2-3. 펌프에서 발생되는 현상에 대하여 각각 설명하시오. 1) 캐비테이션(Cavitation) 2) 수격(Water Hammering) 3) 서징(Surging)

펌프에서 발생되는 현상

펌프 시스템 운전 중에는 여러 가지 현상이 발생할 수 있으며, 이러한 현상들은 펌프의 성능 저하, 수명 단축, 시스템 손상 등을 야기할 수 있습니다. 주요 펌프 발생 현상인 캐비테이션, 수격, 서징에 대해 각각 자세히 설명하겠습니다.

 

1) 캐비테이션 (Cavitation)

• 정의: 캐비테이션은 펌프 흡입측 또는 임펠러 내부의 압력이 액체의 증기압 이하로 낮아질 때 액체가 증발하여 증기 기포가 생성되고, 이 기포들이 고압 영역으로 이동하면서 갑자기 붕괴하는 현상입니다. 기포 붕괴 시 발생하는 충격파는 금속 표면에 물리적인 손상을 일으키고, 소음과 진동을 동반합니다. 마치 펌프 내부에서 '끓는' 현상과 유사하게 나타날 수 있습니다.
• 발생 원인:
  • 흡입 양정 부족 (NPSHa 부족): 가장 흔한 원인입니다. 펌프 흡입측의 실제 유효 흡입 양정 (NPSHa, Net Positive Suction Head Available) 이 펌프에서 요구하는 최소 유효 흡입 양정 (NPSHr, Net Positive Suction Head Required) 보다 부족할 경우, 펌프 흡입구 압력이 충분히 높지 않아 액체가 증발하기 쉬운 조건이 됩니다. NPSHa 부족은 다음과 같은 경우에 발생할 수 있습니다.
    • 높은 액체 온도: 액체 온도가 상승하면 증기압이 증가하여 캐비테이션 발생 가능성이 높아집니다.
    • 높은 흡입면 액면과 펌프 높이 차이 (흡입 수두 부족): 흡입 탱크 액면과 펌프 흡입구 높이 차이가 너무 크면 흡입 압력이 낮아집니다.
    • 과도한 흡입 손실: 흡입 배관이 너무 길거나 좁고, 배관 부속품 (엘보, 밸브 등) 이 많으면 흡입 배관에서의 마찰 손실이 커져 흡입 압력이 낮아집니다.
    • 펌프 과용량 운전: 펌프를 설계 용량보다 과도하게 운전하면 흡입 속도가 빨라져 압력 강하가 커집니다.
  • 임펠러 설계 불량 또는 손상: 임펠러의 날개 입구 각도가 부적절하거나, 날개가 부식 또는 마모되어 표면이 거칠어지면 유속 불균일 및 압력 강하를 유발하여 캐비테이션 발생을 촉진할 수 있습니다.
