[논문]터빈 운전 신뢰성 향상을 위한 응력부식균열 평가

강용호; 송정일

가설 설정

응력해석은 균열이 발생된 Fillet부의 제거 크기 및 깊이에 따라 3가지 모델을 가정하여 해석을 수행하였다. Table 3에는 해석모델을 요약하였으며, Fig.
건전성 평가는 GOODMAN Diagram을 이용한 HCF(high cycle fatigue) 평가를 수행하였으며, 평가에 적용된 GOODMAN Diagrame 블레이드 재질의 174°F 선도를 적용하였다. 일반적으로 응력집중 영역의 GOODMAN 선도는 응력집중에 대한 피로수명 감소를 고려하여 수정되어야 하기 때문에 본 평가에서는 균열제거 전의 Original Model을 Nominal 상태로 가정 하고, Model II와 Model Ⅲ에 발생되는 응력집중 값을 고려하여 건전성 평가를 수행하였다.
해석은 Single Bucket에 대한 3차원 모델을 대상으로 수행하였으며, Bucket이 체결되었을 경우를 가정하여 경계조건을 적용하였다. 또한 최대 Stage KW를 기준으로 Steam Force를 계산하여 Pitch Diameter에 적용하였으며, 3, 600rpm의 회전력을 전체 버켓에 적용하였다.

제안 방법

균열발생의 원인분석을 수행하기 위하여 균열부에 대한 표면복제 (replication)을 수행한 후 광학 현미경과 전자현미경을 이용한 정밀 분석을 수행하였다. 균열부에 대한 미세조직 분석 결과 파손이 발생된 LSB는 마르텐사이트 조직으로 12Cr Alloy Steel의 전형적인 미세조직 형상을 가지고 있었으며, 열처리 및 성분 분량에 의하여 발생될 수 있는 Large Grain이나 이상 조직을 발견할 수 없었다.
변화를 수반하게 된다. 따라서, 가공된 블레이드에 대한 고유진동수 해석을 수행하여 가공전과 가공후 진동수 변화를 평가하였다. 계산은 각 모델에 대하여 3차까지의 고유진동수를 산출하였으며, 해석 모델은 응력해석 모델과 동일한 FEM 모델을 사용하였다.
균열부에 대한 미세조직 분석 결과 파손이 발생된 LSB는 마르텐사이트 조직으로 12Cr Alloy Steel의 전형적인 미세조직 형상을 가지고 있었으며, 열처리 및 성분 분량에 의하여 발생될 수 있는 Large Grain이나 이상 조직을 발견할 수 없었다. 또한 미세조직 내에 델타 페라이트나 비금속 게재물 드을 확인할 수 없었으며, 균열 주변에서 발견된 불순물 들은 균열이발생된 후 균열부에 고착된 산화 스케일로 분석 되었다. 균열의 진전 형태는 Trailing Edge로부터 Bucket의 내부로 진전하는 양상을 보여주고 있었으며, 진행 방향은 원심응력 의 수직 방향으로 Fillet부의 주응력 (principal stress) 방향으로 예상되어 진다.
가정하여 경계조건을 적용하였다. 또한 최대 Stage KW를 기준으로 Steam Force를 계산하여 Pitch Diameter에 적용하였으며, 3, 600rpm의 회전력을 전체 버켓에 적용하였다. 해석에 적용한 모델을 Fig.
본 논문에서는 발전소 운전 중에 저압터빈 LSB에 발생된 응력부식균열을 미세조직 평가법을 적용하여 분석하고, 응력해석 및 고유진동 해석 결과를 바탕으로 보수/정비 방안을 제시하였으며, 최종적으로 피로수평 평가를 수행하여 보수 후의 건전성을 검증하였다.
응력해석 결과를 바탕으로 Fillet부의 균열제거에 대한 건전성 평가를 수행하였다. 건전성 평가는 GOODMAN Diagram을 이용한 HCF(high cycle fatigue) 평가를 수행하였으며, 평가에 적용된 GOODMAN Diagrame 블레이드 재질의 174°F 선도를 적용하였다.

이론/모형

건전성 평가는 GOODMAN Diagram을 이용한 HCF(high cycle fatigue) 평가를 수행하였으며, 평가에 적용된 GOODMAN Diagrame 블레이드 재질의 174°F 선도를 적용하였다. 일반적으로 응력집중 영역의 GOODMAN 선도는 응력집중에 대한 피로수명 감소를 고려하여 수정되어야 하기 때문에 본 평가에서는 균열제거 전의 Original Model을 Nominal 상태로 가정 하고, Model II와 Model Ⅲ에 발생되는 응력집중 값을 고려하여 건전성 평가를 수행하였다.
따라서, 가공된 블레이드에 대한 고유진동수 해석을 수행하여 가공전과 가공후 진동수 변화를 평가하였다. 계산은 각 모델에 대하여 3차까지의 고유진동수를 산출하였으며, 해석 모델은 응력해석 모델과 동일한 FEM 모델을 사용하였다. 진동 결과는 Table 5와 Fig.
것으로 판단되어 진다. 따라서 균열제거 시 발생될 수 있는 손상을 평가하기 위하여 FEM(finite element method)를 이용한 응력해석과 진동 해석을 수행하였다.

