KR100430211B1 - 가스 터빈의 고온 부품의 수명 관리 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명의 수명 관리 시스템은 하나의 서버 시스템과 복수의 클라이언트 시스템이 인트라넷 접속되며, 가스 터빈의 고온 부품의 잔여 수명 평가나 수명 관리를 서버 시스템에서 관리하고, 각 클라이언트 시스템은 데이터 베이스(4)를 액서스하기 위한 서브 프로그램 및 전문적인 데이터를 보관하는 데이터 베이스(6)를 구비하며 수명 관리에 필요한 데이터를 서버 시스템으로 전송하는 구성으로 되어 있다.

수명 평가에 필요한 각 요소 데이터를 각 클라이언트가 공유함에 따라 평가에 필요한 기간을 단축하는 동시에 운용의 최적화를 수행할 수 있다.

Description

가스 터빈의 고온 부품의 수명 관리 시스템 {Service Life Management System for High-Temperature Part of Gas Turbine}

가스 터빈의 고온 부품인 연소기, 정익(靜翼), 동익(動翼)은 초고온인 연소 가스의 유로에 위치하는데, 가스 터빈의 기동 정지에 동반되어 생기는 열 변형의 반복이나 정상 운전중의 고온 환경하에서 생기는 크래킹, 크리프 변형 등에 의한 손상이 발생한다. 가스 터빈의 회전 출력으로 발전기를 구동시켜 발전하는 가스 터빈 발전 설비는 다른 발전 설비에 비하여 운용성이 우수하다는 특징이 있다.

따라서, 가스 터빈 발전 설비의 DSS(매일 기동 정지, Daily Start-up and Shutdown)나 WSS(매주 기동 정지, Weekly Start-up and Shutdown)는 구성 부품에 어려운 운용 조건이 된다. 이러한 DSS나 WSS는 가스 터빈의 기동 정지 횟수가 많은 운용을 빈번하게 수행하도록 되어 있다. 특히, 가스 터빈의 고온 부품은 매우 어려운 온도 조건에서 사용되기 때문에 내열성이 우수한 니켈이나 코발트기의 내열 합금이 사용된다. 이 내열 합금에 있어서도 그 한계 사용 온도에 가까운 조건에서사용되며, 아울러 상기된 것처럼 운용 형태의 변화로 인해 다른 부품에 비해 상당히 조기에 손상되는 경우가 있다.

따라서, 가스 터빈의 운용시 고온 부품을 포함하는 부품의 손상을 정기적으로 점검하고 필요에 따라 부품의 보수나 교환을 수행하고 있다. 그러나, 이들 부품은 고가의 내열 합금으로 제작되기 때문에 그 보수나 교환에 필요한 코스트가 운용을 위한 전체 코스트의 상당 부분을 차지하게 된다. 운용 코스트의 저감을 위해서는 이들 부품의 잔여 수명 평가의 정밀도를 향상시키고, 보수나 교환 기준의 합리화를 도모하는 것이 중요하다.

고온 부품의 잔여 수명 평가 기술로, 예를 들면 실개평4-27127호에 연소 가스 온도의 계측 결과로부터 부재에 발생되는 열 변형을 추정하고 손상도를 추정하는 수법 및 그 장치가 제안되어 있다. 다른 수법으로 특개평4-355338호에는 부재 표면의 균열 발생 상황을 화상으로 받아들이고, 임의의 확율 모델을 이용하여 균열의 성장을 시뮬레이션하여 손상 평가를 수행하는 수법 및 그 장치가, 또한 특개평10-293049호에는 마이크로 조직의 변화에 의거한 손상 평가나 균열의 성장 예측 등을 통한 가스 터빈의 보수 관리 장치가 제안되어 있다.

그 이외에도 점검 대상인 부품에서 샘플을 채취하고, 그 파괴 실험을 통해 부재의 손상도를 추정하는 수법 등이 사용되고 있다. 또한, 특개평10-196403호에는 가스 터빈 각 부품의 실적 데이터의 관리와 수명 평가에 의거해서 보수, 교환의 필요성 판단을 하고, 그 결과를 표시하는 수명 관리 장치가 고안되어 있다.

본 발명은 가스 터빈을 구성하는 부품으로, 가스 터빈의 연소 가스에 의한 열 영향으로 고온이 되는 부품(이하, 단순히 고온 부품이라 함)의 수명 관리 시스템에 관한 것이다.

도1은 본 발명의 잔여 수명 관리 시스템의 구성도이다.

도2는 본 발명의 잔여 수명 관리 시스템의 서버측과 클라이언트측의 데이터 흐름을 나타낸 도면이다.

도3은 본 발명의 실시예에서 이용된 평가 방법의 개념을 그래프적 수법으로 나타낸 도면이다.

도4는 가스 터빈의 고온 부품의 배치를 나타낸 가스 터빈의 요부 단면도이다.

도5는 가스 터빈의 기동에서 정지에 이르는 가스 터빈의 연소 가스의 온도를 나타낸 그래프도이다.

도6은 가스 터빈 초단의 정익과, 이 정익의 부위A 및 부위B에서의 온도-변형 히스테리시스 특성 곡선과의 관계를 나타낸 도면이다.

도7은 잔여 수명 평가, 손상 성장 평가의 플로어도이다.

도8은 가스 터빈의 난기 온도를 변화시킨 조건에서의 가스 터빈 초단의 정익의 온도-변형 특성 곡선을 나타낸 그래프도이다.

도9는 가스 터빈의 난기 온도와 가스 터빈 초단의 정익의 손상의 관계를 난기 온도와 손상치의 관계로 나나탠 그래프도이다.

도10은 DSS모드에서 사용된 가스 터빈 초단의 정익의 균열 성장 거동을 나타낸 그래프도이다.

도11은 WSS모드에서 사용된 가스 터빈 초단의 정익의 균열 성장 거동을 나타낸 그래프도이다.

