밸브는 어디에나 사용됩니다!

2017년 11월 8일, 그렉 존슨 작성

밸브는 오늘날 우리 집, 도로 아래, 상업용 건물, 발전소 및 상수도 시설, 제지 공장, 정유 공장, 화학 공장 및 기타 산업 및 기반 시설의 수많은 곳을 포함하여 거의 모든 곳에서 찾아볼 수 있습니다.
밸브 산업은 상수도 공급부터 원자력 발전, 석유 및 가스 탐사 및 생산에 이르기까지 매우 다양한 분야를 아우르는 광범위한 산업입니다. 이러한 최종 사용자 산업들은 각각 기본적인 유형의 밸브를 사용하지만, 구조와 재료는 산업별로 매우 다릅니다. 다음은 그 몇 가지 예입니다.

상수도 시설
물 공급 분야에서는 압력이 거의 항상 상대적으로 낮고 온도도 주변 온도와 비슷합니다. 이러한 두 가지 특성 덕분에 고온 증기 밸브와 같은 극한 환경 장비에서는 찾아볼 수 없는 다양한 밸브 설계 요소를 적용할 수 있습니다. 물 공급 환경의 주변 온도가 낮기 때문에 다른 곳에서는 적합하지 않은 엘라스토머 및 고무 씰을 사용할 수 있습니다. 이러한 부드러운 소재 덕분에 물 밸브는 누수를 완벽하게 차단하도록 설계할 수 있습니다.

수도 밸브를 선택할 때 또 다른 고려 사항은 재질입니다. 주철과 연성 주철은 특히 외경이 큰 배관에 널리 사용됩니다. 매우 작은 배관에는 청동 밸브를 사용해도 충분합니다.

대부분의 상수도 밸브가 받는 압력은 일반적으로 200psi 미만입니다. 따라서 더 두꺼운 벽으로 된 고압용 밸브는 필요하지 않습니다. 하지만 경우에 따라 최대 약 300psi의 고압을 견딜 수 있도록 설계된 밸브도 있습니다. 이러한 밸브는 주로 수원에 가까운 긴 송수관에 설치됩니다. 또한, 고압용 밸브는 높은 댐의 최고 압력 지점에서도 찾아볼 수 있습니다.

미국수도협회(AWWA)는 상수도 설비에 사용되는 다양한 유형의 밸브 및 액추에이터에 대한 규격을 발표했습니다.

폐수
시설이나 건물로 유입되는 깨끗한 식수의 이면에는 폐수 또는 하수 배출이 있습니다. 이러한 배관은 모든 폐액과 고형물을 모아 하수처리장으로 보냅니다. 하수처리장에는 이러한 "고압 처리" 작업을 수행하기 위한 많은 저압 배관과 밸브가 설치되어 있습니다. 폐수 처리용 밸브에 대한 요구 사항은 대부분 깨끗한 물 처리용 밸브에 대한 요구 사항보다 훨씬 완화되어 있습니다. 철제 게이트 밸브와 체크 밸브가 이러한 용도에 가장 널리 사용됩니다. 이러한 용도의 표준 밸브는 AWWA(미국 하수처리협회) 규격에 따라 제작됩니다.

전력 산업
미국에서 생산되는 전력의 대부분은 화석 연료와 고속 터빈을 사용하는 증기 발전소에서 생산됩니다. 현대식 발전소 내부를 살펴보면 고압, 고온의 배관 시스템이 눈에 띕니다. 이러한 주요 배관은 증기 발전 과정에서 가장 중요한 부분입니다.

게이트 밸브는 발전소의 온/오프 제어 용도로 여전히 주요 선택 사항이지만, 특수 목적용 Y형 글로브 밸브도 사용됩니다. 고성능의 중요 설비용 볼 밸브는 일부 발전소 설계자들 사이에서 인기를 얻고 있으며, 한때 선형 밸브가 지배했던 시장에서 점차 점유율을 확대하고 있습니다.

발전 설비, 특히 초임계 또는 초초임계 압력 및 온도 범위에서 작동하는 밸브에 있어서 금속학은 매우 중요합니다. F91, F92, C12A를 비롯한 여러 인코넬 및 스테인리스강 합금이 오늘날 발전소에서 흔히 사용됩니다. 압력 등급은 1500, 2500, 그리고 경우에 따라 4500까지 다양합니다. 피크 부하 발전소(필요할 때만 가동하는 발전소)의 가변적인 특성은 밸브와 배관에 막대한 부하를 가하며, 극한의 작동 주기, 온도 및 압력 조건을 견딜 수 있는 견고한 설계가 요구됩니다.
발전소에는 주요 증기 밸브 외에도 수많은 게이트 밸브, 글로브 밸브, 체크 밸브, 버터플라이 밸브 및 볼 밸브가 설치된 보조 배관이 있습니다.

