KR101326766B1 - 밸브 외부누출 감지 시스템 - Google Patents

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KR101326766B1
KR101326766B1 KR1020130018748A KR20130018748A KR101326766B1 KR 101326766 B1 KR101326766 B1 KR 101326766B1 KR 1020130018748 A KR1020130018748 A KR 1020130018748A KR 20130018748 A KR20130018748 A KR 20130018748A KR 101326766 B1 KR101326766 B1 KR 101326766B1
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최병일
한용식
도규형
김명배
김태훈
이유환
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한국기계연구원
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Abstract

본 발명은 밸브 외부누출 감지 시스템에 관한 것이다. 본 발명의 일 측면에 따르면, 유체가 유동하는 제1배관, 상기 제1배관에 연결되는 제2배관 및 상기 제1배관 및 제2배관 사이에 설치되는 밸브를 포함하는 배관 조립체의 외부누출 감지 시스템으로서, 상기 밸브의 외부를 감싸도록 형성되는 하우징, 상기 하우징 내부 또는 외부에 설치되어, 상기 하우징의 내부 및 외부의 유체의 상태를 모니터링하는 모니터링 수단 및 상기 모니터링 수단과 연결되어 상기 유체의 상태를 분석함으로써, 상기 밸브의 이상 발생 여부를 판단하는 분석 수단을 포함하는, 밸브 외부누출 감지 시스템이 제공된다.

Description

밸브 외부누출 감지 시스템{System for detecting outside leakage of valve}
본 발명은 밸브 외부누출 감지 시스템에 관한 것이다.
밸브에의 누출은 플랜트에서 흔히 발생하는 현상으로서, 고압과 고압수증기 등을 취급하는 발전플랜트나 부식성 가스, 용액 또는 가연성 가스 등을 취급하는 석유화학플랜트 등에서 중대한 사고발생을 미연에 방지하기 위해 누출을 조기 검출하는 것이 요구되고 있다.
이러한 누출은 밀봉 역할을 하는 밸브 시트(seat)면에 이물질 삽입, 빈번한 밸브 개폐에 따른 밸브 내부부품의 손상, 밸브 몸체와 밸브 시트의 균열, 밸브 스템(stem)의 패킹(packing) 또는 용접부위 결함 및 피로균열 등에 의해 발생된다.
누출이 발생하면, 누출량이 시간이 경과함에 따라 증가하거나 밸브 입구 쪽 압력의 저하 등이 발생하며, 이로 인해 설비나 시스템에서의 냉각기능 상실, 유독물질 또는 방사성 물질의 방출 등 설비 운전에 막대한 손상과 사고를 초래하게 된다.
또한, 터빈발전기 설비의 경우, 응축수 배수 밸브가 완전히 닫힌 상태에서도 스팀(steam) 또는 물이 흐르게 되고, 이로 인해 터빈으로의 스팀흐름이 감소되어 발전량이 감소되며, 에너지 손실과 콘덴서 부하(condenser workload)를 증가시키게 된다.
밸브의 누출을 그대로 방치할 경우에는 밸브 패킹 및 시일의 상태를 더욱 악화시켜 보수작업에 많은 비용이 소요되며 누출 초기에 비해 정비가 어렵게 된다. 발전소의 경우 밸브의 누출이 심하면 발전소의 운전정지로 이어질 수가 있는데, 특히 원자력 발전소에서는 밸브에서 유체가 누출되면 방사선 물질의 유출 또는 오염 등 심각한 문제를 유발할 수도 있다.
밸브는 석유화학 및 발전설비 플랜트 내에 약 천여 개 정도 설치되어 있고, 이러한 밸브에의 누출로 인한 손실이 연간 수십만 달러, 우리 돈으로 수억 원에 달하는 큰 금액으로 추산되고 있는 만큼, 밸브의 동작 건전성 검사 및 누출을 조기 진단하기 위한 대응책이 반드시 필요하다.
