배관 시스템의 Water Hammer 해결 방안

■ 개요

Water Hammer는 유체의 속도가 갑자기 빨라지거나 느려짐에 의해 발생되는 압력 변동을 말한다. 이 압력변동으로 인해 배관이 손상될 수 있는 심각한 경우도 발생할 수 있기 때문에, 배관설계를 검토할 때 잠재적인 Water Hammer의 문제를 고려해야 한다. 즉, 배관 시스템에서 기능장애가 발생하지 않도록 철저한 압력 Surge 분석이 이루어져야 한다.

유량의 증감과 같은 주요한 시스템 설계 및 운전조건의 변경은 잠재적으로 Water Hammer의 문제를 발생시킬 수 있다.

Water Hammer에 의해 발생하는 고장의 횟수와 빈도가 많다는 것은 알고 있으나, 일반적으로 배관 시스템의 설계 및 운전에 있어서 위와 같은 시스템 변경이 문제를 발생시키는 요인이라는 것은 잘 이해되고 있지 않다.

 

 

■ Water Hammer란 무엇인가?

Water Hammer는 갑작스럽게 물의 방향 또는 속도가 바뀔 때 배관 시스템에서 압력이 순간적으로 상승하는 것을 말한다. 밸브를 급격히 차단하여 배관에서 물의 흐름을 갑자기 정지시키면, 압력 에너지가 밸브와 배관 벽에 전달되어 충격파가 시스템 내부에 존재하게 된다. 이 압력파는 이동하다가 장애물을 만나면 되돌아오는 현상이 반복된다. 압력파의 전파속도는 음속과 동일하기 때문에 압력손실에 의해 압력파가 사라지기 전까지 압력파가 전후로 이동하면서 굉음을 발생시킬 것이다.

오래된 건물에 살고 있는 사람의 경우, 수도꼭지를 갑자기 닫을 때 배관을 통하여 메아리 치는 굉음에 익숙할 것이다. 이것이 바로 Water Hammer의 결과이다.

Water Hammer 현상 중에서 압력 Surge는 시스템에서 내부 압력의 변동에 의해 물이 천천히 떨리는 것을 말한다. 이것은 시스템 내부에서 속도가 다소 늦은 압력파가 축적된 것이라고 할 수 있다. Water Hammer와 Surge 모두 순간적인 압력으로써, 이를 한계 이하로 유지하지 못한다면 배관 및 Fitting, 밸브 등이 파손되고, 시스템에서 유체가 누출되며, 시스템의 수명이 단축되는 결과를 초래하게 된다. 배관이나 물은 압축되지 않기 때문에 충격을 흡수할 수 없다.

 

 

■ Water Hammer의 원인 분석

물을 수송하는 시스템의 운전조건은 거의 항상 일정한 상태로 유지되지 않는다. 펌프의 기동과 정지, 물 소비량의 변동 및 저장탱크 수위변동에 따라 압력과 유량은 연속적으로 변한다. 이와 같이 일반적인 경우 외에도, 정전 및 장치의 오작동과 같이 예측하지 못한 사건에 의해 시스템의 운전조건이 급격히 변할 수도 있다. 이러한 변화의 규모에 상관없이 액체의 유량이 변하면 액체의 유속은 빨라지거나 느려진다. 유량이 급격하게 변하게 되면 고압에서와 같이 큰 힘이 발생되어 Water Hammer가 발생하게 된다.

물속에 존재하는 공기 또는 물의 온도변화도 배관 시스템의 압력을 과도하게 상승시킬 수 있는 원인을 제공할 수 있다. 배관에 존재하는 공기가 압축되면 물의 압력에 영향을 미치게 될 것이다. 또한 온도변화도 실제로 물을 팽창 또는 수축하게 하여 압력에 영향을 줄 것이다.

배관에서 수주분리 현상이 일어나면 일시적인 압력강하가 발생된 후 다시 압력이 최대로 올라가는데, 여기서 수주분리 현상이란 과도한 압력 강하로 인해 증기 기포가 형성되는 것을 말한다.

 

Water Hammer의 원인은 다양하지만, 압력에 커다란 변화를 주는 것은 아래와 같이 4가지로 나눌 수 있다.

1. 펌프가 기동할 때, 펌프 토출측 배관에 있던 기포 공간의 빠른 붕괴를 유발하여 고압이 형성된다.

2. 펌프에 공급되는 전원이 차단되면, 유체흐름에 급격한 변화가 발생하여 펌프 흡입측에서는 압력이 급상
   승하고 펌프 토출측에서는 압력이 급강하한다. 펌프 토출측의 압력이 급강하하는 것이 일반적으로 가장
   중요한 문제이다. 펌프 토출측의 압력이 물의 포화증기 압력에 도달하게 되면 수주분리 현상이 발생한다.
3. 밸브의 개방과 폐쇄는 안전한 배관 시스템의 운전에 매우 중요하다. 배관의 말단에 있는 밸브를 차단하
   게 되면 압력파가 형성되어 반대쪽을 향해 역류한다. 압력 Surge가 배관의 끝에 갔다가 되돌아오는데 걸
   리는 시간보다 짧은 시간 즉, 임계주기보다 더 짧은 시간 동안에, 밸브를 급격하게 차단하는 것을 "급격한
   밸브 폐쇄"라 부른다. "급격한 밸브 폐쇄"는 물의 유속을 빠르게 변화시켜 압력 Surge를 일으키게 한다.
   갑작스런 밸브의 개방에 의해 발생되는 압력 Surge는 심하지 않아 일반적으로 무시한다.