도12는 부하 주파수와 균열 진전 속도의 관계를 나타낸 그래프도이다.

도13은 기동 정지 1회당의 운전 시간이 수명시간에 끼치는 영향을 나타낸 그래프도이다.

도14는 코팅 시공 조건을 파라미터로 한 가스 터빈 초단의 정익의 온도-변형 히스테리시스 특성 곡선을 나타낸 그래프도이다.

도15는 코팅 시공 조건에서의 손상치의 변화를 나타낸 그래프도이다.

도16은 본 발명의 잔여 수명 관리 시스템의 보수 공정 선정 플로어를 나타낸 도면이다.

도17은 가스 터빈 초단의 정익의 보수가 실시된 전후의 균열 성장 거동의 변화를 나타낸 그래프도이다.

도18은 가스 터빈 초단의 정익의 보수 전의 균열 길이와 보수 후의 수명 저하율의 관계를 나타낸 그래프도이다.

도19는 보수재의 균열 진전 특성을 나타낸 그래프도이다.

도20은 가스 터빈 초단의 정익의 보수 전 균열 길이와 작용 응력의 관계를 나타낸 그래프도이다.

도21은 가스 터빈 초단의 정익의 보수 공정에 의한 균열 진전량의 차이를 나타낸 그래프도이다.

도22는 가스 터빈 초단의 정익에 대한 코팅 시공 효과의 평가 플로어도이다.

도23은 코팅 시공된 부재의 단면도이다.

도24는 가스 터빈 초단의 정익의 부재 온도와 고온 가스측의 열전달율의 관계를 나타낸 그래프도이다.

도25는 가스 터빈 초단의 정익의 작용 응력과 부재 온도의 관계를 나타낸 그래프도이다.

도26은 가스 터빈 초단의 정익에 관한 열전달율의 변화에 따른 수명 연장율의 평가에 이용되는 값의 그래프도이다.

도27은 가스 터빈 초단의 정익에 대한 최적 코팅 시공, 보수 시기의 평가예를 나타낸 그래프도이다.

도28은 가스 터빈의 정익 링내의 손상 분포의 표시예를 나타낸 도면이다.

상기된 종래 수법의 적용시에는 전문적인 지식과 재료 데이터, 구조 해석 결과 등의 설계 데이터가 필요하다. 또한, 이들 평가에 필요한 기간을 단축하는 것도 보수 비용을 저감시키기 위해서 중요하다. 아울러, 평가의 정밀도화를 위하여 과거의 손상 데이터와의 비교 및 참조를 용이하게 할 수 있는 스터프(stuff)를 유지하는 것도 중요하다. 이를 위해서는 평가의 베이스가 되는 정보를 데이터 베이스화하여 운용할 필요가 있으나, 가스 터빈의 설비 설치자, 보수 관리 담당자나 설계자 등이 서로 다르기 때문에 그들이 통합되어 운용할 수 있는 상태가 되어 있는 경우는 적다.

따라서, 점검 결과로부터 손상 데이터를 작성하고 설계 데이터나 재료 데이터를 참조하여 손상 평가를 수행하려면 현재의 상태에서는 상당한 시간을 필요로 하는 작업이 되는 경우가 많다. 데이터 베이스가 공유되어 있지 않기 때문에, 예를 들면 설계시에 필요한 재료 데이터의 작성이나 또는 실기(實機) 손상 데이터의 통계 해석 및 이에 의거한 설계 조건의 재검토 등을 수행할 때의 작업이 번잡해지는 경우가 있다. 이들을 개선하기 위하여 상기된 것과 같은 잔여 수명 평가 장치나 수명 관리 장치가 제안되고 있으나, 실기 손상 데이터의 조사, 손상 해석, 재료 데이터의 선별 등 개개의 요소에 대해서는 전문적이 지식이 필요하며, 그 효과적인 운용이 어려운 상황에 있다.

더욱이, 종래의 수법으로 대상이 되는 부품의 손상도나 잔여 수명을 구할 수는 있으나, 운용 코스트 저감을 위해서는 평가된 부품의 손상도를 바탕으로 운용의 최적화를 수행하는 것도 중요한 과제이다. 이를 위해서는 기동 정지시의 부하 변동 패턴을 변동시킨 조건에서의 구조 해석 결과나 보수 등을 수행한 조건에서의 재료 데이터 등이 필요한데, 현재의 수법으로는 이들 조건을 변화시켰을 때의 손상도나 잔여 수명의 예측 및 운용 코스트의 저감을 위한 가스 터빈의 운용 최적화를 일관되고 신속하게 책정하는 것이 곤란하다.

따라서, 본 발명의 목적은 가스 터빈의 고온 부품의 잔여 수명 관리를 신속하게 수행할 수 있는 시스템을 제공하는 데에 있다.

본 발명에서는 인트라넷을 이용하여 그 환경에서 가동되는 터빈의 고온 부품의 잔여 수명 관리 시스템을 구축하였다.

즉, 이 잔여 수명 관리 시스템은 하나의 서버 시스템과 그 외 복수의 클라이언트 시스템으로 이루어지는데, 잔여 수명 평가나 수명 관리를 수행하는 프로그램은 서버 시스템에서 관리되고, 각 클라이언트 시스템은 그 데이터 베이스에 액서스 및 데이터 입력을 하기 위한 서브 프로그램을 갖는다.

또한, 기동 정지시의 부하 변동 패턴을 변화시킨 조건에서의 구조 해석 결과나 보수재의 수명 데이터 등은 이들을 전문으로 다루는 클라이언트 시스템에 부속된 데이터 베이스에 보관되고, 수명 관리에 필요한 데이터를 서버 시스템으로 전송하는 방식으로 되어 있다.

또한, 장수명화(長壽命化) 구조의 검토 등에 필요한 실기 필드 데이터를 이용한 역 문제 해석적 평가를 신속하게 수행할 수 있도록 정기 검사 결과 등의 손상 데이터 베이스와 구조 해석, 재료 데이터 베이스 등의 유기적 결합을 가능하게 하는 클라이언트 서버 방식의 시스템 구성을 채용하였다.

