침식부식으로 인한 탄소강 배관의 잔여수명 예측시스템 개발 및 적용

황경모·노희영·진태은

한국전력기술(주)

Development & Applications of A Residual Lifetime Prediction System

for Carbon Steel Piping under Erosion/Corrosion

K. M. Hwang, H. Y. Roh, T. E. Jin

Korea Power Engineering Company

서 론

최근 산업 플랜트 이외에 원자력 및 화력발전소 2차계통에서 주로 사용되고 있는 탄소강 배관의 침식부식손상은 운전년수 증가와 함께 심각한 문제로 대두되고 있다. 침식부식손상은 배관 뿐만 아니라 다른 주요 기기의 성능 저하와도 직·간접적으로 연관되어 있으며, 배관 누수나 파열과 같은 사고 발생시 플랜트 전체의 손상은 물론 인명 피해도 예상할 수 있다. 이미 서구에서는 이러한 문제해결을 위하여 침식부식을 온라인으로 감시할 수 있는 시스템을 개발하여 현장에 설치한 곳도 있다. 국내에서도 다소 늦은 감은 있으나 침식부식손상 감시의 중요성을 인식하여 국내 최초로 한국전력기술(주)에서 Prototype 형태로 개발·완료하였다. 이러한 시스템을 플랜트에 적용하여 배관수명을 예측하고 교체계획 및 수명단축 극소화 방안을 수립함으로써 각종 사고를 예방할 수 있으며, 기술적·경제적 효과도 기대할 수 있다.

따라서 본 고에서는 침식부식손상 평가의 중요성과 침식부식손상을 최적으로 평가할 수 있는 탄소강 배관의 수명 평가시스템을 소개하고자 한다.

침식부식 개념 및 평가이론

침식부식은 침식, 마모, 캐비테이션 등과 같은 기계적인 손상과는 달리 부착력이 약한 다공성 마그네타이트 피막에서 유체의 흐름에 의해 가속화되는 재료의 부식현상으로서 건증기 배관에서는 발생하지 않고 물과 습증기를 운반하는 배관에서 주로 발생한다. 침식부식률은 몇 가지 부분 반응단계에 따라 결정되며, 각 단계별 반응률은 유체의 pH, 금속재료, 유속, 배관형상 등 여러가지 변수의 복합작용에 영향을 받는다. 침식부식의 주요 매체로 작용하는 마그네타이트 산화막의 형성과정은 다음과 같다.

[eqn: Fe~+~2H_2 O~→~Fe(OH)_2~ +~ H_2][eqn: 3Fe(OH)_2~ →~ Fe_3 O_4 ~+~ H_2~ +~ 2H_2 O]

()

()

침식부식 현상은 보통 2단계로 진행된다. 첫 단계는 마그네타이트의 일부가 기공 및 표면에서 용해반응이 진행되는 것이다. 마그네타이트의 용해도(rk)는 온도, 수소이온 활동도 및 용액조성에 따라 변하며, 용해속도는 아레니우스(Arrhenius) 식으로 나타낼 수 있다.

[eqn: r_k~ =~ r_o~ exp left(- {E_k over RT} right)]

()

여기서 Ek와 R은 각각 활성화에너지와 기체상수를 나타내며, ro는 T = ∞에서의 rk의 값이다. 두 번째 단계는 용해된 마그네타이트 피막의 철이온(Fe2+)이 물의 흐름에 의한 대류 물질전달(Convective Mass Transfer)로 인하여 용액 속으로 확산되어 배관재료의 손실을 가속화하는 것이다. 대류 물질전달 속도는 다음 식과 같다.

[eqn: dm over dt~ =~ r_MT~ = ~ K(C_s ~-~ C_b )]  여기서 K는 물질전달 계수이며, Cs와 Cb는 각각 표면과 유체 중의 철이온 농도를 나타낸다. 위의 두 단계는 연속적으로 일어나므로 침식부식률은 다음 식으로 표현된다.

()

[eqn: r~ =~left(~ 1 over r_k ~ +~ 1 over r_MT ~ right)^-1]

()

이와 같은 이론을 근거로하여 원전 및 화전의 급수계통이나 응축수계통 등과 같은 단상유체가 흐르는 배관의 침식부식률은 아래의 KWU-Siemens 식으로 구할 수 있다1).

