본 연구에서는 차단기능형 수평식 가스밸브와 기존 수직식 가스밸브의 변형거동 안전성을 FEM으로 해석하였다. FEM 해석결과에 의하면, 차단기능형 수평식 가스밸브의 나사부와 가스방출구에 가스내압이 작용할 때 밸브몸체의 우측 끝단부에서 최대 변형량 $4.4{\mu}m$가 발생하였다. 두 번째로 큰 변형량 $2.9{\mu}m$는 안전밸브가 설치된 포트의 끝단부에 형성된 것으로 나타났다. 이렇게 작은 변형량이 발생한 것은 나사부, 가스방출구, 스템 및 스핀들 축이 장착되는 포트, 안전밸브 포트로 구성되는 수평식 가스밸브의 평형이 잘 이루어지도록 설계되었기 때문이다. 반면에 나사부와 가스방출구에 가스내압이 작용할 때, 기존 차단기능형 수직식 가스밸브의 상단부에서 최대 변형량 0.076mm가 형성된 것으로 나타났다. 가스유출구의 좌측 끝단부에서 두 번째로 큰 최대 변형량 0.055mm가 발생하였다. 이러한 변형량은 차단기능형 안전장치의 그루브에 삽입된 오링의 밀봉간극에 영향을 미칠 가능성이 높다. 따라서 본 연구에서는 LPG 용기용 가스밸브의 가스누출을 완벽하게 차단할 수 있는 메커니즘을 갖춘 차단기능형 수평식 가스밸브가 수직식 가스밸브에 비해 우수하다할 수 있다.
본 연구에서는 LPG 용기용 가스밸브의 강도 안전성과 몸체의 경량화 해석을 9개의 밸브모델에 대하여 유한요소해석 프로그램 MARC 및 다구찌의 실험적 설계법을 사용하였다. 가스밸브의 몸체에 작용하는 Von Mises 최대응력은 밸브에 작용하는 최대가스압력 $91kg/cm^2$을 적용하여 황동밸브 구조물의 안전성을 고찰하였다. 여기서 최대압력 $91kg/cm^2$은 LPG 가스용기의 안전계수를 고려한 것으로 안전성 해석이나 최적설계를 수행하는데 충분한 작동압력이다. 밸브몸체의 자중량을 줄이기 위해 수행된 해석은 LPG가스의 유동손실을 줄이고, 최적설계에 따라 소재가격을 낮출 수 있기 때문에 설계단계에서 고려해야 할 하나의 주요변수이다. 계산결과에 따르면, 최적설계 밸브모델은 9번이고, 이때의 최적설계 변수는 가스가 통과하는 밸브의 아래쪽 A의 반경 r=10mm, 위쪽 B의 반경 r=6mm, A와 B의 연결부 파이프 길이 l=2 mm로 결정되었다.
액화석유가스 용기용 과류차단 밸브의 개발에 관한 연구이다. 이 밸브는 베르누이 방정식과 뉴턴의 법칙을 응용하여 개발하였다. 이것은 기존의 밸브 하단에 모듈을 삽입함으로써 과류가 발생하면 모듈이 상승하여 모듈상단의 헤드에 부착된 차단변이 가스의 통로를 폐쇄함으로써 작동된다. 최근 가스 사용이 증가됨으로써 이에 따라 가스사고가 많이 발생되고 있다. 따라서 한국에서는 과류밸브의 사용을 의무화하고 있지만 아직 개발되지 않고 있다. 본 연구는 LP가스 용기용 밸브의 과류 발생시 자동 차단되는 밸브이다. 본 밸브가 채택된다면 많은 가스 사고로부터 벗어 날 수 있을 것이다.
본 연구는 LP가스 용기용 밸브의 개발에 관한 것으로 안전밸브의 개념을 도입했다. LP가스 용기는 사용의 편리성 때문에 많이 이용되고 있지만 많은 사고가 발생되고 있다. 특히 자해나 남을 해할 목적으로 이용되기도 하며 때때로 시위도구로 사용되기도 한다. 정부에서는 이와같은 사고를 줄이기 위하여 과류밸브를 사용하도록 의무화하고 있지만 제품개발이 뒤따르지 못하고 있는 실정이다. 본 연구에서는 과류밸브보다 근원적 안전개념을 도입한 안전밸브의 개념을 소개한다. 이것은 기존의 밸브에 모듈을 삽입하는 방법으로 개발되었으며 밸브에 호스나 조정기가 연결되지 않은 상태에서는 가스의 흐름이 억제된다. 또한 정상 사용중이더라도 호스가 절단되거나 과류가 발생되면 즉시 가스의 흐름은 차단된다.
대한민국 정부에서 2014년부터 LPG배관망과 LPG소형탱크를 도시가스 공급망 개설이 어려운 산간이나 도서지역에 보급하는 사업을 시작했다. 마을단위와 군단위로 LPG집단공급시설을 설치하면서 기존의 가스공급 압력이 아닌 10배 이상의 높은 준저압(25kPa~100kPa)으로 소비자에게 공급하게 되면서 가스사고의 위험성이 높아졌다. 기존의 가스공급압력보다 10배 이상 높은 압력이기 때문에 가스가 누출 되었을 때 빠른 속도로 많은 양이 누출하게 된다. 이에 준저압 가스배관의 안전성 확보를 위해 과류차단밸브가 필요하게 되었지만, 국내에서는 준저압 매몰배관용 과류차단밸브가 미개발되어 있으며 보급 또한 되어 있지 않는 상황이다. 이에 한국가스안전공사에서는 과류차단밸브의 국산화를 위해 과류차단밸브를 기개발한 해외의 성능기준과 제품을 조사 중에 있으며, 과류차단밸브의 성능평가를 위해 성능시험설비를 구축하여 준저압 연료가스 매몰배관용 과류차단밸브를 연구 개발 중에 있다.
