2.1 마멸

Abrasion

 

마멸(Abrasion)은 베어링 표면보다 단단한 많은 고체 입자들에 의한 침식 작용으로 발생되는 베어링 손상 형태로서, 이 경우 베어링과 Shaft는 입자들의 연마 작용에 의해 손상된다.

2.1.1 磨滅 發生 過程 (Mechanisms)

윤활유에 고체 입자가 몇 개정도 포함되어 있는 경우 이 입자들은 베어링 표면에 박히기 때문에 해롭지 않지만, 많은 입자가 포함되어 있으면 간극을 통하여 재순환되면서 마모(Wear)와 손상(Scoring)을 발생시킨다 (그림 3-65). 이러한 입자들은 금속성이거나 비금속성일 수도 있고, 크거나 작을 수도 있으며, 이 입자가 클 때는 부분적으로 Babbitt에 파묻히게 되어 저널 쪽으로 튀어나와 Cutting Tool의 작용을 하게 되어 저널을 손상시킨다.

그림 3-65 12 in 터빈 저널 베어링의 Abrasion

 

때로는 박혀있던 입자가 그 위치에서 빠져 다른 곳으로 이동하면서 베어링 표면에 지나간 흔적이나 톱니바퀴 같은 자국을 남기기도 한다. 이러한 자국은 베어링 간극보다 깊기 때문에 Oil이 흐르는 통로가 되며, 또 박힌 큰 입자는 Oil의 흐름을 방해하여 Oil 흐름의 뒷부분에 Oil이 부족한 부분(Starved Pocket)을 형성하게 된다. 이러한 배유 작용이나 Starved Pocket 때문에 베어링에 Hot Spot가 생기게 된다. 베어링 조직내에 이물질이 관통하게 되면 Babbitt는 열적 항복점(Thermal Yield Point)을 넘어서게 되고, 강한 국부열에 의해 발생되는 재결정이 생기게 된다. 유막내로 끌려들어올 수 없는 큰 이물질 입자는 Oil Groove에 부딪히면서 간극 내로 들어올 수 있는 많은 작은 입자를 만들어 낸다.

2.1.2 汚染 物質 (Contaminants)

여러 가지 형태의 미립자들이 윤활 계통으로 유입되는데 이들 입자의 가장 중요한 특성은 크기와 경도, 모양이며, 그 외 중요한 특성으로는 압축강도 및 취성을 들 수 있다. 단단하지만 취성이 강한 물질은 더 연한 물질보다 해로울 수도 있다. 보통 직경이 10 ㎛(0.4 mils) 이하인 입자는 대형 발전소 회전기계의 베어링에 홈을 만들 수 없다고 여겨지고 있다.

윤활 계통에서 발견되는 일반적인 미립자와 그 특성은 다음과 같다.

• 석영 또는 모래 : 모래는 크롬은 물론 가장 단단한 탄소강을 긁어낼 정도로 단단하다.

• Grit Blasting 물질 : Grit가 간극 내로 들어가면 손상이 발생될 뿐만 아니라 베어링 Shell 뒤쪽으로 들어가게 되면 베어링에 High Spot가 생기게 되며, 이것은 특히 얇은 Shell 베어링에 해롭다.

• 금속 Chip : 이것은 보통 금속 가공후의 찌꺼기들이다. 이것은 연하기 때문에 단단한 Shaft를 긁어내지는 못하지만, 이것들은 종종 바람직하지 못하게 성상이 변한다. 물이 있는 경우 이것은 적철광(Fe2O3)으로 변하여 매우 단단한 연마제가 된다.

• Weld Spatter : 이것은 건설기간 중에 생기며, 달걀 모양의 형상을 하고 있다.

• Fly Ash : 이들은 연소 또는 미연소된 비교적 작은 석탄 입자이며, 직경이 약 25 ㎛에서 1.0 ㎛이하인 것들도 있다.

• Silicon Carbide : 이들은 많은 날카로운 모서리들을 가진 약 25 ㎛ 크기의 인조 연마제이다.

• Cast Iron Chip : 이들은 베어링 하우징에서 생기며, 때로는 주철로 되어 있다.

 

현미경으로 본 전형적인 Oil내의 이물질들이 그림 3-66에 나타나 있다.

