1. 밸브 몸체부(Valve Body)
밸브 TYPE에 따라서 유체의 저항이 달라 유체의 유량 특성이 다를뿐만 아니라 가격도 각각 다르기 때문에 어떠한 종류의 밸브를 선택할 것인가는 매우 복잡하다. 이제까지 유량을 조절하는 자동밸브는 대체로 글로브밸브를 사용하여 왔으나 점차 버티 플라이형이나 볼 밸브도 증가 추세에 있다.
이와같은 이유로는 유체의 조건에 따라서 경제적이면서도 사용조건과 목적에 충족하는 밸브들을 선택하기 때문이다.
조절 밸브는 직접 유체를 접촉하기 때문에 프로세스조건과 사용 목적에 적합한 구조가 필요하다. 조절밸브 형식과 특징은 우선 밸브축 운동방향에 의해 직선 운동형과 회전 운동형으로 다음 표와 같이 분류할 수 있다.
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운동방식 |
밸브 본체 형식 |
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직선 운동형 |
글러브 밸브,앵글 밸브, 다이야프램 밸브,게이트 밸브 |
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회전 운동형 |
버터플라이 밸브,볼 밸브,편심회전 플러그밸브 |
⑴ 글러브 밸브
유량의 양을 조절하는 대표적인 밸브로 Seat나 Disc 손상을 최소화하고 유량을 미세하게 조절가능한 Type 이다. 플러그와 가이드가 언제나 접촉하여 고압에도 사용할 수 있고 Disc가 움직이는 거리가 짧아 작동시간이 게이트 밸브에 비해 짧다. Disc와 Seat는 언제나 배관 라인을 해체하지 않고 밸브로 부터 수리가 가능하다. 글러브 밸브는 원모양의 밸브 본체를 갖추고 출입구의 중심선이 일직선 상에 있으며, 유체 흐름은 밑에서 위로 흐르는 S자 모양이 되는 밸브이다. 구조로서 단좌형,복좌형 밸브및 케이지 밸브가 있으며, 유체 방향을 변경시켜 유체 압력손실이 크고 와류현상이 일어난다. 따라서 압력손실이 문제가 되는 저압의 유체에는 적합치 않으며 같은 구경일지라도 게이트 밸브에 비해 무겁고 가격이 비싼 단점을 가지고 있다. 글러브 밸브는 본체의 내압을 높일 수 있고, 또한 재질, 본넷트 형식을 채용함으로써 고온용, 저온용으로도 이용된다. 유량 특성은 다음 그림의 플러그 형상을 선택함으로써 임의의 특성을 갖게 할 수 있다. 레인지어빌리티는 30∼50:1 정도이다
㈎ 단좌형 밸브
가장 기본적인 형식의 밸브로서 밸브 차단 성능이 우수하며, 밸브 시트 누설량을 정격 CV치의 0.01 ％ 이하나 소포트 시트인 경우에는 완전차단도 가능하다. 필요로 하는 조작력은 1개의 밸브 플러그에 전 차압을 받기 때문에 동일 사용조건의 복좌형 밸브보다 커지게 된다. 일반적으로 소구경에 많이 사용되고 차단 성능 또한 우수하기 때문에 차단밸브, 온오프 밸브 로 사용된다.
㈏ 복좌형 밸브
2개의 포트를 가지는 조절밸브로서 밸브 누설량은 정격 CV치의 0.5 ％ 정도 이하이며 단좌형 밸브보다 누설량은 떨어진다. 필요로 하는 조작력은 상하의 밸브 플러그에 의해 불평형이 상쇄되기 때문에 동일 사용 조건이면 단좌형 밸브보다 조작력은 작아도 된다. 일반적으로 중구경에 사용한다.
