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문제 정의
- 설계증기압 조건에서 밸브케이싱의 각 위치에서 발생하는 응력 강도의 수준이 네 가지로 구분되어 이응력분류도에 표시된다. 본장에서는 밸 브 케이싱 주조결함의 기술적 검토 방법을 요약기술하고, 유한 요소해석 결과를 이용하여 500 MW급 주정지밸브와 제어밸브 케이싱의 응력 분류 도를 구하고 평가하고자 한다.
제안 방법
- 본 연구에서는 화력발전용 증기터빈의 주정지밸브와 제어밸브 케이싱의 설계조건 (design condition) 을 고려하여 유한 요소해석 프로그램을 사용한 응력해석을 수행하고, 해석 결과로부터 ASME code에서 설계기준으로 규정하고 있는 응 력강도(stress intensity) 분포를 구하였다. 그리고 유한요소해석의 정확성을 검증하기 위하여 설계증기압(design steam pressure)과 동일한 압력 하에서 수압시험을 실시할 때 케이싱의 외벽에 스트레인 게이지 (strain gage)를 부착하여 응력을 측정하고 이를 해석 결과와 비교하여 해석의 신뢰성을 검증하였다. 또한 해석된 응력을 ASME code의 허용응력(allowable stress)에 따라 분류하고, 분류된 응력을 주조 결함 (casting defect) 발생 시 결함 부위를 굴삭하는 크기와 연관하여 정량화한 후 주조 결함의 평가기준으로 사용되는 응력분류도(stress category drawing) 를 작성하였다.
- 그리고 유한요소해석의 정확성을 검증하기 위하여 설계증기압(design steam pressure)과 동일한 압력 하에서 수압시험을 실시할 때 케이싱의 외벽에 스트레인 게이지 (strain gage)를 부착하여 응력을 측정하고 이를 해석 결과와 비교하여 해석의 신뢰성을 검증하였다. 또한 해석된 응력을 ASME code의 허용응력(allowable stress)에 따라 분류하고, 분류된 응력을 주조 결함 (casting defect) 발생 시 결함 부위를 굴삭하는 크기와 연관하여 정량화한 후 주조 결함의 평가기준으로 사용되는 응력분류도(stress category drawing) 를 작성하였다. 밸브케이싱 제작 시 주조 결함 발생 부위는 본 연구에서 제시한 응력 분류도 상의 위치에 따라 상세하고 정확한 조치를 수행하는 데 사용할 수 있다.
- 터빈작동시 밸브의 손상은 발전소의 가동 중단을 유발하게 되므로 밸브케이싱을 신뢰성 있게 설계하여 제작하는 것은 안정적인 발전소 운용을 위해 그 중요성이 매우 크다고 하겠다'"⑸. 밸브 케이싱에 관한 그간의 연구로 조 등⑹은 열전도 역 문제 해석을 통하여 증기터빈 가동시의 밸브 케이싱 내의 열전달 계 수를 구하였으며, 하 등⑺은 화력발전용 증기터빈 밸브 케이싱의 피로 수명 설계를 위한 최대허용 온 도차를 계산하는 방법을 제시하였다.
- 밸브케이싱이 실제로 설치되는 상황을 고려하여 적절하게 구속 조건을 설정하여 경계조건으로 지정하였다. 주정지밸브 케이싱의 경우 먼저 대칭 면에는 대칭 조건을 부여하였고, 하단면에는 수직 방향의 변위를 구속하였다.
- 본 연구에서는 500 MW급 화력발전소 용 증기터빈의 주정지밸브 및 제어밸브 케이싱에 대하여 설계증기압 조건에서의 응력해석을 유한 요소법을 사용하여 수행하였다. 제작된 밸브케이싱에 대하여 수압시험을 실시하여 설계증기압과 동일한 수압조건에서 케이싱의 외벽에 스트레인 게이지를 부착하여 측정한 응력을 해석 결과와 비교함으로써 해석 결과의 신뢰성을 입증하였다.
- 밸브케이싱과 같이 발전소 가동 중에 내부 작동 유체를 갖는 압력용기 형태의 제품은 일반적으로 제작 후 출하하기 전에 수압시험을 거치게 된다. 본 연구에서는 밸브케이 싱의 수압시험 시에 Fig. 5에 표시된 P1 〜P9의 총 9개의 외면 위치에 스트레인 게이지를 부착하고 수압을 서서히 증가시켜 설계압에 이르렀을 때 압력을 일정하게 유지시키면서 변형률을 측정하였고, 측.정 변형률을 응력으로 변환하여 해석 결과와 상호 비교하였다.
