펌프 공동현상

왜 배우는가: 펌프 공동현상은 설비 성능 저하와 임펠러 침식을 일으키는 대표적인 펌프 이상현상으로, 화학설비 이송 계통의 고장과 사고를 설명할 때 빠지지 않는다. 기술사 시험에서도 1교시 용어 문제와 4교시 논술 문제로 반복 출제되므로 정의, 원인, 영향, 방지대책을 함께 정리해 두어야 한다.

출제 이력: 제138회 1교시 7번, 제136회 1교시 9번, 제114회 4교시 3번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

답안 첫 줄에 쓸 정의 문장은 다음과 같다.

공동현상은 펌프 내 액체의 압력이 그 온도의 포화증기압 이하로 내려가 기포가 생기고, 그 기포가 고압부에서 붕괴하며 성능 저하와 침식을 일으키는 현상이다.

핵심 키워드는 다음과 같다.

• 공동현상(Cavitation)
• 포화증기압
• 유효흡입수두(NPSHa)
• 필요흡입수두(NPSHr)
• 기포 붕괴(Implosion)
• 임펠러 침식
• 흡입 배관 설계

2. 개념 풀이

쉬운 말로 풀면 공동현상은 펌프 안에서 물이 순간적으로 끓어 기포가 생겼다가 사라지는 현상이다. 물은 압력이 낮아지면 낮은 온도에서도 끓는데, 펌프 입구처럼 압력이 가장 낮아지는 곳에서 이 일이 일어난다.

정식 정의는 다음과 같다. 펌프 내부에서 유체의 압력이 국부적으로 그 온도의 포화증기압 이하로 내려가 증기 기포 또는 용존 공기가 분리되어 기포가 생성되고, 이 기포가 압력이 높은 부분으로 이동하여 급격히 붕괴하는 현상이다. 이름에서 '공동(cavity)'은 물속에 빈 곳이 생긴다는 뜻이며, 증기의 밀도가 액체보다 매우 작아 기포 내부는 역학적으로 빈 공간처럼 취급된다.

핵심 용어는 다음과 같다.

• 포화증기압: 주어진 온도에서 액체와 증기가 평형을 이루는 압력이다. 이 값 이하로 압력이 내려가면 액체가 증발한다. 온도가 올라가면 포화증기압이 커지므로 고온의 유체일수록 공동이 쉽게 생긴다.
• 기포 붕괴(Implosion): 기포가 압력이 높은 영역으로 이동하면 증기가 다시 액체로 응축되며 급격히 줄어든다. 이때 주변 액체가 기포 중심으로 밀려들며 강한 충격파가 생기고, 이 충격이 임펠러 표면을 반복적으로 때린다.

3. 등장 배경과 필요성

펌프는 흡입측에서 액체를 빨아들여 가압하는 기계이다. 흡입측의 압력은 흡입 탱크의 수위, 배관의 마찰손실, 관경, 유체 온도에 따라 결정된다. 이 조건이 펌프가 요구하는 입구 압력에 못 미치면 임펠러 입구에서 압력이 포화증기압 아래로 떨어진다. 공정 설비에서는 고온의 용제나 휘발성이 큰 액체를 이송하는 경우가 많아, 공동현상은 펌프 설계와 운전의 기본 검토 사항이 되었다.

공동현상의 필요성은 NPSH 개념으로 정리된다. 공동을 막으려면 펌프 입구에서 실제로 확보되는 압력 여유, 즉 유효흡입수두(NPSHa)가 펌프가 필요로 하는 필요흡입수두(NPSHr)보다 커야 한다. 두 값의 차이가 운전 여유이며, 이 여유를 설계와 점검 단계에서 확인하는 것이 공동현상을 예방하는 출발점이다.

NPSHa > NPSHr

Net Positive Suction Head는 펌프 입구에서 액체가 가진 전수두에서 포화증기압 수두를 뺀 값이다. 이 값이 크다는 것은 입구에 기포가 생길 여유가 많다는 의미이다.

