밸브의 종류 / 게이트 밸브(3)

1)왯지게이트(Wedge Gate)

일면 솔리드 왯지게이트(Solid Wedge Gate)로 쐐기형의 매우 간단한 왯지로써 유체흐름을 막는 구조이다. 밸브스템의 축하중을 밸브의 시트표면에 정면으로 밀착시킴으로써 시트누설을 방지한다. 따라서 이 쐐기형 즉 솔리드 왯지게이트밸브의 시팅력은 매우 높은 것이 특징이다. 이 솔리드왯지게이트밸브는 연력배관의 작용력보다 월등히 튼 강도를 갖게 마련인 소구경 배르에 적용된다. 이 이유는 기밀을 유지하는 시팅의 힘이 완전히 밸브스템의 추력으로만 작용될 수 밖에 없기 때문이다. 따라서 솔리드 왯지게이트 밸브의 디스크는  물론 이 디스크 강도이상의 밸브강도를  가진 튼튼한 몸통의 밸브만이 솔리즈왯지 게이트밸브에 적용된다. 여러 가지 구조적인 측면과 경제적인 측면에서 솔리드 왯지게이트밸브는 호칭 직경 2"(50mm)이하의 밸브에만 적용하는 것이 보편화 되어 있다. 예를들어 다음과 같은 경우를 생각해 보자. 즉, 게이트 밸브의 양끝잔 노즐부에 과도한 배관자굥력이 작용된다면 솔리드웨지게이트와 시트는 닫혀 있을 경우 배관작용력에 대한 지지역활을 하게될 것이고, 열려있을 경우에는 이 부분이 취약부분이 되어 배관작용력에 약하게 될 것이다. 미국 기계학회의   원자력부분의 밸브코드(ASME  Boiler  and  Pressure  Vessel Code   Sec. Subsection   NB)의 NB-3200(설계해석-Design By Analysis) 및  NB-3500(Valve Design)에 따르면  배관작용력에 대한 규정은 다음과 같다. peb=CbFbS/CbFbS 위에서 peb는 배관작용력으로 인하여 생기는 게이트밸브의 시트부위의 굽힘응력이다. Fb=일종의 단면 모멘트로써 밸브에 연결되는 파이프의 굽힘상수(Fb=0.393de3Ps/(20,000Ps)), Cb=연결파이프의   굽힘응력 인덱스로써   밸브 노즐의  두게와  노즐  내경과의 함수(Cb=0.335(γ/te)0.67), S=연결파이프의 허용강도(30,000psi) Gb=노즐면의 단면계수(Gb=I/(ri+te)) 위의 식에 따라 밸브 상즈 별로 peb를  계산해 보면 밸브 크기가 클수록 Fb가 증가되는  비율이 Gb의 증가율 보다 크기 때문에 결국peb로 인한 밸브 자체의 안전성을 확보하기 위해서는 게이트와 시트 부위에서의 응력 이완을 하면서 기밀을 유지할 수 있는 구조의 게이트가 요구되는 것이다. 따라서 경험상 2＂초과의 밸브의 경우에는 솔리드 왯지게이트보다는 응력이완이 가능한 후렉시블 왯지 게이트 또는 패러럴 슬라이드 게이트등을 사용하는 것이다. 솔리드 왯지 게이트 밸브의 장단점은 대략 다음과 같이 요약할 수 있다.

 

(장점)

·스템 추력에 다라 시팅효과를 극대화 할 수 있다.

·구조가 간단하여 염가이다. ·유로를 양방향으로 처리할 수 있다. (

 

단점)

·연결배관의 라인로드(Line Loads)에 민감하게 반응한다. 라인로드라 함은 연결배관으로부터의 축방향 힘(열팽창등에  의한 열하중등), 오토션(비틀림, Torsion), 굽힘  모멘트 등으로써 이러한 라인로드가 클 경우 이들 힘들이 게이트에 집중된다.

·만약 밸브 운전에 고온상태 하면 솔리드 왯지는 밸브몸통의 불균일한  열변형을 흡수할 수 없어 시팅상태를 불안정하게 할 수 있다. 즉 열변형(Thermal Distortions)에 의해 내부 누설 가능성이 높아진다.

