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문제 정의
- 몸통 내압시험과 밀폐부의 밀폐 시험의 구조해석은 시제품 제작을 위한 볼밸브 설계 검증을 목적으로 수행하였다. 몸통 내압 시험과 밀폐부의 밀폐 시험을 위한 구조해석 조건은 국제 규격 ISO 5208(9) 및 신명섭 등(8)을 근거로 하였다.
- 을 적용하여 고압 배관에 사용되는 고성능 리테이너형 볼밸브에 대한 구조해석를 수행하였다. 이러한 구조해석을 통하여 안전성 평가 및 변형량을 통한 누설 여부에 대해 예측하였다.
제안 방법
- 본 연구는 국제규격 ISO 5208(KS B ISO 5208)의 압력 시험 규정을 적용한 호칭 밸브 크기 DN300과 DN400의 고압 배관용 리테이너형 볼밸브의 ANSYS Workbench를 이용한 구조해석을 수행하였다. 각각의 해석 결과로 변형량, 등가응력, 안전계수를 도출하였고, 이를 통해 리테이너형 볼밸브의 안전성 및 누설 여부를 판단하였다. 따라서 본 연구를 통해 다음과 같은 결론을 내렸다.
- 를 이용하였다. 그 다음으로, 모델링된 리테이너형 볼밸브의 노드 및 격자를 밀도(relevance)값을 조절하여 생성했다. 격자는 1요소(element)에 4개의 질점(node)을 가지는 사면체요소(tetrahedron element)를 사용하였다.
- 몸통 내압 시험의 경우, 압력 등급인 PN100(ASME 600 CLASS)에 맞추어 몸체 내부 면에 15 MPa의 압력을 부여하였으며, 고정면은 엔드비스 입/출구면으로 설정하여 해석을 수행하였다. 또한 밀폐부의 밀폐 시험의 경우, 압력을 받는 볼 표면에 11 MPa의 압력을 부여하였고, 엔드 피스 입/출구면을 고정면으로 설정 하였다. 구조해석에 적용된 압력 조건은 Table 4와 같이 나타내었다.
- 또한 Chern 등(4)은 레이져를 사용하는 입자 추적 유동 가시화(particle tracking flow visualization) 기법을 이용하여 볼밸브 내부 유동장에 대한 가시화를 수행하였고, 이를 통하여 볼밸브 내부의 압력 강하에 의한 캐비테이션 현상에 따른 발생 기포를 가시화 하였다. 또한 이들은 실험 결과에 의한 볼밸브의 유량 계수 및 손실 계수를 제시하였다.
- 격자는 1요소(element)에 4개의 질점(node)을 가지는 사면체요소(tetrahedron element)를 사용하였다. 몸통 내압 시험은 밸브의 몸통 이외 작동유체에 잠기는 구성품을 제외하여 해석을 수행하였으며, 밀폐부의 밀폐 시험은 모든 부품의 변형을 확인하기 때문에 모든 부품이 조립된 상태로 계산을 수행하였다.
- 4은 구조 해석을 위한 몸통 내압 시험 및 밀폐부의 밀폐 시험에서의 구속 조건을 보여준다. 몸통 내압 시험의 경우, 압력 등급인 PN100(ASME 600 CLASS)에 맞추어 몸체 내부 면에 15 MPa의 압력을 부여하였으며, 고정면은 엔드비스 입/출구면으로 설정하여 해석을 수행하였다. 또한 밀폐부의 밀폐 시험의 경우, 압력을 받는 볼 표면에 11 MPa의 압력을 부여하였고, 엔드 피스 입/출구면을 고정면으로 설정 하였다.
- 6은 밀폐부의 밀폐 시험에 대한 구조 해석 결과이다. 밀폐부의 밀폐 시험은 완전히 닫혀있는 상태의 밸브가 작동 유체의 압력을 받게 될 때 밸브의 기밀성을 확인하는 시험으로 최대 허용 사용 압력(PN100)의 1.1배의 압력을 적용하였다. 따라서, 부여된 구조해석의 경계조건은 엔드피스 입/출구면에 Fixed support 조건을 부여했고, 밸브의 한쪽 면에 11 MPa의 압력을 부여했다.
