2.4 피로

Fatigue

 

피로 손상은 주어진 온도에서 응력 수준이 그 재질의 Threshold Limit 특성을 넘었을 때, 과도한 주기의 응력에 의해 금속에 Crack이 생기고 부서지는 현상이다.

2.4.1 疲勞 損傷 發生 過程 (Mechanisms)

베어링에서 힘을 발생시키거나 응력 방향을 역전시키거나 혹은 Thermal Cycling을 발생시키는 힘은 피로를 유발한다. 그러나 손상이 시작되려면 이러한 힘의 강도가 어떤 한계치(Threshold)를 초과해야만 한다. 기계적 또는 열적 응력이 크면 클수록 손상은 더 빨리 발생된다. 피로 손상의 초기 단계에서는 격리되어 있는 Crack의 형태가 나타난다. 피로손상이 좀더 진행된 단계에서는 Crack이 접착면 부근까지 진행되어 접착면에 평행한 방향으로 진전되면서 결국 작은 Babbitt 조각을 들어내게 된다. 이러한 과정은 결국 고압의 유막 부위에서 Oil을 Drain시키는 결과가 되어 베어링이 과열되고 고착된다. 부하가 가해지는 비율(Rate)도 이러한 과정에 크게 영향을 미치므로, 큰 부하에 견딜 수 있는 베어링 합금이라도 동일한 부하가 급작스럽게 가해지면 종종 손상이 발생된다.

그림 3-82는 주로 베어링의 Edge 부분에 하중이 걸려 Edge 부분에 생긴 피로손상을 보여주고 있다. 그림 3-82(b)는 거의 접합 부분까지 침투된 심각한 Crack 형태를 확대한 모습이며, 피로 Crack을 옆에서 본 모습인 그림 3-82(c)는 베어링 표면 위로 들어올려지고 있는 탈락된 Babbitt 덩어리를 보여주고 있다.

얇은 두께의 슬리브 베어링에서 자주 발생되는 피로 손상은 베어링의 한 부분이 축으로부터 멀어지도록 힘을 받았다가 다시 원래 위치로 돌아가기를 반복할 때 생기는 굽힘 현상(Flexure)이 그 원인이다. 이러한 굽힘 운동은 베어링 Shell과 하우징의 접촉상태가 불량할 때 특히 위험하다. 또한 베어링이 하우징과 밀접하게 접촉되어 있지 않으면 열의 방산이 잘 안되어 비교적 고온에서 굽힘 현상이 일어나는 결과가 된다. 피로 손상은 항상 이렇게 접촉이 불량한 부위의 근방에서 시작된다.

그림 3-82 4-7/8×1-7/8 in(12×4.76 ㎝) 증기터빈 베어링에서 Edge Loading에 의해 발생된 피로 (a)상부에서 본 그림 (b)Lower Edge의 확대 (c)옆에서 본 그림

 

2.4.2 疲勞 破損 因子 (Factors in Fatigue Failure)

피로 손상을 일으킬 수 있는 몇 가지 Parameter는 다음과 같다.

• 부하와 속도

피로 손상이 발생될 확률은 최대응력과 최소응력의 차이가 커지고, 응력 사이클의 주파수가 증가할수록 더 많아진다.

• 온도

표면 온도가 증가하면 Babbitt의 물리적 특성이 나빠지게 되어 피로 손상이 증가된다.

• 경도와 두께

피로 손상은 경도에 반비례하고, Babbitt의 두께에는 비례하여 발생한다.

• 중복되어 작용하는 인장응력

베어링에 작용하는 주응력은 압축응력이지만, 베어링의 피로 균열은 맥동 압축응력이 발생될 때 인장응력의 중첩에 의해 가속화된다. 합금 Grain에서의 열적 팽창의 이방성(Anisotropy)에 의해 생기는 응력은 물론, 열팽창이 다른 Back Material에 베어링 합금을 주조하여 생기는 인장 응력도 크게 영향을 미친다.

• 반복적인 열.

반복되는 가열과 냉각시에 생기는 열응력은 베어링 합금에 균열을 발생시킨다. 비교적 적은 열적 사이클 후에는 접합면 근처의 Babbitt에 균열이 미세하게 형성되고, 열적 사이클 수가 증가함에 따라 더 뚜렷해진다. 이러한 형태의 균열은 베어링 합금과 Back Metal간의 열팽창계수의 상대값, 베어링의 운전온도, 베어링의 가열, 냉각의 주파수 등에 좌우된다.

