KR20100050796A - 밸브 유체누설 모의시험장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 발전소, 화학플랜트 등 산업설비에 사용되는 밸브 내부에 유체가 누설되는 것을 모의시험할 수 있도록 한 밸브 유체누설 모의시험장치에 관한 것이다. 이러한 본 발명은 압력용기에서 공급관을 통해 공급되는 유체를 저장하는 유체저장탱크와, 상기 유체저장탱크로부터의 유체를 공급관을 통해 시험편에 분사시키는 분사노즐과, 상기 분사노즐과 시험편이 장착되고 용기내부로 분사되는 유체를 관찰가능한 시험용기와, 상기 시험편에서 주변에 설치되어 그 실험편에서 누설되는 유체의 음향을 감지하는 음향감지수단과, 상기 음향감지수단에서 감지하는 신호를 측정하는 음향신호측정기 및, 상기 음향신호측정기에서 측정된 음향신호를 분석하는 신호분석용 컴퓨터를 포함한다.
밸브, 압력용기, 분사노즐, 음향센서

Description

밸브 유체누설 모의시험장치{APPARATUS FOR SIMULATING FLUID LEAKAGE OF VALVE}
본 발명은 발전소, 화학플랜트 등 산업설비에 사용되는 밸브 내부에 유체가 누설되는 것을 모의시험할 수 있도록 한 밸브 유체누설 모의시험장치에 관한 것이다.
일반적으로, 발전소 및 화학플랜트 등 산업설비에는 수많은 밸브(valve) 및 트랩(trap) 들이 사용되고 있으며, 그 중 설비의 안전운행에 큰 영향을 주는 밸브나 트랩에 대한 동작 건전성 검사, 내부 압력 및 누설검사가 수행되고 있다.
이러한 밸브나 트랩에서 내부 유체누설은 시일(seal)의 부분인 밸브몸체(valve body)와 밸브시트(valve seat)면의 이물질 삽입, 밸브 내부부품의 손상, 밸브몸체와 밸브시트의 균열, 밸브스템(valve stem)의 패킹 또는 용접부위의 결함 및 피로균열 등에 의해 발생되며, 내부 유체누설이 발생하면 유량증가, 밸브 입구쪽 압력저하, 냉각기능 상실, 유독물질 및 방사성 물질의 방출 등 산업설비 운전에 막대한 손상과 사고를 초래하게 된다.
현재 밸브나 트랩의 내부 유체누설을 진단하기 위한 수단으로는 유량 레벨감소, 압력계를 이용한 입출구 압력차, 온도 및 습도측정법 등이 있다. 이러한 방법들은 진단절차가 복잡하며 간접적인 측정으로 인해 측정정밀도면에서 신뢰하기 어려우므로 개선이 필요하다.
한편, 상기한 방법들과 달리 음향진단기술을 적용하여 측정정밀도를 개선한 음향진단법이 있다. 현재 사용되는 음향진단법은 현장의 주변 잡음으로 50/㎖/min/inch 미만의 유체누설이 발생할 경우 측정이 불가능한 문제점이 있었다. 이는 누설시 측정된 음향파가 주변 잡음에 혼입되어 잡음신호가 분리되기 어렵기 때문에 50/㎖/min/inch 미만의 누설상태를 정확하게 측정하지 못하는 원인이 되었다.
또한, 음향진단법에서는 미량누설시 음향파 데이터 확보 방법론 및 누설상태에 따른 음향파의 기준신호 설정의 부재로 인하여 단순히 음향파 전압신호 레벨의 진폭 크기만을 측정하는 상대적 비교방법을 채택함으로써 신뢰성에 문제가 있는 것은 물론, 에너지 손실의 발생이 불가피하였다.
한국 공개특허공보 2008-38956호(이하, 선행기술1 이라한다.) 및 2008-38727호(이하, 선행기술2 이라한다.)에서 밸브누설 진단장치에 대한 기술이 개시되어 있다.
상기 선행기술1,2에서는 밸브의 내부누설을 진단할 수 있으나, 다양한 밸브에 대하여 모의시험하는 장치가 구비되어 있지 않으므로 각종 밸브의 누설량에 따른 신호의 기준을 설정하는데 한계가 있었고, 누설량 기준에 따른 음향파의 신호를 표준화할 수 없는 문제점이 있었다.
