[논문]금속 볼 밸브의 볼·시트 마멸 특성에 관한 실험적 연구

배준호; 정구현

doi:10.9725/kstle.2016.32.1.32

금속 볼 밸브의 볼·시트 마멸 특성에 관한 실험적 연구
Wear Characteristics of Metal Ball and Seat for Metal-Seated Ball Valve 원문보기

윤활학회지 = Journal of the Korean Society of Tribologists and Lubrication Engineers, v.32 no.1, 2016년, pp.32 - 37

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The wear characteristics of metal ball and seat in a metal-seated ball valve significantly affect the performances such as leakage and valve torque. In this work, the wear characteristics of metal ball and seat are experimentally investigated. A stainless steel ball and seat with a high corrosion-resistant coating are prepared and a component level test was performed. The hardness and surface roughness of specimens cut from the metal ball and seat are measured before and after the test using a micro-Vickers hardness tester and confocal microscopy, respectively. In order to assess the wear characteristics, the surfaces of the specimens are carefully examined after the test. The confocal microscope data show that the surface roughness values of both the ball and seat increase by a factor of 3-4, which may lead to an increase in valve torque. However, the wear of the seat is found to be more significant than that of the ball. In addition, a comparison of the surfaces of the ball and seat before and after testing revealed that adhesive and abrasive wear are the major wear mechanisms. The results of this study may aid in the design of metal-seated ball valves from the tribological point of view.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

금속 볼 밸브의 성능을 평가하기 위한 실험은 실제 작동 환경을 고려하여 수행하였으며, 볼과 시트 표면 분석을 통하여 마멸 기구를 이해하고자 하였다. 또한, 마멸 기구에 대한 이해를 바탕으로 볼과 시트의 내마모성을 향상시키기 위한 표면 설계 기술을 제안하고자 하였다.
금속 볼 밸브의 성능을 평가하기 위한 실험은 실제 작동 환경을 고려하여 수행하였으며, 볼과 시트 표면 분석을 통하여 마멸 기구를 이해하고자 하였다. 또한, 마멸 기구에 대한 이해를 바탕으로 볼과 시트의 내마모성을 향상시키기 위한 표면 설계 기술을 제안하고자 하였다. 이러한 연구 결과는 높은 내마모성 및 내구성을 가지는 금속 볼 밸브 개발에 기여할 수 있을 것으로 기대된다.
본 연구에서는 금속 볼 밸브 개폐 시 볼과 시트 사이의 접촉 미끄럼 운동에 의해 발생하는 볼과 시트의 마멸 특성을 평가하였다. 이를 위하여 볼 밸브를 제작하였으며, 실제 작동 조건을 구현하기 위한 실험 장치를 구성하였다.
본 연구에서는 실제 표면 특성을 고려하여 금속 볼밸브를 설계 및 제작하였으며, 밸브의 성능을 평가하기 위한 실험으로써, 밸브를 반복적으로 개폐하는 실험을 수행하고, 실험 전후 볼과 시트의 표면을 비교· 분석하였다. 금속 볼 밸브의 성능을 평가하기 위한 실험은 실제 작동 환경을 고려하여 수행하였으며, 볼과 시트 표면 분석을 통하여 마멸 기구를 이해하고자 하였다.

