심심풀이 한치 와 맥주: [스크랩]밸브에 관한 전반적인 사항(글)

2.1 밸브의 구조

밸브의 구조는 유체제어의 구조 및 특성, 유체의 물리화학적 성상, 운전조작의 방법에 따라 매우 다양하다. 따라서 밸브 구조는 유체제어의 구조 및 특성에 따라 물리화학정 성상에 따라 밸브의 구조가 달라지기도 한다. 밸브 구조에서 가장 핵심적인 사항은 압력 유지부분(Pressure Retaining Part) 및 유체와 직접 접촉하면서 밸브의 기능을 수행하는 밸브 트림, 그리고 트림부를 조작하는 구동부로 나눈다.
따라서 밸브의 종류를 구분하는 일반적인 방법은 밸브의 압력유지부의 형태 또는 형식과 트림의 형상또는 형식에 따라 구분한다. 다음에 앞서의 밸브 구분 방법에 따른 밸브 종류를 나타내었다. 특히 여기서 밸브 기술자가 알아야 할 매우 중요한 밸브 용어는 트림(Trim)으로써 "밸브의 유체제어 과정에 있어서 유체와 직접 접촉하면서 유체력에 의하여 직접적인 마모 또는 노화되는 부품으로 교환될 수 있는(Replacible)밸브 부품"이라고 정의 한다.

가. 개폐용(ON-OFF제어)밸브

Y-타입 팩레스 밸브(Y-Type Packless Valve)
앵글 타입 팩레스 밸브(Angle-Type Packless Valve)
벨로우즈실 그로브 밸브(Bellows Seal Glove Valve)
체크밸브(Check Valve)
스윙 체크밸브(Swing Check Valve)
밸런스드(중추)체크밸브(Counter Weight Balanced Check Valve)
홀딩 디스크(듀오)체크밸브(Folding Disc Check Valve)
리프트 체크밸브(Lift Check Valve)
T-타입(T-Type Lift Check Valve)
Y-타입(Y-Type Lift Check Valve)
볼 타입(Ball Type Check Valve)
스프링 로디드 타입(Spring Loaded Lift Check Valve)
수평형(Horizontal)
티형(T-Type)
와이형(Y-Type)
틸팅 디스크 체크밸브(Tilting Disc Check Valve)
인라인 디스크(푸트)체크밸브(In-Line Disc Check Valve)
볼 타입(Ball Type)
디스크 타입(Disc Type)
푸트 타입(Foot Type)
백 후로우 프리벤터(Backflow Preventer)
고무 튜브 체크밸브(Rubber Tube Check Valve)
다이아후램 체크밸브(Diaphragm Check Valve)
버터후라이밸브(Butterfly Valve)

ANSI 규정(산업용)(For Industrial Purpose)
메탈 시티드(Metal Seated High Performance Butterfly Valve, HPBV)
프랜지 타입(Flange Type)
크로스 볼티트 웨이퍼 타입(Cross Bolted Wafer Type)
웨이퍼 타입(Wafer Type)
소프트 시티드(Soft Seated)
프랜지 타입(Flange Type)
크로스 볼티드 웨이퍼 타입(Cross Bolted Wafer Type)
웨이퍼 타입(Wafer Type)
AWWA 규정(수도관개용)(For Water Works Purpose)
프렌지 타입(Flange Type)
크로스 볼티드 웨이퍼형(Cross Bolted Wafer Type)
프러그 밸브(Plug Valve)
테이퍼드 프러그(Tapered Plug Valve)
루브리케이트 타입(Lubricated Plug Valve)
논 루브리케이트 타입(Non-Lubricated Plug Valve)
실린드리컬 프러그(Cylinderical Plug Valve)
엑씬트릭 프러그(Eccentric Plug Valve)
볼 밸브(Ball Valve)
프로팅 볼(Floating Type Ball Valve)
톱 엔츄리(Top Entry Floating Type Ball Valve)
엔드엔츄리(End Entry Floating Type Ball Valve)
트러니온 볼(Trunnion Type Ball Type)
싱글 터러니온(Single Trunnion Type Ball Type)
더블 트러니온(Double Trunnion Type Ball Type)
싱글 시티드 오 에스 앤 와이(Single Seated Outside Screw and Yoke Type Ball Valve)
소프트 다이아프램밸브(Soft Diaphragm Valve)
웨어형(Weir Type Soft Diaphragm Valve)
관통형(Straight-Through-Flow Type Soft Diaphragm Valve)
핀치형(Pinch Type Soft Diaphragm Valve)

나. 유량조절용(Flow Throttling)밸브

슬롯티드 케이지(Slotted Cage)
멀티 퍼포레이트 케이지(Multi-Perforated Cage)
멀티 오리피스 케이지(Multi-Orifice Cage)
스템-디스크 일체형 구조(니이들 밸브:Niddle Valve)
등비율형 디스크(Equal Percentage Flow Type Disc)(선형 디스크 구조 체계와 동일)
혼합용 그로브 타입 제어밸브(Mixing Control Valve)
밸브 몸체 형상에 따른 구분(Globe Valve Classified By Body Type)
일반 티 그로브(General T-Type Globe Valve)
와이 그로브(Y-Type Globe Valve)
앵글 그로브(Angle Type Globe Valve)
와이 앵글 그로브(Y-Angle Type Globe Valve)
버터후라이밸브(Butterfly Valve)몸체 구성은 앞의 "가"항과 동일
정규 로타리 운동 버터후라이 밸브(Regular Rotary Butterfly Valve)
오프셋 디스크 버터후라이밸브(Offset Disc Butterfly Valve)
캔티드 디스크 버터후라이밸브(Canted Disc Butterfly Valve)
프러그밸브(Plug Valve) -몸체 구성은 앞의"가"항과 동일
엑쎈트릭 실린드리컬 프러그(Eccentric Cylindrical Plug)
엑쎈트릭 디스크 프러그(Eccentric Disc Plug)
스로틀링 프러그(Throttling Plug)
실린드리컬 프러그(Cylindrical Plug)
테이퍼드 프러그(Tapered Plug)
케이지 프러그(Cage Plug)
볼밸브(Ball Valve)-몸체 구성은 앞의"가"항과 동일
유량특성별 세크멘티드 볼밸브(Characterized Segmented Ball Valve)
급개형(Quick Openning Type)
선형(Linder Type)
등비율형(Equal Percentage Type)
브이 포티드 볼밸브(V-Ported Ball Valve)
선형(Linder Type)
등비율형(Equal Percentage Type)
소프트 다이아프램밸브(Soft Diaphragm Valve)
웨어형(Weir Type Soft Diaphragm Valve)
관통형(Straight-Through-Flow Type Soft Diaphragm Valve)
핀치형(Pinch Type Soft Diaphragm Valve)

다음으로 밸브의 유체제어를 위한 밸브 구동부의 구동특징 즉, 밸브의 스템 및 스템 조작 특징에 의한 밸브를 구하면 다음과 같다.
밸브 스템은 밸브를 열고 닫을 때 그 조작력을 전달하는 매우 중요한 밸브의 구성부품이다.일반적으로 디스크의 상하운동에 의하여 유체를 제어하는 구조를 가진 게이트 및 그로브 밸브는 스템의 길이가 길며, 디스크의 조절을 원활하게 하기 위하여 일부 특수한 장치(거의 선형운동을 하는)를 가진 자동 구동장치부의 제어밸브류와 같은 것을 제외한 수동조작 모타구동장치부의 밸브 스템은 사각의 나사를 채용하고 있다.
이 스템 즉, 밸브 핸드휠의 조작렬에 대한 사항은 추후에 자세히 설명하기로 하고 여기서는 스템의 구분(구동부의 구동특징)조작특성을 밸브 종류별로 구분한다. 밸브 디스크의 상하운동에 의하여 유체를 제어하는 구조의 밸브는 통칭하여 "Quater Turn"밸브라고 한다. 이외에 체크밸브와 같이 자체적으로 유체력에 의해 계폐동작을 하는 "Self Actuating"밸브가 있다.
<표> 생략

2.11 밸브의 구조형식

(1)게이트 밸브

개폐용(ON-OFF제어)밸브의 대표적 밸브이다. 게이트 밸브는 호칭직경 3/8″부터 36″까지(또는 이 이상도 제작가능하다.) 압력-온도 등급도 ANSI CLASS로 150LBS에서 4500LBS까지 선택의 폭이 매우 넓다.
밸브의 구조 형식 및 형태는 다음과 같다.
솔리드 또는 홀로우 형식의 디스크(SOLID OR HOLLOW GATE VALVE)
밸브의 시팅 구조상 가장 튼튼한 구조이나 밸브의 열 팽창과 배관작용력에 대한 디스크에서의 흡수 여유가 없기 때문에 밸브 디스크가 상온 이외의 사용에서는 고착 또는 누설 가능성이 높아진다. 따라서 이러한 구조의 게이트 밸브는 통상 호칭직경 4″이하, 사용온도 100″이하의 수동 소형 게이트밸브에 적용된다.
일반적으로 ANSI CLASS 2500까지 제작가능하지만 고압.고온 서비스인 경우 밸브 몸체에서의 열변형에 의한 고착 또는 누설에 각별히 유의 하여야 한다.
현재 국내 밸브제작사중 극히 일부 회사만이 ANSI CLASS 4500급까지 제작경험이 있으나 스프링 LOADED PARALLEL DISC TYPE에 비하여 수명이 떨어진다.

후렉시블 왯지 디스크(FLEXIBLE WEDGE GSTE VAVE)

디스크의 시팅(SEATING)면에서 어느 정도의 유연성을 갖고 있음으로 팽창 및 배관의 작용력에 대응할 수 있으며 아울러 다스크가 쐐기 형식으로 시트면에 작용함으로써 내누설 특성이 좋다.따라서 FLEXIBLE WEDGE게이트 밸브는 이러한 시팅 구조상12"를 넘는 대형일 경우에는 동력에 의한 밸브 계폐장치(POWER ACTUATOR)가 권고되며 통상 사용온도200℉(93℃)이하의 호칭직경 4″를 넘는 중대형 밸브에 적용된다. 이 밸브는 ANSI CLASS로 150~2500까지 제작되며 현재 국내에서는 특히 고온 고압용(ANSI CLASS 1500 이상)밸브는 단 2개사 만이 제작할 수 있다.

분리형 디스크(SPLIT WEDGE GATE VALVE)

FLEXIBLE WEDGE디스크와 유사하나 디스크가 완전히 분리되는 구조이다. 디스크의 연결은 단순히 기계적인 고리를 이용하거나 스프링등의 보조를 받아 구성된다. 이러한 밸브는 FLEXIBLE WEDGE게이트 밸브와 같은 범주로 취급되나 배관의 굽힘등 배관작용력에 보다 신축성 있게 대응할 수 있어서 비교적 높은온도(90℃~)에 사용되며, 밸브의 크기는 통상호칭직경 4"이상의 중형밸브에 적용된다. 그러나 이러한 밸브는 다음의 더블 디스크 게이트 밸브의 장점에 비하면 적용사의 잇점이 적기 때문에 널리 쓰이지 않는다.

더블 디스크( DOUBLE DISC GATE VALVE)

밸브 운전시 유의할 사항의 하나는 닫을 때보다 열릴 때가 보다 많은 힘을 필요로 하는 경우가 았음으로 계통의 운전 상태를 고려한 밸브 선정이 필요하다.
따라서 고온의 운전상태하에서는 가능한 한 고온상태에서 밸브를 열고 닫아야 한다. 아울러 두 개의 평형된 디스크는 정밀하게 가공되어야 하며 계통압력이 높아질수록 디스크면에 작용하는 면압의 효과를 극대화할 수 있도록 두 시트면의 평행도 및 가공 정밀도는 엄격하게 관리되어야 한다.
현재 국내에서는 아직 미개발 분야이다. 나이프 게이트 밸브(KNIFE GATE VALVE)디스크의 형태가 날카로운 칼날 모양의 원형구조이다. 따라서 설계는 매우 콤팩트(COMPACT)한 구조로 설계되며, 배관계통에 있어서도 설치 및 보수 운전공간을 절약할 수 있다. 주로 상온의 낮은 압력하에서 스러리(SLURRY:찌거기)등이 있는 유체를 제어할 때 많이 쓰인다.따라서 KNIFE GATE VALVE에서의 엄밀한 내누설을 요구할 수 없다.

(2)그로브 밸브(GLOBE VALVE)

그로브 밸브는 유로의 차단 또는 유량의 조절용으로 사용된다. 게이크 밸브에 비하여 유체의 제어적인 즉, 압력조절, 유량조절, 유로 차단등이 우수하나 밸브구조의 복잡함과 이에 따른 구조적 불안정으로 인하여 밸브 크기는 기술적, 경제적으로 제한을 받는다. 따라서 글로브 밸브는 통상적으로 특수한 경우를 제외하고는 호칭직경 12″를 넘는 대형의 그로브 밸브는 수동 조작의 경우가 매우 드물고 대부분 모타 구동 또는 유공압을 이용한 동력 구동밸브이다.
그러나 호칭직경 2″이하의 그로브 밸브는 유로차단(ON-OFF)과 스로틀링(THROTTLING)이 가능하며 특별히 비록 ON-OFF라 할지라도 계통 특성이 고압의 경우에는 소형 게이트 밸브보다 그로브 밸브를 선택하는 것이 합리적이다.
그러나 그로브 밸브 유로 차단용(SHUT OFF)으로 사용할 때는 밸브의 디스크 하부로부터 계통 압력이 작용함으로 닫힘에 요하는 힘이 게이트 밸브의 4~5배 이상에 이르며, 내부 구조가 복잡하여 온도가 변화하는 상태하에서는 열팽창의 비 대칭성으로 인하여 내부 누설의 가능성이 있음으로 보다 큰 힘의 밸브 개폐력 즉, 구동장치의 크기가 커야 한다. 그로브 밸브는 통상 호칭직경 3/8″~12″범위로 제작되며 압력-온도 기준으로 4500LBS까지 제작된다.
밸브의 형식 및 형태는 외양으로서 T, YDIDRMF 및 Y-앵글 형태가 있으며 스템의 구성 형식상 특수하게 스템 패킹으로부터의 누설을 방지하기 위한 팩레스(PACKLESS-HERMETICALLY SEALED, BELLOWS SEALED)밸브등이 있으며, 아울러 그로브 밸브의 디스크 및 시트의 설계방식에 따라 스템과 디스크 및 시트의 설계방식에 따라 스템과 디스크의 일체형과 분리형이 있으며 대부분이 분리형 구조를 체택하고 있다. 또한 디스크의 형상은 BALL TYPE, 조립식, PLUG TYPE, NEEDLE TYPE등이 있으며 디스크 및 스템의 안내방식에 따라 TOP GUIDED(고압용), BODY GUIDED(고형, 소형용) 및 BOTTOM GUIDED(저압용 -150LBS~300LBS)가 있다. 다음의 그림 16, 17, 18 및 그림 19에 대략적인 글로브 밸브의 구조형상을 표시하였다.

(3)체크밸브

체크 밸브는 배관계통 구성에 있어서 계통의 운전 상태에 따라 자력으로 계폐하는(SELF ACTUATING)유일한 밸브이다. 따라서 다른 밸브와는 달리 한번 설치하면서 유지, 보수 등의 문제를 간과하기 쉬운 밸브이므로 최초선정에 주의를 요한다. 체크밸브는 외양 및 작동 측성별로 스윙체크, 리프트체크, 틸팅 디스크 체크, 홀딩디스크 체크, 인라인 체크, 스톱 체크로 대별할 수 있으며, 가장 대표적인 체크 밸브는 스윙 체크 밸브이다. 밸브의 크기는 거의 제한이 없으며 설계 형식 또한 매우 다양하다.체크 밸브 선정에 있어서 무엇보다도 중요한 것은 밸브에 있어서 압력 강하량의 크기문제, 체크밸브 사이의 유체흐름 속도의 문제, 밸브의 설치 위치와 누설한계 등의 문제 및 계통 특성상 체크밸브의 닫힘 시간의 문제를 고려한 후에 체크밸브의 형식을 결정하여야 한다. 이에 대한 보다 구체적인 설명은 추후 기술하기로 한다.

스윙체크밸브(SWING CHECK VALVE)

체크 밸브중에서 가장 널리 많이 쓰이고 있는 형식으로서 간단한 구조와 신뢰성 있는 동작을 특징으로 한다. 외양에 따른 형태는 T형, Y형 및 웨이퍼(WAFER)형이 있으며 T형이 대부분이다. 디스크와 시트의 접촉 형식은 금속 대 금속, 금속 대 탄성질의 합성고무, 금속 대 합성고무링이 삽입된 금속판으로 접촉된다.
스윙의 각도는 0。~45。로 설계되며 수평 설치시를 고려하여 5。~7。만큼 전방행으로 경사시켜야 한다. 유체의 역루에 의한 순간 닫힘시(SLAMMING)디스크의 운동량을 적게하면 급폐가 용이하여 수격현상을 감소시킬 수 있으므로 스윙의 각도는 밸브에서의 마찰로 인한 압력손실이 허용하는 범위내에서 적게하면 좋다. 단점으로는 슬램(SLAM)현상과 불규칙한 유체흐름시 디스크의 빈번한 운동으로 힌지 핀의 마모가 예상되며 밸브 구조상 완벽한 기밀 유지가 곤란하다는 점이 있다. 스윙 체크 밸브에서의 입력 강하량은 계통 설계 측면에서 낮을수록 좋지만 대략 다음식으로 압력강하량 정도를 예측한다.

ΔP=3228(1/ρ)(M/Cv)2=2.238(1/ρ) (m/Af)2
여기서 ΔP=Psi
ρ=유체의 밀도(1b/ft3)
m=질량유량(1b/sec.)
Cv=밸브의 유량 계수(gpm/√psi)

또한 스윙 체크 밸브에서 원활한 운전을 위하여 요구되는 최소 흐름속도는 이론적으로 다음과 같은 식으로 표시된다.

Vmin=45.68(w.cosθ)/(P.A.sin2θ)0.5
여기서 W=디스크 아암 무게의 0.5배와 디스크 무게를 합한 값(1bf)
A=디스크의 면적(inch2)
θ=유로 충돌면의 각도

리프트 체크 밸브(LIET CHECK VALVE)

스윙 체크 밸브에 비하여 유체의 속도가 비교적 빠른 조건에서 사용하며 내누설 특성이 양호하다. 그로브 밸브의 외양과 비슷하며 디스크 모양에 따라 피스톤(or POPPET)형식과 볼 형태의 것이 있다. 그러나 단점으로는 디스크와 안내면에서의 고착 가능성 과 디스크의 빠른 자전(SPINNING), 그리고 대구경의 경우에는 평형관이 필요하게 된다.

틸팅디스크밸브(TILTING DISC CHECK VALVE)

스윙체크밸브가 밸브 디스크의 개폐 속도 및 유량 변화에 신속히 대응하는데 부족한 반면 리프트 체크 밸브는 아에 비교적 양호한 특헝을 갖고 있다. 그러나 압력손실의 정도, 보수성 및 내수설에 대한 구조로 보아 스윙 체크밸브는 매우 양호한 특성을 갖고 있음으로 스윙 체크 밸브와 리프트 체크밸브의 장버을 절충하고 아울러 슬램(SLAM)에 의한 영향을 최소화시킨 구조의 밸브
가 틸팅 디스크 체크밸브(TILTING DISC CHECK VALVE)이다. 이 체크밸브도 가능한한 균일한 흐름이 예상되는 곳에서의 사용을 권장한다.

홀팅디스크 체크 밸브(FOLDING DISC CHECK VALVE)

홀딩 디스크 체크 밸브의 가장 큰 특징은 밸브가 매우 콤팩트하다는 것이다.
디스크를 스프링의 힘으로 유지하므로 스프링의 상수를 조절하면 디스크의 열림 최소요구 속도를 조절할 수 있으며, 또한 매우 미세한 차압상태에서도 개폐를 할 수 있어서 계통의 요구사항대로 설계가 가능하다. 물론 스프링의 힘을 이용하기 때문에 디스크의 급폐(急閉)성이 양호하다. 기타 앞에서 설명한 체크 밸브 이외의 것으로는 리프트 체크 밸브 형식의 인-라인(IN-LINE)체크 밸브와 스톱 밸브와 리프트 체크 밸브를 결합한 스톱 체크 밸브가 있다.
체크 밸브의 설치 위치 및 유로 방향이 밸브 기능에 미치는 영향은 다음과 같이 요약한다. 스윙 체크밸브:수평 또는 수직, 수직배관에 설치시에는 밸브의 최소 흐름 속도에 디스크의 최대 열림각도(45。이하)만큼을 고려한다.
즉,Vmin, vert.=( Vmin.horize.)(tamθ)0.5
또한 밸브의 힌지핀에 중추(COUNTERWEIGHT)를 이용하면 계통 특성에 따라 디스크의 열림 최대흐름 속도를 조절할 수 있다.

