Hydraulic
Cavitation으로 인한 매니폴드 부식
valve
2007. 1. 2. 19:31
Cavitation이란 액체 내에서 낮은 압력으로 인해 작은 기포가 형성되는 것을 말한다. 이 기포는 용해 가스 및 액체 증기로 이루어져 있다.
썬 하이드로릭스가 해결해야 하는 Cavitation은 유체의 압력이 저하될 때 유속이 빨라지면서 낮아지는 압력에 의해 발생되는 Cavitation 문제이다. 예를 들자면, 오리피스 또는 Metering edge를 통과하는 유체의 압력이 3000 psi (200bar) 떨어질때, 유속은 초음속의 속도가 아니면, 음속의 속도에 도달하게 된다. 베르누이 정리(Bernoulli`s theorem)를 적용시키면 계측지점에서의 압력이 hard vacuum에 근접할 것이라고 예상할 것이다. 이러한 종류의 Cavitation은 방지하기가 매우 어렵다.
Cavitation 그 자체는 어떠한 손상도 야기하지 않으나, 문제는 유해할 수도 있는 버블이 터지는 것이다. 버블이 터지게 되면 충격파가 발생되는데, 발생된 충격파에는 유체 분자로부터 전자를 헐겁게 떼어낼 수 있을 정도로 강한 엄청난 에너지가 포함되어 있다. 이는 방출된 파란색 빛에서 분명히 나타난다. 즉, 이는 음파발광(Sonoluminescence)이라고 불리는 현상 또는 음파에 의해 발생된 빛의 증거이다. 파란색 빛은 온도 변화가 태양 표면보다 더 높다는 것을 말한다. 버블이 터지면서 표면과 가까이 가게 되는 경우에는 그 충격파가 분자를 손상시키게 됨으로써 소재를 부식시키게 될 것이다.
위에서 가장 중요한 대목은 “버블이 터지면서 표면과 가까이 가게 되는 경우에는……….?” 라는 부분이다. Metering edge의 하류 압력이 충분할 경우에는 버블이 형성된 곳과 가까운 곳에서 터지되 손상을 입히지는 않는다. 그러나, 버블이 카트리지 외부에서 매니폴드 면과 가까운 곳에서 터질 경우에는 소재의 부식이 시작될 수 있다.
대부분의 사람들은 Cavitation 부식 현상을 오일 블래스팅으로 물질을 밀어내는 고속분사로, 샌드 블래스팅과 유사한 것으로 생각한다. 그러나, 사실은 그렇지 않다. 버블은 빠른 속도에 의해 생성되나 손상은 버블이 터짐으로 인해 발생되는 것이다. 손상된 부분은 모양이 불규칙하며 뒤틀리기도 한다.
보통은 undercut이 발생된 캐비티의 탱크 부분을 열어 표면이 “고속 분사”의 영향을 받지 않도록 옮기려고 한다. 그러나 불행히도 이렇게 할 경우 하류 압력을 저하시켜 상황을 더욱 악화시키고 만다. 따라서, 이를 대처하는 옳은 방법은 캐비티는 그대도 두되 탱크 통로의 크기를 줄이는 것이다.
Cavitation 관찰
• 경험상의 해결책으로써 캐비티 부식 문제가 있을 경우, 역압을 5% 증가시켜주면
아마도 부식을 저지할 수 있을 것이며, 10% 증가시켜주면 부식은 분명히 중단
된다. 이 비율은 밸브의 압력하강 전체값에 대한 비율이다. 즉, 밸브를 통과하는 압력 하강값이 3000 psi (200 bar)일 경우, 역압을 150 psi (10 bar), 즉 5%로 설정해 주면 부식을 방지할 수 있을 것이다.
• 매니폴드의 알루미늄 소재를 연성주철로 바꾸면 부식 비율을 10배로 감소시킬
수 있을 것이다.
• 가장 부식이 잘 될 수 있는 썬 밸브는 nose (port 1)에서 side (port 2)로 modulate하는 Balanced piston valve이다. 여기에는 Pilot-operated relief valve와 Priority flow controls 제품이 포함된다.