원자력 발전소는 화력 발전소와 마찬가지로 증기/고속 터빈 원리로 작동합니다. 주요 차이점은 원자력 발전소에서는 핵분열 과정에서 발생하는 열을 이용해 증기를 생성한다는 점입니다. 원자력 발전소 밸브는 화력 발전소 밸브와 유사하지만, 더욱 엄격한 기준과 절대적인 신뢰성 요구 사항을 충족해야 한다는 점에서 차이가 있습니다. 원자력 밸브는 매우 높은 기준에 따라 제조되며, 인증 및 검사 관련 문서는 수백 페이지에 달합니다.

석유 및 가스 생산
석유 및 가스정, 그리고 생산 시설에서는 많은 밸브, 특히 고하중 밸브가 사용됩니다. 비록 수백 피트 높이까지 기름이 솟구치는 모습은 더 이상 보기 드물지만, 이 사진은 지하 석유와 가스의 잠재적인 압력을 보여줍니다. 이것이 바로 유정의 긴 파이프 라인 꼭대기에 웰 헤드 또는 크리스마스 트리라고 불리는 장치가 설치되는 이유입니다. 밸브와 특수 부속품이 결합된 이 장치는 최대 10,000psi의 압력을 견딜 수 있도록 설계되었습니다. 오늘날 육상 유정에서는 거의 찾아볼 수 없지만, 이처럼 극도로 높은 압력은 심해 유정에서 흔히 발생합니다.

유정 설비 설계는 API 규격 6A(유정 및 크리스마스 트리 설비 규격)와 같은 규격에 따라 규정됩니다. 6A 규격에 포함된 밸브는 극고압 환경에서 작동하도록 설계되었지만, 온도는 비교적 낮습니다. 대부분의 크리스마스 트리에는 게이트 밸브와 초크라고 불리는 특수 글로브 밸브가 포함되어 있습니다. 초크는 유정에서 나오는 유량을 조절하는 데 사용됩니다.

유정 자체 외에도 유전이나 가스전에는 다양한 부대 시설이 있습니다. 원유나 가스를 전처리하는 공정 장비에는 여러 개의 밸브가 필요합니다. 이러한 밸브는 일반적으로 낮은 등급의 탄소강으로 제작됩니다.

원유에는 때때로 부식성이 매우 강한 유체인 황화수소가 포함될 수 있습니다. 황화수소는 산성 가스라고도 불리며 치명적일 수 있습니다. 산성 가스 문제를 해결하기 위해서는 NACE International 규격 MR0175에 따른 특수 재료 또는 재료 처리 기술을 적용해야 합니다.

해양 산업
해상 석유 시추 설비 및 생산 시설의 배관 시스템에는 다양한 유량 제어 문제를 해결하기 위해 여러 가지 사양으로 제작된 수많은 밸브가 포함되어 있습니다. 또한 이러한 시설에는 다양한 제어 시스템 루프와 압력 방출 장치가 있습니다.

석유 생산 시설에서 핵심적인 역할을 하는 것은 바로 석유 또는 가스 회수 배관 시스템입니다. 플랫폼 자체에 설치되는 것은 아니지만, 많은 생산 시스템은 10,000피트(약 3,000미터) 이상의 극한 심해에서 작동하는 크리스마스 트리 형태의 배관 시스템을 사용합니다. 이러한 생산 장비는 미국 석유 협회(API)의 엄격한 기준에 따라 제작되며, 여러 API 권장 실무 지침(RP)에 명시되어 있습니다.

대부분의 대형 석유 시추 플랫폼에서는 유정에서 나오는 원유에 추가적인 공정을 적용합니다. 이러한 공정에는 탄화수소에서 물을 분리하고, 원유 흐름에서 가스와 천연가스 액체를 분리하는 과정이 포함됩니다. 이러한 '크리스마스 트리' 이후의 배관 시스템은 일반적으로 미국기계학회(SME) B31.3 배관 규격에 따라 구축되며, 밸브는 API 594, API 600, API 602, API 608 및 API 609와 같은 API 밸브 규격에 따라 설계됩니다.

이러한 시스템 중 일부에는 API 6D 게이트 밸브, 볼 밸브 및 체크 밸브가 포함될 수 있습니다. 플랫폼이나 시추선의 파이프라인은 시설 내부에 있기 때문에 파이프라인에 API 6D 밸브를 ​​사용해야 한다는 엄격한 요구 사항은 적용되지 않습니다. 이러한 배관 시스템에는 여러 유형의 밸브가 사용되지만, 주로 볼 밸브가 사용됩니다.

