Chapter 3. Valve and Actuator Types

제어밸브를 공부할 때 Single-Port Valve, Port-Guided Valve, Cage Valve 등을 각각 독립된 밸브 종류로 암기하기 쉽다. 그러나 이 용어들은 동일한 기준으로 분류한 명칭이 아니다.

Single-Port는 유체가 통과하는 포트와 시트의 개수를 나타낸다. Post Guide, Port Guide, Cage Guide는 플러그를 안내하는 방법을 나타낸다. Balanced Trim과 Unbalanced Trim은 플러그에 작용하는 압력 힘을 처리하는 방법을 나타낸다.

따라서 하나의 제어밸브는 다음과 같이 여러 특성을 조합하여 표현해야 한다.

Single-Port + Post-Guided + Unbalanced Globe Valve

또는

Single-Port + Cage-Guided + Balanced Globe Valve

제3장은 밸브의 명칭을 나열하는 장이 아니라, 밸브의 구조와 기능을 여러 분류축으로 이해하는 장이다.

1. 제어밸브의 구조적 분류

제어밸브는 다음 기준으로 구분할 수 있다.

1.1 폐쇄 부재의 운동 방식

Sliding-Stem Valve

플러그가 스템 방향으로 직선 이동한다. 대표적인 형식은 Globe Valve이다.

Rotary Valve

디스크, 볼 또는 플러그가 축을 중심으로 회전한다. 대표적인 형식은 Butterfly Valve, Ball Valve 및 Eccentric Plug Valve이다.

1.2 포트 구성

Single-Port
Double-Port
Three-Way

1.3 플러그 가이드 방식

Post 또는 Stem Guide
Port Guide
Cage Guide
Top Guide
Top-and-Bottom Guide

1.4 압력 균형 방식

Unbalanced Trim
Balanced Trim

1.5 시트 구조

Metal Seat
Soft Seat

1.6 고유 유량 특성

Quick Opening
Linear
Equal Percentage

1.7 액추에이터 형식

Diaphragm Actuator
Piston Actuator
Manual Actuator
Rack-and-Pinion Actuator
Electric Actuator

핵심은 위 분류가 서로 독립적이라는 점이다.

예를 들어 Single-Port Valve에 Post Guide를 적용할 수도 있고 Cage Guide를 적용할 수도 있다. Cage-Guided Valve도 Unbalanced Trim 또는 Balanced Trim으로 제작할 수 있다.

3.1 제어밸브의 종류

3.1.1 글로브 밸브

Globe Valve는 플러그가 직선 이동하면서 플러그와 시트 사이의 유로 면적을 변화시키는 밸브이다.

액추에이터에서 발생한 추력은 다음 경로로 전달된다.

Actuator → Stem → Plug → Seat 개도 변화 → 유량 변화

Globe Valve는 다음 특성을 가진다.

정밀한 유량 제어에 적합하다.
플러그 또는 케이지 형상으로 유량 특성을 설계하기 쉽다.
차단 성능을 높이기 쉽다.
고압 강하용 트림을 적용하기 쉽다.
소음 저감 및 캐비테이션 방지 트림을 적용하기 쉽다.
회전식 밸브보다 유로가 굴곡되어 압력 손실이 커질 수 있다.
동일 구경의 회전식 밸브보다 크고 무거울 수 있다.

3.1.1.1 Single-Port Valve Body

Single-Port Valve는 하나의 플러그와 하나의 시트 링으로 유량을 조절하는 구조이다.

플러그가 위아래로 이동하면 플러그와 시트 링 사이의 개구 면적이 변한다. 이 개구 면적 변화가 유량을 결정한다.

Single-Port Valve의 장점

구조가 단순하다.
플러그와 시트의 정렬이 비교적 쉽다.
높은 차단 성능을 확보하기 쉽다.
Metal Seat와 Soft Seat를 모두 적용할 수 있다.
다양한 플러그 형상과 트림을 적용할 수 있다.

