mg1-3

화력발전설비 수명평가 지침 개발 방안Development of Guide Line for Life Assessment of

Fossil Power Plants

화력발전설비 수명평가 지침 개발 방안Development of Guide Line for Life Assessment of

Fossil Power Plants

한전 전력연구원

송 기 욱

The Renovation of Electric Power Technology

33

44

발전설비의 수명

목차목차

발전설비의 현황11

수명평가의 필요성22

55

단계별수명평가 방법

수명평가 절차

66

기대성과77

수명평가 지침 개발배경

�2�0�0�8년도� 대한전기협회� �K�E�P�I�C�-�W�e�e�k� 발표자료� �M�G�1�-�3

�-� �5�5� �-


한국의 화력발전소 현황


1단계

2단계

3단계

현황분석기본계획 수립

현황분석기본계획 수립

대상 발전소 선정대상 발전소 선정

개선목표 방안 결정

경제성 평가

개선목표 방안 결정

경제성 평가

타당성 평가타당성 평가

주설비 수명평가보조설비 교체여부 결정

주설비 수명평가보조설비 교체여부 결정

교체설비 결정교체설비 결정

4단계

기기규격 설계설비제작

기기규격 설계설비제작

성능개선 수행성능개선 수행 국내 500MW급증기터빈 총 27기

성능개선

수명평가의 필요성

�-� �5�7� �-


새로운 수명평가 절차 필요

- 한전 시절의 평가 절차사용

- 기존의 프로세스보다 경제적인 절차 필요

발전설비 교체설비 결정 기준 표준화 필요

- 발전설비에 대해 부분적인 수명평가 기준 있으나 절차화 되지 못함

- 개발된 기준을 절차화하여 신뢰성 있는 평가절차 마련

설비별 수명 평가 지침 개발

- 상세 지침 부재로 설비관리 어려움

- 설비별 수명평가 상세 지침 필요

- 수명평가 결과의 신뢰성 향상 및 지속적 기술향상 필요

국내현황국내현황


해외기술 동향

EPRI에서 터빈 성능개선 절차 개발 등 을 연구해 왔으며,

최근에는 “Steam Turbines Generators and Balance-of-

Plant” Program 을 통하여 터빈 개선 및 이용률 향상 기술 개발

미국

SP 249 수명평가 코드 개발

기 개발기술의 통합을 위한 Network 기술 개발

기술의 현장적용을 위한 표준화 절차화에 노력

유럽

Mitsubishi, Hitachi, Toshiba 가 수명평가 기술 개발

CRIEPI등에서 기 개발된 기술을 새롭게 프로그램화 하는 연구 수행일본

�-� �5�8� �-


Actual life

Actual life

Design life

Life

ex

tens

ion

Forc

ed o

utag

eor

pre

mat

ure

retir

emen

t• Use of minimum properties in design• Factor of safety in design• Inaccuracies in data extrapolation• Overestimation of oxidation effects

• Unanticipated stresses• Operation outside design limits• Operation and environmental effects• Degradation of material properties in service

발전설비의 수명

R.Viswanathan, Damage Mechanisms and Life Assessment of High-Temperature Components


Item LevelⅠ LevelⅡ Level Ⅲ

Feature Least detail More detail More detail

Failure history Plant records Plant records Plant records

Dimensions Design or nominalMeasured or

nominalMeasured

Condition Records or nominal Inspection Detailed inspection

Temperature and pressure

Design or operationalOperational and

measuredMeasured

Stresses Design or operational Simple calculation Refined analysis

Material property Minimum Minimum Actual material

Material sample No No Yes

단계별 수명평가

�-� �5�9� �-


증기터빈증기터빈 기능고장기능고장 평가도평가도


수명평가 개요

CreepFatigue

EmbrittlementSoftening

Measurement

Corrosion

Material degradation

Material

Non-destructive test

LocationSize

ShapeDistribution

Defect Detection

Monitoring

Fracture ThoughnessCritical Length

SizeCracl growth

Defect Evaluation

Measurement

Variable stressResidual stressTransition stress

Stable stress

Stress Evaluation

Quntitative Life Assessment

�-� �6�0� �-


수명평가 방법의 비교

Method Non-destructive test Destructive test Analytical Method

FeatureConvenientNot evaluation residual life

Possible evaluationresidual lifeTest specimen isrequired

Possible to assess all areaPossible evaluationresidual life

AssessingLocations

Stress concentrate area

Applicable, but technical development required

Applicable, but technical development required

Applicable

Flat area Applicable Applicable Applicable

LifeAssessment

Creep Applicable ApplicableApplicable, but reflecting material degradation

Low-cycle fatigue Not applicable Not applicableApplicable, but reflecting material degradation

