KR102370248B1 - 밸브 패킹 마찰력 산출 방법 - Google Patents

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KR102370248B1 KR1020210005375A KR20210005375A KR102370248B1 KR 102370248 B1 KR102370248 B1 KR 102370248B1 KR 1020210005375 A KR1020210005375 A KR 1020210005375A KR 20210005375 A KR20210005375 A KR 20210005375A KR 102370248 B1 KR102370248 B1 KR 102370248B1
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김재형
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(주)수산인더스트리
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Abstract

본 발명은 밸브 패킹 마찰력 산출 방법에 관한 것이다. 본 발명의 일 실시예에 따른 밸브 패킹 마찰력 산출 방법은, 유입구와 배출구를 연결하는 관로가 형성된 밸브 몸체와, 밸브 몸체의 내부에서 왕복 이동할 때에 관로를 선택적으로 개폐하는 밸브 스템과, 밸브 스템을 왕복 구동시키는 밸브 액츄에이터와, 밸브 스템과 밸브 몸체 사이의 기밀을 유지하는 밸브 패킹과, 밸브 패킹을 밸브 스템의 축 방향으로 가압하기 위한 글랜드(Gland)를 포함하는 밸브 조립체의 밸브 패킹 마찰력 산출 방법에 있어서, 밸브 스템과 밸브 액츄에이터가 실제 조립된 상태에서 정적 진단 시험을 통해 밸브 스템이 관로를 폐쇄하는 닫힘 행정에서 제1 패킹 마찰력을 측정하는 단계; 정적 진단 시험을 수행하는 동안, 밸브 스템이 관로를 개방하는 열림 행정에서 제2 패킹 마찰력을 측정하는 단계; 제1 패킹 마찰력, 제1 패킹 마찰력에 대한 제1 패킹 마찰력 변화, 제2 패킹 마찰력 및 제2 패킹 마찰력에 대한 제2 패킹 마찰력 변화로부터 밸브 패킹의 패킹-스템 마찰 계수 및 패킹 응력을 산출하는 단계; 및 패킹-스템 마찰 계수 및 패킹 응력으로부터 관로를 흐르는 유체의 유동에 의한 압력을 고려한 실제 패킹 마찰력을 산출하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

밸브 패킹 마찰력 산출 방법{Method for calculating friction force of packing for valve}
본 발명은 밸브 패킹 마찰력 산출 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 밸브 스템과 밸브 액츄에이터가 실제 조립된 상태에서 동적 진단 시험을 수행하지 않고도 정적 진단 시험에 의해 유동의 압력에 의한 패킹 마찰력의 변화를 보다 용이하고 정확하게 산출할 수 있는 밸브 패킹 마찰력 산출 방법에 관한 것이다.
일반적으로 원자력 발전소, 화력 발전소 등 각종 플랜트에는 물, 공기 등 유체의 흐름 및 유량을 조절하기 위해 다양한 종류의 밸브들이 설치되며, 이러한 밸브들은 시스템의 운전과 안전에 중요한 역할을 하고 있다.
따라서, 원자력 발전소, 화력 발전소 등에 설치된 밸브는 고장으로 인해 발전소의 운전 정지 또는 안전 사고를 유발할 수 있으므로 성능 및 건전성 확인을 위해 주기적으로 점검을 받아야 한다.
일반적으로 밸브는 유입구와 배출구를 연결하는 관로에 구비된 밸브 시트가 형성된 밸브 몸체, 밸브 몸체의 내부에서 왕복 이동할 때에 밸브 시트에 접촉 및 접촉 해제되어 관로를 선택적으로 개폐하는 밸브 스템, 밸브 스템에 연결되어 밸브 스템을 밸브 시트를 향하는 방향으로 왕복 구동시키는 밸브 액츄에이터를 포함하는 조립체(이하, 밸브 조립체)로 구성된다.
이 때, 밸브 조립체는 밸브 몸체의 내부를 흐르는 유체의 누설을 방지하기 위해 밸브 몸체의 내부에서 왕복 이동하는 밸브 스템의 외주면을 감싸는 형태로 밸브 몸체의 내부에 설치되어 밸브 스템과 밸브 몸체 사이의 기밀을 유지하기 위한 밸브 패킹을 포함하며, 이러한 밸브 패킹은 밸브 몸체의 내부 또는 외부에 설치된 글랜드(Gland)(또는, 패킹 글랜드(Packing Gland))를 구성하는 글랜드 스터드(Gland stud)(또는, 글랜드 볼트(Gland bolt))와 글랜드 너트(Gland nut)에 의해 밸브 스템을 향하는 방향으로 가압될 수 있다.
한편, 밸브 조립체의 운전 성능을 진단하거나 밸브 조립체를 설계하기 위해 밸브 조립체의 구동에 필요한 힘을 계산하고자 할 때에는 밸브 패킹에 의해 밸브 스템에 작용하는 패킹 마찰력을 반드시 고려해야한다. 이러한 패킹 마찰력을 예측하기 위해서는 밸브 패킹의 정확한 마찰 계수를 알아야 하나, 밸브 패킹의 제조사 등에서 단순히 제공되는 마찰 계수는 밸브 조립체의 실제 구동 과정에서 정확한 패킹 마찰력을 계산하는데 있어서 별 도움이 되지 못하고 있는 실정이다.
이러한 문제점을 위해 밸브 조립체의 구동 과정에서 정확한 패킹 마찰력을 예측하기 위한 다양한 기술들이 개발되고 있다. 예를 들어, 국내 공개특허공보 제10-2013-0017885호(밸브패킹 마찰계수 시험장치 및 그 방법)(2013년 2월 20일 공개)에는 밸브 스템을 왕복시키는 과정에서 글랜드 응력 및 패킹 마찰력을 연속 측정하고, 측정된 글랜드 응력과 패킹 마찰력을 이용하여 패킹 마찰계수를 산출하는 기술이 개시되어 있다.
