Shaft Failures
3.1 축의 고장 원인 (Causes of Shaft Failures)
3.3 軸의 延性과 脆性 破壞 (Ductile and Brittle Failures of Shafts)
3.4 腐蝕에 의한 軸 破損 (Shaft Failures Due to Corrosion)
1. 축의 고장 원인
Causes of Shaft Failures
정유 화학 공장의 축은 냉각 Ethylate 증기나 액체와 같은 극저온에서부터 가스터빈과 같이 극고온에 이르기까지 매우 다양한 온도에서 운전된다.
축은 하나 이상의 하중(인장, 압축, 굽힘, 비틀림)과 진동으로 인한 고응력을 받는다. 베어링 사고로 인한 마멸을 제외한 축 고장의 일반적인 원인은 금속 재료의 피로이다. 피로 손상은 동적 응력을 받아 취약면에서 시작되고, 그 면은 전형적인 응력 상승면이면서 동시에 금속적, 또는 기계적 성향을 갖는다. 때로 특별히 낮은 온도나 충격, 갑작스런 과도 하중에서 취성파괴가 발생한다. 면처리로 고장력강에서 수소 분해가 발생하고, 상온에서 축의 취성을 유발한다.
일반적으로, 연성 파괴는 갑작스런 과하중으로 발생하지만 정상 운전 조건에서 일어나기 어렵고 고온에서 꼬인 형태인 Creep는 응력 파괴를 초래하며 축의 주요 치수를 과도하게 변형시켜 공차를 떨어뜨려 사고를 일으킨다.
3.1.1 軸의 破壞 根源 (Fracture Origins in Shafts)
축의 파괴는 설계나 조립 중에 생성된 응력 집중부에서 발단한다. 설계상의 응력 집중부는 Keyway 끝단, 압착된 부재의 모서리, Shoulder부 Fillet, Oil Hole 모서리 등이며, 조립하는 동안에 생긴 응력 집중은 Grinding 손상, 가공 마크나 새김눈, 열처리 과정에서 생긴 Quench Crack 등이 있다.
때때로 응력 집중은 축을 단조할 때 생성되어 Lap, Seam, Pit, Cold Shut, 파열 등과 같은 면내 결함을 갖게 한다. 단조되는 축의 Ingot가 응고시 면내 응력 집중이 발생하는데 일반적으로 배관, 결정, 구멍, 수축, 비금속 함유물과 같은 불연속 내부를 갖는다.
베어링의 축 정렬 불량으로 인한 파손은 조립이나 운전 중에 지지 구조물의 처짐으로 인해 발생되거나, 접합부 불량이나 축의 칼자국, 둥근 홈, 긁힌 자국 등의 취급 부주의로 발생한다. 빈도는 적지만 재료를 잘못 적용하여 생기는 축의 파손은 재료의 연성대 취성의 높은 천이온도를 가지는 재료를 사용하기 때문이다. 즉, 수소 취성, 템퍼 취성, 가성 취성, 또는 화학 조성이나 규정 외의 기계적 특성에 대해 저항이 낮아서 일어난다.
3.1.2 軸의 應力 시스템 (Stress Systems in Shafts)
축의 파손 원인을 정의하기 전에 축에 작용하는 응력 시스템과 정하중이나 단일 과도 하중에서의 연성과 취성거동에 의한 파손면을 정확히 이해해야 분석이 가능하다.
그림 2-6은 축이 순수 전단, 비틀림, 압축 하중을 받을 때 내부점에 발생하는 전단 응력과 수직 응력을 보이는 2차원 자유도이고 단일 과하중을 받는 연성과 취성 재료의 파단 형상은 각 하중 형태별로 다이어그램으로 나타내었다.
자유 물체의 응력 시스템을 무한한 작은 면적으로 가정하면, 인장과 압축 응력이 사각 면에 대해 인장, 압축하며 서로 수직으로 작용한다. 수직 응력에 45°인 전단응력이나 슬라이딩 응력은 사각형에 대각으로 작용하고, 3차원 원주 응력은 무시한다.
그림 2-6 축이 인장, 비틀림, 압축 하중을 받을 때 수직응력, 전단응력
순환 및 단일 하중에서의 연성과 취성 재료의 파손 형태.