본 발명의 일 실시예는 밸브 외부에 설치되어 동작 건전성 검사 및 누출 등의 고장을 진단할 수 있는 밸브 외부누출 감지 시스템을 제공하고자 한다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 유체가 유동하는 제1배관, 상기 제1배관에 연결되는 제2배관 및 상기 제1배관 및 제2배관 사이에 설치되는 밸브를 포함하는 배관 조립체의 외부누출 감지 시스템으로서, 상기 밸브의 외부를 감싸도록 형성되는 하우징, 상기 하우징 내부 또는 외부에 설치되어, 상기 하우징의 내부 및 외부의 유체의 상태를 모니터링하는 모니터링 수단 및 상기 모니터링 수단과 연결되어 상기 유체의 상태를 분석함으로써, 상기 밸브의 이상 발생 여부를 판단하는 분석 수단을 포함하는, 밸브 외부누출 감지 시스템이 제공된다.
이때, 상기 하우징은 상기 밸브의 일부 또는 전체를 감싸도록 형성될 수 있다.
또한, 상기 유체의 상태는 상기 유체의 농도를 포함하고, 상기 모니터링 수단은 상기 유체의 농도를 측정할 수 있다.
또한, 상기 모니터링 수단은, 상기 하우징 내부를 지나는 상기 유체의 농도를 측정하는 제1농도측정부, 상기 하우징 외부를 지나는 상기 유체의 농도를 측정하는 제2농도측정부, 상기 제1농도측정부에서 측정된 상기 하우징 내부의 유체의 농도와 상기 제2농도측정부에서 측정된 상기 하우징 외부의 유체의 농도를 비교하여 농도차를 계산하는 연산부 및 상기 제1 및 제2농도측정부에서 각각 측정된 상기 하우징 내부 및 외부의 상기 유체의 농도 데이터와 상기 연산부에서 계산된 농도차 데이터를 저장하는 농도DB를 포함할 수 있다.
또한, 상기 제1농도측정부는 상기 하우징의 외부로부터 상기 하우징의 내부로 삽입될 수 있도록 형성될 수 있다.
또한, 상기 분석 수단은 상기 연산부에서 계산된 농도차가 상기 농도DB에 기 저장된 농도차 데이터의 평균값을 일정 범위 초과한 경우 또는 농도차의 증가 속도가 일정범위를 초과하는 경우, 상기 밸브의 이상이 발생한 것으로 판단할 수 있다.
또한, 상기 분석 수단은 상기 농도차를 이용하여 상기 유체의 누출량, 상기 배관 조립체의 고장 부위 및 원인을 분석하고, 이에 대한 분석 데이터를 상기 농도DB에 저장하도록 형성될 수 있다.
또한, 상기 분석 수단에 의하여 상기 농도DB에 저장된 상기 유체의 누출량, 상기 배관 조립체의 고장 부위 및 원인에 대한 분석 데이터를 외부로 송수신하기 위한 유선 또는 무선 통신모듈을 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 밸브 외부누출 감지 시스템은 밸브 외부의 누출을 조기 진단할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 배관 조립체를 나타낸 사시도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 밸브 외부누출 감지 시스템이 배관 조립체에 설치된 실시예를 나타낸 사시도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 밸브 외부누출 감지 시스템이 배관 조립체에 설치된 실시예를 나타낸 단면도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 밸브 외부누출 감지 시스템의 모니터링 수단 및 분석 수단의 구성을 나타낸 사시도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 밸브 외부누출 감지 시스템의 모니터링 수단을 나타낸 구성도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 밸브 외부누출 감지 시스템이 배관 조립체의 스템(stem)에 설치된 실시예를 나타낸 도면이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 밸브 외부누출 감지 시스템이 배관 조립체의 플랜지(flange)에 설치된 실시예를 나타낸 도면이다.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 붙였다.
본 발명의 일 실시예에 따른 누출 감지 시스템(100)은 배관 조립체(1)의 동작 건전성을 검사하고, 누출의 발생을 조기 감지할 수 있는 시스템이다. 이하, 배관 조립체(1)에 대하여 먼저 설명한 후, 본 발명의 일 실시예에 따른 누출 감지 시스템(100)을 설명하도록 한다.
도 1은 배관 조립체를 나타낸 사시도이다. 도 1을 참조하면, 배관 조립체(1)는 유체가 유동하는 제1배관(21)과 그 제1배관(21)에 연결되는 제2배관(22), 그리고 제1배관(21)과 제2배관(22) 사이에 설치되는 밸브(10)를 포함하여 구성된다.
