펌프 설계압력 확인하는 방법: 원심펌프·정량펌프 실무 가이드

이 글의 목적은 원심펌프와 정량펌프의 설계압력을 정확히 산정하고 검증하는 절차를 현장에서 바로 적용 가능하도록 정리하는 것이다.

1. 설계압력의 정의와 범위

설계압력은 펌프가 운전 전 범위에서 안전하게 견뎌야 하는 압력 기준을 의미한다. 설계압력은 케이싱, 커버, 샤프트 실, 배관 플랜지, 씰 챔버, 베어링 하우징 등 압력 경계 부품의 내압 기준이 된다. 설계압력은 온도와 재질에 따라 허용치가 달라지므로 압력·온도를 함께 고려해야 한다. 설계압력은 허용 최대압력(MAWP) 이하에서 설정하되 운전 가능 최대압력보다 충분한 여유를 둔다.

2. 펌프 유형별 핵심 차이

• 원심펌프: 차단양정(Shutoff head)에서 발생 가능한 최대 토출압이 설계압력 산정의 핵심이다. 배관 막힘, 밸브 폐쇄 등에서 차단점이 재현된다.
• 정량펌프(용적식·메타링): 토출측 저항이 증가하면 유량이 거의 유지되면서 압력이 상승하므로 과압 위험이 높다. 토출 라인에 릴리프 밸브가 필수이며, 릴리프 설정압이 사실상 운전 한계가 된다.

3. 설계에 필요한 입력 데이터

구분	필수 데이터	확인 포인트
유체	밀도, 점도, 증기압, 부식성	온도 변화에 따른 밀도·증기압 변화를 반영한다.
운전조건	최대/정상 유량, 흡입압, 토출압, 온도	시동·정지, 세정(CIP), 바이패스 등 비정상 상태를 포함한다.
펌프 특성	곡선(Q-H), 차단양정, 효율, 소요 NPSH	제조사 성능시험 기준과 공차를 확인한다.
배관·기기	배관 설계압·온도, 플랜지 등급, 밸브 클래스	압력-온도 등급표의 온도 디레이트를 적용한다.
보호장치	릴리프 밸브 설정압, PSV/PRV, 바이패스	설정값과 블록 가능성, 리턴 라우팅을 확인한다.

4. 원심펌프 설계압력 산정 절차

1. 최대 흡입압 결정: 흡입 라인 설계압, 공급 탱크 액주, 외부 가압 등을 고려해 최대 흡입 게이지압을 정한다.
2. 차단양정에서의 압력상승 계산: ΔP = ρ·g·H_shut을 사용한다. 실무 환산식은 ΔP(kPa) ≈ 9.81×H(m)×비중이다.
3. 최대 토출압 추정: P_dis,max = P_suc,max + ΔP_shut + 라인 부가 손실을 보수적으로 합산한다.
4. 여유율 적용: 계측·운전 오차, 온도 상승, 특성 공차를 고려하여 10~25% 여유를 둔다.
5. 부품·배관 등급 교차검증: 케이싱, 씰 챔버, 플랜지 등급이 P-T 등급표에서 P_design 이상인지 확인한다.

원심펌프 예시 계산

조건: 20 ℃ 물, 비중=1.0, P_suc,max=200 kPa(g), H_shut=70 m, 배관 손실 보정 50 kPa로 가정한다.

• ΔP_shut ≈ 9.81×70 = 687 kPa이다.
• P_dis,max ≈ 200 + 687 + 50 = 937 kPa이다.
• 여유 15% 적용 시 P_design ≈ 1.08 MPa이다.
• 결론: 펌프 케이싱·플랜지·씰 챔버는 1.1 MPa 이상 등급으로 선정한다.

5. 정량펌프 설계압력 산정 절차

1. 릴리프 밸브 설정압 결정: 펌프 토출 라인에 전용 릴리프 밸브를 설치하고 설정압 P_RV를 정한다. 일반적으로 정상 운전압의 110~125% 범위에서 결정한다.
2. 최대 차압 계산: P_Δ,max = P_RV − P_suc,min으로 본다. 흡입측 진공 형성 가능성을 고려하여 P_suc,min을 보수적으로 잡는다.
3. 설계압력 설정: P_design ≥ P_RV로 두고, 온도 디레이트와 반복 압력 맥동을 고려해 추가 여유를 둔다.
4. 바이패스 라우팅: 릴리프 토출은 반드시 흡입측 탱크 또는 흡입 라인으로 연결한다. 토출측으로 재순환 시 열축적·과압 위험이 증가한다.
5. 맥동 영향: 맥동 댐퍼 적용 시 정격압과 피로를 검증한다. 피팅·게이지·씰의 피로 허용치를 확인한다.

