초록 ▼

Ⅰ. 제 목 미세조직 정량화에 따른 잔존 수명 평가 기술 Ⅱ. 연구개발의 목적 및 필요성 (1) 연구 개발의 목적 국내 장치 산업의 대표적인 산업으로 거론되는 석유화학설비는 그 동안 약 30여년간의 가동으로 인하여 노후화가 심한 상태이다. 특히 장치 산업에서도 고부가가치 품목인 고온 고압용 부품(압력용기, 반응관 등)은 장기간 사용으로 인하여 열적 노후화가 심한 상태로 항상 사고의 위험을 내포하고 있다. 고온 고압용 부품의 열적 노후화평가에서 가장 간단하고 편리한 방법은 표면복제법(일명 Replica M

Ⅰ. 제 목 미세조직 정량화에 따른 잔존 수명 평가 기술 Ⅱ. 연구개발의 목적 및 필요성 (1) 연구 개발의 목적 국내 장치 산업의 대표적인 산업으로 거론되는 석유화학설비는 그 동안 약 30여년간의 가동으로 인하여 노후화가 심한 상태이다. 특히 장치 산업에서도 고부가가치 품목인 고온 고압용 부품(압력용기, 반응관 등)은 장기간 사용으로 인하여 열적 노후화가 심한 상태로 항상 사고의 위험을 내포하고 있다. 고온 고압용 부품의 열적 노후화평가에서 가장 간단하고 편리한 방법은 표면복제법(일명 Replica Method)에 의한 미세조직 관찰법이다. 본 연구의 목적은 Replica법에 의하여 열화도를 보다 객관적이고 정량적으로 평가하여 부품의 열화 상태 및 잔존수명을 예측할 수 있는 기법 및 Data Base를 구축하는데 있다. (2) 연구 개발의 필요성 앞서 기술한 바와 같이 Replica법에 의한 고온 구조용 부품의 열화도 평가 기법은 이미 석유 화학 Plant에서 보편적으로 이용되고 있는 실정이다. 그러나 이와 같은 보편적인 Replica법에 의한 미세조직의 관찰은 성행되고 있으나 실제로 중요한 사안인 판단 기준이나 판단 기법의 수준은 극히 미약한 상태이다. 그러므로 지금과 같은 현실을 감안할 때 Replica법에 의한 열화도 판단 및 잔존 수명 예측기법의 개발이 무엇보다도 절실하다. Ⅲ. 연구개발의 내용 및 범위 Ⅳ. 연구개발결과 1. Reformer Tube의 수명 평가 기술 가. Reformer Tube의 사용 온도 및 시간에 따른 미세조직 정량화 1) 표면 부위 Replica 미세조직과 실제 내부 미세조직을 비교하여 표면 부위 조직 채취에서 나타날 수 있는 error 요인 파악 2) HK Tube의 고온 장시간에 따른 σ상 부피 분율 측정 3) Tube 내면·외면 반응층 깊이 측정에 따른 두께 감소 효과 분석 4) 시간, 온도에 따른 내면·외면 변질층 두께와 재질의 열화도 Simulation 5) HP계 Tube의 탄화물 구상화 정도 정성 분석(표준 조직 정리) 6) Tube의 장시간 사용에 따른 Voids 부피 분율 측정 7) HP계 Tube에서의 탄화물 무석출대 측정 8) HP계 Tube 사용조건에 따른 Tube 직경 변화 나. Reformer Tube의 사용 조건에 따른 기계적 특성 변화 다. Reformer Tube의 Stress-rupture에 의한 잔존 수명 평가 라. Reformer Tube의 잔존 수명과 미세조직 변화 관계 규명 1) 잔존 수명과 