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문제 정의
- 본 연구에 적용대상인 소형 LNG 펌핑 시스템에 설치되는 극저온용 수동 글로브 밸브를 개발하기 위해 우선 선진제품을 밴치마킹하여 기본설계를 수행하였다. 이미 선진제품이 선점한 분야이기 때문에 교체시 배관연결이 용이해야 된다.
- 본 연구의 목적은 LNG 펌핑 시스템의 유량제어 밸브 개발을 통해 선전제품에 의존하던 고기능 특수밸브 분야에 대한 국산화 기술개발을 목표로 하고 있다.
제안 방법
- (1) 설계를 통한 제품개발에 대한 조립공정을 개발하였고, 밸브 요소부품에 대한 3D모델링과 기계가공을 통한 부품을 개발하였다.
- (c)는 Body assembly 공정으로 Extension bonnet assembly, Bolted bonnet을 순차적으로 Body에 삽입 후 Bolt로 고정시킨다. 마지막으로 (d)와 같이 Stem 끝단에 Indicator 및 Hand-wheel를 적층 시키고 Nut로 고정 후 밸브를 조립 완료하는 공정을 개발하였다.
- 개발 시제품에 대한 상온 기밀시험 및 수압시험을 수행하기 위해 Fig. 7과 같이 시험대상 시료에 Double-valved quick coupling을 체결하여 상온 상태에서 기초성능 시험을 수행하였다. 상온 기밀시험 및 수압시험에 대한 규격은 ASME 16.
- 구속조건으로는 실제 밸브 입-출구에 배관이 연결되어 있기 때문에 밸브 입-출구를 고정시켜 온도영향에 따른 응력 및 변형량을 계산하였다. 해석결과를 살펴보면 (a)는 초저온 니들밸브에 대한 온도분포이며, 밸브 트림부에 –196℃가 등온조건으로 작용하기 때문에 트림부에서 가장 낮은 온도로 분포하고 있는 것을 확인할 수 있었다.
- 구조해석 결과를 참조하여 설계에 반영하여 Fig. 3과 같이 시제품에 대한 각 부품에 대한 설계를 수행하였다. 각 부품에 대한 재질은 Table 2와 같이 선정하였다.
- 극저온 밸브를 개발하기 위해 선진제품을 분석한 후 기초설계를 수행하였고, 3D 모델링을 수행한 후 설계 검토를 위해 Fig. 2와 같이 구조해석을 수행하였다. 구조해석에 사용된 S/W는 상용프로그램인 ANSYS W/B를 사용하여 온도분포, 응력분포, 변형량 분포에 대한 수치해석을 수행하였다.
- 상온 수압시험은 (c)와 같이 청수가 투입된 상온시험 챔버(W450×L1650×H300mm)에 시험대상 시료인 밸브를 투입하고 Valve-opened condition으로 유출구는 막은 상태로 실험을 수행하였다.
- 상온시험에서 충분히 검증한 후 최종적으로 극저온시험을 수행하였다. 시험에 대한 규격은 BS 6364 Standard(Low temperature test procedure)를 기준으로 시험을 수행하였고, Fig.
- 상온 수압시험은 (c)와 같이 청수가 투입된 상온시험 챔버(W450×L1650×H300mm)에 시험대상 시료인 밸브를 투입하고 Valve-opened condition으로 유출구는 막은 상태로 실험을 수행하였다. 수압시험에서 누설을 확인하기 위해 헬륨가스를 사용압력(52 bar)의 1.5배(78 bar)로 인가하여 1분간 밸브 외부로 나오는 버블의 수를 확인하였고, 실험결과 누설이 발생되지 않았다.
- 최종적으로 Fig. 5와 같이 LNG밸브에 대한 설계 검토를 마친 후 조립공정을 수립하였다. (a)는 밸브 Stem부를 조립하는 공정으로 Rotating Disc를 Extension Stem과 조립한다.