성능/효과

1) LSB에 발생된 균열은 진전형태 및 Sub 균열 발생 등을 고려할 때 응력부식 균열로 추정되며, LSB의 부식 환경과 Fillet 부의 응력집중이 복합적으로 작용하여발생된 것으로 사료된다.
2) 균열부 제거를 위하여 Fillet 반경을 0.25inch와 0.45inch로 변경하여 웅력해석을 수행한 결과 Original Bucket 대 비 Fillet 부의 응력이 0.25inch에서는 약 10%, 0.45inch에서는 약 9% 증가되는것으로 계산 되었다.
3) 균열제거 모델에 대한 고유진동수 평가 결과 Original Bucket 대비 고유진동 변화가 저차모드에서 최대 약 4.0% 발생되는 것으로 계산되었으며, 회전주파수 대비 충분한 마진을 가질 것으로 추정된다.
4) 균열제거 모델에 대한 건전성 평가 결과 Fillet 반경 이 0.25inch인 모델과 0.45inch 모델 모두 GOODMAN 선도를 만족하였다. 하지만 Stress Margin의 경우 Original Bucket 대비 0.
5) 이상의 평가 결과에서 Fillet 반경이 0.45inch로 균열을 제거하는 것이 타당하며, Bucket에 대한 주기적인 점검과 이상 징후 발견 시 교체가 필요할 것으로 사료된다.
분석을 수행하였다. 균열부에 대한 미세조직 분석 결과 파손이 발생된 LSB는 마르텐사이트 조직으로 12Cr Alloy Steel의 전형적인 미세조직 형상을 가지고 있었으며, 열처리 및 성분 분량에 의하여 발생될 수 있는 Large Grain이나 이상 조직을 발견할 수 없었다. 또한 미세조직 내에 델타 페라이트나 비금속 게재물 드을 확인할 수 없었으며, 균열 주변에서 발견된 불순물 들은 균열이발생된 후 균열부에 고착된 산화 스케일로 분석 되었다.
수정된 GOODMAN Diagram에 응력 계산 결과를 적용하여 평가한 결과 Model I 및 Model Ⅱ, Ⅲ 모두 GOODMAN 선도 아래에 위치하는 것으로 평가 되었다. 따라서 균열제거 후에도 피로 손상에 대하여 안전할 것으로 예상 되어 진다.
육안점검 결과 주위의 인접 블레이드에 비하여 균열이발생된 블레이드의 Fillet 반경이 상대적으로 작았으며, Trailing Edge Thickness역시 상대적으로 얇은 것으로 확인 되었다. 또한 구조적으로 취약한 Fillet 영역이기 때문에 응력집중이 예상되며, 이러한 응력집중과 습분영역에서 운전되는 LSB의 부식환경이 SCC 를 유발한 것으로 추정되어 진다.
하지만 균열 발생 전의 Model I이 GOODMAN 선도에 대한 최소 Stress Margin을 약 40%를 가지고 있는 것 대비 Model II와 Model Ⅲ는 최소 Stress Margin을 약 17%와 15% 가지는 것으로 계산되었다(Table 4 참조). 이러한 결과로 볼 때 균열 제거 시 약 절반 수준으로 Stress Margin이 감소되는 것을 알 수 있다. 이러한 Stress Margin의 감소는 결국 Probability of Failure를 증가시키기 때문에 장기간 사용에 대한 안전성을 보장할 수 없다.
진동해석 결과 균열제거를 위하여 Fillet 반경을 감소시킨 모델의 경우 Original 모델 대비 저차모드에서 최대 약 4.0%의 Frequency Deviation이 발생되는 것으로 계산되었다. 이 값은 회전 주파수(60Hz) 대비 공진에 대한 충분한 마진을 가질 것으로 사료된다.
표면복제 분석 결과로 볼 때 LSB에 발생된균열은 터빈 운전 중 작용된 응력과 부식 환경이 조합되어 발생되는 응력부식균열(stress corrosion cracking)로 추정된다. 육안점검 결과 주위의 인접 블레이드에 비하여 균열이발생된 블레이드의 Fillet 반경이 상대적으로 작았으며, Trailing Edge Thickness역시 상대적으로 얇은 것으로 확인 되었다.
45inch 모델 모두 GOODMAN 선도를 만족하였다. 하지만 Stress Margin의 경우 Original Bucket 대비 0.25inch모델은 58%, 0.45inch 모델의 경우 53% 감소되는 것으로 계산되었다.

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