·솔리드 왯지 유연성 부족으로 게이트가 닫힘 상태에 있을 때 가열(Heatup) 또는 냉각(Cooldown)동안 고착될 염려가 있다. 즉 이상스압(Pressure Locking)떠는 고온고착(Thermal Binding)의 가능성이 타 게이크밸브에 비해 매우 높다.

·밸브시트의 보수가 어렵다. 즉, 게이트의  경사각과 시트의 경사각은 공장  출고시 확정된것으로이후 게이트 또는 시트의 보수 연마가 실시되면 게이트의 높은 강성으로 인하여 100%의 시팅효과를 기대할수 없다.

 

2)후렉시블 왯지 게이트(Flexible Wedge Gate)

후렉시블 왯지 게이트 밸브는 솔리드 왯지의 단점을 보완하기 위하여 개발된 것으로서 장단점은 다음과 같다.

 

(장점)

·솔리드 왯지 게이트 보다 라인로드의 흡수력이 좋으므로 고착이나  흡수력이 좋으므로 고착이나 내부누설을 최소화할 수 있다. ·구조가 간단하다.

·스템 추력에 비례하여 시팅효과를 높일 수 있는 구조이다.

·양축 디스트가 동시에 시팅하는 구조로 시팅효과가 안정 스럽다.

·솔리드 왯지 게이트 밸브에 비하여 시트나 게이트의 유지 보수가 보다 용이하다.

 

(단점)

·양측 디스크가 동시에 독립적으로 시팅하기 때문에 밸브 몸통의 공동부(Cavity)에  압력이 트랩핑(Trapping)될 수 있고 이는 밸브의 가동시 열천이(Termal Transient)로 인한 이상승압이나  고온고착이 생길 수 있는 구조의 밸브이다.

·게이트와 시트간에 불순물 축적시 시팅 메카니즘이 마찰을 이루면서 수행됨으로서 불순물로 인한 흠집(Galling)이나 마멸 가능성이 높다.

 

3)스프릿 왯지 게이트(Split Wedge Gate)

이 케이트는 솔리드 왯지를 분리한 형태로서 두 개의 분리된 왯지가 서로 매칭되는 시트에 독립적으로 시팅(착좌)할수 있으며 분리되었기 때문에 배관라인의 배관 작용력은 물론 열팽창  또는 천이에 의한 제반하중에 어느정도의 여유는 가지고 있다. 이러한 잇점은 솔리드 왯지에서 특히, 대형의 게이트에서 생길수 있는 고착(Sticking)문제를 어느정도 완화시키는 것이다. 그러나 후렉시블 왯지 게이트에 비하여 가공이 어렵고 더블 디스크 드래그라는 두 개의 왯지가 닫힘 상태하에서 과도한 마찰력에 의해서 열리지 못하는 현상이 발생될 수 있기 때문에 일부 업체를 제외하고는 보편화되어 있지 않다. 스프릿 왯지 게이트 밸브의 문제 사례에 대한 것은 다음호에 자세히 언급하기로 한다. (

 

장점)

·비교적 적은 추력으로 양측 입출구의 시트면에 동시에 같은 압력으로 시팅하는 구조로서 차단 성능이 매우 좋다.

·배관계통의 압력에 상관없이 스템추력의 추가만으로 저압력 영역이나 고압력 영역이나 양호한 시팅효과를 갖는다.

·게이트 디스크면의 보수 유지가 솔리드 왯지나 후렉시블 왯지 게이트에 비하여 월등히 용이하다. 왜냐하면 왯지의 각도에 여유가 있기 때문이다.

 

(단점)

·독립된 각각의 왯지가 동시에 양 시트면에 밀착함으로써 닫히는 순간에  갇힌 유체가 트랩핑 압력으로 작용할 때는 밸브가 열리지 않을 수도 있다. 후렉시블 왯지 게이트 밸브에서와 마찬가지인 이상 승압현상이 염려된다. 따라서 스프릿 왯지 게이트 밸브에서는 대형이 되면 필수 적으로 바이패스 배간을 권장한다.

·가격이 비싸다.

