KR20200038750A - 보일러튜브의 열화 평가 방법 및 이를 이용한 열화 평가 장치 - Google Patents

보일러튜브의 열화 평가 방법 및 이를 이용한 열화 평가 장치 Download PDF

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KR20200038750A
KR20200038750A KR1020180118352A KR20180118352A KR20200038750A KR 20200038750 A KR20200038750 A KR 20200038750A KR 1020180118352 A KR1020180118352 A KR 1020180118352A KR 20180118352 A KR20180118352 A KR 20180118352A KR 20200038750 A KR20200038750 A KR 20200038750A
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한국전력공사
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Abstract

본 발명은 보일러튜브의 열화 평가 방법 및 이를 이용한 열화 평가 장치에 관한 것으로, 본 발명의 실시예에 따른 보일러튜브의 열화 평가 방법은, 보일러튜브들의 스펙 정보에 따라 분류되는 보일러튜브들 각각의 직관부 및 곡관부에 대한 전기저항에 따른 외경 또는 두께 변형률을 측정하여 저항-변형률 DB를 구축하는 단계; 상기 저항-변형률 DB를 이용하여 평가대상 보일러튜브의 곡관부 변형률을 계산하는 단계; 상기 곡관부 변형률을 이용하여 후열처리를 실시할지를 판단하는 단계; 상기 판단 결과에 따라, 보일러 설계 및 운전정보를 취득하여 수명-변형률 DB로부터 상기 평가대상 보일러튜브의 곡관부에 대한 크리프 수명을 계산하는 단계;를 포함한다.

Description

보일러튜브의 열화 평가 방법 및 이를 이용한 열화 평가 장치{BOILER TUBE HEAT RESISTANCE EVALUATION METHOD AND HEAT RESISTANCE EVALUATION DEVICE USING THE SAME}
본 발명은 보일러튜브의 열화 평가 방법 및 이를 이용한 열화 평가 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 보일러튜브의 전기저항에 따른 변형률에 대한 상관 관계를 도출함으로써 보일러튜브에 대한 비파괴적인 평가 방법을 제공하기 위한, 보일러튜브의 열화 평가 방법 및 이를 이용한 열화 평가 장치에 관한 것이다.
발전시스템은 보일러튜브 내부에 적용되는 증기온도와 증기압력을 지속적으로 상승시켜 효율성 향상을 도모하고 있다. 이에 따라, 보일러튜브의 소재는 고온 크리프 강도 및 내부식성이 우수한 스테인리스강(stainless steel)의 적용이 확대되고 있다.
그런데, 스테인리스강은 기존 크롬합금강에서 사용되던 표준적인 열화평가 방법인 표면 경도 측정에 대한 신뢰성에 의문이 제기되고 있다. 즉, 스테인리스강에서 표면 경도 측정에 따른 열화평가가 어려운 것은 튜브의 표면과 내부의 경도값에 큰 차이가 있기 때문이다.
도 1은 보일러튜브 스테인리스강 347H의 깊이에 따른 경도 변화를 나타낸 도면이다. 도 1을 참조하면, 보일러튜브 내부의 경도값은 160∼180HV가 유지되는 반면에, 외부 표면으로부터 0.5mm깊이까지 200HV이상의 높은 경도값을 나타낸다. 이와 같이, 스테인리스강의 외부 표면의 경도값은 보일러튜브 내부의 경도값을 반영하기 어렵기 때문에 보일러튜브 전체의 특성을 대표하는데 한계가 있다.
그리고, 석탄화력 과열기 및 재열기 등에 적용되는 스테인리스강 보일러튜브는 곡관부와 용접부에서 단기간에 운전 중 균열이 발생하는 사고가 빈번히 발생하고 있다. 도 2는 스테인리스강 보일러튜브의 곡관부와 용접부 균열 사례를 나타낸 도면이다.
이러한 균열 사례는 분석 결과, 소성유기석출경화(Strain Induced Precipitation Hardening)에 의한 원인으로 발생하였다. 즉, 소성유기석출경화는 곡관부의 벤딩 중 또는 용접부의 용접공정 중 발생하는 소재 내 소성변형이 운전 중 고온에 장기간 노출될 때, 곡관부와 용접부에 해당되는 부분에서 균열이 발생하게 된다.
따라서, 스테인리스강 보일러튜브는 비파괴적인 경도 측정 방식으로 소성변형량을 측정하여 열화 평가를 수행함으로써 보일러튜브의 곡관부와 용접부에 대한 건전성을 판단하고, 운전시간에 따른 수명평가를 수행할 필요가 있다.
일본 등록특허공보 제6041794호 (2016.11.18 등록)
본 발명의 목적은 보일러튜브의 전기저항에 따른 변형률에 대한 상관 관계를 도출함으로써 보일러튜브에 대한 비파괴적인 평가 방법을 제공하기 위한, 보일러튜브의 열화 평가 방법 및 이를 이용한 열화 평가 장치를 제공하는데 있다.
