밸브 밀봉 원리

밸브에는 여러 종류가 있지만, 기본적인 기능은 유체의 흐름을 연결하거나 차단하는 것으로 동일합니다. 따라서 밸브의 밀봉 문제는 매우 중요한 과제가 됩니다.

밸브가 유체의 흐름을 제대로 차단하고 누출을 방지하려면 밸브의 밀봉이 완벽한지 확인해야 합니다. 밸브 누출의 원인은 다양하며, 부적절한 구조 설계, 불량한 밀봉 접촉면, 느슨한 고정 부품, 밸브 본체와 밸브 커버 사이의 헐거운 결합 등이 있습니다. 이러한 문제들은 모두 밸브의 밀봉 불량을 초래하여 누출 문제를 일으킬 수 있습니다. 따라서,밸브 밀봉 기술밸브 성능 및 품질과 관련된 중요한 기술이며, 체계적이고 심층적인 연구가 필요합니다.

밸브가 발명된 이후로 밸브 밀봉 기술 또한 크게 발전해 왔습니다. 현재 밸브 밀봉 기술은 크게 정적 밀봉과 동적 밀봉의 두 가지 주요 측면으로 나눌 수 있습니다.

소위 정적 밀봉이란 일반적으로 두 개의 고정된 표면 사이의 밀봉을 의미합니다. 정적 밀봉의 밀봉 방법은 주로 개스킷을 사용합니다.

소위 동적 밀봉이란 주로 다음을 의미합니다.밸브 스템의 밀봉이는 밸브 스템의 움직임에 따라 밸브 내부의 유체가 누출되는 것을 방지합니다. 동적 밀봉의 주요 밀봉 방법은 스터핑 박스를 사용하는 것입니다.

1. 정적 밀봉

정적 밀봉은 두 개의 고정된 부분 사이에 밀봉을 형성하는 것을 말하며, 주로 가스켓을 사용하여 밀봉합니다. 와셔에는 여러 종류가 있는데, 일반적으로 사용되는 와셔로는 평와셔, O형 와셔, 랩 와셔, 특수 형상 와셔, 웨이브 와셔, 권선 와셔 등이 있습니다. 각 유형은 사용되는 재질에 따라 세분화될 수 있습니다.
①평와셔평와셔는 두 개의 고정된 부분 사이에 평평하게 놓이는 와셔입니다. 일반적으로 사용되는 재질에 따라 플라스틱 평와셔, 고무 평와셔, 금속 평와셔 및 복합재 평와셔로 나눌 수 있습니다. 각 재질은 고유한 적용 범위를 가지고 있습니다.
②O링. O링은 단면이 O자형인 개스킷을 말합니다. 단면이 O자형이기 때문에 자체적으로 조이는 효과가 있어 평면 개스킷보다 밀봉 효과가 뛰어납니다.
③와셔를 포함합니다. 랩핑 가스켓은 특정 재질이 다른 재질을 감싸는 형태의 가스켓입니다. 이러한 가스켓은 일반적으로 탄성이 우수하여 밀봉 효과를 향상시킬 수 있습니다. ④특수 형상 와셔. 특수 형상 와셔는 타원형 와셔, 마름모꼴 와셔, 기어형 와셔, 도브테일형 와셔 등 불규칙한 모양의 가스켓을 말합니다. 이러한 와셔는 일반적으로 자체 조임 효과가 있으며 주로 고압 및 중압 밸브에 사용됩니다.
⑤웨이브 와셔. 웨이브 가스켓은 물결 모양만을 가진 가스켓입니다. 이러한 가스켓은 일반적으로 금속 재료와 비금속 재료의 조합으로 구성됩니다. 일반적으로 압착력이 작고 밀봉 효과가 우수한 특징을 가지고 있습니다.
⑥ 와셔를 감습니다. 와인딩 가스켓은 얇은 금속 스트립과 비금속 스트립을 단단히 감아 만든 가스켓을 말합니다. 이러한 유형의 가스켓은 탄성과 밀봉성이 우수합니다. 가스켓 제작에 사용되는 재료는 크게 금속 재료, 비금속 재료, 복합 재료의 세 가지 범주로 나뉩니다. 일반적으로 금속 재료는 강도가 높고 내열성이 뛰어납니다. 흔히 사용되는 금속 재료로는 구리, 알루미늄, 강철 등이 있습니다. 비금속 재료는 플라스틱, 고무, 석면, 삼 등 종류가 다양하며, 용도에 따라 선택할 수 있습니다. 복합 재료 또한 적층재, 복합 패널 등 종류가 다양하며, 이 또한 용도에 따라 선택할 수 있습니다. 일반적으로 주름 와셔와 나선형 와인딩 와셔가 주로 사용됩니다.

