LNG 선박에 사용되는 초저온용 버터플라이 밸브의 개발에 있어, 누설검증은 가장 중요한 설계공정 중 하나이다. 초저온에서 누설방지가 가능한 실로서 인코넬 스프링과 같은 탄성지지체가 포함된 O-링 형태의 메탈실이 널리 사용되고 있으나, 제작비가 고가인 단점을 갖고 있다. 이에 대한 대안으로 부가적인 탄성지지체 없이도 누설조건을 만족시키며, 제작비가 저렴한 탄성 메탈실의 개발이 요구되고 있다. 본 연구에서는 탄성 메탈실의 누설방지를 위한 설계조건을 정립하여, 초저온 및 고압환경에서 누설방지가 가능한 탄성 메탈실의 형상을 수치해석을 통해 고찰하였다. 아울러 이를 기반으로 시제품을 개발하고, 상온 및 초저온 상태에서 BS6755 및 BS6364 에 준하는 누설시험을 실시하여 누설여부를 확인하였다.
LNG 선박에 사용되는 초저온용 버터플라이 밸브의 개발에 있어, 누설검증은 가장 중요한 설계공정 중 하나이다. 초저온에서 누설방지가 가능한 실로서 인코넬 스프링과 같은 탄성지지체가 포함된 O-링 형태의 메탈실이 널리 사용되고 있으나, 제작비가 고가인 단점을 갖고 있다. 이에 대한 대안으로 부가적인 탄성지지체 없이도 누설조건을 만족시키며, 제작비가 저렴한 탄성 메탈실의 개발이 요구되고 있다. 본 연구에서는 탄성 메탈실의 누설방지를 위한 설계조건을 정립하여, 초저온 및 고압환경에서 누설방지가 가능한 탄성 메탈실의 형상을 수치해석을 통해 고찰하였다. 아울러 이를 기반으로 시제품을 개발하고, 상온 및 초저온 상태에서 BS6755 및 BS6364 에 준하는 누설시험을 실시하여 누설여부를 확인하였다.
For the development of butterfly valves used in liquefied natural gas (LNG) vessels, the seat tightness is one of the important factors to be taken into account in the valve-design process. An O-ring-type metal seal with a retaining ring showing good seat tightness at cryogenic temperatures has been...
For the development of butterfly valves used in liquefied natural gas (LNG) vessels, the seat tightness is one of the important factors to be taken into account in the valve-design process. An O-ring-type metal seal with a retaining ring showing good seat tightness at cryogenic temperatures has been widely used, despite the high manufacturing costs involved. As an alternative, a flexible solid metal seal offers not only sufficient tightness of the butterfly valve, meeting specification requirements, but also relatively low manufacturing costs. In this study, a design criterion to ensure the seat tightness of the butterfly valve using the flexible solid metal seal is proposed. The contact pressure can be calculated by the simulation of the frictional contact behavior between the surface of the metal seal and the valve disc. The geometry of the flexible solid metal seal is determined so that it satisfies the design criterion for sufficient seat tightness, and is verified by experiments according to BS6755 and BS6364.
For the development of butterfly valves used in liquefied natural gas (LNG) vessels, the seat tightness is one of the important factors to be taken into account in the valve-design process. An O-ring-type metal seal with a retaining ring showing good seat tightness at cryogenic temperatures has been widely used, despite the high manufacturing costs involved. As an alternative, a flexible solid metal seal offers not only sufficient tightness of the butterfly valve, meeting specification requirements, but also relatively low manufacturing costs. In this study, a design criterion to ensure the seat tightness of the butterfly valve using the flexible solid metal seal is proposed. The contact pressure can be calculated by the simulation of the frictional contact behavior between the surface of the metal seal and the valve disc. The geometry of the flexible solid metal seal is determined so that it satisfies the design criterion for sufficient seat tightness, and is verified by experiments according to BS6755 and BS6364.
* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.
