KR20160038187A - 크리프 손상 평가 방법 - Google Patents

크리프 손상 평가 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 보일러 튜브, 가스터빈 등 고온 부품에서의 크리프 손상을 평가하는 방법에 관한 것이다.

Description

크리프 손상 평가 방법{METHOD FOR EVALUATING CREEP DAMAGE}
본 발명은 보일러 튜브, 가스터빈 등 고온 부품에서의 크리프 손상을 평가하는 방법에 관한 것이다.
크리프(Creep) 손상이란 재료가 고온에서 일정한 하중을 받고 서서히 변형되다가 파단에 이르는 현상을 일컫는 것이다. 상기 크리프 손상은 일반적으로 결정립계에서 기공이 발생하여 균열로 성장, 전파하여 일어나게 된다.
보일러 튜브, 가스터빈 등의 고온 부품의 경우, 고온상태에서 일정한 하중을 받는 조건에 장기간 노출되기 때문에, 안정적인 운전을 위해서는 상기 크리프 손상의 평가 및 예측이 매우 중요하다.
지금까지 크리프 수명을 평가하고 예측하기 위해 크리프 시험을 실시하고 있다. 크리프 시험은 금속시험편은 대하여 고온에서 일정하중을 부여하고 수일에서 수개월 또는 수년간 시험편에서 발생하는 변형량과 파단시간을 측정하는 시험방법이다. 그러나, 보일러 튜브, 가스터빈 등 고온부품의 경우 부품의 형상적인 제약으로 인해 원하는 특정영역에서 크리프 특성을 평가하기는 매우 어렵다. 특히 가스터빈 고온부품의 경우 부품 내 위치별로 노출되는 온도 및 하중조건이 각각 다르므로 열화속도 또한 차이가 발생하며, 상대적으로 열화속도가 높은 영역에서 길이 수십㎜ 크기의 크리프 표준시험편을 채취하는 것은 불가능하다. 따라서, 직접적인 크리프 수명평가 보다는 다른 영역에서의 크리프 특성을 평가하여 예측할 수 있는 방법이 필요한 실정이다.
본 발명은 보일러 튜브, 가스터빈 등의 고온 부품의 크리프 손상을 평가하는 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 시험편을 채취하지 않고, 크리프 손상을 평가하여, 부품의 수명 및 교체여부를 평가할 수 있는 방법을 제공하고자 하는 것이다.
본 발명은 평가 대상 부품을 준비하는 단계;
상기 부품에 대해 전자후방산란회절(EBSD)를 이용하여 결정방위를 측정하는 단계;
상기 측정된 결정방위를 통해 방위차 분포를 작성하고 방위차 기준값(θcr)을 설정하는 단계;
상기 방위차 기준값(θcr)을 이용하여 방위차 지수(iθ)를 결정하는 단계;
상기 부품의 평균 결정립 크기를 측정하여 결정립 크기 지수(isize)를 결정하는 단계; 및
상기 방위차 지수(iθ)와 결정립 크기 지수(isize)를 통해 크리프 손상을 결정하는 단계를 포함하는 크리프 손상 평가 방법을 제공한다.
본 발명에 의하면, 보일러 튜브, 가스터빈과 같은 고온부품의 수명평가, 손상해석, 장비의 정비 및 국산화를 위한 작업 시, 부품의 정확한 열화도 및 잔여수명을 시험편의 채취 없이 평가함으로써, 정비 및 부품 교체 등의 발전운영을 효율성을 향상시킬 수 있는 장점이 있다.
도 1은 EBSD 분석의 일예를 나타낸 사진과 도면임.
도 2는 EBSD 분석의 또다른 일예를 나타낸 사진임.
도 3은 방위차 분포도(a, b)와 아결정립계를 갖는 일예의 EBSD 사진임
도 4는 시간에 따른 방위차 지수 변화를 보여주는 그래프임.
도 5는 3가지 결정립 크기에 대한 방위차 지수를 나타낸 그래프임.
