고압밸브 파단/파손 원인(응축수 잔류/디스크 홀/밸런스 홀/블리드 홀/Disc hole/Bleed hole/Balance hole/Drain/Equalizing valve)/고온고압밸브 파단해결
고압 밸브 중에서 운전 가동 정지(Shut Down) 이후 재 가동(Start-up)을 위해 설비 Test 중에 Valve Body부가
심하게 파단(Rupture)되는 경우가 많이 있습니다.
왜 이런 문제가 발생하는지 주요 원인에 대해서 알아보도록 하겠습니다.
일반적으로 아래와 같이 밸브 몸체쪽이 파단되는 문제들이 현장에서 종종 발생합니다.
위 사진 모두 밸브가 Close된 상태로 배관에 연결된 주요 Compressor, Pump 등을 Test 하다가 생긴 밸브의 파단입니다.
(배관 및 하부 Support는 모두 양호한 상태입니다)
밸브 스펙 :
18" 600LB Gate Valve
Shell Material : A216 Gr.WCB (pressure Seal Type)
Super Steam (약 156.5 kg/cm2) 사용
밸브 스펙에서 알 수 있듯이, 이런 파단의 경우 고압/고온의 밸브에서 주로 발생하는 것을 알 수 있습니다.
그럼 고압 밸브 파단 문제가 일어나는 이유는 무엇일까요?
주요 원인은, Valve 내부에 정체된 응축수가 배관 Warming-Up 동안에 재 증발되면서 내부 온도가 상승하여
압력이 급격히 상승하여 밸브 몸체에 충격을 가하기 때문입니다.
※ 여기서 부피는 고정되어
있기 때문에, 온도 상승이 직접적으로 압력 상승을 초래합니다.
핵심 원인
- 부피가 증가하지 않는다: 밀폐된 본넷 내부에서는 부피가 일정하기 때문에 응축수가 증기로 변하면서 압력이 급격히 상승합니다.
- 상변화: 물이 증기로 변할 때, 부피가 1,600배 이상 팽창하면서 압력 스파이크가 발생합니다.
- 보일의 법칙 적용 불가: 온도가 일정하지 않고, 상변화가 포함된 동적인 시스템이므로 보일의 법칙은 이 상황에 직접 적용되지 않습니다. (보일의 법칙 : PV = Constant)
중요하기에 재차 정리하자면,
Body부의 빈 공간에 잔류하는 응축수가 열원에 의해 가열, 재 증발 되면서 유발된 온도 변화로 인해 좌측과 같이
Bonnet 내부에서 내부압력이 과도하게 상승하는 현상으로,
☞ Valve가 Open 되지 않거나,
☞ Bonnet 상승,
☞ Packing 누설,
☞ Pressure Retaining Wall이 파열 될 수 있음
ΔP=K(Vf-Vi)/ Vi (K=유체의 최적 탄성계수, Vf=가열 시의가열시의 유체의 비 체적 Vi=냉각 또는 초기 시의 유체의 비 체적)
(계산실례)
☞ Valve Body의 공동 부에 물이 Full로 고여 있는 상태에서 200℉
(93.3’c)로 가열될 경우 내부 압력 상승치는 24,540 psi임.
K=300,000psi, Vi=0.01613 ft3/16at 100℉, Vf=0.01745ft3/16at
ΔP=300,000 x (0.01745-0.01613)/0.01613= 24,540(psi), (=1,669㎏/㎠)
만약, 물이 10~20% 잔류 시 상 기의 계산상 167~334㎏/㎠ 정도의 높은
내부압력이 유발됨(설계 “수압 Test 압력” 보다 높은 수치 임)
그렇다면, 이런 밸브의 파단 문제 해결 방안은 무엇일까요?
위 문제는 밸브의 몸체에서 응축수가 빠져나가지 못하기 때문에 일어나는 현상입니다. (근본 원인)
그러므로 응축수 배출(Condensate Drain)을 할 수 있게 hole, Drain Line을 가공하는 2차 작업이 필요합니다.
Disc Hole 가공 (Balance hole)
밸브 설계 시, 대형 고압 밸브 내부에 디스크 홀(Disc Hole)을 가공하여 제작해야 합니다.
Disc에 hole을 뚫어서 내부 압력을 외부로 배출하거나 균형을 맞출 수 있도록 설계해야 합니다.
다른 말로는 밸런스 홀(Balance hole), 블리드 홀(Bleed hole)이라고도 부릅니다.
Equalizing valve 부착
밸브의 Inlet 부위와 밸브 몸체에 압력을 Equalizing 하는 밸브를 부착하여 밸브를 해소할 수 있습니다.
이는, 압력의 균형을 맞추기 위한 작업으로 대형 고압 밸브들에 부착됩니다.
밸브 내 응축수 드레인
Valve Body의 하단부에 내부유체가 Liquid 상태로 남아 있지 않도록 Valve Open 직전 및 Close 이후에 충분한 Drain을 실시합니다. (사전 유의사항)
표준 및 규격 준수
- ASME B16.34: 고압 밸브 설계 기준.
- API 6D: 파이프라인 밸브의 설계 및 유지보수.
- API 600: 게이트 밸브의 설계 요구사항.
- ISO 5208: 밸브의 시험 및 성능 기준.
고압밸브 파단/파손 원인(응축수 잔류/디스크 홀/밸런스 홀/블리드 홀/Disc hole/Bleed hole/Balance hole/Drain Vent/Equalizing valve)
요약
Pressure Locking을 예방하려면 설계(밸런스 홀, 드레인 포트), 운영(드레인 작업, 온도 관리), 유지보수(정기 점검, PRV 설치)를 조합하여 체계적인 접근이 필요합니다. 특히, 고압 환경에서는 설계 단계부터 이러한 위험 요소를 고려하는 것이 필수적입니다.
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