[논문]산업용 표준의 압력시험 방법에 의한 버터플라이 밸브 구성품의 구조해석에 관한 연구

신명섭; 윤준용; 박인원; 이성환; 박한영; 정승화

doi:10.5293/kfma.2011.14.3.005

산업용 표준의 압력시험 방법에 의한 버터플라이 밸브 구성품의 구조해석에 관한 연구
A Study on Structural Analysis of Butterfly Valve Components by Pressure Testing of the Industrial Standard 원문보기

유체기계저널 = Journal of fluid machinery, v.14 no.3 = no.66, 2011년, pp.5 - 9

신명섭 (한양대학교 대학원 기계공학과) , 윤준용 (한양대학교 공학대학 기계공학과) , 박인원 (한양대학교 대학원 기계공학과) , 이성환 (한양대학교 공학대학 기계공학과) , 박한영 (한국수자원공사) , 정승화 (한국수자원공사)

Abstract ▼ AI-Helper

Butterfly valves are widely used in current industry to control the fluid flow. They are used for both on-off and throttling applications involving large flows at relatively low pressure-drop especially in large size pipelines. In this study, we carried out the structure analysis of the butterfly valve components according to pressure testing of the industrial standard. the numerical simulation was performed by using ANSYS Workbench. The reliability of valve is evaluated under the investigation of the strain rate, the leak test and the durability of the valve.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 밸브의 구조 안정성을 평가하기 위하여, 밸브 몸통과 디스크에 대하여 모델링을 수행하였다. 격자(mesh)는 1요소(element)에 4개의 질점(node)을 가지는 사면체요소(Tetrahedron element)와 격자의 밀도(relevance)를 조절하여 생성하였다.

제안 방법

(3) 밸브 바디와 디스크에 대하여 각각 선형 정적 구조해석을 수행하고, 그 결과를 조합하여 밸브의 누설을 판단하였다.
본 연구에서는 버터플라이 밸브 국ㆍ내외 표준에서 규정한 압력시험 조건으로 밸브 몸통과 디스크에 대하여 선형 정적 구조해석을 수행하였다. 4가지 압력조건에 대하여 밸브 몸통과 디스크의 유한요소법(FEM)을 수행하여 변형량, 등가 응력, 안전계수를 도출하여 밸브의 구조 안정성을 판단하여 다음과 같은 결론을 내렸다.
본 연구에서는 밸브의 구조해석을 위해 ANSYS Workbench를 사용하였다. Fig. 1의 오른편 그림에서 원으로 표시된 축 끝단부 각 질점들에 대해 모든 자유도를 구속하였으며, 또한 밸브 디스크면의 가장자리는 밸브 몸통과 맞닿은 부분의 각 질점들에 대해서도 모든 자유도를 구속하였다. 밸브의 구조 안정성을 평가하기 위하여, 국내ㆍ외 표준인 ISO 5208,⁽¹³⁾ IEC 60534-4⁽¹⁴⁾와 KS B 2304⁽¹⁵⁾에서 규정된 밸브의 압력조건으로 수치계산을 수행하였다.
본 연구에서는 밸브의 구조 안정성을 평가하기 위하여, 밸브 몸통과 디스크에 대하여 모델링을 수행하였다. 격자(mesh)는 1요소(element)에 4개의 질점(node)을 가지는 사면체요소(Tetrahedron element)와 격자의 밀도(relevance)를 조절하여 생성하였다. Fig.
본 연구에서는 밸브 국제 및 국내 표준에서 규정하고 있는 밸브 압력시험 조건으로 단일형과 이중형의 버터플라이 밸브에 대하여 밸브 몸통(valve body)과 디스크(disc) 부분의 구조해석을 수행하였다. 구조해석을 위하여 범용소프트웨어인 ANSYS Workbench⁽¹⁷⁾를 사용하였으며, 구조해석의 결과를 이용하여 버터플라이 밸브의 디스크 형상에 따른 설계 안전도(safety factor), 구조 안정성(structural safety)과 구조해석을 통한 누설 여부를 예측하였다.
밸브 몸통과 디스크의 사용압력 조건(case 1)에 대하여 유한요소법에 근거하여 수치해석을 수행하였다. Fig.
1의 오른편 그림에서 원으로 표시된 축 끝단부 각 질점들에 대해 모든 자유도를 구속하였으며, 또한 밸브 디스크면의 가장자리는 밸브 몸통과 맞닿은 부분의 각 질점들에 대해서도 모든 자유도를 구속하였다. 밸브의 구조 안정성을 평가하기 위하여, 국내ㆍ외 표준인 ISO 5208,⁽¹³⁾ IEC 60534-4⁽¹⁴⁾와 KS B 2304⁽¹⁵⁾에서 규정된 밸브의 압력조건으로 수치계산을 수행하였다. 구조해석을 위한 압력 조건은 Fig.
본 연구에서는 두 번째 방법인 밸브 몸통과 디스크에 대하여 각각 선형 정적 구조해석을 수행하고 그 결과를 조합하여 누설 여부를 예측하였다. 밸브 몸통과 디스크의 최대 변형량을 토대로 밸브 몸통과 디스크를 이동시키면 누설 여부를 판단할 수 있다.
본 연구에서는 밸브 국제 및 국내 표준에서 규정하고 있는 밸브 압력시험 조건으로 단일형과 이중형의 버터플라이 밸브에 대하여 밸브 몸통(valve body)과 디스크(disc) 부분의 구조해석을 수행하였다. 구조해석을 위하여 범용소프트웨어인 ANSYS Workbench⁽¹⁷⁾를 사용하였으며, 구조해석의 결과를 이용하여 버터플라이 밸브의 디스크 형상에 따른 설계 안전도(safety factor), 구조 안정성(structural safety)과 구조해석을 통한 누설 여부를 예측하였다.
본 연구에서는 버터플라이 밸브 국ㆍ내외 표준에서 규정한 압력시험 조건으로 밸브 몸통과 디스크에 대하여 선형 정적 구조해석을 수행하였다. 4가지 압력조건에 대하여 밸브 몸통과 디스크의 유한요소법(FEM)을 수행하여 변형량, 등가 응력, 안전계수를 도출하여 밸브의 구조 안정성을 판단하여 다음과 같은 결론을 내렸다.