수명 관리는 각 부품의 균열 등의 손상 성장 평가를 바탕으로 실시되나, 손상 성장 평가시 연소 가스 온도나 난기(暖機) 온도, 기동 정지 1회당의 운전 시간 등 몇개의 운용 파라미터를 설정할 필요가 있다. 이들이 변화하면 부재에 생기는 응력이나 변형이 변화되고 손상의 성장 속도도 변화한다.

운용 파라미터의 변화에 따른 응력 등의 변화를 하나하나 자세히 해석하여 수명 평가를 수행하는 것은 상당한 시간을 요한다. 따라서, 미리 각각의 운용 파라미터를 변동시킨 조건에서 손상 성장 평가를 실시하여 운용 파라미터의 변동량과 손상 성장 속도의 관계를 구해둔다. 그 관계에서 각 운용 파라미터가 변동했을 때의 손상 성장 속도의 변화율을 기준이 되는 조건과 비교했을 때의 가속 계수 혹은 지수로 구한다. 그 가속 계수 혹은 지수를 이용하면 임의의 조건의 손상 성장 해석을 신속하게 수행할 수 있다.

또한, 상기 가속 계수는 실기의 정기 검사에서 얻어진 데이터의 회귀 해석 혹은 미리 운용 파라미터를 변동시킨 조건에서의 구조 해석에서 얻어진 응력, 변형을 이용하여 수행한 손상 해석 결과를 바탕으로 설정된다.

이상의 손상 성장 해석을 이용하면 보수나 교환 시기의 연장이 가능한 정도로 손상 성장 속도를 저하시킬 수 있는 운용 파라미터의 변경 및 그 변경에 의한 경제적인 효과의 획득 여부가 평가된다. 아울러, 보수 방법이나 코팅 시공으로 인한 손상 성장 속도의 변화도 위의 가속 계수와 동일하게 평가하여 보존하고, 정해진 운전 계획(DSS, WSS 등의 운용 모드, 검사 시기 등)중에서 경제적으로 가장 효과가 큰 보수 시기, 보수 방법, 코팅 시공 시기 혹은 검사 실시 시기의 변경 등이상기 손상 성장 분석을 복수회 실시함으로써 판단되어 표시된다.

또한, 코팅 효과를 평가할 때에는 코팅으로 인한 열 차폐 효과를, 구조 해석에 있어서 부재 표면의 열전달율을 변화시킨 조건에서 얻어진 응력이나 변형과, 손상 성장 해석으로 구해진 열 경계 조건과 부재 수명의 관계로 보존된 관계가 사용된다.

손상 성장 평가는 개개의 부품에 대하여 수행된다. 각 부품의 평가 결과는 각 부품의 배치도상에 나타내어진다. 따라서, 장치 관리자는 개개의 부품의 손상 상태를 용이하게 파악할 수 있다.

도1은 가스 터빈 발전 설비의 가스 터빈(1)의 수명 관리 시스템의 구성도를 나타낸 것이다. 본 시스템의 주기(主機)가 되는 서버 시스템(3)과 메인 데이터 베이스(4)를 중심으로 복수의 클라이언트 시스템(5a, 5b, 5c, 5d)이 네트워크 접속되어 있다. 각 클라이언트 시스템(5a, 5b, 5c, 5d)은 서버 시스템(3)을 액서스하기 위한 브라우저와 각각의 사용 목적에 따라 계산기나 데이터 베이스를 갖는다.

예를 들면, 운용 관리에 사용되는 클라이언트 시스템(5a)은 모니터링 장치(2)로부터 가스 터빈(1)의 운전 상태에 관한 데이터를 입력받아 브라우저를 통해 필요한 데이터를 서버 시스템(3)으로 전송하고, 그에 대한 수명 평가 결과나 최적 운용 스케쥴 등을 서버 시스템(3)으로부터 전달받게 된다.

보수 점검 클라이언트 시스템(5b)은 정기 검사시에 얻어진 각 부재의 손상 데이터가 입력되면 서버 시스템(3)과 이들 데이터를 주고 받으며 부품의 잔여 수명이나 보수, 교환의 판단을 수행한다. 잔여 수명 평가는 과거의 부재의 손상 데이터를 이용하여 통계 처리 등을 통해 손상 성장의 경향 해석을 수행하는 귀납적인 평가 방법과, 설계 조건이나 운용 데이터로부터 부재에 작용되는 응력과 변형을 구조 해석 등을 통해 평가하고 그에 의거하여, 예를 들면 파괴력학에 따른 균열의 성장 해석 등을 수행하는 연역적인 평가 방법이 병용된다.

후자의 연역적인 평가시 필요한 설계 조건이나 재료 데이터가 각각의 클라이언트 시스템(5c, 5d)에서 메인 데이터 베이스로 전송되어 평가가 수행되나, 그와 동시에 실기 손상 데이터에 의거한 설계 조건의 재검토를 위한 데이터 처리 등도 수행될 수 있다. 예를 들면, 고온 부품의 열 응력 해석시 그 해석 결과가 실기의 손상 분포와 같아지도록 열적 경계 조건(환경 온도, 열전달율 등)의 재검토 등이 수행된다.

이때에는 임의의 부품의 균열 발생 상황 등의 손상 조사 결과, 즉 균열 발생 위치나 그 길이가 그 부품의 도면상에 스케치된다. 다음에는 부품의 도면을 적당한 크기의 영역으로 분할하고, 각 부위의 균열 발생량에 따른 손상도의 콘투어 맵(contour map)가 작성되어 설계자 클라이언트 시스템(5c)으로 전송된다. 설계 조건의 재검토를 수행하는 작업자는 그 열 경계 조건 등의 설계 조건을 적절히 변경하여 응력 해석 결과가 상기 콘투어 맵에 가까워지도록 계산 조건을 재검토하고 응력을 재평가한다. 그 결과를 서버 시스템(3)으로 전송하면 잔여 수명 평가가 실시된다.

