KR20010091575A

KR20010091575A - 금속조직 복제장치

Info

Publication number: KR20010091575A
Application number: KR1020000013414A
Authority: KR
Inventors: 하정수; 송기욱; 장성호
Original assignee: 이종훈; 한국전력공사
Priority date: 2000-03-16
Filing date: 2000-03-16
Publication date: 2001-10-23
Also published as: KR100338411B1

Abstract

본 발명은 원격위치에서 금속표면의 조직을 정확하고 안정적으로 복제하여 그것의 수명을 정확히 측정할 수 있는 금속조직 복제장치를 제공한다. 그 복제장치는 레일에 이동가능하게 삽입되는 T형 슬롯이 형성된 베드(10); 일측이 하우징(14)에 의해 지지되어 고정볼트(16)에 의해 상기 베드(10)에 고정되고, 타측이 상기 하우징(14)과 일정간격을 두고 설치된 베어링(20)에 의해 이동가능하게 지지되어 고정볼트(18)에 의해 베드(10)에 고정되며, 구동축(13)을 구비하는 모터(12); 상기 모터(12)의 구동축(13)에 회전가능하게 고정되는 내측터릿(30)과, 상기 내측터릿(30)과 일체로 형성되며 복제될 금속표면에 단계적으로 접촉되는 복수개의 로테이터(36)가 회전가능하게 설치된 외측터릿(32)을 구비하는 터릿장치(26); 및 상기 모터(12)의 구동축(13)에 선택적으로 치합가능하며 상기 각각의 로테이터(36) 중 하나의 로테이터와 치합되어 그 로테이터(36)를 회전구동시키기 위한 헤리컬 베벨기어(46)를 구비하는 회전장치(44)로 구성된다.

Description

금속조직 복제장치{SYSTEM FOR REPLICATING TISSUE OF METAL}

본 발명은 금속조직 복제방법 및 그 복제장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 제한적이진 않지만, 발전용 터빈로터의 보어와 같이 접근하기 곤란한 부위를 원격위치에서 자동으로 복제하여 수명을 평가할 수 있는 금속조직 복제장치에 관한 것이다.

일반적으로 전기를 공급하는 발전소에는 공급할 전기를 생산하기 위한 여러 가지 장치 또는 시스템이 설비되어 있다. 이 같은 설비들 중 하나의 장치로서 터빈로터가 있으며, 이 터빈로터는 약 540℃의 고온 및 약 180kg/cm²의 고압의 운전조건에서 약 3600rpm의 고속으로 회전하는 핵심설비 중 하나이다. 또한, 이 같은 터빈로터를 제조하는데는 긴 시간 및 고가의 비용이 소요되고 있다. 이에 따라, 경비의 절감, 성능저하의 방지 및 발전소 내에서의 사고예방을 위해 적절한 수명관리 및 정밀진단을 실시하고 정확한 수명의 평가를 위한 많은 연구가 진행되고 있는 추세에 있다.

이와 같은 터빈로터의 경년열화도를 진단하여 수명을 평가하는 기술로서는파괴적인 방법, 컴퓨터를 이용한 해석적 방법, 비파괴적인 방법 등이 있다.

금속표면 복제방법을 도 1을 참조로 하여 개략적으로 설명하면, 먼저 예컨대 터빈로타 중 취약부위에서 시편을 절단하여 채취한 후 예컨대 플래퍼 휠(flapper wheel)에 #50, #120, #320의 연마제를 각도를 달리하여 장착한 후 기계적으로 연마한다. 이와 같이, 연마된 표면에 스크래치(scratch) 없이 연마가 양호하게 처리되면 이동형 폴리싱 장비에 다이아몬드 페이스트(paste)를 묻혀 6μm, 3μm, 1μm의 순으로 연마하여 그 표면상태를 매끄럽고 깨끗하게 한다. 이러한 연마절차가 완료되면 표면의 부식처리를 실시한 후, 부식된 표면에 레프리카와 같은 복제필름(2)을 부착하여 이를 복제해 낸다. 이렇게 복제된 필름(2)을 슬라이드 유리판에 부착한 후 금속현미경 또는 전자현미경으로 관찰함으로써, 수명을 평가할 수 있는 것이다. 이러한 금속조직 관찰을 통하여 수명을 평가할 때는 다음의 식과 같은 A-매개변수법을 사용하고 있다. 즉,

