5. 표면변화의 고장분석

Analysis of Surface-Change Failures

 

재료 표면의 변화에 의한 손상은 마멸, 피로와 부식에 의해 일어나며 이들 손상 형태의 각각은 여러 조건, 환경, 하중 형태, 결합부의 상대 속도, 윤활, 온도, 경도와 표면 마무리 등의 영향을 받는다. 마찰면에서 재료의 제거나 마멸은 여러 표면을 손상시키고, 마멸은 "연삭"과 "접착"으로 분류된다. 만약 부식이 존재하면 접착성 마멸 즉 "부식성 마멸" 형태로 나타난다.

5.1 硏削性 磨滅 (Abrasive Wear)

재료가 부드러운 표면을 Scratch하거나 Gouging할 때 발생하는 연삭성 마멸은 마멸 관련 사고의 50%정도 차지하는 것으로 추정되었다. 전형적인 연삭성 마멸의 예는 왕복식 압축기의 크랭크샤프트 저널 파손으로서 단단한 먼지(Dirt) 입자가 유막을 깨트리고 들어가 부드러운 저널면을 자르거나 Scratch한다.

5.2 接着性 磨滅 (Adhesive Wear)

접착성 마멸의 파손 유형은 스코어링(Scoring), 골링(Galling), 시징(Seizing), 스커핑(Scuffing)으로써, 높은 국부 압력이나 온도가 가해질 때 두 결합부는 슬라이딩 부분에서 미세한 돌출부가 서로 융합될 때 일어난다. 융합후, 슬라이딩 힘은 한 표면의 금속을 찢어서 한 면에는 미세한 기공이 되고 또 다른 면에는 미세 돌출부를 유발하여 손상을 더 야기 시킴으로 접착성 마멸은 미세하게 시작되지만 크게 진전된다.

접착성 마멸은 슬라이딩 면에서 금속간 슬라이딩 접촉 방지로 최대로 감소시킬 수 있고 윤활막이나 적절한 코팅, 테프론(Teflon) 주입층 같은 침전물로도 가능하다. 3장의 기어 사고 분석시 접착성 마멸이 좀더 논의된다.

5.3 腐蝕成 磨滅 (Corrosive Wear)

부식성 마멸은 보통 윤활 요소에서 생기는데, 빈번한 기동과 정지하는 가스-엔진 부품 마멸의 주 근원은 오일내 물에 의한 부식이다. 회전 기기에서 윤활유의 관리는 주로 오일내 물의 제거와 이와 관련한 부식성 마멸이다. 이와 같은 주제는 3장에서 더 자세히 논하겠다.

5.4 腐蝕의 影響 (Effects of Corrosion)

노련한 사고 분석가는 부식이 기계 요소 사고 조사를 복잡하게 하는 것을 안다. 부식은 원래 표면 상태를 변화시키거나 재료가 국부 손상을 일으키는 재료 표면에서의 화학적 또는 전기 화학적 반응이다.

물에서 재료가 부식하는 경우 산화와 병행하여 일어나는 환원과정이 있다. 그림 2-14는 일반적인 부식 형태를 보인다. 구멍이나 바늘 형상은 "피팅 부식"이라 부른다.

만약 부식 저항 재료가 기술적이나 경제적으로 타당성이 입증되면 그 재료를 선택해야 하나 그렇지 않으면 부식 방지는 아래와 같이 해결될 수 있다.

⑴ 표면의 코팅

⑵ 표면층 형성

⑶ 유체에 부식 예방 첨가제 투입

⑷ 양극(Anodic) 또는 음극(Cathodic)의 분극

 

위에서 봄 길이 방향 단면

 

재료 표면의 균일한 제거

재료 표면의 불규칙한 제거

균일한 국부 부식

불규칙한 국부 부식

큰 구멍(기공)

중간 크기 구멍

바늘 모양 부식

균열

 

그림 2-14 전형적인 부식 형태

 

모든 재료는 화학적 또는 전기 화학적 반응에 대해서 저항을 갖는다. 서두에서 사고 예방 전략으로 손상 저항의 증가에 대해 이미 언급하였는데, 이러한 전략은 상당히 효과적이다. 따라서, 설치를 위한 다양한 재료가 평가되었고, 고장 원인을 해결하려고 하면 그림 2-15와 같이 발표된 여러 가지 표중 하나를 찾아보면 된다.

