모든 것을 포괄하는-볼 밸브의 진화

컴팩트한 디자인, 사용의 단순성, 수리 용이성 및 폭넓은 성능 덕분에 볼 밸브는 현대 산업 응용 분야에서 지배적인 디자인이 되었습니다.

볼 밸브의 발명은 현대의 유량 제어 요구 사항을 충족하는 수많은 고유한 솔루션을 제공함으로써 밸브 산업에 혁명적인 발전이었음이 입증되었습니다. 그러나 성공적인 적용이 즉시 입증되지는 않았습니다.

볼 밸브의 수명 초기에는 현재의 자산과 가치가 실현되지 않았습니다. 진정한 둥근 공을 만들기 위한 가공 기술이 부족하다는 것은 존재하지 않았습니다. 그리고 천연고무를 사용하는 당시의 씰링 재료는 매우 제한적이어서 볼 밸브를 중요한 산업 용도로 적용하는 데에는 한계가 있었습니다.

제2차 세계 대전 중과 1950년대까지 전쟁을 위해 개발된 가공 기술을 통해 볼 밸브의 고유한 장점이 군사 용도로 도입될 수 있었습니다. 종종 테플론이라는 브랜드 이름으로 알려진 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE)과 같은 합성 소재의 개발은 산업 부문에 적용할 수 있는 길을 열었습니다.

오늘날 볼 밸브는 액체, 가스, 심지어 고체의 흐름 제어를 위한 다양한 응용 분야에 사용됩니다. 이러한 응용 분야는 -450°F(-267°)에서 1600°F(871°) 이상의 온도 범위에 있습니다. 압력 범위는 완전 진공에서 20,000psi를 초과할 수 있습니다.

볼 밸브 설계

볼 밸브의 주요 구성 요소는 몸체, 볼, 시트 및 스템입니다. 이러한 구성 요소는 다양한 재료로 만들 수 있습니다. 볼 밸브는 플랜지형, 나사산형, 용접형, 웨이퍼 등 다양한 연결구와 특수 연결구로 제공됩니다.

기초

볼 밸브 설계는 플러그 및 버터플라이 밸브를 포함하여 1/4{0}}회전 밸브 범주에 속합니다. 이 1/4{2}}회전 카테고리는 밸브 스템이 90도 회전되어 작동함을 의미합니다.

이러한 디자인 중 가장 일반적인 것은 플로팅 디자인과 트러니언-마운트 디자인입니다. 일반적으로 밀봉 시 양방향이며 열고 닫을 때 어떤 위치나 방향으로도 방향이 지정될 수 있습니다.

이 볼 밸브가 다른 설계에 비해 갖는 기본 장점 중 일부는 다음과 같습니다.

높은-흐름 효율성을 위한 전체 포트

낮은 토크

더 넓은 압력 및 온도 범위

높은 사이클 성능

우수한 스템 씰

화재-안전

자동화 비용이 저렴합니다.

플로팅 볼 설계는 밸브가 조립될 때 처음에는 부드러운 시트 사이에서 볼을 압축합니다. 이로 인해 시트 재료가 볼의 기공 안으로 차갑게 흘러 들어가고-진공 및 저압 밀봉이 생성됩니다.- 닫힌 위치에서 라인 압력은 볼을 다운스트림 시트로 강제로 밀어 넣습니다. 이는 시트의 압력 및 온도 설계에 대한 완벽한 차단을 제공합니다.

플로팅 디자인은 1/4인치에서 12인치 사이의 크기 범위에서 가장 일반적이지만 일부 제조업체는 최대 18인치 크기를 제공합니다. 플로팅 볼 밸브 크기는 볼의 크기와 무게, 그리고 크기가 커짐에 따라 회전하는 데 필요한 토크에 의해 제한됩니다.

트러니언-장착 설계는 플로팅 설계와 정반대로 작동합니다. 트러니언 설계에서는 볼이 플로팅할 수 없지만 하단의 베어링을 활용하여 상단의 스템과 샤프트 또는 트러니언에 의해 견고하게 위치합니다. 시트는 스프링을 사용하여 볼에 대해 압축되어 초기 저압-압력 밀봉을 개발합니다.

트러니언 밸브 시트는 압력이 증가하면서 상류 시트가 볼에 더 강하게 들어가도록 프로세스에 에너지를 공급하는 씰로 설계되었습니다.{0}} 이는 시트의 압력 및 온도 설계에 대한 완벽한 차단을 제공합니다.

