2.3 전기에 의한 피팅

Electrical Pitting

 

Electrical Pitting은 베어링 유막을 뚫고 베어링 표면에 전압이 방전되어 생기는 간헐적인 전기 아크에 의해 베어링(때로는 Runner에도 생김)에 발생되는 손상 형태이다. 전위의 축적 원인은 발전기에 의해 장기적으로 발생될 수도 있고, 전하가 충전된 윤활유에 의한 영향과 같이 일시적인 경우도 있다.

2.3.1 Pitting의 發生 過程 (Mechanism)

Electrical Pitting에 의한 손상은 축전류가 베어링과 Runner 사이를 간헐적으로 통과할 때 발생된다. 아크가 발생하는데는 높은 전압이 필요 없으며, 손상은 1 Volt 이하의 전위차로도 충분히 발생한다. 아크가 발생되면 아크 열로 용해된 금속부분이 제거되고, 기계적인 마모가 시작된다. 이러한 현상들은 거친 표면이 형성되면서 더욱 가속화된다. 부가적인 손상은 이때 생성되는 부스러기들로 인한 Oil과 윤활 계통의 오염이다. 손상은 기동후 즉시 생기거나 몇 달이 지나서야 명백해지기도 한다.

전류가 연속적으로 흐르는 것은 결코 해로운 것이 아니라는 사실을 깨닫는 것이 중요하다. 손상이 야기되려면 축적된 전위가 간헐적으로 방전되어 Spark가 생겨야 한다. 따라서 유막 두께가 아주 얇아, Runner와 베어링 사이의 울퉁불퉁한 부분이 거의 접촉되는 경우에는 전위가 연속적으로 흐르기 때문에 손상이 발생되지 않는다. 또한 유막 두께가 매우 커서, 방전이 일어나기에는 유막에서의 저항이 너무 클 경우에도 아크가 발생되지 않는다. 이 두 가지 극단적인 경우 사이에서 그림 3-77에서 보여지는 것과 같이 최대로 손상이 발생되는 Point가 있을 것이다. 전압 E와 유막 두께 h를 특수한 방법으로 조합하여 최대 마모점이 만들어지도록 하고, Wear Rate 즉, Wear=(E, h)에 대한 전압과 유막 두께의 영향을 3차원 좌표로 그려보면 그림 3-78과 같이 산 모양으로 나타날 것이다. 그림 3-78에서 E가 일정한 곡선인 ABD를 살펴보면, D점 근방에서는 유막 두께 h가 작아 손상이 발생되지 않으며, B점에 해당되는 유막 두께 h에서 최대의 Wear가 발생되며, 유막 두께가 점점 증가되어 A점에 해당하는 유막 두께 h로 되면 Wear는 다시 Zero로 감소될 것이다.

그림 3-77 전압이 다를 때의 Wear Rate 대 유막 두께

그림 3-78 Electrical Pitting에 의한 Wear Rate에서의 유막 두께와 전압의 영향

 

2.3.2 損傷의 程度 (Levels of Damage)

전기적 아크의 영향에는 네 가지가 있는데, 대부분의 손상 형태는 Pitting과 Wear이다. 전기적 아크가 발생되면 Babbitt 표면층이 과열되어 금속입자들이 Oil속에 섞여 연마 작용이 시작된다.

종종 두 가지가 다 영향을 받기도 하지만, 일반적으로 Babbitt보다는 저널 표면에서 Pitting에 의한 손상이 덜 심각하게 발생되는데, 저널 재질은 Babbitt보다 용융온도가 높고, 면적도 넓은 것을 고려하면 당연한 현상이다. 보다 심각한 영향은 생성된 부스러기에 의해 표면이 거칠어져 기계적인 마모가 크게 증가하는 것이다.

2.3.3 電氣的 Pitting의 確認 (Visually Identifying Electrical Pitting)

