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[투데이에너지 신일영 기자] 정유 공장에서 개질 수소를 생산하는 개질로(리포머 튜브)는 증기 개질을 위한 흡열 반응 시에는 증기를 약 700~1000°C의 온도까지 가열시킨다. 따라서 개질 공정에서의 문제는 주로 촉매(리포머) 튜브 및 피그 테일을 포함하는 출구 매니폴드 시스템의 구성품 고장으로 인해 발생한다.

이들의 내부 압력은 대략 2000~3500kPa 사이이며 운전온도 범위는 800~900°C이므로 이 구성품들의 금속 재료는 고온 크리프 손상이 일어날 수 있는 가혹한 조건에 놓여 있다.

고온 크리프 손상이 발생하면 설비의 치수가 변형되고 재료 내부에는 결정립계 등에서 cavity가 발생한다. 또 성장하면서 이들의 합체가 일어나 결국에는 균열로 성장해 설비의 파손을 초래하게 된다. 온도와 압력이 높을수록 이러한 경향은 가속화돼 설비의 기대 수명을 크게 단축하게 된다.

한편, 금속 재료가 고온에 장기간 노출된 상태에서는 탄성계수가 저하돼 재료의 기계적 강성이 크게 저하된다. 정비를 위해 설비를 상온으로 떨어뜨리더라도 고온을 경험한 재료의 미세조직은 가역적으로 정상의 조직 상태를 회복되지 못한다. 따라서 탄성계수 또한 낮아진 상태로 존재하게 된다.

그런데 재료의 탄성계수가 감소했다는 것은 그 재료를 전파하는 탄성파의 속도가 저하된다는 것을 의미한다. 따라서, 고온을 경험한 재료의 초음파 속도를 측정할 수 있다면 동 재료가 입은 고온에 의한 열 손상을 평가할 수 있다.

금속 설비가 고온에 장시간 노출되면 크리프 손상이 발생하며 손상이 누적될수록 초음파의 속도가 느려지는 것은 선행 연구자들에 의해 잘 알려져 있으나 안타깝게도 이 기술은 현장에서 상용화되지 못하고 있다.

그 이유는 원심주조의 오스테나이트 조직으로 인해서 초음파의 감쇠가 커 속도 측정 자체가 어려웠기 때문이다. 또한, 초음파 속도를 측정하기 위해서는 두께를 정확히 알고 있어야 한다는 선입견에 의해 현장 설비를 대상으로는 적용할 수 없다고 생각해왔기 때문이다.

따라서 이러한 이유로 실험실에서 두께를 측정할 수 있는 작은 시편을 대상으로만 주로 연구가 이뤄져 왔다.

최근 세이프텍은 이러한 오랜 선입견을 극복하고, 출력이 우수한 초음파 장비를 활용해 리포머 튜브 사용재를 대상으로 초음파 종파 및 횡파 속도의 변화를 측정하는 데 성공했다.

아래는 1만8000h, 7만h를 사용한 리포머 튜브를 대상으로 SAUT로 측정한 초음파 종파 및 횡파 속도, 탄성계수 값을 표준값으로 정규화해 도시한 실제 사례다.

개질 수소를 생산하는 개질로(리포머)의 구조. 버너 위치에 따라 촉매 튜브가 받는 열 영향의 위치와 부위도 크게 달라진다.

1만8000h 사용재와 비교해 7만h 사용재에서 1 이하로 떨어지는 경향이 증가하는 것을 확인했다. 이는 장시간 고온에 노출된 금속 재료의 기계적 강성이 상온에서 저하된 상태로 유지되고 있음을 의미한다.

대표적인 크리프 변형 곡선. 고온 고압일수록 크리프 수명은 짧아지고 금속 내부에 크리프 손상이 가속화된다.

고온 열 영향으로 탄성계수의 값이 저하되면 재료의 기계적 강성은 떨어지고 이는 설비의 기계적 건전성을 훼손시키게 된다. 이처럼 크리프 수명 소비율이 증가할수록 음속과 탄성계수가 감소하는 것은 선행 연구결과와도 경향적으로 잘 일치하는 것이므로 SAUT를 활용하면 크리프 손상의 진단이 가능하다.

온도가 높을수록 금속의 탄성계수(elastic modulus)가 저하된다. 비록 상온으로 돌아오더라도 가역적으로 회복되지 않기 때문에 결과적으로 이 변화는 음속의 저하로 나타난다. 고온일수록, 노출 시간이 많을수록 음속은 더욱 느려진다.

출처 : 투데이에너지(https://www.todayenergy.kr/)