밸브가 사용되는 곳: 모든 곳!

2017년 11월 8일 Greg Johnson 작성

오늘날 밸브는 집, 거리, 상업용 건물, 발전소와 수처리 시설, 제지공장, 정유공장, 화학공장 및 기타 산업과 기반 시설 등 수천 곳의 장소에서 쉽게 찾아볼 수 있습니다.
밸브 산업은 매우 광범위하며, 상하류 부문부터 원자력 발전, 석유 및 가스 상류 부문까지 다양한 분야로 구성되어 있습니다. 이러한 최종 사용자 산업은 몇 가지 기본적인 유형의 밸브를 사용하지만, 구조 및 재료의 세부 사항은 종종 매우 다릅니다. 다음은 그 예입니다.

수도 공사
급수 시스템에서 압력은 거의 항상 비교적 낮고 온도는 주변 온도와 같습니다. 이 두 가지 적용 조건 덕분에 고온 증기 밸브와 같이 더 까다로운 장비에서는 찾아볼 수 없는 다양한 밸브 설계 요소를 적용할 수 있습니다. 급수 시스템의 주변 온도는 다른 곳에서는 사용할 수 없는 엘라스토머와 고무 씰을 사용할 수 있도록 합니다. 이러한 부드러운 소재 덕분에 급수 밸브에 물방울을 단단히 밀봉할 수 있습니다.

급수 밸브에서 고려해야 할 또 다른 사항은 재질 선택입니다. 주철과 구상흑연주철은 급수 시스템, 특히 외경이 큰 배관에 널리 사용됩니다. 매우 작은 배관은 청동 밸브 재질로 충분히 처리할 수 있습니다.

대부분의 상수도 밸브가 받는 압력은 보통 200psi보다 훨씬 낮습니다. 즉, 두꺼운 벽을 가진 고압 밸브는 필요하지 않습니다. 하지만, 최대 300psi까지의 고압을 견딜 수 있도록 제작된 밸브도 있습니다. 이러한 밸브는 일반적으로 압력원 근처의 긴 수로에 설치됩니다. 때로는 높은 댐의 최고 수압 지점에도 고압 밸브가 설치되는 경우가 있습니다.

미국 수도 협회(AWWA)는 수도 시설에 사용되는 다양한 유형의 밸브와 액추에이터를 포괄하는 사양을 발표했습니다.

폐수
시설이나 구조물로 유입되는 깨끗한 식수의 이면에는 폐수 또는 하수 배출구가 있습니다. 이 배관은 모든 폐액과 고형물을 모아 하수 처리장으로 보냅니다. 이러한 처리장에는 "불필요한 작업"을 수행하기 위해 많은 저압 배관과 밸브가 사용됩니다. 많은 경우 폐수 밸브에 대한 요건은 정수 서비스 요건보다 훨씬 완화됩니다. 이러한 유형의 서비스에는 철제 게이트 밸브와 체크 밸브가 가장 많이 사용됩니다. 이 서비스의 표준 밸브는 AWWA 규격에 따라 제작됩니다.

전력 산업
미국에서 생산되는 전력의 대부분은 화석 연료와 고속 터빈을 사용하는 증기 발전소에서 생산됩니다. 현대식 발전소의 외벽을 벗겨내면 고압, 고온의 배관 시스템이 드러납니다. 이러한 주요 배관은 증기 발전 과정에서 가장 중요한 역할을 합니다.

게이트 밸브는 발전소 개폐 밸브에 여전히 주요 선택이지만, 특수 목적의 Y자형 글로브 밸브도 있습니다. 고성능 핵심 서비스용 볼 밸브는 일부 발전소 설계자들에게 인기를 얻고 있으며, 한때 선형 밸브가 지배하던 이 분야에서 새로운 영역을 개척하고 있습니다.

야금 기술은 전력 분야, 특히 초임계 또는 초초임계 압력 및 온도 범위에서 작동하는 밸브에 매우 중요합니다. 오늘날 발전소에서는 F91, F92, C12A 합금과 더불어 여러 가지 인코넬 및 스테인리스강 합금이 일반적으로 사용됩니다. 압력 등급은 1500, 2500, 그리고 경우에 따라 4500입니다. 피크 발전소(필요에 따라만 작동하는 발전소)의 가변적인 특성은 밸브와 배관에 큰 부담을 주므로, 사이클, 온도 및 압력의 극한 조합을 견딜 수 있는 견고한 설계가 필요합니다.
발전소에는 주증기 밸브 외에도 게이트, 글로브, 체크, 버터플라이, 볼 밸브 등 다양한 종류의 보조 파이프라인이 설치되어 있습니다.