A = 1 - (1 - t/tr)^(λ-1)nλ

식중 λ는 파단시 변형률 과 이차변형률의 비이고, n은 크리프 상수이며, tr은 파단시간이고, t는 잔존시간 이다.

최종적으로, 식(1)에서 구한 A값을 도 2의 그래프와 같이 나타냄으로써 수명을 평가할 수 있는 것이다.

그러나, 이와 같은 매개변수를 이용하여 수명을 평가하기 위해서는 양질의 금속조직의 복제가 요구되고 있다. 그러나, 발전소와 같은 현장에서, 특히 복잡한구성의 터반로터의 조직복제는 안전성이나 작업성 때문에 많은 제약을 받기 쉬우며 분진 등의 혼입을 방지해야 하는 어려움이 있다.

또한, 시험편을 직접 채취해야 하는 어려움이 있어 일반적으로 수명이 다하거나 고장이 심한 경우에 주로 최종적인 방법으로만 이용해야 하며, 또한 시험자 또는 작업자가 접근할 수 있는 부위만을 제한적으로 검사해야 하는 문제점이 있다.

한편, 컴퓨터를 이용한 해석적인 방법은 필요할 때 마다 또는 정기적으로 실행할 수 있으나 불확실성이 많고 정확성이 낮아 이를 보완해야 하는 문제점이 있다.

또한, 초음파 검사와 같은 비파괴 검사방법은 기공(cavity) 및 미소 균열(micro crack) 등과 같은 손상과 열화 정도를 측정할 수 없으므로 정확한 평가를 수행할 수 없는 문제점이 있다.

이에 본 발명은 상술된 문제점들을 해결하기 위해 발명된 것으로서, 본 발명의 목적은 장치의 수명을 측정하기 위해 작업자 또는 실험자가 원격위치에서 금속조직을 복제할 수 있는 금속조직 복제장치를 제공하는데 있다.

본 발명의 다른 목적은, 해당부위의 기공 및 미소 균열 등의 손상과 열화 정도를 정확히 평가할 수 있는 금속조직 복제장치를 제공하는데 있다.

본 말명의 또 다른 목적은, 해당부위로부터 시료를 절단하여 채취함이 없이 해당부위의 표면을 연마 및 복제하여 검사 및 분석할 수 있는 금속조직 복제장치를 제공하는데 있다.

또한, 본 발명의 다른 하나의 목적은 금속조직 복제장치를 이용한 금속조직 복제방법을 제공하는데 있다.

도 1은 금속의 표면복제 방법을 단계별로 보여주는 공정도.

도 2는 금속조직 복제방식에 의해 평가된 수명을 보여주는 그래프.

도 3은 금속조직 복제장치의 전반적인 구성을 보여주는 측면도.

도 4는 도 3의 복제장치의 터릿장치를 상세히 보여주는 평면도.

도 5는 도 4의 터릿장치를 상세히 보여주는 단면도.

도 6은 도 3의 복제장치에 부속되는 장치들을 보여주는 단면도.

도 7은 도 3의 복제장치의 부분확대 종단면도.

도 8은 도 3의 복제장치의 부분확대 횡단면도.