정량펌프 예시 계산

조건: 점성 유체, 정상 운전 토출압 0.8 MPa, 릴리프 설정 1.0 MPa, 최저 흡입압 −20 kPa(g)이다.

• P_Δ,max ≈ 1.0 − (−0.02) = 1.02 MPa이다.
• P_design ≥ 1.0 MPa로 설정하고 맥동·온도 여유 10% 반영 시 1.1 MPa를 권고한다.

6. 온도·재질에 따른 등급 검토

플랜지와 밸브 등급은 온도가 상승하면 허용압력이 낮아진다. 예를 들어 동일 Class의 탄소강 플랜지는 20 ℃보다 120 ℃에서 허용압력이 낮다. 스테인리스강은 온도 디레이트 곡선이 다르다. 설계온도에서의 허용압력을 표로 확인하여 펌프 케이싱·플랜지·씰 챔버 등급을 결정한다.

7. 시험압력과 관계

• 수압시험 압력은 보통 설계압력의 1.5배 수준에서 수행한다. 시험은 금속 재질, 온도 20 ℃ 부근에서 실시한다.
• 공압시험은 안전상 이유로 제한적으로 적용하며 누설 시험 등에 한정한다.
• 펌프 조립품 시험 시 씰·게이지·패킹의 시험 등급을 별도 확인한다.

8. 차단·과압 시나리오 정리

설계압력 검증은 단일 값 계산이 아니라 시나리오 기반 확인이 필요하다.

시나리오	원심펌프 결과	정량펌프 결과	보호책
토출 밸브 폐쇄	차단양정 압력 도달	릴리프 미설치 시 과압 상승	릴리프·PSV·자동 정지
배관 동결·막힘	차단점 근접	급격 과압	라인 릴리프, 트레이스 관리
바이패스 밸브 고장	순환 시 발열·기포	발열·유체 열화	온도 감시, 고장시 정지
흡입 압변	토출압 동반 변동	유량 유지, 압력 변동	흡입 안정화, 탱크 레벨 제어

9. 플랜지·씰 챔버·메카니컬 씰 검증

• 플랜지: 배관 Class가 아니라 설계온도에서의 허용압력 값으로 대조한다.
• 씰 챔버: 씰 플랜지, 글랜드, 플러싱 플랜의 최대 허용압을 확인한다.
• 메카니컬 씰: 듀얼 씰은 배리어 유체 압력 설정(제품압+ΔP)을 검토한다.

10. 계장·보호 로직

• 고압 스위치(PSH): P_design 대비 충분한 여유에서 트립한다.
• 릴리프 밸브: 차단 가능한 밸브 전·후 위치와 봉인 상태를 관리한다.
• 인터록: PSH→펌프 정지, 바이패스 개방 등 로직을 단순화한다.

11. 물성 변화와 특별 고려

• 온도 상승: 밀도 감소로 차단양정 환산압력은 낮아지나 증기압 상승으로 캐비테이션 위험이 증가한다.
• 점성 증가: 원심펌프 Q-H 유효값이 변경되므로 차단양정 데이터를 재보정한다.
• 가스 혼입: 압력 맥동과 NPSH 여유가 악화한다.

12. 문서화 체크리스트

문서	핵심 내용	주기
설계압 계산서	가정, 공식, 데이터 소스, 시나리오	신규/변경 시
P&ID	릴리프, 바이패스, 계장 로직 반영	수시
압력-온도 등급표	재질별 허용압 매핑	수시
시험 기록	수압시험 압력·시간·누설 기준	제작/정비

13. 현장 Q&A 기반 의사결정 규칙

• 질문: 토출측 밸브가 닫히면 원심펌프 압력은 어디까지 가나? 답: 차단양정 환산압력까지 간다.
• 질문: 동일 배관 Class면 안전한가? 답: 설계온도 허용압으로 대조해야 한다.
• 질문: 정량펌프에서 릴리프만 있으면 충분한가? 답: 릴리프 라우팅·봉인·트립 로직까지 포함해야 한다.

14. 단계별 실무 절차 요약

1. 데이터 수집: 유체·운전·펌프 특성·배관 등급을 모은다.
2. 원심/정량 구분: 차단양정 또는 릴리프 설정을 중심 변수로 정한다.
3. 최대 토출압 계산: 보수 가정을 적용한다.
4. 설계압 설정: 여유를 반영하고 P-T 등급표와 대조한다.
5. 보호장치 설계: 릴리프·PSH·인터록을 설정한다.
6. 시험·검증: 수압시험 계획과 허용 기준을 명시한다.
7. 문서화: 계산서·P&ID·등급표·시험기록을 묶는다.