• 썬의 Direct-acting reliefs (RD**), Sequences (SC**), 그리고 Pilot operated, Balanced poppet reliefs (RP*S, RV*S, RP*T) 밸브류는 유체의 실측이 밸브 내부에서 이루어지므로 (밸브가 자체 역압을 생성시켜) 캐비티를 부식시키지 않는다. Balanced piston 밸브류와 동일한 유로와 동일한 캐비티를 사용하는 이러한 밸브로 대체하는 것도 손쉬운 방법 중 하나이다.
• Vented relief 밸브를 사용하여 펌프를 로드하고 언로드하는 것은 매우 흔한 방법이나, 여기에는 잠재적인 문제가 내재되어 있다. vent가 펌프의 압력을 다시 끌어올리기 위해 닫히게 될 때, 밸브는 전체 펌프 유량을 조절하여 최소값에서 기존 시스템 압력까지 상승시키게 된다. 만약 이 때 Cavitation 조건이 형성되어 있는 경우에는 모든 사이클이 부식을 야기할 수 있다. RV*S 제품군의 Balanced poppet valve에서 그러하듯이, 하류압력을 증가시켜주면 이러한 문제를 방지할 수 있다.
• 대부분의 유압 시스템은 Relief valve 상에서 전혀 누유되지 않도록 설계되어
있으나, 시스템 릴리프 위에 장착된 pump compensator처럼 그렇지 못한 경우도
종종 있다.
• Priority flow controls(FR** 및 FV**) 제품에 발생하는 캐비티 부식 문제에 대한 해결책으로 제시할 수 있는 유일한 방법은 역압이다.
• Cavitation의 발현은 백색 잡음(white noise)으로 알 수 있다. 잡음을 제거할 수
있다면, Cavitation도 제거할 수 있을 것이다.
• 유체 내의 용존 공기는 Cavitation 부식을 악화시킨다.
• 고온은 증기 압력을 증가시키고 Cavitation 발생 가능성을 증가시킨다. 유체의
압력이 3000 psi (200 bar) 하강할 때, 온도는 24°F (14°C) 정도 상승한다. 즉, 정상적인 유체의 온도가 160°F (70°C)에서 다소 높은 184°F (84°C)로 상승하여 즉시 밸브의 하류에 영향을 미치게 되는 되는데, 이는 Cavitation 때문이 아니라 단지 에너지 보전일 뿐이다.
• 유압동력을 반드시 열로 변환하고자 한다면, Cavitation을 감안해야 한다. 여기서
문제를 야기시키지 않을 수 있는 묘책은 압력이 2단계 또는 그 이상의 단계로
하강하게 하는 것이다.
• 물이나 인산염 에스테르와 같은 고(高)비중 유체는 밸브에 극심한 Cavitation
부식 손상을 야기할 수 있으나, 매니폴드에는 그리 심한 손상을 야기하지는 않는 것으로 보인다. 다시 한 번 말하지만, 압력 강하를 제한하면 문제를 최소화할 수 있다.
• Sonoluminescence(음파발광)을 구글에서 검색하고자 한다면, 액면그대로 받아
들이지 말아야 한다. 일부 사람들은 아직도 냉융합 (Cold fusion)을 촉진시키려 하고 있다.
Cavitation 부식은 썬 하이드로릭스의 제품에만 발생하는 문제가 아닙니다. 유체의 속도가 급격히 상승할 때 발생하는 변화에 의해 야기되는 자연스러운 현상입니다. 이를 입증하는 데에는 Screw-in cartridge valve 까지는 필요없으며, 간단한 오리피스 또는 Leak path만으로도 가능합니다.
