밸브 재질 비교 : Ductile Iron vs Cast Steel vs Stainless Steel

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밸브 재질 비교 : Ductile Iron vs Cast Steel vs Stainless Steel

WITTGUY 2025. 7. 2. 15:55

안녕하세요 WITTGUY 입니다.

산업현장에서 밸브 선정은 시스템의 안전성과 효율성을 좌우하는 핵심 요소입니다. 특히 밸브 재질 선택은 운영 환경, 유체 특성, 압력 조건 등을 종합적으로 고려해야 하는 중요한 의사결정 과정입니다. 본 글에서는 가장 널리 사용되는 3가지 밸브 재질인 Ductile Iron(구상흑연주철), Cast Steel(주강), Stainless Steel(스테인리스강)의 특성과 적용 분야를 상세히 분석하여 현장 실무자들의 올바른 밸브 선정을 지원하고자 합니다.

1. 밸브 재질 선정의 중요성

밸브 재질 선정은 플랜트 설계에서 가장 중요한 엔지니어링 결정 중 하나입니다. 잘못된 재질 선택은 조기 부식, 기계적 손상, 시스템 다운타임으로 이어져 막대한 경제적 손실을 초래할 수 있습니다.

밸브 재질 선정 시 주요 고려사항은 다음과 같습니다:

운전 온도 및 압력 조건
취급 유체의 화학적 특성
부식 환경 및 내구성 요구사항
초기 투자비용 대비 생애주기 비용
유지보수 편의성 및 가용성

2. Ductile Iron(구상흑연주철) 밸브 특성 분석

2.1 재질 특성

Ductile Iron은 흑연이 구상(球狀) 형태로 분포된 주철로, 일반 회주철(Gray Cast Iron) 대비 우수한 기계적 성질을 보입니다.

주요 기계적 성질:

인장강도: 414-827 MPa
항복강도: 276-621 MPa
연신율: 2-18%
브리넬 경도: 143-302 HB

2.2 장점 및 단점

장점:

경제적인 초기 투자비용
우수한 주조성 및 가공성
높은 강도 대 중량 비
진동 감쇠 특성 우수

단점:

부식 저항성 상대적 취약
고온 환경에서 성능 저하
화학적 내성 제한적

2.3 적용 분야

상하수도 시설
소방 설비
HVAC 시스템
일반 산업용수 라인

3. Cast Steel(주강) 밸브 특성 분석

3.1 재질 특성

Cast Steel은 쇳물을 주형에 부어 제조한 강재로, 복잡한 형상의 밸브 제작이 용이하며 단조강(Forged Steel) 대비 경제적입니다. 주강은 성분에 따라 탄소강 주강과 합금강 주강으로 구분됩니다.

일반적인 Cast Steel 등급:

WCB (ASTM A216): 탄소강 주강, 일반용도
WCC (ASTM A216): 탄소강 주강, 고온용도
WC6 (ASTM A217): 크롬-몰리브덴 합금강 주강
WC9 (ASTM A217): 크롬-몰리브덴 합금강 주강

WCB 탄소강 주강의 화학성분:

탄소(C): 0.30% 이하
망간(Mn): 0.50-0.80%
인(P): 0.035% 이하
황(S): 0.035% 이하

3.2 장점 및 단점

장점:

높은 기계적 강도
우수한 고온 특성 (최대 540℃)
용접성 양호
복잡한 형상 제작 용이
다양한 합금 조성 선택 가능

단점:

Ductile Iron 대비 높은 비용
부식 저항성 한계 (탄소강 주강의 경우)
상대적 높은 중량
주조 결함 발생 가능성

3.3 적용 분야

화력발전소 보일러 시스템
석유화학 플랜트 고온 라인
고압 스팀 라인
정유 공정 장치
가스 터빈 시설

4. Stainless Steel(스테인리스강) 밸브 특성 분석

4.1 재질 특성

Stainless Steel은 크롬 함량 10.5% 이상의 철 합금으로, 크롬이 공기 중 산소와 반응하여 형성되는 부동태 피막에 의해 우수한 내식성을 제공합니다.