Creep-Fatigueinteraction

Not applicable Not applicableApplicable, but reflecting material degradation

AssessableDamage Range

CreepApplicable over 30% creep damage

Full damage range Full damage range

Low-cycle fatigueLack of quantitative

relationshipNot applicable Full damage range

Creep-Fatigueinteraction

Not applicable Not applicable Full damage range


COMPONENTINSPECTION TECHNIQUES

VT UTG UTF PT MT ET HT REP FOT DT CA SPL

1. Drums 　　　　　　　2. Steam Headers 　　　　　　　3. Water Headers 　　　　　　　　4. Steam Piping 　　　　　　　5. Superheater & Reheater Tubes

　　　　　a6. Waterwall tubes 　　　　　　b7. Ductings 　　　8. Precipitator 　　　9. Structures 　　　　VT : Visual Inspection & Dimensional Check, UTG : Ultrasonic Thickness Gauging, UTF : Ultrasonic Flaw Detection, PT : Penetrant Testing, MT : Magnetic Particle Inspection, ET : Eddy Current Testing, HT : Hardness Measurement, REP : In-situ Replica Metallography, FOT : Fibreoptic Examination, DT : Destructive Tests on Samples, CA : Chemical Analysis In-situ, SPL : Special Test Methods,

보일러 검사방법

�-� �6�1� �-


COMPONENTINSPECTION TECHNIQUES

VT UTG UTF PT MT ET HT REP FOT DT CA SPL

1. Rotor ● ● ● ● ● ●c

2. Shell ● ● ● ● ● ●

3. Steam Chest ● ● ● ● ● ●

4. Casing ● ● ● ● ● ●

5. Blades ● ● ● ● ● ● ●d

6. HT Bolts ● ● ● ● ●

GENERATOR

1. Rotor ● ● ●

2. Retaining Rings ● ● ●

CONDENSER & HEAT EXCHANGER

● ● ● ● ●

a : Oxide scale measurement by special Ultrasonic technique,b :Hydrogen damage assessment by special Ultrasonic technique,c : Boresonic Inspection,d : Special Eddy Current Test of Roots

터빈 검사방법


설비별 검사목록

�-� �6�2� �-


Visual InspectionNon-Destructive

TestAnalytical Method

Structural steam path audit Dimension measurement

Hardness test

ReplicationHardness test

Operation historyMaintenance history

2.25Cr-1Mo

1

10

100

1000

10000

0 5000 10000 15000 20000 25000 30000

LMP

Stre

ss

Sample #M100001Sample #M100002Sample #M100003Sample #M100004Sample #M100005Sample #M100006Sample #M100007Sample #M100008Sample #M100009Sample #M100010Sample #M100011Sample #M100012Sample #M100019Sample #M100020Sample #M100021

0.01

0.1

1

10

0.1 1 10 100 1000 10000 100000 1000000 10000000 1E+08 1E+09

Number of Cycles

Stra

in R

ange

(%)

Data Record 1 #M01273Data Record 2 #M01274Data Record 3 #M01275Data Record 4 #M01276Data Record 5 #M01277Data Record 6 #M01278TotalStrainCurve-1LowBoundCurve-2

Life CalculationLife Calculation

CreepCreep--Fatigue Life Fatigue Life

Calculation of stress Calculation of stress

Damage AssessmentDamage Assessment

Life Consumption Rate Life Consumption Rate

Operation hour x (1/ Life consumptionOperation hour x (1/ Life consumption–– 1)1)

발전설비 수명평가


발전설비의 주요손상기구

• Creep damage– Steady state operation– High pressure&temperature– Voids initiation

• LCF damage– Transient operation– High transient stresses– Crack initiation

Stress Const. temperature

t1 tB1Operating Rupturetime time

Time

Operating stress

Strain range

Number of cycles

Cold start

�-� �6�3� �-


Final Steam Temp

Initial Steam Temp

fT

iT

Step Time tΔ

T&

Steam Temp Increasing Ratio

TTT

t if

&

−=Δ

Steam TempSurface TempAverage Temp

Obtained from RTDB

t ′Δ

Hold Time

Hold time is defined as time period form when steam temperature reaches final temperature to when rotor (or casing) average temperature stops increasing