.리프트 체크 밸브

TEE TYPE-수평
WYE TYPE-수평/수직, 수직설치시 스프링을 사용하면 효과
ANGLE TYPE- 밸브입구는 필히 수직 배관
.틸팅 디스크 체크 밸브:수평
.홀딩 디스크 체크 밸브:수평/수직, 그러나 한지핀은 필히 수직방향
.인-라인 체크 밸브:수직(드물게 수평), 내부 점검을 위한 배관분리가 요구됨

.스톱체크밸브

TEE TYP
E-수평
ANGLE TYPE- 밸브 입구는 필히 수직 배관
WYE TYPE-수평/수직
경사형(INCLINED)-수평
그림8.9생략

볼 밸브의 설계

볼 밸브의 구조에 있어서 가장 유의할 부분은 내누설 구조를 위한 밸브 시팅 및 씰링구조이다. 이 시팅구조는 볼을 감사는 볼 시팅의 씰링과 스템의 씰링이 있다. 특히 밸브 내부누설을 완벽히 방지하기 위해서는 볼 씨팅의 씰링과 스템의 씰링이 있다. 특히 밸브 내부누설을 완벽히 방지하기 위해서는 볼 씰링재료의 물성 즉, 탄성력(Resilient)와 윤활성 및 내온도성이 중요시되며, 씰링재료가 합성수지일 경우에는 밸브의 사용온도가 800℉ 이하로 제한된다.
다음은 볼 밸브의 선정에 있어서 가장 유의깊게 검토하여야 할 볼 씨팅 실링 재료의 허용 최고 사용온도표이다.

(6)프러그 밸브(PLUG VALVE)

프러그 밸브는 구조가 간단하고 조작의 간편성으로 밸브의 발명이래 현재까지 가장 널리 쓰이는 밸브중의 하나이다. 프러그 밸브라는 명칭은 밸브 구조가 테이퍼진 원통 모양의 프러그로서 이 프러그에 원형 또는 사각형의 구멍의 프러그로서 이 프러그에 원형 또는 사각형의 구멍을 내고 이 프러그를 90℃회전함에 따라 유체의 흐름을 차단 또는 조절하는데에서 유래하였으며 매우 광법위하게 사용되고 있는 밸브이다. 다음의 그림은 전형적인 프러그 밸브의 구조를 보여주고 있다.
프러그 밸브는 거의 밸브 크기에 제한을 받지않고 생산이 가능하다. 즉, 크기로 보아 1/2〃부터 30〃까지 다양한 재질로 제작되고 있으며, 구조상 12 〃를 초과하는 대형의 프러그 밸브의 프러그 구동상 윤활이 요구되고 있는게 특징이다. 압력 등급기준으로서 상온 상태하의 압력으로는 175psig~1500psig(12~103Bar)까지 제작 가능하다. 그러나 밸브의 트림 구조상 씨링이 절대 필요함으로 고온에서의 사용은 통상400℉이하이어야 한다.
프러그 밸브는 기본적으로 다음의 두가지 방식으로 제작된다.
①윤활 형식(lubricated type)
②비윤활 형식(non lubricated type)
또한 프러그 밸브의 테이퍼 모양에 따라 프러그의 조립 및 보수를 밸브 상단에서 하는 경우 테이퍼가 아래쪽으로 된 하향경사형의 프러그 밸브와 반대로 프러그 밸브 하부에서 조립/보수를 하도록 설계된 상향경사형의 프러그 밸브가 있다.
그러나 중소형의 대부분 프러그는 하향경사형의 프러그 밸브이다. 윤활형식의 프러그 밸브는 윤활이라는 용어로 인하여 밸브에 정말 윤활유를 주입하는 것으로 혼돈하기 쉽다. 그러나 실상은 별도의 윤활유의 주입을 필요로 하는 밸브가 아니라 밸브 구조상 프러그와 밸브 몸체간의 내부 누설, 밸브 트림과 스템간의 외부 누설을 방지하기 위하여 프러그와 밸브 몸체와의 원형 홈(그루브:groove)에 O-링(O-RING)과 같은 씰란트(SEALANT)를 삽입시킨 것으로 이 실란트가 프러그와 몸체간의 금속 마찰을 피하면서 부드럽게 작동함으로 이를 윤활 형식(lubricated type)이라고 한 것 이다. 씰란트는 대부분 엘라스토머(ELASTOMER)로 튜브형 또는 스틱(STICK)형으로 제작되며 약 400℉까지는 안전하게 사용할 수 있다. 이와 반대로 배윤활 형식은 매끄럽게 가공된 프러그와 밸브 몸체사이의 마찰을 엘로스토머 라이너(LINER)또는 씰 재로로서 자체적으로 해결하는 구조로서, 밸브의 크기가12〃까지 제한된다.
밸브가 12〃가 넘는 대형의 프러그 밸브는 윤활 형식의 구조를 가져야 한다. 프러그 밸브의 몸체 형식은 다양한 설계형식을 갖고 있다. 즉, 밸브 외관으로 보아
·SHORT PATTERN
·REGULAR PATTERN
·VENTURI PATTERN
·MULTIPORT PATTERN:2-WAY, 3-WAY, 4-WAY, 5-WAY
등으로 구분할 수 있으며, 접속단 형식도 다른 밸브와 같이 다양한 형식을 갖고 있다. 단, 프러그 밸브를 용접 설치할 때는 볼 밸브와 마찬가지로 프러그를 제거한 후에 용접하는 것이 바람직 하다.

프러그 밸브의 설계상 주요관점

프러그 밸브에 있어서 설계상 주요 관점은 볼 밸브와 마찬가지로 시팅 및 스템의 씰링 문제이다. 그러나 프러그 밸브의 프러그와 밸브 몸체간의 시팅은 이차적인 시팅구조를 만들 수 없기 때문에 비윤활 형식의 프러그 밸브는 시팅 구조를 만들 수 없기 때문에 비윤활 형식의 프러그 밸브는 시팅 구조로 탕성이 좋은 엘라스토머등으로 라이닝 한 구조로 구성되며 따라서 밸브의 크기는 12〃까지로 제한한다. 아울러 이러한 시팅 구조로 인하여 밸브 개폐에는 많은 토오크가 소요되어 통상적으로 4〃이상의 프러그 밸브는 기어열의 도움을 받는 작동기 (Geared Actuator)가 필요하다. 탄성이 좋은 엘라스토머(Resilient Material)는 소형의 비윤활형 프러그 밸브에서 스리이브라이너로서 TFE(350), FEP(300)가 널리 사용되고 씰 및 와샤 재료로서 TFE, TEFLON(400) 및 VITON(400)가 쓰인다. 스템 씰링은 프러그 밸브의 형식에 따라
·O-Ring Seal
·가압형 씰란트 챔버(Pressure Packed Sealant Chamber)
·금속/TFE조합 다이아 후람(Combination Metal/TFE Diaphragm)등이 많이 쓰인다.

프러그 밸브의 응용

일반의 프러그 밸브는 양방향의 유체 흐름을 허용 하지만 3-WAY, 4-WAY, 5-WAY 프러그 밸브는 제작가사 흐름 방향을 지정한다, 프러그 밸브는 공기, 가스, 기름은 물론 기름 혼합물과 같은 액체 스러리(Liquid Slurries)까지도 완전한 기밀(Bubble Tight)을 유지하며 개폐조작이 가능한 밸브로서 매우 다양하게 사용된다. 특히 프러그 밸브는 스러리의 집적을 도모하지 않는 구조이기 때문에 불순물이 개제된 액체계통에 널리 쓰인다. 이는 프러그의 개폐동작 자체가 집적된 불순물을 자동적으로 제거하기 때문이다.
프러그 밸브는 원칙적으로 유량조절용으로는 부적합하지만 프러그의 유로 통과 부분의 형상을 개선하여 유량조절이 가능하도록 한 프러그 밸브도 있다. 그러나 통상의 프러그 밸브도 유량조절의 정밀도가 그다지 중요하지 않을 경우에는 유량 조절도 가능하다. 단지 윤활 형식의 프러그 밸브는 절대로 유량 조절용으로 사용해서는 안된다. 왜냐하면 프러그 포트큰처의 씰란트가 유로에 노출될 수 있으며, 아울러 노출된 씰란트가 유체속도에 의하여 점진적으로 씰란트의 기능을 상실하게 할 우려가 있기 때문이다.
다이아후람 밸브는 탄성력이 매우 좋은 합성수지 또는 금속으로 다이아후람을 만들고 이를 밸브 몸체의 유로를 수직의 선형 운동으로 차단하여 유체의 흐름을 제어하는 밸브로서 밸브의 주요 트림 재료로서 다이아후람을 채용하였기 때문에 다이아후람 밸브라고 부른다.
이 다이아후람 밸브는 기본적으로 3가지 구성요소(Part)로 구성되어 있는데 밸브 몸체, 다이아후람 및 밸브 본네트로 구성된다. 이 밸브는 구조가 매우 간단하고 밸브 몸체 및 트림부의 금속부를 유체로부터 완저히 격리시킬 수 있어 부식성 액체를 많이 취급하는 화학공장(Chemical Plant)에 많이 쓰인다.
그러나 트림을 구성하는 다이아후람이 구조 및 재질상의 제한 때문에 고온고압 계통에의 적용은 곤란하며 운전중의 제반 피로와 다이아후람 재질의 열화에 따른 강도 저하로 주기적인 다이아후람 교체가 요구되는 밸브이다. 아울러 다이아후람 밸브는 밸브의 구성 형식에 구애받지 않으므로 Y-형, T-형, ANGLE형 및 공기압 작동식의 다이아후람 액츄에이터를 장착할 수 있다, 이러한 밸브형식의 다양성가 아울러PTFE(Non-Elastic Fluoropolymer)등으로 밸브 내부를 초청정상태로 유지할 수 있어 반도체공장용의 순수 가스 및 물라인, 제약회사등의 고순도 유체관리가 필요한 프로세서에 핵심적인 밸브로 사용된다.
다음 그림은 기본적인 다이아후람 밸브의 외관이다. 다이아후람 밸브의 크기는 현재1/4〃에서 20〃범위까지 생산이 가능하다.
일반적으로 가능한 다이아후람 밸브의 크기는 다음과 같다.

밸브의 접속다 형식

나사 체결식
나사 체결식
소켓용접형
맞대기 용접형
프랜지 체결식
다이아후람 밸브의 크기
1/4〃THUR.3〃
1/2〃THUR.2〃(프라스틱제)
1/2〃THUR.2〃
1/2〃THUR.8〃
1/2〃THUR.20〃(주철제)
1/2〃THUR.8〃(가단주철 및 청동)
1/2〃THUR.10〃(주강제)

다이아후람 밸브의 몸체 형식

다이아후람 밸브는 유로 흐름을 양방향으로 할 수 있으며 다음의 기본적인 두가지 형식으로 제작된다.
·웨어형(Weir-Type):밸브 몸체 하부에 웨어를 만들어 다이아후람의 운동량을 적게하고 아울러 다이아후람의 구조적 건전성을 높인 것으로 밸브가 비교적 콤팩트하다. 따라서 다이아후람 밸브의 대부분은 웨어형이고 특히 2〃가 넘는 밸브는 거의 모두가 웨어형을 채택하고 있다.
·관통형(Straight-through-Flow):밸브몸체의 유로부가 어떠한 간섬이 없는 관통형으로서 밸브에서의 압력 손실을 국소화한 구조이나 밸브 개폐에 필요한 다이아후람의 운동량이 많고 따라서 밸브의 본네트가 웨어형에 비하요 크게 됨으로 상대적으로 2〃이하의 소형에 사용된다 밸브의 건전성이 떨어짐으로 제한된 규모로 사용(제작)된다.
밸브 몸체의 모양은 T형과 앵글형이 있으며 접속단 형식 또한 다른밸브와 마찬가지로 다양한 접속단 형식을 갖고 있다.

설계상 주요 관점

다이아후람 밸브에 있어서 가장 중요한 구성요소는 다이아후람이다. 다이아후람은 밸브 트림의 핵심으로서 내부 누설이 없는 완벽한 유로차단(Bubble Tight Shutoff)과 다이아후람의 파손이 없는 즉, 외부 누성이 없는 구조 및 재질이어야 한다. 특히 여타 밸브와는 달리 다이아후라의 재질은 매우 중요한 것으로서 밸브의 건전한 운전을 위하여 수명기간동안 충분한 신뢰를 가져야 한다. 다이아후람의 재질로 보아 제작 가능한 다이아후람밸브의 크기는 다음과 같다.
다이아후람 밸브의 몸체는 PVC등과 같은 합성수지로부터 고가의 티타늄가지 매우 다양한 재질을 응용할 수 있으며 특히 밸브내부를 라이닝하기가 그 어떤 밸브보다도 용이한 것을 특징으로 한다.

다이아후람 밸브의 응용

다이아후람 밸브는 배관계통에서 거의 대부분을 스톱밸브로 사용된다. 또한 밸브 몸체의 구성재료의 선택이 자유롭기 때문에 반도체 산업에서 쓰이는 순수(Pure Water)에서부터 찐득찐득한 오염액체, 불순물을 다량 포함하고 있는 부식성액체의 수송용 밸브는 물론 개스 수송용 밸브에까지 선택의 폭이 넓다. 그러나 사실 이 밸브는 상대적으로 좋은 유체제어 특성을 가질 수 있어 적절한 재질의 다이아후람을 사용할 경우에는 유량제어용 밸브로도 사용할 웃 있다.
그러나 다이아후람의 재질상 사용 가능한 압력은 다른 밸브류에 비하여 매우 낮으며, 밸브의 크기가 커질수록 다이아후람에서 부담해야 하는 유체압려게 의한 힘은 거의 지겨의 제곱에 비례하기 때문에 이 밸브를 배간계통에 적용하고자 할 때는 계통설계자(System Engineer)와 밸브제작자의 충분한 협의가 필요하다.
이는 고온운전시 뿐만아니라 저온운전시에도 배관계통의 압력이 200Psia를 넘을 때에는 필히 밸브제작사와 협의하여 밸브를 선정하고 가능하면 운전상 유의사항도 자문하여 주어야 한다. 한 예로 미국의 유명 다이아후람 밸브 제작사인 ITT-Grinnell사의 기준은 다음의 표와 같다. 표에서 박스안의 값 단위는 psia 이다.

(8)기타 밸브류

기타 밸브로는 일반적으로 유체제어에 널리 사용되지 않지만 특수 목적 또는 제작 및 사용상의 요구가 매우 간단한 경우에는 그 경제성 때문에 일부 사용되는 밸브로서 전자와 같은 경우에는 앞서 언급된 게이트 밸브등 7종류의 밸브를 일부 변형하여 제한된 특수 목적에 사용하는데, 특수 목적의 대부분은 유체제어의 방법과 내부 기밀유지로 요약된다.
특히 프러그 밸브의 경우 트림의 모양을 원형(Prototype)의 프러그를 완전히 변형한 형식인 에센트릭(Eccentric)프러그 밸브를 대표로 들 수 있다.
이 밸브는 에센트릭 프러그의 모양에 따라 유체 르므의 특성을 사용자 요구에 맞게 제어할 수 있다. 다음 그림은 에센트릭 밸브의 운전형식을 보여주고 있다.
핀치(Pinch)밸브는 원통형상의 엘라스토머(Elastomer)로 구성된 스리이브를 금속제의 밸브몸체에 끼우고 몸체 중간에서 스리이브를 누름으로 스리이브를 통하여 흐르는 유량을 제어할 수 있다. 스리이브를 누르는 형상이 영어로 PINCHING이라고 함으로 이러한 밸브를 핀티밸브라고 한다.
밸브 구조가 너무 간단하고 유로 부분이 자연스럽게 교축됨으로 밸브에서의 저항 즉 압력손실이 적다. 밸브 구조상 사용온도는 엘라스토머의 재질에 제한받게 마련이며 스리이브의 코아를 강철코드(steel cord)나 화이바그라스(유리섬유:fiber glass)로 보강되었을 경우 40℉까지 가능하나 사용 압력은 밸브 사이즈에 따라 다르게 됨으로 밸브제작사의 자문을 받아야 한다.
그러나 사용온도는 아무래도 200℉이하인 대기압에서의 물의 비드점 이하에서 사용하는 것을 추천한다. 다음 그림은 핀치 밸브의 운전 모양을 보여주고 있다. 이스라엘 MIL사는 1976년부터 핀치밸브의 스리이브내에 코아형의 지지대를 설치하고 배관계통의 유체압력평형(Balance)를 이용하여 밸브를 손쉽게 개폐조작하느느 상품명 INBAL 밸브를 소개하고 있다.
이 밸브는 특별히 소방배관과 같은 경우에는 계통의 압력응답이 좋기 때문에 해외에서는 청수의 소방배관, 농장의 스프링쿨러 배관 및 공공시설의 급수배관의 주 조작밸브로 사용하는 사례가 적지 않다. 다음 그림은 INBAL밸브의 운전조작 특성을 보여주고 있다. 다음의 밸브는 피스톤 또는 변위형밸브(Displacement Valve)로 알려져 있는 미국 Fetterolf사의 특수 밸브이다. 이 밸브는 일반적으로 램 밸브(Ram Valve)로 알려려 있는데 탱크의 바닥이나 배관라인에 밸브 디스크(디스크 형상이 Piston 식임)안내면이 직각으로 되게 설치된다. 이 밸브는 특히 배관라인이나 탱크의 배수에 탁월한 효과를 가진다.

2.밸브공학의 기초

2.2 밸브에 있어서 유체역학

밸브는 유체계통은 제어하는 최종의 제어요소(FINAL CONTROL ELEMENT)로써 계통의 압력, 온도 및 유량을 바로미터로 하여 유체계통을 능동적인 형태로 제어한다.
따라서 주요 제어목표는 당연히 물리적인 양인 압력과 유량으로 단순화되어야 할 것이다. 물론 온도의 영향은 필히 고려 되어야 한다. 아울러 유체의 물성(物性) 및 제어환경의 영향이 고려된다. 기본적으로 제어밸브의 유량특성은 유체가 공학적 측면으로 압축성 유체와 비압축성 유체로 대별하여 설명할 수 있으며 또하 여기에 이 두가지 유체가 혼합되어 배관계를 흐르는 이상 유체도 공학적인 측면에서 매우 중요하다.
따라서 현재와 같이 고도화되는 프로세스 플렌트에서는 배관계통의 문제점 대부분이 제어하는 부분에서 유체의 급격한 성질변화-균일 해석가능한 유체에서 불균일하고 해석이 곤란한 二上유체화 등-에 기인한다고 해도 과언이 아니다. 대표적인 사례로써 오리피스후단이나 밸브후단에서의 유체천이현상 등이 있다.
일단 여기서는 우선 제어요소인 밸브의 기본 유체이론으로써 유량특성의 물리적 의미를 간단히 수식으로 표현하요 밸브의 유량제어관계를 이해하고자 하는데 목적이 있다. 밸브에 있어서 제어요소가 구성되는 곳은 밸브의 디스크와 시트이다. 이 디스크와 시트부분은 교축되어 있으며, 이곳의 교축점의 유로 단면적을 인위로 조절함으로써 배관계의 유량과 압력을 조절할 수 있다. 지금 이상적인 유체가 이 교축점을 지날대 m유체의 에너지 방정식을 적용하면 그림 37에서와 같이 V12/2g+H1=V22/2g+H2, V22-V12=2g(H1-H2) 여기서 V1,2=배관계 내의 유체속도, 첨자1은 입구배관, 첨자2는 교축지점 g=중력가속도 H1,2=기준선으로 부터의 위치 에너지의 양(압력수두)
그리고 배관계 내를 흐르는 유량 Q는 일정하므로
Q=A1V1=A2V2
A1,2=첨자1,2지점의 유로단면적
V1=(A2/A1)V2=mV2
따라서 V22-m2V22=2g(H1-H2)
V2=√V2=2g(H1-H2)/1-m2
결론적으로 제어유량은
Q=A2V2=A2√V2=2g(H1-H2)/1-m2
그러나 이 경우는 배관 내를 흐르는 유체의 압력 손실을 전혀 고려하지 않은 이상적인 경우임으로 실제와는 상당한 차이가 있다. 그림 38은 배관계통에서의 손실을 고려한 것으로써 이 손실에 대한 양은 유체출구으 l형상 및 배관내의 제반손실요소에 따라 실험적으로 결정되므로 이론적으로의 접근은 매우 복잡하고 아울러 어렵다. 이 손실의 정도를 손실계수 C1이라고 정의하고 F=1~m3라고 하면 출구의 제어유량은 Q=C1FA2√2g(H1-H2)가 된다.

