스팀 터빈 마지막 단의 비정상적인 진동 급증 – 날개 피로 균열 및 타이와이어 연결부 평가

스팀 터빈이 정상적으로 가동되는 것처럼 보이지만 특정 부하 수준에 도달하면 갑자기 진동이 급증하거나, 진동 스펙트럼에 새로운 주파수 피크가 나타나거나, 출력을 올릴 때마다 진동 알람이 반복적으로 울리는 경우가 있습니다. 이는 단순히 로터 언밸런스나 베어링 고장의 징후가 아닙니다.

대용량 스팀 터빈, 특히 저압(LP) 마지막 단 날개(Blade)의 경우, 근본 원인은 날개 본체의 피로 균열이나 날개와 타이와이어(Tie-wire) 간의 연결 부위에 발생한 균열에 있을 가능성이 큽니다.

초기 균열은 대개 미세하여 일반적인 육안 점검으로는 발견할 수 없습니다. 그러나 이 균열은 날개의 강성, 감쇠 능력 및 고유 주파수를 이미 변화시킨 상태입니다.

그 결과 터빈은 특정 부하나 속도 대역에서만 심하게 진동하고, 다른 모드에서는 비교적 안정적으로 가동될 수 있습니다. 이것이 진동이 급격히 증가하거나 날개가 심각하게 파손될 때까지 많은 균열이 발견되지 않고 방치되는 이유입니다.

스팀 터빈 날개의 피로 균열이 의심되는 징후

다음 징후 중 하나 이상이 나타나면 발전소는 마지막 단 날개 조립체의 점검을 최우선으로 실시해야 합니다:

• 터빈이 특정 부하 한계에 도달하면 진동이 뚜렷하게 증가한다.
• 저부하에서는 진동이 정상이지만 출력을 높일 때 심하게 진동한다.
• 진동 스펙트럼에 새로운 주파수 피크가 나타나거나 기존 피크의 진폭이 변한다.
• 과거의 베이스라인 데이터와 비교하여 진동 주파수가 이동(시프트)한다.
• 부하 증감 과정에서 진동 알람이 반복적으로 발생한다.
• 저압 터빈 케이싱 영역에서 비정상적인 소음이 발생한다.
• 로터 밸런스와 베어링 상태를 점검 및 수정해도 진동이 줄어들지 않는다.
• 기동 시퀀스마다 진동 특성이 변하는 경향이 있다.

이러한 징후들은 날개 조립체의 동적 거동이 변화했을 가능성을 나타냅니다. 균열로 인해 날개의 강성이 감소하거나 변형되어, 고유 주파수와 진동 에너지 소산(감쇠) 능력이 초기 상태와 달라지게 됩니다.

마지막 단 날개에서 피로 균열이 발생하기 쉬운 이유는?

마지막 단 날개는 길이가 매우 길며 복잡한 증기 흐름 조건 하에서 작동합니다. 로터가 회전할 때 날개는 지속적인 원심력을 받습니다. 동시에 날개 표면에 부딪히는 증기는 공기역학적 힘을 발생시켜 반복적인 굽힘 응력과 진동을 유발합니다.

발전소가 기동/정지, 부하 증감을 빈번하게 실행하거나 안정적인 부하 영역을 벗어나 운전할 경우, 날개에 가해지는 응력 사이클 횟수는 급격히 증가합니다.

피로 균열은 운전 하중이 재료의 순간적인 항복 강도를 초과하지 않더라도 발생할 수 있습니다.

균열 발생 위험을 높이는 요인은 다음과 같습니다:

• 증기 흐름의 불균일한 분포.
• 특정 속도 또는 부하 대역에서의 공진.
• 날개 앞전(Leading edge)의 침식(Erosion).
• 표면 피팅을 유발하는 부식.
• 증기 흐름 내의 물방울이나 이물질에 의한 충격.
• 느슨해진 타이와이어 또는 불안정한 연결 부위.
• 동일 그룹 내 날개 간의 기하학적 편차.
• 날개 뿌리(Root) 또는 단면 전환부의 응력 집중.

균열의 출현은 스팀 터빈 날개의 강성, 감쇠 계수 및 고유 주파수를 뚜렷하게 변화시킵니다.