본 발명의 실시예에 따른 보일러튜브의 열화 평가 방법은, 보일러튜브들의 스펙 정보에 따라 분류되는 보일러튜브들 각각의 직관부 및 곡관부에 대한 전기저항에 따른 외경 또는 두께 변형률을 측정하여 저항-변형률 DB를 구축하는 단계; 상기 저항-변형률 DB를 이용하여 평가대상 보일러튜브의 곡관부 변형률을 계산하는 단계; 상기 곡관부 변형률을 이용하여 후열처리를 실시할지를 판단하는 단계; 상기 판단 결과에 따라, 보일러 설계 및 운전정보를 취득하여 수명-변형률 DB로부터 상기 평가대상 보일러튜브의 곡관부에 대한 크리프 수명을 계산하는 단계;를 포함할 수 있다.
상기 보일러튜브들의 스펙 정보는, 스테인리스강 강종, 제작사, 제작공정에 대한 정보일 수 있다.
상기 저항-변형률 DB를 구축하는 단계는, 상기 보일러튜브들 각각의 곡관부 및 직관부에 대한 전기저항에 따른 외경 및 두께 변형률을 측정하는 단계; 및 상기 측정된 전기저항에 따른 외경 및 두께 변형률에 대한 회귀분석을 통해 1차 직선 방정식을 통해 상기 저항-변형률 DB를 구축하는 단계;를 포함할 수 있다.
상기 곡관부 변형률을 계산하는 단계는, 상기 평가대상 보일러튜브의 곡관부와 직관부에 대하여 전기저항을 측정하는 단계; 상기 평가대상 보일러튜브의 직관부에 대한 측정 저항값을 이용하여 상기 저항-변형률 DB를 통해 직관부 변형량을 계산하는 단계; 상기 직관부 변형량이 상기 저항-변형률 DB에서 확인되는 동일 강종의 직관부 변형량에 대하여 소정의 신뢰구간 이내에 존재하는지를 판단하는 단계; 및 상기 판단 결과에 따라 상기 평가대상 보일러튜브의 곡관부에 대한 측정 저항값을 이용하여 상기 저항-변형률 DB를 통해 상기 곡관부 변형률을 계산하는 단계;를 포함할 수 있다.
상기 전기저항을 측정하는 단계는, 4점 타침법을 적용하여 μΩ 단위의 저항을 측정하는 것일 수 있다.
상기 판단 단계는, 상기 곡관부 변형률과 기 설정된 열처리 기준 변형률을 서로 비교함에 따라 후열 처리 실시를 결정하는 것일 수 있다.
상기 열처리 기준 변형률은, 미국기계학회 보일러 및 압력용기 규정을 따르고, 보일러튜브의 강종별 변형률의 한계를 설정하는 것일 수 있다.
상기 판단 단계는, 상기 곡관부 변형률이 후열 처리를 실시하는 기준에 해당하는 전기저항을 초과하는지를 확인하여 후열 처리 실시를 결정하는 것일 수 있다.
상기 크리프 수명을 계산하는 단계는, 상기 보일러 설계 및 운전정보에 따라 상기 평가대상 보일러튜브의 곡관부가 노출되는 금속온도와 증기압력 조건으로부터 응력을 계산하여 크리프 수명을 계산하는 것일 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 열화 평가 장치로서, 적어도 하나 이상의 프로세서; 및 컴퓨터 판독 가능한 명령들을 저장하기 위한 메모리;를 포함하며, 상기 명령들은, 상기 적어도 하나의 프로세서에 의해 실행될 때, 상기 열화 평가 장치로 하여금, 보일러튜브들의 스펙 정보에 따라 분류되는 보일러튜브들 각각의 직관부 및 곡관부에 대한 전기저항에 따른 외경 또는 두께 변형률을 측정하여 저항-변형률 DB를 구축하고, 상기 저항-변형률 DB를 이용하여 평가대상 보일러튜브의 곡관부 변형률을 계산하며, 상기 곡관부 변형률을 이용하여 후열처리를 실시할지를 판단하고, 상기 판단 결과에 따라, 보일러 설계 및 운전정보를 취득하여 수명-변형률 DB로부터 상기 평가대상 보일러튜브의 곡관부에 대한 크리프 수명을 계산하는 것일 수 있다.
상기 명령들은, 상기 적어도 하나의 프로세서에 의해 실행될 때, 상기 열화 평가 장치로 하여금, 상기 저항-변형률 DB를 구축할 때, 상기 보일러튜브들 각각의 곡관부 및 직관부에 대한 전기저항에 따른 외경 및 두께 변형률을 측정하고, 상기 측정된 전기저항에 따른 외경 및 두께 변형률에 대한 회귀분석을 통해 1차 직선 방정식을 통해 상기 저항-변형률 DB를 구축하는 것일 수 있다.
