펌프의 이상현상 (feat. 공동현상, 맥동현상, 수격현상)

오늘은 펌프의 이상현상에 대해 알아보도록 하자.

펌프의 이상현상은 왜 알아야 할까?

장치산업에서 사용하는 펌프는 프로세스 유체를 다루는 경우가 많아 자칫 기계의 상태관리를 잘못할 경우 중대산업사고가 유발될 수 있다. 따라서, PSM 사업장의 안전관리자는 펌프의 이상현상에 대해 잘 알고 있어야 한다. 비단, PSM 사업장이 아니더라도 사업장 내에 펌프를 보유하고 있다면 본 포스팅 내용을 잘 숙지하여 이상현상이 발생할 경우 참고하는 것이 좋겠다.

 

1.     펌프

펌프는 유체를 원하는 위치로 이송하는 기계장치이다. 일반적으로 펌프는 액체류를 다루지만 기체를 다루기도 한다.

펌프는 식품산업에서 석유화학산업까지 정말 다양한 분야에서 다양한 형태로 존재한다. 따라서 모든 종류의 펌프를 세세하게 이해하기란 어렵고, 각 사업장에서 본인이 담당하고 있는 펌프에 대해 자세히 아는 것부터 시작해야 한다.

 

2.     펌프의 역사

1)    세계최초의 펌프는 기원전 2000년 이집트에서 시작되었다. 긴 장대 끝에 로프를 달아 두레박으로 물을 퍼올리던 것이다. 현재의 펌프와는 형태가 다르지만 유체를 원하는 위치로 이송하기 위해 사용되었으므로 세계최초의 펌프로 볼 수 있는 것이다.

< 인류 최초의 펌프인 두레박 >

 

2)    기원전 600~700년 경 로마에서는 물레방아를 만들어 사용했다. 버킷을 단 나무재질의 휠을 만들어 수직으로 물을 끌어올렸다.

< 로마의 물레방아 >

 

3)    그 유명한 아르키메데스가 만든 것이 스크류펌프이다. 아래 그림처럼 스크류를 비스듬하게 수자원에 연결하여 스크류를 회전시키면 원하는 위치까지 끌어올릴 수 있다. 기원전 230년 경에 이런 설비를 구상한 점을 보면 당시 그리스가 얼마나 높은 수준의 과학기술을 보유하고 있었는지 알 수 있다.

< 아르키메데스의 스크류펌프 >

 

2.     펌프의 종류

< 펌프의 분류 >

 

펌프를 구분하는 기준은 상당히 다양하다. 터보형, 용적형, 특수형으로 구분하기도 하고, 그 세가지 구분도 이론을 정리한 사람에 따라 다르다. 그러나 일반적으로는 위 그림과 같이 크게 2가지로 구분할 수 있으며, 이렇게 이해하고 있다고 해서 잘못된 게 아님을 미리 언급한다.

 펌프의 구분이 복잡한 만큼 알아야 할 것도 많다. 하지만 사업장에서는 통상 원심펌프(Centrifugal pump)와 왕복동펌프 (Reciprocating Pump)가 주로 사용되므로 이정도의 특성만 알아두면 될 것이다.

 

1)    원심펌프 (Centrifugal Pump)

< 원심펌프 (Centrifugal pump) >

 

원심펌프는 원심력을 이용한 펌프이다. 임펠러의 회전력을 이용하여 유체를 밖으로 밀어내면서 가속시킨다. 유체는 임펠러 아이 (impeller eye)로 들어와 임펠러의 반경방향으로 나가는데 임펠러의 회전에 의해 아이 부분에 저압이 형성된다. 이 저압으로 인해 유체가 끊임없이 들어오게 되고 임펠러의 회전을 통해 토출 된다.단, 흡입측에 공기가 차 있는 경우 유체를 밀어낼 수 없어 토출 되지 않는 air binding 현상이 발생하므로 반드시 자흡식 (self priming) 펌프를 사용하거나 시동 전 유체를 채우는 조치가 필요하다.

현재 모든 산업현장을 통틀어 사용되는 펌프의 80% 이상이 원심펌프이다.

장점	단점
1.     널리 사용됨 2.     큰 유량을 만들어냄 3.     수두가 일정함	1.     Air binding 현상 발생 가능 2.     NPSH가 중요함 3.     왕복동에 비해 견고함이 떨어짐

 

 

2)    왕복동 펌프 (Reciprocating Pump)

왕복동 펌프는 실린더 내 피스톤이나 플런저가 왕복운동을 통해 일정량을 반드시 토출 시키는 펌프이다. 주사기처럼 정해진 양이 들어왔다 나가게 되므로 토출량을 정밀하게 조정해야 하는 경우 주로 사용된다. 다만, 원심펌프에 비해 유량이 적고 소형이고 이물질 영향이 크다는 특징이 있으며, 일정량을 반드시 토출시켜야 하므로 토출 밸브가 잠겨있을 경우 배관시스템 또는 펌프가 파괴될 수 있으므로 주의해야 한다.

