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ISSN : 1598-6721(Print)
ISSN : 2288-0771(Online)
The Korean Society of Manufacturing Process Engineers Vol.14 No.5 pp.42-49
DOI : https://doi.org/10.14775/ksmpe.2015.14.5.042

CAE/CFD Analysis and Design of High-Pressure Drop Control Valve for Offshore Project

Sung Cheol Jang*, Tae-Soo Park*, Nam-Soo Hur**, In-Whan Kim**#
*Korea Aviation Polytechnic College, Dept. of Aviation Mechatronics

**Gyeongnam National University of Science and Technolgy, Department of Mechanical Engineering
Corresponding Author : ihkim@gntech.ac.kr
January 29, 2015 August 4, 2015 September 7, 2015

Abstract

In this study, the multi-disk of a high-pressure drop control valve is designed and manufactured. Then, the flow rate and high-pressure drop of fluids flowing in the high-pressure drop control valve is CAE/CFD. This study involves numerical analysis for the Zambil offshore project of a high-pressure drop control valve. ANSYS used a solver for offshore structures analysis. A high-pressure drop control valve, which transforms the power transfer of a system by reducing the inlet pressure of 345bar to the outlet pressure of 112bar, is a fundamental component in the offshore process. This study not only analyzes the relation between pressure drop and fluid velocity in a trim by using fluid analysis, but also examines the possibility of cavitation in a valve in addition to the plot for the extension of lifespan. It is demonstrated that the pressure drop from 345bar to 112bar is more feasible in the presence of the trim, which can induce a continuous and diminutive pressure drop in order to prevent cavitation in a high-pressure drop control valve.


해양플랜트용 고차압 제어밸브의 해석 및 설계

장 성철*, 박 태수*, 허 남수**, 김 인환**#
*한국폴리텍대학 항공캠퍼스

**경남과학기술대학교

초록


    1. 서 론

    FPSO, Drill Ship, Semi-Rig 등의 해양플랜트 프로세스의 핵심 부품인 고압·고차압 제어밸브는 입구 압력 345bar를 출구압력 112bar로 감압 제어하여 시스템의 전달력을 변화시키는 해양 플랜트 프로세스의 핵심 부품이다. 해양 플랜트 산업이 일부 정체성을 보이고 있으나, 추후 독작적인 원천기술 개발과 기업밀착지원을 통해 국내 해양플랜트 산업이 성장할 전망이다. 해양플랜트 산업에 필요한 기자재의 국산화율은 10 30%로 낮고, 대부분 수입에 의존하고 있는 실정이다(1). 북해 유전개발 등으로 해양플랜트 산업의 시장 규모가 지속적으로 성장할 것으로 예상된다.

    해양플랜트용 고압·고차압 밸브는 육상 플랜트, 해상플랜트, 육상 엔지니어링 등 다방면에 널리 적용되고 있다. 또한 이러한 밸브들은 각 해당분야에서 중요한 자리에 위치하며 각종 산업 등에 적용되고 있으나 고압·고차압 등의 영향으로 공동현상, 플러싱, 부식, 떨림현상 등의 발생으로 인하여 밸브의 수명이 단축되고 진동과 소음 등으로 인하여 배관에 큰 영향을 미치고 있다. 현재 선진 외국의 경우 여러 가지 방법으로 트림부를 개발하여 산업 현장에 적용되어 왔으나 국내에서는 극히 드물게 일부에서만 적용되며 대중화 되지 못하였다. 이러한 고차압 제어밸브의 국내외 주요연구로는 Rahmeyer 등은(2) 트림 유로의 형태를 구불구불한 형태로 하여 공동현상이 감소하는 것을 발견하였다. 국외 제어밸브 제작업체 CCI, FISHER, DRESSER 등의 경우, 유체의 운동에너지를 낮추기 위하여 MULTI-STAGE, MULTI-PATH 고차압 제어 밸브 트림을 개발하여 밸브 주요부품들의 손상을 방지하고 있지만, 국내 실정은 최근에 고차압 제어 밸브 연구에 관심을 갖기 시작하여 그 기술력이 국외와 상당 수준 차이가 있다(3,4).

