오늘은 석유 화학, 정유, 가스 산업 등 에서 가장 많이 사용하는 밸브의 종류에 대해 알아보겠습니다.
목차
1. Gate Valve
2. Globe Valve
3. Check Valve
4. Ball Valve
5. Butterfly Valve
6. Safety Valve, Relief Valve
이전 발행 참고 포스팅
On-Off Valve (Shut-Off Valve), Control Valve 차이, 적합한 밸브 타입
On-Off Valve (Shut-Off Valve), Control Valve 차이, 적합한 밸브 타입
On-Off Valve (Shut-Off Valve), Control Valve에 적합한 밸브 타입과 고려사항 목차 온오프 밸브와 컨트롤 밸브의 차이점 온오프 밸브 선택 시 고려사항과 가장 적합한 밸브 타입 컨트롤 밸브 선택시 고려사
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1. Gate Valve
Gate valve는 Body와 Bonnet이 십자 형태로 이루어지며, 디스크가 직선 유로에 대해 직각으로 미끄러지면서 완전히 열리면 거의 배관 크기와 같은 유체 통로를 유지하는 밸브입니다. 이러한 동작 및 구조에 따라 다음과 같은 특징을 가집니다.
특징
- 전체 개폐(ON-OFF)용으로 사용되며, 조절용으로는 사용할 수 없습니다.
- 양면 실링이 가능하여 방향성이 없습니다.
- 높은 유량 특성을 가지며, 유체가 밸브 내부를 통과할 때 방향 및 단면의 변화가 없어 압력 손실이 적습니다.
- 비교적 제작이 용이하여 광범위하게 제작이 가능합니다.
- 부착 면간 거리가 짧고, 핸들 조작이 가볍습니다.
- 다양한 유체(예: 기름, 가스, 공기, 비점성 유체, 부식성 유체 등)에 사용할 수 있습니다.
장점
- 유체가 흐르는 동안 거의 압력 손실이 없습니다.
- 부착 면간 거리가 짧고, 핸들 조작이 가볍습니다.
- 양면 실링이 가능하여 방향성이 없습니다.
- 다양한 유체에 사용할 수 있으며, 큰 물체나 슬러리 등도 안전하게 통과시킬 수 있습니다.
단점
- 전체 개폐(ON-OFF)용으로만 사용할 수 있으며, 조절용으로는 사용할 수 없습니다.
- 중간개폐 상태에서 사용하면 게이트의 배면에 와류가 생겨 유체 저항이 크게 되어 밸브에 진동이 발생하거나 침식이 생길 위험이 있습니다.
- 밸브 높이가 높고, 리프트가 크므로 개폐하는 시간이 많이 걸립니다.
- 저압에서 Cavitation이 발생할 수 있으며, 중간에서 개폐하면 진동이나 소음이 발생할 수 있습니다.
- Gate valve는 높은 유량 특성을 가지고 있어 대기관, 수도관, 증기관, 가스 파이프 등의 분야에서 널리 사용됩니다.
- 전체 개폐용으로만 사용할 수 있기 때문에, 특히 큰 유량을 처리하거나 자주 개폐하는 경우에 적합합니다.
아래는 대표적인 게이트 밸브의 종류 대한 설명입니다.
Solid Wedge Gate : 게이트가 쐐기 형이며, 일체형으로 몸통의 시트 각도에 따라 게이트의 각도 변화가 불가능하므로 제작이 어려워 소형에서 많이 채택하며 누설 위험이 있다.
Knife Gate : 펄프, Slurry 및 폐기물 계통의 점성이 높은 유체에 사용되는 형으로 게이트 끝을 칼날 같이 하여 Close시에 유체를 절단하면서 닫는다.
2. Globe Valve
특징
- 구상의 Body 내에 격벽이 있어, 이 Body Seat면에 대하여 Plug를 상하 운동을 시킴으로써 유량을 제어한다.
- 게이트 밸브에 이어 배관용으로 널리 사용되는 밸브이다.
- 대부분의 조절 밸브에 대한 기본으로 고압력에 강하며, 유량 조절용으로 사용한다.