그림 2-6의 3가지 하중 형태에 관한 연성과 취성재료에 작용하는 전단 및 수직응력과 굽힘 하중에 의한 이들 효과를 다음에 설명한다.
인장.
인장 하중을 받을 때, 인장응력(σ1)은 축에 가로 방향이고, 압축응력(σ3)은 세로 방향을 갖는데, 최대 전단응력 요소(τmax)는 축에 45°이다 (그림 2-6a). 연성 재료에서 인장 하중으로 전단응력이 발달하는데, 축의 중심에서 표면 쪽으로 발달하고, 축에 약 45°인 원추형 전단 맆(Lip)형으로 끝이 난다.
재료에서 인장의 과하중에 의한 파단은 인장응력에 수직이지만, 영구 변형은 거의 없고, 파손면은 외형상 거칠고 결정립체이다.
응력집중이 없을 때 순수 전단 하중을 받으면 탄성응력 분포가 단면에 일정하게 발생하고, 고응력이 작용하면 어느 점에서도 파단이 발생한다.
비틀림.
그림 2-6b 처럼 축이 비틀림 하중을 받으면 응력 시스템은 시계 방향으로 45°회전한다. 인장과 압축응력은 축에 45°이면서 서로 수직이므로 임의 전단응력 요소가 축중심에 평행하면 다른 요소는 축에 수직한다.
연성 재료가 비틀림 하중을 받으면 전단응력으로 파단 전에 상당한 변형을 일으키지만, 축의 형태가 변형되지 않기 때문에 그다지 중요하지 않은 반면, 비틀림 응력을 받는 축이 미끄러지는 얇은 디스크로 무한히 구성되면 변형은 간단하지만, 연성 재료의 파단은 축과 수직한 면에서 발생한다. 단순 비틀림시 최종 파손 범위는 축의 중심부이지만, 약한 굽힘에서도 중심을 벗어난다.
단순 비틀림을 받는 취성재료는 인장응력 요소에 수직인 파단을 유발하는데 축중심과는 45°이고 나선형의 파손면을 갖는다. 이의 탄성응력 분포가 표면에서 최대이고 축 중심에서는 0 이므로 최대 응력면에서 파손이 시작된다.
압축.
축방향으로 압축을 받으면(그림 2-6c) 압축응력(σ3)은 축방향이고 인장응력(σ1)은 횡방향이므로 응력 시스템이 회전하게 되고 전단응력(τmax)은 축방향으로 인장 하중을 받아 축과 45°가 된다.
과도 압축을 받는 연성 재료에서 전단응력은 심각한 변형을 일으키지만, 파단을 유발하지는 않고 축이 짧아지고 부풀어 진다. 단순 압축을 받는 취성재료는 좌굴되지 않으면 최대 인장응력에 수직으로 파단 된다. 인장응력은 횡방향이므로 취성파괴 방향은 축과 평행하다.
응력 집중이 없을 때, 단순 압축을 받는 탄성응력의 분포는 단면에 일정하며, 파단이 발생하면 압축 하중이 축의 반경을 증가시키고 원주방향으로 재료를 신장시키기 때문에 길이 방향에서 일어난다.
굽힘.
축이 굽힘응력을 받을 때, 인장력을 받은 볼록한 면은 그림 2-6c와 유사한 탄성 응력 분포를 갖고 볼록면과 오목면의 중간은 응력이 “0”이 되는 정축이다.
2. 축의 피로
Fatigue in Shafts
축의 피로는 굽힘 피로, 비틀림 피로 그리고 축방향 피로 등으로 분류되고, 굽힘 피로는 세 가지 굽힘 하중에 의해 발생하는데 그것은 단일 방향, 두 방향(가역), 회전이다. 비틀림 피로는 변동하는 또 교번하는 비틀림 모멘트와 토오크에 의해 발생하고 축방향 피로는 인장과 압축의 반복(교번)부하 또는 인장-인장의 변동 부하로 인해 발생한다.
단일 방향의 굽힘 피로.
축의 길이를 따라 균일 분포한 단일 방향의 굽힘 모멘트를 변화시키는 원통형 기둥에서의 축의 균열 방향은 불연속 표면처럼 몇몇 응력 증가 요소에 의해 결정된다.