문제 정의
본 연구에서는 부가적인 탄성 지지체 없이도 원할한 탄성거동을 하며 누설방지 조건을 만족하는 탄성 메탈실의 거동을 해석적으로 규명하였고, 누설시험을 실시하여 이를 검증하였다. 얻어진 결과는 다음과 같다.
본 연구에서는 초저온 상태에서 부가적인 탄성 지지체 없이도 원할한 탄성거동을 하는 메탈실의 거동을 해석적으로 규명하였다. 또한, 누설방지를 위한 설계조건을 정립하여, 초저온 및 고압환경에서 누설방지가 가능한 메탈실의 형상에 대하여 고찰하였으며, 이를 기반으로 시제품을 개발하였다.
가설 설정
그리고 접촉 모델을 구현하기 위해 Coulomb’s law 의 Isotropic Friction Model 을 적용하여 접촉면의 모든 방향으로 일정한 Stick-Slip 거동이 생긴다는 가정을 하였다.
제안 방법
(1) 디스크와 메탈실 접촉면에 발생하는 접촉압력 Pcontact 와 유체압력 Pfluid 를 이용하여 누설방지 조건을 Pcontact > Pfluid으로 제안하였다.
또한, 누설방지를 위한 설계조건을 정립하여, 초저온 및 고압환경에서 누설방지가 가능한 메탈실의 형상에 대하여 고찰하였으며, 이를 기반으로 시제품을 개발하였다. 개발된 시제품에 대하여 BS6755(8) 및 BS6364(9)에 준하는 누설시험을 실시하여 누설여부를 확인하였다.
5. 누설시험
누설방지 조건에 기초한 수치해석 결과로부터 탄성 메탈실을 개발하고, 이를 초저온 버터플라이 밸브에 장착한 시제품을 제작하였다. 시제품에 대하여 상온 및 초저온에 대한 BS6755(8) 및 BS6364(9)에 준하는 누설시험을 실시하여 누설여부를 확인하였다.
본 연구에서는 초저온 상태에서 부가적인 탄성 지지체 없이도 원할한 탄성거동을 하는 메탈실의 거동을 해석적으로 규명하였다. 또한, 누설방지를 위한 설계조건을 정립하여, 초저온 및 고압환경에서 누설방지가 가능한 메탈실의 형상에 대하여 고찰하였으며, 이를 기반으로 시제품을 개발하였다. 개발된 시제품에 대하여 BS6755(8) 및 BS6364(9)에 준하는 누설시험을 실시하여 누설여부를 확인하였다.
정압(Normal pressure) (Pfluid)n 및 역압(Reverse pressure) (Pfluid)r 으로 표현되는 양방향 유동에 대하여, 누설방지가 이루어지기 위하여 Pcontact 가 Pfluid 보다 커야 한다. 본 연구에서는 이를 누설방지 조건으로 설정하였다. 누설방지 조건을 만족하기 위해서 높은 Pcontact 가 요구되는데, Pcontact 는 디스크와 메탈실 간의 상대적 변형거동에 의해 크게 영향을 받고, 상대적 변형거동은 Fig.
상온 누설시험을 위하여, 밸브 입·출력단을 막고 내부에 헬륨가스를 주입하여 압력을 순차적으로 6.9bar 까지 높이면서 누설량을 계측하였다.
상온에서 수치해석을 통해 얻어진 디스크와 메탈실 접촉면에서의 상호 변형거동을 분석하고, 이를 통해 발생하는 접촉압력의 크기를 계산하였다. 수치해석 결과는 밸브 디스크와 메탈실의 각 지점에 따라 다르게 나타나는데, 대칭성과 최대·최소의 결과를 보여주는 Fig.
5mm 및 t2=5mm 로 선정하였다. 수치 해석적으로 디스크와 메탈실 간의 상대적 변형거동을 계산하여 Pcontact 의 크기를 계산하였다.
