[논문]초초임계압 석탄화력 보일러 수냉벽 수관의 용접신뢰성 향상방안

안종석; 문승재

[국내논문] 초초임계압 석탄화력 보일러 수냉벽 수관의 용접신뢰성 향상방안
Reliability Improvement Method of Weld Zone in Water Wall Tube for an Ultra Supercritical Coal Fired Boiler 원문보기

This paper presents failure analysis on weld-joint of the waterwall tubes in USC boilers. Visual inspections were performed to find out the characteristics of the fracture. Additionally both microscopic characteristics and hardness test were carried out on failed tube samples. Failures seem to happen mainly because the welding process such as preheating and PWHT(post-weld heat treatment) was not conducted strictly. Thus, this paper has the purpose to describe the main cause of the poor welding process and to explain how to prevent similar failures in those weld-joints.

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문제 정의

1개 발전설비의 보일러 압력부 및 배관 용접부는 총 35,000 여 개소로 구성되어 있으며 주로 공장 용접부는 자동용접을, 현장 용접부는 수동용접으로 시행하게 되는데 특히 수동용접의 경우 용접사 기량에 따라 용접품질이 크게 좌우되고 있으며 현장 용접품질 확보 확인을 위한 비파괴 및 파괴검사를 시행하고 있으나 검사범위의 한계 및 비용, 검사품질 문제 등으로 용접결함을 발견하지 못하고 가동중 손상이 빈발하고 있는 실정이다. 아래에서는 화력발전 보일러 압력부 및 배관에서 발생되는 용접균열의 일반적인 분류방법을 나타내었고 손상방지를 위한 용접관리방안을 제시하였다.
본 논문에서 연구한 대상은 실제로 가동중이던 국내 USC보일러 수냉벽 수관 용접부에서 다수 누설이 발생, 이에 대한 원인분석 및 대책수립을 위해서 과거 아임계압 보일러 수냉벽 수관에 사용된 소재와 USC보일러 수냉벽 수관에서 사용된 소재의 용접부 손상샘플 미세조직 특성과 경도를 비교분석하였고, 그리고 수관용접 구조물 특성에 대한 연구를 통하여 실제 손상이 발생된 세부 원인분석 내용을 저술하였다. 또한 이를 토대로 향후 신규건설 및 설비유지 과정에서의 보수 용접시 유사손상 재발 방지를 위한 용접 시공방안 의견을 제시하였으며 발전설비 신뢰도 향상을 그 목적으로 연구를 시행하였다.

제안 방법

샘플튜브의 미세조직 관찰을 위해 시험편 연마 (polishing)후 2% 나이탈 부식액(nital etching)을 이용하여 4분 동안 부식하였고 검사장비는 금속현미경을 사용하였다.
10에 나타내었다. 미소경도계(micro vickers)를 이용하여 3개의 손상 샘플을 튜브 내면에서 외면방향으로 1 mm 간격으로 이동하면서 측정하였다.
본 논문에서 연구한 대상은 실제로 가동중이던 국내 USC보일러 수냉벽 수관 용접부에서 다수 누설이 발생, 이에 대한 원인분석 및 대책수립을 위해서 과거 아임계압 보일러 수냉벽 수관에 사용된 소재와 USC보일러 수냉벽 수관에서 사용된 소재의 용접부 손상샘플 미세조직 특성과 경도를 비교분석하였고, 그리고 수관용접 구조물 특성에 대한 연구를 통하여 실제 손상이 발생된 세부 원인분석 내용을 저술하였다. 또한 이를 토대로 향후 신규건설 및 설비유지 과정에서의 보수 용접시 유사손상 재발 방지를 위한 용접 시공방안 의견을 제시하였으며 발전설비 신뢰도 향상을 그 목적으로 연구를 시행하였다.

대상 데이터

시험대상의 손상시험편의 규격은 외경이 38.7 mm이며 두께는 7.6 mm이고 수관의 소재인 SA213T22와 비교대상인 SA213T12의 기계적 성질은 Table 1에 나타내었다. 인장강도와 경도는 415 MPa 및 167 Hv으로 동일하나 상온 연신율은 각각 30% 및 22%로서 SA213 T22 소재의 연신율이 더 크다는 것을 알 수 있다.

이론/모형

건설당시 수냉벽 수관인 SA213T22 소재를 용접시 용접봉은 Table 3에서 나타내었다. 용접규격은 ER90S-B3 을 사용하였으며 적용된 용접변수는 Table 4에서 나타내었다. 용접봉 외경은 2.
4 mm를 사용하였으며 예열은 150℃ 이상 으로 가열하였고 후열처리는 적용하지 않았다. 용접시 사용전류는 170 ~ 180 A 범위 내에서 전압 10~16 V를 적용하였고 용접속도는 6 ~ 15 cm/min, 용접 기법은 직선 운봉법을 이용하여 시공하였다.

