Author Archives: keymin

스테인레스 강은 1913년 영국 세필드의 해리 브렐리(Harry Brearley)가 포신용 합금을 조성하다가 그 일부 히트에서 녹이 슬지 않는 13%Cr강을 발견하고 이를 발전시킨 것이 현재의 스테인레스 강이다. 현재는 전세계에서 광범위하게 사용되고, 그 수요가 점차 증대되어 가고 있는 대표적인 강재이다. 스테인레스 강은 Fe를 기본으로 하고, 최소 10.5%이상의 Cr이 함유되어 있어야 한다. 10.5%Cr의 의미는 철에 보호적인 자기회복산화막(Self-healing oxide film)을 형성하는 최소한의 Cr함량이기 때문이다.  

스테인레스 강은 Ni-Cr성분의 조성에 따라 개략적으로 다음 그림 1과 같이 스테인레스 강종을 구분할 수 있다. 또한 조성된 Ni파(Ni equivqlent)와 Cr파(Cr equivalent)을 기준으로 작성된 쉐플러 다이아그램(Scheffler Diagram)의 미세금속조직을 구분하여 오스테나이트(Austentic) 스테인레스, 페라이트(Ferritic) 스테인레스, 마르텐사이트(Martensitic) 스테인레스, 듀플렉스(Duplex) 및 시효경화 강(Precipitation Hardening Steel)의 5가지 종으로 구분한다. 

• 오스테나이트 스테인레스 강 

기본적으로 오스테나이트 스테인레스 강은 Grade 304가 기장 기본이 된다고 볼 수 있다. 오스테나이트 상은 적어도 크롬이 16%, 니켈이 6%이상일 때 생성된다고 보는데, Grade 201과 같이 15%Cr-5%Ni의 스테인레스 강을 최저급으로 하고, 전형적인 오스테나이트 스테인레스 강은 300계열로 하여 Grade 302, 303, 304, 305는 18%Cr-8%Ni을 기본으로 탄소량의 다소 차이에 의해 302 또는 304로 구분되고, 황(S)을 추가하여 가공성을 좋게 한 것이 Grade 303이다. 그림 3은 오스테나이트 강의 트리이다. 

• 페라이트/마르텐사이트/석출경화강 

페라이트 강은 열처리나 가공경화 등을 통하여도 경도가 증가되지 않는 크롬에 기초한 강으로 몰리(Mo)와 같은 성분을 미세 조정하여 내부식성을 좋게 하거나 가공성을 높인다.  

반면에 마르텐사이트 강은 주 성분인 Cr이나 탄소를 미세 조정하여 강도를 열처리를 통하여 경도를 조정할 수 있는 강이다. 

석출경화강은 주 성분인 크롬에 니켈과 구리, 그리고 희규원소인 니오비엄(Nb)를 조성하여 높은 수준의 인장강도를 갖게 한 것으로 열처리 온도 조건에 따라 경도 또한  다양하게 조정할 수 있다. 

밸브는 유체의 흐름을 제어하는 배관 시스템의 중요 제어부품으로, 유체의 성상에 따라 다양한 재료가 밸브의 구성 재료로 사용된다. 구성 재료는 주로 금속이지만 유체의 화학적 성분, 온도, 압력 및 사용환경에 따라서 각기 다른 종류의 금속 재료가 사용된다. 특히 산업이 고도화와 더불어 고도의 안전성이 요구되는 현재의 고에너지 프로세스 플랜트 시스템에 있어서는, 이에 부합되는 고도의 기술 발전이 밸브에도 요구됨에 따라 기존의 기술 기준과 규격에 등재된 금속 재료이외의 신 물질의 재질이 등장하고 있다. 그런데 밸브는 지난 19세기의 제2차 산업혁명기를 앞두고 개발된 밸브들의 원형이 아직까지 큰 틀의 변화없이 사용되어 온 극히 보수적인 제품이지만, 사용 온도와 압력이 높아지고, 구동 및 제어기술이 크게 발전, 변화함에 따라 밸브의 구조 재료도 발전 변화하였다. 예로써, 1950년대 이전에는 사용온도가 350℃를 초과하는 프로세스가 매우 제한적이었지만, 현재는 발전 시스템의 경우 주증기 온도가 600℃를 초과하는 초초임계압(超超臨界壓 USC, Ultra-Super Critical) 발전소가 일반화되어 가고 있듯이 밸브의 금속 재료 또한 기존의 재질로는 초고온에서 요구하는 재료의 피로와 크리이프 요건에 맞추기 힘들게 되었다. 특히 프로세스 시스템의 초고온 고압의 고에너지화는 시스템의 안전문제와 더불어 시스템의 최종 제어요소인 밸브의 재료 선정에 많은 어려움을 초래하고 있다. 

