[논문]CPVC 밸브소켓 체결토크가 누수발생에 미치는 영향

임춘기; 백은선

doi:10.7731/kifse.2016.30.4.046

CPVC 밸브소켓 체결토크가 누수발생에 미치는 영향
CPVC Valve Tightening Torque Impact Sockets on the Leaks 원문보기

한국화재소방학회 논문지= Fire science and engineering, v.30 no.4, 2016년, pp.46 - 58

초록
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본 연구는 스프링클러설비용 소방용 합성수지배관에서 누수원인으로 예측되는 과도 조임에 따른 밸브 소켓 나사부의 영향을 분석하기 위하여 컴퓨터 시뮬레이션을 이용하여 밸브소켓 체결토크가 $10{\sim}130N{\cdot}m$일 때 나사부에 걸리는 응력, 변형률, 변위, Von mises stress 및 수밀용 고무패킹에 걸리는 압축응력을 예측하였으며, 이를 검증하기 위하여 토크미터를 이용한 체결토크별 접속 나사산 수, 밸브소켓과 고무패킹의 변형상태 및 수격실험을 실시하여 적정한 체결토크 값과 고무패킹 압축응력 값을 연구하였다. 본 연구 결과가 소방용 합성수지배관 누수방지를 위한 관련 규격 또는 기술기준 개정에 필요한 자료로 활용될 수 있도록 기대한다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this study, the stress applied to screw section, strain, displacement, von Mises stress, and the compression stress applied to the rubber packing for watertightness are estimated with computer simulation when the tightening torque of valve socket is in the range of $10{\sim}130N{\cdot}m$ in order to analyze the influence of valve socket screw section in accordance with the excessive tightening which is supposed to be the cause of water leakage from the synthetic resin piping for fire fighting application of sprinkler equipment, and for the sake of verifying this, adequate value of tightening torque and the value of the compression stress of rubber packing are investigated by examining the number of connected thread for each tightening torque, the deformation state of valve socket and rubber packing and conducting the water hammering test. The result of this test is expected to be utilized as the data required for revising the standard or technical criteria to prevent the water leakage of the synthetic resin piping for fire fighting application.

주제어

표/그림 (25)

그림 Figure 1. The connecting section of CPVC valve socket and expansion piping nut to be analyzed.
그림 Figure 3. Valve socket modeling for simulation.
그림 Figure 2. Conceptual diagram of tightening the expansion piping nut with 400 mm spanner.
그림 Figure 5. Major dimensions of the screw section of valve socket (G₁).
그림 Figure 4. Assembly drawing of valve socket and expansion piping for simulation.
표 Table 1. Properties of CPVC Piping⁽⁵⁾
그림 Figure 6. Major dimensions of the metallic nut (PF 1) of expansion piping.
그림 Figure 7. Conceptual diagram of screw.
그림 Figure 8. Conceptual diagram of the friction angle of screw.
그림 Figure 9. The force which is generated when tightening the triangular screw.
그림 Figure 10. The rotating force applied to the nut of triangular screw.
그림 Figure 11. Conceptual diagram of tightening the valve socket when the value of tightening torque is 10 N · m.
표 Table 2. Simulation Results in Tightening Torque 10 Nm
표 Table 3. Method of Measuring the Tightening Torque of Valve Socket
표 Table 4. Samples of Valve Socket and Rubber Packing for Watertightness in Accordance with Tightening Torque
표 Table 4. Continued
표 Table 5. Water Hammering Test and Water Leaking Section
표 Table 5. Continued
표 Table 6. Result of Water Hammering Test in Accordance with Tightening Torque
표 Table 7. Displaying the Number of Times Water Leakage is Generated in Accordance with Water Hammering Test
표 Table 8. The Impact in Accordance with Tightening Torque
그림 Figure 12. The relationship with axis load in accordance with tightening torque (10~130 N · m).
그림 Figure 13. Von mises stress in accordance with tightening torque (10~130 N · m).
그림 Figure 14. The displacement in accordance with tightening torque (10~130 N · m).
그림 Figure 15. Compression stress of rubber packing in accordance with tightening torque (10~130 N · m).

AI 본문요약
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문제 정의

이에 대한 대책으로 금속재와 결합하는 나사식 이음관의 경우 결합부분의 내측 또는 외측면을 보강하도록 관련 기술기준이 변경되었으며⁽³⁾ 최근 일부 현장에서는 신축배관 무설치 공법도 적용하고 있는 실정이다. 본 연구에서는 밸브소켓 과도 조임에 따른 나사산 손상 또는 파손과 수밀용 고무패킹 변형에 대해 기계요소 구조해석 프로그램인 미국 PTC사의 pro/ ENGINEER 5.0 (Mechanica)를 이용하여 밸브소켓 체결 토크 값에 따른 나사부 및 고무패킹 영향을 분석하였고, 이를 검증하기 위한 관련 실험을 통하여 누수방지 방안을 연구하였다.

