4-4-5 왕복동 압축기의 고장원인 해결기법

Troubleshooting Reciprocating Compressors

밸브와 피스톤 링은 왕복동 압축기의 운전중 고장요인으로 자주 발생되는 취약부이다. 캐나다 3개 정련소에서 5년간의 운전으로 얻어진 압축기에 대한 통계는 표 4-15와 같다.

표 4-15 왕복동 압축기의 기본 고장 원인 분포

1. 밸브류

Valve

압축기의 밸브를 고장없이 사용하기 위해서는 압축되는 가스의 질, 성상, 압축기의 사양과 치수, 운전조건 등의 심도있는 분석이 필요하다. 그 다음에 효율과 내구성을 적당히 고려하여 적절한 밸브를 선택하면 된다.

많은 제조회사에서 다양한 제품의 압축기 밸브가 제조되고 있으며 대표적인 밸브의 설계목록은 다음과 같다.

• 단일 또는 다중링 밸브 (Single- And Multi-Ring Valves).

• 판 밸브(Plate Valves)

• 링-판 밸브(Ring-Plate Valves)

• 채널 밸브(Channel Valves)

• 페더스트립 밸브(Feather-Strip Valves)

① 단일 또는 다중링 밸브 왕복동 공정가스 압축기에 가장 일반적으로 사용되는 밸브이다. 밸브는 그림 4-7과 같이 하나 또는 그 이상의 각개의 스프링으로 하중을 받는 동심원의 밸브 링으로 구성되어 있다. IIC 피라미드 링 밸브(IIC Pyramid Ring Valve)와 같은 단면을 가진 Ring을 사용하는 Ring-type의 밸브는 가스유동저항을 낮추어 효율을 개선할 수 있도록 설계된다.

다중 밸브링의 개․폐시 적절한 타이밍을 얻기 위하여 각기 다른 밸브링에 걸리는 스프링 하중의 분포에 주의하는 것이 중요하다.

그림 4-7 피라미드 링 밸브

② 판 밸브 (그림 4-8)는 밸브 요소용 홈이 파여져 있는 디스크와 댐핑용 스프링을 사용한다.

그림 4-8 판 밸브

이 Hoerbiger 설계는 밸브 전영역에 스프링 하중이 균등하게 분포되도록 설계된다. 적절한 댐핑을 위해서는 보통 강한 스프링력을 필요로 하기 때문에, 일반적으로 이러한 형태의 밸브에서는 유동효율에 나쁜 영향을 주지 않고 적절한 댐핑작용을 얻기가 어렵다.

Hoerbiger 밸브 플레이트와는 별개의 스프링 하중을 받는 비교적 두꺼운 댐핑 플레이트의 사용은, 밸브의 슬래밍(Slamming) 현상을 피하기 위해 충분한 댐핑을 가지면서, 적은 스프링 하중으로도 신속하게 밸브 플레이트를 열 수 있도록 하기 위한 것이다.

③ 링-판 밸브 다중링 밸브와 판밸브를 혼합한 형태이다. 일반적으로 이것은 밸브 구성요소로서 두개의 동심원으로 된 홈이 파인 링 플레이트를 사용하며, 잘 고안된 밸브이기는 하지만 완충이나 댐핑에 약간 제한을 받는다. 이러한 형식의 밸브의 주 생산업체는 Cooper Bessener이다.

④ 채널밸브 (그림 4-9)는 Ingersoll-Rand가 설계하였고, 밸브 시트, 안전장치, 얇은 판스프링으로된 채널, 채널을 지지하는 가이드 등으로 구성되어 있다. 때로 정비를 용이하게 하고 내마멸성으로 개선하기 위해 스텐레스강 Seat 판을 겹쳐 사용하기도 한다.

각 채널에는 판 스프링(Leaf Spring)이 장착되어 있고, 이 판 스프링으로 Slot 모양의 Port를 덮은 상태로 개별적으로 운전된다. 동일 밸브의 다른 채널에 분포하는 스프링 하중은 채널 개폐시 적절한 타이밍을 맞추는데 매우 중요하다.

판 스프링과 채널 사이에 작은 가스공간이 존재하며, 이곳은 밸브가 열릴때 채널이 쉽게 멈출 수 있도록 공기 완충작용을 한다.

