밸브 밀봉면 누설처리 방법과 원리 및 역사적 배경

밸브는 유체의 흐름을 제어하는 핵심 장치로, 산업 현장에서 널리 사용되고 있습니다. 그러나 사용 과정에서 밸브 밀봉면에 누설이 발생하면 생산성 저하, 안전 문제, 환경 오염 등 다양한 문제를 초래할 수 있습니다. 본 보고서에서는 밸브의 역사적 배경부터 밀봉면 누설의 원인, 누설 처리 방법 및 원리, 그리고 관련 기술의 발전 과정까지 포괄적으로 다루고자 합니다.

밸브의 역사적 배경

밸브는 인류 문명의 발전과 함께 오랜 역사를 가지고 있습니다. 고대 이집트에서는 나일 강의 수위를 조절하기 위해 원시적인 형태의 밸브를 사용했으며, 로마 제국에서는 급수 시스템에 다양한 밸브를 활용했습니다. 그러나 현대적 의미의 밸브 기술은 17세기 이후 본격적으로 발전하기 시작했습니다.

초기 밸브 기술의 발전

밸브 기술의 초기 발전은 수압 이론과 함께 시작되었습니다. 1648년 프랑스의 B. Pascal이 제시한 수압 변속기 이론은 유압 기술 발전의 기초가 되었습니다. 약 200년 후인 1795년에는 영국의 Joseph Bramah가 세계 최초의 유압 기계 특허를 등록했습니다.

안전 밸브는 1600년대부터 현대와 유사한 설계 개념을 가지고 있었습니다. 프랑스인 파핀(Papin)은 1682년경 소화조에 안전 밸브를 최초로 적용했으며, 레버와 움직이는 추를 사용하여 안전 밸브를 닫아두고 증기 압력을 조절했습니다. 이후 독일의 Glauber는 이러한 안전 밸브를 개선하여 과도한 압력으로부터 장비를 보호하는 방법을 발전시켰습니다.

산업혁명과 밸브 기술

16세기 영국의 Wilkinson이 연관(파이프)을 대량으로 생산할 수 있는 조관기를 발명하면서 파이프와 밸브의 대량 사용 시대가 시작되었습니다. 1629년경에는 로마 출신의 장인에 의해 콕(Cock) 형태의 플러그 밸브를 가공하는 기계가 발명되었습니다.

산업혁명 시기인 1769년, 제임스 와트(James Watt)는 개량된 증기기관에 현대적 형태의 밸브를 적용했으며, 이는 밸브 기술의 발전과 함께 산업혁명의 진전에 큰 기여를 했습니다. 1839년에는 James Nasmyth가 나사를 이용한 초기 형태의 게이트 스톱밸브를 발명했고, 이를 계기로 1840년부터 1890년 사이에 다양한 형태의 밸브가 계속 발명되었습니다.

20세기 밸브 기술의 발전

20세기 초반에는 다양한 형태의 밸브가 발전했습니다. 1900년에는 티모시 해크워스(Timothy Hackworth)가 중추형 보일러 안전밸브를 스프링 형식의 안전밸브로 변경했습니다. 제1차 세계대전 중에는 스웨덴의 엔지니어 스벤 노드스트롬(Sven Nordstrom)이 윤활방식의 대형 프러그밸브를 개선했습니다. 1929년에는 남아공의 광산 엔지니어 샌더스(Saunders)가 다이아후람밸브를 특허 등록했습니다.

1944년에는 미국의 Mansoneilan사가 밸브업계 최초로 밸브유량계수(Flow Capacity, Cv)를 도입하여 밸브의 성능을 정량적으로 평가할 수 있게 되었습니다. 이는 제어밸브의 차압과 유량 간의 물리적 특성을 보여주는 중요한 파라미터로, 현재까지도 밸브 성능의 중요한 지표로 사용되고 있습니다.

밸브 밀봉면 누설의 원인

밸브 밀봉면의 누설은 다양한 원인에 의해 발생할 수 있으며, 이를 이해하는 것이 효과적인 누설 처리의 첫 단계입니다. 주요 누설 원인은 다음과 같습니다.

씰링 개스킷 관련 요인

밸브의 씰링 표면 개스킷이 노화되면 딱딱해지고 부서지기 쉬워져 씰링 성능이 저하됩니다. 또한 밸브 본체와 버터플라이 플레이트 사이의 밀봉 링이 마모되거나 열화되는 경우에도 누설이 발생할 수 있습니다.

조립 및 설치 요인

밸브의 밀봉 표면이 과도하게 조여지면 개스킷이 변형되고 원래 밀봉 표면의 모양이 파괴되어 밀봉 성능이 저하됩니다. 또한 밸브가 설치 과정에서 표준화되지 않은 경우, 열악한 제어 조치로 인해 누출이 발생할 수 있습니다.

