$1,000^{\circ}C$ 이상의 고온에서 수천~수만 rpm으로 작동하는 가스터빈 부품의 수명을 예측하기 위하여 크립파단 실험으로 얻어진 Larson-Miller 크립곡선을 활용하고 있다. 이 방법은 고온에서 시편에 하중을 주어 파단수명을 구하여 크립 파단수명을 온도와 하중의 함수로 나타낸 실험결과 곡선이다. 파손적 실험으로서 오차가 수십배를 상회하여 수명예측이 정확하지 않다. 반면에 본 연구에서는 비 파손적일 뿐 아니라 더 정확한 수명예측이 가능한 방법을 소개하고자 한다. 즉, $1,280^{\circ}C$에서 22,000시간(6,000 기동) 사용되어 폐기된 보령 가스터빈 제1단 단결정 블레이드(버켓)에 국부적으로 polishing한 후, 부식시킨 다음 replica를 떤다. 이 replica에 붙은 석출물들은 TEM과 SEM 사진으로 구하여 디지털 이미지하여 크기가 측정된다. 블레이드가 사용 전에 $0.45{\mu}m$ 크기에서 사용 후, $0.6{\mu}m$로 성장하였으나, 추가적으로 약 만여 시간 더 사용할 수 있으며 열처리를 추가하면 이만여 시간 더 사용할 수 있음을 알 수 있었다.
$1,000^{\circ}C$ 이상의 고온에서 수천~수만 rpm으로 작동하는 가스터빈 부품의 수명을 예측하기 위하여 크립파단 실험으로 얻어진 Larson-Miller 크립곡선을 활용하고 있다. 이 방법은 고온에서 시편에 하중을 주어 파단수명을 구하여 크립 파단수명을 온도와 하중의 함수로 나타낸 실험결과 곡선이다. 파손적 실험으로서 오차가 수십배를 상회하여 수명예측이 정확하지 않다. 반면에 본 연구에서는 비 파손적일 뿐 아니라 더 정확한 수명예측이 가능한 방법을 소개하고자 한다. 즉, $1,280^{\circ}C$에서 22,000시간(6,000 기동) 사용되어 폐기된 보령 가스터빈 제1단 단결정 블레이드(버켓)에 국부적으로 polishing한 후, 부식시킨 다음 replica를 떤다. 이 replica에 붙은 석출물들은 TEM과 SEM 사진으로 구하여 디지털 이미지하여 크기가 측정된다. 블레이드가 사용 전에 $0.45{\mu}m$ 크기에서 사용 후, $0.6{\mu}m$로 성장하였으나, 추가적으로 약 만여 시간 더 사용할 수 있으며 열처리를 추가하면 이만여 시간 더 사용할 수 있음을 알 수 있었다.
To describe the lifetime prediction of gas turbine core parts serviced in some ten thousands rpms at over $1,000^{\circ}C$, the Larson-Miller Creep Curves, which are formed by creep rupture tests as the destructive experiment with parameters of stress and temperature, are used often, but ...
To describe the lifetime prediction of gas turbine core parts serviced in some ten thousands rpms at over $1,000^{\circ}C$, the Larson-Miller Creep Curves, which are formed by creep rupture tests as the destructive experiment with parameters of stress and temperature, are used often, but not exact and reliable with errors of over some tens. On the other hand, this study shows a non-destructive method with increased accuracy and reliability. The SEM and TEM specimens were extracted by replica after polishing the local airfoil and root surfaces of the first stage scraped blade (bucket), serviced for 18,000 hours at $1,280^{\circ}C$ in Gas Turbines of Boryong. The observed TEM and SEM precipitates were digitalized for calculation of the average size. Here we could find the precipitate size grown from $0.45{\mu}m$ to $0.6{\mu}m$ during service and the grown precipitates to be still sound. From these results we could conclude that the scraped balde can be used for ten thous and hours additionally and for twenty thousand hours by additional heat treatments on the scraped blade.