- 2개소 이상이 직각으로 굽어지므로 마찰 손실이 크다.
- 디스크의 형상에 따라 다양한 유량 특성을 갖는다.
장점
- 누출이 적어 화학물질 등 유해한 물질의 유출을 예방할 수 있다.
- 선형 운동을 이용하여 정밀한 유량 조절이 가능하다.
- 유체의 흐름을 시작, 중지 및 조절하는 데 사용될 수 있다.
- 게이트 밸브와 비교하여 누출이 적어 좋은 밀봉 성능을 가진다.
- 고압력에 강하며 다양한 유량 특성을 가지고 있다.
단점
- 에너지 손실이 크며 유체가 밸브를 통과 할때 압력강하가 발생한다.
- 큰 개방이 필요하며 중량이 무거우며 소음이 크다.
- 플러그 조립을 위한 큰 개구부가 필요하고, 다른 밸브와 비교하여 더 무거워지며, 플러그가 스템에 칸틸레버 형태로 부착되기 때문에 한계점이 있다.
- 2개소 이상이 직각으로 굽어지므로 마찰 손실이 크다.
칸틸레버 설명
칸틸레버 (Cantilever)는 지지점에서 멀리 떨어진 한쪽 끝이 자유로운 봉 형태의 구조물을 말합니다. 글로브 밸브에서 디스크는 스템의 끝에 칸틸레버 형태로 부착되어 있으며, 이 구조는 높은 압력 상황에서 디스크의 굽힘과 불균형을 초래할 수 있습니다. 따라서 고압 상황에서는 디스크와 스템의 구조를 최적화하여 칸틸레버의 영향을 최소화해야 합니다.
아래는 대표적인 글로브 밸브의 바디 형상 대한 설명입니다.
T형 : 가장 많이 사용되는 형태로 Plug가 Cage 내에서 상하로 동작 되어 Seat-Ring 에 맞닿아 운동하는 글로브밸브로 유체의 흐름이 직각으로 꺽끼며 흐름에 따라 압력손실이 크며, 트림의 손상과 패킹의 마찰력이 크고, 큰 작동 Force가 요구되며, 또 소음의 원인이 된다.
Y형 : 약 45도~ 60도로 유체의 흐름이 원활하게 되므로, T형 밸브의 결점인 압력손실을 경감시킨다. 고압 및 가혹한 서비스에 많이 사용된다.
Angle형 : 90도 꺾어지는 형태로 유체가 통과하며, T형과 비교하여 균형이 잡힌 유체를 얻을 수 있다. 이 형태는 장착하는데 엘보우(Elbow)와 치환 할 수도 있다. 배출 조건이 유체역학 및 침식(Erosion)의 점에서 유리하기 때문에 많은 고 기술의 제어밸브가 이 형태를 가지고 있다.
Gate와 Globe Valve와의 비교
Gate valve은 isolation에 적합하고, globe valve은 regulating 또는 throttling에 적합하다. Globe valve이 gate valve보다 torque가 크게 필요하며, globe valve은 valve body 안에서 수리 가능하다.
Gate valve은 양방향으로 사용 가능하며, globe valve은 일방향으로만 사용 가능하다. Globe valve은 높은 차압에서도 열 수 있지만, gate valve은 차압으로 인해 열 수 없다.
Globe valve은 Cv vs % 열림 특성이 거의 선형이지만, gate valve은 포물선형 특성이 심하므로 throttling에 사용할 수 없다.
3. Check Valve
특징
- 체크 밸브는 유체의 흐름 방향을 일정하게 유지하는데 사용되는 밸브로, 단방향 유동을 제공한다.
- 자동으로 작동하며, 유체의 압력 차이에 의해 열리고 닫힌다.
- 일반적으로 체크 밸브는 스윙 형, 리프트 형, 웨이퍼 형 등 다양한 형태가 있다.
- 내부에 있는 판이나 움직이는 부품을 사용하여 역류를 방지한다.
장점
- 유체의 역류를 방지하여 파이프라인의 안전성을 높인다.
- 자동으로 작동하기 때문에, 별도의 조작이 필요하지 않다.