누설방지 조건에 기초한 수치해석 결과로부터 탄성 메탈실을 개발하고, 이를 초저온 버터플라이 밸브에 장착한 시제품을 제작하였다. 시제품에 대하여 상온 및 초저온에 대한 BS6755(8) 및 BS6364(9)에 준하는 누설시험을 실시하여 누설여부를 확인하였다.
유동해석을 위한 유한요소 모델링 작업시 유동장의 충분한 확보를 위하여 입·출구단 길이를 직경의 5 및 10 배로 하였고, 입구단의 유속은 4m/s로 설정하였다.
초저온 상태에서 메탈실의 거동을 평가하기 위하여, 초저온에 의한 열변형과 이후 밸브에 정압 과 역압이 가해졌을 때 나타나는 현상을 모두 살펴보았다.
9bar 까지 높이면서 누설량을 계측하였다. 한편, 초저온 누설시험은 밸브를 Fig. 11 과 같이 특수하게 제작된 초저온 수조에 넣고, 이곳에 액화 질소를 한 시간 이상 불어 넣어 밸브의 온도가 초저온 상태인 -196℃ 로 유지시키고, 상온에서의 누설시험과 동일하게 누설량을 측정하였다. Fig.
대상 데이터
메탈실은 그림에서 보는 바와 같이 부가적인 탄성 지지체가 없는 형태를 갖고 있고, 유체의 양방향 압력에 따라 탄성적으로 변형되고 디스크에 밀착되어 누설을 방지할 수 있는 기능을 갖고 있다. 각 구성요소에 적용된 소재는 스테인리스 강재로서, 바디와 디스크는 SCS14A 그리고 스템과 메탈실은 STS316 으로 제작되었다.
3 우측 모식도와 같이 메탈실의 기하학적 형상에 좌우된다. 본 연구에서는 가공성과 유체압력에 의한 변형 용이성을 고려하여 메탈실의 형상을 R1=1mm, R2=5mm, t1=3.5mm 및 t2=5mm 로 선정하였다. 수치 해석적으로 디스크와 메탈실 간의 상대적 변형거동을 계산하여 Pcontact 의 크기를 계산하였다.
본 연구의 대상체는 지름이 500mm 인 플랜지형 초저온 버터플라이 밸브로서, Fig. 1(a)과 같이 바디, 디스크, 스템, 및 메탈실로 구성되어 있다. 메탈실은 그림에서 보는 바와 같이 부가적인 탄성 지지체가 없는 형태를 갖고 있고, 유체의 양방향 압력에 따라 탄성적으로 변형되고 디스크에 밀착되어 누설을 방지할 수 있는 기능을 갖고 있다.
데이터처리
디스크와 메탈실 간의 변형거동과 초저온 상태에서의 열변형 거동을 평가하기 위하여 상용 구조 해석 프로그램인 ANSYS Workbench Ver. 12(14)를 사용하였다. Fig 4 는 유한요소모델로서, 디스크와 메탈실의 접촉면을 구현하기 위해 CONTA174 요소를 사용하였으며, 접촉 알고리즘으로 면대면 접촉 상황과 소수의 반복해석에서도 수렴성이 좋은 Pure Penalty Method(14)를 활용하였다.
및 압력손실계수 K 와 같은 성능평가지수를 디스크의 개도각 별로 평가하여 나타낼 수 있다. 본 연구에서는 상용 프로그램인 ANSYS CFX Ver.11(10)을 사용하여 유동해석을 수행하고, 여기서 얻어진 이론적 결과로부터 디스크의 개도각별 Cv 및 K 를 평가하였다. Cv 는 온도 5~40℃ 의 물이 특정한 압력 손실 하에서 흐르고 있을 때 밸브의 유량을 의미하며, K 는 토출되는 유체의 압력손실 정도를 나타내는 무차원 값으로서 식 (1)과 같이 수식적으로 나타낼 수 있다.