그림 4-9 채널 밸브

⑤ 페더형 밸브 (그림 4-10)의 설계는 매우 단순하다. Worthington에 의해 제작된 이 밸브는 시트와 안전장치 그리고 몇 개의 Feather Strip으로 구성되어있다. 이러한 Feather Strip은 가스가 통과할 수 있도록 유연하게 움직이는 여러개의 Steel Strip으로 이루어져 있으며, Strip의 양쪽 끝에서 중앙까지의 접촉면적을 증가시킴으로써 충격을 주지 않고 용이하게 밸브를 동작시킨다. 이러한 형식은 비교적 큰 Seat부, 리프트부, 안전장치부를 가지고 있는 밸브에 효과적이다. Feather Strip은 완충작용이 없기 때문에 비교적 큰 기계적 마멸이 발생된다.

그림 4-10 페더형 밸브

2. 밸브의 고장원인과 정비

Valve Failures Causes and Their Remedies

밸브의 고장은 일반적으로 다음 3가지 항목으로 분류할 수 있다.

• 기계적 마멸과 피로.

• 가스 유동내의 이물질.

• 밸브 부품과 압축기 밸브 장비의 비정상 동작.

① 기계적 마멸과 피로. 정상적인 경우 압축기 밸브의 기계적 마멸은 밸브 부품들의 접촉부에서 발생한다. 밸브 요소 가이드의 지속적인 마멸은 순조롭지 않은 밸브동작, 막힘, 안착불량, 누설, 성능저하 등을 초래한다. 부품에서의 마멸은 정기적으로 점검 수리되어야 한다.

정상적인 운전상태에서도 밸브 운동부는 주기적이고 기계적이며 열적인 응력을 받게 된다. 운전조건에 따라 밸브 부품의 강도도 고려되어야 한다. 특수한 운전조건에서 운전되는 밸브 부품의 마멸은 윤활을 통하여 최소화할 수 있다. 이 경우 합성유가 광물성유보다 더 뛰어난 성능을 발휘한다.

밸브 운동부에 적절한 댐핑이나 완충력을 주어 기계적인 피로하중을 줄일 수 있다. 적절한 실린더와 중간단의 냉각은 밸브 부품에 생기는 열응력을 최소화할 수 있다.

압축기 밸브의 마멸과 피로는 가스 유동내의 이물질과 밸브의 비정상 동작으로 심각하게 악화될 수 있다.

② 가스 유동내의 이물질. 이물질은 오염된 가스, 액체의 Carryover, 코우크스나 탄화물 형성(Coking and Carbon Formation), 부식성 화학물질 등이다.

㉠ 오염된 가스 : 부적절한 여과 장치로 인하여 가스 유동 내부에 이물질이 존재하는 것을 말한다. 이는 압축기 입구의 가스 통로부에서 떨어져 나온 입자로서 미세하고 모래 같은 입자 또는 연마입자이며, 때로는 이전에 발생한 밸브 파손물들이 압축기 내부에 남아 있는 경우도 있다. 이러한 이물질들은 링, 플레이트, 가이드 등과 같은 밸브 부품의 마멸을 가속시킨다. 스프링 코일사이의 불순물은 스프링을 급격히 손상시키고, 다른 밸브 부품들의 성능과 수명에 직접적인 영향을 미친다.

㉡ 액체의 Carryover : 액체가 화학공정중 가스 유동속으로 혼입되거나 압축 계통의 중간 냉각기에서의 응축과정에서 형성될 수 있다. 대부분의 경우 이러한 액체는 Water Jacket에서의 과도하게 차가운 냉각수가 흡입가스의 응축이나 수분 생성을 촉진시키기 때문에 1단 압축기에서 형성된다. 액체의 생성은 특히 밸브에 치명적인데, 체적탄성계수(Bulk Modulus)가 높아 밸브 시트를 손상시키며, 가스 유동중 액체가 존재하면 압축기 내부에 사용되는 윤활제를 희석시켜 기계 부품의 마멸을 가속시킨다.