♣ 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 ♣

10: 베드 12: 모터

13: 구동축 14: 하우징

16,18,25: 고정볼트 20: 베어링

22: 스프링 24: 스토퍼

26: 터릿장치 28: 고정너트

30: 내측터릿 32: 외측터릿

34: 체결너트 36: 로테이터

40: 헤리컬 베벨기어 42: 고무판

44: 회전장치 46: 헤리컬 베벨기어

이 같은 목적들은 작업자의 접근이 곤란한 부위의 금속조직을 복제하여 해당부위의 수명을 평가하기 위한 금속조직 복제장치에 있어서, 레일에 이동가능하게 삽입되는 T형 슬롯이 형성된 베드; 일측이 하우징에 의해 지지되어 고정볼트에 의해 상기 베드에 고정되고, 타측이 상기 하우징과 일정간격을 두고 설치된 베어링에 의해 이동가능하게 지지되어 고정볼트에 의해 베드에 고정되며, 구동축을 구비하는 모터; 상기 모터의 구동축에 회전가능하게 고정되는 내측터릿과, 상기 내측터릿과 일체로 형성되며 복제될 금속표면에 단계적으로 접촉되는 복수개의 로테이터가 회전가능하게 설치된 외측터릿을 구비하는 터릿장치; 및 상기 모터의 구동축에 선택적으로 치합가능하며 상기 각각의 로테이터들 중 하나의 로테이터와 치합되어 그 로테이터를 회전구동시키기 위한 헤리컬 베벨기어를 구비하는 회전장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 금속조직 복제장치에 의해 달성될 수 있다.

이하, 본 발명에 따른 금속조직 복제장치 및 그 금속조직 복제장치를 이용한 금속조직 복제방법을 첨부도면을 참조로하여 상세히 설명한다.

먼저, 도 3 및 도 4에 도시된 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 금속조직 복제장치에 의하면, 금속조직 복제장치는 예컨대 T형 슬롯이 형성된 베드(10)를 구비한다. 베드(10)에는 동력을 발생시키기 위한 모터(12)가 설치된다. 모터(12)는 하우징(14)에 의해 지지되어 고정볼트(16)에 의해 베드(10)에 고정된다. 또한, 모터(12)의 일측 둘레에는 하우징(14)과 일정간격을 두고 설치되고, 역시 고정볼트(18)에 의해 베드(10)에 고정되며, 모터(12)가 일정범위내에서 이동가능하도록 그 모터(12)에 외삽되는 베어링(20)이 설치된다. 한편, 하우징(14)과 베어링(20)사이의 모터(12)의 둘레에는 스프링(22)이 설치되어 있다. 이 스프링(22)은 금속조직 복제장치가 과도하게 전진되거나 터빈로터의 해당부위에 접하게 되는 경우 충격을 흡수하는 역할을 한다. 선택적으로, 하우징(14)의 일측의 내측에는 스토퍼(24)가 내설되어 있어 실제적으로 스프링(22)의 일측단과 접하게 된다. 그 스토퍼(24)는 역시 고정볼트(25)에 의해 베드(10)에 고정된다.

모터(10)에는 터빈로터의 해당부위를 실제로 연마하기 위한 터릿장치(26)가 회전가능하게 설치된다. 터릿장치(26)는 실제로 모터(12)의 구동축(13)에 고정너트(28)에 의해 고정되는 내측터릿(30)과, 그 내측터릿(30)에 일체로 형성되는 외측터릿(32)을 구비한다. 선택적으로, 모터(12)의 구동축(13)에는 고정너트(28)의 풀림을 방지하기 위해 그 고정너트(28)와 2중너트방식을 이루는 체결너트(34)가 고정되는 것이 바람직하다.

