about valve

1.밸브의 고장

 

각종 산업분야에서 프로세스의 가장 중요한 요소로서 사용되는 밸브는 산업의 고도화와 이에 따른 고신뢰성의 요구로 날로 그 기술이 발전되고 있다.

그러나 밸브 구조는 여타 다른 기계 장치와 달리 비교적 간단한 구조로 구성되어 있으나 직접적으로 압력을 받으며, 사용목적에 따른 밸브기능을 완벽하게 수행해야 하므로 사용목적, 기능 및 사용환경에 따라 그 종류가 매우 다양하며 중요부품은 매우 엄격한 해석 및 기능시험을 거쳐 설계 제작됨으로, 가혹한 조건하에서 사용되거나 계통 운전상 최종 제어장치로 쓰이는 제어밸브등과 같은 경우에는 주문제작이 필수적이며 이에 따라 가격차이도 천차만별이다.

본고는 중요 프로세스에서 사용되는 비교적 고가 밸브의 고장 및 손상 원인 등을 고찰하여 봄으로서 밸브의 전반적인 보수 관리에 도움을 주기 위함이다. 한 예로 일본의 발전소용 고온고압밸브의 전문 제작사인 오까노 밸브에서 최근 조사한 고온고압밸브의 제반 고장 상황은 다음과 같다. 고장 발견시기는 시운전시 전체 고장건수의 약 36%가 발견되는데, 이것이 초기 고장에 해당한다. 운전시의 고장이 실제 프로세스를 정지시킬 수 있는 건수는 비교적 적은 밸브 각 부위에서의 누설등이 대부분이다. 따라서 고장 발견은 대다수가 정기 점검 또는 정지시가 약 절반이며 운전중의 고장 발견은 약 10~13% 내외이다.

밸브 종류별 고장 발생률은 약 절반이 통상의 게이트 및 글로브 밸브이며, 안전밸브도 약 20%가 시트 누설등의 고장률을 기록했다. 이외에 제어밸브에서도 게이트 밸브의 절반정도인 11~14%의 고장률을 기록하였으며, 우리들이 일반적으로 소홀히 관리하고 있는 체크밸브에서는 약 10%의 고장률을 보였다. 고장의 내용은 매우 다양하나 비내압부품(Non Pressure Retaining Parts)에서의 균열, 파단 및 절손, 내압부품간의 경제구역인 디스크, 시트등의 육성 용접부(Hardfacing)에서의 균열, 안전밸브 시트부위에서의 누설, 모터 구동밸브의 구동장치 불량, 밸브디스크의 개폐동작 불량, 밸브·본네트·가스켓 누설등의 순서로 약 7~11%를 점유하였으며, 6% 내외가 내부밸브에서의 침식, 내부밸브 디스크 시트에서의 내부 누설 등이었다.

이외에 내압부품에서의 손상이 4%, 운전중 부품의 이완으로 인한 고장과 이상승압(Pressure Locking), 고온고착(Thermal Binding)현상이 약 3.5% 내외를 차지하였다. 여기서 특별한 것은 안전밸브를 제외하고 모든 밸브가 운전중 고장을 확인할 수 있는 그랜트 패킹에서의 누설등 외부누설 및 구동장치의 불량을 제외하고는 거의 대부분의 경우가 정기점검시에 발견되었다는 사실을 염두에 둘 필요가 있다. 이상과 같이 밸브의 손상구조는 매우 다양하게 구성되어 있으며 의외로 비내압부품에서의 손상이 밸브의 동작불능을 야기하는 경우가 많다.

다음으로 밸브의 손상 메카니즘을 역학적 측면에서 손상현상을 고찰하여 보면 밸브의 1차 기능인 유체수송의 제어기능을 수행하는 가운데 발생하는 유체역학적 불안정성으로 인한 케비테이션, 과도한 소음 및 후라싱등으로 인한 점진적인 내부밸브, 즉 트림의 손상과 밸브구조의 진동원인 제공 등을 들 수 있다.

아울러 2차 기능으로 간주되는 밸브 자체의 구조적 안정성의 문제로 인한 구조적 취약성을 생각할 수 있는데 이중에서 특별히 우려되는 것은 1차기능과 2차기능이 함께 불안정하게 수행될 대 고장은 증폭되게 된다. 이러한 경우는 프로세스를 시운전할 때 주로 발생하기 때문에 밸브에서의 초기 고장발생률은 상당히 높아지게 된다. 이후에는 주로 1차기능 또는 2차기능의 취약으로 인한 우발고장이 목격되고, 사용기간이 길어질수록 고장률은 증가하게 된다. 본고에서는 밸브의 손상 메카니즘을 밸브 기능 및 밸브고장의 내용으로 구분하여 상호관계를 규명하여 봄으로써 밸브의 효율적인 선정과 밸브설계에서의 각 밸브 부품별 설계개선의 Weight Valve를 제시하고 사용자에 있어서는 체계적이고 합리적인 보수방안의 아이디어를 제공하고자 한다.