그림 2-7a 및 b에서 보는 “Beach Mark” 형태는 화살표가 가리키는 위치에서 유일하게 피로 균열 징조를 나타낸다. “Beach Mark”를 형성하는 균열 선단은 근원지에서 대칭이고 전반적으로 오목한 형태를 이룬다. 그림 2-7a의 단일 근원지 및 최종 파단영역 모두 공칭응력은 낮고, 그림 2-7b의 비교적 큰 최종 파단영역은 공칭응력이 높음을 나타내고 있다.
그림 2-7c는 궁극적으로 하나의 균열 선단으로 합쳐지는 여러 가지 각 균열에서 시작되는 전형적인 피로 균열을 나타내고 이같은 여러 근원지는 공칭응력이 높다는 것을 암시한다. 균열 근원지 사이에 봉우리나 톱니모양의 마크를 주시하라.
그림 2-7d-j는 앞의 운전 조건하에서 응력집중 증가 함수로서 축의 파단면 모양을 나타낸다.
그림 2-7 낮거나 높은 정상적인 응력하에서 하나의 근원지로부터 발생하거나 높은
정상적인 응력하에서 여러 근원지로부터 발생한 단일 방향의 부하에 균일
하게 부하를 받는 축의 전형적인 피로마크. 화살표는 균열 발생지이며
그림자 부분은 최종 파단영역이다.
굽힘 피로.
굽힘 모멘트가 교번으로 작용할 때 축의 모든 점은 인장과 압축응력의 반복으로 한쪽 굽힘면은 인장되고 반대쪽 면은 압축된다. 굽힘 모멘트의 크기가 양방향에서 같으면 두 균열의 길이는 같지만, 굽힘 모멘트가 한 방향에서 더 크면 두 균열의 길이는 다르다.
길이 방향으로 균일하게 분포한 가역 굽힘 모멘트의 영향으로 파손되는 비회전축 파단면의 피로 모양은 그림 2-8과 같다. 균열 발생부는 직경 중심으로 서로 반대지만 소수의 응력 증가 요소로 약간 변위된다. 그림 2-8a는 단일의 직경을 갖는 축의 응력집중이 없을 때의 형태로서 굽힘 모멘트는 양쪽에서 같다.
그림 2-8 일정한 하중을 받는 비회전축 파단면의 전형적 피로 특징:
(a)응력 집중이 없음 (b)중간 응력집중 (c)높은 응력집중
화살표는 균열의 발생부이고, 점선은 최종 파단부를 나타낸다.
축 직경이 변하는데 반경이 큰 Fillet을 사용하면 중간 응력집중이 발생하고 파단면의 형태는 그림 2-8b와 같은 반면, 반경이 작은 Fillet을 사용하면 응력집중이 커지고 파단면 형태는 그림 2-8c와 같다. 이러한 하중을 받을 때 각 균열은 인장과 압축응력을 반복적으로 받아 압축하는 동안 균열 표면이 서로 접촉되어 Rubbing한다. 때로, Rubbing은 여러 특정 표식을 완전히 없애고 균열면이 무뎌지고 마모된다.
회전 굽힘.
회전축과 비 회전축이 동일한 굽힘 모멘트를 받을 때의 차이점은 비 회전축의 인장 응력은 한쪽으로 제한되지만, 회전축은 모든 부분에서 매 주기마다 인장과 압축 응력을 받는다.
회전에 의한 차이는 단일 근원지에서 생긴 균열 선단 성장이 대칭이라는 것이다. 회전과 역방향으로 균열 선단이 두드러지는 경향이 있는데, 균열 선단은 그림 2-9a, c와 같이 약 15°이상 스윙하고 세 번째 차이점은 근원지가 여러 개로 분포한다는 것이다.
