발전설비정비관리

Ⅰ. 설비관리

 

 1. 발전설비 관리일반

 

  가. 개요

  : 발전설비는 토지, 건축구조물, 증기발생설비, 전기발생설비, 부대 전기설비, 잡설비, 통신설비, 보안설비 및 비품 등을 총칭하는 것으로 설비관리란 이들 설비를 가장 유용하게 활용함으로써 발전회사의 공익성 및 수익성을 최대화하는 활동을 말한다.

  그 활동에는 타당성 조사, 설계, 제작, 건설, 시운전, 상업운전, 폐지에 이르는 plant life time을 전부 포함하며 발전소 설계원의 직무에서 보는 설계 범위는 주로 상업운전 기간 중의 유지보수 활동에 국한된다.

  발전설비의 라이프 사이클은 차산취득과정과 사용 과정으로 구분할 수 있는데 구 과정은 설비의 유용성 면에서 밀접한 관계가 있다. 즉, 발전소 건설시 운전 유지보수의 경험과 사례 등을 잘 반영하여 시공하게 되면 발전소 준공 후 수익성을 최대할 수 있는 반면에 시공이 부실하게 되면, 사용 중 신뢰성과 수익성이 떨어지게 되며 유지보수 비용이 많이 발생하게 된다. 따라서 현대적 설비관리는 현 보유설비의 운용 경험을 발전소 건설시 반영시켜 설비의 안정성과 수익성을 높여가는 종합적 설비관리(total productive maintenance)로의 관리기법이 필요하다.

 

  나. 설비정비(plant maintenance)

  : 설비정비란 설비의 열화 경향을 조사하고 어느 설비의 어느 부분을 수리할 것인가를 예측하고 필요한 자재와 인원을 준비하여 적기에 계획적인 수리를 하는 것을 말한다. 설비운용적인 측면에서 설비의 신뢰성은 매우 중요한데 신뢰성은 어느 설비가 갖고 있는 성능 및 기능의 시간적 안정성을 말한다.

 

  다. 종합보수관리기법(total productive maintenance)

  : '설비보전업무는 보전 부서만의 고유 업무이다'라는 인식을 깨뜨리고 전 종업원이 설비의 보전 업무에 참가, 설비고장의 원척적 봉쇄는 물론 불량 제로, 재해 제로를 추구해 기업의 체질을 변화시키고자 하는 기업혁신 운동이다. TPM의 유래는 1971년 일본 플랜트 메인티넌스협회(JIPM)가 1960년대 미국에서 도입된 PM기법을 발전시킨데서 비롯됐다. 우리나라에서는 한국생산성본부에서 생산 설비의 신뢰성, 보수성 및 조작성 개선을 위한 TPM 관리기법을 추천하고 있다.

 

  라. 설비 신뢰성 관리

  : 모든 설비는 구매시 구매사양서의 규격 및 품질기준에 적합하더라도 사용 조건과 사용 시간에 따라 부품의 강도, 두께 등이 시간적으로 변화하는 경년열화 현상을 일으켜 어느 기준값 이하로 되면 고장을 일으키게 된다.

  고온 고압 등 각기 다른 환경에서 운용되는 장치와 설비가 많은 발전소 운용에 있어서는 가동 기간 중 규정의 성능 및 기능 요구가 필요하기 때문에 기기의 신뢰성을 높이는 일뿐만 아니라 고장이 발생되더라도 고장의 진행에 따른 생산 중단 혹은 생산 중단의 장기화가 발생하지 않도록 초기 발견 및 긴급 조치 능력을 향상시키는 일이 필요하다.

  따라서 발전설비 운용상 신뢰성 관리에 있어서 가장 중요한 사항은 개개 설비 및 부품에 대한 경년열화 특성을 파악하고 운전 중 또는 정지 중 이 특성변화를 측정 분석하여 결함 발생 이전에 보충수리를 해주는 것이다.

 

 2. 설비수명

 

  가. 발전소 수명

  : 발전소의 수명은 일반적으로 설계수명, 경제수명, 회계수명 및 실사용수명으로 구분된다. 단, 늘어나는 전력 수요로 인해 설계수명이 다한 발전소의 연장 운영 등으로 발전설비 수명기간은 다소 유동적이며 수도권 복합의 경우 지역주민의 반대로 설비교체, 수명연장 등이 한계에 다다르고 있다.

 

  1) 설계수명

  : 기기 설계자가 사용자의 사용 조건과 기계요소의 경년변화를 미리 예측하여 신뢰성과 안정성을 유지할 수 있도록 한 기간을 말하며 발전소의 주요기기에 대하여는 사용자가 공급자에게 미리 요구를 하게 된다. 설계수명을 길게 할수록 고급 재료를 사용하던지, 마진율을 크게 하기 때문에 가격이 비싸지고 그와는 반대로 짧게 할수록 가격은 싸지며 신뢰성이 떨어지는 경향이 있다.

 

  2) 경제수명

  : 상업운전 개시년도부터 원가 개념상 경제성이 없다고 판단하는 시점, 즉, 효율이 저하되고 운전 유지비가 증가하여 신규로 건설하여 사용하는 것보다 경제성이 낮을 경우 폐지하는 것이 효과적이라고 판단되는 기간을 말한다.