이 책에서는 밸브의 구성재료인 금속 재료의 제조방법을 밸브 엔지니어의 상식 수준에서 간단하게 언급하고, 현재의 산업 기술 추세에 맞는 새로운 재질의 적용은 물론 재료의 발전 추세에 대하여도 소개하고자 한다. 아울러 ASME BP&V에서 강조하는 압력 유지 부품으로써, 밸브 몸체 및 본닛의 고온, 고압용의 크리이프 강도 보강 강재(CSEF, Creep Strength Enhanced Ferrite Steel)인 저합금강 재질에 대하여도 실무차원 수준이상의 금속 재료 취급에 대하여 기술하고자 한다. 

밸브의 구조 재료는 패킹과 밸브 씰링 재료를 제외하고는 모두 금속으로 구성되어 있으며, 압력을 유지하는 부품인 밸브 몸체와 본닛, 몸체와 본닛을 연결하는 볼트와 너트가 밸브에 작용하는 압력-온도에 충분하게 견디어야 하는 중요한 강도 구성 재료이다. 이들 재료는 일반적으로 국가나 단체에서 규정한 밸브 설계 제조 표준이나 기준에 따라 등록된 재료를 쓰는 것이 거의 강제적 규정사항이다. 나머지 부품들은 밸브의 운전 건전성과 기능을 충분하게 유지할 수 있는, 또한 서비스 환경조건에 맞는 금속 재료를 선정하면 된다. 우리나라의 경우, 이 책에서 지향하는 프로세스 플랜트용 밸브의 경우에는 대부분이 미국의 밸브 규격인 ASME B16.34를 기본으로 관련 단체 규격인 API, ISA, MSS 등의 규격을 많이 활용하고 있으며, 유럽의 EU 관련 규격도 활용하고 있다. 

1. 금속재료의 주조법

1) 밸브의 주조법

최근의 금속 재료의 주조법은 대단한 발전을 거듭해 왔으며, 과거의 전통적인 주조법인 사형주조로부터 대량 생산이 가능한 다이캐스팅 (금속제 주형)주조로부터, 1/10mm 수준의 정밀주조(쉘주조, 로스트 왁스, 세라믹주조)은 물론 전기 슬래그 재 용해(ESR, Electro-Slag Remelting) 주조에 이르기까지 다양한 새로운 주조법이 개발되어 적용하고 있다.

밸브는 형상이 비교적 복잡하고 밸브 내외면에도 유려한 유로 통로를 만들어 유체의 저항 손실을 작게 하기 위한 복잡한 곡선이 많기 때문에 미리 밸브의 내외부 형상을 본 뜬 주형으로 주물로 제작하는 것이 좋다. 따라서 밸브에서 가장 많이 채택하고 있는 주조법은 사형주조(沙型鑄造, Sand Casting)가 가장 광범위하게 널리 쓰이고 있으며, 보다 깨끗하고 정밀한 주물을 얻기 위해서 쉘주조(Shell Casting)와 정밀주조(Investment Casting)가 사용된다. 정밀주조는 주로 4인치 이하의 소형밸브의 대량 주조에 적합하며, 로스트 왁스 주조(Lost Wax Casting)법이라고도 한다. 이 주조제품의 치수 정밀도 오차는 0.1mm까지도 구현 가능하다. 반면에 쉘주조의 경우는 로스트 왁스 주조보다 주물의 치수 정밀도는 낮지만 좀 더 큰 대형의 밸브까지도 주조가 가능하다. 다음은 밸브 몸체에 주로 적용하는 주조 프로세스를 보여준다.

