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이축 볼밸브의 볼 경량화를 위한 응력해석
Stress Analysis of a Trunnion Ball Valve for Ball Weight Reduction 원문보기

한국산학기술학회논문지 = Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society, v.21 no.2, 2020년, pp.373 - 380  

김형우 (선박해양플랜트 연구소 해양플랜트 산업기술센터) ,  조수길 (선박해양플랜트 연구소 해양플랜트 산업기술센터) ,  박제인 ((주)알파이엔지) ,  이재환 (충남대학교 선박해양공학과)

초록
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고압을 받는 플랜트용 제품 설계 시에 대부분 강건 구조를 지양하다 보면 안전율이 높아지고 중량이 과다 해지는 문제가 있다. 본 논문은 플랜트용 이축 볼밸브 볼의 경량화를 위하여 밸브의 3차원 모델링과 ANSYS를 적용한 유한요소해석으로 응력해석을 수행한 후에, 허용 응력 범위와 설계 변경 제한 조건 내에서 최적화 과정으로 볼의 중량 감소를 달성하였다. 약 22%의 볼 중량이 감소되었고 응력은 증가하였으나 안전계수는 1.25가 되었다. 볼의 일부분에 과도한 응력이 있으나 대부분 재료의 항복응력 허용치 내에 있어 안전한 상태이다. 유동의 흐름을 제어하는 실링 (seal) 역할을 하는 시트 인서트와 시트 링 등 밸브의 3차원 모델에 대한 정적 구조해석으로 응력 값을 확인하여 안전함을 확인하였고, 또한 대칭 구조인 부분에 대해 2차원 단순 모델의 구조해석으로 같은 결과가 도출됨을 확인하였다. 본 연구의 범위는 볼의 중량 감소라 볼의 감소된 치수가 도출되었으며, 주변 부재의 재설계는 (신제품 개발에 해당되어) 본 연구에 고려되지 않는다.

Abstract ▼ AI-Helper 아이콘AI-Helper

A valve product can be over-designed or too heavy. Finite element analysis was performed using ANSYS for two and three-dimensional ball valve models, and the ball weight was reduced by optimization within the allowable design criteria. The ball is structurally safe according to the computed stress v...

주제어

#ASME   #Trunnion Ball Valve   #Finite Element Analysis   #Optimization   #Ball Weight Reduction  

표/그림 (18)

AI 본문요약
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제안 방법

  • 또한 볼과 나일론 (Nylon6) 시트의 마찰 계수를 측정하였다.
  • 본 논문은 밸브의 응력해석을 ANSYS[3]로 수행하며, 볼의 직경을 변수로 하여 중량감소 경량화 결과를 도출하였다.
  • 축대칭 구조인 부품에서 3차원 해석과 동일한 결과가 도출됨을 확인하기 위해 2차원 해석이 수행되었다.

대상 데이터

  • 구조해석에 필요한 밸브의 바디, 스템, 볼, 시트인서트, 시트링에서, 대칭조건을 적용하여 만든 ANSYS 유한요소 크기는 부재의 크기에 따라서 최소 1 mm에서 3, 8, 최대 요소는 20 mm이며, 대칭이라 1/2 모델의 Solid 요소수는 371,189개이다 (Fig. 2).
  • 설계와 제작은 ASME B16.34 코드에 의하고, 단조된 볼의 직경은 402 mm 이며 밸브의 연결부위와 관의 직경은 250 mm 이다.
  • 재료는 A182 F316 스테인리스강으로 (최대 응력을 포함하여도) 항복강도가 205 MPa이므로 안전하다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
여타 밸브와 같이 볼밸브도 연결 파이프나 연결부의 제원은 어떤 규격을 따르는가?  외국보다 경쟁력 있는 제품을 위해서는, 우수한 성능과 제품 경량화가 필요하다. 여타 밸브와 같이 볼밸브도 연결 파이프나 연결부의 제원은 ASME (American Society of Mechanical Engineer) B16.34[1] 규격에 따르므로 경량화가 가능한 곳은 밸브의 개폐를 담당하는 볼의 중량이 된다. 완벽한 기밀을 요하는 고성능 산업용 볼밸브의 경우 수입품에 대비하여 국산제품들은 품질 경쟁력을 갖추어야 하는 실정이다.
이축볼밸브의 설계 안정성 판단을 위한 구조해석과 최적화 설계 과정에 의한 결과는? 1. 가용 빈도는 낮으나 밸브가 닫혀 있는, 최대 수압 253 bar 에서 이축(trunnion) 밸브의 볼을 지지하 는 주변 부재의 최대 응력은 224.97 MPa이나 지지부 면적이 작고 날카로운 쳄퍼에 발생하는 값이며, 나머지 부분에서는 199 MPa 이하 수준이고, 볼의 최대응력은 국소 부분에 190 MPa 정도이고 대부분 128 MPa 이하로서, ASME BPVC SEC. VIII, Allowable Design Stress 기준의 허용응력 207 MPa 보다 작아 현재 설계는 안전한 것으로 판단되며 사용상 문제는 없다. 2. 밸브 주요 기능인 수밀과 관련 있고, 비금속이라 내구성이 중요한 부품인 시트 인서트의 응력은 19.93 MPa로 (재료 PTFE) 항복응력 23 MPa의 86.5 % 수준이다 (안전계수 1.2). 본 연구의 결과가 타 연구와 같은 경향이 도출되었다. 3. 해당 제품의 경량화가 필요하여 수행된 경량화 결과에 의해 볼의 초기 외경이 402 mm에서 376.5 mm이 되었고, 무게는 22.4 %가 감소하였다. 볼 외경의 감소에 따라 응력이 증가하여 응력은 162 MPa이 되었으나, 허용응력이 207 MPa라 안전하게 사용할 수 있는 설계변경이다. 최적화 후에 주위 부품들의 제원(사이즈)도 같이 변경해야 하나, 이는 신제품 설계가 되므로, 본 연구는 현재 볼의 중량감소를 도출하는 최적화로 귀결되었다.
고압을 받는 플랜트용 제품 설계 시 생기는 문제는? 고압을 받는 플랜트용 제품 설계 시에 대부분 강건 구조를 지양하다 보면 안전율이 높아지고 중량이 과다 해지는 문제가 있다. 본 논문은 플랜트용 이축 볼밸브 볼의 경량화를 위하여 밸브의 3차원 모델링과 ANSYS를 적용한 유한요소해석으로 응력해석을 수행한 후에, 허용 응력 범위와 설계 변경 제한 조건 내에서 최적화 과정으로 볼의 중량 감소를 달성하였다.
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참고문헌 (14)