이론/모형
3 을 선택하였다.(14) 또한, 열변형 해석에 필요한 초저온 상태에서의 물성치인 탄성계수, 열전도계수 및 열팽창계수는 김동균 등(15)이 제안한 값을 적용하였다. 전체 유한요소모델의 요소수는 약 50 만개 이며 절점수는 약 80 만개이다.
12(14)를 사용하였다. Fig 4 는 유한요소모델로서, 디스크와 메탈실의 접촉면을 구현하기 위해 CONTA174 요소를 사용하였으며, 접촉 알고리즘으로 면대면 접촉 상황과 소수의 반복해석에서도 수렴성이 좋은 Pure Penalty Method(14)를 활용하였다. 그리고 접촉 모델을 구현하기 위해 Coulomb’s law 의 Isotropic Friction Model 을 적용하여 접촉면의 모든 방향으로 일정한 Stick-Slip 거동이 생긴다는 가정을 하였다.
난류특성을 고려하기 위하여, k-ε 모델을 적용하여 정상상태 유동장을 계산하였다.
성능/효과
(2) 상온에서 정압과 역압을 가하였을 때, 변형이 크게 발생하는 측면부의 메탈실 표면에 530 및 94bar 의 높은 Pcontact 가 나타나며, 변형거동이 현저하지 않은 중심부에서는 57 및 17bar 의 상대적으로 낮은 Pcontact 이 발생하였다.
(4) 상온과 초저온 상태에서 얻어진 수치해석 결과로부터 탄성 메탈실이 누설방지조건을 만족함을 알 수 있었다.
(5) 상온 및 초저온에 대한 BS6755 및 BS6364에 준하는 누설시험을 실시하여, 개발된 탄성 메탈실이 상온과 초저온 상태에서 누설시험을 충족함을 확인하였다.
Pfluid 가 6.9bar 인 조건에서 실시한 수치해석 결과로부터 탄성 메탈실을 적용한 버터플라이 밸브가 3.1절에서 설정한 누설방지조건 Pcontact > Pfluid를 충족한다는 사실을 확인하였다.
누설방지 조건의 만족 여부를 살펴보면, 초저온의 경우에서도 Pfluid 가 6.9bar인 조건에서 디스크와 메탈실에서 계산된 Pcontact 가 정압조건의 중심부 일부를 제외하고 Pfluid 보다 모두 높으므로 본 연구에서 개발한 버터플라이 밸브가 3.1 절에서 설정한 누설방지조건을 충족하였다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
버터플라이 밸브의 장점은 무엇인가?
이와 관련하여 글로브 밸브, 게이트 밸브, 버터플라이 밸브 및 볼 밸브 등과 같이 다양한 제품이 개발되어 적용되고 있다. 이들 중 버터플라이 밸브는 바디, 시트, 디스크 및 스템으로 구성된 단순한 구조, 개폐작동 및 유체제어의 신속성은 물론 타 밸브 대비 낮은 압력손실 등 우수한 특성을 갖고 있어 광범위하게 사용되고 있다. (3) 그러나, 초저온 버터플라이 밸브는 금속으로 제작된 메탈실과 디스크 간의 metal-to-metal 접촉으로 내부에 누설이 발생하는 문제점을 갖고 있다.
초저온 버터플라이 밸브의 문제점은?
이들 중 버터플라이 밸브는 바디, 시트, 디스크 및 스템으로 구성된 단순한 구조, 개폐작동 및 유체제어의 신속성은 물론 타 밸브 대비 낮은 압력손실 등 우수한 특성을 갖고 있어 광범위하게 사용되고 있다. (3) 그러나, 초저온 버터플라이 밸브는 금속으로 제작된 메탈실과 디스크 간의 metal-to-metal 접촉으로 내부에 누설이 발생하는 문제점을 갖고 있다. 세계적인 밸브 생산업체인 Velan (4)과 Amri (5)에서는 초저온 환경하에서 밸브의 누설을 방지할 수 있는 O-링 형태의 메탈실을 개발하여 시판하고 있다.