㈐ 케이지 밸브
케이지내에 습동하는 플러그를 설치한 조절밸브로서 케이지가 플러그를 직접 가이드하고 또한 그 가이드 면적이 크기 때문에 플러그 진동이 억제되어 높은차압에 대해서도 안정적인 동작이 얻어진다. 한편,불순물을 포함하는 유체에는 적합치 않다. 유량 특성은 원통 모양인 케이지의 창 형상을 바꿈으로써 임의의 특성을 갖게 할 수 있으며 불평형형 및 평형형이 있고 불평형형은 단좌형 밸브,평형형은 복좌형 밸브 형식을 채택하는 수가 많다 저압에서 고압까지 사용 가능하며, 점도가 많거나 고체를 제어하는 데는 좋지 않다. 일반적으로 점도는 200 cpu까지는 무방하고 Port 위에 구멍이 있어 유체압력의 균형을 이루어 주는 Balabce Cage,구멍이 없는 Unbalance Cage, Port수에 따라 Single 또는 Double Port가 있다. Y 패턴 글로브 밸브는 유체가 게이트 밸브와 같이 유체 저항이 없으면서 글로브 밸브와 같이 유량 조절을 할 수 있다. 기능면에서는 게이트 밸브와 글로브 밸브를 합친 형태이다.
⑵ 앵글 밸브
밸브 본체의 입구와 출구의 중심선이 직각으로 유체의 흐름방향이 직각으로 변하는 형식의 조절 밸브이다. 보통 유체를 옆으로 부터 아래로 90도 방향 전환하며 슬러리 유체, 점성유체등이 쉽게 흐르게 하는것을 목적으로하는 용도에 사용 또는 출구측에 드레인이 허용되지 않는 경우에 사용한다 내부구조는 글러브 밸브와 거의같은 것으로서 단좌형,케이지형이 있으며 글로브 밸브에 비하여 와류현상과 압력손실이 적다. 따라서 유체 압력차가 큰 곳에 사용한다.
⑶ 다이야프램 밸브
밸브 본체의 중앙에 둑을 두고 다이야프램에 의해 유로를 개폐하는 형식의 조절 밸브이다. 선더스 밸브(Thunders valve)라고도 한다. 유로가 단순하기 때문에 본체 내면으로의 라이닝이 용이하고 내식성을 쉽게 얻을 수 있다. 또한 슬러리 유체, 점성유체등에도 적합하다. 유량 특성은 리니어에 가깝다. 낮은 개도에서의 제어성은 그다지 좋지 않아 레인지어빌리티는 10∼15:1 정도이다. 따라서 유체가 점액이거나 유체속에 고형물질 또는 덩어리 등이 들어 있는 유체를 제어하는데 다이야프램 밸브를 사용한다.
⑷ 게이트 밸브(스톱밸브)
디스크가 유로를 수직으로 칸막이를 하여 개폐하는 형식의 밸브이다. 이밸브는 전개시에 개구부가 배관 안지름과 거의 같은 것이기 때문에 압력 손실이 작고, 또한 높은 차단 능력을 가지고 있으므로 차단 밸브로서 사용하는경우가 많다. 조절밸브로서 사용될 경우에는 시트링을 V형 오리피스로하여 특성 및 레인지어빌리티의 개선을 도모하는 연구가 진행되고 있다. 게이트 밸브는 유량 조절용으로는 사용하지 않으며, 오직 차단 밸브로서 고온 고압의 여러 종류의 유체에 사용되고 슬러리나 고점도의 유체에는 사용되지 못한다. 따라서 완전히 열렸을때 압력 강하가 적고, 외관상 온오픈 식별이 용이하며, 소재 선정폭이 넓다. 단점으로는 열리기전에 진동이 생기기 쉽고, Seat와 Disc 마모가 생기고 열릴때 큰 힘이 필요하며, 미세한 유체 누설이 발생된다. 게이트밸브 종류로는 일반적으로 사용되는 것으로 Disc가 쇄기모양인 Wedge Type, 두개의 다공관으로 되어 있어서 열팽창과 압력변화의 영향을 최소한으로 줄일 수있어 가스, 증기 액체의 량을 조절하는데 사용되는 Parallel Slide Type과 게이트의 Disc 끝이 칼날과 같이 날카로와서 점도가 높은물질이나 구형과 같은 고체, 고형 물질이 포함된 유체에 좋은 Knife Gate Type이 있다.
⑸ 버터플라이 밸브
밸브 본체내에서 디스크가 회전하여 개폐하는 형식의 대표적인 밸브이다 구조에서 비교적 염가이며 대구경, 낮은차압에 적합하다. 유체압력에 의한움직이는 토크는 70도 부근에서 최대로 되며, 그 위치를 초과하면 급격히 감소한다.