 

  3) 회계수명

  : 감가상각 수명을 말하고 회계법상 감가상각 등에 의하여 초기 건설비 및 구입가 등 초기 투자비가 회수었을 때까지의 수명을 말한다. 생산원가 및 잔존가애그이 결정기준이 된다.

 

  4) 실사용수명

  : 실사용 수명은 상업운전 개시일부터 폐지일 일시까지의 기간을 말한다.

 

  나. 기기 수명기준

  : 발전소 주기기인 보일러, 터빈 및 발전기, 수백 종의 보조기기로 구성되어 있고 이들 기기 또한 수천 종에 달하는 부품으로 구성되어 있기 때문에 발전소 수명을 30년으로 설계하더라도 모든 부품들이 30년을 사용하는 것은 불가능하다.

  따라서 설계수명은 기기의 구성요소 별로 다르게 적용되어 설계수명이 적용되는 부분(critical components)과 수명기간 이내에 교체 보수가 요구되는 소모성 부품(replace components)로 구분할 수 있다.

  대부분의 소모성 부품은 운전시간 또는 기동 회수에 따라 교체 주기를 가지고 있으며 운전 중 돌발교체 및 계획교체를 위한 비상대비용 예비품을 확보를 요한다.

 

  1) 블록 정비(block maintenance)

  : 발전소 계통운전에 직접적인 영향을 미치는 중요기기 중 정비 빈도가 높고 고장 시 정비에 장시간 고요되는 기기에 정비시간 단축 및 정비 품질 향상을 위하여 설계수명 적용 부분이라도 단위기기(block 또는 set)로 예비품을 확보하여 고장시 단위기기로 교체하는 장비를 말하여 일반 정비와 비교하여 장점이 많다.

 

  2) 블록 정비 적용대상 기기

 

  가) 부품의 수리나 교체를 위하여 많은 부품의 분해조립을 요하는 기기

 

  나) 주 공정에 해당되어 정비기간 단축을 요하는 기기

 

  다) 정비작업 장소가 협소하여 조합품으로 교체하는 것이 용이한 기기

 

  라) 운전 중 돌발고장이 예상되는 기기로 고장시 복구에 장시간 소요되어 발전설비 운전에 큰 영향을 미치는 기기(예비품 확보)

 

  마) 블록 교체로 인하여 주요 기술 인력의 효과적 배분, 활용 효과가 있는 기기

  : 발전소의 경우 80년대 중반까지 일반 정비 방식에 주로 의존하여 왔으나 정비의 신속성과 신뢰도 향상을 위하여 블록 교체 방식으로 전환되고 있다.

  블록교체보수는 HP, IP inner part, 급수펌프 inner part, 고압 모터, 발전기 로터, 변압기 등을 set 예비품으로 확보하며 A급 보수 및 돌발고장시 set로 교체함으로써 부품 교체 방식보다 보수기간, 품질확보, 개량보수 면에서 많은 장점을 가지고 있다.

 

  다. 기기수명의 결정요소

  : 기기의 수명이나 신뢰성에 가장 큰 영향을 미치는 요소는 설계 및 제작 단계이다. 대부분 발전소 수명기간 중의 신뢰성은 건설시 설치되는 기기의 품질에 따라 결정된다. 또한 두 번째 요소로는 사용자의 역할이다. 좋은 기기라고 할지라도 사용자가 적절한 운전, 유지 및 보수를 해주지 않으면 기기가 가지고 있는 고유 성능을 계속해서 발휘할 수 없게 된다.

  설계자와 사용자에 의해 영향을 받는 기기의 수명결정 요소를 크게 나누어보면 다음과 같다.

 

  1) 환경적 요인 : 온도, 수질, 습도, 연료 등

 

  2) 열변형학적 요인 : 열응력, 진동

 

  3) 재료적 요인 : 조성, 열처리 조직, 표면상태

 

 

Ⅱ. 경년열화

 

 1. 경년열화 개요

  : 증기터빈과 같이 고온(540℃) 이상에서 사용하는 기계는 장시간 사용하면 여러가지 손상을 받고 금속은 경년열화가 진행이 된다. 하중 또는 응력을 일정하게 보유한 금속 재료의 경우, 시간이 지남에 따라 영구변형이 진행되는 현상이 발생한다. 통상의 금속재료에서는 고온에서만 일어나지만 납과 같이 녹는점이 낮은 재료에서는 실온에서도 격렬한 크리프(creep)가 발생한다. 또, 고분자 재료에서도 비교적 낮은 온도에서 크리프를 일으킨다. 대부분의 금속은 응력을 가하면 비교적 저하 중에도 고온에서는 서서히 연속적인 소성적 연신 현상(재료가 늘어나는 현상)을 나타낸다. 이와 같은 현상을 크리프라고 하며 강의 경우에는 300℃ 정도에서 시작하여 400℃ 이상에서 활발해진다.

 

* 변형의 종류

 1. 소성변형 : 재료에 작용하고 있는 응력이 탄성한계를 넘으면 응력을 제거하여도 원래로 돌아가지 않는 변형(영구변형)이 생긴다. 이러한 변형을 소성변형이라 하며 영구변형, 잔류변형이라고 한다. 밀가루 반죽 등은 비교적 작은 응력에 의해서도 소성변경이 생긴다. 

