* 자료 : 한국과학기술정보연구원 전문연구위원 이복춘(bchlee46@reseat.re.kr)
1. 서언
프로세스 펌프를 사용하는 과정에서 펌프를 적합하게 정비하는 방법과 수단이 필요하다. 이러한 결정을 위해 에너지 절약과 또 다른 고려사항을 감안하는 경우가 많다.
이와 함께 지구온난화에 미치는 영향을 최소화하는 방안도 고려되고 있다. 펌프 외에도 에너지손실을 초래하거나 에너지소비를 계량할 수 있는 공장의 다른 장치에도 최적화 방안을 적용할 수 있다. 이 내용에서는 이러한 문제에 대한 경험을 토대로 일부 결과를 기술한다.
2. 흥미 있는 진동문제
펌프를 비롯하여 모든 회전기기는 로터(Rotor)의 잔류 불균형, 액체의 난류, 압력맥동, 캐비테이션(Cavitation)과 펌프마모 등의 가진력(Excitation Force)에 적응하기 위해 다소간의 진동을 발생시킨다.
진동의 주파수가 펌프본체, 기초 또는 배관의 공명주파수에 근접하면 진동이 확대된다. 흥미 있는 점은 펌프의 진동여부가 아니고 다음과 같은 사항이다.
- 진동확대와 진동주파수가 펌프에 손상을 충분히 일으킬 수 있다.
- 진동은 펌프 내에서 손상이 발생하는 징조를 나타낸다.
- 진동정도와 베어링수명 관계는 어느 정도 정량화될 수 있다.
HI(Hydraulic Institute)와 API(American Petroleum Institute)와 같은 기관은 펌프의 과도한 진동을 피하기 위해 진동 한계치를 설정해 왔다.
전통적으로 0.35ips(-9㎜/s)가 장비의 베어링 캡 또는 하우징에서 허용할 수 있는 최고의 진동속도로 인식되어 왔다.
기계의 진동과 측정은 복잡하고 설명이 필요하며, 일반적으로 다음 사항이 고려되어야 한다.
- 장비상태 평가를 위해 변위의 크기, 속도, 가속가혹도(Acceleration Severity)에 의한 진동의 측정 또는 분석여부
- 통과되는 모든 주파수 또는 여과된(Filtered) 주파수의 사용여부
- 제곱근(RMS; Root-Mean-Square) 또는 피그 대 피크(Peak-to-Peak) 수치의 측정 또는 명기여부(RMS 수치는 일반적으로 피크 대 피크 수치에 0.7을 곱한다)
그러나 이러한 관계는 한 개의 정현파형(Sinusoidal Waveform)에만 적용한다. 보다 복잡한 파형에서는 다음 사항을 고려해야 한다.
- 전문공장에서 측정되는 진동측정치를 현장수치와 비교하는 방법
- 진동진폭과 진동수가 기계수명에 미치는 영향
- 펌프종류에 따른 진동의 측정위치
간과해서 안 될 사항은 프로세스 펌프에 적합한 진동 모니터링 접근법이다. 여기에 Enveloping Process도 포함되고 데이터수집 장치(Data Collector)는 펌프와 베어링 문제를 모니터링 하는 중요한 수단이다.
3. 상이한 모니터링 방법
데이터 수집을 위해 일부는 충격파감시(SPM; Shock-Pulse Monitoring)를 도입하지만, 타 방법과 같이 무선으로 결과를 전송할 수 있다. 충격이 발생하는 순간에 분자접촉이 일어나고, 충돌되는 각 물체에는 충격파가 나타난다.
데이터수집 장치와 분석기가 결합되면 고유의 소프트 패키지가 부수되고, 이러한 패키지는 진동, 온도 감시와 함께 속도 그리고 펌프수명연장 프로그램에 필요한 현장의 균형능력을 측정한다.
4. 로터 평형
모든 임펠러는 운전속도에 관계없이 설치이전에 동력학적으로 한 개 또는 두 개의 평면으로 균형을 유지해야 한다. ISO 밸런스 근거가 이러한 용도로 통상 사용된다.