미세조직 변화 관계 규명 2) 잔존 수명과 기계적 특성 변화 관계 규명 마. Reformer Tube의 수명 연장을 위한 재생열처리 기술 바. Cracking Tube의 미세조직 정량화 2. Boiler 및 Heater Tube의 수명 평가 기술 가. Boiler 및 Heater Tube의 사용 조건에 따른 미세조직 변화 남해화학, 현대정유 등 석유 화학 Plant 업계와 삼천포, 인천화력등 발전소 및 석유화학 장치 제조 업체(두산기계 등) 등으로부터 New 소재, 사용한 소재 등을 구입하여 미세조직 열화 정도를 분석함 나. 고온 응력 노출 모사 시험 장치제조 업체로부터 구입한 Tube 등에 관하여 인위적으로 고온 및 응력 부과 상태에서 노출 시험을 실시하여 미세조직 열화 상태를 관 찰하여 궁극적으로 잔존 수명 예측에 필요한 모사 시험을 실시 다. 미세조직 열화 특성 Replica법에 의한 미세조직 관찰 및 전해추출법에 의한 탄화물 거동을 정량적으로 평가 라. 기계적 특성 변화 재질의 열화 상태에 따른 재질의 기본 특성 변화 연계를 파악하기 위하여 상온 및 고온 인장, 연신율, 충격 특성 등 파악 마. Stress - rupture 시험에 의한 잔존 수명 평가 현장에서 입수한 Tube 및 고온 응력 노출 시험한 Tube 등에 대하여 Stress-rupture 시험을 실시하여 Larson-Miller Curve를 작성하였고, 이에 근거하여 잔존 수명을 측정 함 - Stress-rupture 시간은 100시간을 기준으로 하여 시험 조건 설정 - 잔존 수명 평가를 위한 미사용재의 Stress-rupture 특성은 실제 제품에서 구하였거나 실제제품의 구입이 불가능한 경우는 유사 강종의 기술 자료를 참조하였음 바. Ω법을 이용한 정량적인 잔존 수명 예측 Replica 법을 이용한 미세조직 검사법, Larson-Miller Parameter를 이용한 수명 예측법과 병행시켜 수학적 해석을 통한 Ω법을 이용하여 잔존 수명 예측 System 구성 사. Larson-Miller Parameter와 Ω법, Replica에 의한 미세조직 관찰법을 이용한 잔존 수명 평가 연계 잔존 수명 평가 결과를 미세조직 열화 단계와 연계 시켜 관계 규명 기계적 특성 변화와 잔존 수명 관계를 연계시켜 수명 예측 기법 개발 아. 수명 연장을 위한 재생 열처리 Tube의 열화 단계별 수명을 측정하고 재생 열처리에 의한 미세조직 복원을 통하여 수명 연장 방안 강구 자. 용접부 계면의 미세조직 변화에 따른 열화 거동 연구 Vessel과 Nozzle의 용접부 계면의 탈탄 등 계면 확산 거동의 정량화에 따른 재질 열화 정도 평가 3. Incoloy 800H 소재의 정량적인 잔존수명 예측을 위한 시효 석출상 분석 Ⅴ. 연구개발결과의 활용계획 연구 결과를 국내 석유화학 Plant 업체에 유상으로 보급(자료집) 및 Seminar 개최 사용조건·강종별 잔존 수명 비교를 통하여 설비의 설계지침에 반영 기타 장치산업의 고온·고압설비 잔존 수명 예측 기법 개발에 응용 관련 Data Base를 현장에 쉽게 응용 가능하도록 Software개발 유도