  • 막힌 흡입 스트레이너 또는 필터: 흡입 스트레이너나 필터가 막히면 흡입 저항이 증가하여 흡입 압력이 낮아집니다.
  • 기타: 펌프 내부 유로의 형상 불량, 액체 내 용존 공기 과다 등도 캐비테이션 발생에 영향을 줄 수 있습니다.
• 영향 (결과):
  • 소음 및 진동 발생: 기포 붕괴 시 발생하는 충격파로 인해 펌프에서 '자갈 끓는 소리', '딱딱거리는 소리' 등과 같은 소음이 발생하며, 진동이 심해집니다.
  • 펌프 효율 저하: 캐비테이션 발생은 펌프 내부의 유동을 불안정하게 만들고, 에너지 손실을 증가시켜 펌프 효율을 저하시킵니다.
  • 임펠러 및 케이싱 손상 (침식, 부식): 기포 붕괴 시 발생하는 강력한 충격파는 임펠러 날개 표면이나 케이싱 내벽을 반복적으로 타격하여 금속 표면에 pitting (작은 구멍) 형태의 침식 손상을 일으킵니다. 심한 경우 재질 손실, 균열, 파손으로 이어질 수 있습니다.
  • 펌프 수명 단축: 캐비테이션으로 인한 펌프 부품 손상은 펌프의 수명을 단축시키고, 잦은 유지보수 및 교체를 필요로 합니다.
  • 유량 및 양정 불안정: 캐비테이션은 펌프 성능 곡선을 불안정하게 만들어 유량 및 양정이 예측하기 어렵게 변동될 수 있습니다.
• 캐비테이션 방지 대책:
  • NPSHa 확보: 펌프 설치 시 NPSHa 가 NPSHr 보다 충분히 크게 되도록 설계해야 합니다.
    • 흡입 수두 증가 (흡입 탱크 액면 높이 증가, 펌프 설치 위치 낮춤)
    • 액체 온도 낮춤 (냉각)
    • 흡입 배관 손실 감소 (배관 직경 확대, 배관 길이 단축, 부속품 최소화, 막힘 방지)
    • 펌프 회전수 감소 (펌프 속도 제어)
    • NPSHr 이 낮은 펌프 선정 (저 NPSH 펌프)
  • 펌프 운전 조건 최적화: 펌프를 설계 용량 범위 내에서 효율적으로 운전하고, 과용량 운전을 피합니다.
  • 임펠러 및 펌프 내부 유로 개선: 캐비테이션 저항성이 높은 임펠러 재질 및 형상 설계, 펌프 내부 유로의 유선형 설계 등을 적용합니다.
  • 흡입 스트레이너 및 필터 정기 점검 및 청소: 흡입측 막힘을 방지하여 흡입 압력 저하를 예방합니다.
  • 탈기 장치 설치: 액체 내 용존 공기를 제거하여 캐비테이션 발생 가능성을 줄입니다.

