5. 축 중심선 감시의 중요성

The Importance of Monitoring Shaft Centerline Data

 

다음은 축 중심선 자료의 기본 원리와 최근 주요 공정기계의 시운전 기술지원시 경험한 사례에 대하여 기술하고자 한다. 이 사례는 최초 기동시의 심각한 Misalignment에 초점이 맞춰졌으나, 추후 베어링 리테이닝 스크류의 이완에 의한 것으로 밝혀졌다. 이 내용은 축 중심선 자료가 복잡한 기계의 오기능에 관한 추가 정보를 제공하기 때문에 진단 과정의 중요한 부분임을 설명하고 있다.

 

5.1 紹介 (Introduction)

1×, 2× Bode 및 Polar Plot은 가장 유용한 기계진단 자료이다. 이들 자료는 속도 변화에 따른 기계의 진폭/위상각 응답을 보여준다. 실제로 이러한 형태의 자료 표시는 널리 보급되어 있고 기계 진단용으로 관찰하는데 최상의 그림이기 때문에 산업계의 표준으로 인정받고 있다. 그러나, 또 다른 자료 표시 형태인 “축 중심선”은 일반적으로 빠트리고 본다.

많은 기계 진단 기술자는 축 반경 위치 정보의 가치를 오랫동안 인정하여 왔다. Preload의 존재 유무는 베어링 간극 내에서 축 중심선의 평균 반경 위치를 관찰함으로써 빨리 알 수 있다. 축 중심선 위치는 방전에 따른 베어링 베비트 손상 또는 장기간 사용에 따른 베어링 마멸의 결과로 변할 수 있다.

“회전기계에서 축 중심선의 감시로 변화하는 기계 상태에 대한 중요하고 분명한 정보를 얻을 수 있다.” 이러한 개념이 다음 사례에서 기술되었는데 여기서 축 중심선 자료는 기계의 오기능을 해결하는데 중요한 성분이 되고 있다. 그러나 먼저 축 중심선의 감시 및 진단에 관한 이론적인 견해를 분명히 하기 위하여 간단하게 언급하고자 한다.

 

5.2 軸 中心線의 理論 (Shaft Centerline Theory)

비접촉식 와전류 변환기와 Proximitor로 반경 방향 축의 이동을 감시할 때 변환기 시스템은 다음의 신호 성분을 제공한다.

① AC신호 : 픽업 장착부에 대한 상대적인 축의 동적인 움직임(Vibration).

② DC신호 : 픽업 장착부에 대한 상대적인 축의 평균 반경방향 위치(Gap).

대개, 동적인 신호는 반경방향 진동감시기로 감시되며, ㎛ 또는 mils Peak to Peak 단위로 표시된다. 그러나, 신호의 DC 성분은 대개 잘 사용하지 않고 있다. Axial Position Probe가 축방향 움직임을 감시하듯, 반경방향 Proximity Probe는 베어링 내에서의 반경방향 축위치를 측정하는데 사용될 수 있음을 알아야 한다.

축중심선 감시에 사용되는 2개의 Proximity Probe는 각 베어링에서 서로 90˚(XY)되도록 설치되고, 여기서 필요한 DC성분을 제공한다. 두 신호의 조합과 이미 알고 있는 베어링 반경 간극을 비교하면, 베어링 간극내에서의 축 중심위치를 구하는 충분한 정보를 얻게된다.

보다 정확한 축 중심선 자료를 수집하기 위해서는, 초기 정지시의 Gap Voltage 기준이 필요하다. 이 기준은 로터 정지시 또는 터닝기어 운전시 수집된다. 이때, 로터는 베어링 하단부에 위치하게 된다. 따라서 이후의 모든 Gap Voltage 측정은 초기 시작지점이 기준이 된다. 기동시 속도가 증가함에 따라, 변환기로부터의 Gap Voltage 변화량은 베어링내에서의 평균 축 이동거리를 나타낸다. 따라서, 정격속도에서 베어링내에서의 축 위치를 쉽게 알 수 있다.

베어링내에서의 축 위치를 분석하면, 다음과 같은 여러 가지 중요한 매개변수에 관한 정보를 알 수 있다.