·스템 추력이 양 왯지에 군일하게 작용하지 않을  경우 미스얼라이멘트(Misalignment)에 의해 왯지 디스크의 작동이 부드럽지 못할 가능성이 있다. 스템 추력이 과도하게 작용하여 시팅되었을 경우 밸브 개방시 과도한 시트와 왯지 디스크면의 마찰력으로 인하여 디스크 또느 시트면에 흠집이 생길 가능성이 높다. (

 

4)패러럴 슬라이드 게이트(Parallel Slide Gate)

일명 패러럴 슬라이드 익스팬딩 게이트(Parallel Slide Expanding Gate)밸브라고도 하며 기본적인 디스크 구조는  두 개의 디스크면 또는 세그먼트(Segment)와 스템과 연결구조인 왯지가 있다. 스플릿 왯지 게이트와 유사하게 스탬추력이 증가되면 될수록 양측 디스크가 동시에 양시트면에 시팅하는 구조이다.

 

(장점)

·양 시트면에 충분한 시팅력을 줄 수 있어 누설이 없는 차단 성능이 매우 좋다. ·드로우 콘디트형 더블 왯지(Through-Condnit Type Double Wedge)설계가 가능 하여 게이트 Ofqm의 사용목적을 다양화 할 수 있다.

 

(단점)

·구조상 각 세그먼트는 다른 왯지 게이트에 비하여 취약하기 때문에 배관작용력이나 열천이하중이 클 경우에는 손상을 받기 쉽다.

·세그먼트 형상이 각기 다르기 때문에 유로 방향설정은 구조적으로  튼튼한 세그먼트쪽이 출구쪽이 되도록 설정한다.

·일반적으로 다른 게이트밸브가 양방향 유로인 반면 이 패러러 슬러아드 게이트밸브는 유로방향이 한족 방향인 것이 특색이다.

·트렙핑 압력에 의한 이상승압이 예상된다. 바이패스 밸브가 필요하다.

·디스크 구조가 복잡하여 가격이 비싸고 과도한 시팅력을 제어하기 위한 특별한 구조 또는 처리가 필요하다.

·스플릿 왯지 게이트와 유사한 디스크 또는 시트면 흠집(Galling)이 예상될 수 있다. 앞서의 스플릿 왯지 게이트 밸브와 패러럴 슬라이드 게이트 밸브는  디스트의 구조가 비교적 복잡하고 스템 추력의 증가에 따라 밸브 시트에 과도한 힘이 작용함으로써 시트의 손상 또는 디스크면의 손상이 타 왯지에 비하여 발생될 확률이 높다. 따라서 현재의 게이트 밸브는 왯지의 건전한 운전과 보수 유지의 용이성 때문에 대부분2˝ (50A)이하의 작은 밸브는 솔리드 왯지, 중저압용(1500#이하)의 경우는 후렉시블 왯지, 그리고 고온용의 고압밸브에서는 스프링 로디드 패러럴 슬라이드 더블 디스크(Spring Loaded Parallel Slide Double Disc)가 많이 쓰인다.  21회(96.1월호)

 

5)패러럴 슬라이드 더블 디스크(Parallel Slide Double Disc or Parallel Slide Spring Loaded Disc Gate)

디스크는 평행되고 형상이 대칭되는 모양으로 그 사이에 강성도가 높은 인코넬 스프링이 끼어 있어 시팅력을 유지시켜 주는 게이트 구조이다. 따라서 스프링에 의해 어느 정도 각 디스크는 독립적으로 시트에 착좌(Seating)할 수 있어 특별히 고온계통의 게이트밸브에 적용성이 높다. 이는 밸브구조가 구조적인 불연속부가 많아 열응력이나 기타 배관라인의 배관작용력에 의한 뒤틀림(Distortion)이 예상될 수 있기 때문에 이를 적절히 수용할 수 있는 구조의 디스크가 필요한 것이다. 이 구조의 더블 디스크는 다른 구조의 게이트 디스크에서 치명적으로 일어날 수 있는 구조적 불안을 완벽하게 해결할 수 있는 큰 장점이 있는 반면에 구조가 복잡하고 가격이 비싼 것이 흠이다.

 

〔장점〕

·게이트 밸브의 디스크 구조상 시팅시의 유연성이 가장 좋다. 이는 시트의 접촉하중의 큰 변화 없이 기밀을 유지할 수 있기 때문에 高에너지 배관계통에 특히 적합하다. ·계통운전중 계통온도의 급격한 변화로 인한 열팽창 차이로 인한 고온고착이 발생할 수 없는 구조이다.