그러나, 상기 공개특허공보에 개시된 패킹 마찰계수 산출 장치 및 방법은 밸브 조립체의 실제 구동 과정에서 측정된 데이터를 가지고 유체의 유동에 따른 압력에 의한 패킹 마찰력의 변화를 정확하게 측정할 수 없다는 문제점이 있을 뿐 아니라, 패킹 마찰계수의 산출 과정에 특수하게 고안된 장치에 실제와 다른 밸브 조립 상태에서 마찰력을 구한다.
따라서, 밸브 스템과 밸브 액츄에이터가 실제 조립된 상태에서 동적 진단 시험을 수행하지 않고도 정적 진단 시험에 의해 유동의 압력에 의한 패킹 마찰력의 변화를 보다 용이하고 정확하게 산출할 수 있는 밸브 패킹 마찰력 산출 방법이 요구된다.
국내 공개특허공보 제10-2013-0017885호(밸브패킹 마찰계수 시험장치 및 그 방법)(2013년 2월 20일 공개)
본 발명은 상기한 문제점을 개선하기 위해 발명된 것으로, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 밸브 스템과 밸브 액츄에이터가 실제 조립된 상태에서 정적 진단 시험을 수행하는 동안 측정된 패킹 마찰력 및 패킹 마찰력의 변화로부터 패킹-스템 마찰 계수 및 패킹 응력을 산출한 후, 이를 토대로 유체의 유동에 의한 압력을 고려한 실제 패킹 마찰력을 산출함으로써, 실제 밸브 스템과 밸브 엑츄에이터가 조립된 상태에서 동적 진단 시험을 수행하지 않고 정적 진단 시험에 의해 유동의 압력에 의한 패킹 마찰력을 보다 용이하게 산출할 수 있을 뿐 아니라, 밸브 패킹의 패킹-스템 마찰 계수 이외에도 패킹 응력 변화에 따른 마찰력의 변화를 보다 정확하게 산출할 수 있는 밸브 패킹 마찰력 산출 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 기술적 과제는 이상에서 언급한 것들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제는 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 밸브 패킹 마찰력 산출 방법은, 유입구와 배출구를 연결하는 관로가 형성된 밸브 몸체와, 상기 밸브 몸체의 내부에서 왕복 이동할 때에 상기 관로를 선택적으로 개폐하는 밸브 스템과, 상기 밸브 스템을 왕복 구동시키는 밸브 액츄에이터와, 상기 밸브 스템과 상기 밸브 몸체 사이의 기밀을 유지하는 밸브 패킹과, 상기 밸브 패킹을 상기 밸브 스템의 축 방향으로 가압하기 위한 글랜드(Gland)를 포함하는 밸브 조립체의 밸브 패킹 마찰력 산출 방법에 있어서, 상기 밸브 스템과 상기 밸브 액츄에이터가 실제 조립된 상태에서 정적 진단 시험을 통해 상기 밸브 스템이 상기 관로를 폐쇄하는 닫힘 행정에서 제1 패킹 마찰력을 측정하는 단계; 상기 정적 진단 시험을 수행하는 동안, 상기 밸브 스템이 상기 관로를 개방하는 열림 행정에서 제2 패킹 마찰력을 측정하는 단계; 상기 제1 패킹 마찰력, 상기 제1 패킹 마찰력에 대한 제1 패킹 마찰력 변화, 상기 제2 패킹 마찰력 및 상기 제2 패킹 마찰력에 대한 제2 패킹 마찰력 변화로부터 상기 밸브 패킹의 패킹-스템 마찰 계수 및 패킹 응력을 산출하는 단계; 및 상기 패킹-스템 마찰 계수 및 상기 패킹 응력으로부터 상기 관로를 흐르는 유체의 유동에 의한 압력을 고려한 실제 패킹 마찰력을 산출하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이 때, 상기 제1 패킹 마찰력 및 상기 제2 패킹 마찰력을 측정하는 단계는, 상기 밸브 스템에 설치된 스트레인 게이지에 의해 상기 제1 패킹 마찰력 및 상기 제2 패킹 마찰력을 측정하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 패킹-스템 마찰 계수 및 상기 패킹 응력을 산출하는 단계는, 상기 제1 패킹 마찰력, 상기 제1 패킹 마찰력 변화, 상기 제2 패킹 마찰력, 상기 제2 패킹 마찰력 변화, 상기 밸브 스템의 직경, 상기 밸브 패킹의 상측에 구비된 글랜드의 직경 및 상기 밸브 패킹의 높이를 이용하여 상기 패킹-스템 마찰 계수 및 상기 패킹 응력을 산출하는 것을 특징으로 한다.
특히, 상기 패킹-스템 마찰 계수 및 상기 패킹 응력을 산출하는 단계는, 상기 제1 패킹 마찰력 변화, 상기 제2 패킹 마찰력 변화, 상기 밸브 스템의 직경 및 상기 글랜드의 직경을 이용하여 상기 패킹-스템 마찰 계수 및 패킹-본닛 마찰 계수를 산출하는 단계; 및 상기 제1 패킹 마찰력, 상기 제2 패킹 마찰력, 상기 패킹-스템 마찰 계수 및 상기 패킹-본닛 마찰 계수를 이용하여 상기 패킹 응력을 산출하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 패킹-스템 마찰 계수 및 패킹-본닛 마찰 계수를 산출하는 단계는, 하기 [수학식 1] 내지 [수학식 4]를 이용하여 상기 패킹-스템 마찰 계수 및 패킹-본닛 마찰 계수를 산출하는 것을 특징으로 한다.
