워터해머와 그 방지

[hvacyoon]

2-7 워터해머와 그 방지

 2-7-1 워터해머의 원인

  급수배관에서 워터해머의 발생 원인에는 다음의 두 가지가 있다.

  (1) 배관 내에 흐르는 물을 급격히 차단하는 경우

  (2) 펌프가 정지할 때의 수주분리

  1. 배관 내 물 흐름의 급격한 차단

  배관 내에 흐르는 물을 밸브나 수도꼭지 등에 의해 순간적으로 차단하면, 물은 운동에너지에서 압력에너지로 변하여 급격한 압력상승이 생긴다. 상승한 압력은 압력파가 되어 닫힌 지점과 상류측의 배관 내를 그림 2.56과 같이 일정시간 반복되다가 점차로 소멸한다. 이 현상을 워터해머(water hammer)라하며 심한 경우 배관계통을 진동시키거나 충격음을 발생시키며 누수의 원인이 된다. 정수압이 낮은 위치에서는 배관내의 압력이 부압이 되는 경우도 있으므로 유의할 필요가 있다.

          

 그림 2.56  워터해머의 설명도

  워터해머에 의해 상승한 압력(수격압)은 유속에 비례하여 커지기 때문에 급수관의 유속이 빠른 경우 큰 영향을 받는다. 따라서 급수관 내의 유속은 되도록 느리게 하는 것이 바람직하며 2[m/sec]를 넘지 않도록 제한하고 있다.

  직선 배관에서의 워터해머에 관한 해석은 충분히 이루어졌으나, 실제의 급수배관에서는 복잡한 형상을 하고 있기 때문에 충분한 해석이 되어 있지 않은 실정이다. 일반적으로 워터해머에 의한 압력파의 전달속도는 다음의 식으로 나타낸다.

                       Ｋ/ρ

           α＝------------------------

                     Ｋ      d

                1 ＋------ ㆍ -----

                     Ｅ      t

     여기에서, α : 압력파의 전파속도[m/s]

              Ｋ : 관내 유체의 체적탄성계수(상온에서 맑은 물의 경우 2.03× 10⁹[Pa])

              ρ : 관내 유체의 밀도[kg/㎥]

              Ｅ : 관 벽 재료의 종탄성계수(강관 : 2.06× 10¹¹[Pa], 일반배관용 스테인리스강관 :1.93× 10¹¹[Pa], 동관 : 1.20× 10¹¹[Pa], 경질염화비닐관 : 2.94× 10⁹[Pa] )

               d : 관의 내경[m]

               t : 관 벽의 두께[m]

  워터해머에 의한 수격압은 밸브 등의 폐지시간에 따라 다르다. 폐지시간 T 가 수격압이 전해지는 관 길이 L을 왕복하는 시간보다 짧은 경우 즉, T≤2L의 경우를 급폐지라고 하며, 급폐지인 경우 수격압의 크기는 다음 식으로 나타낸다.

          P ＝ραｖ

     여기에서, P : 급폐지 경우의 수격압[Pa]

              ρ : 관내 유체의 밀도[kg/m³]

              α : 압력파의 전파속도[m/s]

              ｖ : 흐르고 있던 유체의 유속[m/s]

  그림 2.57에 흐르고 있는 유체의 유속이 1.0[m/s]인 경우 각종 관에 생길 수 있는 수격압을 나타내었다. T≤2L/α의 경우는 급폐지의 경우보다 수격압이 작으며, 그 해석은 복잡하지만 유속에 거의 비례한다.

  2. 펌프가 정지할 때의 수주분리

  펌프 토출측의 체크밸브로 스윙식 체크밸브를 사용할 경우, 펌프가 정지해 역류가 시작되고 나서 체크밸브가 급폐지 하여 [1] 항에서 기술한 워터해머가 생기는 경우가 있으며, 그 외에 수주분리에 의해 워터해머가 발생하는 경우가 있다.

  수주분리라는 것은, 양수펌프가 정지해도 배관내의 물은 관성력에 의해 양수를 지속하려고 하므로, 양수관내의 압력은, 그림 2.58의 최저압력 구배곡선과 같이 된다. 이 구배곡선보다 위에 있는 양수관 부분에서는 배관내부가 부압(-)이 된다. 이 압력이 물의 포화증기압 이하가 되면 물이 증발하여 수주가 분리한다. 그러나 배관내의 압력은 곧바로 원래로 돌아오므로, 수주는 다시 결합해 하나의 수주가 되면서 격렬한 수격압이 발생한다.

