Numerical Analysis Study on Structural Safety and Flow Coefficient of Quadruple Offset Butterfly Valve

사중편심 버터플라이 밸브의 구조 안전성 및 유량계수에 관한 수치해석적 연구

Abstract

Butterfly valves installed on ships use valves with up to triple offset to improve tightness. However, the triple offset valve has structural problems such as disc deformation and seat separation. Accordingly, interest in quadruple offset butterfly valves with added offset is increasing. In this study, the structural safety of the quadruple offset butterfly valve was examined through numerical analysis. In addition, we intend to evaluate the performance of the valve through flow coefficient analysis.

1. 서론

선박에 사용되는 저압용 밸브는 글로브 밸브 (Globe Valve) 또는 게이트 밸브(Gate Valve)를 주로 사용하고 있다. 그러나 저압에서 사용이 되던 글로브 밸브와 게이트 밸브가 가지는 구조적인 문제점으로 기인하는 낮은 유지보수성과 높은 단가 등 다양한 문제점들이 지속적으로 제기되면서 버터플라이 밸브와 볼 밸브 설치가 증가하는 추세 이다.[1]

버터플라이 밸브는 유체의 방향과 유량 제어를 위해 디스크가 회전하여 밸브개폐가 이뤄지는 회 전밸브(Rotary Valve)로써 다른 밸브 구조에 비해 면간거리[2](Face to Face dimensions)가 짧고 유량확보가 용이하고, 중량이 적은 장점[3]이 있다. 또한, 버터플라이 밸브의 무게 중심이 배관의 중심선에 거의 일치하여 배관계의 건전성이 향상되 고, 제작 및 유지보수가 용이한 장점으로 인해 개폐(On/Off)용도로도 많이 사용하고 있다. 높은 기밀성을 요구하는 라인 등에 버터플라이 밸브를 적용하기 위하여 현재 편심 구조를 적용한 삼중 편심(Triple offset) 버터플라이 밸브를 설치하여 사용하고 있다. 그러나, 삼중 편심 버터플라이 밸브는 Disc와 Seat의 실링면이 면접촉되어, 밸브 개방 시에 Disc가 90°회전되면서 Seat의 실링면이 작동 유체와 접촉되는 면적이 넓어 유체의 흐름과 직접적으로 충돌하게 된다. 넓어진 면적과 작동 유체와의 직접 충돌로 충격이 심해져 Disc의 변 형, Seat의 마모와 탈착 등의 구조적인 문제점이 발생하고 있다. 이에따라, 새로운 고기밀성 버터플라이 밸브인 사중 편심(Quadruple Offset)을 적용한 버터플라이 밸브에 대한 관심이 높아지고 있 다. 사중 편심 버터플라이 밸브는 면접촉의 삼중 편심 버터플라이 밸브와 달리 Disc와 Seat의 실링면이 균일하게 선접촉되어 작동 유체와의 충격이 기존의 편심버터플라이보다 절감된다. 충격이 절감됨에 따라 Disc 변형과 Seat가 빠르게 마모, 손상 되는 것을 방지하여 사용기간을 늘릴 수 있어 경제적이며, 밀폐성 및 차단성이 향상되는 장점이 있다.

버터플라이 밸브는 밸브 구동 즉 디스크와 시트의 Torque를 최소화함으로써 고기밀성을 강화시키고 중심형(Centric)에서 이중편심형(Double offset)까지 개발되어 오면서 최근 20년을 기점으로 많은 변화를 진행되어오고 있으며 최근 10년전부터는 삼중 편심 버터플라이 밸브가 연구되어 왔다. 삼중편심 버터플라이 밸브에 대한 연구들은주로 밸브의 손실 계수, 압력 변화에 의한 유동 특성, 유량 계수 등을 고려한 수치해석 연구[4]와양방향으로 사용이 가능한 삼중편심 버터플라이밸브에 대해 디지털 목업을 통한 간섭체크, 수치해석과 성능시험을 통한 내구성 검증 연구[5]를 수행하였다.

