸브적용

<트림 재료별 사용온도 제한>

청동, 주철: 200℃ 이하
주강 : 300℃ 이하
스텐레스강(SS316):400℃ 이하
마르텐사이트계열(SS420)스텐레스강 : 450℃
17-4PH 스텐레스강 : 480℃ 이하
초경합금(텅스텐 카바이드) : 650℃ 이하
스텔라이트/산화알루미늄 : 980℃ 이하
인코로이 내열 합금:800℃이하

·초저온 운전:상용 운전온도가 -100℃(-150℉)이하인 경우 초저온 운전 재료 종류에 따른 사용온도 제한, 밸브 구조의 제한, 콜드박스 또는 진공자켓의 밸브 적용

<트림 재료별 사용 온도 제한>

구리, 청동, 황동, 오스테나이트 계열 스텐레스 강: -268℃(-450℉)
모넬, 하스테로이 : -268℃(-450℉)
마르텐사이트계열 스텐레스강, 일반주강:-100℃(-150℉)
주철:-17℃(0℉)
·케비테이션 저감 방안

①밸브 운전 조건(계통 프로세스 운전 조건)의 변경
②내케비테이션 트림의 선정:압력회복이 낮은 밸브선정, 높은 KC 및 FL 값을 가진 밸브의 선정, 다단계 압력 강하 방식의 트림선정
③가스의 투입
④밸브 설치 방법의 변경

·고점성/슬러리 유체 제어- 슬러리(찌꺼기)함유 유체나 고점성 유체의 제어과정에서 원활한 유체 흐름을 갖도록 트림구조를 설계, 완전 개방식 앵글밸브, 특성 볼 밸브, 셀프드레인 밸브, 편심형 프러그 밸브, 핀치밸브등이 적용된다.

   
  [ 출처 : www.pipingjournal.com ]