필자는 이전에 본인의 블로그 게시물을 통해, 공명(Resonance)에 의해 과도한 기계 진동이 발생할 수 있음을 언급한 바 있다. 에머슨의 Dr. Allen Fagerlund(이하 Al)의 전문분야는 소음(Noise) 측정 및 이의 예측 진단이다. 그는 또한 ISA75, Control Valve Standards, 그리고 소위원회인 ISA75.07, Control Valve Noise Mea surement and Prediction에서 활동하고 있다.

필자는 Al이 몇 년 전 동료들과 함께 발표한 논문인 Identification and Prediction of Piping System Noise를 접했다. 이 논문에서는 설비 배관 시스템의 다양한 구성요소들이 소음원으로 작용할 수 있음을 기술하고 있다. 배관 시스템은 설비 내에서 네트워크를 형성하고 있으며, 이 네트워크를 통해 소음의 음파가 전달된다.

Al은 이 소음에 대해 다음과 같이 설명했다. 이상적으로는, 특정 소음원으로부터 발생한 소음은 유체 내에서 전파돼 파이프벽에 진동을 발생시킨 후, 외부 표면에서 관측 지점으로 전달된다. 실제로는 소음 레벨과 전달된 소음을 증대시키는, 소음원으로부터 배관까지의 직접 경로가 존재할 수도 있다.

기포 없다면 액체 발송 소음 문제 없어

비압축성 액체가 흐르는 배관에서 발생하는 잡음에 대한 내용은 다음과 같다. 일반적으로 시스템 내에 기포가 발생하지 않는 이상 액체 내 발생하는 소음은 문제가 되지 않는다. 기포 발생으로부터 생성되는 소음은 배관 및 장비에 발생 가능한 손상을 알려주는 지표이므로, 소음 레벨을 예측하는 방법을 개발하는 것보다는 기포발생 방지를 위한 지침을 개발하는 것이 더 중요했다.

Al은 해상 플랫폼 시절부터, 고압 천연가스 배관이 엄청난 소음을 발생시키는 소음원임을 인지했다. 압축성 유체는 넓은 주파수 범위에 걸쳐 소음을 발생시킬 수 있다. Al은 구조적 공명이 시스템 설계 단계에서 일반적으로는 확인되나, 음향 공명(Acoustic Resonance)은 확인되지 않을 수 있음을 지적하고 있다.

이에 대한 해결책은 다음과 같다. 소음원의 주파수를 제거 혹은 변경하거나 공명을 분리하기 위해 가장 효율적인 방법을 사용하는 것이다. 또한, 광대역의 소음은 시스템 공명 현상을 발생시켜 분리 작업을 더욱 어렵게 만들 수 있다. 여기서는 소음원의 소음 레벨 감소가 주요 사항이 될 것이다.

소음원에는 압축성 난류, 배관 직경의 변화, 다기관(Manifold) 또는 선박에서의 배관 종단, 그리고 압축기, 밸브, 오리피스, 면적 확장 또는 분출기 등 장비 및 설비 환경과 관련해 발생되는 소음 등이 포함된다.

일부 자동화 공급업체들은 자사 장비를 위한 소음 예측 기능을 제공한다.

배관 소음 정보 참고자료 VDI 3733

Al은 VDI 3733에 대해 다음과 같이 설명하고 있다. VDI 3733은 배관 시스템에 의해 생성되는 소음에 대한 정보를 요약한 것으로, 배관 구성요소는 물론 배열에 따른 영향에 대해 검토하며, 관련 현상에 대한 상세한 설명 없이 계산 형태로 정보를 요약해 보여준다. VDI 3733은 광범위한 주제를 다루고 있으며 유용한 참고자료가 된다.

광대역 소음원의 문제는, 주파수 범위에 배관 공명 주파수가 포함될 수 있다는 것이다. 이러한 공명 주파수에서의 소음은 Acoustic Fatique(대진폭 진동에 의한 배관벽의 구조적 피로(Fatique))를 발생시킬 수 있다. 이에 대해 Al은, 일반적으로 Acoustic Fatique는 Unlagged Piping의 경우 110dB 미만의 외부 소음 레벨에 대해 문제가 되지 않는다(소음 레벨을 110dB 미만으로 줄이기 위해 배관을 방음처리 하더라도 여전히 배관이 동일한 진폭으로 진동하므로 피로 위험이 줄어들지 않게 된다)고 지적했다.

Al은 Marshalltown 유량 실험실에서 연구에 몰두하고 있는데, 여기서 그의 팀은 설비에서의 음향 소음을 감소시키기 위한 방법을 계속 발전시키기 위해 광범위한 소음 감소 시험 연구소를 설립했다.

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