4. 구성요소·원리·절차

펌프의 공동현상은 흡입측에서 액체의 압력이 그 온도의 포화증기압 이하로 떨어져 기포(증기 기포)가 생기고, 이 기포가 고압부에서 붕괴하면서 소음·진동·침식을 일으키는 현상이다. 발생 여부는 흡입측 조건과 펌프 요구 조건의 비교로 결정된다. 따라서 구성요소는 흡입 계통(수조·흡입배관·스트레이너)과 펌프 임펠러 입구부로 나누어 본다.

흡입 계통의 압력 손실은 입구 압력을 낮추는 방향으로 작용한다. 임펠러 입구에서는 속도수두가 커지고 유로가 좁아지므로 국부 압력이 한 번 더 떨어진다. 이 두 압력 강하가 겹치는 지점이 공동 발생의 실제 장소다.

원리는 베르누이 식으로 설명한다. 흡입 자유표면(0)과 임펠러 입구(i) 사이에 베르누이 식을 세우면 입구 압력은 다음과 같다.

$\frac{P_i}{\rho g}=\frac{P_0}{\rho g}-z_s-h_{f}-\frac{V_i^2}{2g}$

여기서 P_i는 입구 절대압력(Pa), \rho는 액체 밀도(kg/m³), g는 중력가속도(m/s²), z_s는 흡입 높이(m), h_f는 흡입측 마찰손실수두(m), V_i는 입구 평균속도(m/s)다. 입구 압력 수두가 포화증기압 수두보다 낮아지면 공동이 생긴다.

NPSH는 이 여유를 수두로 나타낸 값이다.

$NPSH_a=\frac{P_0-P_v}{\rho g}+z_s-h_f$

P_v는 액체의 포화증기압(Pa)이다. 흡입 높이가 음수(펌프가 액면보다 낮은 위치)이면 z_s를 부호에 맞게 넣는다. NPSH_a는 설치 조건으로 정해지는 값이고, NPSH_r은 펌프 제작사가 제시하는 필요 흡입수두로 임펠러 설계에 따라 정해진다.

공동 조건은 NPSHa가 NPSHr보다 작을 때 성립한다

흡입 조건이 NPSHa ≥ NPSHr 를 만족하도록 설계하는 것이 기본 원리다.

절차(펌프 흡입계 공동 검토 순서)

• 흡입 조건(액면, 흡입관 길이·관경, 밸브, 액체 온도)을 정리한다.
• 흡입측 마찰손실수두와 속도수두를 계산한다.
• NPSH_a를 계산한다.
• 펌프 사양서에서 NPSH_r을 확인한다.
• 여유를 두고 NPSH_a가 NPSH_r보다 큰지 판정한다.
• 부족하면 흡입 높이 상향, 흡입관 확대, 온도 저하, 회전수 저하 중 하나 이상을 적용하고 재계산한다.

변형 메모: 흡입 압력과 증기압이 같아지면 기포 발생 개시 조건이 된다. 설계에서는 여기에 여유 수두를 더해 판단한다.

5. 관련 법령·기준·표준

펌프의 공동현상을 직접 규제하는 법령은 없다. 기준은 설계·시험 규격과 제작사 사양에 있다. 기계안전 측면에서는 「산업안전보건법」상 설비 설치·안전인증 체계 안에서 펌프가 다뤄지며, 공동현상 자체의 수치 기준은 펌프 규격과 설계 기준에 따른다.

기계류 설계 기준은 펌프 규격(한국산업표준 원심펌프 시험방법 계열)과 제작사 자료를 따른다.

설계 적용 요점

• 흡입 여유는 설계자가 정하며, 흡입 계통이 바뀌면 재검토한다.
• 고온 액체는 증기압이 높아 같은 조건에서도 공동 위험이 커진다.
• 흡입 배관 필터가 막히면 실제 NPSH_a가 줄어든다.

6. 유형과 비교

펌프 공동현상은 발생 위치와 형태에 따라 흡입측 공동, 임펠러 날개 표면 공동, 프로펠러형 공동 등으로 나눌 수 있다. 펌프 설계와 운전에서 주로 다루는 것은 흡입측에서 생기는 흡입 공동이다. 같은 현상이라도 원인과 대책이 달라지므로 유형별 차이를 표로 정리한다.