수도의 밸브를 빠르게 열거나 닫았을때 「쾅」하는 소리를 들어본 경험은 없습니까? 이것은 물 배관 시스템에서 워터해머가 발생하는 소리 입니다. 공장에서는 펌프의 동작 시작이나 멈춤시 또는 에어벤트가 갑자기 닫혔을때 자주 발생합니다.

물배관 뿐 아니라 증기와 응축수 회수배관 혹은 해수순환배관 에서도 발생합니다. 이번 내용에서는 증기와 응축수 회수배관에서 발생하는 워터햄머에 중점을 두도록 하겠습니다. 증기 배관에서 발생하는 것으로 때로는 스팀햄머라고도 부릅니다.

워터햄머의 위험성

증기를 배관에 공급하거나 장치에 공급할 때 반복적으로 「캉,캉・・」하는 금속을 때리는 소리나 때로는「쾅」하는 강한 충격음과 진동이 발생하는 경우가 있습니다. 아마 대부분의 증기 사용설비에서 이러한 문제를 가지고 있을 것으로 생각 합니다.

워터햄머의 소리를 들어 본적 있습니까?

워터햄머가 발생할 때에는 배관내부의 압력이 10MPa가 넘게 급격히 변하는 경우가 있습니다.

이와 같은 충격으로 배관이나 장치, 건물자체에 큰 흔들림이 발생해 가스켓뿐 아니라 밸브나 플랜지 자체가 파손 됩니다.

워터햄머로 파손된 배관의 예

만일 밸브가 파손되면 대량의 응축수나 증기가 분출되 위험한 사고로 발전할 위험성이 있습니다. 해외에서는 워터햄머가 원인으로 추정되는 사망사고 또한 보고되어 있습니다. 이와 같이 위험한 워터햄머 입니다만 발생원인, 대책에 대한 연구 문헌이 적어 곤란한 것이 사실 입니다.

워터햄머의 발생 장소

증기 및 응축수 회수배관에서 발생하는 워터햄머는 주로 2가지 종류의 패턴이 있습니다.

• 배관내의 빠른 유속에 따른 응축수 충돌로 인한 워터햄머
• 증기가 급격히 응축하여 체적이 작아 지는 것으로 주위의 응축수 들을 끌어 들여 서로 부딫힐때 발생하는 워터햄머.

응축수의 빠른 속도로 발생하는 워터햄머

증기의 유송배관에서 방열손실은 증기의 응축을 발생시키게 됩니다. 증기는 빠른 속도로 흐르고 있으며 발생한 응축수는 증기에 밀려 파도와 같이 밀리가게 됩니다.

이렇게 발생된 파도가 배관내의 엘보나 밸브에 부딫혀 워터햄머가 발생하게 됩니다.

증기의 급속한 응축에 의해 발생하는 워터햄머

증기가 열량을 잃게되면 응축을 하게 됩니다. 이 응축수는 증기보다 1000배정도 체적이 작습니다. 응축수의 환경에 증기가 유입되면 증기는 열량을 잃어 순식간에 응축하게 됩니다.

응축을 하게 되면 순간적으로 진공상태가 만들어 지게 되며, 이 진공 상태의 공간에 주위에 있는 응축수들이 몰려와 응축수간의 충돌로 워터햄머가 발생하게 됩니다.

다시 말해 온도가 낮은 응축수와 증기가 만나 발생하는 워터햄머 인데, 응축수 회수관에서는 이와 같은 상황이 항시 발생하는 곳이라 해결 이 어려운 것이 특징입니다.

Note 위와 같은 워터햄머는 응축수의 회수배관 뿐 아니라 증기의 유송배관 및 증기사용 설비에서도 발생 합니다.

양쪽다 충격이 큰 워터햄머가 발생하지만. 발생 빈도는 두번째의 경우가 더 많을 것으로 생각 됩니다.

응축수의 온도가 낮을수록 충격이 큰 워터햄머를 발생시키는 원인이라고 생각했었습니다. 하지만 실험에서 놀라운 결과를 얻을수 있었습니다. 증기의 온도보다 조금 낮은 응축수에서 발생하는 워터햄머가 차가운 응축수에서 발생하는 워터햄머보다 더 큰 충격을 가진다는 것 입니다.

조금더 구체적으로 이야기 하면 100 ºC의 증기라고 하면 70 ºC나 80 ºC의 응축수 환경에서 보다 50 ºC나 60 ºC의 응축수 환경에서 더 큰 워터햄머가 발생한다는 것 입니다.

사실 워터햄머의 충격을 시물레이션 하는 계산식은 응축을 하게되는 증기의 체적이 크게 관계하고 있음을 알 수 있습니다.

그래프를 보면 응축수의 온도에 따라 3개의 구역으로 나뉘는 것을 확인할 수 있습니다.

• 그래프의 왼쪽을 보면 증기는 차가운 응축수와 만나 순식간에 응축수로 변합니다. 이 경우에는 작은 거품이 터지는 정도로 증기의 체적이 커질수 없기 때문에 작은 워터햄머가 발생을 합니다.
• 그래프의 중간을 보면 증기와 응축수 사이의 온도차이(20-30°C)가 크지 않기 때문에 증기가 급격히 응축을 하지 않고 큰 체적을 차지하게 됩니다. 큰 체적의 증기가 한꺼번에 응축을 하는 것으로 많은 양의 응축수의 충돌을 만들고 이 때문에 큰 워터햄머가 발생을 합니다.
• 그래프의 오른쪽을 보면 증기와 응축수의 온도는 거의 같아 지게 되고 이에 따라서 워터햄머의 발생은 없어지게 됩니다. 이것은 스팀트랩에서 배출되는 응축수와 재증발 증기 사이에 온도차이가 없기 때문에 워터햄머가 발생하지 않는것과 같은 원리 입니다.

70ºC~80 ºC의 응축수 환경에서는 증기의 체적이 크게 만들어 질 수 있어, 가장 큰 워터햄머가 발생할 수 있다는 것을 알아 보았습니다. 그러면 무었이 원인일 까요? 내용확인은 워터햄머 : 발생원인과 발생장소.