2.8 2차 와이핑 사례

A Case of Secondary Wiping

 

이 단락에서는 발전설비 베어링의 손상에 따르는 진단-교정 순서에 대해서 설명하고, 손상의 명확한 근본 원인을 규명한 다음, 교정 절차에 대해 간단히 설명한다. 보통 Wiping이 가장 일반적인 베어링 손상 형태이기 때문에 베어링에 발생한 Wiping의 한 가지가 특별한 경우의 예를 선택하여 설명한다. 이 예는 그림 3-97과 같이 Overshot Groove가 있는 원형 베어링을 사용하는 어떤 노후 발전소에서 발생되었다. 손상은 순간적이었으며, 베어링 하우징에서 연기가 발생하면서 회전축이 거의 고착(Seizure)되는 것처럼 보였다. 발전소는 즉시 정지되었으며, 검사를 위하여 베어링 하우징을 개방하였다. 진단-교정 순서의 도표를 그림 3-98에 나타낸다.

그림 3-97 Overshot Groove 베어링의 일반적인 설계. 이러한 형식의 베어링은 Preload가 있거나 없는 Two-axial groove 베어링이며, 부하가 걸리지 않는(Top) Pad에는 Pad의 전 원호에 걸쳐 깊은 원주 방향의 Channel이 가공되어 있다.

 

그림 3-98 2차 Wiping 사례에 대한 진단-교정 절차의 예

 

2.8.1 損傷 Mode (Mode of Failure)

베어링 표면에는 다음과 같은 증상이 나타났다.

• 부하를 받는 하부 베어링에는 피로(Distress)의 흔적이 나타나지 않았다.

• Overshot Groove가 있는 상부 베어링에는 Pad의 Downstream 부분으로 Babbitt가 심하게 밀린 것으로 나타났으며, 응결된 베어링 덩어리가 Overshot Groove와 Oil Groove의 Downstream, 작은 양이지만 하부 베어링의 Leading Edge에 침적되어 있었다. 손상된 상부 베어링을 그림 3-99에 나타내었다.

• 상부 베어링을 정면으로 보면 Babbitt가 Wiping되어 어떤 가능한 흔적들을 덮어버렸기 때문에 Crack을 발견할 수 없었지만, 상부 베어링의 Overshot Groove 내의 옆면으로 보면, Babbitt층에 수직으로 발생한 미세한 균열과 접합면에 평행하게 발생된 미세한 균열을 볼 수 있었다. 하부 베어링에는 이러한 균열이 생기지 않았다.

• 이러한 증상으로 보아 손상은 피로가 발생된 상부 베어링에 의해 시작되었고 2차 Wiping에 의해 손상이 발생되었다는 것을 알 수 있다.

그림 3-99 손상된 상부 베어링의 해부도(Topography)

 

2.8.2 Wiping의 根本 原因 (Root Cause of Wiping)

이 사례는 피로(Fatigue)와 Wiping이 둘다 관련되어 있는 복합 손상 Mode이다. Babbitt Fatigue 단독으로는 즉각적인 베어링 손상이 일어나지는 않을 것이다. 마찬가지로, 가혹한 유체역학적 상태는 중대한 손상 요인이기는 하지만, 단독으로는 이러한 정도까지 Wiping 손상을 발생시키지는 않을 것이다. 한가지 타당한 가설은 피로가 발생된 Babbitt의 상태가 유체역학적 상태를 악화시켜, Wiping이 발생되었다는 것이다. 따라서 피로가 1차적인 손상 요인이다.

진단의 다음 단계는 베어링 피로의 근본 원인을 규명하고, 하부가 아닌 상부 베어링에 Wiping 손상을 발생시킨 요소를 결정하는 것이다.

약 12가지의 명백한 작용(Process)이 피로나 Wiping 손상을 야기시킨다. 이 두 가지 손상 Mode(피로나 Wiping)에 공통적인 요소는 Oscillating 부하에 의해 생기는 Rotor의 진동이다.

이 발전소의 내력을 조사해본 결과, 손상을 야기 시키는 두 가지 부정적인 상태와 관련된 몇 가지 사실을 알 수 있었다.

• 이 노후 발전소는 불평형 부하(Unbalance Loading)가 악화되었던 내력을 가지고 있었다.

• 이 발전소는 베어링 Pedestal이 이동되어 Rotor Alignment나 Mismatch와 같은 문제들을 가지고 있었다.

첫 번째 상태는 불평형 부하가 피로 작용을 촉진시킨다는 가설을 뒷받침하기는 하지만, 불평형 부하가 존재한다는 자체만으로는, 부하를 받아 피로가 발생되기 쉬운 하부에 생기지 않고, 상부 베어링에서 발생했는가에 대한 의문을 해명하지는 못한다. Rotor Mismatch를 나타내는 두 번째 상태는 어떤 가능한 해명을 암시한다. 즉,

• 손상된 베어링의 Pedestal이 하향 이동되었다면, 하부 베어링에 부하가 적게 걸리게 되고, 상부 베어링에 미지의 부하(Unknown Load)가 걸리게 된다.

• 불평형 부하는 상하부 베어링 모두에 회전력(Rotating Force)을 가하지만, 정적 부하가 상방향으로 전환되어 상부 베어링이 하부 베어링보다 훨씬 더 가혹하게 부하를 받게된다.

Overshot Groove가 있는 상부 베어링은 하부 베어링보다 훨씬 더 적은 부하용량을 가지고 있다. 부하용량은 (L/D)2에 비례하는데, 여기서 L은 길이이고 D는 직경이다. 이 사례에서 하부 베어링에 대한 상부 베어링의 부하용량 비율은 식 (1)에 주어진다.

Ratio = (L/D)2 ․2 = (1/3)2․2 = 22% - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - (1)

따라서 베어링 설계 부하용량의 22%만 가지고 있는 상부 베어링에 주파수 60 ㎐의 회전 부하가 작용하게 되는 경우가 발생하게 되었다.

손상의 근본 원인은 Overshot Groove가 있는 상부 베어링에 Oscillating 부하와 Steady 부하가 동시에 가해진 때문이라는 것이 분명하다.

2.8.3 矯正 (Remedy)

이러한 형태의 문제를 근본적으로 교정하려면 불평형 부하를 제거하고, Pedestal의 이동을 방지해야 한다. 이것이 가능하다고 해도, 이러한 작업은 발전소 Major 정비가 될 것이다. 그러나 베어링 교정의 견지에서 보면 두 가지 선택을 할 수 있다.

• 표면이 부서지지 않은 하부 베어링이 상부에 위치하도록 베어링을 180° 회전시킨다. 부하의 방향이 또다시 변하지 않는다면, 이것은 훌륭한 방법이 된다.

• 부하의 방향에 관계없이 만족스럽게 운전될 수 있도록 설계를 변경하여 Overshot Groove 전체를 없앤다.

 

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