수분으로 인한 손상을 방지하기 위해 배관 안에 수분 트랩(Moisture Trap)을 사용하여야 하며, 중간단의 기수분리기와 함께 주기적으로 수분을 배수해야 한다. 배관 설계시에는 수분이 모이기 쉬운 저층부가 없도록 하여야 하며 육안 점검을 위한 점검창(Sight Glass)이나 유사 장치가 설치되어야 한다.

㉢ 코우크스 및 탄화물의 형성 : 과도한 열은 윤활유의 코우크스화와 비용해물질을 포함하는 가스의 중합 반응을 일으키는데, 이러한 오염 물질들은 압축기 효율을 저하시키고 심각한 밸브 손상을 유발한다. 실린더와 밸브 세척을 위해 증기 또는 솔벤트를 무화시켜 압축기 내에 주기적으로 분무시키거나, 마찰계수가 작고 코우크스에 내성이 우수한 2염기성 에스테르(Dibasic Ester) 타입의 합성 윤활제의 사용을 고려하여야 한다.

㉣ 부식성 화학 물질 : 부식은 밸브 Seat면에서의 누설을 발생시키고 밸브 몸체를 약하게 만들어 밸브의 손상을 유발시킨다. 상이한 밸브 재료를 사용하거나, 화학물질들이 압축기에 유입되기 전에 부식 매개체를 제거, 또는 감소시키기 위한 가스 세정기를 사용함으로써 이를 최소화할 수 있다. 또한 압축기 입구에서 수분을 제거하거나 가스를 가열함으로써, 산과 같은 부식 작용제의 형성을 방지 또는 감소시킬 수 있다.

일반적으로 부식은 수개월에 걸쳐 점진적으로 발생한다. 밸브의 고장에 대비하여 기계장치내의 모든 밸브는 점검과 정비가 병행되어야 하며, 정지시간을 최소화하기 위해 예비품을 준비해 두는 것도 좋은 방법중 하나이다.

③ 밸브 부품의 비정상 작동. 이는 흡입과 토출 배관의 압력 맥동과 공진의 영향, 가스 유동 형태에 따른 교란 및 밸브 부품의 불규칙 진동(Fluttering), 슬래밍(Slamming) 등을 말한다.

정상적인 압축기의 운전중 피스톤이 실린더 밖으로 가스를 밀어내는 Open과정 중에 배출밸브에서 슬래밍이 발생되기 쉽다. 이는 피스톤이 밸브 Seat를 떠나 Guard쪽으로 향할 때, 밸브요소의 동작을 완충시키는 댐핑용 스프링이나 공기식 완충장치를 이용하여 감소시킬 수 있다. 슬래밍이 발생될 수 있는 또 다른 상황은 압축기 밸브가 닫혀질 때이다.

밸브 개폐시에는 밸브 요소의 관성 문제가 극복되어야 한다. 만일 밸브 요소의 관성이 크면 상대적으로 개폐시간이 길어진다. 높은 관성 때문에 밸브가 늦게 닫히고 밸브 스프링 대신 가스 역유동(Gas Backflow)에 의해 밸브가 닫히게 되어 결국 밸브 요소가 Seat면에 세게 내려닫히는 Slamming 현상이 발생된다. 일반적으로 슬래밍 현상이 발생되면 밸브 요소가 Seat면에 접촉되는 부위에 반점 모양이 생기며, 흔히 Chattering과 같은 소음을 압축기 외부에서 들을 수 있다.

이러한 문제는 밸브 행정을 감소시키거나 밸브 타이밍 조정을 위한 스프링의 탄성율을 증가시킴으로써 해결할 수 있다. 또는 여건이 허락되면 밸브 요소를 가벼운 중량의 금속으로 변경하여 해결할 수도 있다. 페놀이나 섬유강화의 플라스틱으로 만든 밸브 요소는 유사한 강 재료보다 가볍고 충격 흡수가 양호하지만, 이러한 재료의 사용시는 온도와 강도에 제한을 받는다.

