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문제 정의
- 2 N (=1000 lb)을 곱하여 마찰력 값을 예측 하는 방법이 있으며 다른 하나의 방법은 진단시험 대상밸브와 유사한 밸브를 현장에서 임의로 선정후 과거 진단시험의 패킹 마찰력 데이터의 단순 평균을 내어 비교하는 방법이며, 두 방법 모두 대략적으로 밸브 패킹 마찰력의 적정성을 확인할 때 많이 사용하는 방법이나 상당히 많은 오차를 가지게 된다. 본 연구에서는 이 두가지 방법의 적정성을 평가하였으며 실험적 방법과 비교하여 패킹 마찰력 예측을 위한 최적의 방법을 검토하여 보았다.
- 국내 약 10년간의 동력구동밸브 안전성 평가 경험에 따르면 패킹의 마찰력은 밸브 작동시 양단간의 압력이 낮은 운전조건에서 동작하는 밸브의 경우 패킹의 마찰력이 운전 여유도를 결정하는 주요 인자임을 확인하였으며, 고차압 운전조건에서 작동하는 밸브의 경우 패킹 교체 및 글랜드 너트 조정 작업이 적절하게 수행되어 밀봉의 신뢰성 확보가 중요한 사안임을 확인하였다. 본 연구에서는 패킹 마찰력 예측을 위하여 패킹 조합의 마찰력 관련 물성치를 측정하는 실험적 방법과 10년간의 밸브 안전성평가 결과를 이용한 통계적 방법을 살펴보고, 현장 적용실험을 통하여 마찰력 예측을 위한 최적 방법론을 검토하고자 한다.
가설 설정
- 식(3)는 정해진 글랜드 응력을 형성해주기 위해 필요한 글랜드 너트 토크 값을 산출하는 수식이다. 패킹세트를 구성하는 요소는 각각의 마찰 특성을 가지고 있으나 본 연구에서는 패킹세트를 하나의 마찰 요소로 가정하고 fY값을 측정하였다. fY값은 마찰계수(f)와 축방향 대 반경방향 응력비(Y)의 곱으로 나타내며 분리가 어려워 하나의 계수로 다루었다.
제안 방법
- 6과 같은 절차를 글랜드 응력의 차이가 5% 이내가 될 때까지 최소 5회 이상 수행후 추가행정을 3회 더 실시하여 마지막 행정에서 fY값을 측정하였다. fY 측정 실험에서는 글랜드 스터드에 스트레인 게이지 부착을 하여 글랜드 응력을 계산하였으나 현장 시험에서는 글랜드 스터드에 스트레인 게이지 부착이 어려워 글랜드 너트에 가해진 토크를 측정하여 너트 팩터 K값 0.2로 가정하여 글랜드 스터드에 발생하는 응력을 예측하였다.
- 가설검정은 유의수준 5%에서 귀무가설 H0 = 4448.2 N, 대립가설 H1≠4448.2 N으로 등급 및 패킹 타입별로 구분하여 수행하였으며 2500 싱글 패킹 밸브의 경우 표본이 확보되지 않아 가설검정을 수행하지 않았다.
- 첫 번째 방법의 적정성 평가를 위하여 밸브의 설계정보 및 과거 진단시험 결과를 이용하여 가설검정을 수행하였다. 가설검정을 위하여 표본이 되는 밸브의 등급을 재분류를 수행하였다. 밸브는 운전 조건별로 ASME B16.
- 5에서 보는바와 같이 디스크의 무게가 열림시 패킹 마찰력에 더해져 측정되며 닫힘시 패킹 마찰력에는 디스크의 무게가 감해져 측정되므로 디스크 무게를 제거하고 순수 패킹 마찰력을 얻기 위하여 패킹 마찰력을 평균 하였다. 그리고 패킹 마찰력은 스템의 직경과 비례 관계에 있어 단순비교는 불가하며 평균화된 마찰력은 다시 스템 직경으로 나누어 스템 단위 직경당 마찰력으로 변환하여 분석하였다.
- 7과 같은 실험 장치를 제작하였다. 글랜드 스터드 표면에 스트레인 게이지를 부착하여 글랜드 응력을 구하고 패킹 마찰력 측정을 위하여 스템에 스트레인 게이지를 부착하였다. 토크 렌치를 이용하여 글랜드 너트 조임을 수행하여 조임 토크량을 측정하였다.
- 본 논문에서는 패킹 조합별 fY측정을 통한 실험적 분석과 과거 진단시험 결과를 이용한 통계분석을 이용하여 밸브 패킹 마찰력 예측과 관련한 다음과 같은 결론을 얻었다.
