석유 및 가스 분야에서 안전한 감압을 위한 소형 더블 블록 앤 블리드 밸브
적층 제조 기술을 통해 개조 설치가 용이한 DB&B 솔루션을 구현함으로써, 부품 부피를 70% 이상 줄이면서도 모든 기능을 35mm 크기의 공간에 집약시켰으며, 현재 이 솔루션은 Vår Energi의 해상 자산 중 한 곳에 도입되어 운영 중입니다.
밸브 내부 공간의 안전하고 통제된 감압을 보장하는 것은 석유 및 가스 환경에서 여전히 중요한 운영상의 과제입니다. 특히 가스 설비에 설치된 시스템의 경우, 개조 솔루션은 기존 인프라를 교체하는 데 드는 막대한 비용을 발생시키지 않으면서도 공간, 중량 및 안전에 관한 엄격한 제약 조건을 충족해야 합니다.
이탈리아의 맞춤형 밸브 제조업체인 Valland S.p.A.는 기존 주 밸브에 개조 설치할 수 있도록 설계된, 소형 3D 프린팅 방식의 더블 블록 앤 블리드(DB&B) 보조 밸브인 ‘PVT 밸브’를 개발함으로써 이러한 과제를 해결했습니다.
발랑(Valland)의 적층 제조 사업부인 발랑3D(Valland3D)에서 제작한 이 부품은 EOS M 290 시스템 기반의 금속 적층 제조 기술을 활용하여, 기존 제조 방식으로는 달성할 수 없었던 수준의 기능적 통합성과 소형화를 실현했습니다.
도전 과제
이중 팽창식 게이트 밸브의 경우, 밸브 내부의 압력을 안전하게 해제하는 데 운영상 및 안전상의 어려움이 모두 존재했다.
기존 설비에는 DB&B 구성이 없어, 감압 작업에 시간이 많이 소요되고 모니터링이 어려웠을 뿐만 아니라, 탄화수소 노출로 인해 잠재적인 HSE 위험이 발생했습니다.
가스 응용 분야에서는 표준 배수구를 통한 감압이 하이드레이트 형성을 유발하여 공정을 완전히 중단시킬 수 있다는 점에서 추가적인 문제가 발생했습니다.
기계적 관점에서 볼 때, 제약 조건 역시 마찬가지로 엄격했습니다:
- 표준 DB&B 유닛은 기존 ½" NPT 나사산 연결부에 비해 너무 무거웠기 때문에,
- 나사 손상의 위험을 높이거나 고장을 유발할 수 있으며,
- 그 결과, 이 장비들은 개조 후 재배치에 적합하지 않게 되었습니다.
특히, 가공, 주조, 단조와 같은 기존의 제조 방식으로는 요구되는 설치 공간 내에서 DB&B의 모든 기능을 갖추고, 크기가 작으며, 무게가 가벼운 설계를 구현할 수 없었습니다.
그 결과, 운영 담당자들은 종종 상당한 비용과 가동 중단 시간을 수반하는 메인 밸브 전체를 교체하는 것 외에는 다른 대안이 없는 상황에 처하곤 했습니다.
솔루션
이러한 한계를 극복하기 위해 Valland는 적층 제조 전용 솔루션인 ‘PVT 밸브’를 개발했는데, 이 제품은 처음부터 적층 제조를 염두에 두고 설계되었습니다.
Valland3D는 금속 레이저 소결 공법을 활용해 EOS M 290 와 슈퍼 듀플렉스 F55 소재를 사용하여, 극히 제한된 설계 공간 내에서 완전한 DB&B 기능을 제공할 수 있는 소형 보조 밸브를 개발했습니다. 이 설계는 총 길이가 불과 35mm에 불과한 공간 내에 제1 압력 차단부, 배수 채널, 제2 차단부 및 출구를 모두 통합하고 있습니다.
적층 제조 방식의 설계가 가진 주요 장점은 질량 분포가 최적화되어 무게 중심이 메인 밸브 본체에 더 가까워진다는 점입니다. 이를 통해 나사 연결부에 가해지는 기계적 응력이 줄어들고 고장 위험이 최소화됩니다.
인쇄 및 열처리 매개변수를 포함한 제조 공정은 Valland3D가 자체적으로 개발하였으며, DNV-ST-B203 기준에 따라 인증을 받아 해당 부품이 가혹한 사용 조건에 대한 엄격한 산업 요구 사항을 충족함을 보장합니다. 이 부품은 DNV 프레임워크에 따라 AMC 레벨 2 인증을 획득함으로써, 제조 공정과 품질 보증 방식 모두 안전 및 성능이 매우 중요한 응용 분야에 대한 요구 사항을 충족함을 입증했습니다.
