[논문]복합화력발전소 증기터빈 동익 손상 원인분석

강명수; 김계연; 윤완노; 이우광

복합화력발전소 증기터빈 동익 손상 원인분석
Root Cause Analysis on the Steam Turbine Blade Damage of the Combined Cycle Power Plant 원문보기

The last stage blade of the low pressure steam turbine remarkably affects turbine plant performance and availability Turbine manufacturers are continuously developing the low pressure last stage blades using the latest technology in order to achieve higher reliability and improved efficiency. They tend to lengthen the last stage blade and apply shrouds at the blades to enhance turbine efficiency. The long blades increase the blade tip circumferential speed and water droplet erosion at shroud is anticipated. Parts of integral shrouds of the last stage 40 inch blades were cracked and liberated recently in a combined cycle power plant. In order to analyze the root cause of the last stage blades shroud cracks, we investigated operational history, heat balance diagram, damaged blades shape, fractured surface of damaged blades, microstructure examination and design data, etc. Root causes were analyzed as the improper material and design of the blade. Notches induced by erosion and blade shroud were failed eventually by high cycle fatigue. This paper describes the root cause analysis and countermeasures for the steam turbine last stage blade shroud cracks of the combined cycle power plant.

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문제 정의

본 논문에서는 최근에 발생한 복합화력발전소 증 기터빈부의 저압터빈 최종단 동익의 일체형 슈라우 드 손상에 대한 원인분석과 대책을 기술하였다.

가설 설정

2) 손상의 주원인은 일체형 슈라우드의 취약부위에 습득침식에 의한 것이다. 이러한 습분에 의한 침 식은 필연적으로 발생되는 것이므로 이 부위를 Fig.
• The problem is exacerbated in longer blades because of higher tip speeds.

제안 방법

복합화력발전소 증기터빈 최종단 동익 일체형 슈 라우드의 손상원인을 규명하기 위하여 운전기록 검 토, 열평형도 검토, 손상된 동익의 육안점검, 슈라우 드의 파단면검사, 조직검사, 설계자료 분석 등을 수 행하여 얻은 결론을 요약하면 다음과 같다
손상 메커니즘은 Fig. 8과 같으며, 손상의 원인이 경년열화임을 주장하기 위하여 Fig. 9와 같은 피로한 도에 미치는 정적응력과 진동응력 관계 선도를 제시 하였다. Fig.
경년열화에 대해서는 침식상태(status of erosion) 를 점검하였고, 그 결과 최종단 동익 tip 슈라우드의 침식량은 다른 발전소에 비하여 상당히 크며, 아주심각한 정도이었다. 제작사는 침식의 정도를 타 발전 소와 정량적으로 비교하고, 침식으로 야기된 슈라우 드 루트(root)부 두께 감소, 슈라우드 루트 응력집중 부의 정•동응력 증가, 동익의 4차 고유진동주파수의 8차 하모닉(harmonic)에의 접근 및 표면조도의 증가 로부터 동익 손상 메카니즘을 언급하였다.
최종단 동익 슈라우드 손상의 원인을 규명하기 위하여 운전기록 및 열평형도 검토, 손상 동익의 육안 점검, 슈라우드의 파단면검사, 조직검사, 설계자료 분석 등을 수행하였다. 손상형태는 동익의 일체형 슈라 우드 부위 (continuous coupled should area)에 습분 이 충돌(liquid droplet impacts)하여 과도한 침식이 발생되었다.
현미경에 의한 점검결과 전형적인 마르텐사이트 (martensite)의 조직이고, 손상면의 노치 (notch)효과 와 피로한도(fatigue limit)에 미치는 표면효과를 점 검 하였다.

대상 데이터

손상이 발생된 설비는 복합화력발전소 저압 증기터 빈 최종단 동익의 일체형 슈라우드 부분이며, 2002년부터 상업운전을 시작한 190 MW 용량의 가스터빈 4대 와 240 MW 용량의 증기터빈 2대가 2개의 블록으로 구성되어 있다. 설비의 주요 규격은 Table 1, 2와 같다

성능/효과

1) 동익 손상의 원인은 부적절한 슈라우드 형상 설계로 인해 발생된 것이며, 손상 메카니즘은 과다한 침식에 의해 노치가 형성되고, 고사이클피로로 인해 균열이 시작, 성장하여 파단된 것이다.
3) 동익 손상의 원인이 설계 결함(과다한 침식)임 을 확인하고, 막대한 손상 복구비를 해외제작사가 부 담하게 하여, 국고손실을 절감하였다
경년열화에 대해서는 침식상태(status of erosion) 를 점검하였고, 그 결과 최종단 동익 tip 슈라우드의 침식량은 다른 발전소에 비하여 상당히 크며, 아주심각한 정도이었다. 제작사는 침식의 정도를 타 발전 소와 정량적으로 비교하고, 침식으로 야기된 슈라우 드 루트(root)부 두께 감소, 슈라우드 루트 응력집중 부의 정•동응력 증가, 동익의 4차 고유진동주파수의 8차 하모닉(harmonic)에의 접근 및 표면조도의 증가 로부터 동익 손상 메카니즘을 언급하였다.
운전기록 검토결과 문제가 될만한 특이사항은 없 었고, 열평형도 검토결과도 비정상적 사항은 없었다.

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