- 본 연구에서는 최적 패킹 마찰력 예측을 위하여 fY측정을 통한 마찰력 예측과 함께 통계적 기법을 적용하였다. 현장 진단시험에서는 두가지 방법을 통해 밸브 패킹 마찰력을 대략적으로 판단하고 있다.
- fY측정값을 이용한 마찰력 분석을 위하여 비 회전 상승 스템 타입의 밸브 8대를 선정하였으며 대상 밸브의 패킹관련 설계정보를 Table 2에 나타내었다. 선정된 밸브에 설치된 패킹 조합은 총 3가지 타입이며 이와 동일한 형상의 패킹을 대상으로 하여 fY 측정실험을 수행하였다. 목표 글랜드 응력은 더블 8링 및 싱글 6링의 경우 20.
- 실측치와 비교를 위하여 대상 밸브 8대에 대한 패킹 마찰력을 측정하였다. 적절한 마찰력 취득을 위하여 Fig.
- 고압력 조건에서는 피스톤 효과가 매우 크므로 경우에 따라 디스크 무게를 무시할 수 있으나, 내부 압력이 없는 경우에는 디스크의 무게를 무시할 수가 없다. 열림시 패킹 마찰력에는 식 (1)과 Fig. 5에서 보는바와 같이 디스크의 무게가 열림시 패킹 마찰력에 더해져 측정되며 닫힘시 패킹 마찰력에는 디스크의 무게가 감해져 측정되므로 디스크 무게를 제거하고 순수 패킹 마찰력을 얻기 위하여 패킹 마찰력을 평균 하였다. 그리고 패킹 마찰력은 스템의 직경과 비례 관계에 있어 단순비교는 불가하며 평균화된 마찰력은 다시 스템 직경으로 나누어 스템 단위 직경당 마찰력으로 변환하여 분석하였다.
- 34에서는 중간 등급(Intermediate class)를 정의하고 있으며 실제 분석에 사용된 다수의 밸브가 중간 등급을 사용하고 있었다. 이러한 분류 문제를 조정하기 위하여 표준 등급의 중간수치를 중심으로 중간점 보다 낮을 경우 하위의 표준 등급으로, 높을 경우 상위의 표준 등급으로 재분류 하여 가설검정을 수행하였다. 가설검정 수행을 위하여 범용 통계 분석 소프트웨어인 미니탭(7)을 사용하였다.
- 글랜드 스터드 표면에 스트레인 게이지를 부착하여 글랜드 응력을 구하고 패킹 마찰력 측정을 위하여 스템에 스트레인 게이지를 부착하였다. 토크 렌치를 이용하여 글랜드 너트 조임을 수행하여 조임 토크량을 측정하였다. 스템 동작을 위한 구동기는 리미토크사의 L120 모델을 사용하였으며 동력구동밸브 진단시험시 사용되는 진단장비인 모비즈(MOVIDS)를 사용하여 밸브 열림 및 닫힘중 발생 되는 신호를 취득하였다.
- 밸브 러닝구간의 경우 패킹 마찰력, 유체에 의한 피스톤 효과가 지배적이나(5) 내부 압력을 제거할 경우 피스톤 효과는 나타나지 않는다. 패킹 강화를 위하여 Fig. 6과 같은 절차를 글랜드 응력의 차이가 5% 이내가 될 때까지 최소 5회 이상 수행후 추가행정을 3회 더 실시하여 마지막 행정에서 fY값을 측정하였다. fY 측정 실험에서는 글랜드 스터드에 스트레인 게이지 부착을 하여 글랜드 응력을 계산하였으나 현장 시험에서는 글랜드 스터드에 스트레인 게이지 부착이 어려워 글랜드 너트에 가해진 토크를 측정하여 너트 팩터 K값 0.
- 으로 알려져 있다. 패킹 마찰력 예측값은 글랜드 너트 토크가 발생시키는 글랜드 응력을 계산하여, 이 응력값에 의해 발생하는 패킹 마찰력을 계산한다. 식(3)는 정해진 글랜드 응력을 형성해주기 위해 필요한 글랜드 너트 토크 값을 산출하는 수식이다.
대상 데이터
- 2 N라고 말할 수 없음을 확인하였다. fY측정값을 이용한 마찰력 분석을 위하여 비 회전 상승 스템 타입의 밸브 8대를 선정하였으며 대상 밸브의 패킹관련 설계정보를 Table 2에 나타내었다. 선정된 밸브에 설치된 패킹 조합은 총 3가지 타입이며 이와 동일한 형상의 패킹을 대상으로 하여 fY 측정실험을 수행하였다.