또한, 밸브(10)는 스템(12)을 포함하는 밸브 본체(11), 상기 밸브 본체(11)에 연결되어 밸브(10)를 구동하는 손잡이 혹은 공압이나 모터에 의해 작동되는 밸브 구동기(13), 상기 밸브 본체(11)의 양측으로 밸브(10)를 제1배관(21) 및 제2배관(22)과 각각 연결하기 위한 한 쌍의 플랜지(flange)(12)를 포함하여 구성될 수 있다.
이때, 본 명세서에서는 제1배관(21)으로부터 제2배관(22)으로 유체가 진행한다는 가정 하에서 서술하도록 한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 밸브 외부누출 감지 시스템이 배관 조립체에 설치된 실시예를 나타낸 사시도이다. 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 밸브 외부누출 감지 시스템이 배관 조립체에 설치된 실시예를 나타낸 단면도이다. 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 밸브 외부누출 감지 시스템의 모니터링 수단 및 분석 수단의 구성을 나타낸 사시도이다. 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 밸브 외부누출 감지 시스템의 모니터링 수단을 나타낸 구성도이다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 누출 감지 시스템(100)은 하우징(110), 모니터링 수단(120) 및 분석 수단(130)을 포함하여 구성될 수 있다.
보다 상세하게, 본 발명에 따른 누출 감지 시스템(100)의 하우징(110)은 밸브(10)의 외부를 감싸서 밸브로부터 누출된 유체를 모으는 역할을 한다.
이때, 도 2 및 도 3에서는, 하우징(110)이 원통형의 형태로 도시되었으나 다양한 형태로 변형 가능하며, 상기 하우징(110)에는 외기와 통기될 수 있도록 다양한 형태의 통공(111)이 하나 이상으로 형성될 수 있다.
한편, 하우징(110) 내부 또는 외부에는, 도 2 및 도 3과 같이, 모니터링 수단(120) 및 분석 수단(130)이 고정 설치될 수 있다.
이때, 모니터링 수단(120) 및 분석 수단(130)을 하우징(110)의 하부에 설치하는 경우, 공기보다 무거운 가스를 감지하기 용이하며, 하우징(110)의 상부에 설치하는 경우, 공기보다 가벼운 가스를 감지하기 용이할 수 있다. 모니터링 수단(120) 및 분석 수단(130)의 구성을 보다 상세히 도시한 도면은 도 4와 같다.
도 4를 참조하면, 모니터링 수단(120)과 분석 수단(130)이 하나의 요소로 적층되어 있으며, 이 외에도 통신모듈(140), 전원공급부(150)가 부가되어 도시되었다.
보다 상세하게, 모니터링 수단(120)은 하우징(110)의 내부 및 외부의 유체의 상태를 지속적으로 모니터링 하는 역할을 한다.
이때, 유체의 상태는 유체의 농도인 것이 바람직하며, 다른 물리량, 즉, 온도, 압력, 초음파 등이 포함될 수도 있다.
또한, 모니터링 수단(120)은 하우징(110)의 내부 및 외부의 유체의 농도를 측정하기 위하여, 도 5에 도시된 바와 같이, 제1농도측정부(121), 제2농도측정부(122), 연산부(123) 및 농도DB(124)를 구성으로 할 수 있다.
여기에서, 제1농도측정부(121)는 하우징(110) 내측에 구비됨으로써, 하우징(110) 내부의 유체의 농도를 측정하는 구성이고, 제2농도측정부(122)는 하우징(110) 외측에 구비됨으로써 하우징(110) 외부의 유체의 농도를 측정하는 구성이다.
이때, 제1농도측정부(121)는 하우징(110)의 외부로부터 하우징(110)의 내부로 삽입되는 형태로 구성될 수 있다.
또한, 제1 및 제2농도측정부(121, 122)는 농도 센서나 다양한 형태의 디텍터(detector)로 구성될 수 있다.
연산부(123)는 제1농도측정부(121)에서 측정된 하우징(110) 내부의 유체의 농도와 제2농도측정부(122)에서 측정된 하우징(110) 외부의 유체의 농도를 비교하여 농도차를 계산하게 된다.
그리고, 제1 및 제2농도측정부(121, 122)에서 각각 측정된 하우징(110) 내부 및 외부의 유체의 농도 데이터와 연산부(123)에서 계산된 농도차 데이터는 농도DB(124)에 저장되도록 한다.