썬에는 Cavitation 및 그에 따른 결과 - 백색 잡음, 음파발광, 그리고 캐비티 부식을 입증하기 위해 사용하는 설비가 있습니다. 유압 시스템으로 열을 발생시키기 위해 기계의 모든 마력을 과도하게 사용했던 고객이 있었습니다. 그 결과 알루미늄 매니폴드가 몇 시간도 안되어서 부식해 버렸습니다. 당사 엔지니어인 Dick Clark가 Relief valve의 방출면 주위에 투명한 플라스틱 부분이 있는 설비를 구축하였습니다. 이 설비를 이용하여 부식이 발생하는 과정과 잡음을 선명하게 보고 들으실 수 있습니다. 시연이 꽤 사실적이어서 여러분과 오일 사이에 있는 물질이 부식되어 가고 있는 상황을 실감나게 보실 수 있습니다. 어떤 고객은 너무 생생해서 산탄총 통을 내려다보고 있는 것 같다고 했습니다. 역압을 증가시키면, 버블의 흐름이 다시 밸브쪽으로 후퇴하고 백색 소음은 사라집니다.
Dick Clark 엔지니어가 한 번도 좋은 전자 크레인이나 유압 전구를 본 적이 없다고 불평하곤 했습니다. 기내에서 디스커버 잡지를 읽고 있었는데 음파발광에 관한 기사를 발견하였습니다. 그 기사에는 과학자들이 어떻게 버블을 만들어 내고 또 어떻게 어쿠스틱 트랜듀서로 그 버블을 소멸시키는지에 대해 나와 있었는데, 결론은 파란색 빛의 섬광이었습니다. 저는 Cavitation 부식과 연관지어 보았습니다. 다음날 저는 출근하여 실험실 직원으로 하여금 Cavitation 설비를 셋업해 놓도록 했습니다. 불을 꺼놓았을 때, 기괴한 파란색 빛이 매우 선명해졌습니다. 유압 전구가 있었던 것 입니다! 희미한 빛을 생성시키기 위해서는 약 20 hp (15 kW)가 필요합니다. 음파발광 시연은 매우 유명하여, 모든 사람들이 보고싶어 합니다. 당사에서는 수백명에게 음파발광 시연을 한 바 있습니다.
요약하자면, 역압을 증가시켜주면 캐비티 부식을 저지하거나 방지할 수 있습니다. 매니폴드 소재를 알루미늄에서 연성주철로 바꾸면 부식률을 크게 줄일 수 있습니다. 또한, 다른 디자인의 밸브로 변경하면 부식을 저지할 수 있습니다.
Jeff Baker
출처 : http://www.sunhydraulics.co.kr
썬 하이드로릭스가 해결해야 하는 Cavitation은 유체의 압력이 저하될 때 유속이 빨라지면서 낮아지는 압력에 의해 발생되는 Cavitation 문제이다. 예를 들자면, 오리피스 또는 Metering edge를 통과하는 유체의 압력이 3000 psi (200bar) 떨어질때, 유속은 초음속의 속도가 아니면, 음속의 속도에 도달하게 된다. 베르누이 정리(Bernoulli`s theorem)를 적용시키면 계측지점에서의 압력이 hard vacuum에 근접할 것이라고 예상할 것이다. 이러한 종류의 Cavitation은 방지하기가 매우 어렵다.
Cavitation 그 자체는 어떠한 손상도 야기하지 않으나, 문제는 유해할 수도 있는 버블이 터지는 것이다. 버블이 터지게 되면 충격파가 발생되는데, 발생된 충격파에는 유체 분자로부터 전자를 헐겁게 떼어낼 수 있을 정도로 강한 엄청난 에너지가 포함되어 있다. 이는 방출된 파란색 빛에서 분명히 나타난다. 즉, 이는 음파발광(Sonoluminescence)이라고 불리는 현상 또는 음파에 의해 발생된 빛의 증거이다. 파란색 빛은 온도 변화가 태양 표면보다 더 높다는 것을 말한다. 버블이 터지면서 표면과 가까이 가게 되는 경우에는 그 충격파가 분자를 손상시키게 됨으로써 소재를 부식시키게 될 것이다.
위에서 가장 중요한 대목은 “버블이 터지면서 표면과 가까이 가게 되는 경우에는……….?” 라는 부분이다. Metering edge의 하류 압력이 충분할 경우에는 버블이 형성된 곳과 가까운 곳에서 터지되 손상을 입히지는 않는다. 그러나, 버블이 카트리지 외부에서 매니폴드 면과 가까운 곳에서 터질 경우에는 소재의 부식이 시작될 수 있다.
