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2001년 1월호 알파와 오메가

(6)누설율

누설율 및 유량특성(Flow Ch-aracteristics)은 밸브 트림(Trim) 즉, 프러그, 시트, 스템, 가이드 부싱(Guide Bushing) 등의 형식을 결정하는 기본 요소이다. ANSI B16.104(1976)에는 밸브의 누설율 등급(Leak Class)을 정의하고 있으며, 밸브의 닫힘정도(Degree of Shut-off)에 따라 밸브의 가격은 상당히 차이가 난다.

그러므로, 밸브 사양을 작성할 때는 반드시 허용 누설율을 명시함으로써 과도하게 크게 선정된 액츄에이터나 특수 설계를 요하는 밸브를 구매하지 않도록 해야 한다.

제어밸브의 트림구성에 따른 가격 평가

트림 형식에 따는 누설율(Leak-age Rate)을 [표7]에 표시하였다. 일반적으로 제어밸브의 경우 밸브의 크기별, 압력등급별, 재질별, 사용환경에 따라 밸브가격은 다르게 된다. 다음은 미국계측제어공학회에서 경험적으로 밸브의 가격을 비교한 것으로 좋은 참고자료가 될 것이다.

제어밸브 셋업에 있어서 일반적으로 일어나는 실수

(1)글로브형 제어밸브에 있어서 서비스 조건별 가격 비교(6″밸브기준) [표9참조]
필자의 경험으로 상기 조건에서 가장 큰 가격영향력을 갖는 요소로서는 차압(ΔP)이며, ΔP와 온도가 높을수록 특수한 트림설계가 요구되므로 밸브트림가격은 기준가격의 10배까지도 올라갈 수 있다.

(2)밸브 재질별 가격비교 [표10참조]

(3)버터플라이 밸브의 라이닝 유무 [표11참조]
제어밸브를 설치하고 실제 운전을 위한 워밍업(Worming up)시에 일반적으로 일어날 수 있는 실수의 사례들을 검토해 보기로 한다. 일반적으로 일어날 수 있는 제어밸브 셋업시의 문제는 다음과 같은 사항을 우선 생각하여야 한다.

첫째는 셋업 데이터를 잘못 적용하는 사례이고, 둘째는 시스템 운전 자료의 변경이나 밸브의 하드웨어의 변경에 따른 충분한 사후 평가 및 대책이 부족한 경우, 셋째는 제어밸브를 구성하고 있는 각 구성부품의 기능과 역할을 충분히 숙지하지 못한 경우, 넷째로 시스템 운전에 있어서 중점 제어 하여야 할 제어변수(Control Variables)의 지정에 문제가 있는 경우이다.

공압식 제어밸브의 경우 이들 문제 중의 상당수가 엑츄에이터에서 자주 경험된다. 엑츄에이터의 행정거리, 스프링의 초기 압축량, 엑츄에이터에 공급되는 공기압력이 제어조건에 모두 잘 맞아야 원활한 운전이 될 수 있다.

그러나 실제로 이러한 요인들을 잘 알고 있다고 하여도 일반 현장에서의 사소한 실수는 간혹 매우 심각한 문제를 야기하기도 한다. 공압식 제어밸브를 올바르게 셋업하기 위해서는 밸브의 트림과 액츄에이터, 그리고 밸브전체의 성능에 영향을 미치는 부품들과 다른 변수에 대하여 확실히 해 두어야 한다.

또한 수많은 변수들이 제어밸브의 올바른 셋업에 영향을 주기 때문에 시스템 측면의 운전변수, 운전 요구사항, 운전 환경, 나아가 하나의 작은 제어부품인 리미트 스윗치나 락업밸브(Lock up Valve), 스피드 제어밸브에 이르기까지 하나하나의 구성부품에 대한 올바른 설치 운전을 위한 원리 및 운전 절차서도 충분히 숙지해두어야 하는 것이다.

먼저 밸브와 엑츄에이터를 선정하기 전에 제어밸브의 시스템 설계사양에 대하여 충분한 정보와 지식이 있어야 한다. 그래야 시스템 설계사양으로부터 밸브의 운전 변수를 갖고 올 수 있으며, 특히 밸브의 운전 목적을 확실히 할 수 있다. 예를 들어 단순히 운전 데이터만 있는 경우의 제어밸브 선정과 시스템 운전의 제반 운전조건과 목적을 아는 경우의 제어밸브 선정은 그 격을 달리한다.

