[논문]500 MW 화력발전소 고압 증기 배관 손상 원인 분석

김정면; 정남근; 양경현; 박민규; 이재홍

doi:10.18770/kepco.2019.05.04.323

500 MW 화력발전소 고압 증기 배관 손상 원인 분석
Failure Analysis on High Pressure Steam Piping of 500 MW Thermal Power Plant 원문보기

KEPCO Journal on electric power and energy, v.5 no.4, 2019년, pp.323 - 330

김정면 (KEPCO Research Institute, Korea Electric Power Corporation) , 정남근 (KEPCO Research Institute, Korea Electric Power Corporation) , 양경현 (KEPCO Research Institute, Korea Electric Power Corporation) , 박민규 (KEPCO Research Institute, Korea Electric Power Corporation) , 이재홍 (KEPCO Research Institute, Korea Electric Power Corporation)

초록
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500 MW 표준 석탄화력발전소는 국내에서 가장 큰 용량의 규격화된 발전소로써 20년 넘게 국내 전력생산에 중추적인 역할을 수행하고 있다. 장기간 사용으로 인한 경년 열화와 더불어 최근 석탄화력발전소의 대기오염 문제가 대두되면서 석탄화력발전소 가동률 제한 정책에 따른 잦은 기동·정지에 의해 발전 설비의 고장 확률이 증가하고 있다. 그 중 증기 배관은 보일러에서 만들어진 고온·고압의 증기를 전력생산을 위해 터빈으로 이송시키는 중요한 역할을 하는 설비로 최근 국내 대용량 발전소 증기 배관의 고장 사례가 빈번하게 발생하고 있다. 이에 본 연구에서는 국내 500 MW 표준 석탄화력발전소 주증기배관 연결 용접부에 반복적으로 발생된 손상에 대해 손상 해석을 수행하였다. 동일 규격의 타 발전소에서 발생될 수 있는 고장의 사전 예방을 위해 균열부 금속 조직 분석과 배관 응력 해석을 통해 배관 지지 구조에 의한 고 응력에 의해 발생된 원인을 규명하고 고 응력부 응력 저감을 위한 지지 구조 개선 방안을 제시하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

The 500 MW Korean standard coal-fired power plant is the largest standardized power plant in Korea and has played a pivotal role in domestic power generation for over 20 years. In addition to the aging degradation due to long term operation, the probability of failure of power generation facilities is increasing due to frequent startup and stop caused by the lower utilization rate due to air pollution problem caused by coal-fired power plants. Among them, steam piping plays an important role in transferring high-temperature & pressure steam produced in a boiler to turbine for power generation. In recent years, failure of steam piping of large coal-fired power plant has frequently occurred. Therefore, in this study, failure analysis of high pressure piping weld was conducted. We identify the damage caused by high stress due to abnormal supporting structure of the piping and suggest improved supporting structure to eliminate high stress through microstructure analysis and piping stress analysis to prevent the occurrence of the similar failure of other power plant in the case of repetitive damage to the main steam piping system of the 500 MW Korean standard coal-fired power plant.

주제어

표/그림 (26)

