브이아이브이 인터내셔날(주)

권갑주 발간 '제어밸브 핸드북'에서 인용한 자료입니다. 

내 밸브가 너무 시끄럽지는 않을까? 

밸브의 소음 원인은 3가지이다. 첫째는 기계적 진동, 둘째는 난류 및 캐비테이션, 셋 째는 공기역학적 소음이다. 플러그 가이드와 가이드 부싱 사이 원주상의 틈 안에서 밸브 플러그의 진동 혹은 플러그 스커트와 시트링 사이에서 발생하는 소음은 과도한 유체 난류의 결과로 0.5～7 kHz 사이에서 90 dB을 쉽게 초과할 수 있다. 이 현상은 압력강하 그 자체보다 플래싱이나 캐비테이션 등과 같은 불안정한 액체 유동 때문이 다. 다행이도 이것은 다소 드물게 발생한다. 경험상 공진은 질량 m에 대해 비감쇄 고 유주파수(밸브 플러그의 중량을 중력가속도로 나눈)가 밸브 스템의 강직도 Kn(수직 변 위 비율)과 상관성이 높을 때 자주 나타나게 된다. 이것은 보통 비감쇄 고유주파수 이 5,000 Hz 이하인 곳에서 발생한다. 여기서  = 0.16  cycle/sec이다. 속이 빈 플러그는 질량 m을 감소시키는 반면 스템의 길이가 짧거나 스템 직경이 크 면 이 증가하게 되는데 이것이 가능한 해결책이다. 밸브 가이드의 틈새를 줄이는 것은 진폭을 작게 할 수는 있으나 확실하게 점검하지 않으면 스템 혹은 플러그 가이 드의 피로 파괴를 유발할 수 있다. 다행스럽게도 대부분 100～1,500 Hz 사이의 주파 수에서 발생하는 밸브 플러그의 공명 진동을 청취할 수 있는데 소리가 90 dBA를 초 과할 수 있다. 작업자가 90dB에서 8시간 동안 노출될 수 있는 OSHA 제한치는 A 가중 스케일 (A-weighted scale)로 측정되는데 이것은 인간의 귀가 주파수에 대한 반응 곡선으로 나타낸다. 이와 같이 해서 90 dBA가 한계치로써 기준이 된다. 다른 한편으로는 소음 은 단지 청각적 진동에 지나지 않지만 진동은 밸브, 파이프 및 부속기기의 손상을 야 기할 수 있다.  

공기역학적 밸브 소음 저감법 

공기역학적 소음과 같은 소음 공해의 발생에 대하여 좀 더 알아보면, 교축 소음 수준 (Throttling Noise Level)에 대해 앞의 계산식을 보면 두 가지 기본적인 변수가 소음 수준에 관련이 있다. 따라서 소음을 감소하려면 이것을 변화시켜야 한다. 이것은 제트 속도 Uvc와 내부 최고 소음 주파수 Fp이다. 제트 속도는 소음원의 가장 중요한 요소 이며 다루기가 매우 어렵다. 속도는 내부 오리피스 압력비의 분율이다. 여기에서 오리피스 내부 정압이고, 본 비율을 조정하기 위해서는 속도를 줄이는 것 이 유일한 방법이다.  

캐비테이션은 무엇인가?

캐비테이션은 트림 부분에 대한 교체 수요가 발생하므로 제작자에게는 좋은 친구이 다. 캐비테이션(액체 유동의 둔화 및 후속 압력회복이 되는 액체 속에서 기포의 격렬 한 붕괴)은 구조상 밸브 플러그 표면, 몸체 안쪽 혹은 파이프 벽에 1.5×10³ N/mm²(218,000 psi)까지 충격을 줄 수 있다. 캐비테이션 손상에 영구히 견딜 수 있 는 재질이 ‘존재하지 않는다’는 것을 의아해 할 것도 없다. 물론 단단한 재질(높은 탄 성 응력 한계치)은 연한 재질보다 오래 견딜 것이다. 다음은 동일한 캐비테이션 조건 에서 일부 재료에 대한 상대적인 수명이다.

캐비테이션에 대응하는 방법 앞에서 언급한 것과 같이 △Pdamage를 초과하는 것을 피하도록 해라. 만약 프로세스 조건을 변경하는 것이 불가능하면 제작자 카탈로그에서 캐비테이션 방지용 트림을 선 택해라. 두 번째 해결책은 앞에서 설명한 것처럼 단단 혹은 다단 저항판을 감압 밸브의 하류 에 설치하는 것이다. 가장 중요한 열쇠는 밸브를 적합한 사이즈로 선정하는 것이다. 최대 유량에서 밸브를 통한 총 감압은 10%, 저항판을 통한 총 감압은 90%가 되도록 할당해야 한다. 세 번째 해결책은 두 개의 동일한 밸브를 일렬로 설치하는 것이다. 

밸브 스템 패킹의 문제점을 방지하기 위한 몇 가지 규칙을 소개한다. 

• 밸브를 운전하기 전에 패킹의 조임 상태를 확인해야 한다. 어떤 제작자는 패킹 플 랜지나 너트를 느슨한 상태로 공급한다. 

• 밸브를 뜨거운 유체에 사용한다면 처음 운전할 때 충분히 예열한 후 패킹의 재조임 작업을 해야 한다. 

• 밸브를 설치하는 동안 포지셔너 위치 변경 등을 위해 구동기를 회전시켜야 할 경우 패킹을 느슨하게 풀지 않고는 구동기를 회전시키지 않아야 한다. 스템의 중심과 패킹의 중심은 완전하게 축정렬되지 않는다는 것을 인식하여야 하며 느슨한 패킹 은 중앙에 맞춰져야 한다. 

• 제어 루프나 구동기를 장시간 불안정한 상태로 두지 말아야 한다. 초당 1회 씩 동작하 게 된다면 한 달에 250만 회를 동작하게 되어 패킹을 마모시킨다. 이 패킹은 이때 에 완전하게 닳게 된다. 

• 뜨거운 유체나 증기를 취급할 때는 열팽창 계수가 높은 패킹 재료는 사용하지 않아 야 한다. 

• 밸브 패킹의 깊이는 밸브 행정거리보다 커야 한다. 이것은 밸브 스템 표면에 어떤 흠 집이 있는 경우 패킹 보어 안쪽에 홈이 생기는 것을 피하기 위함이다.

• 로터리 밸브용 패킹은 로터리 밸브의 샤프트가 수직형 구동기의 추력 또는 로터리 구동기와 스템의 축이 오정렬됨으로써 야기되는 편심 응력을 흡수하기만 하면 왕 복운동을 하는 스템 밸브용 패킹보다 성능이 우수하다 

• 밸브 스템과 구동기 스템 사이에 축 정열이 안 되어 있으면 마찰이나 마모의 원인이 된다. 이것은 운반 시 떨어뜨릴 경우 철이나 알루미늄으로 제작된 구동기 요크가 횔 경우 발생한다. 주물용 요크는 횔 경우보다는 깨질 것이다. 또한, 축 정열이 안 되어 있는 경우는 무거운 구동기가 적당한 지지대 없이 수평위치로 설치되어 있을 때 이런 현상이 발생한다.