펌프 공동현상(Cavitation)

왜 배우는가: 펌프 공동현상은 흡입 측 압력 관리 실패로 펌프 성능 저하와 임펠러 손상을 일으키는 대표적 운영 장애다. 실무에서는 흡입양정과 NPSH 검토가 설계·운전의 기본이며, 시험에서는 발생 원리, NPSH 개념, 방지대책이 거의 매번 함께 출제된다.

출제 이력: 제135회 1교시 3번, 제131회 1교시 4번, 제120회 1교시 6번, 제94회 4교시 6번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

펌프 공동현상은 흡입 측 국부 압력이 액체의 포화증기압 이하로 떨어져 기포가 생기고, 이 기포가 고압부에서 붕괴하며 소음·진동·임펠러 손상과 양수 성능 저하를 일으키는 현상이다.

키워드

• 공동현상(Cavitation)
• 포화증기압
• 유효흡입수두(NPSH)
• NPSHA(이용 가능 NPSH)
• NPSHR(필요 NPSH)
• 흡입양정
• 임펠러 입구
• 기포 붕괴

2. 개념 풀이

쉽게 말하면 펌프가 물을 빨아들일 때 물이 끓는 현상이다. 물은 압력이 낮아지면 상온에서도 끓을 수 있는데, 펌프 흡입부처럼 압력이 가장 낮은 곳에서 그런 일이 생긴다.

정식 정의는 다음과 같다. 펌프 내부 어느 한 점의 압력이 그 온도의 포화증기압 이하가 되면, 액체 속에 증기 기포가 생기는 현상을 공동현상(Cavitation)이라 한다. 기포는 용존 공기가 분리되어 생기기도 한다.

핵심 용어는 다음 세 가지다. 첫째, 포화증기압은 어떤 온도에서 액체가 증기로 바뀌기 시작하는 압력이다. 온도가 높을수록 값이 커서 같은 압력에서도 더 쉽게 끓는다. 둘째, 유효흡입수두(NPSH)는 펌프 흡입구에서 액체가 가진 전수두에서 증기압 수두를 뺀 값으로, 기포 생성에 대한 여유를 뜻한다. 셋째, NPSHA는 설비 배관 조건으로 결정되는 여유이고, NPSHR은 펌프 제작사가 제시하는 최소 필요 여유다. 공동현상을 피하려면 NPSHA가 NPSHR 이상이어야 한다.

펌프 내부에서 가장 압력이 낮은 곳은 임펠러 입구의 날개 흡입면이다. 그래서 공동 기포는 대부분 이 부분에서 먼저 생긴다. 기포는 흐름을 따라 고압부로 이동하여 갑자기 찌그러지며 사라진다. 이때 국부적으로 큰 충격 압력이 생기고, 날개 표면은 침식된다.

3. 등장 배경과 필요성

원심펌프가 대형화되고 고속 회전을 하면서 흡입 측 압력 여유가 줄어들었다. 펌프 회전수가 높아질수록 임펠러 입구 유속이 커지고 국부 압력은 더 낮아진다. 그 결과 설계 단계에서 흡입 조건을 검토하지 않으면 운전 중 공동현상이 발생하기 쉬워졌다.

상수도에서는 취수정이나 배수지의 수위 변화, 흡입관 길이 증가, 여름철 수온 상승이 겹치면서 공동현상 위험이 커진다. 수온이 높으면 포화증기압이 올라가므로 같은 흡입 조건에서도 기포가 쉽게 생긴다. 따라서 펌프 설치 높이와 흡입 조건을 정하기 위해 NPSH 검토가 필요해졌다.

공동현상은 한 번 발생하면 펌프 효율 저하, 양수량 감소, 베어링 손상으로 이어진다. 손상이 누적되면 펌프 수명이 크게 줄어든다. 그래서 설계 단계의 흡입 조건 검토와 운전 단계의 흡입압 감시가 함께 요구된다.