본연구가 부가적인 탄성 지지체 없이도 원할한 탄성거동을 하며 누설방지 조건을 만족하는 탄성 메탈실의 거동을 해석적으로 규명하였고, 누설시험을 실시하여 이를 검증하므로 얻어진 결과는 무엇인가?
(1) 디스크와 메탈실 접촉면에 발생하는 접촉압력 Pcontact 와 유체압력 Pfluid 를 이용하여 누설방지 조건을 Pcontact > Pfluid으로 제안하였다.
(2) 상온에서 정압과 역압을 가하였을 때, 변형이 크게 발생하는 측면부의 메탈실 표면에 530 및 94bar 의 높은 Pcontact 가 나타나며, 변형거동이 현저하지 않은 중심부에서는 57 및 17bar 의 상대적으로 낮은 Pcontact 이 발생하였다.
(3) 초저온 상태에서 상온과 마찬가지로 Pfluid 에 의하여 메탈실의 변형이 발생하며, 접촉압력의 크기에 영향을 준다. 특히 열수축의 차이로 접촉이 발생하지 않았던 중심부의 경우 정압에 의하여 9bar 의 접촉압력이 추가로 발생하였다.
(4) 상온과 초저온 상태에서 얻어진 수치해석 결과로부터 탄성 메탈실이 누설방지조건을 만족함을 알 수 있었다.
(5) 상온 및 초저온에 대한 BS6755 및 BS6364 에 준하는 누설시험을 실시하여, 개발된 탄성 메탈실이 상온과 초저온 상태에서 누설시험을 충족함을 확인하였다.
참고문헌 (15)
Ahn, Y. J., Kim, B. J. and Shin, B. R., 2008, "Numerical Analysis of 3-D Flow through LNG Marine Control Valves for their Advanced Design," Journal of Mechanical Science and Technology, Vol.22 , pp. 1998-2005.
Kim, H. H., Han, G. J. and Han, D. C., 2008, "A Study on the Structural Analysis of the Cryogenic Valve," KSPE 2008 Spring Conference, pp.569-570.
Kimura, T., Tanaka, T., Fujimoto, K. and Ogawa, K., 1995, "Hydrodynamic Characteristics of a Butterfly Valve-Prediction of Pressure Loss Characteristics," ISA Transaction 34, pp. 319-326.
Cryogenic Metal Seated Butterfly Valve, www.velan.com.
Valve All Along The LNG Chain, www.ksb.fr.
BF Goodrich, Metal C-Rings, www.garlock.net.
E-Seals, JE/JH Series, www.jetseal.com.
BS6755, 1986, "Testing of Valves - Part1: Specification Production Pressure Testing Requirements," British Standard Institution.
BS6364, 1984, "Specification for Valve for Cryogenic Service," British Standard Institution.
Ansys CFX, Release 11.0, 2007, www.ansys.com.
Skousen, P. L., 2006, "Valve Handbook - 2nd Edition," McGraw-Hill.
Kim, S. W., Choi, Y. D., Kim, B. S. and Lee, Y. H., 2008, "Flow Characteristics of Cryogenic Butterfly Valve for LNG Carrier (Part 2 : Flow Characteristics under Cryogenic Condition)," Journal of KFMA, Vol.11, No.2, pp. 20-28.
Wang, L., Song, X. G. and Park, Y. C., 2010, "Dynamic Analysis of Fluid Flow passing a Large Butterfly Valve," 3rd Global Conference on PCO, 2-4 Feb. 2010, Gold Coast, Australia.
Kim, D. K. and Kim, J. H., 2007, "A Study on Structure Analysis of Glove Valve for LNG Carrier," Journal of the Korean Society of Marine Engineering, Vol. 31, No. 8, pp. 1013-1019.
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.