밸브재질 선정
밸브재질선정
1. BODY/고온용재질
열에 잘견디는 합금강을 크게 나누면, 크롬(Cr)을 주체로한 Ferrite계강(a-Fe), 다량 다른 원소가 함유한 Austenite강(g-Fe), Ni, Co 등이 함유한 초합금강 등이 있다.
보통강은 고열에서 하중을 가하면 시간이 경과함에 따라 변형율(Strain)이 증가하는데 이 현상을 Creep현상이라 하는데, 이를 개선하기 위하여 Cr, Mo, V, W 등을 합금하여 내열합금을 만든다.
이 원소들은 고용체를 강화하여 탄화물, 질화물 등을 형성하는 결정입자의 내외에 세밀하게 분산하여 고온이 될 때 큰 저항체를 형성하여 Creep 강도를 높여준다.
고온 고압용 재료는 온도에 따른 압력을 만족함은 물론이고 고온에서 발생하는 내식성 및 고온 가열중에 일어나는 조직변화가 없어야 한다.
밸브 재질중에 주로 사용하는 고온용 재질로는 ASTM, A127 WC6(SCPH21), A217WC9(SCPH32), A217 C5(SCPH61), A351 CF9(SCS13), A351 CF8M(SCS14) 등이 있다.
2. BODY/저온용재질
일반적으로 금속은 저온에서 기계적 성질이 금속구조의 변화로 인성이 급격히 저하되어 파괴될수 있다. 저온용 재질로는일반적으로 동합금과 18-8 스테인레스강(S. S304)을 사용하고 있는데 동합금강은 강도가 약하여 사용압력 20kg/cm2이하에, 18-8 스테인레스강은 가격이 비싸나 강도가 강하여 -100℃ 이하에서도 많이 사용한다. 보다 싼 재질로는 C-Mo강(SCA49, 저Carbon LCI등)과 3.5Ni강이 많이 쓰인다. 저온용 재질의 대표적인 것은 다음과 같다.
3. BODY/내식성재질
금속 재료는 건조상태일 때는 200℃ 이하에 에서는 대개 부식이 일어나지 않는다.그러나 200℃ 이하에서 부식이 일어나면 이때는 건조한 상태가 아닌 습한상태로 습식부식이라하며 이에 반하여 200℃ 이상에서 건조한 상태에서 일어나는 부식을 건식부식이라 한다.
부식이 일어나지 않는 밸브재료로 비금속 재료(Teflon, PE, PVC 등)가 좋으나 내연성과 기계적 성질이 나빠 150℃이상 고온이거나 고압에서 사용이 제한되고 있다.
부식현상에는 전면부식, 접촉부식, 임게부식, 응력 부식 등이 있으며 대개는 복합적으로 부식이 일어난다. 또 생산라인에서 유체는 반드시 순수한 하나의 유체가 흐르는 것은 아니고, 여러가지 부식성 유체가 혼합 복합적 화학반응을 일으키기 때문에 생산공정상 많이 사용한 경험에 의하는 것이 좋다. 전면부식일 때 부식의 단계를 A, B, C 3단계로 정하여 밸브에서 Trim 부분은 A급의 재료를 선택하고 많은 중량이 필요로 하는 Body, Bonnet, Bottom flange B급을 사용하고 있다.
부식의 정도는 같은 유체라도 조건, 즉 농도,온도,압력에 따라 적당한 재질이 다를 수가 있다. 예를들면 염소가스에서 Dry상태일 때는 주강이 적당(A), Titanium은 부적당(C)하나 Wet상태일 때는 정반대이다. 또 같은 황산이라도 표6과 같이 조건에 따라서 알맞은 재질이 다르다.
4. TRIM/Seat.Plug,guide재질
Trim(Seat ring, Guide, Bushing, Port, Stem) 재질은 유체와 직접적으로 접촉할 뿐 아니라 실제로 움직이는 부분이기 때문에 내마모성,내부식성 재질을 선택하여야 한다. 일반적으로 Trim 재질은 SUS27, SUS32, SUS304, SUS316 등을 사용하고 있으나 유체가 고형부유물이 함유되었거나 고온이면서 차압이 클때는 Trim을 경화하지 않으면 안된다. 또 Trim부는 움직이는 부분이기 때문에 움직이는 부분은 닿는 부분이같은 강도의 같은 재질이면 Calling 현상이 일어나기 때문에 서로 다른 재질로 채택하는 것이 좋고, 만일 같은 재질이라면 경도를 달리하여 사용하는 것이 좋다.
내마모성 순서
Bronze
Al · Bronze
Nickel
A1loy20
Monel
Hastelloy B &C
SUS316
C
SUS316
C
SUS316
SUS304
K Monel
Inconel
Chrome
Tungsten Carbide
Ceramic
(1)Trim경화방법
① 열처리
경도가 높아져 내마모성이 커진다 대체적으로 열처리하여 경화하는 것은 JIS규격의 SUS25가 있다.
② 표면경화
표면에 경질도금 등으로 표면을 경화한다. 304일때 HRC 3인데 반하여 크롬 도금을 하면 HRC가 68이나 된다.Crome 도금하는 경우가 많다.