이러한 배경에서 PVT 밸브의 기능적 설계는 핵심적인 역할을 합니다. 이 부품은 더블 블록 앤 블리드(Double Block & Bleed) 구성을 기반으로 하여, 기존 시스템과의 호환성을 유지하면서 안전한 차단 및 제어된 감압을 가능하게 합니다.
“적층 제조를 통해 우리는 절삭 가공 방식으로 달성할 수 있는 가장 작은 설계에 비해 부품 부피를 70% 이상 줄일 수 있었습니다. 길이 35mm에 불과한 공간 내에 1차 차단부, 배수부, 2차 차단부, 배출구 등 네 개의 독립적인 내부 채널을 통합했습니다. 이는 어떤 기존 공정으로도 실현할 수 없는 일입니다.”
지안루카 아퀴스타파체(Gianluca Acquistapace), Valland3D 적층 제조(AM) 매니저
결과
PVT 밸브의 장점은 실제 작동 조건에서 그 성능이 가장 두드러지게 나타납니다. 이 솔루션은 극히 컴팩트한 폼 팩터 내에서 완전한 이중 차단 및 배기(DB&B) 기능을 구현함으로써, 기존 방식으로는 해결할 수 없었던 오랜 현장 과제를 해결합니다.
운영 및 안전 측면에서 볼 때, 그 이점은 상당합니다. PVT 밸브는 안전하고 모니터링이 가능한 캐비티 감압을 가능하게 하여, 작업자의 탄화수소 노출을 크게 줄여줍니다. 동시에, 감압 과정에서 발생할 수 있는 하이드레이트 형성 등 공정을 중단시키거나 지연시킬 수 있는 문제들을 해소합니다. 그 결과, 작업자들은 각 개입 작업에 소요되는 시간이 상당히 단축되었다고 보고하며, 이는 더 효율적이고 예측 가능한 현장 운영으로 이어집니다.
이러한 운영상의 개선 외에도, 이 솔루션은 완전한 산업적 적용 준비가 되어 있음을 입증하고 있습니다. 제조 공정은 DNV-ST-B203 표준에 따라 인증을 받았으며, 이미 100개 이상의 장치가 생산, 테스트를 거쳐 현장에 배치되었습니다. 압력 시험, 누출 배출 시험, 화재 안전 시험을 포함한 광범위한 검증 결과, 이 부품이 까다로운 석유 및 가스 분야 적용에 적합함이 확인되었습니다. Vår Energi의 한 해상 자산에 대한 현장 배치는 실제 운영 조건 하에서 이 솔루션의 성능을 다시 한번 입증해 줍니다.
이 솔루션의 경제적 가치는 무엇보다도 개조 가능성에 있습니다. PVT 밸브는 이미 가동 중인 밸브에 설치할 수 있으므로, 전체 주 밸브를 교체하는 데 드는 막대한 비용을 절감할 수 있습니다. 이는 자본 지출을 줄일 뿐만 아니라 가동 중단 시간과 운영 차질을 최소화합니다.
“PVT 밸브는 더블 블록 앤 블리드(Double Block & Bleed) 구성을 채택하고 있으며, 니들 밸브로 구성된 1차 및 2차 차단 장치와 그 사이에 위치한 블리드 플러그로 이루어져 있습니다. 이 밸브는 설치 대상 밸브와 동일한 입구 인터페이스로 설계될 수 있으므로, 이미 가동 중인 장비에도 개조 설치가 가능합니다.” 다니엘레 브람빌라, 발란드(Valland) 엔지니어링 매니저
결론
Valland는 PVT 밸브를 통해 적층 제조가 단순한 점진적 개선에 그치지 않고, 이전에는 실현 불가능했던 제품까지 가능하게 하는 솔루션을 어떻게 구현하는지 보여주고 있습니다.
Valland3D는 설계의 유연성, 소재 성능 및 공정 인증을 결합하여, 석유·가스 산업의 실제 HSE 및 운영상의 과제를 직접 해결하는 소형이며 기존 설비에 쉽게 적용 가능한 DB&B 밸브를 개발했습니다.
이 프로젝트는 기존 제조 방식이 한계에 부딪히는 제약 조건이 매우 엄격한 응용 분야에서 금속 적층 제조가 혁신의 원동력으로서 수행하는 역할을 부각시키고 있다.