 

현장의 자료 이외에도, 베어링의 피로 손상과 관계가 있는 부하 Mode, 굽힘응력, 기하학적인 형상 등에 관한 많은 특수 연구 자료들이 있다. 연구 결과에 의하면 베어링에 가해지는 부하에는 세 가지 종류가 있으며(그림 3-83), 사이클 수와 네 가지 부하 Mode의 항으로 나타낸 결과가 그림 3-84에 표시되어 있다. 그림 3-84에서 보는 바와 같이, 회전 부하는 고정적인 역방향 부하가 작용하기 때문에 가장 해로운 부하 Mode이다. 이러한 부하 Mode는 베어링에 압축력 및 인장력을 교번적으로 가해 베어링에 정방향 및 역방향의 응력을 번갈아 생기게 하기 때문에 바람직하지 못하다. 동일 조사자에 의해 실시된 일련의 피로 Test에 의하면 초기 단계에서는 축방향의 균열이 형성되기 시작하고, Babbitt 조각을 탈락시키는 바둑판 모양으로 진전된다. 이론적 연구에 의하면 이 축방향 균열은 접선방향 응력에 의해 생긴다. 피로 균열의 특징은 부하가 일방향성(교번 방향 포함)인가 회전 방향인가에 따라 크게 달라진다는 것이다. 일방향성 부하는 표면에 정상적인 방향으로 균열을 발생시키고, 회전 부하는 약 60°의 방향으로 균열을 발생시킨다. 또한 일방향 부하를 받을 때보다 회전 부하를 받을 때 피로 수명은 더 짧아진다.

그림 3-83 Fatigue Test시의 부하 Mode (a)(b) 일방향성 (c) 교번성 (d) 회전성

 

그림 3-84 네 가지 부하 Mode에 대한 손상 Diagram

또한 피로손상은 보통 안전하다고 생각되는 부위 즉, 부하를 받지 않는 틸팅 패드 베어링의 상부 패드와 같은 곳에서도 발생된다. 그러한 패드에는(만일 Preload가 없다면), 보통 패드가 반경방향으로 움직이기에 충분한 Pivot내의 반경방향 움직임이 존재하기 때문에, 패드의 가장자리가 반복적인 부하를 받게 된다. 그 결과 그림 3-85와 같이 상부 패드에 피로 손상이 발생될 수 있다. 이러한 손상의 Mechanism은 다음과 같다. Pivot의 반경방향 움직임이 중심 간극 보다 크게 되면 차동기(Subsynchronous) 자려 패드 진동이 발생된다. 이 진동의 기본 주파수는 1/2× 보다도 적다. 이 자려운동은 각 순간마다 힘과 모멘트를 Zero로 만들기 위해, 매 순간마다 순간적으로 압력분배를 하고 있는 패드가 안정된 정적 평형 위치를 형성하지 못하기 때문에 생겨난다.

그림 3-85 정적으로 부하를 받지 않는 상태에 있는 대형 저널 베어링의 틸팅 패드가 자려 진동에 의해 손상된 예

 

2.4.3 疲勞 損傷의 確認 (Visually Identifying Fatigue)

피로가 발생되는데 필요한 반복적인 부하는 회전기계에서 일반적인 운전상태는 아니지만, 불평형 부하가 존재하든가, Babbitt의 강도가 특히 낮으면 이러한 손상이 발생된다. 피로 손상은 보통 압력이 최대인 Point의 표면에서 시작되고, 부하 Mode에 따라 표면과 약 45~90°의 각을 이루면서 Babbitt로 진전되는 미세 표면 균열이 최초로 발견된다. 현미경으로 관찰하면 피로 균열은 도로에 자갈을 깐 형태로 베어링 표면에 나타나고, 그림 3-86에서와 같이 균열이 점점 커지거나 개방된 형태로 나타난다. Babbitt가 Back Metal에 접합된 베어링의 경우, 균열은 표면에서 접합면까지 진전되고, 그림 3-87, 3-88에서와 같이 접합면 바로 위에서 방향을 바꾸어 평행한 방향으로 진전된다. 응력이 계속 작용하면 Crack은 수평으로 진행되며, 베어링 합금의 큰 덩어리가 헐거워져 떨어져 나올 때까지 넓은 부위를 손상시켜, 부하를 지지하고 있는 부분을 감소시키게 된다. 헐거워진 Babbitt 입자는 결국에는 베어링 간극 공간으로 들어가 또다른 손상을 야기한다.