- 설치가 간편하며, 유지보수가 적게 필요하다.
- 다양한 형태와 크기로 제공되어, 다양한 애플리케이션에 적용할 수 있다.
단점
- 일방향 흐름만 허용하기 때문에, 양방향 흐름이 필요한 시스템에는 사용할 수 없다.
- 누수가 발생할 수 있으며, 완전한 밀봉을 보장하지 못할 수 있다.
- 압력 차이에 의한 노이즈 발생이 있을 수 있다.
- 유체가 빠르게 역류할 경우, 밸브가 손상될 수 있다.
아래는 대표적인 체크밸브의 종류 중 스윙 밸브에 대한 설명입니다.
스윙 체크 밸브는 가장 널리 사용되는 체크 밸브 유형으로, 간단한 구조를 가지고 있습니다. 이 밸브는 제작이 비교적 쉽고 저압에서 고압, 소형에서 대형까지 다양한 범위에서 사용할 수 있으며 압력 손실이 적은 것이 장점입니다. 그러나, 유체의 와류가 심한 곳에서는 디스크 회전으로 인해 파손이 발생하거나 소음이 발생할 수 있습니다. 이를 방지하기 위해 디스크와 너트 연결부에 충분한 강도를 유지하도록 설계하고, 스톱퍼 설치나 용접을 통한 연결 방법 등이 필요할 수 있습니다. 또한, 수직 배관에서는 사용하지 않는 것이 좋습니다.
4. Ball Valve
볼 밸브는 회전 가능한 볼을 사용하여 유량을 조절하는 밸브로, 다양한 화학적 조건에서 사용 가능하며 다양한 유체의 유량 조절에 사용됩니다.
특징
- 회전 가능한 볼을 사용하여 빠른 개폐 및 조작이 가능합니다.
- 포트 또는 관경은 볼의 중심을 통한 원형 유동 통로이며, 1/4 회전하면 유량이 차단됩니다.
- 다양한 재질과 볼의 형상을 선택하여 유체의 종류에 따라 적합한 볼을 선택할 수 있습니다.
- 풀 포트 또는 리듀스 포트 메커니즘을 사용하여 파이프 라인, 바이패스, 배치, 모니터 및 비상 정지 서비스 등 다양한 응용 분야에 사용됩니다.
- 압력강하가 작아서 파이프 라인에 영향이 덜합니다.
- 내구성이 뛰어나서 오랜 기간 사용할 수 있습니다.
- Full Port 또는 Full Bore 볼 밸브의 경우 파이프 라인을 클리닝 하고 유지하는 것이 쉽습니다.
- 레인지빌리티가 일반적으로 100:1입니다.
장점
- 빠른 개폐 및 조작이 가능하므로, 빠른 응답이 필요한 상황에서 유용합니다.
- 스로틀링 제어가 가능하며, 레인지빌리티가 높아서 다양한 유량 조절이 가능합니다.
- 내구성이 뛰어나서 오랜 기간 사용할 수 있습니다.
- Full Port 또는 Full Bore 볼 밸브는 파이프 라인을 쉽게 청소하고 유지할 수 있습니다.
단점
- 리듀스드 포트 또는 축소된 관경 볼 밸브의 경우 유량 제어에 제한이 있을 수 있습니다.
- Body, Ball 내부의 청소 및 수리가 어렵습니다.
- 초기 비용이 다른 밸브에 비해 높을 수 있습니다.
- 개폐 동작 중에 발생할 수 있는 충격이 파이프 라인에 영향을 미칠 수 있습니다.
- 메탈시트의 경우는 메탈과 메탈의 접촉 때문에 Galling이 발생한다.
아래는 대표적인 볼 밸브의 타입에 대한 설명입니다.
볼 밸브의 대표적인 타입으로는 2-way (2개의 포트를 가진 볼 밸브), 3-way (3개의 포트를 가진 볼 밸브), 4-way (4개의 포트를 가진 볼 밸브) 등이 있습니다. 2-way 볼 밸브는 가장 일반적으로 사용되며, 간단한 개폐 동작으로 유량을 제어할 수 있습니다. 3-way 볼 밸브는 유량의 방향을 제어할 수 있습니다. 4-way 볼 밸브는 유량의 방향뿐만 아니라 유체를 분배하거나 합병하는 용도로 사용됩니다.
