카테고리
산업계측제어기술사

common valve problems

NeoStudio_20240901_221716다운로드
NeoStudio_20240901_221749다운로드
“`html

Common Valve Problems

High Pressure Drop · Vena Contracta · Pressure Recovery · Cavitation · Flashing · Choked Flow · Water Hammer

1. High Pressure Drop

NeoStudio에서는 밸브의 대표적인 문제를 High Pressure Drop에서 시작한다.

ΔP = P1 – P2
P1 = Upstream Pressure
P2 = Downstream Pressure

밸브를 통과하면서 발생하는 입구와 출구 압력의 차이를 Pressure Drop으로 기록한다.

2. Vena Contracta

밸브의 유로가 좁아지는 부분을 지난 후 Flow Stream이 가장 좁아지는 지점을 Vena Contracta로 기록한다. 

      Upstream                         Downstream

        P1
        │
        │        Valve
        │         │
        ▼         ▼
      ──────────\   /──────────────
                 \ /
                  X   ← Vena Contracta
                 / \
      ──────────/   \──────────────
                              │
                              ▼
                              P2
Vena Contracta에서는 유로가 가장 좁고 유속이 가장 빠르다.

3. Pressure와 Velocity 변화

일반 이미지에서는 밸브를 지나면서 Pressure와 Velocity가 반대로 변하는 모습을 보여준다. 

      밸브 입구
         │
         ▼
      유로 축소
         │
         ▼
      Velocity ↑
         │
         ▼
      Pressure ↓
         │
         ▼
      Vena Contracta
         │
         ▼
      이후 Pressure Recovery
Vena Contracta 부근에서 Pressure는 최소, Velocity는 최대가 된다.

4. Permanent Pressure Drop

NeoStudio에서는 밸브 전후의 최종 압력차를 Permanent Pressure Drop으로 기록한다.

Permanent Pressure Drop = P1 – P2

5. Pressure Recovery

Vena Contracta에서 최저 압력까지 떨어진 후 Downstream에서 압력이 다시 회복된다.

Pressure Recovery = P2 – PVC
PVC = Pressure at Vena Contracta 
      Pressure
         ↑
      P1 ────────────────
         \
          \
           \__
              \___
                  \__      ← P2
                     ────
              ↑
              PVC
          Vena Contracta

6. High Recovery · Low Recovery

일반 이미지에는 Vena Contracta 이후 압력 회복 정도에 따라 High Recovery와 Low Recovery가 구분되어 있다.

High Recovery → P2가 더 크게 회복
Low Recovery → P2 회복이 작음

7. Pressure Drop에 따른 문제

NeoStudio에서는 High Pressure Drop에 의해 다음 문제가 발생할 수 있다고 기록한다.

  • Cavitation
  • Flashing
  • Choked Flow
  • High Noise Level
  • Vibration

이어 다음 손상을 기록한다.

  • Erosion
  • Cavitation Damage
  • Poor Performance of Valve
  • Piping Fatigue
  • Worker Hearing Damage

8. Choked Flow · Critical Flow

NeoStudio에서는 Choked Flow를 유량이 제한된 상태로 기록한다.

Critical Flow에서는 Gas Bubble 또는 Pocket의 발생으로 인해 Downstream Pressure를 더 낮추더라도 유량이 더 이상 증가하지 않는다고 적는다.

P2 ↓ → Flow 증가하지 않음
원본에서는 Choked Flow를 Downstream Pressure를 낮추어도 Flow가 증가하지 않는 상태로 정리한다.

9. Cavitation의 조건

액체가 Vena Contracta를 통과할 때 압력이 Vapor Pressure보다 낮아지면 기포가 발생한다고 기록한다.

PVC < Pv → Bubble 생성
Pv = Vapor Pressure

10. Cavitation 과정

NeoStudio에서는 Cavitation이 다음 순서로 진행된다고 기록한다. 

