최근 고온부품의 기술발전으로 고효율 가스터빈 발전설비들이 운전되고 있으나 국내의 가스터빈설비는 일일 기동정지를 반복 운전하므로써 열싸이클에 의한 블레이드와 베인의 재료물성은 급격히 나빠지고 있다. 현재 가스터빈 부품 교체와 정비는 제작사에 의존하고 있는 실정으로 이에 본 연구에서 독자적인 교체 및 정비 관리 기준을 위해 수명평가와 손상분석의 기초자료로 활용하고자 실제 운전된 가스터빈 고압 1단 블레이드와 베인의 사용시간별 손상거동을 분석하였다. 사용재의 블레이드는 등가운전시간(EOH)이 23,686, 27,909 및 52,859 이고 베인은 28,714 및 52,859 으로 운전시간이 증가함에 따라 ${\gamma}$'의 크기는 증가하고 형상은 구형 또는 판상으로 변형되었다. 블레이드는 leading edge영역, 베인은 center영역에서 가장 큰 미세조직의 열화가 관찰되었으며 이는 경도의 감소경향과 일치하였다. 열차폐 코팅층내 bond코팅층에서는 운전시간이 증가함에 따라 표면산화층의 두께가 증가하였다.
최근 고온부품의 기술발전으로 고효율 가스터빈 발전설비들이 운전되고 있으나 국내의 가스터빈설비는 일일 기동정지를 반복 운전하므로써 열싸이클에 의한 블레이드와 베인의 재료물성은 급격히 나빠지고 있다. 현재 가스터빈 부품 교체와 정비는 제작사에 의존하고 있는 실정으로 이에 본 연구에서 독자적인 교체 및 정비 관리 기준을 위해 수명평가와 손상분석의 기초자료로 활용하고자 실제 운전된 가스터빈 고압 1단 블레이드와 베인의 사용시간별 손상거동을 분석하였다. 사용재의 블레이드는 등가운전시간(EOH)이 23,686, 27,909 및 52,859 이고 베인은 28,714 및 52,859 으로 운전시간이 증가함에 따라 ${\gamma}$'의 크기는 증가하고 형상은 구형 또는 판상으로 변형되었다. 블레이드는 leading edge영역, 베인은 center영역에서 가장 큰 미세조직의 열화가 관찰되었으며 이는 경도의 감소경향과 일치하였다. 열차폐 코팅층내 bond코팅층에서는 운전시간이 증가함에 따라 표면산화층의 두께가 증가하였다.
Recently, technical advances have been made in high efficiency gas turbine power plants. In domestic gas turbine facilities, the material properties of the blade and vane are degraded by the daily start-stop operations arising from the thermo mechanical cycle. We surveyed the time dependent degradat...
Recently, technical advances have been made in high efficiency gas turbine power plants. In domestic gas turbine facilities, the material properties of the blade and vane are degraded by the daily start-stop operations arising from the thermo mechanical cycle. We surveyed the time dependent degradation of the HP blade and vane to gather basic data for life assessment and damage analysis. The EOH(equivalent operating hours) of the blades were 23,686, 27,909, and 52,859 and the EOH of the vanes were 28,714 and 52,859, respectively. With increased operating hours, the shape of the primary ${\gamma}$' precipitate transformed from cubic to spherical, and its average size also increased. The leading edge area of the blades and the center of the vanes had the worst morphology, and this tendency agrees with the microhardness results. The thickness of the thermally grown oxide at the outer surface of the bond coat increased with increased operating hours.
Recently, technical advances have been made in high efficiency gas turbine power plants. In domestic gas turbine facilities, the material properties of the blade and vane are degraded by the daily start-stop operations arising from the thermo mechanical cycle. We surveyed the time dependent degradation of the HP blade and vane to gather basic data for life assessment and damage analysis. The EOH(equivalent operating hours) of the blades were 23,686, 27,909, and 52,859 and the EOH of the vanes were 28,714 and 52,859, respectively. With increased operating hours, the shape of the primary ${\gamma}$' precipitate transformed from cubic to spherical, and its average size also increased. The leading edge area of the blades and the center of the vanes had the worst morphology, and this tendency agrees with the microhardness results. The thickness of the thermally grown oxide at the outer surface of the bond coat increased with increased operating hours.
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문제 정의
본 연구에서는 니켈기 단결정 초합금(Single crystal Ni-based superalloy)으로 제작된 블레이드 사용품에 대한 수명평가의 기초자료로 활용하고자 가스터빈 고온부품 중에서 다른 부품보다 운전환경이 가혹한 고압 1단 블레이드와 베인에 대해 운전시간에 따른 물성변화 상태를 평가 분석하였다.