To describe the lifetime prediction of gas turbine core parts serviced in some ten thousands rpms at over $1,000^{\circ}C$, the Larson-Miller Creep Curves, which are formed by creep rupture tests as the destructive experiment with parameters of stress and temperature, are used often, but not exact and reliable with errors of over some tens. On the other hand, this study shows a non-destructive method with increased accuracy and reliability. The SEM and TEM specimens were extracted by replica after polishing the local airfoil and root surfaces of the first stage scraped blade (bucket), serviced for 18,000 hours at $1,280^{\circ}C$ in Gas Turbines of Boryong. The observed TEM and SEM precipitates were digitalized for calculation of the average size. Here we could find the precipitate size grown from $0.45{\mu}m$ to $0.6{\mu}m$ during service and the grown precipitates to be still sound. From these results we could conclude that the scraped balde can be used for ten thous and hours additionally and for twenty thousand hours by additional heat treatments on the scraped blade.
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문제 정의
이것을 r' rafting이라 하고 r' morpholgy적으로 인장축방향의 수직방향으로 특성 짓는 현상으로크립수명의 정도를 예측하게 한다.5, 6 따라서 본 과제에서는 이와 같은 데이터(크립곡선과 전자현미경 구조 및 조직)를 많이 수집하여 사용 후 폐기 혹은 수리판정을 대기하는 블레이드와 베인 에서 replica로 조직을 발췌하여 비 파괴적으로 보다 정확한 방법으로 재사용 여부를 진단하며 동시에 수리방법도 제시하고 잔류 수명도 제공할 수 있도록 하고자 한다.
격자추출 후 전문가가 수작업으로 처리 결과를 수정하는데 도움을 주기 위하여 후처리 인터페이스를 구현한다. 사용자가 특정한 격자의 정보를 보고 싶을 때, 원하는 격자를 마우스 왼쪽버튼으로 클릭하면 선택된 격자는 파란색으로 변하고 정보창에 결과가 나타난다.
이루어진다. 본 논문에서는 석출물 이미지에 대해서 디지털 이미지 처리를 함으로써 효율적인 육안 관찰이 이루어지게 하고 육안 관찰의 오류를 방지한다. 나아가 자동 수명 예측 시스템의 기초 기술을 개발하였다.
본 연구에서는 Biemann 등7이 개선한 Larson-Miller 곡선에 r' 석출물 크기변화에 따른 수명변화를 측정하여 적용시킴으로서 그 정확도를 더욱 개선시키고자하였다. 즉, 블레이드의 표면에 replica방법으로 블레이드 표면에 있는 석출물을 채취하고, 본 연구에서 소개되는 디지탈 이미지(형상) 분석에 의하여 석출물 크기를 측정하여 잔류 수명을 평가하고자 하였다.
13과 14의 영역을 절단하여 표면연마와 부식을 시킨 후 표면전자현미경에서 관찰한 결과이다. 본 연구에서는 이들 사진에서 석출물의 크기 (이미지)들을 통계학적으로 측정하여 평균크기를 자동적으로 분석하도록 하였다. 석출물의 morphology는 사각형의 모양으로 상호 직각 방향으로 균질하게 배열되어 있으며 그 크기는 약 0.
즉, 블레이드의 표면에 replica방법으로 블레이드 표면에 있는 석출물을 채취하고, 본 연구에서 소개되는 디지탈 이미지(형상) 분석에 의하여 석출물 크기를 측정하여 잔류 수명을 평가하고자 하였다.
가설 설정
수명예측은 현재 크립파단시험, 즉 고온에서 시편에 하중을 가하여 파단되는 시간으로 이루어진 Larson-Miller 크립곡선으로 수명예측을 한다. 즉, 보령 가스터빈의 고압 및 저압 1단 터빈 은 각각 197 맺 88개의 블레이드로 구성되는데 이 중 하나를 전체를 대표한 크립파단 시간을 Larson-Miller 크립곡선에 적용시켜 수명을 예측하며, 나머지 블레이드들도 동일한 수명을 갖는 것으로 가정한다. 이 방법은 또한 블레이드에서 시편을 채취하여야 하는 파손 적 방법으로 블레이드를 재사용할 수 없다.
