Hot Tech - 초저온 미압용 파일럿 작동형 안전밸브 개발
HOT TECH에서는 최신 산업기술의 특성, 업계동향 및 향후전망 등을 살펴봅니다.
안전밸브(Safety Relief Valve) 이야기
안전밸브는 일반적으로 압력(Negative Pressure)이나 진공(Negative Pressure) 등과 관련된 유체의 이동통로인 배관(Pile)이나 압력을 일정하게 저장하여 사용하는 압력용기(Pressure Tank or Pressure Vessel) 등에 직접적으로 설치되어 그 시설 및 주위 System을 보호하는 목적이 있다.
만약, 저장탱크 내부의 압력이 설정압 이상으로 상승할 경우 고압으로 인한 저장탱크의 균열 그리고 이와 관련된 주변 System 등에 영향을 주게 되며 최악의 경우 폭발 등으로 인한 인명 피해가 있을 수 있어 제품의 품질이 중요하다.
안전은 곧 생명이다.
초저온 안전밸브(Cryogenic Safety Relief Valve)
초저온 안전밸브의 경우 -163℃와 같은 초저온에서 사용되는 밸브이므로 일반 유체에서 사용되는 안전밸브와 그 품질과 성능 면에서 차이가 많으며, 국제적인 품질요건이 요구되고 있다.
사용되는 재질은 초저온 환경에서 그 고유성질을 보유할 수 있는 내구성이 고려되고, 성능만족을 위한 누수 기밀유지 등의 기술들이 요구되고 있어 엄격한 품질유지가 요구된다.
초저온 미압용 파일럿 작동형 안전밸브(Pilot Operated Cryogenic Safety Relief Valve)
초저온 미압용 파일럿 작동형 안전밸브는 ‘초저온 안전밸브’보다 품질과 성능 면에서 더 까다롭게 요구되는 제작과정과 검증기술이 요구되며, 여러 기술들이 복합적으로 접목되어야 최적의 품질과 성능이 만들어질 수 있다.
특히, 액화 천연가스(LNG) 또는 액화 석유가스(LPG)를 저장하는 시설이나 운반하는 선박의 저장탱크에 설치·운용되며 저장탱크 내부의 압력변화를 감지하여 작동함으로써 저장시설의 적정압력 유지장치로 사용된다( 그림 1 참조).
기술의 특장점
1. 초미압 압력 제어기술
액화 천연가스나 액화 석유가스를 저장하거나 수송하는 설비는 초저온상태의 미압으로 저장하고 운반하며, 운반과정이 마무리되면 육지에 설치된 저장 Terminal 등의 저장조(Storage)에 Offload되는 시스템으로 구성된다.
이때 운반매체인 LNG Carrier의 경우 화물창 Cargo Tank의 디자인은 Membrane 구조로 되어 있다.
이 구조는 고압에서는 매우 취약한 구조로, 미압(Low Pressure) 상태에서 운반되어야 한다.
통상 운반압력은 0.25~0.3barg에서 운반되며, 이 때 비상시에 작동할 수 있는 안전밸브(Safety Valve)의 구조는 일반화된 구조, 즉 Spring Loaded 구조가 아닌 Pilot Operated 타입 구조가 되어야 한다.
이 구조만이 0.25barg의 초미압에서 그 압력을 감지하고 밸브가 정확하게 작동할 수 있다.
이러한 기능을 만족시키는 구조와 디자인 설계 및 원천기술이 필요하다. 이러한 기능을 만족할 수 있도록 Pilot Operated 타입 구조가 도입된다.
2. 기밀유지 향상을 위한 Soft 접촉 적용기술
밸브의 누수문제는 설계시 중요한 고려사항이다. 누수는 주로 Main Valve 내부의 Disc 부위에서 나타나는데, 이러한 누수를 방지하기 위해서는 부품의 평탄도와 같은 형상공차 적용이 고려되어야 한다.
또한 접촉부가 Metal to Metal 접촉의 경우 기밀을 유지하기 위한 기술적 한계의 어려움이 많다.
이점을 보완하기 위하여 Metal to Soft 접촉을 통해서 이러한 기술적인 한계의 극복이 필요하다.
3. 가압 및 진공에서도 밸브가 작동하는 이중기능 가능 기술
밸브의 경우 일반적으로 Positive 설정압 이상일 경우에 작동하여 열리는 기능을 하는데, 본 기술은 Negative 설정압 이상의 경우에도 열리는 기능을 동시에 가능케 하는 디자인으로 되어 있다.
