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한국동서발전(주)

2019.12.

발전기술개발원

발표자 : 선임전문원 박진근

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CONTENTS

배경 및 목적 Ⅰ

검토내용 Ⅱ

신뢰도 확보방안 Ⅳ

검토결과 종합 Ⅲ

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배경 및 목적 Ⅰ

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(배경) 18.10.21(일) 당진2호기 정상운전 중(480MW) 2차과열기 곡관부

(5B-11R) 누설로 계획중간정비 시행 [표준석탄화력 고장사례 다수]

(목적) 고장 및 운전 빅데이터 분석으로 당진 1~4호기 PSH 곡관부 선행

정비를 시행하여 설비신뢰도를 확보하고자 함

【당진 #1(’16.2.4)】 【당진 #2(’11.5.12)】 【당진 #2(’11.5.10)】 【당진 #2(’16.4.15)】

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검토내용 Ⅱ

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1. PSH 설계조건

가. 튜브 규격

◇ 입구 : X20CrMoV121, O.D42.4 × 5.0t

◇ 출구 : X20CrMoV121, O.D42.4 × 6.3t

나. 증기조건(@ BMCR/100%NR)

◇ 입구 : 263.4/259.6 ㎏/㎠, 451/448 ℃

◇ 출구 : 259.9/256.9 ㎏/㎠, 502/507 ℃

다. 금속온도

◇ Max. expected Metal 온도 : 534 ℃

◇ Design Metal 온도 : 536 ℃

라. Heat Absorptions(100%NR)

◇ 노출구에 위치, 열부하가 상대적으로 높음

◇ 열흡수량/단위면적 FSH 대비 약 2.7배 높음

구분 Heat Absorption Rate

(kcal/㎡h) Heat Absdption

(Mcal/h)

PSH 번들 31,000 7,830(R*)+83,970(C*)

FSH 번들 11,600 65,300(C)

【열흡수(율) 비교 PSH vs. FSH】

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2. PSH 손상유형 및 주요원인

가. 유형 1 : 곡관부 Window Rupture (18년10월 당진 2호기 5B-11R 중간곡관)

◇ 손상개요 : 정상 운전 중 Rupture 발생으로 계획중간 정비 시행

◇ 유사사례 : 17년11월 00화력, 18년6월 00화력에서 유사고장 발생함

곡관부 장기과열에 의한 손상

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2. PSH 손상유형 및 주요원인

나. 유형 2 : 곡관부 파열 (16년3월 당진 2호기 5B-1R 중간곡관)

◇ 손상개요 : 수압시험 중 중간곡관 7시30분 방향에서 누설발생

◇ 손상원인

- 밴딩과정에서 과도한 변형에 의한 잔류응력 잔존과 열처리 미 시행

- 높은 복사/대류 열부하를 받도록 설계되었으며, 일부 구간은 설계온도를 초과하여 운전되면서

장기간에 걸쳐 Creep 손상이 진행되어 파손됨

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2. PSH 손상유형 및 주요원인

◇ 유사사례 : 표준석탄화력 PSH에서 20회 이상 유사고장 사례 발생함

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2. PSH 손상유형 및 주요원인

다. 곡관부 손상 원인 분석 종합

◇ 튜브 벤딩에 의한 형상변경으로 잔류응력이 부가되고, 외호면은 두께가 얇아지면서 허용응력이

감소되어 취약개소 발생함

◇ 튜브 벤딩에 의한 형상변경를 반영한 응력해석결과 곡관튜브의 전형적인 손상발생위치와 동일한

부위에 응력이 집중됨을 확인할 수 있음

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2. PSH 손상유형 및 주요원인

◇ PSH는 연소로에 근접하여 높은 복사/대류 열부하를 받도록 설계되었으며, 일부 구간은 설계온

도를 초과하여 운전되면서 튜브벤딩에 의한 구조적인 취약부에서 장기간에 걸쳐 Creep 손상이

진행되어 파손에 이르게 됨

- 특히 3~6 Bundle의 범위에서 평균온도 및 최고온도가 높게 유지됨

※ 보일러 공급 계약서상 Max. Expected Metal Temp. : 534℃

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2. PSH 손상유형 및 주요원인

◇ 손상개요 (17년10월 하동 1호기 3B-12R Sliding Lug)