또한, 실기 검사때에 부품의 일부를 시험편으로 채취하고 그 파괴 시험 또는 시험편을 채취하지 않고 부품의 비파괴 검사를 수행하여 부품의 퇴화 정도(degradation degree)를 평가하는 경우가 있다. 그 실험 결과는 재료 클라이언트 시스템(5d)으로부터 입력된다. 시험 결과가 재료 데이터 베이스(6)에 보존된 데이터와 비교되어 부품의 잔여 수명이 평가되며, 그 결과는 서버 시스템(3)으로 전송된다.

본 잔여 수명 관리 시스템에 있어서, 상기된 귀납적인 평가 방법은 경향적 잔여 수명 평가, 연역적인 평가 방법은 해석적 잔여 수명 평가, 실기 혹은 그 채취재의 파괴·비파괴 시험에 의한 평가법은 파괴·비파괴적 잔여 수명 평가라 불린다. 실제의 잔여 수명 평가는 이들을 통합하여 이루어진다. 도2는 그 통합적인 잔여 수명 평가에 있어서의 데이터 흐름을 나타낸 것이다. 손상의 성장에 대한 평가는 경향적, 해석적 잔여 수명 평가의 양자로 수행된다. 경향적 평가는 클라이언트2로부터 실기의 손상 데이터가 서버 시스템(3)으로 전송되면 그곳에서 수행된다. 해석적 평가도 클라이언트3으로부터 구조 해석의 결과가 서버 시스템(3)으로 전송되면 그곳에서 수행된다. 양자의 평가 결과에 차이가 생겼을 때에는 상기된 클라이언트 시스템(5c)과 서버 시스템(3)의 데이터 주고 받기로 구조 해석의 조건이 재검토되며 해석적 평가가 재연산된다.

이상에 의해 손상의 성장 평가가 수행된다. 파괴·비파괴 평가에서는 클라이언트 시스템(5d)에서 평가된 재료의 열화도를 이용하여 손상의 한계치를 서버 시스템(3)에서 평가한다. 이들을 이용하여 통합적인 잔여 수명 평가가 실시되고, 그 결과는 운용 관리 클라이언트 시스템(5a)으로 전송된다. 이 평가 방법의 개념을 그래프적 수법으로 도시한 것이 도3이다.

본 수명 관리 시스템에서 서버 시스템(3)은 워크 스테이션 등 비교적 대형의 계산기가 되나, 클라이언트 시스템(5a, 5b, 5c, 5d)은 인트라넷 접속되는 일반적인 퍼스널 컴퓨터로 구동하기 때문에 컴퓨터에 대한 특별한 지식이 없어도 시스템을 이용할 수 있다.

이하에 가스 터빈 고온 부품인 정익을 중심으로 본 발명의 실시예를 나타낸다. 도4는 가스 터빈의 고온 가스 유로를 나타낸 도면으로, 연소기 라이너(7a), 연소기 트랜지션 피스(7b), 초단 정익(8a), 초단 동익(9a) 등이 고온 부품이 된다. 초단 정익은 연소기 출구의 직후에 위치하기 때문에 터빈부에서 가장 고온에 노출되는 부품으로, 기동 정지에 동반되는 부재 온도의 변동으로 인한 열피로에 의해 표면에 열피로 균열이 발생되는 사례가 보고되고 있다.

따라서, 정기적으로 보수가 수행되고 있는데, 고온 부품중에서도 잔여 수명화 기술의 고도화나 수명 관리의 필요성이 높은 부품이다. 도5는 가스 터빈의 기동 정지에 동반되는 연소 가스 온도의 변동 패턴의 일예를 나타낸 것이다. 이 조건에서 가스 터빈의 초단 정익의 열응력 해석을 수행한 결과의 예로, 도6의 상단에 나타낸 가스 터빈의 초단 정익의 앤드 월(end wall)(부위A) 및 익후연부(부위B)에 서의 온도-변형의 히스테리시스를 중단과 하단에 표시했다. 상기된 연역적 방법에서는 이 구조 해석 결과를 이용하여 부재의 수명이 평가된다. 이하 (1), (2)에 그 평가 수법의 예를 나타낸다.

(1) 도6에 도시된 것처럼 구조 해석 결과로부터 변형 범위를 산출한다. 사이클중 최고 온도에서 그 변형을 반복하여 부하했을 때의 피로 수명(Nf)을 구하고, 그 역수(1/Nf)를 피로 손상(Df)으로 한다.

다음에는 정상 운전시의 응력과 온도를 구한다. 이 기간에는 기동에서 정상 운전에 이르는 기간에 발생된 열 변형이 유지되는 상태가 되고, 크리프에 의해 응력 완화가 생긴다. 이 응력 완화 거동을 재료의 크리프 변형식에서 추정하여 다음 식을 통해 크리프 손상을 계산한다

…(수식1)

여기서, t_R은 재료의 크리프 파단 수명으로, 작용 응력과 온도에 따라 변화한다. 이들 데이터는 재료 데이터 베이스에서 입수되며 평가에 이용된다. 실제로는 응력 완화 곡선을 구하고 정상 운전 기간을 미소 구간으로 분할하되, 각각의 구간은 응력이 일정하다고 가정하여 각각의 구간의 크리프 손상을 (수식1)과 같은 형식으로 구한 후, 그것을 합친 것이 기동 정지 1회당의 크리프 손상(Dc)으로 구해진다.

이와 같이 구한 피로 및 크리프 손상을 더한 것이 기동 정지 1회당의 손상치이며, 그것이 별도로 정해진 상한가에 도달하는 기동 정지 횟수가 부재의 수명으로 판단된다. 그러나, 그 상한치는 일반적으로 실험으로 얻어진 시험편의 수명에 의거해서 결정되는데, 그것은 시험편 직경 정도의 균열 발생 수명에 대응한다. 그러나, 가스 터빈 정익에서는 그것보다 긴 균열을 허용하는 경우가 많기 때문에 위의 수법은 과도하게 안전측 평가가 되는 경우가 있다.

