최근 환경친화적인 원료로 각광받는 LNG의 수요 증가로 초저온 밸브의 수요도 같이 증가하고 있는 추세에 있다. LNG 수입 터미널이나 저장소, 기회 설비 등에도 초저온 밸브가 필요하게 되었으며, LNG를 원료로 하는 발전소도 계속 늘어나고 있어 초저온 밸브에 대한 관심이 그 어느 때보다 높다고 할 수 있다.
사실 초저온이라고 할 때 업계에서는 어떤 온도 범위를 초저온이라고 하는지 분명하게 정해진 것은 없지만, 미국 기준으로 화씨 -100℉(-73℃)보다 낮은 온도에서 기체를 액화시키는 온도는 초저온이라고 일반적으로 부른다. 특히 아주 극저온과 구별하기 위해 초저온이라고 하면 -100℉~-425℉(-73℃~-254℃) 정도의 범위를 말하고 있다. 에틸렌(Ethylene)의 액화 온도가 -104℃이고, 메탄(Methane)의 액화 온도가 -162℃인 것을 감안하면, 앞서 언급한 초저온 온도 범위의 감을 잡을 수 있다. 통상적으로, 초저온 밸브를 테스트하기 위한 유체로 질소를 많이 사용하는데 질소 가스의 액화 온도는 -196℃이다.
통상적으로 LNG는 주성분인 메탄이 90~95% 정도 있으며, 에탄, 프로판, 부탄, 질소 등이 나머지를 차지한다고 보면 된다. 통상 천연가스인 LNG는 -162℃에서 액화가 되며, 이때 부피는 거의 1/600으로 줄어들기 때문에 수송을 하거나 운반할 때는 천연가스를 액화시켜서 LNG로 만드는 것이 유리할 수밖에 없다. 천연가스는 카타르나, 인도네시아, 말레이시아, 호주 등지에서 생산되지만 한국, 일본, 중국이나 인도 등의 나라에서 소비가 일어나기 때문에 수송을 위해서는 LNG가 필수적이라고 할 수 있다.
초저온에서 동작해야 하는 밸브로는 게이트 밸브, 글로 브 밸브, 체크 밸브, 버터플라이 밸브도 사용되고 있지만, 비금속 재질을 시트로 사용해서 기밀성이 높은 볼밸브가 LNG 서비스에 많이 사용되고 있다. 특히, 초저온 볼밸브는 일반 밸브와 달리 구조적인 특징과 재질 선정이 중요하다.

초저온 볼밸브의 구조적 특징

일반 밸브와 달리 초저온에서 동작해야 하는 밸브의 특성상 스템 쪽의 실링에 영향을 주지 않아야 하며, 액화 된 유체가 밸브 내부에서 가스로 되었을 때 팽창되면서 발생하는 문제 등을 최소화시킬 수 있는 구조가 필요하다.

1) 밸브 Bonnet Extension

초저온의 유체가 밸브 내부를 흐르게 되면 밸브의 스템 쪽 실링에 영향을 주지 않도록 밸브를 설계해야만 한다. 또한, 밸브를 동작하기 위해서 핸드휠이나 레버 등이 성애가 끼고 얼어 붙어 있다면 실제로 동작을 할 수 없 게 된다. 그런 이유로 밸브의 본넷을 확장하여 기화된 기체가 단열 효과를 가져오게 해서 이런 문제를 해결하게 된다. 본넷의 확장 길이는 BS 6364나 MSS SP-134, ISO 28921-1 등의 규격에서 정의하고 있다. 하지만 Dip Plate 를 설치하게 되면 좀 더 짧은 본넷 확장 길이를 사용할 수 있게 되는데, 이 경우에는 통상 FEM 해석 등과 같이 시물레이션을 한 후에 구매처와 상의하게 된다. 실제로 본넷 확장 길이가 너무 길어서 현장 설치에 애를 먹는 경우도 있기 때문에 Drip Plate를 설치하는 것도 한 방법이 될 수 있다. 본넷 확장은 두 가지 경우에 따라서 정의가 되는데, 밸 브만을 단독으로 보냉하는 경우를 Non-cold box라고 하고, 이때 확장은 Non-cold box extension이라고 부르며, 밸브를 포함한 설비 전체를 보냉하는 경우를 Cold -box라고 하고, 이때 확장을 Cold Box extension이라고 한다. 이때 확장 길이의 기준이 규격마다 다르기 때문 에 유의해야 한다.
 