사중편심 버터플라이 밸브에 대한 연구로 밸브설계 시 고려해야 할 설계 파라미터 선정과 선정된 설계 파라미터에 대한 분석을 위해 직교 배열표를 구성하고 이에 따른 직교 배열 실험을 수행하고 밸브의 시팅 토크(Seating torque)에 대해분산 분석을 실시하여 설계 파라미터 특성 연구[6]를 수행하였으나, 밸브 성능과 특성에 대한 수치해석을 수행한 바는 없다.

본 연구에서는 8inch 사중편심 On/Off 버터플라이 밸브에 대해 수치해석을 통해 구조강도 안정성 검증과 유량 계수를 분석을 하고자 한다.

2. 편심 추가 및 소재 선정

삼중 편심 버터플라이 밸브는 면간 중심선(Flange center line)과 디스크 축 중심선(Shaft center line)의 편심(OFFSET 1), 시트 중심선(Seat center line)과 디스크 축 중심선의 편심( OFFSET 2), 면간 중심선과 시트 쐐기 각도( OFFSET 3)을 가진 밸브이다.

Fig. 1 Triple offset butterfly valve

연구하고자 하는 사중 편심 버터플라이 밸브는 기밀성을 높이기 위해 기존의 삼중 편심에 Fig. 2 와 같이 수직 방향의 디스크 중심선과 시트 중심선의 각도(OFFSET 4)를 추가한 밸브이다.

Fig. 2 Quadruple offset butterfly valve

Fig. 3 Model of quadruple offset butterfly valve

적용 유체는 Gas, Oil 적용압력은 0~15bar, 유량계수는 1,000 정도로 설정하였으며 온도는 상 온, 누수는 없는 것으로 설정하였다.

온도와 설계 압력에 적합한 재료를 선정하기위해 ASTM A351과 ASME B16.34의 규정에 따라 Body, Disc, Stem, Retainer 등의 부품은 내식성과 내강도성이 우수한 ASTM A351 CF8M로 선정하였으며, Bottom Cover와 Bolt&Nut는 A240 T316 적용하였다. 수밀성을 위해 탄성이 필요한 패킹(Packing)과 개스킷(Gasket)은 흑연소재(Graphite)를 사용하였다. 아래 Table 1은 밸브 파트별 물성치를 나타낸 것이다.

Table 1. Material properties

3. 밸브 구조강도 안정성 검토

버터플라이 밸브는 밸브 몸체 내에서 Disc가 회전하여 개폐하는 회전형 밸브이며 내부 유체에 압력을 항상 받고 있다. 따라서 버터플라이 밸브 내부 압력에 디스크가 닫힌(Closed) 상태와 90° 회전하여 열린(Full opened) 상태에 대하여 구조해석을 통해 구조물의 구조강도 안정성 검토를 실 시하였다.

구조해석을 수행할 밸브의 작동 최대 압력은 15Bar이며, 밸브의 설계 허용 응력은 BODY, DISK, Stem, Retainer의 경우 최소 515MPa이며, Bolt & Nut은 655MPa이다.

구조해석은 ANSYS V19.1을 사용하였으며, 유한요소 모델링에서 절점(Node)수는 380,967개, 요소(Element) 수는 1,156,374개로 해석을 수행하 였다. 경계조건은 Fig. 4와 같이 밸브의 개폐 여부와 상관없이 내부에 압력조건을 적용하였으며, 구속조건은 양플랜지 부분을 고정지지하였다.

Fig. 4 Boundary condition when valve closed and full opened

Fig. 5 Equivalent stress when valve closed

밸브가 닫힌 상태의 구조해석 결과 최대응력은 51.457MPa로 Stem과 연결되는 Disc hole 근처에서 발생하였으며 이는 항복강도 515MPa의 1/10배에 해당하는 값이므로 구조강도 안정성에는 문제가 없을 것으로 판단된다.

