대형 수동 글로브 밸브의 바람직한 트림 설계

①유량 조절용 트림

유량 조절용 트림을 대형 수동 글로브 밸브의 경우 트림 형상에 따라 이상적으로 다음의 네 가지를 채택할 수 있다. ·급개형(Quick Opening Type)의 트림 ·선형(Linear Type)의 트림 ·등비유형(Equal Percentage Type)의 트림 ·수정등비율형(Modified Equal Percentage Type)의 트림 그러나 앞에서 설명한 바와 같이 조직력의 제한과 운전 환경의 고려, 운전 특성 등으로 인하여 급개형에 유사한 트림을 채택하는게 일반적이나, 예로 대형 프로세스 플랜트나 발전소용 대형 글로브 밸브를 제작하고 있는 미국의 Anchor/Darling Co., Edward Cast Steel Valve, Borg Warner Co.등의 대형 글로브 밸브의 디스크 설계가 모두 급개형의 구조로 되어 있다. 이를 디스크 형상으로 유량 조절 특성에 유추하여 보면 저개도(일반적으로 총 스템의 운동량[Total Stern Traveling]의 40%이하)에서는 기준유량(Rated Flow Rate)의 90%까지 전형적으로 유량이 변하게 되므로 효율적인 유량조절용 밸브의 총 운동량(Travel Length)의 40%미만의 저개도에서 이뤄지게 되므로, 결과적으로 유량을 제한적으로 조절하는 것이 되는데, 이는 수동 밸브를 조사함에 있어 밸브의 조작량과 시간을 단축시켜야 하는 의도와 부합되므로 급개형 트림 구조의 선택은 수동 대형 글로브 밸브에서 적합하다고 사료된다. 그러나 4″미만의 소형 글로브 밸브의 경우에는 통상적으로 유로차단의 스톱 밸브 역할과 더불어 유량 조절의 조작방법이 대형 글로브 밸브의 상황보다는 월등히 유리할뿐더러 프로세스가 요구하는 계통제어의 적정량에서도 합리적이므로 선형 또는 등비율형의 트림 구조도 많이 채택하고 있다.

 

