KR20120082428A - 카고 탱크용 배출 밸브 - Google Patents

Abstract

예를 들어 유조선의 카고 탱크용 배출 밸브는 밸브 하우징(3), 밸브 보디(1) 및 밸브 시트(2)를 포함한다. 배출 밸브는 제1 밸브 특성을 가지고 있다. 본 발명에 따라, 추가적인 다른 밸브 시트(7)와 상호 작용을 위해 이동가능하게 배열된 추가적인 다른 밸브 보디(8)를 수용하기 위하여 밸브 보디(1)가 중공형이기 때문에, 밸브 보디 내에 설치되는 추가적인 다른 밸브가 구비된다. 본 발명에 따라, 추가적인 다른 밸브는 제1 밸브의 특성과 상이한 특성을 가지고 있다.

Description

카고 탱크용 배출 밸브{A VENTING VALVE FOR CARGO TANKS}

본 발명은 예를 들어 유조선의 카고 탱크(cargo tanks) 내의 초과 압력(overpressure)을 균등화하는 배출 밸브에 관한 것이며, 배출 밸브는 밸브 하우징, 축선 방향으로 이동가능한 밸브 보디 및 밸브 보디에 결합되는 밸브 시트를 포함하고, 밸브 시트에 대한 밸브 보디의 위치는 카고 탱크 내의 압력에 의존한다.

유조선 내의 카고 탱크에 사용하기 위한 압력 밸브와 관련한 설비의 형식 승인/검사에 대한 국제적인 법규들이 있다. 이 법규들에서의 실체적인 규정은, 밸브가 개폐 사이클로 인하여 0.5 Hz 보다 낮은 진동수를 갖는 밸브 진동을 결코 발생시키지 않을 것이라는 것을 확인하는 것이다.

이 규정을 준수하기 위하여, 블로 다운(밸브 개방시의 압력과 밸브 폐쇄시의 압력 간의 차이)이 큰 밸브들을 사용하는 것이 채택되었다. 이러한 밸브의 일례가 국제특허 공개공보 WO 93/16310에 공지되어 있는데, 이 공보의 발명에서는 개방 압력을 증가시키기 위하여 자석이 사용된다. 그러나, 이 방법은 탱크 내의 압력이 밸브가 폐쇄될 때의 수준으로 떨어질 때까지, 밸브가 개방될 때마다 대량의 가스가 배출되기 때문에 바람직하지 않은 영향을 나타낸다. 이 방법의 단점은, 밸브가 다시 폐쇄될 때 탱크 내의 카고의 증기 압력을 다시 형성하기 위하여 카고가 증발하게 되는 정도까지 탱크 내의 압력을 감소시킨다는 것이다. 이것은 카고의 손실을 야기할 뿐만 아니라 심각한 환경 오염을 초래한다. 압력 손실을 연속적으로 증가시키는 밸브를 사용함으로써 문제를 해결할 수 있지만, 이러한 밸브는 크기가 상당히 크며 용인하기 곤란한 비용이 발생한다. 공지된 다른 해결 방안은 밸브를 소위 파일럿 밸브로 제어하여, 압력 증가를 피하고 배출 가스의 양을 최소화하는 것이다. 이것은 비용이 많이 소요되는 해결 방안이다.

밸브는 일반적으로 충전하는 동안 탱크를 배기하도록 사용되고 가스는 자연적으로 주위 공기로 방출된다. 이것은 탱크를 가득 채우기 위하여 불가피한 것이다.

유조선이 항해하는 동안 유조선의 탱크에서 열적 압력 증가가 발생하고, 열적 압력 증가는 예를 들어 태양열에 의한 것이다. 이러한 압력 증가는 또한 밸브를 통하여 배출되고, 이러한 상태에서 큰 블로 다운(blow-down)은 상당한 카고 손실 및 환경 오염을 초래한다.