상기 명령들은, 상기 적어도 하나의 프로세서에 의해 실행될 때, 상기 열화 평가 장치로 하여금, 상기 곡관부 변형률을 계산할 때, 상기 평가대상 보일러튜브의 곡관부와 직관부에 대하여 전기저항을 측정하고, 상기 평가대상 보일러튜브의 직관부에 대한 측정 저항값을 이용하여 상기 저항-변형률 DB를 통해 직관부 변형량을 계산하며, 상기 직관부 변형량이 상기 저항-변형률 DB에서 확인되는 동일 강종의 직관부 변형량에 대하여 소정의 신뢰구간 이내에 존재하는지를 판단하고, 상기 판단 결과에 따라 상기 평가대상 보일러튜브의 곡관부에 대한 측정 저항값을 이용하여 상기 저항-변형률 DB를 통해 상기 곡관부 변형률을 계산하는 것일 수 있다.
상기 명령들은, 상기 적어도 하나의 프로세서에 의해 실행될 때, 상기 열화 평가 장치로 하여금, 상기 전기저항을 측정할 때, 4점 타침법을 적용하여 μΩ 단위의 저항을 측정하는 것일 수 있다.
상기 명령들은, 상기 적어도 하나의 프로세서에 의해 실행될 때, 상기 열화 평가 장치로 하여금, 상기 후열 처리 실시를 판단할 때, 상기 곡관부 변형률과 기 설정된 열처리 기준 변형률을 서로 비교함에 따라 후열 처리 실시를 결정하는 것일 수 있다.
상기 명령들은, 상기 적어도 하나의 프로세서에 의해 실행될 때, 상기 열화 평가 장치로 하여금, 상기 후열 처리 실시를 판단할 때, 상기 곡관부 변형률이 후열 처리를 실시하는 기준에 해당하는 전기저항을 초과하는지를 확인하여 후열 처리 실시를 결정하는 것일 수 있다.
상기 명령들은, 상기 적어도 하나의 프로세서에 의해 실행될 때, 상기 열화 평가 장치로 하여금, 상기 크리프 수명을 계산할 때, 상기 보일러 설계 및 운전정보에 따라 상기 평가대상 보일러튜브의 곡관부가 노출되는 금속온도와 증기압력 조건으로부터 응력을 계산하여 크리프 수명을 계산하는 것일 수 있다.
본 발명은 보일러튜브의 전기저항에 따른 변형률에 대한 상관 관계를 도출함으로써 보일러튜브에 대한 비파괴적인 평가 방법을 제공할 수 있다.
또한, 본 발명은 700℃급 극초임계압, sCO2와 같은 차세대 발전시스템 뿐 아니라 현재 운영 중인 석탄화력발전소 및 바이오매스, 유동층 발전소 등 시스템에 관계없이 스테인리스강 소재가 적용되는 용접부, 곡관부, 스웨이징부 등에 대한 점검을 통하여 건전성과 균열발생 가능성을 평가함으로서 발전설비의 안정적 운영을 통한 경제적 효과 개선을 기대할 수 있다.
또한, 본 발명은 미세저항 측정과 변형률에 따른 저항 데이터를 제시함으로 곡관부, 스웨이징부, 용접부 등에서 비파괴적 검사를 통해 건전성을 판단하고 잔여수명의 자료를 수집할 수 있는 기법을 개발하는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 용접부의 경우 용접공정 중 금속의 용융온도까지 상승하게 됨으로 단순히 소성변형 만 발생하는 것 뿐 아니라 내부 석출물이 고용되었다가 재석출되기도 하며, 결정립의 크기가 달라지는 등 복잡한 미세조직의 변화가 발생하게 됨으로 복잡한 변수가 포함되지만 곡관부의 경우 상대적으로 낮은 온도에서 변형이 발생하기 때문에 상대적으로 쉽게 할 수 있다.
또한, 본 발명은 보일러튜브의 변형 및 가공과정에서 재료 내 결함이 발생한 상태에서 고온의 하중 조건에 장기간 노출되어 금속조직 내 결함을 쉽게 유발하는 균열 발생의 경우에, 설계 수명 대비 휠씬 빠른 시간에 발생하는 설비의 신뢰성을 감소시키고 경제적인 손실을 초래할 수 있는 문제를 해결할 수 있다.
도 1은 보일러튜브 스테인리스강 347H의 깊이에 따른 경도 변화를 나타낸 도면,
도 2는 스테인리스강 보일러튜브의 곡관부와 용접부 균열 사례를 나타낸 도면,
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 보일러튜브의 열화 평가 방법을 나타낸 도면,
도 4는 347H 보일러튜브에 대해 인발을 통하여 소성변형을 가한 후의 외관을 나타낸 도면,
도 5는 347H 보일러튜브의 변형률에 따른 저항측정결과를 나타낸 도면,
도 6은 하중과 변형률에 따른 크리프 수명 변화를 나타낸 도면,
도 7은 소성변형률에 따른 크리프 수명 변화를 나타낸 도면이다.
이하 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 다만, 하기의 설명 및 첨부된 도면에서 본 발명의 요지를 흐릴 수 있는 공지 기능 또는 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다. 또한, 도면 전체에 걸쳐 동일한 구성 요소들은 가능한 한 동일한 도면 부호로 나타내고 있음에 유의하여야 한다.