[수학식 1]
Figure 112021005110060-pat00001
[수학식 2]
Figure 112021005110060-pat00002
[수학식 3]
Figure 112021005110060-pat00003
[수학식 4]
Figure 112021005110060-pat00004
(여기서,
Figure 112021005110060-pat00005
및
Figure 112021005110060-pat00006
은 각각 제1 패킹 마찰력 변화 및 제2 패킹 마찰력 변화,
Figure 112021005110060-pat00007
및
Figure 112021005110060-pat00008
는 각각 패킹-스템 마찰 계수 및 패킹-본닛 마찰 계수,
Figure 112021005110060-pat00009
,
Figure 112021005110060-pat00010
,
Figure 112021005110060-pat00011
은 각각 밸브 스템 직경, 글랜드 직경 및 밸브 패킹 높이,
Figure 112021005110060-pat00012
은 축 방향의 글랜드 응력과 직경 방향의 글랜드 응력의 비율,
Figure 112021005110060-pat00013
는 패킹 응력 변화를 의미하며,
Figure 112021005110060-pat00014
및
Figure 112021005110060-pat00015
은 각각 닫힘 행정 및 열림 행정에서 축 방향의 글랜드 응력과 직경 방향의 글랜드 응력의 비율
Figure 112021005110060-pat00016
, 밸브 스템 직경
Figure 112021005110060-pat00017
, 글랜드 직경
Figure 112021005110060-pat00018
, 패킹-스템 마찰 계수
Figure 112021005110060-pat00019
및 패킹-본닛 마찰 계수
Figure 112021005110060-pat00020
에 의해 정의되는 계수임.)
또한, 바람직하게는, 상기 패킹 응력을 산출하는 단계는, 하기 [수학식 5] 및 [수학식 6]을 이용하여 상기 패킹 응력을 산출하는 것을 특징으로 한다.
[수학식 5]
Figure 112021005110060-pat00021
[수학식 6]
Figure 112021005110060-pat00022
(여기서,
Figure 112021005110060-pat00023
및
Figure 112021005110060-pat00024
은 각각 제1 패킹 응력 및 제2 패킹 응력,
Figure 112021005110060-pat00025
및
Figure 112021005110060-pat00026
은 각각 제1 패킹 마찰력 및 제2 패킹 마찰력,
Figure 112021005110060-pat00027
는 패킹-스템 마찰 계수,
Figure 112021005110060-pat00028
,
Figure 112021005110060-pat00029
,
Figure 112021005110060-pat00030
은 각각 밸브 스템 직경, 글랜드 직경 및 밸브 패킹 높이,
Figure 112021005110060-pat00031
은 축 방향의 글랜드 응력과 직경 방향의 글랜드 응력의 비율을 의미하며,
Figure 112021005110060-pat00032
는 밸브 스템 직경
Figure 112021005110060-pat00033
, 글랜드 직경
Figure 112021005110060-pat00034
, 패킹-스템 마찰 계수
Figure 112021005110060-pat00035
및 패킹-본닛 마찰 계수
Figure 112021005110060-pat00036
에 의해 정의되는 계수(
Figure 112021005110060-pat00037
)임.)
한편, 상기 실제 패킹 마찰력을 산출하는 단계는, 하기 [수학식 7] 및 [수학식 8]을 이용하여 상기 패킹-스템 마찰 계수 및 상기 패킹 응력으로부터 유동을 고려한 상기 실제 패킹 마찰력을 산출하는 것을 특징으로 한다.
[수학식 7]
Figure 112021005110060-pat00038
[수학식 8]
Figure 112021005110060-pat00039
(여기서,
Figure 112021005110060-pat00040
은 실제 패킹 마찰력이고,
Figure 112021005110060-pat00041
는 밸브 스템의 직경,
Figure 112021005110060-pat00042
는 패킹-스템 마찰 계수,
Figure 112021005110060-pat00043
은 축 방향의 글랜드 응력과 직경 방향의 글랜드 응력의 비율,
Figure 112021005110060-pat00044
는 패킹 응력,
Figure 112021005110060-pat00045
은 밸브 패킹 높이이며,
Figure 112021005110060-pat00046
는 축 방향의 글랜드 응력과 직경 방향의 글랜드 응력의 비율
Figure 112021005110060-pat00047
, 밸브 스템 직경
Figure 112021005110060-pat00048
, 글랜드 직경
Figure 112021005110060-pat00049
, 패킹-스템 마찰 계수
Figure 112021005110060-pat00050
및 패킹-본닛 마찰 계수
Figure 112021005110060-pat00051
에 의해 정의되는 계수이고,
Figure 112021005110060-pat00052
는 유동의 압력에 의한 상수로서 유동 압력에 의해 밸브 패킹의 접촉 압력의 감소를 고려하는 상수임.)
기타 실시예들의 구체적인 사항들은 상세한 설명 및 도면들에 포함되어 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 밸브 패킹 마찰력 산출 방법에 따르면, 밸브 스템과 밸브 액츄에이터가 실제 조립된 상태에서 정적 진단 시험을 수행하는 동안 측정된 패킹 마찰력 및 패킹 마찰력의 변화로부터 패킹-스템 마찰 계수 및 패킹 응력을 산출한 후, 이를 토대로 유체의 유동에 의한 압력을 고려한 실제 패킹 마찰력을 산출함으로써, 실제 밸브 스템과 밸브 엑츄에이터가 조립된 상태에서 동적 진단 시험을 수행하지 않고 정적 진단 시험에 의해 유동의 압력에 의한 실제 패킹 마찰력을 보다 용이하게 산출할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 밸브 패킹 마찰력 산출 방법에 따르면, 정적 진단 시험을 수행하는 동안 측정된 패킹 마찰력 및 패킹 마찰력의 변화로부터 패킹-스템 마찰 계수뿐 만 아니라 패킹 응력도 함께 산출함으로써, 실제 밸브 스템과 밸브 엑츄에이터가 조립된 상태에서 동적 진단 시험을 수행하지 않고 정적 진단 시험에 의해 유동의 압력에 의한 실제 패킹 마찰력의 변화를 보다 정확하게 산출할 수 있다.