제안 방법

금속 볼과 시트 사이에서 발생하는 마멸 기구와 표면파손 특성을 평가하기 위해서, 앞서 언급한 바와 같이, 금속 볼 밸브를 실제로 제작하였다. Fig.
실험 장치에 장착된 볼 밸브는 밸브의 상단에 부착된 구동기에 의하여 0°에서 90°까지 회전할 수 있으며, 이에 따라 개폐가 가능하도록 설계하였다. 또한, 실험장치는 흐르는 유체의 압력을 일정하게 제어할 수 있도록 설계되었으며, 본 실험에서는, 공기를 이용하여 약 4 bar의 압력을 가한 상태에서 실험을 진행하였다. 볼 밸브의 성능을 평가하기 위하여 각 1, 000회의 개폐마다 누유 여부를 관찰하였으며, 5, 000회의 개폐 후 분해하여 볼과 시트사이에서 발생하는 마멸 특성을 실험전과 비교하여 분석하였다.
또한, 실험장치는 흐르는 유체의 압력을 일정하게 제어할 수 있도록 설계되었으며, 본 실험에서는, 공기를 이용하여 약 4 bar의 압력을 가한 상태에서 실험을 진행하였다. 볼 밸브의 성능을 평가하기 위하여 각 1, 000회의 개폐마다 누유 여부를 관찰하였으며, 5, 000회의 개폐 후 분해하여 볼과 시트사이에서 발생하는 마멸 특성을 실험전과 비교하여 분석하였다.
실제 작동 조건에서 발생하는 볼과 시트의 마멸 현상을 평가하기 위하여 본 연구에서는 Fig. 3과 같은 실험 장치를 제작하여 활용하였다. 실험 장치에 장착된 볼 밸브는 밸브의 상단에 부착된 구동기에 의하여 0°에서 90°까지 회전할 수 있으며, 이에 따라 개폐가 가능하도록 설계하였다.
3과 같은 실험 장치를 제작하여 활용하였다. 실험 장치에 장착된 볼 밸브는 밸브의 상단에 부착된 구동기에 의하여 0°에서 90°까지 회전할 수 있으며, 이에 따라 개폐가 가능하도록 설계하였다. 또한, 실험장치는 흐르는 유체의 압력을 일정하게 제어할 수 있도록 설계되었으며, 본 실험에서는, 공기를 이용하여 약 4 bar의 압력을 가한 상태에서 실험을 진행하였다.
4(d)와 (e)는 응착 및 연삭 마멸 발생 영역의 표면 프로파일을 실험 전표면 프로파일과 서로 비교한 것이다. 실험 전후의 표면 측정은 모두 절단된 볼과 시트가 사용되었으므로, 측정부위가 동일하지는 않으며, 표면 프로파일을 효과적으로 비교하기 위해, 평탄화를 통하여 볼의 형상을 제거한 프로파일들을 나타낸다. Fig.
특성을 평가하였다. 이를 위하여 볼 밸브를 제작하였으며, 실제 작동 조건을 구현하기 위한 실험 장치를 구성하였다. Steel 소재로 제작된 볼과 시트의 접촉 미끄럼 운동에 의하여 발생하는 볼의 주된 마멸 기구는 응착 및 연삭 마멸로 나타났으며, 시트에서는 연삭 마멸이 주로 발생하는 것으로 나타났다.

대상 데이터

1(a)는금속 볼 밸브 구성 부품을 나타내는 사진으로써, 금속 볼 밸브는 볼과 시트, 그리고 이들을 결합하기 위한 2 개의 하우징으로 구성되어 있다. 볼 과 시트는 4" 밸브 기준으로 제작되었으며, 재료로는 각각 A351 과 A240가 사용되었다. 또한, 제작 후 두 시편 모두 열처리 및 부식 방지 코팅(high corrosion resistance coating) 이 적용되었다.

