Valve Fail Open System 설계 ( Shut Off / On Off Valve )

오늘은 Shut Off Valve System에서 Fail Open 설계에 대해서 이야기를 해보겠습니다. Shut off Valve(셧오프 밸브)와 On Off Valve(온오프 밸브)는 같은 의미라고 생각하시는게 편합니다. 자 그럼 Valve를 그냥 가져다 쓰면 되는 건데 무슨 설계를 따로 한다는건지 의아해 하시는 분들이 계실 수도 있습니다. 그렇지만 이번 포스팅을 차근차근 읽어보시면 그 의문은 저절로 해결 될 것입니다. 먼저 처음 오신 분들은 Normal Open, Normal Close, Fail Open, Fail Close에 대한 내용을 아래 포스팅에서 읽고 오시기 바랍니다.

https://mech19.tistory.com/142

N.O (Normal Open) / N.C (Normal Close) / F.O (Fail Open) / F.C (Fail Close) / F.L (Fail Lock)

우리가 설비를 설계할 때는 다양한 상황에 대비하여 안전을 고려하여 설계해야 합니다. 정전이 되었을 때, 컴프레셔가 고장나서 에어가 끊겼을 때, PLC 판넬이 고장났을 때 등등을 고려해야 하죠. 그런 경우를 대비해서 밸브 시스템 설계를 하는 방법을 한번 알아 보겠습니다. (Pneumatic Valve 기준)

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1. Fail Open에서 Fail의 종류

Fail 이라고 하면 크게 두가지 상황을 예로 들 수 있습니다. 한가지는 Electric Fail(정전)이고 또 다른 한가지는 Air Fail(컴프레셔 다운)입니다.

위와 같은 일반적인 Pneumatic Shut off Valve는 Pneumatic Actuator와 Sol Valve의 조합으로 이루어 집니다. 이때 Pneumatic Actuator와 Sol Valve의 조합 방식에 따라 Electric Fail과 Air Fail시에 같은 동작을 만들 수도 있고 다른 동작을 만들 수도 있습니다. 오늘은 그 이야기를 하고자 하는 것입니다. 조합에 따른 경우의 수가 많기 때문에 대표적인 것 두가지만 이야기 해 보겠습니다.

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2. Electric Fail Open, Air Fail Open

먼저 두가지 상황에서 동일한 Fail Open이 되도록 조합해 보겠습니다. 어떠한 Fail에서든 Open이 되려면 일단 Actuator에서 Valve Body Open 방향으로 스프링이 달려 있어야 합니다. 즉 Globe Valve를 기준으로 보자면 아래 그림과 같이 Actuator Case 내부의 스프링이 아래쪽 영역에 달려 있어야 하겠지요.

만약에 Fail Close를 만들고 싶다고 한다면 아래 그림과 같이 Actuator Case 내부의 스프링이 위쪽 영역에 달려 있어야 합니다. 그래야 아무 힘이 가해지지 않았을 때 위의 밸브는 Open Position을 아래 밸브는 Close Position을 유지하게 됩니다.

여기까지 이해하셨죠? 만약에 이해가 잘 안되신다면 아래 포스팅을 먼저 보고 오시는 것을 추천 드립니다.

https://blog.naver.com/mech19/222667190053

Shut off valve, On off valve (셧 오프 밸브, 온 오프 밸브)

지난시간에 밸브의 종류에 대해서 알아보았었죠? 구조로 나누면 Gate Valve(게이트 밸브), Globe Valve...

blog.naver.com

자 일단 그럼 Pneumatic Actuator는 결정이 되었고, 이제 Sol Valve를 결정해야 할 차례이네요. 먼저 Electric Fail 시에 Sol Valve에 공급되던 전원이 사라지게 되면 Compressor Air가 살이있던 죽었던 간에 상관없이 Pneumatic Actuator를 누르던 Air가 빠져나와야 스프링에 의해 Valve Body의 Pulg가 위쪽으로 들어올려지면서 Valve가 Open이 되겠죠? 그렇게 하려면 Sol Valve도 싱글을 사용해야 합니다. 그리고 Air를 Supply와 Vent 두가지만 있으면 되니까 3Port면 되겠네요. 이렇게 얘기하니까 감이 잘 안오시죠? 아래 그림을 보시죠. 간단하게 도면으로 그려보았습니다.