- 선정된 밸브에 설치된 패킹 조합은 총 3가지 타입이며 이와 동일한 형상의 패킹을 대상으로 하여 fY 측정실험을 수행하였다. 목표 글랜드 응력은 더블 8링 및 싱글 6링의 경우 20.7 MPa(=3000 psi) 및 27.6 MPa(=4000 psi)로 구분하여 실험을 수행하였으며 싱글 5링의 경우 앞선 실험에서 다른 조합의 패킹의 fY 변화량 보다 커서 추가적으로 글랜드 응력 34.5 MPa (=5000 psi) 에서 한번 더 데이터를 취득하였다. Table 3에서 보여지듯이 일부 패킹 조합의 경우 fY 최대값은 최대 글랜드 응력에서 나타나지 않았으며 패킹링의 수에 따라 다른 글랜드 응력값에서 최대값을 나타내었다.
- 앞서의 방법으로 재분류된 밸브그룹에서 대상 밸브와 같은 등급 및 동일한 패킹 타입을 가지는 밸브를 찾았으며, 이들중 대상밸브의 스템 직경과 동일하거나 유사한 직경을 가지는 밸브를 임의로 적정 수량을 선정하였다. 선정된 밸브의 과거 진단시험 데이터베이스에서 밸브 열림 및 닫 힘시 마찰력을 표본 데이터로 구성하였다. 분석을 위한 방법은 식 (4)를 이용한 각 표본의 95%신뢰 구간을 구하여 이를 실험값과 비교하였다.
- 토크 렌치를 이용하여 글랜드 너트 조임을 수행하여 조임 토크량을 측정하였다. 스템 동작을 위한 구동기는 리미토크사의 L120 모델을 사용하였으며 동력구동밸브 진단시험시 사용되는 진단장비인 모비즈(MOVIDS)를 사용하여 밸브 열림 및 닫힘중 발생 되는 신호를 취득하였다.
- 앞서의 방법으로 재분류된 밸브그룹에서 대상 밸브와 같은 등급 및 동일한 패킹 타입을 가지는 밸브를 찾았으며, 이들중 대상밸브의 스템 직경과 동일하거나 유사한 직경을 가지는 밸브를 임의로 적정 수량을 선정하였다. 선정된 밸브의 과거 진단시험 데이터베이스에서 밸브 열림 및 닫 힘시 마찰력을 표본 데이터로 구성하였다.
- 특히 밸브 스템에 스트레인 게이지를 이용한 신호 취득시 동시에 이러한 여러 인자들의 영향이 혼합되어 나타나게 되어 각 영향 인자들에 대한 개별적 분석이 어렵게 된다. 이런 이유로 인하여 본 연구에서는 타 인자들에 대한 영향을 최대한 제거하기 위하여 밸브가 완전히 비어있고 밸브 양단간 차압이 없는 상태에서 실험을 수행하였으며 밸브 러닝행정 구간에 한정하여 데이터를 취득하였다. 밸브 러닝구간의 경우 패킹 마찰력, 유체에 의한 피스톤 효과가 지배적이나(5) 내부 압력을 제거할 경우 피스톤 효과는 나타나지 않는다.
데이터처리
- 이러한 분류 문제를 조정하기 위하여 표준 등급의 중간수치를 중심으로 중간점 보다 낮을 경우 하위의 표준 등급으로, 높을 경우 상위의 표준 등급으로 재분류 하여 가설검정을 수행하였다. 가설검정 수행을 위하여 범용 통계 분석 소프트웨어인 미니탭(7)을 사용하였다. 가설검정은 유의수준 5%에서 귀무가설 H0 = 4448.
- As Found 시험은 밸브의 3~5년 운전후의 상태를 진단하는 것이며, As Left 시험은 As Found 시험 및 밸브 정비작업 이후 수행 하는 진단 시험이다. 마찰력 예측이 필요한 시점은 밸브 정비 후이므로 As Left 시험에서 측정된 패킹 마찰력을 기준으로 하였으며 2회의 As Left 시험의 평균값을 사용하였다. 패킹 마찰력은 열림과 닫힘으로 구분되어 취득되고, 진단시험의 특성상 패킹 마찰력 단독 측정은 불가하며 밸브 디스크의 무게가 합산되어 측정된다.