2.밸브의 손상 메카니즘

1)유체역학적 불안정

밸브에 있어서 유체역학적 불안정은 유체의 수송 및 제어과정 중에서 발생하는데 밸브의 구조와 직접적인 관련이 있다.

밸브는 프로세스 배관에서 하나의 제어 요소로 볼 수 있는데 게이트 밸브와 같은 경우는 On-Off 제어 요소이고, 글로브 밸브와 같은 경우는 연속제어가 가능한 요소로서 특히 제어밸브는 이러한 목적에 부합되도록 만든 밸브이다. 유체수송에 있어서 On-off 목적으로만 사용되는 대표적 밸브인 게이트 밸브에서의 유체역학적 불안정성은 별도 항목에서 설명하고 여기서는 제어밸브의 유체역학적 제반현상을 설명함으로써 밸브의 1차기능 문제를 다루기로 한다.

①유체관로의 압력

밸브 사용에 있어서 중요한 설계 및 운전 포인트가 관로에서의 유체압력이다. 프로세스 구성에 있어서 관로 압력의 변화는 피할 수 없으며, 관로내 제반압력 손실요소의 존재로 인하여 프로세스의 동력은 원래보다 증가한다. 그러나 이 압력손실 요소로서 가장 핵심적인 것이 밸브인데 제어밸브의 경우는 압력손실 요소로서가 아니라 압력제어 요소로서 밸브에서의 압력손실을 적절히 이용할 목적으로 사용된다. 일반적으로 유체관로의 유량과 유체관로에서의 밸브 전후간의 압력손실량과의 관계는 압력손실량 즉, 압력차의 제곱근에 비례한다.

그런데 여기서 유의할 사항은 압력차를 조정하여 유량을 제어하고자 할 때 과도한 유량의 제어는 압력차를 크게 하여 밸브에서의 유체흐름에 불안정을 초래한다. 이 관계는 유체의 포화증기압에도 관계되므로 유체의 성질 및 온도가 가변요소로서 유체관로의 압력제어시 필히 검토할 사항이다. 또한 밸브의 2차 기능으로 보아 유체관로의 압력은 밸브의 크기를 결정하는 직접적 요인이 되는데 이 관계는 밸브 선정시 가장 먼저 검토하는 압력·온도기준(Pressure·Temperature Rating)으로 가장 일반적으로 사용되는 기준은 ASME/ANSI B 16.34로서 1996년도 판이 가장 최근 판이다. 1차 기능의 수행과정중 가장 빈번하게 발생되는 손상구조는 압력제어시 밸브에서의 압력 손실량이 매우 커서, 밸브교축부의 압력이 유체의 포화 증기압보다 내려갔다가 밸브 후단에서 다시 회복되는 과정에서 생기는 케비테이션(Cavitation)이다.

이 케비테이션은 순간적으로 기포를 생성하고 다시 압력회복시 붕괴되는 과정에서 매우 큰 충격압을 밸브트림에 가하게 됨으로써 트림구조의 케비테이션 손상을 일으키고 아울러 정도의 차이는 있지만 경우에 따라서 심한 소음과 진동을 유발시켜 밸브의 구동부까지 손상시키는 경우가 있으므로 매우 유의하여야 할 사항이다. 발전소에서 복수기로 방출되는 히터 배수 계통의 제어밸브는 상대적 진공인 복수기로 유체가 방출됨으로써 밸브 후단에서 유체의 압력이 회복되지 않고 기포상태로 밸브를 운전하게 되는 경우도 있는데 이는 후라싱으로 표현된다. 이 경우에도 케비테이션과 마찬가지로 트림구조를 침식 손상시키는데 케비테이션에 의한 트림의 침식손상이 곰보형태인 것에 비해 아주 매끄러운 침식 손상면을 갖고 있다. 밸브의 케비테이션 및 후라싱을 구체적으로 설명하면 다음과 같다.

②제어밸브의 Cavitation 및 Flashing

제어밸브에서의 케비테이션 및 후라싱은 유체가 교축점을 지날 때 유속과 압력의 관계에 의하여 생기는 현상으로 설계 또는 운전시 주의해야 할 사항이다.