일정하지 않은 굽힘을 받은 비 회전축의 근원지는 최대 인장 범위 내에 있고(그림 2-7), 가역 굽힘을 받을 때의 근원지는 서로 반대이다 (그림 2-8). 그렇지만, 그림 2-9b, d와 같이 회전 굽힘시 축 주변의 모든 점은 매 회전마다 인장응력을 받으므로 모든 점에서 균열이 발생하고, 압축응력을 받으면 균열면에 마찰이 생긴다. 일반적으로 최종 파단으로 인해 균열이 심한 쪽이 그 반대쪽에 비해 상대적으로 약간 이동하지만, 종종 파단면을 크게 손상시키고 많은 마크를 없앤다. 그러나 한쪽의 큰 자국(High Spot)이 다른 쪽의 큰 자국을 마모시키더라도 푹 파진 곳의 자국은 남게 된다. 파진 곳의 그 반대편의 큰 자국의 역상(Mirror Image)이기 때문에 유익한 증거이다. 따라서 균열 또는 파단된 축부위 모두를 검사하는 것이 바람직하다. 회전 굽힘 피로와 비틀림 전단에 의한 파단축의 거시적 모양은 잘못 이해되기 쉽기 때문에 전문가의 도움을 받아야 한다.
그림 2-9 균일 하중을 받는 회전체 파단면의 피로 특징은 중간 및 심한
응력집중을 갖는 하나 및 여러 개의 발생지(화살표에)를 나타내고
빗금 부분은 최종 파단영역으로서 축은 시계 방향으로 회전한다.
비틀림 피로.
비틀림 응력으로 발생한 피로 균열은 굽힘응력에 의한 것처럼 Beach Mark나 봉우리 형상으로 종 방향의 응력 증가 요소는 굽힘응력에서는 비교적 해가 적지만, 비틀림 하중에서는 원주방향 응력 증가 요소만큼 중요하다. 종방향의 응력 증가 요소에 대해 비틀림 하중을 받는 축의 민감도는 실제 중요한데, 그것은 축재료가 회전축에 항시 평행하기 때문이다. 비틀림 피로 균열은 길이 방향의 개제물, Surface Mark, Spline 또는 Keyway 모서리에서 시작되고 약 45°로 가지친다.
원주방향의 홈과 같은 응력 증가 요소가 존재하면 응력의 다른 상황이 응력증가 요소 주위에 존재하고, 인장 응력은 전단응력의 4배정도 증가하므로 45°면에서 전단응력이 강철의 전단 강도에 도달하기 전에 인장 응력이 강의 인장 강도를 초과한다. 파단이 45° 인장면에 수직으로 발생하고 원추형이나 별 모양의 파단 형태를 띤다. 이 같은 높은 응력의 영역에 대해서는 Shot Peening이 성공적으로 적용되어 왔다.
서로 직각으로 두 개의 비틀림 피로 균열의 상대적인 성장은 적용된 토오크 반전(Torque Reversal)의 크기를 나타내며, 같은 길이의 균열은 토오크 반전의 크기가 같음을 나타내지만 균열은 비교적 초기 성장 상태에 있다. 이 단계를 넘으면 하나의 균열은 빨리 진행해서 이런 간섭이 더 이상 존재하지 않는다. 만약 축이 단 방향성 토오크를 전달하지만 두 균열이 서로 직각으로 성장한다면 토오크의 가역 특성을 예상할 수 있는데, 만약 토오크를 전달하는 축에 굽힘응력이 작용하면 피로 균열이 성장하는 곳에서 각이 변형되므로, 축과의 각이 45°와 상당히 다르면 굽힘응력이 존재한다.
접촉 피로.
높은 접촉 압력과 순환 하중을 받는 요소가 서로 회전하면서 미끄러질 때 접촉 피로가 발생하고 하중의 반복으로 Spalling은 하중이 몇 번 반복 후에 나타나며, 접촉면 아래에서 최대치가 되는 주기 접촉 응력에서 오는 금속 피로의 결과이다.
롤링 접촉 피로의 중요한 응력은 롤링하면서 방향이 바뀌는 최대 교번 전단응력이다. 순수 롤링시 표면 약간 아래에서 발생한 응력은 내부면의 균열을 초래하며 반복 하중을 받을 때 균열이 전파되어 표면에 도달, Spalling을 일으킨다.
롤링시 미끄러질 때 마찰에 의한 접선력과 열구배는 접촉면내 및 아래에서 응력의 크기와 분포를 변경시키고, 교번하는 전단응력은 점차 증가하여 미끄럼 작용에 의한 마찰로 표면에 더 가까이 이동한다. 단조, 경화 처리된 강철 롤은 표면 Spalling이 용이하여 표면하의 초기 피로 균열 또는 표면 균열을 유도하지만, 한가지 인자에 의한 것은 아니다. Spalling은 국부응력 집중 결과로 표면 아래쪽에서 발생하고 최대 반대 방향 전단점에서 소성 흐름(Plastic Flow)이나 파단을 유발한다.