Single-Port Valve의 한계

Single-Port Valve에서는 플러그의 한쪽에 상류 압력이 작용하고 반대쪽에 하류 압력이 작용한다. 이 압력 차이는 플러그를 열거나 닫는 방향의 힘을 발생시킨다.

이를 불평형력 또는 Unbalanced Force라고 한다.

구조를 이해하기 위한 개념식은 다음과 같다.

불평형력 ≈ 밸브 전후 차압 × 플러그 유효 면적

수식으로 표현하면 다음과 같다.

Fu ≈ ΔP × Ae

여기서 각 기호의 의미는 다음과 같다.

Fu: 플러그에 작용하는 불평형력
ΔP: 밸브 전후 차압
Ae: 압력이 작용하는 플러그의 유효 면적

밸브의 차압이나 플러그 면적이 증가하면 불평형력이 증가한다. 따라서 액추에이터는 이 힘을 이길 수 있는 충분한 추력을 가져야 한다.

이 식은 구조를 이해하기 위한 개념식이다. 실제 액추에이터 선정에서는 플러그 형상, 유동 방향, 시트 하중, 패킹 마찰, 가이드 마찰 및 제조사의 계산 기준을 함께 적용해야 한다.

주요 적용

일반적인 공정 유량 제어
높은 차단 성능이 필요한 공정
정밀한 스로틀링
고압 Globe Valve
Angle Valve
가스 및 액체 제어

그림 1. Single-Port Globe Valve

[그림 삽입: Single-Port Globe Valve]

Single-Port Globe Valve는 하나의 플러그와 하나의 시트 링을 사용한다. 액추에이터가 스템을 움직이면 플러그와 시트 사이의 개구 면적이 변하며 유량이 조절된다.

3.1.1.2 Post-Guided Valve와 Port-Guided Valve

플러그는 단순히 위아래로만 움직이지 않는다. 밸브 내부의 비대칭 유동, 난류 및 압력 분포로 인해 플러그에는 축 방향 힘과 측 방향 힘이 함께 작용할 수 있다.

가이드는 플러그의 흔들림과 기울어짐을 억제한다.

가이드의 주요 기능

플러그와 시트의 중심 정렬
플러그 진동 억제
스템 굽힘 방지
시트의 편마모 방지
패킹에 작용하는 측하중 감소
안정적인 밸브 위치 제어

Post-Guided Valve

Post Guide는 플러그와 연결된 스템 또는 원통형 포스트를 가이드 부싱으로 지지하는 구조이다.

장점

구조가 비교적 단순하다.
소형 Globe Valve에 적용하기 쉽다.
유로 내부에 큰 케이지가 필요하지 않다.
분해와 정비가 비교적 간단하다.

주의 사항

고차압에서는 플러그에 큰 측하중이 발생할 수 있다.
가이드 간극이 커지면 플러그가 진동할 수 있다.
가이드가 마모되면 시트 정렬이 나빠질 수 있다.
스템과 패킹에 측하중이 전달될 수 있다.

Port-Guided Valve

Port Guide는 플러그의 외주 또는 하부가 밸브 포트나 시트 주변 구조에 의해 직접 안내되는 방식이다.

장점

시트에 가까운 위치에서 플러그를 지지한다.
플러그와 시트의 정렬에 유리하다.
구조를 작고 간단하게 만들 수 있다.

주의 사항

포트 가이드 부분은 공정 유체에 직접 노출된다. 따라서 다음 문제가 발생할 수 있다.

고형물에 의한 끼임
침전물 축적
마모성 입자에 의한 가이드 마모
점성 유체에 의한 스틱션
플러그 작동 불량

깨끗한 유체에서는 효과적인 구조이지만, 고형물이나 침전물이 많은 유체에서는 가이드 간극과 재질을 주의해서 선정해야 한다.