  최저압력 구배선의 작도방법은 복잡하므로 여기에서는 생략한다.

그림 2.57  관에서 유속이 1.0[m/s]일 때 일어나 수 있는 수격압

그림 2.58  양수관에서 수주분리의 발생과 양수관의 수평높이 배관

  2.7.2  워터해머의 방지 방법

  밸브 등의 급폐지에 의한 워터해머의 발생을 방지 또는 완화하기 위한 방법은 다음과 같다.

  (1) 배관내의 유속을 2.0[m/s]미만으로 억제한다.

  (2) 워터해머가 생기기 쉬운 전자밸브나 급격히 개폐되는 수전 등의 근처에 그림 2.59에 나타낸 것 같은 워터해머 방지기를 설치한다.

      과거에는 그림 2.59(a)와 같은 공기실(air chamber)을 설치하여 충격압을 흡수하였으나, 공기가 물에 흡수되어 없어지기 때문에 시간이 경과되면 효과가 없는 것으로 알려졌다. 따라서 근년에는 그림 (b)~(d)와 같이 공기 등이 물에 흡수할 수 없도록 한 벨로즈형 또는 에어챔버형 등의 워터해머 방지기(shock absorbor)를 설치한다.

  (3) 양수펌프가 정지할 때 물의 역류에 의한 워터해머의 발생 방지에는, 역류가 시작되기 전에 밸브를 닫는 급폐 체크밸브 또는 역류를 허락하면서 밸브를 닫는 완폐 체크밸브 등의 수격방지용 체크밸브를 사용한다(그림 2.61).

    ㆍ 완폐형 체크밸브 - 관로에서 역류가 시작되었을 때 곧바로 닫히지 않고 유압에 의해 처음에는 급속하게 나중에는 천천히 닫히도록 한 구조이다. 바이패스계통에 주로 사용한다.

    ㆍ 급폐형 체크밸브 - 스모렌스키 체크밸브(완충 흡수형) 또는 듀오 체크밸브(버터플라이형)가 사용된다. 역류가 커지고 난 다음에 밸브가 급격히 닫히면 압력상승이 커지므로, 역류가 일어나기 전에 스프링 등에 의해 강제적으로 신속하게 닫히는 구조이다.

      양수펌프정지시의 수주분리에 의한 워터해머의 발생은, 양수관이 그림 2.58에 나타낸 최저압력 구배곡선보다 아래에 오는 위치, 즉 양수관의 수평배관은 가능한 한 낮은 위치로 배관하여 방지한다.

  (4) 물탱크에 사용하는 볼탭은 닫힐 때에 수면의 물결 때문에 개폐가 반복되어 수격작용이 생기므로 그림 2.62와 같이 워터해머 방지기를 설치한다. 또는 대구경의 볼탭을 설치하게 될 경우 소구경의 볼탭을 2개로 나누어 설치하거나 탱크 내에 방파판을 설치한다.

  (5) 상수도 또는 공업용수의 대규모 설비에서는 서지탱크(surge tank)를 설치하여 압력변동을 방지한다. 또한 펌프에 플라이 필(fly wheel)을 설치하여 급변속을 방지한다.

   

그림 2.59  워터해머 방지기의 구조

그림 2.60  워터해머 방지기의 설치 예

     

펌프가 작동을 시작하면 유체의 압력은 ⓐ를 통해 디스크 ②를 밀어 올려 ⓑ를 통과하여 출구 ⓒ로 유출한다. 펌프의 작동이 정지되면 상승압은 감소되어 역류로 전환되려는 순간(즉 흐름이 정지 된)에 스프링 ①과 완충산 ④의 조화된 힘으로 디스크 ②는 완전히 몸체시트 ③에 밀착된다. 이러한 작용에 의해 순간적으로 폐쇄되어 역류나 워터해머와 같은 현상이 발생하지 않는다. (바이패스는 항시 닫혀 있으며 필요에  따라 배수시에만 사용한다.)

그림 2.61  스모렌스키 체크밸브의 작동원리

그림 2.62  물탱크의 워터해머 방지기 설치 예