원자력 발전소는 동일한 증기/고속 터빈 원리로 작동합니다. 주요 차이점은 원자력 발전소에서 증기는 핵분열 과정에서 발생하는 열로 생성된다는 것입니다. 원자력 발전소 밸브는 화석 연료 발전소 밸브와 유사하지만, 오랜 역사와 절대적인 신뢰성이라는 추가적인 요건이 있습니다. 원자력 밸브는 매우 높은 기준에 따라 제조되며, 자격 및 검사 문서는 수백 페이지에 달합니다.

석유 및 가스 생산
석유 및 가스정과 생산 시설은 밸브를 많이 사용하는데, 여기에는 많은 대형 밸브도 포함됩니다. 수백 피트 상공으로 석유가 분출되는 일은 더 이상 발생하지 않지만, 이 이미지는 지하 석유 및 가스의 잠재적 압력을 보여줍니다. 이것이 바로 유정의 긴 파이프 꼭대기에 웰헤드나 크리스마스트리가 설치되는 이유입니다. 밸브와 특수 피팅이 결합된 이러한 조립품은 10,000psi 이상의 압력을 견딜 수 있도록 설계되었습니다. 요즘에는 육지에서 굴착한 유정에서는 거의 볼 수 없지만, 심해 유정에서는 이러한 초고압이 종종 발생합니다.

웰헤드 장비 설계는 6A(웰헤드 및 크리스마스 트리 장비 사양)와 같은 API 사양에 포함됩니다. 6A에 포함된 밸브는 매우 높은 압력과 적당한 온도를 위해 설계되었습니다. 대부분의 크리스마스 트리에는 게이트 밸브와 초크라고 하는 특수 글로브 밸브가 있습니다. 초크는 웰의 유량을 조절하는 데 사용됩니다.

유정(wellhead) 자체 외에도 많은 보조 시설이 석유 또는 가스전에 설치되어 있습니다. 석유나 가스를 전처리하는 공정 장비에는 여러 개의 밸브가 필요합니다. 이러한 밸브는 일반적으로 저급 등급의 탄소강으로 제작됩니다.

때때로 원유 흐름에는 부식성이 매우 강한 유체인 황화수소가 존재합니다. 사워가스라고도 불리는 이 물질은 치명적일 수 있습니다. 사워가스 문제를 해결하려면 NACE International 규격 MR0175에 따른 특수 소재 또는 소재 가공 기술을 준수해야 합니다.

해양 산업
해상 석유 시추 시설 및 생산 시설의 배관 시스템에는 다양한 유량 제어 문제를 해결하기 위해 다양한 사양으로 제작된 수많은 밸브가 포함됩니다. 또한, 이러한 시설에는 다양한 제어 시스템 루프와 압력 방출 장치가 설치되어 있습니다.

석유 생산 시설의 경우, 동맥 심장은 실제 석유 또는 가스 회수 배관 시스템입니다. 항상 플랫폼 자체에 있는 것은 아니지만, 많은 생산 시스템은 1만 피트(약 3,000m) 이상의 혹독한 심해에서 작동하는 크리스마스 트리와 배관 시스템을 사용합니다. 이 생산 장비는 엄격한 미국석유협회(API) 표준에 따라 제작되었으며, 여러 API 권장 사례(RP)에 명시되어 있습니다.

대부분의 대형 석유 플랫폼에서는 유정에서 나오는 원유에 추가 공정이 적용됩니다. 여기에는 탄화수소에서 물을 분리하고, 유체 흐름에서 가스 및 천연가스 액체를 분리하는 공정이 포함됩니다. 이러한 크리스마스트리 이후 배관 시스템은 일반적으로 미국기계학회(American Society of Mechanical Engineers) B31.3 배관 규격에 따라 제작되며, 밸브는 API 594, API 600, API 602, API 608, API 609와 같은 API 밸브 사양에 따라 설계되었습니다.

이러한 시스템 중 일부에는 API 6D 게이트, 볼 및 체크 밸브가 포함될 수 있습니다. 플랫폼이나 시추선의 모든 파이프라인은 시설 내부에 있으므로 파이프라인에 API 6D 밸브를 사용해야 하는 엄격한 요건은 적용되지 않습니다. 이러한 배관 시스템에는 여러 유형의 밸브가 사용되지만, 가장 적합한 밸브 유형은 볼 밸브입니다.

