배관 및 밸브 기술

오늘은  배관 및 밸브 기술에 대해서 알아보겠습니다. 배관 및 밸브는 설비 현장에서 가장 많이 쓰이는 부품 중에 하나입니다. 이 내용을 잘 알아가시면 도움이 많이 될거라 생각이 듭니다.

 

1. 배관 재료의 종류 및 선택 

   - 배관 재료의 종류에서 선택은 여러 가지로 나누어집니다. 유체의 수송에 사용되는 관의 종류에는 강관, 주철관, 동관, 연관, 스테인리스 강관, 알루미늄관, 티타늄관, 합성수지관, 콘크리트관, 도관 등이 있고 라이닝관(Lining Pipe)과 같은 새로운 제품이 계속 생산되고 있으며, 그 종류도 다양합니다. 

 

관 재료는 사용 목적에 따라 내식성, 내구성, 내압성, 내 충격성, 내 약품성 들이 요구되지만, 이러한 성질을 고루 갖춘 재료는 없으므로 각 관의 재질에 따른 특성에 따라 관을 선택하여야 합니다. 배관 시공 계획에 따라 관 재료를 선택할 때에는 다 음과 같은 점을 고려하여야 합니다.

   

   (1) 관속에 흐르는 유체의 화학적 성질을 알아야 합니다.

      - 수송 유체에 따른 관의 내식성, 수송 유체와 관의 화학반응으로 유체의 변질 여부, 유체의 온도 또는 농도 변화에 따른 관과의 화학반응, 지중 매설 배관할 때 토질의 화학 변화등을 생각하여야 합니다.

 

  (2) 물리적 성질

      - 수송 유체에 고형물이 혼재되어 있는 경우 관의 내 마모성을 생각하여야 하고 유체의 온도 변화에 따른 물리적 성질의 변화 및 유체의 저항응력은 물론 맥동 수격 작용이 발생할 때의  내압강도, 유체가 관속에서 동결될 때의 기계적 성질의 변화, 지중 매설배관일 때 외압으로 인한 강도등의 물리적 성질을 잘 파악하고 있어야 됩니다.

 

   (3) 기타 사항

       -항공기, 열차 등과 같이 진동이 문제 되는 배관에 있어서 이를 흡수할 수 있는 접합 방법의 가능 여부, 지리적 조건에 따른 수송문제, 사용시간(수명) 및 시공방법들이 있을 수 있습니다.

 

   (4) 강관의 종류 

   - 강관은 일반 건축물은 물론 공장, 선박, 기차, 차량 등의 급수, 급탕, 증기, 배수, 가스배관 외에 광산이나 산업공장에서의 압축 공기관 등의 각종수송관으로  또는 일반 배관용으로서 광범위하게 널리 사용됩니다. 

    ① 배관용 

       - D3507 배관용 탄소강 강관, 증기, 물, 가스 미치 공기등의 사용압력 10kg/㎠이하의 일반 배관용

       - D3562 압력 배관용 탄소강 강관, 350℃이하, 사용압력 10~100kg/㎠ 압력배관용

       - D3564 고압 배관용 탄소강 강관, 350℃이하, 사용압력 100kg/㎠ 이상의 고압배관용

       - D3570 고온 배관용 탄소강 강관,  350℃이상 고온 배관용

       - D3583 배관용 아크 용접 탄소강 강관, 호칭경 350~1500A 대경관, 사용압력 15kg/㎠ 이하 수도 일반 배관용

       - D3573 배관용 합금강 강관 Mo강, Cr-Mo 강의 이음매 없는 관, 고온도의 스테인리스 관

       - D3576 배관용 오스테나이트 스테인레스 강관, 내식, 내산, 고온용 배관

       - D3569 저온 배관용 강관, 빙점 이하의 특히 저온용에 사용되는 배관

       - D3507 수도용 아연도금 강관, 정수도 100m 이하의 수도용으로 SPP아연도금

   

   ② 열전달용

      - D3563 보일러, 열교환기용 탄소강 강관

      - D3572 보일러, 열교환기용 합금강 강관

      - D3577 보일러, 열교환기용 스테인리스 강관

      - D3571 저온 열교환기용 강관

 

   ③ 구조용

      - D3566 일반 구조용 탄소강 강관

      - D3517 기계 구조용 탄소강 강관, 자동차, 자전거, 기계 항공기등의 부품으로 사용

      - D3574 구조용 합금강 강관, 항공기, 자동차, 자전거 기타 구조물에 사용

      - D3536 구조용 스테인레스 강관, 항공기, 자동차, 자전거 기타 구조물에 사용됨

      - D3568 일반 구조형 각형 강관

 

 2. 스테인리스 강관

    (1) 스테인레스 강관의 특징

   - 내식성이 우수하여 계속 사용 시 내경의 축소, 저항 증대 현상이 없습니다.