불순물 및 이물질 관련 요인

쓰레기, 모래 등의 불순물이 밸브 밀봉 표면에 유입되면 밸브 밀봉 표면이 마모되고 손상되어 견고성이 저하됩니다. 버터플라이 밸브에서는 나비 판에 침전물이 붙어 있는 경우에도 누설이 발생할 수 있습니다.

제조 및 설계 요인

밸브 채널이 불균일하면(예: 큰 구덩이 또는 볼록부) 밸브 밀봉 표면과 채널 사이의 간격이 늘어나 누출이 발생합니다. 또한 밸브 제조 공정 중 오차가 너무 크면 밸브 플레이트와 밸브 시트가 동심원이 아니게 되어 밀봉면이 완전히 일치하지 않아 누출이 발생합니다.

밀봉 표면에 균열, 공기 구멍 및 협착과 같은 결함이 있는 경우도 누설의 원인이 됩니다. 이는 표면 처리 및 열처리의 부적절한 선택 또는 부적절한 용접 및 열처리 작업으로 인해 발생할 수 있습니다.

재료 선택 및 처리 요인

부적절한 재료 선택 또는 부적절한 열처리로 인해 밀봉 표면의 문제가 발생할 수 있습니다. 밀봉 표면의 경도가 너무 높거나 낮으면 경도가 불균일해지고 침식에 대한 저항성이 저하됩니다. 또한 밸브 플레이트 및 밸브 시트의 밀봉면 재질이 사용 요건을 충족하지 못하면 누설이 발생할 수 있습니다.

밸브 밀봉면 누설 처리 방법 및 원리

밸브 밀봉면 누설을 처리하기 위한 다양한 방법과 원리가 있으며, 누설의 원인에 따라 적절한 처리 방법을 선택해야 합니다.

개스킷 및 부품 교체

밸브의 밀봉 표면 개스킷이 노화된 경우에는 제때에 교체하는 것이 중요합니다. 개스킷을 교체할 때는 제조업체의 요구 사항을 따르고 적절한 개스킷 재료를 선택해야 합니다. 분말 버터플라이 밸브의 마모로 인한 누설의 경우에는 나비 판을 교체하는 것이 좋습니다.

적절한 압력 및 조임력 유지

밸브 밀봉 볼트를 조일 때는 적절한 압력을 파악하고 과도하게 조이지 않도록 주의해야 합니다. 공기 소스 압력이 공압 액추에이터의 요구 사항에 맞는지 확인하는 것도 중요합니다.

플러그와 시트에 틈새가 존재할 때 래핑이나 밀봉력 조절 등의 적절한 기법을 통해 틈새를 절반으로 줄이면 누설량은 1/8 이상 개선될 수 있습니다. 시트 누설과 밸브 스템 부하 간에는 상관관계가 있으며, 누설량은 시트 재질의 항복점 근처에서 거의 0에 가까워지는 것으로 알려져 있습니다.

정기적인 청소 및 유지관리

밸브의 밀봉 표면을 정기적으로 청소하여 불순물을 제거하는 것이 중요합니다. 불순물이 발견되면 제때에 청소해야 합니다. 나비 판에 침전물이 있는 경우에는 분말 나비 밸브를 분해하여 나비 판을 확인하고 청소해야 합니다.

밸브 채널도 적시에 점검하고 유지관리하여 채널을 매끄럽게 유지하고, 밸브 채널 구덩이나 융기가 형성되어 견고성이 저하되는 것을 방지해야 합니다.

밸브 테스트 및 누설 등급 평가

밸브를 테스트하여 누설의 본질을 결정하는 것이 중요합니다. 밸브 누설에는 시트 누설(밸브 내부로 누설이 억제되지만 유체가 씰을 통과하여 유동을 멈출 수 없는 경우)과 셸 누설(밸브 스템이나 몸체를 통해 밸브 외부로 유체가 누설되는 경우)의 두 가지 주요 형태가 있습니다.

밸브의 시트 밀봉 정도를 나타내기 위한 지침으로는 ANSI/FCI 70-2가 있으며, 모두 6등급으로 나누어집니다. 밸브 밀봉력 저하 및 손상 등으로 내부 누설이 자주 일어나는 밸브는 누설 등급을 상향 조정해야 하고, 높은 고차압 조건의 닫힌 밸브에서 누설이 발생하면 누설 등급은 Leakage Class V를 적용해야 합니다.

밸브 누설 처리 기술의 발전

밸브 누설 처리 기술은 시간이 지남에 따라 지속적으로 발전해왔으며, 특히 환경 규제가 강화되면서 더욱 정교한 기술들이 개발되고 있습니다.

밸브 스템 씰링 기술의 발전

밸브 스템의 씰링 방법은 크게 두 가지로 구분됩니다. 하나는 유연성(Flexible)있는 금속재 또는 비금속재의 다이아후램(Diaphragm)이나 벨로우즈(Bellows)를 이용하여 유체와 스템을 근본적으로 씰링하는 방법이고, 다른 하나는 기존의 패킹구조를 사용하는 패킹씰링 방법입니다.