- 최종적으로 이러한 공정에 의해 Fig. 6과 같이 1인치 LNG 글로브 밸브 시제품을 개발하였다. 그림에서 보는 것과 같이 2D 도면과 3D 모델링을 거쳐 시제품을 개발할 수 있었다.
- 상온 기밀시험은 (d)와 같이 챔버에 시험 대상 시료를 넣고 밸브 입구는 헬륨 투입관과 연결하고 밸브를 완전히 잠근 다음 출구는 개방상태로 설치한다. 헬륨가스 압력은 수압시험과 동일하며 1분간 유출구로 나오는 버블의 수를 확인하였다. 기밀시험결과 버블은 발생되지 않았다.
대상 데이터
- 4와 같이 밸브 바디에 대한 금형을 제작하였다. 금형은 밸브 본체 부분인 트림부를 제작하였고 밸브바디 좌우 1세트와 밸브 인서트 좌우 1세트를 제작하였다. 이외 볼트와 너트를 포함한 모든 부품은 기계 가공하여 개발 시제품을 제작하였다.
데이터처리
- 2와 같이 구조해석을 수행하였다. 구조해석에 사용된 S/W는 상용프로그램인 ANSYS W/B를 사용하여 온도분포, 응력분포, 변형량 분포에 대한 수치해석을 수행하였다.[4-7] 경계조건은 밸브 내부 유체가 지나가는 트림부에 –196℃의 온도가 일정하게 유지되고, 밸브 외부에는 대기온도의 대류조건을 부여하였다.
이론/모형
- 7과 같이 시험대상 시료에 Double-valved quick coupling을 체결하여 상온 상태에서 기초성능 시험을 수행하였다. 상온 기밀시험 및 수압시험에 대한 규격은 ASME 16.34 Standard를 기준으로 시험을 수행하였다. 수압시험과 기밀시험 시 밸브에서 누출되는 버블을 카운트하게 된다.
- 상온시험에서 충분히 검증한 후 최종적으로 극저온시험을 수행하였다. 시험에 대한 규격은 BS 6364 Standard(Low temperature test procedure)를 기준으로 시험을 수행하였고, Fig. 8과 같은 방법으로 실험을 수행하였다.[8] 밸브의 온도측정과 헬륨가스 주입을 위한 전용지그를 제작하여 온도센서와 헬륨가스 주입관을 밸브에 연결하였다.
성능/효과
- (2) 상온시험에서 78bar의 내압과 52bar의 누설시험을 수행한 결과 내압조건을 만족하였고, 밸브의 기밀이 유지되었다.
- (3) 극저온 누설시험을 수행한 결과 -196℃ 52bar에서 밸브의 기밀이 유지되었다.
- (b)은 온도계산 결과를 통해 응력해석을 수행한 결과이며, 밸브 트림부에 –196℃로 유지됨에 따라 밸브 바디쪽에 응력이 발생함을 확인할 수 있었고, 상대적으로 두께가 얇은 밸브 입-출구 목 부위에서 응력이 가장 높게 나타났다.
- 기밀시험결과 버블은 발생되지 않았다. 따라서 개발된 밸브에 대해 1차적으로 상온실험을 수행한 결과 기본적인 밸브의 성능은 확보하였다.
- 구속조건인 밸브입-출구에서 고정시켜 놓고, 밸브 트립부에 저온이 발생함에 따라 밸브 바디 하부쪽에서 변형이 가장 크게 발생하였다. 또한 트립부 전반적으로 수축이 발생함에 따라 변형이 발생함을 확인할 수 있었다.
- 트림부에서 최 상부인 핸들 휠 까지 열전달이 이루어지고 있었고, 외부조건이 단열조건이 아니기 때문에 상부로 이동하면서 열전달이 촉진되어 핸들 휠에서는 약 –3℃의 온도분포가 발생하는 것을 확인할 수 있었다.
- 해석결과를 살펴보면 (a)는 초저온 니들밸브에 대한 온도분포이며, 밸브 트림부에 –196℃가 등온조건으로 작용하기 때문에 트림부에서 가장 낮은 온도로 분포하고 있는 것을 확인할 수 있었다.
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