제안 방법
16의 좌측 석출물 사진을 예로 하여 자세히 설명하였다. 3.2 장에서 설명한 바와 같이 석출물 사진을 주사 입력시키고, 석출물 면적을 측정하여 석출물 크기를 통계학적으로 구하였다. 즉, 1280oC에서 22, 000 EOH 사용한 블레이드에서 상대비교를 하기 위하여 블레이드 소재의 변형전 조직을 대신하여 블레이드 root 영역, 그리고 손상정도를 알기 위하여 블레이드 손상 부위의 영역을 Fig.
왔다. Larson-Miller 방식은 시간과 온도를 결합하여 하나의 변수, Larson-Miller parameter(함수)인 T(K+logt)를 제안하였다. 하나의 주어진 재료의 경우 시험 응력을 위의 함수에 대하여 도시한 결과 약간의 이탈된 값들은 있었으나 시간과 온도의 조합에 관계없이 여러 시험 결과가 하나의 연속적인 선을 구성하는 것을 알게 되었다.
8(a)) 그 기울기를 보정함으로써 이미지 처리에서 오차를 줄이기 위해 구현한 알고리즘이다. 기울기 보정에 대한 알고리즘은 이미지에 원을 80개 그려 원 하나당 서로 다른 각을 가진 180개의 선분을 그어 모든 선분에 대한 픽셀 (pixel: 화면상에 나타나는 최소단위의 화소)의 gray값을 추출하여 가장 알맞은 각을 찾는 방법을 사용하였다. 기울기 보정 후 원본이미지는 Fig.
본 논문에서는 석출물 이미지에 대해서 디지털 이미지 처리를 함으로써 효율적인 육안 관찰이 이루어지게 하고 육안 관찰의 오류를 방지한다. 나아가 자동 수명 예측 시스템의 기초 기술을 개발하였다.
노이즈가 제거된 깨끗한 이미지에 대해서 격자들에 대한 정보와 모양을 사용자에게 보여주기 위하여 격자 추출 알고리즘을 구현하여 적용한다. 지금까지 과정으로 처리된 이미지의 격자 테두리는 검은색으로 구성되어 있다.
채취하였다. 석출물 사진은 주사되어 본 연구에서 개발한 이미지 분석 프로그람으로 석출물 크기를 통계학적으로 측정하였다. 그 결과 석출물 크기는 0.
2), 모든 유사합금에서 발견된다. 이러한 석출물 특성을 이용하여 본 연구에서는 블레이드를 파괴하지 않고 블레이드 표면조직을 replica 방법으로 채취하여 석출물 이미지를 디지털화하고, 그 크기를 측정하여 석출물 크기 변화에 의하여 잔류 수명을 예측할 수 있었다. 특히 본 방법은 블레이드를 손상치 않을 뿐 아니라 각각의 블레이드를 전수검사를 하기 때문에 각각의 블레이드 수명을 정확하게 진단할 수 있다.
이러한 이미지들은 전체 이미지의 색을 반전시킴으로써 문제를 해결한다. 이미지 반전 알고리즘은 이미지의한 픽셀의 gray값을 최대값인 255에서 뺀 값의 절대값으로 저장하는 방법을 사용하였다. gray 값 (gray value or gray level) 은 이미지의 밝기 정도를 나타내는 값으로써, 색상이 없는 흑백 이미지는 회색으로 밝기 정도가 나타나므로 gray 값이라고 한다.
그리고 잘못된 이미지 분석 결과가 있을 경우 관찰자가 잘못된 영역을 표시하고 다시 분석하는 과정을 반자동으로 진행한다. 최종적으로 완성된 석출물 이미지로부터 석출물 크기를 측정하여 그 크기의 차이로 블레이드의 잔류수명을 예측하였다.
