대형 회전 설비를 진단하는 알고리즘: (2) 진동 데이터를 활용한 회전체 고장모드별 특성과 진단 방법

Intro.

고부가가치 시스템의 고장은 경제적으로 큰 손실을 가져오기 때문에 발전 산업에서는 주기적인 유지보수(Periodic maintenance)를 정기적으로 진행하지만, 이러한 유지보수 자체도 많은 비용을 발생하게 됩니다. 때문에 상태기반 유지보수(Condition-based maintenance)를 통해 유지보수 비용을 절감할 수 있게 됩니다.
원프레딕트에서는 발전 산업 내 유지보수 비용을 절감하고자 상태기반 유지보수가 가능하도록 상태 진단과 예측을 하는 솔루션을 제공합니다.
원프레딕트에서 제공하고 있는 솔루션에는 AI 기반 진단 기법과 도메인 지식을 기반하여 대형 회전 설비를 진단하는 알고리즘을 모두 활용하고 있습니다. 이 글에서는 도메인 지식을 활용하여 어떻게 대형 회전체의 고장을 진단하는지 알아보도록 하겠습니다.

회전체 고장모드

대형 회전 설비는 안정적인 설비 운영을 위해 높은 수준의 신뢰성을 요구하는 산업 자산입니다. 산업 현장에서는 대형 회전 설비를 진단하기 위해 진동, 윤활유 상태, 열화상 분석, 소음 분석 등 여러가지 데이터와 분석 결과를 참조하게 됩니다.
여러 분석 방법 중 회전체 상태에 직접적으로 또, 가장 많은 정보를 담고 있는 진동 데이터를 활용하여 회전체의 고장을 진단하는 방법에 대해 알아보도록 하겠습니다.
회전체 진동으로 진단할 수 있는 주 고장모드는 아래와 같습니다.
Unbalance
Shaft bent
Misalignment
Fluid whirl/whip
Resonance
아래 표1은 각 고장모드에 대한 진동 특성과 위상 특징을 나타냅니다.
Search
고장모드
진동 특성
위상
Unbalance - Dynamic
Open
반경 방향 1x 성분 증가
반경 방향 180도 차이
Shaft bent
Open
반경 방향 1x 성분 증가 축 방향 2x 성분 증가
축 방향 180도 차이
Misalignment - Angular
Open
축 방향 2x 성분 증가
축 방향 180도 차이
Misalignment - Parallel
Open
반경 방향 2x 성분 증가
반경 방향 180도 차이
Fluid whirl/whip
Open
반경 방향 0.38x ~ 0.48x
동일 (whip에서 180도 차이)
Resonance
Open
@위험속도 반경 방향 1x 성분 증가
180도 차이