(2) 임의의 적당한 초기 균열 길이를 설정하고, 그에 대한 파괴역학 파라미터(반복 J적분 범위, 응력 확대 계수 범위 등)를 계산한다. 파괴역학 파라미터는 부재 형상이나 균열의 모델화등에 의해 그 계산식이 변화되기 때문에 몇개의 대표적인 모델에 대한 계산 프로그램이 시스템내에 보존된다. 그에 의해, 예를 들면 반복 J적분(△ J_f)이 산출되었다고 하자. 다음에는 균열 진전 속도가 다음 식에 의해 산출된다.

da / dN = C (△ J_f)^m…(수식2)

이 균열 진전 속도가 부하 1회당의 균열 진전량으로 판단되므로, 이를 상정한 초기 균열 길이에 더한 것이 기동 정지 1회 후의 균열 길이가 된다. 이것을 초기 균열 길이로 치환하여 동일한 계산을 반복해서 수행하면 균열의 성장이 예측된다. 이 경우의 수명은 균열이 있는 한계 길이에 달하기까지의 기동 정지 횟수가 된다.

상기된 수법을 실제로 적용하려면 기동 및 정지시의 가스 온도의 변동 속도나 사용 환경의 효과 등을 고려할 필요가 있다. 이러한 것들을 실험적으로 구하기 위해서는 다수의 시험을 수행할 필요가 있으며, 또한 실기 조건을 포락(包絡)한 조건으로 시험을 수행하는 것이 곤란한 경우가 많다. 따라서, 본 시스템의 해석적 잔여 수명 평가에서는 도7에 도시된 플로어로 손상 평가를 수행한다. 예를 들면, 설계 조건 등의 표준적인 조건으로 손상 평가를 수행하고, 그에 대하여 수명에 영향을 주는 인자의 효과를 나타내는 계수나 지수를 손상 성장 속도의 가속 계수로 도입하여 대상이 되는 조건에서의 손상을 평가한다.

도7의 손상 해석 프로그램내에 나타낸 D₀및 C, m은 표준 조건에서의 손상치 또는 균열 진전 특성의 계수, 지수이고, 계수 K₁, K₂…, C₁, C₂…는 각 인자의 효과를 나타내는 계수이다. 이들 계수는 실험 데이터나 그 인자를 파라미터로 변화시켜서 수행한 구조 해석 또는 실기 손상 데이터를 이용하여 구해지는데, 메인 데이터 베이스(4)에 보존된다. 도7에 도시된 운전 이력 데이터 및 손상 이력 데이터는 모니터링 장치(2) 및 보수 점검 클라이언트 시스템(5b)으로부터 서버 시스템(3)으로 전송된다. 또한, 필요한 재료 데이터는 메인 데이터 베이스(4)로부터 서버 시스템(3)으로 전송된다. 이들 데이터를 이용하여 도7에 도시된 플로어로 평가가 수행된다.

상기된 계수 K₁, K₂…, C₁, C₂…등의 도출 방법을 이하에 설명한다. 도8에 일예로 난기 온도(T_W)를 변화시켜 구조 해석을 수행한 결과를 나타내었다. 난기 온도를 낮게 하면 기동시의 발생 변동이 저하되고 손상 성장이 늦어질 것으로 예상된다. 이 해석 결과를 바탕으로 손상 성장 속도가 해석적 잔여 수명 평가와 동일한 방법으로 구해지고 난기 온도의 효과를 나타내는 계수가 평가된다. 실제로는 실기 데이터와 대응되도록 도9에 도시된 것과 같은 모양으로 계수가 결정된다.

도9는 횡축을 난기 온도, 종축을 손상치로 설정한 것으로, 도면중의 실선이 구조 해석 결과로부터 상기1) 또는 2)의 방법을 통해 얻어진 난기 온도와 손상치의 관계를 나타낸 것이다. 상기 도면에 난기 온도가 서로 다른 가스 터빈에서 얻어진 손상 데이터를 플롯하여 양자가 임의의 오차 범위에서 일치하도록 해석 결과의 재검토를 수행한다. 기동 정지 1회당의 운전 시간에 대해서는 도10, 도11에 실기에서 관찰된 균열의 성장 거동을 나타냈는데, DSS나 WSS 등의 운용 모드에 따라 손상의 성장이 크게 달라진다.

그에 대해서, 예를 들면 도12에 도시된 균열 진전 속도와 부하 주파수의 관계에서 운전 시간의 효과가 추정된다. 도12는 정익재의 균열 진전 시험 결과에 의해 얻어진 것이다. 부하 주파수는 기동 정지 1회당의 운전 시간의 역수로 판단되므로, 부하 주파수가 작아지는 것은 기동에서 정지까지의 기간이 길어지는 것에 대응된다. 이들 데이터의 근사식을 작성하면 운전 시간의 효과를 나타내는 계수가 구해진다. 도12에서 구해진 계수는 상기 2)의 손상 평가 방법에 그대로 적용할 수 있으나, 1)의 수법의 경우에는 이들 계수를 이용하여 수행한 균열 진전 해석 결과로부터 도13과 같은 수명과 기동 정지 횟수 1회당의 운전 시간의 관계를 구하고, 그것을 정식화하여 적용한다.

실제로는 난기 온도 이외의 인자도 영향을 주기 때문에 도9나 도12에 플롯된 실기 데이터는 분산된다. 따라서, 고려할 필요가 있는 인자 모두에 대하여 도9와 동일한 모양의 그래프를 작성하여 회귀 분석을 수행한다. 즉, 각 인자의 계수의 산출식에 포함되는 계수, 지수(도7의 k₁, m₁, c₁등)를 변화시켜 데이터 피팅을 수행하고, 평가 결과가 소정의 정해진 분산 범위내가 되도록 계수, 지수를 결정함으로써 각 계수가 결정된다.