그림 2. Post Guide, Port Guide 및 Bonnet Guide

[그림 삽입: Post Guide, Port Guide 및 Bonnet Guide 비교]

플러그를 지지하는 위치에 따라 Post Guide, Port Guide 및 Bonnet Guide로 구분할 수 있다. 밸브 크기와 구조에 따라 가이드 위치와 지지 길이가 달라진다.

3.1.1.3 Cage-Guided Valve Body

Cage-Guided Valve에서는 플러그 외경이 원통형 케이지의 내경을 따라 이동한다.

케이지는 단순히 플러그를 지지하는 부품이 아니다. 하나의 부품이 여러 기능을 수행한다.

Cage의 주요 기능

플러그 안내
시트 링 고정
플러그와 시트의 정렬
유량 특성 형성
Balanced Plug 구조 제공
소음 저감
캐비테이션 완화
다단 압력 강하 구성

플러그가 위로 이동하면 케이지 벽에 형성된 창이 노출된다. 노출되는 창의 면적에 따라 유량이 증가한다.

따라서 케이지 창의 형상을 변경하면 밸브의 고유 유량 특성을 변경할 수 있다.

Cage-Guided Valve의 장점

플러그를 넓은 면적으로 지지한다.
고차압에서 플러그의 진동을 억제하기 쉽다.
트림을 모듈화하기 쉽다.
케이지 교체로 유량 특성을 변경할 수 있다.
소음 저감용 트림을 적용하기 쉽다.
캐비테이션 방지용 다단 트림을 적용하기 쉽다.
Balanced Trim을 구성하기 쉽다.

Cage-Guided Valve의 한계

케이지와 플러그 사이에 작은 간극이 존재한다.
고형물이나 침전물이 간극에 끼일 수 있다.
점성이 높은 유체에서는 마찰이 증가할 수 있다.
부품 수가 증가한다.
Post-Guided 구조보다 제작과 정비가 복잡할 수 있다.

Balanced Cage Trim

Balanced Trim은 플러그의 상부와 하부에 압력이 전달되도록 하여 압력에 의한 힘을 상당 부분 상쇄하는 구조이다.

Balanced Trim을 적용하면 액추에이터가 극복해야 하는 정적 불평형력이 감소한다.

장점

고차압에서 필요한 액추에이터 추력을 줄일 수 있다.
대구경 밸브에 적용하기 쉽다.
고압 증기와 가스 제어에 유리하다.
플러그 안정성이 높다.
상대적으로 작은 액추에이터를 적용할 수 있다.

한계

Balanced Trim이 모든 조건에서 우수한 것은 아니다.

균형을 위해 플러그 상부와 하부를 연결하는 통로와 밸런스 씰이 필요하다. 이 구조는 추가적인 누설 경로를 만든다.

밸런스 씰을 통한 내부 누설 가능성이 있다.
Unbalanced Single-Seat Trim보다 차단 성능 확보가 어려울 수 있다.
밸런스 씰의 온도와 재질 제한을 고려해야 한다.
부품 수와 마찰이 증가한다.
고형물에 민감할 수 있다.

따라서 차단 성능이 가장 중요하면 Unbalanced Single-Seat Trim이 유리할 수 있다. 고차압과 대구경에서 액추에이터 추력을 줄이는 것이 중요하면 Balanced Cage Trim이 유리할 수 있다.

그림 3. Cage-Guided Balanced Trim

플러그 외경이 케이지 내경을 따라 이동한다. 케이지는 플러그를 안내하고 시트 링을 고정한다. Balanced Plug 구조에서는 플러그 상부와 하부의 압력 힘을 부분적으로 상쇄하여 필요한 액추에이터 추력을 줄인다.

Single-Port, Guide 및 Balance의 관계

세 개념은 다음과 같이 구분해야 한다.

Single-Port

플러그와 시트의 개수를 나타낸다.