대부분의 사람들은 Cavitation 부식 현상을 오일 블래스팅으로 물질을 밀어내는 고속분사로, 샌드 블래스팅과 유사한 것으로 생각한다. 그러나, 사실은 그렇지 않다. 버블은 빠른 속도에 의해 생성되나 손상은 버블이 터짐으로 인해 발생되는 것이다. 손상된 부분은 모양이 불규칙하며 뒤틀리기도 한다.
보통은 undercut이 발생된 캐비티의 탱크 부분을 열어 표면이 “고속 분사”의 영향을 받지 않도록 옮기려고 한다. 그러나 불행히도 이렇게 할 경우 하류 압력을 저하시켜 상황을 더욱 악화시키고 만다. 따라서, 이를 대처하는 옳은 방법은 캐비티는 그대도 두되 탱크 통로의 크기를 줄이는 것이다.
Cavitation 관찰
• 경험상의 해결책으로써 캐비티 부식 문제가 있을 경우, 역압을 5% 증가시켜주면
아마도 부식을 저지할 수 있을 것이며, 10% 증가시켜주면 부식은 분명히 중단
된다. 이 비율은 밸브의 압력하강 전체값에 대한 비율이다. 즉, 밸브를 통과하는 압력 하강값이 3000 psi (200 bar)일 경우, 역압을 150 psi (10 bar), 즉 5%로 설정해 주면 부식을 방지할 수 있을 것이다.
• 매니폴드의 알루미늄 소재를 연성주철로 바꾸면 부식 비율을 10배로 감소시킬
수 있을 것이다.
• 가장 부식이 잘 될 수 있는 썬 밸브는 nose (port 1)에서 side (port 2)로 modulate하는 Balanced piston valve이다. 여기에는 Pilot-operated relief valve와 Priority flow controls 제품이 포함된다.
• 썬의 Direct-acting reliefs (RD**), Sequences (SC**), 그리고 Pilot operated, Balanced poppet reliefs (RP*S, RV*S, RP*T) 밸브류는 유체의 실측이 밸브 내부에서 이루어지므로 (밸브가 자체 역압을 생성시켜) 캐비티를 부식시키지 않는다. Balanced piston 밸브류와 동일한 유로와 동일한 캐비티를 사용하는 이러한 밸브로 대체하는 것도 손쉬운 방법 중 하나이다.
• Vented relief 밸브를 사용하여 펌프를 로드하고 언로드하는 것은 매우 흔한 방법이나, 여기에는 잠재적인 문제가 내재되어 있다. vent가 펌프의 압력을 다시 끌어올리기 위해 닫히게 될 때, 밸브는 전체 펌프 유량을 조절하여 최소값에서 기존 시스템 압력까지 상승시키게 된다. 만약 이 때 Cavitation 조건이 형성되어 있는 경우에는 모든 사이클이 부식을 야기할 수 있다. RV*S 제품군의 Balanced poppet valve에서 그러하듯이, 하류압력을 증가시켜주면 이러한 문제를 방지할 수 있다.
• 대부분의 유압 시스템은 Relief valve 상에서 전혀 누유되지 않도록 설계되어
있으나, 시스템 릴리프 위에 장착된 pump compensator처럼 그렇지 못한 경우도
종종 있다.
• Priority flow controls(FR** 및 FV**) 제품에 발생하는 캐비티 부식 문제에 대한 해결책으로 제시할 수 있는 유일한 방법은 역압이다.
• Cavitation의 발현은 백색 잡음(white noise)으로 알 수 있다. 잡음을 제거할 수
있다면, Cavitation도 제거할 수 있을 것이다.
• 유체 내의 용존 공기는 Cavitation 부식을 악화시킨다.
• 고온은 증기 압력을 증가시키고 Cavitation 발생 가능성을 증가시킨다. 유체의
압력이 3000 psi (200 bar) 하강할 때, 온도는 24°F (14°C) 정도 상승한다. 즉, 정상적인 유체의 온도가 160°F (70°C)에서 다소 높은 184°F (84°C)로 상승하여 즉시 밸브의 하류에 영향을 미치게 되는 되는데, 이는 Cavitation 때문이 아니라 단지 에너지 보전일 뿐이다.
