밸브의 종류 / 글로브 밸브

〔글로브 밸브〕

글로브 밸브는 그 운전 특징으로 보아 두 가지로 대면할 수 있다. 첫째는 유량조절이 가능하여야 할 것이며, 두 번째는 엄격한 내부 기밀유지(Zero Seat Leaks)를 이루면서 게이트 밸브나 볼 밸브와 같이 승온으로 인한 이상승압(Pressure Locking)이나 고온고착(Thcermal Binding)을 피하고자 할 때 사용한다. 그러나 밸브의 Seating이 게이트 밸브에 비하여 약 4배 이상 됨으로써 대형의 고압 서비스에는 밸브의 크기 및 작동 방식에 제한이 따르게 되므로 한정적으로 사용될 수밖에 없다. 첫 번째의 유량조절 기능의 부여는 글로브 밸브의 내부트림(이하 디스크와 시트로 구분하여 설명한다)을 요구되는 유량 특성에 맞추어 설계 제작함으로 이루어진다. 유량조절 특성이 계통의 최우선 목적인 경우에는 제어밸브로 특징되는 밸브를 선정해야 할 것이나 이에 대한 구체적인 사항은 다음에 구체적으로 설명한다. 따라서 글로브 밸브, 특히 대형 글로브 밸브의 경우에는 게이트 밸브에서 예상되는 문제점(이상승압 또는 승온현상등)을 피하면서 유량 조절 기능을 제한적으로 부여하는 의미에서 디스크의 형상은 급개형(Quick Opening Type)에 유사한 형태로 설계하게 된다. 특수한 목적(Design Specification의 요구사항)에 따라 신형(Linear Type)의 디스크를 설계하는 경우는 수동 대형 글로브 응용에 있어서 매우 이례적인 사항이다. 두 번째로 엄격한 내부 기밀유지는 무엇보다도 밸브에 있어서 가장 중요한 기능이다. 따라서 밸브 디스크와 시트는 정밀하게 가공되고 또한 어떠한 조건의 운전환경에서도 수명기간 동안 디스크 및 시트 재질의 어떠한 노화나 손상이 없도록 설계 제작되어야 한다. 따라서 이 디스크 및 시트 부위의 설계, 제작 및 보수 기준은 밸브 제작시의 핵심적인 기술중의 하나이다. 이에 따라 디스크와 시트 형상, 디스크의 안내 및 지지방법, 디스크의 취부방법, 디스크 및 시트면의 가공방법, 디스크와 시트의 보수시 고려사항, 디스크와 시트의 밸브 몸통간의 기하학적 구조관계 등을 종합적이고 합리적으로 고려하여 밸브를 설계, 제작하여야 한다. 다음의 글로브 밸브 트림 설계에서 이 사항을 구체적으로 설명한다.

 

(1)차단밸브로서의 글로브 밸브

일반적으로 차단용 밸브를 선정함에 있어 주요 선정포인트는 밸브에서의 압력손실이 어느 정도인가를 최우선으로 고려한다. 이는 전체 시스템에 있어서 압력손실의 누적으로 인한 동력에너지의 손실 등을 감안하면 쉽게 이해가 된다. 따라서 차단용 밸브로는 주로 게이트, 버터플라이, 볼 밸브와 같이 압력손실이 적은 밸브를 선정한다. 그러나 일반적으로 스톱 밸브라고 말하는 밸브는 소형의 글로브형 차단밸브이다. 이는 배관계통의 메인후로우(주관, Main Flow)가 아닌 계장용의 관말(Instrument Root Valve)이나 배기배수관말(Vent & Drain Valve)에 쓰이는 밸브들이 이에 속한다. 글로브 밸브는 앞서 연재한 게이트밸브의 운전상의 여러 문제에 대하여 상당히 양호한 대책이 될 수 있는 차단용 밸브로 선정될 수 있으나 압력손실 면에서는 큰 대가를 치러야 한다. 대략적인 압력손실량은 게이트 밸브가 0.5psi라면 T-타입의 글로브 밸브는 10psi, Y-타입의 글로브 밸브는 2~3psi, 피스톤 체크 밸브의 경우 10psi이다. 차단용 글로브 밸브는 게이트 밸브와는 상이하게 유로방향을 일정하게 주어야 한다. 거의 대부분이 디스크의 하부로부터 상부로 유로를 형성하는 상향식이 주종이나 진공차단용의 글로브 밸브는 이와 반대인 디스크 위측으로부터 하부측으로 유로를 형성시켜야 한다. 이는 밸브가 차단된 후에 글랜드 패킹부위와 진공부가 차단되어야 하기 때문이다. 