      Liquid Pressure ↓
            │
            ▼
      Vapor Pressure 이하
            │
            ▼
      Nuclei를 중심으로
      Bubble 생성
            │
            ▼
      Vena Contracta까지 이동
            │
            ▼
      Pressure Recovery
            │
            ▼
      Pressure ↑
            │
            ▼
      Bubble Collapse

11. Nuclei

NeoStudio에서는 액체 내부에 Nuclei가 존재해야 한다고 기록한다.

이 Nuclei를 중심으로 Bubble이 발생하는 것으로 설명한다.

Nuclei → Bubble 생성 시작점

12. Bubble Collapse와 손상

Pressure Recovery로 압력이 다시 올라가면 Bubble이 액체로 다시 변하면서 붕괴한다고 기록한다.

Bubble Collapse → Cavitation Damage

필기에는 다음 영향이 적혀 있다.

  • Valve 내부 손상
  • Seat Leakage
  • Flow Characteristic 왜곡
  • Valve 고장
  • 소음
  • 진동

13. Cavitation 발생 조건

NeoStudio는 Cavitation 발생 조건을 다음 항목으로 정리한다.

  1. 유체가 액체 상태
  2. Saturated State가 아니어야 함
  3. Vena Contracta 압력이 Vapor Pressure보다 낮음
  4. P2가 Vena Contracta 압력보다 높아 Pressure Recovery가 존재
  5. Bubble 생성을 위한 Nuclei 존재

14. Cavitation 발생 시점

Cavitation은 Liquid Pressure가 Vapor Pressure보다 낮아지는 순간 Bubble이 형성되면서 시작한다.

P < Pv → Cavitation 시작

이후 Pressure Recovery 시 Bubble이 붕괴하면서 Valve 내부에 손상이 발생한다.

15. Cavitation Index

NeoStudio에는 Cavitation Index를 다음 식으로 기록한다.

σ = (P2 – Pv) / (P1 – P2)
P1 = Upstream Pressure
P2 = Downstream Pressure
Pv = Vapor Pressure

원본에서는 σ가 클수록 Cavitation이 발생하지 않는 방향, σ가 작으면 Flashing과 연결되는 방향으로 기록한다.

σ와 Cavitation·Flashing의 세부 판정 경계값은 NeoStudio에 수치로 제시되어 있지 않으므로 외부 기준을 추가하지 않았다.

16. Incipient · Choked 조건

Cavitation과 관련하여 두 가지 σ가 기록되어 있다.

Incipient σ → 초기 Cavitation
Choked σ → Choked Flow / Full Cavitation

17. Cavitation 저감 방법

NeoStudio에서는 Cavitation 제거·저감을 위해 다음 방법들을 기록한다.

  1. System Modification
  2. 재질 변경
  3. Cavitation Control Device
  4. Cavitation Elimination Device
  5. 그 외 Valve/Trim 설계 변경

18. System Modification

첫 번째 방법은 Process System 자체의 압력조건을 변경하는 것이다.

NeoStudio에는 다음 방법이 적혀 있다.

  • 유체압력이 Vapor Pressure보다 낮아지지 않도록 조정
  • 작은 밸브를 연속으로 사용하여 Pressure Attenuation
  • 유체에 공기를 주입하여 Bubble Collapse 영향 완화
  • Cavitation Intensity 완화

19. Downstream Back Pressure 증가

Downstream에 Back-Pressure Valve 또는 Back-Pressure Device를 설치하여 P2를 높이는 방법이 기록되어 있다.

P2 ↑ → Pressure Drop 완화 → Cavitation 감소

20. Angle Valve 적용

NeoStudio에서는 Angle Valve를 사용하여 Bubble이 Wall에 직접 부딪히지 않도록 하고, 중간 영역에 충돌하도록 하여 손상을 줄이는 방향으로 기록한다.

21. Valve Type 선택

Cavitation 문제가 있을 때 다음 Valve Type이 Globe Valve보다 Pressure Recovery 측면에서 유리하다는 취지로 기록되어 있다.

