수격작용(Water Hammering): 원인, 문제점 및 예방 방법

수격작용(Water Hammering): 원인, 문제점 및 예방 방법

 

1. 수격작용이란?

수격작용(Water Hammering)은 유체가 흐르는 배관 시스템에서 유속이 급격히 변화할 때 발생하는 현상입니다.

펌프가 정전으로 인해 갑자기 멈추거나, 밸브를 급격하게 개폐하는 경우 관 내 유속이 급변하게 됩니다. 

이에 따라 유체의 운동에너지가 순간적으로 압력으로 전환되면서 배관 내에서 큰 압력 변동이 발생합니다. 이 과정에서 충격파가 형성되며, 배관이 흔들리거나 심한 소음과 진동이 발생할 수 있습니다.

수격작용은 산업 시설뿐만 아니라 일반 건축물의 급수 시스템에서도 발생할 수 있으며, 배관망 내의 흐름이 갑자기 차단될 때 빈번하게 나타납니다.



2. 수격작용의 원인

수격작용은 여러 가지 원인으로 인해 발생할 수 있으며, 대표적인 원인은 다음과 같습니다.

  1) 급격한 유속 변화

    - 밸브를 갑자기 개폐할 경우 유체의 흐름이 급격히 변하여 압력 변동이 발생합니다.

  2) 펌프의 갑작스러운 정지

    - 정전이나 기계적 결함으로 인해 펌프가 갑자기 멈출 경우 유체가 급작스럽게 멈추면서 압력이 급상승하거나

      하강할 수 있습니다.

  3) 배관 내 공기 방울

    - 배관 내 공기가 포함된 경우, 압력 변동 시 공기가 압축 또는 팽창하면서 추가적인 충격파를 발생시킬 수 있습니다.

  4) 배관 구조의 문제

    - 배관의 길이, 직경, 밸브의 위치 등이 수격작용의 강도와 빈도를 결정하는 요소가 될 수 있습니다.



3. 수격작용의 문제점

수격작용은 단순한 소음 문제를 넘어 배관 시스템에 심각한 영향을 미칠 수 있습니다. 다음과 같은 문제점이 있습니다.

  1) 배관 손상 및 파손

    - 반복적인 충격이 배관의 내구성을 저하시켜 균열이나 파손을 초래할 수 있습니다.

  2) 설비 및 장비 고장

    - 펌프, 밸브, 연결 부위 등이 지속적인 충격을 받을 경우 고장의 원인이 될 수 있습니다.

  3) 소음 및 진동

    - 수격작용이 발생하면 큰 소음이 발생하며, 이는 실내 환경이나 작업 환경에 부정적인 영향을 미칠 수 있습니다.

  4) 유체 공급 불안정

    - 급수 및 공업용 배관 시스템에서 수격작용이 빈번하게 발생하면 안정적인 유체 공급이 어려워질 수 있습니다.

 

  5) 운영 비용 증가

    - 지속적인 충격과 진동으로 인해 배관 및 관련 장비의 유지보수 비용이 증가할 수 있습니다.



4. 수격작용 방지 및 보완 방법

수격작용을 예방하고 보완하기 위해 다음과 같은 방법을 적용할 수 있습니다.

  1) 서서히 밸브를 개폐

    - 밸브를 서서히 조작하여 유속 변화가 완만하게 일어나도록 합니다.

  2) 서지 탱크(Surge Tank) 및 공기 챔버(Air Chamber) 설치

    - 충격을 흡수하는 장치를 배관 시스템에 추가하여 압력 변동을 완화합니다.

  3) 압력 조절 밸브 사용

    - 압력을 일정하게 유지하도록 설계된 밸브를 활용하여 과도한 압력 상승을 방지합니다.

  4) 배관 설계 개선

    - 배관의 경로, 직경, 밸브 위치 등을 최적화하여 수격작용이 발생할 가능성을 줄입니다.

  5) 자동 제어 시스템 도입

    - 펌프 및 밸브의 작동을 자동화하여 급격한 유속 변화를 방지합니다.

  6) 배관 내 공기 제거

    - 에어 밴트(Air Vent) 또는 블리더 밸브(Bleeder Valve)를 설치하여 배관 내 공기를 제거함으로써 추가적인

      충격을 줄입니다.

  7) 충격 방지 밸브 적용

    - 수격작용을 효과적으로 완화할 수 있는 체크 밸브(Check Valve)나 슬로우 클로징 밸브(Slow Closing Valve)를

      사용합니다.



5. 수격작용의 산업적 영향

수격작용은 다양한 산업 분야에서 문제를 일으킬 수 있습니다.

  1) 발전소 및 플랜트

    - 고압 배관 시스템에서 수격작용이 발생하면 발전 설비의 손상을 유발할 수 있습니다.

    - 발전소의 증기 배관이나 냉각수 라인에서 수격작용이 발생하면 열 교환기, 터빈, 보일러 등에 심각한 영향을 줄 수

      있으며, 장비의 효율 저하와 수명 단축을 초래할 수 있습니다.

  2) 석유 및 가스 산업

    - 장거리 파이프라인에서 수격작용이 발생하면 배관 파손 및 누출 사고로 이어질 수 있습니다.

    - 고압으로 운송되는 원유나 천연가스의 경우, 수격작용이 발생하면 배관의 용접부 균열, 플랜지 이탈, 밸브 파손 등의

      심각한 문제가 발생할 수 있습니다.

  3) 건축물 급수 시스템

    - 고층 건물에서 급수 펌프 및 배관의 수명을 단축시키는 원인이 될 수 있습니다.

    - 고층 건물에서는 급수 펌프가 작동할 때 수격작용이 발생할 가능성이 크며, 이에 따라 배관 내부 손상 및 누수가

      발생할 위험이 있습니다.

  4) 화학 공정 산업

    - 정밀한 유체 제어가 필요한 화학 공정에서 수격작용이 발생하면 품질 저하 및 안전 문제를 초래할 수 있습니다.

    - 특정 화학 물질이 포함된 배관에서는 예상치 못한 압력 변화가 반응성 물질의 혼합이나 공정 흐름에 영향을 주어

      생산 품질을 저하시킬 수 있으며, 경우에 따라서는 폭발 위험을 초래할 수도 있습니다.

  5) 수처리 및 상하수도 시스템

    - 정수장이나 하수처리장에서 수격작용이 발생하면 펌프 및 배관 손상이 일어날 수 있습니다.

    - 정수장에서 고압으로 물을 공급하는 과정에서 수격작용이 발생하면 주요 밸브 및 필터 시스템이 손상될 수 있으며,

      이로 인해 장비 교체 비용이 증가할 수 있습니다.



6. 결론

수격작용은 배관 시스템에서 흔히 발생하는 문제로, 이를 적절히 관리하지 않으면 배관 및 설비에 심각한 손상을 초래할 수 있습니다. 하지만 적절한 예방 조치와 보완 장치를 적용하면 수격작용을 효과적으로 완화할 수 있습니다. 시스템의 설계 단계에서부터 수격작용을 고려하는 것이 중요하며, 지속적인 유지보수 및 모니터링을 통해 문제를 예방하는 것이 필수적입니다.

장기적인 관점에서 수격작용을 최소화하는 것은 유지보수 비용 절감뿐만 아니라 시스템의 안정적인 운영을 보장하는 핵심 요소 중 하나입니다. 따라서 설비 운영자는 수격작용을 예방하는 다양한 기술과 방법을 숙지하고 이를 적극적으로 적용해야 합니다.