A Study on the Water Hammer Arrester Considering the Way of First Assessment Test

ISSN: 1738-7167

DOI: http://dx.doi.org/10.7731/KIFSE.2015.29.1.053

the Way of First Assessment Test

Moon-Cheon Yeum · Yong-Taek Han

^†

Korea Fire Institute

(Received December 29, 2014; Revised February 15, 2015; Accepted February 15, 2015)

요 약

배관시스템의 불안정한 유동에 의해 생성되는 수격현상은 관내 압력의 과도한 변화, 진동 및 소음을 일으킬 수 있다.

이러한 수격현상은 관로, 펌프 및 밸브등의 시설물에 기계적인 사고를 유발시키는 원인이 되기도 한다. 한편, 국내에서는 수격현상으로 인한 피해를 최소화하기 위하여 수격흡수기를 제조 및 사용하여 왔으며, 그동안 별도의 기준이 없어 저가 위주로 생산 및 설치되어 왔다. 따라서, 본 연구에서는 수격흡수기 성능에 대한 최소 가이드라인을 제시하기 위하여, 하 나의 배관으로 검증 가능한 시험방법, 수계소화설비에서 수격발생을 가정한 시험방법, 개방충격압과 차단충격압으로 구 분한 흡수시험 방법, 배관을 분기한 시험시설 구성 방법 등의 다양한 방법들을 통하여 수격흡수기의 성능을 기준화 할 수 있는 방법등에 대하여 고안하였다. 그리고, 최종적으로는 U자형 배관과 시험용 추를 이용한 간단한 기계적 방식으로 수격흡수기의 수격압 흡수성능을 검증할 수 있는 실험 장치를 최초로 고안하여, 소방용 수격흡수기의 인정기준이 제정되 었다.

ABSTRACT

Water hammering created by an unsteady flow in pipeline systems can cause excessive change in pressure, vibration, and noise. So, water hammer analysis is very important for limiting the damage caused to pipeline, pump and valve sys- tems by operation conditions. On the other hand, water hammer arrester has been manufactured and used in order to mini- mize the damage caused by water hammering phenomenon in domestic, and it has been produced and installed as the low cost-oriented because of being no separate standard in the meanwhile. Therefore, our research team investigated about the standardization of water hammer arrester performance through the various methods, such as test methods for verification of one pipe, assuming the occurrence of water hammer in a water-based fire extinguishing system, separated for opening impact pressure and shut off impact pressure and for a branch pipe in order to make guideline for water hammer arrester performance. And finally, verified the performance of the water hammer pressure as the simple mechanical way using the U-shaped pipe and a test weight, so KFI standards for the water hammer arrester could be established.

Keywords : Water hammering, Joukowsky, Standards, Pressure rise, Extinguishing system

1. 서 론

관내를 충만하여 흐르고 있는 물의 유속이 급격히 변화 하게 되면 물에 격렬한 압력의 변화가 발생하게 된다. 이 러한 현상을 수격(water hammering)이라 한다. 수격현상 은 주로 펌프가 정지하여 체크밸브가 급폐쇄 됨으로서 발 생되며, 모든 배관 계통에서 관의 파손 원인이 되고 배관 의 진동, 충격음 등으로 소음과 진동을 발생시켜 주거환경

을 해치게 된다^(1-3).

수격현상에 관한 연구는 1987년 미국에서 처음으로 시 작되었으며, 고전적인 연구단계, 이론 및 실험결과 확인단 계, 실용방식 출현단계 및 1960년대 초의 수격방지방법에 대한 표준규격 확정단계를 거쳐 현재에 이르고 있다.

국내에서는 최근 건물의 고층화 및 대형화 추세와 싱글 레버형 밸브류의 사용에 따른 소음과 진동문제가 심각해 지면서 관심이 고조되고 있는 분야이다. 수격현상으로 인

†

Corresponding Author, E-Mail: [email protected]

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한 피해를 살펴보면, 배관 시설실에서의 진동과 소음, 압 력 저하 및 상승으로 인한 관로, 펌프, 밸브류의 설비 파손, 부압에 의해 관로가 좌굴되거나 수주분리 후 재결합 시 발 생하는 큰 충격파로 인한 관로가 파손되게 되기도 하며, 체크 밸브 등의 강도가 미흡할 경우 역류에 의해 펌프 및 구동 장치등에 기계적 사고가 발생하기도 한다. Figure 1 은 수격현상으로 인한 피해사진의 모습을 보여주고 있다.

