수충격(Water Hammering)과 맥동현상(Surging)

1. 수충격 현상

1) 수격 작용

• 장거리 수송배관으로 액체 이송시 정전 등 펌프의 운전이 갑자기 멈춘 경우 수송관내 액체는 관성력에 의해 흐름방향 운동성을 가지지만 펌프 송출부의 액체는 흐름이 약해져 멈추려한다.
• 이에 따라 펌프의 와류실에는 압력강하가 발생하고 펌프 송출구로부터 와류실에 역류가 발생하여 급격한 압력 강하와 상승이 반복하여 발생한다.
• 즉, 유체의 운동E가 압력E로 변하여 이 압력변화가 압축파의 전파속도로 전달되는 현상이다.

< 수충격 발생과 저감 그래프 >

 

2) 발생 원인

• 펌프의 기동 및 정지
• 펌프 회전수 제어
• 밸브 개폐 시
• 정전 등에 의한 펌프 구동력 차단

 

3) 발생

가). 제 1단계

• 펌프 동력이 상실되고 수저항에 의해 회전수가 저하된다.
• 펌프가 동력을 상실하면 유체는 관성력에 의한 흐름을 가지므로 펌프 측 송출관 부분에 압력파가 발생하고 정상 압력보다 강하하게 된다.
• 펌프의 회전수가 어느 한도 이하가 되면 유체흐름은 정지한다. 

나). 제 2단계(제동특성범위)

• 역류 상태에 이르고 관로 내 압력은 상승하며, 펌프는 정지하게 된다.
• 유체가 역류를 시작하게 되고, 정회전하고 있는 회전차는 역류에 저항이 되어 제 1단계에서 발생한 반사파와 더불어 강하를 지속한 압력은 상승하게 된다.
• 펌프의 회전수는 물의 제동 작용으로 정지한다.

다). 제 3단계

• 펌프의 역회전수로 역유량과 함께 최대값이 된다.
• 펌프는 역류에 의해 역전을 시작하여 가속되고 무부하 수차로 안정된 상태가 된다.
• 이 상태가 되면 역회전수로 역유량과 함께 최대가 된다.

4) 영향

• 압력 상승에 의한 펌프, 밸브, 배관 등 파손
• 관로 손상 또는 파손
• 진동 및 소음
• 자동제어계 등 압력 조절 기기들의 손상
• 증기 공등으로 수주분리 현상이 발생하여 배관에 좌굴이 생기거나, 수주가 재결합할 때 높은 압력을 유발한다.

5) 방지책

가). 부압수조 분리장치

• 펌프에 플라이휠을 부착하여 관성효과를 이용 회전수와 관내 유속변화 저하
• 펌프 토출측에 공기조 설치
• 관경을 크게하여 유속을 줄이고, 관성력을 저하
• 펌프의 토출측에 Surge Tank(저압수조)를 설치하여 축적된 에너지를 방출하거나 관내 에너지 흡수 

나). 상승압 방지(압력강하방지) 

* 압력강하 : 유체의 흐름에 저항이 발생함에 따라 압력이 감소하는 현상

• 안전벨브 사용 : 상승압력을 잔전밸브에서 직접 배출
• 급폐쇄식 Check Valve 사용 : 역류 발생전 강제적으로 밸브를 닫아 압력 상승 저하
• 송출구의 메인밸브를 정전과 동시에 자동으로 급속히 차단
• 자동 방류 밸브 사용 : Check Valve 사용하지 않고, 양액 역류(회전차와 전동기는 역회전)

 

2. 맥동 현상(Surging)

서징현상은 펌프, 송풍기 등이 저유량 영역에서 운전시 유량과 압력이 주기적으로 변하는 불안정한 상태

 

1) 발생원인(조건)

• 축 추력의 불안정으로 유량이 불안정한 경우, 압력이 변동하는 경우 진동을 동반함.
• 배관내 케비테이션, 공진의 발생

2) 영향

• 흡입·토출관에 진동과 소음이 발생하여 각종 계측기기의 떨림, 장비의 수명을 단축시킨다.
• 기계의 운전효율이 떨어지며, 에너지 손실이 발생한다.

3) 방지책

• 안내깃의 출구각도 변경
• 배수량을 증가하거나 임펠러 회전수 변경
• 저유량 운전시 바이패스 배관을 사용
• 배관계에 불필요한 공기탱크, 잔류공지를 제거