- 본 연구에서는 화력발전용 증기터빈의 주정지밸브와 제어밸브 케이싱의 설계조건 (design condition) 을 고려하여 유한 요소해석 프로그램을 사용한 응력해석을 수행하고, 해석 결과로부터 ASME code에서 설계기준으로 규정하고 있는 응 력강도(stress intensity) 분포를 구하였다. 그리고 유한요소해석의 정확성을 검증하기 위하여 설계증기압(design steam pressure)과 동일한 압력 하에서 수압시험을 실시할 때 케이싱의 외벽에 스트레인 게이지 (strain gage)를 부착하여 응력을 측정하고 이를 해석 결과와 비교하여 해석의 신뢰성을 검증하였다.
- 해석 결과로부터 케이싱의 응력 강도를 케이싱 재료의 허용 응력과 파단응력의 항으로 분류하고, 분류된 응력을 주조 결함 발생 위치의 굴삭크기와 연관하여 정량화하였다. 유한요소해석 결과로부터 밸브 케 이싱 주조 결함의 평가기준으로 사용되는 응력분류도를 작성하였다. 두 케이싱에서 내벽의 응력 강 도 수준이 높은 것으로 나타나서, 외벽보다는 내벽에서의 주조 결함을 방지하는 것이 필요한 것으로 나타났다.
- 이러한 밸브 케이싱은 고온, 고압증기에 의한 가혹한 운전조건을 고려하여 ASME (American Society of Mechanical Engineers) code⑵―⑷ 설계기준에 따라 설계되며, Cr-Mo-V 합금강의 재질을 사용하여 주조에 의해 제작된다. 주조 후에는 규정된 치수의 만족 여부와 비파괴검사를 수행하여 결함 여부를 판별하고, 필요시 결함 부위의 굴삭(excavation), 보수용접(repair weld) 및 열처리 등의 부가적인 작업을 수행한다. 또한 최종 제품을 대상으로 한 수압 시험 (hydrostatic pressure test)을 수행하여 안전성을 확인하는 과정을 거친다.
- 제작된 밸브케이싱에 대하여 수압시험을 실시하여 설계증기압과 동일한 수압조건에서 케이싱의 외벽에 스트레인 게이지를 부착하여 측정한 응력을 해석 결과와 비교함으로써 해석 결과의 신뢰성을 입증하였다. 해석 결과로부터 케이싱의 응력 강도를 케이싱 재료의 허용 응력과 파단응력의 항으로 분류하고, 분류된 응력을 주조 결함 발생 위치의 굴삭크기와 연관하여 정량화하였다. 유한요소해석 결과로부터 밸브 케 이싱 주조 결함의 평가기준으로 사용되는 응력분류도를 작성하였다.
- 해석 모델을 만들기 위하여 두 케이싱을 각각 솔리드(solid)로 모델링하여 여러 개의 체적으로 분할한 후에 유한 요소를 자동 생성하였다. 최종적인 3차원 유한요소 모델은 Fig.
대상 데이터
- 본 연구는 500 MW급 화력발전소에 사용되는 대형 증기터 빈용 주정지밸브와 제어밸브의 케이싱을 대상으로 한다. 밸브를 거쳐서 고압증기터빈 에 유입되는 증기의 온도는 534 °C(994 °F), 압력은 23.
데이터처리
- 5에 표시된 P1 〜P9의 총 9개의 외면 위치에 스트레인 게이지를 부착하고 수압을 서서히 증가시켜 설계압에 이르렀을 때 압력을 일정하게 유지시키면서 변형률을 측정하였고, 측.정 변형률을 응력으로 변환하여 해석 결과와 상호 비교하였다.
- 본 연구에서는 500 MW급 화력발전소 용 증기터빈의 주정지밸브 및 제어밸브 케이싱에 대하여 설계증기압 조건에서의 응력해석을 유한 요소법을 사용하여 수행하였다. 제작된 밸브케이싱에 대하여 수압시험을 실시하여 설계증기압과 동일한 수압조건에서 케이싱의 외벽에 스트레인 게이지를 부착하여 측정한 응력을 해석 결과와 비교함으로써 해석 결과의 신뢰성을 입증하였다. 해석 결과로부터 케이싱의 응력 강도를 케이싱 재료의 허용 응력과 파단응력의 항으로 분류하고, 분류된 응력을 주조 결함 발생 위치의 굴삭크기와 연관하여 정량화하였다.