이에 본 발명의 목적은 선행기술1,2이 지닌 문제점을 개선한 것으로, 여러가지의 밸브에 대한 내부누설을 시험편으로 모의시험하여 누설조건에 따른 음향신호의 기준을 설정할 수 있도록 한 밸브 유체누설 모의시험장치를 제공하는데 있다.
본 발명의 다른 목적은 여러가지의 밸브에 대한 내부누설을 시험편으로 모의시험하여 누설량 기준에 따른 음향파의 신호를 표준화할 수 있도록 한 밸브 유체누설 모의시험장치를 제공하는데 있다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 압력용기에서 공급관을 통해 공급되는 유체를 저장하는 유체저장탱크와, 상기 유체저장탱크로부터의 유체를 공급관을 통해 시험편에 분사시키는 분사노즐과, 상기 분사노즐과 시험편이 일측에 장착되고 용기내부로 분사되는 유체를 관찰가능한 시험용기와, 상기 시험편에서 주변에 설치되어 그 실험편에서 누설되는 유체의 음향을 감지하는 음향감지수단과, 상기 음향감지수단에서 감지하는 신호를 측정하는 음향신호측정기 및, 상기 음향신호측정기에서 측정된 음향신호를 분석하는 신호분석용 컴퓨터를 포함한다.
상기 음향감지수단은 상기 시험용기 외부에서 시험편에 인접되게 설치된 제1 음향센서와, 상기 시험용기 내부에 설치된 제2음향센서로 구성되어 있다.
상기 유체저장탱크와 분사노즐 사이의 공급관 유체의 압력을 조절하는 압력조절부를 포함하는 것이 바람직하다.
상기 시험용기의 용량을 초과하는 유체의 양을 측정하는 유량실린더를 포함하는 것이 바람직하다.
상기 시험용기에 물이 채워진 상태에서 상기 분사노즐에서 물이 분사될 때, 상기 제1,2음향센서가 물누설에 따른 음향을 감지하도록 구성할 수 있다.
또한, 상기 시험용기에 공기가 채워진 상태에서 상기 분사노즐에서 물이 분사될 때, 상기 제1,2음향센서가 물누설에 따른 음향을 감지하도록 구성할 수 있다.
또한, 상기 시험용기에 물이가 채워진 상태에서 상기 분사노즐에서 가스가 분사될 때, 상기 제1,2음향센서가 가스누설에 따른 음향을 감지하도록 구성할 수 있다.
상기 시험용기에 공기가 채워진 상태에서 상기 분사노즐에서 가스가 분사될 때, 상기 제1,2음향센서가 가스누설에 따른 음향을 감지하도록 구성할 수 있다.
상기 음향신호측정기에는 웨이브릿 시간-주파수 분석과 이벤트 지속기간의 음향변수 상관성분석 프로그램이 내장되는 것이 바람직하다.
상기 이벤트 지속기간의 음향변수 상관성분석 프로그램에 의해 1/㎖/min/inch 미만의 유체누설량을 측정할 수 있다.
이와 같은 본 발명에 따른 밸브 유체누설 모의시험장치에 의하면, 밸브, 트랩 등 밸브류의 유체종류, 누설형상, 누설형태 등 다양한 조건을 모의시험장치에 입력하여 유체누설시의 유동특성, 서로 다른 유체간 누설특성, 유체누설시 음향특성을 파악할 수 있게 된다. 또한 밸브류가 있는 현장의 조건을 그대로 반영하여 모의시험장치에서 시험할 수 있으므로 음향특성 데이터의 정확성을 높일 수 있게 된다.
한편, 1/㎖/min/inch 미만의 극미량의 유체누설의 경우에도, 음파감도를 높게 측정할 수 있으므로 미량의 누설 관리가 필요한 정밀제어, 안전계통 및 미량 유체누설특성 해석분야에 기여할 수 있다. 더욱이 밸브류 이외에도 압력용기, 배관류 및 열교관기 등의 유체 미량누설측정에 활용할 수 있다.