   - 위생적이어서 적수, 백수, 청수 염려가 없습니다.

   - 강관에 비해 기계적 성질이 우수하고, 두께가 얇고 가벼워 운반 및 시공이 쉽습니다.

   - 저온충격성이 크고, 한랭지배관이 가능하며 동결에 대한 저항은 큽니다.

   - 나사식, 용접식, 몰코 식, 플랜지식 이음법 등 특수 시공법으로 시공이 간단합니다. 

 

   (2) 스테인리스 강의 분류

      (가) 오스테나아트계 스테인레스강  (STS316) 

          - 결정구조는 면심입방격자로 열처리에 의해서는 경화되지 않고 가공에 의해 경화되며, 대표강종은 304 강종으로 18Cr-8Ni 이 기본조성입니다. 오스테나이트조직은 상온과 고온에서 안전하게 존재하기 때문에 압연 중에 변태현상을 동반하지 않고 비 자서입니다.

   

      (나) 페라이트계 스테인레스강 (13Cr)

          - 페라이트계 스테인레스강은 체심입방구조로 오스테나이트계 스테인레스강 보다 내식성은 열위지만 응력부식균열에는 우수합니다. 또한 상온에서 강자성이며 열처리에 의해 경화되지 않고 냉간 가공성이 매우 우수합니다.

 

     (다) 마르텐사이트계 스테인레스강 (페라이트계를 담금질)

          - 마르텐사이트계 스테인레스강은 상온에서 강자성을 보이며, 일반적으로 내식성은 열 위 한 편이나 강도가 우수하여 고강도 구조용강으로 사용됩니다. 고온에서는 오스테나이트 조직을 보유하며 공냉 또는 유냉에 의해 마르텐 사이트 변태를 상온에서 완전한 마르텐사이트 조직을 갖습니다.

 

   (3) 스테인레스강의 종류

      - 304 (L) 계열은 오스테나이트계의 기본강종, 내식성, 내열성 우수, 저온강도, 기계적 성질 우수, 식품설비, 일반 화학설비, 원자력 배관 파이프, 저장기기, 내열부품용 및 화학부품, 내열부품용으로 사용됩니다.

      - 305 계열은 304 대비 Ni를 상향시킨 비자성 강종, 가공에 의해 자성 발생이 없고 성형성이 우수하며 주로 전자부품용으로 사용됩니다. 용도로는 양식기, 전자부품, 특수인발용, 냉간 압조용으로 사용됩니다.

      - 316 (L) 계열은 Mo첨가 (2~3%)로 내공식성 우수하며 고온 Creep 강도가 우수합니다. 파이프, 화학탱크 (제지산업, 비료공업), 등으로 사용되면 파이프, 화학탱크, 용접부 부품용으로 사용됩니다.

      - 321 계열은 예민화 구간 (450~850℃)에서 사용되며 보일러 열교환기, 파아프, 화학설비, 항공기 배관용으로 사용합니다.

      - 409L 계열은 용접성 향상을 위해 카본 및 Nitrogen 안정화 원소인 Ti 등이 첨가된 내열강이며 11% Cr을 함유, 고온 및 상온에 완전한 BCC 구조를 가지는 페라이트 스테인리스 강입니다. 자동차 배기관 부품, 열교환기등으로 사용됩니다.

      - 410 (L) 계열은 고강도와 인성을 요구하는 강종 열처리에 기계적 성질을 확보하며 생산 Cost 면에서 유리하고 가 공성이 양호하 부식환경에 취약한 특성을 가집니다. 1종양식기, 컨테이너 프레임용, 버너, 자동차 배기장치등에 사용됩니다. 

      - 420J1/J2 계열은 고탄소 마르텐사이트계 강종으로 우수한 소입 경화능 및 고 강도의 기계적 성질을 요구하는 제품소재로 사용됩니다. 터빈블레이드, Dinner Knife, 가위, 노즐, 밸브용도로 사용됩니다.

      - 430 계열은 범용적인 비열경화용 페라이트계 스테인리스 강으로 자성을 띄며 Ridging 및 Stretcher Strain이 발생합니다. 전자부품, 가스레인지 상판, 2종양식기 및 건축 내장용으로 사용됩니다.

      - 444 계열은 400계 스테인리스강의 고유특성으로 인해 304 강 대비 가공성 및 용접성은 다소 미흡 하나 극저 C+N으로 가공성을 향상했으며 안정화페라이트 원소인 Nb 첨가로 Fully 페라이트 조직을 보유함으로써 내부식성, 연성, 내응력부식 균열성 개선 및 용접전후 열처리 생략이 가능한 저수조용 신강종입니다. 대용량 저수조, 배수지, 태양열 온수기, 전기온수기 등 음용수 설비에 사용됩니다.