그림 Fig. 1. System of main steam.
그림 Fig. 2. Structure of MSV and Drain Piping.
그림 Fig. 3. Damaged MSV Seat Drain Piping.
그림 Fig. 4. Drawing of MSV Seat Drain Piping.
$Fig. 5. Shape of welding zone & location of fracture surface.$ 그림 Fig. 5. Shape of welding zone & location of fracture surface.
그림 Fig. 6. Microstructure of 'A' surface.
그림 Fig. 7. Microstructure of 'B' surface.
표 Table 1 Chemical Composition of Reducer [%]
표 Table 2 Mechanical Property of Reducer
그림 Fig. 8. Hardness on reducer surface.
그림 Fig. 9. Microstructure of '1' crack (Transgranular crack).
그림 Fig. 10. Microstructure of '2' and '3' crack.
그림 Fig. 11. Surface of 'C' crack.
그림 Fig. 12. Fracture surface covered with thick oxide film.
그림 Fig. 13. Fracture surface covered with thick oxide film.
표 Table 3 Load Considerations for Piping Stress Analysis
표 Table 4 Operation Considerations for Piping Stress Analysis
그림 Fig. 14. Modeling for piping stress analysis.
그림 Fig. 15. Actual stress analysis result for whole piping.
표 Table 5 Actual Stress Analysis Result for Whole Piping
표 Table 6 Actual Stress Analysis Result for Damaged Spot
표 Table 7 Predicted Stress Analysis Result for Whole Piping
표 Table 8 Predicted Stress Analysis Result for Damaged Spot
그림 Fig. 16. Actual stress analysis result for damaged spot.
그림 Fig. 17. Predicted stress analysis result for whole piping.
그림 Fig. 18. Predicted stress analysis result for damaged spot.

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 500 MW 표준 석탄화력발전소 주증기배관 Drain 배관 연결 용접부에 반복적으로 발생된 균열에 대해 손상 해석 및 배관 응력 해석을 통해 원인을 규명하고 개선안을 검토하였다. 해당 균열부의 재료는 경도 상태로 볼 때 ASTM 규격을 초과하는 과다한 강도 상태로 제작되어 균열 발생과 진전에 취약한 상태로, 균열은 응력 집중 부위에서 발생하였으나, 균열 발생 상황과 균열면의 상태 등을 볼 때 구조 응력, 용접 잔류응력 등 정응력 성분이 매우 큰 고응력에 의해 발생된 것으로 판단된다.
대용량 발전소 1기 불시 정지 시 하루에 약 2억원의 전력판매손실이 발생하기 때문에 정확한 원인규명 및 적절한 재발방지 대책이 요구된다. 이에 본 연구에서는 반복적으로 발생된 고온 배관 손상에 대해 금속 미세조직 분석, 배관 응력 해석 등을 수행하여 손상 원인을 밝혀내고, 향후 예상되는 추가 고장 발생을 방지하기 위한 대책을 검토하고자 한다.

제안 방법

3과 4는 손상 부위의 현장 사진 및 도면이다. 균열 발생 부위는 단관 교체되었으며, 균열 발생 원인 규명을 위해 손상 해석을 수행하였다.
실제 배관은 Flash Tank까지 이어지지만, 이후로 이어지는 배관의 구성 정보를 구할 수 없고, Flash Tank까지 설치된 배관 지지장치들이 배관을 하부에서 지지하는 역할만을 하는 것으로 볼 때 열팽창이 거의 없다고 판단할 수 있다. 따라서 이후의 구간은 경계조건을 입력하여 수직배관까지 해석을 수행하였다. MSV는 밸브 상부에 위치한 Variable Spring Hanger의 지침에 따라 상부로 15 mm 팽창하며, 수직 배관 측은 변위가 없다.
배관은 여러 부하에 대한 부정정 해석이 필요하며, 복잡한 3차원 배관에 대한 계산은 사실상 불가능하기 때문에 과거에는 가정에 의한 간략화를 통해 수 계산을 수행하였다. 그러나 현재는 많은 양의 계산이 가능하기 때문에 상용해석 전산프로그램이 개발되어 이용되고 있다.
그러나 현재는 많은 양의 계산이 가능하기 때문에 상용해석 전산프로그램이 개발되어 이용되고 있다. 본 연구에서도 이렇게 개발된 배관 해석 프로그램인 AutoPIPE를 이용하여 배관 응력 해석을 수행하였다.
본 연구의 응력 해석에 고려된 응력은 Sustained stress, Thermal stress, Hoop stress로, Sustained stress는 배관 및 구조물의 자중에 의한 응력이며, Thermal stress는 배관의 온도에 따른 열팽창에 의한 응력이며, Hoop stress는 배관 내부의 압력에 의한 응력이다 [8].
용접부 균열 발생 원인을 규명하기 위해 해당 부위를 발췌하여 분석을 수행하였다. 온도와 압력은 각각 538 ℃, 255 bar이며, 과거 단관 교체 후 7년 동안 운영되었다.
Drain 배관 Reducer에 발생된 균열은 배관 하부에 설치된 MOV의 과도한 하중에 의한 고응력에 의해 발생되었기 때문에 MOV 측 하중을 지지해줄 수 있는 배관 지지 장치의 설치 등 지지 구조 개선이 필요할 것으로 판단되었다. 이에 개선 방안의 적정성을 검토하고 응력 완화 효과를 확인하기 위해 개선사항을 반영한 배관 상태에 대해서 응력 해석을 수행하였다.