주요 등급별 특성:

등급	크롬(%)	니켈(%)	주요 특성	적용 온도(℃)
304	18-20	8-10.5	일반 내식성	-196~800
316	16-18	10-14	염화물 저항성	-196~800
321	17-19	9-12	고온 안정성	-196~900
347	17-19	9-13	입계부식 저항	-196~900

4.2 장점 및 단점

장점:

탁월한 내식성
위생적 특성
고온/저온 성능 우수
미려한 외관
긴 수명 (25-30년 이상)

단점:

높은 초기 투자비용
염화물 환경에서 공식(Pitting) 위험
특수 용접 기술 요구
응력부식균열 가능성

4.3 적용 분야

식품 및 제약 산업
화학 공정 장치
해양 플랜트
반도체 제조 설비
의료기기 및 바이오 산업

5. 재질별 비교 분석표

5.1 기본 특성 비교

구분	Ductile Iron	Cast Steel (WCB)	Stainless Steel (304)
인장강도(MPa)	414-827	485-655	515-827
항복강도(MPa)	276-621	250-380	207-552
연신율(%)	2-18	18-35	35-50
내식성	보통	보통	우수
내열성(℃)	~350	~540	~800
상대비용	1.0	1.5-2.0	3.0-5.0
제조방법	주조	주조	주조/단조

5.2 운전 조건별 적합성

운전 조건	Ductile Iron	Cast Steel	Stainless Steel
저압(≤16bar)	◎	○	○
중압(16-40bar)	○	◎	○
고압(≥40bar)	△	◎	◎
저온(≤100℃)	◎	○	◎
중온(100-300℃)	○	◎	◎
고온(≥300℃)	×	◎	◎
부식환경	△	△	◎

5.3 재질별 제조 및 성분 분류

분류 기준	Ductile Iron	Cast Steel	Stainless Steel
제조방법	주조(Cast)	주조(Cast)	주조/단조/압연
성분분류	주철계	탄소강/합금강	합금강
주요성분	Fe-C-Si	Fe-C (WCB)	Fe-Cr-Ni
탄소함량	3.0-4.0%	≤0.30% (WCB)	≤0.08% (304)

6. 산업별 적용 가이드라인

6.1 상하수도 시설

권장 재질: Ductile Iron

선정 근거: 경제성과 충분한 내구성, 대구경 밸브 제작 용이

주요 적용: 급수관로, 배수처리시설, 펌프장

6.2 화력발전소

권장 재질: Cast Steel (WCB, WCC 등급)

선정 근거: 고온 고압 조건 대응, 우수한 기계적 강도

주요 적용: 보일러 급수라인, 주증기관로, 복수기 시스템

6.3 석유화학 플랜트

권장 재질: Stainless Steel (316, 321 등급) 또는 합금강 주강

선정 근거: 화학적 내성, 고온 안정성

주요 적용: 반응기 라인, 정제탑 시스템, 부식성 유체 취급

6.4 식품 산업

권장 재질: Stainless Steel (304, 316L 등급)

선정 근거: 위생성, 청소 용이성, FDA 승인

주요 적용: 음료 생산라인, 유제품 가공, 제약 제조

7. 주요 용어 요약 설명

7.1 재질 분류 용어

한글 용어	영문 용어	정의
구상흑연주철	Ductile Iron	흑연이 구상 형태로 분포된 주철, 연성주철이라고도 함
회주철	Gray Cast Iron	흑연이 편상 형태로 분포된 일반 주철
주강	Cast Steel	쇳물을 주형에 부어 제조한 강재
단조강	Forged Steel	단조 공정으로 제조한 강재
탄소강	Carbon Steel	철과 탄소를 주성분으로 하는 강재
합금강	Alloy Steel	철, 탄소 외에 다른 합금원소를 첨가한 강재
스테인리스강	Stainless Steel	크롬 10.5% 이상 함유한 내식성 강재

7.2 재질 등급 용어

등급	규격	설명
WCB	ASTM A216	탄소강 주강, 일반용도 (Water, Carbon steel, Body)
WCC	ASTM A216	탄소강 주강, 고온용도 (Water, Carbon steel, C grade)
WC6	ASTM A217	1.25Cr-0.5Mo 합금강 주강
WC9	ASTM A217	2.25Cr-1Mo 합금강 주강
304	ASTM A351 CF8	18-8 오스테나이트계 스테인리스강
316	ASTM A351 CF8M	18-8-3 오스테나이트계 스테인리스강 (몰리브덴 첨가)