[그림2]에서 보는 바와 같이 교축점(VC:Vena Contracta)에서 유체의 증기압 이하로 압력이 떨어지면 유체내에서 기포가 형성되는데 이것을 1단계 케비테이션이라고 한다. 물론 유속은 증가한다. 이 교축점을 지나면 유체내의 마찰로 인하여 유속도 점차 감소하고 아울러 압력은 증가하여 압력회복이 이뤄진다. 그리고 이사이 기생성된 기포는 붕괴되거나 폭발되어 소음과 진동을 일으키면서 케비테이션 현상은 종료된다. 이것을 2단계 케비테이션이라 한다.

이 현상의 특징은 유체내에 기포가 존재치 않는 상태에서 교축점을 중심으로 유속과 압력의 에너지 교환 과정중 생긴 기포의 생성과 소멸로서 밸브 입구에서의 유체 상태는 과냉상태(Sub-Cooled Condition:주어진 압력하에서 포화 온도보다 낮은 상태)로 되어 있어야 하며, 만약 포화 상태의 유체가 흐른다면 출구측에서 계속 기포가 잔류하게 되어 후라싱 상태로 될 수 있다.

따라서 밸브 출구측의 압력은 증기압 이상으로 되어있어야만 케비테이션이 발생할 수 있다. 케비테이션 현상은 기포의 생성 소멸이 짧은 시간동안 지속적으로 일어나면서 밸브에 소음, 진동은 물론 밸브 트림에 침식을 일으킨다. 이 기포의 생성 소멸의 압력 충격파는 매우 크고(as high as 100,000psi) 또한 순간적이며 지속적으로 밸브 금속면에 충격을 가하여 피로 현상을 일으키고 결국 그 부분이 침식을 일으키는 것이다. 지금 1단계 케비테이션 현상이 밸브 출구측으로 계속 진행된다면, 이를 케비테이션과 구분하여 후라싱이라 한다.

후라싱은 압력이 유체의 증기압 이하로 계속 유지되면서 유속은 크게 증가되어 있는 현상이다. 후라싱이 생기는 원인은 밸브 입구의 유체상태가 과냉 상태이거나 포화상태로서 교축점을 지나면서 더욱 기포가 생성되고, 유속이 증가되어 압력 또한 포화 압력이하로 유지됨으로 인한다.

후라싱은 유체입자를 고속으로 관로면에 충돌시킴으로써 꼭 Sand Blasting을 한 것처럼 매끄러운 표면을 만드나 계속적으로 진행되면 관로 두께가 얇아지고 결국 손상을 입게된다.

이러한 케비테이션과 후라싱 현상의 발생 과정중 교축점에서의 비체적은 기포의 생성으로 인하여 증가하게 되는데 만약 교축점에서의 유체 속도보다 비체적의 증가 속도가 크거나 이 점에서 액체·기포의 2상 유체 상태로 그 속도가 음속에 다다르게 되면 케비테이션 또는 후라싱과는 다른 현상이 일어나는데 이를 초크흐름(Choked Flow)이라 한다.

즉 밸브가 열려 있는데도 유체가 순간적으로 흐르지 않고 간헐적으로 큰 진동 또는 소음을 발생하면서 흐르게 된다.그러나 이론적으로 유체의 초크현상은 명확히 규명되어 있지 않다. 제어 밸브에 있어서 케비테이션은 밸브 트림을 마멸시키고 큰 소음을 일으킨다.

③유체관로의 유량

어떤 프로세스에 있어서 유량의 제어는 곧 밸브에서의 압력손실량의 정도 즉, 압력차를 조절하는 것과 직접적인 관계가 있다. 원활한 밸브의 운전은 유량과 압력조절이 자연스럽고 부드럽다는 것이나 압력차를 제어함으로 유량의 다소에 관계없이 유량조절이 된다는 것은 아니다.

왜냐하면 유체관로의 경제유속을 무시하고 많은 유량이 필요하다고 유체를 고속을 흘려보낼 수는 없으므로 경제유속의 범위 내에서 밸브를 운전해야 한다.

배관의 부식침식을 고려한 결제 유속은 최대 10m/sec 정도로 제한되며, 트림을 정기교환 보수부품으로 할 경우에도 약 1000psi(71bar)의 차압발생시 50m/sec 이내이어야 한다. 따라서 유량의 문제는 밸브 자체의 크기결정 즉, 트림의 크기 결정에 유효하고, 압력손실량을 제어하는 요소인 트림의 형상 및 특성에는 2차적으로 영향을 주게된다. 유체 관로의 유량과 밸브간 차압과의 관계는 다음의 식으로 물리적 의미를 음미할 수 있다.