밸브의 Fluttering(Valve Fluttering) 은 밸브 요소가 밸브 스프링이 들어있는 Guard 부위까지 완전히 들어올려지지 못하여 밸브를 통과하는 가스 유량이 충분치 못할 때 생기며, 밸브 요소는 Seat와 Guard 사이에서 진동하게 된다. 이러한 현상은 스프링 마멸을 가속시키고, 밸브요소가 Seat와 Guard를 여러 번 가격하면 마멸과 피로가 심화된다. 또한 밸브가 닫힐 때는 슬래밍이 발생하기도 한다. 일반적으로 밸브 요소에 불분명한 양상, 또는 스프링에 의한 충격 흔적이 존재하거나, 밸브 요소가 회전되었던 흔적이 발견되면 Fluttering 현상이 발생되었다는 증거이다. 이러한 Fluttering 현상은 좀더 가벼운 스프링을 사용하거나 밸브 행정을 작게 하여 없앨 수 있다.

압축기 실린더 내외부로의 유동 패턴 은 압축기 가스통로의 장애물이나 때로 압축기 내부의 밸브의 방향에 의해 영향을 받는다. 이러한 문제는 드물게 나타나지만 증상이 분명하지 않아 고장원인 해결을 더욱 어렵게 한다.

유동 형태와 관련된 문제는 흡입 밸브의 밸브 Unloader의 진동이며, 실린더 내부로 흐르는 가스 통풍의 영향을 받는다. 이는 가스가 유동하는 방향으로 돌출된 밸브 Unloader에 의해 발생한다. 결국 진동은 Unloader Finger를 손상시키고, 밸브요소들의 안착 불량으로 흡입 밸브에서 누설이 발생된다.

이 문제를 해결하기 위한 방법은 Unloader부에 탄성계수가 큰 스프링을 사용하거나 가스 유동방향으로 돌출된 언로더 부위를 재설계하는 것이다.

압축기의 가스통로 부위에서의 공진과 압력 맥동(Resonance and Pressure Pulsation) 은 압축기 밸브의 개폐시간에 영향을 준다. 이것은 압축기 배관을 변경하거나 세팅 챔버(Setting Chamber), 서지 탱크(Surge Bottles), 진동댐퍼 등을 사용하여 해결할 수 있다. 서지탱크와 진동댐퍼의 활용은 그 자체가 하나의 학문이며, 본서의 범위를 넘어선 것이므로 여기에서는 다루지 않지만, 간단히 말해 이것의 용도는 밸브의 안착 불량을 일으키고, 압축기 전체에 영향을 미치는, 압축기 실린더에서의 역류에 의한 압력 맥동을 방지하는 것이다. 종종 적절한 크기의 오리피스를 압축기 배관에 설치하여 이러한 문제를 해결하기도 한다. 다음에서 공진과 압력 맥동에 관련된 배관계의 고장원인 해결 기법에 대한 효과적인 접근방법을 설명한다.

3. 일반적인 고장원인 해결기법

General Troubleshooting

왕복동 압축기에서와 같이 석유화학 공정 기계도 초기에 증상과 원인을 확인할 수 있는 경우는 거의 없다. 미묘한 성능 변화를 무시하므로써 얼마나 큰 손상을 초래하는지를 생각하면 이것의 중요성은 분명해진다. 예를 들어 높은 출구 온도는 단지 불충분한 냉각수가 주원인이 될 수 있다. 이러한 원인에 대해 제대로 조치를 취하지 않으면 실린더의 과열을 일으켜 결국에는 피스톤의 고착(Seizure), 링 손상, 피스톤 균열과 같은 손상을 초래하게 된다. 마찬가지로 대부분 피스톤과 헤드간의 부정확한 간극에 의해 초래되는 “실린더의 노킹”과 같은 가청 증상에 대해 조치를 취하지 않으면 피스톤의 손상이나 크로스 헤드의 손상을 초래하는 로드 파손을 초래한다. 표 4-16은 증상-원인-고장간의 일련의 상세한 분석을 순위별로 정리한 것이다.

표 4-16 왕복동 압축기의 고장원인 해결 지침

표 4-16 왕복동 압축기의 고장원인 해결 지침 (계속)

왕복동 압축기의 고장원인 해결시 주목해야할 가장 두드러진 증상은 압력, 온도, 유량의 변화와 비정상적인 소음 등이다. 따라서 주요한 고장원인 해결 도구는 인간의 오감, 2개의 압력 게이지, 2개의 온도계 및 하나의 유량계이다. 일반적으로 유량계는 개개의 압축단에서는 사용할 수 없지만, 흡입유량에 대한 배출유량을 확인할 때, 중간단 입구나 Knockout이 없는 곳에서는 유로의 한 단에서의 유량 측정만으로도 충분하다.