트러니언 설계는 일반적으로 플로팅 볼 설계 적용이 중단된 부분을 대신하며 3~72인치 크기 범위에서 찾을 수 있습니다. 이 밸브 설계의 장점은 밸브 크기가 커짐에 따라 더욱 분명해집니다.

트러니언 밸브의 시트는 볼을 지지하지 않으므로 볼의 무게와 작동 토크는 중요한 요소가 아닙니다. 이는 트러니언 밸브 시트가 볼 밀봉에 특화되어 모든 유형의 플로팅 설계에서 만들 수 있는 것보다 더 작은 작동으로 훨씬 더 큰 밸브를 허용한다는 것을 의미합니다.

몸

볼 밸브 본체는 상상할 수 있는 거의 모든 금속으로 주조, 단조 또는 기계 가공할 수 있습니다. 이는 볼 밸브의 단순하고 컴팩트한 디자인 때문입니다. 적용 가능한 금속은 다음과 같습니다.

황동, 청동, 알루미늄과 같은 비철금속-

철, 탄소강, 스테인리스강을 포함한 철- 기반 금속

하스텔로이, 인코넬, 니켈을 포함한 니켈{0}} 기반 금속

티타늄, 탄탈륨, 지르코늄을 포함한 반응성 금속.

볼 밸브는 PVC, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌을 포함한 다양한 플라스틱과 폴리머로도 제작됩니다. 볼 밸브는 폴리머와 플라스틱으로 라이닝할 수도 있고 알루미나, 지르코니아와 같은 세라믹으로 만들거나 라이닝할 수도 있습니다.

미국의 밸브 몸체 기본 설계는 ASME(미국 기계공학회) 표준 B16.34 지침을 충족합니다. 이러한 표준은 대부분의 철 합금에 대한 압력{2}}온도 관계와 함께 벽 두께, 응력 수준 및 기타 매개변수를 결정합니다.

B16.10 지침은 또한 파이프라인 밸브에 대한 API(American Petroleum Institute) 표준 6D 및 API 608, "금속 볼 밸브-플랜지형, 나사형 및 용접 끝단"과 같은 산업별 표준과 같은 다양한 클래스의 밸브에 허용되는 치수를 지정합니다.- 이러한 사양은 치수, 재료 및 응용 분야를 제어하여 밸브 설계가 제조업체마다 일관되게 유지되고 의도된 응용 분야에 안전하도록 보장합니다.

수도 서비스의 볼 밸브는 AWWA(미국 수도 협회) 표준, C507-18, "볼 밸브, 6인치 ~ 60인치(150mm ~ 1500mm)"에 적용됩니다.

다른 많은 국가에는 국가 표준이 있으며, 여러 조직에서도 국제 표준을 육성합니다. 글로벌 시장에 진출하려는 밸브 제조업체는 ISO(국제 표준화 기구), PED(유럽 위원회 - 압력 장비 지침), CE(PED) 및 ATEX(Bureau Veritas) 표준을 준수해야 하며 중국, 러시아 등의 여러 표준을 준수해야 합니다. 이러한 표준을 충족하는 것은 유럽 연합과의 무역뿐만 아니라 일본의 JIS 표준 및 다른 지역의 유사한 요구 사항에 대한 필수 사항이 되었습니다.

볼 밸브 등급에 대한 기타 일반적인 사양으로는 WOG(물/오일/가스), CWP(냉간 작동 압력) 및 WSP(작동 증기 압력)가 있습니다. 이러한 등급은 더욱 제한적이며 일반적으로 개별 제조업체에서 설정합니다. 이러한 모든 사양은 밸브 설계에 대한 압력/온도 곡선을 설정하여 온도가 상승함에 따라 압력 등급을 낮추게 됩니다.

본체 디자인은 네 가지 기본 구성으로 구분됩니다.

3피스{0}}스윙 아웃. 몸체는 전체 밸브를 제거하지 않고도 수리를 위해 라인 밖으로 중앙 몸체 부분을 쉽게 흔들 수 있는 기능을 갖춘 세 부분으로 설계되었습니다. 이는 밸브가 파이프라인에 나사산이 있거나 용접될 때 편리합니다.

