30일차. Graphite Vol. 1 (feat. 밸브 공학)

(7) 밸브 스템의 패킹(Valve Stem Packing)

밸브에서 가장 큰 문제는 밸브 스템 패킹에서의 누설문제임은 두말할 나위가 없다. 스템 패킹에서의 누설문제는 실제로 밸브의 보수비용을 증대시키고, 밸브의 운전 신뢰성을 저하시키는 직접적인 요인이다. 따라서 근래의 밸브 기술은 밸브의 유량 특성의 연구보다는 밸브 스템 패킹의 성능향상 또는 개선에 대한 연구가 주된 포인트가 되어왔다.

1980년대 초반, 밸브 패킹의 주요 재료로 사용되어 왔던 석면(Asbestos)이 인체에 치명적인 폐종양 암을 일으키는 발암물질로 밝혀진 이후 석면보다 탄력성(Resilient)이 양호하고 성형성이 좋은 흑연(Graphite)을 사용해 오고 있다.

 

 

 

35회(97.8월호)

(7) 밸브 스템의 패킹 (Valve Stem Packing)

• 패킹의 밀봉 특성 형식(Sealing Action Charcteristics)에 따른 구분

-압박력에 의한 밀봉 패킹(Lip Type Pressure Energized Packing)

-상호 간섭효과에 의한 밀봉 패킹(Interference Type Seal, O-Ring)

이들 패킹의 밀봉특성은 패킹 제작사의 끊임없는 기술경쟁의 결과로 패킹 재질은 물론, 패킹의 성형구조를 개선하여 슈트블로워(Sootblower)형, 쐐기(Wedge)형, 체브론(Chevron)형 등 기본적으로 고순도의 흑연을 매우 높은 압력으로 성형한 압박력에 의한 밀봉 패킹이 계속 상품화되고 있다.

현재 밸브 스템의 밀봉에 가장 널리 적용되는 패킹의 밀봉 특성형식은 압축형 패킹으로서, 편조(編組, Braided)된 또는 미리 압축시킨 유연성과 탄성복원력(Resilient)이 뛰어난 밀봉재로 밸브의 스터핑 박스내에 미리 사각 단면으로 성형된 밀봉재를 넣고, 패킹 글랜드(Packing Gland)로 가압하여 밀봉이 되는 것이다.

이 패킹의 특징은 밀봉 특성의 지속적인 유지를 위해서는 외부의 가압력이 계속 유지되어야 한다는 것이다. 따라서 주기적인 패킹 글랜드의 조임 상태를 점검해 주어야 하는 단점이 있다.

이에 반해 립타입 브이 패킹(Lip Type V-Packing)은 밀봉구조 자체내에 압박력의 생성이 가능하도록 하여 비교적 적은 외부 힘으로도 밀봉에 필요한 가압력을 얻을 수 있도록 한 것이다. 또한 이 구조는 밸브의 계통압력이 상승하면 V형상의 구조에 따라 밀봉력이 증가되는 구조이기 때문에 고압 유체의 밀봉에 좋은 영향을 미친다. 따라서 압축 밀봉 패킹에 비하여 유지보수 노력이 절감될 수 있다.

 

• 패킹 밀봉 이론

패킹의 밀봉 이론에 대한 체계적인 연구는 1947년 영국 조달청의 의뢰에 의한 White와 Denny에 의한 연구이다. 이 연구는 패킹구조의 밀봉력을 체계화하기 위한 실험으로써, 밸브의 사용압력과 패킹 글랜드의 가압력 관계를 규명하고자 했던 연구이다. 다음의 [그림108]은 이 실험에 사용된 장치의 개략도이다.

이 실험결과 패킹 글랜드의 가압력은 패킹 누르개(Gland Follower)에 가까울수록 지수적으로 큰 가압력을 가지고 있으며, 이 가압력의 힘의 성분은 대부분 레디얼방향의 레디얼압력(Radial Pressure)으로 분포된다. 이 레디알 압력은 밸브의 운전압력(System Pressure)보다 큰 경우에 한하여 밀봉 역할을 할 수 있다.

[그림110]은 연구결과 요약된 이들 밀봉력의 힘 분포를 보여주고, [그림111]은 가압력 Po와 유체 계통압력 Ps와의 관계에서 씰링점(Sealing Point)을 보여주고 있다.

그간 밸브 패킹의 다양한 연구에서 언급되어 왔듯이 패킹 깊이가 깊다고 씰링이 잘 된다는 것은 잘못된 생각이다. [그림111]에서 보는 바와 같이 흑연패킹의 경우에는 탄력성 및 복원력 특성이 매우 좋기 때문에 패킹 깊이가 짧은 것이 깊은 것에 비하여 씰링특성이 오히려 좋다.

