밸브의 종류 / 게이트 밸브(2)

고온 고착(thermal binging)

고온용 밸브에 있어서 설계상 가장 유의할 사항은 밸브구성부품의 형상에  따른 각기 다른 모드의 열변형을 가능한한 상온 상태의 것으로 맞추는데 있다. 또한 형상뿐만아니라 다른 모드으이 열 변형을 가져올 수 있는 열팽창율이 각기 다른 이종 금속간의  조합, 열 온도 차이에 의한 열 변형 모드의 상이함이 이에 속한다. 예로써 상온상태로 운전하던 밸브에 뜨거운 물이 유입되면 밸브몸통은 질량이 크기 때문에 아무래도 천천히 팽창할 것이고 상대적으로 질량이 작은 트림은 쉽게 팽창할 것이다. 따러서 팽창된 트림은 밸브 몸통의 가이드 부분과의 운동간극(moving clearance)을 축소시켜 높은 구동력을 필요로 하고 아울러 시트나 가이드면에 흠집 또는 고착될수 있다.이후 몸통이 서섯히 달아올라 충분히 열 팽창되면 다시 부드럽게 운전 될 수 있다. 그러나 밸브몸통은 구조적으로 불연속인 경우가 많고 아울러 살두께의 변화가 크므로 몸통 내부적으로 응력이 심하게 차이가 난다. 또한 이렇게 굽힘응력의 차가 크므로 취약부위(시트면을 잡고 있는 밸브의 크로치부분)에서는 예상하지 못했던 열변형이 크게 생겨 디스크가 빠져나기 어렵게 되거나 또는 닫을 때 디스크가 시트면 모서리에 꽉 끼게 되어 밸브를 닫을수 없는 운전불능에 빠지는 경우가 게이트밸브에서의 고온 고착 또는 열바인딩이라고 한다. 좀더 쉽게 설명하면, 한가지 얘로써 어떤 개통의 후렉시블 왯지 게이트 밸브를 계통을 가열하면서 열려고  할 때 잘 열리지 안거나 운전불능의 경우가 있는데 다음과 같은 조건들이 원인을 제공한다. 밸브에 바이패스라인(자체)이 없다. 증기게통에 수직배관상 밸브가 수평으로 설치되어 있다. 계통 특성상 급격하게 가열된다. 온도-압력기준이 높다. 게통정지시(냉각상태)에는 닫혀 있고, 계통운전개시후 개방한다. 모타구동 배르의 경우 모타의 구동력이 계통운전조건대로 사이징 되어있다. 이러한 상황의 경우 정지시 타이트 하게 닫혀 있는 게이트밸브는  게통운전과 동시에 온도가 급격히 올라가면 밸브게이트보다 밸브 몸통의 열팽창이 적고 아울러 밸브 몸통과 게이트의 구조강도가 높다면 이 열팽창의  차이는 매우 큰 밸브구동력을 요구하게 되는게 일반적이다. 따라서 이러한 걔통의 경우에는 바이패스라인을 설치하는게 바람직하다. 이를 이론적 측면에서 검토하면  다음과 같다. (조):주강(탄소강)8"밸브몸통, SUS316의 왯지 게이트, 상온(70℉)상태에서 완전 닫힘 상태' 계통운전에 따라  600℉까지 가열됨. (계산식):단순히 두 재질간 열팽창의  상이에 따른 열팽창 차이(량) δL=(α1-α2)(T1-T2)L (계산결과) α1=10.3×10-6in/in/℉-SUS316 열팽창계수 α2=6.3×10-6m/in/℉-탄소강의 T1=열팽창 계수 T2=상온시 온도 L=가열후 온도 ∴SL=((10.3×10-6-(6.3×10-6))(70-600)4=0.008inch(0.2mm) 결국 0.2mm만큼의 열팽창차이는 디스크와 시트간의 마찰계수 0.01로 한다 하더라도 이론적으로 무려 28800ibf의 추력이 필요하게 된다.

 

게이트 밸브에서 생기는 문제점들

게이트밸브는 계통운전의 목적상 차단밸브이므로 일반적으로 장시간 닫혀 있거나 열려 있게 마련이다. 장시간 밸브가 운전하지 않을 경우에는 계통내의  불순물들, 특히 스팀배관의 경우 배관의 철분등이  미세한 상태로 게이트와 시트의 가이드 구석진 부분에 고착되는 경우가 많다. 이때 밸브를 운전하면 디스크나 시트면에 손상을 입게 되는데 주로 피팅(pitting)또는 불순물과의  마찰에 의한 긁힘 등이다. 때로는 계통의 냉각, 가열로 인하여 이러한 불순물이 시트 또는 디스크 재질과 친화하여 고착되는 경우도 있다. 증기계통의 외부 불순물에 의한 긁힘 또는 불완전한 시팅으로 이 틈새를 통하여 시트 또는 디스크가 손상을 입게되는 와이어드로잉(wire drawing)이 대부분이다. 밸브 스템패킹에서의 누설문제는 거의 대부분 스템이 부식되거나 부적절 하게 사용처에서 패킹작어한  경우에 있다. 스템의 부식은 가혹한 환경하에서는 피하기 어렵다. 더울이 13Cr(410계열)인 스템은 부식되기가 쉽고, 또한 자주 운전하지 않는 관계로 압축된 패킹재질과 이 분위기 속에서 부식된 수템은 거의 안정화된 상태에서  장시간 있었기 때문에 밸브 개폐시 많은  힘이 필요하고 더불어 일단 개폐하고 난 연후에는 패킹에서의 누설이 생긴다. 따라서 스템과 팽킹의 재질선택은 매우 중요하다. 최근의 밸브기술은 팽킹재질과 스템재질, 패킹구조등에 대한 괄목할 만한 실적을 쌓았음에도 불구하고 지금도 가장 취약한 밸브 기술부분이 이곳이다. 이들 연구결과 중 패킹의 가압력에 대한 연구는 스프링힘에 의해 항상 패킹의 가압력을 일정하게 유지시킬 수 있는 가압력을 일정하게 유지시킬 수 있는 라이브 로딩패킹은 이젠 중요 계통의 밸브에 거의 일반화 되어가고 있다. 결론적으로 스템패킹에서의 누설문제를 대비하는 방안은 첫째, 최적의 스템재질과 패킹재질로 하고, 둘째 팽킹의 가압력을 밸브 제작자의 권장 수준범위내에서 가능한 한 적은 가압력을 오랫동안 유지시킬수 있는  구조로 하고, 셋째 중요 계통의 밸브 또는 부식성 액체를 다루는 계통에서의  배르는 주기적으로 스템패킹에서의 누설여부를 점검하는 것이다.