수(水)배관에 설치되는 감압밸브 설치 시 검토되는 캐비테이션 지수에 대하여 설명하시오.

🔷 문제

수(水)배관에 설치되는 감압밸브 설치 시 검토되는 캐비테이션 지수에 대하여 설명하시오.

✅ 핵심 키워드

- 감압밸브(Pressure Reducing Valve)

- 캐비테이션(Cavitation)

- 캐비테이션 지수 (Cavitation Index)

- 임계압력, 증기압

- 밸브 손상 예방

- 저압부 발생

📘 모범답안

1. 서론

감압밸브는 배관 내 과도한 압력을 안정화시켜 기기 보호, 소음 저감, 수격 방지 등을 유도하는 중요한 제어밸브이다.
이 감압 과정에서 밸브 내 압력이 급격히 감소할 경우, 증기압 이하로 떨어지면서 물이 기화하게 되어 캐비테이션(Cavitation) 현상이 발생할 수 있다.
이를 방지하기 위한 설계 검토 항목이 바로 캐비테이션 지수(Cavitation Index)이다.

2. 본론

 

(1) 캐비테이션 개요

- 액체가 급격한 압력 감소로 인해 증기압 이하가 되면 기포가 형성되고, 이후 고압 영역으로 이동 시 기포 붕괴 → 충격파 발생
- 밸브 내벽 손상, 소음, 진동, 시스템 수명 단축의 원인이 됨

(2) 캐비테이션 지수 정의

캐비테이션 지수 σ는 다음과 같이 정의된다:
σ = (P1 - Pv) / (P1 - P2)
- P1: 밸브 전 압력
- P2: 밸브 후 압력
- Pv: 해당 유체의 증기압
→ σ 값이 낮을수록 캐비테이션 발생 가능성 증가

(3) 감압밸브 적용 시 검토 방식

- 설계 시 σ 값을 제조사 기준 이상으로 확보해야 함
- 일반적으로 σ ≥ 2.0 ~ 3.0 이상이면 캐비테이션 위험 적음
- 고낙차, 고온 조건, 고속 유동 시에는 특히 중요

3. 선도선도 해석 (압력 흐름 및 기포 발생 구간)

▷ 원리

- 밸브 내부 유동 선도를 통해 최저 압력 구간을 예측 가능
- 해당 지점의 압력이 증기압보다 낮을 경우 캐비테이션 발생

▷ 시각 예시

- 밸브 단면 흐름 선도
- P1 → Pmin(임계압) → P2 압력 변화 곡선
- 기포 발생 영역 표시

4. 결론

감압밸브는 시스템의 안전 운전과 기기 보호를 위한 중요한 요소이지만, 캐비테이션 현상 방지를 위한 설계 검토가 수반되어야 한다.
특히 캐비테이션 지수(σ)는 이를 수치화하여 사전 검토할 수 있는 기준으로, 기술사는 배관 설계 시 압력 조건, 유량, 유체 온도, 증기압 등을 종합적으로 고려하여 적정 σ 값을 확보해야 한다.