3. 축의 연성과 취성 파괴
Ductile and Brittle Failures of Shafts
취성 파괴란 응력을 받은 재료가 소성적으로 변형하지 못하는 것으로 약 1,830 m/sec 이상의 아주 높은 균열 전파율로 파괴 시작 영역에서 비틀림의 징후도 없이 갑자기 파괴되는 것이 특징이다. 이러한 파괴는 파괴면이 Herring-Bone 또는Chevron 패턴과 같은 특징을 갖고 Chevron은 파괴 발생지 쪽으로 향한다.
연성 파괴는 파단면에서 비틀림(Plastic Flow)이 발생하고 통상 인장 시험이나 비틀림 시험편에서 관찰되는 것과 유사하다. 축이 축의 강도 보다 큰 단일 하중으로 파괴될 때 파괴되기 전에 보통 상당한 소성 변형이 있는데, 이것은 인장으로 파괴된 축을 육안 검사하면 쉽게 관찰되지만, 비틀림으로 파괴될 때는 종종 명확하지 않다. 재료의 소성 변형 성질을 연성이라 하는데, 연성으로 파단된 축의 표면은 축의 형상, 축에 작용하는 응력 형태, 하중 정도 등의 함수이고 합금의 경우는 온도의 함수이다.
축의 연성 파괴는 정상 운전 중에도 발생하는데, 운전 제한 조건 무시, 사용 재료의 강도 취약, 축이 단일 과하중을 갑자기 받을 때 등에서 발생하기도 한다. 재질이 좋지 않은 재료를 사용하거나 열처리 상태가 좋지 않은 재료(예, Quenching 및 Tempering 대신에 Annealing한 것)의 사용에 의한 결함은 연성 파괴를 발생시킬 수 있다.
4. 부식에 의한 축 파손
Shaft Failures Due to Corrosion
대부분의 축은 일반적으로 부식이나 화학적 반응이 쉽게 일어나지 않는다. 표면 Pitting으로 발생하는 부식은 재료 표면의 금속성을 균일하게 제거하거나 스케일 또는 부식 물질로 균일하게 표면을 덮는다.
부식 Pit는 축의 하중 전달 능력에 주는 영향이 비교적 작지만, 균열이 발생하는 곳은 응력 집중점으로 작용한다.
부식 환경은 금속의 피로를 크게 가속시키는데, 대기에 금속을 노출시키면 진공상태보다 짧은 피로 수명을 야기한다. 소금물에 노출된 강축은 주기적으로 세척되어도 긁힌 곳, 잘린 모서리, 변형률이 높은 곳과 같이 가장 취약한 금속면으로 소금 용액이 침투한다. 부식 피로를 최소로 하기 위해서는 운전 환경에서 부식 저항이 큰 재료나 보호막이 있는 축을 사용하는 것이 필요하다.
일반적으로, 대형 축과 피스톤 로드는 부식이 쉽게되지 않는다. 원심 압축기는 수분, 소량의 부식성 가스나 액체 등을 포함하는 가스 등을 빈번히 다루는데, 만약 부식이 발생하면 스케일은 원래 형태로 있고 더 부식되면 증가하고, 유입된 액체(또는 고체)에 의해 침식되거나 회전시 축으로부터 분리되기도 한다.
응력부식 균열(Stress Corrosion Cracking)은 성장 균열 선단의 부식 및 응력의 결과로 발생하고 가끔 표면 Pitting을 동반하지만, 일반적인 부식은 빠르게 지나가기 때문에 나타나지 않으며 전반적인 부식은 응력 부식 균열을 동반하지 않는다.
스스로 손상을 일으킬 만큼 충분하지 않아도 부식과 반복응력이 동시에 발생할 때 부식 피로가 발생하여 손상을 야기하기도 한다. 그러한 조건이 일단 존재하면 축의 수명이 수년에서 수일이나 수주로 감소한다. 부식 피로 균열은 보통 결정립내 균열로서 응력피로 균열의 상태만큼은 아니어도 주요 균열의 가지선이 나타나며, 보통 부식은 균열 발생지 선단 및 이에 가까운 지역 모두에 존재한다.