이상에서는 현재 있는 부품의 손상 평가를 수행하는 경우의 실시예를 기술했으나, 본 수명 관리 시스템을 이용하여 각 부품의 연명화를 검토하는 경우에 그 효과를 산출하는 예를 이하에 나타낸다. 도14는 부재 표면에 열차폐 코팅을 실시한 조건에서 열 응력 해석을 수행하여 발생될 변형을 구한 결과이다. 코팅에 의해 부재 온도가 저하되고 발생될 변형도 저하되는 것을 알 수 있다. 이 결과에 대하여 상기 (1)의 평가 수법으로 손상 평가를 수행한 결과를 도15에 나타내었다. 코팅 시공에 의해 크리프 손상이 약 6할로 저하되는 것을 알 수 있다. 이 결과에서 코팅을 통한 부품 연명화로 인한 코스트 저감량과 코팅에 필요한 코스트중 어느 쪽이 큰가를 통해 코팅 시공을 실시할 것인지를 판단할 수 있다.

실제로는 코팅뿐만 아니라 보수나 기동 정지 패턴의 변화 등도 연명화 방법을 통해 판단할 수 있다. 본 시스템에 포함되는 그 평가 플로어를 도16에 나타내었다. 잔여 수명 평가 장치(10)까지의 플로어는 상기된 내용과 동일하며, 보수 점검 클라이언트 시스템(5b)으로부터 입력된 점검 결과를 바탕으로 서버 시스템(3)에서 평가가 수행된다. 그 결과를 바탕으로 보수가 필요한 시점에서 후보인 몇 개의 보수 방법과 열차폐 코팅(TBC) 시공을 적용했을 때의 수명 연신율 및 그에 필요한 코스트를 보수 공정에 관련된 데이터 베이스(12)를 이용하여 장수명화 수법의 판정 장치(11)가 판단한다.

이 데이터 베이스(12)와 판정 장치(11)는 메인 데이터 베이스(4) 및 서버 시스템(3)에 포함된다. 그 판단 결과와 교환 예정시의 잔존 수명을 고려하여 단위 시간당의 운용 코스트가 가장 작은 보수 방법 및 보수 시공 시기가 선정되고, 운용 관리 클라이언트 시스템(5a)으로 전송된다.

보수 공정에 관한 데이터 베이스(12)에 포함되는 데이터로는, 예를 들면 도17에 도시된 것처럼 실기에서 실제로 사용된 보수재의 균열 등의 손상 성장 데이터와 실험적으로 얻어진 보수재의 수명 저하율이 있다. 보수에 의한 수명 저하율이 보수량에 따르지 않는 경우에는 그 값이 그대로 보관되나, 보수량에 따라 변화하는 경우에는 이후의 평가를 간단하게 하기 위하여 도18에 도시된 것처럼 보수전의 균열 등의 손상량과 보수후의 수명 저하율의 관계로 보관된다.

또한 균열 전진 특성에 대해서는, 도19에 도시된 것처럼 각 보수 공법마다의 파괴역학 파라미터(반복 J적분 등)와 균열 진전 속도의 관계를 실험적으로 구한 것이 보관된다. 모재의 데이터를 이들 보수재의 데이터로 치환하여 상기 (1) 또는 (2)의 평가 수법을 수행하면 보수된 고온 부품의 잔여 수명 평가가 수행된다.

평가를 수행할 때의 응력치의 추정은, 미리 작용 응력을 변화시킨 해석을 수행하고 얻어진 결과를 도20에 도시된 것처럼 동일한 기동 정지 횟수에서의 작용 응력과 균열 길이의 관계로 보관하며 보수시의 균열 길이로 작용 응력의 추정을 수행한다. 이것은 실기의 부품 하나 하나의 손상도의 분산을 구조 해석에서 고려하는 것이 현실적으로는 곤란하기 때문에 이와 같은 관계를 별도로 구해 두면 간이적인 평가가 가능하다.

이와 같이 추정된 작용 응력은 보수후의 균열 전진 해석에 이용된다. 도21은 그 평가법을 도시한 것으로, 보수후에 예정된 다음의 정기 검사 또는 교환까지의 기동 정지 횟수 후의 균열 길이가 작용 응력에 의해 어떻게 변화할지를 도19의 관계를 이용하여 균열 전진 해석을 수행하여 구한 것이다. 이것에 도20에서 구한 작용 응력을 부여하면 각 보수 공법을 적용한 경우의 균열 진전량이 추정된다. 그 결과로 어느 보수 공법을 적용할지 판단할 수 있다.

코팅 시공에 대한 효과에 대해서는, 부재 온도가 변화함에 따라 도22에 도시된 것처럼 보수의 경우와는 다른 플로어로 평가가 수행된다. 수명 연산기(13)는 도7의 손상 해석 프로그램과 동일한 연산을 수행하는 장치이나, 그에 입력되는 데이터는 구조 해석에서 열적 경계 조건을 변화시켜 수행한 해석 결과를 바탕으로 작성된 데이터 베이스(14)로부터 주어진다. 이 데이터 베이스(14)는 설계 클라이언트 시스템(5c)에서 수행된 구조 해석 결과로 구성되고, 서버 시스템(3)을 통해 메인 데이터 베이스(4)상에 보존된다. 수명 평가는 서버 시스템(3)에서 실행되고, 그 결과는 수명 연신율로 표시된다. 또한, 코스트를 고려하여 보수의 경우와 마찬가지로 단위 시간당의 운용 코스트가 최소가 되는 코팅 시공 시기나 코팅 시공 부위가 결정된다.

