터빈 고온 볼트의 파단 원인

국내 화력발전기 조립 용량과 열 효율은 지속적으로 개선되어 증기 터빈의 증기 압력이 상승하고 있습니다. 이로 인해 증기 터빈의 고온 부품 소재에 대한 요구가 높아지고 있습니다.

예를 들어 고온 볼트는 실린더 분할의 기밀성을 보장하는 데 중요한 역할을 합니다. 이러한 볼트는 일반적으로 뛰어난 고온 성능을 갖춘 내열성 소재로 만들어집니다.

이 볼트에 일반적으로 사용되는 재료 중 하나는 펄라이트 열강도 강철인 20Cr1Mo1VNbTiB 강철로, 높은 내구성 강도와 우수한 이완 방지 성능을 자랑합니다.

발전소 발전기 가동 중 게이트의 고온 볼트가 고장 나 파손되었습니다. 이 장치는 4만 7341시간 동안 가동 중이었고, 볼트는 M56mm × 4mm × 310mm 사양의 20Cr1Mo1VNbTiB 강철로 만들어졌습니다.

연구원들은 고장난 볼트를 철저히 검사하고 분석하여 동일한 배치 및 재질의 고장 나지 않은 볼트와 비교하여 고장 원인을 파악했습니다. 향후 유사한 사고가 발생하지 않기를 바라고 있습니다.

1. 물리적 및 화학적 검사

1.1 거시적 관찰

그림 1 파손된 볼트의 매크로 모양

그림 2 파단된 볼트의 파단 표면의 거시적 형태

파손된 볼트의 전체 형태와 단면 형태는 각각 그림 1과 그림 2에 나와 있습니다.

골절은 끝면에서 약 130mm 떨어진 볼트 로드에 위치한 것으로 관찰되었습니다. 단면은 소성 변형의 흔적 없이 평평하고 세분화되어 있으며 전형적인 취성 골절을 나타냅니다.

볼트의 외부 표면을 검사하면 나사산 표면이 매끄럽고 움푹 들어간 곳, 균열, 녹, 버 또는 응력 집중을 유발할 수 있는 기타 결함이 없는지 확인할 수 있습니다.

1.2 화학 성분 분석

파손된 볼트와 비교 볼트의 중앙에서 와이어 절단 샘플을 채취했습니다. 절단된 표면을 사포로 매끄럽게 하고 알코올로 닦은 후, 전체 스펙트럼 수직 직접 판독 분광기를 사용하여 화학 성분을 분석했습니다.

실험 결과 두 샘플의 화학적 조성은 화석 연료 발전소의 고온 패스너에 대한 DL/T 439-2018 기술 지침에 명시된 20Cr1Mo1VNbTiB 강철의 요구 사항을 충족하는 것으로 나타났습니다.

1.3 기계적 물성 테스트

파손된 볼트와 파손되지 않은 볼트 모두 경도, 인장 및 U-노치 충격 샘플 테스트를 거쳤습니다. 인장 시험은 범용 재료 시험기를 사용하여 실온에서 실시했으며 인장 강도를 포함한 결과를 얻었습니다, 항복 강도와 골절 후 연신율을 측정했습니다. 충격 흡수 에너지는 충격 시험기를 사용하여 상온에서 측정했으며, 충격 흡수 에너지가 브리넬 경도 브리넬 경도계를 사용하여 측정했습니다. 테스트 결과는 표 1에 나와 있습니다.

표 1 볼트의 기계적 특성 테스트 결과

테스트 결과 볼트의 경도, 인장 강도, 항복 강도 및 파단 후 연신율은 표준 요구 사항을 충족하는 것으로 나타났습니다. 그러나 파손된 볼트의 충격 흡수 에너지는 표준 요구 사항보다 훨씬 낮은 25J에 불과한 것으로 나타났습니다. 이는 파손된 볼트의 소재가 부서지기 쉽고 충격 하중에 대한 저항력이 낮다는 것을 의미합니다.

반면, 파손되지 않은 볼트의 충격 흡수 에너지는 86J로 표준 요구 사항을 충족했습니다.

1.4 매크로 또는g분석 검사

파단된 볼트와 파단되지 않은 볼트의 끝면과 파단된 볼트의 파단 표면 단면은 그림 3에 표시된 것처럼 DL/T 439-2018의 권장 방법에 따라 거시 구조를 검사했습니다.

그림 3 볼트 끝면의 매크로 형태

다양한 조명 각도에서 검사한 결과 볼트의 파단 끝면과 단면에 다양한 색상과 밝기를 가진 다각형 입자 패치가 나타나는 것으로 나타났습니다. 육안으로 미세 구조가 평균 직경 2mm 이상의 거시적 거친 입자로 구성되어 있는 것을 돋보기로 확인할 수 있습니다.

20Cr1Mo1VNbTiB 강철의 거친 입자 형성은 제조 및 열처리와 같은 생산 공정과 관련이 있으며 과열로 인한 결과입니다. 이는 열간 가공 중 온도가 Ac1(펄라이트의 초기 온도를 초과하는 경우 발생할 수 있습니다. 오스테나이트 변형) 또는 강철이 오스테나이트 재결정 온도 이상으로 반복적으로 가열된 후 급속 냉각되는 경우입니다.

