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문제 정의
- 발전소 노후화에 따라 배관계통의 침부식에 의한 배관감 육이 점점 늘어날 것으로 예상되므로 이에 대처하기 위한 감육률 예측 모델 및 현장진단시스템의 개발이 시급한 실정이다. 따라서 본 연구에서는 가장 주요한 침식손상요인으로 평가되는 LDIE 현상에 대해 주요영향인자를 실험에 반영할 수 있는 침부식 손상 모사 장비를 개발, 실증하였고 개발된 장비를 이용한 침부식 복합손상 모사와 손상정량화가 가능한 실험체계 구축을 논의하고자 한다.
- 본 연구에서는 배관 침부식 손상 모사가 가능한 실증장비를 개발하였다. 개발된 장비는 발전소 환경을 반영할 수 있는 화학수제어가 가능하고 LDIE에 대해 주요 영향인자인 액적의 속도 및 크기 제어와 측정이 가능하다.
제안 방법
- Heymann 등의 연구로부터 도출된 모델을 보면 LDIE에 의한 침식율은 액적충돌속도의 4~6제곱에 비례하는 것으로 알려져 있다.4) 하지만 충격압 및 액적 크기와 같은 액적특성 효과는 기존의 모델에서 정량화되지 못했으므로 본 연구 장비의 설계에서는 액적 크기에 따른 특성을 볼 수 있도록 개발되었다. 발전소 2차측의 경우, 탄소강 배관소재가 대부분이므로 실험에 사용되는 소재는 탄소강 재료로 한정할 수 있으며 재료의 열처리 조건에 따른 탄소강 소재의 경도차에 따른 효과를 고려할 수 있다.
- 개발된 장비는 ASME 설계기준에 근거하여 압력용기를 설계하였다.9) 설계된 압력용기는 100~150℃의 화학수를 이용한 액적발생을 위해 내부를 가압할 수 있도록 설계되었다. 설계된 장비는 노즐 형상, 노즐 전후단의 압력차, SOD를 달리하여 액적 발생 및 크기 제어가 가능하다.
- 본 실험에서는 지름 1mm 노즐에서 분사되는 물줄기를 이용하여 수격(water hammer)실험방식과 유사하게 설계하여 침식손상을 가속화할 수 있도록 구성하였다. LDIE에 의한 침식효과만을 고려하기 위해 이온교환수지를 거친 순수를 사용하였으며 온도, 모터회전수에 의한 속도, 노즐 전 후단 압력차 등을 실험 시간동안 모니터링 하였다. Fig.
- 위와 같은 침식 발생 표준화 시험법들의 장단점을 고려하여 화학수 제어가 가능하면서 LDIE에 영향을 미치는 주요 인자인 액적의 속도와 크기를 제어할 수 있는 장비를 개발하였다. 개발된 장비는 ASME 설계기준에 근거하여 압력용기를 설계하였다.9) 설계된 압력용기는 100~150℃의 화학수를 이용한 액적발생을 위해 내부를 가압할 수 있도록 설계되었다.
- 개발된 장비를 이용하여 저경도합금에 대한 손상모사실험을 수행하였다. 해당 시편의 재료로 알루미늄합금계열인 6061 Al 합금을 사용하였으며 다음의 Table 3은 6061 Al 합금의 성분 조성을 보여준다.
- 개발을 위해 침부식에 영향을 미치는 인자들을 조사하였고 이를 바탕으로 주요 도출 결과물을 예측하였다. 침부식 손상 연속모사장비의 경우, 발전소 환경에서 장기간에 걸쳐 발생하는 손상결과를 가속화할 수 있는 방법이 필요하며 발전소 수화학 조건 및 침식 유발 요인인 액적의 특성을 조절할 수 있도록 구성해야 한다.
- 가공된 시편은 가로 30mm, 세로 18mm, 두께 3mm로 시편이 준비되었으며, 기계연마와 전해연마를 통해 표면을 처리하였다. 기계연마는 600에서 1200 그리트(grit)의 사포로 각 1시간씩 연마하였으며 전해연마는 순수 200ml, 95% 에탄올 380ml, 85% 인산 400ml의 혼합용액을 이용하여 27volts에서 12분간 연마하였다.
- 침부식 손상 연속모사장비의 경우, 발전소 환경에서 장기간에 걸쳐 발생하는 손상결과를 가속화할 수 있는 방법이 필요하며 발전소 수화학 조건 및 침식 유발 요인인 액적의 특성을 조절할 수 있도록 구성해야 한다. 따라서 내부 화학수 환경을 통제하기 위해 누설방지(leak-tight)시스템으로 구성되었으며 액적의 크기 및 충돌속도, 용존산소(Dissolved Oxygen, DO)와 용존수소(Dissolved Hydrogen, DH) 및 pH를 발전소 수화학 환경과 맞출 수 있도록 구성되었다.
- 하지만 액적의 크기의 경우 정밀 제어가 쉽지 않고, 제어할 경우에도 LDIE 손상효과를 낼 수 있는 고속의 액적을 측정할 수단이 제한적이다. 따라서 다양한 실험방법을 조사하여 설계에 참고하였다.