본 연구는 가스사고의 전형적이고 대표적인 폭발사고와 관련하여 LP가스용기밸브 압력정기, 중간밸브(볼밸브) 및 염화비닐호스로부터의 가스누출량이 어느 정도 되는지에 대하여 이론적으로 계산한 가스누출량과 실제 가스누출량에 대하여 실험을 통하여 연구함으로서 체적공간에서의 폭발과정과 점화원 및 사고경위를 조사하는데 중요한 자료로 활용하고 의도적이거나 취급 또 시공상의 부주의에 의한 가스누출 발생시 사고당시 가스누출량을 확인하는데 활용하고자 연구하게 되었다.
본 연구에서는 LPG 용기용 가스밸브의 강도안전성에 대한 FEM 해석결과를 제시하고 있다. FEM 해석결과에 의하면, 가스밸브가 완전히 열린 상태에서 3.5 MPa의 공급압력을 적용하였을 때, 안전밸브와 나사의 상단부사이의 경계 지역에서 발생한 von Mises 최고응력은 99.2 MPa로 나타났다. 99.2 MPa라는 von Mises 최고응력은 황동소재의 항복강도에 비해 낮은 값으로 충분히 안전한 결과이다. 이 경우에, 압력조정기의 상측 오른쪽에서는 최대 변위량 0.002mm가 발생하였다. 최대로 변형된 이 지역은 가스밸브에 설치된 오링이나 다이어프램과 같은 밀봉 부분이 아니므로 의미를 부여할 필요는 없다. 기존의 개폐식 밸브와 압력 조정기를 일체형으로 형성하여 제시한 하이브리드형의 가스밸브 모델은 LPG 용기용으로 가스누출이 없는 메커니즘과 최소로 단순화시킨 크기의 가스모델로 추천된다.
본 연구에서는 특수가스용기용 밸브의 안전성에 관한 실험적 연구를 수행하였다. 시험용 밸브는 특수가스용기에 부착되었던 것을 무작위로 수거한 것으로 가스누출 및 작동 안전성에 대한 시험을 실시하였다. 실험결과에 의하면, 밸브의 몸체, 나사 체결부, 안전판, 방출구, 스템부, 핸들에서 가스누출 안전성에 영향을 미칠 정도의 크랙, 마모, 부식, 변형이 발생하지 않았다. 다만, 핸들의 페인트 일부가 벗겨지고, PT나사와 몸체에서 녹이 국부적으로 형성되어 있지만, 가스누출 안전성에 영향을 미칠 정도는 아니었다. 또한, 탈거한 밸브에서 가스누출은 발생되지 않았다. 다만, 밸브스템의 영구변형과 오링의 마찰표면 일부에서 손상이 관찰되었다. 따라서, 탈거된 밸브의 가스누출 안전성을 보장하기 위해서 밸브시트와 오링 교체하는 것이 바람직함을 알 수 있다. 또한, 핸들의 조임력을 주기적으로 점검하는 것이 필요함을 알 수 있었다.
최근 커피시장의 고속 성장과 더불어 커피 포장용 가스배출 밸브(Degassing valve)의 수요도 급격히 증가하고 있다. 가스배출 밸브 주요 제조사(Big maker)로 Goglio사(이탈리아), Bosch사(독일) 및 Wipf사(스위스)가 있는데, 이들이 전세계 가스배출 밸브 포장재 소비량의 80%이상을 공급하고 있다. 국내시장 역시 대부분 수입에 의존하고 있어 수입 대체와 국내 포장산업 활성화를 위해 기술적 차별화와 동시에 선진기업 수준의 품질 성능을 갖춘 가스배출 밸브의 개발이 필요하였다. 따라서, 본 연구에서는 링타입 고무막을 적용하여 중앙 개폐형 가스배출 밸브(SP 밸브)를 개발하였으며, 실험을 통해 열림압력 820~1200 Pa, 닫힘압력 10~50 Pa, 가스 유동율 1.2~1.6 L/min로 Goglio 밸브와 대등한 수준의 품질 성능을 확인할 수 있었다. 또한, 식품용 기구 및 용기 포장 공전에 따른 밸브의 식품용기 품질 적합성을 확인하였으며, 향후 커피 포장용 밸브의 국내외 시장 점유율 확대와 함께 국내 발효식품 포장에 적용함으로써 한식 세계화에 기여할 것으로 기대된다.
지난 2013년 7월 25일 도시가스사업법 시행규칙 개정에 따라 도시가스 은폐배관 설치 시 천정에 가스누출점검을 위한 점검구를 뚫거나 값비싼 다기능가스안전계량기를 설치해야 한다. 이에따라 수많은 민원이 발생하여 대한설비건설협회(이하 협회)는 실내 미관을 위해 점검구의 크기를 축소하고, 가스누출 점검을 위한 대체방법으로 다기능가스안전계량기 뿐만 아니라 가정에서 저렴하게 설치할 수 있는 가스누출확인배관용밸브 설치도 허용해 줄 것을 건의해 왔다. 협회 건의에 대해 가스기술기준위원회는 지난 1월 27일 질의회신을 통해 가스누출확인배관용밸브 설치 시 은폐배관의 가스누출이 탐지 가능하므로 가정 내에서 이 밸브를 설치할 경우 점검구를 뚫지 않아도 된다고 회신했다.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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