밸브기술정보 배경

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밸브는 유체가 배관을 통해 흐르는 유체의 유량이나 압력 또는 온도 등을 제어하는데 사용되는 기기입니다. 여기서 말하는 제어는 유체에서 물리적으로 표현되는 압력, 온도 및 유체의 속도 즉, 유량을 조정한다는 것이며. 이러한 밸브는 각각의 프로세스 시스템에서 요구하는 유체의 물리적 조건과 양에 맞도록 각 제어단위의 마지막 단계에서 유체흐름을 제어하는 일반적이고 중요한 제어요소(Control Component)의 하나입니다. 밸브공학은 밸브기술정보의 든든한 배경입니다.

밸브공학은 유체 시스템의 제어요소의 하나인 밸브를 공학적으로 다루는 것으로서, 밸브를 어떤 프로세스 시스템의 하나의 구성인자로 보아, 그 기능과 목적을 다루는 능동적인 제어부품으로 보는 공학적 의미와 밸브 그 자체의 역학적인 거동을 프로세스 시스템의 운전조건에 비교하여 보는데 공학적 의미가 있습니다. 프로세스 단위로 보면, 배관이 수송해야 할 유체 에너지는 프로세스 시스템의 제어요소인 밸브나 오리피스에서 주로 유체속도 또는 유체압력의 형태로 조정됩니다. 이를 유량의 제어기능과 유체의 압력을 제어하는 기능으로 구분할 수 있으며, 이 두 기능은 항상 유체에너지를 수송하는 프로세스 배관 시스템의 형평과 안전을 위하여 상호 보완적인 관계로 제어기능을 수행합니다. 이러한 제어기능에 중점을 두어 설계된 밸브가 제어밸브라고 합니다.

모든 밸브는 수송하는 유체의 압력, 온도 및 유량에 합당한 크기와 구조를 가지고, 유체에너지가 가급적 많이 손실되지 않도록 유체저항에 영향을 주는 구조 또는 형상을 피하고, 유동적으로 안정하게 설계, 제작해야 합니다. 따라서 밸브를 공학적으로 다루기 위해서는 유체 흐름을 다루는 유체역학이 가장 중요한 분야가 되고, 밸브의 원활한 기능 유지를 위해서는 구조적 안전성이 중요 인자가 됩니다. 특히 밸브는 유체 압력에 대하여 충분한 구조적 강도를 유지하여야 합니다. 밸브를 구성하는 재료는 유체의 화학적 성상(性狀)과 온도, 압력 등 화학적, 물리적 특성에 크게 좌우되므로 재료공학에 대한 지식도 필요할 뿐더러 덧붙여 유체 흐름의 제어를 정밀하고 치밀하게(sophisticate) 하기 위해서는 전기전자공학에 대한 지식도 요구됩니다. 특히 최근의 프로세스 시스템의 운전 목적에 부응하기 위해서는 밸브공학에서도 융합의 기술이 더욱 필요하게 되었습니다.

체계적인 공학적 접근

밸브공학

밸브가 수 천년 전부터 유체에너지의 수송과 제어에 핵심적으로 사용되었음에도 불구하고, 밸브의 근본적 형태에 변화가 있었던 것은 아닙니다. 그러나 산업이 점차 거대화되고 고도화되어 가고 있는 현재의 산업현장에서 밸브 운전환경은 사용 유체의 다양성은 물론 고온 고압 등 고에너지의 유체제어를 산업의 안전과 더불어 고도로 요구하기 때문에 밸브공학의 중요성도 중요한 기술분야로 부각되어 있습니다.

밸브의 중요성을 밸브와 밸브를 포함한 프로세스 시스템으로 확대시켜 밸브에 대하여 보다 체계적인 공학적 접근을 시도하기 위해 밸브공학이라고 했지만, 밸브공학을 학문적으로 체계화하여 도입하기에는 다루는 분야가 협소하고 아울러 세부적인 사항이 다른 분야에서 깊이 있게 다뤄지고 있어서, 별도로 밸브 쪽으로 분리해서 분류할 만한 학문적 일체성(Identity) 은 갖고 있지 않다고 봅니다만, 미국의 유타(Utah)대학과 같이 몇몇 대학의 수리학(水理學) 교실 등에서는 밸브의 유체역학적 또는 유체에너지를 다루는데 있어 밸브구조의 동력학적인 거동에 대한 연구가 매우 활발하며, 일부 대규모 밸브전문업체를 중심으로 이뤄지는 밸브의 구조, 제어기능, 유체 동역학 및 재료부분 등의 활발한 공학적인 접근을 VTI에서는 일단 밸브공학이라는 용어로 정하기로 했습니다.

밸브공학에서 다뤄야 할 설계 조건들

프로세스 시스템에 있어서 시스템의 원활한 운전과 기능 유지를 위해서는 제어요소인 각 밸브에서의 기능이 중요합니다. 밸브의 기능 문제는 프로세스 시스템 설계 시 충분하게 고려하여야 하며, 이러한 밸브의 기능을 설계 목표 이상으로 건전하게 유지시키는 것이 바로 밸브설계의 조건입니다.