4. 잘못된 운전 또는 부적절한 Surge 보호장치의 적용은 더 심각한 문제를 일으킬 수도 있다.
    Surge Relief Valve를 너무 크게 선정하거나, Vacuum Breaker-Air Relief Valve를 부적절하게 선정한 것이
    바로 그러한 예이다. 또 다른 예로는 Water Hammer의 문제가 없는데도 Water Hammer를 방지하기 위한
    별도의 장치를 적용하는 경우이다.

 

 

■ Water Hammer의 해결방안

배관을 설계할 때에는 반드시 운전압력과 함께 압력 Surge를 고려하여야 한다. 다음은 Water Hammer의 영향을 감소시키기 위한 일부 방법을 나열한 것이다.

 

1. 밸브

Water Hammer는 정전이 되었을 때 원심펌프에 손상을 주게 된다. 이러한 상황에서 가장 좋은 예방책은 서서히 닫힐 수 있는 자동 컨트롤 밸브를 사용하는 것이다. 밸브가 서서히 닫히면 이때 발생하는 압력의 급강하에 따른 압력파가 반송되어 되돌아 올 때 압력의 상승을 완화시켜 줄 것이다.

배관에 존재하는 공기 또는 물의 온도변화는 Pressure Relief Valve에 의해 제어할 수 있다. 이 Pressure Relief Valve는 배관에서 압력이 과도하게 상승하면 개방되고 압력이 감소하면 다시 닫히도록 설정되어 있다. Pressure Relief Valve는 일반적으로 펌프 시스템에 사용되어 압력 Surge를 제어하고 펌프 시스템을 보호하기 위해 사용된다. 이 밸브는 순간적인 현상을 제어하는 효과적인 방법이 될 수 있다. 그러나, 이런 밸브는 부작용이 없게 기능을 발휘할 수 있도록 적절히 선정하여야 한다.

압력이 높은 상태에서 낮게 감소할 가능성이 있다면, Air-Vacuum Relief Valve를 사용하여야 한다. 압력이 매우 낮게 감소될 수 있는 경우에는 Vacuum Relief Valve를 이용하도록 한다. 적절한 기능과 구경으로 선정된 Vacuum Breaker-Air Relief Valve는 배관 시스템을 보호하기 위한 가장 비용이 저렴한 수단이 될 수 있다. Vacuum Relief Valve는 압력이 급감하는 동안 충분한 양의 공기가 유입될 수 있도록 충분한 용량을 가지는 구경을 선정하여 배관의 압력이 너무 낮게 떨어지지 않도록 하여야 한다. 그렇지만 반대로 이 밸브를 너무 크게 선정하여 필요 이상으로 많은 양의 공기가 유입되지 않도록 해야 한다. 그 이유는 공기가 천천히 Vent되기 때문에 시스템의 가동 정지시간을 증가시킬 수 있기 때문이다.

2. 펌프

펌프 기동 시의 문제는 기포를 완만하게 붕괴시키거나 배출하기 위해 유량을 천천히 증가시키면 일반적으로 해결될 수 있다. 또한 Surge 압력을 감소시키는 단순한 방법은 배관 내의 유속을 작게 유지하는 것이다. 이렇게 하면 Surge 압력이 낮게 될 뿐만 아니라 구동마력을 떨어뜨려 최대의 운전효율을 얻을 수 있게 된다.

3. 팽창 탱크

팽창 탱크는 아주 긴 배관에 직접 연결되는 물 탱크를 이용해 압력 Surge를 해소시킨다. Surge가 발생하면 팽창탱크가 압력을 해소 시키도록 동작하고, 많은 양의 물을 저장할 수 있어 배관 벽의 팽창과 유체의 압축에 의한 것보다 더 좋은 역할을 하게 된다.

팽창 탱크는 압력이 상승할 때와 강하할 때 모두 사용할 수 있다. 압력이 감소할 때 팽창 탱크는 배관 시스템으로 물을 공급하도록 설계할 수 있어 기포형성에 의한 수주분리를 방지하거나 최소화할 수 있다. 그러나 팽창 탱크는 비용이 매우 비싼 장치이다.

4. 공기 Chamber

공기 Chamber는 Water Hammer가 빈번히 일어는 곳에 주로 설치된다. 얇고 거꾸로 엎어진 병 모양의 공기 Chamber에는 공기로 채워져 있고 여기에 작은 Orifice로 배관과 연결되어 있다. 압력 Surge를 흡수하기 위해 Chamber 내에 있는 공기가 압축되어 배관을 보호한다.

 

참고자료 : (주)한국스파이렉스사코