패킹 깊이가 깊을수록 스템에서의 운전 토오크 및 트러스트가 커지게 되어 오히려 밸브의 스터핑 박스 구조가 커져야 하며, 차후 패킹교체(Repacking)의 경우에도 여러 가지 문제점이 돌출된다. 예로서 미국의 콘발(Conval Inc.)과 같은 고압밸브 제작사는 패킹 재료는 점차 고순도의 흑연패킹으로 하고, 패킹 길이는 오히려 줄이는 경향의 패킹설계를 하고 있다. 따라서 패킹 깊이가 길게되면 랜턴링(Latern Ring)을 사용해야 한다.

 

최근 미국을 중심으로 한 전세계적인 대기환경 보호 운동과 이에 따라서 IOS 14000과 같은 환경보존에 대한 국제적인 규정이 제정되었다. 미국의 경우 연방대기정화법(Clean Air Act)이 강력하게 시행되고 있고, 각 국가별로도 대기환경을 오염시키거나 화재 등 위험성이 매우 많은 휘발성 유기화합물(Volatile Organic Compound, VOC)의 외부 누설은 엄격하게 제한하고 있다. 미국의 환경보호청(Environmental Protection Agency, EPA)에서 규정한 내용을 보면, 배관계통의 밸브나 프랜지에서의 외부 누설량은 500ppm으로 규정하고 있다.

특히 캘리포니아주와 같은 경우는 올해부터 신규로 건설되는 189종류의 유해 VOC관련 플랜트의 밸브는 거의 누설을 허용하지 않는(Phase Ⅲ로써 100ppm이내) 구조의 밸브이어야 한다고 되어 있다. 따라서 미국에 밸브를 수출하려면 우선적으로 EPA에서 규정한 휴지티브 에미션(Fugitive Emission) 500ppm의  조건을 만족하는 밸브이어야 한다. 우리나라 밸브업계에서도 이에 대한 관심이 점차 높아지고 있으나 현재의 밸브설계수준 및 제작자의 안이한 상황

대처와 전문 기술인력의 부족등을 고려할 때 매우 심각한 밸브기술의 문제점을 갖고 있는 분야이다. 휴지티브 에미션과 VOC의 누설량 시험 및 이에 따르는 무누설을 전제로 하는 패킹에 대한 이론적인 자세한 배경은 별도로 기고할 예정이다.

 

 

• 흑연 패킹

1980년대 중반이후 석면이 인간에게 치명적인 폐종양을 일으키는 중대 공해물질로 발표된 이후 밸브의 석면 패킹을 대체하는 패킹 재료로 흑연이 수많은 연구결과 가장 우수한 패킹재료로 밝혀져 사용되기 시작하였다. 특히 고온하에서의 석면 패킹을 대체할 수 있는 유일한 패킹재료로 판정된 이후 흑연제 패킹은 밸브의 표준 패킹재료로 자리잡았다.

흑연 패킹은 패킹재로써 다음과 같은 장단점을 갖고 있다.

-낮은 마찰(摩擦)계수 (0.9이하)

-자체 윤활제 역할 수행가능

-레진, 충진재 또는 결속재 (Resins, Fillers, or Binders)가 필요 없이 성형 가능

-액체 및 가스가 흑연재에 침투할 수 없는 안정화된 재료

-고온 및 저온의 유체하에서 유연성 유지 가능 (낮은 크리이프 이완율, Low Creep Relaxation)

-내부식성

-온도 천이(=천이 온도)와 같은 온도변화에 거의 영향을 받지 않는 물성치

-양호한 온도전달 특성

-산화조건하에서 -200℃~500℃까지, 불활성 가스 조건하에서 3000℃까지 사용가능

-강력한 내산성 및 내알카리성(사용Ph범위:1~14)

-높은 압력에 의한 고밀도 성형(70~110lbf/ft3)이 가능하고 아울러 유연한 리본상태의 성형도 가능

-내방사성 특성(패킹재료 중 가장 안전한 내방사선 물질임)

 

Ref)

• 천이 온도 (Transition Temperature)
: 콘크리트나 강재 따위의 재료에서 파괴 형식이 급격하게 변하는 경계상의 온도 범위. 일반적으로 연성 파괴에서 취성 파괴로 변화하는 온도 범위를 의미한다.

 

*출처: 밸브 공학

4. 밸브공학_R1.docx

0.33MB