대상 데이터

온도와 압력은 각각 538 ℃, 255 bar이며, 과거 단관 교체 후 7년 동안 운영되었다. 배관규격은 A182 F22 (2.25Cr-1Mo Steel)로 화학 조성 및 기계적 특성은 Table 1과 Table 2에 나타냈다. 분석에 사용된 장비는 광학현미경, 전자주사현미경, 레이저현미경이다.
배관의 온도와 압력은 각각 538 ℃, 255 bar이며, 해석 대상 구간은 MSV (Main stop valve)에서 하부 바닥 측 수직배관까지 이다. 실제 배관은 Flash Tank까지 이어지지만, 이후로 이어지는 배관의 구성 정보를 구할 수 없고, Flash Tank까지 설치된 배관 지지장치들이 배관을 하부에서 지지하는 역할만을 하는 것으로 볼 때 열팽창이 거의 없다고 판단할 수 있다.
본 연구는 국내 500 MW 표준 석탄화력발전소에 설치된 주증기 배관 드레인 배관 용접부에 균열에 의한 증기 누설이 반복적으로 발생되어 발전소가 불시정지되는 상황이 발생했다. 대용량 발전소 1기 불시 정지 시 하루에 약 2억원의 전력판매손실이 발생하기 때문에 정확한 원인규명 및 적절한 재발방지 대책이 요구된다.
25Cr-1Mo Steel)로 화학 조성 및 기계적 특성은 Table 1과 Table 2에 나타냈다. 분석에 사용된 장비는 광학현미경, 전자주사현미경, 레이저현미경이다.
손상이 발생된 설비는 1999년 준공되어 20년째 운전되고 있는 500 MW 표준 석탄화력발전소 보일러에서 생산된 고온·고압의 증기를 고압터빈으로 이송하는 주증기 배관(Main Steam Pipe) 터빈 입구 측에 설치되어 증기의 출입을 제어하는 MSV (Main Stop Valve)의 Drain 배관이다.

데이터처리

손상 배관의 고 응력 유발 원인을 규명하기 위해 상용배관 응력 해석 프로그램인 AutoPIPE V8i를 이용하여 배관응력 해석을 수행하였다.