주조회사는 주조 시 그림 4에서 보는 바와 같이 주형에 시험편(ASTM Keel Block)을 부착하여 압력 유지 부품인 밸브 몸체의 히트번호(Heat Number)별로 주물의 화학적 성분은 물론 재질의 종류에 따라 주조 후의 필요로 하는 후처리작업(열처리 포함) 후에 시험하는 기계적 성질까지, 관련 규격에 따라 시험하고 성적서(Material Test Report/ Certificate) 를 발행한다. 이 성적서는 밸브제작자에게는 밸브의 품질과 성능을 보장하는 중요한 하나의 이력이 된다.

2. 금속재료의 단조법

금속을 재결정온도(再結晶溫度)이상으로 온도를 높여 적열상태로 한 다음, 여기에 큰 힘의 압축력을 가하여 원하는 형태로 소성 변형 가공을 하는 방법이 단조이다. 이러한 경우 단조 성형된 싯점에서 조직과 금속재료 소재의 성질(단조를 하게 되면 금속의 결정립이 압축되어 넓은 방향으로 길게 섬유상태의 조직이 생김)이 변하게 되고 특히 충격강도와 연신율이 많이 좋아진다. 단조작업은 많은 힘을 가하여 특정한 형상을 만들어야 하고, 더욱 고온 작업이 대부분 필수적이어서 단조 가공 후의 제품 치수가 정밀하지 않으며, 위험하고 깔끔하지 않은 작업환경과 더불어 복잡한 형상의 단조 작업은 비능율적인 면이 많다. 그러나 금형을 이용한 다이 단조는 치수 정밀도가 비교적 균일하고 대량 생산이 가능함으로 소형 밸브와 같은 경우에는 일정 압력 이상의 밸브는 단조형 밸브가 대부분이다. 

최근의 프로세스 플랜트의 경우, 시스템이 고에너지화 되어가고 있으며, 이에 따르는 플랜트의 신뢰성 높은 안전운전이 최우선시 되는 관계로 기존에 사용해 왔던 고압의 주조형 고압밸브는 주물 자체가 갖는 근본적인 결함요소들 때문에 단조형 밸브로 많이 바꾸는 추세이다. 특히 고온, 고압환경에서 밸브 금속재료의 열천이에 의한 피로 수명문제와 용접 보수를 피할 수 없는 주조 밸브의 품질 문제로 대형 단조형 밸브의 수요는 점차 증가되고 있다. 이들 대형 밸브의 단조는 밸브 몸체의 단조에 필요한 무게를 기준으로 100kg에서 20Ton에 이르기까지 자유 단조의 방식으로 단조 가공된다. 밸브 엔지니어가 단조에 대하여 기초적으로 알아야 할 사항은 아래와 같이 정리한다.

3. 금속재료의 압연가공

  철강회사는 전기 아크로(EAF) 또는 유도전기로를 이용하여 목적하는 철강재를 생산한 다음 철강재의 품질 수준에 맞게 정련과정을 거친 다음, 연속 주조과정을 통하여 빌릿을 만들거나, 잉곳을 만들어 열간 압연 공정 또는 단조 공정을 거치게 된다. 보다 고급 재질의 철강재는 정련과정에서 진공로 등을 사용하여 정련한 다음 추가로 ESR/VAR를 통하여 불량율 가능성 제로의 잉곳 환봉을 제작하여 이를 소재를 블룸(Bloom)으로 하여 연속 압연 또는 단조, 가공 후 후속의 공정을 거쳐 고객에게 판매된다. 그림 7은 제강공정에서 압연공정까지 이어지는 프로세스를 보여준다. 

압연된 환봉 또는 각재는 직접 기계가공을 통하여 밸브로 제작하는 경우가 있다. 주로 소량의 특수밸브 또는 소형의 계장용/유압용 메니폴드와 같은 밸브에 쓰인다. 이렇게 압연제품을 밸브로 직접 가공한 밸브를 바스톡밸브(Barstock Valve)라고 한다. 