2) 수격 (Water Hammering)

• 정의: 수격 (Water Hammering) 또는 워터 햄머는 배관 내 유체의 유속이 급격하게 변할 때 (주로 갑작스러운 정지 또는 방향 전환 시) 발생하는 압력파 (Pressure Wave) 현상입니다. 유체의 관성에 의해 발생하는 압력 서지 (Pressure Surge) 이며, 배관 시스템에 큰 충격을 줄 수 있습니다. 마치 망치로 배관을 두드리는 소리와 유사하여 '수격' 또는 '워터 햄머' 라고 불립니다.
• 발생 원인:
  • 급격한 밸브 폐쇄: 배관 내 유체의 흐름을 갑자기 차단하면 유체의 운동 에너지가 압력 에너지로 변환되면서 높은 압력파가 발생합니다. 밸브 폐쇄 속도가 빠를수록, 배관 길이가 길수록, 유속이 빠를수록 수격 현상은 더욱 심해집니다.
  • 펌프의 급정지 (전원 차단, 정전 등): 펌프가 갑자기 정지하면 펌프 토출측에서 역류가 발생하려는 힘과 함께 압력파가 발생합니다. 특히 관성이 큰 유체를 이송하는 시스템에서 펌프 급정지 시 수격 현상이 크게 발생할 수 있습니다.
  • 기타: 밸브의 급격한 개방, 배관 내 공기 유입 및 방출, 펌프 기동 시 유속 변화 등도 수격 현상의 원인이 될 수 있습니다.
• 영향 (결과):
  • 소음 및 진동 발생: 압력파가 배관을 타고 전파되면서 '쾅', '탕' 하는 소음과 함께 배관 전체에 진동이 발생합니다.
  • 배관 및 부속품 손상: 수격으로 인한 순간적인 고압은 배관, 밸브, 펌프, 지지대 등 배관 시스템의 기계적 강도를 초과하여 파손, 누설, 변형 등을 유발할 수 있습니다. 특히 노후 배관이나 약한 부속품의 경우 손상 위험이 더욱 큽니다.
  • 펌프 및 밸브 고장: 급격한 압력 변화는 펌프나 밸브의 내부 부품에 무리한 힘을 가하여 고장 및 수명 단축을 초래할 수 있습니다.
  • 유량 제어 및 시스템 불안정: 수격으로 인한 압력 변동은 유량 제어를 어렵게 만들고, 전체 시스템의 안정성을 저해할 수 있습니다.
• 수격 방지 대책:
  • 밸브의 천천히 닫힘 (Slow Closing Valve): 밸브를 급격하게 닫지 않고, 천천히 닫히도록 설계된 밸브 (예: 감압 밸브, 슬로우 클로징 밸브) 를 사용합니다. 밸브 폐쇄 시간을 길게 조정합니다.
  • 서지 탱크 (Surge Tank) 또는 에어 챔버 (Air Chamber) 설치: 배관 시스템 중간에 서지 탱크나 에어 챔버를 설치하여 수격 발생 시 압력파를 흡수하고 완화시키는 역할을 합니다. 서지 탱크는 액체를 일시적으로 저장하여 압력 상승을 억제하고, 에어 챔버는 압축 공기를 이용하여 탄성력을 제공하여 압력 변화를 완화합니다.
  • 안전 밸브 (Relief Valve) 또는 압력 제한 밸브 (Pressure Limiting Valve) 설치: 배관 내 압력이 과도하게 상승할 경우 자동으로 개방되어 압력을 방출하는 안전 밸브나 압력 제한 밸브를 설치하여 시스템을 보호합니다.
  • 체크 밸브 (Check Valve) 또는 역지 밸브 (Non-Return Valve) 설치: 펌프 정지 시 역류를 방지하기 위해 펌프 토출측에 체크 밸브를 설치합니다. 역류 방지 기능이 있는 펌프를 사용하거나, 펌프 정지 시 천천히 닫히는 체크 밸브를 사용하는 것이 효과적입니다.
  • 배관 설계 개선: 배관 경로를 완만하게 하고, 급격한 방향 전환이나 굴곡을 최소화하며, 배관 지지대를 강화하여 배관의 진동 및 충격을 줄입니다.
  • 펌프 운전 방식 개선: 펌프 기동 및 정지 시 유속 변화를 완만하게 제어하는 방식으로 운전합니다. 인버터 제어 등을 활용하여 펌프의 가감속도를 제어할 수 있습니다.
  • 배관 재질 및 두께 강화: 수격 압력에 충분히 견딜 수 있는 강한 재질의 배관을 사용하고, 배관 두께를 증가시켜 내압 성능을 향상시킵니다.

3) 서징 (Surging)

