S&T Triple-Offset Butterfly Valve How to achieve Leakage Class VI by Metal-to-Metal Seat? Triple Offset Butterfly Valve Triple Offset Geometry Leakage Class VI (TSO) 참고문헌 - Valve Handbook, Philip L. Skousen - ISA Handbook of Control Valve - Control Valve Handbook, Y. Kitamura 박시우대표 (Stanley Park) 기계기술사 Mobile : +82(0)10-3840-0721 Tel/ Fax : +82(0)2-400-8039 E-mail : stanley.park@daum.net
서언 필자의경험에의하면규정을엄격하게적용할경우, 유체가가스로상업운전시에 Metal-to-Metal Seat 이면서 Leakage Class VI를달성할수있는 Control Valve 제조업체는실질적으로존재하지않는것으로이해하고있습니다. 더욱이모든구매사양서의기본이되는국제표준 ANSI/FCI 70-2에서규정하기를 Class VI에는 Soft Seat로, Metal Seat일경우에는 Class V 이하에적용하는것으로명기되어있습니다. 이는제작공정에서누설시험을할때는밸브내유체를저압의공기나질소가스로불과 3차례실시하지만, 실제로상업운전에서는이와는다른유체가스로수시로열고닫는다면 Leakage Class VI를실현하지못하게될수도있습니다. 경도 (Hardness) 가높은재질을 Seat에적용했다고는하지만유체내에단단한이물질이포함되어있을경우, 그이물질이밸브가자주열리고닫힐때마다아주낮은밸브개도에서의높은유속으로 Seat 및 Seal Ring 표면을때리게되면치명적인손상을가할수있고어느순간 Class VI는불가능할수도있습니다. 그리고 Class VI를달성하기위해서는보다낮은 Leakage Class보다는강한토오크로디스크를닫아야합니다. 이때디스크의변형을없애면서 Seat 전체 360도에걸쳐균등하게토오크가전달되도록하려면정밀한 Triple Off-set의설계및제작이필수요건입니다. 그리고강력한토오크를구현하기위해서는통상초대형이나고압밸브의경우 Pneumatic 보다는 Hydraulic( 혹은 Electro-Hydraulic) Actuator를적용하는데, Pneumatic으로작동시킬경우운동에너지로전달하는매체가공기로유압식의오일과의밀도차이가약 850-890배로그사이즈가유압식에비해과도하게커지기때문에설치및유지보수에어려움이발생합니다. 또한가지설계담당자가고려해야할사항은이밸브가 Pump나 Compressor와연결된배관라인에설치되어있을경우, 그진동이전달되어밸브의구동부위에편심이발생할수있습니다. 일단편심이발생하면디스크를완전히닫아도 Seat 사이로 Leak가발생하기때문입니다. 만약 Leak가발생하면 Leak된유량이인명안전이나운전비용, 공장의생산매출에영향을어느정도미치는지등을검토해보고 Leakage Class를결정해야합니다. 필자는 Triple-offset 버터플라이밸브에대해서엔지니어들이각플랜트의공정및운전에따라적절하게적용할수있도록, 이 Article이도움이되길바랍니다. 그리고혹시의문사항이나지적사항이있으면함께토론해서본 Article을수정하길희망합니다. 2018년 8월
Triple-Offset 버터플라이밸브설계 편심 (Eccentric) 버터플라이밸브는몸체중앙에서편심되게설치된디스크를이용해서 High Performance Throttling Control이가능하도록설계된다. 버터플라이밸브는대구경에서도공간을적게차지하고유량을조절할수있으며가벼운등의이점이있으나, Sealing이잘되지않는단점이있다. Triple Offset 버터플라이밸브는이러한 Sealing 문제점을구조적으로개선한밸브이다. Swing Check Valve가이러한편심력을이용한대표적인밸브이다. Triple offset 은 3종류의 Offset ( 편심 : 중심으로부터벗어남 ) 을형성하여 Operability 와 Tightness를개선한것이다. 1st Offset (Single-offset) : 샤프트가시트축뒤쪽으로 offset되어전체시트주위에완벽한밀폐접촉이가능. 2nd Offset (Double-offset): 샤프트중심선이파이프및밸브로부터 offset 되어밸브개 / 폐에간섭발생이없음. 3rd Offset (Triple-offset) : 원뿔축이 Shaft로부터 offset 되어밸브개 / 폐시마찰을없애고전체시트주위에균일한압축밀봉을제공. 이러한구조를통해 Butterfly Valves는 TSO (Tight Shut-Off) 를구현할수있게된다. Triple-Offset은특히 Disc가 Seat을넘어서 Over Stroke을방지해주는 Mechanical Stopper 역할도해준다 Triple-Offset 기하학 Zero Offset Double Offset (1, 2) Triple Offset (3) Off-set 밸브의원리 골프채의무게중심을 Head 부분에치우치게함으로써, 가볍게골프채를휘둘러도골프공을치는힘이훨씬강해지는것과같은이치이다.
