1. Body 재질
유체압력과 직접 관계가 있는 Body, Bonnet, Bottom Flange는 대개 동일한 재질로 사용하고 있는데,비금속과 금속으로 크게 구분한다. 비금속재질은 내식용으로 많이 사용되나, 강도, 경도, 내열등에 문제가 있어 현재로는 주로 금속재료가 사용되고 있다. 압력부분의 재질선정은 유체의 압력, 온도, 부식성, 마모성에 따라서 선정한다. 특히 재질에 따라서는 내식성은 좋으나 내마모성이 좋지 않고 압력에는 적당하나 온도에 견디지 못하는 경우도 있어 주의해야 한다. 밸브 재질로 사용하는 금속은 크게 강(Steel)과 주철(Cast Iron)로 대별하고,강은 단련강과 주강으로 나눈다. 단련강은 단조강, 압연강 등이 이에 속하며, 같은 재질이라면 주강에 비하여 기계적 성질은 좋으나 모양이 복잡하거나 큰 제품은 단련강으로 제조는 곤란하다. 반면에 주강 제품이 기계적 성질은 단련강에 비하여 좀 떨어지나 펌프, 밸브와 같이 모양이 복잡한 제품을 제조하기 위해서는 적당하다. 밸브는 모양 특성상 주조하여 만드는데 주철제, 주강제가 대부분 이며,모양이 작고 고압용으로 단조강제, 그리고 철판으로 만든 제품이 있다. 주강제품에서 가장 중요한 것은 주조후 열처리로서 열처리에 따라서 강도 부식도, 변형이 좌우되기 때문이다. 똑같은 화학적 성분을 갖는 주조물을 만든다 하더라도 실제적으로 규정상에 명기되지 않는 미량원소의 함유, 용해 과정과 특히, 열처리 과정에 따라서 Creep 강도, 경도, 부식도 등이 전혀 다르다. 주조를 하면,쇠속에 있던 불순물은 용해후 식어가면서 쇠의 조직과 조직 사이인 임계면에 전부 모이게 되어 특히, 스테인레스강에서는 이 불순물이 화학적 반응을 일으켜 부식하게 된다. 따라서 적당한 열처리를 하게 되면 임계면에 있던 탄소등의 불순물은 제거되거나 강의 조직속으로 균일하게 되어 쉽게 부식되지 않는다. 또 고온강에서 주조또는 용접후에 뜨임을 잘하지 않으면 강 내부의 응력에 의하여 크랙이 발생할 위험이 많아 반드시 열처리를 잘 해야한다. 밸브재질은 탄소강 이외에 Ni, Cr, Si, Mn, W, Mo, V, Ti, Co, Al, P, S, B 등을 합금하여 특수한 성질을 갖는 합금강 (Alloy Steel)을 만든다.
일반적으로 밸브용 합금강은 다음과 같은 종류들이 있다.
① 내인장강 : Ni강, Mn강, Cr강, Ni-Cr강, Cr-Mn강, Cr-Mo강, Cr-V강, Ni- Cr-Mo강, Cr-Mn-Si강
② 스테인레스강 : 고 Cr강, 고 Ni강
③ 내열강 : 고 Cr강, 고 Ni강
④ 원자력강 : 고 Ni - Cr강
⑤ 저온강 : 고 Cr강, 고 Ni강
여기에서 각 합금원소의 주요 특성은 다음과 같다.
① Cr : 인성, 내식성, 내마모성을 증대시킨다.
② Ni : 인성을 증가시키고, 저온에서 충격치를 크게 한다.
③ Mo : 온도변화로 인한 약한 성질을 방지한다.
④ W : 고온에서 강도와 경도를 증진시킨다.
⑤ Cu : 산화방지
⑥ Si : 내열성, 구조적 특성을 증진
온도와 압력에 관한 재질은 ANSI의 규정에 의하여 특정 재질에 대하여 온도에 따른 압력 비율을 규정하고 있다. 예를 들면 ANSI Class 150 LBS의 주강밸브 (ASTM A216 WCB)는 온도가 38 ℃일때는 20 ㎏/㎠까지 사용할 수 있으며, 온도가 427 ℃ 일때는 5.5 ㎏/㎠ 밖에 허용되지 않는다. 따라서 ANSI 150LBS Class가 반드시 150 LBS/in2(10 ㎏/㎠)내에서 사용가능한 것은 아니고 온도에 따라서 사용압력이 다르다. 또 특수용도의 재료는 재질에 따른 허용한도 범위를 ASME Section Ⅷ 인 Boiler & pressure Vessel Cord에 규정되어 있다. 물리 화학적인 유체에 대해서는 특별히 요구되는 재질은 ASTM (American Society for Testing and Materials)에 규정되어 있다.