수격의 발생 원인으로서는 펌프의 순간적인 정지 또는 기동 시, 밸브의 급개폐 시⁽⁴⁾, 순환배관에서 공기가 발생하 는 경우, Figure 2와 같이 배관 내부에 액체가 흐르다가 끝단의 밸브가 급폐쇄 되면 충격파가 발생하여 유동 반대 방향으로 전파되게 된다. 이 충격파의 전파속도는 물인 경 우 1200~1500 m/s에 달하며 배관재의 재질, 두께 등에 따 라 달라지게 된다⁽⁵⁾.

Figure 2와 같이 충격파가 1회 반복되는 동안 이 배관구 간은 팽창 → 회복 → 수축 → 회복의 변화를 반복하게 된 다. 이때, 폭발적인 힘이 배관벽에 작용하여 충격음과 진동 이 발생하게 되고 밸브와 피팅류 등의 구성품과 배관의 파 손 및 연결부가 이완되어 누수가 발생하게 된다. 또한, 액

체가 완전히 비압축성이고 관 벽이 강체라면 순간적으로 밸브를 닫았을 때의 압력은 무한대가 되지만, 실제로는 약 간의 압축성이 있고 관벽에도 탄성이 있으므로, 밸브를 닫 으면 관의 벽은 근소하기는 하나 팽창하고 액체도 압축되 어 압력이 상승하며 차단시점에서 발생하는 충격은 엄청난 힘으로 실제로 폭발시의 파괴력에 비유할 정도이다^(6,7).

이와 같은 수계 소화설비에서의 수격의 방지책으로서는 관경을 크게 하여 유속을 낮추고, 옥내소화설비로서는 주 배관 내 유속이 3 m/s 이하가 될 수 있는 구경 이상으로 설계를 하고, 펌프에 플라이휠을 설치하여 펌프의 급격한 속도변화를 방지하며, 밸브의 급폐쇄 방지 장치를 장착하 고, 배관 내 릴리프 밸브 및 체크밸브를 설치하고, 밸브는 펌프 송출구 가까이 설치하며, 배관은 가능한 직선적으로 시공하고, 조압수조 또는 수격흡수기를 설치하면 수격을 방지할 수 있다.

수격흡수기의 국내외 제품을 살펴보면, 외국의 경우에는 수격흡수기를 산업용으로 많이 사용하고 있으며, 일부제품 은 압력계를 부착하여 사용하고 있으며, 국내에서 제조되 는 수격흡수기의 경우에는 대부분 공기실을 갖추고 있으 며, 일부 제품은 압력계를 부착하여 사용하고 있는 것으로 파악되고 있다.

본 연구에서는 수계소화설비에 설치되어 배관 내 이상 압력을 흡수하여 배관계통의 손상을 방지하는 수격흡수기 의 인정기준의 필요성이 대두되고 있으며, 별도의 기준이 없어 저가위주로 생산 및 설치되는 수격흡수기 성능에 대 한 최소 가이드라인을 제시하기 위하여, 정량적인 임계치 및 압력의 값을 얻을 수 있는 수격흡수기의 성능장치를 고 안하였으며, 그 장치에 대한 적정성 및 타당성에 대한 고 찰을 통하여 향후, 수격흡수기의 인정기준에 대한 합리성 및 편리성에 대하여 논하고자 한다.

2. 실험방법 및 절차

2.1 수격압력 이론

국내외 수도용 워터해머흡수기 규격의 시험방법에 대해서 살펴보면, 미국 급수관 및 배수관협회의 Water Hammer Arresters Standard PDI-WH201 Revised 2010, 미국 위생 Figure 1. Facilities in the damage caused by water hammering.

Figure 2. The concept of a shock wave moving.

격 압력이 발생하고 그 상승되는 압력 Pr는 다음과 같은 Joukowsky의 공식으로 계산된다고 고찰하였다.

