9.발전기초3- 제1장 장기열화에 의한 크리프 손상

- 장기 열화에 의한 크리프 손상

32년 사용된 주 증기관 터빈 입구부에서 최종 크리프 수명 말기에 나타나는 표면 헤어 크랙 (Hair Crack) 및 돌출로써 배관 파열 직전의 모습인데 총길이 550m에 대해 직경이 209mm에서 230mm로 돌출되었다. 나. 과도한 변위/응력집중에 의한 배관 또는 행거의 손상 : 화력발전소의 경우 고온 배관은 보일러 헤더로부터 터빈 입구에 이르기까지 상당량의 거리가 기하학적인 3차원 구조로 설치되어 있기 때문에 각 부유 개소가 설계 변위를 초과하는 과도한 변위가 발생 시 인근 구조물과 간섭되어 변위를 제한하고 인근 용접부에 상당한 응력을 유발하고 있다. 과도한 변위를 유발하는 요인으로는 배관 자체의 설계와 다른 길이 변화도 있을 수 있으나, 대부분 행거의 오동작에 의해 배관 변위를 제한시킴으로써 배관 응력을 크게 유발하고 있다. 배관을 지지하는 지지 장치의 이상 거동으로 배관에 과도한 변위가 발생, 응력이 집중되어 주는 증기 배관을 편향시킨 사례이며, 잦은 기동, 정지 및 수직 배관 행거의 오동작으로 수직 배관 하부가정상 변위보다 300mm 추가 변위가 발생하여 하부 콘크리트 바닥과 간섭되고, 간섭된 곡 관청 상단 용접에 압축응력이 많이 증가하여 균열이 발생한 사례이다. 또한 터빈 건물 내에 터빈 케이싱으로 연결되는 고온 재열증기 간에 부착된 행거로서 고온 재상 반열 증기관의 경우 터빈 케이싱으로 2개의 배관 운전 시 편차가 일정해야 하나, 한 배관의 행거가 편향되도록 과도변위가 발생함에 따라 터빈 케이싱에 과도한 모멘트가 발생하여 운전 시 과도한 진동을 유발할 수 있는 상황이다. 다. 각 행거의 지지장치 설계오류로 인한 배관 및 행거 손상 : 주요 배관을 지지하는 각각의 지지장치 중 일정 하중으로 배관의 열팽창 변위를 스프링으로 유지하는 콘스탄츠 행거 Constant Hanger나 열팽창 변위에 따라 하중이 변하는 가변 스프링 행거 Variable Spring Hanger 들은 배관이 저지 시와 운전 시 각 설계 변위에 따라 일정 지침을 유지하도록 설계되어 있다. 그러나 설계된 하중이 실제 하중과 맞지 않을 경우 정지 및 운전 시 지침이 리미트 Limit 되어 움직임이 없으며, 각 행거의 지침이 정시 시와 운전 시 정확히 세팅 Setting 되지 않아 리미트에 도달하거나, 장기 사용 시 행거 내부의 스프링이 먼지, 부식 등으로 인해 고착되는 경우 배관 열팽창을 유지하지 못하고 고착되어 행거 로드 Hanger Rod가 절손되어 배관에 이상 변위가 발생, 인근 구조물과 간섭되어 손상을 발생시키는 사례가 빈번하게 발생하고 있다. 라. 고온 재열증기 배관의 심 Seam에 의한 손상 : 주로 직경이 큰 수평, 수직 배관이나 곡 관청에 180도 내면과 외면에 용접으로 제작되어 압력이 낮은 고온 재상 반열 증기관 Hot Reheat Pipe에 주로 사용되고 있다. 이러한 배관이 용접불랑, 후열처리 미비 등으로 운전 시 미세 균열 발생 시 용접경계면을 따라 대형 균열로 발생할 수 있다. 실제로 고온 재상 반열 증기관의 곡 관청에서 발생한 전체 길이가 1100mm에 일은 대형균열로써 이 부분에 인근 수직 배관의 과도변위로 인해 균열부가 상당한 굽힘응력을 받았으며, 이에 따라 강도가 저하된 용접부에 균열이 발생, 용접 경계면을 따라 진전된 모습을 나타내기도 한다. 배관 지지물의 종류 : 배관의 자체 중량을 지지하는 것을 목적으로 설치하는 장치로써 행거는 배관을 위에서 매다는 장치이며, 서포트는 배관을 아래에서 받치는 장치를 말한다. (1) 고정식 행거 : 수평 변위는 다소 발생하여도 수직 변위는 거의 발생하지 않는 위치에 설치하며, 주로 로드를 사용하고 수평 변위가 큰 방향으로 회전이 가능하도록 로드 상단을 핀 조인트로 한다. (2) 고정식 서포트 : 배관이 열팽창에 의하여 수직 변위가 발생하지 않는 위치에 설치하며, 배관 하중을 지지한다. (3) 스프링식 행거 및 서포트 : 배관의 자중을 지지함과 동시에 열팽창에 의한 배관의 수직 변위를 허용하게 하는 것을 목적으로 하는 배관지지물로써, 하중 변동률에 따라 불변 스프링식 행거 및 서포트 Constant spring Hanger & Support와 가변 스프링식 행거 및 서포트 Variable Spring Hanger & Support로 나눌 수 있다. 배관의 구속 : 열팽창에 의한 배관의 이동을 구속 또는 제한하기 위한 장치로써 구속하는 방법에 따라 앵커 Anchor, 스토퍼 Stopper, 가이드 Guide로 나눈다. 앵커 : 배관 지지점의 이동 및 회전을 허용하지 않고 일정 위치에 완전히 고정하는 장치를 말하며, 배 관계의 요동 및 진동 억제 효과가 있으나 이에 따라 과대한 열응력이 생기기 쉽다. 스토퍼 : 한 방향 앵커라고도 하며, 배관 지지점의 일정 방향으로의 변위를 제한하는 장치이며, 열팽창으로부터의 기기 노즐의 보호, 날름쇠의 토출압력을 받는 곳 등에 사용한다. 가이드 : 지지점에서 축 방향으로 안내면을 설치하여 배관의 회전 또는 축에 대하여 직각 방향으로 이동하는 것을 구속하는 장치이다. 배관 지지물 설계 및 선정 시 필요한 자료 : 공정흐름도 Process Flow Diagram, 공정 배관 및 계장도 Piping & Instrumentation Diagram, 배관자재 사양서 Piping Material Specification, 기기 배치도 Equipment Arrangement Drawing, 철 구조물 도면 Steel Structure Drawing, 배관도 Piping Arrangement Drawing, 3차원 배관도 Isometric Drawing