②디스크와 시트의 기밀유지

디스크와 시트가 엄격하게 기밀을 유지하기 위해서는 완벽한 밸브 몸통에 고정된 시트에 대하여 디스크는 부드럽고 완벽하게 시트에 밀착되어야 한다. 이렇게 되기 위해서는 디스크는 시트에 완벽한 밀착을 위하여 상대적인 허용 범위 이내의 미세 운동은 허락되어야 하며, 아울러 시트에 접촉된 순간부터 시트 경계면에 손상을 주지 않도록 시트면에 점선방향의 상대운동은 허용할 수 없고 오직 접선 방향의 방향만이 허락되어야 한다. 물론 완전 기밀(Bubble Tight)인 경우에는 디스크와 시트의 기밀유지선은 선접촉(Line Contact)이어야 하므로 디스크 및 시트면에는 경도가 높고, 인성도 많으며, 내마모성이 우수한 크롬코발트계열의 경질합금(硬質合金)과 같은 것으로 하드페이싱(Hardfacing)되거나 시트 또는 디스크의 한쪽 또는 전체를 경질합금으로 제작하여야 한다. 그러나 법선방향의 운동이 허용범위를 초과하게 되면 소위 코킹(Cocing)현상 즉, 디스크가 밸브몸체의 안내면에 꽉 끼이는 현상이 발생되어 디스크의 상하운동이 곤란하게 되며, 심할 경우 밸브 조작이 어려워진다. 이런 현상이 생길 경우에는 문제의 경중에 상관없이 디스크의 시트는 완벽한 기밀유지를 할 수 없다. 따라서 밸브 스템의 안정성과 디스크의 원활한 안내를 유도함으로써 코킹을 방지할 수 있는 밸브구조 즉, 디스크의 안내구조가 필요하고 또한 안내구조는 정밀하게 설계되고 제작되어야 한다. 또한 초기 접촉시 시트와 디스크면이 일치하여 이후 기밀을 위한 여분의 가압력에 따라 시트의 접촉선과 디스크의 접촉면에서 균일한 압력이 발생되어야 한다. 이는 초기 접촉시의 아주 미세한 접촉 압력차를 디스크의 시팅운동으로 바꾸어 주여야 하기 때문이다. 따라서 글로브 밸브의 디스크는 스템에 완전히 고정되어서는 시팅구조의 정밀도가 곧바로 확보되지 않는 한 이의 적용은 곤란하며 스템의 디스크 연결구조는 일정한 허용 범위를 갖는 유극(간격이 있는) 구조로 설계된다. 이를 위하여 디스크를 스템선단(先端)에 연결하는 방식은 대형 글로브 밸브의 경우 디스크와 디스크니트 또는 디스크와 디스크 스커트로 하여 나사로 체결되며, 체결 후 필요에 따라 씰용접(Seating)을 위한 최소한의 유극(遊隙)을 갖도록 설계한다. 아울러 압력구조상 밸브는 구조적인 불연속부가 많아 구조적으로는 근본적으로 취약한 압력용기일뿐더러 온도에 민감하게 구조가 변형될 수 있는 구조물이다. 따라서 밸브의 디스크와 시트에서의 교축(絞縮)은 국부적으로 격심한 유체의 운동량 변화를 유발시켜 디스크에 국부적인 불안정을 가져온다. 이 국부적인 유체에너지의 불안정을 설계에 미리 반영하는 것은 실제의 운전조건 중 가장 가혹한 경우를 고려해야 하는 것은 물론이고, 밸브 설계시 압력-등급에서 최대의 허용압력을 밸브의 최대차압으로 고려하여야 할 것이다. 물론 최대 설계 차압(ANSI B16.34 P.T기준에 의한 100F시의 최대압력)하에서 구조적 안전성은 보장된다.

 

