왜 DN50 클래스 300 플로팅 밸브가 0.2 MPa에서 누출되는가

01 | 문제를 숨기는 시험

DN50 클래스 300 플로팅 볼 밸브 정격 압력의 지정 배수로 외부 껍질 시험과 좌석 시험을 모두 통과한 후 포장·출하·설치되지만, 0.2 MPa로 운전 중인 이송 라인에서 미세하게 누수한다. 이 밸브는 결함이 없다. 실제 운전 환경에서 절대 발생하지 않을 압력에서 시험되었으며, 밀봉에 의존하는 작동 메커니즘이 실제 작동 압력에서는 기능하지 않는다.

수압 시험은 소프트 시트에 큰 하중을 가하며, 밸브 쉽게 밀봉된다. 0.2 MPa에서 동일한 시트는 거의 압력 보조를 받지 않으며, 모든 것은 조립 시에 설정된 프리로드에만 의존한다. 구매자가 특별히 요청하지 않는 한, 일반적인 시험 절차에서는 이 조건을 점검하지 않는다.

그림 1. DN50(2인치) 클래스 300 플로팅 볼 밸브 wCB 본체에 제작되었으며, 크기, 클래스, 재질은 본체 주물에 명시되어 있다. 볼은 두 개의 시트 링에 의해서만 고정된다. 상하이 샤오자오 밸브 .

02 | 접촉 응력 수치

시트 누출은 압력 문제라기보다는 접촉 응력 문제이다. 축방향 힘(thrust)은 차압에 유로 단면적을 곱한 값이다. 접촉 면적은 시트 둘레에 접촉 대역의 폭을 곱한 값이다. 이를 서로 나누면 유로 지름(D) 항이 소거되어 단일 관계식으로 정리된다.

σ ≈ dP × D / (4 × w); D = 시트 유로 지름(mm), w = 접촉 대역 폭(mm), dP = MPa, σ = MPa

일반적인 3 mm 접촉 대역을 가진 DN50 밸브 0.2 MPa에서 약 0.8 MPa의 시트 접촉 응력을 발생시킨다. 5.1 MPa(클래스 300 등급)에서는 동일한 시트가 약 21 MPa의 응력을 받는다. DN25 규격 제품이 0.2 MPa에서 작동할 때는 약 0.4 MPa 수준의 접촉 응력이 발생한다. 압축 강도가 수십 MPa 수준인 RPTFE 시트를 기준으로 볼 때, 저압 조건에서는 재료가 견딜 수 있는 하중의 몇 퍼센트에 불과하게 부하가 걸린다. 따라서 압력에 의한 기여 효과는 실질적으로 사라지고, 밀봉은 오직 프리로드에만 의존하게 된다.

표 1. 3 mm 접촉 폭 기준 시트 접촉 응력(참고용)

이 표는 구매자들을 놀라게 하는 한 가지 경향도 설명해 준다: 규격이 작을수록 밸브 저압 성능이 더 나빠진다. 동일한 압력차에서 DN25의 접촉 응력은 DN50의 절반 이하인데, 이는 추력이 관경의 제곱에 비례해 감소하는 반면 접촉 원주 길이는 관경에 비례해 선형적으로 감소하기 때문이다.

또한 이 실패 현상에 대해 등급이 아무런 영향을 미치지 않는 이유도 설명해 준다. DN50의 등급을 클래스 300에서 클래스 600으로 상향 조정하더라도, 0.2 MPa에서의 접촉 응력은 변하지 않고 단지 공칭 압력 등급만 바뀔 뿐이다. 만약 배관이 0.2 MPa에서 운전 중이라면 밸브 는 0.2 MPa이다 밸브 바디에 각인된 내용.

03 | 왜 프리로드가 시간이 지남에 따라 사라지는가

프리로드는 시트 기하학, 엘라스토머 압축 또는 별도의 스프링에서 발생하는 저장된 스프링 힘이다. 이 힘을 소모시키는 세 가지 메커니즘이 있으며, 모두 공장에서는 눈에 보이지 않는다.

압축 크리프. 부드러운 시트는 하중을 받으면 영구 변형을 일으키고, 그 변형을 유발했던 힘이 완화된다. A 밸브 일 년간 최대 차압 상태로 닫혀 있던 제품은 첫 번째 저압 작동 시험 때 시험대에서 측정된 프리로드보다 낮은 프리로드를 갖게 된다.

열 순환. 주변 온도에서 배관 온도로, 다시 주변 온도로 돌아오는 각 사이클마다 일부 프리로드가 완화되며, 이러한 손실은 누적된다. A 밸브 매일 가열과 냉각이 반복되는 배관에서 작동하는 제품은 밸브 200회 열 사이클 후에는 다른 특성을 보인다.

장기 폐쇄. 움직이지 않는 볼에 계속 눌려 있는 시트는 크리프 현상을 겪는다. 밀봉을 해제하고 다시 시트에 재설정하면 접촉력이 부분적으로 회복되므로, 누출이 있는 밸브를 조작자가 두 차례 작동시킨 후 밸브 누출이 멈췄다고 보고하는 경우가 많으며, 적어도 잠시 동안은 그렇다.