열 경계 조건-작용 응력 데이터 베이스(14)에 입력되는 데이터를 산출하기 위한 구조 해석에서 실제로 부재 표면에 매우 얇은 코팅층을 모델화하여 구조 해석을 수행하는 것은 많은 시간을 필요로 하기 때문에 이하에 나타내는 수법으로 코팅의 열차폐 효과를 열전달율의 변화로 치환하여 계산을 수행한다.

도23에 코팅 부재의 단면의 모델도를 나타내었다. 열전도 계산에서 단면을 통과하는 열량은 다음 식으로 주어진다.

…(수식3)

ℓ_C, λ_C는 각각 코팅층의 두께 및 열전도율이다. 이로부터 코팅층을 다음 식을 통해 그와 등가인 열전달 경계로 다룰 수 있다.

…(수식4)

ℓ_C, λ_C를 적당하게 변화시켜 얻어지는 h'를 이용하여 열응력 해석을 수행하고, 발생 응력에 대한 코팅의 효과는 구조 해석에 의해 평가된다. 그 결과는 도24, 도25에 도시된 것처럼 부재 온도와 열전달율, 작용 응력과 부재 온도의 형식으로 데이터 베이스(14)에 보관된다. 이들의 관계는 부위에 따라 다르므로 평가가 필요한 부위마다 데이터가 축적된다.

이들 관계를 바탕으로 작용 응력이 저하된 경우의 균열 전진 해석을 상기 (2)의 평가 수법으로 수행하며, 도26에 도시된 것처럼 얻어진 균열 진전 수명과 열전달율의 관계를 각 부위마다 정해두고, 이를 이용하여 코팅에 의한 수명 연신율을 평가한다.

이상의 수명 연신율의 평가에 코스트를 고려하여 코팅 시공이 유효한지 판단한다. 이 연산기(15)도 서버 시스템(3)내에 존재하는데, 메인 데이터 베이스(4)에 기억되는 코스트 데이터 베이스(16)에서 데이터를 입수하여 평가를 수행한다. 그 평가예를 도27에 나타내었다. 또한, 보수 공법의 선정에 대해서도 도27과 동일한 판단 방식으로 평가가 수행된다. 정해진 보수 간격으로 운용이 수행되는 경우에 도27(a)와 같이 보수에서 보수까지의 각 기간내에 균열 등의 손상치가 한정치를 넘지 않는다고 평가되는 경우에는 코팅이 필요 없다고 판단한다. 단, 파선으로 나타낸 것처럼 코팅을 통한 수명 연신에 의해 보수를 1회 실시하지 않아도 수명을 확보할 수 있다고 평가되는 경우에는 그 뜻이 표시된다.

보수의 간격을 변경하지 않는 경우에는 이것으로 평가가 종료되나, 변경할 수 있는 경우에는 도27(b), (c)에 도시된 것처럼 예정된 보수시에 코팅 시공을 수행하였을 때의 손상 성장 해석을 수행하고, 그 조건에서 최적이 되는 보수 시기를 구한다. 실제로는 서로 다른 보수 공정을 적용한 조건에서 동일한 해석을 수행하며, 도27에 도시된 손상 성장 곡선이 생각할 수 있는 모든 운용 스케쥴에 대하여 얻어진다.

이들 결과에 보수 및 코팅에 필요한 코스트, 교환시의 잔존 수명을 코스트로 변환한 것을 더하고 그것을 운전 시간으로 나눈 값이 작은 순서로 운용 스케줄을 표시하는데, 가스 터빈의 운용 관리자는 그것을 바탕으로 어느 스케쥴을 채용할지판단하게 된다.

실기에서는 복수의 동일한 부품이 1대의 가스 터빈에 동시에 사용되는데, 그들의 손상 성장 속도는 분산된다. 따라서, 모든 부품에 대하여 손상 조사가 수행되며 데이터가 채취된다. 그 결과는, 예를 들면 정익의 경우에는 도28에 도시된 것처럼 부품의 실제 배치도에 대응되게 링형의 분포도로 색 또는 숫자로 손상도가 표시된다. 그중에서 색이 옅은 부분은 손상이 작은 부분이고, 색이 진한 부분일수록 손상이 큰 것으로 대응된다.

또한 일정 기간 운용후의 예측 손상치도 표시되고, 보수나 코팅 시공이 필요한 부품에 대해서는 그 시기가 표시된다. 그 결과를 바탕으로 보수 등을 수행하는 부품이 특정화된다. 따라서, 보수시의 작업량이 저감되고 코스트 저감에 기여할 수 있다.

본 수명 관리 시스템을 채용하면 잔여 수명 평가에 필요한 실기 손상, 설계, 재료 등의 각 요소 데이터를 목적이 서로 다른 클라이언트가 공유함에 따라 평가에 요하는 기간을 단축할 수 있다. 또한, 평가된 부품의 손상도를 바탕으로 운용의 최적화를 수행할 수 있으며, 운용 코스트의 저감에 기여할 수 있다.

본 발명의 수명 관리 시스템은 가스 터빈의 고온 부품의 수명 관리에 이용 분야가 있다.

Claims (11)

