1. 원심압축기 Bullgear 베어링 마멸

Detection of Serious Wear of a Centrifugal Compressor Bullgear Ball Bearing

 

1.1 背景 (Background)

어떤 회사가 원심 공기 압축기들을 포함하여 52대의 기계에 대한 진동 측정 및 평가를 ‘84년 1월부터 실시해줄 것을 TA사와 년간 계약을 맺었다. 그 당시 측정 계측기는 실시간 분석기이었고 각 기계마다 4주 간격으로 측정하게 되어 있었다. 그림 9-1~9-3은 용량이 2100 ICFM인 압축기중 하나이다. 그림 9-1은 Bullgear(위치 3)에서 뿐만 아니라 각기 전동기 베어링 하우징에서 또 각기 4개의 임펠러 로터 베어링 하우징(위치 4~7)에서 진동 측정 위치를 나타내고 있다. 그림 9-1에서 Bullgear와 이와 맞물리는 각각의 피니언 상태에 유의하라. Bullgear가 약 3580 rpm(59.67 ㎐)으로 회전할 때 임펠러 로터 속도는 1단의 경우 29,325 rpm(488.75 ㎐)으로, 4단의 경우 49,270 rpm(821.13 ㎐)으로 회전한다.

이러한 기계에서의 문제점은 Bullgear나 또는 이와 맞물리는 피니언중 하나에서 일단 결함이 발생하면 다른 부품으로 급속하게 전달할 수 있다는 것이다. 84년 당시 로터를 재 제작하는 비용은 4단인 경우는 약 8.000불, 1단인 경우 26.000불 정도였다. 따라서 초기단계에서 문제점을 검출하고, 문제점이 다른 부품으로 전달하기 전에 교정 조치를 취하는 것이 가장 중요한 일이었다.

그림 9-2는 영구적인 진동감시를 하는 Proximity Probe를 장착한 로터들 중 하나의 단면도이다. 이들 기계의 경보치는 0.7 mils p-p이고 Trip치는 1 mil로 설정되었다.

이들 기계에 대해 다음 3가지 형태의 측정법을 적용했음을 지적하고자 한다.

(1) Proximity Probe Monitor로부터 직접 진동변위 측정

4개의 임펠러 각각의 진동 측정용 4개의 Proximity Probe 출력 단자에 케이블이 연결되었다. 이 케이블은 직접 분석기에 연결되어 전체 진동변위를 얻을 뿐만 아니라 각단에서 축진동의 진동 스펙트럼도 얻을 수 있다.

그림 9-1 원심 공기 압축기 상의 가속도계 설치 위치

 

그림 9-2 임펠러 로터 단면도

그림 9-3 원심 공기 압축기의 단면도

(2) 각 베어링 하우징으로부터 진동속도 측정

측정 주파수 범위가 1,0~10,000 ㎐(60~600,000 cpm)인 표준 가속도계가 그림 9-1과 같은 위치의 각 베어링 하우징에 설치되어 있다. 다양한 주파수 범위의 스펙트럼이 그 위치에서 축 속도에 따라 여러 베어링 하우징에서 얻어진다. 가속도계로부터 가속신호가 분석기 내에서 속도로 적분된다.

(3) 압축기 베어링 하우징으로부터 고주파수 가속도 측정

2× Gear Mesh Frequency(2×GMF) 이상의 진동 측정을 위하여 신호처리 계측기와 더불어 특수한 고주파수 가속도계가 채용된다. 표 9-1은 기본 GMF가 20,528 ㎐(1,231,700 cpm)임을 보여준다. 2× 및 3×GMF까지 진동 측정을 해야하기 때문에 이것은 변환기 시스템뿐만 아니라 하우징에 가속도계의 설치도 큰 부담이 된다. 이들 사항에 대해 크게 주의를 기울이면 이러한 고주파수에서 진폭 자체의 절대값은 문제가 있지만 3×GMF 까지는 반복하는 진폭을 측정할 수 있다. 즉, 가속도계를 설치하고 다른 시간에 몇 개의 진동측정을 하면 훌륭한 반복하는 가속도 측정을 취할 수 있다. 그러나 이 시스템이 10g 가속도를 나타내면 실제값은 7이나 8g 또는 12내지 14g일수 있다. 어떤 경우든 높은 측정 신뢰도를 위해서는 여러 달 동안 취한 자료를 추적해 놓는 것이다. 실제로 이와 똑같은 절차를 30개의 다른 압축기에 적용하였다.

