펌프 캐비테이션

왜 배우는가: 펌프 캐비테이션은 펌프 손상과 효율 저하의 가장 흔한 원인이며, NPSH 개념과 함께 설계·선정·운전 점검에서 반복해서 다뤄진다. 기술사 시험에서는 정의, 발생 원리, NPSHa·NPSHr 비교, 방지 대책이 여러 교시에 걸쳐 묻힌다.

출제 이력: 제138회 1교시 9번, 제136회 4교시 4번, 제117회 2교시 1번, 제111회 3교시 2번, 제99회 1교시 11번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

펌프 내부 국부 압력이 액체의 증기압 이하로 떨어져 증기 기포가 생기고, 이것이 고압부에서 붕괴하며 소음·진동·침식을 일으키는 현상이다.

• 캐비테이션(공동현상)
• 증기압
• 유효흡입수두(NPSH)
• 필요흡입수두(NPSHr)
• 유효흡입수두(NPSHa)
• 임펠러 흡입면
• 기포 붕괴
• 침식

2. 개념 풀이

쉬운 말로 하면, 펌프 안에서 물이 끓어 기포가 생겼다가 다시 터지는 현상이다. 물은 압력이 낮아지면 100℃보다 낮은 온도에서도 끓는다. 펌프 흡입부는 압력이 가장 낮은 곳이므로 이 현상이 가장 먼저 나타난다.

정식 정의는 다음과 같다. 캐비테이션은 액체의 정압이 그 온도에서의 증기압 이하로 내려가 증기로 채워진 기포(공동)가 생성되고, 기포가 정압이 높은 영역으로 이동하여 급격히 붕괴하는 현상이다. 기포가 붕괴할 때 생기는 충격파와 미세 제트가 금속 표면에 반복 작용하여 침식을 만든다.

핵심 용어를 정리하면 다음과 같다.

• 증기압: 주어진 온도에서 액체가 증기와 평형을 이루는 압력이다. 증기압보다 낮아지면 기포가 생긴다.
• 유효흡입수두(NPSH): 펌프 흡입구에서 액체가 가진 전수두에서 증기압 수두를 뺀 값이다. 펌프가 공동 없이 흡입할 수 있는 여유 에너지를 나타낸다.
• 필요흡입수두(NPSHr): 펌프 제작사가 시험으로 정하는 값으로, 펌프가 캐비테이션 없이 작동하기 위해 흡입구에서 필요한 최소 NPSH다.
• 유효흡입수두(NPSHa): 설비 조건으로 정해지는 실제 흡입 여유다. 수면 높이, 흡입관 길이와 관경, 액체 온도로 결정된다.

NPSH는 미터(m) 단위로 나타내며, 다음 관계가 성립해야 한다.

$NPSH_a \geq NPSH_r$

NPSH_a는 유효흡입수두(m), NPSH_r은 필요흡입수두(m)다. 두 값의 차이가 여유 NPSH이며, 설계에서는 이 여유를 두어 공동 발생을 막는다.

3. 등장 배경과 필요성

원심펌프의 임펠러 입구에서는 액체가 빠르게 가속되며 정압이 떨어진다. 베르누이 원리에 따라 속도가 커지면 정압이 줄어들고, 흡입 조건이 나빠 흡입 측 압력이 낮으면 이 지점에서 증기압 이하로 떨어진다. 펌프 회전수가 높을수록, 흡입 양정이 클수록, 액체 온도가 높을수록 여유가 줄어 공동이 쉽게 생긴다.

이 현상은 펌프 설계가 발전하면서 더 중요해졌다. 고속·고양정 펌프가 늘어나면서 임펠러 입구의 압력 저하가 커졌고, 같은 설비에서도 설계 조건을 벗어나는 운전이 공동을 부른다. 공동이 생기면 소음·진동이 커지고, 효율과 토출량이 떨어지며, 임펠러와 케이싱이 침식되어 수명이 짧아진다. 펌프 조기 고장과 설비 정지의 주요 원인이므로 설계 단계에서 NPSH 여유를 확인하는 절차가 필요해졌다.

따라서 펌프 선정과 배관 설계에서는 NPSHa를 계산하고 NPSHr과 비교하는 것이 기본이다. 여유가 부족하면 흡입 조건을 바꾸거나 펌프 위치를 낮추는 등 설계를 수정해야 한다.