5. Butterfly Valve
버터플라이 밸브는 회전형 밸브로, 회전 디스크를 사용하여 파이프 내의 유체 유동을 제어합니다.
일반적으로 90도 회전 가능하며, 주로 일반 서비스 응용 분야에서 사용됩니다.
이러한 버터플라이 밸브는 다른 밸브에 비해 다음과 같은 특징이 있습니다.
특징
- 동일구경 타 밸브에 비해 소형, 경량으로 설치 및 취급이 용이하고 배관 시스템을 안정화시킬 수 있습니다.
- 사용 공간이 협소한 곳에도 설치가 가능하며 시스템을 콤팩트하게 할 수 있어 전체적인 비용을 절감할 수 있습니다.
- Quarter Turn(90°회전) 개폐로 조작이 용이하고 긴급개폐가 가능합니다.
- 자동화가 용이합니다.
- 호칭경 1000mm 이상의 대형밸브 제작이 가능하고 타 밸브에 비해 제작비용이 저렴합니다.
- 시트재질의 적용에 제약이 없어 초 저온에서 고온 및 고압용으로 제작이 가능합니다. (고온고압용은 Triple Offset Metal Seat Type에서만 가능합니다)
- Operating Torque가 낮아 조작이 쉽습니다.
- 구조가 간단하고 고장이 적으며 유지 보수가 용이합니다.
- 동일구경 타 밸브에 비해 가격이 싸고 경제적입니다.
- 차단용 및 조절용으로 사용이 가능합니다. (조절용은 Cavitation 주의가 필요합니다)
장점
- 경제적인 가격으로 대량 생산이 가능하며, 고용량에서는 경제적인 선택지입니다.
- 단순한 구조로 인해 유지 보수 및 교체가 쉽고, 고용량 및 높은 온도에서도 사용 가능합니다.
- 동일 구경의 다른 밸브에 비해 소형, 경량으로 설치 및 취급이 용이하며, 콤팩트한 설치가 가능해 전체적인 비용을 절감할 수 있습니다.
- Quarter Turn(90° 회전) 개폐로 조작이 용이하고 긴급 개폐가 가능합니다.
- 자동화가 용이하며, 호칭경 1000mm 이상의 대형 밸브 제작이 가능하고 제작 비용이 저렴합니다.
- 시트 재료의 적용에 제약이 없어 초 저온에서 고온 및 고압용으로 제작이 가능합니다.
- 구조가 간단하고 고장이 적으며 유지 보수가 용이합니다.
- 동일 구경의 다른 밸브에 비해 가격이 싸고 경제적입니다.
- 차단용 및 조절용으로 사용이 가능합니다.
단점
- 일반적인 버터플라이 밸브는 제어 범위가 좁아 정밀한 스로틀링 제어에는 부적합합니다.
- 작은 크기의 버터플라이 밸브는 제어 범위가 제한적입니다.
- 일부 응용 분야에서는 적합하지 않을 수 있습니다.
- 초기 버터플라이 밸브는 150℃ 이상의 고온, Class 150 이상의 고압에서 사용 불가능하고, Full Open 시에도 디스크가 남아 있어 유체에 영향을 미치는 단점이 있습니다. (밸브가 열리더라도 배관의 중앙에 디스크가 여전히 존재)
- 하지만 현재는 Triple Offset Metal Seat Type의 개발로 고온 고압용으로 사용 가능하지만 제품 단가가 비쌉니다.
아래는 대표적인 트리플 옵셋 타입에 대한 설명입니다.
싱글 옵셋 (Singe Offset)
싱글 옵셋 구조는 디스크의 중심이 시트와 같은 축에 위치하는 구조로, 대체로 경제적이고 경량화된 구조를 가지고 있어서 대부분의 일반적인 서비스 응용 분야에서 사용됩니다. 그러나 디스크가 시트와 밀착하지 않아 유체 누출이 발생할 수 있으며, 저온에서만 사용 가능하고 정밀한 제어에 적합하지 않은 단점이 있습니다.