Cv = 1.17KQ(G/P)0.5

단, △P = Pu-Pd, Pd>0.5Pu, △P<0.5Pu

Q = 유량(㎥/hour)

G = 액체의 비중(무차원)

△P = 밸브간 차압(kg/㎠)

K = 밸브 트림 및 밸브 형상에 따른 상수(무차원)

④유체의 온도

유체의 온도는 밸브 적용에 있어 매우 중요한 설계 파라메타일 뿐더러 밸브 운전에 있어 케비테이션 또는 후라싱의 경계 및 한계를 정하는데 중요한 요소이다. 아울러 밸브의 구조를 결정하는데 직접적인 영향을 주는 인자로서 특히 고온고압밸브의 경우 내압부 및 밸브 구성부분의 비연속성에 따른 열천이(굽힘 성분의 모멘트를 발생시킴)로 인한 열응력을 발생시킴으로 이 관계를

주의하여 설계제작 되어야 한다.

45회(99.3월호)

2)유체흐름의 불균일로 인한 밸브의 진동

유체가 밸브를 통과할 때는 불규칙한 내부형상 또는 유로에 장애물이 있어서 난류(Turbalance)의 발생이 필연적이다. 이때 난류는 일정한 주기의 진동을 유발하게 된다. 가장 간단한 예로서 게이트 밸브에서 디스크가 중간개도에 있을 경우 와류발생(Vortex Shedding)에 의한 진동이 유발되는데 그 관계는 STROUHAL Number로 표시되는 관계식에서 알 수 있다. 즉,S = Vo/fD

여기서 S = STROUHAL No.로서 Reynolds 수에 관계하고 대략 그 범위는 0.16~0.22를 갖는다.

f = 와류발생에 의한 유체 유발 진동수

Vo = 입구에서의 평균속도(ft/sec)

D = 특성 간섭거리(Characteristic Dimension)

그러나 이 관계식의 실제 적용 시에는 매우 조심해야 하며 이 식의 결과는 측정치에 대한 자료관리 측면에서 해석적 경향을 파악하는데 유효하며 측정치가 없는 경우의 진동해석에는 무리가 있음을 밝혀둔다.

특히 버터플라이 밸브 및 볼 밸브와 같은 경우는 밸브개도의 정도에 따라 밸브 및 배관계통에 유발시키는 와류진동(Voltex Vibration)이 밸브 구동부품의 손상을 가져오는 경우도 있는데, 버터플라이 밸브는 밸브개도 70% 내외에서, 볼 밸브는 80% 내외에서 가장 큰 진폭의 진동이 유발되므로 개도 조절에 유의해야 한다. 무게중심이 높은 대형 전동구동밸브나 다이아후램 구동 제어밸브와 같은 Heavy Top Work 밸브의 경우 밸브 구동부의 요크 강성도가 충분하지 못한 즉, 고유진동수가 적은 밸브일 가능성이 높으며 이 고유진동수와 유체흐름의 불균일로 인한 진동의 공진 발생으로 구동부가 손상된 사례가 있다.

이와 같은 경우에는 구동부를 추가로 지지하던가 요크의 강성도를 높이기 위해 보강하는 게 좋다. 그러나 이는 어디까지나 운전시의 진동측정 결과에 기초해야 한다.

 

3)유체천이에 의한 밸브의 진동프로세스 계통이 고에너지의 유체를 수송한다면 밸브등 각 제어요소의 운전이 어떤 사고 또는 노화로 인해 제어 불능일 경우가 생긴다.

또한 펌프계의 불시 정지등으로 인한 수격현상등 유체천이에 의한 유체의 관성에너지가 불균형해져 배관계에 진동을 유발하고 심한 경우 배관의 파단이나 기기 손상까지도 유발하게 된다. 한 예로 발전소에 있어서 터빈을 지나온 증기는 보일러 급수를 가열하기 위해 각 히터를 거치는데 이때 히터에서 응출된 증기는 어느 일정 수위가 넘으면 즉시 복수기로 By-Pass하게 된다.

이 히터 드레인 제어밸브는 히터의 수위가 정상치보다 높으면 밸브를 영어 복수기로 물을 방출해 수위를 조절하는데, 이때 상대적 진공인 복수기와 일정 압력의 히터간 차압은 겨의 밸브 운전압력 정도로 크기 때문에 대부분이 후라싱 서비스 목적으로 밸브를 운전한다.