Post Guide, Port Guide, Cage Guide

플러그를 지지하고 안내하는 방식을 나타낸다.

Balanced Trim과 Unbalanced Trim

플러그에 작용하는 압력 힘을 처리하는 방식을 나타낸다.

따라서 다음 조합이 가능하다.

Single-Port + Post-Guided + Unbalanced
Single-Port + Port-Guided + Unbalanced
Single-Port + Cage-Guided + Unbalanced
Single-Port + Cage-Guided + Balanced

3.1.1.4 Double-Port Valve Body

Double-Port Valve는 두 개의 플러그와 두 개의 시트를 사용한다.

한 포트에서 발생하는 압력 힘이 다른 포트의 압력 힘을 부분적으로 상쇄한다. 이 때문에 같은 크기의 Unbalanced Single-Port Valve보다 필요한 액추에이터 추력을 줄일 수 있다.

장점

유체 힘을 부분적으로 균형시킬 수 있다.
비교적 작은 액추에이터를 사용할 수 있다.
큰 유량을 처리할 수 있다.

한계

두 개의 플러그가 두 개의 시트에 동시에 정확하게 접촉해야 한다.

제작 공차, 조립 오차 및 열팽창 때문에 두 시트를 동시에 완전하게 밀봉하기 어렵다.

높은 차단 등급을 확보하기 어렵다.
조정과 정비가 복잡하다.
두 시트의 마모 상태가 달라질 수 있다.

현대 제어밸브에서는 Double-Port Valve의 기능을 Balanced Cage Trim으로 대체하는 경우가 많다.

3.1.1.5 Three-Way Valve Body

Three-Way Valve는 세 개의 배관 연결부를 사용한다.

기능에 따라 Mixing Valve와 Diverting Valve로 구분한다.

Mixing Valve

두 개의 유입 유체를 하나의 출구로 혼합한다.

A + B → C

Diverting Valve

하나의 유입 유체를 두 개의 출구 중 하나 또는 양쪽으로 분배한다.

A → B 또는 C

주요 적용

열교환기 바이패스
온도 제어
냉수와 온수 혼합
유량 분배
공정 유로 전환

Three-Way Valve는 하나의 플러그 움직임으로 두 유로의 면적이 동시에 변한다. 따라서 각 포트의 압력과 유량 특성을 함께 검토해야 한다.

3.1.2 위생 밸브

위생 밸브는 식품, 제약, 바이오 및 음료 공정에 사용한다.

일반적인 제어밸브의 압력과 유량 조건뿐 아니라 세척성과 오염 방지를 함께 고려해야 한다.

주요 요구 사항

내부 체류 공간 최소화
자체 배수 구조
매끄러운 내부 표면
CIP 적용 가능
SIP 적용 가능
위생용 클램프 또는 용접 연결
세척액과 증기에 견디는 실 재질
공정 유체가 고이는 Dead Leg 최소화

위생 밸브에서는 단순한 유량 성능보다 세척 가능성과 오염 방지가 중요한 선정 기준이 된다.

3.1.3 회전식 제어밸브

회전식 밸브는 샤프트가 회전하면서 디스크, 볼 또는 플러그의 위치를 변경한다.

Globe Valve는 액추에이터의 추력을 사용하지만, 회전식 밸브는 액추에이터의 토크를 사용한다.

3.1.3.1 Butterfly Valve

Butterfly Valve는 원판형 디스크가 샤프트를 중심으로 회전하는 구조이다.

장점

면간 길이가 짧다.
무게가 가볍다.
대구경에서 경제적이다.
완전 개방 시 압력 손실이 작다.
설치 공간이 작다.

한계

대구경이나 고차압에서는 작동 토크가 증가한다.
디스크가 유로에 남아 있다.
일반적인 Globe Valve보다 정밀 제어 범위가 제한될 수 있다.
디스크에 작용하는 동적 토크를 검토해야 한다.