이하, 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 첨부한 도면에 따라 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 밸브 유체누설 모의시험장치를 도시한 개략도이고, 유체누설 모의시험장치의 일부분을 나타낸 사진이다.
본 발명에 따른 밸브 유체누설 모의시험장치는 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 압력용기(10), 유체저장탱크(20), 시험편(32)과 분사노즐(34)이 설치된 시험용기(30), 음향감지수단, 음향신호측정기(50) 및 신호분석용 컴퓨터(60)를 포함한다.
상기 압력용기(10)는 공급관(12)을 통하여 상기 유체저장탱크(20)로 질소가스를 공급하도록 되어 있다. 그리고, 상기 압력용기(10)의 공급관(12)에는 질소를 공급하는 압력을 조절하기 위한 압력조절기(14)가 설치되어 있다.
여기서, 압력용기(10)는 시험용 유체를 가압하기 위하여 내부에 질소가스가 충전되어 있는데, 질소가스와 유사한 성질을 지닌 가스 등 기체를 사용하여도 무방하다.
상기 유체저장탱크(20)는 내부에 상기 압력용기(10)의 공급관(12)을 통하여 질소가스가 공급된다. 여기서, 유체저장탱크(20)는 상기 분사노즐(32)과 시험편(34)을 통과하는 유체의 속도를 조절하여 누설량 및 누설형태를 변화시키기 위하여 필요한 용기이다.
상기 유체저장탱크(20)에서 공급관(22)을 통하여 유체가 상기 분사노즐(32)로 공급되도록 되어 있다. 상기 공급관(22)에는 유체의 압력을 조절하는 압력조절부로서 압력변환기(24)가 설치되어 있다. 여기서, 압력변환기(24)는 유체가 유동할 때 유동량을 압력으로 변환시켜주는 역할은 한다. 그리고, 상기 공급관(22)에는 상기 유체저장탱크(20)에서 질소가스가 유동할 때 질소가스의 양을 계측하는 가스유량계(26)이 구비되어 있다.
상기 시험용기(30)는 시험편(32)을 통해 유체의 누설상태를 육안으로 관찰가능한 용기이다. 시험용기(30)의 일측에 시험편(32)을 장착하고, 상기 시험편(32)에 분사노즐(34)을 장착하여 용기 내부에서 유체의 누설상태를 확인하게 된다. 여기서, 시험용기(30)는 용기내부가 관찰될 수 있는 투명아크릴재로 제작하고, 유체가 넓은 각도로 분사되도록 원통형 구조로 갖는 것이 바람직하다.
그리고, 시험용기(30)에는 유량실린더(36)이 구비되어 용기의 용량을 초과하여 넘치는 유체의 양을 측정가능하게 되어 있다. 한편, 시험용기(30)에는 물을 채우거나 물을 채우지 않을 경우에 각각 상기 분사노즐(34)에서 상기 시험편(32)으로 분사되는 유체를 확인할 수 있다.
상기 시험편(32)은 도 3에 도시된 바와 같이, 두께방향으로 원형의 홀(32a)을 갖도록 되어 있다. 여기서, 홀(32a)의 구경은 0.2 ∼ 0.6㎜ 정도로 형성하도록 되어 있다.
한편, 다른 시험편(33)은 도 4에 도시된 바와 같이, 두께 방향으로 틈모양의 홀(34a)을 갖도록 되어 있다. 여기서, 홀(34a)의 구경은 0.22 ∼ 0.42㎜ 정도로 형성하도록 되어 있다.
상기 음향감지수단은 상기 시험용기(30) 외부에서 시험편(32)에 인접되게 설치된 제1음향센서(40)와, 상기 시험용기(30) 내부에 설치된 제2음향센서(42)로 구성되어 있다.
상기 음향신호측정기(50)는 웨이브릿(Wavelet) 시간-주파수(Time-Join Frequency) 분석과 이벤트 지속시간(Event Duration Time)의 음향변수 상관성분석 프로그램이 내장되어 있다.
도 5에 도시된 바와 같이, 웨이브릿(Wavelet) 시간-주파수(Time-Jointed Frequency) 분석은 시간에 따른 누설 특징주파수를 평가하여 주변잡음에 의존하지 않고 측정할 수 있는 방법으로, 가로축의 시간에 대한 세로축의 주파수성분( 노란 색으로 표시된 부분)을 측정하여 누설 및 주변잡음 신호의 고유 주파수 성분을 평가할 수 있다.