그림 3-86 피로손상의 초기 징후 - 미세 표면 Crack

 

그림 3-87 표면에서 Babbitt 접합면까지 진행된 Fatigue Crack

 

그림 3-88 Babbitt 접합면 위를 따라 진행되기 시작하는 Fatigue Crack

 

서로 다른 두께층의 경우를 시험해 본 결과, 다른 매개변수가 변화하지 않는다면 헐거워지는 Babbitt 조각의 크기는 Babbitt가 두꺼울수록 커지는 것을 알 수 있었다. 피로 손상에 의한 Metal의 감손(Loss)은 유막을 붕괴시키는 부가적인 영향을 가져오며, 압력 Zone에서의 윤활유의 감소는 종종 극심한 손상을 야기한다.

사진과 손상된 베어링의 모양을 서로 비교하여, 검사자들은 부하의 집중에 의해 발생된 피로 손상의 원인을 추적해낼 수 있으며, 비교적 적은 부하를 받는 베어링에서 불균형 부하(Unbalanced Load)가 존재하면 부하를 받지 않는 상부 베어링에서 피로 손상이 발생될 수도 있으며, 부하 Zone에서는 Groove 부위에서 압력이 최대로 올라가(주어진 부하에서) 피로 손상이 발생되는 경향이 있다는 것을 감지해 낼 수 있다.

피로는 또한 Thermal Cycling에 의해서, 특히 결정이 균일하지 못한 Tin-based Babbitt에서 발생된다. 이러한 틈은 보통 베어링의 중심부분이 아닌 가장자리의 표면으로 확산되어 나갈 수 있다.

2.4.4 疲勞 損傷의 可能 原因 (Possible Causes of Fatigue)

요약하면, 피로 손상은 다양한 운전 조건과 베어링 구조의 결함에 의해 발생된다. 가장 빈번한 원인은 다음과 같다.

• 높은 응력 집중

전기설비 베어링은 보통 큰 부하를 받지는 않지만, 피로 균열을 일으킬 정도로 충분히 큰 응력 집중을 받는 국부적인 부분이 생길 수 있다. 물론 높은 응력이 집중되는 경우는 다음에 설명한 Cycling Loading이 수반되는 경우에만 피로 손상이 발생된다.

• Cycling Loading

다음 조건들은 Cycling Loading을 발생시킨다.

동기의 회전 부하를 발생시키는 축의 Unbalance; 불안정성(Oil Whip 등); 고주파수 부하(기어 등으로부터의)를 외부로부터 받는 경우; 비원형의 저널.

• 베어링 Shell의 변형

베어링 Shell이 너무 얇거나, 하우징과 베어링 안착면이 헐겁거나, 상하부 베어링의 부적절한 조임으로 인한 접합면의 Pinching이 존재하는 경우에는 베어링 Shell이 변형되어 피로 손상이 일어나게 할 수 있다.

• Babbitt와 Shell 접합면의 접착불량

접착 상태의 결함은 피로 손상을 가속화시키며, 종종 피로 손상을 유발시킨다. 접착불량으로 인해 손상이 발생된 경우에는 Base Metal이 드러나게 된다.

• 부하를 받지 않는 Tilting-pad 베어링

Preload가 없는 Tilting-pad 베어링에서 부하를 받지 않는 Shoes는 반경방향으로 움직이기 쉬우므로, 평형 위치를 찾아 피로손상을 일으키는 진동 Mode로 움직이는 경향이 있다.

• 새로운 Design으로 교체된 베어링

다른 방식으로 설계된 베어링으로 교체할 경우 종종 응력 집중이 발생하거나, 이전의 베어링에 맞도록 마모된 저널과 잘 맞지 않는 베어링으로 교체했을 때 생기는 기타 문제점들이 발생된다.

• Thermal Cycling

주기적으로 최대 최소값으로 변하는 Babbitt의 높은 온도는 베어링의 피로 손상을 야기할 수 있다.

 

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