3.1.3.2 Segmented Ball Valve

Segmented Ball Valve는 절단된 볼 또는 V-Notch 형상의 볼을 사용한다.

장점

높은 Rangeability
우수한 유량 제어
큰 유량 용량
시트에 대한 전단 작용
섬유와 슬러리의 막힘 감소
우수한 차단 성능

주요 적용

제지 공정
슬러리
섬유 포함 유체
점성 유체
오염된 공정 유체

3.1.3.3 High-Performance Butterfly Valve

High-Performance Butterfly Valve는 일반적으로 Offset 구조를 사용한다.

디스크가 열릴 때 시트에서 빠르게 분리되므로 시트 마찰과 마모를 줄일 수 있다.

주요 특성

일반 Butterfly Valve보다 우수한 차단 성능
고온과 고압 조건 적용 가능
대구경에서 경제적
스로틀링 성능 개선
시트 마모 감소

3.1.3.4 Eccentric Plug Valve

Eccentric Plug Valve는 플러그의 회전 중심과 시트 중심이 어긋난 구조이다.

플러그가 열릴 때 시트에서 빠르게 떨어진다. 따라서 회전 중 시트와의 지속적인 마찰을 줄일 수 있다.

주요 적용

침식성 유체
코크스가 발생하는 유체
슬러리
오염된 유체
고형물 포함 유체

3.1.3.5 Full-Port Ball Valve

Full-Port Ball Valve는 완전 개방 시 볼의 통로가 배관 내경과 유사한 구조이다.

장점

완전 개방 시 압력 손실이 매우 작다.
배관 피깅이 가능하다.
높은 유량 용량을 가진다.
차단 성능이 우수하다.

한계

일반적인 Full-Port Ball은 초기 회전 구간에서 유량 변화가 작다. 따라서 정밀 스로틀링을 위해서는 Characterized Ball이나 별도의 감쇠 구조가 필요할 수 있다.

3.2 제어밸브 끝단 연결

끝단 연결은 밸브를 배관에 설치하는 방법을 결정한다.

나사식 연결

장점

구조가 단순하다.
저렴하다.
소구경 배관에 적합하다.

한계

대구경과 고온 배관에 불리하다.
반복 분해 시 나사 손상 가능성이 있다.
고압과 진동 조건에서 주의가 필요하다.

플랜지 연결

장점

설치와 분해가 쉽다.
정비성이 좋다.
다양한 압력 등급을 적용할 수 있다.

한계

무게와 설치 공간이 증가한다.
가스켓과 볼트 관리가 필요하다.
용접 연결보다 외부 누설 지점이 많다.

용접 연결

Socket Weld 또는 Butt Weld 방식이 사용된다.

장점

외부 누출 가능성을 줄일 수 있다.
고압과 고온 배관에 적합하다.
배관 연결의 신뢰성이 높다.

한계

밸브 분리가 어렵다.
정비 시 배관 절단이 필요할 수 있다.
용접 및 열처리 관리가 필요하다.

3.3 Valve Body Bonnet

Bonnet은 밸브 본체의 상부 압력 경계를 형성한다.

Bonnet의 주요 기능

밸브 본체의 압력 경계 유지
액추에이터 장착
스템 안내
패킹 수용
케이지와 시트 링의 고정 및 정렬

3.3.1 Extension Bonnet

Extension Bonnet은 패킹을 공정 유체의 고온 또는 극저온 영역에서 멀리 떨어뜨린다.

적용 목적

고온 유체로부터 패킹 보호
극저온 유체로부터 패킹 보호
패킹 온도를 허용 범위로 유지
스템에 열전달 거리를 확보

3.3.2 Bellows-Seal Bonnet

Bellows-Seal Bonnet은 금속 벨로우즈로 공정 유체와 스템 패킹을 격리한다.