15. 계산 포맷 샘플

항목	기호	값	단위	비고
최대 흡입압	Psuc,max	…	kPa(g)	탱크·가압 포함
차단양정	Hshut	…	m	제조사 데이터
환산 압상	ΔP	=9.81×H×SG	kPa	20 ℃ 기준
라인 손실	ΔPline	…	kPa	밸브·피팅 포함
최대 토출압	Pdis,max	=Psuc,max+ΔP+ΔPline	kPa	보수 산정
여유 적용	—	10~25%	%	프로젝트 기준
설계압	Pdesign	…	kPa	확정값

16. 자주 발생하는 오류와 대책

• 차단양정 미반영: 원심펌프 계산에서 정상 양정만 사용하면 과소평가가 된다. 반드시 차단양정을 사용한다.
• 릴리프 라우팅 오류: 정량펌프 릴리프를 토출측으로 돌리면 발열·과압 위험이 커진다. 흡입측으로 돌린다.
• 온도 디레이트 누락: 여름·세정 조건에서 허용압이 낮아지는 것을 간과하지 않는다.
• 계측 오차 무시: 게이지·트랜스미터 정확도를 고려해 여유를 둔다.
• 밸브 차단 가능성 무시: PSV 앞뒤 차단 밸브의 봉인·록아웃 계획을 문서화한다.

17. NPSH와 설계압의 관계

설계압은 내압 기준이고 NPSH는 캐비테이션 위험과 관련된 흡입 여유 기준이다. 두 항목은 독립이지만 상호 영향을 준다. 온도 상승으로 증기압이 상승하면 NPSH 여유가 줄고, 캐비테이션으로 성능 저하가 생기면 차단양정 환산압 계산도 보정이 필요하다. 흡입측 진공이 심해지면 정량펌프의 P_Δ,max가 증가한다.

18. 유지보수·변경관리 포인트

• 유량·점도 변경 시 재계산한다.
• 배관 클래스 상향 또는 온도 상승 시 P-T 등급 재검토를 실시한다.
• 릴리프 설정 변경 시 계산서와 P&ID를 즉시 개정한다.
• 수압시험 후 누설·변형 기록을 사진과 함께 보관한다.

19. 현장 점검 체크리스트

항목	체크 포인트	빈도	증빙
릴리프 밸브	설정압·봉인·토출 라우팅 확인	분기	점검표·사진
압력계	정확도·스케일·검교정 유효	반기	교정 성적서
플랜지 누설	가스검지·시각 검사	월	순찰 기록
온도 조건	세정·계절 최고온도 반영	분기	운전 로그
인터록	PSH→정지 로직 시험	반기	테스트 시트

20. 결론 요약

• 원심펌프는 차단양정 환산압을 기준으로, 정량펌프는 릴리프 설정압을 기준으로 설계압을 정한다.
• 설계온도의 허용압과 플랜지·씰 등급을 반드시 교차 검증한다.
• 수압시험과 보호 로직으로 계산값을 현장에서 검증한다.
• 모든 가정과 시나리오를 계산서에 투명하게 문서화한다.

FAQ

원심펌프에 릴리프 밸브가 꼭 필요한가?

필수는 아니다. 그러나 열축적·재순환 위험이 있거나 공정 요구가 있으면 설치한다. 차단양정 압력보다 낮게 설정하면 보호 효과가 높다.

정량펌프 릴리프 밸브 크기는 어떻게 정하나?

펌프 최대 스트로크·속도에서 토출 전량을 바이패스할 수 있도록 유량을 산정하고 설정압에서 전량 배출 가능한 Cv를 적용한다.

플랜지 Class만 맞추면 충분한가?

아니다. 설계온도에서의 허용압을 확인해야 한다. 같은 Class라도 온도에 따라 허용압이 크게 달라진다.

세정(CIP) 온도는 어떻게 반영하나?

세정 온도·유체로 설계온도를 상향 설정하고 P-T 등급표로 허용압을 대조한다. 필요한 경우 일시조건용 인터록을 추가한다.

수압시험 압력은 설계압의 몇 배가 적절한가?

일반적으로 1.5배 수준을 적용한다. 재질과 표준에 따라 기준이 다를 수 있어 사양서의 시험 조건을 따른다.