표 9-1 압축기에서의 예상 주파수

* 전동기 회전속도를 3580 rpm = 59,675 ㎐로 계산

 

정상 운전속도

 

1.2 分析 結果 (Analysis Results)

그림 9-3은 Bullgear(위치 3A), 2단(위치 5A) 및 3단(위치 6A)에서 축방향으로 진동 측정 한 것을 나타내는 단면도이다. 그림 9-3의 Bullgear 볼 베어링의 각각의 위치에 유의하라. SKF 7213은 측정 위치로부터 다소 떨어진 곳에 있다. SKF 6213 베어링으로부터의 진동 신호는 하우징으로부터 케이싱을 통하여 가속도계가 설치된 케이싱 볼트로 전달함에 유의하라. 한편 SKF 7213으로부터의 진동은 축을 따라서 그리고 SKF 6213 베어링이나 케이싱을 통해 전달하게 된다. 따라서 이 기계에 대한 여러 해 동안의 많은 실험결과 감소된 진폭을 나타나게 되는데 이것은 SKF 6213의 베어링 결함 주파수와 관계가 있는 SKF 7213의 결함 주파수로부터 오는 것을 고려해야 한다.

표 9-1은 압축기 부품에서 발생하는 여러 가지 예상한 진동 주파수들이다. 여기에는 GMF, 각기 4단의 Blade Passing Frequency(BPF), 각 임펠러 로터 속도(F1~F4), 주 급유펌프 주파수(Fpump), SKF 7213 베어링 결함 주파수, SKF 6213 베어링 결함주파수 및 Bullgear와 전동기의 운전속도 주파수(FM)등이 포함되어 있다.

그림 9-4는 초기 기준자료를 설정한 후 약 9개월간 수집한 스펙트럼중의 하나이다. 이 스펙트럼 상에는 2, 3, 4단 운전속도 주파수(F2, F3, F4)를 포함하는 몇 개의 주파수들이 나타나 있음에 유의할 것. 또한 두드러지게 보이는 것은 약 352 ㎐에서의 높은 진동 진폭이었다. 다시 표 9-1에서 352 ㎐ 주파수는 SKF 6213 베어링의 내륜 결함 주파수(6213 BPFI)와 상응함에 유의할 것.

그림 9-4 SKF 6213 Bullgear 베어링의 내륜 한곳에 집중된 심한 결함

그림 9-5 SKF 6213 Bullgear 베어링의 교체후의 진동 스펙트럼

중요한 것은 초기 기준자료를 ‘84년 1월에 취했을 때 이 352 ㎐ Peak 진동은 0.216 in/sec이었고, Bullgear 운전속도 측대파가 그 좌우에 있지 않았다 (그림 9-4에서 보는 바와 같이 나중에는 나타났다). 기준 진폭이 0.20 in/sec 이상인 것은 베어링 결함 주파수로는 매우 높기 때문에 TA사는 문제 발생이전에 Bullgear 베어링을 즉시 교체하고, Bullgear와 맞물리는 부품에 문제를 일으킨 Bullgear 베어링을 격리시킬 것을 추천하였다. 압축기의 수요증가로 정지시킬 수 없어 그 당시 베어링 교체를 못했다. 따라서 우선 기계의 진동 스펙트럼을 계속 추적하고, 가능한 빨리 베어링 교체 계획을 수립할 것을 결정하였다. 3개월후 이 주파수에서의 진폭은 상승하기 시작했고 4월에는 약 0.252 in/sec에 이르렀다. 이 시점에서 Bullgear 속도에서 작은 진폭의 측대파가 이 베어링 주파수 좌우측에 나타나기 시작했다. 또다시 TA사는 이 기계에서 다른 측정치는 다른 부품에 어떤 손상을 줄만한 징조를 아직까지 나타내지 않았지만(예를 들면 가속도 값이 이 기계에서는 정상치인 약 7 g를 초과한 GMF가 없다), Bullgear 베어링 교체를 추천하였다. 그러나 공장에서는 교체 계획을 수립할 필요가 없다고 느꼈다.