- 본 연구는 국제규격 ISO 5208(KS B ISO 5208)의 압력 시험 규정을 적용한 호칭 밸브 크기 DN300과 DN400의 고압 배관용 리테이너형 볼밸브의 ANSYS Workbench를 이용한 구조해석을 수행하였다. 각각의 해석 결과로 변형량, 등가응력, 안전계수를 도출하였고, 이를 통해 리테이너형 볼밸브의 안전성 및 누설 여부를 판단하였다.
- DN300 및 DN400 규격의 리테이너형 볼밸브에 대하여 ISO 5208(KS B ISO 5208)(9)의 시험 방법에 의한 구조해석을 수행하였다. 이 구조해석을 통하여 리테이너 및 주요 부품에 대한 변형량(deformation), 응력(stress) 및 안전계수(safety factor) 등을 계산하였고, 이를 통하여 리테이너형 볼밸브의 구조적 안전성을 고찰하였다.
- 전단 변형 에너지가 일정한 값에 도달하면 항복이 발생한다는 전단 변형률 에너지 이론(shear strain energy theory) 에 근거하여 von Mises는 식 (1)을 제안하였다.
대상 데이터
- 리테이너형 볼밸브의 구조 해석을 위한 각 파트의 물성치는 Table 3과 같으며, ANSYS material library에 있는 데이터를 활용하였다. 구조물에 대한 구속 조건은 크게 하중을 받는 면과 고정면(fixed support)으로 나누어지며, 이러한 고정면은 물체의 동적인 거동을 억제하는 구속 조건이다.
이론/모형
- 리테이너형 볼밸브의 구조해석에서는 유한요소법(finite element method, FEM)을 기반으로 하는 상용 팩키지 프로그램 ANSYS Workbench(12)을 사용하였다. DN300 및 DN400 규격의 리테이너형 볼밸브에 대하여 ISO 5208(KS B ISO 5208)(9)의 시험 방법에 의한 구조해석을 수행하였다. 이 구조해석을 통하여 리테이너 및 주요 부품에 대한 변형량(deformation), 응력(stress) 및 안전계수(safety factor) 등을 계산하였고, 이를 통하여 리테이너형 볼밸브의 구조적 안전성을 고찰하였다.
- 따라서, 본 연구는 신명섭 등(8)과 국제 규격에서 규정하고 있는 밸브의 압력 시험방법 ISO 5208(KS B ISO 5208)(9)을 적용하여 고압 배관에 사용되는 고성능 리테이너형 볼밸브에 대한 구조해석를 수행하였다. 이러한 구조해석을 통하여 안전성 평가 및 변형량을 통한 누설 여부에 대해 예측하였다.
- 3는 구조 해석의 대상에 대한 노드(node) 및 격자(grid)를 보여준다. 리테이너형 볼밸브의 구조해석에서는 유한요소법(finite element method, FEM)을 기반으로 하는 상용 팩키지 프로그램 ANSYS Workbench(12)을 사용하였다. DN300 및 DN400 규격의 리테이너형 볼밸브에 대하여 ISO 5208(KS B ISO 5208)(9)의 시험 방법에 의한 구조해석을 수행하였다.
- 먼저, 리테이너형 볼밸브의 구조해석을 수행하기 앞서, 3D 모델링은 SolidWorks(13)를 이용하였다. 그 다음으로, 모델링된 리테이너형 볼밸브의 노드 및 격자를 밀도(relevance)값을 조절하여 생성했다.