도 6에 도시된 바와 같이, 밸브를 대상으로 이벤트 지속시간의 음향변수상관성분석을 예시한 것이다.
밸브에 일정거리(L)를 두고 장착되는 제1음향센서(40)와 제2음향센서(42)에서 감지하는 신호는 음향데이터취득부(52)에서 취득하게 된다. 음향파의 지속시간(Duration Time)에 대한 탄성파 레벨(Elastic Wave level; 53,55)과 이벤트 지속시간(Event Duration Time; 54, 56)을 측정함으로서 도달한 음향신호의 시간을 측정할 수 있다. 여기서, 이벤트 지속기간의 음향변수 상관성분석 프로그램에 의해 1/㎖/min/inch 미만의 유체누설량을 측정할 수 있다.
밸브에 부착하는 제1음향센서(40)에서 측정한 신호에 대해서는 탄성파 레벨(53)과 이벤트 지속시간(54)에서 신호처리된다. 그리고, 제2음향센서(42)에서 측정한 신호에 대해서는 탄성파 레벨(55)과 이벤트 지속시간(56)에서 신호처리된다.
최종적으로, 제어부(58)에서 각 유체누설상태에서 기준값을 설정하고 측정시간, 신호도달시간 및 누설상태평가를 수행하도록 되어 있다.
본 발명에 따른 밸브 유체누설 모의시험장치에 대한 작동 과정을 도 1 내지 도 4를 참조하여 설명한다.
먼저, 압력용기(10)의 질소가스를 공급관(12)을 통해 유체저장탱크(20)에 공 급하여 내부에 저장된 유체를 압축시킨다.
그 후, 공급관(22)에 장착된 압력조절기(14)를 통하여 분사노즐(34) 및 시험편(32,33)을 통과하는 유체속도를 조절한다. 동시에, 공급관(22)에 장착된 가스유량계(26)를 통하여 가스의 양을 측정한다. 동시에 시험용기(30)의 용량을 초과하여 흐르는 유체의 양을 유량실린더(36)을 통하여 측정함으로써 공급한 유체의 양을 측정한다.
이 때, 시험편(32,33)을 통과하는 유체속도를 조절함에 따라 시험용기(30)의 내부에서 변화되는 누설량 및 누설형태를 모의적으로 시험할 수 있게 된다.
한편, 모의시험시 시험용기(30)에 물이 채워진 상태에서 분사노즐(32)에서 물이 분사되는 경우, 시험용기(30)에 공기가 채워진 상태에서 분사노즐(32)에서 물이 분사되는 경우, 시험용기(30)에 물이가 채워진 상태에서 분사노즐(32)에서 가스가 분사되는 경우, 시험용기(30)에 공기가 채워진 상태에서 분사노즐(32)에서 가스가 분사되는 경우를 나눌 수 있다.
시험용기(30)의 외부에 있는 제1음향센서(40)와 내부에 있는 제2음향센서(42)에서 각각 감지하는 음향신호를 음향신호측정기(50)에서 측정한다.
이 때, 음향신호측정기(50)는 내장된 웨이브릿 시간-주파수 분석과 이벤트 지속기간의 음향변수 상관성분석 프로그램을 통하여, 누설시험시 누설상태, 누설량에 따른 음향신호 데이터와 비교 분석한다. 이렇게 분석된 데이터값을 신호분석용 컴퓨터(60)에서 확인할 수 있다.