 

3. 밸브의 개요

   (1) 밸브란 

      - 밸브는 우리 주변에서 흔히 볼 수 있고, 또한 일상생활에서도 많이 사용하고 있습니다. 그 실례로 아마 오늘 아침에도 주부들은 조리를 하기 위해 가스레인지의 밸브를 동작시켰을 것이며, 출근 또는 등교를 위한 분들은 세면대에서 물을 사용하기 위해서 밸브를 조작했을 것입니다. 여기서 우리는 밸브의 역할을 짐작할 수 있을 것입니다. 즉, 세면대 입구까지 차 있던 물을 흐르게 할 수 도 있고, 멈추게 할 수도 있으며, 흘려 나오는 물을 양을 조절할 수도 있습니다.

 

밸브란 기 액상의 유체가 흐르게 되는 압력 배관계를 구성하는 한 요소로서 유체의 흐름의 개폐, 유량조절, 유체의 압력조절, 유체의 방향전환, 역류방지 등을 목적으로 사용되는 기계적 장치를 말합니다. 

 

  (2) 밸브의 기본 구성

      - 모든 밸브는 수송하는 유체의 압력, 온도 및 유랭에 합당한 크기와 구조를 가지고, 유체에너지가 손실되지 않도록 외부와 불필요한 에너지 교류는 피하여야 하며, 밸브의 원활한 기능 유지를 위해서는 구조적 안정성이 중요하며, 밸브를 구성하는 재료 등은 유체의 화학정 성상과 온도, 압력 등 물리적 특성을 고려하여 설계되고, 이에 맞추어 밸브가 제작되어집니다. 하지만, 설계 개념보다 단지 각 파트별 기능 중심으로 압력 용기부, 제어부, 조작부 등으로 나누어 보도록 하겠습니다.

 

   1) 압력 용기부 

      - 압력 용기부는 몸통, 덮개등으로 구성되며, 밸브의 다른 부분을 유지하는 기초적인 부분이 되며, 또한 밸브 내로 흐르는 유체와 외부를 격리하는 부분이라고 할 수 있습니다. 

     

       ※ 압력 용기부 제조 방법

         - 주조 (Casting) : 복잡한 형상에 적합하나 주물 결합의 발생 가능성에 주의해야 합니다.

         - 단조 (Forging) : 소형 밸브에 많이 사용되며, 복잡한 내부 유로를 만드는데 비용이 많이 소요되는 단점이 있습니다.

         - 용접 (Welding) : 압력이 높지 않은 곳에 사용됩니다.

 

    2) 제어부 

       - 제어부란 유체와 접촉을 통해 직접 흐름을 차단하고, 조절하는 부품들을 뜻합니다. 예를 들면 자동차 운전자가 정지페달에 발을 올렸을 때 달리고 있던 자동차의 속도를 감소시키고, 정지시키는 것은 운전자의 발이 아니라 회전하고 있는 바퀴와 감속장치인 라이닝 페달의 마찰력이라는 물리적인 힘에 의해서 이루어진다는 것입니다. 여기 밸브에서 직접 유체를 차단하고, 조절하는 부품은 Disc(Gate)나 Body Seat가 이 역할을 수행하며, 이를 제어부라고 합니다.

  

     3) 조작부

        - 밸브의 3가지 기본 구성중 마지막으로 조작부에 대해서 알아보겠습니다. 조작부란 직접 흐름을 차단하는 제어부까지 힘을 전달하는 부분이 됩니다. 자동차의 감속장치 예에서 정지페달과 라이닝 패드까지 힘을 전달하는 유압계통들이 이에 해당합니다. 즉, 밸브 손잡이 (Handle), 밸브 축 (Stem) 등이 조작부를 구성하는 부품이 되는 것입니다.

 

     4) 밸브의치수

         - 밸브의치수는 밸브와  연결되는 파이브의 치수로 표시하는데 파이프 치수의 표시 방법은 Inch 단위로 표기한 NPS (공칭 파이프 치수, Nominal Pipe Size)또는 IPS(철 파이프 치수, Iron Pipe Size)로 나타냅니다. 

       Pipe Size는 외경, 내경, 두께로 표시하며, 14인치 이상의 파이프는 외경이 NPS 또는 IPS의 수치가 되는 반면, 12인치 이하의 파이프는 공칭 파이프 치수가 외경이 아니다는 것을 기억해야 합니다.

 

 (3) 밸브의 분류

     - 밸브는 여러 가지 기준에 위해서 분류되고 있는데, 여기서는 밸브의 형태 또는 구조에 의해서 분류하는 방법, 용도에 의한 분류, 규격에 의한 분류, 재질에 따른 분류, 연결되는 배관 형태에 따른 분류, 작동방법에 의한 분류 등에 대해서 간략히 살펴보겠으며, 자세한 것은 밸브 종류별 특징 편에서 알아보겠습니다. 즉, 동일한 사람을 두고 바라보는 기준에 따라 " 잘생긴 사람이다", "작업복을 입고 있는 사람이다", "키가 큰 사람이다", "불안해 보이는 사람이다" 등으로 달라질 수 있듯이 밸브 또한 사용자의 다양한 기준에 따라 분류될 수 있다는 것입니다. 