그림 2-15 펌프의 재료 구성 목록 예

5.5 프레팅 腐蝕 (Fretting Corrosion)

프레팅 마멸이나 부식은 실제로 심각한 고장 형태이며 프레팅 부식은 "마찰 산화(Friction Oxidation)", "블리딩(Bleeding)", "붉은 진흙(Red Mud)", "핏(Pit) 부식"이라 불리며 미세 진동 변위가 있는 재료 접촉부에서 일어나는 가속된 표면 손상으로 정의되는데, 모든 종류의 압입, 스플라인 접속, 베어링, 리벳팅 또는 볼팅된 조인트 등 여러 곳에서 발견된다.

프레팅 마멸의 주요 영향은 피로 손상에 기여하여 프레팅된 지역의 내부나 모서리에서 피로균열이 시작한다고 파단면 조사로 알 수 있었다. 열화된 Al-Cu-Mg 합금의 피로에 대한 프레팅 영향의 예가 그림 2-16에 나타나 있다. 프레팅 마멸에 관한 상세한 내용은 Waterhouse씨에 의해 전해졌고, 프레팅 마멸에 영향을 주는 인자는 다음과 같다.

⑴ 슬립 : 상대운동이 표면간 슬립을 유발하기에 충분하지 않으면 프레팅이 발생할 수 없다.

⑵ 주파수 : 프레팅 마멸율은 저주파수에서 증가하고 주파수 증가에 따라 일정하다.

⑶ 수직 하중 : 슬립 진폭이 일정하면 작용 하중에 따라 프레팅 마멸은 증가한다.

⑷ 지속 기간 : 프레팅 마멸은 사이클 횟수에 따라 선형으로 증가한다.

⑸ 온도 : 프레팅 마멸은 온도 감소에 따라 일반적으로 증가하는 경향이 있다.

⑹ 대기 : 대기나 산소 중에서 발생한 프레팅 마멸은 불활성 대기에서 일어난 것 보다 심각하다.

⑺ 습도 : 상대습도의 증가는 대부분 금속의 프레팅 마멸을 감소시키는데, 이것은 대기 습도가 접촉 지역의 파편 제거를 촉진하는 유막 역할을 하기 때문이다.

⑻ 면 다듬질 : 일반적으로 매끄러운 마무리는 표면에 더 작은 윤활 포켓(Pocket)을 가지기 때문에 표면이 매끄러울 때 프레팅 마멸은 더욱 심각하다.

⑼ 윤활제 : 프레팅 마멸은 산소의 접근을 막는 윤활제에 의해 약화되고, 윤활제는 프레팅 영역의 파편을 제거하여 마찰 계수를 변화시킨다.

⑽ 경도 : 재료의 경도 증가는 프레팅 마멸을 감소시킨다.

⑾ 마찰 계수 : 슬립 진폭의 감소로 인한 마찰계수의 감소에 따라 프레팅 마멸이 감소한다.

결과적으로 프레팅 부식과 마멸을 예방하기 위해서는 상대변위가 감소해야 하는데, 이에 의한 방법은 맞춤 간극을 줄여야 한다. 예를 들어, 프레팅 부식을 진단하는 고장원인 해결사는 작업중 축 공차를 개선하는 것을 잘 볼 수 있다. 이러한 대책으로 억지 맞춤은 축과 보어(Bore)의 접촉 면적을 증가시켜 결과적으로 마찰력을 증가시킨다.