특히, 터릿장치(26)에는 실제로 터빈로터의 해당부위를 연삭, 부식, 세척 등의 작업을 행할 수 있는 다수의 로테이터(36)가 설치되어 있다. 각각의 로테이터(36)는 외측터릿(32)에 베어링(38)에 의해 회전 가능하게 장착된다. 로테이터(36)의 일측단에는 헤리컬 베벨기어(40)가 형성되어 있으며 타측단에는 고무판(42)이 고정되거나 부착되어 있다. 그 고무판(42)에는 예컨대 금속표면의 스케일을 제거하거나 또는 그 금속표면을 연마하기 위한 에머리 페이퍼와 같은 세정제, 그 금속표면을 연마 또는 연삭하기 위한 연마제, 또는 표면을 복제하기 위한 아세테이터와 같은 표면복제제가 착탈가능하게 부착될 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 금속조직 복제장치는 터릿장치에 연계되어 각각의 로테이터(36)를 회전시키기 위한 회전장치(44)를 구비한다. 그 회전장치(44)는 로터리 솔레노이드(rotary solenoid)형태로 형성되는 것이 바람직하다. 회전장치(44)는 모터(12)의 구동축(13)에 치합가능하며 또한 각각의 로테이터(36)의 헤리컬 베벨기어(40)에 순차적으로 또는 선택적으로 치합되는 헤리컬 베벨기어(46)를 구비한다.

한편, 도 5 내지 도 8에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 금속조직 복제장치에는 연마 및 복제될 해당 금속표면을 정확히 파악 및 감시할 수 있도록 다양한 장치가 설치되는 것이 바람직하다. 즉, 복제될 부분을 확인하거나 또는 해당부분에 조명을 제공하기 위해 내시경/라이트(48)가 제공되며, 그 내시경/라이트(48)는 가요성 와이어에 의해 CRT모니터(50)에 연결되며, 이에따라 해당부분을 외측에서 명확히 관찰할 수 있다. 선택적으로, 내시경/라이트(48)는 CCD 카메라로 대체될 수 있다.

또한, 복제장치의 제위치에는 복제될 부분에 다양한 시료 또는 공기를 공급하기 위한 주입관 홀더(52)가 구비된다. 즉, 주입관 홀더(52)에는 세척액을 공급하기 위한 세척액 주입관(54), 공기를 공급하기 위한 공기 주입관(56), 연마액을 공급하기 위한 연마액 주입관(58) 및 부식액을 공급하기 위한 부식액 주입관(60)이 보지되어 있다.

하편, 베이스(10)의 하부에는 레일(62)에 왕복동 가능하게 구동되는 다수의이동바퀴(64)가 설치되어 있다.

물론, 복제장치의 전방부에는 복제필름(66)이 제공되어 있으며, 그 주변에는 공기주입관에 의해 공기를 공급받을 수 있으며 팽창가능한 공기 주머니(68)가 설치된다.

이하, 상술된 바와 같은 구성을 갖는 금속조직 복제장치의 작동 및 그 금속조직 복제장치를 이용한 금속조직 복제방법에 대해 상세히 설명한다.

예컨대, 터빈로터의 보어홀과 같이 내부의 직경이 협소하고 그 길이가 긴 부위의 금속표면을 복제하는 경우 작업자는 해당 보어홀에 금속조직 복제장치의 베드(10)를 설치하여 그 베드(10)상에 설치되는 모터(12) 및 터릿장치(26)가 제어가능하게 이동할 수 있도록 한다. 이후, 터릿장치(26)의 각각의 로테이터(36)의 고무판(42)에 또는 각각의 로테이터 중 선택된 로테이터의 고무판(42)에 접착성의 에머리 페이퍼(emery paper)와 같은 연마제를 부착한다. 여기서, 에머리 페이퍼는 예컨대, #120 내지 1μ의 등급이 이용될 수 있다. 또한 그 연마제의 수량은 그 에머리 페이퍼의 등급에 따라 설정되는 바, 예컨대, #120은 2개, #220은 2개, #400은 2개, #600은 2개, #6μ은 1개, 또는 #1μ은 1개로 설정되는 것이 일반적이다. 선택적으로, 각각의 로테이터의 고무판에는 연마제가 부착될 수 있다.