      - 그래서, 밸브의 분류 기준으로는 규격, 용도, 연결 배관 형태, 재질, 작동방법, 구조에 의해서 분류가 됩니다.

 

 (4) 밸브의 개요

    1) 게이트 밸브

       - 게이트 밸브는 막이밸브로서 가장 대표적인 것이며 현재 장치에 사용되는 라인밸브는 거의 이 타입입니다. 따라서, 이 종류의 밸브는 완전폐지 및 완전열기의 어는 상태로 사용되면 그 구조는 밸브체(디스크)는 평행인 것과 쐐기형의 것이 있으며 이들은 단체나 또는 두 개로 나눠진  더블디스크형으로 되어 있습니다. 보통 디스크의 시트면에 접촉은 상당히 어려우므로 균인한 접촉을 가지게 하기 위해 이 더블 디스크가 많이 사용됩니다.

 

     2) 글로브 밸브(구형밸브)

        - 이 종류의 밸브는 그 구종상 폐쇄의 확실성을 장점으로 하는 것이며 그 구조는 디스크와 시트가 원추형으로 접촉됨으로써 폐쇄의 목적을 달성하는 것이며 고도의 피팅에 의해 상당한 고압에서도 완전한 폐쇄를 기대할 수가 있습니다. 유체는 디스크 부근에서는 그 상하운동 방향으로 평행하게 흐르므로 근소한 디스크의 리프트라도 예민하게 유량에 관계되므로 죔 밸브로써 유량조절에 사용됩니다.

 

    3) 체크밸브(역지밸브)

         -일정한 흐름방향에 대해 역류를 방지하는 목적에 사용되는 밸브이며 펌프의 토출구 등에 가장 많이 사용되고 있습니다. 형식에는 리프트형과 스윙형이 있으면 전자는 1 ½B이하의 소구경에, 후자는 2B이상의 대구경에 사용되는 것이 보통입니다.

 

    4) 플러그 밸브

        - 원추형의 플러그가 본체의 습동부속에서 90 º 회전함으로써 유체를 전폐, 전개할 수 있는 기능을 가지고 있습니다. 또 유통구를 L 또는 T 형으로 하면 흐름의 방향변환이 가능하게 되면 이것을 삼방코크 (3-웨이플러그밸브)라고 합니다. 플러그와 시트 와의 접촉면은 금속-금속이며 더구나 그 접촉면이 다른 밸브에 비해 크므로 리크에 대한 보장이 낮습니다. 그러나 그 면에 윤활유를 중비함으로써 기밀성을 높인 리블리케이티드플러그밸브는 압측기관계의 가스유체에 대해 많이 사용되고 있습니다.

  

     5) 볼 밸브

         - 볼 밸브의 구조는 플러그 밸브의 플러그를 볼로 바꿔놓고 또한 볼과 본체시트를 직접 접촉시키지 않고 테플론링을 장착시킨 것입니다. 볼과 테플론링이 항상 긴밀한 접촉을 유지하고 있으므로 스케일에 위한 시트면의 손상이 적습니다. 또 패킹그랜드에 가해지는 내압은 개폐교환시에만 있으므로 그랜드로부터의 누설은 거의 없다는 등의 이점을 가지고 있습니다. 그러나 시트링에 테플론을 사용하고 있는 관계상 고온에는 부적당합니다. 현재는 상온에 가까운 온도로 사용되는 화학공장이나 석유정제공장의 오프사이트에 대량으로 사용되고 있습니다.

 

     6) 버터플라이 밸브

          - 버터플라이밸브의  구조는 원통형의 바디 내에서 스템을 축으로 하여 평판이 회전함으로써 개폐를 행하는 것입니다. 종래 이런 밸브는 저압용의 죔 밸브로서 널리 사용되고 있고, 완전셔트가 어려우므로 범용밸브가 되지 못하였으나 최근 여러 가지 개량이 가해저서 시트면의 밀착성이 보장되게 되었으므로 게이트밸브에 대신하는 것으로서 각광을 받게 되고 장치의 대형화에 따라 더욱 그 수요증가가 예측됩니다. 그러나 아직 사용압력, 온도 등에 대한 제한이 많아서 범용밸브로서의 조건을 구비하기까지는 이르지 못하고 있습니다

 

 

이상으로 오늘은 유틸리티설비 보전기술 중에서 배관과 밸브에 대해서 알아보았습니다.

도움이 되는 내용이었으면 좋겠습니다.