본 발명의 효과들은 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 청구범위의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 밸브 패킹 마찰력 산출 장치의 구조를 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 밸브 패킹 마찰력 산출 방법을 나타내는 순서도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 밸브 패킹 마찰력 산출 방법에서 패킹-스템 마찰 계수 및 패킹 응력을 산출하는 방법을 나타내는 순서도이다.
이하, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.
실시예를 설명함에 있어서 본 발명이 속하는 기술 분야에 익히 알려져 있고 본 발명과 직접적으로 관련이 없는 기술 내용에 대해서는 설명을 생략한다. 이는 불필요한 설명을 생략함으로써 본 발명의 요지를 흐리지 않고 더욱 명확히 전달하기 위함이다.
마찬가지 이유로 첨부 도면에 있어서 일부 구성요소는 과장되거나 생략되거나 개략적으로 도시되었다. 또한, 각 구성요소의 크기는 실제 크기를 전적으로 반영하는 것이 아니다. 각 도면에서 동일한 또는 대응하는 구성요소에는 동일한 참조 번호를 부여하였다.
또한, 장치 또는 요소 방향(예를 들어 "전(front)", "후(back)", "위(up)", "아래(down)", "상(top)", "하(bottom)", "좌(left)", "우(right)", "횡(lateral)")등과 같은 용어들에 관하여 본원에 사용된 표현 및 술어는 단지 본 발명의 설명을 단순화하기 위해 사용되고, 관련된 장치 또는 요소가 단순히 특정 방향을 가져야 함을 나타내거나 의미하지 않는다는 것을 알 수 있을 것이다.
이하, 본 발명의 일 실시예에 의하여 밸브 패킹 마찰력 산출 방법을 설명하기 위한 도면들을 참고하여 본 발명에 대해 설명하도록 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 밸브 패킹 마찰력 산출 장치의 구조를 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 밸브 패킹 마찰력 산출 장치(100)는 마찰력 측정부(110), 마찰 계수 산출부(120) 및 실제 마찰력 산출부(130)를 포함하여 구성될 수 있다.
이러한 밸브 패킹 마찰력 산출 장치(100)는 밸브 몸체(11), 밸브 스템(12), 밸브 액츄에이터(13), 밸브 패킹(14) 및 글랜드(Gland)(15)를 포함하는 밸브 조립체(10)에 구비되며, 밸브 스템(12)과 밸브 패킹(14) 사이에서 마찰력 측정부(110)에 의해 측정된 패킹 마찰력의 변화로부터 산출된 밸브 패킹(14)의 패킹-스템 마찰 계수 및 패킹 응력을 이용하여 실제 마찰력 산출부(130)에서 유체의 유동에 의한 압력을 고려한 실제 패킹 마찰력을 산출할 수 있다.
설명의 편의상, 도 1에서는 밸브 조립체(10)가 밸브 액츄에이터(13)로 구동 모터를 사용하는 모터 구동 밸브(Motor-Operated Valve, MOV)인 예를 도시하고 있으나, 밸브 조립체(10)를 구성하는 밸브 액츄에이터(13)의 구동 방식은 이에 한정되지 않는다.
먼저, 마찰력 측정부(110)는 밸브 스템과 밸브 액츄에이터가 실제 조립된 상태에서 정적 진단 시험을 통해 밸브 스템(12)과 밸브 패킹(14) 사이의 패킹 마찰력을 측정할 수 있다.
즉, 마찰력 측정부(110)는 정적 진단 시험을 수행하는 동안 밸브 스템(12)이 관로를 폐쇄하는 닫힘 행정에서 제1 패킹 마찰력을 측정하고, 밸브 스템(12)이 관로를 개방하는 열림 행정에서 제2 패킹 마찰력을 측정할 수 있다. 또한, 마찰력 측정부(110)는 제1 패킹 마찰력 및 제2 패킹 마찰력을 측정하는 동안, 또는, 닫힘 행정 및 열림 행정 동안 측정된 제1 패킹 마찰력 및 제2 패킹 마찰력으로부터 제1 패킹 마찰력 변화 및 제2 패킹 마찰력 변화를 측정할 수 있다.
그리고, 마찰 계수 산출부(120)는 마찰력 측정부(110)로부터 측정된 제1 패킹 마찰력, 제1 패킹 마찰력 변화, 제2 패킹 마찰력 및 제2 패킹 마찰력 변화로부터 밸브 패킹(14)의 패킹-스템 마찰 계수 및 패킹 응력을 산출할 수 있다. 마지막으로, 실제 마찰력 산출부(130)는 마찰 계수 산출부(120)로부터 구해진 패킹-스템 마찰 계수 및 패킹 응력으로부터 관로를 흐르는 유체의 유동에 의한 압력을 고려한 실제 패킹 마찰력을 산출할 수 있다.
이하, 도 2 및 도 3을 참조하여, 상기와 같이 구성되는 본 발명의 일 실시예에 따른 밸브 패킹 마찰력 산출 장치(100)가 유체의 유동에 의한 압력을 고려한 실제 패킹 마찰력을 산출하는 과정에 대해서 자세히 설명하기로 한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 밸브 패킹 마찰력 산출 방법을 나타내는 순서도이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 밸브 패킹 마찰력 산출 방법의 경우, 마찰력 측정부(110)는 밸브 스템(12)과 밸브 액츄에이터(13)가 실제 조립된 상태에서 정적 진단 시험을 수행하는 동안, 밸브 스템(12)과 밸브 패킹(14) 사이의 패킹 마찰력을 측정할 수 있다(S210, S220). 바람직하게는, 마찰력 측정부(110)는 밸브 스템(12)에 설치된 스트레인 게이지(111)에 의해 패킹 마찰력을 측정할 수 있다.