본 발명에 따른 밸브 유체누설 모의시험장치에 의하면, 밸브누설 모의시험시 누설상태, 누설압력, 누설량에 따른 음향신호 데이터를 현장측정 이전에 음향측정장치의 음향신호 감도를 보정하는데 이용할 수 있게 된다. 또한 현장측정시 데이터와 비교분석하여 측정결과를 보정할 수 있다. 더욱이 현장조건을 모의시험장치에서 재현할 수 있으므로 현장에서 측정한 음향특성 데이터를 정확도를 높일 수 있게 된다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명은 바람직한 실시예를 기초로 설명하였으나 특정 실시예에 한정되는 것은 아니며, 해당분야 통상의 지식을 가진 자가 특허청구범위 내에서 기재된 범주내에서 변경할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 밸브 유체누설 모의시험장치를 도시한 개략도,
도 2는 유체누설 모의시험장치의 일부분을 나타낸 사진,
도 3은 유체누설 모의시험장치의 시험편을 도시한 평면도,
도 4는 유체누설 모의시험장치의 다른 시험편을 도시한 평면도,
도 5는 시간-주파수 웨이브릿 분석을 예시한 그래프,
도 6은 이벤트 지속시간 측정기법에 의한 음향변수 상관성분석을 예시한 블럭도이다.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *
10 : 압력용기 12 : 공급관
14 : 압력조절기 20 : 유체저장탱크
22 : 공급관 24 : 압력변환기
26 : 가스유량계 30 : 시험용기
32,33 : 시험편 34 : 분사노즐
36 : 유량실린더 40 : 제1음향센서
42 : 제2음향센서 50 : 음향신호측정기
60 : 신호분석용 컴퓨터

Claims (11)

  1. 압력용기에서 공급관을 통해 공급되는 유체를 저장하는 유체저장탱크와,
    상기 유체저장탱크로부터의 유체를 공급관을 통해 시험편에 분사시키는 분사노즐과,
    상기 분사노즐과 시험편이 일측에 장착되고 용기내부로 분사되는 유체를 관찰가능한 시험용기와,
    상기 시험편에서 주변에 설치되어 그 실험편에서 누설되는 유체의 음향을 감지하는 음향감지수단과,
    상기 음향감지수단에서 감지하는 신호를 측정하는 음향신호측정기 및,
    상기 음향신호측정기에서 측정된 음향신호를 분석하는 신호분석용 컴퓨터를 포함하는 밸브 유체누설 모의시험장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 음향감지수단은 상기 시험용기 외부에서 시험편에 인접되게 설치된 제1음향센서와, 상기 시험용기 내부에 설치된 제2음향센서로 구성된 것을 특징으로 하는 밸브 유체누설 모의시험장치.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 유체저장탱크와 분사노즐 사이의 공급관 유체의 압력을 조절하는 압력조절부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 밸브 유체누설 모의시험장치.
  4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 시험용기의 용량을 초과하는 유체의 양을 측정하는 유량실린더를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 밸브 유체누설 모의시험장치.
  5. 제 2 항에 있어서,
    상기 시험용기에 물이 채워진 상태에서 상기 분사노즐에서 물이 분사될 때, 상기 제1,2음향센서가 물누설에 따른 음향을 감지하도록 된 것을 특징으로 하는 밸브 유체누설 모의시험장치.
  6. 제 2 항에 있어서,
    상기 시험용기에 공기가 채워진 상태에서 상기 분사노즐에서 물이 분사될 때, 상기 제1,2음향센서가 물누설에 따른 음향을 감지하도록 된 것을 특징으로 하는 밸브 유체누설 모의시험장치.
  7. 제 2 항에 있어서,
    상기 시험용기에 물이가 채워진 상태에서 상기 분사노즐에서 가스가 분사될 때, 상기 제1,2음향센서가 가스누설에 따른 음향을 감지하도록 된 것을 특징으로 하는 밸브 유체누설 모의시험장치.
  8. 제 2 항에 있어서,
    상기 시험용기에 공기가 채워진 상태에서 상기 분사노즐에서 가스가 분사될 때, 상기 제1,2음향센서가 가스누설에 따른 음향을 감지하도록 된 것을 특징으로 하는 밸브 유체누설 모의시험장치.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 시험용기는 투명아크릴재로 원통형으로 제작된 것을 특징으로 하는 밸브 유체누설 모의시험장치.
  10. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 음향신호측정기에는 웨이브릿 시간-주파수 분석과 이벤트 지속기간의 음향변수 상관성분석 프로그램이 내장된 것을 특징으로 밸브 유체누설 모의시험장치.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 이벤트 지속기간의 음향변수 상관성분석 프로그램에 의해 1/㎖/min/inch 미만의 유체누설량이 측정가능하도록 된 것을 특징으로 하는 밸브 유체누설 모의시험장치.
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