입장을 종료합니다. 이 디자인은 일체형-또는 유니바디 디자인을 사용합니다. 모든 내부 구성요소는 끝부분을 통해 밸브에 조립되며, 끝부분 플러그가 부품을 고정하기 위해 설치됩니다. 이 설계는 모든 형태의 본체 또는 보닛 씰을 제거하여 잠재적인 누출 경로를 제거합니다.

분할 본체. 이 디자인(그림 5)은 이름에서 알 수 있듯이 본체를 두 부분으로 나누어 조립이 용이하고 3개-부분 디자인보다 본체 밀봉이 하나 더 적습니다.

이러한 분할 본체 설계는 밸브 크기가 큰 경우 특히 유리하므로 대형 부품의 조립이 더 쉬워집니다.

탑 엔트리. 상단 입구 디자인은 내부 부품을 조립하기 위해 본체 상단이 노출된다는 점을 제외하면 끝 입구와 마찬가지로 일체형 본체를-활용합니다. 그런 다음 밸브 상단에 보닛을 볼트로 고정하여 이 설계를 3개-부분 설계와 유사하게 인라인으로 수리할 수 있습니다.- 가장 일반적인 상단 입구 디자인은 볼 밸브 디자인에 고유합니다. 볼과 시트가 다른 디자인과 달리 몸체 내에서 테이퍼 모양으로 일제히 떠서 작동하기 때문입니다.

공

볼 밸브의 유량 제어 요소는 물론 볼입니다. 볼은 시트에 작용하여 밸브를 통한 흐름을 중지하거나 제어할 수 있습니다. 볼은 표면 마감, 구형도 또는 진원도에 대한 정확한 공차를 고려하여 설계 및 제조됩니다. 볼과 시트는 모두 원활한 작동, 토크 감소, 우수한 밀봉 성능에 매우 중요합니다. 특히 금속 시트와 금속-대-금속 밀봉이 필요한 경우 더욱 그렇습니다. 볼 포트 구성은 표준 직선 및 관통 구멍 스타일에서 3{8}}~5{9}}방향 포트 설계를 제공하는 볼 밸브용 다중{7}}포트 스타일까지 다양할 수 있습니다. 대부분의 볼 밸브 설계는 완전 구형 볼을 사용하지만 반구(섹터)를 사용하는 설계와 캠 동작을 사용하여 볼을 시트에 밀어넣는 설계도 있습니다.

밸브에 사용되는 볼은 금속, 세라믹 또는 플라스틱을 포함한 다양한 재료로 가공됩니다. 금속구는 다양한 코팅이나 표면 처리를 통해 강화될 수 있습니다. 이는 향상된 내마모성, 내식성 또는 높은 경도를 제공하여 모재 금속이 지탱하지 못하는 마모를 방지하는 데 사용됩니다.

표면 강화에는 폴리머, 화염 스프레이, 무전해 니켈, PVD 코팅, 질화물 및 붕화물 도포와 같은 확산 공정이 포함될 수 있습니다. 이러한 개선 사항은 현재 사용되는 다양한 응용 분야에서 볼 밸브를 성공적으로 적용할 수 있는 주요 이유입니다.

좌석

시트 디자인과 기술의 향상으로 볼 밸브가 다양한 응용 분야로 확장될 수 있게 되었습니다. 이러한 시트는 밸브 설계 및 시트 재질에 따라 다양한 기능을 제공할 수 있습니다.

탄력 있는 재료의 경우 완벽한 차단 기능을 제공할 뿐만 아니라 플로팅 볼 설계에서 볼을 지지하고 서비스에 저항하며 우수한 사이클 수명을 제공해야 합니다. 시트에는 흐름 제어 목적으로 특성화된 포트가 통합될 수도 있습니다.

부드러운 시트 디자인은 일반적으로 조립 시 전면 접촉을 제공하는 '잼' 디자인 또는 낮은 토크와 향상된 사이클 수명을 위해 면 접촉을 줄이는 유연한 립 디자인이라고 합니다.

다양한 차체 디자인은 이러한 기본 소프트 시트 디자인의 변형을 사용합니다. 또한 많은 제조업체의 설계에서는 캐비티 압력 완화 기능을 제공하여 닫힌 밸브에 갇힌 매체로 인해 캐비티 압력이 갇힐 경우 시트와 밸브가 손상되는 것을 방지합니다.

오늘날 사용되는 소프트 시트 재료는 다음을 포함하지만 이에 국한되지는 않습니다.