2) Cavity Relief 구조

밸브가 갖는 구조 때문에 액화된 유체가 가스화가 되면서 부피가 600배 가깝게 팽창함으로써 압력이 상승하는 현상이 생길 수 있게 된다. 특히, 볼밸브의 경우는 볼과 몸통 사이에 공간이 생기게 되는데 이 공간을 Cavity 라고 부르며, Cavity의 가스를 배출(Relief)할 수 있는 구조로 밸브를 설계해야만 한다. 볼밸브의 경우는 사이즈나 압력에 따라 플로팅 볼밸브와 트루니온 볼밸브로 나뉘게 된다. 특히, 사이즈가 크거나 압력이 놓을 경우 볼을 받혀주는 구조로 설계를 한 트루니온 볼밸브를 사용하게 된다. 이런 구조적인 차이에 따라서 다른 Cavity Relief 구조로 설계하게 된다. 플로팅 볼밸브의 경우는 압력이 높은 쪽에 3mm 정도의 구멍을 내서 가스화된 가스를 배출하는 방식을 따르는 경우가 많다. 트루니온 밸브의 시트가 SPE(Single Piston Effect) 구조로 설계되어 있는 경우는 스스로 Cavity의 압력을 해소하는 구조를 갖추고 있어서 Cavity Relief 구조로 되어 있다고 할 수 있다. 최근에는 특별히 압력이 높은 쪽으로 압력을 해소하기 위해서 SPE 구조와 DPE(Double Piston Effect) 구조를 하나의 밸브에 모두 설계하는 경우도 있다. 이렇게 설계된 트루니온 볼밸브 의 경우는 플로팅 볼밸브에 구멍을 낸 구조와 마찬가지로 방향성을 갖기 때문에 설치시 반드시 방향을 확인해야 한다. 특별한 이유가 없다면 Cavity Relief 구조를 갖 는 경우는 밸브에 이와 같은 내용을 표시하도록 규정하 고 있다.

3) 초저온 밸브 설치

초저온 볼밸브는 스템실에 영향을 주기 때문에 밸브 스템을 중심으로 45도를 넘지 않도록 설치해야 한다. 45 도를 넘게 되면 초저온 유체가 스템 쪽에 영향을 주게 되어 문제가 발생할 수 있다.

초저온 볼밸브의 재료적 특징

일반적으로 밸브 몸통이나 트림 재질은 오스테나이트 (Austenite) 계열의 316 스테인레스강(Stainless Steel, SS)을 가장 많이 사용한다. 물론 초저온 서비스에서 배관이나 피팅에서는 304SS를 사용하는 경우도 있지만 초저온에서 밸브의 트림에 대한 더 나은 성질 때문에 316 SS가 더 일반적이라 할 수 있다. 비금속 재질이 사용되는 시트의 경우는 PCTFE나 PTFE 재질이 많이 사용되고 있으며, 실링 재질의 경우 오링을 사용할 수 없기 때문에 밸브에 맞게 성형된 Graphite 재질을 사용하거나 Lip Seal이라고 부르는 실링 자재를 사용하기도 한다.
초저온 볼밸브의 경우는 일반 밸브와 달리 100~250mm 두께로 보냉을 하기 때문에 특별하게 요청하지 않을 경우 드레인이나 벤트를 위한 부가적인 장비를 달지 않는 다. 이러한 장치가 필요한 경우에는 용접으로 붙여야 되는데, 필수적으로 Impact Test를 포함하는 WPS(Welding Procedure Specification)에 따라 엄격하게 용접을 해야 한다. 밸브를 배관에 연결하는 경우에는 과거 플랜지에 체결하는 방법을 사용했다면 최근에는 맞대기 용접 (Butt Weld)을 통해 연결하는 방법을 사용하고 있다. 맞대기 용접의 경우는 미세하게 배출되어 안전 문제를 해결 할 수 있다. 같은 이유에서 볼밸브의 경우도 한 개의 몸
통으로 구성된 Top Entry 타입의 밸브를 초저온에서 사용하는 경우가 있는데, 이러한 천연가스의 미세한 배출을 막기 위한 방법이다. 그밖에도 주조품이 많은 볼밸 브의 경우에 맞대기 용접을 통해 연결하는 경우는 반드 시 방사선 검사를 통해 소재의 건전성을 확인해야 한다.

초저온 밸브 검사

초저온 검사에 대한 규정은 BS6364, MSS SP-134, ISO 28921-1에 있다. 검사를 통해 밸브가 초저온이나 일반 온도에서도 차단 능력이 있는지, 작동을 여러번 한 후에도 미세한 배출(Fugitive emission)이 없는지, Bonnet Extension이 적절해서 스템 실링에 영향을 주지는 않는 지 여부를 확인하게 된다. 사실 이런 검사를 해도 실제 밸브를 초저온 서비스에 설치하면 누설이 발생하는 경우가 종종 있다. 실제 검사는 액화질소 속에 밸브를 넣고, 유체를 흘려 검사를 하기 때문에 초저온에 대한 영향이 다르기 때문일 수도 있다.
실제 서비스에서는 유체가 밸브를 통과하면서 온도가 낮아지기 때문에 밸브의 트림 부분부터 수축이 일어난다. 이런 부분에 대해 밸브 제조사는 실링 구조 등을 변경하여 실제 상황에서도 누설이 되지 않도록 설계에 반영하고 있다. 또한 검사 시에 이물질이나 습기 등이 제대로 제거되지 않으면, 실제 밸브를 설치해서 운전을 할 때 얼어 붙어서 밸브의 누설이나 작동에 문제를 일으킨다.

맺으며

LNG와 같이 초저온 서비스에 사용되는 밸브는 일반 밸브에 비해 설계나 검사 등이 까다롭기 때문에 주의해서 밸브사를 선정해야 한다. 특히나 LNG는 휘발성 유체이기 때문에 문제가 발생하면 예기치 못하는 큰 문제로 대두될 수 있기 때문에 더욱 조심해서 선정을 할 필요가 있다. 경험 있는 제조사와 처음부터 협의해서 구매를 한다면, 발생할 수 있는 큰 위험을 줄일 수 있으리라 기대 한다.

정 호 영 전무이사 / ㈜삼진정밀 jeonghy@sjv.co.kr