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펌프의 수명단축과 펌프 부품을 마모시키는 캐비테이션(Cavitation, 공동현상) 현상. 펌프에서 발생할 수 있는 캐비테이션 현상의 정의와 발생원인, 방지방안에 대해 알아보겠습니다.
1. 캐비테이션 현상(Cavitation, 공동현상)이란?
주로 펌프에서 많이 발생하는 현상으로 펌프 내부에서 낮은 압력에 의해 유체 내에서 거품 혹은 공기방울(Cavity, 공동)이 발생하여 펌프의 부품에 충격을 주는 현상입니다.
급수 펌프의 경우, 물을 공급하기 위해 펌프를 가동하게 되면 펌프 후단 부분은 높은 압력이 조성되고, 펌프 전단 부분에는 펌프에서 물을 빨아들이므로 인해 낮은 압력이 형성됩니다.
낮은 압력이 형성될 때에 이 낮은 압력이 물의 증기압보다 더 낮게 내려가면 물이 기화하여 공기방울(진공상태 압력)이 생겨나게 됩니다.
공기방울(진공상태 압력)은 펌프 임펠러를 거치면서 높은 압력의 환경으로 변화하면서 사라집니다.
공기방울이 파괴되면서 급격하게 액체로 다시 돌아오는데 이때 충격이 발생하게 되고, 펌프의 임펠러에 침식(Erosion)을 일으켜 구멍이 발생하게 됩니다.
2. 캐비테이션 발생이 미치는 영향
캐비테이션은 발생하면 설비에 여러 영향을 미칩니다.
a. 진동 및 소음 발생
캐비테이션 현상으로 펌프의 임펠러 부분에서 돌이 치는 듯한 소음 및 진동이 발생합니다. 이 때 발생하는
소음 및 진동은 설비에 전반적으로 데미지를 주게 됩니다.
b. 펌프의 성능저하(토출 유량, 압력 저하)
캐비테이션 현상은 유체의 흐름을 방해하게 되고, 이는 펌프의 성능 저하에 영향을 줍니다.
c. 임펠러 손상
캐비테이션 현상이 지속적으로 발생하게 되면, 임펠러에 지속적인 충격이 가해지고, 임펠러에 작은 구멍이
생기게 됩니다. 이 구멍들이 점차 확대되면 펌프 성능이 저하되고, 임펠러 파손의 위험성이 높아집니다.
3. 캐비테이션 발생 원인 및 방지 대책
[발생 원인]
a. 펌프 흡입 압력이 유체 증기압보다 낮을 때
b. 이송 유체가 고온일 때
c. 펌프의 흡입 관경이 적을 때
d. 펌프의 흡입측 양정, 마찰 손실이 클 때
[방지 대책]
a. 펌프의 흡입 압력을 높인다.
b. 이송하는 유체의 온도를 차갑게 한다.
c. 흡입배관을 크게하여 흡입배관 손실을 줄인다.
d. 흡입배관을 간단히 구성하여 흡입양정손실 및 마찰손실을 최소화한다.
e. 펌프의 회전속도를 낮춰 흡입측 압력을 높인다.
f. 편흡입 펌프를 양흡입 펌프로 바꾼다.
a.펌프의 흡입 압력을 충분히 준다(NPSH:Net Positive Suction Head)
애초에 펌프로 들어가는 유체의 압력이 일정 압력 이상 보장되지 않을 경우 캐비테이션이 발생할 수 있습니다. 펌프의
크기나 종류에 따라 흡입구의 최소 필요압력이 달라지는데 사용하는 펌프에 따라서 요구되는 흡입 압력 이상을 유지해야
캐비테이션 없이 안정적으로 운전될 수 있습니다.
b. 이송하는 유체의 온도를 최대한 차갑게 유지한다.
유체의 온도가 높을 경우 캐비테이션이 더 잘 발생합니다. 화학 공정에서 이미 뜨거워진 유체를 펌프로 보내 또 다른
위치로 이송하는 경우가 생기는데 이런 경우가 해당됩니다. 유체의 증기압은 삼중선도에서 통해 확인할 수 있듯이 고온
조건에서 더 쉽게 기체로 변할 수 있습니다. 따라서 캐비테이션을 방지하기 위해서는 펌프 suction으로 들어가는 유체를
최대한 차갑게 유지해야 합니다. 이 경우를 방지하기 위하여 화학공정에서는 보통 펌프 전단에 열교환기를 설치하여
유체의 온도를 냉각시킨 후 펌프를 통해서 유체를 이송합니다.
c. 흡입배관을 크게 하여 흡입배관 손실을 줄인다
펌프 흡입배관이 작을 경우 유체이 이동속도가 빨라지게 됩니다. 베르누이 방정식에 따라서 이동속도가 빨라지게 되면
배관 내 압력이 낮아지게 되며, 압력이 낮아짐으로 캐비테이션이 발생할 수 있습니다. 따라서 배관 관경 유체의 증기압
보다 낮아지지 않도록 유지할 수 있는 크기의 사이즈로 크게 설치합니다.
d. 흡입측 배관 구성을 최대한 간단하게 설계하여 흡입측 양정, 마찰손실을 최소화 한다.
흡입측 배관에 엘보, 밸브 등 마찰 손실을 유발하는 부착물이 많을 경우 흡입압력이 낮아질 수 있으므로 흡입측 배관은
최대한 간단하고 마찰손실이 발생하지 않도록 설계/설치 합니다.
e. 펌프의 회전속도를 낮춘다.
c항목에서 언급한 베르누이 방정식에 의해 속도가 낮아지면 압력이 높아지기 때문에 펌프의 회전 속도를 낮춰서 유체의
증기압보다 낮아지지 않도록 합니다. 다만 펌프의 회전속도를 낮출 경우 공급량이 부족해질 수 있으므로, 최소 유체공급
량을 만족하는 정도의 회전속도를 맞추도록 합니다.
f. 편흡입 펌프를 양흡입으로 바꾼다.
4. 캐비테이션 현상 점검 방법
a. 소음 여부 점검
캐비테이션이 발생하면 큰 소음이 발생하기 때문에, 점검 시 평소와 다른 소음이 발생하는지 확인합니다.
b. 진동 여부 점검
캐비테이션 현상 발생 시 공기방울이 파괴되면서 진동을 수반하며, 캐비테이션으로 인한 부품 파손이 발생할 수 있으므로 평소와 다른 진동이 있는지 확인합니다.
c. 성능 저하
펌프의 공급유량이 줄어들거나, 공급압력이 낮아져 성능이 저하되었는지 확인합니다.
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