계장기술(PROCON)

특별기고 <제1부>발전소 고온·고압 배관 열화도 측정 및 진단 기술

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작성자 최고관리자 댓글 0건 조회 465회 작성일 23-05-12 15:45

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1. 개 요
 우리들의 일상생활에서 안전의 확보가 필수적이라는 것은 두말할 필요가 없다. 공업 제품이나 구조물은 사용 개시와 함께 열화가 시작되고 인간이 노화되면 청년기에 보였던 왕성한 기능을 다할 수 없듯, 구조물 또한 사용 재료의 경년열화에 의해서 예기치 못한 기능의 손상이나 파괴 사고를 일으키는 경우가 많다. 마치 인간이 충분한 건강을 유지하기 위하여 정기적인 건강 진단이나 성인병 예방 진단이 필요하듯, 재질의 열화 정도를 정확하게 진단하고 평가함으로서 기계나 구조물의 수명을 예측하고 파괴 사고를 예방하는 것이 필요하다. 
국내 발전설비 중 화력발전소의 상당 부분은 60~70년대, 원자력발전소는 1970~1990년대에 건설된 노후화된 설비 증가 추세가 지속되었고, 설비의 진단 및 평가, 유지 보수 등 건전성 확보를 위한 대책이 절실한 시점에 있다.
발전설비의 건전성(Integrity)을 확인하기 위해서 정기적으로 적용되는 비파괴검사가 보수 검사(Maintenance inspection)이다. 발전설비는 건설 완료 후 운전을 시작하면 주기적으로 수행하는 계획예방정비 기간(Overhaul period)을 제외하고는 장기간에 걸쳐 계속적으로 운전될 뿐 아니라 발전설비 부품은 운전 중 고온, 고압, 부식, 기계적 응력 및 진동 등의 열악한 조건하에서 가동된다. 따라서, 가동 중에 부품의 결함 발생 혹은 조기 파손의 가능성이 매우 높다. 설비에 따라서는 설계 수명을 초과해도 건전성을 확인해 가며 계속 사용하고 있다. 보수 검사는 산업 설비의 안전성 확보에 불가결한 기술로 균열 등의 결함을 조기에 발견하는 것뿐만 아니라 그 결함이 사고로 이어질 것인지 아닌지를 판단할 필요가 있다. 사고로 이어질 가능성이 있는 결함이 검출된 경우에는 바로 보수 등의 대책을 강구하는 것이 가장 중요하다. 보수 검사에서는 파괴에 결정적인 요인으로 작용하는 결함인가를 판단하기 위해 결함의 정보를 파악하는 것과 결함의 성장을 아는 것이 중요하다. 
 특히 화력발전소의 주증기관, 헤드 및 드럼 등의 후육부(厚肉部)와 원자력발전소의 주증기, 급수, 복수 및 추기 계통 고온 배관설비 노후의 가장 큰 원인은 재료 열화(Material Degradation)이다. 재료 열화를 발생시키는 요인은 오랜 사용 기간, 고온 환경, 부하 조건, 부식 환경 등이며, 대개의 경우는 이들이 복합적으로 작용하여 열화를 진행시킨다. 이러한 재료 열화를 측정하기 위한 비파괴적 방법은 파괴적 방법에 비해 비교적 손쉽게 단시간 내에 많은 위치를 진단할 수 있고, 정기적인 진단도 가능하기 때문에 많은 관심이 집중되고 있다. 기존의 정기점검에 주로 사용되는 육안검사, 침투탐상검사, 자분탐상검사, 일반적 초음파검사 등의 비파괴 결함 검사는 거시적인 균열이나 결함만을 검출할 수 있으며, 균열이 발생되기 이전까지의 평가, 즉 수명 소비와 손상 정도를 검출하는 것은 불가능하였다. 따라서, 재료가 열화 됨에 따라 물리적 성질 및 미세조직이 변화되는 것에 착안하여 그들의 변화량과 손상 정도 또는 열화도와의 관계를 정량적으로 파악함으로서 잔여수명을 진단하는, 즉 균열 발생 이전의 손상을 포함한 조기 손상을 검출하는 각종 비파괴 검출 기술에 대하여 설명하고자 한다.

 
2. 표면복제법
 고온 설비에서 많이 발생하는 크리프 손상을 비파괴적으로 검출하는 방법은 물리적 성질의 변화에 착안한 방법과 금속조직학적 변화에 착안한 방법으로 나눌 수 있다. 이 중에서 금속조직학적 방법은 손상을 직접 검출할 수 있어 실용성이 크고, 높은 정확도의 수명 평가가 가능하기 때문에 많은 관심이 집중된다. 그러나 대부분의 경우에는 설비로부터의 시험편 채취가 제약을 받기 때문에 이를 해결하기 위해 포터블 연마기와 현미경이 사용되지만 해석 능력이 떨어지고, 경우에 따라서는 설비 구조상 조직의 직접 관찰이 불가능한 경우도 생긴다. 이와 같은 이유 때문에 금속조직을 다른 물질에 복제시켜 그 물질을 실험실로 가져와 그 물질에 나타난 조직을 간접적으로 관찰, 분석하는 표면복제법(Replication Method)을 많이 사용한다.