주요 적용

독성 유체
방사성 유체
휘발성 유체
고가의 공정 유체
외부 누출이 허용되지 않는 공정

주의 사항

벨로우즈의 피로 수명을 고려해야 한다.
반복 스트로크 횟수를 검토해야 한다.
벨로우즈 파손에 대비한 보조 패킹이 필요할 수 있다.
일반 Bonnet보다 비용과 구조가 복잡하다.

3.4 제어밸브 패킹

패킹은 움직이는 스템 또는 샤프트 주변에서 공정 유체의 외부 누출을 방지한다.

패킹 선정에서는 세 요소의 균형이 중요하다.

밀봉 성능
작동 마찰
사용 수명

패킹을 과도하게 조이면 누출은 감소할 수 있지만 마찰이 증가한다. 마찰이 증가하면 밸브의 Deadband, Hysteresis 및 Stick-Slip이 증가할 수 있다.

PTFE Packing

장점

마찰이 작다.
화학적 내성이 우수하다.
정밀 제어에 유리하다.

한계

고온 조건에 제한이 있다.
일부 방사선 환경에 적합하지 않다.
압력과 온도 조건에 따라 압출 방지 구조가 필요하다.

Graphite Packing

장점

고온에 적합하다.
화재 안전 조건에 유리하다.
방사선 환경에 비교적 강하다.
넓은 온도 범위에 사용할 수 있다.

한계

PTFE보다 마찰이 크다.
밸브의 Hysteresis를 증가시킬 수 있다.
스템 표면 상태의 영향을 받을 수 있다.

Live-Loaded Packing

Live-Loaded Packing은 Belleville Spring 등의 탄성 부품으로 패킹 하중을 유지한다.

장점

패킹 마모를 보상한다.
온도 변화에 따른 하중 변화를 줄인다.
장기간 안정적인 밀봉 성능을 유지한다.
비산 배출을 줄이는 데 유리하다.
유지보수 주기를 연장할 수 있다.

패킹은 누출 방지 부품이면서 동시에 액추에이터가 극복해야 하는 마찰력의 원인이다. 따라서 밀봉 성능만으로 선정해서는 안 된다.

3.5 Cage-Guided Valve Body의 유량 특성

케이지형 밸브에서는 케이지 창의 형상이 플러그 이동에 따른 유로 면적을 결정한다.

대표적인 고유 유량 특성은 다음과 같다.

Quick Opening

초기 스트로크에서 유량이 빠르게 증가한다.

주로 On-Off 또는 빠른 유량 확보가 필요한 조건에 사용한다.

Linear

밸브 스트로크 증가량과 유량 계수 증가량이 거의 비례한다.

밸브 전후 차압이 비교적 일정한 공정에 적합하다.

Equal Percentage

동일한 스트로크 증가에 대해 현재 유량 계수의 일정 비율만큼 유량 계수가 증가한다.

배관 저항 때문에 밸브 차압이 운전점에 따라 크게 변하는 일반적인 공정에서 넓은 운전 범위를 확보하는 데 유리하다.

케이지형 밸브에서는 케이지를 교체하여 유량 특성을 변경할 수 있다. Post-Guided 또는 Port-Guided Valve에서는 주로 플러그 외곽 형상으로 유량 특성을 만든다.

고유 유량 특성과 실제 설치 유량 특성은 다르다. 실제 배관에서는 펌프, 배관 및 다른 설비의 압력 손실에 따라 밸브 전후 차압이 변하기 때문이다.

3.6 밸브 플러그 가이드

플러그 가이드 방식은 밸브 안정성, 마모 및 유체 적합성에 영향을 준다.

Post 또는 Stem Guide

구조가 단순하다.
소형 밸브에 적합하다.
고차압 횡력에 주의해야 한다.

Port Guide

시트에 가까운 위치에서 지지한다.
고형물과 침전물에 의한 끼임을 주의해야 한다.