- 한편, 밸브케이싱의 유한요소 모델의 정확성을 평가하기 위하여 설계조건에 대한 응력해석의 결과를 동일한 조건으로 수압시험을 수행하여 측정한 결과와 비교하였다. 밸브케이싱과 같이 발전소 가동 중에 내부 작동 유체를 갖는 압력용기 형태의 제품은 일반적으로 제작 후 출하하기 전에 수압시험을 거치게 된다.
이론/모형
- 2에 표시된 바와 같이 주정지밸브 케이싱은 별도로 제작된 제어밸브 케이싱의 입구와 용접 이음 구조로 조립된다. 이러한 밸브 케이싱은 고온, 고압증기에 의한 가혹한 운전조건을 고려하여 ASME (American Society of Mechanical Engineers) code⑵―⑷ 설계기준에 따라 설계되며, Cr-Mo-V 합금강의 재질을 사용하여 주조에 의해 제작된다. 주조 후에는 규정된 치수의 만족 여부와 비파괴검사를 수행하여 결함 여부를 판별하고, 필요시 결함 부위의 굴삭(excavation), 보수용접(repair weld) 및 열처리 등의 부가적인 작업을 수행한다.
- 해석에 큰 영향을 미치지 않는 범위 내에서 케이싱 내부의 미소한 곡면들은 형상을 단순화하였다. 해석을 위하여 범용유한요 소해석 프로그램인 ANSYS⑻를 사용하였다. 밸브 케이싱의 설계 조건에 대한 하중으로는 설계증기압을 고려하였는데, 통상적으로 설계증기압은 정상운전시에 고압터빈(high pressure turbine) 에 유입되는 증기압의 1.
성능/효과
- 유한요소해석 결과로부터 밸브 케 이싱 주조 결함의 평가기준으로 사용되는 응력분류도를 작성하였다. 두 케이싱에서 내벽의 응력 강 도 수준이 높은 것으로 나타나서, 외벽보다는 내벽에서의 주조 결함을 방지하는 것이 필요한 것으로 나타났다. 응력 강도 수준이 가장 높은 주정지밸브 케이싱의 출구부 내 벽 모서리와 제어밸브 케이싱의 덮개판 체결부 내벽 모서리에서는 주조결 함이 발생하지 않도록 특별히 유의해야 할 것으로 판단된다.
- 해석값과 측정값의 최대 오차가 약 15% 정도의 수준으로 만족할 만한 결과를 보였다. 이 같은 결과로부터 본 연구에서 제시한 밸브 케이싱 유한요소 모델의 정확성과 해석 결과의 신뢰성을 확인할 수 있다.
- 7과 같이 응력분류도로 나타낼 수 있다. 전체적으로 두 밸브 케이싱에서 공통적으로 내벽의 응력 수준은 높고 외벽의 응력 수준은 상대적으로 낮은 것으로 나타났다. 그러므로 밸브 케이싱의 주조 시 외벽보다는 내벽에서의 주조 결함 방지가 더욱 요구되는 것으로 판단된다.
- 6은 유한 요소해석과 수압시험의 결과의 응력 강도 S를 밸브케이싱 재질의 항복강도 S로 나누어 무차원화하여 비교한 것으로.해석값과 측정값의 최대 오차가 약 15% 정도의 수준으로 만족할 만한 결과를 보였다. 이 같은 결과로부터 본 연구에서 제시한 밸브 케이싱 유한요소 모델의 정확성과 해석 결과의 신뢰성을 확인할 수 있다.
후속연구
- 또한 해석된 응력을 ASME code의 허용응력(allowable stress)에 따라 분류하고, 분류된 응력을 주조 결함 (casting defect) 발생 시 결함 부위를 굴삭하는 크기와 연관하여 정량화한 후 주조 결함의 평가기준으로 사용되는 응력분류도(stress category drawing) 를 작성하였다. 밸브케이싱 제작 시 주조 결함 발생 부위는 본 연구에서 제시한 응력 분류도 상의 위치에 따라 상세하고 정확한 조치를 수행하는 데 사용할 수 있다.
- 응력 강도 수준이 가장 높은 주정지밸브 케이싱의 출구부 내 벽 모서리와 제어밸브 케이싱의 덮개판 체결부 내벽 모서리에서는 주조결 함이 발생하지 않도록 특별히 유의해야 할 것으로 판단된다. 본 연구에서 제시한 방법은 발전용 대형 증기터빈밸브 케이싱을 신뢰성 있게 설계하고 제작하기 위하여 효율적으로 활용할 수 있다.
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