수충격(Water Hammer)과 맥동현상(Surging)

1. 수충격 현상

(1) 수격작용

• 장거리 수송배관으로 액체 이송 시 정전 등 펌프의 운전이 갑자기 멈춘 경우 송수관 내 액체는 관성력에 의해 흐름 방향 운동성을 가지지만 펌프 송출부의 액체는 흐름이 약해져 멈추려 함
• 이에 따라 펌프의 와류실에는 압력강하가 발생하고 펌프 송출구로부터 와류실에 역류가 발생하여 급격한 압력 강하와 상승이 반복하여 발생
• 즉 유체의 운동에너지가 압력에너지로 변하여 이 압력변화가 압축파의 전파속도로 전달 하는 현상

(2) 발생원인

• 펌프의 기동 및 정지
• 펌프 회전수 제어
• 밸브 개폐시
• 정전 등에 의한 펌프구동력 차단

(3) 발생

제 1단계

• 펌프동력 상실, 회전수 저하
• 펌프가 동력을 상실하면 유체는 관성력에 의해 흐름을 가지므로 펌프 측 송출관부분에 압력파가 발생하고 정상압력보다 강하
• 펌프의 회전수가 어느 한도 이하가 되면 유체 흐름은 정지(양수 불가하게 됨)

제 2단계

• 역류상태, 압력 상승, 펌프 정지
• 유체가 역류를 시작하게 되고, 정회전하고 있는 회전차는 역류에 저항이 되어 제 1단계에서 발생한 반사파와 더불어 강하를 지속한 압력은 상승
• 펌프의 회전수는 물의 제동작용을 정지

제 3단계

• 펌프의 역회전수로 역류량과 함께 최대값
• 펌프는 역류에 의해 역전을 시작하여 가속되고 무부하수차로 안정된 상태가 된다
• 이 상태가 되면 역회전수로 역유량과 함께 최대가 된다.

(4) 영향

압력 상승에 의한 펌프, 밸브, 배관 등 파손

관로 압궤 또는 파손

진동 및 소음 발생

자동제어계 등 압력조절기기들의 난조 및 손상

증기동동으로 수주분리현상이 발생하여 배관에 좌굴이 발생하거나, 수주가 재결합할 때 높은 압력 유발

 

(5) 방지책

수축경 작용을 방지하기 위해서는 펌프 급정지후 관내유속의 변화가 늦어지면 좋지만, 그 주된 목적이 압력의 이상저하에 있는지 이상상승에 있는지에 따라 경감장치나 방법이 다를 수 있다. 그러나 일반적으로 펌프 급 정지후 펌프 토출라인에서의 부압, 압력강하를 방지하려면 이상압력상승도 방지 할 수 있으므로, 부압발생방지가 수충격 피해를 줄이는 최선으로 볼 수 있다.

 

압력강하를 막는 방법

• 펌프에 플라이 휠을 붙여 관성효과를 이용 회전수와 관내의 유속의 변화를 느리게 한다.
• Surge-Tank를 설치하여 축전된 에너지를 방출하거나 관내의 에너지를 흡수한다.
• 관지름을 크게 하여 양액의 유속을 줄이고, 관성력을 떨어 드린다.

압력상승을 막는 방법

• 안전밸브 사용: 상승압력을 안전밸브에서 직접 배출
• 급폐쇄식 Check valve 사용: 역류 발생 전 강제적으로 밸브를 닫아 압력 상승 저하
• 송출구의 메인밸브를 정전과 동시에 자동으로 급속히 차단: 역류 발생 전 강제적으로 밸브를 닫아 압력 상승 저하
• 자동 방류 밸브 사용: Check vlave사용하지 않고 양액 역류(회전차와 전동기는 역회전)

 

2. 맥동현상(Surging)

 

(1) 개요.

서징(맥동현상)은 배관관로의 특성, 혹은 수력기계의 특성으로 인해 유체의 흐름이 원활하지 못하고 맥동이 발생하는 등 제 성능을 발휘하지 못하는 것이다. 터빈펌프, 압축기, 송풍기 등을 저유량으로 사용하면, 압력, 유량이 주기적으로 변동하여 정상적인 운전이 불가능해 진다.

 

(2) 맥동현상

유량 조절, 변환밸브의 과도한 조작 또는 실린더의 급정지 등에 의한 유입 회로 중에 과도하게 발생(이상압력 변동)

일반적으로 유압유의 점성에 의해 압력파의 감쇠속도가 빠르다.

 

(3) 발생원인

펌프의 양정곡선이 산형 구배 특성을 가지고 펌프를 포함하는 송출관내에 수조 혹은 공기조가 있거나 공기실이 있는 경우 주로 발생, 축 추력의 불안정으로 인한 주기적인 축방향 이동, 캐비테이션 공진등로 인해 발생할 수 있다.

 

(4) 현상

• 압력과 송출유량이 주기적으로 변동하며, 흡입 및 토출관에 주기적인 진동과 소음이 있다.
• 주기가 비교적 길며 진동수는 10cycle~1/10cycle 정도이다. 
• 펌프의 운전이 원활하게 되지 않으며, 운전이 곤란한 정도의 위험이 따른다.
• 펌프의 출구와 입구에 붙은 압력계와 진동계 바늘이 흔들리고 또 동시에 유량이 변화하는 현상

 

(5) 방지책

• 안내깃의 출구각도를 바꾸어 주는 등의 펌프특성을 변화시킨다.
• 배수량을 늘이거나 impeller 회전수를 바꾼다.
• 관지름을 바꾸어 유체의 유속을 변화시킨다.
• 배관계에 불필요한 공기탱크, 잔류공기를 제거한다.