한편, 도 4에 도시된 바와 같이, 분석 수단(130)은 모니터링 수단(120)과 연결되어 유체의 상태를 분석함으로써 밸브(10)의 이상 발생 여부를 판단하는 역할을 한다.
이때, 유체의 상태가 전술한 바와 같이, 유체의 농도인 경우, 모니터링 수단(120)의 연산부(123)에서 계산된 농도차가 어느 시점에서, 농도DB(124)에 축적된 농도차 데이터의 평균치 또는 임계 허용량을 일정 범위 초과한 경우, 이를 밸브(10)의 이상으로 감지하게 된다.
그리고, 농도차가 점차 증가하는 경우, 농도차의 증가 속도가 일정범위를 초과하거나 농도DB(124)에 축적된 농도차 데이터의 평균치 또는 임계 허용량을 초과하게 될 시점을 미리 예측하여, 알림이나 경보를 발생시킬 수도 있다.
또한, 분석 수단(130)은 농도차를 이용하여 유체의 누출량을 파악함으로써 누출이 유발된 배관 조립체(1)의 고장 부위, 원인 등을 분석(FMEA(Failure Mode and Effect Analysis), FTA(Fault Tree Analysis))하고, 이에 대한 분석 데이터를 다시 농도DB(124)에 저장할 수도 있다. 하기, [표 1]은 누출에 따른 고장 부위, 원인 등의 분석을 예시한 것이다.
고장 상세 모드 원인
밸브
미동작		 actuator 공압
공급 실패		 actuator 배관의 누출
diaphragm이나 piston oring의 누출
positioner
출력 실패		 구동부 diaphragm 및 cylinder에서의 누출
actuator 성공,
밸브 미동작		 Valve system, guide부, valve port부 이물질, 외부누출 유발
Valve shaft가 휘어짐 ― 외부누출 유발
밸브
응답시간 오류		 stroke 왕복 오류 guide부 이물질 ― 외부누출 유발
stroke
한쪽 방향 오류		 seal packing 변질, 경화, 구동축 seal부에서의 누출
내부누출 valve stem full close
위치에서의 누출		 valve seat부의 침식, 부식, 손상, seat나사부에서의 부식, 침식
P1/P2의 칸막이부에서의 누출
valve stem full close
미도달에 의한 누출		 내부 유체 차압 과다
port부 이물질, guide와 port의 접착
외부누출 외부(bonnet, stem)
packing부 누출		 packing 체결 nut 이완
packing의 변질경화, packing 삽입방법의 불량
valve축의 침식, 부식, 손상
밸브 body 누출 밸브 body crack
한편, 도 4에는 전술된 모니터링 수단(120)과 분석 수단(130) 외에도 통신모듈(140), 전원공급부(150)가 도시되었다.
통신모듈(140)은 분석 수단(130)에 의하여 분석되어, 농도DB(124)에 저장된 유체의 누출량, 배관 조립체(1)의 고장 부위, 원인 등에 관한 분석 데이터를 외부로 송수신하는 역할을 하는 것으로서, 유선 또는 무선으로 구성될 수 있다.
그리고, 전원공급부(150)는 비교적 일반적인 내용이므로 설명을 생략하도록 한다.
본 발명에 따른 누출 감지 시스템(100)에서 모니터링 수단(120) 및 분석 수단(130)은 도 4와 같이, 하나의 요소에 각 구성요소들이 집약된 마이크로프로세서의 형태로 구성될 수도 있고, 다양한 형태로도 변형 가능하다.
그리고, 적층 순서 또한 다양한 형태로 변형 가능하며, 도 4에 도시된 바와 같이, 반경이 균일한 원통형으로 형성될 수도 있고, 도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 일정 부분의 반경이 다소 작거나 크게 형성될 수도 있다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 밸브 외부누출 감지 시스템이 배관 조립체의 스템(stem)에 설치된 실시예를 나타낸 도면이다. 도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 밸브 외부누출 감지 시스템이 배관 조립체의 플랜지(flange)에 설치된 실시예를 나타낸 도면이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 누출 감지 시스템(100)의 하우징(110)은 상기한 바와 같이, 밸브(10) 전체를 감싸도록 구성될 수도 있으나, 밸브(10)의 구성 부분, 즉, 스템(12)이나 플랜지(14) 등의 연결부위에 부분적으로 적용됨으로써 연결부위에서의 누출을 감지하도록 설치될 수도 있는데, 이러한 일례가 도 6과 도 7에 도시되었다.