더블 옵셋 (Double Offset)
더블 옵셋 구조는 디스크의 중심이 시트와 다른 축에 위치하는 구조로, 좁은 제어 범위를 가진 싱글 옵셋에 비해 높은 성능을 보입니다. 또한 디스크와 시트 사이에 적용되는 압력이 낮아져서 누출을 최소화할 수 있고, 저온과 고온, 고압에서도 사용 가능합니다. 디스크와 시트가 밀착되어 정밀한 제어에 적합하지만, 제작과 유지보수 비용이 높은 단점이 있습니다.
트리플 옵셋 (Triple Offset)
트리플 옵셋 구조는 더블 옵셋의 단점을 보완하여 개발된 구조로, 디스크의 중심이 시트와 더불어 두 축에서 벗어나며, 시트와 디스크의 중심축 간 각도가 더블 옵셋에 비해 더 기울어져 있습니다. 이로 인해 디스크가 시트와 마찰 없이 움직일 수 있어서 착석 중에도 누출이 최소화됩니다. 트리플 옵셋은 고온, 고압에서 높은 성능을 보이며, 정밀한 제어도 가능합니다. 다만, 제작과 유지보수 비용이 매우 높아 경제적이지 않은 단점이 있습니다.
6. Safety Valve, Relief Valve
Safety Valve
Safety Valve는 시스템 내부의 압력이 일정한 압력 설정값을 초과할 경우, 밸브가 자동으로 개방되어 압력을 안전 수준으로 감소시킵니다. 압력이 소정의 압력치 이하로 떨어지면 다시 밸브가 닫힙니다.(수동으로 재설정해야 하는 제품도 흔히 사용됩니다.)
이와 같은 기능으로 시스템 내부의 안전한 압력 범위를 유지합니다.
Relief Valve
반면, Relief Valve는 시스템 내부의 압력을 일정하게 유지하고, 시스템 내부의 최고 압력을 제한하는 기능을 수행합니다. Relief Valve는 일정한 압력 값을 초과할 경우 자동으로 개방되어 시스템 내부의 과압 상황을 해소합니다. Relief Valve는 반복적으로 작동하여 시스템 내부의 과압 상황을 방지하는 역할을 합니다.
Safety Valve는 이와 달리, 시스템 내부의 안전한 압력 범위를 유지하기 위해 설치되며, 일정한 압력 값을 초과할 경우 작동하여 시스템 내부의 압력을 안전한 수준으로 유지합니다. 따라서, Safety Valve는 Relief Valve와는 목적과 작동 원리가 다르며, 두 기능을 병행하지 않습니다.
이에 따라, Relief Valve와 Safety Valve는 유체 시스템 내부의 과압 및 안전한 압력 유지에 필수적인 밸브이지만, 작동 원리와 목적에서 차이가 있습니다. 적절한 밸브를 선택하여 설치하고, 제조업체에서 제공하는 매뉴얼을 참고하여 유지 보수를 수행해야 안전하게 운영할 수 있습니다.
이번 포스팅에서는 가장 많이 사용하는 밸브의 종류에 대해서 공부해 보았습니다.
다음에는 글로브 밸브, 볼밸브, 버터플라이 밸브 중에서 어떤 밸브가 온오프, 컨트롤 밸브에 적합한가에 대한 포스팅을 해보겠습니다.
컨트롤 밸브(Control Valve)의 기본 구성 요소
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컨트롤 밸브(Control Valve)를 제어하기 위한 구성 요소를 알아봅시다. 이전 발행 참고 글 On-Off Valve (Shut-Off Valve), Control Valve 차이, 적합한 밸브 타입 On-Off Valve (Shut-Off Valve), Control Valve 차이, 적합한
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Actuator의 유형 및 종류 (Valve 구동 용)
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동작 형태, 메커니즘에 따른 Actuator의 분류 액추에이터와 관련된 밸브에 대해 미리 공부하실 분은 아래 링크를 이용하세요. Valve (밸브)의 종류 별 특징 및 장단점 Valve (밸브)의 종류 별 특징 및
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