파이프라인
대부분의 파이프라인은 눈에 보이지 않게 묻혀 있지만, 그 존재는 대개 쉽게 알 수 있습니다. "석유 파이프라인"이라고 적힌 작은 표지판은 지하 수송관이 있음을 나타내는 대표적인 지표입니다. 이러한 파이프라인에는 전 구간에 걸쳐 여러 중요한 밸브가 설치되어 있습니다. 비상 차단 밸브는 표준, 규정 및 법률에서 지정한 간격으로 설치되어 있습니다. 이 밸브는 누출 발생 시 또는 유지 보수가 필요할 때 파이프라인의 특정 구간을 차단하는 중요한 역할을 합니다.

또한 파이프라인 경로를 따라 파이프라인이 지상으로 나와 접근이 가능한 시설들이 곳곳에 위치해 있습니다. 이러한 시설들은 파이프라인을 검사하거나 청소하기 위해 파이프라인에 삽입하는 장치인 "피그" 발사 장비가 설치되는 곳입니다. 피그 발사 시설에는 일반적으로 게이트 밸브 또는 볼 밸브와 같은 여러 개의 밸브가 있습니다. 파이프라인 시스템의 모든 밸브는 피그가 통과할 수 있도록 완전히 열리는(풀포트) 밸브여야 합니다.

파이프라인은 또한 파이프라인 자체의 마찰을 극복하고 라인의 압력과 유량을 유지하기 위해 에너지가 필요합니다. 이를 위해 높은 분해탑이 없는 소규모 공정 플랜트와 유사한 압축기 또는 펌프 스테이션이 사용됩니다. 이러한 스테이션에는 수십 개의 게이트 밸브, 볼 밸브 및 체크 밸브가 설치되어 있습니다.
파이프라인 자체는 다양한 표준 및 규정에 따라 설계되었으며, 파이프라인 밸브는 API 6D 파이프라인 밸브 규격을 따릅니다.
주택과 상업 건물로 연결되는 소규모 파이프라인도 있습니다. 이 파이프라인은 물과 가스를 공급하며 차단 밸브로 보호됩니다.
미국 북부 지역을 비롯한 대도시들은 상업용 고객의 난방 수요를 충족하기 위해 증기를 공급합니다. 이러한 증기 공급 라인에는 증기 공급을 제어하고 조절하기 위한 다양한 밸브가 설치되어 있습니다. 증기는 유체이지만, 압력과 온도는 발전소에서 발생하는 증기보다 낮습니다. 이러한 용도에는 다양한 종류의 밸브가 사용되지만, 전통적인 플러그 밸브는 여전히 널리 사용되고 있습니다.

정유 및 석유화학
정유 공장용 밸브는 다른 어떤 밸브 부문보다 산업용 밸브 사용량이 많습니다. 정유 공장에는 부식성 유체가 존재하며, 경우에 따라 고온 환경에 노출되기도 합니다.
이러한 요소들은 API 600(게이트 밸브), API 608(볼 밸브), API 594(체크 밸브)와 같은 API 밸브 설계 규격에 따라 밸브를 제작하는 방식을 결정합니다. 이러한 밸브들은 대부분 가혹한 사용 환경에 노출되기 때문에 추가적인 부식 방지 용량이 필요한 경우가 많습니다. 이러한 용량은 API 설계 문서에 명시된 더 두꺼운 벽 두께로 나타납니다.

일반적인 대형 정유 공장에서는 거의 모든 주요 밸브 유형을 흔히 볼 수 있습니다. 가장 널리 사용되는 게이트 밸브는 여전히 가장 많이 사용되는 밸브이지만, 쿼터턴 밸브가 시장 점유율을 점차 확대하고 있습니다. 한때 선형 밸브가 지배했던 이 산업에서 성공적으로 자리 잡고 있는 쿼터턴 밸브 제품으로는 고성능 트리플 오프셋 버터플라이 밸브와 금속 시트 볼 밸브가 있습니다.

일반적인 게이트 밸브, 글로브 밸브, 체크 밸브는 여전히 대량으로 사용되고 있으며, 견고한 설계와 경제적인 제조 방식 덕분에 가까운 시일 내에 사라지지 않을 것입니다.
정유 공장 밸브의 압력 등급은 Class 150부터 Class 1500까지 다양하며, Class 300이 가장 일반적입니다.
WCB(주조) 및 A-105(단조)와 같은 일반 탄소강은 정유 공장용 밸브에 가장 널리 사용되는 소재입니다. 그러나 많은 정유 공정은 일반 탄소강의 최대 사용 온도 한계를 넘어서기 때문에 고온용 합금이 사용됩니다. 이러한 합금 중 가장 널리 사용되는 것은 1-1/4% Cr, 2-1/4% Cr, 5% Cr, 9% Cr과 같은 크롬/몰리브덴강입니다. 스테인리스강과 고니켈 합금 또한 일부 가혹한 정유 공정에 사용됩니다.