이 제어밸브는 복수기에 근접하게 설치되는데 이는 토출측의 배관에서 생기는 후라싱의 악영향을 줄이기 위함이다. 그런데 만약 히터에서 제어밸브 사이의 배관이 긴 경우, 특히 일직선의 배관이 긴 경우에는 제어밸브를 통한 방출유량 만큼 관로속의 유체는 방출 순간 유체흐름의 관성에너지 불균형으로 진동을 유발하는데, 배관계의 지지가 대부분 진동 효과를 고려하지 않는 배관의 자중과열 팽창만을 고려하기 때문에 이러한 비정상적인 운전시 배관계의 격심한 진동과 이에 따른 밸브구조의 구조적 취약으로 인해 제어밸브의 요크 부위가 파단되는 경우가 적지 않다. 특히 [그림1]과 같이 관로의 방향쪽으로 진동 가속도가 크게 작용하는 진동이 있을 경우 밸브 구동부의 무게중심(관로 중심에서 L만큼 떨어져 있음)에서의 가속도는 '0' 이므로 순간적으로 밸브 요크에 전단력 및 굽힘 모멘트를 발생시켜 결국 파단에 이르게 한다.

여기서,

M = 제어밸브의 총 질량(m·L)

EI = 제어밸브의 Yoke Stiffness

L = 관로 중심선과 밸브 무게중심과의 거리

m = 요크의 등분포 질량

밸브에 있어서 운동에너지는

T = ∫LO ½m(x)[Φ(x)Y(t)]2 dx

∴[T=0.5MY(t)2 그리고 Y(x,t)=Φ(x)Y(t)]

여기서 Φ(x)는 계의 모양을 나타내는 함수로서 Φ(L)=1로 한다.

밸브의 운동모형을

Φ(x)=1-Cos πx/2L 라고 하면

Y(x,t)=Φ(x)Y(t) = Y(t)(1-Cos πx/2L)

또한 밸브계의 총 질량 M*은

M* = ∫LO m(x)Φ2(x) dx+mL = m∫LO(1-Cos πx/2L)2 dx+mL = mL/2π(5π-8)

밸브의 Stiffness K*는

K* = ∫LO EI(x)[Φ(x)]2 dx = ∫LO EI(π/2L)4 Cos2 πx/2L dx = π4EI/32L3

밸브 요크에서 Damping이 없다고 가정하면 밸브에 작용하는 유효하중은

M*u + K*U = Feff*(t)

여기에서 U = Y(t)-Yg(t)로서 상대운동 방정식

그리고

Feff*(t) = ∫LO Peff(x,t)Φ(x)

상대운동 방정식

그리고

-mLag(t)

Feff*(t) = ∫LO -mag(t) 0(x) dx

Peff(x,t) = mag(t)

따라서

-mLag(t)

이를 풀면

Feff*(t) = 1.1M* ag(t)가 된다.

따라서 밸브에 작용하는 유효하중은 밸브가 부착된 배관계의 진동 가속도에 직접적으로 영향을 받으며, 무게중심에서 상대운동(Relative Motion)에서 응답변위 U를 구할 수 있어 밸브 요크에서의 응력상태를 평가할 수 있다.

또한 Feff*(t)는 고전적 수격해석방법(물론 실제 상황과는 많은 오차가 있으나 진동 특성의 상대적 평가 분석에는 유효함)으로 밸브 전·후단의 압력차에 의한 속도 변화량(△V)를 구해 관성에너지 즉, 밸브에 생기는 유효하중을 계산하여 밸브 구동부에서의 진동 가속도 및 진폭을 상대 평가할 수 있다. 그러나 모든 진동현상이 매우 복잡하게 발생되므로 앞서와 같은 해석적 평가는 진동 특성의 경향 파악에 유효하고 실제적인 방법은 실험적 방법인 실제 진동 특성을 측정하여 평가해야 할 것이다.

4)이상승압 및 이상고온 현상에 의한 게이트 밸브의 개폐불능

 

이상승압(Pressure Locking)과 이상고온에 의한 게이트 밸브의 개폐불능(Thermal Binding)은 대체적으로 게이트 밸브와 같이 비교적 큰 공동(Cavity)을 가진 밸브에서 발생되는 현상이다.

[그림2]와 같이 게이트 밸브에서 유체를 차단할 때 본네트의 공동부에 있는 액체도 유로와 격리되는 상태로 되면 본네트 공동부에 액체가 남아있게 된다.

이 액체가 배관계통의 재 가동으로 점차 열을 받게 되면 체적팽창을 하여 B부분의 압력 상승으로 밸브 디스크가 개폐 불능상태에 이르게 된다. 액체의 체적팽창에 따른 승압정도는 [그림3]을 참조한다. 이 그래프에서 보는 바와 같이 (B)부분에 액체가 약 30% 있고, 20℃에서 510℃로 가열되는 경우 본네트 공동부 압력은 590기압 정도로 상승하게 되어 밸브를 열 수 없게 된다.

이상 승압이 되는 원인은 직접적인 것으로 본네트 공동부에 액체가 잔류하기 때문인데 이는 밸브 설치문제와 직접 관련된다.