네오프렌 및 Buna를 포함한 고무

PTFE, TFM, PBI 및 PFA를 포함한 불소 중합체

UHMWPE(초-고분자량 폴리에틸렌)

PEEK(폴리에테르에테르케톤)

델린

나일론

금속 시트 디자인은 볼 밸브에 사용되어 고압, 고온, 마모성 및 유량 제어를 포함한 가장 가혹한 응용 분야를 처리합니다.

다양한 금속 시트 디자인이 사용되고 있으며, 그 중 가장 일반적인 것은 견고한 금속 시트를 통합하고, 표면 경화 또는 코팅하고, 유사하게 경화된 볼에 랩핑한 것입니다. 이는 볼과 시트 표면을 일치시켜 좋은 밀봉에 영향을 줍니다.

다른 디자인에는 흑연이나 PTFE가 함침된 소결 금속과 일부 유연한 디자인이 포함됩니다. 탄성 시트는 기밀-해야 하지만 금속 시트가 있는 대부분의 밸브는 금속-시트 볼 밸브의 누출 사양 비율에 따라 약간의 누출이 허용됩니다. 이러한 사양 중 가장 일반적인 것은 MSS-SP-61 및 API 598입니다. 금속 시트 볼 밸브에 일반적으로 적용되는 다른 사양으로는 FCI 70.2 및 API 표준이 있습니다.

대부분의 금속-시트형 플로팅 볼 디자인은 스프링 및/또는 씰을 사용하여 시트를 볼에 대해 압축하고 낮은 압력을 위해 시트 뒷면을 밀봉합니다. 압력이 증가하면 볼이 다운스트림 시트에 떠서 푹신한 시트 버전의 작동과 유사하게 시트의 압력 및 온도 설계에 대한 차단 기능을 제공합니다.{2}}

트러니언 설계에서는 라인 압력을 포착하기 위해 스프링과 종종 여러 개의 씰이 사용되며, 압력이 증가함에 따라 시트가 볼에 대해 더 세게 작용합니다. 일부 제조업체는 시트 표면을 밸브 본체에 가공하여 한 방향의 스프링과 씰을 제거하기도 합니다. 그러나 이로 인해 일반적으로 단방향 밸브 작동이 발생합니다.

줄기

스템은 볼 밸브에서 볼을 열림 또는 닫힘 위치로 회전시키거나 흐름 제어를 위한 중간 위치로 회전시키는 데 사용됩니다. 스템으로 고려되는 재료는 몸체, 볼 또는 시트의 압력보다 더 많은 것을 견뎌야 합니다. 밸브가 작동할 때 가해지는 토크를 견딜 수 있을 만큼 충분한 강도를 유지하면서 공정의 부식과 온도에 저항해야 합니다. 이러한 이유로 일반적으로 스템 제조에는 더 높은 강도와 ​​내부식성{3}}저항성 재료가 선택됩니다.

스템은 볼과 연결되는 부분이므로 몸체를 통과해야 외부에서 작동할 수 있습니다. 이를 위해서는 밸브의 매체가 빠져나가는 것을 방지하기 위해 스템에 씰이 있어야 합니다. 씰은 -기포가 없도록 밀봉하고 유체 부식과 온도를 견뎌야 하며 양호한 사이클 수명을 제공해야 합니다.

일반적인 스템 씰 재료에는 PTFE 및 PEEK와 같은 폴리머가 포함됩니다. 더 높은 온도나 화재 안전을 위해 일반적으로 흑연 스템 씰이 사용됩니다. 이 소재는 넓은 온도 범위에서 유연성을 유지하며 내화학성이 있습니다. 방화-밀폐 밸브에서 씰은 화재 시 누출 없이 살아남아야 합니다.

볼 밸브와 같은 로터리 1/4{0}}회전 밸브 설계는 스템 씰 성능이 가장 뛰어납니다.- 이는 게이트 밸브와 글로브 밸브에서 볼 수 있는 상승 스템 동작과 달리 회전 동작으로 스템이 움직이기 때문입니다. 오늘날의 환경 문제와 규제로 인해 스템 씰 성능은 밸브 제조업체와 최종 사용자에게 매우 중요합니다-.

스템 씰 디자인은 스템-에너지 씰과 본체-에너지 씰의 두 가지 기본 범주로 분류됩니다. 이러한 디자인은 다양한 유형의 씰을 사용하며 가장 일반적인 것은 플랫 링, 쉐브론, 컵 및 원뿔 및 모놀리식 요소입니다.