Control Valve로사용되는버터플라이밸브는거의다편심디스크로설계를한다. 편심버터플라이밸브는통상 Carbon Steel, Stainless Steel, Alloy Steel과같은일반재질로명시된다. Actuator 및 Position Indicator를장착하면동심 (Concentric) 버터플라이밸브보다훨씬정밀 Control이된다. Globe 밸브와비교해서버터플라이밸브의중량은 40% - 80% 이고크기는절반이하로훨씬작고가볍다. 더욱이 Actuator Force 계산시버터플라이밸브 Control 요소의중량은중요한요소가아니어서, 버터플라이밸브에는상대적으로작은 Actuator를적용할수있다. 따라서공간이중량의제약을받는곳에서는버터플라이밸브가선호된다. 버터플라이밸브는회전동작으로작동하기에마찰력은글로브밸브에훨씬작아, 보다작은 Actuator가사용된다. 단점은디스크를 Seat 근방에위치할경우에작동이불안정해 (Chattering 발생가능성 ) Rangeability가 20:1로좋지못하다. Chattering: 낮은개도 ( 開度 ) 에서밸브가열렸다닫혔다를반복하면서발생하는진동을의미한다. 버터플라이밸브에서개 / 폐가 5% 이내에서유속이빨라져압력차이가발생해디스크가 Seat 부위를두드리면서높은소음과진동이일어난다. 즉, 완전히닫혔을때밸브 Outlet은 0 bar.g가되기때문에, 닫히기바로직전의유체압력을디스크가받게되고입구압력이높을수록유속은그제곱승으로빨라진다. 대형으로갈수록그운동에너지값이커져발생할수있는여력이더욱커진다. 밸브가조금만열리면차압 (ΔP) 이급속히상승해서다시닫히는방향으로작동하게되는데, 이러한작동이계속될경우 Chattering이발생한다. Triple-offset은 Chattering 방지에효과적인밸브이다. 아래그림은감압밸브에서발생하는 Chattering 현상을묘사하고있다. 밸브의닫히는속도가느릴경우, Chattering현상이일어나기가쉽다. Chattering 현상 Cv Opening Valve Characteristic Curve
버터플라이디스크에작용하는유체압력은측면부하 (Side Load) 를상당히발생시켜이에대한해결책으로큰직경의 Shaft를사용한다. 또한, Actuator의 Linear 동작과 Control 요소에필요한회전동작의기계적변환때문에 Dead Band와 Hysteresis가증가되는단점이있다. 버터플라이밸브는회전설계의제한으로최소 2인치 (DN50) 이상으로사이징된다. 디스크가수직및수평으로약간의차이가발생되게, 고정시키면편심캠디스크 (Concentric Cam Disc) 라고부른다. Seat는 Soft Seat, Polymer Seat, Metal Seat가있다. Soft Seat(TFE 기본재질 ) 는 Class VI 혹은완전 Bubble Tight 가가능하나, 적용온도는최대 205 C로제한된다. 편심버터플라이제어밸브는다양한탄성 (Resilient) Metal Seat를사용할수있으며, 이물질이섞인유체, 점성이있는유체, 고온고압에적용가능하고압력에따라 Leakage Class V 혹은 VI로온도 750 까지사용가능하다 ( 제작업체별로다소차이가있음 ). Outer Sleeve Inner Spring Coil Spring [ 그림 1] Process 압력에의해가압되는버터플라이밸브 metal seat( 포아송효과 ) [ 그림 2] 화재우려가있는곳에사용되는 metal 및 soft seat 조합가장많이사용되는 Soft Seat 설계중하나는푸아송효과 (Poisson Effect) 를적용하는 Seat이다. 푸아송효과 ( 압축하중이물체에미치는이중효과 ) : 압축을하면물체가압축하중방향으로짧아지고옆으로넓어진다. 따라서, 압축된추간 ( 척추사이 : intervertebral) 디스크는수직치수가짧아질것이지만측면방향으로팽창할것이다. 각기다른유형의재질마다가로방향변형에대한축방향변형의특정비율이있다. 이것을푸아송비 (Poisson ratio) 라고한다. 물체마다다르며대표적으로 Steel은 0.3이고알루미늄합금은 0.33이다