1. 가스 터빈의 연소 가스의 유로에 배치된 상기 가스 터빈을 구성하는 부품의 수명을 관리하는 시스템에 있어서, 상기 가스 터빈의 운용 관리, 보수 점검, 설계, 재료 데이터용 각 클라이언트 시스템과 그들을 통합하며 시스템 전체의 데이터 베이스를 관리하는 서버 시스템으로 구성하되, 상기 각 클라이언트 시스템에는 상기 데이터 베이스를 액서스하고 데이터 입력을 수행하기 위한 기능이 설정되어 있으며, 수명 관리에 필요한 해석을 수행하는 프로그램이 상기 서버 시스템에 보관되고, 상기 각 클라이언트 시스템과 상기 서버 시스템이 인트라넷 접속된 것을 특징으로 하는 가스 터빈의 고온 부품의 수명 관리 시스템.
2. 제1항에 있어서, 가스 터빈의 운용 패턴을 모니터링하는 장치와 상기 가스 터빈의 운용 파라미터와 상기 가스 터빈의 부품 손상도 또는 손상 성장 속도의 관계를 저장하는 데이터 베이스와 모니터링된 운용 패턴으로부터 상기 부품의 손상 성장을 해석적으로 예측하는 연산기를 가지며, 상기 부품의 손상 데이터와 상기 가스 터빈의 운전 이력에 대응하는 상기 운용 파라미터의 손상 성장 속도에 대한 효과를 나타내는 계수와 지수를 산출하고, 그것을 손상 성장의 가속 계수로 하여 상기 연산기로 실행되는 손상 성장의 해석에 적용하여 연산을 수행하며, 상기 부품의 손상도 및 잔여 수명 또는 다음 점검시의 손상량을 산출하여 표시하는 수단을 구비하는 것을 특징으로 하는 가스 터빈의 고온 부품의 수명 관리 시스템.
3. 제2항에 있어서, 가스 터빈 부품의 손상 데이터 베이스에 운용 조건이 서로 다른 상기 가스 터빈의 기동 정지 횟수와 상기 부품의 손상도의 관계를 이용하여 회귀 분석을 수행하여 구한 상기 가스 터빈의 운용 파라미터에서의 상기 부품의 수명 또는 손상 성장 속도에 대한 효과를 나타내는 계수나 지수를 저장하고, 손상 평가를 수행할 때에 인출하여 사용 자재하는 것을 특징으로 하는 가스 터빈의 고온 부품의 수명 관리 시스템.
4. 제2항에 있어서, 변경 가능한 운용 파라미터에 대한 손상 성장의 감도 해석을 수행하여 각 부품의 수명 연신율을 산출하는 수단과, 주어진 운용 스케쥴에 대한 부품 교환 예정시의 잔여 수명이 최소가 되는 운용 파라미터의 변경 혹은 운용 스케쥴의 변경을 산출하는 수단을 구비하는 것을 특징으로 하는 가스 터빈 고온 부품의 수명 관리 시스템.
5. 제2항에 있어서, 가스 터빈 부품의 손상 데이터 베이스에 각 운용 파라미터를 변경시켰을 때에 가스 터빈 부품에 작용하는 응력이나 변형 또는 부품 온도의 변화를 바탕으로 상기 부품의 손상 성장을 해석하여 상기 각 운용 파라미터에서의 부품 수명 또는 손상 성장 속도에 대한 효과를 나타내는 계수나 지수를 미리 정하여 저장하고, 손상 평가를 수행할 때에 인출하여 사용 자재하는 것을 특징으로 하는 가스 터빈의 고온 부품의 수명 관리 시스템.
6. 제2항에 있어서, 공용중인 부품에 생기는 손상에 대응하는 보수 공법과 이들 보수 공법을 적용했을 때의 수명 연신율 및 코스트에 관한 데이터 베이스를 가지며, 상기 데이터 베이스의 데이터로부터 가스 터빈의 부품의 손상도에 대응하는 정해진 운용 스케쥴과 코스트에 관한 요구를 만족하는 보수 공법을 판정하는 수단을 갖는 것을 특징으로 하는 가스 터빈의 고온 부품의 수명 관리 시스템.
7. 제2항에 있어서, 손상 성장 해석을 수행하는 연산기를 통해 가스 터빈 부품의 점검 시기와 그 부품의 손상도의 관계를 구하고, 그것과 각 보수 공법을 적용했을 때의 수명 연신율 및 코스트에 관한 데이터 베이스를 이용하여 단위 운전 시간당의 코스트가 최소가 되는 점검 시기를 판정하여 표시하는 수단을 구비하는 것을 특징으로 하는 가스 터빈의 고온 부품의 수명 관리 시스템.
8. 제6항에 있어서, 열적 경계 조건을 변화시킨 구조 해석을 통해 미리 구한 가스 터빈 부품의 부재 표면에 열차폐 코팅을 시공했을 때의 온도와 응력의 저하량과, 그것을 바탕으로 손상 성장 해석을 수행하여 구한 상기 열차폐 코팅에 의한 장수명화율과, 그것과 상기 열차폐 코팅에 관한 코스트의 각 데이터로부터 상기 열차폐 코팅의 시공에 의해 단위 운전 시간당의 코스트가 저하되는지 판정하거나 또는 코스트가 저감되는 코팅 시공 시기를 구하는 소정의 수단을 갖는 것을 특징으로 하는 가스 터빈의 고온 부품의 수명 관리 시스템.
9. 제6항에 있어서, 실험 혹은 손상 성장 해석의 결과로 얻어진 보수전의 손상도와 보수후의 수명 저하율의 관계를 데이터로 보존하는 데이터 베이스와, 이 데이터를 수명 관리할 때의 데이터로 데이터 베이스로부터 취출 자재하는 것을 특징으로 하는 가스 터빈의 고온 부품의 수명 관리 시스템.
10. 제8항에 있어서, 열차폐 코팅의 열차폐 효과를 열전달율의 변화로 치환하여 구조 해석을 수행하여 열전달율이나 경계 온도 등 열 경계 조건과 발생 응력 및 부재 수명의 관계를 구하여 데이터로 보존하는 데이터 베이스와, 이 데이터를 수명 관리할 때의 데이터로 데이터 베이스로부터 취출 자재하는 것을 특징으로 하는 가스 터빈의 고온 부품의 수명 관리 시스템.
11. 제1항 내지 제10항중 어느 한 항에 있어서, 가스 터빈의 각 부품의 배치도를 표시하고, 그에 각 부품의 손상도 및 잔여 수명을 합쳐서 표시하는 동시에 다음에 예정된 점검시에 예상되는 손상도로부터 손상 조사의 중요도를 미리 주어진 기준에 의해 판단하여 표시하는 수단을 구비하는 것을 특징으로 하는 가스 터빈의 고온 부품의 수명 관리 시스템.