 2. 탄성변형 : 재료에 가해진 외부의 힘이 제거됨에 따라 재료가 그 모양을 즉시 회복하여 원래 모습으로 돌아가는 현상을 말한다.

 

 2. 경년열화 원인

  : 기기의 사용 시간 및 사용 조건에 따른 규격의 변화 및 성질의 변화(경년열화)는 기기 및 부품 별로 각각 다르게 적용되나 설계자가 계획보수 설계업무를 수행하는데 있어 반드시 이론적으로 알고있어야 한다.

 

 3. 경년열화와 예방보전 기술

  : 현재 발전설비 중 운전 개시 15년이 경과된 경년설비가 차지하는 비율이 급속도로 증가하고 있다. 또한 전력 수요의 변화, 연료의 다양화 및 DSS, WSS 등 가혹한 조건 하에서 운전을 하는 경우도 증가하고 있어 경년열화에 대한 계획적인 예방보전이 발전설비의 유지보수 및 수명연장의 중요한 부분이 되었다.

  중요한 활동으로는 잔존수명 진단, 내력 향상 기술, 컴퓨터에 의한 예방 보전 관리 등이 있다. 잔존 수명 진단을 대상기기 수명이 정량저그올 파악될 수 있고 계획적인 부품 교체 등에 의해서 설비 전체의 수명 연장을 하는 하나의 방법이다.

 

 4. 부식(corrosion)

 

  가. 부식 개요

  : 금속이 그 표면에서 화학적 또는 전기적으로 산화 또는 변질되어 가는 것을 부식이라 하며 부식되는 양 및 접촉하는 물질에 따라서 크게 다르다. 일반적으로 낮은 온도에서는 화학 반응속도가 저하되기 때문에 부식 속도도 현저하게 감소한다. 또 강은 일반적으로 알칼리성보다도 산성일 때 현저하게 부식되는 양이 커진다. 보일러 또는 압력용기에는 산소, 산, 부식성 생성물 또는 응력 등에 의한 부식이 중요한 것이다.

 

  나. 부식의 종류

 

  1) 전면부식(균일부식)

  : 금속표면이 균일하게 감소해 가는 부식으로 표면이 완전히 균일하게 감소해가는 금속 재료는 현실적으로 존재하지 않지만 비교적 균일하게 간소마흔 예로서 부식성이 강한 산, 즉, 염산, 황산, 초산 등에 탄송강이나 동을 침적할 때 나타난다.

 

  2) 고온부식

  : 고온의 연소가스 등 고온부에 금속 재료가 노출되는 경우에 발생하는 부식이 고온부식이다. 고온의 가스에 금속 표면이 노출되면 부식 생성물로써 치밀한 산화물 스케일이 형성되어 보호피막이 되지만 연소가스 중의 특정 성분이 산화물 스케일 표면 위에 부착되어 부식이 촉진된다.

  특히 부착물 중에 저온 융점을 가진 공정 화합물이 존재해서 부착물이 용융, 얇은 용액이 재료의 표면을 덮는 경우에는 급속히 부식이 진행된다.

  고온부식은 부식 매체가 고온의 가스이고 1차 부식생성물은 고체의 두꺼운 스케일이다. 이 스케일에 의해서 고온의 가스는 금속표면과 직접 접촉이 안되며 부식 속도도 이 부식생성물 층에 영향을 받게 된다. 부식 생성물 층은 통상 고체 상태나 액체 상태를 형성한다. (저융점 화합물을 형성)

 

  3) 저온부식(노점부식)

  : 연료 중의 유황분은 연소에 의해 아황산가스로 변화되고 일부는 연소가스 중의 산소에 의해 산화되어 SO3(삼산화황)로 된다. 삼산화황의 산화는 연소 중 산화와 과열기, 재열기를 통과 중의 산화로 나누어 볼 수 있다. 연소 중의 산화율은 화염온도(1750℃까지), 산소 농도에 비례한다. SO2(이산화황) 농도가 약 20ppm 을 초과하면 산화율은 낮아지게 된다. 과열기, 재열기에 부착해 있는 바나듐 화합물과 산화철이 촉매작용을 나타내어서 반응속도를 촉진하기 때문에 과열기, 재열기를 통과하는 중에 산화가 진행된다.

  천연가스를 연소하는 발전소 연돌에서는 겨울에 흰 연기가 배출되는데 이것은 연소가스가 주위의 공기와 혼합되면서 온도가 낮아져서 물이 노점이하로 되어 연소가스 중의 수증기가 응축 물방울이 되는 현상으로 SO3를 포함하지 않는 연소가스의 노점은 50℃ 정도이다.

  연소가스 중에 SO3가 다량으로 존재하면 수증기와 신속히 반응하여 황산(H2SO4)증기로 되는데 이 증기는 100℃ 보다 상당히 높은 온도에서 응축하여 유산수 용액으로 된다. 황산이 응축하기 시작하는 온도를 산노점이라 하며 물에 의한 노점과 구별한다.

  연소가스가 공기 예열기를 통과하는 사이에 온도가 저하돼서 노점에 다다르게 되면 최초의 한방울이 응축되고 그 후 온도 저하와 더불어 응축량과 부식량이 증가하지만 어느 정도서 최대를 기록하고 그후 감소하게 된다. 그래서 공기 예열기의 저온부 전체에 영향을 미치는 것은 아니며 중앙부가 벌어진 것처럼 소실이 된다. 이 노점 이하의 저온부에서 발생하는 황산에 의한 부식을 저온부식 혹은 황산부식, 산노점 부식이라고 한다. 저온부식의 대책으로는 SO3 농도의 저하, 재질의 선정, 공기예열기 앨리먼트 온도 상승 등이 있다. SO3 농도 저하 대책으로는 산소 농도의 감소, 화염온도의 저하, 첨가제 주입 등의 방법이 있다.