성능/효과

이와 같은 마멸에 의하여 볼과 시트의 표면 거칠기는 증가하는 것으로 나타났으며, 실험에 사용된 볼과 시트의 경우, 상대적으로 경도가 낮고 미끄럼 거리가 큰 시트의 마멸이 더 큰 것으로 나타났다. 5, 000 회의 개폐 후 누유는 발생하지 않는 것으로 나타났으나, 표면 거칠기가 크게 증가하였음을 고려할 때, 개폐 회수가 증가할수록 누유가 발생할 가능성이 클 것으로 예상된다. 이러한 볼과 시트의 마멸은 표면 텍스처를 통하여 마멸 입자를 접촉 계면으로부터 제거함으로써 저감시킬 수 있을 것으로 기대되며, 일반적으로 볼 밸브의 효과적인 유지 보수를 위하여 시트의 경도를 낮게 설계함으로써, 표면 텍스처는 볼의 표면에 형성시키는 것이 타당하다.
이를 위하여 볼 밸브를 제작하였으며, 실제 작동 조건을 구현하기 위한 실험 장치를 구성하였다. Steel 소재로 제작된 볼과 시트의 접촉 미끄럼 운동에 의하여 발생하는 볼의 주된 마멸 기구는 응착 및 연삭 마멸로 나타났으며, 시트에서는 연삭 마멸이 주로 발생하는 것으로 나타났다. 이와 같은 마멸에 의하여 볼과 시트의 표면 거칠기는 증가하는 것으로 나타났으며, 실험에 사용된 볼과 시트의 경우, 상대적으로 경도가 낮고 미끄럼 거리가 큰 시트의 마멸이 더 큰 것으로 나타났다.
6 에제시하였으며, 연삭 마멸에 의하여 groove가 형성되었으며, 이에 따라 표면 거칠기가 증가하였음을 예측할수 있다. 공초점 현미경 데이터 분석 결과 실험 후 시트의 표면 거칠기는 0.8 µm로 실험 전에 비하여 크게 증가하였음을 알 수 있었다. 특히, 금속 시트는 Fig.
볼과 시트의 경도는 마이크로 비커스 경도계를 사용하여 측정하였으며, 각각 780 HV와 600 HV로 나타났다. 금속 볼의 경도가 금속 시트의 경도보다 크기 때문에, 금속 시트의 마멸이 볼의 마멸보다 더 클 것으로 예상되었으며, 이는 일반적인 볼 밸브의 유지 및 보수를 고려할 때 적절하다.
4(d)와 (e)로 부터, 응착 및 연삭 마멸 발생이 국부적으로 다름에 따라, 표면의 국부적인 거칠기도 다름을 알 수 있다. 또한, 응착마멸에 의하여 표면 거칠기가 증가하였으며, 연삭 마멸에 의해서 표면에 groove가 형성되었음을 알 수 있다. 공초점 현미경 데이터로부터 얻은 실험 후 볼 표면의 거칠기는 0.
Steel 소재로 제작된 볼과 시트의 접촉 미끄럼 운동에 의하여 발생하는 볼의 주된 마멸 기구는 응착 및 연삭 마멸로 나타났으며, 시트에서는 연삭 마멸이 주로 발생하는 것으로 나타났다. 이와 같은 마멸에 의하여 볼과 시트의 표면 거칠기는 증가하는 것으로 나타났으며, 실험에 사용된 볼과 시트의 경우, 상대적으로 경도가 낮고 미끄럼 거리가 큰 시트의 마멸이 더 큰 것으로 나타났다. 5, 000 회의 개폐 후 누유는 발생하지 않는 것으로 나타났으나, 표면 거칠기가 크게 증가하였음을 고려할 때, 개폐 회수가 증가할수록 누유가 발생할 가능성이 클 것으로 예상된다.

후속연구

이러한 볼과 시트의 마멸은 표면 텍스처를 통하여 마멸 입자를 접촉 계면으로부터 제거함으로써 저감시킬 수 있을 것으로 기대되며, 일반적으로 볼 밸브의 효과적인 유지 보수를 위하여 시트의 경도를 낮게 설계함으로써, 표면 텍스처는 볼의 표면에 형성시키는 것이 타당하다. 이러한 기술은 향후 실제 텍스처가 형성된 볼을 제작하여 연구를 수행함으로써 검증해야 할 것으로 여겨지며, 이러한 트라이볼로지적 설계는 향후 금속 볼 밸브의 내구성 및 성능을 향상시키는데 기여할 수 있을 것으로 기대된다.
또한, 마멸 기구에 대한 이해를 바탕으로 볼과 시트의 내마모성을 향상시키기 위한 표면 설계 기술을 제안하고자 하였다. 이러한 연구 결과는 높은 내마모성 및 내구성을 가지는 금속 볼 밸브 개발에 기여할 수 있을 것으로 기대된다.
그러므로, 마멸입자에 의한 볼과 시트의 극심한 마멸 진전뿐만 아니라, 유체의 오염을 저감시키기 위해서는 마멸 입자를 효과적으로 제거하는 것이 요구된다. 특히, 이를 위해서는 표면 텍스처(surface texture)를 적용할 수 있을 것으로 예상되며[17], 표면 텍스처는 상대적으로 경도가 높고 접촉 영역이 큰 볼의 표면에 형성시키는 것이 타당하며, 궁극적으로 금속 볼의 성능 및 내구성을 증가시키는 데 기여할 수 있을 것으로 예상된다.

