5.2 밸브의 고장원인과 정비

Valve Failures Causes and Their Remedies

 

밸브의 고장은 일반적으로 다음 3가지 항목으로 분류할 수 있다.

• 기계적 마멸과 피로.

• 가스 유동내의 이물질.

• 밸브 부품과 압축기 밸브 장비의 비정상 동작.

① 기계적 마멸과 피로. 정상적인 경우 압축기 밸브의 기계적 마멸은 밸브 부품들의 접촉부에서 발생한다. 밸브 요소 가이드의 지속적인 마멸은 순조롭지 않은 밸브동작, 막힘, 안착불량, 누설, 성능저하 등을 초래한다. 부품에서의 마멸은 정기적으로 점검 수리되어야 한다.

정상적인 운전상태에서도 밸브 운동부는 주기적이고 기계적이며 열적인 응력을 받게 된다. 운전조건에 따라 밸브 부품의 강도도 고려되어야 한다. 특수한 운전조건에서 운전되는 밸브 부품의 마멸은 윤활을 통하여 최소화할 수 있다. 이 경우 합성유가 광물성유보다 더 뛰어난 성능을 발휘한다.

밸브 운동부에 적절한 댐핑이나 완충력을 주어 기계적인 피로하중을 줄일 수 있다. 적절한 실린더와 중간단의 냉각은 밸브 부품에 생기는 열응력을 최소화할 수 있다.

압축기 밸브의 마멸과 피로는 가스 유동내의 이물질과 밸브의 비정상 동작으로 심각하게 악화될 수 있다.

② 가스 유동내의 이물질. 이물질은 오염된 가스, 액체의 Carryover, 코우크스나 탄화물 형성(Coking and Carbon Formation), 부식성 화학물질 등이다.

㉠ 오염된 가스 : 부적절한 여과 장치로 인하여 가스 유동 내부에 이물질이 존재하는 것을 말한다. 이는 압축기 입구의 가스 통로부에서 떨어져 나온 입자로서 미세하고 모래 같은 입자 또는 연마입자이며, 때로는 이전에 발생한 밸브 파손물들이 압축기 내부에 남아 있는 경우도 있다. 이러한 이물질들은 링, 플레이트, 가이드 등과 같은 밸브 부품의 마멸을 가속시킨다. 스프링 코일사이의 불순물은 스프링을 급격히 손상시키고, 다른 밸브 부품들의 성능과 수명에 직접적인 영향을 미친다.

㉡ 액체의 Carryover : 액체가 화학공정중 가스 유동속으로 혼입되거나 압축 계통의 중간 냉각기에서의 응축과정에서 형성될 수 있다. 대부분의 경우 이러한 액체는 Water Jacket에서의 과도하게 차가운 냉각수가 흡입가스의 응축이나 수분 생성을 촉진시키기 때문에 1단 압축기에서 형성된다. 액체의 생성은 특히 밸브에 치명적인데, 체적탄성계수(Bulk Modulus)가 높아 밸브 시트를 손상시키며, 가스 유동중 액체가 존재하면 압축기 내부에 사용되는 윤활제를 희석시켜 기계 부품의 마멸을 가속시킨다.

수분으로 인한 손상을 방지하기 위해 배관 안에 수분 트랩(Moisture Trap)을 사용하여야 하며, 중간단의 기수분리기와 함께 주기적으로 수분을 배수해야 한다. 배관 설계시에는 수분이 모이기 쉬운 저층부가 없도록 하여야 하며 육안 점검을 위한 점검창(Sight Glass)이나 유사 장치가 설치되어야 한다.

㉢ 코우크스 및 탄화물의 형성 : 과도한 열은 윤활유의 코우크스화와 비용해물질을 포함하는 가스의 중합 반응을 일으키는데, 이러한 오염 물질들은 압축기 효율을 저하시키고 심각한 밸브 손상을 유발한다. 실린더와 밸브 세척을 위해 증기 또는 솔벤트를 무화시켜 압축기 내에 주기적으로 분무시키거나, 마찰계수가 작고 코우크스에 내성이 우수한 2염기성 에스테르(Dibasic Ester) 타입의 합성 윤활제의 사용을 고려하여야 한다.

㉣ 부식성 화학 물질 : 부식은 밸브 Seat면에서의 누설을 발생시키고 밸브 몸체를 약하게 만들어 밸브의 손상을 유발시킨다. 상이한 밸브 재료를 사용하거나, 화학물질들이 압축기에 유입되기 전에 부식 매개체를 제거, 또는 감소시키기 위한 가스 세정기를 사용함으로써 이를 최소화할 수 있다. 또한 압축기 입구에서 수분을 제거하거나 가스를 가열함으로써, 산과 같은 부식 작용제의 형성을 방지 또는 감소시킬 수 있다.

일반적으로 부식은 수개월에 걸쳐 점진적으로 발생한다. 밸브의 고장에 대비하여 기계장치내의 모든 밸브는 점검과 정비가 병행되어야 하며, 정지시간을 최소화하기 위해 예비품을 준비해 두는 것도 좋은 방법중 하나이다.