프로세스 시스템에서 밸브가 받는 하중이 시스템 자체에서 생기는 것뿐만 아니라 외부에서도 생기게 됩니다. 프로세스의 운전온도, 운전압력, 유체의 밀도, 유체의 수송 속도 등이 시스템내의 내부하중이 되고, 프로세스에 가해지는 배관진동, 밸브 구동장치에서의 출력 및 자체하중, 지진 등의 고려, 배관 파단으로 생길 수 있는 배관 떨림(Pipe Whipping)등이 시스템 밖의 외부하중이 될 것입니다. 이러한 프로세스 시스템 내외에서의 하중으로 인하여 밸브의 일부가 손상되어 제어기능을 불안하게 하거나, 운전에 지장을 초래한다면 전체 프로세스 시스템의 기능 유지 등에 미치는 영향은 시스템에 회복하기 어려운 상태에 이르게 하기도 합니다. 실제로 밸브 손상-주로 밸브의 가장 핵심적인 내누설 구조의 손상으로 인한 거대 프로세스 공장의 화재사고 등은 사소한 장치로 볼 수 있는 밸브에서 기인한 경우가 많습니다. 따라서 밸브는 구조적으로 충분한 강도를 가지고 있어 내, 외부에 어떠한 하중이 걸리더라도 손상으로부터 안전하여야 하며 또한 구조적으로 각 밸브 구성부품의 형상이 기능 및 운전성 유지에 적합하여야 합니다. 그리고 사용조건인 프로세스 시스템의 운전환경, 수송 유체의 종류, 시스템의 제어목적 및 공공의 안전에 관련된 설계 요구사항 등이 밸브의 사용목적에 적합하여야 합니다. 밸브에 관한 이러한 관점은 각 국의 밸브에 관한 표준규격이나 고압가스 협회 등에서 밸브에 요구하는 법적인 규제 또는 설계요건들을 보면 이해가 잘 될 것입니다.

밸브는 시스템의 한 부품으로서 그 제어 역할은 시스템 설계자의 치밀한 시스템 밸런스에 대한 평형추의 역할을 하는 것입니다. 이 역할은 시스템의 압력, 온도 및 유량에서 보면 이들의 물리적 양을 제어하는 것이고, 프로세스 시스템의 구조적 밸런스에 따르면 시스템의 압력 및 온도에 충분한 구조강도를 유지하도록 하는 것입니다. 밸브를 프로세스 시스템의 구조해석상의 (후자의) 관점에서 그 역할을 구분하여 보면 다음의 세 가지로 설명할 수 있습니다.

(1) 시스템에 대한 능동적 부품(Active Component)으로서의 밸브

프로세스 시스템의 일부 또는 전체 시스템을 사고로부터 완화시키거나 정지시킬 때 필요한 시스템의 한 부품으로의 역할입니다. 프로세스 시스템의 기능상 이 부품의 역할이 매우 중요하므로 밸브의 구조강도를 충분히 유지함은 물론 시스템의 어떤 사고나 피로 등에 의한 파괴로부터 더 이상의 연속적인 시스템 손상을 방지하기 위하여 시스템의 한 구성부품인 밸브가 능동적으로 시스템의 기능을 보호하는 역할을 수행하여야 합니다. 통상 이러한 경우를 고려하여 실제 밸브 운전조건이나 설계조건보다도 더욱 가혹한 비정상적인 프로세스를 고려하여 설계, 제작되는 게 일반적입니다.

(2) 시스템에 대한 밸브의 기능상의 능력(Functional Capability)을 유지하기 위한 밸브 프로세스의 가혹한 운전 조건 하에서 시스템 및 밸브 자체의 치수 안전성을 유지하며 시스템 운전이 원활히 되도록 정격 유량을 수송 또는 제어하는 능력을 갖고 있어야 합니다.

(3) 밸브 자체의 운전성으로, 설계 및 사용 조건 하에서 규정된 안전기능을 충족하면서 요구되는 기계적 운동을 원활하게 수행하는 능력

밸브 그 자체는 30~40여 개의 부품으로 조립되는 비교적 간단한 기기이지만 높은 압력과 온도 그리고 급격한 에너지의 변화가 밸브의 트림(밸브의 유체 접촉부로서 교환될 수 있는 밸브 구성부품)의 조작부에서 이뤄지게 되므로 각 구성 부품들이 이러한 환경에 충분히 견딜 수 있는 구조로 되어 있어야 합니다. 이와 같이 밸브는 프로세스 시스템에 대한 능동적인 역할과 밸브 자체의 기능 및 운전성의 유지로 시스템의 기능 및 운전을 원활하게 수행할 수 있어야 합니다.

위와 같이 밸브를 공학적으로 다루고, 응용하는 것을 밸브 엔지니어링이라 한다면, 밸브공학을 다루는 것을 목적으로 하는 밸브기술정보는 그 배경이 밸브공학, 더 현실적으로 보면 밸브엔지니어링에 기초한 기술정보를 다루는 것이 VTI의 배경이 됩니다.