3. 화학 반응조 Rub 문제

Diagnosis and Correction of a Serious Rub Problem on a Chemical Product Reactor

 

3.1 背景 (Background)

두 대의 화학 반응조에서 고진동과 비정상적인 소음이 발생하고 있었다. 심한 경우는 실제로 건물구조물이 흔들리고 이 유니트의 매 회전마다 상당한 충격 소음이 발생하였다. Vessel을 검사한 결과 내부 간극 문제가 없었기 때문에 주요 문제점은 베어링과 구동기에 있다고 결론지었다.

 

3.2 分析結果 (Analysis Results)

그림 5-25는 대략 8 inch 직경의 축을 가지는 수력 구동기(교반기 구동기)이고 그림 5-26은 수력장치에 의해 구동되는 2개의 Helix Blading(교반기) 이다. 수직으로 회전하는 반응조 날개와 축을 2개의 베어링이 담당하고 있고 이 베어링 밑으로는 아무런 지지부가 없는 Overhung Type이다.

5~60 rpm으로 회전하는 반응조에 대한 일련의 진동측정이 이루어졌다. 일부 측정시험은 반응조 내에 아무런 액체 없이 시행하였다. 후반부 시험때는 처음으로 실내온도에서 물을 넣고 측정하였고 차차 온도를 높여 측정하였다. 처음에는 아무 것도 없는 상태에서 9 rpm으로 교반기를 회전시켜 실내온도에서 측정하였다. 9 rpm에서의 스펙트럼을 보면 조화진동 성분이 많았다. 전체 시험중의 내용을 보면 300 cpm 부근의 조화성분 진동이 증폭되는 경향이 있다. 그림 5-29는 이것이 공진 증폭의 징조임을 분명히 보여준다.

그림 5-25 교반기 구동장치

그림 5-26 교반기(Agitator)

처음 측정시험 중에는 문제점이 기계적인 이완인지 Rub 인지를 진단하기 어려웠다. 그림 5-28과 5-29에는 많은 조화 성분이 있어 어느 것도 이들 문제점을 나타내고 있다. 그러나 오후 늦게 시험을 하였는데 기계적인 이완 문제라기 보다는 Rub 문제임을 나타내는 분명한 징조가 있었다. 그림 5-30은 이런 내용을 보여주고 있다. 34.5 rpm에서 스펙트럼을 보면 1×RPM 및 조화 성분뿐만 아니라 흑점으로 표시한 일련의 1/2×RPM들이 있다. 따라서 1×RPM 진동과 함께 1/2×RPM 조화성분들이 있고 공진 영역에서 증폭하는 것으로 보아 이것은 강력한 Rub의 징조였다. 9 rpm과 같은 낮은 속도에서 Rub상태를 들을 수 없었지만 스펙트럼 상에서는 분명히 나타났다. 이러한 이유로 Rub상태를 들을 수 없어도 Rub가 존재하지 않는다고 가정해서는 안된다는 것을 지적하고자 한다.

반응조 정지시 취한 그림 5-31은 교반기의 고유진동수를 알기 위한 것이다. 이 경우 근처에 있는 왕복동 냉각기가 기동하여 충격 고유 진동수 시험의 가진압력으로 적용되었다. 이때 탁월한 응답은 300 cpm에 있었고, 2개의 인접한 부품의 Rub시에 가진 되는 예상한 공진 영역이었다.

그림 5-27 교반기에서 0.25 inch 재료의 제거 전후에 반응조의 전체진동 (위치:2H)

그림 5-28 9 rpm시 반응조의 진동 스펙트럼
(위치: 1H, 실내온도, 반응조가 빈 상태, 0A=0.065 in/sec)

그림 5-29 9 rpm 이하에서의 반응조 진동 스펙트럼

그림 5-30 Rub로 1/2× 조화주파수가 생성된 반응조 진동 스펙트럼

그림 5-31 교반기의 고유진동수를 나타내는 진동 스펙트럼

 

3.3 勸告事項 (Recommendations)

Rub의 가능성이 강하므로 반응조 내에 사람을 들여보내 탱크내벽 뿐만 아니라 Double Helix 날개 표면도 주의 깊게 점검할 것. Rub 위치를 확인할 수 있으면 필요한 만큼 재료를 제거해올 것.

 

3.4 措置事項 (Corrective Action Taken)

5월 19일 반응조를 다시 점검했을 때 교반기와 반응조 내벽간에 심한 Rub가 발생했음을 확인하였다. 가장 손상을 입은 부위는 그림 5-26의 원추형 부위의 오른쪽 하부이었다. 따라서 간극이 부적절했던 위치에서 날개와 벽간의 간극을 증가시키도록 결정을 내렸다. 화염절단 절차를 사용하여 교반기 날개로부터 재료를 제거하였고 Grinding으로 매끄럽게 끝처리를 하였다. 반응조의 2개의 Helix 날개를 약 0.25 inch 폭 만큼 제거하였다. 이렇게 하여 2개의 Helix 날개와 벽간의 간극이 0.625 inch로 증가하였다 (그림 5-27).

 

3.5 措置結果 (Results of Corrective Actions)

5월 30일 Grinding 효과를 확인하기 위하여 반응조에서 진동 측정을 하였다. 그 효과는 전후의 스펙트럼과 전체 진동치를 비교하므로써 극적으로 나타났다. 그림 5-32의 좌측 그림은 Grinding을 하기전 5월 18일에 취한 9 rpm으로 운전하는 반응조의 진동 스펙트럼이고, 우측 그림은 Grinding후 5월 30에 취한 것이다. 9 cpm에서 고조파를 갖지 않는 깨끗한 1회전당 한번의 진동신호가 보인다. 또한 전체 진동도 0.065 in/sec에서 0.023 in/sec로 떨어졌다.

그림 5-32 Grinding 전(좌)과 후(우)의 반응조 진동 스펙트럼

속도를 올림에 따라 Rubbing은 더욱 심해졌고 이때 교반기의 고유진동수는 약 300 cpm에서 가진되었다. 그림 5-33의 스펙트럼은 같은 위치에서 취한 것이지만 속도는 45 rpm 이었다. 좌측 그림은 Grinding하기전의 진동을 보여주고 있으며, 교반기의 고유진동수에서 0.603 in/sec의 과도한 진동을 나타내었다. 우측 그림은 Grinding한 후의 스펙트럼으로써 공진 진폭이 0.0199 in/sec로 30배나 감소되었다. 우측 그림에서 Fullscale 진폭이 오직 0.041 in/sec임에 유의하라. 반응조의 진동 상태를 철저히 평가하기 위하여 5월 30일 일련의 모든 시험을 실시했다. 시험중에 심한 Rub가 발생한 적이 한번도 없었다. 대신에 날개와 벽간의 주기적인 접촉으로 재료의 조그만 부스러기가 생기는 증거는 있었다. 이런 일이 발생했을 때 Peak 진폭을 나타내는 그림 5-33의 우측 그림은 교반기 재료 제거 이전의 값의 3%뿐이었다. 마지막으로 그림 5-27은 날개 재료의 제거전후 전체 진동대 교반기 회전수를 비교한 것이며, 극적인 진동 감소가 이루어진 것을 보여주고 있다.

그림 5-33 45 rpm에서 Grinding 전(좌)과 후(우)의 반응조 진동 스펙트럼

 

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