따라서 조절 밸브로서 사용할 경우에는 0에서 60도사이에 사용하는 것이 일반적이다. 유량 특성은 이퀄 퍼센트 특성에 가깝고, 레인지 어빌리티는 20∼30:1 정도이다. 보통의 버터플라이 밸브는 시트가 없고 전폐시의 누설량은 1∼3％이지만 누설량을 감소 시키기 위해 여러 종류의 실방식이 채택 되고 있다. 누설을 막는 방법으로 고무,테프론등을 사용하면 누수를 막을 수는 있으나 고온에는 견디지 못하여 저온에서 사용한다. 그러나 메탈 Seat가 개발되어 고온에도 사용되나 이것은 고압에는 적합치않는 문제점이 있다. 또 구조적 특성으로 인해 50A 이하의 작은 밸브는 설계 제조가 곤란한 단점이 있다. 버티플라이 밸브는 유량조절 또는 On-Off용으로 사용할 수 있으며, On-Off 일때는 90도, 유량조절일 경우에는 60도 회전변을 사용하는데, 60도 이상이 되면은 유체 증가가 기하 급수적으로 변하고 많은 힘이 필요하며, 70도 이상에서는 유량조절로는 적합치 않다. 이 밸브의 장점은 대구경일때 다른 밸브에 비하여 가격이 저렴하고 설치하기가 좋고 유량조절이 가능하다.
⑹ 볼 밸브
밸브 본체내에 유로로서 관통 구멍을 가진 볼을 넣고 이것을 회전시키는 형식의 밸브이다. 차단성능은 소포트 시트 경우는 대단히 양호하며, 완전 차단이 가능하다 금속시트는 내열성이 우수하지만 차단성능은 소포트 시트에 비해 떨어진다. 제어용으로 사용하는 볼 밸브는 V 노치를 넣은 부분을 구체로 하여 특성 개선을 도모하고 있다. 이러한 형식에서의 유량 특성은 이퀄퍼센트 특성에 가까우며, 레인지어빌리티는 100∼300:1 정도로서 온도 압력등 사용조건이 완만한 범위에서 사용되고 슬러리 유체에 적합하다. 볼 밸브가 점점 콘트롤 밸브로 사용되는 추세에 있는데 지금까지 문제는
Seat의 재질때문에 고온고압에 사용이 제한이 왔으며, Ball과 Stem이 분리되어 구동부와의 동력 전달이 미세한 부분에서는 잘 조절 되지 않는 Dead Band Zone이 있었으나 Seat 재질을 향상시켜 메탈 Seat가 개발되고 Ball도 Seat와 같이 붙여 있는 One piece Ball이 나와 글로브 밸브보다 가격이 저렴하고 레인지 어빌리티가 큰 유리한 점들이 많아 자동밸브로 사용되고 있다. 단지 Ball은 회전각도에 따라 심하게 유량이 변하여 미세한 유량과 압력제어에는 적합치 않다. 또한 밸브를 통과하는 유체의 손실계수인 밸브 회복계수가 낮아 자동밸브로 사용시 와류 현상이 일어나고 소음이 심하게 발생한다. Ball의 구경에 따라 Standard, Full Bore, Reduced Bore Ball등의 형태가 있다.
⑺ 3방향 밸브
재질 및 구조는 일반 볼 밸브와 거의 같으나 유체 흐름의 길을 바굴 수 있는 구조의 밸브이다. 3방향 밸브는 유체 출입구가 3개 있는 형식의 조절 밸브로서 두가지 종류가 있는데 유체를 혼합시 사용되는 T 형태는 2가지의 유체를 혼합후 한 방향으로 보내거나, 한 방향의 유체를 2방향으로 나누어 보낼수 있다. L 형태는 유체의 방향을 어느 한쪽으로 바꾸는데 사용된다. 4개 Seat 디자인은 Inlet을 어느쪽이나 쓸수 있는 반면, 2개 Seat 디자인은 Seat가 2개로서 Seat가 없이 언제나 유체의 입구측이 된다. 유량 특성은 그 목적이 일정 유량을 혼합 또는 분류하는 것이여서 보통리니어 특성으로 하며, 어떤 개도에서나 합계유량이 동일하게 되도록한다.