 

  4) 공식(pitting corrsion)

  : 부식이 금속 표면의 국부에만 집중하고 그 부위에서 부식 속도가 매우 빠르게 진행되어 금속 내부로 깊이 뚫고 들어가는 국부부식으로 스테인리스강, 알루미늄 등과 같이 금속 표면에 부동태 피막의 형성으로 내식성을 가지는 금속에서 주로 발생한다.

 

* 특징

① 공식이 발생한 이외의 부분은 거의 부식이 발생되지 않음.

② 대부분의 공식은 작고 서로 멀리 떨어져 있기도 하고 집중적으로 생기기도 한다.

③ 일반적으로 부식 생성물에 의해서 가려져 있기 때문에 발견하기 어렵다.

④ 주로 중력장이 미치는 방향으로 발생한다.

⑤ 재료의 관통으로 매우 위험하고, 일정량의 무게 감소로 설비 사용이 곤란해지는 현상이 발생할 수 있다.

 

  5) 입계부식

  : 오스테나이트계 스테인리스강은 높은 내식성이 요구되는 발전 플랜트, 항공기 산업 및 석유화학산업 등의 분야에서 널리 사용되는 내식성 재료이다. 이 합금의 내식성은 표면에 형성되는 얇은 보호피막, 즉 부동태 피막에 기인하며, 그롬 함량이 증가함에 따라 그 내식성이 향상되는 것으로 알려져 있다. 그러나 스테인리스강의 경우 국부부식에 대한 저항성이 약하며 특히 입계부식에 대하여 치명적이다.

  스테인리스강은 열처리나 용접에 의해 예민화 온도 구간에서 일정시간 유지되면 입계를 따라 크롬 고갈 영역이 발생하게 된다. 이와 같은 크롬 고갈 영역은 부식성이 강한 분위기에서 국부적으로 파괴되는 경우가 있는데 이를 국부 부식의 한 형태인 입계부식이라 한다.

  국부 부식은 표면에서 발생된 작은 면적의 침식이 급속도로 내부까지 관통하여 전체적으로 기능을 상실하거나, 응력의 영향을 받아 갑작스런 파괴를 유발하기 때문에 바람직하지 않은 현상이다.

 

  6) 국부부식

  : 금속 표면이 국부적으로 침식이 진행되는 부식이다. 그 원인으로는 금속의 불균일 분포와 불균일한 환경에 의한 경우가 많다.

 

  가) 금속의 불균일에 의한 경우

  : 대표적인 예가 용접부로써 용접한 강이 부식 환경에 노출되었을 때 용접부에 집중해서 일어난다. 이것은 모재 부분과 용접 부분의 화학 성분과 금속 조직이 달라서 일종의 이종금속 접촉부식으로 볼 수 있다.

 

  나) 환경의 불균일에 의한 경우

  : 대표적인 예가 조개껍대기 등의 부착에 의한 금속 표면에의 산소 공급량이 다를 때에 일어난다. 이것을 통기차 부식이라고 부른다. 예를 들면, 해수에 노출되는 복수기 냉각 튜브 표면의 일부에 조개껍데기 등의 부착물이 있어서 부착물 하부에 있는 냉각 튜브 표면에는 산소가 공급되기 어려운 장소이다. 이때 부착물 아래 튜브 표면 같은 곳, 즉, 산소가 도달하기 어려운 부분에 국부부식이 발생한다.

 

 5. 침식(erosion)

  : 고체 재료가 주어진 환경과의 화학반응 또는 기계적인 응력으로 표면의 일부가 손상되는 현상 혹은 액체 또는 고체 입자를 함유하는 액체(sludge)가 빠른 속도로 유동하는 작용에 의해 금속 표면이 기계적으로 손상되는 현상으로 급속재료는 액체 또는 기체에 의해 마모된 부식이 가속되는 현상이 발생한다. 이는 보호 산화물 피막이 제거되기 때문이며 액체 또는 기체에 고형물이 포함되어 있을 때는 마모가 더욱 가속된다.

 

  가. 개비테이션(cavitation, 공동현상)

  : 급수펌프나 급수관 등 수력 기계의 운전 중에는 각 부의 유속 및 압력이 다르다. 어떤 장소의 압력이 그 부분의 수온에 대한 포화 압력 이하로 되면 고체 표면과 물 사이에 증기가 발생한다거나 용해 공기가 분리하거나 하여 기포를 발생함으로써 빈 공간이 생긴다. 캐비테이션이 일어나기 쉬운 곳은 배관의 굽은 부분이나 펌프의 임펠러 등 수류가 교란되는 부분의 고체 면에 생기기 쉽고 펌프 내에 캐비테이션이 발생하면 이상 소음이나 진동이 나타날 수도 있다.