    본 연구에서는 고압·고차압 제어 밸브에 작용하는 내압에 의한 변형과 내·외부의 온도차이에 의한 열변형에 관한 안전성 평가를 검토하기 위하여 구조-열 연성해석을 수행하였다. 이와 아울러 유동해석을 수행하여 트림 내부에서의 유속과 압력강하의 관계를 규명하고, 공동현상 발생 유무 및 수명 향상 방안을 검토하였고, 이에 따른 밸브 트림의 설계 및 제작 방법 등을 정립하였다.

    2. 이론적 배경

    유한요소해석에 있어 선형구조해석은 정적하중 하에서 구조물의 응답을 계산하는 수치해석 방법이다. 본 연구에서 수행하고자 하는 구조해석은 고차압 밸브에 작용하는 작동 유체의 내압에 의한 밸브의 변형거동을 분석하고, 내부 유체의 온도 50℃를 고려한 열전달 해석으로부터 온도분포를 결정하며(5), 내압에 의한 응력과 온도차에 따른 열응력을 동시에 고려한 연성해석을 통해 고차압 제어 밸브가 구조적으로 안전한지를 평가하였다. 이와 아울러 6inch #2,500 글로브 고차압 제어밸브의 내부 유동을 분석하기 위하여 트림 내부에서의 유속과 압력강하의 관계를 규명하고, 공동현상 발생 유무 및 수명향상 방안을 검토하기 위해서 Navier-Stokes 방정식에 관한 전산 수치해석을 통해 밸브 내부의 유동상태를 검토하였다. 그 지배 미분방정식인 연속방정식과 운동방정식은 다음과 같으며, 사용된 전산유체 해석 프로그램은 ANSYS-CFX를 이용하여 분석하였다.

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    3. 구조안전성 평가

    3.1 유한요소 모델링

    Fig. 1은 본 연구의 해석대상인 고차압 제어밸브의 개략도를 나타낸 것이다. 구조해석에 활용된 유한요소모델은 실제 3차원 기하형상에 기초하여 최대한 실물에 근접하도록 묘사하였으며, 상용유한요소해석 프로그램인 ANSYS를 활용하여 구조 변형 해석과 열전달 해석 등을 수행하였다. 구조 변형해석을 위해 3차원 full integration SOLID186 요소를 활용하였고, 열전달해석을 위해 3차원 20-node thermal SOLID90 요소를 사용하였다. 이 요소들은 그 구조형태가 동일하여 단방향 및 양방향 구조-열연성해석에 활용되는 요소들로써 먼저 SOLID90 요소를 활용한 열전달 해석으로부터 제어밸브 내부와 외부 간 온도차이 구하고 그 결과를 구조해석 요소인 SOLID186으로 맵핑(mapping)시켜 구조-열연성해석을 수행하였다. 밸브해석에 사용된 기계적, 열적 재료 특성치 값들은 Table 1과 같다. 일반적으로 온도변화에 따라 그 재료 특성치 값들이 변화하지만, 본 연구에서의 작동유체 온도가 50℃로서 외부 공기층과 온도차가 적은 관계로 비선형 재료거동에 관해 분석하지 않았다.

    3.2 내부압력에 의한 변형해석

    고차압 제어밸브에 작용하는 내압에 대한 구조 안전성 평가를 위해 구조 변형해석을 수행하였다. Fig. 2 (a)는 작용 내압에 관한 등가 응력분포도를 나타낸 것이다. 고차압 제어 밸브의 body 부에서 최대 등가응력이 나타났으며, 그 수준은 약 223MPa 정도이다. ASME BOLIER & PRESSURE VESSEL CODE Part D(6) 에서의 STS 316, CF8M 소재에 관한 상온에서의 항복강도는 약 250MPa 이다. 따라서 최대 등가응력의 수준이 영구변형을 유발시킬 수 있는 항복강도보다도 작은 값으로 나타나, 현재의 body부 설계에는 큰 문제가 없음을 확인할 수 있다. 그러나 수입제품 대비 내구품질을 확보하기 위해서는 반드시 body 부에 관한 보강설계가 이루어져야 할 것으로 판단된다. 또한 응력이 집중된 body 입구부의 내부 유로 형상을 완만하게 설계하여 유체저항을 감소시키는 구조이거나 케이싱 부분의 두께도 고려가 되어야 할 것으로 판단된다. Fig 2 (b)는 변위분포도를 나타낸 것이다. 압력에 의한 내부 변형은 약 0.083mm 정도 발생할 것으로 예측되었다.