성능/효과

입력 온도 및 압력은 주증기 조건을 입력하였으나, 실제 Drain 배관 입구 측 Isolation Valve 후단 측은 온도 및 압력이 낮으나, 배관의 설계 관점에서 설계조건을 입력하였다. 따라서 본 응력 해석 결과는 배관에서 발생될 수 있는 최대 응력으로, 실제 운전 중에 일반적으로 작용하는 응력은 해석 결과에 비해 적을 것으로 예상된다. Fig.
해당 균열부의 재료는 경도 상태로 볼 때 ASTM 규격을 초과하는 과다한 강도 상태로 제작되어 균열 발생과 진전에 취약한 상태로, 균열은 응력 집중 부위에서 발생하였으나, 균열 발생 상황과 균열면의 상태 등을 볼 때 구조 응력, 용접 잔류응력 등 정응력 성분이 매우 큰 고응력에 의해 발생된 것으로 판단된다. 배관 응력 해석 결과 해당 배관 하부의 MOV의 하중에 의해 연결부에 과도한 응력이 발생된 것이 균열을 발생시키는데 직접적인 영향을 주었으며, 재료의 높은 경도가 균열 진전을 가속화시키는데 영향을 미친 것으로 판단된다. 이에 MOV의 과도한 하중을 지지하기 위한 배관 지지 구조 개선에 대한 검토를 했으며, 응력 해석을 통해 개안 사항이 배관 계통에 유발된 과도한 응력을 완화하여 건전한 상태로의 개선임을 확인하였다.
5의 ‘A’ 균열과 동일하게 용접 금속과 열영향부 경계에서 균열이 시작되었다. 손상된 Reducer의 경도는 Fig. 8과 같이 최고 320 Hv으로 기준치인 180 Hv를 크게 초과하여 균열 발생과 진전에 대해 취약했음을 확인할 수 있다. 인접한 여러 균열이 하나의 균열로 통합되지 못한 것은 높은 경도에서의 재료 취성에 기인한 것으로 보인다.
배관 응력 해석 결과 해당 배관 하부의 MOV의 하중에 의해 연결부에 과도한 응력이 발생된 것이 균열을 발생시키는데 직접적인 영향을 주었으며, 재료의 높은 경도가 균열 진전을 가속화시키는데 영향을 미친 것으로 판단된다. 이에 MOV의 과도한 하중을 지지하기 위한 배관 지지 구조 개선에 대한 검토를 했으며, 응력 해석을 통해 개안 사항이 배관 계통에 유발된 과도한 응력을 완화하여 건전한 상태로의 개선임을 확인하였다. 본 연구를 통해 수행한 고장 원인 분석 및 개선사항을 통해 국내에 다수 설치된 500 MW 표준 석탄화력발전소의 고장을 사전에 예방할 수 있을 것으로 기대된다.
17 및 Table 7에 개선사항에 대한 해석결과를 나타냈다. 해석 결과, Thermal stress, Hoop stress와 문제가 되었던 Sustained stress도 허용 응력 이하 수준의 응력이 작용하는 것으로 나왔다. Sustained stress는 304.

후속연구

Drain 배관 Reducer에 발생된 균열은 배관 하부에 설치된 MOV의 과도한 하중에 의한 고응력에 의해 발생되었기 때문에 MOV 측 하중을 지지해줄 수 있는 배관 지지 장치의 설치 등 지지 구조 개선이 필요할 것으로 판단되었다. 이에 개선 방안의 적정성을 검토하고 응력 완화 효과를 확인하기 위해 개선사항을 반영한 배관 상태에 대해서 응력 해석을 수행하였다.
이에 MOV의 과도한 하중을 지지하기 위한 배관 지지 구조 개선에 대한 검토를 했으며, 응력 해석을 통해 개안 사항이 배관 계통에 유발된 과도한 응력을 완화하여 건전한 상태로의 개선임을 확인하였다. 본 연구를 통해 수행한 고장 원인 분석 및 개선사항을 통해 국내에 다수 설치된 500 MW 표준 석탄화력발전소의 고장을 사전에 예방할 수 있을 것으로 기대된다.

참고문헌 (8)

전력거래소 전력통계정보시스템, www.epsis.kpx.or.kr
A. Pineau, A.A. Benzerga, T. Pardoen, "Failure of metals I: Brittle and ductile fracture," Acta Materialia. 107 pp424-483, 2016.

상세보기
John Wiley & Sons, "Design of piping systems," 1976.
Tata McGraw, "Strength of materials," 2008.
John, J. Mcketta Jr, "Piping design handbook," 1992.
Geroge A. Antaki, "Piping and pipeline engineering," 2003.
The American Society of Mechanical Engineers Code B.31.1 "Power piping," 2012.
AutoPIPE user manual, "AutoPIPE Fundamentals," 2011.

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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