• 정의: 서징 (Surging) 은 주로 원심 펌프 또는 압축기에서 발생하는 불안정한 유동 현상입니다. 펌프의 성능 곡선에서 특정 운전 영역 (주로 체절 운전점, Shut-off Head 근처) 에서 운전될 때, 유량 및 압력이 주기적으로 진동하거나 역류하는 현상입니다. 펌프 내부 또는 시스템 전체의 유동 불안정으로 인해 발생하며, 소음, 진동, 성능 저하, 심하면 펌프 손상까지 초래할 수 있습니다.
• 발생 원인:
  • 체절 운전점 근처 운전 (저유량 운전): 펌프를 유량이 거의 없는 체절 운전점 또는 성능 곡선의 좌측 불안정 영역에서 운전할 경우, 펌프 내부 유동이 불안정해지면서 서징이 발생하기 쉽습니다. 체절 운전점 근처에서는 펌프 토출 압력이 최대가 되고, 유량이 급격히 감소하는 영역입니다.
  • 시스템 배관 특성: 배관 시스템의 길이, 체적, 저항 특성 등이 서징 발생에 영향을 줄 수 있습니다. 긴 배관, 큰 체적의 탱크, 낮은 배관 저항 등을 가진 시스템에서 서징이 발생하기 쉽습니다. 시스템의 고유 진동수와 펌프의 유동 불안정 주파수가 공진될 경우 서징이 증폭될 수 있습니다.
  • 펌프 설계 특성: 펌프의 임펠러 형상, 디퓨저 형상 등 설계 요소가 서징 발생 경향에 영향을 줄 수 있습니다. 특정 형상의 임펠러는 특정 운전 조건에서 유동 박리, 와류 발생 등을 유발하여 서징을 촉진할 수 있습니다.
  • 기타: 액체의 점도 변화, 기포 혼입, 제어 시스템의 불안정성 등도 서징 발생에 영향을 줄 수 있습니다.
• 영향 (결과):
  • 유량 및 압력 맥동 (진동): 펌프 토출 유량 및 압력이 주기적으로 크게 변동하며, 맥동 또는 진동 현상을 보입니다.
  • 소음 및 진동 증가: 펌프에서 주기적인 '웅웅거리는 소리', '맥놀이 소리' 와 같은 소음이 발생하며, 심한 진동이 동반됩니다.
  • 펌프 효율 저하 및 성능 불안정: 서징은 펌프 내부 유동을 불안정하게 만들어 펌프 효율을 저하시키고, 성능 곡선을 불규칙하게 만들 수 있습니다. 유량 및 양정 제어가 어려워집니다.
  • 펌프 부품 손상 및 피로 파괴: 반복적인 압력 및 유량 변동은 펌프 내부 부품에 피로 응력을 가하여 수명을 단축시키고, 심하면 파손을 유발할 수 있습니다. 특히 베어링, 축, 임펠러 등에 손상이 누적될 수 있습니다.
  • 시스템 불안정 및 제어 어려움: 서징은 전체 시스템의 불안정성을 야기하고, 자동 제어 시스템의 작동을 방해할 수 있습니다.
• 서징 방지 대책:
  • 펌프 운전 영역 조정: 펌프를 체절 운전점 근처나 성능 곡선의 불안정 영역에서 운전하지 않고, 서징이 발생하지 않는 안정적인 운전 영역 (통상적으로 정격 운전점 또는 그 이상) 에서 운전합니다. 펌프 운전점을 성능 곡선의 우측으로 이동시킵니다.
  • 바이패스 라인 설치: 펌프 토출측에서 흡입측으로 바이패스 라인을 설치하고, 바이패스 밸브를 사용하여 펌프 최소 유량을 확보합니다. 저유량 운전 시 바이패스 밸브를 열어 유량을 일부 순환시켜 펌프 내부 유량을 증가시키고 서징을 방지합니다.
  • 서지 방지 밸브 (Anti-Surge Valve) 또는 자동 유량 조절 밸브 (Automatic Flow Control Valve) 설치: 시스템 유량 변화에 따라 자동으로 펌프 유량을 조절하여 서징 발생을 억제하는 자동 제어 밸브를 사용합니다.
  • 배관 시스템 개선: 배관 길이 단축, 배관 체적 감소, 배관 저항 증가 등을 통해 시스템 특성을 변경하여 서징 발생 가능성을 줄입니다. 오리피스, 벤츄리관 등을 설치하여 배관 저항을 증가시킬 수 있습니다.
  • 펌프 설계 개선: 서징 저항성이 높은 임펠러 및 디퓨저 형상 설계, 펌프 내부 유로 개선 등을 통해 서징 발생을 억제합니다.
  • 흡입 조건 개선: NPSHa 확보, 흡입 유동 균일화 등 흡입 조건을 개선하여 펌프 내부 유동 안정성을 높입니다.
  • 제어 시스템 개선: 유량, 압력 등을 감지하여 펌프 운전점을 자동적으로 조정하는 안정적인 제어 시스템을 구축합니다. 펌프 회전수 제어 (인버터 제어) 등을 활용하여 유량 변화에 빠르게 대응할 수 있도록 합니다.

결론적으로, 펌프에서 발생하는 캐비테이션, 수격, 서징은 펌프 시스템의 안정적인 운전을 저해하고, 설비 손상을 야기할 수 있는 중요한 현상들입니다. 각 현상의 발생 원인과 영향을 정확히 이해하고, 적절한 방지 대책을 적용하여 펌프 시스템의 신뢰성과 수명을 확보하는 것이 중요합니다.