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열교환기 STS310S 튜브의 손상 원인 및 대책
Cause of and Solution for Damage to STS310S Tube in Heat Exchange Devices 원문보기

大韓機械學會論文集. Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers. A. A, v.39 no.2, 2015년, pp.187 - 193  

김진욱 (재료연구소 원자력공인사업단) ,  김선화 (포스코에너지) ,  정진혁 (포스코에너지) ,  김영수 (부경대학교 대학원 학연협동기계공학) ,  남기우 (부경대학교 재료공학과)

초록
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STS310S 는 열전달 능력이 우수하여, 열교환기용 열전달 튜브 재료로서 많이 사용된다. 튜브의 안쪽은 가스와 물의 혼합물이 흐르고, 튜브 바깥은 화염이 흐른다. 이와 같은 환경에서 튜브는 취화하였고, 누설이 발생하였다. 균열은 안쪽에서 바깥으로 전파하여 취성파괴 하였다. 본 연구는 취성파괴의 원인을 실험과 고찰을 통하여 규명하고, 해결 방법을 제안하였다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

The STS310S tube has excellent heat transfer ability and is widely used as the material for heat transfer tubes in heat exchange devices. Mixtures of gas and water flow inside the tube whereas hot flame flows outside it. In this environment, the material of the tube may undergo embrittlement, which ...

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

  • 본 연구는 운전 중 발생한 STS310S 열교환기 튜브의 누설에 대하여 실험 및 분석을 통하여 원인을 규명하고, 이에 대한 개선안을 제시하였다.
  • 본 연구에서는 누설이 발생한 열교환기용 튜브(STS310S)와 인위적으로 열화를 모의한 STS310S 와 STS316L을 사용하여, 손상 원인을 규명하고, 해결방법을 제시하였다.

가설 설정

  • (6) 핀의 용접 후 열처리는 바람직하지 않다. 즉, 후 열처리에 의한 잔류응력 완화보다, 후 열처리 동안에 발생하는 크롬카바이드로 인한 균열 발생 가능성이 더 높다고 판단된다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
본 실험에서 손상된 튜브의 균열 위치가 양쪽 측면에서 주로 관찰된 2가지 원인은 무엇인가? 하나는 양쪽 측면의 편향적인 열전달 결과, 열팽창으로 발생되는 응력의 집중에 의한 것이며, 둘째는 구조진동이나 와류(Karman Voltex) 등 화염에 의한 진동에 기인한 것으로 생각된다. 화염이 튜브 외부를 지날 때, 와류가 발생하여 화염의 흐름방향에 수직한 방향으로 힘을 발생시켜, 튜브는 화염의 흐름에 수직한 방향으로 진동시키는 와류 현상에 의한 진동, 튜브 내/외부의 응력상태가 반대인 교번응력상태로 된다.
예민화 현상이 발생하면 어떤 문제가 발생하는가? 이 때 입계 주위는 Cr 고갈영역이 생겨 입계에 손상을 받게 되어 내식성을 상실하는 예민화 현상이 발생한다.(11) 예민화는 입계 부식에 취약하고, 응력이 작용하면 취화에 의하여 취성파괴 할 가능성이 많다.
열교환기에 사용하는 재료에 주로 사용되는 재료는 무엇인가? (7~9) 용융 탄산염 연료전지 시스템의 BOP(Balance of Plant)(10) 중 중요부품인 열교환기의 수명은 설계온도 650℃ 의 고온 2 상유동이 형성됨으로 인하여 연료전지 전체 시스템의 성능과 가동률에 큰 영향을 미친다. 이와 같은 열교환기에 사용하는 재료는 내식성이 뛰어난 스테인리스강(Stainless steel; STS)을 많이 사용하고 있다. 그러나 STS 는 약 500∼900℃에서 일정시간 노출되면 입계에 Cr-rich M23C6 가 형성된다.
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참고문헌 (13)

  1. Marcenaro, B. and Federici, F., 2005, "MCFC Fuel Cells Development at Ansaldo Fuel Cells," Proceedings of the. International Hydrogen Energy Congress and Exhibition (ICHET 2005), 13-15 July, 2005, Istanbul, Turkey. 

  2. Ghezel-Ayagh, H., Walzak, J., Patel, D., Daly, J., Maru, H., Sanderson, R. and Livingood, W., 2005, "State of Direct Fuel Cell/Turbine Systems Development," Journal of Power Sources, Vol. 152, pp. 219-225. 

  3. Tooi, M., 2005, "Development of Molten Carbonate Fuel Cell in Japan," Proceedings of 2005 Fuel Cell Seminar, November 14-18, 2005, Plam Spring, CA. 

  4. Piero, L., Roberto, B. and Umberto, D., 2003, "Analysis and Optimization of Hybrid MCFC Gas Turbines Plants," Journal of Power Sources, Vol. 118, pp. 108-117. 

  5. Manfred, B. and Gerhard, H., 2002, "Operating Experience with a 250 $kW_el$ Molten Carbonate Fuel Cell (MCFC) Power Plant," Journal of Power Sources, Vol. 105, pp. 216-221. 

  6. Urbani, F., Freni, S., Galvagno, A. and Chiodo, V., 2011, "MCFC Integrated System in a Biodiesel Production Process," Journal of Power Sources, Vol. 196, pp. 2691-2698. 

  7. Song, K. N. and Hong, S. D., 2013, "Evaluation of High-Temperature Structural Integrity Using Lab-Scale PCHE Prototype," Trans. Korean Soc. Mech. Eng. A, Vol. 37, pp. 1189-1194. 

  8. Choi, J. H., Kim, D. S. and Kwak, B. H., 2014, "Performance Prediction and Economic Assessment of Atmospheric Pressure MCFC/Gas Turbine Hybrid System with Indirect Turbine Firing," Trans. Korean Soc. Mech. Eng. B, Vol. 38, pp. 31-39. 

  9. Lim, H. J., Lee, T. S., Oh, M. H., Kim, H. Y. and Kim, T. J., 2010, "Corrosion Properties of Fuelcell Metallic Bipolar Plate by Metal Surface Treatment," Proceedings of 2010 The Korean Society for New and Renewable Energy, pp.130.2-130.2 

  10. Selim, A. and Peilin, Z., 2006, "A Comparative Study on Life Cycle Analysis of Molten Carbon Fuel Cells and Diesel Engines for Marine Application," Journal of Power Sources, Vol. 158, pp. 188-199. 

  11. Kim, H. P., Hwang, S. S., Rhee, C. K., Kim, K. M. and Kim, J. S., 1998, "A Review of Sensitization of Stainless Steel, " J. Corros. Sci. Soc. Of Korea, Vol. 27, pp. 52-64. 

  12. Kim, B. T. and Baek, K. K., 1988, "A Study on Evaluation of Degree of Sensitization in AISI 304 Stainless Steel and Its Welding Heat Affected Zone by an Electrochemical Method," J. Corros. Sci. Soc. of Korea, Vol. 17, pp. 99-109. 

  13. Nam, K. W., Ahn, S. H. and Kim, J. W., 2005, " Nondestructive Evaluation in Materials Using Time-Frequency Analysis Methods," Key Engineering Materials, Vols. 297-300, pp. 2090-2095. 

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