 

(2)유량제어 목적으로서의 글로브 밸브

글로브 밸브는 유량제어의 목적으로 현재 가장 많이 채택하고 있는 밸브형식이다. 그 이유로는 다음과 같이 요약 정리할 수 있다. ·유체의 운전조건 즉, 온도, 압력, 밸브에서의 차압조건 등 모든 어려운 조건에 맞도록 밸브 내부형상을 설계할 수 있는 구조가 글로브 밸브이다. ·글로브 밸브는 다른 볼 밸브, 버터플라이 밸브 등과 비교하면 상대적으로 매우 높은 유체흐름 저항을 갖고 있기 때문에 유량제어에서의 문제인 저유량 제어시 또는 저개도 운전시의 케비테이션이나 소음문제에 대하여 능동적으로 대처할 수 있는 밸브이다. ·글로브 밸브는 유체제어의 목적으로 설계, 제작 및 설치운전의 경험이 풍부하여 쉽게 자문 받을 수 있는 밸브이다. ·밸브제작자 및 연구학계로부터 수많은 연구자료가 있으며, ISA(Instrument Sicety of America)와 같은 기관에서의 표준 규격 또는 권고 규격 등이 있어 유체제어에 대한 일관된 원칙으로 밸브를 설계, 제작 및 운전할 수 있다. 유체제어용 즉 유체의 압력, 온도, 유량 및 차압제어용의 글로브 밸브는 통상 콘트롤 밸브(제어밸브)라고 하며 제어 목적에 따라 수많은 내부밸브(트림)형식이 있다. 콘트롤 글로브 밸브의 트림형식은 배관기술 과월호에 언급한 바와 같으며, 여기서는 각 트림별 형상 특성에 대하여 설명하고자 한다. 우선적으로 콘트롤 밸브 즉 제어밸브의 배관계통상의 제어특성은 한마디로 유량과 차압(Differential Pressure)으로 요약할 수 있다. 따라서 제어밸브를 논의함에 있어 가장 먼저 생각해야 하는 것은 배관계통의 압력손실구조와 제어밸브에서의 압력손실(차압, ΔP)간의 관계를 검토하는 것이다. 

 

(3)글로브 밸브의 대표적 트림구조의 이해

글로브 밸브는 통상적으로 유체의 흐름을 흐름방향 정면에서 디스크로 차단하고 아울러 디스크의 개도 위치에 따라 유량을 조절하는 밸브로서 유체흐름에 S자형을 형성하게 됨으로써 밸브내의 압력손실이 게이트밸브, 볼 밸브 및 버터플라이 밸브에 비하여 크다. 그러므로 글로브 밸브의 사용목적은 호칭 직경 4″를 초과하는 대형의 경우 유량제어의 목적이 우선적이나 밸브 개폐의 조작력이 상대적으로 크고 디스크 구조상 중간 개도시의 디스크 회전으로 인한 밸브 스템의 불안정으로 인하여 유량 제어를 최우선으로 하는 프로세스 제어에 사용되는 수동의 대형 글로브 밸브의 경우에는 계통의 보다 신뢰성 있는 엄격한 내부차단 기능(Tight Shutoff Tight Sealing)은 물론 간헐적으로 유량조절이 필요하며 아울러 운전자의 조사환경에 불리한 조건이 없는 경우에 채택하는 것이 일반적이다. 따라서 글로브 밸브는 사용 목적상 크게 구분하여 다음의 조건에 합당하도록 설계 제작되어야 한다. 즉, 밸브 스템에서의 기밀유지(Valve Stem Scaling), 밸브 본네트와 몸통간의 기밀유지(Valve Body Sealing), 밸브 좌면에서의 기밀유지(Zero Seat Leakage), 밸브 운전부품(Mechanical Operating Parts)들의 건전성, 동저 하중(예로 수격현상 등)에 대한 구조적 건전성 등 다섯 가지 기본사항에 더불어 주문자의 요구사항(Design Specification)과 전체적인 프로세스 안전성과 이에 따른 밸브의 신뢰성에 기초하여 운전수명기간동안 건전한 기능유지와 비정상적인 운전인자로 인한 밸브수명의 저하를 충분히 보전할 수 있는 운전보수 개념을 도입하여 설계 제작하여야 한다. 특히 대형의 글로브 밸브는 사용상의 제한(밸브의 크기, 유량 제어방식, 구토방법)등이 따르기 때문에 주문社 요구사항의 합리적 반영을 통하여 최적의 설계를 구현하여야 할 것이다.