- 액적의 속도는 기존 문헌에서 탄소강 배관소재에 대한 문턱속도로 제시되는 최저 속도 이상의 범위에서 결정되었으며 최대 120m/s로 설정되었다. 발전소 수화학 환경을 모사하기 위해 DO, DH, 온도 값을 설정하였으며 수화학조건을 유지하면서 철이온 농축을 통해 저 pH실험이 가능하도록 화학수를 공급하는 시스템을 구축하고 부식을 가속화할 계획이다.
- 실험조건은 다음의 Table 4와 같다. 본 실험에서는 지름 1mm 노즐에서 분사되는 물줄기를 이용하여 수격(water hammer)실험방식과 유사하게 설계하여 침식손상을 가속화할 수 있도록 구성하였다. LDIE에 의한 침식효과만을 고려하기 위해 이온교환수지를 거친 순수를 사용하였으며 온도, 모터회전수에 의한 속도, 노즐 전 후단 압력차 등을 실험 시간동안 모니터링 하였다.
- 앞서 살펴본 침부식 손상인자에 대한 고려를 바탕으로 발전소 수화학 환경을 모사하면서 액적의 크기를 정밀 제어 및 측정할 수 있는 침부식 손상 연속모사장비를 개발하였다. LDIE 손상모사와 액적 크기의 상관관계를 구하기 위해서는 균일한 크기분포를 가지는 액적을 얻을 수 있도록 장비를 설계해야한다.
- Table 2는 노즐 전 후단 차압에 따라 노즐출구 액적의 속도를 베르누이 방정식과 노즐형상계수를 고려하여 이론적으로 계산된 값과 발생하는 액적에 대한 평균 액적경의 측정값을 보여준다. 액적경의 측정은 노즐출구에서 SOD가 80mm 인 지점에서 측정했다. 압력차가 클수록 출구속도는 빨라지고 액적경은 작아지는 경향성을 보인다.
- 액적의 크기는 발전소 환경에서 수백 μm 수준으로 알려져 있으므로 0~1.0mm 직경의 다양한 액적을 노즐설계와 실험조건으로 제어할 수 있도록 설계했다.
- 위와 같은 침식 발생 표준화 시험법들의 장단점을 고려하여 화학수 제어가 가능하면서 LDIE에 영향을 미치는 주요 인자인 액적의 속도와 크기를 제어할 수 있는 장비를 개발하였다. 개발된 장비는 ASME 설계기준에 근거하여 압력용기를 설계하였다.
- 10) 이미지프로세싱 기법을 이용하기 위해서는 획득된 디지털 이미지를 통해 사진 상에서 액적의 경계를 정의하는 절차를 거쳐야 한다. 이 때 사용되는 방법은 여러 가지가 있으나 본 연구에서는 명도 차의 최빈값을 이용하는 방법을 선택하였다. Table 2는 노즐 전 후단 차압에 따라 노즐출구 액적의 속도를 베르누이 방정식과 노즐형상계수를 고려하여 이론적으로 계산된 값과 발생하는 액적에 대한 평균 액적경의 측정값을 보여준다.
대상 데이터
- 본 저경도합금 손상 모사실험에 사용되는 6061 Al합금은 경도가 낮아 침식에 대한 가속화실험이 가능할 것으로 예상되었다. 가공된 시편은 가로 30mm, 세로 18mm, 두께 3mm로 시편이 준비되었으며, 기계연마와 전해연마를 통해 표면을 처리하였다. 기계연마는 600에서 1200 그리트(grit)의 사포로 각 1시간씩 연마하였으며 전해연마는 순수 200ml, 95% 에탄올 380ml, 85% 인산 400ml의 혼합용액을 이용하여 27volts에서 12분간 연마하였다.
- 해당 시편의 재료로 알루미늄합금계열인 6061 Al 합금을 사용하였으며 다음의 Table 3은 6061 Al 합금의 성분 조성을 보여준다. 본 재료는 석출경화를 통해 기계적 물성을 강화한 합금이다. 본 저경도합금 손상 모사실험에 사용되는 6061 Al합금은 경도가 낮아 침식에 대한 가속화실험이 가능할 것으로 예상되었다.
- 개발된 장비를 이용하여 저경도합금에 대한 손상모사실험을 수행하였다. 해당 시편의 재료로 알루미늄합금계열인 6061 Al 합금을 사용하였으며 다음의 Table 3은 6061 Al 합금의 성분 조성을 보여준다. 본 재료는 석출경화를 통해 기계적 물성을 강화한 합금이다.
이론/모형
- 발생되는 액적의 특성을 측정하는 기법으로 이미지프로세싱 기법을 사용하였다. 이미지 프로세싱 기법은 자동차 엔진연료분사 모사 등의 연구에서 사용된 경험이 있고 중복 입자에 대한 선별 처리 및 비 구형입자에 대한 영향도 고려할 수 있으며 레이저를 이용한 속도측정방법 등에 비해 비교적 간단한 장비 구성과 경제성을 갖춘 방법이다.