메탈 다이아후램 방식은 원형의 얇은 판재에 곡호(穀弧)를 만들고, 이들을 여러 겹 쌓아 밸브의 본네트에 클램핑하거나 씰 용접하여 유체의 누설을 차단합니다. 이러한 메탈 씰링은 밸브 외부로의 완전무누설을 도모하는 것으로, 최근의 미국 대기환경법규(Clean Air Act)에 의한 휘발성 유기물질(VOC)의 대기방출 규제(용적비로 500ppm 이하)에 대응하기 위해 중요성이 강조되고 있습니다.

패킹 기술의 발전

과거에는 스템 누설을 보다 효과적으로 제어하기 위해 깊은 스터핑 박스와 많은 수의 패킹링(최대 12개)을 사용했습니다. 그러나 이로 인해 밸브 몸통은 커지고 패킹 글랜드 볼트도 커져야 했으며, 스템과 패킹 마찰 면적이 넓어져 밸브 운전에 큰 힘이 필요했습니다.

흑연 패킹으로 패킹재료가 전환되면서 밸브 패킹에 대한 심도 있는 연구가 진행되었고, 패킹 구조 내에서 밸브 스템 누설에 직접적으로 관계되는 씰링 가압력은 패킹의 가압에 의해 생기는 레디얼 성분의 가압력으로, 이 가압력이 밸브의 계통압력보다 클 경우에는 누설이 생기지 않는다는 것이 밝혀졌습니다. 현재는 잘 성형된 높은 순도(99% 이상)의 흑연 패킹의 경우 3~4개의 패킹링만으로도 씰링 특성이 충분히 유지됩니다.

실험 결과에 따르면, 밸브의 패킹 조합은 양 끝단에는 편조된 유연한 흑연패킹으로 하고, 중간 부위에는 3단의 고밀도 성형 흑연패킹으로 구성된 5단 패킹조합이 가장 양호한 것으로 보고되고 있습니다. 이러한 구조에서는 스템의 가공정밀도(진원도, 표면거칠기)와 스터핑 박스의 표면 가공정도가 실질적인 주요 누설요인이 됩니다.

국제 표준 및 누설 등급 시스템의 발전

밸브 누설에 대한 국제 표준이 발전하면서 누설 정도를 객관적으로 평가하고 분류할 수 있게 되었습니다. 미국 표준협회(ANSI)는 밸브 누설을 6개의 등급(Class)으로 분류하며, 이러한 등급은 밸브의 누출 허용 한계를 정의합니다.

Valve leakage는 밸브가 닫힌 상태에서 사용자가 원치 않는 유체(일반적으로 가스나 액체)의 누출을 나타내는 현상입니다. 누출 차단 능력은 밸브의 타입과 관련이 있으며, 예를 들어 Double Seated Control Valve(이중 시트 제어 밸브)는 양쪽 시트에서 누출을 막아야 하기 때문에 구조적으로 누출 차단 능력이 제한적일 수 있습니다.

CLASS IV는 금속 플러그와 금속 시트가 있는 밸브에서 기대할 수 있는 누출 CLASS로 알려져 있으며, CLASS VI는 "소프트 시트" 분류로, 소프트 시트 밸브는 플러그, 시트 또는 둘 다가 PTFE(폴리테트라플루오로에틸렌)와 같은 조성 재료로 만들어진 밸브입니다.

결론

밸브 밀봉면 누설 처리는 산업 현장에서 중요한 과제로, 역사적으로 다양한 방법과 기술이 발전해왔습니다. 밸브 기술은 17세기부터 발전하기 시작하여 산업혁명을 거치면서 비약적으로 발전했으며, 20세기에는 다양한 종류의 밸브와 누설 처리 기술이 개발되었습니다.

밸브 밀봉면 누설의 주요 원인으로는 씰링 개스킷의 노화, 과도한 조임, 불순물 유입, 불균일한 밸브 채널, 제조 공정의 오차, 부적절한 재료 선택 등이 있습니다. 이러한 누설을 처리하기 위해서는 개스킷 교체, 적절한 압력 유지, 정기적인 청소 및 유지관리, 밸브 테스트 등의 방법이 사용됩니다.

밸브 누설 처리 기술은 환경 규제가 강화되면서 더욱 정교해지고 있으며, 다이아후램이나 벨로우즈를 이용한 씰링 방법, 흑연 패킹을 활용한 패킹 기술, 국제 표준에 따른 누설 등급 시스템 등이 발전하고 있습니다.

효과적인 밸브 밀봉면 누설 처리를 위해서는 누설의 원인을 정확히 파악하고, 적절한 처리 방법을 선택하는 것이 중요합니다. 또한 정기적인 유지관리와 점검을 통해 누설을 예방하는 것이 가장 비용 효율적이고 안전한 방법입니다.