BPFI(352 ㎐)에서의 진폭이 4월에 0.252 in/sec이었던 것이 6월에 0.305 in/sec로 증가하였고, 292와 410 ㎐에서 측대파들이 발달하여 거의 0.05 in/sec가 되었다. GMF에서의 진폭이 1월과 4월에 약 7g 이었던 것이 6월에는 약 12g로 상승하였기 때문에 TA사는 심한 손상이 임펠러 로터에 발생하기 전에 즉각적인 Bullgear 베어링 교체를 권고하였다. 그러나 공장은 정비를 하기 위해 기계를 정지할 수 없는 상황이었다.

따라서 9월 28일에 취한 징후를 보면 압축기 전반에 걸쳐 문제가 확대되었다. 그림 9-4는 BPFI 진폭이 0.402 in/sec까지 상승하였고, 292.5 ㎐와 410.0 ㎐에서 운전속도 측대파들을 훨씬 발달시켰다. 또한 750 ㎐에서 작은 제2의 내륜 주파수 조화파를 나타낸다. 크게 관심을 기울여야 할 일은 그림 9-6과 9-7에서 나타난 Bullgear와 피니언 하우징에서 취한 가속도 스펙트럼이었다. 그림 9-6은 0에서 100,000 ㎐까지의 광대역 그림이며, 2×GMF에서 진동값이 기준 설정시의 7g에서 42.1g로 상승하였다. 그림 9-7에 보여준 Zoom Spectrum을 보면 2×GMF가 이제는 1단 피니언의 심각한 마멸 상태를 의미하는 1단 속도에서 잘 발달된 측대파들로 둘러 쌓여 있었다. 다른 단에서 측정치를 보더라도 Bullgear 자체뿐만 아니라 적어도 3개의 피니언에서 문제점이 있음을 나타내고 있었다.

그림 9-6 9개월간 기어 마멸에 의한 높은 가속도

그림 9-7 2×GMF 부근의 1단 속도의 측대파들

 

1.3 勸告事項 (Recommendations)

9월 28일 현재 자료를 가지고 TA사는 각 Bullgear 베어링을 교체할 것을 권고하였다. 또 각 기어들도 의심이 되는 마멸 상태를 확인하기 위한 면밀한 점검을 할 것을 권고하였다.

 

1.4 措置 事項 (Corrective Actions)

기어를 점검한 결과 1단, 3단, 4단의 피니언은 물론 Bullgear에서도 심각한 마멸이 있음을 발견했다. 그 결과 Bullgear와 그 베어링 뿐만 아니라 모든 임펠러 로터 피니언 전체를 교체하였다. 그림 9-5와 9-8은 이러한 조치를 취한 후에 포착한 것이다. 그림 9-5는 SKF 6213 베어링을 교체한 후 0.402 in/sec에서 0.015 in/sec로 크게 감소한 것을 나타낸 속도 스펙트럼이다. 그림 9-8은 2×GMF에서 가속도 값이 전에는 42.1g이었던 것이 5개 기어중 4개를 교체한 후에는 7.62g로 감소한 것을 보여주고 있다. 이 경험사례로부터 배운 귀중한 교훈중의 하나는 진동 스펙트럼이 교정조치를 해야한다고 나타냈을 때 이 원심 압축기를 교정했어야 한다는 것이다. 1월 기준치 설정후 즉각적인 조치를 취했더라면 10,000불 이하의 정비비가 들었을 텐데 문제점이 다른 80개의 부품에 파급된 후에는 100,000불 이상으로 증액되었다. 다행하게도 본 경험사례 이후 진동 스펙트럼에 주의를 기울인 결과 이상과 유사한 비용이 드는 심한 고장을 3번이나 검출하여 적은 비용으로 정비한 바 있다.

그림 9-8 Bullgear 1, 3, 4단 피니언 교체후의 진동 스펙트럼

 

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