펌프 공동현상 방지

왜 배우는가: 펌프 공동현상은 설계 단계의 흡입 조건 검토와 현장 소음·진동·양수 불능 진단에 직결되는 개념이다. 기술사 시험에서는 발생 원인, 발생 한계(NPSH 관계), 방지대책, 배관 주의사항이 여러 교시에 걸쳐 반복해서 출제된다.

출제 이력: 제128회 2교시 6번, 제127회 1교시 2번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

공동현상은 펌프 흡입부 등 국부 압력이 액체의 증기압 이하로 떨어져 증기 기포가 생기고, 이것이 고압부에서 붕괴하면서 성능 저하·소음·진동·침식을 일으키는 현상이다.

핵심 키워드: 공동현상(Cavitation), 증기압(Vapor Pressure), 유효흡입수두(NPSH), 필요 유효흡입수두(NPSHr), 가용 유효흡입수두(NPSHa), 기포 붕괴(Implosion), 임펠러 눈(Impeller Eye), 흡입 양정.

2. 개념 풀이

쉽게 말하면 펌프가 물을 빨아들일 때 입구 쪽 압력이 너무 낮아져 물이 상온에서 끓는 것과 같은 상태가 된다. 물이 끓어 생긴 기포가 압력이 높은 토출 쪽으로 이동하면 다시 물로 응축되면서 순간적으로 찌그러진다. 이 과정이 공동현상이다.

정식으로는 펌프 내부 어느 곳이든 국부 압력이 액체의 포화증기압 P_v 이하로 떨어져 증기로 채워진 기포가 발생하는 현상을 말한다. 일반적으로 회전하는 임펠러 블레이드의 흡입면, 즉 임펠러 눈 부근에서 가장 먼저 일어난다. 기포가 고압부에서 급격히 붕괴할 때 생기는 충격파와 미세 제트가 임펠러 표면을 깎아 내는 침식(Erosion) 이 주요 피해다.

NPSH(유효흡입수두) 는 펌프 입구에서 액체가 가진 전압 수두에서 그 온도의 증기압 수두를 뺀 값이다. 펌프 설치 조건으로 정해지는 값을 NPSHa(가용 NPSH) 라 하고, 펌프 제작사가 시험으로 정하는 값을 NPSHr(필요 NPSH) 라 한다. 공동현상 발생 여부는 두 값의 비교로 판단한다.

NPSHa > NPSHr 이어야 공동현상을 피할 수 있다. 설계에서는 여유를 두어 NPSHa를 NPSHr보다 충분히 크게 잡는다.

한 가지 더 알아 둘 점이 있다. 펌프 제조사가 제시하는 NPSHr은 보통 양정이 3% 떨어지는 시점(NPSH3)으로 정의된다. 이 정의를 알아 두면 제작사 값과 현장 값의 차이를 설명할 수 있다.

3. 등장 배경과 필요성

원심펌프의 고속화와 대용량화가 진행되면서 임펠러 회전수가 높아지고 흡입 측 유속이 커졌다. 유속이 커지면 베르누이 원리에 따라 국부 압력이 떨어지므로 공동현상 위험이 함께 커졌다. 고층 건물의 고가수조 급수나 지하 저수조 양수처럼 흡입 양정이 긴 설비에서는 흡입 압력이 낮아져 공동현상이 현장 문제로 자주 나타난다.

공동현상이 실제로 문제가 되는 것은 피해가 크기 때문이다. 임펠러 표면이 해면처럼 파손되어 베어링 파손으로 이어지는 조기 고장이 생기고, 심하면 양수가 되지 않는다. 그래서 설계 단계에서 흡입 배관 조건과 NPSH를 검토해 공동현상을 미리 막는 것이 필요하다. 이 때문에 공동현상은 펌프 설계와 설치의 기본 점검 항목으로 자리 잡았다.

4. 구성요소·원리·절차

펌프 공동현상은 흡입측 압력이 액체의 증기압 이하로 떨어져 기포(공동)가 생기고, 이 기포가 고압부에서 급격히 붕괴하며 나타난다. 원리를 이해하려면 펌프 흡입 경로에서 압력이 어디서 가장 낮아지는지부터 봐야 한다.