발전소의 히터 드레인 시스템의 경우 간헐적인 조절기능이 있는 제어밸브와 차단밸브로 각각의 시스템을 구성할 수 있지만, 단순한 운전 자료만을 가지고는 항상 유량을 제어하는 밸브로, 시트 누설등급이 IV인 밸브로, 그리고 운전 모드에 따라 케비테이션과 후라싱이 동시에 생길 수 있는 그야말로 특수의 고가의 트림을 선택하여야 하는 제어밸브로 선정할 수도 있다.

하지만 이 시스템의 운전기능과 목적을 알고 있다면, 제어밸브의 선정은 보다 용이해지고 신뢰도가 높으면서 안정된 가격의 제어밸브를 택할 수 있다. 간헐적인 운전의 밸브에 시트 누설이 매우 낮은 등급 V의 정도의 트림과 더불어 밸브 후단에 희생 오리피스를 장착하거나 또는 밸브의 출구배관을 크게함으로써 시스템의 건전하고 경제적인 운전을 도모할 수 있는 것이다.

제어밸브를 선정하기 위해서는 밸브의 입구압력, 출구압력, 밸브에서의 차압, 유체의 온도, 유량, 그리고 부식침식에 대한 화학적특성, 시트의 누설등급 정도, 밸브에 동력원이 상실되는 경우에 있어서 밸브의 운전 위치, 열고 닫음의 속도, 제어의 특성이 모두 고려되어야 한다.

또한 제어밸브는 압력 유지부품으로써 운전강도에 대하여 구조적으로 건전하여야 함으로 이에 영향을 받는 밸브의 패킹구조, 트림 및 엑츄이에터도 함께 고려하여야 한다. 제어밸브의 압력유지 구성품은 밸브의 몸통, 본네트 및 본네트 볼트가 일반적으로 해당되고, 간혹 프러그가 압력 유지부품으로 간주되는 경우가 있다.

밸브의 패킹구조 또한 매우 중요한 제어밸브의 기술적인 부품으로써 시스템의 운전환경에 대해 다양한 형태의 패킹 구조가 도입되어 있다. 제어밸브의 트림은 유체의 건전한 제어를 실질적으로 수행하는 핵심으로 운전조건에 따라, 제어목적에 따라, 그리고 유지 보수의 편의에 따라 또한 매우 다양한 형태가 선택된다.

무엇보다도 제어밸브의 핵심적인 설계변수는 밸브의 입구압력, 출구압력, 유체 온도, 유량 및 개폐 모드 및 시간이다. 본네트 및 패킹의 설계변수는 각기 다른 밸브재질과 설계 형태에 따라 달라지는데, 패킹 링의 수량, 스템의 표면 가공 정밀도, 밸브조립시의 응력 분포, 스템에의 윤활 여부, 스템 조립시의 직진도와 밸브 조립시의 기능의 정도가 본네트 및 패킹의 설계에 직접적인 영향을 미친다.

특히 패킹의 경우 패킹의 재질, 형태 및 씰링의 신뢰성등을 고려하면, 제어밸브의 셋업에 상당한 영향을 준다. 패킹을 얼마나 조이는가에 따라 스템의 운전 부하가 달라지고, 과도한 부하(많이 조여서)일 경우 제어밸브의 스템은 헌팅(스템이 부드럽게 운동하지 못하고 덜거덕 거리면서 운동함)이 일어나고, 심한 경우 제어가 안될 수도 있다.

트림설계의 경우에는 매우 다양한 종류의 트림들이 밸브 여러 회사마다 독특한 디자인으로 소개되어 있다. 트림은 기존의 어떤 회사의 브랜드 이미지 보다는 철저하게 시스템의 운전 목적에 합당한 것이어야 하며, 그 성능은 밸브별로 각각 평가, 보증되어야 한다.

트림의 스타일은 바란스 트림(Balance Trim), 언바란스 트림(Unbalance Trim), 파이롯트형 탠덤트림(Pilot Operated Tandem Trim)이 있고, 이들 트림은 언바란스면적, 씰링 마찰력, 파이롯트 밸브 스프링의 힘, 트림의 재질 및 트림의 시트 내누설 정도에 따라 액츄에이터의 성능에 영향을 준다.