- 정상운전 중 출구측 직관 Sliding Lug 용접부 길이방향 파열 발생

◇ 손상원인

- 파단은 Lug 용접부 열영향부에서 시작하여 튜브 두께방향으로 전파됨

- 용접잔류응력, 기동/정지 열응력, 고온장기사용으로 균열이 생성/전파됨

직관부 Lug 용접부 손상

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3. 손상이력 빅데이터 분석

표준석탄화력 PSH 손상이력 [총 27회(당진:7회)]

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3. 손상이력 빅데이터 분석

튜브 손상이력 데이터 Mapping

◇ Bundle 내의 25개 Row 튜브

위치별 손상 이력 (Side View)

- 위치별로는 출구곡관, 중간곡관

에서 대부분의 손상이 발생됨

- 1~25Row 중 에 서 는 12,

25Row에서 대부분의 손상이

발생됨

- Bundle 내의 25개 Row 튜브

위치별 온도분포를 보면 모든

Bundle의 12,25Row의 운전

온도가 상대적으로 가장 높게

측정됨

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3. 손상이력 빅데이터 분석

튜브 손상이력 데이터 Mapping

◇ 1~18 Bundle의 위치별 손상

이력 (Top View)

- 1~9, 10~18 Bundle의 중간인

4,5 / 13,14 Bundle에서 대

부분의 손상 발생됨

- 동일 Row의 튜브 Bundle별

온도분포는 1~18 Bundle 중

손상이 많았던 5, 13 Bundle

의 온도가 상대적으로 높았음

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4. 운전/허용 온도 데이터 분석

◇ 보일러 예상 Metal 온도를 통한 취약부 분석

- 설계기준으로 증기온도와 노내 Metal 온도의 편차는 +26℃ 임

- 튜브의 최고허용 Metal 온도는 각각 536℃(@5.0t)/555℃(@6.3t) 임

- 실제 운전온도로 예상 Mid Wall 온도를 추정해 보면 중간곡관 및 출구곡관이 여유가 없이

가장 취약하며 일부구간은 최고 허용온도를 초과함

※ 설계 온도 분포 (보일러 계약서 기준)

※ 보일러 실제 증기온도 분포(당진 3호기) [Metal T/C(증기):’18. 7.20 9:00 520MW]

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튜브 내,외면에서의 열전달

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Ti (Inside Wall Temp) - 산화스케일 발생, 성장, 박리 및 부풀음

Tm (Mid Wall Temp) - 강도계산, 최소요구두께결정

To (Outside Wall Temp) - Gas Side Corrosion - Metal Loss due to Erosion

- 탄소강 흑연화방지(427℃)

4. 운전/허용 온도 데이터 분석

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5. 당진 PSH 건전성 검사 결과

가. 2호기 비손상 튜브 검사결과

◇ 18년10월 Window Rupture된 2호기 5B-11R과 인접한

비손상된 5B-10R 검사결과 미세균열(69.75㎛) 발견됨

나. 3호기 비손상 튜브 검사결과

◇ 건전성 확인을 위해 3호기 계획정비 중 2호기와 동일

번들의 곡관튜브 3개소(5B-5,10,11R)에 대한 Sampling

검사결과 3개소 모두에서 Creep 손상이 발견됨

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검토결과 종합 Ⅲ

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검토결과 종합

가. PSH 설계조건

◇ 노출구에 위치, 열부하가 상대적으로 높음(열흡수량이 FSH 대비 2.7배)

나. PSH 손상유형 및 주요원인

◇ 곡관부튜브는 벤딩에 의한 형상변경으로 잔류응력 부가 및 허용응력이 감소하고, 일부는

설계온도를 초과하여 운전되면서 장기과열에 의해 Creep 손상이 진행되어 파손됨

◇ 직관부 Lug 용접부는 용접잔류응력, 기동/정지 열응력, 고온장기사용으로 생성된 균열이

전파되어 파손됨

다. 손상이력 빅데이터 분석

◇ 표준석탄화력 PSH 손상이력 [총 27회(당진:7회)]