예를 들면, 가압 설정압 +0.25barg 이상이 되면 밸브는 그 압력을 감지하여 작동하여 Open하고, 진공 설정압 -0.01barg 이상이 되면 밸브는 그 진공을 감지하여 Open한다.
LNG를 하역(Offload)하는 과정에서 Cargo Tank가 진공으로 형성되는데, 이 진공은 화물창을 보호하고 있는 벽의 파단의 위험을 초래한다. 본 기술은 이러한 기능도 고려하여 디자인이 적용된다( 그림 4참조).
4. 초저온 다이어프램 성형 제작기술
밸브류에 사용되는 다이어프램(밸브의 개폐시 상하유동하는 유연한 제품으로서 압력의 기밀을 유지하는 역할)의 재질은 통상적으로 고무(Rubber)이다.
고무재질의 다이어프램을 제작하기 위한 성형기술은 일반화되어 있으므로 설계에서 구현된 원하는 형상의 다이어프램을 매우 정밀하게 성형할 수 있으나, 초저온의 조건에 고무재질을 사용할 경우 많은 문제점이 발생한다.
통상의 밸브류에 적용되는 다이어프램과 유사한 형태인 입체각을 갖는 원뿔대(Circular Truncated Cone)의 형상을 취하나, 직접 접촉하는 초저온의 유체에 의한 취성 변화를 최소화하기 위하여 특수재질을 선정한다.
사용되는 압력은 미압이므로, 미압에 의해 작동해야 하는 다이어프램의 운동성이 매우 중요하다.
다이어프램의 동작 건전성을 확보하기 위해서는 적정한 두께가 요구된다. 1만회의 상·하 유동 내구수명을 보장해야 한다.
5. 신뢰성 평가시험 및 검증기술
밸브의 신뢰성은 여러가지 방법으로 예측할 수 있다. 예를 들어, 해석 프로그램을 통하여 주어진 요소인자를 주고 예측할 수 있는가 하면 실제 사용하는 환경과 조건에서 직접 시험하는 방법이 있다.
초저온 미압용 파일럿 작동형 안전밸브는 실제조건, 즉 실제 환경 및 온도를 적용한 극한환경 조건에서 검증되며, 이 평가는 공인된 인증기관을 통하여 수행된다. 시험내용은 다음과 같다.
· 기본성능 시험 : 상온 및 초저온에서의 밸브 Opening 및 누설시험 실시
· 내 환경성 시험 : 진동시험, 고온시험, 염수분무시험, 경사시험 등 실환경 고려
· 수명 시험 : 제품의 장기 수명 시험을 실시
(5년간의 보증)
위와 같은 신뢰성 평가를 통하여 제품의 지속적인 품질관리와 성능 개선활동을 수행한다.
관련산업 현황 및 전망
가스사업은 기술발전, 청정에너지 수요증가 및 고유가로 급속히 발전하고 있으며 미국, 유럽, 아시아 등의 주요지역에 LNG 터미널 건설이 활발히 진행되고 있다.
셰일가스 개발에 의한 안정화된 LNG 공급이 이뤄지고 있으며, LNG 수요는 2030년까지 5~6배 증가할 것으로 전망된다.
2030년경 전체 가스거래량 중 약 50%가 LNG 형태로 거래될 것으로 예상된다.
조선·해양 플랜트는 배출가스통제구역(ECA) 설정, 즉 발트해, 북해, 북아메리카 해역 설정, 선박배출가스(Sox, Nox), 선박온실가스 등 환경규제 인한 국제법규가 강화되고 있다.
청정연료인 LNG의 수요와 이에 따라 LNG 수송 및 저장시설에 주목하고 있다.
한편 국내 조선소에서 세계 LNG선박 건조시장의 70~80% 점유하고 있다.
가스저장시설은 미국의 Anderson Greenwood, 일본의 Fuku社가 독점하고 있으며, 조선시장은 일본의 Fukui社가 시장을 거의 독점하고 있다.
주요 수요처로는 LNG FLNG(Floating Liquefied Natural Gas), LNG FSRU(Floating Storage and Regasification Unit), LNG FPSO(Floating Production Storage and Offloading Unit) 등 해양플랜트와, LNG/LPG Carrier, LNG 터미널 기지, 석유화학 플랜트, 정유공장 등 선박 및 육상 플랜트가 있다.
그리고 대우조선해양, 삼성중공업, 현대중공업, STX조선해양, 한국가스공사, POSCO, BP, Total, Shell, Petronas 등의 석유메이저회사가 있다.