이는 육안으로 큰 균열이 보일 때까지 기다리는 대신, 진동 및 고유 진동(모달) 분석을 통해 손상을 조기에 감지하기 위한 중요한 기술적 근거가 됩니다.

날개와 타이와이어 연결부에 대한 철저한 점검 필요

마지막 단 날개 조립체에서 날개들은 일반적으로 타이와이어로 그룹화되어 연결됩니다. 이 부품은 동적 진동을 제어하고 날개 그룹의 구조적 안정성을 유지하는 역할을 합니다.

그러나 날개와 타이와이어 사이의 접촉 계면은 응력이 극도로 집중되기 쉬운 곳이기도 합니다. 날개가 증기의 충격과 랜덤한 진동 하에서 끊임없이 요동칠 때 연결 부위는 반복적인 하중을 받습니다.

간극, 마모 흔적, 또는 접촉 불량이 존재하면 국소적인 응력이 급증하여 균열의 시작점이 될 수 있습니다.

이곳에서 발생한 균열은 터빈에 즉각적인 심한 진동을 일으키지 않고 서서히 진전될 수 있습니다. 단 한 개의 날개라도 강성이 충분히 변하면 날개 그룹 전체의 동적 진동 특성이 영향을 받게 됩니다.

왜 로터 밸런싱만으로는 진동을 해결할 수 없는가?

터빈 진동이 증가할 때 가장 먼저 고려하는 대책은 대개 로터 언밸런스, 축 정렬 불량(Misalignment) 또는 베어링 점검입니다. 이는 필수적인 확인 사항이지만, 진동의 근원이 균열이 생긴 날개에 있다면 로터 밸런싱으로는 근본 원인을 해결할 수 없습니다.

날개 균열의 특징은 부하와 가진 주파수에 따라 진동 수준이 변동한다는 것입니다. 터빈이 공진 대역을 통과할 때 진동 진폭이 뚜렷하게 급증합니다. 이 대역을 벗어나면 진동이 가라앉아 운전자가 문제가 해결되었다고 착각하게 만들 수 있습니다.

따라서 특정 시점의 단일 측정치에 의존하지 않고 여러 운전 모드에 걸쳐 진동 데이터를 비교해야 합니다.

터빈 진동이 날개 균열을 의심케 할 때의 평가 절차

우선 진동, 부하, 속도, 온도 및 알람 발생 이력 데이터를 수집해야 합니다. 그 후 진동 스펙트럼을 분석하여 비정상적인 주파수 피크와 베이스라인 데이터 대비 변동(시프트)을 확인합니다.

기계 정지 중에는 날개 뿌리(Root), 앞전(Leading edge), 침식 영역, 타이와이어 및 연결부에 대한 육안 점검을 반드시 실시해야 합니다.

의심스러운 부위는 액체 침투 탐상 검사(PT), 자분 탐상 검사(MT) 또는 초음파 탐상 검사(UT) 등 적절한 비파괴 검사(NDT) 기법을 사용하여 검사해야 합니다.

현장 결과는 모달 해석 및 응력 시뮬레이션과 결합하여 균열이 날개 그룹의 강성과 동적 진동을 어느 정도 손상시켰는지 확인해야 합니다.

근본 원인을 조사하지 않고 균열이 생긴 날개만 교체해서는 안 됩니다. 공진, 불안정한 증기 흐름, 또는 잘못된 타이와이어 연결이 해결되지 않은 채 남아 있다면 교체된 날개 역시 다시 파손될 가능성이 높기 때문입니다.

진동 점검 및 스팀 터빈 날개 피로 평가 서비스

VietSonic은 부하에 따라 비정상적으로 급증하는 터빈 진동의 근본 원인을 규명하기 위해 진동 점검, 스팀 터빈 날개의 피로 균열 평가, 날개와 타이와이어 연결부 검사 서비스를 제공합니다.

스팀 터빈이 비정상적인 진동 급증, 특정 부하 대역에서의 심한 흔들림을 보이거나, 진동 스펙트럼에 새로운 주파수가 나타나거나, 마지막 단 날개의 피로 균열이 의심되는 경우, 발전소는 손상이 치명적으로 악화되기 전에 조기 점검을 시작해야 합니다.

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