성능/효과

손상지역 이면비드 주변에는 미세균열이 다수 발생되어 있어 손상 문제점이 광범위 하다는 것을 알 수 있었으며 균열 유형은 루트 및 크레이터 균열로 진행되었다. 손상 조직관찰 결과 마르텐사이트가 나타남에 따라 겨울철 용접과정에서 예열 불충분 또는 부적절한 시공이 이루어진 것으로 판단할 수가 있으며 미세한 균열이 다수 존재한 점을 감안하면 누설이 발생되지 않은 현장용접부에서도 동일한 문제점이 발생 할 수 있다고 예상 될 수 있었다.
손상지역 이면비드 주변에는 미세균열이 다수 발생되어 있어 손상 문제점이 광범위 하다는 것을 알 수 있었으며 균열 유형은 루트 및 크레이터 균열로 진행되었다. 손상 조직관찰 결과 마르텐사이트가 나타남에 따라 겨울철 용접과정에서 예열 불충분 또는 부적절한 시공이 이루어진 것으로 판단할 수가 있으며 미세한 균열이 다수 존재한 점을 감안하면 누설이 발생되지 않은 현장용접부에서도 동일한 문제점이 발생 할 수 있다고 예상 될 수 있었다.
수냉벽 수관은 일반 코일튜브와 비교하여 열전달 면적이 커서 냉각속도가 빠르고 현장 용접시 예열온도인 최소 149℃ 이상 유지하는데 불리한 구조이다. 이에 따라 전용 예열 장치를 사용하여 예열을 시행해야 하나 손상이 발생된 시험편인 SA213T22 소재 용접시에는 화염토치를 이용하였고 실제 용접시에는 규정된 예열온도 이하에서 용접이 진행되어 용접 시행후 용접금속이 정상조직인 베이나이트가 형성되지 못하고 취성이 높은 마르텐사이트 조직으로 변태하여 높은 경도가 유지된 점을 감안하면 예열관리가 미흡하였음을 알 수 있다.
6 mm이고 수관의 소재인 SA213T22와 비교대상인 SA213T12의 기계적 성질은 Table 1에 나타내었다. 인장강도와 경도는 415 MPa 및 167 Hv으로 동일하나 상온 연신율은 각각 30% 및 22%로서 SA213 T22 소재의 연신율이 더 크다는 것을 알 수 있다.

후속연구

따라서 최소한의 필름 선 명도(sharpness) 확보를 위해서는 용접부 1개소에 필름 1매 촬영이 요구되며 검사시기는 용접 종료후 최소 48 시간 이상 경과 후에 시행하는 것이 필요하나 이를 준수하지 못하였다. 또한 결함의 종류가 미세균열인 점을 감안하면 비파괴 검사 결과 신뢰도 향상을 위해 초음파 검사를 부분적으로 병행하여 건전성 여부를 확인하는 것이 바람직하다.

핵심어

질문

논문에서 추출한 답변

고온균열 발생을 억제하기 위한 용접관리 방안으로는 무엇을 적용해야 하는가?

고온균열 발생을 억제하기 위한 용접관리 방안으로는 용접전, 용접 개선면에 오일, 먼지 등이 부착되어 있지 않도록 청결을 유지토록 하며 입열량이 적은 시공기법을 적용해야 한다. 잔류응력 저감 및 용접조직의 미세화를 유도, 전류 및 전압 최소화, 패스당 용접두께를 얇게 하고 속도는 빠르게 시공한다.

잔류 응력 저감을 위한 용접방법은 무엇을 시행하는가?

잔류응력 저감 및 용접조직의 미세화를 유도, 전류 및 전압 최소화, 패스당 용접두께를 얇게 하고 속도는 빠르게 시공한다. 잔류 응력 저감을 위한 용접방법은 다층으로 시공하며 운봉 용접지양 및 직선용접을 시행한다. 예열 및 층간온도를 준수하고 용접부 개선면 불일치 발생시체인 블록 사용엄금 및 튜브 벤딩 방법으로 용접부가 구속되지 않은 상태에서 용접을 시행해야 한다.

잔류 응력 저감을 위한 용접방법은 어떠한 상태에서 용접을 시행해야 하는가?

잔류 응력 저감을 위한 용접방법은 다층으로 시공하며 운봉 용접지양 및 직선용접을 시행한다. 예열 및 층간온도를 준수하고 용접부 개선면 불일치 발생시체인 블록 사용엄금 및 튜브 벤딩 방법으로 용접부가 구속되지 않은 상태에서 용접을 시행해야 한다.

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