파이프라인
대부분의 파이프라인은 눈에 띄지 않지만, 존재는 대개 분명하게 드러납니다. "석유 파이프라인"이라고 적힌 작은 표지판은 지하 운송 배관의 존재를 나타내는 명확한 지표입니다. 이러한 파이프라인에는 길이를 따라 여러 중요한 밸브가 장착되어 있습니다. 비상 파이프라인 차단 밸브는 표준, 규정 및 법률에 명시된 간격으로 설치되어 있습니다. 이러한 밸브는 누출 발생 시 또는 유지 보수가 필요할 때 파이프라인의 특정 구간을 차단하는 중요한 역할을 합니다.

파이프라인 경로에는 파이프라인이 지면에서 나와 접근 가능한 시설이 곳곳에 있습니다. 이러한 스테이션에는 파이프라인 검사 또는 청소를 위해 파이프라인에 삽입되는 장치로 구성된 "피그" 발사 장비가 있습니다. 이러한 피그 발사 스테이션에는 일반적으로 게이트 또는 볼 유형의 여러 밸브가 있습니다. 파이프라인 시스템의 모든 밸브는 피그의 통과를 위해 풀포트(완전 개방) 방식이어야 합니다.

파이프라인은 또한 파이프라인의 마찰을 줄이고 라인의 압력과 흐름을 유지하기 위해 에너지가 필요합니다. 높은 크래킹 타워가 없는 소형 공정 플랜트처럼 보이는 압축기 또는 펌핑 스테이션이 사용됩니다. 이러한 스테이션에는 수십 개의 게이트, 볼 및 체크 파이프라인 밸브가 설치되어 있습니다.
파이프라인 자체는 다양한 표준과 코드에 따라 설계되고, 파이프라인 밸브는 API 6D 파이프라인 밸브를 따릅니다.
주택과 상업 시설에 연결되는 소규모 파이프라인도 있습니다. 이 파이프라인은 물과 가스를 공급하며, 차단 밸브로 보호됩니다.
미국 북부를 비롯한 대규모 지자체는 상업 고객의 난방 수요에 맞춰 증기를 공급합니다. 이러한 증기 공급 라인에는 증기 공급을 제어하고 조절하는 다양한 밸브가 장착되어 있습니다. 유체는 증기이지만, 압력과 온도는 발전소 증기 발생 장치에서 사용하는 것보다 낮습니다. 이러한 서비스에는 다양한 유형의 밸브가 사용되지만, 오래된 플러그 밸브가 여전히 널리 사용됩니다.

정유 및 석유화학
정유소 밸브는 다른 어떤 밸브 분야보다 산업용 밸브 사용량이 더 많습니다. 정유소는 부식성 유체와 경우에 따라 고온의 유체가 있는 곳입니다.
이러한 요소들은 API 600(게이트 밸브), API 608(볼 밸브), API 594(체크 밸브)와 같은 API 밸브 설계 사양에 따라 밸브가 제작되는 방식을 결정합니다. 이러한 밸브 중 다수는 혹독한 환경에서 사용되기 때문에 추가적인 부식 허용치가 필요한 경우가 많습니다. 이러한 허용치는 API 설계 문서에 명시된 더 두꺼운 벽 두께를 통해 나타납니다.

일반적인 대형 정유 공장에서는 거의 모든 주요 밸브 유형을 쉽게 찾아볼 수 있습니다. 흔히 볼 수 있는 게이트 밸브는 여전히 가장 많은 밸브를 보유하고 있지만, 쿼터턴 밸브의 시장 점유율이 점점 더 커지고 있습니다. 한때 선형 제품이 주류였던 이 산업에서 성공적으로 진출하고 있는 쿼터턴 제품에는 고성능 트리플 오프셋 버터플라이 밸브와 금속 시트 볼 밸브가 있습니다.

표준 게이트, 글로브 및 체크 밸브는 여전히 대량으로 발견되고 있으며, 설계의 견고성과 제조의 경제성 덕분에 언제든 사라질 것으로 예상됩니다.
정유소 밸브의 압력 등급은 클래스 150에서 클래스 1500까지 다양하며 클래스 300이 가장 많이 사용됩니다.
WCB(주조) 및 A-105(단조)와 같은 일반 탄소강은 정유 서비스용 밸브에 가장 널리 사용되는 소재입니다. 많은 정유 공정에서 일반 탄소강의 상한 온도 한계가 적용되며, 이러한 용도에는 고온 합금이 사용됩니다. 가장 널리 사용되는 것은 1.5% Cr, 2.5% Cr, 5% Cr, 9% Cr과 같은 크롬/몰리브덴강입니다. 스테인리스강과 고니켈 합금 또한 특히 가혹한 정유 공정에 사용됩니다.