 

그림 3-66 현미경으로 본 여러 가지 이물질들의 형상 (a) 보통 모래, 20배

(b) 탄화 규소 Grinding 화합물, 70배 (c) Garnet Spark Plug Abrasive Cleaner, 40배

(d) Steel Grit-blasting Material, 10배 (e) Grinder에서 생긴 Steel Grinding Chip, 20배

(f) 엔진 Blast Cleaning용 낱알로 된 호도껍질, 10배

 

2.1.3 浸蝕이 發生된 베어링의 模樣 (Appearance in Abraded Bearings)

마멸(Abrasion)의 외관상 주된 특징은 베어링의 수하부에 평행한 자취(Track)들이 원주방향으로 나 있다는 것이다. 이물질이 작은 입자라면 축과 베어링사이의 간극 내를 움직이기 때문에 간헐적인 긁힌 자국이 생긴다. 종종 Pit는 매끄러운 바닥을 가지고 있지만, 보통 이들은 전식(Electrical Pitting)처럼 녹은 흔적은 없다. 때로는 똑같은 형상의 여러 개의 Pit가 베어링의 일부 원주 방향에 일정한 간격으로 생긴 것을 볼 수 있는데, 이것은 틀림없는 이물질에 의한 Pitting의 증거이다. 당연히 Scoring이 가장 많이 생기는 위치는 최소유막, hmin(그림 3-67) 부근이다. 그림 3-68에 나타난 것과 같이 저속이나 기동 중에 생기는 Scoring은 고속운전 중에 생기는 Scoring보다 좀더 불규칙적인 양상을 나타낸다. 주석 Babbitt를 15배로 확대한 그림 3-69에서와 같이 입자가 파묻히면 물론 패인 자국이 끝나게 된다.

그림 3-67 저널 베어링의 각종 용어(Nomenclature)

그림 3-68 틸팅 패드 스러스트 베어링의 Abrasion

그림 3-69 입자가 파묻힌 곳에서 자국이 끝난 3.0 in 직경의
주석 Babbitt 베어링의 Scoring

 

Abrasion의 일반적인 특징은 긁힘(Scratch)과 자취(Track)이지만, 그러한 손상 외에도 다음 두 가지 특징을 나타낸다.

• 입자가 작을 때는 패어진 자국이 있기는 하지만, 광택이 나지 않는 다듬질(Dull Matte Finish)이 되어 있어, 회색의 Babbitt에서보다는 탄소강인 Shaft에서 감지해내기가 더 쉬울 것이다. 각각의 Groove는 눈으로는 보이지 않지만 손으로 만져보면 표면이 거친 것을 알 수 있을 것이다.

• 입자가 너무 크고 단단한 경우에는 “Halos”가 형성될 것이다. 입자는 Babbitt면을 고리모양으로 부풀게 하고 이 부위가 Shaft와 닿아 광택이 나는 Halos가 만들어진다.

Scratch와 Grooving은 표면을 타고 지나가는 입자에 의해 발생되며, 입자가 표면 아래로 파묻히게 될 때 고랑(Plowing)이 패어진다. Grooving이나 Plowing은 패어진 자국의 양쪽 가장자리를 부풀게 만들어, 문질러 벗겨진 표면의 거칠기는 기계 가공된 표면의 거칠기 보다 거칠다. Grooving되는 동안에 Babbitt는 소성 변형되고, 부풀려진 가장자리는 저널에 닿아 편평한 광택이 나는 모양이 된다. Groove의 솟아오른 부분과 함께 이것은 그림 3-70에 나타난 것과 같은 형태로 Canyon을 만든다. 이 그림에서 수직방향은 수평방향보다 10배 확대되었다. Track의 양쪽에서 오른쪽의 꼭대기 부분은 편평하고, 왼쪽은 저널 쪽으로 날카로운 돌출부가 있는 것을 선명하게 볼 수 있다.

파묻힌 부분의 형상은 입자가 단단한 것이든 연한 것이든 대부분 나타난다. 만일 입자가 단단한 것에 의해 생긴 것이라면 파여진 부분은 입자크기와 일치할 것이며, 입자가 연한 것이라면 넓고 얕은 자국만 생기고 입자는 없는 경우가 많다.

그림 3-70 양쪽 가장자리의 생성 모양을 보여주는 Babbitt 표면의 Scratch. 수평 200배, 수직 2000배

 

2.1.4 저널의 模樣 (Appearance of the Journal)

저널이 손상을 입는 경우는 보통 크고 단단한 입자에 의한 경우이거나, 연한 입자가 파묻혀 단단하게 경화된 경우이다. 매우 작은 입자에 의한 Abrasion은 베어링보다 저널에서 더 쉽게 알 수 있다.

2.1.5 異物質의 模樣 (Appearance of Contaminants)

이것은 성질상의 방법(Qualitative Way)으로 다음과 같이 말할 수 있다.

• 금속 Chip은 비교적 크며, 모양이 사각형이거나 꼬불꼬불하다.

