[논문]화력발전용 저압터빈 최종 단 블레이드에 대한 파손 연구

이길재; 김재훈

doi:10.3795/ksme-a.2016.40.4.423

화력발전용 저압터빈 최종 단 블레이드에 대한 파손 연구
Study for Fracture in the Last Stage Blade of a Low Pressure Turbine 원문보기

大韓機械學會論文集. Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers. A. A, v.40 no.4, 2016년, pp.423 - 428

초록
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저압터빈 최종 단 블레이드는 응축 증기 내 농축된 불순물에 의해 조성되는 부식환경 하에서, 고속회전에 따른 높은 응력이 부가되어 응력부식 균열에 의한 파손이 빈번히 발생된다. 이러한 가혹 환경 하에서 블레이드의 안정적 사용을 위해서 내식성과 고 강도 특성 등을 갖춘 12% Cr 마르텐사이트계 스테인레스 강을 널리 적용한다. 본 논문은 마르텐사이트계 스테인레스 강으로 제작된 최종 단 블레이드가 정상운전 중 갑작스럽게 파손되어, 원인진단을 위해 파손 및 건전 블레이드를 대상으로 기계적 물성, 파단면 및 미세 조직 검사를 수행한 결과를 기술한 내용이다. 파손된 블레이드의 기계적 물성 시험결과 재질 사양서 기준에 비해 충격치는 낮고 경도는 높은 전형적인 재질 취성화 특성이 확인되었다. 또한, 파단면 검사결과 가지(branch)형태의 균열이 입계를 따라 진전하였고, 표면에서 Cl, S 등의 부식성분이 검출되었다. 이상의 결과들을 토대로 블레이드의 파손원인은 응력부식 균열임을 알 수 있었다.

Abstract ▼ AI-Helper

The last stage blades of a low pressure (LP) turbine get frequently fractured because of stress corrosion cracking. This is because they operate in a severe corrosive environment that is caused by the impurities dissolved in condensed steam and high stress due to high speed rotation. To improve the reliability of the blades under severe conditions, 12% Cr martensitic stainless steel, having excellent corrosion resistance and higher strength, is widely used as the blade material. This paper shows the result of root cause analysis on a blade which got fractured suddenly during normal operation. Testing of mechanical properties and microstructure examination were performed on the fractured blade and on a blade in sound condition. The results of testing of mechanical properties of the fractured blade showed that the hardness were higher but impact energy were lower, and were not meeting the criteria as per the material certificate specification. This result showed that the fractured blade became embrittled. The branch-type crack was found to have propagated through the grain boundary and components of chloride and sulfur were detected on the fractured surface. Based on these results, the root cause of fracture was confirmed to be stress corrosion cracking.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 500 MW급 화력발전소 증기터빈 최종 단 블레이드의 파손사고와 관련하여 원인진단수행사례를 소개함으로써, 해당 분야에 종사하는 산학연 관계자들과의 정보공유와 직무능력 향상의 기회로 삼고자 한다.

제안 방법

미세조직 검사는 재료를 연마 후 Glyceregia 부식액으로 부식시키고 광학현미경을 이용하여 실시하였다. 기지조직은 Fig.
충격시험은 ASTM A370-12a 에 따라 Fig. 3과 같이 V-노치(2mm) 시험편 형상으로 가공한 후, 상온에서(25℃) 샤르피 충격시험기(TINIUS OLSEN)로 수행하였다. 시험결과 FB의 경우 25~30 J 범위로 기준치인 54 J 보다 낮은 상태인 반면 SB의 경우 충격 기준치를 만족하였다.
파손된 블레이드의 화학성분은 발광분광 분석기를 이용하여 실시하였고, 분석결과는 Table 1과 같다. 블레이드는 12% Cr 합금 강이며, 일부 미량원소들을 첨가시켜 개량화한 것으로 판단된다.

대상 데이터

기계적 물성시험 시편은 FB와 SB를 대상으로 핑거 부위에서 각각 5개씩 가공하여 수행하였고, 개별시험 방법 및 결과는 아래와 같다. Table 2는 FB 및 SB에 대한 기계적 성질을 정리한 것이다.

이론/모형

인장시험은 ASTM A370 기준에 따라 25 mm 변형게이지를 적용하여 Instron 4485(10 ton 용량) 장비를 이용하여 실시하였다. 시험편 형상은 Fig.