그림 2-16 열화된 Al-Cu-Mg 합금 피로에 대한 프레팅 영향

 

또 다른 예방책은 마찰계수의 증가인데, 적절한 마찰 요소를 갖는 재료를 접촉 표면에 코팅함으로써 가능하다. 이것은 금속 또는 비금속 코팅으로서, 성공적으로 사용되어온 금속 코팅은 카드뮴, 은, 금, 주석, 납, 구리, 크롬 등이 적용되고, 비금속 코팅에는 인산화(Phosphatizing), 양극 처리(Anodizing), 황화(Sulfudizing)와 같은 화학 처리나 중합체인 MoS2와 같은 재료의 결합이나 접촉면에 테프론(Teflon) 부착 등이 적용된다. 침탄, 질화, 냉간가공과 같은 확산 코팅은 접촉부의 강도를 강화한다.

마지막으로, 분석가는 프레팅 마멸에 영향을 주는 인자를 찾아서, 이 같은 고장 형태의 경제적인 예방을 위하여 손실을 최소화해야 한다.

5.6 케비테이션 腐蝕 (Cavitation Corrosion)

케비테이션 즉 유체내 기공 생성은 유체가 흐를때 지속적으로 나타났다가 기포가 터지는 현상이다. 액체의 정압이 너무 낮아서 특정점에서 액체의 온도와 관련한 증기압(Vapor Pressure)에 이를 때 기포가 발생한다. 정압이 유로의 증기압보다 높아지면 기포는 갑자기 터지고 갑작스런 응축이 일어난다. 이러한 터짐이 유동 액체 안이 아닌 유동 유체를 담고 있는 부품의 벽에서 발생하면 케비테이션은 재료의 침식을 유발시킨다.

최근 케비테이션에 관한 연구에 의하면, 폭죽이 일단 시작되면 기포가 처음에는 역전하고 그후, 기포 내부 쪽으로 향한 유체 마이크로 제트(Microjet)가 형성되어 기포의 반대벽을 관통하는 것을 알았다. 느린 동작의 사진에서 기포는 벽에 접근하여 있고, 액체 마이크로 제트는 항시 벽쪽을 향하고 고속으로 벽에 충격을 줌을 알았다. 이것은 화학작용에 의해 교대로 강렬해지는 재료의 분해를 일으킨다. 즉 마이크로제트는 액체 속의 용존산소를 동반하며, 이것은 수증기 중에서 유리되고 벽 표면의 재료 입자의 경계 사이에서 높은 압력이 걸리게 된다. 이러한 과정은 재료의 벽 부식을 증가시킨다.

케비테이션 부식의 첫 번째 현상은 Pitting이며 진행시 형태는 벌집 모양으로써, Sponge 형상과 구조를 갖는다. 케비테이션으로 제거된 재료의 량은 다음 사항에 의해 결정된다.

① 형상 치수 ② 중량 손실

③ 육성 정비 재료량 즉, 사용된 분자 금속량이나 용접으로 피복된 금속

④ 평균 정비 시간

그림 2-17과 2-18은 케비테이션 상태에서 운전시간이 5년이 넘은 석유화학공장의 냉각탑 펌프의 청동제인 혼류형 펌프 임펠러를 보여주고 있다. 고장원인 해결사는 보통, 설계 변경이나 운전 변경으로 케비테이션 부식의 영향을 줄이려고 한다. 예를 들어, 수직 냉각탑 펌프의 설치시 기존의 침수 조건 변경이 비경제적이기 때문에, 기포의 와해를 유동로 벽에서 중심으로 이동시키는 것은 종종 불가능해진다. 이 같은 현상에서는 재료의 구성 변경이 타당하다.

그림 2-17 케비테이션에 의한 부식으로 청동 주조 혼류형 펌프 임펠러의 손상

공동 현상에 대한 재료 저항은 높은 부식 저항과 함께 높은 피로 강도와 연성을 가져야 하며 재료에 대한 저항 지수는 표 2-7과 같다.

그림 2-18 그림 2-17의 펌프 임펠러 확대 사진

 

표 2-7 케비테이션으로 유발한 펌프 재료의 중량 손실 지수

회주철

1.0

주강

0.8

청동

0.5

캐스트 크롬강

0.2

다중요소 청동

0.1

크롬 니켈강

0.05

 

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