 

  나. 플래싱

  : 플래싱은 액체가 컴포넌트의 교축부를 지나며 압력이 포화증기압보다 낮아지면서 생성된 기포가 교축점을 지나면서 체적 팽창을 하여 유속이 증가되고 고속의 유체가 배관 모재에 격렬하게 충돌하여 발생하는 충격력에 의해 모재가 파손되는 현상이다. 플래싱은 유체입자를 고속으로 관로 면에 충돌시킴으로서 그 손상 면이 사포질을 한 것과 같이 매끄러운 표면을 가진다. 기속적인 플래싱은 배관 두께를 얇게 만들어 배관 파단 사고를 일으킨다.

 

 6. 마모(abrasion)

  : 마찰에 의해 물질의 표면이 문질러지거나, 깎이거나 소모되는 것을 말한다. 접촉 양면 간의 미끄러짐에 의한 마모(wear)와 연마재 작용에 의한 마모(abrasion)가 있다. 물품의 마모는 바람직하지 않으나, 연마라는 면에서는 필요한 현상이다. 마모도 부식의 경우와 마찬가지로, 마모가 생긴 부분의 강도가 저하한다. 보일러에서 마모가 발생하는 것은

 - 그을음 불어내기에 있어서 같은 위치에 오랫동안 증기를 마찰시키는 것을 자기간 반복한 경우

 - 연소가스 속에 거친입자가 포함되어 있는 경우나 수관 군과 같이 연소가스가 고속으로 통과하는 경우 등이다.

 

  가. 마찰(기계적)

  : 한 물체가 다른 물체와 접촉한 상태에서 움직이기 시작할 때 또는 움직이고 있을 때 그 접촉면에서 운동을 저지하려고 하는 현상을 말한다.

 

* 마찰의 종류

  : 정지한 상태에서 있는 물체를 움직이려고 할 때 생기는 저항을 정지마찰(static friction), 움직이고 있는 물체에 작용하는 저항은 운동마찰(kinetic friction)이라 한다. 물이나 공기 같은 유체 내부에서도 유체 각 부분 사이에는 유동에 대한 저항(내부마찰)이 나타나지만 이것은 '점성'이라고 하여 고체의 면 사이에서 일어나는 마찰과는 다르다.

 

  나. 아크손상(전기적)

  : 전기회로의 연결 또는 단락이 원인이 되어 생기는 아크에 의한 국부적 열손상

 

 7. 크리프(creep)

  : 재료에 일정한 응력을 장시간 가해 두었을 때 시간 경과와 함께 변형되고 변형도가 증가해 가는 현상을 크리프라 하며 시간과 함께 진행하는 변형도를 크리프 현상이라 한다. 또 그 결과 파괴되는 것을 크리프 파단이라 한다.

 

 8. 피로(fatigue)

  : 금속 혹은 고체 재료가 작은 힘을 반복하여 받음으로써 틈이나 균열이 생겨 마침내 파괴되는 현상으로 재료에 변동하중 혹은 반복하중이 작용하면 재료 내부에 생기는 응력이 탄성한도를 넘지 않아도 피로에 의하여 재료는 차츰 약해지고 마침내는 파괴되는 경우가 있다. 이 현상을 피로라고 한다.

  재료에 반복하중 등이 가해져도 피로에 의하여 재료가 파괴되지 않는 한계를 피로한계라고 한다. 반복하중을 받는 기계의 설계에서는 이 때의 응력값을 기준강도로 이용한다.

 

  가. 고주파 피로(고사이클 피로)

  : 구조물에 비교적 작은 크기의 응력 범위 또는 변형률 범위가 작용하여 그 수명이 약 105cycle 이상으로 길게 되어 피로파괴하는 현상을 말한다.

 

  나. 저주파 피로(저사이클 피로)

  : 정적인 인장 시험에 의한 인장강도보다도 매우 작은 응력값이라도 반복하중이 가해졌을 때의 피로에 의해 갑자기 파괴되는 일이 있따. 이것은 재료가 피로를 일으킨 것으로 생각되며 이것을 피로파괴라 한다.

 

 9. 잔존수명 진단

  : 잔존수명 진단 방법에는 비파괴 검사법, 해석법 및 파괴 검사법이 있다. 해석법과 파괴검사법(sample채취)은 평가하는데 장시간이 소요되고 특히 파괴 검사법은 sample 채취가 곤란한 경우가 많다. 이에 비해 비파괴 검사법은 비교적 단시간에 많은 개소를 진단할 수 있고 정기적은 모니터링도 가능하므로 비파괴 검사에 의한 잔존수명 진단을 주로 하고 있다. 화력 발전용 증기터빈 잔존수명 진단 주요기기는 고압, 중앙로터(Cr-Mo-V단강), 고압, 중압 케이싱, 주요밸브(Cr-Mo-V주강) 등이다.

  비파괴검사는 기계공학, 제조, 재료과학 분야에서 공작물의 제품 완전성이나 표면 상태를 변형시키지 않고 검사하는 방법이다. 고전적인 재료의 검사는 주로 절단이나 외형 검사로 이루어졌으나, 절단한 재료는 제품으로써의 가치가 상실되고 외형 검사의 경우 내부 결함을 알 수 없다는 단점이 있다.

  그러나 비파괴검사는 공업 재료 또는 제품을 파괴시키지 않고 내부의 상태를 검사할 수 있다는 이점이 있기 때문에 산업안전, 토목/건설, 기계공학, 원자력공학, 전기/전자공학, 철도, 금속공학 등의 분야에서 다양하게 이용되고 있다. 또한 용접 부위의 검사와 단조(forging) 후 검사에도 비파괴검사가 자주 사용된다.