표면복제법은 레프리카 필름(Replica Film)을 관찰 대상이 되는 표면에 피복시킨 후 그 막을 떼어내어 금속 현미경이나 전자 현미경으로 관찰하는 것이다. Replica의 채취 및 관찰 요령에 대해서는 1974년에 제정된 국제규격 ISO 3057(Non-Destructive Testing-Metallographic Replica Techniques of Surface Examination)이 있으며, 미국의 경우에는 1987년에 ASTM ES-12의 긴급 규정이 제정된 후, 1990년에 ASTM E-1351(Standard Practice for Production and Evaluation of Field Metallographic Replica)로 정식 규격화되었다.

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(1) Replica 채취법
금속조직 검사용으로 시판되는 Replica 막은 Acetyl cellulose Film과 Paraffin을 조합한 것으로 0.035mm와 0.08mm 두께의 두 종류가 있다. 이들은 Replica 채취 면의 요철 정도와 온도 등의 조건에 따라 구별되어 사용된다. 용제로는 시약 1급 규격 이상의 Methyl Acetate를 사용한다. Replication 절차의 개략도는 그림 1과 같다. 또Grinding/Polishing/Etching/Replication 등의 여러 가지 절차를 거쳐 하나의 Replica가 채취된다.

(2) 조직대비법
조직대비법은 크리프 기공과 균열의 상태에 따라 손상 등급을 분류하여 각 등급에 대응하는 정기점검 및 보수 관리를 행하는 방법으로, Cr-Mo 저합금강 HAZ에서의 크리프 손상 진전과 조직 변화의 관계를 크리프 시험 중단재와 실기의 장시간 사용재를 사용·조사하여 그림 2와 같이 손상 인자를 구분한 후, 이와 같은 손상 인자와 크리프 파단시험 결과로부터 구한 크리프 파단 수명 소비율과 대비시켜 종합 손상 구분을 그림 3과 같이 7단계로 구분한다.

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(3) 기공정량화법
기공을 정량적으로 평가하는 방법으로 시료를 채취하여 광학 현미경이나 주사 전자현미경을 이용하여 관찰하는 직접 관찰법과, 현장에서 채취한 Replica를 이용하여 밀도 변화를 측정하는 간접 계측법이 있다. 밀도 변화 측정법은 기공이 생성되면 부피가 증가하여 밀도가 감소되기 때문에 미사용재 등의 건전재의 밀도 D에 대한 손상재의 상대적 밀도 변화량 ΔD/D를 계측하여 기공의 생성량을 구하는 비교 방법이다. 기공을 관찰하는데 광학 현미경과 주사 전자현미경이 많이 사용되며, 평가 방법을 표 1에 정리하였다.

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(4) 결정립 변형법
결정립 변형법은 그림 4에 나타낸 것과 같이, 크리프 손상이 진행됨에 따라 페라이트 결정립이 응력 방향으로 변형된다는 사실에 착안한 것으로 변형을 정량화하는 Parameter로서는 결정립의 장경 방향과 응력 방향이 이루는 각도(θm)를 많이 사용하며, 광학 현미경과 화상처리 장치를 이용하여 측정한다. θm 분포의 표준편차인 변형계수(Sm)는 크리프 손상율과 좋은 상관관계가 있기 때문에 정도 높은 진단을 할 수 있다. 일본의 이시가와지마 하리마(Ishikawajima-Harima)에서는 변형을 정량화하는 Parameter로서 Fere 경비(장경/단경)을 사용하기도 한다.

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3. 경도법

고온 설비의 안전성이나 경제적인 운용을 위해서는 설비 구성 재료의 손상을 검출하여 설비의 잔여수명을 평가하는 것이 매우 중요하다. 잔여수명 평가법 중에서 비파괴적 방법은 실기를 크게 훼손시키지 않고 손상 상태를 직접적으로 파악할 수 있다는 장점이 있으며, 비교적 손쉽게 단시간 내에 많은 위치를 진단할 수 있고, 정기적인 진단도 가능하기 때문에 많은 관심이 집중되고 있다. 비파괴적 손상 검출 방법 중에서 경도법은 시험이 간편하고, 실용화 가능성이 가장 높은 방법 중의 하나로 알려져 있다.

경도를 알면 재료의 다른 성질, 예를 들면 강도, 내마모성, 변형 저항 등을 알 수 있기 때문에 경도값 자체를 알기 위해서, 그 밖의 다른 성질을 추측하기 위해서 경도시험을 한다. 경도 측정을 하여 잔여수명을 예측하는 경우 경도값 자체를 이용하거나 경년열화에 따른 경도의 감소량 혹은 경도비를 주로 이용한다. 경도 측정을 이용한 고온 사용 설비의 크리프 수명 예측에는 다음과 같은 방법이 사용되고 있다.

경도 감소량, 경도값 및 경도비를 이용하는 방법이 있으며, 크리프 파단강도, 기간-온도 변수(Time-Tempera ture-Parameter) 및 경도값의 관계를 그림 5에 그리고 경도 측정을 이용한 크리프 손상과 잔여수명 예측법을 그림 6에 각각 나타낸다.

utopialsg@naver.com 

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