배관계통에 게이트 밸브를 설치할 때는 가능한 한 수평배관에 밸브 스템이 수직이 되도록 설치한다. 그러나 이때 밸브 디스크 하부의 공동부가 클 경우 같은 문제가 발생될 여지가 있으나 본네트 공동부에 비하면 상대적으로 적으며 밸브를 여는데 큰 지장이 없으므로 문제삼지 않는다.

특히 증기 수송용 수직배관에 수평으로 설치된 게이트 밸브일 경우 본네트 공동부내에 응축된 액체가 잔류할 가능성이 높으며, 가동시 쉽게 가열될 수 있어 이상승압 발생의 가능성이 높다.

그러나 현재 게이트 밸브 응용은 디스크를 입구측 배관 압력에 의한 씰(Seal) 방식을 택하고 있기 때문에 쉽게 일어나지는 않지만 보일러 수증기 배관, 고압 히터 입출구 배관, 급수조절 제어밸브 출구배관, 보일러 순환펌프의 입구배관, 기타 고온의 주요 배관계통 게이트 밸브의 경우는 이상승압에 대한 대책을 세워야 한다.

이상승압이 되어 밸브가 열리지 않으면 모터 구동밸브의 경우 모터의 과부하로 소손될 염려가 있으며, 유압잭 같은 기구로써 강제로 밸브를 열고자 할 때는 디스크와 스템의 연결부위가 절손되므로 유의해야 한다. 이상고온 현상에 의한 Thermal Binding은 고온배관의 게이트 밸브에서 발생되는 현상으로서 특히 쐐기형 디스크에서 발생되기 쉽다.

즉 고온상태에서 밸브 몸체는 열 팽창으로 디스크가 쉽게 닫힐 수 있는데, 이를 조정하고 제한하는 것이 모터 구동밸브에 널리 쓰이는 토오크 스위치로서 이미 열팽창 되어있는 몸체에는 상온상태에 비해 보다 많은 디스크가 시트에 삽입된 후 정지하게 된다.

이후 다시 상온으로 되면 밸브몸체는 열 수축되어 디스크를 구속하게 되므로 개폐불능 상태에 이르게 된다. 이와 같이 이상승압은 게이트 밸브가 고온상태에서 디스크를 닫고 상온에 이르렀다가 다시 계통이 운전되어 디스크를 열려고 할 때 생기며, 이상고온 현상에 의한 Thermal Binding 역시 고온상태에서 디스크를 닫았다가 상온상태에서 열려고 할 때 일어나는 현상으로 발전소의 중요 배관계통과 같은 곳에서의 이러한 현상 발생은 매우 심각한 경제적 손실을 야기시킨다.

5)모터구동 밸브의 모터구동 장치 고장원인

 

모터의 소손을 포함한 모터구동 장치의 고장은 프로세스 배관계통의 제어 및 유체 수송을 방해해 플랜트 전체에 심각한 문제를 야기시키는 경우를 종종 경험했을 것이다. 모터구동 밸브의 구동장치 고장원인은 다음과 같이 네가지로 대별할 수 있다.

①토오크 스위치 설정에 관한 문제

토오크 스위치 설정이 부적절하여 Thermal Binding시와 같이 디스크가 과도하게 시트내에 삽입되는 것을 방지하지 못하거나, 과도한 백시팅 힘으로 인해 스템의 불연속부에 과도한 응력분포를 갖게할 수 있으며, 정도가 심할 경우 모터 소손에까지 이르게 된다.

마찬가지로 토오크 스위치 설정이 불균형하거나 기계적 손상을 입었을 경우에도 이와 같은 현상이 생길 수 있으며, 만약 토오크 스위치 조작범위가 너무 근접했을 경우 토오크 스위치 관성상 제어상태가 불안정해 위험하다.

②밸브 몸체에 관한 문제

백시팅 상태의 불량, 스템 마모 또는 스템 너트 마모로 인한 강성 부족으로 생긴 스템의 변형, 디스크 마모로 인한 정격 스템의 운동량 초과(Wear Travel), 스템 마모 또는 부적절한 패킹재로 인한 누설과 이를 조치하기 위한 과도한 패킹압력 및 스템의 윤활이 부적절한 경우이다.

실제적으로 스템의 마모 또는 패킹재료의 탄력성 결여로 인한 누설은 결국 과도한 패킹압력으로 임시 조치될 수 있으나, 이에 따라 모터에 과부하가 발생하고 소위 헌팅(Hunting)과 같은 불안정한 동작을 하게 됨으로써 디tm크의 개폐불능 또는 스템 변형을 초래하여 점차 악화되어 간다. 이러한 문제로 스템과 패킹력과의 역학적 관계는 물론 패킹재료 개선등의 많은 연구가 현재 선진국에서 활발히 진행되고 있다.