유조선 선내의 카고 탱크는 비교적 작은 초과 압력만을 견딜 수 있으며, 그 한계는 흔히 대략 25 kPa이다. 이와 아울러, 증발을 최소화하기 위해 탱크 내의 압력을 가능한 높게 유지하는 경우와, 카고가 독성이 있는 것으로 분류되는 경우, 압력 균등화 밸브의 개방 압력은 적어도 20 kPa이 되어야만 한다. 이것은 압력 균등화 밸브를 통한 압력 강하 및 관련 배관 시스템에서의 압력 강하를 고려할 때, 배기를 위해 매우 좁은 압력 구간이 이용될 수 있다는 것을 의미한다.

본 발명의 목적은 소량의 가스뿐만 아니라 대량의 가스를 배기하기 위해 사용되는 밸브로서, 선박의 갑판 상에서도 사용될 수 있는 매우 간단한 기계식 유닛이며, 허용할 수 없을 정도로 진동하지 않을 뿐만 아니라 전술한 압력 크기의 매우 좁은 압력 구역 내에서 작동할 수 있는 밸브를 제공하는 것이다.

이러한 목적은, 중공형이며 추가적인 다른 밸브 보디를 수용하도록 형성된 밸브 보디에 의해서 달성되며, 다른 밸브 보디와 상호 작용하기 위해 밸브의 외부로 연장되는 밸브 보디의 단부에 추가적인 다른 밸브 시트가 구비되고, 상호 작용하는 밸브 보디/밸브 시트 및 추가적인 다른 밸브 보디/밸브 시트의 특성은 서로 다르다.

제1 밸브 기능은 대량의 가스를 배기하기 위한 것인 반면에 제2 밸브 기능은 소량의 가스를 배기하기 위한 것이다. 편의상 제1 밸브 및 제2 밸브가 설명되는데, 여기서 제1 밸브는 대량의 가스를 배출하도록 형성된 밸브 보디 및 밸브 시트를 포함하는 것이고, 제2 밸브는 제1 밸브에 마련되는 것이므로 소량의 가스를 배출하도록 형성된 추가적인 다른 밸브 보디 및 추가적인 다른 밸브 시트를 포함하는 것이다.

제1 밸브는, 예를 들어 국제특허 공개공보 WO 93/16310에 개시된 바와 같이 자석을 구비한 것이 될 수 있지만, 제1 밸브는 밸브를 유동 요건에 부합되도록 한 다른 수단들을 포함할 수도 있다. 예를 들어, 축선 방향의 단면에서 보았을 때 밸브 보디와 밸브 하우징 사이의 유동 면적이 밸브 하우징에서의 밸브 위치에 의존하도록 밸브 보디와 밸브 하우징이 형성될 수 있다. 예를 들어, 미국 특허 US 5 060 688호에 공지된 밸브를 참조한다.

밸브의 특성은 밸브를 폐쇄하기 위하여 밸브에 스프링 부하를 가하거나 또는 밸브 보디의 자중을 이용함으로써 변경될 수 있다.

바람직한 실시예에서, 제2 밸브는 제1 밸브와 동심으로 배열된다. 제2 밸브 보디가 제1 밸브 보디와 동심으로 배열되고, 밸브 외부로 연장되는 밸브 보디의 단부에 구비되는 제2 밸브 시트에 대해 축선 방향 이동하도록 제2 밸브 보디가 형성되며, 카고 탱크 내의 압력이 제2 밸브 보디를 제2 밸브 시트로부터 멀어지게 작동시키도록 밸브 보디에 채널들이 구비된다.

다른 실시예들에서 밸브 보디는 스프링 부하 방식, 무게 부하 방식 및/또는 다른 방식으로 조절 가능한 것이 될 수 있다.

