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문제 정의
- 이들 중에서 부하율 현상은 밸브에 부하(load) 작용 시구 동기에서 발생되는 토크가 마찰저항에 의해 밸브 스템에 전달되는 스러스트로 변환시 그 크기가 감소하는 현상으로[4], 현재 국내외 산업계에서는 밸브 성능평가시 열림행정 및 닫힘 행정 모두 10%의 부하율을 적용하고 있다. 본 연구에서는 국내 원자력발전소에 설치되어 있는 게이트 밸브에 대해 열림행정에서 발생되는 부하율 특성을 분석하고 현재 적용되고 있는 부하율 값이 타당한지를 확인하기 위해서 발전소 현장에 설치된 밸브들에 대해 정적시험과 동적 시험을 수행하고, 그 결과를 분석하였다.
제안 방법
- 열림 행정 부하율 평가는 스템 스러스트에 압축력과 인장력이 모두 가해지지 않은 상태인 "zero load" 지점에서부터 열림시 최대스러스트가 작용하는 cracking지점까지의 스러스트 및 토크 측정값을 사용하였고, 닫힘 행정 부하율은 "zero load 지점부터 밸브 완전 닫힘 이후 제어 스위치가 동작하여 모터가 트립되는 지점까지의 스러스트 및 토크 측정값을 사용하였다.
- Flexible wedge형 모터구동 게이트밸브의 열림 행정에 대한 부하율을 평가하기 위해 다양한 차압 조건에서 밸브 시험을 수행하였으며, 그 결과 정적상태의 토크값 변화와 동적상태의 토크 값의 변화가 선형적인 관계가 있음을 확인하고, 이를 근거로 하여 cracking 시점에서 발생되는 동일한 토크를 기준으로 외삽법에 의한 열림 행정 부하율 평가 방법론을 제시하였다. 또한 시험 밸브들의 열림행정 및 닫힘 행정시의 부하율을 비교 분석하였다.
- 확인하였다. 따라서 닫힘행정시 측정된 최대 토크 값까지 열림행정의 최대 토크를 외삽하여 선형적으로 확장한 후 스러스트를 결정하는 방법으로 열림행정의 스러스트 값들을 예측 결정하였다(Fig. 4). Fig.
- 평가 방법론을 제시하였다. 또한 시험 밸브들의 열림행정 및 닫힘 행정시의 부하율을 비교 분석하였다. 열림행정 부하율 평가 결과 닫힘 행정과 유사한 부하율 분포를 보일 것으로 예상하였으나, 오히려 차압이 증가할수록 동일한 토크에 대해 동적상태의 스러스트가 정적상태의스러스트보다 크게 나타나 닫힘행정과는 상반된 결과가 나타났으며, 특히 유체차압이 1, 034 kPa 이상 작용하는 밸브들에서는 열림행정 부하율이 (-)값으로 나타났다.
- 밸브들에 대한 부하율 평가는 유체차압이 작용하지 않는 상태에서 시험하는 정적시험 2회와 유체차압이 작용하는 상태에서 시험하는 동적 시험 2회의 수행 결과 데이터들을 분석하였다. 열림 행정 부하율 평가는 스템 스러스트에 압축력과 인장력이 모두 가해지지 않은 상태인 "zero load" 지점에서부터 열림시 최대스러스트가 작용하는 cracking지점까지의 스러스트 및 토크 측정값을 사용하였고, 닫힘 행정 부하율은 "zero load 지점부터 밸브 완전 닫힘 이후 제어 스위치가 동작하여 모터가 트립되는 지점까지의 스러스트 및 토크 측정값을 사용하였다.
- 모터구동기의 특성상 토크 트립 지점에서 구동기 토크와 스러스트의 반복성이 우수하여 닫힘 행정에서 부하율 연구가 활발히 수행되었으며, 열림행정에서는 토크 스위치 트립이 되지 않는 밸브가 대부분이기 때문에 열림행정에 대한 부하율 연구는 별도로 수행되지 않는 경향이 있었다. 본 연구에서는 부하율이 토크스위치 제어인 경우에 구동기의 토크가 동일한 값에서 트립 되어도 부하에 따른 스템 마찰력의 변화에 의해 밸브에 전달되는 스러스트가 달라지는 현상에 근거하여 열림행정시 부하율 효과 평가를 위하여 cracking시에 발생되는 동일한 토크에 대한 정적시험 스러스트와 동적 시험 스러스트의 차를 구하여 부하율 평가에 적용하였다. Fig.
- 진단 장비를 사용하여 스러스트, 토크, 전압, 전류, 이동 거리 및 압력 신호를 측정하였으며, 토크스위치 트립이 순간적으로 발생되 기 때문에 sampling rate를 1kHz로 설정하여 신호를 취득하였다. 시험은 동일 토크스위치 상태에서 반복 시험을 수행하고, 취득되는 데이터의 반복성이 일정할 때 최종 2 회 시험결과를 취득하여 평가에 사용하였다.
- QSS 센서는 밸브 스템 중심부에 설치하며, 오차를 방지하기 위해 반드시스템 부위중나사산이 없는 곳에 설치해야한다. 진단 장비를 사용하여 스러스트, 토크, 전압, 전류, 이동 거리 및 압력 신호를 측정하였으며, 토크스위치 트립이 순간적으로 발생되 기 때문에 sampling rate를 1kHz로 설정하여 신호를 취득하였다. 시험은 동일 토크스위치 상태에서 반복 시험을 수행하고, 취득되는 데이터의 반복성이 일정할 때 최종 2 회 시험결과를 취득하여 평가에 사용하였다.