푸아송효과는디스크가 Seat에 Seating하면 O-Ring 또는 Elastomer에상당한압력이작용하여 Soft Seat는이압력에의해변형이된다. 아래그림과디스크가 Seat에 Seating하면서 Soft 재질의표면을밀면변형이발생하고하류측압력에비해상류측압력이크게되면푸아송효과로밀봉력은더욱커지게된다. Polymer로둘러싸인 O-Ring은매우유연해서푸아송효과를발휘한다 [ 그림 1 및그림 3]. 화재우려가있는곳에버터플라이밸브를사용해야할경우, 탠덤 (Tandem) Seat가선호된다 [ 그림 2]. 상류측압력작용시푸아송효과 하류측압력작용시푸아송효과 [ 그림 3] 상류및하류측압력에의한버터플라이밸브밀봉에작용하는푸아송효과 푸아송효과와관련된것으로 Jam-Lever 또는 Toggle 효과가있다. 이는외경또는내경에서보다는중간위치에서얇게설계된 Hinged Elastomer를사용한다. Toggle 효과 : 회전하면서압력을옆으로전달하는효과. 하나의설정값으로부터다른값으로전환하는것이다. 오직두가지상태밖에는없는상황에서, 스위치를한번누르면한값이되고, 다시한번누르면다른값으로변하는것을의미한다. Jam-Lever 효과 : 벨트버클과같이 Lever를힘으로눌러서밀려잠기는효과
압력은 Seat의 Lever Edge를디스크내부로 Jam한다 [ 그림 4] 버터플라이밸브밀봉에작용하는 Jam Lever 또는 Toggle 효과 압력은 Seat를평평하게하여디스크내부로 Toggle시킨다이설계는그림과같이유체압력이가해지면 Seat의외경이휘어지도록허용해서금속표면에밀봉이된다 [ 그림 4]. Resilient Seat 설계는 Mechanical Pre-Load 효과를적용한다. Seat 내경이디스크외경과약간간섭되도록한다. 밸브가닫힐때디스크가 Seat로접근하면서 Seat와접촉한다. 디스크가다시 Seat 내부로가까이이동하면서, 디스크로인해서작용하는압력때문에 Seat는물리적으로변형되어 Polymer가금속표면에안착되도록한다. 특수한경우밸브제조업체는 Mechanical Pre-Load 및푸아송효과를동시에적용해서완벽한차단을얻는다 [ 그림 5 및그림 6]. [ 그림 5] 디스크 Seating 에의해 Seat 에작용하는 Pre-Loading 효과 [ 그림 6] 증가된상류또는하류측압력에의한 Seat 에작용하는푸아송효과
통상적으로금속 Seat 는고온 (205 C 이상 ) 에적용하며, Seat Retainer 와일체형으로제작되고 Soft Seat 가삽입되는곳에 Gasket 이위치한다 [ 그림 7]. 특정설계에서는 Soft Seat 에문제가발생시금속 Seat 가보강하도록한다 [ 그림 8]. 화재우려가있는곳에버터플라이밸브를사용할경우, 이같은이중 Seat 를적용한다. [ 그림 7] 버터플라이밸브 Metal Seat [ 그림 8] 버터플라이밸브 Soft 및 Metal Seat [ 그림 9] 대표적인 Metal-to-Metal Seat Seat Seal 디스크의통상적인라미네이트구조는 Flexible Graphite 또는다른 Gasket Seat와같은압축성및탄성재료와단단한 Metal의이중의교번 ( 번갈아배치 ) 층을사용한다. 이것은 Offset Stem으로밸브가닫힐때단단한밸브시트를밀봉하기위해필요한굴곡및탄성을제공한다. 이러한복합구조는아주좋은장점이지만, Hard 및 Soft 재료의교번층은누설방지 Sealing을달성할수있는완전가공된 Seat Sealing 디스크표면에요구되는복잡한기하구조를만들기는결코쉽지가않다. 밸브의 Offset Shaft에가해지는 Torque에의해밸브 Seat 반경방향으로압축되는데, 굴곡및탄성, 표면처리는밸브누설방지에매우중요하다. Seal 표면에금속층의돌기가없는표면을유지하고균일한탄성을보장함으로써 Seat Seal 원주에균등하게 Load가걸려샤프트의최소토크와보다적은 Actuation으로 Tight Shut-off를달성한다. Stainless Steel, Duplex, Super-Duplex Alloy, Inconel, Monel, Hastelloy 와같은광범위한금속이단단한층에사용된다. 각각의층은독립적인 Sealing 기능을수행하기때문에다른층이손상되더라도영향을받지않는다 [ 그림 9].