2.2밸브에 있어서 유체역학

일반적으로 유체역학에서 오리피스의 적용은 전호에서 간단하게 언급했듯이 교축관에서의 수력구배와 급격한 유로단면적의 변화로 생기는 소용돌이 마찰 손실등 에너지 손실을 적극적(Positive)으로 이용한 것이다.
실제로 밸브 디스크와 시트는 분명한 오리피스의 교축과 유사하며 이를 그림으로 표시하면 그림 39와 같다. 오리피스의 목(Throat)바로 하단에 생성되는 유로의 최소단면을 Vena Contracta라고 하는데 이곳에서의 에너지랭을 Hvc라고 하고, 또한 이곳에서의 급격한 교축으로 인하여 소용돌이로 인한, 손실, 속도천이로 인한 속도에너지의 손실 등 많은 손실이 이곳에서 일어난다. 이러한 오리피스에서의 손실의 정도를 계산하기 위하여 새로운 계수 C를 도입하여C=C1(AVC/A0)로 한다. 실제로 Vena Contracta에서의 유속 Hvc 및 단면적 Avc의 계산은 실험적으로 C를 측정하여 정할 수 밖에 없다. H1, HVC, H2의 관계를 압력회복계수 FL로 표현하면 FL=√H1-H2/H1-HVC 이다.
이 FL을 적용하여 제어유량의 식을 정리하면
Q=CFAO/FL√2g(H1-H2)가 된다.
이식을 공학단위로 바꾸면
Q=갤론/분,A0=inch2, H1-H2=ΔP/G 이므로
Q=38.0CFAO/FL라고 정의하면
Q=CV√ΔP/G 가 된다.
이러한 밸브에서의 유량과 CV의 관계신은 1945년경 미국의 유명 제어밸브회사인 MANSONEILAN에서 제시한 아이디어를 구체하시킨 것으로 지금은 ISA(Instrument Society Of America)에서 제어밸브의 기준 Paramerter로 사용되고 있다. CV는 ISA에서 규정한 절차에 따라 실험적으로 측정된다. 이 CV의 특정방법조직은 다음의 그림40과 같다.
이 CV의 의미는 밸브전후의 차압(ΔP)이 1psi에서 1분당 흐르는 유량을 US갤론으로 표시한 값이고 이를 미터단위(유량:m3/Hour, 비중:물=1, 차압:kgf/cm2로 표시하려면 보정계수 1.17를 곱하면 된다.그러나 실제로 Q=CV√Δp/G 의 식은 유체의 속도가 어느정도 이상인, 그리고 밸브 전후의 배관계의 형상은 유체의 흐름에 직접적인 영향을 주게됨으로 밸브를 통한 유량 Q는 다음의 배관형상계수 FP를 도입하여 보정되어야 한다. 즉.
Q=FP CV√Δp/G(us gallon 단위)
Q=0.865FP CV√Δp/G(미터 단위)가 된다.
만약 밸브내의 유동이 비난류로 판정되면 FP의 계산은 더욱 쉬워 진다.
즉 레이놀즈 수를 계산하여 밸브의 FP값을 적용할 수 있다.
자세한 사항은"How Equations for Siging Control Valves ISA-S75.01"를 참조한다. 밸브에서의 통과 유체가 증기나 가스인 경우 계통압력의 변동에 따라 압축되거나 팽창될 수 있어 밸브유량계수의 논리적 설명은 더욱 힘들어 진다.
특히 가스의 경우 압력이 저하되면 팽창이 되므로 팽창계수 Y를 고려한다. 이 Y의 값은 밸브 입구와 포트의 면적비, 밸브내브의 유로 형상, 압력강하비, 비열비 및 리에놀즈 수에 크게 영향을 받는다.
다음의 그림 41은 밸브 및 배관계에 있어서 에너지 구배정도를 설명하는 매우 좋은 예이다. 이 그림에서 각 기호는 물리적량을 표시한 것으로 모두 에너지량이다. 배관계통에 있어서 밸브는 없어서는 안될 중요한 제어요소이다.유량을 조절하거나 차단하고 유체가 정상적으로 흐르는가를 확인하기도 한다.그러나 밸브는 배관계통상에서 원활한 유체 흐름을 방해하는 일종의 저항요소로서의 작용은 피할 수 없다.
이것은 밸브에서의 압력손실을 밸브에서의 압력 손실을 KV로 표시하면
KV=144Δp/ρV2/2g
ΔP=1bf/inch2, V=bf/sec
ρ=유체의 밀도(16m/ft3)
그런데
Cv=Q√G.ΔP이므로
ΔP=KV/144·GV2/2G=G·(Q/CV)2
또는
CV=√G.2G/ρ·(Q/V)12/√KV
그런데
Q(231in3/gal ×1min/60sec ×1f3/1728in3)=AV=πD2V/4×144
여기서
D=배관의 직경 inch
V=배관내 유체속도(ft/sec)
앞의 CV 항과 배관내의 유체유량 (Q)를 한데 묶으면
CV=29.8395 D2/√KV
따라서 우리는 밸브응용에서 중요한 사실 한가지를 여기서 알아낼 수 있게 한다.
즉 밸브제작자로부터 4″의 CV=236인 밸브를 구매하였다면 밸브에서의 압력손실계수는 다음과 같이 계산된다.
KV=29.842(4)4/2362=4.093~4.1이 된다.
물론 배관계통내의 압력, 유속과 유체의 밀도에 따라 KV의 값은 변화하게 되나 일반적 공학응용에서의 완권 개방된 밸브의 형태별 KV 값은 대략 다음과 같다.만약 배관내의 유체가 압축성 유체 즉, 가스라면 CV는 여기에 맞게 보정되어야 한다.
Q=√520/T C1·CV.P1 Sin(3417/C1√ΔP/P1)로 나타낸다.
여기서C1·CV=Cg로 표현하고 실험적으로 Cg의 값은 개략적으로 32-36정도의 값을 갖는다.
다른 방법으로는 밸브의 형상계수(Configurationfactor)와 등가오리피스 방법을 사용하여 밸브의 P를 구하는 방식이 있다. 즉 밸브크기의 결정에 있어서 밸브의 유체 교축부를 등가의 오리피스 직경으로 고려하며 손실 계수 KV를 구하는 것이다.
KV=b1(dL/dEO)4 여기서,
dL=밸브 입구의 직경(Inch) dEO=C(dL)1.07
C=밸브의 트림형상에 따라 결정되는 형상계수
b1=계수(액체의 경우 2.786공기의 경우 3.084)따라서, 밸브에서의 압력손실량은
ΔP=KV·ρ·V2/288g , g=386.4 inch/sei2=0.0837 kv·ρ·Q/dL4·g
여기서 Q=US gaL/min(GPM)이다.
다음의 그림 42는 밸브의 완전열림상태(Full Ported)를 기준으로 하는 밸브 형상 계수 C이다. 그림 43은 밸브의 등가 오리피스 지경과 밸브 입구 내경에 대한 형상계수의 관계이고 그림44는 밸브 입구내경과 형상계수 C에 따른밸브에서의 손실계수의 K의 관계이다. 그림45, 46, 47은 볼 밸브, 버터플라이 밸브 및 게이트 밸브의 밸브 개도에 따른 밸브의 손실 계수 값을 보여주고 있다.

2.3 밸브의 재료학

2.3.1 재료 사양의 일반적 사항재료 사양(Material Specification)이란 재료가 가지고 있는 물리적 및 화학적 고유 특성과 성질을 정의한 것으로써. 그 특성에는 화학 성분과 기계적 성질 등이 포함된다. 한편 재료 사양은 기본적으로 화학조성, 기계적 성질, 가공방법 또는 제품 형태별 등의 공공 성격에 따라 분류 되어지고 있다.

1)재료 사양(Material Specification)

재료 사양 체계를 관리하는 기관으로는 여러 기관이 있으며 이들 기관은 정부로 부처 재료 사양의 관리에 대한 권리와 책임을 갖고 있다. 이 중에서 강(鋼)에 대한 사양 체계로는 미국 철강협회(AISI)가 만들어 놓은 4자리 번호 체계가 가장 널리 쓰이고 있다.
그리고 이 4자리 식별 체계는 AISI-SAE steel designation system이라고 부른다. 그 외에 미국 시험 및 재료 학회(asme)의 사양, 제품에 관한 사양을 만들어 내는 주요기관과 사양을 열거하면<표1>과 같다.

2.3.2 재료 사양의 구성

기자재 설계에서 우리 엔지니어들이 업무 수행중에 가장 자주 접하게 되는 재료 사양의 몇가지에 대하여 그 구성 또는 기호 체계를 좀더 상세히 살펴보면 다음과 같다.

1)ASTM

미국 시험 및 재료 학회 사양으로서 매년 보완하여 발행하고 산업 전반에 걸친 재료와 시험 요건을 규정하고 있으며 1990년과 ASTM 표준은 표2와 같이 총 68권으로 이루어져 있다.

2)ASME

(A) 일반
ASME 코드라 하면 보통 미국 기계학회(ASME)가 발행하는 BOILER & PRESSURE VESSEL CODE를 말하며 이 코드는 11개 SECTION II으로 구성되어 있고, 그 중에 SECTION II는 안정성에 적절하며 발전소 건설에 소요되는 압력유지 기기와 압력 용기의 제작 건설에 필요한 재료 사양중 다음 내용을 담고 있다.

①추천되는 적용 분야와 제한 사항(suggested service application and limitations)
②실용화된 재료 가공 방법 및 제품 형태
(material processing methdos utilized and product form available)
③화학 조성 미치 금속학적 성질
(chemical compositions and metallurgical properties necessary to define meterical characteristics)
④기계적 성질의 최소값
(established minimum mechanical properties)

그렇기 때문에 section II 재료 사양이 다른 section의 지배를 받는 기기 설계에 모두 그대로 사용해도 적절 하다는 뜻은 아니다. 예를 들면 sectionIII 에 의한 원자력 기기의 기술 규격서 작성시에는 sectionII에서 기기 등급(class)별로 요구하고 있는 충격시험, 비파괸시험 등을 추가로 반영한 재료 사양을 적용해야 한다는 뜻이다. 한편 section I는 PART A.B.C의 3권으로 나누어져 있다.
PART A- FERROUS MATERIALS
PART B- NONFERROUS MATERIALS
PART C-WELDING RODS, ELECTRODES AND FILLER METALS
그리고 sectionII중 PART A와 B의 재료 사양은 ASTM 사양과 내용이 동일하거나 약간 다른 경우는 압력용기 설계기준을 고려해서 몇가지 사항을 추가했을 뿐이다. (B) ASME section II, PART APART A는 철강 재료를 다루고 있으며 11가지의 제품 형태(PRODUCT FORMS)별로 사양을 다음;과 같이 대별하고 있다.

1. ALUMINUM AND ALUMINUM ALLOYS
2. COPPER AND COPPER ALLOY PLATE, SHEET, STRIP AND ROLLED BAR
3. COPPER AND COPPER ALLOY, BAR AND SHAPES
4. COPPER A

ND COPPER ALLOY PIPE AND TUBES
5. COPPER ALLOY CASTINGS
6. NICKEL AND NICKEL ALLOY PLATE, SHEET AND STRIP
7. NICKEL AND NICKEL ALLOY OD, BAR AND WIRE
8. NICKEL AND NCKEL ALLOY PIPEAND TUBES
9. NICKEL ALLOY CASTINGS
10. NICKEL AND NICKEL ALLOY FITTINGS
11.TITANIUM AND TITANIUM ALLOYS
12. ZIRCONIUM AND ZIRCONIUM ALLOYS

(3)JIS

(A)일반사항

일본 공업 표준(JIS)에 의한 철강 재료의 규격은 우선 鐵 과 鋼으로 크게 나눠지고, 철은 다시 선철, 합금철 및 주철로 분류되고 있다. 또한 보통강은 후판, 박판, 선재처럼 형상이나 용도별로, 특수강은 강인강, 공구강, 특수 용도강처럼 성질에 따라서, 강관은 강종과 용도별로 세분되고 있다.

(B).철강재 기호 설명

철강재 기호는 원칙적으로 아래 예와같이 3부분으로 구성되어 있다.
예, S S 41
(1)(2)(3)
(1) 강
(2)구조용 압연재
(3)최저 인장강도 41 kgf/mm2

①최초 부분은 재질을 표시한다.
예, S : 鋼 F:鐵

②번째 부분은 규격명 또는 제품을 표시한다.
예, S :STRUCTURAL(일반 구죠용 압연재)
U: SPECIAL USE(특수 용도강)
C: CASTING(주물)
F:FORGING(단조)
슈:BOILER AND HEAT EXCHANGE TUBE(열전달용관)
UH:HEAT RESISTING(내열강)
UP:SPRING
US:STAINLESS 강
체:COLD PLATE(냉연판)
HP:HOT PLATE(열연판) 등이 있고 구조용 합금강은 NCM처럼 첨가원소의 부호를 사용한다.

③마지막 부분은 재료 종류 번호의 숫자 또는 최저인장강도를 표시한다.
예, 1:1종
2A:2종 A GRADE
50:최저 인장강도(50 KGF/MM2)
(C)JIS 기계 구조용강 기호 체계
① 주요 합금 원소 기호
주요 합금원소 기호는 표3과 표4에 따른다.
② 주용 합금원소량 코드
표 5는 주요 합금원소량을 구별한 것으로 탄소강을 제외한 다른 강종에 모두 쓰인다.
③ 탄소량의 대표치
탄소 함유량 중앙치 백분율 100배한 수치를 적는다
예 SIZE: 탄소 중앙치 0.12%
④ 부가기호
제 1그룹은 기본강에 특수원소를 첨가했을 때 표시
(예: L:납 첨가, S:황 첨가, U:캄슘첨가)
제 2그룹은 화학성분 이외헤 특별한 보증하는 성질을 표시
(예, H:경화능 보증강, K:표면 경화용 탄소강)

(4)KS

(A) 일반

한국공업표준(KS)은 A에서 W까지 15개 부문으로 대별된다.
A-기본, B-기계, C-전기, D-금속, E-광산, F-토건, G-일용품, H-식료품, K-섬유, L-요업, M-화학, P-의료, R-수송기계, V-조선, W-화공

(B)철강재 약어 설명

KS 철강재에 나오는 강재중 주요한 것을 열거하면 다음과 같다.
일반 구조용 압연강재(SS)
용접 구조용 연압강제(SWS)
용접 구조용 내후성 열간 압연강재(늠)
고 내후성 압연강재(SPA)
보일러용 압연강재(SBB)
기계 구조용 탄소강재(늩ㅌㅊ)
구조용 합금강 강재(SMn,SCr, SMnC, SCM, SNC, SNCM, SACM)
공구용 탄소강재(STC)
합금공구강재(STS, STD, STF)
고속도 공구강재(SKH)
스테인리스강
내열강재
C-Cr 베어링 강재
스프링강재
타소강 주강픔
쾌삭강재
스테인리스강 주강품
타소강 단강품
합금강 단강품
(c)ks 구조용 함금강의 기호체계
ksrn조용 합금강의 기호체계는 2023.(c)에서 설명한 JISRLRp 구조용강 기호체계와 동일 하다.
예회, 탄소강:JIS는 S ××C 인데 비해KS는 SM ×× C 이다.

2.3.3.철강의 분류 및 식별 체계

1)일반사항

공업용 철강 재료는 화학적으로 순수한 Fe가 아니고 Fe를 주성분으로 하여 각종의 성분 즉 C, Si, Mn, P, S 등을 품고 있으며 이러한 성분들은 철강의 성질에 중요한 영향을 준다. 금속 조직학상으로는 C 2.0 이하를 강, C 2.0이상을 주철로 규정하고 있으나 C 1.3-2, 5%의 범위는 실용성이 적으므로 공업적인 생산은 별로 하지 않으며 주철의 탄소 함량은 보통 2.5-4.5% 범위에 있다.
또 위에서 말한 철강 중에 5성분 외에 특수한 성질을 얻기 위해서 특수원소 즉 Ni, Cr, W, Mo 등을 철강중에 부가하거나 또는 위에 적은 5원소 에속하는 것이라도 특수한 성질의 부여를 목적으로 함유량을 많게 하는 것이 있다. 예를 들면 Si를 많이 품은 규소강, Mn을 많이 품은 냄마모강 등에 특수강(Special Steel)또는 합금강 (Alloy Steel)이라 하고 이에 대하여 보통을 강을 탄소강(Cardon Steel)이라 하고 철광석 제련의 산물, 제강 그밖에 원료로서 쓰일 때 선철 (Pig Iron)이라 부른다.
KS DOO41 "철강용어"에서는 합금원소의 최저 함유량 기준에 대해 표 6과 같이 일본 관세협력이 사회(Customs Cooperation Council)에서 분류하는 화학 성분에 따른 합금강 규정을 채틱하고 있다. 편의상, 합금워소 함유량의 다소에 따라서 고합금강 또는 저합금강이라 부르는수도 있다.

2)AISI

(A).일반

미국 철강 협회 (AISI)에서 탄소강과 합금강을 정의내린 규정을 살펴보면 다음과 같다.

1. 탄소강(Carbon Steel)

탄소강이란 탄소를 보통 0.06∼2.0% 품고 있으며 기타 합금원소는 조금씩 존재하되 특히 다음 원소는 제한된다.
Mn: 1.65% max
Si: 0.60% max
Cu: 0.60% max
한편 탄소강을 Plain Carbon Steels, Mild Steels, Low-Carbon Steels 또는 Straight-Carbon Steels이라고 부르기도 한다.

2.합금강(Alloy Steels)

탄소가 1% 이하 들어간 철로써, 망간 1.65%, 규소 0.6%중 1가지라도 함량이 넘거나, 알루미늄, 크롬 (최대 3.99%), 코발트, 몰리브덴, 니켈, 티타늄의 여라 합금원속 첨가된 강을 지칭함.
단, 합금의 총합은 5% 미만이어야 한다.

(B).탄소강 및 합금강의 식별체계

미국 철강 협회는 미국 자동차 학회 (SAE)가 채택하고 있　 식별체계는 탄소강과 합금강을 식별하는데 가장 널리 쓰이고 있으며 그 식별체계는 4자리로 구성되어 있고 주요 그릅을 요약하면 표7과 같다.
(1) (2) (3)
1.첫째자리 숫자는 주요 합금원소를 표시함.
1:Carbon
2:Nickel
3:Nickel - Chromuium
4:Molybdenum
5:Chromium
6:Chromium - Canadium
7:Tungsten - Chromium
8.9:Multiple Alloy

2.둘째짜리는 대체로주요 합금원소의 함량 (%)을 표시함.
예, 23××:니켈을 약 3% 함유

3.마지막 2자리 숫자는 탄소 함량의 중간치 (% ×100)을 표시하며, 탄소가 1.0%이상일 때에는 3자리가 됨.
예, 1040 : 탄소함량 0.40%
(C).스테인리스강을식별 체계

.가단 스테인리스강

가단 스테인리스강(Wrought Stainless Steel)의 식별을 위해 AISI와 기타 규제 기관들이 공통으로 채택하고 있는 기관들이 공통으로 채택하고 있는 체계는 3자리로 구서되어 있다.
(1) (2)
(1)첫째 자리는 주성분을 표시함.
2××:크롬, 니켈, 망간을 주성분으로 함
3××:크롬-니켈 합금
4××:크롬 합금
5××:원래는 석출경화형에 쓰였으나 현재는 AISI가 이식별 체계를 버리고 대신에 UNS 체계를 사용하고 있음.
(2)마지막 2자리는 특별한 의미가 없으며 스테인리스강을 발전에 따라 고유번호를 붙여왔음.

2.스테인리스 주강

3)Unified Numbering System

(A).일반사항

1.Unified Numbering System(UNS)이란 철강을 포함한 모든 금속 합금의 식별 체계를 만족시키가 위하여 미국 재료 및 시험학회 (ASTM)와 미국 자동차 학회(SAE)가 공동으로 개발한 재료 식별 체계이다.

2.UNS는 합금의 조성과 특성은 언금하지 않는다.
다만 AISI나 다른 재료 사양 작성 기관이 만들어 낸 재료 사양을 총제적으로 식별하고 있을 뿐이다. 2UNS는 기존의 재료 사양을 대체해 가는 과정에 있다.

(B).구성

UNS는 5자리로 구성되어 있으며 대체로 기존 식별 체계를 다음과 같은 형태로 포용하고 있음.
예, 1.탄소강 AISI 1020 → UNS G10200
2.스테인리스강 Type 316 → UNS
S31600
Type 316 → UNS
S31651
3.UNS의 기본 시리즈는 <표10>과 같음.
4.UNS 번호를 부여하는 책임 기관은 <표11>과 같음.

4)철강 제품의 종류 및 제조 공정

철강 제품에 대한 일반적인 제품의 혀애와 그 제조 공정 및 제품별로 그 사이즈에 대한 저으이는 관련ㄱ 재료 사양을 참조하면 된다.
한편 ASME B31.1, "Power Piping"에서 파이프와 튜브에 대하여 그 차이를 다음과 같이 정의를 내린고 있다.
-Tube-단면의 형태가 어떠하든지 구멍을 가지고 있으며 그 구멍의 외곽형태가 연소적인 재푸미을 말한다.(A tube amd a hollow product of round or any orher cross section having a continnous periphery)
-Pipe-단면의 형태가 구형인 튜브를 말함.(Apipe is a tube with a round cross section conforming to the dimensional requirements for nominal pipe size as tabulated in ANSI
B36.10, Tables 2 and 4; ANSI B36.19,Table 1, For special pipe having a diameter not lisred in these Tables, and also for round tube, the nominal Diameter corresponds with the outside diamenter.