4. 금속재료의 열처리

단조나 주조 공정을 통하여 제조된 소재에는 공정 프로세스 중에 피할 수 없이 내부 응력이 발생하여 응어리져 있는 경우가 대부분이다. 공정 중에 생긴 가공 경화된 재료를 고온으로 가열한 후에 서서히 냉각하면, 본래 금속의 성질과 조직이 살아나거나 전혀 다른 특성을 이용하여 금속을 적당한 온도로 가열하고 적당한 냉각 속도로 처리하면, 전혀 다른 금속적 성질을 갖게 할 수도 있다. 이러한 작업을 금속 열처리라고 한다. 

열처리는 철금속(강)이 갖고 있는 각 원소의 고유의 성질들과, 강에 있어서 가장 중요한 합금 원소인 탄소와 철의 관계인 철-탄소 평형상태도(Fe-C Diagram)를 이해함으로써, 보다 이론적으로 접근할 수 있다. 철은 가열 또는 냉각 시의 특정 온도에 따라 조직의 모양인 상(相, Phase)이 달라지는데, 이러한 상 변화(Phase Transformation)의 기준 포인트가 되는 온도를 변태점 또는 변태온도라고 한다. 변태점은 Fe-C 상태도에서는 각각 A₀ (210℃), A₁ (723℃), A₂ (770℃), A₃ (912℃), A₄ (1400℃) 변태점이 있다. 상에는 각각 페라이트(Ferrite), 오스테나이트(Austenite), 시멘타이트(cementite), 마르텐사이트 (Martensite), 펄라이트(Pearlite)가 있다. 다음은 각 상에 대하여 간략한 특징을 설명한다. 탄소이외의 페라이트 안정제 역활의 Cr, V, Si, Nb 등 원소와 오스테나이트 상에서 또다른 안정제 역할의 C, N, Ni, Co 및 Cu 등의 원소들에 대하여는 따로 설명하고 여기에서는 주로 탄소와 강의 관계만을 설명한다.

페라이트(Ferrite) : α 고용체, C <= 0.02%, 순철에 가까운 조직으로 체심입방구조 (BCC)이나 770℃ 내외에서 자기 변태를 일으킴

오스테나이트(Austenite) : γ 고용체, C < 2.11%, 면심입방구조(FCC)

시멘타이트(Cementite) : Fe₃C(탄화철), Fe+6.68%C, A₀ 변태를 하고, 상온에서 강한 자성체로 강도, 경도 및 취성이 크므로 단조 불가

펄라이트(Pearlite) : α 철+Fe₃C, 0.77%C 내외의 γ 고용체가 A₁ 변태점 온도 723℃ 이하로 냉각될 때 생성(공석반응이라고 함), 페라이트와 시멘타이트가 층상구조로 있으며, 인장강도/내마모성/연성이 있음.

참고로 주철(Iron)과 강(Steel)의 구분은 탄소의 함량에 따라 구분한다. 주철의 경우에는 탄소의 함량이 2.1%이상, 강의 경우에는 2.1% 미만으로 구분한다.

 

산업용 밸브의 선정에 있어서 사용조건에 따른 적합한 밸브의 선정은 취급 유체의 물리적, 화학적인 조건은 물론, 사용 목적과 이에 따른 환경과 안전문제까지도 복합적으로 다뤄야 한다. 선정된 밸브가 내부의 기능과 이에 따르는 운전 및 제어환경은 물론 외부의 환경에 밸브가 잠재적인 어떠한 문제를 야기시킬 수 있는지에 대하여도 함께 검토해야 하는 것이다. 따라서 수많은 종류의 밸브를 어떤 구조와 형식, 구성 재질, 제어의 목적, 외부 환경에의 잠재적인 영향에 따른 법규의 제한사항은 물론 프로세스의 운전 목적과 시스템의 평형에 미치는 영향과 안전문제 등을 함께 고려해야 하는 것이다. 따라서 본 보고서는 밸브 선정에 있어서 극히 개괄적인 사항을 안내하는 수준으로 밸브의 선정과 이에 따르는 선정상의 주요 포인트를 기술하였다. 