    3.3 열전달 해석

    고차압 제어 밸브에 작용하는 내·외부의 온도차에 대한 안전성 평가를 위해 열전달 해석을 수행한 후 열팽창에 의한 변형해석을 수행하였다. Fig. 3은 열전달에 의한 온도분포도를 나타낸 것이다. body 내부에서는 50℃를 나타내며 외부대기는 10℃를 나타낸다. spindle 상부는 상온과 대류 열전달이 이루어져 외부 공기 온도를 유지하고 있음을 확인할 수 있다.

    3.4 내부압력과 온도차에 의한 변형해석

    고차압 제어 밸브에 작용하는 내압에 의한 변형과 내·외부의 온도차에 의한 열변형에 관한 안전성 평가를 검토하기 위하여 구조-열 연성해석을 수행하였다. Fig. 4 (a)는 연성해석에 의한 등가응력 분포도를 나타낸 것이다. 내압에 의한 해석결과와 동일한 지점의 body 부에서 최대 등가응력 값이 도출되었으며, 그 값은 내압에 의한 최대 등가응력값보다 다소나마 작게 나타남을 볼 수 있다. 이러한 현상은 내압의 경우 body에 압축응력이 발생시키는 반면에 온도차에 의한 열변형의 경우는 인장응력이 작용하기 때문이라 판단된다. Fig. 4 (b)는 변위 분포도를 도시한 것이다. 최대 변위값은 약 0.324mm로 나타났다. 이러한 구조-열 연성해석으로부터 관내와 관외의 온도차에 의한 열변형은 고차압 제어밸브에 영향을 거의 미치지 못함을 확인할 있다. 따라서 향후 설계 변경 모델에 관한 구조 안전성은 내압에 의한 변형해석만으로도 충분한 평가가 가능할 것으로 판단된다.

    4. 유동해석

    4.1 CFD 격자 생성

    본 연구에서는 Fig. 5와 같이 계산시간의 단축과 수렴성의 향상을 위해 유동해석상의 대칭성을 이용한 대칭경계조건을 활용하였다. 격자망은 Fig. 6에 나타낸 바와 같이, 유동의 간섭이 심한 벽면 근처에 조밀하게 생성되도록 하였다. Table 2에 유한체적요소의 총격자수와 총절점 수를 나타내었다. 격자수는 약 265만개로 작성되었다.

    4.2 경계조건 및 수치해석 모델

    고차압 트림부품의 설계는 아주 작은 유로 구간 내에서 압력강하를 최대화하기 위해 유동의 박리와 재순환을 유도하는 설계를 하게 되므로 전산유동해석에서 사용되는 난류모델들은 박리로 인한 재순환유동에서 많은 수치해석적 오차가 발생할 수 있다. 이러한 수치해석적 오차를 최소화하기 위한 난류 모델로서 SST (Shear Stress Transport) 모델을 활용하였다. SST모델은 k-ε모델과 k-ω모델의 장점을 결합한 모델로서, 벽 근처에서는 k-ω모델이 사용되며, 나머지 영역에서는 k-ε모델이 사용된다. 입구경계조건은 345bar의 압력을 인가하였고, 작동 유체의 온도가 50℃임으로 온도조건은 고려하지 않았다. 출구경계조건은 일정압력조건 112bar가 되도록 가정하였다. 그리고 모든 벽면에는 점착조건(no-slip)을 적용하였으며, 유동해석의 중심면을 기준으로 유동혼합이 없는 대칭경계조건을 설정하였다.

