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문제 정의
- 이를 체계적으로 분석하고 연구하는 과정들이 인력과 비용의 문제로 인하여 정리되고 있지 못하다. 그러므로 본 연구에서는 버터플라이밸브의 압력을 가속인자로 하는 가속 수명시험을 수행하여 현장에서의 수명을 예측하고, 시험 중 발생하는 고장 현상이 재현되는 상태를 연구하고자 한다.
제안 방법
- ① 본 연구는 일반 산업분야에서 사용하는 버터플라이밸브로 압력을 가속인자로 하여 가속수명시험을 수행하였다.
- 각 시험압력은 현장 작동 조건과 문헌을(6∼8) 참조하였으며, 가속시험을 진행하기 전에 예비시험을 통하여 시험 압력을 선정하였다.
- 1에서는 시험장치 상부에 시험대상품인 버터플라이 밸브를 5대를 설치하고, 하부에는 물을 이송시키고 압력을 가하는 유압동력발생장치(hydraulic power unit)를 설치하였다. 겨울철의 온도를 일정하게 유지하기 위해 물 탱크와 배관에 열선을 부착하여 일정 범위에서의 온도를 유지할 수 있도록 하였다. Fig.
- 고무시트 버터플라이 밸브에 대해 3가지 압력 수준에서 시험한 데이터를 이용하여 신뢰성 분석을 실시하였다. 먼저, 와이블 분포의 형상모수 β는 1.
- 4는 버터플라이밸브의 주고장 모드는 시트부에서의 누설이 가장 많은 것으로 확인되었다. 그렇지만 버터플라이 밸브를 사이에 두고 배관을 연결 할 경우, 누설 여부를 확인하기 위해서는 배관을 분해하여 재설치를 해야하는 불편함과 시료가 설치된 부분을 변경하여 시험 조건의 변화 가능성의 어려움을 없애기 위해 누설 확인 창을 설치한 장치를 사용하였다. Fig.
- 시험대상품 하부에는 물탱크와 물을 송출할 수 있는 물펌프가 장착되어 있으며, 이를 시험대상품까지 압력을 공급할 수 있도록 하였다. 또한 물을 공급하는 배관에는 압력 게이지와 압력센서를 설치하여 육안으로 압력확인 뿐만 아니라 데이터를 저장할 수 있도록 제작하였다.
- 밸브는 일반적으로 온도 영향도 많지만, 본 연구에서는 시험 유체의 온도는 25±5℃를 유지하며 시험을 수행하였다.
- 본 연구는 가속수명시험을 통하여 시험대상품인 버터플라이밸브의 신뢰성 인자를 도출하였고, 이를 토대로 가속모형 개발하였으며, 실사용 조건에서의 수명을 예측하는 수명 모형을 개발하였다. 아래와 같이 본 연구의 내용을 요약하고자 한다.
- 밸브를 동작시키기 위해서는 수동형과 자동형으로 구분되며, 동작이 빈번하지 않은 경우는 수동형 밸브를 사용하지만, 설비등에서 자주 반복되는 동작을 해야 할 경우에는 주어진 토크등을 고려하여 유압식 또는 공압식 액추에이터를 사용한다. 본 연구에서는 공압식 액추에이터가 장착된 밸브를 사용하여 시험을 하였다.
대상 데이터
- 고무시트 버터플라이 밸브의 주요 고장모드를 가속화할 수 있는 가속 스트레스 인자로는 압력을 선정하였다. 이에 따라 가속모델은 역승 모델(Inverse power law model)로 선정하였으며, 수명과 스트레스 인자와의 관계식은 식(1)과 같다.
- 각 시험압력은 현장 작동 조건과 문헌을(6∼8) 참조하였으며, 가속시험을 진행하기 전에 예비시험을 통하여 시험 압력을 선정하였다. 시험대상품의 수량은 각 단계에서 5 EA로 하였으며, 총 15 EA의 시료를 확보하고 시험하였다.
데이터처리
- 고무시트 버터플라이 밸브의 가속수명시험 데이터에 대해 가속성이 성립하는지, 즉 와이블 분포의 형상모수가 동일한 지에 대해 ALTA 소프트웨어의 우도비 검정을 실시하였다. Fig.
이론/모형
- Fig. 7에서 보는 바와 같이, 분포에 대한 적합도 검정의 방법으로 최우추정법(maximum likelihood estimation)을 적용하였으며, 이를 통해 AD(anderson-darling) 통계량을 얻을 수 있다. AD 통계치는 확률지에 도시된 점과 이들을 적합한 직선의 대응점과의 차이를 측정하는 값으로 후보 분포 중에서 더 적은 A-D 통계치를 가지는 분포에 잘 적합 된다는 것을 의미한다.
- 고무시트 버터플라이 밸브의 주요 고장모드를 가속화할 수 있는 가속 스트레스 인자로는 압력을 선정하였다. 이에 따라 가속모델은 역승 모델(Inverse power law model)로 선정하였으며, 수명과 스트레스 인자와의 관계식은 식(1)과 같다.
성능/효과
- ② 수명을 예측하기 위한 가속모형은 역승 모형으로 적용하였으며, 현재 3 수준에서의 시험이 완료되어 형상모수를 분석하여 1.07의 값을 얻었고, 가속지수 n=7.0을 얻을 수 있었다.
- 고무시트 버터플라이밸브의 경우 고장에 영향을 주는 인자는 주로 압력과 온도인 것으로 현장 조사 결과 확인되었다. 그중에서도 압력은 밸브의 수명에 많은 영향을 주므로 가속시험 계획에서 압력을 가속인자로 선정하였다.
- 위의 결과로부터 고무시트 버터플라이 밸브는 점추정 특성수명 42,220 사이클과 B10 수명 51,302 사이클을 보장할 수 있으며, 신뢰수준 하한 95%에서는 특성수명 88,351 사이클과 B10 수명 8,745 사이클을 최소로 보장할 수 있는 것을 알 수 있다.
- 시험 대상품의 주요사양은 Table 1과 같으며, 밸브의 정격압력은 10 bar이고, 크기는 50mm이다. 일반적인 밸브의 사용조건은 현장조사를 통하여 확인한 결과 약 6 bar정도인 것으로 확인되었다. 밸브를 동작시키기 위해서는 수동형과 자동형으로 구분되며, 동작이 빈번하지 않은 경우는 수동형 밸브를 사용하지만, 설비등에서 자주 반복되는 동작을 해야 할 경우에는 주어진 토크등을 고려하여 유압식 또는 공압식 액추에이터를 사용한다.
- 특성수명을 사용하여 MTTF와 B10 수명을 계산한 결과는 아래와 같으며, MTTF의 95% 신뢰구간은 (8.618E+4, 1.967E+6) 사이클이며, B10 수명의 95% 신뢰구간은 (8745, 3.0098E+5) 사이클이다.
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