2. 동적 밀봉

동적 밀봉이란 밸브 스템의 움직임에 따라 밸브 내부의 유체가 누출되는 것을 방지하는 밀봉 방식을 말합니다. 이는 상대적인 움직임 중에 발생하는 밀봉 문제입니다. 주요 밀봉 방법으로는 스터핑 박스가 있습니다. 스터핑 박스에는 크게 글랜드형과 압축 너트형 두 가지 유형이 있으며, 현재는 글랜드형이 가장 널리 사용됩니다. 글랜드의 형태는 크게 결합형과 일체형으로 나눌 수 있습니다. 두 유형 모두 형태는 다소 차이가 있지만, 기본적으로 압축 볼트를 포함하고 있습니다. 압축 너트형은 주로 소형 밸브에 사용되지만, 크기가 작기 때문에 압축력이 제한적입니다.
스터핑 박스에서 패킹은 밸브 스템과 직접 접촉하기 때문에 우수한 밀봉성, 낮은 마찰 계수, 매체의 압력 및 온도 적응성, 그리고 내식성이 요구됩니다. 현재 일반적으로 사용되는 충진재로는 고무 O링, 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE) 편조 패킹, 석면 패킹, 플라스틱 성형 충진재 등이 있습니다. 각 충진재는 고유의 적용 조건과 범위를 가지고 있으므로 특정 요구 사항에 따라 선택해야 합니다. 밀봉은 누출 방지를 위한 것이므로 밸브 밀봉 원리 또한 누출 방지 관점에서 연구됩니다. 누출을 유발하는 주요 요인은 두 가지입니다. 하나는 밀봉 성능에 가장 큰 영향을 미치는 요인인 밀봉 쌍 사이의 간극이고, 다른 하나는 밀봉 쌍 양쪽의 압력 차이입니다. 밸브 밀봉 원리는 액체 밀봉, 기체 밀봉, 누출 채널 밀봉 원리, 밸브 밀봉 쌍의 네 가지 측면에서 분석됩니다.

액체 밀폐성

액체의 밀봉 특성은 액체의 점도와 표면 장력에 의해 결정됩니다. 누출되는 밸브의 모세관에 기체가 채워지면 표면 장력으로 인해 액체가 밀려나거나 모세관 내부로 유입될 수 있습니다. 이로 인해 접선각이 발생합니다. 접선각이 90°보다 작으면 액체가 모세관 내부로 유입되어 누출이 발생합니다. 누출은 매질의 특성 차이로 인해 발생합니다. 동일한 조건에서도 서로 다른 매질을 사용하면 다른 결과가 나타납니다. 물, 공기, 등유 등을 사용할 수 있습니다. 접선각이 90°보다 큰 경우에도 누출이 발생합니다. 이는 금속 표면에 형성된 그리스 또는 왁스 막과 관련이 있습니다. 이러한 표면 막이 용해되면 금속 표면의 특성이 변하여 원래 밀어내던 액체가 표면을 적시고 누출됩니다. 위와 같은 상황을 고려할 때, 포아송의 공식에 따르면 모세관 직경을 줄이고 매질의 점도를 높이면 누출을 방지하거나 누출량을 줄일 수 있습니다.