즉, 마찰력 측정부(110)는 정적 진단 시험을 수행하는 동안, 밸브 스템(12)이 관로를 폐쇄하는 닫힘 행정에서 제1 패킹 마찰력을 측정하고(S210), 밸브 스템(12)이 관로를 개방하는 열림 행정에서 제2 패킹 마찰력을 측정할 수 있다(S220).
또한, 마찰력 측정부(110)는 제1 패킹 마찰력 및 제2 패킹 마찰력을 측정하는 동안, 또는, 닫힘 행정 및 열림 행정 동안 측정된 제1 패킹 마찰력 및 제2 패킹 마찰력으로부터 제1 패킹 마찰력 변화 및 제2 패킹 마찰력 변화를 측정할 수 있다.
그리고, 마찰 계수 산출부(120)는 마찰력 측정부(110)로부터 측정된 제1 패킹 마찰력, 제1 패킹 마찰력 변화, 제2 패킹 마찰력 및 제2 패킹 마찰력 변화로부터 밸브 패킹(14)의 패킹-스템 마찰 계수 및 패킹 응력을 산출할 수 있다(S230).
이 때, 본 발명의 일 실시예에 따른 밸브 패킹 마찰력 산출 방법의 경우, 마찰 계수 산출부(120)는 제1 패킹 마찰력, 제1 패킹 마찰력 변화, 제2 패킹 마찰력, 제2 패킹 마찰력 변화, 밸브 스템(12)의 직경, 밸브 패킹(14)의 상측에 구비된 글랜드(15)의 직경 및 밸브 패킹(14)의 높이를 이용하여 패킹-스템 마찰 계수 및 패킹 응력을 산출할 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 밸브 패킹 마찰력 산출 방법에서 패킹-스템 마찰 계수 및 패킹 응력을 산출하는 방법을 나타내는 순서도이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 마찰 계수 산출부(120)가 패킹-스템 마찰 계수 및 패킹 응력을 산출하는 과정은 패킹-스템 마찰 계수 및 패킹-본닛 마찰 계수를 산출하는 단계(S231)와, 패킹 응력을 산출하는 단계(S232)로 나뉠 수 있다.
먼저, 마찰 계수 산출부(120)는 제1 패킹 마찰력 변화, 제2 패킹 마찰력 변화, 밸브 스템의 직경 및 글랜드의 직경을 이용하여 패킹-스템 마찰 계수 및 패킹-본닛 마찰 계수를 산출할 수 있다(S231).
바람직하게는, 마찰 계수 산출부(120)는 하기 [수학식 1] 내지 [수학식 4]를 이용하여 패킹-스템 마찰 계수 및 패킹-본닛 마찰 계수를 산출할 수 있다.
[수학식 1]
Figure 112021005110060-pat00053
[수학식 2]
Figure 112021005110060-pat00054
[수학식 3]
Figure 112021005110060-pat00055
[수학식 4]
Figure 112021005110060-pat00056
여기서,
Figure 112021005110060-pat00057
및
Figure 112021005110060-pat00058
은 각각 제1 패킹 마찰력 변화 및 제2 패킹 마찰력 변화,
Figure 112021005110060-pat00059
및
Figure 112021005110060-pat00060
는 각각 패킹-스템 마찰 계수 및 패킹-본닛 마찰 계수,
Figure 112021005110060-pat00061
,
Figure 112021005110060-pat00062
,
Figure 112021005110060-pat00063
은 각각 밸브 스템 직경, 글랜드 직경 및 밸브 패킹 높이,
Figure 112021005110060-pat00064
은 축 방향의 글랜드 응력과 직경 방향의 글랜드 응력의 비율,
Figure 112021005110060-pat00065
는 패킹 응력 변화를 의미하며,
Figure 112021005110060-pat00066
및
Figure 112021005110060-pat00067
은 각각 닫힘 행정 및 열림 행정에서 축 방향의 글랜드 응력과 직경 방향의 글랜드 응력의 비율
Figure 112021005110060-pat00068
, 밸브 스템 직경
Figure 112021005110060-pat00069
, 글랜드 직경
Figure 112021005110060-pat00070
, 패킹-스템 마찰 계수
Figure 112021005110060-pat00071
및 패킹-본닛 마찰 계수
Figure 112021005110060-pat00072
에 의해 정의되는 계수를 의미한다.
이 때, [수학식 1] 및 [수학식 2]에서
Figure 112021005110060-pat00073
는 압력 분포를 고려하기 위한 상수로서 최대 값은 밸브 패킹 높이(두께)
Figure 112021005110060-pat00074
값을 가질 수 있다. 또한,
Figure 112021005110060-pat00075
및
Figure 112021005110060-pat00076
은 패킹 재료에서 글랜드 응력이 형성되는 분포의 모양을 결정하는 상수로서 닫힘 행정에서의
Figure 112021005110060-pat00077
과 열림 행정에서의
Figure 112021005110060-pat00078
은 서로 다른 값을 가질 수 있다. 일반적으로 열림 행정(상부 방향)에서의
Figure 112021005110060-pat00079
값은 상대적으로 큰 값을 가지므로 글랜드 응력은 상부에 집중되고 닫힘 행정(하부 방향)에서의
Figure 112021005110060-pat00080
값은 상대적으로 작은 값을 가지므로 글랜드 응력은 상부와 하부에 분배되는 분포를 가질 수 있다.
