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정유·석유화학·폴리머·정밀화학 공정에서는 다양한 형태의 슬러리(고형분을 포함한 유체)가 사용됩니다. 촉매 슬러리, 폴리머 펠릿 슬러리, 금속 산화물 분산액, 반응 중간체 슬러리 등은 유동성이 낮고 입자 마찰이 크기 때문에 펌프 내부에서 마모가 빠르게 진행되는 대표적인 산업 유체입니다. 이 글에서는 화학공학·석유화학 플랜트에서 실제로 발생하는 슬러리 펌프 마모 메커니즘을 유체역학·재료공학·설비운전 관점에서 종합적으로 분석했습니다.
1. 산업 플랜트에서 슬러리가 가진 '고위험 유체' 특성
슬러리는 단순히 점성이 높은 유체가 아니라, 다음과 같은 특성을 복합적으로 가지며 이 특성들이 펌프 마모의 직접적인 원인이 됩니다.
- 고형분 함량(10~70 wt%) — 입자 충돌·침적·마찰 증가
- 비뉴턴 점도 특성 — 전단 속도에 따라 점도 변동
- 입자 크기(PSD) 편차 — 간극 마모/막힘 패턴 결정
- 침전성 — Dead Zone에서 Cake 형성
- 화학적 부식성 — 내식재 선택 필요
즉, 슬러리 공정에서 발생하는 마모는 기계적 마모 + 화학적 부식 + 점착 + Cavitation이 동시에 작용하는 복합 현상입니다.
2. 마모 메커니즘 ① 입자 충돌에 의한 Impact Wear
슬러리 내부의 고형 입자는 펌프 유로를 따라 이동하면서 임펠러·하우징·밸브·로터 표면에 지속적으로 충돌합니다. 특히 석유화학 공정에서는 촉매 파우더, 폴리머 펠릿, 금속산화물 등 경도가 높은 입자가 많아 충격 마모가 강하게 나타납니다.
충격 마모가 집중되는 대표 위치
- 임펠러 Leading Edge
- 토출 구간의 엘보(Elbow)
- 밸브 Seat 및 Plug 주변
- 로브(Rotor) 외측
유속이 빠르고 회전수가 높은 펌프에서는 입자가 표면을 때리는 충격력이 급증하며, 초기에는 미세한 Pitting 형태로 시작하지만 이후 표면 피로까지 확대됩니다.
3. 마모 메커니즘 ② 미끄럼·연마에 의한 Abrasive Wear
고형분이 슬러리 전체에 고르게 분산되지 않을 경우, 일부 입자는 펌프 내부 표면을 따라 ‘미끄러지듯’ 이동하며 금속을 깎아냅니다. 이때 발생하는 마모를 연마 마모(Abrasive wear)라고 부릅니다.
연마 마모를 가속하는 조건
- 슬러리 농도 증가
- 펌프 내부 간극이 좁을수록 마모 가속
- 폴리머 슬러리의 경우 입자 형상(각진 입자)이 영향
- 유속 1.5 m/s 이상 구간에서 급증
특히 스크류·로브 펌프는 고형분이 간극 사이를 통과할 때 표면을 지속적으로 갈아내기 때문에 내마모 재질을 선택하지 않으면 수명이 급격히 짧아집니다.
4. 마모 메커니즘 ③ Cake 형성에 의한 간극 변화
전형적인 슬러리 공정에서 가장 위험도가 높은 현상 중 하나는 Dead Zone이나 저유속 구간에서 슬러리가 침적 → Cake 형성 → 간극 축소 → 압력 상승으로 이어지는 구조입니다.
Cake가 쌓이는 대표 위치
- 펌프 하우징 하단
- 임펠러 후면 Backplate
- Suction 입구의 T자 배관
- 로브 펌프의 Housing 코너
Cake가 일정 두께 이상 쌓이면 펌프는 정상적인 간극을 유지할 수 없고, 유량 감소·부하 증가·진동 상승 같은 2차 트러블이 발생합니다. 때로는 펌프가 스스로 Overload Trip을 일으키기도 합니다.
5. 마모 메커니즘 ④ Cavitation 및 Cavitation-like 현상
슬러리 공정에서도 Cavitation은 충분히 발생합니다. 특히 흡입측 NPSH 부족, 슬러리 온도 변화, 입자층에 의한 국부 유속 변화 등으로 인해 기포가 생기고, 그 기포가 붕괴되며 충격을 주는 방식으로 표면 마모가 진행됩니다.
Cavitation 위험 증가 원인
- 흡입 라인 길이/곡관 과도
- 펌프 흡입측 고형분 응집
- 온도 급변에 따른 점도 변화
- Suction Head 부족
Cavitation은 단순 마모를 넘어, 임펠러·로터 표면을 패여 나가게 하는 Erosion을 유발하기 때문에 고점도 슬러리라고 해도 충분히 고려해야 합니다.
6. 펌프 타입별 마모 특성 비교
| 펌프 타입 | 마모 위험 | 주된 마모 원인 | 적합한 슬러리 특성 |
|---|---|---|---|
| 원심펌프 | 중간~높음 | 충격·연마·Cavitation | 저~중점도 슬러리 |
| 로브(Lobe) 펌프 | 높음 | 연마·입자 충돌 | 중점도·고형분 슬러리 |
| 스크류(Screw) 펌프 | 중간 | 간극 마모·유로 침적 | 고점도 슬러리 |
| 다이어프램 펌프 | 낮음~중간 | Cake 형성·압력 변동 | 점착성·고점도 유체 |
7. 공정 엔지니어의 마모 최소화 전략
① 배관 설계 최적화
- 유속 유지(1.0~2.5 m/s 범위)
- 급격한 방향 전환(90° Elbow) 최소화
- Dead Zone 제거
② 펌프 재질 선택
- Hardened Steel, Ceramic Coating
- PTFE·PVDF 등 내마모 폴리머 라이닝
- 고형분이 많은 공정은 Duplex·Super Duplex 적용
③ 공정 조건 관리
- 슬러리 농도 균일 유지
- 온도 변화 최소화
- 교반·분산 품질 모니터링
④ 운전·정비 프로토콜 강화
- 주기적 간극 측정
- 라인 Flushing 절차 표준화
- Cake 제거를 위한 CIP 도입
8. 결론: 슬러리 마모는 ‘예상 가능’하고 ‘관리 가능한’ 공정 리스크
슬러리 펌프 마모는 플랜트에서 불가피하게 발생하는 현상이지만, 마모 메커니즘을 정확히 이해하면 설계·운전·정비 단계에서 충분히 억제할 수 있습니다. 결국 엔지니어의 역할은 문제 발생 후 대응이 아니라, 유체 특성을 기반으로 한 예측 가능 관리(Predictive Maintenance)를 실현하는 것입니다.