도 6은 시간에 따른 크리프 손상지수 변화를 보여주는 그래프임
도 7은 본 발명의 평가 방법을 나타낸 흐름도임.
도 8은 본 발명의 실시예 부품과 EBSD 분석 사진임.
이하, 본 발명에 대해 상세히 설명한다.
먼저, 평가 대상이 되는 부품을 준비한다. 상기 준비된 부품에 전자후방산란회절(Electron Back-Scattered Diffraction, EBSD)를 이용하여 결정방위를 측정한다.
상기 EBSD는 시험편에서 산란된 전자의 회절 패턴 분석을 통하여 측정위치에서의 결정상과 방위를 결정하여 이를 바탕으로 결정학적 특성에 대한 정보를 얻는 분석기법이다.
상기 EBSD의 경우에는 종래의 크리프 시험과 같은 추가적인 시험편의 제작 없이 부품의 단면을 직접 분석할 수 있으며, 결정방위의 변화를 1°이내의 정확도로 정밀하게 측정할 수 있는 장점을 가지고 있다. 또한, 측정위치마다 개별적인 방위변화를 분석하여 이웃하는 측정위치 사이의 방위차를 계산할 수 있다. 본 발명에서는 크리프 손상 시에 금속의 변형이 수반된다는 사실로부터, 금속 내 소성 변형량을 상기 EBSD를 이용하여 크리프 손상 정도를 파악할 수 있다.
도 1 및 2는 일예로서, 상기 EBSD를 이용하여 분석한 결과를 나타낸 것이다. 먼저, 도 1은 단결정 초내열합금인 가스터빈 블레이드를 EBSD로 분석한 것으로서, 도 1(a)는 EBSD를 이용한 단면 분석결과인 역극점도(Inverse pole figure map)이고, 도 1(b)는 도 1(a) 내 550㎛ 길이에서 결정방향의 변화를 나타낸 것이다. 한편, 도 2(a)는 또다른 시편의 단면 미세조직을 나타낸 SEM 사진이며, 도 2(b)는 이를 EBSD로 분석한 역극점도이다. 도 2(c)는 도 2(a)의 시편에 대한 이웃한 측정점간 결정방위차를 나타낸 사진이다. 이웃하는 측정점간 거리는 20㎛였으며, 두 측정점간 결정방위차에 대하여 1~3°는 녹색, 3~5°는 파란색, 5~10°는 빨간색, 10° 이상은 검은색선으로 나타내었다. 도 2(c)로부터 시험편 내 균열영역과 결정립계 주위에 높은 결정방위차이가 분포함을 확인할 수 있다. 이러한, 결정방위 변화는 상온에서 고온으로 온도가 상승함에 따라 상대적으로 강도가 약해진 결정립계와 그 주변에 변형이 집중되기 때문이다.
상기 측정된 결정방위를 통해 방위차 분포를 작성하고 방위차 기준값(θ cr ) 을 설정한다. 상기 방위차 기준값(θcr) 설정을 아래의 일예를 통해 설명한다. 상기 도 2(c)의 이웃하는 측정점간의 방위차와 빈도를 도 3(a)에 나타내었다. 도 3(a)의 x축은 방위차(misorientation angle)이고, y축은 빈도(frequency)이다. 도 3(a)로부터 방위차가 1.5°에서 빈도가 가장 높으며, 10°까지 점차적으로 감소하는 분포를 나타낸다. 다만, 40°근처에서 빈도가 일부 발생하지만, 이는 크리프 손상 전부터 존재하는 결정립계에 의한 것이다. 따라서, 크리프 손상에 의하여 결정립계 주변에서 약 10°까지의 방위차가 발생하는 것으로 판단할 수 있으므로, 이때의 방위차 기준값(θcr)은 10°로 설정하여, 그 이하에서 발생하는 방위차를 크리프 손상정도인 방위차 지수(iθ)에 반영한다.