바람직하게는, 마찰 계수 산출부(120)는 밸브 스템(12)이 밸브 몸체(11)의 내부에서 왕복 이동하는 동안 제1 패킹 마찰력
Figure 112021005110060-pat00081
및 제2 패킹 마찰력
Figure 112021005110060-pat00082
을 측정하고, 이를 통해 제1 패킹 마찰력 변화
Figure 112021005110060-pat00083
및 제2 패킹 마찰력 변화
Figure 112021005110060-pat00084
을 측정한 후, 제1 패킹 마찰력 변화
Figure 112021005110060-pat00085
및 제2 패킹 마찰력 변화
Figure 112021005110060-pat00086
을 이용하여 상기 [수학식 1] 내지 [수학식 4]로부터 패킹-스템 마찰 계수
Figure 112021005110060-pat00087
및 패킹-본닛 마찰 계수
Figure 112021005110060-pat00088
를 산출할 수 있다.
먼저, 마찰 계수 산출부(120)는 제1 패킹 마찰력 변화
Figure 112021005110060-pat00089
및 제2 패킹 마찰력 변화
Figure 112021005110060-pat00090
을 이용하여 상기 [수학식 1] 내지 [수학식 4]로부터 패킹 재료의 압력 분포를 나타내는 상수
Figure 112021005110060-pat00091
및
Figure 112021005110060-pat00092
을 먼저 산출할 수 있다. 이 때, 마찰 계수 산출부(120)는 상기 [수학식 1] 및 [수학식 2]를 상수
Figure 112021005110060-pat00093
및
Figure 112021005110060-pat00094
에 대해 변수 변환하여 하기 [수학식 1-1] 및 [수학식 2-1]로 변환한 후, 2 개의 수학식에서
Figure 112021005110060-pat00095
및
Figure 112021005110060-pat00096
중 어느 하나를 먼저 소거한 후, 하기 [수학식 3-1]을 이용하여 에러 함수
Figure 112021005110060-pat00097
함수 값을 최소하시키는 방법으로 미지수인
Figure 112021005110060-pat00098
또는
Figure 112021005110060-pat00099
중 어느 하나를 먼저 구할 수 있다.
[수학식 1-1]
Figure 112021005110060-pat00100
[수학식 2-1]
Figure 112021005110060-pat00101
[수학식 3-1]
Figure 112021005110060-pat00102
Figure 112021005110060-pat00103
또한, 마찰 계수 산출부(120)는 상기 [수학식 1-1] 내지 [수학식 3-1]에 의해
Figure 112021005110060-pat00104
및
Figure 112021005110060-pat00105
을 산출한 후,
Figure 112021005110060-pat00106
및
Figure 112021005110060-pat00107
을 이용하여 상기 [수학식 3] 및 [수학식 4]로부터 패킹-스템 마찰 계수
Figure 112021005110060-pat00108
및 패킹-본닛 마찰 계수
Figure 112021005110060-pat00109
를 산출할 수 있다.
다시 도 3을 참조하면, 마찰 계수 산출부(120)는 패킹-스템 마찰 계수 및 패킹-본닛 마찰 계수를 산출한 후(S231), 제1 패킹 마찰력, 제2 패킹 마찰력, 패킹-스템 마찰 계수 및 패킹-본닛 마찰 계수를 이용하여 패킹 응력을 산출할 수 있다(S232).
바람직하게는, 마찰 계수 산출부(120)는 하기 [수학식 5] 및 [수학식 6]을 이용하여 패킹 응력을 산출할 수 있다.
[수학식 5]
Figure 112021005110060-pat00110
[수학식 6]
Figure 112021005110060-pat00111
여기서,
Figure 112021005110060-pat00112
및
Figure 112021005110060-pat00113
은 각각 제1 패킹 응력 및 제2 패킹 응력,
Figure 112021005110060-pat00114
및
Figure 112021005110060-pat00115
은 각각 제1 패킹 마찰력 및 제2 패킹 마찰력,
Figure 112021005110060-pat00116
는 패킹-스템 마찰 계수,
Figure 112021005110060-pat00117
,
Figure 112021005110060-pat00118
,
Figure 112021005110060-pat00119
은 각각 밸브 스템 직경, 글랜드 직경 및 밸브 패킹 높이,
Figure 112021005110060-pat00120
은 축 방향의 글랜드 응력과 직경 방향의 글랜드 응력의 비율을 의미하며,
Figure 112021005110060-pat00121
는 밸브 스템 직경
Figure 112021005110060-pat00122
, 글랜드 직경
Figure 112021005110060-pat00123
, 패킹-스템 마찰 계수
Figure 112021005110060-pat00124
및 패킹-본닛 마찰 계수
Figure 112021005110060-pat00125
에 의해 정의되는 계수(
Figure 112021005110060-pat00126
)를 의미한다.
마지막으로, 실제 마찰력 산출부(130)는 패킹-스템 마찰 계수 및 패킹 응력으로부터 관로를 흐르는 유체의 유동에 의한 압력을 고려한 실제 패킹 마찰력을 산출할 수 있다(S240).
바람직하게는, 실제 마찰력 산출부(130)는 하기 [수학식 7] 및 [수학식 8]을 이용하여 패킹-스템 마찰 계수 및 패킹 응력으로부터 실제 패킹 마찰력을 산출할 수 있다.
[수학식 7]
Figure 112021005110060-pat00127
[수학식 8]
Figure 112021005110060-pat00128
여기서,
Figure 112021005110060-pat00129
은 실제 패킹 마찰력이고,
Figure 112021005110060-pat00130
는 밸브 스템의 직경,
Figure 112021005110060-pat00131
는 패킹-스템 마찰 계수,
Figure 112021005110060-pat00132
은 축 방향의 글랜드 응력과 직경 방향의 글랜드 응력의 비율,
Figure 112021005110060-pat00133
는 패킹 응력,
Figure 112021005110060-pat00134
은 밸브 패킹 높이이며,
Figure 112021005110060-pat00135
는 축 방향의 글랜드 응력과 직경 방향의 글랜드 응력의 비율
Figure 112021005110060-pat00136
, 밸브 스템 직경
Figure 112021005110060-pat00137
, 글랜드 직경
Figure 112021005110060-pat00138
, 패킹-스템 마찰 계수
Figure 112021005110060-pat00139
및 패킹-본닛 마찰 계수
Figure 112021005110060-pat00140
에 의해 정의되는 계수이고,
Figure 112021005110060-pat00141
는 유동의 압력에 의한 상수로서 유동 압력에 의해 밸브 패킹의 접촉 압력의 감소를 고려하는 상수를 의미한다.