- 몸통 내압시험과 밀폐부의 밀폐 시험의 구조해석은 시제품 제작을 위한 볼밸브 설계 검증을 목적으로 수행하였다. 몸통 내압 시험과 밀폐부의 밀폐 시험을 위한 구조해석 조건은 국제 규격 ISO 5208(9) 및 신명섭 등(8)을 근거로 하였다. 몸통 내압 시험(압력 15 MPa) 및 밀폐부의 밀폐시험(압력 11 MPa)의 구조 해석을 통하여 밸브 몸통 및 엔트 피스에서 발생하는 변형량, 등가 응력, 그리고 안전 계수의 결과를 얻었다.
성능/효과
- 1) 몸통 내압시험과 밀폐부의 밀폐시험 조건에서의 리테이너형 볼밸브는 충분히 안전하게 설계되었음을 확인하였다.
- 2) 몸통 내압시험 조건의 해석 결과에서는 밸브 몸통의 중앙 부분이 보강이 필요한 것으로 나타났으며, 밀폐부의 밀폐시험 조건의 해석 결과에서는 볼에서 가장 큰 변형량이 발생하였으나, 안전성 및 누설에는 영향 주지 않을 것이라고 판단하였다.
- 3) 이러한 구조해석은 가장 이상적인 조립 조건에서 구조 해석을 수행하였기 때문에 구조해석 결과는 안전할 것으로 예상되지만, 호칭 밸브크기 DN400의 시트 안전 계수가 상대적으로 현저히 낮게 나왔으며, 이는 볼과 몸통에서의 변형량 증가에 따라 발생되는 각 구성품 접촉에 의한 상호 영향으로 생각된다. 따라서 이것은 압력 시험을 통한 추가적인 연구가 필요하다.
- Table 5는 몸통 내압시험 및 밀폐부의 밀폐시험에 대한 구조해석 결과를 나타나내고, Table 6은 볼밸브 구성품에 대한 안전계수를 나타내었다. 각 구성품의 안전계수는 1이상의 값을 갖기 때문에 안전하다고 예상되나, DN400의 시트의 안전계수가 다른 구성품에 비해 현저히 낮게 도출되었다. 이러한 결과의 원인은 밀폐부 밀폐시험의 결과에서 DN400의 최대 변형량이 DN300에 비해 0.
- 04 mm 더 큰 것에 주목할 필요가 있으며, 이러한 변형의 영향이 볼과 몸통의 압력면에 집중적으로 발생하여 최종적으로는 시트에 영향을 준 것으로 생각된다. 결과적으로 DN300 설계에서 호칭 밸브 크기만 늘린(중량이 거의 같은) DN400 볼밸브는 볼과 플랜지를 포함하는 몸통의 안전계수가 DN300에 비해 상대적으로 작은 값으로 가지는데, 이것은 DN400의 각 구성품 설계에서 구조적 건전성을 고려해야함을 의미한다. 추가적으로 제품의 안전성 및 신뢰성을 위해서는 시제품의 압력시험을 통한 실험적 검증이 반드시 필요하다.
- 이 결과를 통해, 설계된 볼밸브 몸체는 설계 사양의 압력 조건에서 충분한 안전성을 가질 것으로 판단된다. 등가 응력 분포의 경우, DN300과 DN400의 최대 등가응력은 각각 몸통 중앙에서 165 MPa과 170 MPa로 나타났다. DN300과 DN400의 최소 안전 계수는 각각 1.
- 몸통 내압 시험과 밀폐부의 밀폐 시험을 위한 구조해석 조건은 국제 규격 ISO 5208(9) 및 신명섭 등(8)을 근거로 하였다. 몸통 내압 시험(압력 15 MPa) 및 밀폐부의 밀폐시험(압력 11 MPa)의 구조 해석을 통하여 밸브 몸통 및 엔트 피스에서 발생하는 변형량, 등가 응력, 그리고 안전 계수의 결과를 얻었다. DN300 규격의 볼밸브와 DN400 규격의 볼밸브는 형상및 구조가 동일하기 때문에 전반적으로 거의 유사한 경향을 보였지만 변형량, 등가 응력, 그리고 안전 계수에서 약간의 차이를 보였다.