장점	단점
1.     일정한 토출량 2.     매우 높은 토출압력 형성 가능 3.     견고함	1.     진동과 소음 유발 2.     이물질에 민감함 3.     용도에 제한적임

 

4.     수력적 원인에 의한 이상현상

펌프에서 발생하는 이상현상에 대해 알아보자. 펌프는 유체에 압력을 가하여 이송하기 위한 장치이므로 압력이 원인으로 작용하는 이상현상이 많다. 운동에너지와 압력에너지에 의해 발생한 이상현상을 수력적 원인으로 분류할 수 있으며 크게 3가지로 분류한다.

 

1)    캐비테이션 (공동현상, Cavitation)

캐비테이션은 프로펠러에서 주로 발생하는 일반적인 이상현상이다. 유체가 넓은 유로에서 좁은 유로로 흐르거나 엘보 등에 의해 급격한 방향 전환이 있는 경우 압력이 떨어지면서 공동(Cavity 또는 bubble)가 발생하게 된다. 이를 상의 변화 개념으로 접근해 본다면 아래 그림과 같다.

< 물의 상평형도 >

 

위 그래프는 물의 상평형을 압력과 온도로 나타낸 것이다. 일반적으로 물은 섭씨 0도에서 얼어서 고체가 되고 섭씨 100도에서 기화된다. 그러나 액체상태의 물에 온도변화없이도 기화될 수 있는데 위 그래프의 빨간색 화살표대로 압력이 낮아지는 경우이다.

즉, 원심펌프에서는 임펠러 아이 (impeller eye) 부분에서 압력이 낮아지고, 왕복동펌프에서는 피스톤이나 플런저가 후진하여 액체를 흡입하는 과정에서 압력이 낮아지게 되는데, 이를 포화증기압이 낮아진다고 표현한다. 이 때 액체가 기체로 변하게 되어 캐비테이션 현상이 발생하는 것이다.

그렇다면 기체가 왜 캐비테이션 현상을 만드는 것일까?

< 공동현상 발생 과정 >

 

펌프의 임펠러 아이 부분에 저압부가 형성되어 기포가 발생하고 이 기포는 저압의 영향으로 일시적으로 팽창한다. 그러나 곧이어 강한 압력을 받아 찌그러들면서 터지게 되는데 이때 이 공간으로 액체가 쏟아져 들어오면서 강한 충격을 주게 된다.

< 임펠러의 공동현상 발생 사진 >

 

그 결과로 위 그림과 같이 임펠러나 펌프케이싱에 손상을 주게 된다. 수많은 기포가 터지면서 충격이 가해지고 이것이 장기간 누적되어 침식작용을 일으키는 것이다.

비단, 임펠러에만 손상을 주는 것이 아니라 전체적인 진동과 소음을 유발하고 유체의 흐름을 방해하므로 에너지효율 측면에서도 악영향을 끼치게 된다.

원인	해결방안
-     NPSH가 낮을 때 -     액체가 고온일 경우 (기화 용이) -     Suction line의 배관의 유로변화가 심할 때 (압력강하 발생) -     임펠러의 회전속도가 지나치게 높을 때	-     NPHSa를 NPSHr보다 높게 만듦 (NPSHa > NPSHr) -     액체의 이송온도를 낮추거나 펌프의 발열현상 해결 -     Suction line을 직관으로 구성(요구사항에 따를 것)

 

☞ 여기서 잠깐!

NPSH란? Net Positive Suction Head의 약자로 액체가 흡입라인을 통해 임펠러로 흐를 수 있게 하는 수두이다. (수두는 Head로 펌프가 유체를 끌어올릴 수 있는 높이이며 펌프 성능을 지칭할 때 사용한다. 수두는 압력과는 달리 유체의 밀도에 영향을 받지 않아 유체의 종류에 관계없이 항상 일정한 값을 갖는다.)

원심펌프에서는 흡입압력이 매우 중요한데, 일정 수준 이상으로 들어와야 펌프가 문제없이 작동할 수 있다. 그런데 흡입압력이 낮으면 이송유체를 제대로 처리할 수가 없게 되므로 일정 수준이 필요하고 그 수두가 NPSH이다.

NPSHr는 NPSH required의 약어로 필요흡입양정이라 한다. 펌프의 종류, 용량 등의 요소에 따라서 NPSHre가 달라진다. Cavitation이 발생하지 않는 최소한의 필요한 흡입양정으로 보면 된다.