2.2 수격압 흡수성능 시험방법 고찰

국내 수도용 수격흡수기의 수격압 흡수능력 시험설비를 살펴보면, 현재 몇 개의 업체에서 수격압 흡수능력에 대한 시험설비에 대한 가능성은 확인이 되었으나, 호칭별(25~

200) 배관 구축 시 제작비 및 시험기기 고가로 업체에 큰 부담이 발생하여 기준을 정할 수 있는 실험장치를 확보하 기에는 어려움이 있는 것으로 파악 되었으며, 타 공공기관 의 인증 연구소에서도 내경 40 mm 이상의 제작은 수격흡 수기의 급폐쇄 시간의 조건인 0.025초에 맞는 밸브는 불가 능한 것으로 확인이 되었다. 현재, KS인증도 호칭별 요구 되는 공기실 체적 이상이면 승인이 되고 있으며, 제품검사 는 내압, 본체강도 등 강도위주로 하고, 내구성 시험은 송 수관 반복시험처럼 공압 실린더 등을 사용하여 테스트를 권유하고 있으며, 수격압 흡수성능은 수치해석^(8-10)으로 대 체하는 것을 제안하는 것이 현실이다. 따라서, 본 연구에서 는 수격흡수기의 성능을 안정적으로 테스트 할 수 있는 장 치를 고안하였고, 다음과 같은 절차를 통하여 확인하였다.

2.2.1 하나의 배관으로 검증 가능한 시험방법

가장 간단한 하나의 배관으로 수격압을 검증할 수 있는 시험방법을 Figure 3의 장치와 같이 고안하였으나, 시험설 비는 개방회로로 구성되어야 하고, 호칭별로 배관의 구성 시 제작비가 고가이고, 고압가스가 물과 접촉 시 소멸의 우려가 있으며, 압력용기 고압호스가 내경 15 mm에서 강 관 내경 250 mm로 확관 시 원하는 충격파 생성의 의문이 발생하였으며 또한, 시간 경과 후 기록계의 압력이 용기압

력과 같은 동압의 우려가 발생하였으며, 1.0 MPa 이상에 서 수렴의 확인이 불가한 단점을 파악하였고, 이와같은 문 제점을 해결하기 위한 개선안이 도출되어야 한다고 판단 되었다⁽¹¹⁾.

2.2.2 수계소화설비에서 수격발생을 가정한 시험방법 Figure 3과 같은 시험방법에서의 단점을 해결하기 위한 유동이 있는 개방회로이면서, 실제 소화설비에서 수격발생 시를 가정하여 Figure 4와 같이 유수검지장치 작동 유수량 80 lpm의 순간기동과 15 lpm의 부작동유수량을 공급하였 으며, 밸브의 급차단시 발생하는 수격을 가정하여 별도의 가압 용기에서 순간 충격압을 가하도록 구성하였다.

그러나, 이와 같은 장치의 문제점은 밸브 급차단을 가정 하여, 가압용기에서 순간압을 가하는 밸브 급차단 시험 방 법은 배관길이가 짧고 오리피스 구경이 작아 수격압이 배 관내에 잔류하여 1.0 MPa 이상에서 수렴할 가능성이 존재 하는 문제점이 예상되어, 밸브 급폐쇄 시험은 소화수가 흘 러가도록 대유량노즐을 사용하여 각각의 시험기로 개별 구성하는 방법이 제안되었다.

2.2.3 개방충격압과 차단충격압으로 구분하여 흡수시험 구분 방법

Figure 4와 같은 시험방법에서의 개선된 제안을 구현하 기 위하여 개방충격압 흡수시험은 순간적인 밸브 개방시

Table 1. The Formula of Joukowsky

≒ 1.2* [MPa]

Pr: Pressure rise [Pa]

γ: Fluid specific weight [N/m³] (Water: 9,800)

α: Pressure wave propagation speed [m/sec] (Water : 1,200) v: Flow [m/sec]

g: Gravity Acceleration [9.8 m/sec²] ρ: Density [kg/m³]

V: Volume [m³], A: Area [m²] L: Length [m], m: mass [kg]

F: Force [N]

a: acceleration [m/sec²] ρ = m

---- = V m

AL---, m = ρAL, F = ma = ρ A L a⋅ ⋅ ⋅ dF = ρ A dl dv

---, dt dF

--- = dP = ρ dlA dv ---dt

⋅ ⋅

⋅ ⋅ ⋅ dp

--- = dt ρ dl dt---- dv

--- = ρ αdt dv ---dt

⋅ ⋅ ⋅ ⋅

dp = ρ α dv, Pr = ρ*α*v, γ = ρ g⋅ ⋅ ⋅ Pr Pa[ ] = γ*α*v

---g

Figure 3. The verification of test apparatus as one pipe.