앞서 설명한 바와 같이 자석을 사용함으로써, 증압된 소정의 가스 압력까지 밸브를 폐쇄된 상태로 유지하는 것이 바람직하며, 제1 밸브는 가능한 많이 그리고 가능한 빨리 개방한다. 특정 실시예에서, 밸브 하우징의 외부에 위치되는 밸브 보디의 부분은, 밸브 하우징의 돌출 스커트(skirt)와 상호 작용하도록 형성되고 직경이 밸브 시트의 간극 구멍보다 큰 실질적으로 원통형인 구역을 포함하며, 원통형 구역의 외부 윤곽은 스커트의 내부 윤곽에 상응한다.

이러한 구조는 가스가 직경이 큰 원통형 구역에 작용할 때 제1 밸브가 더욱 빠르게 개방하도록 제1 밸브 보디에 증가된 가스 압력을 야기한다. 이 실시예는 예를 들어 저장 탱크와 밸브 사이에 긴 파이프 연결의 결과로 현저한 압력 손실이 일어나는 장치와 관련하여 특별한 장점을 갖는다.

스커트의 높이는 유동 요구에 따라 조절되며, 실시예에서 밸브 보디의 전체 스트로크 길이의 대략 절반이 될 수 있다. 마찬가지로, 원통형 구역의 직경은 상태에 따라 조절되는데, 예를 들어 밸브 시트의 클리어런스 구멍보다 대략 10% 크게 할 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 밸브의 일 실시예의 단면도.
도 2 내지 도 4는 본 발명을 설명하기 위하여 압력과 유동 체적간의 관계를 보여주는 도면.
도 5 및 도 6은 본 발명의 다른 실시예를 도시한 도면.

본 발명은 도면에 도시된 실시예에 대한 이하의 설명에서 더욱 상세하게 설명한다.

도 1은 저부를 향하여 개방되어 있는 밸브 하우징(3)을 도시하며, 하우징은 카고 탱크 또는 카고 탱크의 파이프에 부착되도록 형성되어 있다. 밸브 하우징(3)은 밸브 보디를 상하로 이동가능하게 밸브 보디(1)를 배열하기 위한 내부 베어링(9, 10)을 갖고 있다. 가장 낮은 위치에서, 밸브 보디는 밸브 시트(2)에 안착(rest)한다. 탱크 내의 가스 압력은 한 쌍의 자석들에 의해 가해지는 힘 및 밸브 보디의 자중에도 불구하고 밸브 보디(1)의 하부측을 강제로 개방시킨다. 유동 요건에 맞추어 밸브를 조절하기 위하여 자석들의 위치는 디스크(5)에 의해 변경될 수 있다. 자석들이 서로 분리되도록 압력 증가는 비교적 커야 하고, 저항력(counterforce)이 현저하게 낮아지므로 밸브는 비교적 낮은 압력에서 다시 폐쇄된다. 이것은 도 2 내지 도 4와 관련하여 더욱 상세하게 설명될 것이다.

본 발명에 따르면, 밸브 보디(1)는 중공형이며 구멍(12)들을 포함하므로, 탱크 내의 가스 압력은 또한 구멍(12)들을 통하여 공동(cavity)(11)에도 존재한다. 밸브 보디(6)를 포함하는 제2 밸브는 가이드(9, 10)에 배열되고, 카고 탱크 내의 압력이 스프링(8) 및 밸브 보디(6)의 자중에 의한 힘을 극복하지 못하는 한 밸브 보디(6)가 밸브 시트(7)에 안착하도록 스프링(8)에 의해 부하가 가해지며, 중공형 밸브 보디(1)의 상부에 구비된다. 카고 탱크 내의 압력이 증가할 때, 도 2 내지 도 4를 참조하여 이하에 설명되는 바와 같이 제2 밸브는 서서히 개방한다.

제1 밸브는 도 2에 도시된 바와 같이 하나의 개방/폐쇄 곡선 또는 특성을 가질 것이다. 도 2에서,

A: 밸브의 개방 지점, 밸브 보디의 질량 및 자력을 나타낸다(이 예에서는 22 kPa로 설정).