성능/효과

(1) 파손된 블레이드의 경우 충격에너지는 낮고 경도는 높은 취성화된 재료특성을 보였다. 재료 취성화는 일반적으로 사용상 재료등급 저하와 제조상 열처리에 의한 문제로 분류되는데 블레이드의 사용 온도조건이 100℃미만인 점을 고려할 때 제조상 열처리 과정 특히 템퍼링 중에 발생된 것으로 사료된다.
(3) 이상의 검사결과를 종합적으로 고려할 때, 저압터빈 최종 단 블레이드의 파손원인은 1,000MPa 이상의 항복강도를 갖는 재료적인 특성, 고속회전에 의한 인장하중을 받는 응력특성 및 응축증기 내 불순물에 의해 형성된 부식환경 특성이 상호 조합되어 발생된 응력분식 균열임을 알 수 있었다. 특히 내식성이 저하된 파손 블레이드가 응력부식 균열에 민감하게 반응한 것으로 판단된다.
FB의 파단면 표면에 부착된 Deposit의 부식성분존재 여부를 확인하고자 EDS 분석을 실시한 결과, Fig. 12과 같이 부식인자인 Cl, S 등이 검출되었다. 이러한 부식성의 성분은 블레이드를 구동하는 응축증기 내 농축된 불순물로 판단된다.
경도시험은 브리넬 경도기(DTB-5000, 3000 kgf적용)를 사용하여 5회 측정한 결과, FB의 경우 평균 390 HB로 기준치(341~375 HB)를 초과하였으나, SB의 경도는 352 HB로 기준치를 만족하였다.
미세조직 검사는 재료를 연마 후 Glyceregia 부식액으로 부식시키고 광학현미경을 이용하여 실시하였다. 기지조직은 Fig. 10과 같이 12% Cr 합금강의 전형적인 조직인 침상의 템퍼드 마르텐사이트 조직으로 확인되었고, 장기사용에 따른 재질열화는 확인되지 않았다.
또한, 주사전자현미경을 이용하여 파단면의 미세특성을 확인한 결과, 방사상과 쉐어 립 부위 모두에서 미세 크기의 등축 형태의 딤플이 관찰되었다.
3과 같이 V-노치(2mm) 시험편 형상으로 가공한 후, 상온에서(25℃) 샤르피 충격시험기(TINIUS OLSEN)로 수행하였다. 시험결과 FB의 경우 25~30 J 범위로 기준치인 54 J 보다 낮은 상태인 반면 SB의 경우 충격 기준치를 만족하였다.
이를 통해 FB와 SB 모두 인장시험과 같은 정적 하중 부가 시 충분한 (기준치 요구 이상) 수준의 연성특성을 나타내는 것을 알 수 있었다.
1과 같이 4번째 핑거 최상부 round 측면에서 시작된 후양측으로 연속성 있게 진행되었다. 전체적으로 파단면은 취성파괴의 경향을 나타내고 있으나, 1-7번째 핑거의 최종 파단부에서 쉐어 립(shear lip)이 확인되었다.
주사전자현미경을 활용하여 최초 파손 시작점인 4번째 핑거의 파단면을 관찰한 결과, Fig. 4와 같이 입계를 따라 균열이 진행된 것을 확인할 수 있었다. 또한 최종 파단 부위인 1-7번째 핑거 파단면에서는 육안검사 시 확인된 쉐어 립 부위를 중심으로 Fig.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	증기터빈란 무엇인가	화력발전소의 증기터빈은 증기가 가지고 있는 운동에너지를 기계적 에너지로 변환시켜 발전기를고속으로 회전시킴으로써 전력을 생산하는 발전소의 주요설비 중 하나이다.(1) 대형 증기터빈 블레이드는 고압, 중압 및 저압 블레이드로 구성되며, 3,600 rpm으로 고속 회전되어 높은 원심응력과 굽힘응력등이 작용된다.
	저압터빈 최종 단 블레이드에 부식피로 및 응력부식 균열등의 파손이 발생하는 이유는 무엇인가	(1) 대형 증기터빈 블레이드는 고압, 중압 및 저압 블레이드로 구성되며, 3,600 rpm으로 고속 회전되어 높은 원심응력과 굽힘응력등이 작용된다. 특히 저압터빈 최종 단 블레이드의 경우 최 장축으로 가장 큰 응력이 작용됨과 동시에, 응축 증기 내 농축된 불순물의 영향으로 부식피로 및 응력부식 균열(stress corrosion cracking)등의 파손이자주 발생되고 있다.(2)
	최종 단 블레이드의 정확한 파손원인 진단에 의한 재발방지가 필수적인 요소인 이유는 무엇인가	이러한 블레이드의 파손발생은 타 설비로의 파손유발과 복구에 장 시간이 소요되어 막대한 정비비용과 운영 손실이 수반되고 있어 정확한 파손원인 진단에 의한 재발방지는 설비운영 측면에서 가장 필수적인 요소라 할 수 있다.

참고문헌 (7)

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원문보기 상세보기
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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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