닫혀있는 밸브의 주요 파트별 구조강도 안정성을 보면 아래 Table 2에서 보듯이 Body, Disk, Stem 경우 항복강도 515MPa 대비 최대 응력이 높지 않으며, Bolt&Nut 역시 항복강도 655MPa보다 높지 않아, 버터플라이 밸브는 구조적 변형으로 인한 파손 및 안정성에는 문제가 없을 것으로 판단되며, 실제 운영 상태의 압력은 이보다 더 낮으므로 밸브는 매우 안전할 것으로 판단된다.

Table 2. Equivalent stress of each part when closed valve

Fig. 6 Equivalent stress of each part when closed valve

Fig. 6 Continued

Fig. 7 Equivalent stress when valve full opened

밸브가 열린 상태의 경우 밸브가 닫힌 상태와 거의 비슷한 Stem과 연결되는 Disc hole 부위에서 최대응력이 발생하였으며, 최대응력 75.0MPa 로 항복강도 515MPa의 1/6.86배에 해당하는 값이므로 열린 상태의 밸브 역시 구조강도 안정성에는 문제가 없을 것으로 판단된다.

열려있는 밸브의 주요 파트별 구조강도 안정성을 보면 Table 3과 같이 Body, Disk, Stem에서는 최대 응력이 항복강도 515MPa 대비 최대 응력이 높지 않으며, Bolt&Nut 역시 최대 응력이 31.4Mpa로 항복강도 655MPa보다 높지 않다. 그 러므로, 열려있는 버터플라이 밸브는 구조적 변형으로 인한 파손 및 안정성에는 문제가 없을 것으로 판단되며, 닫혀있는 밸브의 압력보다 더 낮으므로 밸브는 안전할 것으로 판단된다.

Table 3. Equivalent stress of each part when valve full opened

4. 밸브 유량계수 검토

유량계수(Cv)는 관련 문헌에서 여러 형태로 소개되고 있지만 가장 일반적인 정의[7]는 식 (1)과 같이밸브 특정 개도에서 온도 60℉인 물에서 llbf/in2의 압력 감소에 따른 유량(US Gallon/min)을 나타낸다.

\(C v = Q ( \frac { G } { \Delta P } ) ^ { 0.5 }\)       (1)

여기서 :통과유량(US Gallon/min) :압력감소(llbf/in2) :비중(=1 for water)

최근에는 SI 단위로 환산된 로 표시하는 경우가 많으며, 와 의 관계는 식 (2)와 같으 며, 의 경우 유량과 차압의 단위는 각각  과 bar를 사용한다.

\(K v = 0.865 C v\)       (2)

밸브의 디스크가 90° 회전하여 열린(Full opened) 상태의 유량계수 검토를 위해 유동해석은 ANSYS V19.1을 사용하여 유동해석을 수행하였다.

밸브의 유동해석을 위해 3D 모델링을 실시하였고, 정확한 결과와 효율적인 해석시간을 위해 개폐장치가 있는 영역은 그 외의 영역보다 격자를 조밀하게 생성하였다. 본 해석에 사용한 유한요소 모델링은 Fig. 8과 같으며, 모델링에서 절점(Node)수는 1,482,701개, 요소(Element) 수는 6,081,877개의 Tetrahedrons, Prisms, Pyramids Grid System으로 격자를 구성하였다.

Fig. 8 Equivalent stress of each part when valve full opened

밸브의 작동유체는 물이며, 입구에서 유입되는 입구에서 유입되는 유속은 2 m/s, 4 m/s, 6 m/s, 8 m/s이고, 유입된 유체가 빠져나가는 출구 부분은 압력 0Pa 조건으로 부여하여 배관 내부 작동유체의 배출이 가능하게 설정하였다.