① 커플링과 베어링의 정렬상태

② 로터의 예압

③ 유막 두께

④ 베어링 마멸

⑤ 양태각(Attitude Angle) α

양태각은 로터에 작용하는 정적 하중(중력 또는 유체력: 그 방향은 정확히 알려져 있지 않음)방향과 베어링의 기하학적 중심점과 축의 중심선을 연결하는 선사이의 각도로 정의된다.

정확한 베어링 간극과 정지시의 Gap Volt 기준값을 주의 깊게 구하면, 양태각은 축 중심선 자료로 쉽게 얻을 수 있다. 일반적으로, 축의 양태각을 평가하므로써 특정기계의 안정성 한계(Stability Margin)를 알 수 있다. 기계의 축정렬이 정확하고 축 중심선 측정용 매개 변수들을 관찰했을 때 양태각이 90˚에 이른다는 것은 시스템이 불안정한 상태임을 나타낸다. 그림 1-25 (정상), 그림 1-26 (비정상)을 참고하라.

그림 1-25 축의 양태각 정의(상). 축의 반경방향 평균 중심선 위치가
기동시 어떻게 변화하는가의 한 예(하).

그림 1-26 6,692 rpm에서 베어링 간극을 초과하여 과도한 축의 움직임을 보여주는 축 중심선 자료.
이 그림은 또한 기동시부터 로터의 전체 이동량을 보여주며,
이때의 양태각은 수직 방향으로부터 약 130˚이다.

 

일반적으로 시계방향으로 회전하는 기계의 베어링내에서 이상적인 축 위치는 수직방향으로부터 측정시 20~60˚의 양태각(α)을 가지며 좌측 하단부 4분면에 있다. 마찬가지로 반시계 방향으로 회전하는 기계는 양태각은 같고 우측 하단부 4분면에 있다. 관찰하는 규칙은 항상 구동기(전동기/터빈)에서 종동기(발전기/압축기)를 향하여 바라보는 것으로 한다.

 

5.3 事例 (Case History)

문제의 기계는 6단의 증기터빈과 기어 커플링을 통해 구동하는 7단의 원심 압축기로 구성되어 있다. 주된 운전속도는 7100 rpm 근방이다. 공정제품은 오일정제 계통에서 냉매로 사용되는 Propane이다.

계획정비 기간동안 완전 분해 및 점검 작업이 수행되었다. 전 저널 베어링의 교체, 압축기 로터의 재가공, 터빈 로터의 재 제작 작업이 수행되었다. 재조립시의 축 정렬은 이전 정지시의 Hot, Cold 축정렬 자료를 이용하여 자체인력에 의해 수행되었다.

초기 기동시 1× Bode 및 Polar Plot에서 시스템의 잔류 불평형은 거의 없음을 보여주었다. 실제로 1차 공진 통과시 최고 진동은 51 ㎛ pp를 약간 넘었다. 모든 지시치로 보아, 기계의 운전 상태는 정상으로 보였다. Orbit 및 스펙트럼 자료에서도 이상점이 발견되지 않았다. 그러나 시간이 경과한후, 정상 상태에서 터빈 양 베어링에서 작은 진폭 및 위상 변화가 갑자기 발생하였다. 이때, 압축기 베어링에서는 변화가 발견되지 않았다. 축 중심선자료 검토결과, 무언가 심하게 나빠진 것으로 나타났다. 그림 1-26에서 터빈 내측 베어링에서의 축 위치가 운전속도에서 51 ㎛정도 베어링 간극을 초과 하였다.

공장자체 기록에 의하면 이 기계의 축 정렬은 이전의 정지기간중 다이얼 게이지를 장착한 Essinger Bar를 사용하여 수집된 Hot, Cold 값을 이용하여 추정하였다. 기계의 진동감시는 계속되었으며, 압축기의 어떤 부하 범위를 넘어서자 변화가 발생하였다. 이 변화는 양쪽 터빈 베어링에서 반경방향 진동이 높은 것으로 나타났고 이따금 Trip되어 전력계통으로부터 분리되었다.