Cage Guide

넓은 면적으로 플러그를 지지한다.
고차압과 진동 조건에 유리하다.
고형물과 점성 유체에서는 간극 막힘을 검토해야 한다.

Top-and-Bottom Guide

플러그의 상부와 하부를 동시에 지지한다.

측하중에 대한 지지력이 높다.
고압과 고진동 조건에 유리하다.
구조가 복잡하고 유체 내 이물질에 민감할 수 있다.

가이드는 강할수록 무조건 좋은 것이 아니다. 유체의 청정도, 고형물 크기, 점도, 침식성 및 정비성을 함께 검토해야 한다.

3.7 Reduced-Capacity Trim

Reduced-Capacity Trim은 큰 밸브 본체 내부에 작은 포트, 플러그, 시트 또는 케이지를 적용하여 유량 용량을 줄이는 방식이다.

적용 목적

향후 설비 증설에 대비
큰 배관 구경 유지
기존 과대 선정 밸브의 용량 보정
배관 Reducer 사용 최소화
밸브 입구와 출구의 유속 감소
요구되는 작은 Cv 확보

밸브 본체를 크게 선택하고 트림만 작게 하면 향후 트림 교체로 용량을 증가시킬 수 있다.

그러나 본체와 트림의 크기 차이가 지나치게 크면 내부 유동이 불안정해질 수 있으므로 제조사의 허용 범위를 확인해야 한다.

3.8 액추에이터

액추에이터는 제어 신호를 기계적 추력 또는 토크로 변환한다.

액추에이터는 단순히 밸브를 움직이는 힘만 발생시키는 것이 아니다. 다음 힘을 모두 극복해야 한다.

필요 액추에이터 출력 = 불평형력 + 시트 하중 + 패킹 마찰 + 가이드 마찰 + 동적 유체력 + 안전 여유

실제 액추에이터 선정에서는 정상 운전뿐 아니라 최대 차단 차압, 최악 압력 방향, 공급 압력 저하 및 Fail-Safe 동작을 검토해야 한다.

3.8.1 Diaphragm Actuator

Diaphragm Actuator는 공기 압력이 다이어프램 면적에 작용하여 직선 추력을 발생시킨다.

구조 이해를 위한 개념식은 다음과 같다.

공압 추력 ≈ 공급 압력 × 다이어프램 유효 면적

스프링이 있는 경우 실제 순 추력은 공압 추력에서 스프링 힘과 마찰을 고려하여 결정된다.

장점

구조가 단순하다.
신뢰성이 높다.
유지보수가 쉽다.
Fail-Open과 Fail-Close를 구현하기 쉽다.
일반적인 Globe Valve에 널리 사용한다.

한계

동일 크기의 Piston Actuator보다 출력 추력이 제한될 수 있다.
큰 스트로크와 큰 추력이 필요한 조건에서는 액추에이터가 커질 수 있다.

3.8.2 Piston Actuator

Piston Actuator는 공기 또는 유압이 피스톤 면적에 작용하여 큰 추력을 발생시킨다.

장점

높은 공급 압력을 사용할 수 있다.
큰 추력을 발생시킬 수 있다.
빠른 스트로크가 가능하다.
Double-Acting 구조를 적용할 수 있다.
고차압 및 대구경 밸브에 적합하다.

한계

공압 회로가 복잡할 수 있다.
Fail-Safe를 위해 스프링이나 별도 저장 에너지가 필요할 수 있다.
Diaphragm Actuator보다 유지보수 항목이 많을 수 있다.

3.8.3 Manual Actuator

Manual Actuator는 Handwheel 또는 수동 기어로 밸브를 조작한다.

주요 적용

자동 제어가 필요하지 않은 밸브
바이패스 밸브
정비용 밸브
비상 수동 조작
시험 및 시운전

3.8.4 Rack-and-Pinion Actuator

Rack-and-Pinion Actuator는 피스톤의 직선 운동을 피니언 축의 회전 운동으로 변환한다.

