｜설계기술정보｜

60｜유신기술회보제10호

1. 서 론

상수공급관로또는하수이송관로등의폐쇄관로

내에서 진동과 소음이 심하게 발생되고 또한 배관

부식이급격히진행되어이로인해배관파손이문

제되는펌프및관로시스템을조사하고원인분석을

한결과주요원인이폐쇄관로내에서의공기에의

한 것임을 알 수 있었다. 이러한 폐쇄관로 내에서

공기발생원인은이미잘알려진바와같이관로계

통에최초충수시형성되는공기층의공기와물속

에용존된공기가일정하게흐르는유체(물) 속에서

압력이나 속도의 변화에 의해 용해되어 발생되는

공기, 관로내부압상태에서의공기유입, 공기밸브

와펌프흡입과정(vortex action)에서관로계통으

로유입되는공기등이다.

이외에도일정한압력하에서액체를가열하거나

일정한 온도에서 압력을 낮게 변화시키면 기포

(porcket of air)가발생하는원리에의거관로시

스템에서도 상부로 가면 압력이 낮아져서 기포가

많이발생되는데이기포는공기(산소＋질소)와수

증기가공존하고있다. 즉, 압력이낮아지면기포의

부피가증가하게되므로관로계통에서상부로갈수

록기포의비율은훨씬크다. 따라서일반적으로폐

쇄관로의공기발생은관로내의유체(물) 흐름이있

을경우만발생되는것으로알고있지만정지상태

에서도 앞에 언급한 현상에 의해 공기발생이 계속

일어나고있으므로송수관로나상수관망에서사용

중지시와야간시에공기발생이많아짐을고려하여

폐쇄관로 내 공기에 의한 향 및 압력변동현상을

조사제시하 다.

2. 공기발생원인

폐쇄관로 내에 공기가 용존하는 것은 관로 내의

물이대기중의공기와접촉함으로써침입되거나보

폐쇄관로내에서의공기발생원인과 향

김 일 복1)

1. 서론

2. 공기발생원인

3. 실제관로시스템조사와결과

4. 폐쇄관로에서의공기 향과대책

5. 결론

1) (주)유신코퍼레이션 기전부 이사(ibok@yooshin.co.kr)

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급수에이미용존되어있는공기가물속에완전히

용해된 상태로 관로 내를 흐르다가 배관중의 공기

상태가어떤온도와압력하에서의공기용해도보다

크기때문이다. 즉, 이것은<그림1>에서와같이정

적인상태에서첫째, 일정한압력에서액체를가열

할 때 둘째, 일정한 온도에서 압력을 낮게 변화할

때 셋째, 배관시스템의 피에조수두에 따른 기포

(porcket of air)변화등이있다.

이러한공기의역학적인상태를결정하는법칙으

로는 HENLY의 법칙, DALTON의 법칙,

BOYLE의법칙등3가지가있다.

·HENLY의법칙: X=P/H

X : 어떤 온도에서의 기체의 용해도(mole-

fraction)

P : 기체의분압(atm)

H : HENLY상수 (기체의종류와온도에관

한함수, atm/mole-fraction)

·DALTON의법칙(분압법칙) :

P= Po＋Pn＋Pv

P : 기포의압력

Po, Pn, Pv : 산소, 질소, 수증기의분압

·BOYLE법칙: PV = P1V1 = P2V2

P : 기체의분압, V : 기체의체적

즉, 동적상태가 아닌 정적상태에서도 폐쇄관로

내에서 공기가 발생이 되고 관로누수시 공기층 형

성이급진전된다.

3. 실제관로시스템조사와결과

위와 같은 현상으로 발생된 공기에 의해 폐쇄관

로내의소음과진동, 관로파손등의현상이나타난

실제 운 되고 있는 펌프 및 관로시스템 2개소를

조사한결과공기의 향이매우크다는것이확인

되었다.

(1)호형가압장의송수관로시스템

·펌프시스템: 1.11㎥/min×51m×2대(1대예

비) : 편흡입볼류트형모터펌프

·관로시스템: 호형가압장(포두면분기) 도화면

<그림 1> 공기발생및변화개요도

일정압력에서온도가 높아질때

일정압력에서온도가 낮아질때

관로내에서의 공기 상태 변화

온도계

압력계

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62｜유신기술회보제10호

: Ø200×11,760m

·현상 : 포두면 분기지점 하부관로에서 관로의

파손발생및펌프기동시진동이심함

(2)와부정수장의회수관로시스템

·펌프시스템 : 25㎥/min×18m×2대(1대 예

비) : 수중입축사류형모터펌프

·관로시스템: 회수조내집수정착수정:

Ø600×360m

·현상 : 펌프의정지및기동시진동이심하고

곡관기초지지볼트의이완

위2개소의원인분석을위한압력변동시뮬레이

션은미국캔터키대학에서개발된SURGE5를이

용하여 실제 펌프 및 관로시스템에서 발생되고 있

는현상이단순히수충격에의한즉, 관로내의밸

브 차단, 펌프의 정지 등의 유속변화에 의해 소음

진동이발생되는것인지, 아니면관로내형성된공

기에 의한 소음 진동인지를 비교 검토하 으며 이

중어느것이실제관로에서일어나는현상과동일

한가를검증하 다.