화학적인
화학 산업은 모든 종류와 재질의 밸브를 많이 사용합니다. 소규모 생산 공장부터 멕시코만 연안의 대규모 석유화학 단지에 이르기까지, 밸브는 화학 공정 배관 시스템에서 매우 중요한 부분을 차지합니다.

화학 공정에서 대부분의 응용 분야는 여러 정유 공정 및 발전 공정보다 압력이 낮습니다. 화학 플랜트 밸브 및 배관에 가장 많이 사용되는 압력 등급은 150등급과 300등급입니다. 화학 플랜트는 지난 40년 동안 볼 밸브가 선형 밸브를 제치고 시장 점유율을 확대하는 데 가장 큰 역할을 해왔습니다. 누설 방지 기능을 갖춘 탄력 시트 볼 밸브는 다양한 화학 플랜트 응용 분야에 적합합니다. 또한, 볼 밸브의 콤팩트한 크기 또한 인기 있는 특징입니다.
선형 밸브가 선호되는 화학 공장 및 공정도 여전히 존재합니다. 이러한 경우, 더 얇은 두께와 가벼운 무게를 가진 API 603 설계의 인기 있는 밸브가 일반적으로 게이트 밸브 또는 글로브 밸브로 선택됩니다. 일부 화학 물질은 다이어프램 밸브 또는 핀치 밸브를 사용하여 효과적으로 제어할 수도 있습니다.
많은 화학 물질과 화학 제조 공정의 부식성 때문에 재료 선택이 매우 중요합니다. 기본적으로 사용되는 재료는 316/316L 등급의 오스테나이트계 스테인리스강입니다. 이 재료는 때로는 유해한 액체로 인한 부식을 방지하는 데 효과적입니다.

더 강한 부식성이 있는 일부 응용 분야에서는 더 강력한 보호가 필요합니다. 이러한 상황에서는 317, 347, 321과 같은 다른 고성능 오스테나이트계 스테인리스강이 종종 선택됩니다. 화학 유체 제어를 위해 때때로 사용되는 다른 합금으로는 모넬, 알로이 20, 인코넬, 17-4 PH 등이 있습니다.

LNG 및 가스 분리
액화천연가스(LNG)와 가스 분리 공정은 모두 광범위한 배관에 의존합니다. 이러한 응용 분야에는 매우 낮은 극저온에서 작동할 수 있는 밸브가 필요합니다. 미국에서 빠르게 성장하고 있는 LNG 산업은 가스 액화 공정의 업그레이드 및 개선을 지속적으로 모색하고 있습니다. 이를 위해 배관과 밸브가 훨씬 더 대형화되었고 압력 요건도 높아졌습니다.

이러한 상황으로 인해 밸브 제조업체는 더욱 엄격한 기준을 충족하는 설계를 개발해야 했습니다. 1/4회전 볼 밸브와 버터플라이 밸브는 LNG 서비스용으로 널리 사용되며, 가장 널리 사용되는 재질은 316SS(스테인리스강)입니다. 대부분의 LNG 용도에서 일반적으로 사용되는 최고 압력은 ANSI Class 600입니다. 1/4회전 제품이 가장 많이 사용되는 밸브 유형이지만, 게이트, 글로브, 체크 밸브도 플랜트에서 찾아볼 수 있습니다.

가스 분리 서비스는 가스를 개별 기본 원소로 분리하는 것을 포함합니다. 예를 들어, 공기 분리 방법은 질소, 산소, 헬륨 및 기타 미량 기체를 생성합니다. 이 공정은 매우 낮은 온도에서 작동하기 때문에 많은 극저온 밸브가 필요합니다.

LNG 및 가스 분리 플랜트에는 이러한 극저온 조건에서도 작동이 유지되어야 하는 저온 밸브가 있습니다. 즉, 밸브 패킹 시스템은 가스 또는 응축 컬럼을 사용하여 저온 유체로부터 멀리 위치해야 합니다. 이 가스 컬럼은 유체가 패킹 영역 주변에 얼음 덩어리를 형성하여 밸브 스템이 회전하거나 상승하는 것을 방지합니다.

상업용 건물
우리 주변에는 상업 건물이 많지만, 건물이 지어질 때 주의 깊게 살피지 않으면 석조, 유리, 금속으로 된 벽 안에 숨겨진 수많은 유동 동맥에 대해 알 수 없습니다.

