워터 해머(Water Hammer)란 무엇인가?

수격 작용(Water Hammer), 또는 수격 효과나 수격 현상이라고도 불리는 이 현상은, 물이 파이프 내부에서 갑작스럽게 정지하거나 속도가 변할 때 발생하는 강력한 압력파입니다. 물은 관성 때문에 계속해서 앞으로 흐르다가 급작스럽게 멈추면 큰 압력이 발생하여, 그 소리가 마치 망치로 파이프를 두드리는 소리처럼 들리기 때문에 "수격"이라는 이름이 붙었습니다. 일상생활에서 종종 벽 안의 배관에서 "쿵" 소리나 구슬이 굴러가는 듯한 소리가 나는 것도 수격 작용의 예입니다.

수격 현상이 발생하면 생성된 압력이 음속으로 물을 통해 상류로 전달되며, 이 압력파는 물 흐름을 서서히 멈추게 합니다. 압력파가 파이프 상류의 출구에 도달하면 압력이 방출되며, 이때 관 내부 압력이 출구 바깥보다 높아 물이 상류 쪽으로 역류하기 시작합니다. 역류가 이미 닫힌 밸브에 도달하면 다시 한 번 음의 압력파가 발생해 물 흐름이 정지됩니다. 이러한 음의 압력파가 다시 상류로 전달되면서 물이 파이프 내에서 다시 한번 움직이기 시작합니다. 이러한 과정은 파이프 내에서 물이 앞뒤로 진동하는 결과를 초래하며, 시간이 지남에 따라 파이프 벽의 마찰력과 상류 물 흐름의 저항으로 인해 이 진동은 점차 약해져 결국 물 흐름이 완전히 멈추게 됩니다.

수력 발전소의 수로와 강철 파이프 사이에는 종종 평압탑이 설치되어 수격에 의해 발생하는 압력파가 상류로 전달되는 강도를 완화합니다. 또한, 과도한 압력을 방출하기 위해 파이프에 압력 해제 밸브를 설치하거나, 일부 가스관에는 공기실(air chamber)을 설치하는 등의 방법이 사용됩니다. 그러나 가장 효과적이고 비용이 적게 드는 방법은 밸브를 열거나 닫을 때 너무 빠르게 조작하지 않는 것입니다. 즉, 파이프 내에서 물의 흐름 속도가 갑작스럽게 변하지 않도록 하는 것이 중요합니다.

정수격 효과는 물 흐름이 갑자기 멈출 때 발생하며, 물의 운동 에너지가 압력으로 전환되어 강력한 압력파를 형성합니다. 이를 쉽게 설명하자면, 물이 갑작스럽게 막히면서 물이 파이프 내부에 "충돌"하여 큰 압력을 발생시키는 현상이라고 할 수 있습니다. 정수격 효과는 큰 소음을 발생시킬 뿐만 아니라 파이프 파열, 밸브 손상 또는 장비 고장을 초래할 수 있습니다.

정수격이 자주 발생하는 사례로는 가정의 수돗물 시스템에서의 수도꼭지 개폐, 산업용 배관 시스템에서의 밸브 차단, 그리고 시립 상수도 배관에서 펌프가 갑자기 멈출 때 등을 들 수 있습니다.

부수격 효과는 물 흐름이 갑자기 멈추거나 방향을 변경한 후에 발생하며, 이때 파이프 내부의 압력이 급격히 대기압보다 낮아지면 음의 압력파(부압파)가 형성됩니다. 이로 인해 파이프 내부의 압력이 급속히 떨어지고, 기포 현상(Cavitation)이 발생할 수 있습니다. 즉, 물 속에 녹아 있던 가스나 수증기가 기포를 형성하고, 압력이 회복될 때 이 기포들이 갑자기 붕괴하면서 강력한 충격파를 발생시킵니다. 이 충격파는 파이프 내부의 마모, 침식, 심지어 파열을 일으킬 수 있습니다.

부수격 효과는 사이폰 배수 시스템, 고층 건물의 급수 시스템, 농업용 관개 시스템 등에서 발생할 수 있으며, 이때 파이프 내 압력이 감소하고 물이 역류하거나 기포 현상이 발생하게 됩니다.