• Weld spatter 입자는 크고, 달걀 모양이며 모양이 날카롭지 않고 무디다.

• Fly ash 입자는 작고 모양이 구형이다.

2.1.6 Abrasion의 可能 原因 (Possible Causes of Abrasion)

다음은 직접 혹은 간접적으로 Abrasion을 발생시키는 운전 상황이다.

• 오염된 윤활유

• 오염된 주변 대기환경

• 부적절한 Seal

• 공장 내에서 발생되는 Fly Ash, 석탄 먼지, 그 외의 오염 물질

• 너무 얇은 최소 유막 두께

• 거친 저널이나 회전체 표면

(1) 오염된 윤활유

전기설비에서 사용되는 Oil 저장 탱크는 크기가 크고, 터빈 발전기의 위치보다 밑에 설치되어 모든 종류의 먼지와 부스러기들이 모이는 환경에 위치해 있다. 또한 발전소 건설시에 생긴 Chip이나 Weld Spatter 등 모든 종류의 파편들이 모이게 된다. 터빈 오일의 상태를 고체 오염 물질의 양과 크기로 도식화하여 아주 깨끗한 것에서부터 아주 더러운 것까지 그림 3-71에 나타냈다.

그림 3-71 전기설비에서 사용되는 터빈 오일의 대표적인 오염 수준

 

손상은 보통 정상운전중이나 Turning Gear 운전중에 최소 유막 두께보다 큰 단단한 입자에 의해 발생된다. 이제까지 조사된 대부분의 경우, 이들 이물질은 외부에서 들어온 Weld Bead, Machining Chip, 또는 상당한 경도를 가진 그 외의 입자들인 것으로 밝혀졌다. Coastdown될 때 정격속도보다 약간 아래의 속도에서 Babbitt Metal 온도가 Spike 현상을 보이면, 저널이 손상(Scored)되었다는 경고표시라고 알려져 있다. 그 이외의 것들은 베어링을 분해 점검해보아야만 손상이 발견된다.

(2) 오염된 주변 대기환경

오염 물질의 또 하나 출처는 발전소의 주변 대기환경이다. Fly Ash, 먼지가 섞인 공기, 사막 주변, 채석장 부근, 또는 그 밖의 산업 오염 물질들은 윤활유 계통과 직접 베어링 하우징으로 유입되는 통로를 찾아내어 끊임없이 공급되고 있으며, Cooler의 Leak나 공기의 응축으로 발생되는 물도 또한 오염 물질이 될 수 있다.

(3) 부적절한 Seal

주변환경이나 국부적으로 발생되는 오염 물질들이 베어링으로 유입되려면 Seal을 통과해야 한다. 따라서 베어링 배유 계통의 부적절한 Sealing은 종종 외부 오염 물질에 의해 생기는 손상의 원인이 된다. 그러므로 가혹한 대기환경에서 운전할 때는 적절한 Sealing이 특히 중요하게 된다.

(4) 공장 내에서 생기는 오염 물질

때로는 설비자체에서 지속적으로 외부 이물질 입자들이 발생되기도 한다. 이들은 기계 부품(Gear Coupling 또는 그 베어링 자체)의 연속적인 마모로 인해 생길 수도 있다. 또한 이들은 기계 고온부에서의 코우크스화와 화학작용에 의해서 생성될 수도 있다. 따라서 Seal과 Baffle 가까이에서 탄소질의 퇴적물들이 발생되면, 베어링과 Runner를 Scoring하고 Cutting하여 심한 손상을 입힐 수 있는 크고 단단한 입자들이 계속해서 유입될 것이다.

(5) 최소 유막 두께가 너무 작을 때

오염 물질의 존재가 근본 원인이지만, 너무 작은 유막 두께 hmin으로 운전되는 베어링은 유막이 더 클 경우에는 발생되지 않을 Abrasion이 발생된다. 주어진 베어링의 기하학적 형상에서 유막이 너무 작아지는 원인은 너무 큰 부하, 너무 낮은 점도, Misalignment, 과도한 축의 휨, 진동 등이다. 부적절한 유막 두께는 또한 Turning-gear 운전이나 기동․정지시 너무 낮은 rpm으로 운전될 때 생길 수도 있다.

(6) 저널 또는 Runner의 표면이 거칠 때

베어링 Abrasion의 일반적인 원인은 거친 표면의 저널, 또는 Runner에 새로운 베어링을 설치할 경우이다. 이러한 거칠음(Roughness)은 기계가공이 불량한 경우도 있지만, 대개의 경우 이전에 일어났던 Abrasion의 결과이다. 침식이 발생된 저널 표면에 설치된 새 베어링은 금방 침식이 발생될 것이다.

 

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