가스 서비스는 이 모든 문제를 악화시킨다. 가스는 압력이 충분히 형성되기 전까지 유용한 자체 작동 효과를 발휘하지 못하며, 또한 밸브 시트를 침투해 하강 과정에서 시트를 통해 감압된다. 저압 가스용 소프트 시트 플로팅 밸브는 어떤 카탈로그에서도 가장 까다로운 사례 중 하나이며, 흔히 물을 다루는 경우처럼 지정된다.

04 | 작동이 확인된 세 가지 해결책

프리로드 증가는 가장 비용 효율적인 해결책이다. 스프링 와셔가 장착된 시트나 더 강한 시트 스프링은 낮은 차압 조건에서도 밀봉 임계치 이상의 접촉 응력을 유지한다. 그러나 범위의 반대쪽 끝에서 문제가 발생한다: 프리로드 증가는 마찰과 고차압 조건에서의 토크 증가를 초래하며, 레버 조작식 DN50 밸브에서는 레버 조작에서 기어 조작으로 전환되는 차이를 만들 수 있다.

시트 원리 변경이 더 견고한 해결책이다. 압력 보조식 시트는 별도의 피스톤을 사용해 작은 유효 면적에 밀봉되므로, 동일한 라인 압력에서도 훨씬 높은 접촉 응력을 발생시킨다. 단점은 방향성이다. 일반적으로 피스톤 시트는 한 방향으로만 밀봉되며, 설치 방향을 명확히 지정해야 하며, 양방향용 버전은 보통 비용이 더 비싸다. 양방향 밀봉이 필수적인 저압 라인에서는 이 방식이 여전히 종종 최선의 선택이다.

작동 조건이 실제로 까다로울 경우, 설계 변경이 정직한 해결책이다. DN50 규격에서는 트러니언 또는 상부 삽입식 본체에 스프링 로드 시트를 적용하면 예측 가능한 저압 작동 성능을 얻을 수 있으나, 그 가격은 일반적인 플로팅 밸브가 따라잡기 어렵다. 밸브 누출이 심각한 결과를 초래하는 라인에서는 이 투자가 충분히 가치 있다. 반면 누출이 무해한 라인에서는 낭비가 될 수 있다.

효과가 없는 방법은 더 작은 밸브 을 지정하거나, 더 높은 등급 또는 고가 브랜드를 선택하는 것이다. 이러한 조치는 0.2 MPa에서의 접촉 응력 값을 전혀 바꾸지 않는다. 이 값은 구경, 밴드 폭, 그리고 프리로드에 의해 결정된다.

05 | 사양서에 포함할 내용

사양서는 밸브가 견뎌야 하는 최고 압력뿐만 아니라 밀봉해야 하는 최저 압력도 명시해야 한다. 밸브 표 2는 일반적인 현장 불만 사항을 데이터시트에 기재되어야 했던 문장으로 변환한다.

표 2. 현장 증상, 원인 및 이를 방지하는 사양서 문장

수용 기준은 시험 압력만큼 중요하다. 누출이 전혀 없음은 사양이 아니라, 누출 등급이 사양이다. ISO 5208 레이트 A는 육안으로 확인할 수 있는 누출이 없음을 의미하며, 이는 구매자가 일반적으로 ‘누출 없음’이라고 말할 때 지칭하는 바이다. 레이트 B, C, D는 DN에 따라 점진적으로 더 많은 누출을 허용하며, 금속 시트 밸브는 보통 소프트 시트 밸브보다 높은 레이트로 수용된다. 밸브 레이트, 공정 유체, 시험 압력을 명시하면 시운전 시 논란을 피할 수 있다.

다섯 줄, 순서대로:

• 밸브가 밀봉해야 하는 최소 작동 차압으로, 다음 단위로 표기: 값 .
• 표준 고압 시트 시험 외에 해당 압력에서 실시하는 시트 시험.
• ISO 5208 레이트 A부터 D까지의 누출 수용 등급과 시험 유체 명시.
• 시트 재료 및 프리로드 기준으로, 제조사로부터 요청하여 가정하지 않는다.
• 예상 사이클 수와 폐쇄 유지 시간으로, 이 값들이 압축 크리프가 설계상 문제인지 여부를 결정한다.

부록 A | 이미지 자산

그림 1은 섹션 01에 원본 해상도로 삽입되어 있다. 제공된 파일은 1440×960픽셀로, 웹용 15cm 이미지에는 충분하지만 인쇄용으로는 원본 사진에서 다시 내보내야 한다.

부록 B | 참조된 표준 및 데이터 참고 사항

API 598. 밸브 검사 및 시험. 셸 및 시트 시험 요구사항을 규정하며, 시트 시험 압력은 압력 등급의 배수로 설정되므로 저압 사용 조건을 의미하지 않는다.

ISO 5208. 산업용 밸브 — 금속 밸브의 압력 시험. 누출률 A~D는 DN당 및 단위 시간당 허용 누출량으로 표현되며, 이는 수용 기준을 명시하는 올바른 방식이다.

API 608. 금속 볼 밸브 밸브 - 플랜지형, 나사형, 용접형 끝단. 부유식 설계가 표준인 소구경 플랜지 범위를 다룸.

ASME B16.34. 밸브 - 플랜지형, 나사형, 용접형 끝단. 38도 섭씨에서 탄소강 등급 클래스 300의 압력은 51.0바이며, 여기서는 단지 기준 압력으로만 사용됨.