3.1 축의 고장 원인

Causes of Shaft Failures

 

정유 화학 공장의 축은 냉각 Ethylate 증기나 액체와 같은 극저온에서부터 가스터빈과 같이 극고온에 이르기까지 매우 다양한 온도에서 운전된다.

축은 하나 이상의 하중(인장, 압축, 굽힘, 비틀림)과 진동으로 인한 고응력을 받는다. 베어링 사고로 인한 마멸을 제외한 축 고장의 일반적인 원인은 금속 재료의 피로이다. 피로 손상은 동적 응력을 받아 취약면에서 시작되고, 그 면은 전형적인 응력 상승면이면서 동시에 금속적, 또는 기계적 성향을 갖는다. 때로 특별히 낮은 온도나 충격, 갑작스런 과도 하중에서 취성파괴가 발생한다. 면처리로 고장력강에서 수소 분해가 발생하고, 상온에서 축의 취성을 유발한다.

일반적으로, 연성 파괴는 갑작스런 과하중으로 발생하지만 정상 운전 조건에서 일어나기 어렵고 고온에서 꼬인 형태인 Creep는 응력 파괴를 초래하며 축의 주요 치수를 과도하게 변형시켜 공차를 떨어뜨려 사고를 일으킨다.

3.1.1 軸의 破壞 根源 (Fracture Origins in Shafts)

축의 파괴는 설계나 조립 중에 생성된 응력 집중부에서 발단한다. 설계상의 응력 집중부는 Keyway 끝단, 압착된 부재의 모서리, Shoulder부 Fillet, Oil Hole 모서리 등이며, 조립하는 동안에 생긴 응력 집중은 Grinding 손상, 가공 마크나 새김눈, 열처리 과정에서 생긴 Quench Crack 등이 있다.

때때로 응력 집중은 축을 단조할 때 생성되어 Lap, Seam, Pit, Cold Shut, 파열 등과 같은 면내 결함을 갖게 한다. 단조되는 축의 Ingot가 응고시 면내 응력 집중이 발생하는데 일반적으로 배관, 결정, 구멍, 수축, 비금속 함유물과 같은 불연속 내부를 갖는다.

베어링의 축 정렬 불량으로 인한 파손은 조립이나 운전 중에 지지 구조물의 처짐으로 인해 발생되거나, 접합부 불량이나 축의 칼자국, 둥근 홈, 긁힌 자국 등의 취급 부주의로 발생한다. 빈도는 적지만 재료를 잘못 적용하여 생기는 축의 파손은 재료의 연성대 취성의 높은 천이온도를 가지는 재료를 사용하기 때문이다. 즉, 수소 취성, 템퍼 취성, 가성 취성, 또는 화학 조성이나 규정 외의 기계적 특성에 대해 저항이 낮아서 일어난다.

3.1.2 軸의 應力 시스템 (Stress Systems in Shafts)

축의 파손 원인을 정의하기 전에 축에 작용하는 응력 시스템과 정하중이나 단일 과도 하중에서의 연성과 취성거동에 의한 파손면을 정확히 이해해야 분석이 가능하다.

그림 2-6은 축이 순수 전단, 비틀림, 압축 하중을 받을 때 내부점에 발생하는 전단 응력과 수직 응력을 보이는 2차원 자유도이고 단일 과하중을 받는 연성과 취성 재료의 파단 형상은 각 하중 형태별로 다이어그램으로 나타내었다.

자유 물체의 응력 시스템을 무한한 작은 면적으로 가정하면, 인장과 압축 응력이 사각 면에 대해 인장, 압축하며 서로 수직으로 작용한다. 수직 응력에 45°인 전단응력이나 슬라이딩 응력은 사각형에 대각으로 작용하고, 3차원 원주 응력은 무시한다.

 

그림 2-6 축이 인장, 비틀림, 압축 하중을 받을 때 수직응력, 전단응력

순환 및 단일 하중에서의 연성과 취성 재료의 파손 형태.

 

그림 2-6의 3가지 하중 형태에 관한 연성과 취성재료에 작용하는 전단 및 수직응력과 굽힘 하중에 의한 이들 효과를 다음에 설명한다.

인장.

인장 하중을 받을 때, 인장응력(σ1)은 축에 가로 방향이고, 압축응력(σ3)은 세로 방향을 갖는데, 최대 전단응력 요소(τmax)는 축에 45°이다 (그림 2-6a). 연성 재료에서 인장 하중으로 전단응력이 발달하는데, 축의 중심에서 표면 쪽으로 발달하고, 축에 약 45°인 원추형 전단 맆(Lip)형으로 끝이 난다.

재료에서 인장의 과하중에 의한 파단은 인장응력에 수직이지만, 영구 변형은 거의 없고, 파손면은 외형상 거칠고 결정립체이다.

응력집중이 없을 때 순수 전단 하중을 받으면 탄성응력 분포가 단면에 일정하게 발생하고, 고응력이 작용하면 어느 점에서도 파단이 발생한다.

비틀림.

그림 2-6b 처럼 축이 비틀림 하중을 받으면 응력 시스템은 시계 방향으로 45°회전한다. 인장과 압축응력은 축에 45°이면서 서로 수직이므로 임의 전단응력 요소가 축중심에 평행하면 다른 요소는 축에 수직한다.

연성 재료가 비틀림 하중을 받으면 전단응력으로 파단 전에 상당한 변형을 일으키지만, 축의 형태가 변형되지 않기 때문에 그다지 중요하지 않은 반면, 비틀림 응력을 받는 축이 미끄러지는 얇은 디스크로 무한히 구성되면 변형은 간단하지만, 연성 재료의 파단은 축과 수직한 면에서 발생한다. 단순 비틀림시 최종 파손 범위는 축의 중심부이지만, 약한 굽힘에서도 중심을 벗어난다.

단순 비틀림을 받는 취성재료는 인장응력 요소에 수직인 파단을 유발하는데 축중심과는 45°이고 나선형의 파손면을 갖는다. 이의 탄성응력 분포가 표면에서 최대이고 축 중심에서는 0 이므로 최대 응력면에서 파손이 시작된다.

압축.

축방향으로 압축을 받으면(그림 2-6c) 압축응력(σ3)은 축방향이고 인장응력(σ1)은 횡방향이므로 응력 시스템이 회전하게 되고 전단응력(τmax)은 축방향으로 인장 하중을 받아 축과 45°가 된다.

과도 압축을 받는 연성 재료에서 전단응력은 심각한 변형을 일으키지만, 파단을 유발하지는 않고 축이 짧아지고 부풀어 진다. 단순 압축을 받는 취성재료는 좌굴되지 않으면 최대 인장응력에 수직으로 파단 된다. 인장응력은 횡방향이므로 취성파괴 방향은 축과 평행하다.

응력 집중이 없을 때, 단순 압축을 받는 탄성응력의 분포는 단면에 일정하며, 파단이 발생하면 압축 하중이 축의 반경을 증가시키고 원주방향으로 재료를 신장시키기 때문에 길이 방향에서 일어난다.

굽힘.

축이 굽힘응력을 받을 때, 인장력을 받은 볼록한 면은 그림 2-6c와 유사한 탄성 응력 분포를 갖고 볼록면과 오목면의 중간은 응력이 "0"이 되는 정축이다.

 

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