2.3.4 재질의 특성과 선택

유체제어에 있어 밸브는 유체성의 특겅 즉, 압력, 온도 및 물리화학적 특성등에 견딜 수 있는 재질로 제작되어야 한다. 따라서 밸브용 재질로 널리 사용되는 철강의 종류는 이들의 모든 특성을 고려해야 하기 때문에 의외로 매우 다양하다.
재지르이 선택기준은 유체의 온도특성, 그리고 물리화학적 특성이 우선적으로 고려된다. 약 1세기여에 걸쳐 이 분야에 대한 공업선진국들의 노력은 가히경탄할만 하다.
특별히 유체의 화학적 특성에 대한 부식(Corrosion) 문제와 물리적 특성에 주로 좌우되는 침식(Erosion) 문제는 밸브 자체의 가치손실뿐만 아니라 전체 계통에 대한 손실비용을 더욱 크게하고 아울러 시간이 흐를수록 이 손실비용은 점차 커질수 있다는 점이다.
일반적으로 산(酸, acids)를 취급하는 밸브는 그 용액의 농도에 따라 밸브 재질에 대한 부식력도 달라진다. 황산과 같은 경우에는 온도가 낮아지면 용액이 이온화되기쉽기 때문에 산용액은더욱 부식을 촉진시킨다. 온도는 밸브 재질의 선전에 있어 가징 중요한 요소이다. 간단한 예로서 화학반응(부식과정)의 정도는 10℃상승시마다 2배로 부식율이 촉진된다는 것이다. 따라서 38℃의 유체를 퀴금하는 밸브는 부식이 발생하지 않지만 같은 화학적 조건에서 유체온도를 150℃로 높일 경우에는 부식이 급격히 촉진되는 경우가 이의 예이다. 아울러 온도가 높아지면 밸브재료로서 금속이든 비금속이든간에 물리적 특성이 변화되어 압력에 대한 저항오 떨어지는 것이다.
이외에 밸브의 압력경계면에 있는 트림은 압력상승에 의한 재질간에 마찰, 마모 및 긁힘등의 문제와 유체의 물리적 성상으로 유체의 속도, 불순물 입자의 혼입과 이들 입자의 운동에 의한 침식문제등이 밸브 재질의 설계시 또는 선정시 주된 요소로 고려되어야한다. 다음의 그림 48은 우리나라 밸브업계에서 주로 쓰이는 밸브 몸체와 본네트 재질에 대한 재질코드를 미국재료학회 코드 기준으로 정리한 것이다. 어율로 밸브 몸체에 따른 본네트 볼트의 재질도 아울러 표기하였다.
다음의 표13은 우리나라 밸브업계에서 주로 쓰이는 밸브 몸체와 본네트 재질에 대한 재질코드를 미국 재료학회 코트 기준으로 정리한 것이다. 아울러 밸브 몸체에 따른 본네트 볼트의 재질도 아울러 표기하였다. 그러나 표 13의 데이터는 실제 사용환경과 비교, 다음과 같은 일반적 주의 사항을 염두에 두고 재질의선정을 하여야 할 것이다.
즉, 고려사항으로써 (1)탄소의 함유량은 가능한한 0.25를 넘지 안항야 밸브를 배관고 용점시 별 트라블이 없을 것임으로 0.25%이하로 탄소함유량을 제어하는 것이 좋다.
(2)탄소강, C-Mo강ㅡ Cr-Mo강의 경우에 있어서 고온상태로 장기간 운전할 경우 입계등에서 흑연화현상이 발생하여 밸브구조가 취약하게 될 염려가 있으므로 다음과 같은 사용온도 이상에서는 사용시간을 고려하여 밸브를 선정하거나 계통의 운전모드를 설계하여야 한다.
(3)고온산화현상에 의한 스키일 발생을 주의하여햐 한다. 다음은 고운에 장기간 사용시 스케일 (산화현상)의 발생이 염려되는 온도이다.
1-1/4Ci-1/2Mo (ASTM A182-F11)
586℃(1050℉)
2-1℃/4Cr-1Mo (ASTM A182-F22)
565℃(1050℉)
5Ci-1/2Mo (ASTM A182-F5)
593℃(1100℉)
(4)고온 고압의 수소한경에 있어서 강은 수소를 흡구하여 재질 특성이 취약해지는 경우가 실제로는 매우 심각한 문제를 야기한다.이를 수소취성화라고 말하는데 이는 수소가 강 입계에 침입하여 탄화물을 분해하여 탈탄과 아울러 입계에 균열을 발생시킨다. 이는 밸브구조의 압려구부를 총체적으로 파괴할 수 있으므로 매우 주의하여햐 한다.
(5)저온용의 F효선정에 있어서는저온에 의한 취성을 고려하여햐 한다.
이를 방지하기 위하여 저온용 재료는재질상의 결함이 없을 것, 사용조건에견딜 수 있는 인성이 있는 재료일 것, 용접이 및 가공이 좋은 재료일 것, 내식성이 양호할 것등이다.

2.3.5 밸브 트림의 재질

(1). 트림재질의 내마모 및 내Galling 특성

밸브트림은 유체와 직접 접촉한다는 사실과 함께 유체제어를 위한 기계적 운동을 동시에 수행하게 됨으로 밸브 부품중 가장 가혹한 환경에서 운전하는 부품이다.
아울레 트림은 이러한 특성으로 인하여 침식부식등의 손상이나 오랜 사용으로 인하여 노화될 때 언제든지 교체될 수 있어야 하는 부속품이다. 따라서 밸브트림은 재질은 트림 재질간의 기계적 운동에 의한 긁힘 또는 마모등의 문제에 대하여 강한 특성을 가져야 한다.
이러한 재질간의 긁힘(Galling)특성에 대한 것은 첫째, 친화력이 높을 수 밖에 업는 같은 종(種)의 재질간과 둘째, 뚜렷하게 전위차가 큰 재질 셋째, 오스테나이트 스텐레스으로써 같은 강종이거나 경도가 유사한 경우에는 친화력이 높아 밸브트림으로써 접촉부 즉, 운동부에는 이들을 같이 사용하는 것은 금지하여야 한다. 다음의 표 15는 밸브 트림재질로서 마모 및 긁힘 특성을 보여준다.

(2). 운전온도에 따른 트림 재질

유체의 온도가 높을 때에는 밸브 몸체의 열팽창과 밸브트림의 열팽창간에 차이가 생기게 되는데 일반적인 밸브 트림재질에서 유체의 온도가 약 450。F (268。C)를 전후로, 이 온도이상으로 운전하는 밸브는 운전압력이 높아 밸브의 살 두께가 매우 두껍기 때문에 밸브 몸체 내부의 구조적 불연속에서 생기는 열변형이 크게 제약받게 된다.
따라서 트림부를 지지하고 있는 밸브의 크로치(Crotch)부분에서는 밸브 몸체의 열 변형에 비하여 큰 변형이 생길 수 있기 때문에 특별히 밸브의 시팅구조 부분과 결부하여 전체적인 밸브의 구조적 건전성에 특히 주의하여야 한다.
즉, 운전온도가 높을 경우에는 밸비 케이지와 같은 부품은 가능한한 구조적인 불연속부가 적은 밸브의 본네트에 가깝게 설치하여 케이지 아랫면의 열변형이 가능한한 구속이 덜 받도록 설계하는 것이 한 방법이다. 아울러 트림재질도 재료의 특성상 사용온도에 한계가 있다. 다음의 표 16은 밸브용재질에 있어서 사용온도의 한계를 보여준다.

(3). 유속에 의한 침식(Erosion)을 고려한 트림재질

유체 계통의 운전에 있어서 밸브의 압력제어범위가 크거나, 높은 차압을 밸브에서 제어해야할 경우 밸브의 제어 교축부인 디스크와 시트에서의 유속은 경우에 따라 음속을 뛰어넘은 엄청난 속도로 에너지 변화된다. 이때에 밸브트림은 유체의 제반에너지 변환특성 즉, 케비테이션이나 후라싱 또는 쵸오킹이 수반되고 이 과정중에 밸브 드림은 유체 임자의 계속적인 충돌로 표피(表皮)에 손상을 입는다. 이러한 현상을 침식이라고 한다, 대부분의 제어밸브 트림은 정도의 차이는 있지만 침식에 의한 손상을 받을 수 밖에 없다. 특히 케비테이션이나 후라싱 서비스를 전젤 운전되는 밸브는 주기적으로 점검하고 정기적으로 예비트림부품으로 트림을 교체해야 될 정도로 침식의 정도가 심한 것으로 이러한 제어밸브의 사례는 자주 경험된다.
제어밸브 특히 가혹한 운전조건에서의 트림재질은 앞서 언급한 내마모성과 내부식뿐만 아니라 강력한 내침식성이 요구된다.
대표적인 내침식성 재료로는 스텔라이트(Stellite)가 널리 쓰이는데 가장 대표적인 Stellite No.6의 경우 비교적 저가이면서 용접성 및 가공성이 비교적 양호하여 많은 밸브 제작자가 트림재질의 내마모 및 내침식 보강용으로 많이 선택하고 있다. 다음의 표 17은 밸브트림 재질별 내침식 특성을 보여준다.
따라서 밸브의 이 두가지 목적에 맞는 배관계통의 제어요소(Control Component)로써, 또한 배관계의 신뢰성에 가장 핵심적인 역할을 수행하는 부품으로써, 프로세스의 운전건전성 즉, 장기간 문제없이 제어요소로서 밸브 기능을 뒷받침 할 수 있는 강도를 유지하여야 한다. 본 절에서는 밸브공학의 기초로서 밸브의 구조, 밸브에 있어서 밸브 유체역학의 기초와 밸브의 재료학을 중심으로 설명한다.

2.1 밸브의 구조

밸브의 구조는 유체제어의 구조 및 특성, 유체의 물리화학적 성상, 운전조작의 방법에 따라 매우 다양하다. 따라서 밸브 구조는 유체제어의 구조 및 특성에 따라 물리화학정 성상에 따라 밸브의 구조가 달라지기도 한다.
밸브 구조에서 가장 핵심적인 사항은 압력 유지부분(Pressure Retaining Part) 및 유체와 직접 접촉하면서 밸브의 기능을 수행하는 밸브 트림, 그리고 트림부를 조작하는 구동부로 나눈다.
따라서 밸브의 종류를 구분하는 일반적인 방법은 밸브의 압력유지부의 형태 또는 형식과 트림의 형상또는 형식에 따라 구분한다. 다음에 앞서의 밸브 구분 방법에 따른 밸브 종류를 나타내었다. 특히 여기서 밸브 기술자가 알아야 할 매우 중요한 밸브 용어는 트림(Trim)으로써 "밸브의 유체제어 과정에 있어서 유체와 직접 접촉하면서 유체력에 의하여 직접적인 마모 또는 노화되는 부품으로 교환될 수 있는(Replacible)밸브 부품"이라고 정의 한다.

가. 개폐용(ON-OFF제어)밸브

게이트 밸브(Gate Valve)
일반 게이트 밸브(General Gate Valve)
솔리드 왯지(Solide Wedge)
후렉시블 왯지(Flexible Wedge)
스플릿트 왯지(Split Wedge)
더블디스크 패러럴 시트(Doubble Disc Parallel Seat)
스프링 패러럴 스라이드(Spring Parallel Slide)
볼 앤드 소켓 로테이팅 디스크(Ball and Socket Rotating Disc)
벨로우즈 씰 게이트 밸브(Bellow Seal Gate Valve)
나이프 게이트 밸브(Knife Edge Gate Valve)
콘디트밸브(Conduit Valve)
그로브타입 스톱 체크밸브(Globe Type Stop Check Valve)
T-그로브 타입(T-Type Stop Check Valve)
앵글타입(Angle-Type Stop Check Valve)
Y-타입(Y-Type Stop Check Valve)
글로블 밸브(Globe Valve)
팩레스 그로브 밸브(Packless Hermetic Diaphragm Globe Valve)
T-타입 팩레스 밸브(T-Type Packless Valve)
Y-타입 팩레스 밸브(Y-Type Packless Valve)
앵글 타입 팩레스 밸브(Angle-Type Packless Valve)
벨로우즈실 그로브 밸브(Bellows Seal Glove Valve)
체크밸브(Check Valve)
스윙 체크밸브(Swing Check Valve)
밸런스드(중추)체크밸브(Counter Weight Balanced Check Valve)
홀딩 디스크(듀오)체크밸브(Folding Disc Check Valve)
리프트 체크밸브(Lift Check Valve)
T-타입(T-Type Lift Check Valve)
Y-타입(Y-Type Lift Check Valve)
볼 타입(Ball Type Check Valve)
스프링 로디드 타입(Spring Loaded Lift Check Valve)
수평형(Horizontal)
티형(T-Type)
와이형(Y-Type)
틸팅 디스크 체크밸브(Tilting Disc Check Valve)
인라인 디스크(푸트)체크밸브(In-Line Disc Check Valve)
볼 타입(Ball Type)
디스크 타입(Disc Type)
푸트 타입(Foot Type)
백 후로우 프리벤터(Backflow Preventer)
고무 튜브 체크밸브(Rubber Tube Check Valve)
다이아후램 체크밸브(Diaphragm Check Valve)
버터후라이밸브(Butterfly Valve)
ANSI 규정(산업용)(For Industrial Purpose)
메탈 시티드(Metal Seated High Performance Butterfly Valve, HPBV)
프랜지 타입(Flange Type)
크로스 볼티트 웨이퍼 타입(Cross Bolted Wafer Type)
웨이퍼 타입(Wafer Type)
소프트 시티드(Soft Seated)
프랜지 타입(Flange Type)
크로스 볼티드 웨이퍼 타입(Cross Bolted Wafer Type)
웨이퍼 타입(Wafer Type)
AWWA 규정(수도관개용)(For Water Works Purpose)
프렌지 타입(Flange Type)
크로스 볼티드 웨이퍼형(Cross Bolted Wafer Type)
프러그 밸브(Plug Valve)
테이퍼드 프러그(Tapered Plug Valve)
루브리케이트 타입(Lubricated Plug Valve)
논 루브리케이트 타입(Non-Lubricated Plug Valve)
실린드리컬 프러그(Cylinderical Plug Valve)
엑씬트릭 프러그(Eccentric Plug Valve)
볼 밸브(Ball Valve)
프로팅 볼(Floating Type Ball Valve)
톱 엔츄리(Top Entry Floating Type Ball Valve)
엔드엔츄리(End Entry Floating Type Ball Valve)
트러니온 볼(Trunnion Type Ball Type)
싱글 터러니온(Single Trunnion Type Ball Type)
더블 트러니온(Double Trunnion Type Ball Type)
싱글 시티드 오 에스 앤 와이(Single Seated Outside Screw and Yoke Type Ball Valve)
소프트 다이아프램밸브(Soft Diaphragm Valve)
웨어형(Weir Type Soft Diaphragm Valve)
관통형(Straight-Through-Flow Type Soft Diaphragm Valve)
핀치형(Pinch Type Soft Diaphragm Valve)

나. 유량조절용(Flow Throttling)밸브

게이트 밸브(Gate Valve)
유량조절이 가능한 게이트 밸브(Throttable Sliding Gate Valve)
브이 오리피스 게이트 밸브(V Orifice Gate Valve)
그로브 밸브(Globe Valve)
디스크 형상에 따른 그로브밸브(Globe Valve Classified by Disc Type)
급개형 디스크(Quick Opening Type Disc)
디스크-시트 구조(Disc and SEAT)
톱 가이드형(Top Guide Type)
바디 가이드형(Body Guide Type)
바텀 가이드형(Bottom Guide Type)
케이지-프러그 구조(Cage and Plug)
선형 디스크(Linear Flow Type Disc)
디스크-시트 구조(Disc and Seat by GUide Type)
싱글 포트 디스크-시트(Singer Port Disc-Seat)
톱 가이드형(Top Guide Type)
일체형(Singer Body)
멀티오리피스 레스트릭숀(Multi-Orifice Restrication)
멀티벨로시티 헤드로스형(Multi-Velocity Head Loss Type)
분리형(Split Body)
바디 가이드형(Body Guide Type)
케이케이드형(Turbo-Cascade Type)
바텀 가이드형(Bottom Guide Type)
더블 포트 디스크-시트(Double Port Disc-Seat)
톱 앤 바텀 가이드형(Top & Bottim Guide Type)
디스크-시트 구조(Disc and Seat by Disc Type)
일반형(General Type)
멀티 브이 포트 디스크(Multi V-Port Disc)
케이지-프러그 구조(Cage and Plug)
밸런스트 프러그(Balanced Plug)
일반형(General Type)
레비린스 형(Labyrinth Type)
슬롯티드 케이지(Slotted Cage)
멀티 퍼포레이트 케이지(Multi-Perforated Cage)
멀티 오리피스 케이지(Multi-Orifice Cage)
언밸런스트 프러그(Unbalanced Plug)
일반형(General Type)
레비린스 형(Labyrinth Type)
슬롯티드 케이지(Slotted Cage)
멀티 퍼포레이트 케이지(Multi-Perforated Cage)
멀티 오리피스 케이지(Multi-Orifice Cage)
스템-디스크 일체형 구조(니이들 밸브:Niddle Valve)
등비율형 디스크(Equal Percentage Flow Type Disc)(선형 디스크 구조 체계와 동일)
혼합용 그로브 타입 제어밸브(Mixing Control Valve)
밸브 몸체 형상에 따른 구분(Globe Valve Classified By Body Type)
일반 티 그로브(General T-Type Globe Valve)
와이 그로브(Y-Type Globe Valve)
앵글 그로브(Angle Type Globe Valve)
와이 앵글 그로브(Y-Angle Type Globe Valve)
버터후라이밸브(Butterfly Valve)몸체 구성은 앞의 "가"항과 동일
정규 로타리 운동 버터후라이 밸브(Regular Rotary Butterfly Valve)
오프셋 디스크 버터후라이밸브(Offset Disc Butterfly Valve)
캔티드 디스크 버터후라이밸브(Canted Disc Butterfly Valve)
프러그밸브(Plug Valve) -몸체 구성은 앞의"가"항과 동일
엑쎈트릭 실린드리컬 프러그(Eccentric Cylindrical Plug)
엑쎈트릭 디스크 프러그(Eccentric Disc Plug)
스로틀링 프러그(Throttling Plug)
실린드리컬 프러그(Cylindrical Plug)
테이퍼드 프러그(Tapered Plug)
케이지 프러그(Cage Plug)
볼밸브(Ball Valve)-몸체 구성은 앞의"가"항과 동일
유량특성별 세크멘티드 볼밸브(Characterized Segmented Ball Valve)
급개형(Quick Openning Type)
선형(Linder Type)
등비율형(Equal Percentage Type)
브이 포티드 볼밸브(V-Ported Ball Valve)
선형(Linder Type)
등비율형(Equal Percentage Type)
소프트 다이아프램밸브(Soft Diaphragm Valve)
웨어형(Weir Type Soft Diaphragm Valve)
관통형(Straight-Through-Flow Type Soft Diaphragm Valve)
핀치형(Pinch Type Soft Diaphragm Valve)

다음으로 밸브의 유체제어를 위한 밸브 구동부의 구동특징 즉, 밸브의 스템 및 스템 조작 특징에 의한 밸브를 구하면 다음과 같다.
밸브 스템은 밸브를 열고 닫을 때 그 조작력을 전달하는 매우 중요한 밸브의 구성부품이다.일반적으로 디스크의 상하운동에 의하여 유체를 제어하는 구조를 가진 게이트 및 그로브 밸브는 스템의 길이가 길며, 디스크의 조절을 원활하게 하기 위하여 일부 특수한 장치(거의 선형운동을 하는)를 가진 자동 구동장치부의 제어밸브류와 같은 것을 제외한 수동조작 모타구동장치부의 밸브 스템은 사각의 나사를 채용하고 있다. 이 스템 즉, 밸브 핸드휠의 조작렬에 대한 사항은 추후에 자세히 설명하기로 하고 여기서는 스템의 구분(구동부의 구동특징)조작특성을 밸브 종류별로 구분한다. 밸브 디스크의 상하운동에 의하여 유체를 제어하는 구조의 밸브는 통칭하여 "Quater Turn"밸브라고 한다. 이외에 체크밸브와 같이 자체적으로 유체력에 의해 계폐동작을 하는 "Self Actuating"밸브가 있다.
<표> 생략

2.11 밸브의 구조형식

(1)게이트 밸브

개폐용(ON-OFF제어)밸브의 대표적 밸브이다. 게이트 밸브는 호칭직경 3/8″부터 36″까지(또는 이 이상도 제작가능하다.) 압력-온도 등급도 ANSI CLASS로 150LBS에서 4500LBS까지 선택의 폭이 매우 넓다. 밸브의 구조 형식 및 형태는 다음과 같다.

솔리드 또는 홀로우 형식의 디스크(SOLID OR HOLLOW GATE VALVE)

밸브의 시팅 구조상 가장 튼튼한 구조이나 밸브의 열 팽창과 배관작용력에 대한 디스크에서의 흡수 여유가 없기 때문에 밸브 디스크가 상온 이외의 사용에서는 고착 또는 누설 가능성이 높아진다. 따라서 이러한 구조의 게이트 밸브는 통상 호칭직경 4″이하, 사용온도 100″이하의 수동 소형 게이트밸브에 적용된다. 일반적으로 ANSI CLASS 2500까지 제작가능하지만 고압.고온 서비스인 경우 밸브 몸체에서의 열변형에 의한 고착 또는 누설에 각별히 유의 하여야 한다.
현재 국내 밸브제작사중 극히 일부 회사만이 ANSI CLASS 4500급까지 제작경험이 있으나 스프링 LOADED PARALLEL DISC TYPE에 비하여 수명이 떨어진다. 후렉시블 왯지 디스크(FLEXIBLE WEDGE GSTE VAVE) 디스크의 시팅(SEATING)면에서 어느 정도의 유연성을 갖고 있음으로 팽창 및 배관의 작용력에 대응할 수 있으며 아울러 다스크가 쐐기 형식으로 시트면에 작용함으로써 내누설 특성이 좋다.
따라서 FLEXIBLE WEDGE게이트 밸브는 이러한 시팅 구조상12"를 넘는 대형일 경우에는 동력에 의한 밸브 계폐장치(POWER ACTUATOR)가 권고되며 통상 사용온도200℉(93℃)이하의 호칭직경 4″를 넘는 중대형 밸브에 적용된다. 이 밸브는 ANSI CLASS로 150~2500까지 제작되며 현재 국내에서는 특히 고온 고압용(ANSI CLASS 1500 이상)밸브는 단 2개사 만이 제작할 수 있다.

분리형 디스크(SPLIT WEDGE GATE VALVE)

FLEXIBLE WEDGE디스크와 유사하나 디스크가 완전히 분리되는 구조이다.
디스크의 연결은 단순히 기계적인 고리를 이용하거나 스프링등의 보조를 받아 구성된다. 이러한 밸브는 FLEXIBLE WEDGE게이트 밸브와 같은 범주로 취급되나 배관의 굽힘등 배관작용력에 보다 신축성 있게 대응할 수 있어서 비교적 높은온도(90℃~)에 사용되며, 밸브의 크기는 통상호칭직경 4"이상의 중형밸브에 적용된다.
그러나 이러한 밸브는 다음의 더블 디스크 게이트 밸브의 장점에 비하면 적용사의 잇점이 적기 때문에 널리 쓰이지 않는다.