Electrical Pitting에 의해 발생되는 손상의 초기단계에서는 유막의 두께가 최소인 부분에 작은 Pit들이 생겨나며, 베어링 표면이 하얗게 변한다. 이 Pit들은 분화구 형상을 가지는 것이 특징이다. 전류가 Pedestal을 통하여 흐르기 때문에 베어링 Shell의 뒷면에도 또한 Pit가 생길 것이다. 윤활유의 순환이 제한되어 있기 때문에 전기적인 손상이 발생되면 베어링 온도가 서서히 상승되는 것처럼 나타나고, Oil의 색깔이 거무스름해진다. Oil이 변화되면 온도는 다시 상승하기 전까지 잠시동안 정상상태로 돌아간다. 전기 방전이 발생될 때마다 수많은 미세한 Babbitt 입자들이 방출되며, Oil이 탄화된다. 이러한 두 가지 반응은 유막의 저항을 더욱더 작게 만들며, 더 높은 전류의 통과가 가능해져 손상은 더욱 가속화된다. 이러한 과정이 진행됨에 따라 Pit들이 서로 겹쳐지게 되어 손상 원인의 흔적들이 덮여버리게 된다. 만일 표면이 하얗게 변색되어 있는 부위가 있으면, 이 변색된 부분의 주변을 자세히 검사하여 따로 떨어져 있는 분화구 형상의 Pit가 있는지 여부를 확인하면 Electrical Pitting의 발생 여부를 알아낼 수 있을 것이다. 또한 변색된 부분에 빛을 잘 비추어보면, 매끈하게 용융된 독특한 바닥면에서 빛이 반사되기 때문에 Electrical Pit를 쉽게 감지할 수 있다. 전기 아크가 발생되는 부분의 Oil에서는 높은 온도가 생성되어 Cycling되기 때문에, 적정 유막의 형성도 Cycling 현상을 일으킬 수 있다. 베어링 표면이 손상되어 유막 형성이 부적절해지면 베어링은 Wiping되고, Wiping이 발생되면 Pit가 없어져 버리기 때문에 베어링에서의 유막은 다시 회복되고, 운전을 계속하다가 다시 Pitting이 시작된다. 이러한 과정은 Babbitt가 거의 없어져 고장이 발생될 때까지 몇 번이고 발생된다. 이러한 경우에도 Electric Pitting임을 증명해 주는 베어링 Shell이나 다른 베어링 인접부분에 남겨진 Pit에 의해 원인을 정확하게 규명하는 것이 가능하다. 일반적으로 발생되기는 어렵지만, 저널에서의 Pit는 보통 크기가 작고, 베어링의 경우와는 그 성격이 다르다. 그림 3-79에 Lead Babbitt 베어링과 그 저널에서의 Electrical Pitting에 의한 손상 형태를 나타내고 있다.

Pit의 크기와 손상된 부분의 크기로 표현되는 Electrical Pitting의 가혹정도는 전압, 전류, 유막 두께, 회로 저항, 그리고 몇 가지 다른 인자에 의해 결정된다. 이들 인자에 따라 Pit의 크기는 다양하지만 그림 3-80에서와 같이 모든 Pit들은 대개 금속이 용융될 때 나타나는 형상인 매끄럽고 빛나는 반구 형상의 침하부를 가지고 있다. 미세한 용융 금속의 융기 부분은 저널의 운동에 의해 닳아 없어져 버리지 않는 한 보통 베어링 표면의 Pit 주변에서 발견된다. 전압과 전류가 클수록 손상 정도가 커지며, - 극성일 때보다는 + 극성일 때 Pit의 크기가 커진다.

그림 3-79 Lead Babbitt 베어링과 그 저널에서의 Electrical Pitting

(a) Lead-base Babbitt에서의 Pitting, 15배 (b) 저널에서의 Pitting, 15배

그림 3-80 주석이 주성분인 Babbitt에서 단일 Electrical Pit의 전형적인 모양

 

2.3.4 電氣的 Pitting의 可能 原因 (Possible Causes of Electrical Pitting)

Electrical Pitting은 정전기(Electrostatic)와 전자기(Electromagnetic), 두 가지 형태의 전류에 의해 발생된다. 이 두 가지 전류에 의해 Pitting 손상이 발생되기는 하지만 그 특성과 파괴 능력은 서로 다르다. 정전기적인 축전류(또는 직류)는 이 두 가지 중에서 손상 정도가 가볍다. 이것은 입자들이나 증기터빈 Condensing 영역에서 작은 물방울들과의 충돌에 의해 생기는데, Pitting에 의한 손상은 서서히 진행되며, Ground에의 저항이 가장 낮은 위치에서 항상 발생한다. Thrust 베어링은 특히 정전기적인 축전류에 의해 발생되는 경향이 높다.

전자기적인 축전류(교류)는 정전기 전류보다 훨씬더 강력하고 가혹하다. 이것은 회전 또는 고정 부품의 자화에 의해 발생된다. 이러한 형식의 전류는 항상 전기저항이 가장 낮은 Gap을 Jump하는 것은 아니며, 베어링 손상은 종종 저널, Collar 또는 Runner의 손상을 수반한다.

전자기 전류의 주요 발생원이 그림 3-81에 나타나 있다. 전류의 통로는 점선으로 나타냈으며, 문자Ⅰ로 표시하였다.

그림 3-81 베어링 전류의 주요 발생원 (a) 축에 가해진 전위 (b) 비대칭 효과 (c) 축 자화 효과
(d-1) 정전기 효과-입자의 충돌에 의해 발생된 전위 (d-2) 정전기 효과-전하가 충전된 윤활유에 의해 발생된 전위
(d-3) 정전기 효과-전하가 충전된 Belt에 의해 발생된 전위

 

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