이하에서 설명되는 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위한 용어로 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
따라서 본 명세서에 기재된 실시 예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시 예에 불과할 뿐이고, 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형 예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
첨부 도면에 있어서 일부 구성요소는 과장되거나 생략되거나 또는 개략적으로 도시되었으며, 각 구성요소의 크기는 실제 크기를 전적으로 반영하는 것이 아니다. 본 발명은 첨부한 도면에 그려진 상대적인 크기나 간격에 의해 제한되어지지 않는다.
명세서 전체에서 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있음을 의미한다. 또한, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 "전기적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다.
단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
또한, 명세서에서 사용되는 "부"라는 용어는 소프트웨어, FPGA 또는 ASIC과 같은 하드웨어 구성요소를 의미하며, "부"는 어떤 역할들을 수행한다. 그렇지만 "부"는 소프트웨어 또는 하드웨어에 한정되는 의미는 아니다. "부"는 어드레싱할 수 있는 저장 매체에 있도록 구성될 수도 있고 하나 또는 그 이상의 프로세서들을 재생시키도록 구성될 수도 있다. 따라서, 일 예로서 "부"는 소프트웨어 구성요소들, 객체지향 소프트웨어 구성요소들, 클래스 구성요소들 및 태스크 구성요소들과 같은 구성요소들과, 프로세스들, 함수들, 속성들, 프로시저들, 서브루틴들, 프로그램 코드의 세그먼트들, 드라이버들, 펌웨어, 마이크로 코드, 회로, 데이터, 데이터베이스, 데이터 구조들, 테이블들, 어레이들 및 변수들을 포함한다. 구성요소들과 "부"들 안에서 제공되는 기능은 더 작은 수의 구성요소들 및 "부"들로 결합되거나 추가적인 구성요소들과 "부"들로 더 분리될 수 있다.
아래에서는 첨부한 도면을 참고하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명한다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 보일러튜브의 열화 평가 방법을 나타낸 도면이다.
본 발명의 실시예에 따른 보일러튜브의 열화 평가 방법은, 보일러튜브의 전기저항에 따른 변형률에 대한 상관 관계를 도출함으로써 보일러튜브에 대한 비파괴적인 평가 방법을 구현하는 것으로, 열화 평가 장치에 의해 수행된다.
여기서, 열화 평가 장치는 적어도 하나 이상의 프로세서와 컴퓨터 판독 가능한 명령들을 저장하기 위한 메모리를 포함한다. 이때, 적어도 하나 이상의 프로세서는 메모리에 저장된 컴퓨터 판독 가능한 명령들을 실행할 때, 열화 평가 장치로 하여금, 본 발명의 실시예에 따른 보일러튜브의 열화 평가 방법을 수행하게 한다.
구체적으로, 열화 평가 장치는 보일러튜브들의 스펙 정보가 입력된다(S101).
여기서, 보일러튜브들의 스펙 정보는 스테인리스강 강종, 제작사, 제작공정에 대한 정보를 포함한다.
먼저, 스테인리스 강종은 예를 들어, 304H, 347H, 347HFG, Super304H, 310H 등으로 구분될 수 있고, 변형에 따른 고온에서 석출물의 형성 및 균열발생의 민감도에서 차이를 발생시키는 요인이 될 수 있다. 특히, 347H의 경우에는 결정립 크기가 크고, 니오븀(Nb)을 첨가하여 입계 안정화를 시킨 것으로서, 소성유기석출경화에 의한 손상 사례가 자주 발생하는 것으로 알려졌다.
또한, 제작사 및 제작공정은 화학성분, 미세조직, 기계적 특성에 많은 차이를 발생시키는 요인이 될 수 있다. 즉, 화학조성에서 황(S)이나 인(P)과 같은 성분은 결정입계(Grain Boundary)에 위치하여 입계강도를 약화시켜 입계파괴를 유발함으로서 코드에서 규정하는 최대치보다 낮게 유지할 필요가 있다. 또한, 제작사에서 보유하는 인발, 열처리, 냉각 장비는 석출물의 종류와 분율, 결정립 크기와 균일도 등을 달라지게 할 수 있다.
이에 따라, 열화 평가 장치는 동일 강종이라 할지라도 제작사 및 제작공정의 특성에 따라 큰 차이가 발생할 수 있기 때문에, 보일러튜브들의 스펙 정보에 대한 분류가 우선적으로 이루어져야 한다.
다음으로, 열화 평가 장치는 보일러튜브들의 스펙 정보에 따라 분류되는 보일러튜브들 각각의 곡관부 및 직관부에 대해 전기저항에 따른 외경 및 두께 변형률을 측정하여 저항-변형률 DB를 구축한다(S102). 즉, 열화 평가 장치는 보일러튜브들의 스펙 정보에 따라 특성이 상이하므로, 보일러튜브들의 스펙 정보 각각에 따라 저항-변형률 DB를 구축한다.
예를 들어, 347H 보일러튜브에 대해 인발(extrusion)을 통한 0%, 15%, 30%의 소성변형을 가하여 전기저항과 변형량에 대한 회귀분석을 실시하여 저항-변형률 DB를 구축하는 과정에 대해 설명한다.