가스 밀폐성

푸아송 공식에 따르면 기체의 밀폐성은 기체 분자의 점도와 기체 자체의 특성에 따라 달라집니다. 누출량은 모세관의 길이와 기체의 점도에 반비례하고, 모세관의 직경과 구동력에 비례합니다. 모세관의 직경이 기체 분자의 평균 자유도와 같을 때, 기체 분자는 자유로운 열 운동을 하며 모세관 안으로 흘러들어갑니다. 따라서 밸브 밀봉 시험 시 밀봉 효과를 얻으려면 매질은 반드시 물이어야 하며, 공기, 즉 기체로는 밀봉 효과를 얻을 수 없습니다.

소성 변형을 통해 모세관 직경을 기체 분자 크기 이하로 줄이더라도 기체의 흐름을 완전히 막을 수는 없습니다. 기체가 금속 벽을 통해 확산될 수 있기 때문입니다. 따라서 기체 시험을 할 때는 액체 시험보다 훨씬 더 엄격한 조건을 적용해야 합니다.

누출 채널의 밀봉 원리

밸브 밀봉은 파형 표면에 퍼져 있는 요철과 파형 봉우리 사이의 간격에 있는 요철의 거칠기, 이렇게 두 부분으로 구성됩니다. 우리나라에서 사용되는 대부분의 금속 재료는 탄성 변형률이 낮기 때문에 밀봉 상태를 달성하려면 금속 재료의 압축력에 대한 요구 조건을 높여야 합니다. 즉, 재료의 압축력이 탄성 변형률을 초과해야 합니다. 따라서 밸브 설계 시 밀봉 쌍의 재료는 일정한 경도 차이를 두고 선택됩니다. 이렇게 하면 압력 작용 하에서 일정 정도의 소성 변형이 발생하여 밀봉 효과가 나타납니다.

밀봉면이 금속 재질로 만들어진 경우, 표면에 불규칙한 돌출부가 가장 먼저 나타납니다. 초기에는 작은 하중만으로도 이러한 불규칙한 돌출부에 소성 변형을 일으킬 수 있습니다. 접촉면이 증가함에 따라 표면의 불규칙성은 소성-탄성 변형으로 이어집니다. 이때, 오목부 양쪽에 거칠기가 발생합니다. 하부 재질에 심각한 소성 변형을 일으킬 수 있는 하중을 가하고 두 표면을 밀착시켜야 할 경우, 이러한 남은 경로들을 연속선 및 원주 방향으로 폐쇄할 수 있습니다.

밸브 씰 쌍

밸브 밀봉 쌍은 밸브 시트와 폐쇄 부재가 서로 접촉하여 닫히는 부분입니다. 사용 중 금속 밀봉면은 유체 혼입, 유체 부식, 마모 입자, 캐비테이션 및 침식 등에 의해 쉽게 손상됩니다. 마모 입자의 경우, 마모 입자가 표면 조도보다 작으면 밀봉면이 마모될 때 표면 정밀도가 저하되는 것이 아니라 오히려 향상됩니다. 반대로 마모 입자가 표면 조도보다 작으면 표면 정밀도가 저하됩니다. 따라서 마모 입자를 선택할 때는 재질, 작동 조건, 윤활성, 밀봉면의 부식 여부 등 여러 요소를 종합적으로 고려해야 합니다.

마모 입자를 선택할 때와 마찬가지로, 씰을 선택할 때도 누출을 방지하기 위해 성능에 영향을 미치는 다양한 요소를 종합적으로 고려해야 합니다. 따라서 부식, 긁힘, 침식에 강한 재질을 선택해야 합니다. 그렇지 않으면 이러한 요구 사항을 충족하지 못할 경우 밀봉 성능이 크게 저하됩니다.