초기 기동시 발생한 격심한 압축기 서징 현상이 이러한 갑작스러운 진동 위상 변화에 영향을 미쳤으리라 추정되었다. 분석결과 압축기 서징 발생시 터빈 로터의 Preload의 변화 때문에, 축정렬상태가 의심스러웠다.

축정렬 점검을 위하여 기계를 정지하고자 준비중일 때 제작도면 특히, 터빈 내측 베어링 도면을 검토한 결과 베어링 리테이닝 조정나사(Setscrew)를 의심하게 되었다. 조정나사가 느슨해지면 상부 베어링에서의 구속력이 없어지므로, 로터가 베어링 간극을 초과하여 이동될 수 있다.

이 조정나사는 내측 베어링 Carrier 상부에 있고(그림 1-27), 상부 Carrier를 잡아주는 단일 부품이다. 조정나사의 OEM 권고 조임치는 27 N․m이다. 조정나사는 베어링 하우징 외부 커버를 제거하면 운전중에도 접근 가능하다. 정지에 앞서 점검결과 조정나사의 이완이 발견되었다.

그림 1-27 터빈 내측 베어링과 베어링 리테이닝 조정나사 위치를 나타내는 도면

 

공장 책임자는 먼저 정상속도로 운전중 조정나사를 조이기로 결정하였다. 조정나사를 조이자 축 중심선 위치가 베어링 간극내로 바로 복귀된 것을 그림 1-28에서 분명히 보여주고 있다.

이러한 조치로 로터의 Preload를 크게 증가시켰고, 양쪽터빈 베어링에서의 1× 진폭 및 위상의 변화와 더불어 Orbit에 주로 영향을 미쳤으나 압축기는 영향을 받지 않았다.

마침내 기계를 정지한후 점검결과, 터빈 압축기의 축정렬 상태는 수직방향으로 크게 불량했다. 그림 1-28 하단부의 축 중심선 자료를 보면, 축위치가 내측 베어링에서는 여전히 높다는 것이 분명하다. 터빈 축정렬 수치는 최근의 Hot Alignment 기록치를 기준으로 재계산 되었으며, 최종 Cold Alignment 기록치로부터 Thermal Growth 값이 산출되었다. 실제 수정 Alignment는 축중심선 자료를 추가로 참고하여 터빈을 이동하여 시행하였다.

그림 1-28 1× 진폭 및 위상각변화(좌)와 조정나사 조임후 축 중심선 자료의 변화

 

HOR : 터빈 케이싱 79 ㎛ 우측이동 → 로터가 중심으로 이동

VER : 터빈 케이싱 229 ㎛ 상부이동 → 로터가 베어링하부로 이동

시계 반대방향으로 회전하는 수평 기계이므로, 이상적인 축위치는 20~60˚의 양태각을 가지고 우측 하단부 4분면에 있게 됨을 기억하라.

베어링 점검결과 터빈 내측의 상․하부 베어링 쉘의 손상이 발견되었다. 상부 베어링 쉘은 그림 1-26, 1-28에서 보여준 축위치와 똑같은 위치에서 마멸되었다 (그림 1-29 참고). 양 쉘은 교체되고, 플라스틱 게이지로 간극점검결과 254 ㎛로 측정되었다.

통상적인 축정렬기법과 함께 축중심선 자료를 이용하여, 보다 높은 정도의 신뢰성을 가지고 축정렬 작업이 수행되었다. 그림 1-30에서 운전속도에서의 베어링내에서 최종 축위치를 보여준다. 이러한 교정 작업후 더 이상의 문제점 없이 운전되었다.

그림 1-29 축의 Misalignment와 조정나사 이완에 의한
마멸상태를 보여주는 터빈 내측 베어링

 

그림 1-30 터빈 내측 베어링에서 최종 운전속도 위치.
양태각은 130˚에서 약 70˚로 감소되었다.

 

5.4 結論 (Conclusion)

축중심선 자료를 감시함으로, 1× Bode 및 Polar Plot 만을 이용하는 것보다는 기계 오기능에 관하여 직접 초점을 맞출 수 있었고 해결책을 빨리 구할 수 있었다. 축 중심선 자료 없이는 문제점이 여전히 감지되지 않았고, 결과적으로 불필요한 정지 및 관련 비용이 증가하게 되었을 것이다.

 

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