4.8 보일러 Fan의 터빈 축 사고사례

The Case of the Boiler Fan Turbine Shaft Fracture

 

캐나다의 정유 공장에서 터빈 로터 축의 사고를 점검한 후 실험실에서 다음과 같이 조사보고 하였다. 정유 공장에서 제출한 F-703 터빈축의 파단면을 조사한 결과 파괴된 후 축이 접촉 및 상대 운동으로 상당히 손상되었음에도 불구하고 세 가지의 뚜렷한 영역이 나타났다.

⑴ Outer Ring은 Shaft의 축(Axis)에 수직한 표면에 약 5 ㎜ 폭이 비교적 손상이 안됐고, 정밀점검을 통해 상대운동에 의한 다소의 침식이 있음을 알았다.

⑵ 중앙으로 20 ㎜ 확장된 Mid-Radius Ring은 축의 반쪽(Halves) 두 부분의 접촉과 상대 운동으로 심하게 마멸되어 원래 손상의 특징은 불분명하게 되었으며 파손 윤곽은 얕은 "Cup and Cone" 형상을 보였다.

⑶ 직경이 약 25 ㎜인 중앙 부분은 축의 반쪽 두 부분의 상대 운동과 접촉에 의한 마멸로 표면에 연속 Gouging 또는 Ploughing이 야기되어 표면이 비교적 부드러워지고 빛이 났다.

축 표면은 심하게 긁히고 산화된 면은 마찰열에 의해 생길 가능성이 있지만 축이나 파괴면 어느 쪽에도 특징적인 부식물은 없었다.

축의 미세 조직이 다소 Proeutectoid Ferrite를 갖는 Tempered Martensite라는 금속 조직 테스트로 확인되었고 파단면은 마멸에 의한 마멸 변형 물질로 덮여 있었다. 그림 2-13a는 이들 물질이 표면에서 생성하고 또한 심한 마멸에 의해 내부층으로 침투된 것을 보여주며 일반적인 미세 조직임을 나타내고 있다. 표면 손상이 너무 심각하여 원래 입계 파단인지 입내 파단인지 구별할 수 없으며 손상면에 부식은 나타나지 않았다. 손상면의 변환 물질은 축의 긁힌 면에서 조각으로 나타나고 이 부산물의 형태는 운전중 축 표면의 긁힘 및 마멸 때문에 발생하였다.

평균 경도는 266 HV/10 즉 25 HRC이다. 축단면의 모서리나 중심의 경도에는 특별한 변화가 없었다.

전자 현미경으로 파단면을 시험한 결과 여러 면에서 대부분의 표면이 마멸되었음을 알 수 있었다. 파단 후, 마멸의 영향을 받은 몇몇 지역은 분명하지 않고 파단면은 부드럽고 별다른 특징이 없다. 축의 파단면이 심하게 마멸되어 손상의 성질을 결론적으로 말할 수 없으나, 어떤 특징으로 축이 피로에 의해 손상되었음을 암시한다. 회전축에 가해지는 굽힘 모멘트에 의한 균열 전파를 발생할 정도의 심한 응력 집중을 받으면 피로 균열은 여러 곳에서 시작되었음을 파단면 주변 외곽 지역을 보면 알 수 있다. 운전중에 축 표면이 긁혀서 응력집중이 발생되었다.

그림 2-13a 터빈 축 파손 형상 및 일반적인 미세구조. Etchant : 2% Nital (200×)

 

사용자측 기술자는 본 보고서를 이용하여 손상의 근본적인 원인 및 교정에 관심을 두고 그의 코멘트는 다음과 같다.

축이 회전시 굽힘 모멘트에 의한 균열이 발생되었다고 보고서에 제시했는데 가장 가능성 있는 손상 원인의 가정과 일치하고 있다. 이러한 파손은 그림 2-13b와 같이 터빈과 피니언 로터를 지지하는 3개의 슬리브 베어링을 세밀하게 얼라인먼트를 하면 피할 수 있다고 생각한다. 내부 Alignment 확인용으로 Blueing Pattern을 얻고자 베어링에 기준(Dummy) 축을 조립하는 맨드릴(Mandrel) 기술을 이용하고 있다. 맨드릴은 실제 베어링의 간극을 줄이기 위해서 저널 직경보다 커야 하며 베어링 캡은 마지막 조립할 때 조여야 한다. 이렇게 하면 수직방향뿐 아니라 다른 모든 방향에서 적절한 Alignment 상태가 된다.

그림 2-13b 내장된 기어 터빈의 수평 단면

 

TRAC Mark INCOSYS