③구동 구조에 관한 문제

구동장치의 노화 또는 부적절한 보수로서 스템 너트, 웜 베어링의 풀림, 웜 기어구조 즉 피니언 및 웜의 마모로 인한 손상과 윤활상태의 노화나 불량으로 인해 기능의 약화 또는 상실에까지 이르게 된다.

④밸브 계통에 관한 문제

배관계통으로부터 야기되는 제반현상 즉, 배관계통의 진동 또는 구동부 지지의 부적절 등으로 인해 불안정한 상태가 계속될 때에는 밸브 구동부의 수명을 단축시키고 손상을 유발하게 되므로 모터 구동밸브와 같이 큰 구동부를 갖는 배관계는 밸브 전후에 진동을 억제시키고, 밸브 구조를 건전하게 하는 배관 지지대를 설치한다.

46회(99.8월호)

밸브 보수 및 엔지니어링

 

밸브는 프로세스 시스템의 제어 요소로써 시스템의 운전조건에 따라 적절한 기능을 수행하여야 한다. 우선 구조적으로 튼튼하여 어떠한 높은 압력이나 온도 또는 극저온의 극한 조건하에서도 제어의 구조적 안정성을 확보하여야 하고, 제어기능에 있어서도 내외부 누설이나 시스템 추종의 건전한 제어가 확보되어야 한다. 이러한 기능들, 즉 프로세스 운전 중 지속적으로 유지 관리되기 위한 제반 활동을 밸브보수라 하고, 밸브보수를 보다 과학적으로 프로세스 시스템의 운전조건에 맞도록 하는 기술적인 평가와 판단을 밸브보수 엔지니어링이라고 한다. 실질적으로 밸브보수 엔지니어링은 제어요소인 밸브가 제 기능을 상실했거나 상실될 우려가 있는 경우, 시스템의 제반 조건중 압력, 온도 및 유량(유속) 조건을 밸브의 제어기능을 중심으로 분석하는 것이다. 아울러 기계적인 불안정 운전요인이 현상으로 나타나는 경우에는 밸브의 제어기능 이외에도 밸브를 포함한 배관 프로세스 시스템 전체도 아울러 해석할 필요가 있다.

다음의 예는 발전소 주 급수제어 밸브의 스템 절손사고에 대한 프로세스 운전 조건과 밸브 설계의 제반 측면을 검토한 것으로써 밸브를 보수하기 이전에 왜 문제점이 생겼는가를 분석, 평가한 후 시스템의 운전 조건에 맞도록 밸브를 개선하는 과정을 설명한다.

밸브 보수 엔지니어링의 첫 번째는 우선 보수의 목적이나 문제된 밸브의 분석 목적을 정해야 한다. 급수 제어밸브의 스템 절손 사고는 먼저 급수 제어 밸브 자체의 구조 및 설계 개념을 파악하고, 급수 계통의 프로세스 운전 특성을 파악하는 것이다. 밸브 구조 및 설계 개념과 프로세스 운전 특성을 검토한 후에는 다음과 같은 사항들을 중점 분석할 필요가 있다.

·밸브의 선정은 프로세스 운전 특성에 부합되는가

·밸브의 동적 운전 특성이 프로세스 운전특성에 비추어 충분한 구조적 강도를 갖고 있는가

·밸브의 구동부 선정은 프로세스 운전 특성 및 밸브 트림 특성상 충분한 힘을 갖고 있으며, 제어성은 건전한가

·밸브의 형식 및 프로세스 배관계통의 설계가 프로세스 운전 특성에 비추어 적절히 설계되었는가

·밸브 스템의 구조적 강도는 충분한가

위의 사항은 급수 제어밸브의 스템이 절손(밸브 스템과 플러그의 연결부)된 사항에 대한 분석 평가 내용으로 스템이나 플러그 연결부의 구조적 강도에 대한 보강의 목적 또는 프로세스 시스템상의 개선여부를 판단하는 것이다.

이를 위해서 프로세스 시스템에 대한 계통구성 및 설계조건 그리고 운전조건을 우선 구체적으로 파악하는 것이다. 확인이 필요한 분석자료는 [표1]과 같다.

이들 분석자료에 의하여 밸브의 주된 문제점인 스템의 절손 사고에 대한 착안사항으로 밸브의 유량계수 선정과 밸브의 개도는 적절한지 확인해야 한다. 또한 밸브 구동부의 선정에서 구동 공기압의 크기 및 안전성인 구동부 스프링의 강성도(다이아후램의 적정 운전 공기압 및 초기 압축량등), 스템 운전 스트로크 거리, 패킹의 재질 및 패킹의 조임력과 밸브 입출구의 압력에 대한 밸브 트림의 구조적 안정성을 확인할 필요가 있다.