이 과정에서 기존 설치된 관로시스템의 문제점

및 개선사항이 발견되었으며 이중 대표적인 것은

<그림2>와<그림3>처럼펌프의장시간가동중지

시동수구배의변경에따른공기층형성과요즘많

이 사용되고 있는 <그림 4> 수중펌프의 수직관로

내(H.W.L과전동밸브사이)에서의공기층(수주분

리) 형성등으로서이때형성된공기층의 향은관

로내에서 유속의 급격한 변화를 초래하고 공기가

압축팽창하면서 <그림 5>와같이매우심각한부

압및상승압이발생되어심한경우관로파손의주

요원인이되고있었다.

3.1 호형가압장송수관로시스템

송수관로설계상에서는펌프가동시에는충분한

동수구배가형성되는것으로되어있지만실제운전

시와장시간운전중지시의동수구배는<그림2>와

같이 실제동수구배로 변경이 되어 공기층이 형성

되는데이것은관로의누수와배수지에서의누출이

<그림2> 장시간가동중지시동수구배의변경상태

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있으므로 발생되는 것으로서 이때 펌프가 기동이

되면 관로에 형성된 공기층으로 인해 관로가 파손

되고있음을확인할수있었다.

시뮬레이션결과는<그림3>과같이공기가있는

상태(왼쪽)에서 펌프를 기동하 을 때는 상승압과

부압이심하게발생되었으며특히, 부압이크게발

생되어관접합부의파손및압력변동에따른진동

등이 오랜 기간 반복적으로 발생되어 관로 파손의

원인이되었다.

3.2 와부정수장의회수관로시스템

현재펌프형식이수중입축형사류펌프로서펌프

정지후재가동시 <그림 4>에표시된부분인수직

관로 내에 흡입된 공기가 배기되지 않아 수직관로

와전동밸브사이에서부압및상승압이심하게발

생되어 이 현상의 향이 전동밸브 개도시 주관로

까지 파급되어 전체 관로시스템에서 부압 및 상승

압이발생되고있다. 따라서프라이밍작업을하던

지흡입된공기를즉시배기할수있는공기변시설

이필요하다. 여기서공기를제거하거나프라이밍

이완전할경우에는<그림5>(우측)와같이압력변

동상태가 양호하고 효과면에서도 시뮬레이션실시

결과 관로측에서 발생되는 상승압 및 부압의 변화

를매우효과적으로완화시켜주고있다. 즉, 공기층

에 흡입된 공기가 펌프기동시 유입되는 물에 의해

압축 팽창하면서 발생된 심한 압력변동에 의거 소

음과진동이발생되고있음이확인되었다.

<그림3> 관로내공기층유무에따른압력변동(A)

<그림4> 입축형수중펌프설치도

M

<공기층이있을때> <공기층이없을때>

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64｜유신기술회보제10호

펌프가 가동을 시작한 후 토출밸브가 서서히 열

릴때발생되는관로내압력변동을시뮬레이션실

시한결과<그림5>와같이공기층이있을경우(좌

측) 매우심각한압력변동이야기되었다.

4. 폐쇄관로에서의공기 향과대책

먼저 폐쇄관로 내에서 공기에 대한 향을 전반

적으로 정리하면 다량의 공기가 관로 내에 체류하

고 있으면 공기층이 형성되어 동적인 상태시 유로

감소와유량이저하되고심한경우물의흐름이차

단된다.

또한 Y.Dvir(1997)는 물 속에 혼합된 공기

(Bubble)는압력파의속도를감소시키는데강관에

서 공기의 함유율이 1%일 경우 압력파의 속도는

250m/s로 감소되고 함유율이 10%일 경우는

15m/s 이하로감소가된다하 으며, 이와동시에

공기의압축팽창으로맥동현상이나타나고심할경

우 수격현상 등으로 발전하여 심한 진동이 발생되

고 순간적으로 유속이 증가되어 유체마찰 소음이

증가되고또한배관내의공기에있는산소로인해

내부부식이발생하여배관수명을단축시킨다. 이

외에도펌프흡입부쪽에서공기가혼입될경우펌

<그림5> 관로내공기층유무에따른압력변동(B)

<공기층이있을때> <공기층이없을때>

<그림6> 폐쇄관로내공기의 향

｜폐쇄관로내에서의공기발생원인과 향｜

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프에서의캐비테이션현상을야기시켜서펌프임페

라가파손된다. 따라서폐쇄관로내의공기제거를

위해서는여러가지대책이있으나첫째, 관로시스

템 설계시 관로에서 공기층이 생기지 않도록 면

한검토가필요하고둘째, 구조적으로공기층이불

가할경우공기를제거할수있는공기변의설치나

프라이밍을할수있는시설을설치한다. 셋째, 배

관의 유속이 0.5m/sec 이상으로 하여 기포가 체

류하지못하도록관경결정시유속을고려하고관로

의돌출부나최상부에서공기를제거하여야한다.