즉, 실제 마찰력 산출부(130)는 상기 [수학식 1] 내지 [수학식 6]에 의해 구해진 패킹-스템 마찰 계수
Figure 112021005110060-pat00142
와 패킹 응력
Figure 112021005110060-pat00143
를 상기 [수학식 7]에 대입하여 유동의 압력에 의한 상수
Figure 112021005110060-pat00144
를 구한 후, 패킹-스템 마찰 계수
Figure 112021005110060-pat00145
, 패킹 응력
Figure 112021005110060-pat00146
및 유동의 압력에 의한 상수
Figure 112021005110060-pat00147
를 상기 [수학식 6]에 대입하여 실제 마찰력
Figure 112021005110060-pat00148
을 산출할 수 있다.
이와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 밸브 패킹 마찰력 산출 방법의 경우, 밸브 스템과 밸브 액츄에이터가 실제 조립된 상태에서 정적 진단 시험을 수행하는 동안 측정된 패킹 마찰력 및 패킹 마찰력의 변화로부터 패킹-스템 마찰 계수 및 패킹 응력을 산출한 후, 이를 토대로 유체의 유동에 의한 압력을 고려한 실제 패킹 마찰력을 산출함으로써, 실제 밸브 스템과 밸브 엑츄에이터가 조립된 상태에서 동적 진단 시험을 수행하지 않고 정적 진단 시험에 의해 유동의 압력에 의한 실제 패킹 마찰력을 보다 용이하게 산출할 수 있다.
또한, 정적 진단 시험을 수행하는 동안 측정된 패킹 마찰력 및 패킹 마찰력의 변화로부터 패킹-스템 마찰 계수뿐 만 아니라 패킹 응력도 함께 산출함으로써, 실제 밸브 스템과 밸브 엑츄에이터가 조립된 상태에서 동적 진단 시험을 수행하지 않고 정적 진단 시험에 의해 유동의 압력에 의한 실제 패킹 마찰력의 변화를 보다 정확하게 산출할 수 있다.
한편, 본 명세서와 도면에는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 개시하였으며, 비록 특정 용어들이 사용되었으나, 이는 단지 본 발명의 기술 내용을 쉽게 설명하고 발명의 이해를 돕기 위한 일반적인 의미에서 사용된 것이지, 본 발명의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다. 여기에 개시된 실시예 외에도 본 발명의 기술적 사상에 바탕을 둔 다른 변형예들이 실시 가능하다는 것은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
10: 밸브 조립체
11: 밸브 몸체 12: 밸브 스템
13: 밸브 액츄에이터 14: 밸브 패킹
15: 글랜드(Gland) 16: 글랜드 스터드(Gland stud)
17: 글랜드 너트(Gland nut)
100: 밸브 패킹 마찰력 산출 장치
110: 마찰력 측정부 111: 스트레인 게이지
120: 마찰 계수 산출부 130: 실제 마찰력 산출부

Claims (7)

  1. 유입구와 배출구를 연결하는 관로가 형성된 밸브 몸체와, 상기 밸브 몸체의 내부에서 왕복 이동할 때에 상기 관로를 선택적으로 개폐하는 밸브 스템과, 상기 밸브 스템을 왕복 구동시키는 밸브 액츄에이터와, 상기 밸브 스템과 상기 밸브 몸체 사이의 기밀을 유지하는 밸브 패킹과, 상기 밸브 패킹을 상기 밸브 스템의 축 방향으로 가압하기 위한 글랜드(Gland)를 포함하는 밸브 조립체의 밸브 패킹 마찰력 산출 방법에 있어서,
    상기 밸브 스템과 상기 밸브 액츄에이터가 실제 조립된 상태에서 정적 진단 시험을 통해 상기 밸브 스템이 상기 관로를 폐쇄하는 닫힘 행정에서 제1 패킹 마찰력을 측정하는 단계;
    상기 정적 진단 시험을 수행하는 동안, 상기 밸브 스템이 상기 관로를 개방하는 열림 행정에서 제2 패킹 마찰력을 측정하는 단계;
    상기 제1 패킹 마찰력, 상기 제1 패킹 마찰력에 대한 제1 패킹 마찰력 변화, 상기 제2 패킹 마찰력 및 상기 제2 패킹 마찰력에 대한 제2 패킹 마찰력 변화로부터 상기 밸브 패킹의 패킹-스템 마찰 계수 및 패킹 응력을 산출하는 단계; 및
    상기 패킹-스템 마찰 계수 및 상기 패킹 응력으로부터 상기 관로를 흐르는 유체의 유동에 의한 압력을 고려한 실제 패킹 마찰력을 산출하는 단계를 포함하며,
    상기 패킹-스템 마찰 계수 및 상기 패킹 응력을 산출하는 단계는,
    상기 제1 패킹 마찰력 변화, 상기 제2 패킹 마찰력 변화, 상기 밸브 스템의 직경, 상기 밸브 패킹의 상측에 구비된 글랜드의 직경 및 상기 밸브 패킹의 높이를 이용하여 상기 패킹-스템 마찰 계수 및 패킹-본닛 마찰 계수를 산출하는 단계; 및
    상기 제1 패킹 마찰력, 상기 제2 패킹 마찰력, 상기 패킹-스템 마찰 계수 및 상기 패킹-본닛 마찰 계수를 이용하여 상기 패킹 응력을 산출하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 밸브 패킹 마찰력 산출 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 패킹 마찰력 및 상기 제2 패킹 마찰력을 측정하는 단계는,
    상기 밸브 스템에 설치된 스트레인 게이지에 의해 상기 제1 패킹 마찰력 및 상기 제2 패킹 마찰력을 측정하는 것을 특징으로 하는 밸브 패킹 마찰력 산출 방법.