위 도면은 Sol Valve의 전원이 Off된 상태로 Pneumatic Actuator 1번 영역에 있던 air가 Sol Valve를 통해서 Vent되었기 때문에 2번영역의 스프링이 Valve Plug를 위로 올려서 Open이 된 상태 입니다. Electric Fail시에도 Open이 되겠죠? 만약에 Sol Valve 전원을 On하게되면 아래와 같이 됩니다.

AIR가 Sol Valve를 통해 Pneumatic Actuator 1번영역으로 공급되고 그 Air Pressure로 2번 영역의 스프링을 눌러 결과적으로 Valve의 Plug를 눌러서 Valve는 Close 상태가 되게 됩니다. 그럼 Air Fail도 생각해 보겠습니다. Air Fail은 간단합니다. 위와 같은 상황에서 Compressor Air가 다운되어 버리면 당연히 스프링이 밀어올리는 힘이 더 강해져서 Valve는 Open되게 됩니다.

이와 같이 간접작동식 단동 3port 2position Sol Valve를 사용하여 Single Actuator와 조합하면 Electric Fail Open과 Air Fail Open을 설계할 수 있습니다.

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3. Electric Fail Open, Air Fail Close

자 그럼 다음으로 넘어가서 Electric Fail과 Air Fail일 때 다른 동작을 하게 만들고 싶다면? 간단합니다. 먼저 Pneumatic Actuator 내부의 스피링이 상부영역에 있는 것을 사용해야 합니다. 그래야 Air Fail 시에 스프링의 힘으로 Valve Plug를 아래쪽으로 눌러주어 Valve가 Close되겠죠. 그리고 Sol Valve의 작동을 반대방향으로 잡아주면 됩니다. 잘 이해가 안될 수도 있으니 도면으로 직접 한번 보겠습니다.

먼저 Electric Fail일때의 모습입니다. Sol Valve 전원이 Off되었는데 아까와는 반대로 Air가 공급되고 있는 Position을 취하고 있습니다. 그리고 Air는 Pneumatic Actuator 2번영역으로 들어가서 상부영역인 1번 영역에 있는 스프링을 밀어올려주어 결과적으로 Valve를 Open시켜주고 있는 모습입니다. 그럼 Air Fail시에는 어떻게 될까요?

Sol Valve Position이 Air Supply Position이라고 하더라도 Air Fail이 되면 결과적으로 Valve는 Close되는 것을 확인 할 수 있습니다. 물론 이런식으로 잘 설계하지 않습니다. 아래쪽을 보자면 SOL Valve On이 되면 Valve가 Close 되죠? 평상시에 전원 공급이 안되는 상황에서 Open하다가 위급시에 전원을 공급해서 Close하는 방식은 위급시에 전원 공급이 원할하지 않으면 위험할 수 있기 때문에 이런식으로는 잘 설계하지 않습니다.

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오늘 보여드리고 싶었던 것은 이렇게 Actuator와 Sol Valve의 조합으로 다양한 동작을 만들어 낼 수 있다는 것을 보여드리고 싶었습니다. 그래서 설계할 때 다방면으로 생각을 해 보아야 합니다. 이러이러한 상황이 오면 A 동작을 해야하고 이러이러한 상황이 오면 B동작을 해야하는데 그 각각의 동작들을 어떻게 구현해 내야 할 것인가? 이러한 물음들에 대한 결과물이 완성에 가까워지면 가까워 질 수록 오동작이 없는 완벽한 설비가 되어 가는 것입니다.

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오늘은 여기까지 하겠습니다. 감사합니다.

 

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