액츄에이터는 피스톤형, 다이아후람형, 레버 조작형등이 있으며, 액츄에이터의 설계변수는 스프링의 초기 압축력, 스프링의 상수, 작동 공기의 압력, 행정 길이, 밸브 안전위치(Failure Mode), 액츄에이터의 취부 방향, 크기, 작동환경, 행정에 소요되는 시간 및 액츄에이터의 설계형태 등이다.

올바른 액츄에이터를 선정하기 위해서는 우선적으로 동력원인 압축공기가 손실되었을 때, 요구되는 안전위치를 정해 두는 것이 좋다. 다음은 액츄에이터 및 트림의 형식별 동력원 손실시의 작동 방향이다. [표12참조]

공기작동식 제어밸브에서 가장 잘 일어나는 셋업의 실수는 벤치셋(Bench Set)이다. 벤치셋은 엑츄에이터내에 일정한 공기압력에 다달으면 엑츄에이터가 움직이기 시작하는 하는 데, 이 때의 공기압력을 설정하는 것을 벤치셋이라고 한다.

계산에 근거한 벤치셋 공기압력은 실제의 시스템에 투입되어 운전하고 있는 밸브의 벤치셋과는 다른 값을 가진다. 시스템에 투입된 경우에는 패킹의 마찰력, 트림의 총 무게, 파이롯트 밸브의 스프링 힘, 그리고 시스템 운전 압력이 모두 고려되어야 한다. 실제적인 밸브의 보증은 시스템에 밸브가 설치된 후 건전하게 운전됨을 확인한 후에 밸브의 보증은 이뤄져야 한다.

따라서 밸브를 제작자로부터 인도 받은 후 보관 및 설치가 건전하게 절차에 따라 이루어지고, 밸브 제작사의 입회 하에 시스템 운전과 병행하는 커미션닝(Commissioning)이 완료된 후부터 실질적인 밸브 보증은 이뤄지게 되는 것이다.

일반적으로 제어밸브의 사용자 불만은 밸브 시트에서의 누설, 밸브 운전 중 부드럽지 못한 동작, 시트에서의 디스크나 프러그의 고착(Sticking), 비정상적인 행정(Stroke) 시간과 구성 부품의 손상 등이 주된 불만사항 들이다. 이들 불만사항 들을 원인별로 정리하면 다음과 같은 요인들에 의한다.

트림의 마모, 공기 공급체계의 문제, 포지션너나 컨버터 등의 제어요소 문제, 시스템에서 불순물 침입, 셋업의 잘못, 액츄에이터 구성 부품의 손상, 패킹 문제, 부적합한 부품의 사용 등이 이들 요인들이다. 다음의 예들은 제어밸브의 셋업에서 일어 난 사례를 정리한 것이다.

<사례> 밸브제작자는 밸브를 구체적으로 사양을 정하기 전에 어떤 시스템에서 어떻게 운전하는 밸브인가를 먼저 확인하여야 한다. 시스템의 운전 환경과 조건을 충분히 숙지하고 다음과 같은 절차에 따라 밸브를 선정한다.

A. 시스템 운전 환경, 조건 및 요구사항을 정함.
1. 운전조건 [표13참조]

B. 트림의 설계변수는 다음과 같다.
프러그설계 : 언바란스
프러그 언바란스 면적의 계산 : UA = 1.227 inch²
스템의 언바란스 면적의 계산 : SA = 0.442 inch²
프러그 직경 : PD = 1.25 inch
스템 직경 : SD = 0.75inch
트림의 재질 : SS410 스텐레스강
프러그 작동 : 직동(Direct, 밸브 Open, 스템 운동 방향a 액츄에이터)
밸브의 유체 흐름 방향 : 시트하부로부터
시트 내누설 요구사항 : Class IV

C. 엑츄에이터의 설계변수는 다음과 같다.
밸브 안전위치 : 공기압 상실 시 밸브 열림
행정길이(스트로크) : S = 1.0 inch
공기압력원 : AP = 60 psig
최소 시트 접촉력 : CL = 120 lbf
정상시의 시트 접촉력 : CL = 0.047×(PD)×(DP+1000)=0.047×(1.25)×(2200) = 129.3 lbf