성능/효과
- 1) 수질이 비교적 잘 관리되는 발전소 환경에서는 고체입자충격에 의한 침식은 발생빈도가 크지 않은 것으로 평가되고 있다. 캐비테이션의 경우에는 배관내부 유체의 급감압 등의 조건에서 발생하므로 원전기기 설계 개선을 통해 방지 가능하다.
- 본 연구에서는 배관 침부식 손상 모사가 가능한 실증장비를 개발하였다. 개발된 장비는 발전소 환경을 반영할 수 있는 화학수제어가 가능하고 LDIE에 대해 주요 영향인자인 액적의 속도 및 크기 제어와 측정이 가능하다. 개발된 장비를 통해 저경도재료인 알루미늄합금에 대한 침식손상 모사실증실험을 수행하여 침식 손상이 가능함을 실증하였다.
- 개발된 장비는 발전소 환경을 반영할 수 있는 화학수제어가 가능하고 LDIE에 대해 주요 영향인자인 액적의 속도 및 크기 제어와 측정이 가능하다. 개발된 장비를 통해 저경도재료인 알루미늄합금에 대한 침식손상 모사실증실험을 수행하여 침식 손상이 가능함을 실증하였다. 손상결과는 기존의 타 연구의 실험결과에 비추어 타당한 질량 손실률을 보여준다.
- 플래싱은 차압으로 인해 발생한 기포가 파손되지 않고 흘러가는 상태에서 발생하므로 발전소 2차측 환경에서는 발생빈도가 크지 않다. 또한 손상 표면이 비교적 매끈하고 발생지점에서 소음과 진동을 유발하므로 진단가능성이 높아 예방조치가 가능하다. 하지만 LDIE의 경우, 건도가 상대적으로 높지만 액적이 상당수 포함되어 있는 증기배관에서 발생하고 소음발생이 없으므로 발생빈도가 높은데 반해 진단이 어려운 특징이 있다.
- 0mm 직경의 다양한 액적을 노즐설계와 실험조건으로 제어할 수 있도록 설계했다. 액적의 속도는 기존 문헌에서 탄소강 배관소재에 대한 문턱속도로 제시되는 최저 속도 이상의 범위에서 결정되었으며 최대 120m/s로 설정되었다. 발전소 수화학 환경을 모사하기 위해 DO, DH, 온도 값을 설정하였으며 수화학조건을 유지하면서 철이온 농축을 통해 저 pH실험이 가능하도록 화학수를 공급하는 시스템을 구축하고 부식을 가속화할 계획이다.
- 실험조건 및 재료경도의 차이가 있고 침식 손상율은 비선형적인 것으로 알려져 있으므로 직접적인 비교는 힘들다. 하지만 본 실험결과는 모터회전수를 고려할 때, Ripken의 충돌 횟수에 비해 약 3.6배(5.5×105cycles) 더 많으므로 질량손실률이 0.4%에 비해 높은 3.2%의 질량손실률 값을 보여주는 것은 타당한 실험결과로 볼 수 있다.
후속연구
- 액적의 속도가 빠를수록 침식손상율이 높은 것으로 알려져 있으며 재료에 따라 특정속도 이하에서는 손상이 일어나지 않는 문턱속도(threshold velocity)가 존재하는 것으로 알려져 있다.3) 하지만 침식손상이 발생하는 문턱속도가 동일재료에 대해서도 개별 연구자별로 상이하고 그 범위가 비교적 크므로 문턱속도 정량화 및 속도에 따른 침식손상율의 평가가 필요하다. 액적 크기의 경우, 크기가 클수록 관성력과 충격압을 증가시킬 수 있기 때문에 손상을 가속화시키는 인자이다.
- 본 재료는 석출경화를 통해 기계적 물성을 강화한 합금이다. 본 저경도합금 손상 모사실험에 사용되는 6061 Al합금은 경도가 낮아 침식에 대한 가속화실험이 가능할 것으로 예상되었다. 가공된 시편은 가로 30mm, 세로 18mm, 두께 3mm로 시편이 준비되었으며, 기계연마와 전해연마를 통해 표면을 처리하였다.
- 이는 추후 작은 액적에 대한 충돌 실험 시 액적 크기뿐만 아니라 충돌영역에서 액적의 수밀도 등을 고려해야함을 의미한다. 좀 더 정확한 측정을 위해 액적과 시편의 충돌 영역을 국소적으로 제한하는 방법, 즉 시편의 크기를 줄이거나 액적이 분포하는 영역을 좁게 하는 방법을 고려할 필요가 있다.
- 손상결과는 기존의 타 연구의 실험결과에 비추어 타당한 질량 손실률을 보여준다. 향후 본 실험 장비를 이용하여 배관의 대표적인 손상현상인 LDIE 손상기구 개발과 영향인자에 따른 손상정량화를 통해 발전소 배관 시스템에 적용이 가능한 평가식을 개발할 예정이다.
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