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 패킹-스템 마찰 계수 및 상기 패킹-본닛 마찰 계수를 산출하는 단계는,
    하기 [수학식 1] 내지 [수학식 4]를 이용하여 상기 패킹-스템 마찰 계수 및 패킹-본닛 마찰 계수를 산출하는 것을 특징으로 하는 밸브 패킹 마찰력 산출 방법.
    [수학식 1]
    Figure 112021145996843-pat00149

    [수학식 2]
    Figure 112021145996843-pat00150

    [수학식 3]
    Figure 112021145996843-pat00151

    [수학식 4]
    Figure 112021145996843-pat00152

    여기서,
    Figure 112021145996843-pat00153
    및
    Figure 112021145996843-pat00154
    은 각각 제1 패킹 마찰력 변화 및 제2 패킹 마찰력 변화,
    Figure 112021145996843-pat00155
    및
    Figure 112021145996843-pat00156
    는 각각 패킹-스템 마찰 계수 및 패킹-본닛 마찰 계수,
    Figure 112021145996843-pat00157
    ,
    Figure 112021145996843-pat00158
    ,
    Figure 112021145996843-pat00159
    은 각각 밸브 스템 직경, 글랜드 직경 및 밸브 패킹 높이,
    Figure 112021145996843-pat00160
    은 축 방향의 글랜드 응력과 직경 방향의 글랜드 응력의 비율,
    Figure 112021145996843-pat00161
    는 패킹 응력 변화를 의미하며,
    Figure 112021145996843-pat00162
    및
    Figure 112021145996843-pat00163
    은 각각 닫힘 행정 및 열림 행정에서 축 방향의 글랜드 응력과 직경 방향의 글랜드 응력의 비율
    Figure 112021145996843-pat00164
    , 밸브 스템 직경
    Figure 112021145996843-pat00165
    , 글랜드 직경
    Figure 112021145996843-pat00166
    , 패킹-스템 마찰 계수
    Figure 112021145996843-pat00167
    및 패킹-본닛 마찰 계수
    Figure 112021145996843-pat00168
    에 의해 정의되는 계수임.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 패킹 응력을 산출하는 단계는,
    하기 [수학식 5] 및 [수학식 6]을 이용하여 상기 패킹 응력을 산출하는 것을 특징으로 하는 밸브 패킹 마찰력 산출 방법.
    [수학식 5]
    Figure 112021145996843-pat00169

    [수학식 6]
    Figure 112021145996843-pat00170

    여기서,
    Figure 112021145996843-pat00171
    및
    Figure 112021145996843-pat00172
    은 각각 제1 패킹 응력 및 제2 패킹 응력,
    Figure 112021145996843-pat00173
    및
    Figure 112021145996843-pat00174
    은 각각 제1 패킹 마찰력 및 제2 패킹 마찰력,
    Figure 112021145996843-pat00175
    는 패킹-스템 마찰 계수,
    Figure 112021145996843-pat00176
    ,
    Figure 112021145996843-pat00177
    ,
    Figure 112021145996843-pat00178
    은 각각 밸브 스템 직경, 글랜드 직경 및 밸브 패킹 높이,
    Figure 112021145996843-pat00179
    은 축 방향의 글랜드 응력과 직경 방향의 글랜드 응력의 비율을 의미하며,
    Figure 112021145996843-pat00180
    는 밸브 스템 직경
    Figure 112021145996843-pat00181
    , 글랜드 직경
    Figure 112021145996843-pat00182
    , 패킹-스템 마찰 계수
    Figure 112021145996843-pat00183
    및 패킹-본닛 마찰 계수
    Figure 112021145996843-pat00184
    에 의해 정의되는 계수(
    Figure 112021145996843-pat00185
    )임.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 실제 패킹 마찰력을 산출하는 단계는,
    하기 [수학식 7] 및 [수학식 8]을 이용하여 상기 패킹-스템 마찰 계수 및 상기 패킹 응력으로부터 유동을 고려한 상기 실제 패킹 마찰력을 산출하는 것을 특징으로 하는 밸브 패킹 마찰력 산출 방법.
    [수학식 7]
    Figure 112021005110060-pat00186

    [수학식 8]
    Figure 112021005110060-pat00187

    여기서,
    Figure 112021005110060-pat00188
    은 실제 패킹 마찰력이고,
    Figure 112021005110060-pat00189
    는 밸브 스템의 직경,
    Figure 112021005110060-pat00190
    는 패킹-스템 마찰 계수,
    Figure 112021005110060-pat00191
    은 축 방향의 글랜드 응력과 직경 방향의 글랜드 응력의 비율,
    Figure 112021005110060-pat00192
    는 패킹 응력,
    Figure 112021005110060-pat00193
    은 밸브 패킹 높이이며,
    Figure 112021005110060-pat00194
    는 축 방향의 글랜드 응력과 직경 방향의 글랜드 응력의 비율
    Figure 112021005110060-pat00195
    , 밸브 스템 직경
    Figure 112021005110060-pat00196
    , 글랜드 직경
    Figure 112021005110060-pat00197
    , 패킹-스템 마찰 계수
    Figure 112021005110060-pat00198
    및 패킹-본닛 마찰 계수
    Figure 112021005110060-pat00199
    에 의해 정의되는 계수이고,
    Figure 112021005110060-pat00200
    는 유동의 압력에 의한 상수로서 유동 압력에 의해 밸브 패킹의 접촉 압력의 감소를 고려하는 상수임.
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