B: 자력이 작용하지 않게 됨으로써 밸브가 개방될 때 밸브 아래의 압력이 대폭적으로 감소한다.

C: 밸브는 완전히 개방되고 완전 개방된 밸브를 나타내는 포물선 형태의 곡선에 도달한다.

D: 압력 균형이 이루어질 때까지 곡선 CD를 따른다.

E: 밸브의 폐쇄 지점, 즉 밸브 보디의 질량을 나타낸다(이 예에서는 5 kPa로 설정).

탱크에서 압력 증가가 일어나고, 그 압력이 원뿔형 보디에 대한 상향력(upwards directed force)과 원뿔형 보디로부터의 하향력(downwards directed force) 간의 균형점 및 자력을 초과할 때, 원뿔형 보디는 위로 이동하게 되고 자력은 감소하게 되며 원뿔형 보디는 더욱더 상승하게 될 것이다. 원뿔형 보디 아래의 압력은 원뿔형 보디의 질량에 의해서만 특징지어 지는 B 지점까지 감소하고, 계속해서 곡선은 밸브가 완전히 개방된 상태인 C 지점으로 진행된다. 그 후에 곡선은 균형에 도달될 때까지 D 지점으로 따라간다.

탱크 내의 압력이 감소하기 시작할 때, 이 지점으로부터 E 에서 밸브가 폐쇄될 때까지 곡선 DC를 따라가고, 계속해서 곡선 CB를 따라간다.

제2 밸브는 그 개방-곡선이 직선인 것을 특징으로 하는 조절 밸브이다. 밸브 특성은 도 3에 도시된 바와 같은 것이 될 수 있다. 도 3에서,

F: 밸브의 개방 지점을 나타낸다(이 예에서 20 kPa로 설정).

G: 밸브는 완전히 개방되고 완전 개방된 밸브를 나타내는 포물선 형태의 곡선에 도달한다.

H: 압력 균형이 이루어질 때까지 곡선 GH를 따른다.

탱크 내에서 압력 증가가 발생하고 그 압력이 균형점 F를 초과할 때 원뿔형 보디가 시트로부터 상승한다. 계속해서 압력이 증가하는 경우, 원뿔형 보디의 상승 높이는 밸브가 G 지점에서 완전히 개방될 때까지 압력에 비례하여 증가한다.

더욱 압력이 증가하는 경우, 압력 균형이 이루어질 때까지 포물선 형태의 곡선 GH를 따른다. 압력이 감소할 때는, 곡선 HG를 따르고 밸브가 폐쇄되는 GF까지 진행된다. 이러한 종류의 밸브는 동일한 개방 및 폐쇄 압력을 갖는다.

전술한 밸브들을 조합하면 새로운 밸브 특성이 나타난다. 이러한 밸브는 제2 밸브가 제1 밸브보다 약간 작은 설정 점(도시된 예에서는 각각 20 kPa와 22 kPa)을 갖도록 설계된다. 이렇게 만든 밸브의 곡선이 도 4에 도시되어 있다. 도 4에서,

I: 밸브의 개방 지점을 나타낸다(이 예에서는 20 kPa로 설정).

J: 여기에서 압력은 제1 밸브의 개방 지점까지 증가하였다.

K: 밸브 아래의 압력은 앞서 설명한 자력 변화로 인하여 대폭적으로 감소한다.

L: 밸브가 완전히 개방될 때까지 곡선 KL을 따른다.

M: 압력 균형이 이루어질 때까지 포물선 형태 곡선을 따른다.

N: 밸브의 폐쇄 지점을 나타낸다.

밸브가 열적 배출을 위해 사용될 때, 압력은 개방 지점 I(20 kpa)까지 탱크 내에서 서서히 증가하고 그 다음에 J 지점을 향하여 곡선을 따르게 된다. 단지 작은 양이 균등화되기 때문에, J 지점의 크기는 열 배출 동안에 도달될 수 없도록 한 크기로 정해진다. 압력이 감소할 때, 밸브는 I 지점에서 다시 폐쇄된다. 이 방식에서, 카고로부터 불필요한 가스의 배출은 전혀 일어나지 않는다.