    4.3 유동해석 결과 및 고찰

    Fig. 7은 고차압 제어밸브를 운전조건과 밸브가 100% 개방하였을 때에 관하여 대칭경계면 (a)에서와 트림부 (b)의 X-Y 절단면에 관한 압력분포도 분석결과들을 나타내고 있다. Fig. 7(b)에서 트림의 출구부 쪽으로 가면서 압력이 급격히 감소하는 현상을 관찰할 수 있다. 트림 출구부에서의 압력이 약 95bar로 감압되어 설계조건 차압인 233bar보다 다소 큰 약 245bar가 형성되었다가, 시트링 부근에서 약 101.5bar로 다시 압력이 상승함을 확인할 수 있다. 시제품 설계시 예상한 차압 233bar 보다 약 10bar가 더 큰 243bar 정도의 차압이 발생하는 것을 알 수 있다. 이것은 입구로 들어간 유체입자가 트림의 구불구불한 유로를 거치면서 더 많은 저항을 가지게 되고, 이로 인해 더큰 압력강하가 발생되나, 플러싱, 캐비테이션 등의 발생이 적기 때문이라고 생각한다.

    Fig. 8은 밸브 전체모델의 유선을 나타낸 것이다. 트림 전체에 걸쳐 고르게 유동이 분포하고 있음을 확인할 수 있다. 트림부에서 속도가 급격히 증가하고, 압력강하가 발생하는 현상을 볼 수 있으며, 시트링 쪽으로 유동이 흘러가면서 트림 출구보다 유동 압력이 일부 회복되고, 속도가 다소 상승하는 현상을 볼 수 있다. 이것은 트림 유로의 구불구불한 구간을 지나면서 속도가 증가하고, 트림 출구부는 적층되어진 트림부에 비해 유동이 안정화되는 정상상태로 회복되는 구간이기 때문이라고 생각된다. 고차압 밸브 트림부의 속도가 높을 경우, 유체 운동에너지가 높아 트림부 재료의 손상을 유발할 수 있으며, ANSI/ISA-S75(6)에서 제시하는 일반적인 유동조건은 밸브 트림 출구속도가 30m/s 이하이면 문제점이 거의 발생하지 않고, 어떠한 경우에도 운동에너지가 1,030kPa을 초과해서는 안 된다고 명시되어 있다. Table 3에 트림부의 유체속도 제한기준을 나타내었으며, 유동해석결과 ANSI/ISA-S75의 규정에 적합한 결과를 가지고 있음을 확인할 수 있다.

    Fig. 9는 유체입자가 트림 입구로 들어가 출구로 나오는 전 과정에 관한 속도 프로파일(a)와 압력프로파일 (b)를 나타낸 것이다. Fig 9 (a)의 속도 프로파일을 살펴보면 입구로 들어간 유체입자는 트림의 구불구불한 유로를 거치면서 평균속도 35m/s를 기준으로 진폭이 15m/s 크기가 진동하며, 출구쪽으로 흐른 후, 시트링 부근에서 다시 한 번 더 진동하는 현상을 관찰할 수 있다. 시트링 부근에서의 유체속도가 30m/s 이상으로 나타났으나, 시제품의 작동조건이 밸브 개도 100% 일때를 80%의 작동조건을 가지므로 사용수명은 큰 문제가 없을 것으로 생각된다. 추후 고차압 밸브의 수명을 향상시키기 위해서는 반드시 시트링 부근에서의 유체속도가 30m/s 이하가 되도록 설계 되어져야 할 것이다. Fig. 9 (b)는 유체의 압력강하 프로파일을 나타낸 것이다. 해석에서 고찰한 바와 같이 고압·고차압 밸브의 특성상 밸브 개도가 100% 일때를 80%의 작동조건을 가지는 것으로 정의되므로, 유량계수가 낮으므로 인해 공동현상 발생이 적고, 이에 따른 밸브 수명은 충분하리라 판단된다. 설계의도에서와 같이 고압 345bar에서 저압 112bar로의 압력 강하가 원활히 이루어지고 있음을 확인할 수 있다.