참고문헌 (17)

Kang, B. S., Kim, K. S., Kim, J. K., “Reliability Prediction through Operating Characteristics Analysis of PE-Ball Valve for Gas”, J. Korean Soc. Precis. Eng., Vol. 11, pp. 1507-1511, 2009.
Kang, H. B., Lee, S. S., Park, I. S., Song, J. H., Lee, S. H., “A Numerical Analysis on the Flow Characteristics of Ball Valve”, J. Korean Soc. Precis. Eng., pp. 921-922, 2012.
Chern, M. J., Wang, C. C., Ma, C. H., “Performance Test and Flow Visualization of Ball Valve”, Exp. Therm. Fluid Sci., Vol. 31, No. 6, pp. 505-512, 2007.

상세보기
Kalkat, K., “Experimentally Vibration and Noise Analysis of Two Types of Washing Machines with a Proposed Neural Network Predictor”, Measurement, Vol. 47, pp. 184-192, 2014.

상세보기
Lee, J. H., “A Characteristic Analysis of High Pressure and High Temperature 3-way Ball Valve”, J. Korean Soc. Manufacturing Process Eng., Vol. 11, No. 4, pp. 180-184, 2012.
Ha, S. H., Kim, S. J., Song, J. I., “Structure Analysis and Torque Reduction Design of Industrial Ball Valve”, J. Korean Soc. Manufacturing Process Eng., Vol. 13, No. 6, pp. 37-45, 2014.

원문보기 상세보기
Tudor, A., Negriu, R., Radu, I., Dumitru, V., “A Wear Study Case of Ceramic Ball Seat Valve”, Tribology in Industry, Vol. 25, No. 3&4, pp. 83-89, 2003.
Shimizu, K., Noguchi, T., Seitoh, H., Okada, M., Matsubara, Y., “FEM Analysis of Erosive Wear”, Wear, Vol. 250, No. 1-12, pp. 779-784, 2001.

상세보기
Kim, J. H., Chun, K. J., Hong, J. S., Kim, Y. S., Kim, D. Y., Im, J. K., “A Study on Valve and Seat Insert Wearing depending on Cycle Number”, J. Korean Soc. Precis. Eng., Vol. 5, pp. 103-104, 2006.
Rogula, J., “The Influence of Seat Fatigue Test on the Leakage in Ball Valve” Procedia Eng., Vol. 39, pp. 91-97, 2012.
Preteepasen, A., Kaewwaewnoi, W., Kaewtrakulpong, P., “Smart Portable Noninvasive Instrument for Detection of Internal Air Leakage of a Valve Using Acoustic Emission Signals”, Measurement, Vol. 44, No. 2, pp. 378-384, 2011.

상세보기
Bagherifard, S., Fernandez Pariente, I., Guagliano, M., “Failure Analysis of a Large Ball Valve for Pipe-Lines”, Eng. Failure Anal., Vol. 32, pp. 167-177, 2013.

상세보기
Mascarenhas, L., Gomes, J., Beal, V., Poortela, A., Ferreira, C., Barbosa, C., “Design and operation of a high temperature wear test apparatus for automotive valve materials”, Wear, Vol. 342-343, pp. 129-137, 2015.

상세보기
Kim, S. G., Kim, K., Song, K. C., “Empirical Prediction Method of Engine Valve and Valve Seat”, Journal of the KSTLE, Vol. 28, No. 5, pp. 218-232, 2015.
Wu, Z., Zhou, F., Chen, K., Wang, Q., Zhou, Z., Yan, J., Li, L., K., Y., “Friction and Wear Properties of CrSiCN Coating with Low Carbon Content as Sliding against SiC and Steel Balls in Water”, Tribol. Int., Vol. 94, pp. 176-186, 2016.

상세보기
Hwang, D. H., Kim, D. E., Lee, S. J., “Influence of Wear Particle Interaction in the Sliding Interface on Friction of Metals”, Wear, Vol. 225-229, pp. 427-439, 1999.

상세보기
Cha, K. H., Chung, K. H., Kim, D. E., “Effect of Slider Load on the Wear Debris Contamination Tendency of Head/Slider”, IEEE T.Magn, Vol. 35, No. 5, pp. 2355-2357, 1999.

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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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