 

 

Ⅲ. 발전정비

 

 1. 개요

  : 발전정비란 설비점검 제도를 확립하여 설비의 열화경향을 조사하고 어느 시설의 어느 개소를 정비할 것인가를 예측하고 필요한 자재와 인원을 준비하여 최적정비를 함으로써 설비의 신뢰성과 생산성을 향상시키는 활동이라 할 수 있다.

  이를 위해서는 현행 제도를 보완하여 합리적인 정비관리 제도를 확립하고 현재까지의 경험을 바탕으로 정비기술을 더욱 향상시키며 해외기술 정보교류, 정비관리의 전산화, 정비장비의 현대화, 정비 공정관리와 설비이력 등의 정확한 파악을 통하여 가장 효율적이고, 신뢰성이 있도록 설비를 운용해야 한다.

 

 2. 정비 분류

 

  가. 정비 : 예측정비, 예방정비, 고장정비

 

  나. 예방정비 : 일상점검, 주기점검, 주기정비, 중간정비, 계획예방정비, 개량정비

 

  다. 일상점검 : 순시점검, 일일점검

 

  라. 주기점검 : 주간점검, 월간점검, 반기점검

 

 

Ⅳ. 예측정비

  : 재료의 성분, 성질, 응력 등을 검사하여 수명 열화 상태를 진단하고, 사용환경, 운전조건, 성능진단 등을 통한 설비의 열화 상태를 미리 예측하여 정비하는 것을 예측정비라 한다.

 

 1. 고장 발생의 예측

  : 대부분의 발전소 기기는 여러 설비 또는 시스템의 조합으로 이루어져 있기 때문에 이중 일부분의 상태가 불량해져도 일시에 파괴 또는 기능을 상실하게 되는 것이 아니고 기능 상태의 변화를 수반하면서 서서히 진행하는 경우가 많으므로 설비 상태 변화를 조기에 진단하여 어느 시점에 고장을 일으킬 것인가를 예측하는 것이 중요하다.

  먼저, 현 설비의 감시상태의 구성이 어떻게 되어 있으며 이들 감시 장치로부터 계측된 결과로부터 설비 상태를 진단하고 예상되는 고장 발생의 단계에 비추어 언제 어떻게 정상적인 상태로 회복하는 조치를 취할 것인가를 결정한다.

  대부분의 기기에 있어 고장 발생을 예지하는 계측 설비와 고장 발생의 단계를 결정하는 경보, 트립 혹은 고장 발생치 등은 제작사의 경험에 의해 운전조작설명서에 언급되어 있으므로 이들 자료를 효과적으로 활용하는 것이 필요하다.

 

 2. 기기 상태의 변화분석(trend analysis)

 

  1) 개요

  : 기기 상태의 추이 분석은 일정기간 중 기기에서 발생된 변화 상태를 기록, 분석하여 사고 시점을 사전에 예측하는 것으로 온도, 진동, 소음, 윤활유 성상, 절연치 등의 변화와 기기효율 등의 성능 변화를 포함한다. 기기 상태의 추이분석 자료는 예방보수의 기본이 되는 사항으로 기기의 열화율을 산정하고 운전 제한 치에 따라 적정한 보수시기와 범위를 제공한다.

 

  2) 추이 분석요소

  : 기기의 운전 상태는 대부분 복합적인 원인에 의해 가변적으로 나타나기 때문에 운전 상태로 기기 내부의 고장 진행을 진단하는 것은 대부분 고도의 기술을 요한다. 예를들어, FD fan bearing temp 등은 외부의 온도에 따라 달라지기 때문에 계절적 요인에 많이 좌우되고 터빈 베어링 진동 등은 윤활유 온도, 출력, 진공도 등에 따라 크게 변화하므로 추이 분석은 운전 조건에 영향을 미치는 요소 별로 표준 조건을 만들어 시행하는 것이 바람직하다.

 

  3) 운전 제한치의 설정

  : 상태 분석으로 보수 시점으로 결정하는데 있어서는 반드시 제한치를 설정해야 한다. 제한 치에는 보통 정상 운전범위, 경보, 트립값 등이 있으며 중요한 기기가 정상 운전범위를 초과하고 있을 때는 허용운전 지속 시간이 설정되어 있다. 대부분의 기기의 제한치의 설정은 제장 상의 설계경험에 의해 정해져 있으며 필요시 이를 수정하거나 제정하는데 이 때는 반드시 제작사에 조회를 하는 것이 안전하다.

 

  4) 상태측정 및 분석주기

  : 기기의 운전상태 분석결과 운전상태가 악화되는 추이가 발견되면 상태별 정밀점검 계획을 수립하고 측정 또는 분석주기를 짧게 잡아서 예방 및 응급조치가 가능하도록 한다.

 

 3. 예측기법

 

  1) 진동분석

  : 모든 회전 및 왕복운동 기기는 특정 형태의 진동을 발생하여 이러한 진동의 형태에 따라서 기기의 상태를 추정할 수 있다. 기기 내부에 조립된 모든 부품은 사용 조건이나 시간에 따라서 마모, 무게중심의 변화, 축열의 변화 등을 일으키고 이러한 내부적 변화는 진동의 형태로 남아있기 때문에 진동의 변화를 주기적으로 분석하게 되면 기계의 결함 진행 상태를 예측할 수 있어 예방보수가 가능하게 된다. 