한편, 도 3(b)와 (c)는 방위차 10°이내에서 두 개의 최대값이 발생한 분포도이며, 이때의 결정방위차를 나타낸 사진이다. 도 (b) 및 (c)는 아결정립계를 갖는 미세조직이므로, 이때에는 방위차 10°이내에서 두 개 이상의 최대값이 존재할 수 있다. 이와 같이 방위차 10°이내에서 두 개 이상의 최대값이 존재할 경우에는 방위차 기준값(θcr)을 5°로 설정하여 아결정립계 내지 입내변형 등 크리프 손상에 따른 변화가 아닌 방위차는 제외시킨다.
상기 방위차 기준값(θ cr )을 이용하여 방위차 지수(i θ )를 결정한다. 본 발명에서는 앞선 방위차 분포도로부터 방위차 지수(iθ)를 도출함으로써, 크리프 수명의 상관관계를 구할 수 있다. 상기 방위차 지수(iθ)는 아래의 식(1)에 의해, 단위면적에 대하여 방위차 분포도 내 방위차 값(misorientation angle, θi)과 빈도(frequency) 및 측정점간 거리를 통하여 도출할 수 있다.
식 (1)
iθ = D * ∑(θi * frequencyi ) / A
iθ : 방위차 지수,
D : 방위차 값을 계산한 이웃하는 측정점간 거리,
θi : 방위차 값, frequencyi : 방위차 i에서의 빈도수 및
A : 측정면적
도 4는 평균 결정립 크기가 2000㎛인 인코넬(Inconel 738LC) 소재에 대하여, 크리프 시험시간에 따른 방위차 지수 변화를 관찰한 그래프이다. 상기 크리스 시험시간이 증가함에 따라 방위차 지수가 증가하는 것을 확인할 수 있다.
일반적으로 크리프 시험 시 일정응력 하에서 재료의 변형율은 점차적으로 증가하고 파단에 이르게 되는데, 파단 전까지 금속재료 내에는 상당량의 변형이 축적된다. 초기에 한 결정립 내 모든 지점은 동일한 결정방위를 가지고 있는데, 크리프 시험 동안 외부 응력이 주어지면 결정립 내 이웃하는 지점간 결정방위에 차이가 발생하게 되고, 점차 증가하게 된다. 따라서 이웃하는 지점간 결정방위차에 대한 히스토그램을 구하면 방위차와 빈도 그리도 측정점간 간격의 곱으로 단위면적당 변형량을 정량화 할 수 있다.
부품의 결정립 크기를 측정하여 결정립 크기 지수( i size )를 결정한다. 크리프 손상 시 변형은 결정립계와 주위에서 발생한다. 따라서 결정립계 밀도에 영향을 미치는 결정립 크기는 크리프 손상에 중요한 인자가 된다. 상기 결정립 크기 지수(isize)는 아래의 식(2)를 통해 도출될 수 있다.
식(2)
isize = iθ D / iθ 0
isize : 결정립 크기지수
iθ D : 결정립 크기 D에서의 방위차 지수
iθ 0 : 결정립 크기 0㎛에서의 방위차 지수 (방위차지수 - 결정립 크기 그래프에서 y절편)
도 5는 평균 결정립 크기가 각각 100, 1000, 2000㎛인 시험편에 대하여, EBSD 분석을 수행하고, 방위차 지수를 얻은 결과를 나타낸 그래프이다. 도 5로부터 결정립 크기가 작을수록 방위차 지수가 증가하는 경향을 알 수 있으며, 이는 결정립계가 많을수록 입계 및 주위에서 많은 변형이 발생한다는 것을 의미한다.
도 5에서 평균 결정립크기가 100, 1000, 2000㎛인 경우 방위차 지수(iθ)는 각각 5662, 4533, 3443 °/m 이었으며, 일차함수 분포를 나타낸다. 따라서, 평균 결정립 크기를 방위차 지수(iθ)에 반영하기 위해 특정 결정립 크기에서의 방위차 지수를 기준으로 결정립 크기지수(isize)를 도출할 수 있으며, 도 5에서 외삽(Extrapolation)을 통해 결정립 크기가 0㎛일 때의 y 절편의 방위차 지수 5778°/m 을 도출할 수 있으며, 이를 기준으로 각각 결정립에서의 결정립 크기 지수를 구하면, 0.98, 0.78, 0.60이 된다.