⑻ 편심 회전 플러그 밸브
편심 회전 플러그밸브는 플러그가 편심축을 중심으로 회전되어 개폐하는밸브이다. 구조적으로는 제어용 볼 밸브와 비슷하지만 편심축으로 되어 있다는 점이 특징이다. 편심축으로 되어있기 때문에 시트와 플러그가 차단시 이외에는 접촉되지 않아 토크의 감소와 차단 성능의 향상이 도모되고 있다 유량 특성은 리니어 특성에 가깝기 때문에 캠식 포지셔너를 사용하여 이퀄 퍼센트특성으로 보정하여 사용하며, 레인지어빌리티는 100:1로 크다.
⑼ 고온 고압 밸브
조절밸브의 설계에 있어서는 일반적으로 고온이란 350 ℃이상, 고압이란 63 kg/㎠ (ANSI Class 900)이상을 가르킨다. 이 영역에서는 캐비테이션 및소음등 까다로운 문제가 수반하는 수가 있어서, 밸브 구조, 사용 재료등의 선정이 중요하게 된다.
㈎ 캐비테이션 대책
캐비테이션을 방지하기 위한 대책으로는 재료면에서 보면은 SUS 404C 나 스텔라이트 융착등 견고한 것을 선택하며, 또다른 방법 하나는 밸브구조를 캐비테이션이 일어나지 않는 것을 채용, 구조적으로 대책을 세우기 쉬운 케이지 형태의 밸브를 사용한다
㈏ 소음대책
조절 밸브에서 발생되는 소음은 세가지로 구분하는데 첫째, 구성 부품의 기계적 진동에 기인하는 소음으로 부품의 고유진동수를 측정하여 공진점을 없애는 부품 설계가 필요하다. 두번째는 액체의 유동에 기인하는 소음으로 대부분의 경우 캐비테이션에 의해 발생되며, 유체조건,밸브의 구조를 고려 대책을 강구해야 한다. 세번째 소음으로는 기체 유동에 기인하는 소음으로서 기체가 축류부를 통과할때 고속 분류에 의해서 난류가 발생되고 고속 분류와 저속분류가 될때 혼합되는 지점의 전단력과 충격파에 의해 소음이 발생되지만 대책으로는 고속 분류로 되는 흐름을 세분화 하고, 속도분포를 평균화하는 동시에 발생 소음을 감쇄시키기 쉬운 고주파영역으로 이행시키는 방법과 조절 밸브에 걸리는 차압을 분산 시키는 방법 등이 있다.
⑽ 극저온 밸브
천연액화가스, 액체질소,액체산소등 극저온 유체를 대상으로 하는 밸브이다. 재료는 오스테나이트계 스테인레스강이 사용되며 이밖에도 동합금, 알루미늄등도 이용된다. 구조는 그랜드 패킹부가 0℃이상의 상태를 유지할 수 있도록 충분한 길이가 필요하다. 본넷의 상부는 기화된 가스로 충만되도록 밸브 축과 본넷 안지름과의 사이는 매우 작게 한다. 밸브본체 설계는 열용량을 가급적 작게하고 이를 위해 배관과 접속은 용접형이 바람직하다. 밸브 Type 선정 내용을 정리하면 밸브 Type 선정은 유체 특성에 따라서 경제성과 정밀성, 안정성 등을 고려하여 선정한다. 부식성 유체이면서 저온 저압일때는 테프론 고무등 유체와 접촉부위가 비금속 제품으로 쉽게 만들수 있는 다이야프램 밸브, 플러그밸브등이 적당 하다. 그러나 유량제어 정밀도는 다이야프램 정밀도가 많이 떨어지고 이에 비하여 플러그밸브는 좀 나은 편이지만 그래도 글로브 밸브보다 떨어진다. 따라서 정밀도를 원한다면 글로브밸브를 테프론으로 제조해야 하나 플러그 제작에 문제가 있다. 고온고압의 유체 제어에는 글로브 Type이나 앵글밸브가, 대용량을 제어하는 곳은 버티플라이 밸브나 Ball 밸브가 적당하나, 글로브 보다 정밀제어 측면에서 떨어진다.