[eqn: r_1`=`6.25·K_c · left {B·e^NW ·[1`-`0.175`(pH`-`7)^2 ]`1.8·e^(-0.118g)` +` 1 right }·f(t)]

()

여기서, B = - 10.5 h1/2 - 9.375·10-4·T2 + 0.79·T - 132.5

N = - 0.0875 h - 1.275·10-5·T2 + 1.078·10-2·T - 2.15 (0□h□0.5%)

N = (-1.29·10-4·T2 + 0.109·T - 22.07)·0.154·e-1.2 x h (0.5＠h□5%)

f(t) = C1 + C2t + C3t2 + C4t3 : 보정계수

C1=0.9999934, C2=-0.3356901x10-6, C3=-0.5624812x10-10, C4=-0.3849972x10-15

그리고 위 식을 적용할 수 있는 유체의 pH 범위는 7□pH□9.39이며, t는 노출시간, KC는 Keller 형상계수, W는 유속, g는 산소농도(ppb), h는 크롬과 몰리브덴 함량의 합(%)이다. 한편, 발전소의 주증기 및 TBN Bypass계통과 같은 2상유체가 흐르는 탄소강 배관의 침식부식률은 아래의 Keller 식으로 구할 수 있다2).

[eqn: r_2~ =~ W·f(T)· f(X)· K_c~ -~ K_s]

()

여기서, f(T)와 f(X)는 침식부식률에 대한 온도 및 습분의 영향을 알려주는 무차원 값이며, Ks는 침식부식 현상이 시작되기 전에 f(T)□f(X)□W□Kc 값이 넘어야 할 초기값을 나타낸다.

탄소강 배관의 수명예측

1. 수명예측 방법

식 (6)과 (7)을 이용하여 구한 침식부식률로부터 현재의 배관두께(TC) 및 잔여 배관두께(TR)는 아래 두 식으로부터 구할 수 있으며, 잔여수명은 잔여 배관두께를 침식부식률로 나누어 구할 수 있다.

[eqn: T_C~ =~ T_nom~ -~ T_E/C ,~~~~ T_R~ = T_C~ -~ T_m]

()

여기서, Tnom과 TE/C는 각각 설계당시의 공칭 배관두께와 침식부식에 의해 마모된 배관두께를 나타내며, Tm은 최소허용 배관두께를 나타낸다. 그리고 본 연구에서 채택한 배관두께 허용기준치의 초과여부는 ASME Code의 압력기준 방식을 채택하며, 이에 따른 최소허용 배관두께는 다음 식을 이용하여 구한다3).

[eqn: T_m~ =~ {P`D_o} over {2~(S_E~ +~ P` Y)}~ +~A]

()

여기서 P는 내부 설계압력을 나타내며, SE는 설계온도에서의 내부압력과 이음효율에 대한 재료의 최대 허용응력을 나타낸다. 그리고 Do와 A는 각각 배관외경 및 여유두께를 나타내며, Y는 온도와 재료에 따른 계수이다.

2. 수명평가 절차 및 방법

탄소강 배관의 침식부식 현상을 평가하기 위한 절차는 그림 1의 흐름도에서 처럼 우선 평가해야 할 부위를 선정하고, 침식부식 현상에 영향을 미치는 변수들의 값을 취득한 후 KWU-Siemens식 및 Keller식을 이용하여 배관부위의 침식부식률을 계산한다. 그후 평가시점의 배관두께를 공칭 배관두께(Tnom) 및 최소허용 배관두께(Tmin)와 비교한다. 이때 배관두께가 Tmin 보다 작고 0.3Tnom 보다 클 경우에는 국부 배관감육 평가를 수행한다. ASME Code Sec. Ⅲ의 NB-3213.10에는 국부 막응력(Local Membrane Stress)이 정의되어 있으며, NB-3221.2에는 허용응력강도가 제시되어 있다. 평가시의 배관두께(TC)가 0.3Tnom<TC<Tmin 범위 내에 있을 경우, 즉 배관 벽두께가 Tmin 보다 작더라도 배관의 구조적 강도를 유지할 수 있다면 이 배관은 굳이 수리나 교체할 필요가 없다. 배관두께가 Tmin 보다 작을 경우에는 다음의 세 가지 국부감육 기준을 적용하여 배관의 허용여부를 평가한다. 만약 이들 세 가지 국부 배관감육 기준 가운데 어느 것에도 만족하지 않는다면 해당 배관은 즉시 교체하거나 수리를 해야 한다.

(1) Axial Corrosion

그림 . 평가 흐름도

먼저 벽두께 감소의 폭이 횡방향으로 국한된 경우, 즉 손상된 배관의 Hoop 방향으로 감육된 폭(Lmt)이 (RTmin)1/2 보다 적을 때는 ANSI/ ASME B31G Axial Corrosion Rule을 적용한다.