- 실측치와 비교를 위하여 대상 밸브 8대에 대한 패킹 마찰력을 측정하였다. 적절한 마찰력 취득을 위하여 Fig. 8에 표시된 빨간 박스에서 보여지듯이 열림 및 닫힘 행정시 약 65 ~ 75 % 열린구간에서의 측정된 마찰력의 평균값을 사용하였으며, 실측치와 fY를 이용한 마찰력 예측치와의 비교 및 신뢰구간을 이용한 마찰력 예측치와의 비교 결과를 Table 5에 나타내었다. fY 측정실험을 통한 마찰력 예측의 경우 오차율이 최소 34.
- 첫 번째 방법의 적정성 평가를 위하여 밸브의 설계정보 및 과거 진단시험 결과를 이용하여 가설검정을 수행하였다. 가설검정을 위하여 표본이 되는 밸브의 등급을 재분류를 수행하였다.
성능/효과
- (1) fY 측정을 통한 마찰력 예측은 현장에 설치되어 운영중인 밸브 구성품의 열화 상태에 대한 신뢰성 있는 정량적 추정이 불가능 할 경우 예측값에 상당한 오차를 동반하게 되며 본 연구의 경우 실측치와 비교시 오차율이 34.6 ~ 73.7% 로 평가 되었다.
- (2) 유사밸브의 과거 진단시험 결과를 이용한 마찰력 예측의 경우 모든 조건에서 신뢰 구간을 이용한 추정과 오차가 발생하였으나 적용 방법에 따라 오차율이 3.1 ~ 68.2 %로 fY 측정값을 이용한 방법에 비해 감소하였으며 밸브 관련 정보를 고려하여 표본을 구성한다면 좀 더 정확한 예측이 가능할 것으로 판단된다.
- 8에 표시된 빨간 박스에서 보여지듯이 열림 및 닫힘 행정시 약 65 ~ 75 % 열린구간에서의 측정된 마찰력의 평균값을 사용하였으며, 실측치와 fY를 이용한 마찰력 예측치와의 비교 및 신뢰구간을 이용한 마찰력 예측치와의 비교 결과를 Table 5에 나타내었다. fY 측정실험을 통한 마찰력 예측의 경우 오차율이 최소 34.6 %에서 최대 73.7 %까지 발생하였으며 신뢰구간을 이용한 예측값과 비교시 모든 밸브의 예측값이 신뢰구간 안에 들어오지 못하였으나 하한값을 이용하여 비교시 오차율이 3.1 ~ 39.3 %이며 상한값 및 평균값의 경우 각각 21.2 ~ 68.2 % 및 12.2 ~ 53.8 %로 평가되었다.
- 6 MPa보다는 약간 감소하였다. 랜턴링이 없는 싱글 패킹의 경우 패킹링 수에 따라 목표 글랜드 응력 20.7 MPa 및 34.5 MPa 근방에서 최대의 fY값을 가졌으며 강화 완료후 추가 세 번째 행정에서 fY 값 0.01178 및 0.02016을 가졌으며 글랜드 응력은 강화완료 시점보다 미소하게 감소하였다. 그리고 여기서 실험에서 얻어진 fY 값을 이용한 패킹 마찰력 값과 표본의 95% 신뢰구간을 이용하여 얻어진 단위 직경당 마찰력 값에 스템의 직경을 곱하여 그 값을 Table 4에 제시하였다.
- 6 MPa의 목표 글랜드 응력에서 최대의 fY값을 나타내었다. 패킹 강화 완료후 마지막 추가 세 번째 행정에서 fY값 0.01429를 가졌으며 그때의 글랜드 응력은 25.8 MPa로 강화 완료 시점의 글랜드 응력 26.6 MPa보다는 약간 감소하였다. 랜턴링이 없는 싱글 패킹의 경우 패킹링 수에 따라 목표 글랜드 응력 20.
후속연구
- 이외에도 스템 조도, 스터핑 박스의 상태 등이 영향을 미치는 것으로 추정하며, 이러한 밸브 상태에 대한 신뢰성 있는 추정 방법이 없을 경우 단순히 패킹 조합별 fY값 측정을 통한 패킹의 마찰력 예측은 적절하지 않은 것으로 생각된다. 패킹 타입 및 스템 직경을 고려한 유사밸브 그룹을 통한 통계적 추정 역시 오차를 동반하나 본 연구의 경우 발전소의 건설 시점, 밸브의 운영 환경 등의 고려없이 전원전을 대상으로 표본을 구성한 것이 오차의 주요 원인으로 판단되며 스템 직경 등의 설계 데이터 외에 대상밸브의 사용 년수 및 사용 환경 등 추가적인 조건을 고려하여 표본을 구성하여 패킹 마찰력을 추정한다면 좀 더 정확한 결과를 얻을 수 있을 것으로 판단된다.
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