더블 디스크( DOUBLE DISC GATE VALVE)

통상 DOUBLE DISC게이트 밸브는 디스크가 평행한 구조를 가진 것을 특징으로 한다.
따라서 대형의 고온 고압용 밸브는 이러한 구조를 많이 갖고 있으며 일명 DOUBLE DISC PARALLEL 케이트 밸브라고도 한다. 주로 대형 밸브에서 많이 채용되며 사용온도가 100℃를 넘는 경우에 사용된다. 이 밸브는 시팅 구조상 계통이 가압상태이어야 밸브의 내누설 특성이 좋아지는 구조 즉, 계통압력이 한쪽면을 가압함으로써 이 가압력에 의하여 기밀이 유지되는 구조임으로 계통압력이 낮은 경우에는 상대적으로 시팅 효과가 떨어진다.
따라서 이의 보완책으로 평행된 두 디스크사이에 스프링을 이용 가압력을 보완하는 경우도 많다. 밸브 운전시 유의할 사항의 하나는 닫을 때보다 열릴 때가 보다 많은 힘을 필요로 하는 경우가 았음으로 계통의 운전 상태를 고려한 밸브 선정이 필요하다.
따라서 고온의 운전상태하에서는 가능한 한 고온상태에서 밸브를 열고 닫아야 한다.
아울러 두 개의 평형된 디스크는 정밀하게 가공되어야 하며 계통압력이 높아질수록 디스크면에 작용하는 면압의 효과를 극대화할 수 있도록 두 시트면의 평행도 및 가공 정밀도는 엄격하게 관리되어야 한다. 현재 국내에서는 아직 미개발 분야이다.

나이프 게이트 밸브(KNIFE GATE VALVE)

디스크의 형태가 날카로운 칼날 모양의 원형구조이다.
따라서 설계는 매우 콤팩트(COMPACT)한 구조로 설계되며, 배관계통에 있어서도 설치 및 보수 운전공간을 절약할 수 있다. 주로 상온의 낮은 압력하에서 스러리(SLURRY:찌거기)등이 있는 유체를 제어할 때 많이 쓰인다. 따라서 KNIFE GATE VALVE에서의 엄밀한 내누설을 요구할 수 없다.

(2)그로브 밸브(GLOBE VALVE)

그로브 밸브는 유로의 차단 또는 유량의 조절용으로 사용된다. 게이크 밸브에 비하여 유체의 제어적인 즉, 압력조절, 유량조절, 유로 차단등이 우수하나 밸브구조의 복잡함과 이에 따른 구조적 불안정으로 인하여 밸브 크기는 기술적, 경제적으로 제한을 받는다. 따라서 글로브 밸브는 통상적으로 특수한 경우를 제외하고는 호칭직경 12″를 넘는 대형의 그로브 밸브는 수동 조작의 경우가 매우 드물고 대부분 모타 구동 또는 유공압을 이용한 동력 구동밸브이다.
그러나 호칭직경 2″이하의 그로브 밸브는 유로차단(ON-OFF)과 스로틀링(THROTTLING)이 가능하며 특별히 비록 ON-OFF라 할지라도 계통 특성이 고압의 경우에는 소형 게이트 밸브보다 그로브 밸브를 선택하는 것이 합리적이다.
그러나 그로브 밸브 유로 차단용(SHUT OFF)으로 사용할 때는 밸브의 디스크 하부로부터 계통 압력이 작용함으로 닫힘에 요하는 힘이 게이트 밸브의 4~5배 이상에 이르며, 내부 구조가 복잡하여 온도가 변화하는 상태하에서는 열팽창의 비 대칭성으로 인하여 내부 누설의 가능성이 있음으로 보다 큰 힘의 밸브 개폐력 즉, 구동장치의 크기가 커야 한다.
그로브 밸브는 통상 호칭직경 3/8″~12″범위로 제작되며 압력-온도 기준으로 4500LBS까지 제작된다. 밸브의 형식 및 형태는 외양으로서 T, YDIDRMF 및 Y-앵글 형태가 있으며 스템의 구성 형식상 특수하게 스템 패킹으로부터의 누설을 방지하기 위한 팩레스(PACKLESS-HERMETICALLY SEALED, BELLOWS SEALED)밸브등이 있으며, 아울러 그로브 밸브의 디스크 및 시트의 설계방식에 따라 스템과 디스크 및 시트의 설계방식에 따라 스템과 디스크의 일체형과 분리형이 있으며 대부분이 분리형 구조를 체택하고 있다. 또한 디스크의 형상은 BALL TYPE, 조립식, PLUG TYPE, NEEDLE TYPE등이 있으며 디스크 및 스템의 안내방식에 따라 TOP GUIDED(고압용), BODY GUIDED(고형, 소형용) 및 BOTTOM GUIDED(저압용 -150LBS~300LBS)가 있다.
다음의 그림 16, 17, 18 및 그림 19에 대략적인 글로브 밸브의 구조형상을 표시하였다.

(3)체크밸브

체크 밸브는 배관계통 구성에 있어서 계통의 운전 상태에 따라 자력으로 계폐하는(SELF ACTUATING)유일한 밸브이다. 따라서 다른 밸브와는 달리 한번 설치하면서 유지, 보수 등의 문제를 간과하기 쉬운 밸브이므로 최초선정에 주의를 요한다.
체크밸브는 외양 및 작동 측성별로 스윙체크, 리프트체크, 틸팅 디스크 체크, 홀딩디스크 체크, 인라인 체크, 스톱 체크로 대별할 수 있으며, 가장 대표적인 체크 밸브는 스윙 체크 밸브이다. 밸브의 크기는 거의 제한이 없으며 설계 형식 또한 매우 다양하다. 체크 밸브 선정에 있어서 무엇보다도 중요한 것은 밸브에 있어서 압력 강하량의 크기문제, 체크밸브 사이의 유체흐름 속도의 문제, 밸브의 설치 위치와 누설한계 등의 문제 및 계통 특성상 체크밸브의 닫힘 시간의 문제를 고려한 후에 체크밸브의 형식을 결정하여야 한다. 이에 대한 보다 구체적인 설명은 추후 기술하기로 한다.

스윙체크밸브(SWING CHECK VALVE)

또한 스윙 체크 밸브에서 원활한 운전을 위하여 요구되는 최소 흐름속도는 이론적으로 다음과 같은 식으로 표시된다.
Vmin=45.68(w.cosθ)/(P.A.sin2θ)0.5
여기서 W=디스크 아암 무게의 0.5배와 디스크 무게를 합한 값(1bf)
A=디스크의 면적(inch2)
θ=유로 충돌면의 각도
리프트 체크 밸브(LIET CHECK VALVE)
스윙 체크 밸브에 비하여 유체의 속도가 비교적 빠른 조건에서 사용하며 내누설 특성이 양호하다. 그로브 밸브의 외양과 비슷하며 디스크 모양에 따라 피스톤(or POPPET)형식과 볼 형태의 것이 있다. 그러나 단점으로는 디스크와 안내면에서의 고착 가능성 과 디스크의 빠른 자전(SPINNING), 그리고 대구경의 경우에는 평형관이 필요하게 된다.

틸팅디스크밸브(TILTING DISC CHECK VALVE)

스윙체크밸브가 밸브 디스크의 개폐 속도 및 유량 변화에 신속히 대응하는데 부족한 반면 리프트 체크 밸브는 아에 비교적 양호한 특헝을 갖고 있다.
그러나 압력손실의 정도, 보수성 및 내수설에 대한 구조로 보아 스윙 체크밸브는 매우 양호한 특성을 갖고 있음으로 스윙 체크 밸브와 리프트 체크밸브의 장버을 절충하고 아울러 슬램(SLAM)에 의한 영향을 최소화시킨 구조의 밸브가 틸팅 디스크 체크밸브(TILTING DISC CHECK VALVE)이다. 이 체크밸브도 가능한한 균일한 흐름이 예상되는 곳에서의 사용을 권장한다.

홀팅디스크 체크 밸브(FOLDING DISC CHECK VALVE)

홀딩 디스크 체크 밸브의 가장 큰 특징은 밸브가 매우 콤팩트하다는 것이다. 디스크를 스프링의 힘으로 유지하므로 스프링의 상수를 조절하면 디스크의 열림 최소요구 속도를 조절할 수 있으며, 또한 매우 미세한 차압상태에서도 개폐를 할 수 있어서 계통의 요구사항대로 설계가 가능하다. 물론 스프링의 힘을 이용하기 때문에 디스크의 급폐(急閉)성이 양호하다.
기타 앞에서 설명한 체크 밸브 이외의 것으로는 리프트 체크 밸브 형식의 인-라인(IN-LINE)체크 밸브와 스톱 밸브와 리프트 체크 밸브를 결합한 스톱 체크 밸브가 있다. 체크 밸브의 설치 위치 및 유로 방향이 밸브 기능에 미치는 영향은 다음과 같이 요약한다. 스윙 체크밸브:수평 또는 수직, 수직배관에 설치시에는 밸브의 최소 흐름 속도에 디스크의 최대 열림각도(45。이하)
만큼을 고려한다.
즉,Vmin, vert.=( Vmin.horize.)(tamθ)0.5
또한 밸브의 힌지핀에 중추(COUNTERWEIGHT)를 이용하면 계통 특성에 따라 디스크의 열림 최대흐름 속도를 조절할 수 있다.

.리프트 체크 밸브

.스톱체크밸브

TEE TYP
E-수평
ANGLE TYPE- 밸브 입구는 필히 수직 배관
WYE TYPE-수평/수직
경사형(INCLINED)-수평
그림8.9생략
볼 밸브의 설계
볼 밸브의 구조에 있어서 가장 유의할 부분은 내누설 구조를 위한 밸브 시팅 및 씰링구조이다.
이 시팅구조는 볼을 감사는 볼 시팅의 씰링과 스템의 씰링이 있다. 특히 밸브 내부누설을 완벽히 방지하기 위해서는 볼 씨팅의 씰링과 스템의 씰링이 있다. 특히 밸브 내부누설을 완벽히 방지하기 위해서는 볼 씰링재료의 물성 즉, 탄성력(Resilient)와 윤활성 및 내온도성이 중요시되며, 씰링재료가 합성수지일 경우에는 밸브의 사용온도가 800℉ 이하로 제한된다.
다음은 볼 밸브의 선정에 있어서 가장 유의깊게 검토하여야 할 볼 씨팅 실링 재료의 허용 최고 사용온도표이다.

(6)프러그 밸브(PLUG VALVE)

프러그 밸브는 구조가 간단하고 조작의 간편성으로 밸브의 발명이래 현재까지 가장 널리 쓰이는 밸브중의 하나이다. 프러그 밸브라는 명칭은 밸브 구조가 테이퍼진 원통 모양의 프러그로서 이 프러그에 원형 또는 사각형의 구멍의 프러그로서 이 프러그에 원형 또는 사각형의 구멍을 내고 이 프러그를 90℃회전함에 따라 유체의 흐름을 차단 또는 조절하는데에서 유래하였으며 매우 광법위하게 사용되고 있는 밸브이다. 다음의 그림은 전형적인 프러그 밸브의 구조를 보여주고 있다. 프러그 밸브는 거의 밸브 크기에 제한을 받지않고 생산이 가능하다. 즉, 크기로 보아 1/2〃부터 30〃까지 다양한 재질로 제작되고 있으며, 구조상 12 〃를 초과하는 대형의 프러그 밸브의 프러그 구동상 윤활이 요구되고 있는게 특징이다. 압력 등급기준으로서 상온 상태하의 압력으로는 175psig~1500psig(12~103Bar)까지 제작 가능하다. 그러나 밸브의 트림 구조상 씨링이 절대 필요함으로 고온에서의 사용은 통상400℉이하이어야 한다.
프러그 밸브는 기본적으로 다음의 두가지 방식으로 제작된다.
①윤활 형식(lubricated type)
②비윤활 형식(non lubricated type)
또한 프러그 밸브의 테이퍼 모양에 따라 프러그의 조립 및 보수를 밸브 상단에서 하는 경우 테이퍼가 아래쪽으로 된 하향경사형의 프러그 밸브와 반대로 프러그 밸브 하부에서 조립/보수를 하도록 설계된 상향경사형의 프러그 밸브가 있다. 그러나 중소형의 대부분 프러그는 하향경사형의 프러그 밸브이다. 윤활형식의 프러그 밸브는 윤활이라는 용어로 인하여 밸브에 정말 윤활유를 주입하는 것으로 혼돈하기 쉽다.
그러나 실상은 별도의 윤활유의 주입을 필요로 하는 밸브가 아니라 밸브 구조상 프러그와 밸브 몸체간의 내부 누설, 밸브 트림과 스템간의 외부 누설을 방지하기 위하여 프러그와 밸브 몸체와의 원형 홈(그루브:groove)에 O-링(O-RING)과 같은 씰란트(SEALANT)를 삽입시킨 것으로 이 실란트가 프러그와 몸체간의 금속 마찰을 피하면서 부드럽게 작동함으로 이를 윤활 형식(lubricated type)이라고 한 것 이다. 씰란트는 대부분 엘라스토머(ELASTOMER)로 튜브형 또는 스틱(STICK)형으로 제작되며 약 400℉까지는 안전하게 사용할 수 있다. 이와 반대로 배윤활 형식은 매끄럽게 가공된 프러그와 밸브 몸체사이의 마찰을 엘로스토머 라이너(LINER)또는 씰 재로로서 자체적으로 해결하는 구조로서, 밸브의 크기가12〃까지 제한된다.

밸브가 12〃가 넘는 대형의 프러그 밸브는 윤활 형식의 구조를 가져야 한다. 프러그 밸브의 몸체 형식은 다양한 설계형식을 갖고 있다. 즉, 밸브 외관으로 보아
·SHORT PATTERN
·REGULAR PATTERN
·VENTURI PATTERN
·MULTIPORT PATTERN:2-WAY, 3-WAY, 4-WAY, 5-WAY
등으로 구분할 수 있으며, 접속단 형식도 다른 밸브와 같이 다양한 형식을 갖고 있다. 단, 프러그 밸브를 용접 설치할 때는 볼 밸브와 마찬가지로 프러그를 제거한 후에 용접하는 것이 바람직 하다.

프러그 밸브의 설계상 주요관점

탄성이 좋은 엘라

스토머(Resilient Material)는 소형의 비윤활형 프러그 밸브에서 스리이브라이너로서 TFE(350), FEP(300)가 널리 사용되고 씰 및 와샤 재료로서 TFE, TEFLON(400) 및 VITON(400)가 쓰인다. 스템 씰링은 프러그 밸브의 형식에 따라
·O-Ring Seal
·가압형 씰란트 챔버(Pressure Packed Sealant Chamber)
·금속/TFE조합 다이아 후람(Combination Metal/TFE Diaphragm)등이 많이 쓰인다.

프러그 밸브의 응용

일반의 프러그 밸브는 양방향의 유체 흐름을 허용 하지만 3-WAY, 4-WAY, 5-WAY 프러그 밸브는 제작가사 흐름 방향을 지정한다, 프러그 밸브는 공기, 가스, 기름은 물론 기름 혼합물과 같은 액체 스러리(Liquid Slurries)까지도 완전한 기밀(Bubble Tight)을 유지하며 개폐조작이 가능한 밸브로서 매우 다양하게 사용된다. 특히 프러그 밸브는 스러리의 집적을 도모하지 않는 구조이기 때문에 불순물이 개제된 액체계통에 널리 쓰인다. 이는 프러그의 개폐동작 자체가 집적된 불순물을 자동적으로 제거하기 때문이다.
프러그 밸브는 원칙적으로 유량조절용으로는 부적합하지만 프러그의 유로 통과 부분의 형상을 개선하여 유량조절이 가능하도록 한 프러그 밸브도 있다.
그러나 통상의 프러그 밸브도 유량조절의 정밀도가 그다지 중요하지 않을 경우에는 유량 조절도 가능하다.
단지 윤활 형식의 프러그 밸브는 절대로 유량 조절용으로 사용해서는 안된다. 왜냐하면 프러그 포트큰처의 씰란트가 유로에 노출될 수 있으며, 아울러 노출된 씰란트가 유체속도에 의하여 점진적으로 씰란트의 기능을 상실하게 할 우려가 있기 때문이다.
다이아후람 밸브는 탄성력이 매우 좋은 합성수지 또는 금속으로 다이아후람을 만들고 이를 밸브 몸체의 유로를 수직의 선형 운동으로 차단하여 유체의 흐름을 제어하는 밸브로서 밸브의 주요 트림 재료로서 다이아후람을 채용하였기 때문에 다이아후람 밸브라고 부른다.
이 다이아후람 밸브는 기본적으로 3가지 구성요소(Part)로 구성되어 있는데 밸브 몸체, 다이아후람 및 밸브 본네트로 구성된다. 이 밸브는 구조가 매우 간단하고 밸브 몸체 및 트림부의 금속부를 유체로부터 완저히 격리시킬 수 있어 부식성 액체를 많이 취급하는 화학공장(Chemical Plant)에 많이 쓰인다.
그러나 트림을 구성하는 다이아후람이 구조 및 재질상의 제한 때문에 고온고압 계통에의 적용은 곤란하며 운전중의 제반 피로와 다이아후람 재질의 열화에 따른 강도 저하로 주기적인 다이아후람 교체가 요구되는 밸브이다.
아울러 다이아후람 밸브는 밸브의 구성 형식에 구애받지 않으므로 Y-형, T-형, ANGLE형 및 공기압 작동식의 다이아후람 액츄에이터를 장착할 수 있다, 이러한 밸브형식의 다양성가 아울러PTFE(Non-Elastic Fluoropolymer)등으로 밸브 내부를 초청정상태로 유지할 수 있어 반도체공장용의 순수 가스 및 물라인, 제약회사등의 고순도 유체관리가 필요한 프로세서에 핵심적인 밸브로 사용된다.
다음 그림은 기본적인 다이아후람 밸브의 외관이다.
다이아후람 밸브의 크기는 현재1/4〃에서 20〃범위까지 생산이 가능하다.
일반적으로 가능한 다이아후람 밸브의 크기는 다음과 같다.

밸브의 접속다 형식

나사 체결식
소켓용접형
맞대기 용접형
프랜지 체결식
다이아후람 밸브의 크기
1/4〃THUR.3〃
1/2〃THUR.2〃(프라스틱제)
1/2〃THUR.2〃
1/2〃THUR.8〃
1/2〃THUR.20〃(주철제)
1/2〃THUR.8〃(가단주철 및 청동)
1/2〃THUR.10〃(주강제)
다이아후람 밸브의 몸체 형식
다이아후람 밸브는 유로 흐름을 양방향으로 할 수 있으며 다음의 기본적인 두가지 형식으로 제작된다.
·웨어형(Weir-Type):밸브 몸체 하부에 웨어를 만들어 다이아후람의 운동량을 적게하고 아울러 다이아후람의 구조적 건전성을 높인 것으로 밸브가 비교적 콤팩트하다.
따라서 다이아후람 밸브의 대부분은 웨어형이고 특히 2〃가 넘는 밸브는 거의 모두가 웨어형을 채택하고 있다.
·관통형(Straight-through-Flow):밸브몸체의 유로부가 어떠한 간섬이 없는 관통형으로서 밸브에서의 압력 손실을 국소화한 구조이나 밸브 개폐에 필요한 다이아후람의 운동량이 많고 따라서 밸브의 본네트가 웨어형에 비하요 크게됨으로 상대적으로 2〃이하의 소형에 사용된다 밸브의 건전성이 떨어짐으로 제한된 규모로 사용(제작)된다.
밸브 몸체의 모양은 T형과 앵글형이 있으며 접속단 형식 또한 다른밸브와 마찬가지로 다양한 접속단 형식을 갖고 있다.

설계상 주요 관점

다이아후람 밸브의 응용

다이아후람 밸브는 배관계통에서 거의 대부분을 스톱밸브로 사용된다. 또한 밸브 몸체의 구성재료의 선택이 자유롭기 때문에 반도체 산업에서 쓰이는 순수(Pure Water)에서부터 찐득찐득한 오염액체, 불순물을 다량 포함하고 있는 부식성액체의 수송용 밸브는 물론 개스 수송용 밸브에까지 선택의 폭이 넓다.
그러나 사실 이 밸브는 상대적으로 좋은 유체제어 특성을 가질 수 있어 적절한 재질의 다이아후람을 사용할 경우에는 유량제어용 밸브로도 사용할 웃 있다.
그러나 다이아후람의 재질상 사용 가능한 압력은 다른 밸브류에 비하여 매우 낮으며, 밸브의 크기가 커질수록 다이아후람에서 부담해야 하는 유체압려게 의한 힘은 거의 지겨의 제곱에 비례하기 때문에 이 밸브를 배간계통에 적용하고자 할 때는 계통설계자(System Engineer)와 밸브제작자의 충분한 협의가 필요하다.
이는 고온운전시 뿐만아니라 저온운전시에도 배관계통의 압력이 200Psia를 넘을 때에는 필히 밸브제작사와 협의하여 밸브를 선정하고 가능하면 운전상 유의사항도 자문하여 주어야 한다. 한 예로 미국의 유명 다이아후람 밸브 제작사인 ITT-Grinnell사의 기준은 다음의 표와 같다. 표에서 박스안의 값 단위는 psia 이다.