아울러 밸브 구동부의 진동 및 프로세스 시스템의 기기 공진에 대한 검토로 진동으로 인한 피로 파괴를 검토한다.이는 플러그의 강성도가 스템의 강성도에 비하여 상대적으로 매우 높기 때문에 진동이 있을 경우 피로파괴의 확률은 매우 높아진다. 다음으로 배관 설계의 적합성을 검토하는 것으로, 배관 배치가 고에너지의 계통특성에 비추어 유체천이에 의한 힘의 과도한 불균형이 발생될 여지가 있는가를 확인하여, 이를 밸브 손상원인의 한 요인으로 검토하는 것이다. 아울러 밸브 형식에 대한 검토도 중요한 착안사항의 하나이다.

다음은 밸브 보수 엔지니어링의 한 예를 구체적으로 보여주고 있다.

1.블로우다운 앵글 밸브 개선을 위한 밸브엔지니어링의 예제

(1)개요

블로우다운 밸브는 통상적으로 압력과 온도가 높은 포화수를 압력이 낮은 후레쉬 탱크로 방출하는데 사용되는 밸브로써, 발전소와 같이 고온고압의 응축수를 효과적으로 이용하는데 쓰인다. 예를 들어 증기발생기의 블로우다운은 정상 운전시에는 증기발생기의 수질관리를 위하여 약 1% 정도의 일정한 양을 취출한다. 아울러 복수기내의 누설이나 증기발생기내의 누설이 예상될 때는 최대 3%까지의 블로우다운을 실시한다. 블로우다운된 고온 고압의 포화수는 후레쉬 탱크에서 응축수와 증기로 분리되고, 증기의 경우에는 급수 히터의 가열 열원으로, 응축수는 다시 복수기로 회수 되도록 되어 있다.

◆운전조건의 검토

·입구압력 : 856psia

·출구압력 : 17psia

·온도 : 523。F

·정상운전유량 : 40gpm

·최대운전유량 : 18,800lb/hour

요약된 데이터는 [by2]와 같다.

(2)밸브 몸통의 선정

(가)밸브 몸통의 온도-압력 등급 ANSI B16.34에 따라 밸브의 온도-압력 등급은 600#이나 가혹한 운전상황 임을 감안하여 ANSI 1500#로 한다.

(나)밸브 몸통의 재질 선택

극심한 후라싱을 고려하여 밸브 몸통의 재질은 A217-WC9(F22)인 크롬-몰리브덴의 합금강으로 선택한다.

(다)밸브 몸통의 크기 선정

2.5″(65A)의 밸브로 하고 재질이 WC9(F22)이기 때문에 밸브의 연결단은 버트용접(맞대기 용접)으로 한다. 밸브의 입구측은 2.5″이고, 출구측은 연결배관에 일치하며, 후라싱의 강도를 저감할 수 있도록 3″(80A)로 한다.

(라)밸브의 몸통 형태

밸브의 몸통 형태는 블로우다운 용도에 가장 적합한 앵글 글로브 밸브로 한다.

(마)기존 밸브의 침식 문제점 분석

·패킹박스 내부가 부식으로 인하여 손상

패킹박스 내부는 패킹이 장착된 이후 장기간동안 패킹교체가 없었던 것으로 판단되며, 아울러 이 밸브는 설치 이후 지금까지 고온의 물이 장시간 스며들어 있으면서 부식을 진전시킨 것으로 판단한다.

·시트부위의 크랙

시트부위는 일단 스텔라이트로 하드페이싱된 것으로 판단. 계통 조건상 극심한 후라싱이 발생하는 조건임으로 고에너지의 유체 흐름과 더불어 약 270℃의 고온이 하드페이싱 용접부의 취약부분인 열영향지역(HAZ, Heat Affect Zone)에 반복 열피로(온도가 높아졌다가 낮아지는 경우 열변형의 반복 작용으로 피로가 누적되며 이로 인하여 크랙이 발생할 수 있음)로 인하여 크랙이 발생된 것으로 판단된다. 특히 스텔라이트 하드페이싱의 경우 통상적으로 Stelite #6을 많이 사용하나, 이 Stelite #6은 용접성이 나빠 크랙을 일으키기 쉬운 텅스텐이 약 1% 포함되어 용접에 주의하여야 한다. Stelite #12 또는 #21을 사용하면 용접 효과가 보다 나아진다.