무엇이 열전대 케이싱의 파손과 고장을 유발하는가?

Thread Content

이 게시물에서는 열전대 케이싱의 파손 원인을 분석하는 8가지 방법에 대해 전문적으로 설명합니다. 창휘 계측기는 현장 조사와 실제 경험, 그리고 관련 자료를 바탕으로 흔히 발생하는 열전대 케이싱 파손 원인들을 정리하여 계측기 기술자들이 참고할 수 있도록 제공합니다. 열전대는 온도 측정 장비에서 흔히 사용되는 온도 감지 소자로, 산업 생산, 과학 연구 등 다양한 분야에서 널리 활용됩니다. 열전대는 매체의 온도를 직접 측정하고, 온도 신호를 실시간으로 열전기력 신호로 변환한 뒤 전기식 계측기를 통해 측정 대상 매체의 온도로 변환함으로써 온도를 표시하고 전송하며 제어할 수 있게 해줍니다.고온, 고압, 강한 부식성을 가진 매체나 빠른 유속의 유체가 있는 환경에서 사용되기 때문에, 온도 센서가 정상적이고 안전하게, 그리고 안정적으로 작동할 수 있도록 일반적으로 열전대를 보호하기 위해 열전대 케이싱을 사용합니다.열전대 케이싱의 설계 목적은 열전대가 정상적으로 작동할 수 있도록 보호하는 것이지만, 실제 사용 시에도 보호 기능을 제공하는 경우가 많습니다. 하지만 현재 열전대에 발생하는 고장 유형을 분석해보면, 열전대 케이싱의 파손이 여전히 가장 흔한 고장 형태입니다.창휘 계측기는 열전대 케이싱의 파손에 대한 연구 방법을 분류하여 설명하고, 파손의 일반적인 원인들을 종합적으로 분석했으며, 열전대 케이싱의 파손을 예방하기 위한 조치들을 요약해 제시했습니다. 열전대 케이싱의 파손 원인 yunrun.com.cn/tech/2904.html 1. 열전대 케이싱의 외형과 선정 방법 그림 1: 온도 센서 보호관 THERMOWELL 그림 2: 열전대 케이싱 그림 1과 그림 2는 각각 일반적인 열전대 케이싱의 모습을 보여줍니다. 열전대 케이싱의 선정 방법 및 기술적 사양에 대해서는 “온도 센서 보호관 THERMOWELL” 문서를 참조하시기 바랍니다. 2. 열전대 케이싱의 파손 원인 분석 방법 – 창휘 계측기는 이 글에서 파손된 열전대 케이싱에 대해 분석 및 연구를 진행했습니다.파손 원인을 규명하고 대응 방안을 찾기 위해 일반적으로 거시적 파단면 분석, 화학 성분 분석, 기계적 특성 분석, 금속학적 분석, 주사전자현미경 분석 방법이 사용된다.또한, 부식 평가 분석, 모달 분석 및 수치 시뮬레이션 분석은 구조물의 부식, 심한 진동 및 유체 충격 등으로 인한 케이싱 파손 분석에서도 흔히 사용되는 방법들입니다. ①거시적 단면 분석은 일반적으로 열전대 케이싱의 파손 부위에 아무런 처리를 하지 않거나 간단한 초음파 세척만을 한 후, 파손된 부위의 위치와 그 주변 부품들의 전반적인 상태, 단면의 형태 특성, 크기, 순간적으로 파손된 부분과 점차 확장된 부분의 구분, 단면의 색상 분포, 파손된 부위의 평탄도 및 매끄러움 정도, 파손 유형, 뚜렷한 소성 변형이 있는지 여부, 부식 자국이 있는지, 그리고 용접 결함인 비트링이 있는지 등을 파악하는 데 사용됩니다. 이를 통해 케이싱의 파손 상태에 대한 초기적인 이해를 얻고, 보다 심층적인 분석을 위한 기초를 마련할 수 있습니다.그림 3은 열전대 케이싱의 파단면을 보여주는 현미경 사진으로, 파단면 표면은 매끄럽고 균일하며, 피로파괴에 특유한 조개껍질 모양의 무늬가 보입니다. http://yunrun.com.cn/upload/202002/05/202002051714288764.png 그림 3: 열전대 케이싱의 파손 부분의 현미경 사진 ② 화학 성분 분석 파손된 열전대 케이싱에서 블록 형태의 샘플을 채취하여, 화학 분석이나 에너지 스펙트럼 분석 방법을 이용해 케이싱의 기본 재료의 화학 성분을 분석합니다. 이를 통해 실제 재료의 각 성분의 함량이 해당 재료의 규격 요구사항에 부합하는지 확인할 수 있습니다. 예를 들어, 샤밍류 등은 파손된 스테인리스강 케이싱의 화학 성분을 분석한 결과, 그 안의 P 원소의 함량이 고품질 강재의 요구사항에 부합한다는 것을 발견했습니다；그러나 S 원소의 함량이 높은 편이며, S 함량의 과다는 이 내열강의 성능에 매우 해로운 영향을 미칩니다. 