증기계통에서의 워터해머 발생 원인과 대책(1)

하기 1, 2, 3, 4 항은 일본 TLV 사 내용입니다.

 1. 증기계통에서의 워터 해머 발생 메커니즘

⑴워터해머 (스팀 해머)란 무엇일까요?

수도 꼭지를 갑자기 열고 닫으면 "쿵쿵캉캉"소리가 납니다. 이것은 물 배관계(시스템)의 워터 해머이며, 공장등에서는펌프의 기동·정지나 에어벤트가 갑자기 닫히는 경우에 발생합니다.

 

물 배관계(시스템) 와는별도로, 증기 및 응축수 회수배관계(시스템)에서도 워터 해머가 발생합니다. 증기와 드레인(응축수)에의해 발생하는 워터 해머를해외에서는 스팀 해머(증기해머)라고도 부르고 있습니다. 아래에 증기(스팀) 및드레인회수배관계통(시스템)의 워터 해머에 초점을 맞추어 정리해 보겠습니다.

 

⑵워터해머 (스팀 해머)는 매우 위험합니다 !!

증기배관이나 증기 사용 설비에 증기를 통기 시작하면 "쿵,쾅 ...하는"등의 금속 소리와 때로는"쿵"하는 심한 충격음과

진동이 발생할 수 있습니다.여러분들도 그런 경험이있을 것입니다.

 

워터 해머가 발생하면 그 배관 내에서는 순간적으로 10MPa 이상의급격한 압력 변화가 일어날 수 있습니다.

 

이 충격에 의해 배관이나 장치, 건물의 큰 흔들림이 발생해접합부의 가스켓뿐만 아니라 때로는 밸브 자체나 플랜지가 파손됩니다.

만일, 밸브 등이 파괴되면 단번에 대량의 증기나 고온 드레인(drain)이 분출하여, 큰 사고가 날 위험이 있습니다. 해외에서는, 워터 해머가 원인으로 보이는 사망 사고도 보고되고 있습니다. 이처럼 위험한 워터해머이지만, 그 발생 원인·대책에 대한 연구나 문헌이 매우 적어 많은 분들이 대응에 고심하고 있는 실정입니다.

 

워터 해머(스팀 해머) 종류별 발생 장소

 

워터해머는 문자 그대로, "워터" 즉 물덩어리가 배관 등에 충돌하거나, 덩어리끼리 충돌하여, 마치 "해머(망치)"처럼 큰 충격을 주는 현상입니다.

 

그럼 왜 물이 배관 등에 큰 충격을 주는 것일까요?

 

증기・환수관계의 워터해머 발생에는 주로 2가지 패턴이 있을 것으로 생각됩니다.

 

①배관 내의고속 드레인 충돌로 일어나는 워터해머

②증기가 급격히응축되어 드레인끼리 충돌하여 일어나는 워터해머

 

①배관 내의 고속 드레인 충돌로 일어나는 워터해머

증기를 수송하는 배관에서는방열에 의해 드레인이 발생합니다. 증기가 고속으로 배관 안을 흐르면,체류하던 드레인들은 증기의 흐름에 밀려, 점차 덩어리를 만들어 이동을 시작합니다. 이것은 태풍이 올 때 발생하는 높은 파도에 가깝다고 할 수 있습니다.

 

이 드레인 덩어리가 증기의 흐름에 의해 고속으로 배관 안을 이동하여,배관의 구부러짐 부분이나 배관 도중의 밸브에 충돌해 워터 해머가 발생합니다.

②증기가 급격히 응축되어 드레인끼리충돌하여 일어나는 워터해머

증기는 방열하면 드레인화됩니다. 증기와 드레인의 비체적 차이는 1000배 이상이나되지만, 증기는 차가운 드레인과 접촉하면 단번에 응축되어 증기 부피가 거의 제로가 됩니다.

 

이 응축과정에서 증기가 존재하던 공간은 일시적으로 진공상태가 되며,이 진공부를 향해 배관내의 드레인들이 밀려와 드레인끼리 충돌함으로써 워터해머가 발생합니다.

 

즉, 차가운 드레인 및 증기가 혼재하는 환경이 위험하다고할 수 있지만, 환수관 등은 오히려 그런 환경이 정상적이어서, 대책이어려운 것도 이 패턴의 특징입니다.

증기 수송관이나증기 사용 장치 내에서도 응축에 의한 워터 해머는 발생합니다.

두 패턴 모두 강력한 충격이 발생하지만 발생 빈도는 압도적으로 두 번째 응축 패턴에 의한 것이 많다고생각됩니다. 

 

차가운 드레인 쪽이 해머(망치)의 충격이 클까요?

TLV사에서실시한 실험에서 의외의 사실이 판명되었습니다. 그동안, 드레인온도가 낮을수록 큰 워터해머가 발생한다는 견해가 있었지만, 차가운 드레인보다, 증기 온도에서 조금 낮은 온도의 드레인에서 일어나는 워터해머가 더 충격이 크다는 실험 결과를 얻었던 것입니다.