고장모드별 특성 및 진단 방법

1. Unbalance
첫번째 고장모드인 Unbalance 현상은 축의 무게중심과 편심의 차이가 클 때, 즉 재료적 성질이 Non-symmetric의 정도가 클 때 발생하게 됩니다. 결과적으로 Unbalance 현상이 일어났을 때, balanced 된 축에 비해 큰 진동을 일으킬 수 있게 됩니다. 이때 주파수 특성에서는 반경방향 1x 성분이 증가하게 됩니다.
Unbalance 현상은 크게 정적 불균형(static unbalance)동적 불균형(dynamic unbalance)으로 나뉠 수 있습니다.
정적 불균형은 축의 불균형이 회전 중심선과 나란히 존재하고 있는 상태를 이야기하며, 동적 불균형은 축의 불균형이 회전 중심선을 교차하는 상태를 나타냅니다. 또한 정적 불균형과 동적 불균형 모두 주파수 특성적으론 1x 성분이 증가하지만, 동적 불균형의 경우 축을 지지하는 양단의 베어링의 위상 차이는 180도가 나게 됩니다.
2. Shaft bent
두번째 고장 모드인 Shaft bent 현상은 축 자체가 휘었을 때 일어나는 현상으로 열적 성장 또는 축 방향, 반경 방향에 가해지는 응력에 의해 발생합니다. 축 휨 현상은 반경방향 1x 성분을 증가시키고 Unbalance 현상과는 다르게 축방향 2x 성분이 증가하는 경향을 가지게 됩니다.
3. Misalignment
세번째 고장모드인 Misalignment 현상은 회전 설비의 커플링, 베어링 등에서 발생할 수 있습니다.
커플링은 서로 다른 축을 연결해주는 역할을 하는 요소입니다. 서로 다른 축을 연결할 때 축의 중심선이 일치하지 않아 나타나는 고장모드가 커플링 Misalignment입니다. 커플링에서 발생하는 Misalignment는 Angular misalignment와 Parallel misalignment로 나눌 수 있습니다.
Angular misalignment는 두 축의 중심축이 비스듬히 교차하는 상태를 나타내며, 축 방향 2x 성분이 매우 크게 나타나는 것이 특징이며 위상은 축 방향 위상 차 180도 입니다.
Parallel misalignment는 각 축은 평행하지만 축 간 정렬이 되지 않은 상태를 나타냅니다. Angular misalignment와 다르게 반경 방향 2x 성분이 매우 크게 나타나고, 반경방향 위상 180도 차이가 나는 것이 특징입니다.
베어링 Misalignment는 저널 베어링 설치 시 나타날 수 있으며 베어링 설치가 적절하게 되지 않았을 때 나타날 수 있습니다. 베어링 misalignment의 경우에는 베어링에 응력이 가해지는 방향(축 방향, 반경방향)의 2x 성분이 크게 나타나는 것이 특징입니다.
4. Fluid whirl/whip
네번째 고장모드인 Fluid whirl 현상은 저널 베어링에서 생기는 유체역학적 힘으로 발생하는 자려 진동으로 인해 베어링의 불안정성을 유발하는 현상을 나타냅니다. 진동 특징은 비동기 진동 성분인 0.38x ~ 0.48x 성분으로 나타날 수 있습니다.
Oil whip 현상은 oil whirl 주파수 성분이 설비의 위험속도를 만나 가진 되면서 베어링이 더 이상 하중을 지지하지 못하고 큰 진동을 일으키는 현상입니다. 이 때 Oil whirl과 다른 점은 Oil whip 현상이 일어나게 되면, 설비의 위험속도에 주파수가 고정된다는 점이 있습니다.
5. Resonance
마지막 고장 모드인 Resonance 현상은 설비의 속도가 설비의 위험속도와 맞물려 에너지가 증폭되는 현상을 이야기합니다. 이 때 balance가 잘 맞는 설비의 경우 위험속도를 안전하게 지나칠 수 있지만, unbalance 성분이 큰 설비의 경우엔 위험속도에서 매우 큰 진동크기를 가지게 됩니다.
보통 가스터빈과 스팀터빈 운영 시 Rigid rotor를 넘어 Flexible rotor 상태에서 운전을 하기 때문에 1차 위험속도를 넘겨서 운전을 하는 경우가 많습니다. 따라서 위험속도를 안전하게 넘어갈 수 있도록 축의 balance를 잘 맞춰 주어야 합니다.
Resonance 현상이 발생했을 때 위험속도에서 1x 성분이 크게 증가하고 위상은 180도 변화합니다.

Conclusion

이번 글을 통해 회전체에서 발생하는 각 고장모드들이 가지는 진동 특성을 알아보았습니다.
진동 데이터를 활용해서 진단을 하는 경우, 상태가 악화되었을 때 유지보수를 할 수 있어 상태 기반 유지보수가 가능하지만, 이미 일어난 상황에 대해 진단을 하기 때문에 효율적인 유지보수라고 볼 수는 없습니다.
이러한 현상을 해결하기 위해서 원프레딕트에서는 진동 데이터뿐만 아니라 진동 상태에 영향을 줄 수 있는 발전설비의 운전인자들을 활용합니다. 이를 통해 설비 건전성을 진단하는 것을 넘어 '예측'하고 발전소 유지보수 비용 절감에까지 기여할 수 있는 솔루션이 개발되고 있습니다.
원프레딕트 기술블로그는 주기적으로 업데이트 되니 오늘 글이 도움 되셨다면 앞으로도 많은 관심 부탁드리겠습니다.
이 글을 쓴 사람
공 준 상 | Product2팀
원프레딕트에서 Product 2팀의 Domain knowledge를 책임지고 있는 공준상입니다.
가스/스팀터빈에 도메인 지식 관련하여 원프레딕트와 함께 솔루션을 개발하고 있습니다.
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