회전펌프의 구성요소인 샤프트, 임펠러, 커플링에서 동적 평형을 유지시키면 메커니컬실과 베어링의 수명이 연장된다. 회전부분의 부품별로 독립적으로 균형시험을 한 다음에 샤프트에서 임펠러와 커플링을 합쳐서 균형시험을 한다. 다른 방법은 펌프 로터를 한 개의 결합단위로 간주해서 한차례의 균형시험으로 완료한다.
정하중, 동하중 중에서 평형상태에 있는 정하중이 더 중요하다. 로터의 구성성분을 대상으로 독립적으로 균형시험을 한다면 정하중에 대해 보다 엄격한 기준을 적용하는 것이 효율적이다.1,800rpm 이하의 속도로 가동되는 임펠러에 대해서는 ISO 1940 G 6.3이 적합하다. 1,800~3,600rpm에서는 ISO G 2.5가 보다 효과적이다.
평형을 시험하는 장비의 감도는 대상부품에 허용되는 최대의 잔류 불균형수치의 1/10에 해당하는 불균형까지 측정할 수 있어야 한다.
5. 진동허용한계
ANSI/HI 9.6.4에는 일반적으로 허용되는 펌프의 현장 진동수치가 펌프형태별로 제시되어 있다. 전문공장 또는 실험실의 측정치는 현장의 한계치보다 측정 장비의 견고성에 따라 2배 이상으로 나타날 수 있다.
HI 표준은 양호한 현장 조건아래서 가동되고 있는 펌프에만 이러한 수치를 적용할 수 있다고 하며, 다음과 같이 규정한다.
- 적절한 NPSH가 유지되어야 한다.
- 운전하기에 적합한 범위에서 펌프가 가동되어야 한다.
- 펌프와 동력전달장치(Driver)의 샤프트가 정렬이 되어야 한다.
- 펌프의 흡입은 ANSI/HI 9.8을 만족해야 한다.
슬러지 또는 수직의 터빈펌프는 맑은 액에 사용되는 수평펌프보다 약 2배의 진동수치가 허용된다.
6. 과도한 진동의 원인
펌프의 진동수준이 높으면, 원인을 규명해야 한다. 이때 많은 주파수 스펙트럼에서 가장 우세한 부분을 찾으면서 여과된 진동분석을 한다.
이러한 순서에 따라 분석의 처음단계는 펌프가동속도의 집합을 포착해 평가하는 것이다. 이 과정을 여과속도의 플롯(Filtered Velocity Plot) 또는 진동수 스펙트럼이라고 한다.
실제 분석에서는 다음과 같이 여러 종류의 원인이 지적된다.
- 로터의 불균형
- 샤프트(커플링)의 정렬불량
- 적합한 영역을 크게 벗어난 운전 때문에 발생하는 액체의 난류
- 불충분한 NPSH에 의한 캐비테이션
- 임펠러의 케이싱으로부터 발생하는 압력맥동
이 밖에 진동을 일으킬 수 있는 더 복잡한 원인은 다음과 같다.
- 운전속도가 펌프본체, 펌프기초 및 배관의 기계․유압 공진주파수에 가까운 상태에 있다.
- 진동․공명현상은 로터의 측방진동, 염력진동, 구조적인 측방진동을 포함한다.
- 흡입과 토출이 불량하면 진동이 증대된다.
- 베어링의 마모에 의해 진동이 증대된다.
- 임펠러 웨어링 링(Impeller Wearing ring)간격의 확대에 의해 진동이 증대된다.
- 전기모터에 연결되는 로터 바가 부적합한 상태가 되어 특이한 주파수를 보인다.
7. 결 론
펌프를 처음 가동할 때 허용되는 진동에 관한 가이드라인은 100~120년간에 발간된 문헌으로부터 입수할 수 있다. 진동이 커지면 베어링에 걸리는 압력이 가중되고, 베어링 수명도 단축된다.
현대의 자료수집 장치와 조건 분석장치를 수많은 제작업체가 보유하고 있다. 많은 모델이 무선으로 운전되고 있지만, 유․무선 및 수동․자동운전은 경우에 따라 선택되어야 한다. 로터의 불균형은 진동을 증대시키므로, 로터의 평형은 필수적이다. 평형측정기계(Balancing Machine)는 장치의 로터에 대한 평형을 신속하고 효율적으로 측정할 수 있다.
