4. 왕복동 압축기 Piston Rod 진동

The Value of Piston Rod Vibration Measurement in Reciprocating Compressors

 

정제공장에서의 수소화 분해(Hydrocracking)공정은 이 공정중에 소모된 수소를 보충하기 위한 보충 수소를 필요로 한다. 이 수소는 2개의 수소 보충용 왕복동 압축기에 의해 압축된다. 각각의 압축기는 연속적으로 운전하여 필요한 수소량을 100% 공급하고 있으며, 이 두 압축기 중에서 하나가 정지되면 공급이 반으로 줄게 된다. 이 Hydrocracker Unit는 정제 공장에서 중추적인 설비이므로, 수소 보충 압축기는 정제 공장의 수익성과 직접적인 관련이 있는 중요 설비이다. 지난 한해동안 주로 Crosshead 부분과 밸브에서 심각한 신뢰도의 문제점이 발생하여, 이용율이 감소되어 수익성이 크게 줄어들었다.

압축기의 문제점을 해결하기 위하여 운전, 정비 및 장비 신뢰도 분야를 대표하는 직무팀이 조직되었다. 개발된 포괄적인 프로그램 중에 기계상태 감시 프로그램이 포함되어 있다. 이 프로그램은 한 달에 두 번씩 진동 데이터를 수동으로 기록하고, 두 달에 한번씩 압력과 체적을 전자 분석하며, 매일 순회점검을 실시하는 것으로 되었다. 이의 목적은 일련의 기계기준 자료를 만들어, 진동 분석으로 예지 정비의 수행이 가능한지를 알아보기 위한 것이었다.

각각의 Distance Piece에 가속계를 부착하고, 각각의 Piston Rod의 Packing Box에 Rod Drop Probe를 부착하였으며, 각각의 Cylinder Head에 Velometer 속도 센서를 부착하여 진동 데이터를 수집하였다 (그림 14-11 및 14-12).

Velometer Sensor는 가동부가 없는 Piezo-Velocity Sensor이다. 이 진동 데이터는 Bently Nevada의 ADRE for Window 시스템에 기록되었다. ADRE for Window는 진보된 휴대용의 기계 진단 장비로서, 정상 상태 및 기동 정지시의 진동 데이터를 모두 16개까지의 변환기로부터 동시에 수집한다. 이것은 정확한 문제점의 진단에 강력한 도움을 주는 많은 그림들을 화면에 나타낸다.

그림 14-11 변환기의 설치 위치 및 방향을 나타내는 기계 배치도

그림 14-12 Rod Drop Proximity Probe의 설치

4.1 機械 諸元 (Machine Specification)

수소 보충용 왕복동 압축기(Unit G203A와 G203B)는 375 ㎾(500 HP)의 전동기로 구동되는 복식 4-실린더 기계이며, 흡입 압력은 1380 ㎪(200 psig)이고 3단의 압축 단에서 1140 ㎪(2000 psig)로 토출한다. ADRE 시스템을 이용하여 각 실린더에 대해 Piston Rod의 진동(정류되지 않은 파형)을 정기적으로 기록하였는데, 4개의 실린더에서의 일반적인 진동수준은 152~254 ㎛ p-p의 범위였다.

 

4.2 資料 分析 (Data Review)

기계의 상태를 평가하기 위해 2~4주마다 자료를 수집하였다. 그림 14-13은 8월 31일에 수집한 전형적인 Rod Drop 진동 파형인데, 기계의 운전속도인 300 cpm의 주파수를 갖는 Sine 파형이었다.

10월 초순에 Unit G203B의 1단 2번 실린더의 진동 Trend에 불규칙적인 현상이 발생하였다. 8월 31일(그림 14-13)과 10월 4일(그림 14-14)의 Unfiltered Waveform 그림을 비교하면 진동 진폭과 파형의 형상이 크게 변화되었다는 것을 알 수 있다. 8월 31일에는 진동 진폭이 229 ㎛ p-p이었으나 10월 4일에는 630 ㎛ p-p까지 증가되었으며, 파형에 날카로운 Spike 형상이 나타났다.