제안 방법
그리고 비커스경도시험기를 이용하여 하중 200g, 10초 조건으로 경도특성을 측정하였으며 코팅층에 대해서는 코팅층과 모재의 계면균열 상태 조사, 를 위한 TGO(Thermally grain oxide) 형상과 두께를 측정하였다.
기계적 물성을 평가하기 위한 인장시험 및 응력 파단시험은 블레이드 및 베인 내부에 냉각공(cooling hole)의 복잡한 형상으로 인해 시험편 채취가 불가능하며 이를 대신하여 경도시험을 수행하였다.
블레이드와 베인의 미세조직은 아래 Fig. 4 같이 블레이드와 베인의 높이에 따라 각 Top, Mid, Bot의 세층에서 Leading edge, Center, Trailing edge의 세 위치에서 분석을 실시하였다.
연소가스에 의한 블레이드 및 베인의 고온산화에 따른 손상상태 조사를 위해 먼저 코팅제거 전·후에 육안검사를 실시하였고 모재의 열화상태 평가를 위해 블레이드와 베인을 절단, 연마, 에칭 후 광학현미경과 주사전자현미경(Jeol, JSM 6360)을 사용하여 미세조직을 분석하였다.
대상 데이터
본 실험에서 사용된 블레이드 소재는 단결정 니켈기 초내열합금 CMSX-4로 화학적 조성은 Table 1과 같다.
성능/효과
(1) 운전시간이 증가에 따라 γ'의 조대화, 구상화 및 늘어짐(rafting)의 경향이 증가하였으며 블레이드는 leading edge부가 베인은 center부 pressure side가 열화 손상 영향을 가장 크게 받는 것으로 나타났다.
(2) 경도분석결과 블레이드는 leading edge부가 베인은 center부가 가장 낮은 경도값을 나타났으며 이러한 경향은 미세조직 열화 분석결과와 일치하였다.
(3) 장시간 고온에서 운전함에 따라 bond 코팅층 내 Al이 표면으로 확산하여 생성된 계면산화층(Thermally Grown Oxide) 두께는 블레이드가 4∼11㎛, 베인은 3∼7㎛로 운전시간 증가에 따라 증가하며, bot 보다는 top영역에서 큰 것으로 확인되었다.
(4) 장시간 사용으로 인한 열화 및 산화 등에 의해 열차폐코팅층이 박리되었으며 운전시간 증가할수록 균열수가 증가하는 경향을 나타내었다.
(b) 52,859EOH (HV-2)에 대한 분석결과 HV-2가 leading edge부, center부, trailing edge부의 표면에서 γ'의 조대화, 구형화 및 늘어짐이 더 크게 나타났다.
HB-3내 TGO의 두께는 4∼11㎛로 운전시간이 증가함에 따라 TGO의 두께는 증가하게 되고 Bot 보다 top영역에 가까울수록 TGO의 두께는 증가하는 경향을 나타났다.
또한, 손상 개선을 위해 top coating을 leading edge까지 확대하고 tip부분의 cooling hole을 3개에서 4개로 구조 변경한 HB-1이 γ' 의 조대화, 구형화 및 늘어짐(rafting)현상이 적게 나타났다.
블레이드 코팅층과 모재에 대한 손상분석 결과 Fig. 11과 같이 운전시간이 짧은 23,686EOH 블레이드는 top과 bond 코팅층에 다수의 균열과 박리된 흔적이 있었고 모재에는 균열이 없었으나 27,909EOH와 52,859EOH 사용된 블레이드에서는 23,686EOH 사용 블레이드에 비해 top 과 bond 코팅층에서 다수의 균열과 박리된 흔적이 상대적으로 많이 발견되었고 모재에 균열이 발견되었다.
운전시간 증가에 따라 leading edge와 trailing edge 영역에서 γ'의 조대화, 구상화 및 늘어짐(rafting)의 경향은 커지고 있으며, 특히 leading edge부의 표면이 열화 손상의 영향을 가장 크게 받는 것으로 분석되었다.
6은 운전시간에 따른 고압 1단 베인 미세조직으로 (a) 28,714EOH(HV-1), (b) 52,859EOH (HV-2)에 대한 분석결과 HV-2가 leading edge부, center부, trailing edge부의 표면에서 γ'의 조대화, 구형화 및 늘어짐이 더 크게 나타났다. 위치별 크기와 밀도, 코팅층 두께 확인결과 center부의 pressure side가 열화 정도가 가장 크게 나타났으며 bond 코팅층 두께도 229㎛로 가장 낮게 나타나 열응력의 영향을 가장 크게 받은 것으로 판단된다.