③디스크의 안내 및 지지방법

디스크 유로의 정면에서 유세의 저항을 직접적으로 받게됨으로 디스크가 완전히 닫혀있을 때는 문제가 없지만 열려있을 경우에는 디스크와 시트의 기밀유지에서 언급한 시팅구조(Seating Mechanism)에 의하여 아주 미세한 흔들림을 예상할 수 있다. 더욱이 고압용의 글로브 밸브 경우 디스크 정면 즉, 시트링(Seat Ring) 아래에서의 밸브몸통 내면구조의 복잡한 형상으로 인한 난류현상을 전혀 배제할 수 없으므로 이로 인하여 유로에 와류가 생겨 디스크를 회전 또는 불안정하게 할 수도 있으나(미국의 Pacific Valve Co.에서는 회전이 되지 않는 디스크 구조를 갖고 있음)몸통 설계시 이를 대칭으로 하기 때문에 스템에 영향을 줄만큼의 회전은 생기지 않는다. 디스크의 안내 및 지지는 대형의 글로브 밸브에서 구조적으로 매우 중요한 사안이다. 일반적으로 호칭 직경 4″이상의 ANSI Class 600이하에서는 밸브 시트링의 하부에 밸브 스템을 지지함으로써 디스크의 안내와 지지를 하는 Bottom Guided Disc가 있으나 이는 유로 선단에서 난류의 발생 원인이 되며 이로 인하여 밸브의 성능이 저하됨으로 발전소용 밸브에서는 채용하지 않는게 일반적인 추세이다. 이를 보다 간단히 하고 또한 밸브 성능의 향상 교화를 갖는 디스크 스커트 형식의 밸브 몸체로서 안내하는 구조(Body Guided) 혹은 밸브 몸체에 리브를 제작하여 안내하는 구조(Body Guide Libs)를 채용하고 있다. 이는 디스크와 스템간의 정확한 축정열(Alignment)을 확보함으로써 스터핑 박스의 글랜드 패킹에 무리가 없도록 하며 아울러 코킹 현상을 방지하여 밸브 시트에 정확한 밀착을 하기 위함이다. 디스크 스커트 또는 디스크 너트는 진원(眞圓)의 정밀한 표면가공으로 정면을 유지하고 통상 3개의 Body Guide Lib로 축정열을 시키는데, 그 유극(遊隙)은 0.5~0.7(0.02″~0.03″)mm를 가진다. 그러나 밸브목의 내면으로 Body Guide 할 때에는 밸브, 스커트 또는 너트에 구멍을 뚫어 입력의 평형을 이루도록 한다.(예:Anchor/Darling Valve의 Disc Skirl의 구멍)그러나 밸브 구조의 안정성을 고려하여 Body Guide Lib 방식이 널리 사용된다. 왜냐하면 글로브 밸브의 시트를 통과한 유체는 일단 안정적인 흐름을 보다 빨리 구현하기 위하여 시트링의 유로 단면적보다 넓은 공간을 필요하게 되는데 이 부분이 밸브의 내압 부분에서 가장 취약한 부분(Valve Crotch Area)에 해당하는 부분이 된다. 따라서 이곳에 리브(Lib)를 추가하여 밸브 구조의 안전성을 강화하고 유로 특성을 효과적으로 할 수 있다. 디스크를 안내하는 리브의 길이는 제작자에 따라 다르지만 가장 좋은 것은 밸브목 끝단까지 되어 있는 것이지만 제작의 편의를 고려하여 밸브 디스크의 가용 운동량(,Effective Disc Traveling Length-통상 수동 대형 글로브 밸브의 경우 총 운동량의 40%이하로 유지시킴)이상을 확보한다. 이에 대한 예로 Anchor/Darling Valve 및 Rockwell Edward Valve가 이러한 구조이다.

 

④디스크 및 시트면의 가공

디스크와 시트는 밸브 기능중의 가장 핵심적인 부품으로써 구조적 강도는 물론 표면강도 표면의 가공 정밀도, 경도, 내부식 및 내침식에 대하여 좋은 특성을 가진 금속으로 심혈을 기울여 쉽게 제작되어야 한다. 가장 일반적인 방법으로는 디스크와 시트가 서로 밀착되는 면을 Stellite No.6으로 경면육성용접(鏡面肉盛鎔接, Hardfacing)한 후 정밀한 래핑을 하여 서로 경면을 유지하는 것이다. 이에 대한 구체적인 시방은 주문자의 요구에 나와 있는 것이 일반적이다.

 

⑤디스크와 시트의 밸브 몸통간 기하학적 구조

밸브가 효율적으로 운전하기 위해서는 유체의 흐름을 방해하는 돌출부 같은 구조물을 가급적 최소화하여야 한다. 또한 유로의 궤적에 알맞은 내부 유로로 밸브 내부가 실제 제작되어야 한다. 따라서 Bottom Guided Disc같은 경우는 밸브성능을 저하시키므로 피해야 하고 밸브의 내부형상(Interior Contour)은 유로 형상에 적절하도록 한다. 이 유로 형상의 설계는 밸브의 성능과 밀접한 관계를 가지고 있다. 즉 유로 형상이 미끈하게 되어 있는 밸브는 와류에 의한 압력손실이 그만큼 작아지게 되므로 밸브의 Cv계수가 높은 밸브인 것이다. 수많은 밸브회사들이 Cv계수가 좋은 밸브를 만들기 위하여 지금도 디스크와 시트간의 밸브몸통 형상을 계속 연구하고 있으며 아울러 주조인 경우 주조회수율이 높으면서 불량이 감소하는 밸브 구조 형상의 연구와 더불어 앞으로 계속 밸브업계의 노하우로 이 분야는 분류될 것이다.