Triple-Offset 버터플라이밸브작동 디스크가 Seat에접근하면서전체압력과유체속도는유동방향에따라디스크가정면또는후면에작용해서안정성이나쁘게된다. 밸브가닫힐때최종 Stroke의 5% 까지는사용할수가없다. 디스크가 Seat와접촉하면서약간의변형이발생하여 Resilient Elastomer 또는 Soft 재질의 Strip은디스크 Seating 표면에 Mold된다. 개방된디스크는한쪽면은유체힘에밀리게되고, 다른한쪽면은당기게되어거의평형상태가된다. 그러나디스크양쪽면은 ( 한쪽면은축에연결되고반대쪽은더욱편평하다 ) 동일하지않으므로유동방향은디스크를밀어열리게하거나또는잡아당겨닫히게하려는경향이있다. 동심디스크-Seat에서디스크의한부분은항상 Seat와접촉하는상태를유지한다. 완전히열리고닫힐때전체 Seating 표면은완전히접촉한다. 동심디스크 Seat는항상접촉하므로자동제어용도에서는쉽게마모되는경향이크기때문에마모가발생한다. 결국폐쇄시두점에서 Leak가발생한다. Seating 표면사이에항상접촉되어 Leak 문제가없는편심캠디스크-Seat(Eccentric Cam Disc Seat) 를사용자는선호한다. 이밸브는디스크와 Seat가닫힐때는완전하게접촉하지만개방시에는디스크와 Seat는접촉하지않는다. 밸브개방시에는 Seat로부터인양되어접촉을피할만큼충분히 Seating 표면으로부터떨어진다. 버터플라이밸브는폐쇄部材와 Seat사이에서약간의미끄럼 Motion으로다른 Seating 메커니즘이있다. 이러한반복된 Wiping은장시간사용후에는 Seat의견고함이없어질수있다. Disc를 Seat에서떨어져나오는데필요한토크는 PTFE Seat의 2배가될수있으며, 결과적으로 Throttling 성능은일반적으로 15 이상의각도에서만가능하다. 첨부 : 대표적인제작업체 Triple Offset 밸브소개 VELAN Torqseal ORTON-IMI MV Series VANESSA-EMERSON TM 30,000 series CURTISS-WRIGHT PermaSeat SP
주요사양 Torqseal Material: WCB(427 C), Stainless Steel(427 C) and more Bi-Directional, Bubble-tight Shut-off Size: 3 to 80 and larger Connection: Double Flanged, Lug, Wafer, Buttweld ASME Class:150# - 900# Temperature Range: -196 C to 600 C The Laminated Disc Seal 밸브를닫는동안의토크 Seating은밸브시트의전체원주둘레에균일한힘을제공한다. 시트의형상을가정해서자체조절식으로탄성 Seal이구부러지고작동된다. 원주둘레에균등하게분포된압축력은빈틈없는양방향차단을제공합니다. Seal의탄력성은온도변동으로인한막힘의위험없이밸브 Body와디스크가수축되도록한다. CoCr Alloy(Cobalt-Chrome Alloy) Deposit System (1) Seat 는표준사양으로 CoCr Alloy 로 Hardface 된다 (2) Gasket 은 Zero Leakage 로 Spiral Wound SS/Graphite
TM Vanessa의 Cone-to-Cone 개념은더혹독한애플리케이션을다루기위해 Metalto-Metal 시트를요구합니다. 높은기계적저항력을지닌 Stellite @ grade 21 시트와 Duplex의탄력있는 Seal Ring을최소한의사양으로사용합니다. Stellite @ 21 은높은내부식성을보장하는동시에경도, 내마모및닳음에대한내구성을제공하기위해몸체시트를코팅하는코발트합금입니다. 독특한디자인으로인해금속시트 Ring은반경방향압축이시트주위에균일하게분포되도록하는탄성특성이있습니다. 