장기간 고온 고압 환경에서 과열된 구조물의 탄화물은 서서히 침전되어 재료의 충격 인성을 감소시킵니다.

1.5 금속 조직 검사

그림 4와 같이 금속 조직 검사를 위해 볼트 및 나사에서 샘플을 채취합니다.

그림 4 볼트의 미세 구조

파쇄된 볼트의 미세 구조는 1등급의 입자 크기와 프레임 구조를 나타내는 결정 내 교차 분포 행 베이나이트가 있는 베이나이트인 것으로 확인되었습니다.

반면에 부러지지 않은 볼트는 입자 크기가 5등급인 미세한 결정질 베이나이트 미세 구조를 가지고 있습니다.

금속학적 검사 결과, 파손된 볼트의 입자 크기가 5등급의 입자 크기를 요구하는 달리 발전소의 고온 패스너에 대한 DL/T 439-2018 기술 지침에 명시된 요구 사항을 준수하지 않는 것으로 나타났습니다.

1.6 골절 분석

주사 전자 현미경을 사용하여 파손된 볼트의 파단 형태를 조사했습니다.

그림 5 파단된 볼트의 파단 미세 형태 및 에너지 스펙트럼 분석 결과

파단 형태는 그림 5a에 표시되어 있으며 전체 파단 표면은 조밀한 산화물 층으로 덮여 있습니다. 에너지 스펙트럼 분석 결과 산화물은 Fe로 확인되었습니다.₂O₃를 클릭합니다(그림 5b 참조).

작동 중 파손된 볼트의 파손으로 인해 파손 표면이 고온에 장시간 노출되어 표면에 치밀한 산화막이 형성됩니다. 이로 인해 파단 표면에서 볼트의 파단 정보를 직접 관찰하기가 어렵습니다.

연구진은 인장 및 충격 샘플의 파단 표면을 통해 재료의 파단 형태를 연구하여 볼트의 파단 모드를 결정했습니다.

그림 6 인장 및 충격 시편의 파단 미세 형태학

인장 및 충격 샘플의 파단 표면은 주사 전자 현미경을 사용하여 분석했습니다. 샘플의 파단 형태는 그림 6에 나와 있습니다.

그림 6a)와 6b)는 낮은 배율에서 인장 및 충격 골절 형태를 보여줍니다. 전단 립 영역의 인장 골절 섹션은 골절 면적의 약 15%를 차지할 정도로 미미합니다. 대부분의 단면은 방사선 영역이 지배적이며 섬유 영역은 거의 존재하지 않습니다. 골절의 거시적 형태는 재료의 인성이 좋지 않음을 시사합니다.

그림 6c)는 고배율 관찰 시 인장 골절 형태를 보여줍니다. 골절 표면은 주로 쪼개짐이며, 소수의 보조개 내포물이 있습니다. 전체적인 골절 표면 형태는 준파단 골절의 특성을 따릅니다.

그림 6d)는 고배율로 관찰한 충격 골절 형태를 보여줍니다. 이 단면은 주로 방사선 영역이며 전체 단면은 대부분 절단면입니다.

그림 6은 샘플의 골절이 절단 골절에 속하며, 이는 재료가 매우 부서지기 쉽다는 것을 나타냅니다.

2. 분석 및 토론

물리적 및 화학적 검사 결과 볼트의 화학 성분, 실온 인장 특성, 경도 및 기타 지표가 표준 요구 사항을 충족하는 것으로 나타났습니다.

그러나 볼트의 파단 구조는 1등급 입자 크기의 거친 입자와 입자에 교차 분포된 베이나이트의 프레임 구조로 인해 재료의 취성에 영향을 미칩니다.

그리고 골절 분석 의 인장 및 충격 파단 표면은 재료가 표준 요구 사항보다 훨씬 낮은 충격 흡수 에너지로 절단 파단을 겪었음을 나타냅니다. 이는 소재의 취성을 더욱 확인시켜 줍니다.

증기 터빈의 고온 볼트는 고온, 높은 응력 및 증기 부식과 같은 까다로운 조건에서 작동합니다. 그 결과 볼트 재질 는 높은 고온 크리프 내구성 강도, 낮은 선형 팽창 계수, 우수한 이완 방지 성능, 강한 응력 내식성, 낮은 노치 감도 및 우수한 내 산화성을 가져야 합니다.

그러나 파단된 볼트 소재의 거친 입자 구조로 인해 과도한 취성이 발생하여 시동, 정지 및 단위 부하 변동으로 인한 충격 응력을 견딜 수 없습니다.

3. 결론 및 제안

터빈의 고온 볼트는 입자가 거칠고 고온 및 고압 조건에서 장기간 작동하여 탄화물이 점진적으로 침전되고 재료 충격 인성이 감소합니다.

그 결과 고온 볼트는 장치 시동, 정지 및 장치 부하 변동으로 인한 충격 응력 하에서 취성 파단이 발생합니다.

따라서 화력발전소는 유지보수 시 터빈의 고온 볼트에 대해 100% 초음파 검사 및 100% 경도 검사를 실시하고, 이 검사를 통과하지 못한 볼트는 교체할 것을 권장합니다.