상기 도출된 방위차 지수(i θ )와 결정립 크기 지수( i size )를 통해 크리프 손상을 결정한다. 앞서 도출된 방위차 지수와 결정립 크기 지수를 곱함으로써, 크리프 손상지수(icreep)를 구하고, 상기 크리프 손상지수를 방위차 지수(iθ) 변화와 비교하면 크리프 손상 수준과 잔여 수명을 예측할 수 있다.
일반적으로 크리프는 크리프 곡선으로부터 3단계로 나누어질 수 있다. 1차 크리프는 시험초기에 크리프 속도가 감속하는 단계, 2차 크리프는 가공경화와 회복의 경쟁이 균형을 이루어 일정한 크리프 속도를 나타내는 단계, 2차 크리프는 네킹(necking)이나 내부 공동(void) 형성으로 인해 급격한 단면적의 감소가 일어나 크리프 속도가 증가하는 단계이다.
도 6은 상기 도 3(a)의 평균결정립 크기가 2,000㎛인 시험편에 대해 각 시간에서 크리프 시험을 중단하여 각각의 크리프 지수(icreep)를 얻은 결과이다. 시간이 증가함에 따라 크리프 지수는 증가하며, 파단시간이 가까워짐에 따라 급격히 증가하는 경향을 나타내었다. 이는 전형적인 시간에 따른 크리프 변형율 그래프와 유사한 경향이다. 도 6의 경우 1차 크리프는 확인되지 않으며, 20시간까지 크리프 속도가 일정한 2차 크리프를 나타낸다. 20시간부터 36시간까지는 변형속도가 급격히 증가하여 방위차 지수가 급격히 증가하는 3차 크리프를 나타낸다. 이 때 도 4의 y축은 방위차 지수(iθ)에 결정립 크기 지수(isize)를 곱하여 얻은 크리프 손상지수(icreep)이며 크리프 손상지수(icreep) 2000°/m이 3단계 크리프의 기준이 된다. 따라서 크리프 손상지수 2000°/m 이상은 크리프에 의한 변형속도가 급격히 증가하여 부품의 손상에 이를 수 있는 것으로 판단되며, 이는 앞서 예를 들은 Inconel 738LC 소재에 적용되는 기준값이다.
한편, 도 7은 본 발명의 크리프 손상 평가 방법을 나타낸 흐름도(flow-chart)이다. 도 7을 참조하여, 본 발명에 대해 다시 한번 설명하면, 본 발명은 평가 대상 부품을 준비하는 단계; 상기 부품에 대해 전자후방산란회절(EBSD)를 이용하여 결정방위를 측정하는 단계; 상기 측정된 결정방위를 통해 방위차 분포를 작성하고 방위차 기준값(θcr)을 설정하는 단계; 상기 방위차 기준값(θcr)을 이용하여 방위차 지수(iθ)를 결정하는 단계; 상기 부품의 평균 결정립 크기를 측정하여 결정립 크기 지수(isize)를 결정하는 단계; 및 상기 방위차 지수(iθ)와 결정립 크기 지수(isize)를 통해 크리프 손상을 결정하는 단계를 포함한다.
이하, 본 발명의 실시예에 대해 상세히 설명한다. 하기 실시예는 본 발명의 이해를 위한 것일 뿐, 본 발명을 한정하는 것은 아니다.
(실시예)
도 8(a)와 같이 일정기간 사용한 가스터빈 고온부품을 이용하여 본 발명의 크리프 손상 평가를 실시하였다. 도 8(b)는 상기 도 8(a)에서 팁(tip) 단면을 나타낸다. 상기 고온부품에서 빨간색 점선으로 된 팁(tip) 영역은 열화속도가 다른 영역 대비 빠르므로, 크리프 특성을 평가할 필요가 있다.