줄기에 활력이 넘칩니다.이 디자인에는 일반적으로 여러 개의 씰 링이 있습니다. 이들 중 일부는 기본 씰이 되는 밸브 본체 압력 경계 내부에 있고 다른 일부는 "패킹" 또는 "채우기" 상자라고 불리는 압력 경계 외부에 있습니다.

이러한 씰은 스템 너트로 스템을 당기는 동작을 통해 압축되거나 에너지가 공급되며 동시에 패킹 팔로워로 상부 씰을 압축합니다. 이러한 설계의 대부분은 씰에 활하중을 가하기 위해 Belleville 스프링을 통합합니다. 이로 인해 스템 씰 어셈블리가 자체 조정되고 온도가 보상되므로 재조정이 필요하기 전까지 사이클 수명이 길어집니다.

신체에 활력을 불어넣습니다.이 설계에서는 단일 또는 다중 밀봉 링을 사용하여 스터핑 박스의 압력 경계 위에서 밀봉이 수행됩니다. 일부 제조업체는 압력 경계 아래 스템에 스러스트 베어링을 사용할 수 있지만 실제로는 밀봉이 수행되지 않습니다.

이러한 씰은 "요크" 또는 "글랜드 플레이트"를 사용하여 로드되며 본체에 나사로 고정된 볼트를 사용하여 스터핑 박스의 씰을 압축합니다. 이 설계는 일반적으로 볼트에 있는 여러 벨빌 스프링을 활용하여 글랜드 플레이트에 다시 "활하중"을 가하여 스템 씰이 자동으로 조정되도록 합니다-.

이 설계의 장점은 스템이 씰 내에서 자유롭게 떠서 토크를 줄이고 스템 씰 수명을 연장한다는 것입니다. 또한 이 설계를 통해 여러 씰 세트를 활용하여 독성 및 고주기 애플리케이션을 위한 추가 또는 중복 씰을 생성하는 "비산 배출" 설계를 통합할 수 있습니다.{1}}

응용

최신 볼 밸브에 제공되는 고급 디자인과 재료를 통해 다양한 서비스 및 산업에서 활용됩니다. 이러한 응용 분야의 성공 여부는 논의된 대로 모든 설계 및 구성 요소의 올바른 사양에 따라 달라집니다.

볼 디자인은 온/오프 서비스에만 국한되지 않습니다. 흐름을 전환, 제어 또는 혼합하는 데 사용할 수 있습니다. 전환 및 혼합을 위한 여러 포트를 갖거나 흐름 제어를 위한 V-포트와 같은 특성화된 포트를 가짐으로써 다양한 기능을 수행할 수 있습니다.

1/4회전 제어 볼 밸브 사용은 적당한 압력 강하 흐름 제어 응용 분야에서 점점 더 보편화되고 있습니다.- 이는 전기 및 공압 작동에 대한 디지털 제어와 결합할 때 더 낮은 비용, 긴밀한 차단 및 높은 정확도의 프로세스 이점 때문입니다.

고유한 응용 분야를 위한 특수 볼 밸브 설계도 있습니다. 여기에는 극도로 낮은 온도를 처리해야 하는 극저온 서비스용 밸브와 극도로 높은 온도와 압력을 처리해야 하는 고압 증기용 밸브가 포함될 수 있습니다.

기타 볼 밸브 응용 분야에는 제약, 항공우주, 원자력, 생명 공학, 펄프 및 제지와 같은 산업에서의 사용이 포함됩니다. 사용되는 응용 분야에는 산 및 화학 물질, 슬러리, 열 유동, 증기 및 극저온이 포함됩니다.

결론

컴팩트한 디자인, 사용의 단순성, 수리 용이성 및 폭넓은 성능 덕분에 볼 밸브는 현대 산업 응용 분야에서 지배적인 디자인이 되었습니다. 그리고 볼 밸브는 새롭고 더욱 까다로운 요구 사항을 충족하기 위해 계속 발전하고 있습니다.

산업 부문에서는 안전, 환경, 효율성 향상 및 비용 절감에 점점 더 중점을 두고 있습니다. 따라서 볼 밸브의 자산은 앞으로도 많은 역할을 담당하는 중요한 플레이어가 될 것입니다.