(8)기타 밸브류

기타 밸브로는 일반적으로 유체제어에 널리 사용되지 않지만 특수 목적 또는 제작 및 사용상의 요구가 매우 간단한 경우에는 그 경제성 때문에 일부 사용되는 밸브로서 전자와 같은 경우에는 앞서 언급된 게이트 밸브등 7종류의 밸브를 일부 변형하여 제한된 특수 목적에 사용하는데, 특수 목적의 대부분은 유체제어의 방법과 내부 기밀유지로 요약된다.
특히 프러그 밸브의 경우 트림의 모양을 원형(Prototype)의 프러그를 완전히 변형한 형식인 에센트릭(Eccentric)프러그 밸브를 대표로 들 수 있다.
이 밸브는 에센트릭 프러그의 모양에 따라 유체 르므의 특성을 사용자 요구에 맞게 제어할 수 있다. 다음 그림은 에센트릭 밸브의 운전형식을 보여주고 있다.
핀치(Pinch)밸브는 원통형상의 엘라스토머(Elastomer)로 구성된 스리이브를 금속제의 밸브몸체에 끼우고 몸체 중간에서 스리이브를 누름으로 스리이브를 통하여 흐르는 유량을 제어할 수 있다. 스리이브를 누르는 형상이 영어로 PINCHING이라고 함으로 이러한 밸브를 핀티밸브라고 한다. 밸브 구조가 너무 간단하고 유로 부분이 자연스럽게 교축됨으로 밸브에서의 저항 즉 압력손실이 적다. 밸브 구조상 사용온도는 엘라스토머의 재질에 제한받게 마련이며 스리이브의 코아를 강철코드(steel cord)나 화이바그라스(유리섬유:fiber glass)로 보강되었을 경우 40℉까지 가능하나 사용 압력은 밸브 사이즈에 따라 다르게 됨으로 밸브제작사의 자문을 받아야 한다.
그러나 사용온도는 아무래도 200℉이하인 대기압에서의 물의 비드점 이하에서 사용하는 것을 추천한다. 다음 그림은 핀치 밸브의 운전 모양을 보여주고 있다.
이스라엘 MIL사는 1976년부터 핀치밸브의 스리이브내에 코아형의 지지대를 설치하고 배관계통의 유체압력평형(Balance)를 이용하여 밸브를 손쉽게 개폐조작하느느 상품명 INBAL 밸브를 소개하고 있다. 이 밸브는 특별히 소방배관과 같은 경우에는 계통의 압력응답이 좋기 때문에 해외에서는 청수의 소방배관, 농장의 스프링쿨러 배관 및 공공시설의 급수배관의 주 조작밸브로 사용하는 사례가 적지 않다. 다음 그림은 INBAL밸브의 운전조작 특성을 보여주고 있다. 다음의 밸브는 피스톤 또는 변위형밸브(Displacement Valve)로 알려져 있는 미국 Fetterolf사의 특수 밸브이다. 이 밸브는 일반적으로 램 밸브(Ram Valve)로 알려려 있는데 탱크의 바닥이나 배관라인에 밸브 디스크(디스크 형상이 Piston 식임)안내면이 직각으로 되게 설치된다.
이 밸브는 특히 배관라인이나 탱크의 배수에 탁월한 효과를 가진다.

2.밸브공학의 기초

2.2 밸브에 있어서 유체역학밸브는 유체계통은

제어하는 최종의 제어요소(FINAL CONTROL ELEMENT)로써 계통의 압력, 온도 및 유량을 바로미터로 하여 유체계통을 능동적인 형태로 제어한다. 따라서 주요 제어목표는 당연히 물리적인 양인 압력과 유량으로 단순화되어야 할 것이다. 물론 온도의 영향은 필히 고려 되어야 한다. 아울러 유체의 물성(物性) 및 제어환경의 영향이 고려된다.

기본적으로 제어밸브의 유량특성은 유체가 공학적 측면으로 압축성 유체와 비압축성 유체로 대별하여 설명할 수 있으며 또하 여기에 이 두가지 유체가 혼합되어 배관계를 흐르는 이상 유체도 공학적인 측면에서 매우 중요하다. 따라서 현재와 같이 고도화되는 프로세스 플렌트에서는 배관계통의 문제점 대부분이 제어하는 부분에서 유체의 급격한 성질변화-균일 해석가능한 유체에서 불균일하고 해석이 곤란한 二上유체화 등-에 기인한다고 해도 과언이 아니다. 대표적인 사례로써 오리피스후단이나 밸브후단에서의 유체천이현상 등이 있다.
일단 여기서는 우선 제어요소인 밸브의 기본 유체이론으로써 유량특성의 물리적 의미를 간단히 수식으로 표현하요 밸브의 유량제어관계를 이해하고자 하는데 목적이 있다. 밸브에 있어서 제어요소가 구성되는 곳은 밸브의 디스크와 시트이다. 이 디스크와 시트부분은 교축되어 있으며, 이곳의 교축점의 유로 단면적을 인위로 조절함으로써 배관계의 유량과 압력을 조절할 수 있다. 지금 이상적인 유체가 이 교축점을 지날대 유체의 에너지 방정식을 적용하면 그림 37에서와 같이 V12/2g+H1=V22/2g+H2,
V22-V12=2g(H1-H2)
여기서 V1,2=배관계 내의 유체속도, 첨자1은 입구배관, 첨자2는 교축지점g=중력가속도H1,2=기준선으로 부터의 위치 에너지의 양(압력수두)
그리고 배관계 내를 흐르는 유량 Q는 일정하므로
Q=A1V1=A2V2
A1,2=첨자1,2지점의 유로단면적
V1=(A2/A1)V2=mV2
따라서 V22-m2V22=2g(H1-H2)
V2=√V2=2g(H1-H2)/1-m2
결론적으로 제어유량은
Q=A2V2=A2√V2=2g(H1-H2)/1-m2
그러나 이 경우는 배관 내를 흐르는 유체의 압력 손실을 전혀 고려하지 않은 이상적인 경우임으로 실제와는 상당한 차이가 있다.
그림 38은 배관계통에서의 손실을 고려한 것으로써 이 손실에 대한 양은 유체출구의 형상 및 배관내의 제반손실요소에 따라 실험적으로 결정되므로 이론적으로의 접근은 매우 복잡하고 아울러 어렵다. 이 손실의 정도를 손실계수 C1이라고 정의하고 F=1~m3라고 하면 출구의 제어유량은Q=C1FA2√2g(H1-H2)가 된다.

2.2밸브에 있어서 유체역학

일반적으로 유체역학에서 오리피스의 적용은 전호에서 간단하게 언급했듯이 교축관에서의 수력구배와 급격한 유로단면적의 변화로 생기는 소용돌이 마찰 손실등 에너지 손실을 적극적(Positive)으로 이용한 것이다.
실제로 밸브 디스크와 시트는 분명한 오리피스의 교축과 유사하며 이를 그림으로 표시하면 그림 39와 같다. 오리피스의 목(Throat)바로 하단에 생성되는 유로의 최소단면을 Vena Contracta라고 하는데 이곳에서의 에너지랭을 Hvc라고 하고, 또한 이곳에서의 급격한 교축으로 인하여 소용돌이로 인한, 손실, 속도천이로 인한 속도에너지의 손실 등 많은 손실이 이곳에서 일어난다.
이러한 오리피스에서의 손실의 정도를 계산하기 위하여 새로운 계수 C를 도입하여C=C1(AVC/A0)로 한다. 실제로 Vena Contracta에서의 유속 Hvc 및 단면적 Avc의 계산은 실험적으로 C를 측정하여 정할 수 밖에 없다.
H1, HVC, H2의 관계를 압력회복계수 FL로 표현하면
FL=√H1-H2/H1-HVC 이다.
이 FL을 적용하여 제어유량의 식을 정리하면
Q=CFAO/FL√2g(H1-H2)가 된다.
이식을 공학단위로 바꾸면
Q=갤론/분,A0=inch2, H1-H2=ΔP/G 이므로
Q=38.0CFAO/FL라고 정의하면
Q=CV√ΔP/G 가 된다.
이러한 밸브에서의 유량과 CV의 관계신은 1945년경 미국의 유명 제어밸브회사인 MANSONEILAN에서 제시한 아이디어를 구체하시킨 것으로 지금은 ISA(Instrument Society Of America)에서 제어밸브의 기준 Paramerter로 사용되고 있다. CV는 ISA에서 규정한 절차에 따라 실험적으로 측정된다.
이 CV의 특정방법조직은 다음의 그림40과 같다.
이 CV의 의미는 밸브전후의 차압(ΔP)이 1psi에서 1분당 흐르는 유량을 US갤론으로 표시한 값이고 이를 미터단위 (유량:m3/Hour, 비중:물=1, 차압:k
gf/cm2로 표시하려면 보정계수 1.17를 곱하면 된다.
그러나 실제로
Q=CV√Δp/G 의 식은
유체의 속도가 어느정도 이상인, 그리고 밸브 전후의 배관계의 형상은 유체의 흐름에 직접적인 영향을 주게됨으로 밸브를 통한 유량 Q는 다음의 배관형상계수 FP를 도입하여 보정되어야 한다. 즉.Q=FP CV√Δp/G(us gallon 단위)
Q=0.865FP CV√Δp/G(미터 단위)가 된다.
만약 밸브내의 유동이 비난류로 판정되면 FP의 계산은 더욱 쉬워 진다.
즉 레이놀즈 수를 계산하여 밸브의 FP값을 적용할 수 있다.
자세한 사항은"How Equations for Siging Control Valves ISA-S75.01"를 참조한다. 밸브에서의 통과 유체가 증기나 가스인 경우 계통압력의 변동에 따라 압축되거나 팽창될 수 있어 밸브유량계수의 논리적 설명은 더욱 힘들어 진다.
특히 가스의 경우 압력이 저하되면 팽창이 되므로 팽창계수 Y를 고려한다. 이 Y의 값은 밸브 입구와 포트의 면적비, 밸브내브의 유로 형상, 압력강하비, 비열비 및 리에놀즈 수에 크게 영향을 받는다. 다음의 그림 41은 밸브 및 배관계에 있어서 에너지 구배정도를 설명하는 매우 좋은 예이다. 이 그림에서 각 기호는 물리적량을 표시한 것으로 모두 에너지량이다.
배관계통에 있어서 밸브는 없어서는 안될 중요한 제어요소이다.
유량을 조절하거나 차단하고 유체가 정상적으로 흐르는가를 확인하기도 한다.
그러나 밸브는 배관계통상에서 원활한 유체 흐름을 방해하는 일종의 저항요소로서의 작용은 피할 수 없다. 이것은 밸브에서의 압력손실을 밸브에서의 압력 손실을 KV로 표시하면
KV=144Δp/ρV2/2g
ΔP=1bf/inch2, V=bf/sec
ρ=유체의 밀도(16m/ft3)
그런데
Cv=Q√G.ΔP이므로
ΔP=KV/144·GV2/2G=G·(Q/CV)2
또는
CV=√G.2G/ρ·(Q/V)12/√KV
그런데
Q(231in3/gal ×1min/60sec ×1f3/1728in3)=AV=πD2V/4×144
여기서
D=배관의 직경 inch
V=배관내 유체속도(ft/sec)
앞의 CV 항과 배관내의 유체유량 (Q)를 한데 묶으면
CV=29.8395 D2/√KV
따라서 우리는 밸브응용에서 중요한 사실 한가지를 여기서 알아낼 수 있게 한다.
즉 밸브제작자로부터 4″의 CV=236인 밸브를 구매하였다면 밸브에서의 압력손실계수는 다음과 같이 계산된다.
KV=29.842(4)4/2362=4.093~4.1이 된다.
물론 배관계통내의 압력, 유속과 유체의 밀도에 따라 KV의 값은 변화하게 되나 일반적 공학응용에서의 완권 개방된 밸브의 형태별 KV 값은 대략 다음과 같다.
만약 배관내의 유체가 압축성 유체 즉, 가스라면 CV는 여기에 맞게 보정되어야 한다.
Q=√520/T C1·CV.P1 Sin(3417/C1√ΔP/P1)로 나타낸다. 여기서C1·CV=Cg로 표현하고 실험적으로 Cg의 값은 개략적으로 32-36정도의 값을 갖는다.
다른 방법으로는 밸브의 형상계수(Configurationfactor)와 등가오리피스 방법을 사용하여 밸브의 P를 구하는 방식이 있다. 즉 밸브크기의 결정에 있어서 밸브의 유체 교축부를 등가의 오리피스 직경으로 고려하며 손실 계수 KV를 구하는 것이다.
KV=b1(dL/dEO)4 여기서, dL=밸브 입구의 직경(Inch) dEO=C(dL)1.07
C=밸브의 트림형상에 따라 결정되는 형상계수
b1=계수(액체의 경우 2.786공기의 경우 3.084)따라서, 밸브에서의 압력손실량은
ΔP=KV·ρ·V2/288g , g=386.4 inch/sei2=0.0837 kv·ρ·Q/dL4·g
여기서 Q=US gaL/min(GPM)이다.
다음의 그림 42는 밸브의 완전열림상태(Full Ported)를 기준으로 하는 밸브 형상 계수 C이다. 그림 43은 밸브의 등가 오리피스 지경과 밸브 입구 내경에 대한 형상계수의 관계이고 그림44는 밸브 입구내경과 형상계수 C에 따른밸브에서의 손실계수의 K의 관계이다. 그림45, 46, 47은 볼 밸브, 버터플라이 밸브 및 게이트 밸브의 밸브 개도에 따른 밸브의 손실 계수 값을 보여주고 있다.

2.3 밸브의 재료학

2.3.1 재료 사양의 일반적 사항

재료 사양(Material Specification)이란 재료가 가지고 있는 물리적 및 화학적 고유 특성과 성질을 정의한 것으로써. 그 특성에는 화학 성분과 기계적 성질 등이 포함된다.
한편 재료 사양은 기본적으 로 화학조성, 기계적 성질, 가공방법 또는 제품 형태별 등의 공공 성격에 따라 분류 되어지고 있다.

1)재료 사양(Material Specification)

재료 사양 체계를 관리하는 기관으로는 여러 기관이 있으며 이들 기관은 정부로 부처 재료 사양의 관리에 대한 권리와 책임을 갖고 있다. 이 중에서 강(鋼)에 대한 사양 체계로는 미국 철강협회(AISI)가 만들어 놓은 4자리 번호 체계가 가장 널리 쓰이고 있다. 그리고 이 4자리 식별 체계는 AISI-SAE steel designation system이라고 부른다.
그 외에 미국 시험 및 재료 학회(asme)의 사양, 제품에 관한 사양을 만들어 내는 주요기관과 사양을 열거하면<표1>과 같다.

2.3.2 재료 사양의 구성

1)ASTM

2)ASME

(A) 일반

ASME 코드라 하면 보통 미국 기계학회(ASME)가 발행하는 BOILER & PRESSURE VESSEL CODE를 말하며 이 코드는 11개 SECTION II으로 구성되어 있고, 그 중에 SECTION II는 안정성에 적절하며 발전소 건설에 소요되는 압력유지 기기와 압력 용기의 제작 건설에 필요한 재료 사양중 다음 내용을 담고 있다.

그렇기 때문에 section II 재료 사양이 다른 section의 지배를 받는 기기 설계에 모두 그대로 사용해도 적절 하다는 뜻은 아니다. 예를 들면 sectionIII 에 의한 원자력 기기의 기술 규격서 작성시에는 sectionII에서 기기 등급(class)별로 요구하고 있는 충격시험, 비파괸시험 등을 추가로 반영한 재료 사양을 적용해야 한다는 뜻이다. 한편 section I는 PART A.B.C의 3권으로 나누어져 있다.
PART A- FERROUS MATERIALS
PART B- NONFERROUS MATERIALS
PART C-WELDING RODS, ELECTRODES AND FILLER METALS
그리고 sectionII중 PART A와 B의 재료 사양은 ASTM 사양과 내용이 동일하거나 약간 다른 경우는 압력용기 설계기준을 고려해서 몇가지 사항을 추가했을 뿐이다.
(B) ASME section II, PART APART A는 철강 재료를 다루고 있으며 11가지의 제품 형태(PRODUCT FORMS)별로 사양을 다음;과 같이 대별하고 있다.

1. STEEL PIPE
2. STEEL TUBES
3. STEEL FLANGES, FITTING, VALVES AND PARTS
4. STEEL PLATES, SHEET AND STRIPS FOR PRESSURE VESSELS
5. STRURAL STEEL
6. STEEL BARS
7. STEEL BOLTING MATERIALS
8. STEEL BILLETS AND FORGINGS
9. STEEL CASTINGS
10. CORROSION-RESISTING AND HEAT-RESISTING STEELS
11. WROUGHT IRON, CAST IRON AND MALLEABLE IRON
(C)ASME SECTION II PART B 비철 재료를 다루고 있는 PART B는 합금과 제품 형태(ALLOYS AND PRODUCT FORMS)별로 사양을 12가지로 대별하고 있다.
1. ALUMINUM AND ALUMINUM ALLOYS
2. COPPER AND COPPER ALLOY PLATE, SHEET, STRIP AND ROLLED BAR
3. COPPER AND COPPER ALLOY, BAR AND SHAPES
4. COPPER AND COPPER ALLOY PIPE AND TUBES
5. COPPER ALLOY CASTINGS
6. NICKEL AND NICKEL ALLOY PLATE, SHEET AND STRIP
7. NICKEL AND NICKEL ALLOY OD, BAR AND WIRE
8. NICKEL AND NCKEL ALLOY PIPEAND TUBES
9. NICKEL ALLOY CASTINGS
10. NICKEL AND NICKEL ALLOY FITTINGS
11.TITANIUM AND TITANIUM ALLOYS
12. ZIRCONIUM AND ZIRCONIUM ALLOYS

(3)JIS

(A)일반사항
일본 공업 표준(JIS)에 의한 철강 재료의 규격은 우선 鐵 과 鋼으로 크게 나눠지고, 철은 다시 선철, 합금철 및 주철로 분류되고 있다.
또한 보통강은 후판, 박판, 선재처럼 형상이나 용도별로, 특수강은 강인강, 공구강, 특수 용도강처럼 성질에 따라서, 강관은 강종과 용도별로 세분되고 있다.
(B).철강재 기호 설명
철강재 기호는 원칙적으로 아래 예와같이 3부분으로 구성되어 있다.
예, S S 41
(1)(2)(3)
(1) 강
(2)구조용 압연재
(3)최저 인장강도 41 kgf/mm2
①최초 부분은 재질을 표시한다.
예, S : 鋼 F:鐵
②번째 부분은 규격명 또는 제품을 표시한다.
예, S :STRUCTURAL(일반 구죠용 압연재)
U: SPECIAL USE(특수 용도강)
C: CASTING(주물)
F:FORGING(단조)
슈:BOILER AND HEAT EXCHANGE TUBE(열전달용관)
UH:HEAT RESISTING(내열강)
UP:SPRING
US:STAINLESS 강
체:COLD PLATE(냉연판)
HP:HOT PLATE(열연판) 등이 있고 구조용 합금강은 NCM처럼 첨가원소의 부호를 사용한다.
③마지막 부분은 재료 종류 번호의 숫자 또는 최저인장강도를 표시한다.
예, 1:1종
2A:2종 A GRADE
50:최저 인장강도(50 KGF/MM2)
(C)JIS 기계 구조용강 기호 체계
① 주요 합금 원소 기호
주요 합금원소 기호는 표3과 표4에 따른다.
② 주용 합금원소량 코드
표 5는 주요 합금원소량을 구별한 것으로 탄소강을 제외한 다른 강종에 모두 쓰인다.
③ 탄소량의 대표치
탄소 함유량 중앙치 백분율 100배한 수치를 적는다
예 SIZE: 탄소 중앙치 0.12%
④ 부가기호
제 1그룹은 기본강에 특수원소를 첨가했을 때 표시
(예: L:납 첨가, S:황 첨가, U:캄슘첨가)
제 2그룹은 화학성분 이외헤 특별한 보증하는 성질을 표시
(예, H:경화능 보증강, K:표면 경화용 탄소강)

(4)KS

(A) 일반
한국공업표준(KS)은 A에서 W까지 15개 부문으로 대별된다.
A-기본, B-기계, C-전기, D-금속, E-광산, F-토건, G-일용품, H-식료품, K-섬유, L-요업, M-화학, P-의료, R-수송
기계, V-조선, W-화공
(B)철강재 약어 설명
KS 철강재에 나오는 강재중 주요한 것을 열거하면 다음과 같다.
일반 구조용 압연강재(SS)
용접 구조용 연압강제(SWS)
용접 구조용 내후성 열간 압연강재(늠)
고 내후성 압연강재(SPA)
보일러용 압연강재(SBB)
기계 구조용 탄소강재(늩ㅌㅊ)
구조용 합금강 강재(SMn,SCr, SMnC, SCM, SNC, SNCM, SACM)
공구용 탄소강재(STC)
합금공구강재(STS, STD, STF)
고속도 공구강재(SKH)
스테인리스강
내열강재
C-Cr 베어링 강재
스프링강재
타소강 주강픔
쾌삭강재
스테인리스강 주강품
타소강 단강품
합금강 단강품
(c)ks 구조용 함금강의 기호체계ksrn조용 합금강의 기호체계는 2023.(c)에서 설명한 JISRLRp 구조용강 기호체계와 동일 하다. 예회, 탄소강:JIS는 S ××C 인데 비해KS는 SM ×× C 이다.