주요사양 30,000 series Material: Carbon Steel, High Temperature Alloy Steel, Austenitic Stainless Steel, Duplex and Super-duplex Stainless Steel, and more *Zero Leakage, Bi-Directional Size: 3 to 112 and larger Connection: Double Flanged, Lug, Wafer, Butweld Pressure Class: ASME150# - 1500#(Full Vacuum to 250 bars) Stellite Grade 21 Overlay Temperature Range: -254 C to 815 C * Zero Leakage: 기존의국제표준에따라고압의 물과저압의공기로테스트한경우, 눈에보이는 누출이없다는것을의미합니다. KEY 1 Bolt 2 Washer 3 Disc Retainer 4 Seal Ring 5 Spiral Wound Gasket 6 Disc and Reference Pin
밸브디스크는 Corrosion-resistant Metal과 Composite Graphite의교번층 (alternating Layers) 으로구성되어있으며탄력있는 (Resilient) Laminate된금속 Seal 링을포함합니다. 각각의 Lamination은독립적인 Seal 링을제공하며다른 Seal의손상에영향을받지않습니다. 장기적인밀봉특성을향상시키면서또한 Laminated 디자인의탄력성은낮은작동토크를허용합니다 ( 고온및더혹독한 Application의경우경화되고 Laminate가되지않은 Seal 링이가능합니다 ). 디스크에조립된밀봉링은밸브를닫기위해토크가가해질때반경방향압축과구부림이가능한허용오차로설계되어있습니다. 결과적으로, 밸브는역방향에서압력이가해질때에도단단히밀폐됩니다. 또한 Seal 링의탄력성은 Body와 trim 간의다른팽창률을보완합니다. 주요사양 MV Series Resilient metal-to-metal seal. Zero leakage, Tight shut-off and Bi-directional Pressure Range: ANSI Class 150 to Class 2500 Temperature Range: -196ºC to 815ºC Size: 2-160 Class 150 2-80 Class 300 3-60 Class 600 6-48 Class 900 Class 1500 and 2500 on special request Material: WCB, Stainless Steel, Bz-Al, Duplex, Titanium, Alloy 20, Inconel, Incoloy, Hastelloy Seal ring seated Seal ring prior to seating
Triple Offset 기하학은기울어진원뿔타원 Segment와조합하고, 샤프트를 2축으로 Off-setting해서만들어지는것입니다. 이것은완전히 90도회전하는동안시트및실과의접촉을완전하게없애줍니다. Laminate된씰은시트링을정지지점으로사용하여별도의기계적인정지를없애줍니다. 요구되는 Shut-off를달성하기위해 disc-to-seat 접촉에대한중요한설정이필요하지않습니다. 이는액츄에이터가제어구조에서여러액세서리를필요로하는상황에서특히유용합니다. 닫히면 Seat는양방향으로단단히고정되어양방향에서 Zero Leakage를실현합니다. 시트 Sealing Load는토크에의해유발되므로디스크가반대로열리면작동토크가빠르게감소합니다. Galling이발생시키는시트링과 Seal 사이에마찰이없으므로 Seal과시트링모두에동일한재료를사용할수있습니다. 통상적으로현장에서교체가능한 Seal과시트링을적용합니다. 주요사양 PermaSeat SP Actuator : Pneumatic, Electric, Electro-Hydraulic ANSI Rating : 150# - 2500# Size : 3 84 Service : Leakage Class VI Shut-off and Bi-directional Temperature: -196 C to 699 C Resilient Metal Seat Available Material: 300 Series Stainless, Duplex, Carbon Steel, 6% Moly Bronze, Monel, Incoloy, Hastelloy B and C, Titanium, Zirconium