먼저, 열화 평가 장치는 보일러튜브들의 곡관부 및 직관부에 대한 전기저항에 따른 외경 및 두께 변형률을 측정한다.
도 4는 347H 보일러튜브에 대해 인발을 통하여 소성변형을 가한 후의 외관을 나타낸 도면이다. 표 1은 인발 전후의 보일러튜브의 외경 및 두께 변화를 나타낸다. 즉, 표 1은 초기 변형률 0%인 외경 50.8㎜, 두께 5.26㎜의 보일러튜브가 각각 15, 30% 변형된 후 외경과 두께가 감소한 후의 치수를 나타낸다. 도 5는 347H 보일러튜브의 변형률에 따른 저항측정결과를 나타낸 도면이다.
구분 변형률
0% 15% 30%
외경 50.8㎜ 46.8㎜ 45.3㎜
두께 5.26㎜ 4.84㎜ 4.09㎜
전기저항은 측정위치 간 거리에 따라 증가하거나 감소하므로 변형된 보일러튜브로부터 50㎜의 길이를 정하고, 10A의 전류를 인가하여 양 끝단에서 측정한다.
도 5를 참조하면, 전기저항은 보일러튜브의 변형률이 0, 15, 30%로 증가함에 따라 3회 측정 평균값이 685, 700, 707μΩ으로 증가함을 알 수 있다.
그리고, 열화 평가 장치는 전기저항과 변형량에 대한 회귀분석을 실시하여 저항-변형률 DB를 구축한다. 즉, 열화 평가 장치는 하기 수학식 1과 같이 전기저항(resistivity)과 변형률(strain)에 대한 1차 직선 방정식을 통해 저항-변형률 DB를 얻을 수 있다.
Figure pat00001
여기서, 기울기 'a'는 0.745, y계수 'b'는 0.686이다. y계수 'b'는 변형량이 0%인 직관부 평가를 통해 얻을 수 있고, 기울기 'a'는 각 변형률에 따라 변형된 튜브 평가를 통해 얻을 수 있다.
또한, 수학식 1에 대한 회귀분석결과는 결정계수(R-square)가 0.64, P값(P-value)이 0.0058로서 유의한 회귀식임을 확인할 수 있다(후술할 도 6 참조).
이와 같이, 열화 평가 장치는 전기저항을 측정하여 변형률에 따른 상관관계를 도출함으로써 보일러튜브에 대해 비파괴적으로 열화를 평가할 수 있다.
구체적으로, 금속 내부는 원자들이 일정한 규칙으로 배열되어 있으며, 절대온도 0K에서 완벽한 결정구조를 가지게 된다.
그런데, 금속 내부는 온도가 상승함에 따라 점결함[예, 공공(vacancy), 반격자점(vacant lattice site), 침입(interstitial), 치환(substitutional) 등], 선결함[예, 칼날전위(edge dislocation), 나사전위(screw dislocation) 등], 면결함[결정립계, 쌍정(mechanical twin), 적층결함 등], 체적결함[예, 고온에서 장기간 하중조건에 노출될 경우 결정립계와 석출물 계면에서 형성되는 크리프 기공(creep void) 등]이 발생할 수 있다. 즉, 금속 내부는 소성 변형되는 경우에 미세한 결함이 발생하게 된다.
이와 같이, 소성 변형율이 증가할수록 금속 내 미세 결함의 밀도가 증가하게 된다. 그래서, 전기저항은 금속 내 결함이 증가할수록 전류가 통과하는 단면적이 감소하기 때문에 증가한다. 이러한 이유로, 열화 평가 장치는 전기저항과 변형률에 따른 상관관계를 도출하여 보일러튜브에 대한 열화를 평가할 수 있게 된다. 다만, 열화 평가 장치는 변형에 따른 결함이 거시적 균열과 같지 않기 때문에 μΩ 단위의 미세한 저항을 측정하게 된다.
한편, 열화 평가 장치는 절연체가 아닌 도체의 미세한 저항을 측정하기 위해 4점 타침법(four point probe method)을 적용하여 전기저항을 측정한다. 즉, 이 경우는 2개 탐침에 의해 전류탐침을 수행하고, 2개 탐침을 위해 전압탐침을 수행하여 전기저항을 측정한다. 이는 μΩ 단위로 측정 도선의 저항, 탐촉자와 보일러튜브간 접촉저항이 반영되지 않도록 하기 위함이다.
다음으로, 열화 평가 장치는 저항-변형률 DB를 이용하여 열화 평가를 하려는 평가대상 보일러튜브의 곡관부 변형률을 계산한다(S103 내지 S106).
구체적으로, 열화 평가 장치는 평가대상 보일러튜브의 곡관부와 직관부 각각에 대하여 전기저항을 측정한다(S103).
이후, 열화 평가 장치는 평가대상 보일러튜브의 직관부에 대한 측정 저항값을 이용하여 저항-변형률 DB를 통해 직관부 변형량을 계산한다(S104).
