Cavitation 발생 사례 및 손상 형상 분석

Cavitation 발생 사례 및 손상 형상 분석

공동현상(Cavitation)은 펌프 및 밸브 계통에서 자주 발생하는 유체 트러블 중 하나로, 기포의 생성과 붕괴에 따른 국부적인 압력 충격으로 인해 장비 표면에 심각한 손상을 유발한다.

본 글에서는 플랜트 실무에서 발생한 Cavitation 사례를 통해, 발생 위치, 손상 형상, 분석 접근법을 정리한다.

1. Cavitation 기본 메커니즘

유체의 흐름 중 특정 지점에서 압력이 유체의 증기압 이하로 낮아지면 기포가 형성된다. 이 기포는 다시 고압 영역으로 이동하면서 급격히 붕괴하며 금속 표면에 반복적인 충격을 가한다. 이때 발생하는 압력은 수천 기압에 이르며, 미세한 크레이터 형상의 침식(Pitting)을 만든다.

2. 주요 발생 부위

• 펌프 임펠러 입구(eye) 주변
• 밸브 시트부 및 디스크 접촉면
• 벤츄리, 오리피스, 유량측정기 등 국부 압력강하 구간
• 터보장비의 고속 회전 부위

3. 실제 발생 사례 분석

사례 1: 냉각수 순환 펌프 임펠러 파손

• 배경: 순환수 계통에서 지속적인 유량 저하 및 소음 발생
• 원인: NPSHa 부족 및 흡입 측 배관 내 고점 공기 체류
• 분석: 임펠러 입구 쪽 날개 표면에 크고 불규칙한 크레이터 발생
• 결과: 펌프 운전 중단 및 임펠러 교체

사례 2: 고온 용매 이송 펌프 Seal Leak

• 배경: 고온 유기용매 이송 중 갑작스런 메카니컬 씰 누설
• 원인: 높은 증기압 + Lift Suction 설계로 NPSH 여유 부족
• 분석: Shaft 부근과 Seal face 주변에 피팅 흔적 다수
• 결과: 씰 구조 변경 및 탱크 위치 변경으로 개선

사례 3: Control Valve 소음 및 밸브 트림 침식

• 배경: 증기라인에서 이상 소음 및 유량 불안정 발생
• 원인: 밸브 개도율 20% 이하 지속 운전 → ΔP 과대
• 분석: 트림 표면이 거칠고, 국부적인 침식 패턴 확인
• 결과: Low-noise Trim 교체 및 PID 조정

4. Cavitation 손상 형상

• Pitting: 날카로운 가장자리의 미세 구멍 형상
• Edge Erosion: 날개 가장자리 쪽 집중적 침식
• Honeycomb Pattern: 반복 충격으로 육각형 또는 벌집 형태
• Crack Propagation: 피팅이 진행되면서 균열 확장

5. 분석 시 고려 요소

• 운전 데이터 (흡입압력, 유량, 온도)
• 펌프 커브 상 NPSHr 비교
• 손상 위치의 반복성 및 패턴 (입구 vs 출구)
• 유체 증기압 및 점성 분석

6. 사전 방지 전략 요약

• 충분한 NPSHa 확보 (설계 여유 1.0m 이상)
• Flooded Suction 구조 설계
• 흡입 측 직관 거리 확보 및 손실 최소화
• 고온 유체 시 탱크 압력 부여 또는 탱크 높이 증대
• 밸브 및 제어계는 ΔP 기준으로 sizing

결론

Cavitation은 단순 마모가 아닌 국소 폭발성 침식 현상으로서, 설계 미스 또는 운전조건 변화에 의해 언제든지 발생할 수 있다.

실제 손상 형상을 분석하면 대부분 NPSH 부족, 유체 증기압 과대, ΔP 설계 미비 등이 공통 원인으로 드러난다. 따라서 설계 단계에서 충분한 여유와 보수적 접근이 필요하며, 운전 중에는 진동, 소음, Seal Leak 등을 조기 감지할 수 있는 점검 체계가 병행되어야 한다.