워터해머 [수격현상] - 펌프 발생현상

워터해머 [수격현상] - 펌프 발생현상

송 수관에서 어떤 원인에 의해 관내 유속이 급격하게 변화하면 관내압력이 과도기적으로 크게 변동하는데, 펌프 송수관계에서는 다음의 경우에 발생한다. 펌프를 기동시킬 때, 펌프를 정지시킬 때, 펌프의 회전수를 제어할 때 그리고 밸브를 개폐할 때에 발생한다. 그러나 일반적으로 수격이 문제가 되는 것은 정전 등에 의한 펌프 구동력 차단에 따라 펌프가 급정지하는 경우가 대부분이다.
한 편, 수격에 의해 생기는 압력 상승과 압력 가하의 크기는 관내 유속의 시간적 변화에 의해서 발생하는데 펌프의 특성과 회전 속도 변화와 관계가 있으며, 또한 밸브의 특성과 개폐시간 및 개폐 현상과도 밀접한 관계가 있다. 다음으로 관로 길이와 상태 및 펌프 원동기의 종류에 따라서도 관련이 있다. 펌프 급정지 후의 현상은 대략 다음과 같다.
펌프에 역지변이 없는 경우 다음 세 단계로 나누어진다.

① 제1단계(펌프 영역 : 정전, 정유 상태)

운 전중의 펌프가 그 구동력을 잃어도 회전체의 관성에 의해 회전이 지속되지만, 회전을 지속시키는 물을 이송하는 데 필요한 에너지에 비해 작을 뿐만 아니라 보유하고 있는 에너지는 양수를 위한 에너지로소 시간이 경과함에 따라 소비되어, 회전수는 급격하게 저하하여 양수량도 감소한다. 한편, 송수관내에 물은 관성력에 의해 송수 상태를 지속하도록 하기 때문에 펌프 송출구 부근의 압력은 급격하게 강하한다. 펌프의 회전수가 더욱 감소하게 되면, 펌프는 정회전함에도 불구하고 송출측 압력에 대해 송수불능으로 되어 물의 흐름은 일단 정지한다. 이 때 생기는 관내의 압력 강하는 주로 펌프와 원동기의 회전관성 및 유속, 관연장 등의 영향을 받는데, 심한 경우에는 양액이 포화증기압 이하로 되어 송출관 내에서 국부적으로 기화증발되어, 소위 수주분리라 부르는 현상을 수반하게 된다.

② 제2단계(펌프 제동영역 : 정전, 역류 상태)

일 단 정지한 물은 다음 순간부터 역류를 시작하는데, 정회전하고 있는 회전차가 역류하는 물의 저항으로 되기 때문에, 역류량이 증가함에 따라 압력이 상승하기 시작한다. 한편, 펌프의 회전수는 역류하는 물의 제동 작용에 의해 점점 감소하여 결국에는 0으로 되어 펌프는 정지한다.

③ 제3단계(수차영역 : 역전, 역류 상태)

다 음 순간부터 펌프는 역류하는 물에 의해 수차로 되어 역전을 시작하고 점점 가속되어 결국에는 무부하의 수차로서 일정한 무구속속도의 상태로 되어 안정하게 된다. 무부하의 수차로서 안정된 상태로 도달하는 도중에 역류량, 회전수는 일시적으로 증가하는데, 최종 상태에서는 역류량이 정규유량의 60~80%, 역전순은 정규 회전수의 110~130%로 된다.

1) 펌프에 역지변이 있는 경우

① 역 지변이 있으므로 상기의 제2단계에서 물이 역류를 시작하면 역지변이 닫혀 역류는 일어나지 않는다. 그러나 제1단계에서 발생한 강하파가 송출관 끝의 송출조에 의해 반사되어 상승파로 되어 압력은 상승한다.(급폐식 역지변에 상당). 따라서, 역지변의 폐쇄가 물의 흐름이 정지하는 순간(펌프유량 0)에 지체없이 이상적으로 이루어지면 '압력의 상승은 없을 것이다.'라고 하는 것은 옳지 않다.

② 만약 역지변의 패쇄가 늦어져 역류가 급폐쇄하면 역류량을 급히 저지하기 때문에 충돌적인 압력 상승이 추가된다(보통의 역지변에 상당).

③ 역지변 폐쇄 후는 일단 상승된 압력이 일정 주기로 상승, 강하를 반복하면서 점점 감소한다.

2) 펌프 송출변(역지변 포함)을 제어한 경우

펌 프가 급정지한 때의 제1단계의 압력 강하량은, 회전체의 관성을 일정하다고 하면 주로 펌프의 특성과 송수 관로의 상태에 따라 결정되지만 제2단계 이후의 현상은 송출변을 적절하게 제어함으로써 변화시킬 수 있다. 즉, 제2단계 이후의 역류량 및 압력상승을 억제하도록 펌프계의 적합한 밸브 특성을 가지는 밸브형식(예를들면 각종의 완폐역지변, 기름, 물, 공기압 작동 밸브 등) 및 밸브 폐쇄 시간을 결정하는 것은 수충격 경감의 견지에서는 물로 펌프 설비 계획에 있어서도 중요하다.

3) 수격에 의한 피해

수격 작용을 방지하기 위해서는 펌프 급정지 후의 관내 유속의 변화가 늦어지도록하면 좋지만, 그 주된 목적이 압력의 이상저하에 있는지 또는 이상상승에 있는지에 부설 계획과 더불어 수충격의 충분한 검토와 적절한 대책을 세울 필요가 있다.

① 압력 상승에 의해 펌프, 밸브, 플랜지, 관로 등 여러 기기가 파손된다.

② 압력 강하에 의해 관로가 압괴하거나 수주 분리가 생겨 재결합 시에 발생하는 격심한 충격파에 의해 관로가 파손된다.

③ 진동, 소음의 원인이 된다.
주기적인 압력 변동 때문에 자동제어계 등 압력 컨트롤을 하는 기기들이 난조를 일으킨다.

4) 수격 작용 방지 장치

수 격작용을 방지하기 위해서는 펌프 급정지 후의 관내유속의 변화가 늦어지도록하면 좋지만, 그 주된 목적이 압력의 이상 저하에 있는지 또는 이상상승에 있는지에 따라 경감장치도 다르며 또한 여러 가지 방법을 조합할 필요성도 있을 수 있다. 그러나 일반적으로 펌프 급정지 후 펌프 송출 라인에서의 부압, 즉 압력 강하를 방지하면 이상 압력 상승도 방지할 수 있으므로 부압 발생의 방지가 수충격 작용에 의한 피해를 줄일 수 있는 최선의 방책이라 할 수 있다. 따라서 근래에는 일반적인 펌프계의 경우에 부압방지 장치중 가장 효과적이라 할 수 있는 공기조(Air Chamber), One-Way Surge Tank 또는 이들을 조합하여 사용하는 경우가 많다.
부록 2는 대표적인 부압(수주 분리)의 방지 및 상승압의 방지법에 대하여 나타낸다.