그리고, 열화 평가 장치는 평가대상 보일러튜브의 직관부 변형량이 저항-변형률 DB에서 확인되는 동일 강종의 직관부 변형량에 대하여 95% 신뢰구간 이내에 존재하는지를 판단한다(S105).
이때, 열화 평가 장치는 신뢰구간 내에 존재하는 경우에(S105), 저항-변형률 DB를 통해 평가대상 보일러튜브의 곡관부에 대한 측정 저항값을 이용하여 곡관부 변형률을 계산한다(S106).
반면에, 열화 평가 장치는 신뢰구간 내에 존재하지 않는 경우에(S105), 기 구축된 저항-변형률 DB를 활용하여 곡관부 변형률을 계산할 수 없다. 이 경우에, 열화 평가 장치는 새로운 저항-변형률 DB를 구축하는 과정을 다시 수행한다(S102).
다음으로, 열화 평가 장치는 곡관부 변형률과 열처리 기준 변형률을 서로 비교하여 후열처리(post heat treatment)를 실시할지를 결정한다(S107).
여기서, 열처리 기준 변형률은 미국기계학회 보일러 및 압력용기 규정(ASME B&PV)에 따르며, 보일러튜브의 강종별로 변형률의 한계를 설정하고 있다. 이에 따르면, 보일러튜브의 강종별 변형률을 초과하는 경우에는 지정된 온도 이상에서 열처리를 수행하도록 권고하고 있다.
예를 들어, 347H 보일러튜브의 경우에는 설계온도 540∼675℃ 영역에서 변형률이 15%, 675℃ 이상 영역에서 변형률이 10%를 초과할 경우에, 1040℃에서 후열처리를 실시하도록 권고하고 있다.
이에 따라, 보일러튜브 번들에서 각 열에 위치한 곡관부의 반경에 따라 소성변형률은 차이가 발생하게 되며, 10% 또는 15%를 초과하는 경우에만 후열처리를 실시하게 된다. EPRI에서는 ASME 코드 규격치보다 낮은 변형량으로 가공할 경우에도 후열처리를 실시할 것을 권고하고 있다.
이러한 이유로, 열화 평가 장치는 곡관부 변형률이 열처리 기준 변형률을 초과하면(S107), 후열처리를 실시하여 새로운 저항-변형률 DB를 구축하는 과정을 다시 수행한다(S108).
다른 실시예로서, 열화 평가 장치는 후열처리를 실시할지를 결정하기 위해, S107 단계를 다음과 같이 진행할 수도 있다. 즉, 열화 평가 장치는 곡관부 변형률이 10%에 해당하는 전기저항 695μΩ을 초과하는지를 확인하여 후열처리를 실시할지를 결정할 수 있다. 이때, 열화 평가 장치는 곡관부 변형률이 10%에 해당하는 전기저항 695μΩ을 초과할 경우에 후열처리를 실시한다. 이후, 열화 평가 장치는 후열처리 이후에 전기저항 695μΩ을 초과하는 영역이 있는지를 검사하여 적정한 후열처리가 이루어졌는지 확인할 수 있다.
한편, 열화 평가 장치는 곡관부 변형률이 열처리 기준 변형률을 초과하지 않거나(S107), 곡관부 변형률이 10%에 해당하는 전기저항 695μΩ을 초과하지 않는 경우에, 보일러 설계 및 운전정보를 취득하여 수명-변형률 DB로부터 해당 곡관부에 대한 크리프 수명을 계산한다(S109).
여기서, 수명-변형률 DB는 도 6과 같이 라르손-밀러 모델(Larson-Miller model)을 통한 응력 기반 크리프 수명 예측 방법을 통해 도출된다. 도 6은 하중과 변형률에 따른 크리프 수명 변화를 나타낸 도면이다.
크리프 수명은 모든 온도영역에서 변형이 가해졌을 때 저하중 영역에서 초기 상태에 대비하여 감소한다(도 6 및 후술할 도 7 참조).
따라서, 열화 평가 장치는 보일러 설계 및 운전정보에 따라 곡관부가 노출되는 금속온도와 증기압력 조건으로부터 응력을 계산하여 크리프 수명을 계산할 수 있다.
도 7은 소성변형률에 따른 크리프 수명 변화를 나타낸 도면이다.
도 7은 650∼750℃의 고온에서 온도 및 하중조건에 따른 스테인리스강의 크리프 수명에 미치는 소성 변형의 영향을 보여준다.
곡관부와 같이 스테인리스강이 소성변형되면 경도가 증가할 뿐 아니라 크리프 수명에 영향을 미치게 된다.
초기조건과 소성변형후 열처리한 조건의 경우와 비교하여 소성변형만 적용된 경우(20%CW)에는, 보일러튜브의 운전환경인 저하중 조건으로 감소할수록 크리프 수명이 크게 감소하는 것을 확인할 수 있다.
따라서, 보일러튜브의 초기 소성변형률 및 운전에 따른 변형률 변화를 평가하는 것은 크리프 수명 및 운전 후 잔여수명을 평가하는 데 중요하게 활용할 수 있다.