    5. 고차압 트림의 설계 및 제작

    5.1 유량계수(Cv)

    본 연구에서는 고차압 밸브의 트림이 고차압에서의 유량 특성과 공동현상 체적의 발생 정도를 확인하기 위하여 전산해석을 수행하여, 유량성능과 캐비테이션 체적이 어떻게 변화하는지에 대해 연구를 진행하였다. 이때 밸브를 통과하는 유량 (Q)는 다음 식 (1)을 사용하여 구할 수 있다(78).

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    여기서, Q는 체적유량 , Kv는 밸브의 유량계수, ∆P는 시험밸브에서 생기는 차압(밸브 입구압력과 출구압력의 차이), G는 유체의 비중을 나타낸다. 유량계수는 단위계에 따라 Cv 혹은 Kv로 표시한다. Cv는 밸브 전후의 압력차를 1PSI (6.86kPa, 0.07kgf/cm2)로 하고, Full open 상태에서 비중이 1인 60°F 의 맑은 물을 흘렸을 때 통과 될 수 있는 유량을 GPM(US) (1GPM=3.785LPM)으로 나타낸 값을 나타내며 주로 미국에서 사용된다(9). Kv는 밸브 전후의 압력차를 1bar(102kPa)로 하고, Full open 상태에서 비중이 1인 5℃ ~ 30℃의 맑은 물로 흘렸을 때 통과 될 수 있는 유량을 m3/hr로 나타낸 값으로 주로 유럽에서 사용된다. 유량계수는 밸브 등을 흐르는 유량 특성을 표시하는 계수로서 밸브의 유동 특성을 파악하는 중요한 지표이다. 상기와 같은 조건으로 밸브의 트림을 구성하려면 압력은 233bar가 감압되어야 하며, Cv를 구하면

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    여기서, Cv는 밸브의 유량계수, Q는 유량, G는 유동온도에서의 비중량, P1은 밸브 상류측 압력, P2는 밸브 하류측 압력을 나타낸다. 이에 따른 유량계수는 Abt 28이 만족되어야 하므로 추후 실험을 통하여 구현할 예정이다.

    5.1 고차압 트림 형상 설계 및 제작

    Fig. 10은 구조 유동해석 결과로 얻어진 해양플랜트용 고압·고차압제어 밸브의 트림 형상을 나타낸 것이다. 공동현상에 대처하는 일반적인 방법은 로커웰 경도가 40이상인 경화재질로 밸브를 제작하는 것이다(7). 또한 밸브의 수명을 연장하고 공동 현상을 방지하기 위해서는 베나축소부 지점에서 압력이 증기압 이하로 저하되는 것을 방지하는데 있으며, 이러한 압력감소가 이루어지면 증기 기포가 형성되지 않는다. 또한 한번에 큰 압력저하보다는 연속적인 작은 압력저하를 발생시킴으로써 증기압 이하로 저하되는 것을 방지할 수 있다. 본 연구에서는 이를 위하여 드래그 타입의 스택을 21개 적층하여 유량을 제어하였으며, 밸브의 몸체는 크롬-몰리브덴강이며, 드래그 타입의 스택은 스테인레스 316을 사용하였다.

    Fig. 11Fig. 10의 결과물을 활용해서 디스크 스택 개수에 따른 유량변화와 압력강하의 관계를 나타내는 그래프이다. 공급압력은 345kg/cm2로 일정하고 유량변화에 따른 압력강하의 관계이다. 트림의 개수가 18~21개일 경우를 살펴보면 유량이 100ℓ/min까지는 유량과 압력강하의 관계가 거의 선형적으로 증가하나 그 이상에서는 지수적으로 증가하는 양상을 보인다. 이것은 유량이 증가할수록 트림의 형상이 한번에 큰 압력강하보다는 연속적으로 작은 압력강하를 발생시키고, 적층된 트림의 영향, 트림 유로의 형상 및 유체저항에 관계된 것이라 분석이 된다.