를 가정하여 Figure 5 (a)와 같이 순간적인 밸브 개방 시를 가정한 개방충격압 흡수시험의 방법과 순간적인 밸브폐쇄 시를 가정하여 차단충격압 흡수시험의 방안을 Figure 5 (b)와 같은 장치의 방법을 구성하였다.

이와 같은 가정에 의한 시험 장치에서도 호칭경이 큰 소 방용의 경우 시험밸브의 급폐쇄 시간의 0.025초내에 조정 하는 것이 상당히 어렵게 판단되며, 수충격 시험의 이론은 재현성이 없어 전 세계적으로 명확하게 정립 되어 있지 않 은 것이 현실인 문제점을 고려해야하는 조건임을 알 수 있 었다. 또한, 헤드 1개 개방으로서 수충격의 발생여부는 미 지수이며, 각각의 시험설비 구성 시 제작비 상승의 문제가 발생하며, 다만 수계소화설비에서 0.025초만에 급폐쇄 할 경우는 존재치 않으나 최소한의 이상 압력 흡수성능은 확 보할 수 있다고 판단되었다.

2.2.4 배관을 분기하여 시험시설 구성

위에서 언급한 내용에 대한 문제점인 호칭경인 큰 배관

에서 급폐쇄 시간의 조건⁽¹²⁾을 맞추기 어렵고, 재현성의 문 제점을 해결하기 위하여, 내경 125 mm인 배관의 경우 5개 로 분기 후 Figure 6과 같이 볼밸브의 동시 차단하는 장치 를 구성을 고려하였다. 그러나, 배관 내의 진동 및 소음등 의 수격현상 발생하는 것으로 확인할 수 있었고, 그로 인 한 배관의 손상 우려가 나타남을 확인하였다. 또한 압력센 서가 예상치 못한 수격압으로 인해 파손, 충격파 발생 데 Figure 4. An open circuit and assume the actual occurrence of water hammer in water-based fire extinguishing.

Figure 5. (a) Assuming the valve open during momentary. (b) Assuming the instantaneous valve closure.

Figure 6. If the size of the pipe 40 or more, the test device configuration to the branch pipe.

이터의 생성이 실패하는 것을 확인할 수 있었다. 따라서, 이와 같은 복잡하고 위험성이 다분한 여러 장치에 대한 구 성에 대한 방법 보다는 단순한 기계적 방식으로도 충분히 수격압을 측정할 수 있는 방법을 도출 가능할 것으로 예측 하였다⁽¹³⁾.

2.2.5 U자형 배관을 이용한 흡수시험기 제작

위에서 예측한 사항에 대하여 이론적 근거^(14,15)를 바탕 으로 Figure 7과 같은 흡수시험기의 시험장치를 구상하였 다. U자형태의 배관을 이용하여 한쪽 끝에는 압력을 가하 는 부분과 반대편에서는 이와 같은 압력이 물을 통하여 전 달되고, 전달된 압력값이 데이터와 되어 정량화 값을 나타

내는 형태의 예비실험을 실시하였다. 자유낙하시의 가이드 레일과 같은 보조 장치를 사용하지 않았으므로, 재현성에 는 문제가 발생하였지만, 수동으로 U자형 형태의 배관에 압력을 가하였을 때 Figure 8과 같은 형태의 압력측정치를 얻을 수 있었다. 따라서, 압력을 가하는 장치부쪽에 재현 성을 얻을 수 있는 가이드레일을 사용하고, 시험시 블록의 배관 내 끼임 현상과 실링효과를 개선할 수 있다면, 재현 성의 문제와 수격압과 같은 짧은 시간내에 비압축성 매질 인 물을 통하여 큰 압력이 전달되는 효과를 모사할 수 있 는 실험장치를 확보할 수 있다는 결론을 내릴 수 있었다.

3. 시험결과

3.1 수격압 흡수성능 시험방법 최종

시험방법의 절차를 통하여 시험용 추를 자유 낙하시켜 Figure 7과 같은 형태의 수격압 발생장치를 구상하였다.

이와 같은 장치의 수격압은 Joukwsky 공식을 참고할 수 있으며, 배관내 설계 유속값을 따라 수격압력을 계산할 수 있는 장치를 구현하였으며, 2013년 8월 14일 본 장치를 이용한 소방용 수격흡수기의 인정기준이 제정되었으며, 주 요시험기준인 수격압 흡수시험 제12조를 살펴보면 다음과 같다.

① 수격흡수기는 다음 각 호의 기준에 적합하여야 한다.