일부 실시 예에 의한 방법은 다양한 컴퓨터 수단을 통하여 수행될 수 있는 프로그램 명령 형태로 구현되어 컴퓨터 판독 가능 매체에 기록될 수 있다. 상기 컴퓨터 판독 가능 매체는 프로그램 명령, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다. 상기 매체에 기록되는 프로그램 명령은 본 발명을 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거나 컴퓨터 소프트웨어 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다. 컴퓨터 판독 가능 기록 매체의 예에는 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프와 같은 자기 매체(magnetic media), CDROM, DVD와 같은 광기록 매체(optical media), 플롭티컬 디스크(floptical disk)와 같은 자기-광 매체(magneto-optical media), 및 롬(ROM), 램(RAM), 플래시 메모리 등과 같은 프로그램 명령을 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치가 포함된다. 프로그램 명령의 예에는 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용해서 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드를 포함한다.
비록 상기 설명이 다양한 실시예들에 적용되는 본 발명의 신규한 특징들에 초점을 맞추어 설명되었지만, 본 기술 분야에 숙달된 기술을 가진 사람은 본 발명의 범위를 벗어나지 않으면서도 상기 설명된 장치 및 방법의 형태 및 세부 사항에서 다양한 삭제, 대체, 및 변경이 가능함을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 범위는 상기 설명에서보다는 첨부된 특허청구범위에 의해 정의된다. 특허청구범위의 균등 범위 안의 모든 변형은 본 발명의 범위에 포섭된다.

Claims (18)

  1. 보일러튜브들의 스펙 정보에 따라 분류되는 보일러튜브들 각각의 직관부 및 곡관부에 대한 전기저항에 따른 외경 또는 두께 변형률을 측정하여 저항-변형률 DB를 구축하는 단계;
    상기 저항-변형률 DB를 이용하여 평가대상 보일러튜브의 곡관부 변형률을 계산하는 단계;
    상기 곡관부 변형률을 이용하여 후열처리를 실시할지를 판단하는 단계;
    상기 판단 결과에 따라, 보일러 설계 및 운전정보를 취득하여 수명-변형률 DB로부터 상기 평가대상 보일러튜브의 곡관부에 대한 크리프 수명을 계산하는 단계;
    를 포함하는 보일러튜브의 열화 평가 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 보일러튜브들의 스펙 정보는,
    스테인리스강 강종, 제작사, 제작공정에 대한 정보인 보일러튜브의 열화 평가 방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 저항-변형률 DB를 구축하는 단계는,
    상기 보일러튜브들 각각의 곡관부 및 직관부에 대한 전기저항에 따른 외경 및 두께 변형률을 측정하는 단계; 및
    상기 측정된 전기저항에 따른 외경 및 두께 변형률에 대한 회귀분석을 통해 1차 직선 방정식을 통해 상기 저항-변형률 DB를 구축하는 단계;
    를 포함하는 보일러튜브의 열화 평가 방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 곡관부 변형률을 계산하는 단계는,
    상기 평가대상 보일러튜브의 곡관부와 직관부에 대하여 전기저항을 측정하는 단계;
    상기 평가대상 보일러튜브의 직관부에 대한 측정 저항값을 이용하여 상기 저항-변형률 DB를 통해 직관부 변형량을 계산하는 단계;
    상기 직관부 변형량이 상기 저항-변형률 DB에서 확인되는 동일 강종의 직관부 변형량에 대하여 소정의 신뢰구간 이내에 존재하는지를 판단하는 단계; 및
    상기 판단 결과에 따라 상기 평가대상 보일러튜브의 곡관부에 대한 측정 저항값을 이용하여 상기 저항-변형률 DB를 통해 상기 곡관부 변형률을 계산하는 단계;
    를 포함하는 보일러튜브의 열화 평가 방법.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 전기저항을 측정하는 단계는,
    4점 타침법을 적용하여 μΩ 단위의 저항을 측정하는 것인 보일러튜브의 열화 평가 방법.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 판단 단계는,
    상기 곡관부 변형률과 기 설정된 열처리 기준 변형률을 서로 비교함에 따라 후열 처리 실시를 결정하는 것인 보일러튜브의 열화 평가 방법.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 열처리 기준 변형률은,
    미국기계학회 보일러 및 압력용기 규정을 따르고, 보일러튜브의 강종별 변형률의 한계를 설정하는 것인 보일러튜브의 열화 평가 방법.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 판단 단계는,
    상기 곡관부 변형률이 후열 처리를 실시하는 기준에 해당하는 전기저항을 초과하는지를 확인하여 후열 처리 실시를 결정하는 것인 보일러튜브의 열화 평가 방법.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 크리프 수명을 계산하는 단계는,
    상기 보일러 설계 및 운전정보에 따라 상기 평가대상 보일러튜브의 곡관부가 노출되는 금속온도와 증기압력 조건으로부터 응력을 계산하여 크리프 수명을 계산하는 것인 보일러튜브의 열화 평가 방법.