    6. 결론

    본 연구에서는 고압·고차압 제어 밸브에 작용하는 내압에 의한 변형과 내·외부의 온도차이에 의한 열변형에 관한 안전성 평가를 검토하기 위하여 구조-열 연성해석을 수행하였다. 이와 아울러 유동해석을 수행하여 트림 내부에서의 유속과 압력강하의 관계를 규명하고, 공동현상 발생 유무 및 수명향상 방안을 검토하였고, 이에 따른 밸브 트림의 설계 및 제작 방법 등을 정립하여 다음과 같은 결론을 얻었다.

    1. 내압에 의한 구조물의 변형해석으로부터 최대 등가응력의 수준이 영구변형을 유발시킬 수 있는 항복강도 보다도 작은 값으로 나타나 현재의 바디부 설계에는 큰 문제가 없음을 확인할 수 있었다.

    2. 고차압 밸브의 공동현상을 방지하기 위해서 베나 축소부 지점에서 압력이 증기압 이하로 저하되는 것을 회피하기 위해서 한번에 큰 압력 저하 보다는 연속적인 작은 압력저하를 발생시키는 트림을 설계 및 제작하여 고압 345bar에서 저압 112bar로의 압력강하가 원활함을 알 수 있었다.

    3. 밸브 트림 내부의 유체는 구불구불한 유로를 거치면서 평균속도 35m/s를 준으로 진폭이 15m/s 크기가 진동하며, 시트링 부근에서의 유체속도가 30m/s 이상으로 나타났으나, 시제품의 작동 조건이 80% 이므로 사용수명은 큰 문제가 없을 것으로 분석되었다.

    4. 고차압을 발생시키는 트림의 개수에 따른 압력 변화를 확인함에 따라 트림 개수를 가감하여 고차압이 적용 가능하며, 한번에 큰 압력강하보다는 연속적으로 작은 압력강하를 발생시키고, 적층된 트림의 영향, 트림 유로의 형상 및 유체 저항에 관계된 것이라 분석이 되었다.

    Figure

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    3D modeling of high pressure drop control valve
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    FE analysis results for valve applied to inner pressure
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    FE analysis results for valve applied to heat transfer
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    FE analysis results for valve applied to thermal expansion & inner pressure
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    Shape of computational domain
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    Finite volume mesh for CFD analysis
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    Distribution of pressure
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    Distribution of streamline
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    Velocity and pressure profile in trim
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    Manufacture of drag type stack and Ass’y
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    Experimental result of stack number

    Table

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    Material property
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    Number of nodes and elements
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    Control valves practical guides for measurement and control

    Reference

    1. Lee, C. W. and Jang, S. C., "A Fundamental Study on Offshore Structures of High Pressure Control Valve," J. KSMTE, Vol. 19, No. 6, pp. 883-888 2010.
    2. Rahmeyer, W. J., Miller, H. L., and Sherikar, S. V., “Cavitation Testing Result for a Tortuous Path Control Valve," in Cavitation and Multiphase Flow (Edited by J. Katz and Y. Matsumoto), American Society of Mechanical Engineers, FED-Vol. 210, pp. 62-66. 1995.
    3. Seo J. H., Moon Y. j. and Shin B. R., "Prediction of Cavitating Flow Noise by Direct Numerical Simulation," J. Comput. Phys., Vol. 227, No. 13, p. 6511-6531, 2008.
    4. Kim D. K., Shon C.H., "A Numerical Study on Anti-Cavitation of Globe-Valve Trim With High Pressure Drop," Proceedings of KSME 2010 Spring Annual Meeting, p. 3000-3003. 2010.
    5. Mills, A. F., Heat Transfer, Sencond Edition, Prentice-Hall, New Jersey, 1999.
    6. ASME, ASME Boiler & Pressure Vessel Code Part D, 2004.
    7. Philip, L. S., and Skousen, P. L., Valve Handbook, Valtek International, 2006.
    8. EPRI, Guide for the Application & Use of Valves inch Power Plant, NP-6516(PN2233-5), 2011.