대상 데이터
- 3은 데이터 취득 장치의 개략도를 나타낸 것이다. 밸브에 대한 정적과 동적시험시 데이터 취득은 모터구동밸브 전용 진단시험 장치인 UDS (Universal Diagnostic System) 장비 [8] 를 사용하였고, 스러스트 및 토크 측정은 Strain gauge형 타입의 QSS(Quick stem sensor)를 사용하였다. QSS 센서는 밸브 스템 중심부에 설치하며, 오차를 방지하기 위해 반드시스템 부위중나사산이 없는 곳에 설치해야한다.
- 평가대상밸브는 국내 원전에 설치된 Flexible wedge형 게이트 밸브로서 열림행정은 리밋스위치, 닫힘 행정은 토크스위치에 의해서 제어되며, 총 40대의 밸브에 대해 시험 및 평가를 수행하였다.
성능/효과
- 이러한 현상이 나타나는 것은 밸브 열림시 유체 압력이 밸브 디스크를 밀어 올리는 피스톤 효과에 의한 것으로 판단되며, 피스톤 효과는 유체의 차압이 높을수록 크게 나타나는 경향이 있다는 것을 본 연구를 통하여 알 수 있었다. 본 연구 결과로 볼 때 현재 밸브 성능평가 시 적용하는 부하율을 닫힘행정에서 도출된 값을 열림행정에 그대로 적용하는 것은 너무 보수적인 평가 방법이며, 특히 차압이 1, 034 kPa 이상인 밸브에 대해서는 본 연구에서 제시한 열림시 부하율을 평가하는 방법 [3.4 참조]을적용하여 열림행정에 대해서도 별도의 부하율평가를 수행한 다음 그 값을 적용하는 것이 밸브 성능 평가의 정확성을 높이고 구동기를 너무 보수적으로 설계하지 않는데 도움이 될 것으로 판단된다.
- 4항에서 제시한부하율 평가방법을 적용하여 시험결과로부터 도출된 열림행정에 대한 부하율을 닫힘행정의 부하율과 동시에 나타낸 그래프이다. 부하율을 평가하기 위해 닫힘행정 토크스위치 트립시에 발생한 동일한 토크(Tq_2=equal)를 기준으로 하여, 두 행정에서 발생한 부하율을 비교 분석한 결과 닫힘 행정의 부하율은 (+)값을 나타내고 열림 행정의 부하율은 (-) 값을 나타내는 매우 상반되는 경향을 보이는 것을 알 수 있다. 또한 이러한 현상은 차압이 큰 경우에 두 행정간의 부하율값 차이가 점점 더 커지는 것으로 나타나고 있다.
- 4는 열림행정에 대한 정적시험 및 동적시험후 cracking 지점의 토크(Tq_l)와 스러스트를 나타낸 것이다. 시험 결과 닫힘 행정의 경우 일반적으로 알려진 경향인 동일 토크 값에 대해 동적시험 스러스트 값보다 정적시험 스러스트 값이 크게 나타난 반면 열림 행정에서는 동적시험 스러스트가 크게 발생되는반대 현상이 나타나는 것을 알 수 있다. Cracking 지점을 기준으로 했을 때 열림 행정에 대한 부하유에 정의는 아래 식(3)과 같다.
- 또한 시험 밸브들의 열림행정 및 닫힘 행정시의 부하율을 비교 분석하였다. 열림행정 부하율 평가 결과 닫힘 행정과 유사한 부하율 분포를 보일 것으로 예상하였으나, 오히려 차압이 증가할수록 동일한 토크에 대해 동적상태의 스러스트가 정적상태의스러스트보다 크게 나타나 닫힘행정과는 상반된 결과가 나타났으며, 특히 유체차압이 1, 034 kPa 이상 작용하는 밸브들에서는 열림행정 부하율이 (-)값으로 나타났다. 이러한 현상이 나타나는 것은 밸브 열림시 유체 압력이 밸브 디스크를 밀어 올리는 피스톤 효과에 의한 것으로 판단되며, 피스톤 효과는 유체의 차압이 높을수록 크게 나타나는 경향이 있다는 것을 본 연구를 통하여 알 수 있었다.
- 열림행정 부하율 평가 결과 닫힘 행정과 유사한 부하율 분포를 보일 것으로 예상하였으나, 오히려 차압이 증가할수록 동일한 토크에 대해 동적상태의 스러스트가 정적상태의스러스트보다 크게 나타나 닫힘행정과는 상반된 결과가 나타났으며, 특히 유체차압이 1, 034 kPa 이상 작용하는 밸브들에서는 열림행정 부하율이 (-)값으로 나타났다. 이러한 현상이 나타나는 것은 밸브 열림시 유체 압력이 밸브 디스크를 밀어 올리는 피스톤 효과에 의한 것으로 판단되며, 피스톤 효과는 유체의 차압이 높을수록 크게 나타나는 경향이 있다는 것을 본 연구를 통하여 알 수 있었다. 본 연구 결과로 볼 때 현재 밸브 성능평가 시 적용하는 부하율을 닫힘행정에서 도출된 값을 열림행정에 그대로 적용하는 것은 너무 보수적인 평가 방법이며, 특히 차압이 1, 034 kPa 이상인 밸브에 대해서는 본 연구에서 제시한 열림시 부하율을 평가하는 방법 [3.
- 이를 위하여 정적 및 동적시험 데이터에서 열림 행정시 zero load 지점부터 cracking 지점까지의 토크 값 분포를 분석하였으며, 그 결과 모든 밸브들에서 거의 선형적인 토크 값 분포를 가지고 있음을 확인하였다. 따라서 닫힘행정시 측정된 최대 토크 값까지 열림행정의 최대 토크를 외삽하여 선형적으로 확장한 후 스러스트를 결정하는 방법으로 열림행정의 스러스트 값들을 예측 결정하였다(Fig.
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