2.3.3.철강의 분류 및 식별 체계

1)일반사항

공업용 철강 재료는 화학적으로 순수한 Fe가 아니고 Fe를 주성분으로 하여 각종의 성분 즉 C, Si, Mn, P, S 등을 품고 있으며 이러한 성분들은 철강의 성질에 중요한 영향을 준다.
금속 조직학상으로는 C 2.0 이하를 강, C 2.0이상을 주철로 규정하고 있으나 C 1.3-2, 5%의 범위는 실용성이 적으므로 공업적인 생산은 별로 하지 않으며 주철의 탄소 함량은 보통 2.5-4.5% 범위에 있다.
또 위에서 말한 철강 중에 5성분 외에 특수한 성질을 얻기 위해서 특수원소 즉 Ni, Cr, W, Mo 등을 철강중에 부가하거나 또는 위에 적은 5원소 에속하는 것이라도 특수한 성질의 부여를 목적으로 함유량을 많게 하는 것이 있다. 예를 들면 Si를 많이 품은 규소강, Mn을 많이 품은 냄마모강 등에 특수강(Special Steel)또는 합금강 (Alloy Steel)이라 하고 이에 대하여 보통을 강을 탄소강(Cardon Steel)이라 하고 철광석 제련의 산물, 제강 그밖에 원료로서 쓰일 때 선철 (Pig Iron)이라 부른다.
KS DOO41 "철강용어"에서는 합금원소의 최저 함유량 기준에 대해 표 6과 같이 일본 관세협력이 사회(Customs Cooperation Council)에서 분류하는 화학 성분에 따른 합금강 규정을 채틱하고 있다. 편의상, 합금워소 함유량의 다소에 따라서 고합금강 또는 저합금강이라 부르는수도 있다.

2)AISI

(A).일반
미국 철강 협회 (AISI)에서 탄소강과 합금강을 정의내린 규정을 살펴보면 다음과 같다.

1. 탄소강(Carbon Steel)

탄소강이란 탄소를 보통 0.06∼2.0% 품고 있으며 기타 합금원소는 조금씩 존재하되 특히 다음 원소는 제한된다 .
Mn: 1.65% max
Si: 0.60% max
Cu: 0.60% max
한편 탄소강을 Plain Carbon Steels, Mild Steels, Low-Carbon Steels 또는 Straight-Carbon Steels이라고 부르기도 한다.

2.합금강(Alloy Steels)

탄소가 1% 이하 들어간 철로써, 망간 1.65%, 규소 0.6%중 1가지라도 함량이 넘거나, 알루미늄, 크롬 (최대 3.99%), 코발트, 몰리브덴, 니켈, 티타늄의 여라 합금원속 첨가된 강을 지칭함.
단, 합금의 총합은 5% 미만이어야 한다.

(B).탄소강 및 합금강의 식별체계미국 철강 협회는 미국 자동차 학회 (SAE)가 채택하고 있　 식별체계는 탄소강과 합금강을 식별하는데 가장 널리 쓰이고 있으며 그 식별체계는 4자리로 구성되어 있고 주요 그릅을 요약하면 표7과 같다.
(1) (2) (3)
1.첫째자리 숫자는 주요 합금원소를 표시함.
1:Carbon
2:Nickel
3:Nickel - Chromuium
4:Molybdenum
5:Chromium
6:Chromium - Canadium
7:Tungsten - Chromium
8.9:Multiple Alloy

2.둘째짜리는 대체로주요 합금원소의 함량 (%)을 표시함.
예, 23××:니켈을 약 3% 함유

1.가단 스테인리스강

가단 스테인리스강(Wrought Stainless Steel)의 식별을 위해 AISI와 기타 규제 기관들이 공통으로 채택하고 있는 기
관들이 공통으로 채택하고 있는 체계는 3자리로 구서되어 있다.
(1) (2)
(1)첫째 자리는 주성분을 표시함.
2××:크롬, 니켈, 망간을 주성분으로 함
3××:크롬-니켈 합금
4××:크롬 합금
5××:원래는 석출경화형에 쓰였으나 현재는 AISI가 이식별 체계를 버리고 대신에 UNS 체계를 사용하고 있음.
(2)마지막 2자리는 특별한 의미가 없으며 스테인리스강을 발전에 따라 고유번호를 붙여왔음.

2.스테인리스 주강

스테인리스 주강을 식별을 위해 미국 주물 학회 (ACI:Alloy Casting Institute)가 채택하고 있는 주요 Cast Alloy Designation을 AISI의 가단 스테인리스강 Type과 비교 하면 표 8과 같다. 여기에서 ACI 식별 번호의 첫째 자리중 C는 내부식 용도를 뜻하고 H는 내열 및 내산화 용도를 말한다. 한편 스테인리스강 주강품에 대하여 KS애소 규정하고 있는 종류를 ASTM이나 ACI의 식별 번호와 비교하면 표 9와같다.

3)Unified Numbering System

(A).일반사항
1.Unified Numbering System(UNS)이란 철강을 포함한 모든 금속 합금의 식별 체계를 만족시키가 위하여 미국 재
료 및 시험학회 (ASTM)와 미국 자동차 학회(SAE)가 공동으로 개발한 재료 식별 체계이다.
2.UNS는 합금의 조성과 특성은 언금하지 않는다.
다만 AISI나 다른 재료 사양 작성 기관이 만들어 낸 재료 사양을 총제적으로 식별하고 있을 뿐이다.
2UNS는 기존의 재료 사양을 대체해 가는 과정에 있다
(B).구성
UNS는 5자리로 구성되어 있으며 대체로 기존 식별 체계를 다음과 같은 형태로 포용하고 있음.
예, 1.탄소강 AISI 1020 → UNS G10200
2.스테인리스강 Type 316 → UNS
S31600
Type 316 → UNS
S31651
3.UNS의 기본 시리즈는 <표10>과 같음.
4.UNS 번호를 부여하는 책임 기관은 <표11>과 같음.
4)철강 제품의 종류 및 제조 공정
철강 제품에 대한 일반적인 제품의 혀애와 그 제조 공정 및 제품별로 그 사이즈에 대한 저으이는 관련ㄱ 재료 사양을 참조하면 된다.
한편 ASME B31.1, "Power Piping"에서 파이프와 튜브에 대하여 그 차이를 다음과 같이 정의를 내린고 있다.
-Tube-단면의 형태가 어떠하든지 구멍을 가지고 있으며 그 구멍의 외곽형태가 연소적인 재푸미을 말한다.(A tube amd a hollow product of round or any orher cross section having a continnous periphery)
-Pipe-단면의 형태가 구형인 튜브를 말함.(Apipe is a tube with a round cross section conforming to the dimensional requirements for nominal pipe size as tabulated in ANSI
B36.10, Tables 2 and 4; ANSI B36.19,Table 1, For special pipe having a diameter not lisred in these Tables, and also for round tube, the nominal Diameter corresponds with the outside diamenter.

2.3.4 재질의 특성과 선택

유체제어에 있어 밸브는 유체성의 특겅 즉, 압력, 온도 및 물리화학적 특성등에 견딜 수 있는 재질로 제작되어야 한다. 따라서 밸브용 재질로 널리 사용되는 철강의 종류는 이들의 모든 특성을 고려해야 하기 때문에 의외로 매우 다양하다.
재지르이 선택기준은 유체의 온도특성, 그리고 물리화학적 특성이 우선적으로 고려된다. 약 1세기여에 걸쳐 이 분야에 대한 공업선진국들의 노력은 가히경탄할만 하다.
특별히 유체의 화학적 특성에 대한 부식(Corrosion) 문제와 물리적 특성에 주로 좌우되는 침식(Erosion) 문제는 밸브 자체의 가치손실뿐만 아니라 전체 계통에 대한 손실비용을 더욱 크게하고 아울러 시간이 흐를수록 이 손실비용은 점차 커질수 있다는 점이다.
일반적으로 산(酸, acids)를 취급하는 밸브는 그 용액의 농도에 따라 밸브 재질에 대한 부식력도 달라진다. 황산과 같은 경우에는 온도가 낮아지면 용액이 이온화되기쉽기 때문에 산용액은더욱 부식을 촉진시킨다. 온도는 밸브 재질의 선전에 있어 가징 중요한 요소이다.
간단한 예로서 화학반응(부식과정)의 정도는 10℃상승시마다 2배로 부식율이 촉진된다는 것이다. 따라서 38℃의 유체를 퀴금하는 밸브는 부식이 발생하지 않지만 같은 화학적 조건에서 유체온도를 150℃로 높일 경우에는 부식이 급격히 촉진되는 경우가 이의 예이다.
아울러 온도가 높아지면 밸브재료로서 금속이든 비금속이든간에 물리적 특성이 변화되어 압력에 대한 저항오 떨어지는 것이다. 이외에 밸브의 압력경계면에 있는 트림은 압력상승에 의한 재질간에 마찰, 마모 및 긁힘등의 문제와 유체의 물리적 성상으로 유체의 속도, 불순물 입자의 혼입과 이들 입자의 운동에 의한 침식문제등이 밸브 재질의 설계시 또는 선정시 주된 요소로 고려되어야한다. 다음의 그림 48은 우리나라 밸브업계에서 주로 쓰이는 밸브 몸체와 본네트 재질에 대한 재질코드를 미국재료학회 코드 기준으로 정리한 것이다. 어율로 밸브 몸체에 따른 본네트 볼트의 재질도 아울러 표기하였다.
다음의 표13은 우리나라 밸브업계에서 주로 쓰이는 밸브 몸체와 본네트 재질에 대한 재질코드를 미국 재료학회 코트 기준으로 정리한 것이다. 아울러 밸브 몸체에 따른 본네트 볼트의 재질도 아울러 표기하였다. 그러나 표 13의 데이터는 실제 사용환경과 비교, 다음과 같은 일반적 주의 사항을 염두에 두고 재질의선정을 하여야 할 것이다.
즉, 고려사항으로써 (1)탄소의 함유량은 가능한한 0.25를 넘지 안항야 밸브를 배관고 용점시 별 트라블이 없을 것임으로 0.25%이하로 탄소함유량을 제어하는 것이 좋다.
(2)탄소강, C-Mo강ㅡ Cr-Mo강의 경우에 있어서 고온상태로 장기간 운전할 경우 입계등에서 흑연화현상이 발생하여 밸브구조가 취약하게 될 염려가 있으므로 다음과 같은 사용온도 이상에서는 사용시간을 고려하여 밸브를 선정하거나 계통의 운전모드를 설계하여야 한다.
(3)고온산화현상에 의한 스키일 발생을 주의하여햐 한다. 다음은 고운에 장기간 사용시 스케일 (산화현상)의 발생이 염려되는 온도이다.
1-1/4Ci-1/2Mo (ASTM A182-F11)
586℃(1050℉)
2-1℃/4Cr-1Mo (ASTM A182-F22)
565℃(1050℉)
5Ci-1/2Mo (ASTM A182-F5)
593℃(1100℉)
(4)고온 고압의 수소한경에 있어서 강은 수소를 흡구하여 재질 특성이 취약해지는 경우가 실제로는 매우 심각한 문
제를 야기한다.
이를 수소취성화라고 말하는데 이는 수소가 강 입계에 침입하여 탄화물을 분해하여 탈탄과 아울러 입계에 균열을 발생시킨다.
이는 밸브구조의 압려구부를 총체적으로 파괴할 수 있으므로 매우 주의하여햐 한다.
(5)저온용의 F효선정에 있어서는저온에 의한 취성을 고려하여햐 한다.
이를 방지하기 위하여 저온용 재료는재질상의 결함이 없을 것, 사용조건에견딜 수 있는 인성이 있는 재료일 것, 용접이 및 가공이 좋은 재료일 것, 내식성이 양호할 것등이다.

2.3.5 밸브 트림의 재질

(1). 트림재질의 내마모 및 내Galling 특성
밸브트림은 유체와 직접 접촉한다는 사실과 함께 유체제어를 위한 기계적 운동을 동시에 수행하게 됨으로 밸브 부품중 가장 가혹한 환경에서 운전하는 부품이다.
아울레 트림은 이러한 특성으로 인하여 침식부식등의 손상이나 오랜 사용으로 인하여 노화될 때 언제든지 교체될 수 있어야 하는 부속품이다, 따라서 밸브트림은 재질은 트림 재질간의 기계적 운동에 의한 긁힘 또는 마모등의 문제에 대하여 강한 특성을 가져야 한다.
이러한 재질간의 긁힘(Galling)특성에 대한 것은 첫째, 친화력이 높을 수 밖에 업는 같은 종(種)의 재질간과 둘째, 뚜렷하게 전위차가 큰 재질 셋째, 오스테나이트 스텐레스으로써 같은 강종이거나 경도가 유사한 경우에는 친화력이 높아 밸브트림으로써 접촉부 즉, 운동부에는 이들을 같이 사용하는 것은 금지하여야 한다. 다음의 표 15는 밸브 트림재질로서 마모 및 긁힘 특성을 보여준다.

(2). 운전온도에 따른 트림 재질
유체의 온도가 높을 때에는 밸브 몸체의 열팽창과 밸브트림의 열팽창간에 차이가 생기게 되는데 일반적인 밸브 트림재질에서 유체의 온도가 약 450。F (268。C)를 전후로, 이 온도이상으로 운전하는 밸브는 운전압력이 높아 밸브의 살 두께가 매우 두껍기 때문에 밸브 몸체 내부의 구조적 불연속에서 생기는 열변형이 크게 제약받게 된다.
따라서 트림부를 지지하고 있는 밸브의 크로치(Crotch)부분에서는 밸브 몸체의 열 변형에 비하여 큰 변형이 생길 수 있기 때문에 특별히 밸브의 시팅구조 부분과 결부하여 전체적인 밸브의 구조적 건전성에 특히 주의하여야 한다. 즉, 운전온도가 높을 경우에는 밸비 케이지와 같은 부품은 가능한한 구조적인 불연속부가 적은 밸브의 본네트에 가깝게 설치하여 케이지 아랫면의 열변형이 가능한한 구속이 덜 받도록 설계하는 것이 한 방법이다.
아울러 트림재질도 재료의 특성상 사용온도에 한계가 있다. 다음의 표 16은 밸브용재질에 있어서 사용온도의 한계를 보여준다.

(3). 유속에 의한 침식(Erosion)을 고려한 트림재질
유체 계통의 운전에 있어서 밸브의 압력제어범위가 크거나, 높은 차압을 밸브에서 제어해야할 경우 밸브의 제어 교축부인 디스크와 시트에서의 유속은 경우에 따라 음속을 뛰어넘은 엄청난 속도로 에너지 변화된다. 이때에 밸브트림은 유체의 제반에너지 변환특성 즉, 케비테이션이나 후라싱 또는 쵸오킹이 수반되고 이 과정중에 밸브 드림은 유체 임자의 계속적인 충돌로 표피(表皮)에 손상을 입는다. 이러한 현상을 침식이라고 한다, 대부분의 제어밸브 트림은 정도의 차이는 있지만 침식에 의한 손상을 받을 수 밖에 없다.
특히 케비테이션이나 후라싱 서비스를 전젤 운전되는 밸브는 주기적으로 점검하고 정기적으로 예비트림부품으로 트림을 교체해야 될 정도로 침식의 정도가 심한 것으로 이러한 제어밸브의 사례는 자주 경험된다. 제어밸브 특히 가혹한 운전조건에서의 트림재질은 앞서 언급한 내마모성과 내부식뿐만 아니라 강력한 내침식성이 요구된다.
대표적인 내침식성 재료로는 스텔라이트(Stellite)가 널리 쓰이는데 가장 대표적인 Stellite No.6의 경우 비교적 저가 이면서 용접성 및 가공성이 비교적 양호하여 많은 밸브 제작자가 트림재질의 내마모 및 내침식 보강용으로 많이 선택하고 있다.
다음의 표 17은 밸브트림 재질별 내침식 특성을 보여준다.

3.1.1 볼밸브(ball valve)

볼 밸브에 대하여는 아직도 정확한 의미의 밸브형식을 정하기 곤란한점이 있다. 왜냐하며 볼 밸브의 형식은 프러그 밸브의 한 유사종 밸브로 생각할 수 있으며 볼 자체가 후로팅되어 있는 것을 생각하면 구형(球形) 볼밸브(spherical ball valve)라고 정의할 수도 있기 때문이다. 나머지 모든 운전동작이나 기밀유지의 형식, 구성상의 특징등이 프러그 밸브와 같다.
볼 밸브는 프러그밸브의 사촌인 셈이다. 볼 밸브는 90도 회전밸브로서 매우 양호한 기밀유지 특성을 갖고 있다. 볼을 감싸고 있는 시트는 기밀을 확실하게 하고 또한 비교적 적은 운전토크를 갖는다. 아울러 볼의 유로형상이 원형으로 밸브 입출구의 형상(원형)과 같은 모양이기 때문에 유로저항도 매우적다. 이는 범용의 밸브 중에서 특히 저압의 상온 유체를 차단 제어특성을 갖고 있다는 것이다. 따라서 거의 모든 볼 밸브는 full port보다는 연결배관의 호칭직경보다 작은 구경의 유로경 즉 reduced port를 갖는다.
이외에 같은 호칭직경을 가진 타 종류의 밸브보다도 간단한 구조, 보수의 용이성, 제작성의 편리성등 경제적인 측면이 많은 반면 시트구조의 치밀성, 시트재료의 제한 및 배관 계통의 설치 주의사항등 단점도 있다.
일반적인 볼밸브의 운전환경은 밸브의 크기에 따라 제약을 받지만 온도-압력기준(pressure temperature rating)으로 보면 운전온도의 범위가 130~230 운전압력의 경우 25torr(초고진공)~400bar까지 견딜 수 이쓴 볼밸브(high performance ball valve)의 제작도 가능하다.
볼 밸브의 적용성은 매우 다양하다. 일반적인 청수(淸水), 솔벤트, 산류(酸類), 가스, 천연가스등의 유체수송은 물론 산소, 수소, 메탄, 에틸렌, 과산화수소등의 매우 위험한유체 수송에도 널리 쓰인다. 그러나 사용상의 제약은 결국 불을 잡아주고, 볼과 밸브 몸체의 기밀을 유지하는 씰(seal)구조의 재질사양에 달렸다. 앞으로 볼 밸브의 기술적 과제는 기밀유지 접촉부위의 재질선정과 구조의 기술혁신에 있다고 할 수 있다.
다음 그림 50은 일반적인 볼밸브의 시트 구성 재질에 따른 운전압력을 보여준다.

(1) 볼밸브 형식

볼밸브의 몸체형식은 몇 조각의 몸체로 구성되어 있느냐로 정해진다. 거의 모든 볼 밸브는 설계 및 제작상의 용이점 때문에 2-piece 또는 3-piece로 구성되어 있다. 그러나 소형의 볼 밸브 및 중대형의 볼밸브는 1-piece 또는 2-piece로 된 것이 대부분이다. 볼 밸브의 볼 구성형식은 플로팅타입(floating type)과, 트러니온(trunnion type)으로 구분되고 볼의 삽입 방법에 따라 톱엔츄리(topentry)타입과 엔드 엔츄리(end entry)타입이 있다. 플로팅 타입은 볼밸브의 시트링에 의해 고정점으로 하여 트러니온과 베어링에 의해 지지되는 구조이다.

(2)시팅재료

볼밸브에 있어서 가장 중요한 핵심적인 요소는 시팅이다. 대부분의 볼 밸브는 탄력성이 좋은 ptee(polytrafluore ethylene)가 가장널리 쓰이고 유체의 부식특성에 따라 특별한 용도의 것으로 나이론, bnna n, 성형흑연(graphite) 및 ptee에 성형 흑연분말을 함침한 씰링 제료가 있다. 볼 밸브 시팅재료에 있어 볼과 씰링재료가 금속인 경우가 가장 이상적이지만 볼과 씰링면의 정밀가공이 전제되어야 함으로 어떤 특정용도에 한정된다.
메탈시팅구조의 볼 밸브는 이러한 제작 가공상의 어려움으로 상대적으로 매우 고가의 밸브 제품으로 분류된다. 특히 가스용의 볼밸브인 경우에는 시트에서의 완전기밀이 보장(bubble tight shut off)이 되어야 함으로 시트가 스프링에 의하여 일정한 가압력이 작용되도록 설계된 것이 많고, 화이어테스트(fire test)등의 규격요건을 만족하기 위해서도 중대형의 볼 밸브 구조ㅡ 특히 고성능을 요구하는 볼 밸브는 메탈시트 또는 탄력성이 좋은 합성수지의 시트에도 스프링 가압방식의 시팅구조를 채택하고 있다.
이러한 경우 계통중의 어떤 이물질이 시팅부위에 혼입될 경우 4rm(0.15㎛)정도의 초정밀 폴리싱(supper polishing)된 볼의 표면이 손상될 염려가 크므로 특별히 크롬이나 니켈등을 포함한 고강도의 재료로 하드훼이싱(hardfacing)하여야 한다. 볼 밸브에 관련된 미국의 산업규격은 앞장에 있다.