 

구체적으로는, 100℃의 증기에 대해, 50~60℃의 드레인에서 발생하는 해머보다 70~80℃의 드레인에서발생하는 워터해머가, 규모가 크고 충격도 강했습니다.

사실, 워터해머의 충격을 시뮬레이션 하는 계산식에는, 응축하는 증기의 체적(=이를 증기덩어리 라고 부릅니다)이 크게 관계합니다.

 

이는 다음과 같이 생각할 수 있습니다.

 

증기가 차가운 드레인과 접촉하게 되면, 바로 응축이 되어버립니다. 작은 기포 단계에서 응축하므로 “증기덩어리” 는 성장할 수 없습니다. 또 한편으로는,

 

같은 온도의 드레인과 접촉해도 증기는 즉시 응축되지 않기 때문에, 워터해머는 발생하지 않습니다.

이는, 스팀트랩 출구에는 포화 드레인과 같은 온도의 플래시증기가 혼재하지만, 워터 해머가 일어나지 않는 것에서도 설명할 수 있습니다.

 

귀찮은 것은, 이 어느 쪽도 아닌 조건입니다. 즉시 응축하지 않음에도 불구하고, 어떤 계기로 응축을 시작하는 온도의드레인입니다. 70-80℃ 라는 온도는 워터해머의 위력에 영향을 주는“증기 덩어리”를 성장시켜, 어느 때 갑자기급응축시키는 위험한 드레인 온도였던 것입니다.

 

그렇다면, 무엇이 계기가 되는 걸까요? “워터해머 대책 1” 에서 워터해머를 발생시키는 계기와 증기배관의 워터해머대책에 대해 정리해 봅니다.

 

 

2. 워터해머 대책 1

발생 장소와 원인 특정이중요

워터 해머는, 순식간에 밸브 등을 파괴할 정도의 큰 충격을발생시키는 경우와, 오랜 시간이 지나 파손에 이를 수 있으며, 모두사고로 이어질 수 있으므로 대책이 필요합니다.

 

워터해머 전편(발생 메커니즘)에서는 증기에 기인하는 워터해머(스팀해머)에 이하의 2가지 종류가 있음을 설명했습니다.

 

①배관 내의 고속 드레인 충돌로 일어나는 워터해머

②증기가 급격히 응축되어 드레인끼리 충돌하여 일어나는 워터해머

 

이 어느 쪽이 원인으로 일어나고 있는지, 발생 장소와 타이밍에따라 워터 해머 대책도 다릅니다. 적절한 대책을 마련하기 위해 우선 발생원을 특정하는 것이 중요합니다.

 

증기에 종사하는 사람들의 수칙으로 “워터 해머가 발생하면즉시 밸브를 잠궈라”, “밸브는 천천히 조작하라”는 말을많이 듣습니다. 즉시 밸브를 닫는 것은 증기의 흐름을 멈추기 위함이지만 밸브를 천천히 열어가는 것은두 가지 의미가 있습니다.

 

－증기의 유속을 느리게 하다⇒관성력을 약화시킵니다

－급격한 드레인발생을 방지합니다⇒단위 시간당 드레인 발생량을 억제합니다.

 

이러한 효과에 의해 드레인(drain)이 고속으로 흐르기어려워지므로 밸브를 천천히 조작함으로써 1. 배관내의 고속 드레인(drain)이일으키는 워터 해머를 방지할 수 있는 경우가 있습니다.

 

증기의 급응축을 일으키는계기는 무엇일까요?

하지만, “천천히 밸브를 열었는데 워터해머가 발생했다” “곧 밸브를 잠갔는데 워터해머가 한동안 멈추지 않았다”는 경험을하신 분도 계십니다. 도대체 무슨 일이 일어나고 있는 걸까요?

 

밸브를 잠그면 멈추는 워터해머.

밸브를 잠궈도 멈추지 않는워터해머

천천히 열어도 발생하거나, 바로 닫아도 가라앉지 않는 것은, 전술한 2종류의 워터해머 중, 증기가급격히 응축하여 드레인끼리 충돌하여 일어나는 워터해머입니다.

 

이 급응축을 일으키게 하는 계기는, 한마디로 파도타기입니다. 국소적인 파도가 증기덩어리를 고립시켜, 워터 해머를 발생시킵니다. 워터 해머가 발생하면, 그 충격의 “흔들림”으로 다시 파도가 발생하여 증기덩어리를 고립시켜, 워터 해머를 지속시키는 구조입니다. 

 

파도에 의해 워터 해머가 발생하는 구조.

파도에 의해 증기괴가 고립되는 것은, 증기덩어리를 고립시킬만한 “고수위 드레인”이 배관 내에 존재하고 있기 때문입니다. TLV 실험에서는 드레인 수위가 관내 높이의 약 80%를 넘자 워터해머발생이 시작되었습니다.