[eqn: L_mt~ ≤~ root RT_min]

()

여기서 R은 배관의 외부반경을 나타낸다. 그림 2는 국부허용 배관두께 Taloc를 결정하는데 사용된다.

(2) Branch Reinforcement

손상된 배관재료의 보상기준은 손상부위 주변에서 일정하게 분포하는 과잉재료를 사용하여 Reinforcement의 한계범위 내에서 보상한다는 것이다. 식 (10)을 만족하지 않아 Axial Corrosion Rule을 적용할 수 없을 경우에는 식 (11)을 사용하여 Branch Reinforcement Rule의 적용여부를 판별한다. 다음 식을 만족할 경우,

[eqn: L_m~ ≤~ 2.65 root RT_min~ and~ T_nom~ >~ 1.13~ T_min]

()

아래의 두 식 중 큰 값을 사용하여 국부허용 배관두께 Taloc를 구한다.

[eqn: T_aloc over T_min~ ≥~ {1.5 root RT_min} over L~ [1~ -~ T_nom over T_min ]~ + 1 ~~ or~ T_aloc over T_min~ ≥~ 0.353~ L_m over root RT_min]

()

그림 . 국부감육 부위의 허용깊이 및 길이

(3) Local Membrane Stress

ASME Code Sec.III NB -3213.10에는 막응력 강도가 (RTmin)1/2 이내에서 최대 허용응력강도(Sm)의 1.1배를 초과하는 경우에는 국부 막응력으로 고려하여 응력강도의 한계를 1.5Sm으로 명시하고 있다. 여기서 R은 배관의 외경을 나타낸다. 따라서, 식 (10)과 (11)을 만족하지 않을 경우에는 Local Memb. Stress Rule을 적용한다. Taloc를 결정하기 위한 한계곡선은 그림 2의 상부곡선과 같다.

평가결과 및 토론

본 연구에서는 탄소강 배관의 침식부식손상 평가시스템의 기본적인 검증을 위하여, 국내 원전의 2차측 배관에서 단상유체가 흐르는 주급수계통의 배관 중 침식부식에 가장 민감한 곳으로 예상되는 T-형 배관을 채택하여 평가하였다. 평가시스템을 운영하는데 필요한 데이타는 기존 센서들로부터 온라인으로 취득되어야 하지만 여기서는 기존의 운전기록 데이타를 사용하였다. 그림 3은 본 평가시스템의 평가화면으로서 배관두께가 거의 직선적으로 감소하는 것으로 나타났다.

대상호기 2차측 배관의 평가시점(7.5년 운전)에서 최소허용 배관두께를 기준으로 한 배관 잔여수명은 0.93년으로 확인되었으며, 배관두께가 최소허용 배관두께에 도달하는 시점인 8.53년이 경과한 것으로 가정하여 국부감육 평가를 수행한 결과 허용두께는 4.3mm이며, 이를 기준으로 한 잔여수명은 7.06년인 것으로 계산되었다. 또한 2차측 배관의 감육평가 결과를 실제 현장의 초음파검사 수행결과와 비교해 본 결과 가장 잘 일치하는 경우의 오차가 약 3% 이내로 나타났으며, 이외의 다른 부위들도 오차가 50% 이내로서 이론치와 실측치가 잘 일치하고 있음을 알 수 있었다. 최근에 발행된 각종 문헌에 의하면 이론에 의해 구한 침식부식률은 측정치 보다 보수적인 것으로 알려져 있으며, 오차가 100% 이내이면 비교적 우수한 평가결과라고 알려져 있다1). 따라서 본 연구에서 개발한 수명 평가시스템은 상당히 우수한 평가결과를 보여주고 있으며, 향후 본 시스템을 더욱 개선·보완하여 실제 발전소 및 산업 플랜트에 적용할 경우 경제적, 기술적 측면에서 상당히 우수한 효과를 기대할 수 있을 것으로 판단된다.

그림 3. 탄소강 배관의 수명평가 화면

참고문헌

1. Von W. Kastner and K. Riedle, "Empirisches Modell zur Berechnung von

Materialabtragen durch Erosionskorrosion" VGB Kraftwerkstechnik 66,

December 1986 pp1171∼1178.

2. H. Keller, "Corrosion and Erosion Problems in Saturated-Steam Turbines", AIM

Conf., Liege, Belgium, May 22∼28, 1978.

3. C. S. Hoemann and E. G. Berak, "Engineering Evaluation of Erosion/Corrosion

in Piping System", pp117∼122.