Abstract ▼

Ⅰ. Subject Development of residual life prediction by the microstructural evaluation Ⅱ. Object and Necessity (1) Object The petroleum chemical industry is a representative plant industry in Korea but their equipment is severely degenerated due to service over 30 years. Especially, the parts us

Ⅰ. Subject Development of residual life prediction by the microstructural evaluation Ⅱ. Object and Necessity (1) Object The petroleum chemical industry is a representative plant industry in Korea but their equipment is severely degenerated due to service over 30 years. Especially, the parts used in high temperature and pressure condition (pressure vessel, reaction tube etc.) were severely deteriorated and contains possibility of disastrous accident. The simplest and easiest method for the determination of a degraded state of these parts is microstructure observation using the surface replica method. The aim of this research is to establish the residual service life estimation technique and data base of the replica method through estimation of deterioration by the quantitative and objective way. (2) Necessity The Replica method is generally used for the diagnosis of plant degradation as described above, but standardization and its technical application method are not well established yet. Therefore, it is essential to develop the technology for a residual service life estimation using replica method. Ⅲ. Research substance and scope Ⅳ. Results 1. Service life estimation technology of reformer tube A. Microstructure quantification of reformer tube depending on service temperature and duration. 1) Grasp of error factor which can be generated during sampling of surface microstructrue caused by the microstructural difference between surface and inside. 2) Determination of σ-phase volume fraction change in the HK tube caused by long time exposure to high-temperature. 3) Analysis of thickness reducing effect through measurement of reaction thickness at inside and outside surface of the tube. 4) Simulation of material degradation and the thickness of deteriorated layer of inside and outside surface depending on time and temperature. 5) Quantitative analysis of degree of carbide spherodization in HP tube (arrangement of standard microstructure) 6) Determination of voids volume fraction due to long time service. 7) Measurement of no carbide precipitation region in HP tube 8) Diameter change of HP tube depending on service condition B. The mechanical characteristics change of reformer tube depending on service condition. C. Estimation of residual life of reformer tube by stress-rupture test D. Verification of the relationship between residual life and microstructural change in reformer tube. 1) Verification of the relationship between residual life and microstructural change 2) Verification of the relationship between residual life and the change of mechanical properties. E. Heat treatment technology for recycling to improve the service life of the reformer tube F. Microstructure quantification of cracking tube 2. Service life estimation technology for boiler and heater tube A. Microstructural change of boiler and heater tube depending on service condition Analysis of microstructural degradation of materials through comparing new and used materials obtained from petroleum chemical industry (such as Nam-Hae Chemistry, Hyun-Dae Oil Refinement etc.), generating plants(Samchonpo, Inchon thermoelectric power plant etc.) and chemistry plant maker (Dusan Machinery etc.) B. Simulation of high-temerature exposure in loaded state Perform the simulation test of the high-temperature exposure in loaded state of new material to observe the degradation state of microstructure, which is essential to the estimation of residual service life. C. Microstructure observation using replica method and quantitative analysis of the carbide behavior using electo-chemical extraction method. D. Change of mechanical properties Determination of mechanical properties such as UTS, elongation and impact property in ambient and high-temperature condition in order to manifest the relationship between the original characteristics and degraded characteristics. E. Estimation of the residual service life by stress-rupture test Lason-Miller curves of the tube obtained from service site and tube undergoing high-temperature exposure in loaded state were prepared and then the residual service life were estimated based on them. - The stress-rupture duration was 100hours - The stress-rupture characteristics of unused material were acquired by real test of material used in actual site or reforming to the technical data of similar steel if the material was not obtainable. F. Quantitative residual life estimation by Ω method The residual life estimation system was established with the Ω method based on mathematical analysis as well as replica method and Lason-Miller parameter method G. The establishment of the relationship between Lason-Miller parameter, Ω method and replica method for the estimation of residual life. The verification of relationship between the result of residual life estimation and the microstructural degradation state. The development of residual life estimation technology based on the relationship between the mechanical property change and the residual life. H. Heat treatment for recycling to improve the service life. Consideration of the service life improvement method through determination of service life of tube depending on deterioration state and restoration of microstructure by heat treatment. I. Study of degradation behavior depending on microstructural change in welded interface. Estimation of material degradation state through qualification of diffusion behavior in the welded interface of vessel and nozzle. 3. Analysis of precipitated phase for the quantitative residual life prediction of Incoloy 800H Ⅴ. The application plan of results A. The data book based on result of this project will be distributed to the petroleum chemical industries and the seminar will be held. B. The results can be reflected to the design concept of the chemical plant through consideration of service conditions and comparing of residual life depending on steel type C. Applicable to the technology development of residual life estimation for the high temperature and high pressure equipment used in the other industry. D. Encouragement of the development of the software for easier use of data base in the related industry.

목차 Contents

• 제 1 장 서론...17
• 제 1 절 연구 개발의 목적...17
• 제 2 절 연구 개발의 필요성...17
• 1. 기술적 측면...17
• 2. 경제·산업적 측면...18
• 3. 사회·문화적 측면...18
• 제 3 절 연구 개발의 범위...19
• 제 2 장 국내외 기술 개발 현황...24
• 제 1 절 국내 기술 개발 현황...24
• 제 2 절 국외 기술 개발 현황...24
• 제 3 장 연구 개발 수행 내용 및 결과...27
• 제 1 절 이론적 배경...27
• 1. 압력용기의 주요 손상 기수...27
• 2. 압력용기의 노후도 진단 방법...39
• 제 2 절 연구 내용 및 결과...54
• 1. Reformer Tube의 수명 평가 기술...54
• 2. Cracking Tube의 수명 평가 기술...87
• 3. Boiler, Heater Tube의 수명 평가 기술...117
• 제 4 장 연구 개발 목표 달성도 및 대외 기여도...186
• 제 5 장 연구 개발 결과의 활용계획...189
• 제 6 장 참고문헌...190