화학적인
화학 산업은 모든 종류와 재질의 밸브를 많이 사용하는 산업입니다. 소규모 배치 플랜트부터 멕시코만 연안에 위치한 거대한 석유화학 단지에 이르기까지, 밸브는 화학 공정 배관 시스템에서 매우 중요한 부분을 차지합니다.

대부분의 화학 공정은 정유 공정이나 발전 공정보다 압력이 낮습니다. 화학 플랜트 밸브 및 배관에 가장 많이 사용되는 압력 등급은 150급과 300급입니다. 화학 플랜트는 지난 40년간 볼 밸브가 선형 밸브로부터 시장 점유율을 빼앗아 오는 데 가장 큰 원동력이 되어 왔습니다. 누출 없는 완벽한 차단 기능을 갖춘 탄성 시트 볼 밸브는 많은 화학 플랜트 용도에 적합합니다. 볼 밸브의 컴팩트한 크기 또한 인기 있는 특징입니다.
일부 화학 공장 및 공정에서는 여전히 선형 밸브가 선호됩니다. 이러한 경우, 벽 두께가 얇고 무게가 가벼운 API 603 규격의 밸브가 게이트 밸브 또는 글로브 밸브로 주로 사용됩니다. 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. 일반적으로 사용되는 재료는 오스테나이트계 스테인리스강인 316/316L 등급입니다. 이 재료는 다양한 종류의 유해한 유체로부터 발생하는 부식을 효과적으로 방지합니다.

부식성이 매우 강한 환경에서는 더 높은 수준의 보호가 필요합니다. 이러한 경우 317, 347, 321과 같은 고성능 오스테나이트계 스테인리스강이 자주 사용됩니다. 화학 유체 제어에 사용되는 다른 합금으로는 모넬, 알로이 20, 인코넬, 17-4 PH 등이 있습니다.

LNG 및 가스 분리
액화천연가스(LNG)와 가스 분리 공정 모두 광범위한 배관망을 필요로 합니다. 이러한 공정에는 극저온 환경에서도 작동할 수 있는 밸브가 필수적입니다. 미국에서 빠르게 성장하고 있는 LNG 산업은 가스 액화 공정을 지속적으로 개선하고 발전시키고 있습니다. 이를 위해 배관과 밸브의 크기가 훨씬 커지고 필요한 압력도 높아졌습니다.

이러한 상황으로 인해 밸브 제조업체들은 더욱 엄격한 기준을 충족하는 설계를 개발해야 했습니다. 쿼터턴 볼 밸브와 버터플라이 밸브는 LNG 설비에 널리 사용되며, 316ss(스테인리스강)가 가장 인기 있는 재질입니다. 대부분의 LNG 설비에서 ANSI Class 600은 일반적인 압력 상한선입니다. 쿼터턴 제품이 가장 많이 사용되는 밸브 유형이지만, 게이트 밸브, 글로브 밸브, 체크 밸브도 플랜트에서 찾아볼 수 있습니다.

가스 분리 서비스는 가스를 구성 요소로 분리하는 작업입니다. 예를 들어, 공기 분리 방법을 통해 질소, 산소, 헬륨 및 기타 미량 가스를 얻을 수 있습니다. 이 공정은 매우 낮은 온도에서 진행되기 때문에 극저온 밸브가 많이 사용됩니다.

LNG 플랜트와 가스 분리 플랜트 모두 극저온 환경에서도 작동 가능해야 하는 저온 밸브를 사용합니다. 따라서 밸브 패킹 시스템은 가스 컬럼 또는 응축 컬럼을 사용하여 저온 유체로부터 높은 위치에 있어야 합니다. 이 가스 컬럼은 패킹 주변에 얼음 덩어리가 형성되는 것을 방지하여 밸브 스템의 회전이나 상승을 방해하는 것을 막습니다.

상업용 건물
상업용 건물들이 우리 주변에 널려 있지만, 건물이 지어질 당시 자세히 살펴보지 않는 한, 벽돌, 유리, 금속으로 이루어진 건물 벽 안에 숨겨진 수많은 유동적인 통로에 대해 알기 어렵습니다.

