pump cavitation은 심각한 소음과 펌프를 손상시킬 수 있는 에너지를 유발할 수 있는 파괴적인 issue이다. 이는 펌프 운전 및 수명에도 큰 영향을 주지만 설계적 측면 및 운전, 유지관리를 잘 수행할 경우 cavitation문제를 피할 수 있다.
cavitation은 pump casing내부에서 저압에 의해 액체 흐름중 vapor bubble이나 cavity가 발생되어 이후 임펠러를 통한 압축 과정에서 이 기포가 깨지면서 임펠러, casing등에 침식 및 소음과 진동을 초래하고 unbalanced로 인해 seal system까지 영향을 줄 수 있다.
액체가 pump casing내로 도입되면서 압력 강하가 일어나 순간적으로 bubble이 발생하며 가장 주요한 원인으로는 suction에서 충분한 head를 제공하지 못하기 때문이다. 이는 suction vessel의 운전 압력이 감소했거나 온도가 올라 vapor pressure가 증가했거나 유량이 증가하여 suction line에서 friction loss가 설계 대비 크게 증가하였거나 strainer가 막혔을 경우 cavitation발생 가능성이 높게 된다.
즉 impeller eye를 통해 흐를 때 운전 압력이 vapor pressure보다 낮게 되면 bubble이 발생되어 이 때 임펠러의 회전운동에 의해 압축이 진행될 때 이 bubble이 casing이나 impeller에 충돌하면서 깨지는 현상이 일어나게 된다. 이 때 펌프의 성능은 저하되며 심지어 기계적 손상까지 야기할 수 있다. 원심펌프에서 운전원리상 종종 발생될 수 있으며 submersible pump는 발생빈도가 매우 낮다.
NPSHA는 시스템적으로 suction에서 제공할 수 있는 head이며, NPSHR은 impeller 및 casing design에 따라 pump가 요구하는 head인데, 설계시에 NPSHA가 NPSHR보다 충분히 커야 한다. 이 차이가 작거나 혹은 오히려 NPSHR이 더 클 경우 cavitation가능성이 매우 높게 된다.
Cavitation and its Effect
운전중 펌프 전단의 열교환기에서 설계 대비 과도하게 온도가 올라 vapor pressure에 인접하거나 증발압력에 도달할 경우, 펌프 성능 곡선상 운전점이 너무 오른쪽에 있을 경우 NPSHR값은 더 커지게 되어 결국 NPSHR이 NPSHA보다 커지거나 근접하게 되어 cavitation가능성이 높아진다. 그리고 pump speed가 더 커질 경우에도 cavitation가능성이 존재한다.
Cavitation Type은 2가지가 있으며 vapor cavitation과 gas cavitation이다. vapor cavitation은 suction에서의 운전압력이 증발압력보다 낮을 경우 bubble이 생기며 고속으로 회전하면서 임펠러에 충돌하고 casing내벽에도 충돌하면서 소음 및 침식을 야기한다.
반면, gas cavitation은 액체내의 용해가스가 나와서 고속회전으로 인해 임펠러나 casing에 충돌하면서 발생된다. 이는 운전온도에 따른 용해도 및 suction에서의 운전압력에 따라 cavitation발전 형태는 달라질 수 있다. 기계적 피해 측면에서는 vapor cavitation이 gas cavitation보다 훨씬 심각하며 gas cavitation의 경우 회전을 통해 압축되면 일부 가스가 다시 액체속으로 확산되어 용해됨에 따라 그 영향력은 vapor cavitation보다 약하다.
Bubble Formation During Cavitation
cavitation이 일어나는 위치에 따라 suction cavitation 혹은 discharge cavitation이라고 하며, cavitation으로 인해 일어나는 현상들로는 예상치 못한 진동, 펌프 성능 저하, 임펠러 침식, mechanical seal 손상, 베어링 손상, 불규칙한 전력소모, 지나친 소음, 기계적 손상 등이다.
cavitation을 방지하기 위해서는 제일 먼저 bubble이 생성될 수 있는 환경을 피하는 것이다. 이를 위해 펌프 speed를 낮추고, 액체 레벨을 올리고, 운전온도를 낮추며, 임펠러 직경을 키우거나, vapor 생성이 없는 임펠러 inlet geometry를 선택하고, impeller inducer를 설치하거나, pump suction line size를 키우거나, suction line에서의 gas pocket을 피하고, suction reducer는 가능한 펌프 가까이 위치하며 FOT type으로 설치한다.
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