카고를 적재하는 동안에 배출을 위해 밸브가 사용될 때, 처음에 탱크 내의 압력은 I 지점까지 증가한다. 더욱 압력이 증가하는 경우에, 곡선 IJ를 따르며 이 때 밸브의 다음 부분이 활성화되고, 곡선 M에서 균형이 이루어질 때까지 곡선 JK 및 KL을 따른다. 카고 적재의 완료로 인하여 압력이 감소할 때, 밸브가 지점 N에서 완전히 폐쇄될 때까지 곡선 M은 LK 와 KN을 따른다. 빈 탱크에 있었던 대량의 가스들은 여기에서 배출되는데, 왜냐하면 이 가스들은 카고에 의해서 이동되었기 때문이다. 가스가 카고의 증기 압력에 해당하는 압력을 갖는 탱크의 상부와 카고 사이의 공간까지 이제 카고가 충전될 것이다.

본 발명에 따른 밸브의 독특한 점은 0.5 Hz 보다 낮은 진동수를 갖는 진동을 일으키지 않아야 한다는 요건을 충족시키는 동시에 카고로부터의 방출 가스를 감소시킨다는 것이다.

도 5 및 도 6에 도시된 실시예는 자기적인 간격의 거리가 증가됨으로써 자력이 감소될 수 있도록 하기 위해, 자기적인 간격(gap)을 가능한 크게 즉각적으로 증가시킬 수 있게 구성된다. 이것은 밸브 보디(1)의 실질적으로 원통형인 구역(13)에 의해서 달성되며, 원통형 구역은 밸브 시트(2)의 스커트(14)와 상호 작용하도록 형성된다. 밸브 시트(2)와 밸브 하우징(3)의 상호 간의 구조에 의존하여, 스커트는 또한 밸브 하우징(3)과 통합될 수 있다. 원통형 부분(13)의 외부 윤곽과 스커트(14)의 내부 윤곽은 서로 상응하므로 이들 사이에 극히 작은 공극이 존재한다. 밸브가 개방하기 시작할 때 밸브 보디와 밸브 시트 사이로 소량의 공기가 유출되지만, 자석들 간의 작은 간격으로 인하여 여전히 자력은 비교적 크게 유지된다. 그러나, 원통형 부분(13)은 밸브 시트(2)의 클리어런스 구멍보다 큰 직경을 가지며, 확대된 면적은 상향력이 밸브 보디를 더욱 큰 상승 높이로 강제로 상승시키고 결과적으로 스커트(14) 없이 상승 높이보다 큰 자기적인 간격(도 6 참조)이 있게 된다는 것을 나타낸다.

긴 파이프들에 밸브가 장착될 때 스커트는 당연한 것인데, 왜냐하면 0.5 Hz 보다 빠르게 밸브가 진동하지 않아야 하는 요건을 만족하는 파이프의 허용가능한 길이를 결정하는데 있어서 밸브에 대한 가스 압력이 결정적이기 때문이다. 파이프에서의 마찰로 인한 상대적으로 낮은 가스 압력은 밸브를 개방 위치에 유지하기에 여전히 충분한 것이 되기 때문에, 파이프 길이는 스커트를 장착함으로써 현저하게 증가될 수 있다.

실질적으로 원통형인 구역(1)은 반드시 완전한 원통형이 되어야 하는 것은 아니다. 예를 들어, 다각형이 될 수 있으며 상응하는 스커트는 유사한 기술적인 효과를 가질 수 있다. 밸브 보디는 흔히 회전 대칭이므로, "실질적으로 원통형인 구역"이라는 용어가 사용되었다.