이러한 폐쇄관로 내의 공기대책은 BC 31년

Vitruvius에의해이러한현상을제기하 고많은

기술자와 수관리자들이 일찍이 1900년경부터 이

문제해결을위한연구를하 다. 그리하여수동으

로공기를제거하는에어탱크를설치하 으나, 자

동이 아니므로 대형 관로시스템에서 여러 문제가

발생되었다. 그러나최근100년전부터자동공기

변이발달되어오늘날대부분의관로시스템에설치

되어사용중이다.

현재 사용중인 자동공기변은 여러 가지 형태가

있으나크게구분하여1Stage, 2Stage, 3Stage

로 구분할 수 있는데 1Stage는 배기나 흡기 구멍

이1개인것, 2Stage는흡기와배기용으로크기가

다른구멍이2개가있는것, 3Stage는배기구멍의

Slam 현상을방지하기위해2Stage에크기가다

른 작은구멍이 1개 더 있는 것으로서 아래와 같이

각각의 공기변을 사용했을 때 수충격 현상을 비교

하여보았다.

<그림7> 공기변형태에따른압력변동비교(공기변압력변동곡선포함)

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66｜유신기술회보제10호

앞의그림은수충격발생시공기변을설치하여수

충격을완화시키는관로시스템을기준으로하 으

며여기서2Stage와3Stage를사용시관로전체

에서의 압력변동은 거의 같지만 그림 아래쪽과 같

이공기변에서의압력변동곡선은3Stage가초기

반응이빠르고1Stage의경우수충격발생시매우

위험한것을확인할수있다.

5. 결 론

이와같이폐쇄관로내에서는정지시나유동시에

항상공기가유입되거나자체적으로발생하고있음

을확인하 고이로인한공기층의형성과기포등

으로인해관로에소음, 진동, 부식등의현상이나

타나고 있었다. 즉, 폐쇄관로는 인간이 숨을 쉬는

것과 같이 공기를 흡입하고 이것을 또한 배출시켜

야하는기능이매우중요하다. 그러나많은폐쇄관

로시스템에서 이러한 공기의 유입과 배출에 대한

중요성인식이매우낮은것이현실이다. 따라서공

기층의 형성과 그 향에 대한 조사결과를 토대로

폐쇄관로 내 공기를 제거하기 위해 적합한 공기변

의 선정과 필요개소를 정확히 파악하여 설치하는

것이필요하고관로내존재하는공기로인한관로

의경제적손실을검토하여관로송수효율을높여야

한다. 즉, 관로내의공기를제거할경우만관으로

흐르지만 공기를 제거하지 않을 경우 평균적으로

볼때만관흐름이형성되지못하고있음을알수있

으며여기서공급유량의감소, 펌프가동시간증가,

관경의 비효율적 사용 등의 경제적 손실과 폐쇄관

로내공기에의한파이프및부속류의부식촉진에

따른 사용수명의 단축 등 문제점을 개선하여야 한

다. 또한준부정류해석(수관망)과난류유동해석(수

충격) 등폐쇄관로의모델해석시공기의 향을반

드시검토하고이에대한대책및방안을제시하여

야하며특히, Falvey(1985)는관로의길이가길

거나사이폰형상인경우<그림2>와수중펌프, 펜

스톡 등의 수직관로일 경우 <그림 4>에는 공기에

대한 대책이 매우 중요함을 강조하 고 앞에서 조

사된2개소외에다른펌프장및관로시스템의수

격현상시뮬레이션을실시한결과폐쇄관로내에서

의공기발생원인과 향에대한대책강구의필요성

을확인할수있었다.

▣ 참고 문헌 ▣

1. HENRY T. FALVEY(1980) AIR-WATER

FLOW IN HYDRAULIC STRUCTURES

P39,66

2. Y.DVIR(1997) FLOW CONTROL

DEVICE P346

3. A.R.D. THORLEY(1991) FLUID TRANS

-IENTS IN PIPELINE SYSTEM

P201~212

4. E. BENJAMIN WYLIE and VICTOR

L.STREETER(1983)

FLUID TRANSIENT P9~13

※「2003년 한국수자원학회 학술발표회」

논문 게재 및 발표(2003.5.24 공주대학교)

｜폐쇄관로내에서의공기발생원인과 향｜

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