③ 밸브 부품의 비정상 작동. 이는 흡입과 토출 배관의 압력 맥동과 공진의 영향, 가스 유동 형태에 따른 교란 및 밸브 부품의 불규칙 진동(Fluttering), 슬래밍(Slamming) 등을 말한다.

정상적인 압축기의 운전중 피스톤이 실린더 밖으로 가스를 밀어내는 Open과정 중에 배출밸브에서 슬래밍이 발생되기 쉽다. 이는 피스톤이 밸브 Seat를 떠나 Guard쪽으로 향할 때, 밸브요소의 동작을 완충시키는 댐핑용 스프링이나 공기식 완충장치를 이용하여 감소시킬 수 있다. 슬래밍이 발생될 수 있는 또 다른 상황은 압축기 밸브가 닫혀질 때이다.

밸브 개폐시에는 밸브 요소의 관성 문제가 극복되어야 한다. 만일 밸브 요소의 관성이 크면 상대적으로 개폐시간이 길어진다. 높은 관성 때문에 밸브가 늦게 닫히고 밸브 스프링 대신 가스 역유동(Gas Backflow)에 의해 밸브가 닫히게 되어 결국 밸브 요소가 Seat면에 세게 내려닫히는 Slamming 현상이 발생된다. 일반적으로 슬래밍 현상이 발생되면 밸브 요소가 Seat면에 접촉되는 부위에 반점 모양이 생기며, 흔히 Chattering과 같은 소음을 압축기 외부에서 들을 수 있다.

이러한 문제는 밸브 행정을 감소시키거나 밸브 타이밍 조정을 위한 스프링의 탄성율을 증가시킴으로써 해결할 수 있다. 또는 여건이 허락되면 밸브 요소를 가벼운 중량의 금속으로 변경하여 해결할 수도 있다. 페놀이나 섬유강화의 플라스틱으로 만든 밸브 요소는 유사한 강 재료보다 가볍고 충격 흡수가 양호하지만, 이러한 재료의 사용시는 온도와 강도에 제한을 받는다.

밸브의 Fluttering(Valve Fluttering) 은 밸브 요소가 밸브 스프링이 들어있는 Guard 부위까지 완전히 들어올려지지 못하여 밸브를 통과하는 가스 유량이 충분치 못할 때 생기며, 밸브 요소는 Seat와 Guard 사이에서 진동하게 된다. 이러한 현상은 스프링 마멸을 가속시키고, 밸브요소가 Seat와 Guard를 여러 번 가격하면 마멸과 피로가 심화된다. 또한 밸브가 닫힐 때는 슬래밍이 발생하기도 한다. 일반적으로 밸브 요소에 불분명한 양상, 또는 스프링에 의한 충격 흔적이 존재하거나, 밸브 요소가 회전되었던 흔적이 발견되면 Fluttering 현상이 발생되었다는 증거이다. 이러한 Fluttering 현상은 좀더 가벼운 스프링을 사용하거나 밸브 행정을 작게 하여 없앨 수 있다.

압축기 실린더 내외부로의 유동 패턴 은 압축기 가스통로의 장애물이나 때로 압축기 내부의 밸브의 방향에 의해 영향을 받는다. 이러한 문제는 드물게 나타나지만 증상이 분명하지 않아 고장원인 해결을 더욱 어렵게 한다.

유동 형태와 관련된 문제는 흡입 밸브의 밸브 Unloader의 진동이며, 실린더 내부로 흐르는 가스 통풍의 영향을 받는다. 이는 가스가 유동하는 방향으로 돌출된 밸브 Unloader에 의해 발생한다. 결국 진동은 Unloader Finger를 손상시키고, 밸브요소들의 안착 불량으로 흡입 밸브에서 누설이 발생된다.

이 문제를 해결하기 위한 방법은 Unloader부에 탄성계수가 큰 스프링을 사용하거나 가스 유동방향으로 돌출된 언로더 부위를 재설계하는 것이다.

압축기의 가스통로 부위에서의 공진과 압력 맥동(Resonance and Pressure Pulsation) 은 압축기 밸브의 개폐시간에 영향을 준다. 이것은 압축기 배관을 변경하거나 세팅 챔버(Setting Chamber), 서지 탱크(Surge Bottles), 진동댐퍼 등을 사용하여 해결할 수 있다. 서지탱크와 진동댐퍼의 활용은 그 자체가 하나의 학문이며, 본서의 범위를 넘어선 것이므로 여기에서는 다루지 않지만, 간단히 말해 이것의 용도는 밸브의 안착 불량을 일으키고, 압축기 전체에 영향을 미치는, 압축기 실린더에서의 역류에 의한 압력 맥동을 방지하는 것이다. 종종 적절한 크기의 오리피스를 압축기 배관에 설치하여 이러한 문제를 해결하기도 한다. 다음에서 공진과 압력 맥동에 관련된 배관계의 고장원인 해결 기법에 대한 효과적인 접근방법을 설명한다.