NPSHa는 NPSH available의 약어로 유효흡입양정이라고 불린다. 펌프의 설치 위치와 운전되는 시스템에 따라서 결정되는 값으로 이 NPSHa(실제 수두)가 NPSHr(기준값)보다 커야 캐비테이션과 같은 문제없이 펌프가 정상작동할 수 있다.

☞ NPSHa 계산

< NPSH의 개념 >

 

NPSHa = Pa ± Hs – Hf – Pv

Pa = 수면에 작용하는 절대압력이고 대기압이 작용하는 경우는 대기압이다.

Hs = 수면에서 임펠러 중심까지의 수직거리로 펌프가 수면보다 낮을 경우 +, 펌프가 수면보다 높을 경우 –로 계산한다.

Hf = 흡입구의 손실수도로 이 것을 최소화하는 것이 중요하다.

Pv = 사용온도에서 액체의 포화증기압을 뜻한다. (즉 증발하려는 압력이므로 액체의 흐름과 반대방향으로 작용하므로 –를 한다.)

< Cavitation 방지구역과 발생구역 >

 

2)    맥동현상 (Surging)

한의원에 가면 맥을 짚는다고 하고, 맥이 약하다는 소리를 한다. 한의학에서 맥은 혈류량과 심장의 박동과 관련이 있다. 따라서 맥동현상은 맥이 움직여서 흔들리는 현상이고 펌프에서의 맥은 펌프 자체와 유량과 관련이 있다. 즉, 맥동현상이 발생하면 압력과 유량이 주기적 변동이 일어나게 된다.

그렇다면 이러한 맥동현상은 왜 일어나는 것일까?

< 산형 H-Q 곡선 >

 

맥동현상은 펌프의 H-Q 성능곡선에서 우상향부분이 존재할 때 발생한다. 위 그림처럼 Hc까지 우상향을 그리다가 Hc부터 우하향곡선을 나타낼 경우를 가정해 보자.

시스템에서 요구하는 유량이 QC에서 Q2로 줄일 경우 헤드는 Hc에서 H2가 된다. 일반적인 펌프는 유량과 양정은 반비례해야 한다. 즉 유량이 줄면 양정이 상승해야 하는데, 양정이 H2로 줄어들면서 유체를 제대로 토출 하지 못하고 역류하게 된다. 이 역류는 곧이어 들어오는 유입유체에 의해 멈추게 되고 운전점은 H1, Q1으로 이동하게 된다. 그러나 시스템에서 원하는 유량은 Q2이므로 다시 Hc를 거쳐 H2로 이동하게 된다.

위의 과정을 요약하자면 동일한 양정을 2개 이상 갖는 펌프는 적절한 운전점을 찾기 위해 상호 이동하는 현상이 발생하게 되는데 이를 맥동(서징) 현상이라 하는 것이다. 그 과정에서 유량과 압력이 급격히 흔들리고, 그로 인해 수격현상(Water hammer)까지 발생한다.

위 설명대로 H1~H2, Q1~Q2 사이를 오가면서 규칙적으로 변동을 반복하는데 운전상태를 바로잡기 전까지는 맥동현상이 지속적으로 발생한다.

원인	해결방안
-      H-Q곡선에서 산형곡선(우상향) 존재 -      저유량 시 주로 발생 -      펌프와 유량조절밸브 사이에 탱크가 있을 때	-      펌프 선정 시 H-Q곡선이 우하향을 그리는 제품 선정 -      고유량으로 토출하여 by-pass -      펌프 후단에 유량조절밸브를 바로 설치

 

3)    수격현상 (Water hammer)

< 밸브와 수격현상 >

 

이송유체는 운동에너지를 갖고 있다. 그러므로 유체의 이송을 급격히 변화시키게 되면 이 운동에너지에 의해 배관시스템이 충격을 받게 된다. 이런 현상을 수격현상이라 한다.

원인	해결방안
-      밸브의 급격한 개폐 -      유로의 급격한 감소 -      펌프의 갑작스런 정지 -      펌프의 기동 시 빈 공간 존재 시 -      맥동현상 -      배관 서포트 누락	-      밸브를 천천히 개폐 -      Elbow, reducer 사용시 주의 -      펌프에 fly wheel 설치를 통해 서서히 멈추도록 조정 -      Surge tank, air chamber 설치 -      배관 서포트 설치

 

수격현상은 펌프와 배관시스템에 큰 충격을 주기 때문에 반드시 예방이 중요하다. 위 원인 외에도 다양한 이유가 존재할 수 있으므로 펌프 진동이 유발되는 경우는 여러 상황과 조건을 확인하여야 한다.