거의 모든 건물에 공통적으로 존재하는 것은 물입니다. 이러한 모든 구조물에는 음용수, 폐수, 온수, 중수, 그리고 방화수 등 다양한 형태로 수소/산소 화합물을 운반하는 다양한 배관 시스템이 있습니다.

건물 생존의 관점에서 볼 때, 소방 시스템은 가장 중요합니다. 건물 내 방화 시스템은 거의 모든 곳에서 깨끗한 물을 공급하고 채웁니다. 소방용수 시스템이 효과적이려면 신뢰성이 뛰어나고, 충분한 수압을 유지하며, 건물 전체에 편리하게 설치되어야 합니다. 이러한 시스템은 화재 발생 시 자동으로 작동하도록 설계되었습니다.
고층 건물은 최상층과 하층 모두 동일한 수압을 필요로 하므로 고압 펌프와 배관을 사용하여 물을 위로 끌어올려야 합니다. 배관 시스템은 일반적으로 건물 높이에 따라 클래스 300 또는 600입니다. 이러한 용도에는 모든 유형의 밸브가 사용되지만, 소화전 배관용으로는 Underwriters Laboratories 또는 Factory Mutual의 승인을 받아야 합니다.

소방용 밸브에 사용되는 것과 동일한 종류와 유형의 밸브가 식수 분배에도 사용되지만 승인 절차는 그렇게 엄격하지 않습니다.
사무실, 호텔, 병원 등 대규모 사업장에 설치되는 상업용 에어컨 시스템은 일반적으로 중앙집중형입니다. 이러한 시스템에는 저온 또는 고온 유체를 전달하는 데 사용되는 유체를 냉각 또는 가열하는 대형 냉각 장치 또는 보일러가 있습니다. 이러한 시스템은 종종 R-134a(수소불화탄소)와 같은 냉매나 대형 난방 시스템의 경우 증기를 처리해야 합니다. 버터플라이 밸브와 볼 밸브의 소형화 덕분에 이러한 유형의 시스템은 HVAC(난방 및 공조) 냉각 시스템에서 널리 사용되고 있습니다.

증기 분야에서는 일부 1/4회전 밸브가 사용되기 시작했지만, 많은 배관 엔지니어는 여전히 선형 게이트 밸브와 글로브 밸브를 사용하고 있으며, 특히 배관의 맞대기 용접이 필요한 경우 더욱 그렇습니다. 이러한 중간 정도의 증기 응용 분야에서는 강철의 용접성 때문에 주철 대신 강철이 사용되고 있습니다.

일부 난방 시스템은 증기 대신 온수를 전달 유체로 사용합니다. 이러한 시스템에는 청동이나 철 밸브가 적합합니다. 1/4회전 탄성 시트 볼 밸브와 버터플라이 밸브가 매우 인기가 있지만, 일부 선형 밸브도 여전히 사용됩니다.

결론
이 기사에 언급된 밸브 응용 사례는 스타벅스나 할머니 댁에 가는 동안에는 볼 수 없을지 몰라도, 매우 중요한 밸브들은 항상 우리 가까이에 있습니다. 자동차 엔진에도 이러한 밸브들이 있는데, 예를 들어 기화기에서 엔진으로 들어가는 연료의 흐름을 제어하는 밸브와 엔진에서 피스톤으로 들어간 가솔린의 흐름을 제어하는 밸브가 있습니다. 만약 이러한 밸브들이 우리 일상생활에서 충분히 가까이 있지 않다면, 심장이 네 개의 중요한 유량 제어 장치를 통해 규칙적으로 박동한다는 사실을 생각해 보세요.

이는 밸브가 실제로 어디에나 있다는 현실을 보여주는 또 다른 예입니다. VM
이 기사의 2부에서는 밸브가 사용되는 추가 산업에 대해 다룹니다. 펄프 및 제지, 해양 응용 분야, 댐 및 수력 발전, 태양광, 철강, 항공우주, 지열, 수제 양조 및 증류에 대한 내용은 www.valvemagazine.com에서 확인하실 수 있습니다.

그렉 존슨은 휴스턴에 있는 유나이티드 밸브(www.unitedvalve.com)의 사장입니다. 그는 VALVE 매거진의 기고 편집자이며, 밸브 수리 위원회(Valve Repair Council)의 전 회장이자 현재 VRC 이사회 임원입니다. 또한 VMA 교육훈련 위원회 위원, VMA 커뮤니케이션 위원회 부회장, 그리고 제조업체 표준화 협회(Manufacturers Standardization Society)의 전 회장을 역임했습니다.