화력발전소 증기배관의 장시간 운전에 따른 P92 소재의 기계적 물성 변화 및 균열원인 분석

Abstract

1.1 연구 배경 및 목적 발전 산업은 21세기에 들어 세계적으로 다양한 변화를 겪었다. 환경이 중요 시되며, 상대적으로 환경오염물의 배출이 적고 효율이 높은 초초임계압 석탄 화력발전소의 건설이 증가하고 있다. 우리나라 역시 세계적인 전력생산 강국 으로 석탄 화력, 복합화력, 원자력 및 신재생 에너지 등 다양한 발전설비를 통 해 전력수급을 실현하고 있다. 우리나라에는 약 200여 기의 화력발전소가 가 동 중인데, 이 중 약 20 % 이상이 가동 기간 20년 이상의 노후화된 설비이며, 수명연장 및 성능개선을 시행하는 등 설비의 노후를 의식하고 대비하고 있다. 우리나라의 전력소비량은 2010년도 이후부터 꾸준히 증가하는 추세를 보였으 며, 1인당 전기사용량 세계적으로 봤을 때도 상위권에 속하며, 최근 국제 원자 재가격 및 운송비용 증가에 따라 운영 중인 설비에 대한 효율 개선이 요구되 고 있다. 이에 따라 발전소의 전력생산 효율 향상을 위해 설비의 증기 온도 및 압력을 높여서 운전하고 있으며, 발전설비가 고온, 고압 환경으로 변화됨에 따라 가혹해지는 운전환경에서 버틸 수 있도록 보다 높은 설비의 안정성 및 신뢰성이 요구되며, 이에 따라 발전설비의 소재 또한 높은 고온물성 및 내산 화성이 요구되는 추세이다. 석탄화력발전소의 고온재열증기배관(High temperature reheat steam pipe) 설비가 고온 고압하에 운전 중 물성저하 관련으로 손상 관련 사고가 다수 보 고됨에 따라 심각한 문제를 초래하고 있으며, 사고방지에 관한 연구의 필요성 이 대두되고 있다. 고온재열증기배관의 장시간 운전에 따른 미세조직, 기계적 물성, Creep 특성을 사용재 및 신재에 대한 비교분석을 통해 운전 중의 사고 를 미연에 방지하고 효율적인 관리를 하고자 하는 것에 그 목적이 있다

1.2 연구 내용 본 연구는 2014년 5월에 교체된, 약 44,000시간 동안 운전된 ASTM A335 P92 재질의 고온재열증기배관의 Tee 측(T-Pipe)에서 빈번하게 발생하는 균열 및 손상에 대해 Tee 측(T-Pipe) 및 직관부(P-Pipe)의 응력해석을 통해 위치 에 따른 응력분포를 비교분석하고, 각각의 위치에서 제작한 시험편을 통한 신 재와 미세조직, 기계적 물성, Creep 시험을 통한 물성저하 및 손상 발생원인에 대해 분석하며, 설계수명과 배관 형태별 수명 소비율을 비교·분석하여 고온재 열증기배관의 성능개선에 대해 고찰하였다. |As power consumption increases, it tends to change to a high-temperature and high-pressure environment to improve the power production efficiency of the power plant. Power generation facilities require higher stability and reliability to withstand harsh operating environments. This study conducted an analysis of a P92 high temperature reheat steam pipe that was actually used for 44,000 hr of Yeongheung Unit 3, an Ultra Super Critical pressure power plant. The cause of Tee welding part damage was investigated through microstructure analysis, room temperature, high temperature tensile test, creep test, and pipe stress analysis for Tee welding part crack and damage. The test confirmed that the microstructure degradation, tensile strength, and creep life were all relatively lower in the Tee side than in the straight part. The stress analysis on the distribution relationship during operation showed that 71% of the maximum stress was applied on the Tee side, which was the largest stress among the measurement ranges. Based on the results of this study, the results of stress and damage levels in the actual load conditions of the main pipe of the Ultra Super Critical pressure power plant. It is intended to contribute to the improvement of the utilization rate based on the reliability and soundness evaluation of supercritical pressure piping by acquiring useful information related to maintenance of major piping.