적외선 열화상 진단기술을 적용한 가스터빈 1단 버킷의 건전성 평가

Abstract

기력 설비의 경우, 설비의 건전성을 진단하기 위한 다양한 신기술이 개발되고 설비별 진단방법 및 진단주기가 확립되어 계획예방 정비기간(Overhaul period)은 물론 설비고장이 발생할 시 적절한 비파괴 진단 방법을 통해 설비를 진단하고 재사용, 교체여부 등을 결정하여 안전성을 확보하고 있다. 그러나 가스터빈의 경우 고온, 고압 그리고 고속회전의 악조건에서 운영되고 빈번한 부하변동 및 기동정지로 인하여 각설비의 중요 부품의 손상빈도가 높아 유지보수 비용의 증가는 물론 발전정지로 이어지는 경우가 많지만, 비파괴 진단기술의 국내 개발이 전무한 상태이고, 대부분의 설비진단을 제작사에 의존하고 있어 진단비용은 물론 제작사의 보수적인 진단으로 인한 막대한 부품교체비용이 소요되고 있는 실정이다.(12) 국내 현황은 가스터빈 설비에 대한 비파괴 진단기준 체계가 미흡한 실정이다. 특히 계획예방정비 기간 중 수행되는 비파괴 진단은 한전기공 가스터빈 정비센터에서 총괄하여 수행하고 있으며, 관련분야 비파괴 검사가 일부 수행되더라도 핵심 부품에 대한 기술적인 판단과 검사결과의 평가에 대해서는 제작사에 의존하고 있으며, 비파괴 진단평가를 제작사에 의존한 결과, 대부분의 운전 중 발생된 결함에 대하여 과도하게 평가를 실시하여 교체 정비를 권고안으로 제시하고 있으나 이를 방어할 기술적 배경이 미흡한 상태이다. 그리고, 비파괴 진단 및 평가 시스템이 확보되지 않고 있다. 국내 발전실비 중 가스터빈을 운영하는 복합설비는 용량대비 25%정도를 점유하고 있으며 비파괴 진단기술 개발에 적용될 7FA급 가스터빈은 전체 발전회사에서 보유하고 있는 가스터빈 81대중 24대로서 약 30%정도의 점유율을 보이고 있다. 그러나 비파괴 진단방법을 적극적으로 도입하여 체계적인 진단 프로그램을 운영하여 설비의 건전성을 확인하고 있지 못하며, 일반적인 FPI, MI 검사방법을 적용하고 있다. 국내에 존재하는 많은 가스터빈에 대한 비파괴 진단기술은 일부 부품에 대하여 MT, PT 검사를 적용하고 있으며 대부분 제작사에 의존하여 비파괴적 진단을 수행하고 있다. 그리고 사용되고 있는 FPI, MT 기술의 현장 적용성에 대한 한계점을 인식하여 대체 검사 방법으로 와전류검사(ECT)기술 적용에 필요한 장비도입과 신호해석 기술이 도입단계에 있다.(12) 그 동안 비파괴 검사 기술에 대한 연구개발이 원자력이나 스팀터빈에 집중되어 왔으나, 상대적으로 고온의 가혹한 환경에서 운전되고 있는 가스터빈에 대한 연구개발은 미흡한 실정이다. 가스터빈 설비에 대한 비파괴 적용기술은 기존 스팀터빈에서 사용하는 방법으로 자성체 로터에 대해 MPI를 비자성체인 7F-Class 터빈로터의 경우 FPI를 수행하는 정도의 표면 검사만 이루어지고 있는 실정이다. 국내의 적외선 열화상 카메라의 활용 면에서 보면 의료 분야에서는 인체의 체온을 측정하여 질병의 유무를 판단하고 있으며, 산업현장의 경우 단순히 열화상 촬영에 국한되어 있으나, 이 역시 측정자의 주관적인 판단에 따라서 평가가 이루어지고 있는 실정이다. 이렇게 적외선 열화상 카메라를 이용하여 촬영한 열화상의 분석을 보다 객관적인 판단 근거를 위한 기준 개발이 필요한 상태이다. 가스터빈 Bucket 코팅은 모재를 고온으로부터 보호하기 위하여 모재위에 2중으로 코팅되어 있으며, 대략 200 ~ 300㎛ 두께를 갖고 있다. 가스터빈 운용 중에 이러한 코팅층에 약간의 손상이 발생하여도 모재에 심각한 손상을 초래하고 이는 곧바로 터빈의 진동, 효율저하는 물론 터빈 설비의 심각한 손상을 가져올 수 있어 코팅층에 대한 주기적인 진단 및 건전성 평가는 매우 중요하다. 그러나, 지금까지의 코팅층에 대한 건전성 평가는 거의 이루어지지 못하고 있어 가스터빈 정비 시 모든 버킷을 분해하여 코팅층을 제거하고 재 코팅을 수행함으로써 보수비용 증대는 물론 보수기간이 늘어남으로써 효율적인 설비의 운용에 많은 어려움이 있었다. 최근에 외국에서는 적외선 검사방법(IR)을 이용하여 코팅층의 두께 및 재질변화를 감지하고 이를 근거로 코팅층의 건전성을 평가하는 방법이 점차 확산되고 있고 국내 전력사에서도 코팅층 건전성 진단방법 개발에 관심을 갖고 있는바, 가스터빈 코팅층의 건전성 진단기술을 개발하고 이를 적용하는 것은 매우 시의적절 하다고 하겠다.