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문제 정의
- 본 연구의 목표는 기존 단방향 삼중편심 버터플라이 밸브를 토대로 실링메커니즘(Sealing mechanism) 개발, 스템(Stem) 설계변경을 통하여 양방향에서 사용이 가능한 삼중편심 버터플라이 밸브를 개발하는 것이다.
제안 방법
- FEM해석은 ANSYS Workbench 11을 사용하였으며, 자동 메쉬 생성을 통하여 28,000여 개의 사면체의 요소를 생성하여 해석을 수행하였으며 경계 조건은 다음 Fig. 8과 같이 밸브 내부에 압력조건을 설정하였으며, 구속조건은 양 플랜지 부분을 고정지지로 설정하였다.
- ① 선박, FPSO 및 해양플랜트에 사용 가능한 양방향 삼중버터플라이 밸브를 개발, 검증하였다.
- 실링 타입(Sealing type)은 기존의 단일 시트를 사용하여 디스크와 면 접촉 형태로 작동되었으나, 양방향으로 사용할 시 누수의 가능성이 있다. 개발 제품에는 시트를 바디, 디스크 부에 각각 설치 하여 작동 시 선 접촉 하도록 설계하였다. 또한 디스크 시트단면을 U자 형태로 하여 2중 실링이 가능하도록 설계하였으며 U자형 홈 사이에 탄성 재질의 시트링(Seat ring)을 설치하여 수밀성을 더욱 향상시켰다.
- 밸브에 사용 될 소재를 선정하고, 설계를 변경한 후, 디지털 목업(Digital mockup)을 제작하한다. 구조 해석을 통하여 양방향에 적합한 시트 (Seat), 디스크(Disc) 및 바디(Body) 형상, 실링 메커니즘을 개발하였다.
- 개발 제품에는 시트를 바디, 디스크 부에 각각 설치 하여 작동 시 선 접촉 하도록 설계하였다. 또한 디스크 시트단면을 U자 형태로 하여 2중 실링이 가능하도록 설계하였으며 U자형 홈 사이에 탄성 재질의 시트링(Seat ring)을 설치하여 수밀성을 더욱 향상시켰다. 시트와 바디 혹은 디스크와 시트 사이로 누수가 생기지 않도록 개스킷을 각각 설치하였다.
- 마지막으로 시제품을 제작한 후 성능시험을 통해 양방향 삼중편심 버터플라이 밸브의 승용성을 확인하였다.
- 1은 본 연구에서의 밸브 개발 과정을 요약한 것이다. 밸브에 사용 될 소재를 선정하고, 설계를 변경한 후, 디지털 목업(Digital mockup)을 제작하한다. 구조 해석을 통하여 양방향에 적합한 시트 (Seat), 디스크(Disc) 및 바디(Body) 형상, 실링 메커니즘을 개발하였다.
- 디지털 목업으로 밸브를 구성하는 부품들 간의 간섭검사를 수행한 결과 부품 간에 중첩이 몇 군데 있었다. 밸브의 기능과 구조적 안전성에 영향을 미치지 않는 범위 내에서 밸브의 설계를 변경하고 간섭을 확인하는 작업을 반복적으로 수행하여 간섭이 없는 최종 설계 안을 결정하였다.
- 성능시험으로는 내압시험 및 Packing시험을 실시하여 누수의 유무를 확인하였다. 시험 조건은 다음 Table 3과 같으며 시험기기의 제원은 Table 4, 시험장면은 Fig.
- 온도는 상온 15°C를 적용하였으며, 밸브의 설계 허용 응력은 소재의 허용응력을 기준으로 안전율 1.5를 고려하여 설정하였다.
- 하지만 역방향의 압력이 가해지는 경우, 바디 시트와 디스크 또는 바디시트와 디스크시트가 쉽게 떨어져 누수를 유발시키는 단점이 있다. 이에 스템 소재의 특성, 전문 가의 견해, 역학적 지식을 바탕으로 Fig. 2의 25mm에서 Fig. 3의 36mm로 직경의 지름을 크게 하여 지지력을 강화시켰다. 지지력이 강화되면 역방향 유압에 대한 변형량이 적어지고 누수의 가능성도 줄어든다.