일반적으로 밸브는 압력과 온도, 운반에 따르는 유체 에너지를 갖고 있어 밸브의 구조는 유체가 갖는 에너지를 안전하게 유지하는 압력유지부품(Pressure Retaining Part)인 밸브 몸통과 이를 결합하는 볼트/너트가 있고, 유체를 직접 제어하는 부품과 이들 부품들이 안정적인 역할을 수행할 수 있도록 하는 비압력유지 부품으로 밸브의 구조를 구분할 수 있다. 특히 안전측면에서 압력유지부품은 철저하게 관련 법규를 지키도록 규제되어 있다. 

밸브 선정상의 주요 포인트는 다음과 같이 정리해 보았다.

1. 사용조건의 검토
2. 밸브 몸체 및 트림의 구조

• 온도와 압력에 따른 밸브 구조
• 온도 및 압력의 고려
• 유체의 성질

1. 밸브 구성 재질
2. 규격 및 법규상의 사용제한
3. 밸브 선정과 선정 포인트

• 형식의 선정
• 운전 조건에 의한 선택
• 제조방법의 선택
• 구조상의 선택

Coming Soon…

최근의 뜨거운 화두인 “탄소중립”과 연계되는 석탄화력발전소는 탄소배출의 주범처럼 인식되어 신규 건설에 많은 제약이 있지만, 천연가스를 이용하는 복합화력발전소의 경우에는 신규 건설이 비교적 활발하다. 석탄화력의 경우, 1000MWe이상의 초초임계압발전으로 주증기의 온도가 600℃를 넘고, 주급수배관의 설계압력 또한 350Barg를 넘어서는 경우도 있어, 크리이프 강화 페라이트 강재의 중요성이 높았지만, 이들 발전소는 기저 발전소로 운영되기 때문에 빈번한 열 부하의 변동이 적은 편이다. 반면에 최근의 복합화력발전소는 증기온도를 높여 발전 열효율을 개선하고, 전기 수요의 부하 변동에 능동적 대처는 물론 일일 기동 및 정지와 같은 빈번한 열적 부하 변동으로 인하여 보일러 구조재용 크리이프 강화 강재에 대한 열 피로의 문제들이 점차 심각해지고 있다. 따라서 발생할 수 있는 고온 금속재료의 피로문제를 극복하기 위하여 1980년대부터 고 강도의 마르텐사이트 강이 개발되어 실제 보일러용 구조재로 사용하고 있다. 대표적인 강재가 이미 ASME 코드에 적용되어 있는 Grade 91, 92, 122, 911, 23, 24 등이 있다. 이들 강재는 석출물들이 제어된 상태로 분포되어 안정화된 페라이트나 베이나이트 또는 마르텐사이트의 미세조직을 갖는 강재를 크리이프 강도 강화 페라이트(Creep Strength Enhanced Ferrite, CSEF) 강이라 하며, 주로 고온고압의 발전소 보일러용 강재로 대표된다. 본 항에서는 이들 강재에 대한 안내를 붙임과 같이 설명한다.

유체 관로를 흐르는 유체는 관로의 형상 및 내부 관벽의 거칠기에 따라 저항을 받게 된다. 유체거동에 대한 본격적인 연구는 18, 19세기, 수학적으로 유체의 운동을 설명하려고 하는 시도로 Daniel Bernoulli(1700-1782년)는 유명한 베르누이 방정식을 유도하였으며, 그리고 Leonhard Euler(1707-1783년)는 비점성유체의 운동량보존과 질량보존의 법칙을 설명한 오일러 방정식들을 유도하였다. 이 시대에 유체 유동 분야에서 매우 중요한 2명의 공헌자가 있었는데, 프랑스인 Claude Louis Marie Henry Navier (1785-1836)와 아일랜드인 George Gabriel Stokes(1819-1903년)는 오일러 방정식으로 점성 이동을 소개하였고 Navier-Stokes 방정식을 제안하였다. 이들이 제안한 이 편미분방정식의 형태는 200여년이 지난 지금 현대의 전산유체역학(CFD) 산업의 기초가 되었고, 여기에  질량, 운동량, 압력, 난류의 보존에 대한 표현을 포함하였다. 이 방정식은 1970년대에 디지털 컴퓨터가 나온 후에 실제의 유체 문제를 해결할 수 있었다.
20세기 초중반, 미국 소재의 Crane사는 특별히 배관시스템(밸브와 피팅)에 대하여 유체거동을 절대적 정확성(Absolute Accuracy) 대신에 실제 산업현장에서 필요로 하는 충분한 정확성 (Sufficient Accuracy)을 목표로 자체적인 실험과 연구개발을 통하여 배관기술자들의 핸드북 격인 Flow of Fluids through Valves and Fittings를 출간하였다. 아울러 1차 대전이후의 러시아에서의 유체역학에 대한 독자적인 연구 성과는 방대한 실험데이터와 결부되어 괄목할 만한 기술적 진전을 이뤘다. 본 항에서는 밸브 형태별로 유체흐름에 저항을 주는 계수 K에 대하여 몇몇 샘플 예를 보여준다.