D. 적용되는 본네트/패킹의 설계변수는 다음과 같다.
패킹 재질 : 팽창흑연 패킹
패킹 링의 수 : 5개
패킹 형태 : 사각형, 성형 패킹
패킹에 작용하는 하중의 형태 : 정적(Static)
패킹의 밀도 : 90lbf/ft³
패킹 윤활여부 : 없음
최소 허용 패킹 응력강도 : PS = 1500psi
정상 운전 시의 패킹 마찰력 : PF = 0.3×(SD)×(PP) = 0.3×0.75×1500 = 337.5

E. 해 석
유체흐름이 밸브 시트 아래에서 위로 흐르고 언바란스 트림인 경우, 밸브 완전 닫힘에서 스템 을 작동시키는 데 필요한 힘은 SFC(Stem Force to Close) = P1×(UA)-P2×(UA-SA)-PA(SA)+PF+CL= 1415×1.227-215×(1.227-0.442)-15×0.442+337.5+129.3= 2027.6 lbf
SFO(Stem Force to Open) = 337.5 lbf( = PF), 이 경우 밸브 내부의 압력이 작용하지 않고 단지 패킹의 마찰력만이 작용한다. 이 값은 엑츄에이터의 초기 스프링 압축량으로 환산되어야 한다.

F. 엑츄에이터의 선정

앞서의 선정 과정을 거쳐 실제 적용할 엑츄에이터로서 다이아후람 단면적이 AA = 60(inch²)이고, 스프링 상수 R = 1000 lbf/inch인 엑츄에이터를 선정하였다. 따라서 엑츄에이터의 벤치셋 스프링 초기 압축압력 BS(psig) 은 BS = PF/60 = 337.5/60 = 5.6 psig 6.0psig 밸브를 완전히 닫기 위한 스프링 압축압력 AC(psig) 는AC = [AA×BS+R×S+SFC] / 60 = [60×6+1000×1+2027.6]/60 = 56.5 a 60 psig

G. 액츄에이터에 60 psig의 구동압력으로 무부하상태의 밸브를 닫았을 때, 시트에서의 응력을 검토해야 한다. 먼저 시트에 작용하는 시트하중을 구하면, 시트 하중 SL(lbf) = AA×AP - S×R - BS×AA - PF = 60×60-1×1000-6×60-337.5 = 1902.5 lbf
시트 응력 SS(psi) = SL/(0.03×PD×3.14) = 1902.5 / (0.03×1.25×3.14) = 16.15 psi OK

< 문제점 분석 - 시나리오 1 >

상기 사례에서 선정된 밸브에 라이브 로디드 스템 패킹(Live Loaded Stem Packing)을 채택하였다. 새로운 패킹을 삽입한 후의 패킹 마찰력은 600lbf로 증가될 것으로 판단되었으나 엑츄에이터의 스프링 초기 압축력은 변경하지 않았다.

새로운 패킹으로 교체한 경우의 예상 초기 벤치셋은 BS = PF/AA = 600/60 = 10psig 가 되어 초기의 5.6psig 보다도 높은데도 불구하고 벤치셋을 수정하지 않은 상태로 운전에 들어 간 결과 반년 후 고객으로부터 밸브 시트에서의 누설이 심하다는 불만사항을 접수, 밸브를 분해하여 검토한 결과 시트 표면의 손상이 발견되었다. 실제 운전시의 벤치셋을 평가하기 위하여 밸브 닫힘시의 공기 구동압력을 다시 계산하면

AC = (AA×BS+R×S+SFC)/60 = 60.5 psig
AP = 58.0 psig(실제 공급되는 공기압)
따라서 부족한 시팅력은 150lbf(= AA×(AC-AP) = 60×(60.5-58.0) = 150 lbf)가 되었다.

결론적으로 라이브 로딩 패킹의 채택에 따른 벤치셋을 제대로 하지 않았기 때문에 시트 누설 방지를 위한 최소한의 접촉력인 129.3 lbf가 확보되지 못하여 시트에서의 지속적 누설에 의한 시트 기밀 구조의 파괴에 의하여 문제가 생긴 것으로 판단되었다. 해결책은 구동 공기의 압력을 60 psig에서 70 psig로 높이고, 벤치셋을 다시 점검한다.