·계통의 급격한 온도변화 또는 배관 작용력의 증대등으로 인한 시트의 뒤틀림에도 스프링의 가압력 및 계통압력으로 인하여 적절한 시팅 효과가 유지된다. ·디스크의 시팅이 유연하기 때문에 흠집(Galling) 발생의 정도가 낮다. ·

시팅력이 거의 일정하기 때문에 모터 구동장치의 적용 신뢰성이 높으며, 따라서 모터를 경제적으로 선정할 수 있다.

 

〔단점〕 ·밸브 출구측 디스크 게이트에만 시팅이 되는 구조로서 시팅의 여유가 제한되어 있다.

·스프링 가압력에 있어서 그 힘이 디스크 중앙에 위치하기 때문에 디스크의 완전 열림에서 닫히는 순간에는 디스크 끝 부분과 시트가 부분적으로 마모되기 쉽다. 이러한 단점을 보완한 것이 콘디트 패러럴 슬라이드 더블 디스크밸브이다.

 

6)슬래브 게이트 밸브(Slab Gate Valve)

매우 간단한 구조의 공간 절약형의 게이트 밸브이다. 슬래브 게이트는 밸브 입출구 방향으로 움직일 수 있는 시트와 접촉하면서 기밀을 유지한다. 즉 다른 구조의 게이트 밸브들이 모두 디스크에서의 가압력에 의한 시팅구조인 반면에 슬래브 게이트 밸브는 시트가 일정한 시팅 가압력을 가지는 구조인 것이다. 따라서 시트는 밸브 몸체에서 분리가 용이하며, 몸체와 시트 사이에 스프링, 테프론과 같은 소프트 시트 구조로 기밀을 유지하도록 되어 있다. 슬래브 게이트 밸브의 장단점은 다음과 같다.

 

〔장점〕

·배관 작용력에 대하여 유연하게 대처할 수 있다.

·디스크는 물론 시트까지 보수가 용이하다. 왜냐하면 시트는 밸브 몸통에서 쉽게 분리되는 구조이기 때문이다.

·슬래브 게이트에는 큰 힘이 작용하지 않는 구조임으로 구조가 간단하다.

·계통온도의 급격한 변화등으로 발생할 수 있는 디스크와 케비티(Cavity)사이의 잔존 유체의 증발 팽창을 시트 구조 자체에서 릴리프 할 수 있기 때문에 이상승압과 같은 밸브 작동불량이 생길 수 없다.

 

〔단점〕

·저온, 저압에만 적용 가능하다. 고온일 경우 오링 씰의 열화등을 밸브 수명평가에 고려하여야 한다. 고압일 경우에는 프리로드 스프링(Preload Spring)의 설계에 어려움이 따른다. 운전온도는 최대 200℃ 이내이어야 하고, 150℃ 기준 지속운전 시간이 5000시간을 넘지 말아야 한다.

·버터플라이 밸브와 비교할 때 비경제적이므로 특수한 경우를 제외하고는 거의 사용되지 않는다.

 

7)나이프 게이트(Knife Gate)

나이프 게이트 밸브는 디스크를 칼날같이 얇은 길로틴과 유사한 구조를 가진 디스크를 채택한 밸브이다. 또한 이 디스크는 본네트를 통과하여 외부로 노출되는 구조이다. 따라서 스템은 계통 유체에 접촉되지 않는다. 이 밸브는 메탈 시트나 소프트 시트(Metal Seats or Soft Seats)가 모두 가능하고 밸브 제작의 크기에는 거의 제한 없이 만들 수 있으나 디스크가 외부로 노출되는 구조이기 때문에 스터핑 박스의 패킹 마찰면적이 넓고, 구조적으로 패킹실링 역학상 어려움이 많기 때문에 스터핑 박스의 패킹 기술이 매우 중요시 고려된다. 따라서 사용압력기준은 ANSI 125# 또는 150#이 최대이다. 나이프 게이트 밸브의 주요 응용분야는 펄프나 레올토지 유체와 같은 슬러리가 있거나 고점도 유체의 차단용으로 주로 사용된다.

 

〔장점〕

·저압 유체의 제어용 밸브로서는 저가격 구조의 밸브이다.

·슬러리와 같은 찌꺼기가 많거나 고형물이 많은 유체에 적합한 밸브이다. ·가볍고 설치공간이 절약된다.

·스템 및 스템의 나사부위 등이 유체와 접촉하지 않는 구조이다.

 

〔단점〕

·외부 누설의 가능성이 높다. ·고온 또는 고압에는 부적합하다.