 

  2) 온도분석

  : 보일러 덕트, 튜브, 연소용 가스와 회전기기의 베어링, 전동기, 코일, 차단기 등의 대부분 발전소 기기들은 내부 이상이 진행되는 동안 온도 변화를 수반하는 경우가 많으므로 중요 부분의 온도변화를 주기적으로 측정, 변화 상태를 분석하면 결함 진행을 예측할 수 있다. 온도 측정 방식은 열팽창 및 열전대(thermocouple) 방식의 직접 접촉식과 열방사의 크기를 이용한 열방사측정법(thermography / infrared inspection)의 비접촉 측정방식이 있다. 열방사 측정법은 고정식과 이동식이 있으며 직접 온도계를 접촉 설치할 수 없는 차단기, 변압기 부스 등의 온도 측정, 혹은 보일러 외부 방사열 측정 등에 사용되거나 예방 점검용으로 많이 활용되고 있다. 

 

  3) 윤활유 및 절연유 분석

  : 윤활유는 상대 운동을 하는 두 면 사이에 있는 유체를 말하는 것으로 마찰의 최소화, 냉각 및 부식 방지의 주목적이 있다. 따라서 사용되는 윤활제의 조건은 기기의 구조, 재료 특성, 열방사, 하중 등에 따라 다르게 적용된다.

  윤활유 분석의 목적은 크게 두 가지로 나누는데,

 

  가) 윤활유가 오염되었을 때 이를 사전에 교체 또는 정화하여 오염에 다른 기기 피해를 사전에 방지하는 것과 다른 하나는 기기 내부 결합 시 방출되는 열 또는 이물질에 의한 변질 요인을 추적하여 기기 결함의 진행을 예측하는데 있다.

 

  나) 절연유는 두 도체 간의 절연에 사용되는 유체를 말하며 베어링과 마찬가지로 절연유 변질에 의한 절연 특성의 감소 또는 내부 기기의 결함에 의한 절연유 변질을 초래하므로 지침에 따른 주요 성분 분석으로 기기 내부의 결함을 추정하거나 방지할 수 있다.

 

  4) 절연저항 분석

  : 절연저항이라 함은 절연체를 통해 흐르는 전류에 대한 저항을 나타내는 것으로 전기 기기의 손상 없이 절연체의 상태를 진단하는데 효율적으로 활용되는 방식이다.

 

  5) 소음분석(acoustuc emission analysis)

  : 소음이란 재료 내부에 기계적 또는 열적 응력이 발생할 때 변환되어 발생되는 음파를 말한다. 소음분석이란 이러한 음파를 감지 변환하여 기기 내부의 상태를 진단하는 것을 말한다.

 

  6) 수질분석

  : 발전소 대부분의 기기들은 에너지의 전달 및 변환 매체로 물과 증기를 사용하기 때문에 이들이 기계수명에 미치는 영향이 막대하다. 특히 최근에 EPRI(electric power research instutute, 미국전력연구소) 등 주요 발전기술 자료에 의하면 발전소의 기기 결함의 약 30%가 기기 사용 환경에 기인된 것으로 연구 발표되고 있고 발전회사의 경우에도 ㅇㅇ화력 2호기 시운전 기간 중에 발생된 해수오염으로 고압터빈 1단 동익 파단사고를 경험한 바 있어 이에 대한 관심이 높아지고 있다. 수질의 측정은 PH, conductivity 등 연소계측 분석과 주기적인 샘플링에 의한 화학분석법 등이 있다.

 

  7) 비파괴 검사법

  : 비파괴 검사란, 검사 대상물을 손상하지 않고 재료의 결함 또는 열화 상태를 진단하는 검사기술로 기기의 결함을 사전에 검출하여 고장에 이르는 것을 예방하는데 사용된다. 대부분의 주요기기는 정기점검 보수지침서에 의거하여 운전시간 또는 기동회수에 따라서 일정주기로 각종 비파괴검사를 하도록 되어 있으며 예방점검 측면에서도 운전 중 기기에 이상 상태가 발생되면 내부 확인 방법으로써 중간점검시 또는 예비기 상태확인으로 많이 이용된다.

  NDE(nun destructive test, 비파괴검사) 방법은 기본적으로 2가지로 분류된다.

 

  가) 육안검사법(visual inspection)

  : 육안검사란 일정기준 밝기 이상에서 육안으로 표면을 검사하는 방법으로 가장 많이 적용되는 비파괴 검사법이다. ASTM(american society for testing materials, 미국재료시험학회)에서 명시한 검사조도는 15fc(foot candle)로써 100W 전구로 10feet 거리에서의 물체조도가 1.25fc인 점을 감안하면, 대부분의 발전소 작업장은 육안검사를 위해서는 부적합한 조도이므로 반드시 보조 등을 사용하여야 한다.

  좁은 범위와 기계 내부 또는 확대검사를 위하여 사용하는 보조검사 기구로는 거울, 현미경, 확대경, 망원경, 보어스코프, fiber optic device(FOD) 등이 있다.