 

물결은 있으나 드레인 수위가낮은 경우(워터 해머 발생하지 않음)

드레인 수위는 높지만 물결이없는 경우(워터 해머 발생하지 않음)

드레인 수위가 높고 파도가일어나는 경우(워터 해머 발생)

증기수송관의 워터해머 대책.

증기 수송관의 워터 해머의 대부분은 증기 공급 초기에 발생합니다. 밸브를천천히 조작함으로써 고속 드레인에서 워터 해머는 방지할 수 있지만, 증기의 급응축으로 일어나는 워터해머는 고수위 드레인 방지 및 제거해야 해결이 가능합니다.

 

두 패턴의 워터 해머에도 드레인(drain)이 관여하고있기 때문에 근본적인 대책으로 증기 수송관에서 드레인(drain)을 배제합니다. 적절하게 스팀트랩을 설치하여 증기운송관 내의 드레인(drendent)을빠르고 확실하게 제거하는 것이 중요합니다.

 

트랩의 개수나 설치 부분에 신경을 쓰고 있는데, 워터 해머가발생하는 경우 증기 수송관의 역경사가 원인일지도 모릅니다. 역경사의 배관에서는 예정된 트랩을 향해 드레인이흐르지 않기 때문에 예상치 못한 장소에서 드레인 수위가 높아질 수 있습니다.

 

장거리 증기 수송관에서는 약간의 역경사가 워터 해머의 원인이 됩니다.지붕이나 지면을 기준으로 배관을 설치한 경우에는 배관 구배를 다시 한번 확인해 주십시오. 

 

하행 경사의 증기 배관의 경우(워터 해머는 발생하지않음)

상행 경사의 증기 배관의경우(워터 해머 발생)

이 밖에 정지된 분기배관에 드레인 고여 있는 것 등도 원인이 될 수 있습니다. 이들은 워터해머 원인의 한 예로 워터해머 해소를 위해서는 배관 전체를 넓게 둘러보고 원인을 밝혀내고 대책을마련해야 합니다.

 

배관 분기점 방법에 의한 워터해머 유무.

 

장치의 워터 해머 대책.

워터 해머는 장치 내에서도 발생합니다.이 경우도 고수위의체류 드레인 때문이지만, 정상 운전에서도 발생하는 곳이 증기 수송관과 다릅니다.

 

예를 들어 쉘 앤 튜브 열교환기에서는 피가열 물량의 감소나 피가열물 온도의 상승 등으로 장치의 부하가감소하면 트랩 전후의 차압이 없어지고 쉘 내부에 드레인들이 체류합니다.이것을 스톨 현상이라고 합니다.또한 장치가 정지하면 배압에 따라서는 쉘 안이 만수가 되는 경우도 있습니다.스톨현상에 대해서는 스톨 현상 전편(발생 원인과 문제)에서도다루고 있습니다.

 

드레인 수위가 높은 상태에서 증기가 공급되면 급응축 워터 해머가 발생합니다.단, 증기 수송관과 같은 심한 충격이 아니라 소규모 충격이 일시적으로발생하는 경우가 대부분입니다.

 

소규모 워터 해머는 오랜 세월이 지나 갑자기 장치를 파손시킵니다.파손되는것은 압력이 높은 = 부하가 높은 = 풀조업인 경우가 많기때문에 신속하게 드레인 배제를 실시하는 것이 예방 보전의 관점에서 중요합니다.

 

쉘앤튜브 열교환기 워터해머

장치 내부에 드레인 체류 원인은, 전술한 스톨 현상 이외에, 열교환기 구조상의 문제, 밸런스 라인(균압관)의 문제, 트랩이나배관의 설치 상태, 드레인 회수의 배관 상태에 따라서도 다릅니다. 각각의원인을 판별하여, 증상에 따른 처치가 필요합니다. 

 

워터해머 대책2 에서는, 장치의 대책의 지속과 대책이 어렵다고 여겨지는환수관계의 워터해머에 대해 정리합니다.

 

 

#공조기코일내부에서부압(마이너스압력) #증기배관구경선정 #워터해머 #스톨현상 #응축수배출 #드레인배출 #오트랩 #고정오리피스식스팀트랩 #O-TRAP #필요증기량 #감압밸브 #감압변 #증기시스템 #증기공조기손상 #공조코일파손 #증기트랩 #오그덴펌프 #트랩펌프 #파워트랩 #펌핑트랩 #세퍼레이터(기수분리기) #헤더트랩 #관말트랩 #증기열교환설비에서워터햄머현상및방지대책 #공조기코일내부에서 #OTRAP

 

O-TRAP 상담 문의 ;

O-TRAP 관련 홈페이지 : http://k.o-trap.cn

O-TRAP 관련 E-mail 문의처 : tjchung@naver.com

O-TRAP 관련 Tel 문의처 : 070-7747-8290