Cavitation의 HAZOP 연관성 분석

HAZOP(Hazard and Operability Study) 분석에서 Cavitation(공동현상)은 Flow Less(유량 감소)를 유발하는 직접적인 원인에 해당한다.

 

 

 

Cavitation의 HAZOP 연관성 분석

Cavitation(공동현상)은 펌프 흡입측의 압력이 유체의 포화 증기압보다 낮아질 때 기포가 형성되고, 이 기포가 유로를 점유하여 실제 액체의 흐름을 방해하기 때문에 발생한다.

 

 

Cavitation에 의한 유량 감소 기전

• 유효 단면적 감소: 펌프 임펠러 부근에서 발생한 증기 기포(Vapor Bubble)가 액체가 흐를 수 있는 단면적을 물리적으로 점유하여 통과 유량을 제한한다.
• 펌프 양정(Head) 저하: 기포의 생성과 소멸 과정에서 발생하는 에너지 손실로 인해 펌프의 가압 능력이 급격히 상실된다.
• 가스 로킹(Gas Locking): 증기 발생량이 극심할 경우 펌프 내부가 기체로 가득 차 액체 이송이 완전히 중단되는 Flow None 상태로 진전된다.

 

 

Cavitation을 유발하는 근본 원인 (Root Causes)

HAZOP에서 Flow Less의 원인으로 Cavitation을 도출할 때는 이를 일으키는 선행 요인을 함께 검토한다.

• 흡입측 압력 저하(Pressure Low): 상류 탱크의 액위가 낮아지거나 배관 내 진공이 형성되는 경우
• 흡입측 저항 증가(Restriction): 흡입 스트레이너(Strainer)가 이물질로 막혀 압력 손실이 발생하는 경우
• 유체 온도 상승: 유체 온도가 올라가 증기압(Pv)이 상승하면서 Cavitation 발생 임계점에 도달하는 경우
• 운전 조건 미달: 유효 흡입 수두(NPSHa)가 펌프 요구 흡입 수두(NPSHr)보다 낮아지는 경우

 

 

공정상의 영향 및 위험성

• 기계적 손상: 기포가 고압부에서 소멸하며 발생하는 충격파가 임펠러 표면에 피팅(Pitting) 현상을 일으켜 장치 수명을 단축한다.
• 진동 및 소음: 불규칙한 유동으로 인해 강한 진동이 발생하며 배관 연결부의 누설(Leak)을 유발한다.
• 공정 불안정: 후단 공정으로의 원료 공급이 불규칙해져 반응기나 증류탑 등의 제어 성능이 저하된다.

 

 

인과관계에 따른 HAZOP 기술 방식

보고서의 객관성을 위해 다음과 같이 원인과 결과를 구분하여 기술한다.

① 근본 원인 (Root Causes):

• 흡입측 스트레이너(Strainer) 또는 필터 막힘
• 상류 탱크의 저액위(Level Low)로 인한 흡입 압력 부족
• 유체 온도 상승에 따른 증기압 상승

② 이탈 (Deviation): Flow Less (유량 감소)

③ 결과 (Consequences):

• 펌프 임펠러 및 케이싱의 물리적 손상(Pitting)
• 진동 및 소음 발생으로 인한 배관 지지물 파손
• 공정 원료 공급 중단에 따른 하류 공정 정지

 

 

방지 및 관리 대책

• 수두 확보: 펌프 설치 높이를 낮추거나 상류 탱크의 운전 액위(Level)를 높게 유지한다.
• 흡입 배관 최적화: 배관 길이를 단축하고 곡관(Elbow) 사용을 최소화하여 마찰 손실을 줄인다.
• 연동 차단 시스템(Interlock): 펌프 흡입측 압력이 설정치 이하로 하강하거나, 유량이 일정 수준(Minimum Flow) 이하일 때 펌프를 자동으로 정지시킨다.
• NPSH 마진 관리: NPSHa를 NPSHr의 1.1 배에서 1.3 배 이상으로 확보한다.
• 최소 유량: 펌프 보호를 위해 설계 유량의 약 0.3 배 수준의 최소 유량 라인(Minimum Flow Line)을 확보한다.
• 차압 감시: 필터 전후단 차압(ΔP)이 5.0 * 10⁴ Pa을 초과할 경우 세정 또는 교체 절차를 수행한다.

 

 

요약 및 결론

Cavitation은 펌프의 이송 능력을 저하시키는 물리적 장애 요인이므로 Flow Less의 직접적인 원인으로 명시한다.

다만, HAZOP 워크시트 작성 시에는 Cavitation을 유발한 구체적인 기계적 결함(필터 막힘 등) 및 온도 상승 등의 시나리오를 구체적으로 명시하여 대책(Recommendation) 수립의 근거로 삼는다.