장점

구조가 작다.
경제적이다.
회전식 밸브에 적용하기 쉽다.
Double-Acting과 Spring-Return 구조를 적용할 수 있다.

한계

기어 간극에 의한 Backlash가 발생할 수 있다.
정밀 제어보다 On-Off 용도에 더 많이 사용한다.
토크 특성이 회전 각도에 따라 달라질 수 있다.

3.8.5 Electric Actuator

Electric Actuator는 전동기와 감속 기어를 사용하여 밸브를 움직인다.

장점

계장 공기가 필요하지 않다.
전원과 통신만으로 운전할 수 있다.
원격 제어와 진단 기능을 적용할 수 있다.
On-Off뿐 아니라 연속 제어에도 사용할 수 있다.

한계

일반적으로 공압식보다 초기 비용이 높다.
작동 속도가 느릴 수 있다.
전원 상실 시 Fail-Safe 구현이 복잡하다.
Fail-Safe를 위해 스프링, 축전기, 배터리 또는 별도 에너지 저장 장치가 필요할 수 있다.

밸브 선정 순서

제3장의 내용을 실제 선정 절차로 정리하면 다음과 같다.

1단계. 공정 유체 확인

액체, 가스 또는 증기
점도
고형물 함유 여부
부식성
침식성
독성
온도와 압력

2단계. 운동 방식 선정

정밀 제어와 고차압: Globe Valve 검토
대유량과 짧은 설치 길이: Rotary Valve 검토
슬러리와 섬유: Segmented Ball 또는 Eccentric Plug 검토

3단계. 포트와 본체 구조 선정

Single-Port
Double-Port
Three-Way
Butterfly
Ball
Eccentric Plug

4단계. 가이드 방식 선정

Post Guide
Port Guide
Cage Guide
Top-and-Bottom Guide

5단계. 압력 균형 방식 선정

높은 차단 성능 우선: Unbalanced Single-Seat Trim 검토
고차압과 액추에이터 추력 감소 우선: Balanced Trim 검토

6단계. 유량 특성 선정

Quick Opening
Linear
Equal Percentage

7단계. 시트와 누출 등급 선정

Metal Seat
Soft Seat
요구 차단 등급

8단계. 보닛과 패킹 선정

공정 온도
외부 누출 허용 수준
독성 및 비산 배출
패킹 마찰
화재 안전

9단계. 액추에이터 선정

최대 불평형력
시트 하중
패킹 마찰
공급 압력
Fail-Open 또는 Fail-Close
요구 작동 속도

10단계. 가혹 조건 검토

캐비테이션
플래싱
공력 소음
진동
침식
고형물 막힘
세척성

핵심 정리

Single-Port는 포트와 시트의 개수를 나타낸다.

Post Guide, Port Guide 및 Cage Guide는 플러그를 안내하는 방식을 나타낸다.

Balanced Trim과 Unbalanced Trim은 플러그에 작용하는 압력 힘을 처리하는 방식을 나타낸다.

Cage는 단순한 가이드가 아니다. 플러그 안내, 시트 링 고정, 유량 특성 형성, 압력 균형, 소음 저감 및 캐비테이션 완화 기능을 수행하는 핵심 트림 부품이다.

Balanced Trim은 액추에이터 추력을 줄일 수 있지만 밸런스 씰이라는 추가 누설 경로가 생긴다.

밸브의 최종 성능은 본체 형식 하나로 결정되지 않는다. Body, Trim, Guide, Seat, Packing, Flow Direction 및 Actuator의 조합으로 결정된다.

참고 자료

Emerson, Control Valve Handbook, 6th Edition, Chapter 3: Valve and Actuator Types.

AI 이해용 JSON

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    "number": 3,
    "title_en": "Valve and Actuator Types",
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    "source": "Emerson Control Valve Handbook 6th Edition"
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    "size_actuator_and_define_fail_action",
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