  10. 열화 평가 장치로서,
    적어도 하나 이상의 프로세서; 및
    컴퓨터 판독 가능한 명령들을 저장하기 위한 메모리;를 포함하며,
    상기 명령들은, 상기 적어도 하나의 프로세서에 의해 실행될 때, 상기 열화 평가 장치로 하여금,
    보일러튜브들의 스펙 정보에 따라 분류되는 보일러튜브들 각각의 직관부 및 곡관부에 대한 전기저항에 따른 외경 또는 두께 변형률을 측정하여 저항-변형률 DB를 구축하고,
    상기 저항-변형률 DB를 이용하여 평가대상 보일러튜브의 곡관부 변형률을 계산하며,
    상기 곡관부 변형률을 이용하여 후열처리를 실시할지를 판단하고,
    상기 판단 결과에 따라, 보일러 설계 및 운전정보를 취득하여 수명-변형률 DB로부터 상기 평가대상 보일러튜브의 곡관부에 대한 크리프 수명을 계산하는 것인 열화 평가 장치.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 보일러튜브들의 스펙 정보는,
    스테인리스강 강종, 제작사, 제작공정에 대한 정보인 열화 평가 장치.
  12. 제 10 항에 있어서,
    상기 명령들은, 상기 적어도 하나의 프로세서에 의해 실행될 때, 상기 열화 평가 장치로 하여금,
    상기 저항-변형률 DB를 구축할 때, 상기 보일러튜브들 각각의 곡관부 및 직관부에 대한 전기저항에 따른 외경 및 두께 변형률을 측정하고,
    상기 측정된 전기저항에 따른 외경 및 두께 변형률에 대한 회귀분석을 통해 1차 직선 방정식을 통해 상기 저항-변형률 DB를 구축하는 것인 열화 평가 장치.
  13. 제 10 항에 있어서,
    상기 명령들은, 상기 적어도 하나의 프로세서에 의해 실행될 때, 상기 열화 평가 장치로 하여금,
    상기 곡관부 변형률을 계산할 때, 상기 평가대상 보일러튜브의 곡관부와 직관부에 대하여 전기저항을 측정하고,
    상기 평가대상 보일러튜브의 직관부에 대한 측정 저항값을 이용하여 상기 저항-변형률 DB를 통해 직관부 변형량을 계산하며,
    상기 직관부 변형량이 상기 저항-변형률 DB에서 확인되는 동일 강종의 직관부 변형량에 대하여 소정의 신뢰구간 이내에 존재하는지를 판단하고,
    상기 판단 결과에 따라 상기 평가대상 보일러튜브의 곡관부에 대한 측정 저항값을 이용하여 상기 저항-변형률 DB를 통해 상기 곡관부 변형률을 계산하는 것인 열화 평가 장치.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 명령들은, 상기 적어도 하나의 프로세서에 의해 실행될 때, 상기 열화 평가 장치로 하여금,
    상기 전기저항을 측정할 때, 4점 타침법을 적용하여 μΩ 단위의 저항을 측정하는 것인 열화 평가 장치.
  15. 제 10 항에 있어서,
    상기 명령들은, 상기 적어도 하나의 프로세서에 의해 실행될 때, 상기 열화 평가 장치로 하여금,
    상기 후열 처리 실시를 판단할 때, 상기 곡관부 변형률과 기 설정된 열처리 기준 변형률을 서로 비교함에 따라 후열 처리 실시를 결정하는 것인 열화 평가 장치.
  16. 제 15 항에 있어서,
    상기 열처리 기준 변형률은,
    미국기계학회 보일러 및 압력용기 규정을 따르고, 보일러튜브의 강종별 변형률의 한계를 설정하는 것인 열화 평가 장치.
  17. 제 10 항에 있어서,
    상기 명령들은, 상기 적어도 하나의 프로세서에 의해 실행될 때, 상기 열화 평가 장치로 하여금,
    상기 후열 처리 실시를 판단할 때, 상기 곡관부 변형률이 후열 처리를 실시하는 기준에 해당하는 전기저항을 초과하는지를 확인하여 후열 처리 실시를 결정하는 것인 보일러튜브의 열화 평가 장치.
  18. 제 10 항에 있어서,
    상기 명령들은, 상기 적어도 하나의 프로세서에 의해 실행될 때, 상기 열화 평가 장치로 하여금,
    상기 크리프 수명을 계산할 때, 상기 보일러 설계 및 운전정보에 따라 상기 평가대상 보일러튜브의 곡관부가 노출되는 금속온도와 증기압력 조건으로부터 응력을 계산하여 크리프 수명을 계산하는 것인 열화 평가 장치.
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CN112326658A (zh) * 2020-10-30 2021-02-05 西安热工研究院有限公司 一种锅炉管计算当量温度时确认参数的方法
KR102580189B1 (ko) * 2022-08-31 2023-09-20 한전케이피에스 주식회사 발전 보일러 정비 이력 출력 장치

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JPS6041794B2 (ja) 1977-12-16 1985-09-18 松下電器産業株式会社 煙感知器

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