그림 14-13 8월 31일 Rod Drop 비접촉식 Probe에서 수집한 정상적인 모양의 파형

그림 14-14 10월 4일 Rod Drop 비접촉식 Probe에서 수집한 Unfiltered Waveform.
Waveform에 Spike 현상이 크게 나타남.

그림 14-15 10월 9일 Rod Drop 비접촉식 Probe에서 수집한 Unfiltered Waveform.
Waveform 형상이 정상으로 되돌아갔음.

Proximity Probe가 느슨해졌을지도 모른다는 생각이 들어 Distance Piece의 Access Cover를 열어 Bracket 상태를 점검하였다. Probe 설치 상태는 양호하였으나 Piston Rod가 과도하게 움직이는 것을 발견했다.

피스톤 운동과 압력․체적(PV) 곡선과 비교하여 Waveform Data를 분석하였다. Rod의 하중(그림 14-16)을 계산하기 위해 PV 선도를 이용하였고, 퍄형에서의 Spike 현상은 Rod가 최대 압축 하중을 받을 때 발생한다는 사실을 알게 되었다. 이러한 현상은 Rod에 균열이 생겨 Rod가 압축 하중을 받을 때 과도하게 변형되는 경우에 발생할 수 있다. Piston Rod의 진동이 증가했다는 사실은 기계를 정지시켜 검사를 하여야 할 충분한 이유가 되었다. Rod의 진동이 높으면 과도한 패킹의 마모를 초래할 수 있기 때문이다.

그림 14-16 크랭크 각에 대한 Rod 하중

 

4.3 點檢 結果 (Result)

기록된 주요 문제점은 4개의 Piston Ring 모두가 수많은 조각으로 부수어졌다는 것이다 (그림 14-17). 또한, Rod가 부분적으로 63.5 ㎛가 휘어져 Piston Rod Runout이 152 ㎛나 되었다. Wrist Pin Bushing 간극은 241~254 ㎛이었으며, 이것은 최대 허용 간극 230 ㎛를 약간 벗어나는 수치였다. 마지막으로, 크랭크축의 Balance Weight가 크랭크 축 상에 부적절하게 자리잡고 있었다. 이러한 항목들을 수정하고 Piston Ring을 신품으로 교체한후 Unit을 다시 운전하였다.

그림 14-17 G203B의 1단 #2 실린더에서 분해한 파손된 Ring

 

4.4 結論 (Conclusion)

기계를 다시 운전하기 시작한 후 10월 9일(그림 14-15)에 수집한 진동 진폭과 형태는 8월 31일(그림 11-13)에 수집한 자료와 비슷하였다. 파형에 Spike 현상이 나타나지 않았으며, 진동 진폭은 148 ㎛ pp이었다. Piston Rod 진동의 감시 및 경향 분석은 기계의 상태를 평가하는데 매우 가치 있는 도구임이 입증되었다. 진동이 상승된 이유는 아마도 Piston Ring의 파손과 이에 따른 Ring Groove에서의 균일하지 못한 가압에 기인한 것 같다. 이 압축기는 과거에도 이와 유사한 Piston Ring의 손상이 발생되었었다. 손상의 근본 원인을 알아내고, 이 용도에 적절한 Ring을 설계하기 위한 조사가 진행중이다. 그러는 동안에 Piston Ring의 파손은 Rod Drop Proximity Probe를 사용하여 Piston Rod의 진동을 관찰함으로써 알 수 있을 것이다.

최근에 Unit G203A의 1단 2번 실린더의 파형 자료는 유사한 진동형태와 진폭을 보여주었다. 기계를 정지하여 점검 결과, Piston Ring이 G203B 기계와 매우 유사한 형태로 파손되었음을 발견할 수 있었다. 이것은 Piston Ring의 파손은 Piston Rod의 진동을 관찰함으로써 알 수 있다는 사실을 다시 한번 확증해 주었다.

 

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