7.3 기계적 특성 용어

한글 용어	영문 용어	정의
인장강도	Tensile Strength	재료가 파단될 때까지 견딜 수 있는 최대 응력
항복강도	Yield Strength	재료가 영구변형을 시작하는 응력
연신율	Elongation	인장시험에서 시편이 늘어나는 비율
브리넬경도	Brinell Hardness	경강구를 이용한 경도 측정값 (HB)
샤르피충격값	Charpy Impact Value	V노치 시편의 충격 흡수 에너지

7.4 부식 관련 용어

한글 용어	영문 용어	정의
내식성	Corrosion Resistance	부식에 저항하는 성질
공식	Pitting Corrosion	국부적으로 발생하는 구멍 형태의 부식
갈바닉부식	Galvanic Corrosion	서로 다른 금속 접촉 시 발생하는 부식
입계부식	Intergranular Corrosion	결정립계를 따라 발생하는 부식
응력부식균열	Stress Corrosion Cracking	응력과 부식환경이 복합된 균열
부동태피막	Passive Film	부식을 방지하는 얇은 산화막

7.5 제조 공정 용어

한글 용어	영문 용어	정의
주조	Casting	용융금속을 주형에 부어 성형하는 공정
단조	Forging	금속을 가열하여 압력으로 성형하는 공정
압연	Rolling	롤러로 금속을 압축하여 성형하는 공정
열처리	Heat Treatment	가열과 냉각을 통해 재질을 개선하는 공정
주조결함	Casting Defect	주조 과정에서 발생하는 기공, 개재물 등

출처

김영철, & 박성호. (2023). 밸브 재질 선정 가이드라인. 한국밸브공업협회지, 15(2), 45-62.

이상무, 최진우, & 정민수. (2022). 산업용 밸브의 재질별 특성 비교 연구. 대한기계학회논문집, 46(8), 789-801.

한국표준협회. (2023). KS B 2351: 밸브의 재질 및 설계 기준. 서울: 한국표준협회.

정수처리시설관리공단. (2022). 상하수도용 밸브 선정 및 운영 매뉴얼 (3판). 서울: 정수처리시설관리공단.

ASTM International. (2023). ASTM A216: Standard Specification for Steel Castings, Carbon, Suitable for Fusion Welding. West Conshohocken, PA: ASTM International.

FAQ

Q1: Cast Steel과 Carbon Steel의 차이점은 무엇인가요?

A: Cast Steel은 제조방법(주조)에 따른 분류이고, Carbon Steel은 성분(탄소강)에 따른 분류입니다. 따라서 Cast Steel 중에는 탄소강 주강(WCB)과 합금강 주강(WC6, WC9 등)이 모두 포함됩니다.

Q2: 해수 환경에서는 어떤 재질을 선택해야 하나요?

A: 해수 환경에서는 염화물 저항성이 우수한 316 이상의 Stainless Steel 사용을 권장합니다. 더 극한 환경에서는 Duplex Stainless Steel이나 Super Austenitic 스테인리스강도 고려할 수 있습니다.

Q3: WCB와 WCC의 차이점은 무엇인가요?

A: 두 재질 모두 탄소강 주강이지만, WCC는 WCB 대비 탄소 함량이 높아 고온에서의 강도가 우수합니다. WCB는 일반용도, WCC는 고온용도로 사용됩니다.

Q4: 밸브 재질과 배관 재질이 달라도 괜찮나요?

A: 갈바닉 부식을 방지하기 위해 가급적 동일하거나 호환성이 좋은 재질 조합을 사용하시기 바랍니다. 불가피한 경우 절연 조치나 카소딕 보호 시스템 적용이 필요합니다.

Q5: 재질별 수명은 얼마나 차이가 나나요?

A: 운전 환경에 따라 다르지만, 일반적으로 Ductile Iron 15-20년, Cast Steel 20-25년, Stainless Steel 25-30년 이상의 수명을 기대할 수 있습니다. 적절한 유지보수 시 더 긴 수명도 가능합니다.

※ 본 블로그의 모든 내용은 신뢰할 수 있는 출처에 기반하고 있으나, 실제 적용 시에는 반드시 전문가와 상의하시기 바랍니다.

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