한 이미지에 나타난 모든 사각형의 통계치를 이용하여 전체 사각형 수, 평균 사각형 크기, 면적 등의 정보를 추출한다. 그리고 잘못된 이미지 분석 결과가 있을 경우 관찰자가 잘못된 영역을 표시하고 다시 분석하는 과정을 반자동으로 진행한다.
대상 데이터
5과 같은 전해에칭 방법을 사용할 경우 시험대상물로부터 석출물을 쉽게 추출이 가능하다. 본 예에서 사용한 조건은 5% H3PO4용액에서 4V의 전하를 걸어 1분간 에칭 (etching) 을 한 것이다. 니켈기 합금은 본 예에서 사용한 용액이 나중에 수명평가를 위한 이미지 처리에 가장 좋은 용액이며, 전하의 양은 시험 편의 상태에 따라 다르게 사용할 수 있다.
데이터처리
Table 1은 문헌상에 나타난 CMSX 4의 크립파단 수명데이타를 정리한 것이다. 이 결과를 기초로 하여 Larson-Miller 함수 값과 Sherby-Dorn 함수 값을 계산하였다.
이론/모형
22,000 EOH 사용하여 기 폐기된 가스터빈 블레이드의 표면의 조직(석출물)을 replica 법으로 채취하였다. 석출물 사진은 주사되어 본 연구에서 개발한 이미지 분석 프로그람으로 석출물 크기를 통계학적으로 측정하였다.
이러한 이유로 가스터빈 블레이드 (버켓)인 경우 합금소재와 함께 그 수명예측은 가장 중요한 핵심 기술이다. 수명예측은 현재 크립파단시험, 즉 고온에서 시편에 하중을 가하여 파단되는 시간으로 이루어진 Larson-Miller 크립곡선으로 수명예측을 한다. 즉, 보령 가스터빈의 고압 및 저압 1단 터빈 은 각각 197 맺 88개의 블레이드로 구성되는데 이 중 하나를 전체를 대표한 크립파단 시간을 Larson-Miller 크립곡선에 적용시켜 수명을 예측하며, 나머지 블레이드들도 동일한 수명을 갖는 것으로 가정한다.
격자의 색을 검은색으로 생각하고 격자 사이의 간격(선으로 나타난 부분)의 색을 흰색으로 생각하여 검은색과 흰색의 gray값을 극대화시켜줌으로써 격자와 배경을 명확하게 분리할 수 있다. 이를 위하여 본 논문에서는 HistoUpStretch 알고리즘을 사용한다. HistoUpStretch 는 사진 내 픽셀의 최소, 최대값의 비율을 이용하여 고정된 비율로 영상의 밝기를 조절함으로써 이미지의 명암 대비 (contrast)를 높인다.
성능/효과
블레이드의 수명을 결정하는 인자는 수없이 많으며, 우선 주조공정에서 발생하는 조대한 공정조직이나 밀집된 scripa 형의 석출물 등은 주조결함이라 할 수 있다.1 특히, 블레이드의 고온 강도와 사용온도에 따른 발전사에 고온강도는 r'이라는 석출물이 생성되어 고온강도를 급격히 향상시킨다. 2 그러나 이 석출물은 고온에 노출되는 동안 상호반응을 하여 성장하여 가면서 고온강도를 저하시킨다.
1에 나타내었다.3, 4 좌측 상단의 그림에서 석출물생성이 됨에 따라 약 20 nm 성장할 때 까지는 강도가 급격히 증가하나 이들 석출물이 고온에서 상호 반응하여 성장하면서 다시 강도가 완만하게 감소한다. 이 과정을 투과전자현미경으로 관찰하여 오른편에 나타내었다.
이미지를 처음부터 검색하여 검정색픽셀을 찾으면 그 픽셀주변을 검색하여 배경과의 경계면을 따라가다가 원래 위치로 돌아오게 되면 하나의 격자를 찾은 것으로 간주하고 그 정보들을 격자목록에 저장한다. 격자목록에 저장된 격자 테두리에 대한 정보를 토대로 격자의 가로 세로 면적 비율 등을 계산하여 정보 창에 격자에 대한 정보를 보여주고, 격자의 모양을 빨간색으로 표시하여 사용자의 가시성을 높였다 (Fg. 11).