  • Butterfly Valve
  • Eccentric Plug Valve
  • Ball Valve

원본에서는 Vena Contracta 부근의 Pressure Recovery 특성을 고려해 Valve Type을 선정해야 한다고 적는다.

22. 직접 교체와 유지관리

NeoStudio에서는 Valve를 직접 교체하는 방법도 적고 있다.

그러나 Cavitation 조건이 그대로라면 새 Valve 역시 짧은 기간 내 다시 손상될 수 있으므로 유지관리 관점에서 좋지 않은 방법이라고 기록한다.

23. 재질 변경

Cavitation Damage에 대응하기 위해 강한 재질로 Valve 부품을 변경하는 방법이 기록되어 있다.

Material Hardness ↑ → Cavitation Damage 저항 ↑

Angle Style Valve에는 Seat Ring, Venturi Seat Ring 등 Hardened 부품을 사용할 수 있다고 적는다.

Downstream Body에 Body Liner를 설치하는 방법도 기록되어 있다.

24. Cavitation Control Device

Trim을 특별하게 설계하여 Metal Surface에 Bubble이 부딪히지 않도록 제어하는 방법이다.

Special Trim → Bubble Impact 위치 제어 → Metal Surface Damage 감소
원본에서는 이 방법을 Cavitation을 없애는 것보다 Cavitation Damage를 줄이는 방법으로 기록한다.

25. Cavitation Elimination Device

Cavitation Prevention 형상의 Trim을 사용해 Anti-Cavitation 영역에 적용하는 방법이다.

원본에는 다음 두 방식이 적혀 있다.

  • Fluid Speed를 줄여 Pressure Recovery를 줄임
  • 압력저하가 단계적으로 일어나도록 구성
Staged Pressure Reduction → Cavitation 억제

26. Cage · Trim 설계

기타 방법으로 Cage와 Trim 자체의 특성을 Cavitation 대응형으로 설계하는 방법이 기록되어 있다.

  • Cage를 특수 설계
  • Trim을 특수 설계

27. Flashing

Flashing은 Downstream Pressure P2가 Vapor Pressure Pv보다 낮거나 같은 경우로 기록한다.

P2 ≤ Pv → Flashing

이 경우 압력이 회복되어도 Vapor가 다시 Liquid로 돌아오지 않고 Valve Downstream에 계속 존재한다고 적는다.

28. Cavitation과 Flashing 비교

항목 Cavitation Flashing
Bubble 생성 Vena Contracta에서 생성 Vena Contracta에서 생성
Downstream P2 Pressure Recovery 존재 P2 ≤ Pv
Bubble 이후 Pressure Recovery 후 Collapse Vapor 상태 유지
주요 문제 Bubble Collapse에 의한 Damage Vapor가 Downstream에 지속 존재

29. Flashing 대응

NeoStudio에서는 Flashing에 사용되는 Valve는 가능한 높은 품질과 강한 재질을 사용하는 방향으로 기록한다.

Flashing → 지속적인 Vapor Flow → Strong Material

30. Choked Flow

NeoStudio에서는 유체가 극성일 때 기상에서 발생할 수 있으며 Valve 또는 Downstream에서 발생한다고 기록한다.

초기에 유체가 정상적으로 이동하지만 특정 상태 이후에는 P2를 줄여도 Flow Rate가 증가하지 않는다.

P1 = Constant
P2 ↓ → Flow Rate 증가하지 않음

31. Water Hammering Effect

NeoStudio에서는 Flow가 급격하게 변하면 Upstream 또는 Downstream에서 순간적인 압력변화가 발생한다고 기록한다.

Flow 급변 → Pressure 급변 → Water Hammering Effect

32. Water Hammer 발생 예

원본에는 다음과 같은 발생 예가 적혀 있다.

