설비 분야에 처음 입문한 신입 기술자라면 현장에서 자주 발생하는 문제에 대한 이해를 하는 것이 우선입니다. 설비에서의 다양한 문제는 대부분 유체의 성질에 의한 문제로서 설비에서 자주 발생하는 3가지 현상이 있습니다.대표적인 설비 이상현상은 공동현상(Cavitation), 서징현상(Surging), 워터해머링(Water Hammer)입니다. 이번 글에서는 해당 3가지 문제의 정의와 원인에 대해 알아보고 이를 방지하기 위한 효과적인 방법 정리해보겠습니다. 해당 내용을 이해하면 설비의 유지관리에도 도움이 될 뿐만 아니라 설계 시에도 해당 문제를 사전에 제거할 수 있는 능력을 키울 것 입니다.
공동현상(Cavitation)의 원리와 발생 조건
공동현상은 주로 펌프나 터빈 같은 유체기계에서 발생하는 물리적 현상입니다. 이 현상은 액체의 압력이 증기압 이하로 떨어지는 순간 액체 내부에서 기포가 발생하고 이 기포가 다시 높은 압력에 의하여 붕괴됨에 따라 충격파 흔히 말하는 공동현상을 발생시키는 현상입니다. 이러한 현상은 설비 자체에도 부정적 영향을 끼치는데 이러한 충격은 금속 표면을 반복적으로 강타하여 부식을 유발합니다. 이러한 부식은 장비의 수명을 급격하게 단축시키는 주요한 원인이 됩니다.
유체역학에 근거하여 공동현상이 자주 발생하는 조건은 다양합니다. 첫번째로 펌프 흡입부의 압력이 낮아지는 현상 또는 유속이 급격하게 증가하는 현상일 때입니다. 두번째로는 펌프의 흡입수두가 크거나 마찰손실이 클 때입니다. 세번째로는 펌프의 설치위치가 높을 때도 자주 발생합니다. 이 외에도 추가적인 원인들이 있기 때문에 해당 문제에 대해 추가적인 내용을 찾아보시는 것을 추천드립니다. 이러한 공동현상은 설비의 수명을 급격하게 낮추는 요인이므로 해당 문제를 관찰 시 즉각적인 대처를 통해 문제를 해결하시길 바랍니다.
서징현상(Surging)의 특징과 설비 영향
서징현상은 맥동 현상이라고도 한당. 펌프, 송풍기에서 송출압력과 유량이 주기적으로 변동이 일어나는 현상을 서징 현상이라고 합니다. 보통 발생원인은 아래 3가지 조건이 모두 충족되었을때 일어납니다. 주된 원인 첫번째는 펌프나 송풍기의 운전이 성능곡선의 산고상승부에서 운전되고 둘째 배관 중에 수조나 공기조가 있고 셋째 유량조절밸브가 수조나 공기조 뒤쪽에 있을때 입니다. 이러한 현상은 시스템 내 유속과 압력이 반복적으로 변화하며 불안정한 상태를 유발합니다. 이러한 현상은 펌프나 송풍기의 수명을 크게 단축 시키는 원인이 되기 때문에 서징 현상을 방지하는 것이 중요합니다. 방지법 으로는 성능곡선이 오른쪽 하향구배만을 띄는 펌프를 사용하거나 유량조절 밸브의 위치를 펌프 토출측 직후에 설치하는 방법이 있습니다. 또한 바이패스관을 사용하여 성능곡선을 조절하거나 수조 또는 공기조를 제거하는 방법도 서징현상의 방지법이 될 수 있습니다.
워터해머링(Water Hammer)의 발생 메커니즘과 예방책
워터해머링 현상은 배관 내 유체의 흐름이 갑자기 정지하거나 방향이 바뀔 때 발생하는데 이는 주로 밸브 등을 갑자기 닫으면 발생하는 현상입니다. 이 현상은 관로속을 흐르는 유체의 운동에너지가 압력에너지로 전환되고 이때 생성된 고압이 상류측을 갔다 다시 하류측으로 돌아오는 현상이 반복되는 현상입니다. 이 충격은 때로는 수십에서 수백 배의 압력 상승을 유발하기 때문에 밸브, 배관, 펌프 등에 심각한 물리적 손상을 주거나 배관의 약한 용접부위, 곡관 부속 등에 파손을 초래할 수 있습니다.이 현상은 유속이 빠르거나 밸브를 닫는 시간이 짧을 수록 심해집니다. 이러한 현상은 급격한 밸브 폐쇄를 하지 않거나 회전체의 관성모멘트를 크게 하고 펌프의 유량과 양정의 급격한 변화를 주지 않는 등의 방지 대책이 있습니다.
이러한 현상들은 대부분 유체의 운동 성질을 충분히 반영하지 못한 설계로 인해 발생하며 현재는 다양한 시뮬레이션 프로그램 혹은 수격방지기 등의 부속 등이 생산되니 해당 문제에 대해 충분한 검토 후 방지대책을 고려하여 반영하시길 바랍니다.