이로 인해 재료의 열쇄약성이 발생할 수 있고, 고온에서의 내구성도 약화되어 케이싱의 수명에 영향을 줄 수 있습니다. ③역학적 특성 분석: 열전대 케이싱의 역학적 특성은 주로 인장 시험 등을 통해 해당 재료의 실제 역학적 특성이 표준 규격에 부합하는지를 확인합니다. 문헌에 따르면, 20Cr25Ni20로 만들어진 열전대 케이싱의 역학적 특성을 분석한 결과, 케이싱의 인장 강도는 재료의 표준 규격을 충족했지만, 소성은 20Cr25Ni20 강의 요구 수준에 미치지 못했습니다. 인장 시험 후에는 시편에 일정한 정도의 소성 변형이 나타났습니다. ④금속학적 분석: 열전대 케이싱의 파손에 대한 금속학적 분석에서는 파손된 부분, 용접부, 그리고 접합부에서 채취한 금속 샘플을 사용합니다. 이 샘플들을 분쇄하고 연마한 후, 적절한 비율의 옥살산 용액으로 에칭 처리를 합니다. 그 다음 현미경을 이용해 그 금속 조직을 관찰함으로써 기질의 조직 유형이나 용접부의 융합 상태 등을 확인할 수 있습니다.모든 열전대 케이싱의 금속학적 현미경 사진은 그림 4에 나와 있습니다. 분석 결과, 기질 조직 내에 탄화물 입자가 상당히 많이 존재하는 것으로 나타났습니다. 이는 해당 케이싱 재료의 탄소 함량이 매우 높다는 것을 의미합니다. 더욱 자세한 분석을 통해 탄화물의 양뿐만 아니라 그 분포도 명확한 줄무늬 형태를 띠고 있다는 것이 밝혀졌습니다. 이러한 현상은 강재의 성능에 직접적인 영향을 미쳐, 재료에 방향성이 생기게 됩니다.또한, 경도 시험 결과 다량의 탄화물 입자상이 생성되면서 열전대 커버 재료가 현저하게 경화된 것으로 나타났습니다. http://yunrun.com.cn/upload/202002/05/202002051711177149.png 그림 4: 열전대 케이싱의 금속학적 현미경 사진 ⑤ 스캐닝 전자현미경 분석 스캐닝 전자현미경 분석은 일반적으로 금속학적 분석을 바탕으로, 스캐닝 전자현미경을 이용해 균열의 미세한 형태를 더욱 자세히 관찰하고 분석하는 방법입니다. 분석의 필요에 따라 여러 가지 확대율을 선택하여 관찰하며, 이를 통해 균열의 발생 위치, 확장 방향, 확장된 영역의 크기, 순간적인 파괴가 일어난 부분의 형태 및 균열의 특성을 파악할 수 있습니다. 이는 케이싱이 파손된 원인을 판단하는 데 있어 매우 중요한 단계입니다. ⑥부식 평가 분석 부식 평가 분석은 필수 옵션은 아니며, 부식으로 인해 발생한 것으로 보이는 뚜렷한 부식 자국이 있어 케이싱이 파손된 경우에만 부식 평가를 실시합니다.또한, 파손된 후 처리가 오래 지연되어 균열 부위에 뚜렷한 산화물이 생긴 열전대 커버의 경우에도 부식에 관한 분석이 이루어질 수 있습니다. ⑦모달 분석의 경우, 열전대 케이싱이 파손되는 경우는 대부분 심한 진동이나 공진으로 인해 발생합니다. 그래서 모달 분석이 자주 사용됩니다. 모달 분석에는 현장에서의 모달 테스트도 포함될 수 있으며, 유한요소법을 이용한 시뮬레이션 연구도 가능합니다. 이러한 분석의 목적은 일반적으로 구조물과 유체의 각 주파수 영역의 고유진동수를 파악하는 것입니다. 특히 진동에 큰 영향을 미치는 저주파수 영역의 고유진동수의 경우, 구조물과 유체의 고유진동수가 같거나 비슷해지는 것을 피해야 합니다. ⑧수치 시뮬레이션 분석: 모달 분석에서 언급된, ANSYS와 같은 유한요소해석 소프트웨어를 이용한 모달 분석도 수치 시뮬레이션 분석에 속합니다. 하지만 열전대 케이싱의 파손 문제를 연구할 때는 계산유체역학적 방법, 즉 CFD 방법을 사용하는 경우도 많습니다. 예를 들어, 특정 문헌에서는 대병륜 시뮬레이션 방법을 활용하여 관류가 열전대 케이싱에 미치는 영향을 수치적으로 모사하였으며, 그 결과를 바탕으로 열전대 케이싱이 받는 응력을 줄일 수 있는 효과적인 방안들을 제시했습니다. 3. 열전대 케이싱의 파손 원인
열전대 케이싱이 파손되는 원인은 다양하며, 실제 상황도 각기 다를 수 있습니다. 창휘 계측기는 현장 조사와 실제 경험, 그리고 관련 자료를 바탕으로 흔한 파손 원인들을 정리해 보았습니다:
① 용접 결함
열전대 케이싱이 파손되는 위치를 분석해 보면, 용접 부위 및 그 주변이 파손이 가장 많이 발생하는 곳입니다. 이는 대부분 용접 결함과 관련이 있습니다.해당 문헌에서는 감압 전환 오일 라인용 열전대 튜브의 파손 원인을 분석하면서, 용접 품질이 불량하여 열영향부의 조직이 균일하지 않으며, 튜브 용접 시 발생하는 비드 인가 결함으로 인해 외벽의 뿌리 부분에 불순물이 침착되고, 미세조직에도 느슨함이나 공동과 같은 결함들이 나타난다고 언급합니다. 이러한 상태에서 강한 충격이 가해지면 균열이 발생하여 급속히 확장되어, 결국 열전대 튜브가 파손되는 것입니다. ②케이싱 진동: 열전대 케이싱을 연결하는 주관로에는 보통 유체가 가득 차 있습니다. 만약 유체의 밀도가 높고 흐름 속도가 너무 빠르며 난류 상태라면, 케이싱 근처에서 소용돌이가 발생합니다. 이러한 소용돌이들이 케이싱의 양쪽에서 주기적으로 생겨났다 사라지면서, 케이싱에 주기적인 양력과 저항이 작용하게 됩니다. 그 결과, 관 내부의 압력 분포도 계속 변화하게 되고, 케이싱에 작용하는 유체의 압력과 방향도 계속 변화하게 됩니다. 결국 이로 인해 관로가 진동하게 됩니다.유체의 자극 주파수가 케이싱의 고유 주파수와 비슷하거나 심지어 같을 때, 공진이 발생합니다.강한 공명이 일어나면, 케이싱 내부에 주기적인 교번 응력이 발생합니다. 오랫동안 큰 교번 응력을 견뎌야 하는 케이싱의 경우, 응력이 가장 큰 부분에서 피로 파괴가 일어날 수 있습니다. ③부식으로 인한 파손: 열전대 케이싱은 고온, 고압, 고습과 같은 극한의 환경이나 강한 부식성 물질들에 노출되는 경우가 많습니다. 그로 인해 케이싱이 부식으로 인해 파손되는 현상도 자주 발생합니다. 일부 부식은 육안으로 직접 관찰할 수 있지만, 다른 경우에는 금속학적 분석을 통해야만 알 수 있습니다. 예를 들어, 결정간 부식의 경우, 결정간 부식이 있는 곳은 피로 파괴의 원인이 되기도 합니다. ④케이싱의 재질 선택이 부적절함. 열전대 케이싱은 재료의 강도나 극한 환경에 대한 내성 등에 있어 높은 요구사항을 가집니다. 재질 선택이 부적절하여 케이싱이 파손되는 경우는 주로 3가지가 있습니다. 첫째, 해당 재질이 관련 표준의 요구사항을 전혀 충족하지 못하는 경우입니다；둘째는 실제 사용된 재료가 설계 시 선정된 재료와 일치하지 않는 것입니다(이는 화학 성분 분석에서 자주 발견되는 문제이며, 화학 성분 분석을 수행해야 하는 중요한 이유이기도 합니다)；셋째, 재료 선정 시 강도에만 중점을 두고 고온·고압 저항성이나 내식성과 같은 측면을 고려하지 않았거나, 이러한 요인들의 장기적인 영향을 고려하지 않았습니다. ⑤열전대의 설치 위치가 적절하지 않을 경우, 열전대 커버가 깨지는 부위가 엘보우, 슬리브, 크기가 다른 파이프 연결부, 밸브와 같은 부품들 근처에 있다면, 그것은 아마도 열전대의 설치 위치가 적절하지 않아서일 것입니다. 이러한 곳들은 진동과 에너지가 집중되는 곳이기 때문입니다. 따라서 온도 측정 및 제어에 꼭 필요하지 않다면, 열전대의 설치 위치는 가능한 한 이러한 곳들을 피하는 것이 좋습니다. ⑥열전대의 설치 방식이 적절하지 않을 경우, 열전대 케이싱이 파이프라인에 수직으로 설치될 때 그 받는 힘의 상태는 일종의 매달린 보 모델로 단순화될 수 있습니다. 파손은 보통 케이싱과 주 파이프라인이 연결되는 부분에서 발생하는데, 이 부분은 매달린 보의 뿌리 부분에 해당하며 가장 큰 힘이 가해지는 곳이자 응력이 집중되기 쉬운 부위입니다. 따라서 사용 요구사항을 충족시킬 수 있는 열전대라면 일정한 각도로 기울여 설치하는 것도 좋습니다. 또한, 열전대 케이싱이 주 파이프라인 속으로 들어가는 깊이도 파손에 영향을 미치는 중요한 요소이므로 이를 적절히 선택해야 합니다. 이 글에서는 주로 열전대 케이싱의 파손 원인을 분석하는 방법과 흔히 발생하는 파손 원인들에 대해 설명합니다. 『열전대 케이싱의 파손을 방지하기 위한 조치들은 무엇인가』라는 글도 계속 관심 있게 읽어주시기 바랍니다. 저자: 원웨이, 양지룽