  • Pump Shutoff
  • Valve의 Closure Element가 Seat에 빠르게 닫힘
  • Quick-Open Flow Characteristic을 가진 Valve의 급동작

33. Butterfly Stopper Effect

Butterfly Valve의 Closure Element가 Seat에 빠르게 접촉할 때 Stopper Effect가 발생한다고 기록한다.

Stiffness가 없으면 충격에 의해 원래 위치로 되돌아가려는 힘이 발생할 수 있다는 메모가 있다.

34. Water Hammer 저감

급격한 Pressure Change를 제거하면 Water Hammering Effect를 줄일 수 있다고 기록한다.

Pressure Change 완화 → Water Hammer ↓

원본에는 다음 대책이 적혀 있다.

  • Stiffness 증가
  • Uniform Rate of Change
  • Pressure Relief Valve 적용 가능

35. 전체 관계

                    Valve Restriction
                           │
                           ▼
                    Flow Area 감소
                           │
                           ▼
                      Velocity ↑
                           │
                           ▼
                      Pressure ↓
                           │
                           ▼
                  Vena Contracta
                           │
             ┌─────────────┼─────────────┐
             │             │             │
             ▼             ▼             ▼
         Cavitation     Flashing      Choked Flow
             │             │             │
             ▼             ▼             ▼
       Bubble Collapse   Vapor 유지   Flow 제한
             │
             ▼
      Noise · Vibration
      Erosion · Damage
             │
             ▼
      System / Material /
      Trim Design 개선


      Flow 급격한 변화
             │
             ▼
      Pressure 급격한 변화
             │
             ▼
       Water Hammering

36. 이미지 · NeoStudio 핵심 정리

항목 원본 내용
Pressure Drop ΔP = P1 – P2
Vena Contracta Flow Stream이 가장 좁고 Velocity 최대, Pressure 최소
Pressure Recovery P2 – PVC
Cavitation PVC가 Vapor Pressure 아래로 내려가 Bubble 생성 후 Collapse
Flashing P2 ≤ Pv, Vapor가 Downstream에 계속 존재
Choked Flow P2를 더 낮춰도 Flow 증가 없음
Cavitation Index σ = (P2-Pv)/(P1-P2)
Cavitation Damage Erosion, Seat Leakage, Noise, Vibration, Piping Fatigue
저감 System Modification, Material, Special Trim, Staged Pressure Reduction
Water Hammer Flow 급변에 따른 순간적 Pressure Change
이 HTML은 페이지 본문 설명을 사용하지 않고, 일반 이미지 2장과 NeoStudio PDF 2개(총 10페이지)만 OCR/시각 판독하여 작성했다. 첫 번째 NeoStudio PDF 첫 페이지 상단에는 이전 Valve Seal 주제의 잔여 메모가 일부 포함되어 있으므로, ‘Chapter 9. Common Valve Problems’ 이후 내용만 반영했다. 두 일반 이미지는 Vena Contracta에서의 Pressure / Velocity 변화와 Pressure Recovery / Permanent Pressure Drop을 보여준다. Cavitation Index, Incipient σ, Choked σ, Valve Type별 Pressure Recovery 특성, Water Hammer 대책 등은 NeoStudio에 적힌 표현 범위만 반영하였다. 손글씨에서 불명확한 세부 수치나 제조사별 Valve 계수, IEC/ISA/API 등의 외부 기준은 추가하지 않았다.
Common Valve Problems, Pressure Drop, Vena Contracta, Pressure Recovery, Cavitation, Flashing, Choked Flow, Critical Flow, Cavitation Index, Vapor Pressure, Bubble Collapse, Erosion, Noise, Vibration, Water Hammer, Staged Pressure Reduction, Anti-Cavitation Trim
“`

답글 남기기

이메일 주소는 공개되지 않습니다. 필수 필드는 *로 표시됩니다

이 사이트는 Akismet을 사용하여 스팸을 줄입니다. 댓글 데이터가 어떻게 처리되는지 알아보세요.