dt

N

N

σ

maxσ

터빈의 열응력 계산


열응력열응력

원심응력원심응력

터빈 탄성응력 해석

합성응력합성응력

σbcr : 정격속도에서의 중심공 원심력

σbc : 속도에서의 중심공 원심력

N r : 정격속도 (3600 rpm)N : 속도

�-� �6�4� �-


pet e f p fC N C N ααεΔ ≅ +

무차원 변형율 곡선 무차원 응력 곡선

tε탄소성변형율

저주기피로 수명 관계식

(20 log )rP T t≡ +크리프 파단 수명 관계식

σ

크리프크리프 저주기피로저주기피로

/fatigue fN Nφ =저주기피로 수명 소비율

/creep rt tφ =크리프 수명소비율

σ

간략 응력 해석

탄성 응력

기본 정보

TK

K ε

탄성응력집중계수

소성변형율집중계수

( )TK f= 형상( )TK f= 응력

( )2TK f KεεεΔ

=Y

,

nominalε공칭 변형율

2t

Tε

αΔΔ

/1sE Tασ

νΔ−

간략 수명평가 절차


운전시간 -> 초기경도 Hvo 결정

케이싱 크리프 수명평가

oHv Hv HvΔ = −

cφ

HvΔ

P

oHv

(b) 크리프 수명소비율 결정

(a) 초기 경도 Hvo 결정

cf. 로터의 경우 G변수 방법 이용

평가대상 영역 경도 Hv 측정

크리프크리프 수명소비율수명소비율 фф 결정결정

�-� �6�5� �-


CrMV Forging

1

10

100

1000

100 1000 10000 100000

Remaining Life (Hr)

Haza

rd F

unctio

n

HX100

,

CrMV Unused

Regression

Life Assessment

Combined

CrMV Forging

0

50

100

100 1000 10000 100000

Remaining Cycle

Un

relia

bili

ty,

F

%

.

CrMV Unused

Life Assessment

Regression

Combined

500MW HP Rotor Creep Rupture Normalization

-6

-4

-2

0

2

1,000 10,000 100,000 1,000,000 10,000,000

Operation Time (Hr)

Cre

ep R

uptu

re N

orm

aliz

atio

n,

Z .

Remaining Life F50%

Combined Regression

NIMS Creep

500MW HP Rotor Unreliability

0

50

100

1000 10000 100000 1000000 10000000

Operation Time (Hr)

Unre

liabili

ty F

%

,

NIMS Creep CrMoV Casting

Remaining Life(F50%)

Combined Regression

열화에 의한 강도의 저하


Stress AnalysisHv

TimeHardness Measurement

σ

LMP∆ε

Nf

N /tPro

babili

ty o

f fa

ilure

New material

N /tPro

babili

ty o

f fa

ilure

New material

Aged material

σ

LMP

∆ε

Nf

D= Df+Dc+0.75(Df·Dc)0.5

Damage CalculationDf : Fatigue damageDc : Creep Damage

수명해석 절차

�-� �6�6� �-


금속조직 분석 절차


관련책자 관련논문 NRIM, ASM

수명평가

응력해석 ?

평가 기준 ?

설비별 진단부위 ?

개선절차 평가방법 재료DB

수명평가기술지침서

수명평가기술지침서

수명평가

평가기준평가기준

진단방범 부위진단방범 부위

평가방법평가방법

손상기구손상기구

재료DB재료DB수명평가수행수명평가수행

DB구축DB구축

수명평가 기술지침 개발수명평가 기술지침 개발

성능개선 절차 구축 경제적인 성능개선을 위한 절차제공성능개선성능개선 절차절차 구축구축 경제적인경제적인 성능개선을성능개선을 위한위한 절차제공절차제공

수평평가 표준 절차 개발 평가결과의 일관성 유지 및 신뢰성 향상수평평가수평평가 표준표준 절차절차 개발개발 평가결과의평가결과의 일관성일관성 유지유지 및및 신뢰성신뢰성 향상향상

�-� �6�7� �-


1000 적용범위와 용어정의

1100 일반사항

2000 금속조직 평가

2100 일반사항

2200 금속조직 검사법

2310 표면복제법

2320 A-파라메터

2330 탄화물 분석

2340 손상분류법

2300 경도검사법

2310 온도계산

2320 수명계산

3000 수명평가

3100 일반사항

3200 보일러 튜브

3300 고온헤더

3400 고온배관

3500 고압터빈 로터

3600 고압터빈 케이싱

3700 주증기 밸브

3800 터빈볼트

4000 참고자료

수명평가 기술지침 내용수명평가 기술지침 내용


말레이시아 국영전력회사 (TNB) Jana Mangjung #2 발전소 터빈 수명평가말레이시아 전력연구소 (TNBR)과 터빈수명평가 MOU 체결예정

2차년도에 개발된 “터빈설비 교체를 위한 평가기준 및 절차” 2009년 12월까지대한전기협회의 전력산업기술기준(KEPIC)에 화력발전소 수명평가 지침에 포함되어기술기준화 될 예정임.

해외 진출 현황해외 진출 현황

�-� �6�8� �-


수수명명평평가가

지지침침개개발발

수명평가 기술의 신뢰도 향상

국내 독자적 수명평가 기준 체계화

지속적인 UP-Grade를 통한 기술향상

기술적 측면

최적의 수명평가 프로세스 확립으로 비용절감

수명평가를 위한 해외 용역비용 절감

설비 신뢰성 향상으로 발전원가 절감

경제적 측면

국내의 독자적 기술로 설비교체 결정

해외시장진출을 위한 기술적 기반 구축

발전사와 제작사의 협력 강화

정책적 측면

기대성과


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