내부 벽면은 열전달이 전혀 발생하지 않는 조건으로 가정하였으며, 난류 모델은 벽면에서 수렴성이 높은 Shear Stress Transport로 설정하였다. 자세한 물성치 및 경계조건은 Table 4와 같다.

Fig. 9 Modeling and Computational mesh

Fig. 10 Boundary condition when valve full opened

Table 4. Boundary conditions of simulation

유량계수() 값을 계산하기 위해 입구에서 유입되는 유속별로 통과 유량을 산출하였으며, ANSI/ISA 규정에 따라 밸브 전단부의 배관 직경2배인 2D, 후단 6D의 위치에서 압력을 측정하였 다. 입구 유속에 따른 유량계수는 Table 5와 같이 1028 ~ 1072 정도로 예측된다.

Table 5. Result of Flow coefficient

Fig. 11 Total Pressure and Velocity at a flow rate of 2 m/s

Fig. 12 Total Pressure and Velocity at a flow rate of 4 m/s

Fig. 13 Total Pressure and Velocity at a flow rate of 6 m/s

입구에서 유입되는 유속 2 m/s일 시 밸브 전단부 2D 지점의 평균압력은 0.11794 bar, 출구방향으로 6D 지점의 평균압력은 0.028482 bar로 차압은 0.089461 bar이며, Water의 유량은 266.18299  로 산출되었으며, 이때  값은 1028.778 이다.

입구에서 유입되는 유속 4 m/s일 시 차압은 0.329371 bar이며, Water의 유량은 532.3667 ,  값은 1072.324로 산출되었으며, 6 m/s일 시차압은 0.795799 bar이며, Water의 유량은 798.5681 ,  값은 1034.827로 산출되었다.

5. 결론

본 연구는 버터플라이 밸브의 문제점을 해결하고, 높은 기밀성을 요구하는 배관에 적용하기 위하여 기존의 삼중 편심 버터플라이 밸브에 편심을 추가한 8inch 사중 편심 On/Off 버터플라이 밸브에 대해 수치해석을 통해 구조강도 안정성 검증과유량 계수를 분석을 하였으며, 그 결과는 다음과 같다.

1) 연구하고자 하는 사중 편심 버터플라이 밸브는 기밀성을 높이기 위해 기존의 삼중 편심에 수직 방향의 디스크 중심선과 시트 중심선의 각도(OFFSET 4)를 추가하여 설계하 였다.

(2) 구조해석을 통해 버터플라이 밸브 작동 최대압력 15bar에 대해 디스크가 닫힌(Closed) 상태와 90° 회전하여 열린(Full opened) 상태의 구조물의 구조강도 안정성 검토를 실시한 결과 닫힌 상태와 열린 상태 모두의 최대응력이 Stem과 연결되는 Disc hole부근처에서 발생하였으며, 항복강도 대비 최대응력이 낮아 구조강도 안정성에는 문제가없을 것으로 판단된다.

(3) 버터플라이 밸브의 주요 파트인 Body, Disk, Stem, Bolt&Nut에 대해 구조해석을 통해 안정성을 검토한 결과 닫힌(Closed) 상태와 열린(Full opened) 상태 모두 최대응력이 항복강도보다 낮아 구조적 변형으로 인한 파손 및 구조강도 안정성에 문제가 없을 것으로 판단된다.

(4) 유량계수() 값을 계산하기 위해 입구에서 유입되는 유속별(2 m/s, 4 m/s, 6 m/s)로통과 유량을 산출하였으며, ANSI/ISA 규정에 따라 밸브 전단부의 배관 직경 2배인 2D, 후단 6D의 위치에서 압력을 측정하여산출한 유량 계수는 1,028 ~ 1,072 정도로 예측된다.

(5) 향후 본 연구에서 제안한 결과를 바탕으로 사중편심 버터플라이밸브가 고온 및 저온환경에서 사용할 수 있도록 소재 검토와 열응력에 대한 연구가 필요하다.