⑴ 고온용 재질
열에 잘견디는 합금강을 보면은 Cr을 주체로 하는 Ferrite계의 강, 다량다른 원소를 함유한 Austenite강 Ni, Co 등이 함유된 초합금강이 있다. 보통강은 고열에서 하중을 가하면 시간이 지남에 따라 변형율이 증가하는데 이 현상을 Creep현상이라 한다. Creep현상을 개선하기 위하여 Cr, Mo, V, W 등을 합급하여 내열합금을 만든다. 이 원소들은 고용체를 강화하여 탄화물,질화물 등을 형성하는 결정입자의 내외에 세밀하게 분산하여 고온이 될때 큰 저항체를 형성하여 Creep 강도를 높여준다. 고온 고압용 재료는 온도에 따른 압력을 만족함은 물론이고, 고온에서 발생하는 내식성 및 고온 가열중에 일어나는 조직 변화가 없어야 한다. 밸브 재질중에 주로 사용하는 고온용 재질로는 ASTM A217 WC6, A217 WC9 A217 C5, A351 CF8, A351 CF8M 등이 있다.
⑵ 저온용 재질
일반적으로 금속은 저온에서 기계적 성질이 금속 구조의 변화로 인성이 급격히 저하되어 파괴될 수 있다. 저온용 재질로는 일반적으로 동합금과 18-8 스테인레스강(SS304)를 사용하고 있는데, 동합금강은 강도가 약하여 사용압력 20 ㎏/㎠ 이하에, 18-8스테인레스강 (SS304)은 가격이 비싸나 강도가 강하여 -100 ℃ 이하에서도 많이 사용한다. 보다 싼 재질로는 C-Mo강, 3.5 Ni강이 사용된다.
⑶ 내식성 재질
금속재료는 건조상태 일때에는 200 ℃ 이하에서는 대개 부식이 일어나지 않는다. 그러나 200℃ 이하에서 부식이 일어난다면, 이때는 건조한 상태가 아닌 습한 상태로 습식 부식이라 하며, 이에 반하여 200 ℃ 이상에서 건조한 상태에서 일어나는 부식을 건식 부식이라 한다. 부식이 일어나지 않는 밸브 재료로는 비금속 재료(Teflon, PE, PVC등)가 좋으나 내열성과 기계적 성질이 나빠 150 ℃ 이상 고온이거나 고압에서 사용이 제한되고 있다. 부식 현상에는 전면 부식, 접촉 부식, 임계 부식, 응력 부식등이 있으며, 대개는 복합적으로 부식이 일어난다. 또 생산라인에서 유체는 반드시 순수 한 하나의 유체가 흐르는것이 아니고 여러가지 부식성 유체가 혼합,복합적 화학반응을 일으키기 때문에 생산공정상 많이 사용한 경험에 의하는 것이 좋다. 전면 부식일때, 부식의 단계를 A,B,C 3단계로 정하여 밸브에서 Trim 부분은 A급의 재료를 선택하고, 많은 중량을 필요로 하는 Body, Bonnet, Bottom Flange 등은 통상적으로 B급을 사용하고 있다. 부식의 정도는 같은 유체라도 유체의 조건인 농도, 온도, 압력에 따라서 다를 수가 있다. 예를 들면 염소가스에서 드라이 상태일때는 주강이 적당 Titanium은 부적당 하나 습식 상태일때는 정반대이다.