③ Stellite
고온, 고차압일 때 Co∼Cr-W 합금인 Stellite를 용착하여 내마모성, 내식성을 획기적으로 증진시킨다. 자동밸브에서 가장많이 사용하는 Trim 경화방법으로 유체에 따라서 또 온도와 차압에 따라서 용착하는 정도가 다른데 Stellite seat, Stellite face, Stellite face & guide가 있다.
④ 초경합금
초경합금은 특별히 경도가 높고 고온에서도 경도 변화가 적다. 특별히 내마모성이 좋으나 충격에는 약하다. 일반적으로 초고압, 고온의 소구경 밸브의 Plug, Seat ring등에 사용하고 있다. 일반적으로Tungsten Carbide, Crome-carbide가 사용되고 있다.
석탄 액화 가스 제조용 밸브 및 고압 고슬러리 제조 공정에 사용한다. 일반 Plug보다 약 10배 정도 더 수명이 길다.
5. TRIM/탄성재질
Trim중 Ball valve, Diaphragm valve, Butterfly valve에서와 같이 밸브 개폐부분인 Ball, Diaphragm, Vane이 접촉되어 유체를 밀폐시켜 주는 seat부분의 재질선정은 밸브의 수명과 밀폐성에 직접적으로 영향을 미치기 때문에 대단히 중요하다.
이들 밸브의 seat는 보통 금속이 아닌 비금속계통의 탄성재질(Ela- stermer)로 되어있다. Elastomer선정에 가장 중요한 것은,유체에 대한 부식성이 낮고, 온도에 대한 저항성이 높고 내마모성이 좋아야 한다.특히 Ball valve seat로 많이 사용하는 Teflon seat는 순수 teflon과 teflon에 carbon을 섞어 강화시킨 Reinforced teflon이 있다.
6. PACKING 재질
유체가 valve stem을 타고 bonnet밖으로 새지 않도록 차단시켜주는 장치를 Packing box라 하며 이 Packing box중에 stem을 둘러 싸고 있는 것을 Packing이라 한다.
Packing은 stem이 계속 움직이고 유체가 압력이 걸려 있는 상태로 밀폐를 항시 유지하기 위하여는 Packing이 일정한 힘(force)을 가지고 있이야 하며 유체의 온도 및 기타 성질에 대하여 변형이 일어나지 않아야 한다. Packing 재질에는 크게 분류하여 teflon, asbestos,graphite, 기타 neoprene등이 있다.
(1) teflon
화학적으로 불활성인 까닭에 자체적인 윤활성이 있어 압력이 30kg/㎠까지, -lOO℃~ -2OO℃까지 거의 모든 유체에 사용한다.
teflon은 사용시에 용도에 따라 성형하거나 미리 V자형으로 금형을 만들어(V-packing)사용한다. 석면링의 윤활작용 역할을 하기 위하여 사용될때도 있다.
V형링은 Stem에 대한 균일한 힘과 항상 밀폐유지를 위해 스프링을 함께 넣고 사용하여야 한다. 순수teflon의 단점은 열에 대하여 약하고 stem 이 매끄럽게 가공(6RMS) 되어야 하고, stem부분이 닿는 teflon부분은 더욱 매끄럽게 (16RMS) 가공되어야 teflon packing의 마모를 방지하고 일정한 마찰력을 유지시켜 준다.
(2) Asbestos
짠석면(Braided Asbestos)으로 된 packing은 최대 540℃ 이하의 온도에서 사용된다. Asbestos의 단점은 Asbestos 하나의 재료만을 가지고는 윤활성이 없기 때문에 Lanten ring을 사용,급유를 계속해야 한다. 특히 고온용 일때는 윤활작용을 위하여형석(Mica)이나 graphic를 첨가하거나 석면을 teflon으로 둘러싼 링을 만들어 사용.유연성과 탄성을 유지한다.
(3) Grafoil
순수 graphite로 피어 있어 화학적으로 불활성이고 마찰계수가 낮으며 3,500℃의 고온까지 사용이 가능하다. 주의할 점은 밀도가 높아 너무 gland를 조이면 Stem의 저항이 너무 많이 걸린다.
(4) 기타 Neoprene. Buna - N
V형태의 링을 만들어 저온의 공기나 물등에 사용하는 valve packing에 사용한다.일반적으로 Packlng 사용할 때는 부록에 있는 Packing 종류표에 있는 온도 압력에 따라서 사용하면 별로 문제가없다. 특별한 Packing은 다음과 같다.
1) 저온-테프론 V Packing을 사용하나 V Teflon에 Asbestos(Teflon 포함)를 혼용하 는 경우가 많다.
2) 진공-Teflon V Packing을 반대방향으로 2중으로 조립한다( Preess Vaccum 참조19 )
3) H2-수소로 비중이 아주 작아 누출되기 쉽고 인화되기 쉬어 Packing을 주의하지 않으면 안된다.
Teflon V PackKg+Asbestos(Teflon 함유)를 사용한다.
4) Sluri-Packing 보호하기 위하여 V-Teflon Packing 밑에 석면사가 있는 Packing을 함께 쓴다.
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