이 후, 모터(12)를 작동시키면, 모터의 구동축(13)이 회전하고 터릿장치(26)가 회전되어 해당하는 로테이터(36)의 고무판(42)에 부착된 연마제가 소정의 금속표면에 접하게 되면 로터리 솔레노이드형의 회전장치(44)가 작동되어 그것의 헤리컬 베벨기어(38)가 로테이터(36)의 헤리컬 베벨기어(40)와 치합되어 로테이터(36)가 예컨대 35,000rpm의 속도로 회전된다. 이와 같이 로테이터(36)가 회전됨에 따라 그 로테이터(36)의 고무판(42)에 부착된 에머리 페이퍼에 의해 해당부위의 금속표면이 연마된다. 물론, 이와 같은 연마작업은 스케일 제거 단계 및 폴리싱 단계를 포함할 수 있다.

이와 같은 각각의 단계별 연마공정이 종료된 후에는, 금속조직 복제장치에 연설된 배출라인을 통해 해당 금속표면을 부식 시킨다. 즉, 송출라인을 통해 공기, 부식액(echant)을 공급하여 금속표면을 부식시킨 후, 다시 송출라인을 통해 금속표면에 아세톤, 윤활제 등을 공급하여 세척한다. 이와 같은 부식공정 과 세척공정은 소정의 등급으로 연마된 금속표면을 획득할 수 있도록 연속적이고 반복적으로 행할 수 있다.

한편, 터빈로터의 보어의 내부는 어둡기 때문에 이를 파악하거나 확인하기 위한 감시장치의 설비가 필요한 바, 이를 위해 적합한 형태의 지그(jig)에 조명구, CCD 카메라 및 CRT 모니터를 설치하고 그 지그를 금속조직 복제장치에 설치하여 보어의 내부에 조명을 제공함은 물론 해당하는 금속표면을 파악 및 감시할 수 있는 것이다.

상술된 바와 같이, 금속표면을 연마, 부식 및 세척한 후 별도의 적합한 지그에 홀더 및 송출라인을 설치하여 홀더에 필름을 고정시킨 후, 그 지그의 홀더에 부착된 필름을 송출라인을 통해 공급되는 아세톤을 이용하여 연마된 금속표면에 부착시킨다. 이 후, 역시 송출라인을 통해 공기를 필름을 향해 분사시켜 그 필름을 건조시킨다. 이후에는 물론 그 필름을 금속표면으로부터 떼어내 그 필름에 복제된 금속조직의 상태를 검사 또는 파악함으로써, 보어 및 터빈로터의 수명을 평가할 수 있는 것이다.

한편, 상술된 바와 같은 금속표면의 연마공정, 부식공정, 세척공정, 복제공정 등 여러 공정 중 금속조직 복제장치의 베드(10)를 이동시킬 수 있도록 터빈로터 보어홀 바닥에 이동장치를 설치하는 것이 바람직하다. 이 같은 이동장치는 베드(10)의 홈이 계합되어 왕복적으로 이동가능하다. 또한, 그 이동장치의 레일에는 포텐셔미터(potentiometer) 또는 엔코더(encorder)가 설치될 수 있다. 이에 따라, 금속조직 복제장치는 보어내에서도 해당위치에 정확하게 이동할 수 있으며, 또한 이동거리 및 위치를 정확하게 확인할 수 있는 것이다. 한편, 금속조직 복제장치가 과도하게 전진하여 그 금속조직 복제장치의 최전방에 위치하는 체결너트(34)가 다른 부품에 접촉하거나 또는 벽에 부딪혀 충격력이 발생되거나 또는 더 이상 전진하지 못하게 되는 경우에는 그 충격력이 모터(12)에 감겨진 스프링(22)에 의해 흡수되어 완화됨으로써, 금속조직 복제장치는 항상 안정을 유지할 수 있어 정상적인 작업을 수행할 수 있는 것이다.

결과적으로, 본 발명에 따른 금속조직 복제장치에 의하면, 작업자 또는 실험자가 원격위치에서 금속표면의 조직을 정확하고 안정적으로 복제하여 그것의 수명을 정확히 측정할 수 있는 효과가 있다.