가설 설정

해석은 Figure 3과 같이 밸브소켓의 ‘A’면을 고정시킨 상태에서 길이 400 mm의 스패너로 너트를 조일 때의 체결토크에 상응하는 축 하중 Q가 밸브소켓의 나사면에 작용한다고 가정하고 이때 나사부에 걸리는 응력(Stress), 변형률(Strain) 및 변위(Displacement)를 조사하였다.

제안 방법

또한, UL 1221 기준에서의 신축배관 체결토크 값인 81 N · m와(9) 체결 토크실험 결과 밸브소켓 파손이 확인된 체결토크 값 123 N · m에서의 밸브소켓 나사부에 대한 영향도 예측하였으며 여기에서는 대표적으로 체결토크 값이 10 N · m인 경우 나사부에 대한 영향을 시뮬레이션하였다.
밸브소켓 나사부가 파손되는 항복응력 값은 배관 두께에 대비하여 나사부의 얇은 두께를 감안하여 CPVC 배관 항복응력 값인 5.6 × 10 kg/m2의 25%인 1.4 × 10 kg/m2을기준으로 하였으며, Von mises stress 값이 밸브소켓 나사부의 항복 값을 초과하는 경우에 밸브소켓이 파손되는 것으로 하였다.
밸브소켓 체결토크에 따른 나사부의 영향을 분석하기 위하여 체결토크가 10~130 N · m에서 10 N · m 간격으로 나사부에 걸리는 응력(Stress), 변형률(Strain), 변위(Displacement), Von mises stress 및 수밀용 고무패킹의 압축 응력을 예측하였다.
체결토크 값에 따른 CPVC 밸브소켓 나사부의 영향을 분석하기 위하여 기계요소 구조해석 프로그램인 미국 PTC사의 Pro/ENGINEER 5.0 (Mechanica)를 이용하여 밸브소켓의 체결토크가 10~130 N · m일 때 나사부에 걸리는 응력(Stress), 변형률(Strain), 변위(Displacement), Von mises stress 및 수밀용 고무패킹의 압축응력을 예측하였다.

대상 데이터

밸브소켓의 적정 체결토크 값 및 시뮬레이션 결과를 검증하기 위하여 밸브소켓의 체결토크 값을 측정하기 위한 토크미터, 밸브소켓 및 신축배관을 준비하였으며, Table 3은 밸브소켓의 체결토크 측정 방법을 나타내고 있다.
접속 나사산 수에 따른 체결토크 값별로 시료를 각각 10개씩 준비하였으며, Table 4는 체결토크에 따른 밸브 소켓과 수밀용 고무패킹 시료를, Table 5는 밸브소켓의 수격실험과 누수부위를 나타내고 있다. 그리고 Table 6은 수격실험 결과이며, Table 7은 누수가 발생된 수격 횟수를 나타내고 있다.

이론/모형

Figure 4는 시뮬레이션을 위한 밸브소켓과 신축배관 연결부분의 조립도를 나타내고 있으며, Figure 5는 밸브소켓(G₁)나사부의 주요 치수를 나타내며 주요치수는 KS B0221(관용평행나사)를 따랐다. 또한 Figure 6은 신축배관 금속제 너트(PF 1)의 주요 치수를 나타내며 너트의 재질은 SM20C이고 아연도금 처리된 것으로서 마찰계수 μ는 0.
Von mises stress의 개념은 다양한 방향으로 부터 복합 하중이 가해졌을 때 어느 한 부위의 응력장에 대해 한 개축의 인장 또는 압축 응력으로 투영시킨 값이라고 볼 수 있다. 즉, 이는 Von mises stress가 그 재료의 항복응력에 도달했을 때 그 재료는 항복한다는 것을 의미 하며, 이는 식(1) 혹은 식(2)를 이용하여 구할 수 있으나 본 연구에서는 응력 텐서 성분을 이용하여 Von mises stress를 구하는 방법을 사용하였다⁽⁴⁾.