 

  나) 액체 침투법(liquid-penetrants technique, LPT)

  : 액체탐상시험이라고도 하며 액체 침투법은 비파괴 검사 중 가장 값싸고 간단하여 널리 사용되는 검사 방법 중의 하나이다. 검사 원리는 침투액을 검사면 표면의 결함에 침투하게 하여 표면 균열, 겹친 부위, 기공과 같은 결함을 검사하는 방법으로 보통 세정액, 침투액 등으로 구성되어 있다. 침투액은 폭 0.1마이크로미터 정도의 작은 균열 속으로도 스며들 수 있다.

  흔히 사용되는 침투액으로는 자외선 불빛에서 형광을 발하는 형광 침투액과 주로 붉은색 염료를 사용하여 표면에 뚜렷한 윤곽선을 나타내는 가시 침투액이 있다. 액체 침투법에서는 운선 검사할 표면을 깨끗이 세척하고 건조시킨 후, 침투액을 표면에 붓으로 바르거나 분무시킨다.

  액체가 표면의 열린 틈 속으로 스며들기에 충분한 시간을 기다린 후, 표면에 남아있는 액체를 물이나 용매로 닦아낸다. 그 다음, 현상제를 가하여 침투액이 거꾸로 표면으로 빠져나와 표면의 열린 틈 가장자리에 퍼지게 한다. 이를 직접(가시 침투액) 혹은 자외선을 비추어(형광 침투액) 관찰함으로써 결함의 위치 및 크기를 검사한다. 이 방법은 장치가 간단하고 다루기 쉬우며 다른 방법에 비해 비용이 적게 들어, 표면결함을 찾는데 널리 이용되고 있다. 그러나 이 방법으로는 내부 결함을 검사할 수 없다.

  액체 침투법은 검사 방법은 간단하나 검사 기술에 따라서 그 결과의 차이가 크므로 반드시 전문 검사원이 규정 절차에 따라 검사를 해야한다.

 

  다) 자분탐상시험법(MPT, magnetic-particle inspection techinque)

  : 자기탐상법은 강자성의 미세입자를 이용하여 제품 표면 혹은 표면 밑 결함을 검사하는 방법이다. 먼저 제품 표면 위에 강자성 입자를 직접(건식) 혹은 물이나 기름에 타서(습식) 뿌린다. 그 다음, 제품이 자기장을 걸어주면 표면의 불연속선, 즉 결함을 따라 입자들이 모이는 것을 관찰할 수 있다. 이렇게 모인 입자들은 일반적으로 결함의 형상이나 크기를 나타낸다. 표면에서 깊지 않으면 표면 밑 결함ㄷ 이 방법으로 찾을 수 있다. 보다 명료한 관찰을 위해 염료로 채색된 입자가 사용되기도 한다. 피로균열과 같은 미세한 불연속선을 찾는데는 습식법이 사용된다.

  이 사용법은 액체탐상시험(LPT)보다 약간 깊은 곳까지의 결함을 찾아낼 수 있는 이점이 있어 터빈 블레이드 같은 복잡한 형상 내부에 진전되고 있는 결함 검사에 많이 활용되고 있다.

 

  라) 와전류탐상법 (eddy-current inspection method)

  : 와전류탕상법은 전자기유도 원리를 응용한 검사법으로 내부 결함검사에 이용된다. 검사물을 코일 속이나 옆에 설치한 후 코일에 6~60Hz의 고류를 흐르게 하면 검사물에 와전류가 생긴다. 검사물 내부에 결함이 존재하면 와전류의 흐름에 방해를 주어 와전류의 방향이 바뀌고 전자기장에 변화를 주게 된다. 이 변화는 코일에 흐르는 전류에 영향을 주므로, 코일에 걸리는 전압의 변동 상태를 관찰함으로써 결함의 유무를 검사할 수 있따.

 

  마) 방사선투과법(RT, radio graphic test)

  : 방사선투과법은 X-ray(엑스선), γ-ray(감마선)을 이용하여 제품 내부의 불연속 부분(또는 결함)을 관찰(검사)하는 방법이다. 산업 현장에서는 주료 용접부의 불연속 부위(또는 결함)를 검사할 때 사용한다. 검사체를 통과하는 방사선의 양은 검사체 내부의 두께, 금속 밀도에 따라 달라지므로 감광지 음화에 나타난 흑백 농도에 따하 결함 여부를 판명하게 된다.

 

  바) 초음파 탐상시험(UT, ultrasonic test)

  : 초음파검사법은 제품에 가해진 초음파 빔이 균열 같은 내부결함을 만나면 반사되는 성질을 이용하여 제품의 내부결함을 검사하는 방법이다. 즉, 반사된 초음파 에너지의 세기 및 반사시간으로부터 결함의 존재여부와 위치를 구한다.

  검사에 사용되는 초음파의 주파수는 1~25MHz 정도이다. 발생된 초음파는 물, 기름, 글리세린, 그리스같은 중간 매질을 거쳐 검사물에 전달된다. 초음파 검사법은 투과성과 감도가 우수하며, 기차바퀴, 압력용기, 금형 같은 대형 물체의 결함을 여러 방향에서 검사하는데 사용된다. 이 방법은 다른 비파괴 검사법에 비해 정확도가 높으나, 검사결과를 제대로 해석하려면 경험이 요구된다.

 

발전설비정비관리.hwp

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