도 6 및 도 7에는 각각 스템(12)과 플랜지(14)에서의 누출을 감지할 수 있도록 하우징(110)이 구비되어 있으며, 하우징(110)에 모니터링 수단(120) 및 분석 수단(130)이 설치되었다.
그리고, 하우징(110) 내부의 유체의 농도를 측정하기 위한 제1농도측정부(121) 부분은 하우징(110) 외부에서 내부로 삽입될 수 있도록 구성하였다.
이 경우에도 마찬가지로, 모니터링 수단(120) 및 분석 수단(130)을 하우징(110)의 하부에 설치하는 경우, 공기보다 무거운 가스를 감지하기 용이하며, 하우징(110)의 상부에 설치하는 경우, 공기보다 가벼운 가스를 감지하기 용이할 수 있다.
이상과 같이, 본 발명은 한정된 실시예와 도면을 통하여 설명되었으나, 본 발명은 이에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술 사상과 아래에 기재된 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능하다.
1 : 배관 조립체 10 : 밸브
11 : 밸브 본체 12 : 스템
13 : 밸브 구동기 14 : 플랜지
21 : 제1배관 22 : 제2배관
100 : 누출 감지 시스템 110 : 하우징
111 : 통공 120 : 모니터링 수단
121 : 제1농도측정부 122 : 제2농도측정부
123 : 연산부 124 : 농도DB
130 : 분석수단 140 : 통신모듈
150 : 전원공급부

Claims (8)

  1. 유체가 유동하는 제1배관, 상기 제1배관에 연결되는 제2배관 및 상기 제1배관 및 제2배관 사이에 설치되는 밸브를 포함하는 배관 조립체의 외부누출 감지 시스템으로서,
    상기 밸브의 외부를 감싸도록 형성되는 하우징;
    상기 하우징의 내부 및 외부에 설치되어 상기 하우징의 내부 및 외부의 유체의 농도를 포함한 유체의 상태를 모니터링하되, 상기 하우징의 외부로부터 상기 하우징의 내부로 삽입될 수 있도록 형성되어 상기 하우징 내부의 상기 유체의 농도를 측정하는 제1농도측정부, 상기 하우징의 외부에 설치되어 상기 하우징 외부의 상기 유체의 농도를 측정하는 제2농도측정부, 상기 제1농도측정부에서 측정된 상기 하우징 내부의 유체의 농도와 상기 제2농도측정부에서 측정된 상기 하우징 외부의 유체의 농도를 비교하여 농도차를 계산하는 연산부, 및 상기 제1 및 제2농도측정부에서 각각 측정된 상기 하우징 내부 및 외부의 상기 유체의 농도 데이터와 상기 연산부에서 계산된 농도차 데이터를 저장하는 농도DB를 포함하는 모니터링 수단; 및
    상기 모니터링 수단과 연결되어 상기 유체의 상태를 분석함으로써, 상기 밸브의 이상 발생 여부를 판단하는 분석 수단
    을 포함하는, 밸브 외부누출 감지 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 하우징은 상기 밸브의 일부 또는 전체를 감싸도록 형성되는, 밸브 외부누출 감지 시스템,
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 분석 수단은 상기 연산부에서 계산된 농도차가 상기 농도DB에 기 저장된 농도차 데이터의 평균값을 일정 범위 초과한 경우 또는 농도차의 증가 속도가 일정범위를 초과하는 경우, 상기 밸브의 이상이 발생한 것으로 판단하는, 밸브 외부누출 감지 시스템.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 분석 수단은 상기 농도차를 이용하여 상기 유체의 누출량, 상기 배관 조립체의 고장 부위 및 원인을 분석하고, 이에 대한 분석 데이터를 상기 농도DB에 저장하도록 형성되는, 밸브 외부누출 감지 시스템.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 분석 수단에 의하여 상기 농도DB에 저장된 상기 유체의 누출량, 상기 배관 조립체의 고장 부위 및 원인에 대한 분석 데이터를 외부로 송수신하기 위한 유선 또는 무선 통신모듈을 더 포함하는, 밸브 외부누출 감지 시스템.
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