현재는 앞서 언급한 바와 같이 전산유체역학을 통하여 공학적으로 충분한 수준의 정확성을 가졌다고 할 수 있는 상용 CFD 프로그램을 이용하여 매우 복잡하고 다양한 유동현상에 대하여 저항계수 K를 계산할 수 있다. 

밸브의 트림를 구성하는 부품 중 가장 중요한 기능을 하는 부분은 유체 흐름의 차단이나 제어과정에서 높은 제어 및 운전 신뢰성을 가져야 할 시트와 디스크의 접촉면이다. 모든 밸브는 밸브 성능의 핵심으로써, 시팅시의 내누설 성능과 완벽한 내압강도를 요구하고 있다. 프로세스의 제어적인 측면에서는 시트에서의 누설정도가 어느정도인가에 따라 제어목적을 상실하는 경우도 있다. 최근 산업의 고도화추세(고온, 고압, 고에너지화)에 따라 밸브 시트에서의 누설관리의 중요성은 매우 높다. 따라서 유체제어에 있어서 시트의 구조적인 건전성의 확보는 절대적인 기술적 과제가 되어있다. 시트 구조를 건전하고 긴 수명을 유지시키는 방안으로 시팅면만을 높은 경도, 내식성이 매우 강하고 아울러 내마모성도 탁월한 재료를 다양한 방법으로 육성 용접, 코팅, 삽입하는 법이 실제 사용된다. 이 가운데 가장 보편화된 방안은 Stellite라는 코발트-크롬이 주요 성분인 초합금 금속 재료를 밸브 시팅면에 육성 용접하는 것이다. 본 항은 Stellite 계열의 초합금 금속을 시팅면에 육성 용접하는 개략적인 방안과 더불어 실제 현장에 적용된 Stellite 육성 용접부가 운전 중 떨어져 나가는 박리문제 등의 문제점을 실제 사례를 가지고 금속학적 분석을 통하여 해결방안을 모색한 보고서이다. 

밸브는 유체를 취급하는 모든 산업분야의 핵심적인 제어기기이자 최종의 제어요소이기 때문에 산업환경 및 프로세스 운전조건에 민감한 기기이다. 본 항에서는 프로세스 플랜트에 있어서 가장 대표적인 산업분야인 화학공업, 석유화학공업 및 발전플랜트용으로 한정하여 밸브 적용에 있어서 유의할 사항들을 개괄하여 보았다. 이들 산업분야는 그 응용범위가 매우 넓고, 깊이가 있는 분야이어서 세부적인 기술적 사항 보다는 상식 수준의 밸브 기술정보를 기술하였다.

일반적으로 글로브밸브의 유량계수 산출방법은 다양한 방법이 이론적–실험적으로 제시되어 왔다. 예로 Crane사의 유명한 “Technical Paper인 Flow of Fluids through Valves and Fittings” 에서는 유체흐름에 저항을 주는 제반 저항인자와 유량계수에 대하여 자세하게 기술하고 있다. 유체 흐름에서의 저항은 얼마만큼 유량이 흐를 수 있는가의 척도인 유량계수와 밀접한 영향 관계이다. 본 항에서는 밸브의 유체 흐름의 제어 핵심요소인 밸브 시트(또는 포트)를 오리피스로 간주하여, 토출계수-Discharge Coefficient Cd와 시트 유로 내경 D, 유체 흐름의 저항계수 K의 관계에서 밸브의 유량계수를 구하는 방법을 제시한다.