  1. ASME B16.34, Valves-Flanged, Threaded, and Welding End, The American Society of Mechanical Engineers, New York, USA, 2004 

  2. I. Shin, J. Cha, D. Kim, S. Oh, "Study of Standard and Test Certification for Offshore Equipment.", Proceeding of the Korean Society of Mechanical Engineers, pp. 2374-2379, 2013. 

  3. ANSYS Release 16.0 Documentation, Theory Reference: ANSYS Inc. Canonsburg, PA, USA, 2015. 

  4. D. S. Kim, M. S. Kim, "Analysis of Cryogenic Ball Valve", Proceedings of the JFPS International Symposium on Fluid Power, 7(2), pp.397-402, 2008. 

  5. S. M. Lee, C. M. Jang, "Flow Analysis inside the Ball Valve using Numerical Analysis and Performance Test Device", The Society Of Air-Conditioning And Refrigerating Engineers Of Korea, pp.940-943, 2015. 

  6. J. U. Cho, M. S. Han, "A Study on Flow Analysis at Ball Valve according to Opening and Shutting Angle", Journal of The Korean Society of Manufacturing Process Engineers, 10(2), pp.46-51, 2011. DOI: https://doi.org/10.14775/ksmpe 

  7. X. G. Song, W. Lin, Y. C. Park, "Analysis and Optimization of Nitrile Butadiene Rubber Sealing Mechanism of Ball Valve", Trans. Nonferrous, Metals Society, China, 19, 220-224, 2009. 

    상세보기 crossref

  8. I. H. Han, J. S. Yu, S. M. Lee, U. J. Kim, H. P. Jeon, J. C. Lee, "Flow Visualization in a PFA Lined Ball Valve Using CFD Analysis", Proceeding of The Korean Society of Mechanical Engineers, pp.236-238, 2013. 

  9. H. P. Jeon, I. H. Han, J. C. Hwang, J. C. Lee, "Numerical Study on the Flow Characteristics according to the Opening Degree Control of a PFA Lined Ball Valve", Proceeding of the Korean Society of Mechanical Engineers, pp.4036-4039, 2013. 

  10. S. H. Ha, D. W. Lee, A. W. Zia, J. I. Song, "Evaluation of Structural Characteristic Analysis on Industrial Ball Valve", The Korean Society of Mechanical Engineers, 311-314, 2013. 

  11. S. H. Ha, S. J. Kim, J. I. Song, "Structure Analysis and Torque Reduction Design of Industrial Ball Valve", Journal of the Korean Society of Manufacturing Process Engineers, 13(6), 37-45, ISSN1598-6721, 2014. DOI: https://doi.org/10.14775/ksmpe 

    원문보기 상세보기 crossref

  12. M. Kamkar, S. R. Basavaraddi, "Conceptual Design and Analysis of High Pressure Ball Valve", International Research Journal of Engineering and Technology (IRJET), 2(3), pp.1185-1189, p-ISSN: 2395-0072, 2015. 

  13. J. H. Lee, Y. J. Kim, B. C. Min, "The earthquake safety assessment of 1000 kVA cast resin transformer by finite element analysis with mesh convergence and seismic test on the large shaking table under Korean and IEEE seismic standards", J. of Electrical Engineering & Technology, 14(3), 2019. DOI: https://doi.org/10.1007/s42835-019-00125-w 

  14. J. H. Lee, J, Kim, "Optimization of the passenger safety door (PSD) part using response surface method", J. of the Computational Structural Engineering Institute of Korea, 22(1), 73-79, 2009. DOI: https://doi.org/10.7734/COSEIK 

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