12는 여러 개의 격자가 선택된 경우의 화면을 나타내고 있다. 결과 수정 기능에서는 마우스 오른쪽 버튼을 클릭하면 클릭된 격자가 제거됨으로써 잘못 처리된 격자의 수정이 가능하다.
석출물 사진은 주사되어 본 연구에서 개발한 이미지 분석 프로그람으로 석출물 크기를 통계학적으로 측정하였다. 그 결과 석출물 크기는 0.45 μm에서 0.60 μ 로 성장하였으며 석출물 조직 변화가 크게 심하지 않으므로 열처리를 통하여 회복이 가능한 조직이다. 이러한 석출물의 크기변화는 가스터빈 사용시간 14, 000 EOH으로 계산되며, 본 폐기된 블레이드를 10, 000 EOH더 사용해도 됨을 알 수 있었다.
만약 이 폐기된 블레이드를 용체화 및 석출강화 열처리를 하면, 이미 변형된 석출물조직의 약 80%이상 회복 가능하므로 그 잔여 수명도약 2배 이상인 24, 000 EOH로 수명 개선도 할 수 있다. 그러므로 본 연구에서 적용하는 방법으로 나머지 블레이드들도 모두 본 연구의 비파괴적 인 방법으로 각각의 블레이드들의 수명예측을 하여 블레이드마다 잔여 수명을 예측하여 적절히 재사용할 수 있는 것으로 판단되었다.
수명예측을 위하여 보편적으로 사용되던 Larson-Miller 크립곡선은 수명예측의 정확도와 재연성에 대한 신뢰성이 낮으면서 블레이드를 파손하므로 블레이드 재생도 불가능하다. 반면에 본 석출물 분석방법은 비 파괴적인 방법으로 블레이드 전수 검사가 가능하며, 기존 Larson- Miller 크립곡선 방법 보다 정확도와 재연성에 있어서 우수함을 알 수 있었다.
이러한 석출물의 크기변화는 가스터빈 사용시간 14, 000 EOH으로 계산되며, 본 폐기된 블레이드를 10, 000 EOH더 사용해도 됨을 알 수 있었다. 용체화 및 석출 강화 열처리를 추가하여 조직을 회복시키면, 본 폐기품의 수명은 20, 000 EOH 더 사용할 수 있음을 알 수 있었다. 나머지 블레이드들도 모두 이와 같이 전수 검사하여 재사용할 수 있음을 알 수 있었다.
60 μ 로 성장하였으며 석출물 조직 변화가 크게 심하지 않으므로 열처리를 통하여 회복이 가능한 조직이다. 이러한 석출물의 크기변화는 가스터빈 사용시간 14, 000 EOH으로 계산되며, 본 폐기된 블레이드를 10, 000 EOH더 사용해도 됨을 알 수 있었다. 용체화 및 석출 강화 열처리를 추가하여 조직을 회복시키면, 본 폐기품의 수명은 20, 000 EOH 더 사용할 수 있음을 알 수 있었다.
Larson-Miller 방식은 시간과 온도를 결합하여 하나의 변수, Larson-Miller parameter(함수)인 T(K+logt)를 제안하였다. 하나의 주어진 재료의 경우 시험 응력을 위의 함수에 대하여 도시한 결과 약간의 이탈된 값들은 있었으나 시간과 온도의 조합에 관계없이 여러 시험 결과가 하나의 연속적인 선을 구성하는 것을 알게 되었다. 이에 대한 여러 종류 재료의 시험결과가 Fig.
참고문헌 (8)
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W. Huethner and B. Reppich, Zeitschrift fuer Metallkunde, 69, 628-634(1978)
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Horst Biermann, Berthold von Grossmann, Thomas Schneider, Hua Feng and Hael Mughrabi, Superalloys, Ed.R. D. Kissinger et al., TMS 201-210, 1996
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