특수형식의 글로브 밸브

글로브 밸브는 사용목적에 따라 독특한 형식을 가질 수 있는 밸브 구조상 설계 적응력이 높은 밸브중의 하나이다. 따라서 매우 다양한 종류의 밸브가 글로브 밸브 형식을 중심으로 설계 제작되고 있다. 예를 들면 스톱-체크밸브, 니들 글로브 밸브, 벨로우즈씰 밸브, 메탈다이아후렘 밸브, Fluted 플러그 밸브, 싱글시트, 더블시트, 체인지오버 밸브, 블로우 다운밸브, 쵸크밸브, 스리웨이 밸브등 그들 형식이 매우 복잡 다양하다. 우선 본지에서는 글로브 밸브 중 특수형식의 밸브에 대하여 소개 차원의 간단한 설명을 하고자 한다.

 

①벨로우즈 씰 밸브

벨로우즈라는 금속제 주름관을 밸브에 적용시킨 것이 벨로우즈 씰 밸브라 한다. 단지 벨로우즈는 비틀림에 매우 약하기 때문에 밸브스템이 상하운동만 하는 밸브에만 적용될 수 있다. 따라서 글로브 밸브, 게이트밸브에 적용된다. 그러나 벨로우즈는 통상 0.15mm두께이하의 얇은 박판 2~3장을 주름잡는 것이기 때문에 구조적인 강도가 매우 낮다. 따라서 내압부분에서는 어느 정도 구조적인 건전성이 입증되지만 운동량이 많을 경우 피로에 의해 손상될 수 있기 때문에 밸브에의 적용은 기술적으로 매우 고난도의 설계 계산을 요구한다. 벨로우즈 씰 밸브는 글로브 형식의 밸브에 있어서 폭 넓게 사용된다. 적용성이 높은 이유는 비교적 낮은 스템 운동량(Travel Length) 때문이다. 유로 직경의 25%만 되어도 되기 때문에 글로브 밸브의 경제적 최대 크기인 12″(300A)까지도 가능하다.  압력-온도 등급으로 보면 ANSI Class 150#(PN16)에서 2500#(PN260)까지도 가능하다. 그러나 압력-온도 등급이 높아질수록 벨로우즈의 수명을 높은 수준으로 유지하기는 기술상 어려움이 많다. 벨로우즈 밸브에 대하여 수명을 언급한 기술규격으로는 BS5352가 있는데 API 800#를 기준한 밸브에 있어서 게이트밸브가 5,000회, 글로브 밸브가 10,000회이다. 그러나 통상적으로 벨로우즈 밸브 제작사의 제작 표준은 각각 10,000회, 20,000회 이상으로 유지한다. 최근 자연보호와 환경보호의 일환으로 미국의 경우 EPA에서는 밸브 특히 석유화학계통에서의 밸브 누설을 500PPM 이내로 할 것을 강력히 규정하고 있으며, 이 요구사항은 점차 더욱 강조될 것으로 예상된다. 따라서 기술향상에 따른 벨로우즈의 성능향상 및 경제성 확보, 환경보호에 따른 대기누설의 엄격한 통제 등을 고려할 때 앞으로 벨로우즈 밸브의 수요는 대폭적으로 늘어날 것으로 예상할 수 있다.

 

②메탈 다이아후램 밸브

메탈 다이아후램 밸브는 얇은 메탈 다이아후램을 몇 겹씩 쌓아 이를 이용하여 유로부와 밸브부를 완전히 차단하는 밸브로써 외부누설이 있어서는 안되는 방사선계통의 밸브, 독성가스용 밸브 등에 사용되어 왔다. 그러나 밸브적용상의 몇 가지 치명적인 제한 때문에 지금은 거의 사라져 가는 구시대 밸브로 일부에서만 극히 제한적으로 사용되고 있다. 대신에 벨로우즈 밸브가 이를 점차 교체해 나가고 있는 추세이다. 우선 메탈 다이아후램은 변형량이 다이아후램 직경에 비례하므로 필요한 스템 운동량을 갖기 위해서는 큰 직경이 필요하게 된다. 그러나 직경이 크게되면 밸브목의 직경이 크게되어 비경제적인 밸브가 된다. 따라서 밸브크기가 2″이하에 적용되며 스템 운동량도 3~6mm 이내로 제한된다. 그러므로 유로부에 대한 저항이 커지게 되므로 밸브모양은 Y타입이 되어야 하고 시트의 직경을 유로 직경과 같게 설계함으로써 같은 크기의 밸브에 비하여 덩치가 큰 고가의 밸브가 된다. 또한 스템 운동량이 적으므로 밸브 설치 후 이물질 등이 후라싱되지 않고 잔류하여 시트와 디스크간에 끼어 시트가 손상될 염려가 많아 내부누설의 가능성이 높다. 아울러 메탈 다이아후램 밸브는 완전 개방이나 폐쇄(On-off Service Only)만 가능한 밸브이다. 만약 중간 개도에서의 유량조절(Throttling)은 메탈 다이아후램에 피로를 주어 다이아후램 외주부분이 피로 파괴된다. 이는 유체흐름이 어느 정도의 맥을 갖고 있으므로 이로 인한 피로가 다이아후램에 전달되기 때문이다. 이상과 같은 이유로 최근에선 샘플링 밸브와 같은 1/2″이하의 계장용 밸브에서조차도 적용되지 않고 있으며 제반 성능이 월등히 좋은 벨로우즈 무누설 팩크레스(Zero-Leakage Packless)밸브는 제작되고 있다.