또한, 평가될 부위로부터 시료를 절단하여 채취함이 없이 해당부위의 표면을 연마 및 복제하여 검사 및 분석할 수 있으므로 평가될 부위 또는 장치의 손상을 완전히 방지할 수 있는 장점이 있다.

Claims

작업자의 접근이 곤란한 장치의 특정부위의 금속조직을 복제하여 해당부위의 수명을 평가하기 위한 금속조직 복제장치에 있어서,

레일에 이동가능하게 삽입되는 T형 슬롯이 형성된 베드(10);

일측이 하우징(14)에 의해 지지되어 고정볼트(16)에 의해 상기 베드(10)에 고정되고, 타측이 상기 하우징(14)과 일정간격을 두고 설치된 베어링(20)에 의해 이동가능하게 지지되어 고정볼트(18)에 의해 베드(10)에 고정되며, 구동축(13)을 구비하는 모터(12);

상기 모터(12)의 구동축(13)에 회전가능하게 고정되는 내측터릿(30)과, 상기 내측터릿(30)과 일체로 형성되며 복제될 금속표면에 단계적으로 접촉되는 복수개의 로테이터(36)가 회전가능하게 설치된 외측터릿(32)을 구비하는 터릿장치(26); 및

상기 모터(12)의 구동축(13)에 선택적으로 치합가능하며 상기 각각의 로테이터(36) 중 하나의 로테이터와 치합되어 그 로테이터(36)를 회전구동시키기 위한 헤리컬 베벨기어(46)를 구비하는 회전장치(44)를 포함하는 것을 특징으로 하는 금속조직 복제장치.
제 1항에 있어서, 상기 하우징(14)과 베어링(20)사이의 모터(12)의 둘레에는, 금속조직 복제장치의 이동이 저지되는 경우 완충을 위한 스프링(22)이 외삽되는 것을 특징으로 하는 금속조직 복제장치.
제 1항에 있어서, 상기 각각의 로테이터(36)의 일측단에는 상기 회전장치(44)의 헤리컬 베벨기어(46)와 선택적으로 치합되는 헤리컬 베벨기어(40)가 형성되며, 상기 각각의 로테이터(36)의 타측단에는 연마제가 부착가능한 고무판(42)이 구비되는 것을 특징으로 하는 금속조직 복제장치.
제 1항에 있어서, 상기 회전장치(44)는 로터리 솔레노이드(rotary solenoid)인 것을 특징으로 하는 금속조직 복제장치.
제 1항에 있어서, 상기 로테이터(36)의 고무판에 부착된 연마제에 의해 금속표면이 연마된 후 연마된 금속표면을 부식 및 세척하기 위해 연마액, 공기, 부식액 및 세척액을 공급하기 위한 다수의 주입관(54,56,58,60)이 고정되는 주입관 홀더(52) 및 각각의 주입관에 연결되어 상기 공기 및 액들을 공급 및 배출시키기 위한 송출라인을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 금속조직 복제장치.
제 1항에 있어서, 금속조직 복제장치에 의한 연마 및 복제 작업을 감시하기 위한 내시경/라이트(48) 또는 조명구 및 CCD 카메라가 설치된 지그 및 상기 내시경/라이트에 연결되는 CRT모니터를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 금속조직 복제장치.
제 1항에 있어서, 연마작업 후 연마된 금속면을 복제하기 위한 필름(66)이 착탈가능하게 부착되는 홀더와, 상기 홀더에 의해 금속면에 부착된 필름을 건조시키기 위해 상기 필름에 공기를 공급하기 위한 공기주머니(68)를 구비한 지그를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 금속조직 복제장치.
제 1항 또는 7항에 있어서, 베드(10)를 이동시킬 수 있도록 레일(62) 및 이동바퀴(64)를 더 포함하며, 상기 이동장치의 레일에는 위치감지 센서가 설치되는 것을 특징으로 하는 금속조직 복제장치.