• 유압동력을 반드시 열로 변환하고자 한다면, Cavitation을 감안해야 한다. 여기서
문제를 야기시키지 않을 수 있는 묘책은 압력이 2단계 또는 그 이상의 단계로
하강하게 하는 것이다.
• 물이나 인산염 에스테르와 같은 고(高)비중 유체는 밸브에 극심한 Cavitation
부식 손상을 야기할 수 있으나, 매니폴드에는 그리 심한 손상을 야기하지는 않는 것으로 보인다. 다시 한 번 말하지만, 압력 강하를 제한하면 문제를 최소화할 수 있다.
• Sonoluminescence(음파발광)을 구글에서 검색하고자 한다면, 액면그대로 받아
들이지 말아야 한다. 일부 사람들은 아직도 냉융합 (Cold fusion)을 촉진시키려 하고 있다.
Cavitation 부식은 썬 하이드로릭스의 제품에만 발생하는 문제가 아닙니다. 유체의 속도가 급격히 상승할 때 발생하는 변화에 의해 야기되는 자연스러운 현상입니다. 이를 입증하는 데에는 Screw-in cartridge valve 까지는 필요없으며, 간단한 오리피스 또는 Leak path만으로도 가능합니다.
썬에는 Cavitation 및 그에 따른 결과 - 백색 잡음, 음파발광, 그리고 캐비티 부식을 입증하기 위해 사용하는 설비가 있습니다. 유압 시스템으로 열을 발생시키기 위해 기계의 모든 마력을 과도하게 사용했던 고객이 있었습니다. 그 결과 알루미늄 매니폴드가 몇 시간도 안되어서 부식해 버렸습니다. 당사 엔지니어인 Dick Clark가 Relief valve의 방출면 주위에 투명한 플라스틱 부분이 있는 설비를 구축하였습니다. 이 설비를 이용하여 부식이 발생하는 과정과 잡음을 선명하게 보고 들으실 수 있습니다. 시연이 꽤 사실적이어서 여러분과 오일 사이에 있는 물질이 부식되어 가고 있는 상황을 실감나게 보실 수 있습니다. 어떤 고객은 너무 생생해서 산탄총 통을 내려다보고 있는 것 같다고 했습니다. 역압을 증가시키면, 버블의 흐름이 다시 밸브쪽으로 후퇴하고 백색 소음은 사라집니다.
Dick Clark 엔지니어가 한 번도 좋은 전자 크레인이나 유압 전구를 본 적이 없다고 불평하곤 했습니다. 기내에서 디스커버 잡지를 읽고 있었는데 음파발광에 관한 기사를 발견하였습니다. 그 기사에는 과학자들이 어떻게 버블을 만들어 내고 또 어떻게 어쿠스틱 트랜듀서로 그 버블을 소멸시키는지에 대해 나와 있었는데, 결론은 파란색 빛의 섬광이었습니다. 저는 Cavitation 부식과 연관지어 보았습니다. 다음날 저는 출근하여 실험실 직원으로 하여금 Cavitation 설비를 셋업해 놓도록 했습니다. 불을 꺼놓았을 때, 기괴한 파란색 빛이 매우 선명해졌습니다. 유압 전구가 있었던 것 입니다! 희미한 빛을 생성시키기 위해서는 약 20 hp (15 kW)가 필요합니다. 음파발광 시연은 매우 유명하여, 모든 사람들이 보고싶어 합니다. 당사에서는 수백명에게 음파발광 시연을 한 바 있습니다.
요약하자면, 역압을 증가시켜주면 캐비티 부식을 저지하거나 방지할 수 있습니다. 매니폴드 소재를 알루미늄에서 연성주철로 바꾸면 부식률을 크게 줄일 수 있습니다. 또한, 다른 디자인의 밸브로 변경하면 부식을 저지할 수 있습니다.
Jeff Baker
출처 : http://www.sunhydraulics.co.kr