펌프 내부 압력은 흡입 노즐에서 임펠러 입구(눈, eye)를 지나며 낮아지고, 임펠러 날개의 흡입면 쪽에서 가장 낮아진다. 이 국부 저압부의 압력이 증기압 P_v 이하가 되면 액체가 국부적으로 끓어 기포가 생긴다. 기포는 토출측 고압부로 이동하여 압력을 회복하면 순간적으로 응축되어 붕괴한다. 이때 생기는 충격파와 미세 제트가 임펠러 표면을 깎아 내며 소음, 진동, 효율 저하, 양수 불능을 일으킨다.

공동현상을 판단하는 구성 요소는 다음과 같다.

설명을 붙이면 다음과 같다. NPSHa는 흡입 측 설비가 만드는 압력 여유이고, NPSHr은 펌프 내부 유동이 요구하는 압력 여유다. 두 값의 차이가 공동현상 발생 여부를 가른다.

공동현상 판정 원리는 다음 식으로 정리한다.

$NPSH_a = \frac{P_s}{\gamma} + \frac{V_s^2}{2g} - \frac{P_v}{\gamma}$

여기서 P_s는 흡입면 절대압력(Pa), \gamma는 액체의 비중량(N/m³), V_s는 흡입 유속(m/s), g는 중력가속도(m/s²), P_v는 증기압(Pa)이다. 결과는 m 단위의 수두다. 흡상식 설치에서는 P_s를 대기압에서 흡상 높이와 흡입 손실을 뺀 값으로 쓴다.

판정 조건은 NPSHa > NPSHr 이다. 실무에서는 여유를 두어 NPSHa가 NPSHr보다 관련 기준이 정한 배율 이상이 되도록 설계한다. NPSHa가 NPSHr보다 작으면 공동현상이 발생한다.

공동현상이 시작되는 순서는 다음과 같다.

• 흡입 배관 손실과 흡상 높이로 흡입면 압력이 낮아진다.
• 임펠러 입구 국부 압력이 증기압 이하로 떨어진다.
• 기포가 생성되어 유동을 따라 이동한다.
• 토출측 고압부에서 기포가 급격히 응축·붕괴한다.
• 충격파와 미세 제트로 임펠러 표면이 침식되고 성능이 떨어진다.

흐름을 한눈에 보는 도식은 다음과 같다.

다음은 NPSH 관계를 보이는 개념 그래프다. 유량이 커지면 NPSHr이 커지므로 두 곡선이 만나는 지점이 한계 유량이 된다.

5. 관련 법령·기준·표준

펌프 공동현상은 소방·건축 설비 기준보다 펌프 제작사 시험 기준과 설계 관행으로 관리되는 분야다. 기준은 다음과 같이 정리한다.

다단 펌프에서는 첫 단 양정이 3 % 떨어지는 점을 NPSHr로 본다. 펌프 제작사마다 NPSHr 값이 다를 수 있으므로 실험값을 우선한다.

개정 연혁으로 명시할 법령 조문은 확인된 것이 없어 본 절에서는 기준 이름과 설계 원리만 다룬다. 설비 기준은 설계 조건에 맞춰 적용한다.

4번 항목의 구성 요약

공동현상은 흡입 압력 저하, 기포 생성, 고압부 붕괴의 3단계로 이해하면 된다. 답안에는 NPSHa와 NPSHr의 관계를 식과 함께 쓰는 것이 핵심이다.

6. 유형과 비교

펌프 공동현상은 발생 위치와 원인에 따라 흡입측 공동, 토출측 공동, 그리고 설계 조건에 따라 나타나는 부분 공동으로 나눠 볼 수 있다. 흡입측 공동은 임펠러 입구(눈, eye) 부근의 저압부에서 기포 발생이 일어나고 토출측으로 이동하며 붕괴하는 경우다. 펌프 공동현상의 대부분이 여기에 해당한다.