성능/효과

본 연구에서는 CPVC 밸브소켓과 신축배관 접속부분에서의 누수방지를 위한 적정한 체결토크 값으로 20 N · m 에서는 시뮬레이션 및 체결토크 실험 결과 밸브소켓 나사부의 변위가 미소하고 신축배관에 설치되는 고무패킹 변형이 발생되지 않았으며 수격실험 결과에서도 누수가 발생되지 않았다.
수밀용 고무패킹에 대한 압축응력은 Figure 15와 같이 체결 토크와 비례하여 증가하며, 압축응력은 체결 토크가 20 N · m일 경우 2,857 N/cm2, 30 N · m일 경우 4,285 N/ cm2, 40 N · m일 경우 5,713 N/cm2으로서 공인시험기관에 의뢰한 EPDM의 인장강도 값 2,630 N/cm2과 비교하였을 때 체결 토크 값이 대략 30 N · m 이상일 경우에는 압축응력이 시험결과 값인 인장강도 값 163% 이상으로 고무패킹이 변형된다는 것을 예측할 수 있다.

후속연구

그리고 체결토크 값 123 N · m에서는 Von mises stress 값이 1.64 × 106 kg/m2으로 CPVC 밸브소켓 나사부의 항복응력 값 1.40 × 106 kg/m2을 초과하며, 실험결과에서도 밸브소켓과 고무패킹이 파손이 확인되어 체결토크 값이 123 N · m을 넘지 않도록 관련 기술기준을 마련할 필요가 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	CPVC 밸브소켓과 신축배관 접속부분에서 누수를 방지하기 위해 해야 할 것은?	본 연구에서는 CPVC 밸브소켓과 신축배관 접속부분에서의 누수방지를 위한 적정한 체결토크 값으로 20 N · m에서는 시뮬레이션 및 체결토크 실험 결과 밸브소켓 나사부의 변위가 미소하고 신축배관에 설치되는 고무패킹 변형이 발생되지 않았으며 수격실험 결과에서도 누수가 발생되지 않았다. 따라서 누수방지를 위한 CPVC 밸브소켓과 신축배관 연결부에서의 체결토크 값은 20 N · m으로 해야 한다. 그리고 체결토크 값 123 N · m에서는 Von mises stress 값이 1.
	Von mises stress (σvm)란?	Von mises stress (σvm)란 Richard von mises가 제안한 개념으로 구조 해석에서는 등가응력(Effective or Equivalent stress)을 의미한다. 일반적으로 응력은 방향성을 가지고 있으나 Von mises stress는 방향을 가지지 않는 스칼라량인 것이 특징이다.
	CPVC 배관을 사용한 경우에도 누수가 발생하는 이유는?	최근 스프링클러배관 부식에 따른 누수방지 방안으로 소방용 합성수지배관(Chlorinated Polyvinyl Chloride, CPVC) 사용이 급증하고 있는 실정으로 2013년과 2015년을 비교할 때 그 생산량은 5배 이상 증가를 보이고 있다(1). 그러나 CPVC 배관을 사용한 경우에도 신축배관을 연결하기 위한 밸브소켓과 신축배관의 접속부분, 이음관의 접속부분 및 신축배관의 스테인리스 플랙시블관 부분에서 누수가 발생된 것으로 조사 되었으며 누수의 대부분을 차지하는 밸브소켓과 신축배관 접속부분에서 발생하는 누수는 밸브소켓 과도 조임에 따른 밸브소켓 나사산 손상 또는 파손에 따른 것과 신축배관에 설치되는 수밀용 고무패킹소재와 변형에 따른 것이었다(2). 이에 대한 대책으로 금속재와 결합하는 나사식 이음관의 경우 결합부분의 내측 또는 외측면을 보강하도록 관련 기술기준이 변경되었으며(3) 최근 일부 현장에서는 신축배관 무설치 공법도 적용하고 있는 실정이다.

참고문헌 (9)

Fire Prevention News, "Obligatory Reinforcement of Metallic Material to the CPVC Pipe Fitting for Fire Fighting Application" (2016).
C. K. Lim, Y. T. Lim and E. S. Baek "Leakage-reduction Measures at a Joint between CPVC Piping for a Sprinkler System and a Pipe Expansion", Fire Science and Engineering, Vol. 29, No. 3, pp. 21-30 (2015).
MPSS, "Performance Certification of Synthetic Resin Piping for Fire Fighting Application and Technical Standard of Product Inspection" (2016).
S. W. Yuh, "Plastic Processing", Wonchang Publishing Company, pp. 28-30 (1994).
SEKISUI, "SCH 80 PVC & CPVC Piping Systems Specifications & Engineering Manual" (2008).
J. S. Kim, "Machine Design", Boseong-Gak, p. 34 (2000).
J. S. Kim, "Machine Design", Boseong-Gak, p. 71 (2000).
J. S. Kim, "Machine Design", Boseong-Gak, p. 76 (2000).
UL 2443, Flexible Sprinkler Hose with Fittings for Fire Protection Service (2004).

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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