표준 열처리된 초기상태의미세조직인 Fig. 1과 비교해 Top, Mid, Bot의 세 층에서 열화로 인한 γ'의 형상의 조대화, 구형화 및 늘어짐(rafting) 현상이 나타났다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
무엇을 위한 평가 기준으로서 일정시간 사용된 고온부품에 대해 상태 평가가 필요한가?
그러나 가스터빈에 대한 사용 중 부품의 교체 주기나 정비기준은 제작사의 지침서에 의존하여 관리 운용하고 있다. 또한, 국내 가스터빈 설비의 운용 환경은 계통운용상 빈번한 기동정지로 인해 국외 설비와는 달리 매우 가혹한 조건에서 운전되고 있어 이로 인한 부품의 수명에 미치는 영향도 크기 때문에 독자적으로 재질에 대한 열화평가와 수명평가에 의한 교체 및 정비기준이 필요하다. 이를 위한 평가 기준으로서 일정시간 사용된 고온부품에 대해 상태 평가가 필요하다.
가스터빈에 대한 사용 중 부품의 교체 주기나 정비기준은 무엇에 의존하여 관리 운용하고 있는가?
그러나 가스터빈에 대한 사용 중 부품의 교체 주기나 정비기준은 제작사의 지침서에 의존하여 관리 운용하고 있다. 또한, 국내 가스터빈 설비의 운용 환경은 계통운용상 빈번한 기동정지로 인해 국외 설비와는 달리 매우 가혹한 조건에서 운전되고 있어 이로 인한 부품의 수명에 미치는 영향도 크기 때문에 독자적으로 재질에 대한 열화평가와 수명평가에 의한 교체 및 정비기준이 필요하다.
국내의 가스터빈설비의 블레이드와 베인의 재료물성이 급격히 나빠지고 있는 이유는 무엇인가?
최근 고온부품의 기술발전으로 고효율 가스터빈 발전설비들이 운전되고 있으나 국내의 가스터빈설비는 일일 기동정지를 반복 운전하므로써 열싸이클에 의한 블레이드와 베인의 재료물성은 급격히 나빠지고 있다. 현재 가스터빈 부품 교체와 정비는 제작사에 의존하고 있는 실정으로 이에 본 연구에서 독자적인 교체 및 정비 관리 기준을 위해 수명평가와 손상분석의 기초자료로 활용하고자 실제 운전된 가스터빈 고압 1단 블레이드와 베인의 사용시간별 손상거동을 분석하였다.
참고문헌 (8)
Lvov, E. and Norsworthy, D., 2000, "Influence of Previous Service History on the Microstructure of Rejuvenated Superalloy Gas Turrbine Blades after their Return to Service," 4th International RRAC Conference, Welding and Repair Technology for Power Plants, Florida, pp. 3-1GT-3-20GT.
Sajjadi, S. A., Nategh, S. and Guthrie, R. I. L., 2002, "Study of Microstructure and Mechanical Properties of High Performance Ni-Base Superalloy GTD-111," Material Science Engineering A, Vol. 325, pp 484-489.
Viswanathan, R., 1989, "Damage Mechanisms and Life Assessment of High-Temperature Components," ASM International, pp. 448-476.
Murphy, K. S., More, K. L. and Lance,M. J., 2001, "As-Deposited Mixed Zone in Thermally Grown Oxide beneath a Thermal Barrier Coating," Surface and Coatings Technology, Vol. 146-147, pp.152-161.
Kameda, J., Bloomer, T. E., Sugita, Y., Ito, A. and Sakurai, S., 1997, "High Temperature Environmental Attack and Mechanical Degradation of Coatings in Gas Turbine Blades," Material Science Engineering A, Vol. 229, pp. 42-44.
Koo, J.-M., Seok, C.-S., Kang, M.-S., Kim, D.-J., Lee, D.-H. and Kim, M.-Y., 2010, "Evaluation of Degradation of Isothermally Aged Plasma-Sprayed Thermal Barrier Coating," Trans. of KSME(A), Vol. 34, No. 4, pp. 475-480.
Jung, A. and Schnell, A., 2008, "Crack Growth in a Coated Gas Turbine Superalloy under Thermo-Mechanical Fatigue," International Journal of Fatigue, Vol. 30, pp. 286-291.
Okazaki, M. and Yamano, H., 2005, "Mechanism and Mechanics of Early Growth of Debonding Crack in an APSed Ni-base Superalloy TBCs under Cycle Load," International Journal of Fatigue, Vol. 27, pp. 1613-1622.
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