대상 데이터
- (2008) 가 대표적이다. 그러나 이들 연구에서는 밸브의 설계 방법을 중점적으로 다루었고, 연구 대상이 되는 밸브는 이중편심 방식의 단방향 밸브였다.
- 통상적으로 디스크와 스템이 체결되는 부분에서 최대 응력이 발생하므로, 스템은 내강도성이 더욱 우수한 Stainless steel 630-H1150을 사용하였다. 그리고 바디시트(Body seat)와 디스크시트(Disc seat)의 소재는 부식성, 강도, 가공적인 측면을 고려하여 SUS316을 사용하였다. 수밀성을 위해 탄성이 필요한 패킹(Packing)은 흑연소재(Graphite)를 사용하였으며, 개스킷(Gasket)은 석면소재(Nonabetos)로 각각 선정하였다.
- 그리고 바디시트(Body seat)와 디스크시트(Disc seat)의 소재는 부식성, 강도, 가공적인 측면을 고려하여 SUS316을 사용하였다. 수밀성을 위해 탄성이 필요한 패킹(Packing)은 흑연소재(Graphite)를 사용하였으며, 개스킷(Gasket)은 석면소재(Nonabetos)로 각각 선정하였다. 아래 Table 2는 밸브에 사용된 소재의 물성치들을 나타낸 것이다.
- 34의 규정을 참조하였다. 스템과 시트를 제외한 바디, 디스크 등의 부품은 내식성과 내강도성이 우수한 ASTM A351 (CF8M)로 선정하였다. 통상적으로 디스크와 스템이 체결되는 부분에서 최대 응력이 발생하므로, 스템은 내강도성이 더욱 우수한 Stainless steel 630-H1150을 사용하였다.
- 7MPa이다. 스템은 Stainless steel 630-H1150의 소재를 사용하였으며, 소재의 항복응력은 869MPa로 설계 허용응력은 약 580MPa이다.
- 스템과 시트를 제외한 바디, 디스크 등의 부품은 내식성과 내강도성이 우수한 ASTM A351 (CF8M)로 선정하였다. 통상적으로 디스크와 스템이 체결되는 부분에서 최대 응력이 발생하므로, 스템은 내강도성이 더욱 우수한 Stainless steel 630-H1150을 사용하였다. 그리고 바디시트(Body seat)와 디스크시트(Disc seat)의 소재는 부식성, 강도, 가공적인 측면을 고려하여 SUS316을 사용하였다.
이론/모형
- ASME B16.34의 규정에 따라 작동압력에 따른 설계압력 조건을 적용하였다(The American Society of Mechanical Engineers 2004). 개발될 밸브의 작동 최대 압력은 16Bar이며, 설계압력은 안전율 1.
- 6과 같이 조립을 진행하였다. 모델링은 상용프로그램인 Autodesk사의 Autodesk Inventor 2008을 이용하였다.
- 온도와 설계 압력에 적합한 재료를 선정하기 위해 ASTM A351과 ASME B16.34의 규정을 참조하였다. 스템과 시트를 제외한 바디, 디스크 등의 부품은 내식성과 내강도성이 우수한 ASTM A351 (CF8M)로 선정하였다.
성능/효과
- ③ 양방향 삼중편심 버터플라이 밸브의 개발로 배관시스템에서 밸브의 호환성을 높였으며, 적용 분야를 확대하였다.
- 구조해석 결과 응력이 가장 높게 나타난 부분은 약 97MPa로 디스크, 바디의 설계 허용응력보다 낮으며, 이때 안전계수는 약 2.1이다. 스템의 경우도 마찬가지로 최대 응력이 약 97MPa이며, 약 8.
후속연구
- 그러므로 양방향에서 사용이 가능한 삼중편심 버터플라이 밸브를 연구, 개발할 수 있다면 선박, 및 플랜트에서 활용도가 높고, 국외 수출효과도 있을 것이다.
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