상기 고온부품에서 도 8(c)와 같이 균열이 발생한 냉각홀 주위에 대해, EBSD를 이용한 분석을 실시하여, 방위차 지수(iθ)와 결정립 크기지수(isize)를 결정하고 크리프 손상지수를 도출하였다(도 8(d) 및 (e)). 상기 분석된 방위차 값과 빈도수는 아래 표 1에 나타내었다.
방위차 값(θi ) 빈도수(frequencyi) 방위차 값 * 빈도수
0.5 110 55
1.5 4788 7182
2.5 1176 2940
3.5 392 1372
4.5 166 747
5.5 85 467.5
6.5 46 299
7.5 31 232.5
8.5 20 170
9.5 5 47.5
∑(θi * frequencyi) 13512
상기 측정된 결과를 바탕으로 단위면적(A: 75㎟)과 측정간격(D: 20㎛)을 통해 방위차 지수(iθ)를 도출한 결과, 3603°/m 이었다.
또한 이 시험편에서 평균 결정립 크기는 150㎛로서 도5의 결정립 크기에 대한 방위차 지수를 나타낸 그래프에서 내삽하여 결정립 크기지수(isize) 0.63을 얻을 수 있다.
최종적으로, 크리프 손상지수(icreep)는 방위차 지수(iθ)와 결정립 크기지수(isize)의 곱인 2270°/m이 된다. 앞서 도 6에서 3단계 크리프를 2000°/m으로 정의하였으며 이 때에는 급격한 변형과 균열이 발생함을 언급하였다. 따라서 상기 크리프 손상지수(icreep) 2,270°/m로 부터 고온부품의 tip영역은 장기간 고온에서 운전함으로 크리프 3단계에 이르렀고, 또한 실제 블레이드 tip에서도 도 8(c)와 같이 결정립계를 따라 균열이 발생함을 확인할 수 있다.

Claims (6)

  1. 평가 대상 부품을 준비하는 단계;
    상기 부품에 대해 전자후방산란회절(EBSD)를 이용하여 결정방위를 측정하는 단계;
    상기 측정된 결정방위를 통해 방위차 분포를 작성하고 방위차 기준값(θcr)을 설정하는 단계;
    상기 방위차 기준값(θcr)을 이용하여 방위차 지수(iθ)를 결정하는 단계;
    상기 부품의 평균 결정립 크기를 측정하여 결정립 크기 지수(isize)를 결정하는 단계; 및
    상기 방위차 지수(iθ)와 결정립 크기 지수(isize)를 통해 크리프 손상을 결정하는 단계
    를 포함하는 크리프 손상 평가 방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 방위차 지수(iθ)는 하기 식 (1)에 의해 도출되는 크리프 손상 평가 방법.
    식 (1)
    iθ = D * ∑(θi * frequencyi ) / A
    (D : 방위차 값을 계산한 이웃하는 측정점간 거리, θi : 방위차 값, frequencyi : 방위차 i에서의 빈도수 및 A : 측정면적)
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 방위차 분포가 10°이내에서 1개의 최대점을 가질 때, 방위차 기준값(θcr)을 10°로 하는 크리프 손상 평가 방법.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 방위차 분포가 10°이내에서 2개 이상의 최대점을 가질 때, 방위차 기준값(θcr)을 5°로 하는 크리프 손상 평가 방법.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 결정립 크기 지수(isize)는 하기 식 (2)에 의해 도출되는 크리프 손상 평가 방법.
    식(2)
    isize = iθ D / iθ 0
    (iθ D : 결정립 크기 D에서의 방위차 지수, iθ 0 : 결정립 크기 0㎛에서의 방위차 지수(결정립 크기 그래프에서 y절편))
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 크리프 손상은 방위차 지수(iθ)와 결정립 크기 지수(isize)의 곱으로 도출된 크리프 손상지수(icreep)로 결정하는 크리프 손상 평가 방법.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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