3.2.1 버터후라이 밸브

버터후라이 밸브도 볼 밸브, 프러그밸브와 마찬가지로 90도 회전밸브 이다.
특히 밸브구경 대비 밸브 노즐면간의 길이가 매우 짧은 콤팩트화된 밸브로써 밸브 구조상의 여러 가지 독특한 장점이 있다. 그 예로써 밸브의 구경 대비 밸브 무게가 거의 같은 역할을 수행하는 게이트밸브에 비하여 60~70% 정도이고, 볼 밸브나 프러그 밸브에 비해서도 20%이상 가볍다. 또 밸브의 무게중심의 볼 밸브와 같이 배관 중심선과 거의 일치함으로 배관계의 구조를 보다 건전하게 한다. 물론 밸브의 구성부품수도 적기 때문에 제작도 용이하고, 밸브 구경 대비 가격도 저렴한 편이다.
특히 웨이퍼(wafer)타입의 버터후라이밸브는 밸브의 크기 및 콤팩트성, 가격, 제작의 용이성, 설치의 편이서, 배관계의 구조적 안정성, 밸브의 유지보수 측면에서 어쩌면 가장 합리적인 밸브타입으로 볼 수 있다. 위와 같은 여러 설계인자로 인하여 버터후라이 밸브는 밸브구경이 커지면 커질수록 장점이 돋보인다. 계통의 운전조건에 따라 다르겠지만 밸브의 호칭직경이 20인치(500mm)를 넘는 대형의 밸브는 거의 모두 버터후라이밸브이다.
헌재까지 기록상으로 호칭직경 10,000mm(10m)의 버터후라이밸브가 생산되었고, 차후바닷물의 조수(潮水)발전이나 해양 온도차에 의한 해양발전등 대규모 에너지 개발 프로젝트가 실용화되려면 이보다 훨씬 큰 버터후라이밸브가 제작되어야만 할 것이다.
단점으로는 디스크와 시트와의 기밀유지 기술이 타 밸브에 비하여 까다로우며, 디스크의 구조상 유체흐름과 대칭상태로 힘을 받기 때문에 높은 차압을 요구하는 계통에는 진동 및 소음등을 유발하므로 적용하는데 어렵고,아울러 밸브 크기가 클수록 디스크에서의 면압 및 운전토오크가 커지기 때문에 압력이 높은 계통에서의 버터후라이밸브 선정은 제약을 받는다.

(1). 버터후라이 밸브의 시팅구조

버터후라이 밸브의 시팅구조는 볼 밸브와 마찬가지로 탄력성이 좋은 천연 또는 합성고무, 불소수지등으로 만든 시트에 금속 제의 디스크면이 접촉하여 기밀을 유지하는 구조가 범용의 저압 프로세스용 버처후라이밸브에 널리 채용되고 있으며, 증기 서비스와 같이 비교적 고온 유체의 제어 및 계통 압력이 20bar를 넘거나 밸브간 차압이 5bar 이상을 제어하여야 하는 경우에는 메탈시트(metal to metal contact)또는 고성능 버터후라이밸브를 채용하는 것이 권장된다.
hpbv는 버터후라이밸브 제작사중 기술력이 좋은 일부 밸브로써, 각사마다 독특한 구조의 시팅구조를 선보이고 있다. 그러나 hpbv의 기본적인 시팅구조의 형식은 디스크와 디스크 축이 편심상태로 설계된 에쎈트릭 디스크구조가 대부분이다. 다음의 그림 51은 일반 법용 버터후라이밸브의 시팅구조를, 그림 52, 53, 54,55는 고성능 버터후라이밸브의 시팅구조와 운전특성을 보여준다.

(2)버터후라이 밸브의 형식

버터후라이 밸브의 형식은 밸브 몸체의 연결방식과 디스크-시트의 시팅구조의 차이점에 따라 수분할 수 있다. 우선적으로 밸브 몸체의 구성방식으로 보면 프랜지형, 웨이퍼형, 프랜지 관통형으로 구분되면, 시팅구조로 보면 디스크와 디스크 구동축이 밸브 몹체의 중심과 일치하는 콘쎈트릭(concentric)구조와 구동축이 편심되어 있는 에쎈트릭(eccentric)구조로 구분할 수 있다.
이렇게 기하학적으로 시팅구조가 상이한 것은 시팅의 역학적구조가 밸브의 기본기능인 압력기준 및 완벽한 유로차단기능에 있어서 전자의 경우는 낮은 압력 또는 "rubber lined", 후자의 경우는 높은 압력 또는 "high performance"를 갖는다는 뜻을 포함하고 있다.

(3)버터후라이 밸브의 운전특성

버터후라이 밸브의 운전특성은 디스크 형상의 특성상 독특한 운전특성을 갖고 있다. 운전특성은 첫쩨, 밸브 개도의 정도에 따라 밸브의 운전토오크가 크게 변화되고, 둘째, 밸브 시팅에 비교적 큰 토오크가 필료하며, 셋째, 유량조절시 저개도 운전시 유체 와류현상에 의한 밸브 운전의 불안정성을 들 수 있다. 이러한 버터플라이밸브의 운전 특성으로 말미암아 밸브의 구조적 측면에서 많은 장점에도 불구하고 버터후라이 밸브의 적용은 제한 받을 수 밖에 없다.

밸브의 운전 토오크는 밸브에서의 부하차압(밸브는 계통에 있어서 제어요소 이기 때문에 밸브 전단의 계토압력과 후단에서의 계통압력은 제어요소인 밸브에서 감당하는 경우가 대부분이다. 이때 밸브가 수용해야 하는 계통간의 차압을 부하차압이라고 한다.)의 정도에 따라서 크게 차이가 난다. 한 예로써 범용 고무라이닝된 4" ANSI CLASS300의 버터후라이 밸브는 일반 청수를 서비스할때:100% 완전개도시 경험상 10PSI(0.7BAR)의 차압을 유지하는 것이 권장된다. 이런 경우 유속을 9m/sec.로 하면 최대 유량은 1186 GPM(269ton/hour)이 된다. 이때의 필요 토오크는 시팅되어 있는 디스크를 떼어냄는 힘(breakaway torquid)를 포함하여 2.4~~2.5kg~m가 필요하다.
그러나 개도가 70%정도가 될 때는 차압이 증가되는데 이는 밸브 디스크와 시트의 교축이 원인이 된다.이때 차압이 22psi(1.5bar)정도 생기며 유량은 1313gpm(298ton/hour)정도로 증가된다. 이때의 운전토오크(dynamic operating torque)는 100%개도시의 운전토오크에 비하여 적어도 10배이상의 코오크가 소요된다.

그림56은 버터플라이밸브에 있어서 시팅토오크가 없는 이성적인 조건하에서 밸브 개도에 따른 운전 토오크의 변화를 보여준다. 시팅토오크를 무시할 수 있는 밸브는 실제적으로 버터후라이 밸브에서는 없다. 단지 이 그림은 운전중 밸브스템의 토오크변화 특성을 설명하기 위한 것이다.실제로는 그림 57과 같이 닫힌 밸브를 열기 시작할때는 닫았을 때의 시팅 토오크이상의 토오크가 필요하다. 이 토오크를 브레이크어웨이토오크라 한다.
통상적인 모든 버터플라이밸브는 브레이크어웨이 토오크가 실질적인 밸브 조작토오크가 된다. 따라서 버터플라이밸브의 운전 토오크는 계통운전조건의 압력-온도에 의한 토오크 보다 시팅력에 필요한 토오크에 200%이상의 토오크를 더 계산한 브레이크-어웨이 토오크를 가지고 사이징하여야 한다. 시팅코오크를 구하는 방법은 메탈시트의 경우 다음과 같은 안을 제시한다.
다음의 그림 58을 참조한다.
입력항목:
p=시트접촉면압
b=사투접촉의 폭
R=시트의 반경
α=시트의 각도함수=(π/2)-시팅각도
Θ=디스크의 시팅 유효각도
μ=시트와 디스크면의 마찰
계수 계산 시팅토오크
TS=2×P×b×r2×(±(1/tanα)×sinΘ×cosΘ+Θ)+2μ×sinΘ)
따라서 총 필요토오크는 경험상 Tt=Ts+(스템부 마찰에 의한 토오크)+(정수력학적 토오크)가된다. 다음의 그림 59는 범용 버터플라이밸브의 밸브 개도별 차압 및 유량의 관계를 설명하기 위한 그림이다. 그림 60은 범용 버터후라에밸브의 크기별 차압별로 버터후라이 밸브의 총 조작토오크의 경향을 보여준다.여기 그림에서 가르키고 있는 수치는 대부분의 테프론라인드 버터플라이밸브에 적용될 수 있는 수치들이다.
만약 미터단위로 환산하려면 다음과 같이 한다.
1 psig=6.894PKa=0.0684bar
1GPM(water)=63 10E6(m3/sec)=0.00378(m3/Min)=0.2268(m3/hour)
1 1b-in=0.11298 N-m=0.01152kgf-m
1렌=0.3048m/sec.
표 18은 버터플라이밸브에 있어서 밸브개도와 차압에 따른 이론적인 유량과 이에 다른 유속을 계산해 본 결과이다. 다러서 실제적으로 일어날 수 있는 케비네이션과 같은 현상은 무시되었다.그러나 이 표는 다음과 같은 버터플라이밸브만이 가질수 있는 특송을 보여주고 있다.
즉, (1). 밸브개도 80 90%일 때 밸브간에 생기는 차압은 일정하지만 유량은 다르다.
(2)밸브개도가 60%이상이 되면서부터 차압의 증가율이 낮아진다.
(3)밸브개도가 70% 80%일때의 차압의 변화율과 유량의 변화율은 상호 비례관계를 갖지 않는다. 이와같은 버터플라이밸브에서는 밸브개도 60 90%사이에서는 유량과 차압의 변화특징이 많음으로 실제 범용의 버터후라이 밸브에 있어서 개도조절에 의한 유량제어에의 적용에는 무리가 따름을 알 수 있다.
(4) 버터플라이밸브 관련 산업규격
API STD598,Butterfly Valves Inspection and Testing
API STD609,Butterfly Valves Lug and Wafer Butterfly Valves
ASTMF1098, Standard Specification for Envelop Dimensions For Butterfly Valves-NPS 2 to 24
AWWA C504, Standard for Rubber-Seated Butterfly Valves
JIS B 2032, Wafer Type Rubber-Seated Butterfly Valves
JIS B 2064,Butterfly Valves for Water Works
MIL V-24624, Valves, Butterfiy, Water and Lug Style, Ship-Board Services
MSS SP-67,Butterfly Valves
MSS SP-68, High Pressure-Offset Seat Butterfly Valves
UL 1091, UL Standard Safety Butterfly Valves for Fire Portection Services
UL 1091, Outline of Investigation for Btterfly Valves Indicator Posts for Fire Protection Service

3.1.3 체크밸브(check valve)

체크밸브는 운전특성상 자력으로, 또한 밸브의 트림 또는 동작부가 어떻게 운전하고 있는지를 스스로만 가르키는 밸브 중 가장 유별난 밸브의 한 종류이다. 또 유테의 흐름을 한 방향으로만 유지하기 때문에 영어로"non-return"밸브라고 한다.
체크밸브에 대해서는 심도있는 연구로 체크밸브 응용에 따른 워터햄머(수격)등의 문제점들이 상당히 해결되어가고 있다. 이들 문제점들의 해결방안이란 계통의 운전특성에 따른 최적현상의 체크밸브의 운전거동을 계통의 유체 흐름현상 해석에 결부시켜 해석하고, 이 해석결과에 따라 보다 정밀하게 설계된 체크밸브 그리고 올바른 설치를 엔지니어링 하는 일련의 과정이다. 체크밸브의 기본적인 종류 및 운전특성에 대하여는 밸브의 구조에서 이미 언급하였다.
따라서 본 장에서는 보다 실질적인 체크밸브의 운전특징과 종류별 선정기술에 대하여 설명한다.체크밸브는 대별하여 6종류로 구분할 수 있다. 모든 밸브 기술자들에게 익숙한 스윙체크밸브에서부터 최근에 보다 많은 호평을 받고 있는 듀얼프레이트체크밸브, 통상4"(100A)이하 특히2"(50A)이하에서 널리 채택되고 있는 리프트체크, 유체 흐름저항이 적고 스윙길이가 적어 스윙체크밸브보다 빨리 닫힐 수 있는 기하학적 이점으로 인하여 디스크의 슬램현상이 감소되는 틸팀디스크 체크밸브, 소위 인라인 체크밸브, 그리고 마지막으로 그로브밸브와 체크밸브를 한데 묶어 두가지 기능을 각기 수행할 수 있게 한 스톱체크 밸브가 있다.
체크밸브를 올바르게 선정하기 위해서는 우선 계통설계자가 체크밸브에 대하여 잘 알아야 한다. 왜냐하면 체크밸브는 계통의 운전특성에 따라 각기 다른형식의 체크밸브가 필요하기 때문이다. 체크밸브를 올바르게 선정하기 위한 선정인자들을 아래와 같이 정리하였다. 밸브의 형식, 모양, 계통의 운전, 요구사항, 특성등에 따른 정보들이다.

(1)스윙체크밸브(SWING CHECK VALVE)

스윙체크밸브의 운정특징은 힌지핀을 중심으로 디스크가 유체의 흐름량(유속)에 따라 디스크가 열림으로 밸브가 개방되고, 유체가 정지(유속=0)함에따라 밸브 추구특의 압력과 디스크의 무게에 의해 닫히는 구조이다.
따라서 유체흐름의 중심과 힌지핀의 거리가 다른 어느 종류의 체크밸브보다 길어유체계통의 손상에 의한 급격한 역류 발생시 밸브닫힘(디스크 닫힘)시간이 비교적 길어지고 아울러 밸브디스크와 힌지핀을 연결하는 디스크와 암등내부 트림구조 보다 큰 충격력이 작용한다. 따라서 계통 및 밸브 보호를 위해 유체의 흐름이 불 균일 하거나 유속이 빠른 유체계통에서는 스윙체크가 리프트 체크 및 틸팅디스크 체크밸브보다 불리하다. 특수한 것으로는 힌지핀에 레버 또는 레버중추(LEVER WITH COUNTER WEIGHT)를 부착하여 디스크의 닫힘시간을 조정할 수 있도록 한 것도 있다.
이러한 레버중추를 설치한 체크밸브는 유속이 비교적 빠르고 맥동이 있는 라인에 적용될 수 있으며, 유체계통의 운전상황에 따라 체크밸브의 운전특성을 변경시킬 수 있는 장점도 있다. 다음의 그림61은 미국의 KALSI엔지니어링사에서 연구한 체크밸브(6"와3")의 설치 위치 및 방법에 따른 디스크의 떨림정도를 요약한 그래프이다.
그래프에서와 같이 체크밸브(스윙)를 엘보우 후단에 설체(3"밸브의 경우에는 엘보우 후단에서 2×D 위치에 설치한 경우를 L/D=0로 보면 됨)한 BASELINE떨림(배관계통의 정상적인 유체맥동에 따라 발생하는 디스크의 떨림)보다 2~4배의 디스크 떨림이 있었으며, 유체계통의 흐름이 난류인 경우에는 4~15배의 떨림이 L/D=5 이내의 스윙체크밸브의 경우 엘보우, 티이 또는 제어밸브와 같은 난류원에서는 충분한 거리를 유지하여 설치하여야 한다는 것이다.
즉, 체크밸브의 안전한 운전을 보장하기 위해서는 난류원에서 5D 이상의 거리를 두어설치하여야 한다. 여기서 L은 배관의 길이를 말하고 D는 배관의 호칭 직경 또는 밸브의 호칭크기를 말한다. 그림 62는 엘보우와 같은 난류원이 체크밸브에 어떻게 영향을 미치는가를 도식한 것이다. 스윙체크밸브 선정을 위한 유체흐름특성 및 유속과의 관계를다음과 같이 요약할 수 있다.

(2)리프트체크밸브(LIFT CHECK VALVE)

리프트체크밸브는 맥동이 있는 유체나 비교적 유속이 높은 배관계통에 적합한 구조를 갖고 있다. 예로써 체크밸브의 디스크가 완전 개방되는데 필요한 유속이 수윙체크밸브의 경우에는48SV내외인 반면 리프트체크밸브는 설계방법에 따라 다르지만55~140SV가 필요하다. 여기서 SV는 유체의 비체적이다. 유속의 단위는 Ft/sec 따라서 앞서의 스윙체크밸브의 적용이 곤란한 경우 비교적 간단한 구조와 신뢰성 높은 구조인 리프트체크밸브가 넓게 쓰인다.
그렇지만 유속이 낮은 배수계통이나 단순한 GRAVITY FLOW에의 적용에는 신중을 기하여야 한다. 리트트체크밸브의 몸체 구성형식은 이미 2.1장에서 구체적으로 언급하였고 여기서는 리프트체크밸브에 있어서의 단점 몇가지와 함께 설치방법을 성명한다.
리프트체크밸브는 앞서의 설계상 다양한 잇점이 있는반면 밸브 몸체와 디스크의 안내면이 원활하지 못할 경우에는 밸브가 열려 있는 상태로 다시 닫히지 않는 일면 Cock 또는 Stick 현상이 있다. 따라서 이러한 현상을 완화시키기 위해서는 유체 흐름을 유속범위내에서 스프링을 체택한 SPRING LOADED CHECK VALVE로 변경하는게 좋다.
아울러 유체가 디스크/시트를 통과할 때 생기는 와류에 의해 디스크가 제자리 회전하는 spinning이 생길 수 있다. 이러한 경우에는 디스크 상부의 챔버와 밸브 출구간을 연결하는 구조의 바이패스배관을 설치하여 디스크가 열릴 때 디스크상부 챔버의 잔류 유체가 빠져 나가는 구조의 리프트체크 밸브의 선정이 요구된다. 다음의 그림63은 리프트 체크밸브의 설치 방향의 제한 사항이다.

(3)틸팅디스크 체크밸브

틸팅 디스크 체크밸브는 스윙체크밸브와 리프트 체크밸브로써 만족시키기 어려운 역류로 인한 급격한 스램(Slamming)을 감소시키고 (스윙체크밸브 대비), 리프트 체크밸브의 작은 동작범위(Travel Length) 때문에 디스크의 닫힘이 매우 빨라 순간적인 유체천이력이 크게 되는 경우 이를 어느정도 감소시킬 수 있는 밸브로써 고안된 밸브이다.
따라서 압력 및 온도가 높고 유속이 빠른 고에너지 유체계통에서 적응성이 높은 밸브이다. 그러나 유체의 흐름에 맥동이 있는 경우에는 디스크가 계속 떨리면서 운전됨으로 힌지핀의 마모로 인한 밸브의 선택에 보다 깊은 밸브엔지니어링이 필요하다. 틸팅디스크는 구조상 디스크의 피봇포인트(Pivot Point)가 유체유로의 단위 관성력의 중심과 밸브의 무게 중심과 근접하도록 설계되어 있기 때문에 작은힘의 역류에도 쉽게 닫힐 수 있으며 디스크가 시트에 닿을 때에도 디스크와 피못간의 모멘트 길이가 짧아(물리적인 용어로 Pendulum Period 효과)슬램 현상이 스윙 체크에 비하여 월등히 감소된다.
또한 밸브가 정상적으로 운전할 때에도 주 디스크와 보조 디스크 사이로 유체가 흐르도록 되어 있기 때문에 운전시에는 원활한 유로관성으로 안정되어 있지만 디스크가 닫힐 때에는 이 두 디스크가 유로를 간섭하게 됨으로 배관 파손시 또는 펌프의 불시정지(Pump Trip)시의 급격한 슬램 또는 워터햄머 문제를 디스크의 닫힘지연효과(Closing Delay Effect)로 상당수준 완화시킬수 있는 구조이다.

이는 밸브 디스크면에서 생길 수 있는 충격에 의한 스트레스로 디스크면과 시트면의 마모를 스윙체크 밸브에 비하면 상당히 감소시키는 구조이다. 예로서 여러대의 펌프가 병열 운전하는 배관시스템에서는 펌프의 출구배관은 통상적으로 펌프헤더(Header 또는 Manifold)에 연결된다.
이 헤더전단 즉, 각 펌프의 후단에는 체크밸브가 설치되어야 한다.
즉, 닫힘속도가 빠를수록 좋으며, 디스크가 시트면에 닿는 순간에는 그 충격력을 감소시킬수 있는 구조이면 더욱 좋을 것이다. 이러한 경우 틸팅디스크 체크밸브가 쓰인다.
틸팅 디스크 체크밸브에는 앞서 언급한 구조적인 장점들을 더욱 효과적으로 수행할 수 있게하는 고려사항이 있다. 6〃이상의 대형 틸팅디스크체크 밸브는 스윙체크에 비하면 역류시 순간적인 단힘 동작에 시간이 걸릴 수도 있다.
이는 틸팅디스크의 구조에서와 같이 닫힘 동작이 개시될때의 역류(유체압)의 힘을 받는 단면적이 적기 때문이다. 이를 설계에 고려한 것이 힌지핀에 스프링을 감아 닫힘을 용이하게 한 구조이다.

그러나 디스크가 완전히 닫힐 때는 이 스프링의 영향력이 거의 없도록 해야 한다. 따라서 스프링의 강성도는 틸팅디스크의 날개 무게가 가장 중요한 설계인자가 된다. 이렇게 될 경우 스프링 스윙체크밸브의 중추와 유사한 역할을 수행하게 되는 것이다. 그림65의 경우 틸팅디스크 체크밸브의 디스크 평형 설계를 용약한 구림으러서 틸팅 디스크의 힌지핀은 밸브의 시팅부에 가능한 가깝게 설계하되 선 A-A' 와 B-B' 및 디스크가 완전 열렸을대의 유선이 만드는 F-F'선의 삼각형내에 있어야 한다.
유체 흐름이 일정 속도가 되어 균일해 지기 위해서는 유체유속으로 인한 유체관성력과 틸팅디스크의 지중에 의한 디스크의 평형이 매우 중요하다.
따라서 주 디스크의 형상과 날개(보조디스크)의 형상은 이 평형관계 때문에 유로의 접선각도가 다르게 설계된다. 그름 66과 그림67은 각각 고압용 체크밸브로 사용되는 미국 에드워드사 및 영구 드란스사의

심심풀이 한치 와 맥주

2008년 10월 27일 월요일

[스크랩]밸브에 관한 전반적인 사항(글)

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