◇ 위치별로는 출구곡관, 중간곡관의 12, 25Row에서 대부분의 손상이 발생됨

◇ 1~9, 10~18 Bundle의 중간인 4,5 / 13,14 Bundle에서 대부분의 손상이 발생됨

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검토결과 종합

라. 튜브 운전온도 및 허용온도 데이터 분석

◇ 실제 운전온도로 예상 Mid Wall 온도를 추정해 보면 중간곡관 및 출구 곡관이 여유가

없이 가장 취약하며 일부구간은 최고 허용온도를 초과함

마. 당진 PSH 건전성 검사 결과

◇ 손상이 발생된 2호기 5번들의 인접열 및 3호기 동일열, 인접열에 대한 미세조직 검사결

과 곡관부 외호면에서 미세균열 및 크리프 기공이 발견됨

◇ 미교체 튜브도 장기사용으로 균열성장에 의한 튜브 손상 가능성 잔존함

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신뢰도 확보방안 Ⅳ

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당진 1~4호기 곡관튜브 추가 부분교체 실행

신뢰도 확보방안

가. 곡관튜브 교체이력

◇ 2014 ~ 2018년 기간에 순차적으로 손상이 빈발하고 있으며 각 번들의 최외각에 있어

온도가 가장 높은 12, 25열의 곡관튜브 대상으로 교체 진행

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신뢰도 확보방안

나. 곡관튜브 추가 교체 필요성

◇ 미교체 튜브에 대한 조직검사 결과 크리프 손상이 진행됨이 확인됨

◇ 온도 불균형으로 일부번들에서 허용온도 상회한 비정상 운전 가능성 있음

◇ 중간곡관 및 출구곡관은 튜브허용온도와의 여유가 작은 취약한 부위임

◇ 최근 고장이력을 보면 미교체된 12, 25열 이외에서도 손상이 발생됨

다. 곡관튜브 적정 추가 교체 범위 선정

◇ 최근 운전온도가 가장높음 12R, 25R과 인접한 3번째 튜브 손상 사례가 있고, 운전온

도가 높고 손상이 집중적으로 발생한 3~6, 13~14 Bundle 및 중간곡관, 출구곡관 튜

브는 가장 취약한 부위로 선행 정비가 필요함

◇ 추가 교체 범위 선정(안) : 총 90EA

- 중간곡관 : 6Bundle(3,4,5,6,13,14) × 5Row(12,11,10,9,8) = 30EA

- 출구곡관 : 6Bundle(3,4,5,6,13,14) × 10Row(12~8, 25~21) = 60EA

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신뢰도 확보방안

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추가교체 곡관튜브 건전성 향상

신뢰도 확보방안

가. 중간곡관 튜브 두께 증대로 허용응력 여유 확보 : 5.0 → 6.3t

◇ 두께 증대 시 허용응력이 증가하여 약 19℃의 온도 여유가 확보됨

나. 곡관 튜브 제작 과정의 과도한 형상변경으로 인한 잔류응력 억제

◇ 제작 시 타원화율 및 두께 감소율 기준 준수 : 10% 이하

◇ 성형변형률(R/D) 여유 확보를 위한 곡률반경(R) 증대 : 84→110mm 이상

다. 벤딩튜브 잔류응력 제거를 위한 열처리 시행

◇ EN Code 적용 시 R/D ＞ 1.5 경우는 열처리 미시행

◇ EPRI 자료 기준 (붙임 1 참조)

- R/D ≥ 2.5 : Tempering 732~787.7℃

- R/D ＜ 2.5 : Normalizing 1037.7~1093.3℃, Tempering 732~787.7℃

* R/D 계산 : 84/42.4 = 1.98 ( 곡률증대 R/D = 110/42.4 = 2.59)

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기타 사항

신뢰도 확보방안

가. 직관 Lug 용접부 비파괴 검사 시행

◇ 용접부 손상은 외면에서 내면으로 균열이 진행 되므로 표면검사(MT 또는 PT)로 계획

정비 시 건전성 확인

나. 튜브 온도 감시 T/C 추가 설치 및 위치변경

◇ Row별 온도 분포 확인을 위해 5Bundle 1~25Row T/C 전량 설치

◇ 온도가 낮은 6Row T/C를 1Row로 이설하여 온도 감시

다. 자재 신규 구매 시 소재 물성치(경도)기준 표기 및 검수 철저

◇ DIN Code 기준 : 220~265HV (유사소재 ASME T122 기준 : 265HV 이하)

* DIN Code 경도 기준값이 없어 인장강도로 환산 : 인장강도 690~840 N/㎟

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