1. 신청자가 제시한 수격압에 상당하는 충격압을 총 5회 가했을 때의 배관 내 발생하는 최대압력은 매회 1.0 MPa (호칭압력 2.0 MPa용은 2.0 MPa) 이하여야 할 것 2. 시험 후 수격흡수기의 변형이 없을 것 ② 수격흡수기의 방법은 다음 각 호에 따라 실시한다. 1. 배관은 압력배관용 탄소 강관 또는 스테인리스강관으로 할 것 2. 수격흡수기를 참 고도와 같이 설치하고 배관 내 물을 가득 채울 것 3. 수격 Figure 7. The schematic diagram of water hammer pressure generating device using a test weights.

Figure 8. Water hammer pressure preliminary test using a U- shaped pipe and data obtained.

흡수기 후단의 밸브를 잠근 후 신청자가 제시한 수격압만 큼의 충격압이 가해지도록 시험용 추의 무게 또는 높이를 조절할 것 4. 시험 장치는 신청된 압력값에 상당하는 모든 충격에너지가 시험용 흡수기에 가해지도록 설계 및 배치 할 것 5. 수격흡수기 후단의 밸브를 열고 시험용 추를 자 유낙하 시켰을 때의 배관 내 압력변화를 매회 기록계로 확 인할 것 6. 수격압은 Joukowsky 공식을 참고할 수 있으며, 배관 내 설계 유속 값에 따를 것 다만, 설계유속 값은 최 소 1.5 m/s 이상 최대 10 m/s 이하여야 한다.

또한, 일반사양으로서는 소방용 수격흡수기의 인정기준 제12조(수격압흡수시험) 시험이 가능해야 하며, 반복 측정 시 재현성, 측정 방법의 신뢰성 및 용이성이 있어야 함. 시 험기의 외관은 미려하게 제작하여야 하며, 시험자의 안전 이 확보 되어야 함을 알리고 있다.

이와 같은 시험방법의 절차를 통하여, 실제 수격흡수압 의 실험을 위하여 재현성 및 수격압을 확보할 수 있는 Figure 9와 같은 수격압흡수 시험 장치를 제작하였다.

수격흡수압 실험장치의 세부사양을 살펴보면, 1.5 m (L) × 1.0 m (W) × 4.0 m (H)의 크기와 내경 150 mm의 배 관사이즈의 크기이며, 사용된 시험추는 STS 304와 동등 이상의 강도와 내식성을 가지며 12 MPa 이상을 발생시킬 수 있는 사양이며, 사용된 블록은 물위에 뜰 수 있어야 하

며, 테프론 또는 동등 이상의 강도를 가지고 있고, 시험추 의 충격에 견디는 조건을 가지고 제작하였다.

한편, 실험장치에 사용된 압력센서는 0~20 MPa 이상의 성능을 가지고 있으며, 분해능력은 0.1 MPa 이상이며 공 급전원은 24 Vdc를 사용하였다. 그리고, 컨트롤부에서는 수격 흡수 압력 기록을 위한 데이터 수집장치(DAQ)를 구 성하였고, 초당 10,000 개 이상의 샘플링 레이트를 가지고 있으며, 시험추의 상승 및 하강의 조작은 컨트롤부 및 별 도의 조이스틱을 사용하였다. 또한, 실험장치의 신뢰성 및 재현성을 확보하기 위하여 3 MPa의 충격압을 발생시킨 뒤, 상용의 수격흡수기를 장착 5회 반복 실험 측정 결과 평균압력 0.84 MPa까지 줄어드는 결과를 얻을 수 있었으 며, 데이터의 편차는 ± 0.06 MPa로서 재현성이 우수한 결 과를 얻을 수 있었다.

4. 결 론

별도의 기준이 없이 저가위주로 생산 및 설치되는 소방 용 수격흡수기의 성능에 대한 가이드라인을 제시하기 위 한 인정기준이 제정되었으며, 이와 같은 인정 기준을 뒷받 침 할 수 있는 장치를 최초로 설계하여 고안하였으며, 본 연구를 통하여 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.

Figure 9. The picture of water hammer pressure generating device using a test weights.

3. 수도용과 달리 소방용의 경우 전 세계적으로 수격흡 수기에 대한 인증규격이 없었으나, 자료수집 및 전문가 의 견 수렴 후 여러 실험적인 연구를 거쳐 소방용 수격흡수기 의 성능기준에 대한 인정기준이 제정될 수 있었다.

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