Claims (13)

1. 밸브는 축선 방향으로 이동가능한 밸브 보디 및 밸브 보디에 결합되는 밸브 시트와 더불어 밸브 하우징을 포함하며, 밸브 시트에 대한 밸브 보디의 위치는 카고 탱크 내의 압력에 의존하는, 예를 들어 유조선의 카고 탱크용 배출 밸브에 있어서,
   밸브 보디는 중공형이며 추가적인 다른 밸브 보디를 수용하도록 형성되고; 밸브 또는 밸브 하우징의 외부로 연장되는 밸브 보디의 단부에, 추가적인 다른 밸브 보디와 상호 작용할 수 있도록, 추가적인 다른 밸브 시트가 구비되고; 상호 작용하는 밸브 보디/밸브 시트 및 추가적인 다른 밸브 보디/밸브 시트의 특성은 서로 상이한 것을 특징으로 하는 카고 탱크용 배출 밸브.
2. 제1항에 있어서,
   밸브는, 자력으로 밸브 보디를 밸브 시트에 유지하기 위하여 밸브 보디 상에 그리고 밸브 하우징 내에 각각 구비된 자석들을 포함하는 것을 특징으로 하는 카고 탱크용 배출 밸브.
3. 제2항에 있어서,
   자석 중의 적어도 하나는 축선 방향으로 조절가능한 것을 특징으로 하는 카고 탱크용 배출 밸브.
4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
   밸브 보디와 밸브 하우징은, 축선 방향의 단면에서 보았을 때 밸브 보디와 밸브 하우징 사이의 유동 면적이 밸브 하우징에서의 밸브 위치에 의존하도록 형성된 것을 특징으로 하는 카고 탱크용 배출 밸브.
5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
   밸브 보디는 스프링 부하 방식인 것을 특징으로 하는 카고 탱크용 배출 밸브.
6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
   밸브 보디는 무게 부하 방식인 것을 특징으로 하는 카고 탱크용 배출 밸브.
7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
   추가적인 다른 밸브 보디는 밸브 보디에 동심으로 배열되고 밸브 또는 밸브 하우징 외부로 연장되는 밸브 보디의 단부에 구비되는 추가적인 다른 밸브 시트에 대하여 축선 방향 이동하도록 형성되며, 카고 탱크 내의 압력이 추가적인 다른 밸브 보디를 추가적인 다른 밸브 시트로부터 멀어지게 작동시키도록 채널들이 밸브 보디에 구비된 것을 특징으로 하는 카고 탱크용 배출 밸브.
8. 제7항에 있어서,
   추가적인 다른 밸브 보디는 스프링 부하 방식인 것을 특징으로 하는 카고 탱크용 배출 밸브.
9. 제7항 또는 제8항에 있어서,
   추가적인 다른 밸브 보디는 무게 부하 방식인 것을 특징으로 하는 카고 탱크용 배출 밸브.
10. 제8항 또는 제9항에 있어서,
    부하는 조절가능한 것을 특징으로 하는 카고 탱크용 배출 밸브.
11. 제2항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
    밸브는 밸브 보디의 외측부와 자석 사이의 위치에서 밸브 시트와 상호 작용하며,
    밸브 보디의 외측부는, 밸브 시트의 클리어런스 구멍보다 직경이 크고 밸브 하우징의 돌출 스커트와 상호 작용하도록 형성된 실질적으로 원통형인 구역을 포함하며, 원통형 구역의 외부 윤곽은 스커트의 내부 윤곽과 상응하는 것을 특징으로 하는 카고 탱크용 배출 밸브.
12. 제11항에 있어서,
    스커트의 높이는, 밸브 보디가 스트로크 길이를 따라 스커트와 상호 작용하도록 밸브 보디의 전체 스트로크 길이의 대략 절반인 것을 특징으로 하는 카고 탱크용 배출 밸브.
13. 제11항 또는 제12항에 있어서,
    원통형 구역의 직경은 밸브 시트의 클리어런스 구멍보다 대략 10% 큰 것을 특징으로 하는 카고 탱크용 배출 밸브.
    

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