거의 모든 건물에서 공통적으로 나타나는 요소는 바로 물입니다. 이러한 모든 구조물에는 식수, 폐수, 온수, 생활하수, 소방용수 등 다양한 형태로 수소/산소 화합물인 물이 흐르는 여러 종류의 배관 시스템이 존재합니다.

건물의 생존이라는 관점에서 볼 때, 소방 시스템은 가장 중요합니다. 건물 화재 방호 시스템은 거의 예외 없이 깨끗한 물로 공급되고 채워집니다. 효과적인 소방수 시스템을 위해서는 신뢰성이 확보되고, 충분한 수압을 유지하며, 건물 전체에 편리하게 위치해야 합니다. 이러한 시스템은 화재 발생 시 자동으로 작동하도록 설계되어 있습니다.
고층 건물은 최상층과 최하층 모두 동일한 수압이 필요하므로 고압 펌프와 배관을 사용하여 물을 위층으로 끌어올려야 합니다. 배관 시스템은 일반적으로 건물 높이에 따라 Class 300 또는 600 규격을 사용합니다. 이러한 용도에는 모든 종류의 밸브가 사용되지만, 소방용 주 배관의 경우 밸브 설계는 Underwriters Laboratories(UL) 또는 Factory Mutual(FMT)의 승인을 받아야 합니다.

소방용 밸브에 사용되는 것과 동일한 등급 및 유형의 밸브가 식수 공급에도 사용되지만, 승인 절차는 소방용만큼 엄격하지는 않습니다.
사무실 건물, 호텔, 병원과 같은 대형 사업장에 설치된 상업용 공조 시스템은 일반적으로 중앙 집중식입니다. 이러한 시스템은 냉각 또는 가열에 사용되는 유체를 냉각하거나 가열하는 대형 냉각기 또는 보일러를 갖추고 있습니다. 이러한 시스템은 종종 수소불화탄소(HFC) 계열의 R-134a와 같은 냉매를 사용하거나, 주요 난방 시스템의 경우 증기를 사용합니다. 버터플라이 밸브와 볼 밸브는 크기가 작아 HVAC 냉각 시스템에 널리 사용되고 있습니다.

증기 분야에서는 쿼터턴 밸브가 사용 범위가 넓어졌지만, 특히 배관 끝단에 맞대기 용접이 필요한 경우 많은 배관 엔지니어는 여전히 선형 게이트 밸브와 글로브 밸브에 의존하고 있습니다. 이러한 중간 정도의 증기 용도에서는 용접성이 뛰어난 강철이 주철을 대체하고 있습니다.

일부 난방 시스템은 증기 대신 온수를 열전달 유체로 사용합니다. 이러한 시스템에는 청동 또는 주철 밸브가 적합합니다. 쿼터턴 방식의 탄성 시트 볼 밸브와 버터플라이 밸브가 매우 널리 사용되지만, 일부 선형 밸브도 여전히 사용됩니다.

결론
이 글에서 언급된 밸브의 작동 원리를 스타벅스나 할머니 댁에 가는 동안 직접 눈으로 확인할 수는 없겠지만, 우리 주변에는 항상 매우 중요한 밸브들이 존재합니다. 자동차 엔진에도 이러한 중요한 밸브들이 있는데, 예를 들어 연료 공급을 조절하는 기화기 밸브와 피스톤으로 연료가 유입되고 배출되는 것을 제어하는 ​​엔진 밸브 등이 있습니다. 만약 밸브가 우리 일상생활과 충분히 가깝지 않다고 생각한다면, 심장이 네 개의 중요한 혈류 조절 장치를 통해 규칙적으로 박동한다는 사실을 떠올려 보세요.

이는 밸브가 정말 어디에나 있다는 현실을 보여주는 또 다른 예일 뿐입니다. VM
이 기사의 2부에서는 밸브가 사용되는 다양한 산업 분야에 대해 다룹니다. 펄프 및 제지, 해양, 댐 및 수력 발전, 태양열, 철강, 항공우주, 지열, 수제 맥주 및 증류주 제조에 대한 자세한 내용은 www.valvemagazine.com에서 확인하세요.

그렉 존슨은 휴스턴에 있는 유나이티드 밸브(www.unitedvalve.com)의 사장입니다. 그는 VALVE 매거진의 기고 편집자이며, 밸브 수리 협의회(Valve Repair Council)의 전 회장이자 현재 VRC 이사회 위원입니다. 또한 VMA(Valve Manual Association)의 교육 및 훈련 위원회 위원, VMA 홍보 위원회 부위원장, 그리고 제조업체 표준화 협회(Manufacturers Standardization Society)의 전 회장을 역임했습니다.