2. Trim 재질
⑴ Seat, Plug, Guide 재질
Trim (Seat ring, Guide, Brushing, Port, Stem)재질은 유체와 직접적으로 접촉할 뿐만 아니라 실제로 움직이는 부분이기 때문에 내마모성, 내부식성 재질을 선택하여야 한다. 일반적으로 Trim 재질은 SUS27,SUS32,SUS 304,SUS316 등을 사용하고 있으나 유체가 고형 부유물이 함유되어 있거나 고온이면서 차압이 클때에는 Trim을 경화하지 않으면 안된다. 또한 Trim부는 운직이는 부분이기 때문에 움직이는 부분을 닿는곳이 같은 강도의 재질이면 Galling 현상이 일어나기 때문에 서로다른 재질을 채택 하는것이 좋고, 만일 같은 재질이라면 경도를 달리하여 사용하는 것이 좋다
⒜ Trim 경화방법
① 열처리
열처리를 하면 경도가 높아져 내마모성이 커진다. 대체로 열처리하여 경화하는 것은 JIS 규격의 SUS25가 있다.
② 표면경화
표면에 경질도금으로 표면을 경화한다. SUS 304일때 HRC 3인데 크롬도금
③ 스테라이트(Stelite)
고온,고압일때 Co∼Cr,W 합금인 Stelite를 융착하여 내마모성, 내식성을 획기적으로 증진시킨다. 자동밸브에서 가장 많이 사용하는 Trim 경화방법으로 유체에 따라서, 또는 온도와 차압에 따라서 융착하는 정도가 다른데, Stelite Seat, Stelite face, Stelite face & guide가 있다.
④ 초경합금
소결합금은 경도가 높고,고온에서도 경도변화가 적다. 특 히 내마모성은 좋으나 충격에는 약하다. 일반적으로 초고압,고온의 소구경 밸브의 Plug, Seat ring 등에 사용하고 있다. 일반적으로 Tungsten Carbide, Crome – Carbide가 사용되고 있으며,석탄 액화가스 제조용 밸브 및 고압 고슬러리 제조공정에 사용한다. 일반 Plug 보다 약 10배 정도 수명이 길다.
⑵ Packing / Gasket 재질
유체가 Valve Stem을 타고 Bonnet 밖으로 새지 않도록 차단시켜 주는 장치를 Packing Box라 하며, 이 Packing Box 중에 Stem을 둘러싸고 있는 것을 Packing 이라 한다. Packing은 Stem이 계속 움직이고 유체가 압력이 걸려있는 상태로 밀폐를 항시 유지하기 위해서는 Packing이 일정한 힘을 가지고 있어야 하며, 유체의 온도 및 기타 성질에 대해 변형이 일어나지 않아야 한다. Packing 재질에는 Teflon, Asbestors, Graphite, Neoprene 등이 있다.
⒜ Teflon
화학적으로 불활성인 까닦에 자체적인 윤활성이 있어 압력 30 ㎏/㎠까지 또는 온도는 -200 ℃ 까지 거의 모든 유체에 사용한다. Teflon은 사용할때 마다 용도에 따라 성형하거나 미리 V자형으로 금형을 만들어 사용한다. 석면링의 윤활작용 역할을 하기 위하여 사용할 때도 있다. V형링은 Stem에 대한 균일한 힘과 밀폐를 항상 유지하기 위해 스프링을
함께 넣고 사용하여야 한다. 순수 Teflon의 단점은 열에 대하여 약하고 Stem이 매끄럽게 가공이 되어야 Packing의 마모를 방지하고 마찰력을 향상시켜 줄수가 있다.
⒝ Asbestors
석면으로된 Packing은 최대 540 ℃ 이하의 온도에서 사용되어 진다. 단점은 Asbestors 만으로는 윤활성이 없기 때문에 Lantern ring을 사용 급유를 계속해야 한다. 특히 고온용일때는 윤활작용을 위하여 형석(Mica)이나 Grahic을 첨가하거나 석면을 Teflon으로 둘러싼 링을 만들어 사용, 유연성과 탄성을 유지한다.
⒞ Graphite
순수 Graphite로 되어 있어 화학적으로 불활성이고 마찰계수가 낮으며, 3500 ℃의 고온까지 사용이 가능하다. 주의할 점은 밀도가 너무 높아 너무 그랜드를 조이면 Stem의 저항이 많이 걸린다.
⒟ 기타 Neoprene, Buna-N
V 형태의 링을 만들어 저온의 공기나 물등에 사용하는 Valve Packing에사용한다.