- 5은 몸통 내압 시험의 구조해석 결과를 보여준다. 몸통 내압 시험의 구조해석 조건은 최대 허용 사용 압력 (PN100)의 1.5배의 압력을 적용하였으며, 이러한 구조해석 결과를 통해 볼 밸브 구조에서 취약한 부분을 확인할 수 있다. 최대 변형량 분포의 경우, DN300은 몸통 중앙에서 최대 변형량 0.
- 142% 변형이 발생하였고, 따라서, 몸통의 취약한 부분은 몸통 중앙이지만 구조해석을 통한 변형량으로 판단했을 때, 볼 밸브 구조에 미치는 영향은 거의 없는 것으로 예상된다. 이 결과를 통해, 설계된 볼밸브 몸체는 설계 사양의 압력 조건에서 충분한 안전성을 가질 것으로 판단된다. 등가 응력 분포의 경우, DN300과 DN400의 최대 등가응력은 각각 몸통 중앙에서 165 MPa과 170 MPa로 나타났다.
- 각 구성품의 안전계수는 1이상의 값을 갖기 때문에 안전하다고 예상되나, DN400의 시트의 안전계수가 다른 구성품에 비해 현저히 낮게 도출되었다. 이러한 결과의 원인은 밀폐부 밀폐시험의 결과에서 DN400의 최대 변형량이 DN300에 비해 0.04 mm 더 큰 것에 주목할 필요가 있으며, 이러한 변형의 영향이 볼과 몸통의 압력면에 집중적으로 발생하여 최종적으로는 시트에 영향을 준 것으로 생각된다. 결과적으로 DN300 설계에서 호칭 밸브 크기만 늘린(중량이 거의 같은) DN400 볼밸브는 볼과 플랜지를 포함하는 몸통의 안전계수가 DN300에 비해 상대적으로 작은 값으로 가지는데, 이것은 DN400의 각 구성품 설계에서 구조적 건전성을 고려해야함을 의미한다.
- 응력 분포의 경우, 각 밸브는 최대 등가 응력 190 MPa과 140 MPa이 발생하였다. 이러한 최대 등가 응력 분포의 결과를 통해 DN300 및 DN400의 몸통(body), 볼(ball), 리테이너(retainer), 금속 시트(metal seat) 등 각 모든 부품의 안전 계수는 모두 1이상의 값을 가졌으며, 이에 따라 각 볼밸브의 설계는 적절한 것으로 보인다. Table 5는 몸통 내압시험 및 밀폐부의 밀폐시험에 대한 구조해석 결과를 나타나내고, Table 6은 볼밸브 구성품에 대한 안전계수를 나타내었다.
후속연구
- 4) 추후 시제품 제작을 통한 압력시험으로 해석결과와의 비교 검증을 수행할 예정이다.
- 3) 이러한 구조해석은 가장 이상적인 조립 조건에서 구조 해석을 수행하였기 때문에 구조해석 결과는 안전할 것으로 예상되지만, 호칭 밸브크기 DN400의 시트 안전 계수가 상대적으로 현저히 낮게 나왔으며, 이는 볼과 몸통에서의 변형량 증가에 따라 발생되는 각 구성품 접촉에 의한 상호 영향으로 생각된다. 따라서 이것은 압력 시험을 통한 추가적인 연구가 필요하다.
- 결과적으로 DN300 설계에서 호칭 밸브 크기만 늘린(중량이 거의 같은) DN400 볼밸브는 볼과 플랜지를 포함하는 몸통의 안전계수가 DN300에 비해 상대적으로 작은 값으로 가지는데, 이것은 DN400의 각 구성품 설계에서 구조적 건전성을 고려해야함을 의미한다. 추가적으로 제품의 안전성 및 신뢰성을 위해서는 시제품의 압력시험을 통한 실험적 검증이 반드시 필요하다.
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