Control Valve에서 발생하는 Flashing vs Cavitation

Control Valve에서 발생하는 Flashing vs Cavitation

Control Valve는 플랜트 유체 시스템의 압력과 유량을 정밀하게 제어하는 핵심 장치이다. 그러나 유체가 밸브 내부를 고속으로 통과하며 급격한 압력 강하(ΔP)가 발생할 경우, Flashing(플래싱) 또는 Cavitation(공동현상)이 발생할 수 있다.

이 두 현상은 발생 조건이 유사하나, 작동 메커니즘과 손상 양상, 대응 방식에서 명확한 차이가 있으므로 설계자와 운전자는 이를 정확히 이해하고 구분할 필요가 있다.

1. 정의 및 발생 메커니즘

항목	Flashing	Cavitation
정의	유체가 밸브 내 압력 강하로 영구적 기화 상태로 전환되는 현상	유체가 순간 기화 후 재응축되며 기포 붕괴로 금속 표면 손상을 유발하는 현상
기포 붕괴 여부	기포가 그대로 유지되어 기체/액체 혼합으로 흐름 유지	기포가 고압 영역에서 급격히 붕괴하며 충격 발생
손상 메커니즘	고속 흐름에 의한 마모(erosion)	충격력에 의한 침식(pitting) 및 구조 손상
주로 발생하는 위치	밸브 출구 이후 라인에서 지속	밸브 내부 또는 직후 압력 회복 지점

2. 발생 조건 비교

2.1 Flashing 발생 조건

• 밸브 출구 압력 P2 ≤ 유체 증기압 Pv
• 기화된 유체가 재액화되지 않고 그대로 이송됨
• 온도가 높고, 배압이 낮은 개방 시스템에서 자주 발생

2.2 Cavitation 발생 조건

• 밸브 내부 최소 압력 Pmin ≤ Pv & P2 > Pv
• 기포 생성 후 출구에서 압력 회복 시 기포 붕괴
• 폐쇄 루프 계통, 고ΔP 조건에서 빈번히 발생

3. 손상 형상 차이

• Flashing: 트림 및 밸브 본체 표면이 전반적으로 부드럽게 마모됨
• Cavitation: 트림 표면에 국부적인 피팅(Pitting) 형성, 표면에 꺼짐이나 균열

4. 실무 대응 전략

4.1 Flashing 대응

• 출구 압력 확보: 배압 제어 밸브 또는 리턴 시스템 적용
• 기체-액체 혼상 대응 가능한 밸브 재질 선택 (SS 316, Alloy 등)
• 유동 방향을 벽면에 직접 충돌하지 않도록 구조 설계

4.2 Cavitation 대응

• Low-Noise Trim 또는 Multi-stage Trim 사용
• ΔP를 두 개 이상의 밸브로 분산 (Staged Control)
• 기포 붕괴가 밸브 외부에서 일어나도록 밸브 형상 조정
• 내식성이 높은 트림 재질 채택 (Stellite, Duplex 등)

5. 설계 시 사전 확인 방법

• 유체의 증기압과 온도 확인
• 밸브 선정 시 FL, xT, xFz 계수를 통해 Cavitation Index 분석
• 제어밸브 제조사 제공 Sizing Software 활용 (ex. Fisher, Samson 등)

결론

Flashing과 Cavitation은 모두 압력 강하에 의한 2상 흐름 현상이지만, 발생 위치와 손상 양상이 다르므로 설계적 접근 방식도 달라야 한다.

특히 Control Valve는 공정 전체 안정성에 직결되므로, ΔP가 크거나 유체 증기압이 높은 조건에서는 사전에 발생 조건을 시뮬레이션하고 적절한 트림 및 재질을 선택해야 한다.

운전 중에 발생한 Cavitation은 이미 장비 손상을 동반하기 때문에, 예측 설계와 방지 중심의 엔지니어링이 근본적인 대응 전략이다.