수격(water hammering) 현상

펌프 정지 나 기동시 토출밸브를 급히 열거나 펌프 운전 중 밸브를 급히 닫으면 관내 유속이 급격히 변화하게 되어 압력이 급상승과 급하강을 반복하게 되므로 펌프나 배관을 파손시키는 일이 있다. 즉, 관내유속에 급격한 변화를 주면 그에 수반된 이상 압력이 발생하게 되는데 이러한 현상을 수격(water hammering)이라 한다

 

 

 

수격(water hammering) 현상

 

수격 현상 개요

펌프가 설치된 관로계에서 펌프의 기동 및 정지시, 회전수 제어시 또는 유량조정밸브의 개·폐시에 관내를 유동하는 유체의 속도가 급격하게 변화하면 관내 압력이 과도적으로 급상승과 급강하를 반복하면서 여러 가지 부정적 영향을 미치게 되는 현상을 말한다.

즉, 배관내의 유체의 흐름을 갑자기 막으면, 막힌 점의 유체는 운동에너지에서 압력에너지로 변환되어 급격한 압력 상승이 발생한다. 이 상승압력은 압력파가 되어 막힌 지점과 급수원 사이를 왕복하며, 점차로 감소되어 정지 상태가 된다. 또한 정지되어 있는 유체를 갑자기 흐르게 하면 압력이 낮아지게 된다. 이와 같이 배관 내의 운동 상태를 급격히 변화시킴으로서 정상압력보다 높거나 낮은 압력이 발생하는 현상을 수격(water hammering)이라고 한다.

 

<그림 1> 수격(water hammering) 현상 설명도

 

 

수격 현상 영향

일반적으로 수격 현상이 문제가 되는 것은 정전 등에 의한 펌프 구동력 차단에 따라 다음 그림과 같이 급정지 하는 경우가 대부분이다.

 

<그림 2> 수격 발생 과정

수격에 의해 일어나는 압력상승이 과대한 경우는 매우 큰 소음을 발생시키며, 배관ㆍ이음쇠ㆍ밸브류ㆍ기기류 등을 진동시켜 누수를 발생시키고 파손의 원인이 되기도 한다. 수격작용에 의한 충격압의 크기는 조코우스키(Joukowsky)식으로 표현할 수 있다.

수격현상으로 인한 압력상승은 관내 유속의 14배, 정수두 압력의 2~6배 정도에 이른다. 밸브 등의 폐쇄 시간이 짧을수록 큰 압력 변동이 일어나고, 긴 관로를 가진 펌프 설비나 수력 발전소에서는 수격현상이 큰 사고로 일으키는 일도 있다.

 

 

수격 방지 및 경감대책

수격 현상은 송수관이 길고 고양정 펌프인 경우가 특히 문제가 된다. 따라서 수격에 대한 방지법은 펌프의 위치, 배관의 상황, 운전조건 등을 고려 경제적이고 효율적인 방법을 택하여야 한다.

유체가 흐르는 배관의 밸브 등의 급 폐지에 의한 수격작용을 방지하거나 완화 시킬수 있는 방법중 대표적인 방법은 아래와 같다.

 

● 먼저 배관내의 유속을 ~2.0 m/s 미만이 되도록 설계시공 한다. 대용량의 펌프라면 플라이 휠(fly wheel)을 설치하여 펌프의 급기동 급정지를 예방한다.

 

● 수격작용이 발생하기 쉬운 전자밸브(solenoid)나 급격히 개폐되는 수전 (원터치 수전, 볼밸브, 나비밸브 등) 근처에 워터해머 방지기를 설치한다. 과거에는 배관내 공기실(air chamber)을 설치하여 충격압을 흡수하였다. 그러나 시간이 흐름에 따라 공기실의 공기가 물에 흡수되어 사라지기 때문에 효과도 없어지게 된다. 최근에는 공기 등이 물에 흡수될 수 없도록 고무막 등이 적용된 에어 챔버형이나 벨로즈형을 사용한다.

 

● 양수펌프가 정지할 때 물의 역류에 의한 워터해머의 발생 방지는 역류가 시작되기 전에 수격 방지용 체크밸브(급폐 체크밸브 또는 완폐 체크밸브 등)를 사용한다. 압력상승을 방지하기 위한 급폐 체크밸브는 소모렌스키 체크밸브 또는 듀오 체크밸브가 있다. 완폐 체크밸브는 폐쇄속도를 2~3단으로 조절한 것으로 다단 유압 체크밸브가 있다.

 

 

요약하면 다음과 같다.

- 토출관내의 유속이 작게 관경을 선정한다

- 펌프의 급정지를 피한다

- 펌프에 Fly wheel을 설치한다

- 토출관로에 공기실 혹은 Surge tank를 설치한다

- 토출관로에 Air 밸브를 설치한다

- 일부유량을 역류시킨다

- 안전밸브를 설치한다

 

Reference : 1. https://m.blog.naver.com/namgoocha