<문제점 분석 - 시나리오 2>

밸브 진단 장치를 가지고 밸브의 다이아후람 공기압력 대비 밸브의 개도 위치 관계를 밸브를 개폐하면서 기록하여 보았다. 기록의 결과는 닫을 때의 다이아후람 공기압력은 밸브를 열 때의 공기압력 보다 11psig 정도 높았다. 이러한 결과는 스템 패킹의 과도한 조임에 의하여 생기는 것으로써, 이 패킹의 마찰력 차이는 PF = 11.0×AA/2 = 11.0×60.0/2 = 330 lbf로 판단되었다. 또한 기록서는 또한 다이아후람의 압력이 6.0 psig일 때 닫히기 시작했으며, 밸브가 완전히 열리기 전에 다이아후람의 공기압력은 0 psig가 되었다.

이는 엑츄에이터의 벤치 셋이 패킹 마찰력 330 lbf 때문에 다시 조정되어야 함을 보여 주는 것이다. 패킹의 추가 조임에 따라 패킹 마찰력이 증가되는 만큼 엑츄에이터의 초기 공기압력은 재조정, 즉 벤치셋의 값을 증가 시켜야 하는 것이다.

<결론>

이러한 과정-시나리오를 통하여 본 밸브는 장기간 신뢰성 있는 운전을 보장할 수 있다. 즉, 운전에 영향을 주는 제반 변수들을 완전히 이해하는 것이 무엇보다 중요한 것이다.

<가혹 운전용 밸브의 판정 점검 포인트>

(1). 밸브 입출구의 압력차가 1000psi 이상인 경우
(2). 운전온도가 800℉ 이상인 경우
(3). 케비테이션이 존재하는 조건
(4). 후라싱이 발생하고, 후라싱 유체의 유속이 30,000 feet/minute를 넘는 경우
(5). 시스템 운전 부하의 변동폭과 횟수가 많아 빈번한 운전을 요구하는 경우
(6). 긴급 운전을 요구하는 경우
(7). 이상유체(Two Phase Flow) 또는 혼합 유체(Mixed Flow)의 운전

<가혹 운전용 밸브에서 흔히 발생될 수 있는 문제점>

(1). 잘못 선정된 트림 유량특성, 형식 또는 과대 사이즈된 결과로 시스템 제어가 잘 안됨
(2). 트림 형식을 잘못 선정하거나 인슐레이션의 부적절로 인한 과도한 소음 또는 진동
(3). 불충분한 엑츄에이터 추력으로 인한 시트의 흠집 또는 와이어드로우잉
(4). 엑츄에이터의 축 정렬 잘못에 의한 시트 누설
(5). 부적절한 배관 세정(Flushing)으로 인한 이물질의 트림내 침입과 이로 인한 시트 누설

(6). 부적절한 트림선정이나 설치 잘못으로 인한 패킹 씰 구조의 파괴
(7). 부적절한 트림재질 선정 또는 경도의 부족으로 인한 고착 또는 긁힘(Galling)
(8). 트림 부품의 가공 정밀도 문제로 인한 축 정렬 문제 - 고착 또는 긁힘 발생
(9). 부적절한 트림 형식의 선택, 밸브에서의 과도한 압력 강하 또는 적은 사이즈 엑츄에이터의 선정에 의하여 시팅 시 밸브 스템이 점핑하는 현상

(10). 잘못된 시스템 운전 조건에 의한 밸브 트림 선정, 불충분한 추력의 엑츄에이터 선정으로 인하여 낮은 개도(10% 미만)에서의 운전과 이로 인한 시트의 내누설 구조의 파괴
(11). 가혹한 시스템 운전 조건하에서 케비테이션에 견딜 수 없는 부적절한 트림의 선택
(12). 가혹한 진동, 축 정렬 잘못, 스템 강도의 부족으로 인한 스템의 굽힘이나 파단의 문제
(13). 시스템의 압력 변동, 배관계 설계 잘못으로 인한 진동의 요인, 혼합유체의 제어, 또는 불충분한 추력의 엑츄에이터 선정으로 인하여 밸브 스템이 춤을 추는 현상 등