대상 데이터

버터플라이 밸브는 유체와 접촉하는 부분이 많은 관계로 사용 유체에 대한 내식성(corrosion-resistance)과 압력에 견딜 수 있는 충분한 강도를 가져야 한다. 본 연구에서는 밸브 몸통과 디스크의 재료로는 일반적으로 산업용으로 널리 사용되는 GCD450의 덕타일 강(ductile cast iron) 사용하였으며, 밸브 축은 내열성(thermal-resistance), 내마모성(wear-resistance) 등이 우수한 STS304과 STS316의 스테인리스 강(stainless steel)을 사용하였다. 구조해석에 사용된 각 재료에 대한 물성치는 Table 2와 같다.

이론/모형

본 연구에서는 밸브의 구조해석을 위해 ANSYS Workbench를 사용하였다. Fig.

성능/효과

(1) 사용압력 조건과 내압시험에서의 밸브 몸통과 디스크는 충분히 안전하게 설계되었음을 알 수 있었다.
(2) 단일형 디스크인 경우, 정방향과 역방향에 상관없이 안전하게 설계되었음을 알 수 있었다. 단, 정방향의 안전계수가 역방향보다 높은 것을 확인할 수 있었다.
020 mm이며 축과 디스크의 연결부위에서 발생한다. 디스크의 변형량 분포는 축을 중심으로 상ㆍ하 대칭이며, 안전계수는 축과 디스크에 대하여 모두 2.22로서 충분히 안전함을 알 수 있다. 또한, 역방향일 때는 최대 변형량은 0.
밸브 디스크의 최대 변형량이 밸브 몸통의 변형량보다 크면, 밸브는 누설이 일어나지 않는다고 할 수 있다. 본 연구에서 구조해석을 수행한 단일형과 이중형 버터플라이 밸브 모두 누설이 발생하지 않는다고 사료되며, 이는 실제 각 밸브에 대하여 누설 시험을 수행한 결과와 동일하다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	산업체에서 사용되는 밸브는 기본적으로 어떤 기능을 수행하는가?	산업체에서 사용되는 밸브는 배관 내를 흐르는 유체의 유량, 방향, 압력 등을 제어하는 유체기기이며, 기본적으로 개폐, 과압방지(over-pressure protection), 역지(non-return), 교축 (throttling)의 네 가지 기능을 수행한다. 제어밸브(control valves)로는 볼 밸브(ball valve), 글로브 밸브(globe valve), 버터플라이 밸브(butterfly valve) 등이 있으며, 그 중 버터 플라이 밸브는 원관 내부에 설치된 디스크를 회전시킴으로써 낮은 차압(pressure drop)에서 유체의 흐름을 포함하는 개폐와 유량을 조절한다.
	버터 플라이 밸브는 원관내부에서 어떤역할을 하는가?	산업체에서 사용되는 밸브는 배관 내를 흐르는 유체의 유량, 방향, 압력 등을 제어하는 유체기기이며, 기본적으로 개폐, 과압방지(over-pressure protection), 역지(non-return), 교축 (throttling)의 네 가지 기능을 수행한다. 제어밸브(control valves)로는 볼 밸브(ball valve), 글로브 밸브(globe valve), 버터플라이 밸브(butterfly valve) 등이 있으며, 그 중 버터 플라이 밸브는 원관 내부에 설치된 디스크를 회전시킴으로써 낮은 차압(pressure drop)에서 유체의 흐름을 포함하는 개폐와 유량을 조절한다.(1) 버터플라이 밸브는 석유 (petroleum), 가스(gas), 상하수(water and sewage)를 수송하는 큰 지름의 관로에 주로 사용되고 있으며, 밸브 디스크의 형상에 따라 단일형(single-disc)과 이중형(double-disc)으로 구분하며, 밸브 디스크 위치에 따라 동심(concentric)과 편심(eccentric) 으로 구분한다.

참고문헌 (17)

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상세보기
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ANSYS User’s Manual version 11.0, ANSYS Inc.,USA.

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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