 

③스톱-체크밸브(글로브-체크밸브)

이 밸브는 기본적인 글로브 밸브 모델에 체크밸브 즉, 리프트 체크밸브의 기능을 복합한 이중기능의 밸브이다. 밸브를 개방해 놓으면 리프트 체크밸브로써 유체가 한쪽 방향으로만 흐르도록 되지만 밸브를 닫는 것은 일반 글로브 밸브와 같다. 글로브 밸브의 스템 끝에 이 스템을 안내면으로 하는 리프트 체크밸브를 갖춘 구조로써 펌프 출구전단이나 열교환기 같은 배관 시스템에 사용될 수 있다. 즉, 스톱밸브와 체크밸브를 각각 설치해야 하는 경우 이 스톱-체크밸브 하나로써 배관계통을 단순화할 수 있는 잇점이 있다.

 

④체인지오버 밸브(Change Over Valve)

체인지오버 밸브는 주로 합섬계통에서 원료의 방향 바꿈 등의 사용 용도로써 많이 사용된다. 이 역시 2개의 글로브 밸브를 밸브하나로 기능을 통합한 밸브로 입구측 밸브와 출구측 밸브가 서로 체인지오버 하면서 유체흐름을 변경하는 것이다. 이러한 밸브를 쓸 경우 기존의 2개 글로브 밸브, 1개의 티이, 2개의 엘보우, 4개의 플랜지, 9개의 용접량을 1개의 체인지오버 밸브, 단지 3개의 용접량으로 배관공사비를 절감할 뿐 아니라 운전조작의 통합 간편성과 설치공간의 대폭 축소로 인한 경제적 이익은 매우 막대하다 하겠다. 체인지오버 밸브와 대응하는 밸브형식으로 Three-way 밸브를 들 수 있다. 쓰리웨이 밸브는 두 개의 포트를 가진 밸브로써 사용 목적은 유로 흐름을 변경(Diverting or Change-over)하는 것과, 두 개 유로의 유체를 섞어 한 측으로 보내는 것(Mixing) 및 유로 흐름을 각기 분리하는 구조(Splitting)등 세 가지 목적에 쓰인다. 이 세 가지 목적별로 밸브의 디스크 형상 및 시트 구조는 각기 판이하게 다르다.

 

⑤블로우다운 밸브(Blow Down Valve)

배관계통에 있어서 블로우다운은 기액(汽液)2상 유체(Tow Phase Flow)를 후라싱 탱크(Flashing Tank)를 통하여 분리하는 공정으로서 비교적 높은 압력의 기액 2상 유체를 낮은 압력의 Flashing Tank에 급속히 인입 시킴으로써 기액을 분리하기 때문에 이를 제어하는 밸브는 운전조건이 가혹하다. 예를 들면 발전소용 증기 블로우다운의 경우 블로우다운을 시키는 밸브는 차압(ΔP)이 일반 밸브에 비하여 비교할 수 없을 만큼 크기 때문에 밸브의 트림부는 엄청난 유속으로 인한 마모(Erosion) 문제에 적절한 대응책이 필요하다. 따라서 블로우다운 밸브는 기본적으로 밸브에서의 압력손실(ΔP)을 크게 할 수 있는 구조 및 입출구 형상을 가져야 하고 아울러 트림부의 침식문제를 억제하는 구조이어야 한다. 따라서 디스크-시트에서 교축된 유로부는 바로 점진적으로 확관되어 속도 에너지의 손실을 크게하고, 유로는 항상 디스크의 아래쪽으로 흐르게 한다. 또한 디스크와 시트는 두텁게 스텔라이트(Stellite)로 육성 용접하여 내마모성을 증대시키는 구조이어야 한다. 아울러 블로우다운 밸브는 계통 조건에 따라 미세한 유량조절이 아울러 요구되는 밸브로써 블로우다운 시스템의 운전초기 또는 관련계통의 시운전시의 최대 유량 조건과 정상운전시의 유량조건의 차이가 크게 나는 밸브이므로 디스크의 형상은 이러한 조건에 맞도록 Needle Type을 사용한다.