압축기의 온도와 압력은 기본적인 설계 계산 자료이며, 압축기 운전상태의 건전성 여부를 판단하는데 도움을 준다. 측정된 값과 계산값 사이의 차이(ΔT)는 매일 매일 거의 일정해야 한다. 실제 측정된 값과 계산된 온도값은 입구온도와 출구온도 증가시에 변화한다. 실린더를 통과하면서 압축율이 증가하면 압축기 출구온도 역시 증가한다. 계산 온도와 실제 출구온도의 비교를 통하여 운전 상태의 변화에 대한 판단 기준이 제공된다.

계산의 이용(Calculation Help). 왕복동 압축기의 분석 절차는 먼저 Unit가 정상조건으로 운전될 때 각 실린더의 압력과 온도를 측정하는 것이다. 출구온도는 압축비, 흡입온도, 가스의 k값 등을 통하여 계산된다. 여기서 가스의 물리적 특성치인 k 값은 비열 비이다. 그림 4-11은 보다 일반적인 공정 가스의 k값과 필수 방정식을 나타낸다.

그림 4-11 왕복동 압축기의 출구 온도계산

측정온도와 계산된 출구온도가 똑같은 경우는 드물다. 이것은 가스 특성의 변화뿐만 아니라 압력과 온도의 지시치에도 편차가 있기 때문이다. 그러나 압축기가 정상적으로 운전되고 있다면, 결과치는 서로 비교할만할 가치가 있어야 하고, 실제 측정온도와 계산된 출구온도간의 차는 매일 매일 거의 일정해야 한다. 온도차가 증가할 경우 압축기 밸브나 피스톤 링에 문제가 있음을 의심해 볼 수 있다 (표 4-16 참조).

Unit의 잠재적 문제점을 분석하는데 있어서 출구온도는 매우 유용한 인자이다. 고장원인 해결사는 밸브와 피스톤 링이 신품은 아닐지라도 상태가 좋다는 것이 확인되면 측정된 출구온도와 압력 기록치를 신뢰하여야 한다.

측정은 신뢰성 있는 게이지로 수행 되어야 한다. 수집된 데이터 기록치만 가지고 있으면 매일 출구온도를 계산할 필요가 없으며, 고장이 의심될 때 비교 사용할 수 있도록 Raw 데이터만 가지고 있으면 된다.

진단(Diagnostics). 왕복동 압축기 문제를 해결하는 또 다른 기법은 금속 성분 함유를 검사하는 윤활유 분석법, 진동의 측정, 베타 분석 형식의 진단법 등이 있다. 윤활유 분석에서 특히 강조되는 것은 베어링과 회전하는 기어의 금속성분을 찾아내는 것이다. 윤활유 분석에서 이들 금속성분이 증가되면 이들 부품의 마멸이 시작되었음을 나타내므로 마멸이 심각해질 때 그 위치를 예상할 수 있다.

진동 분석은 원심 압축기와 같은 회전 기기에 적용되며, 왕복동 압축기에서도 유용하게 쓰인다. 심지어 저속 왕복동 압축기의 커플링 정렬 불량도 진동 분석으로 알 수 있다. 어떤 고장원인 해결사는 계의 공진과 맥동에 의해 발생되는 배관의 피로 손상 및 파괴를 분석하는 데 진동 측정치를 이용하기도 한다. 이러한 문제중 몇몇은 배관의 공진 주파수를 가진 시키는 운전 속도의 1배, 또는 2배의 주파수에 의해서 발생된다. 보통 진동 주파수가 기계의 운전속도의 두 배 이상이 되면 음향 진동이 의심된다.

베타 분석기 지시 카드 기록치는 압축기 실린더 내부의 상황을 직접 알려준다. 이 분석 방법은 밸브 손실과 피스톤 링의 누설에 관련된 고장 해결에 매우 유용하다. 이런 분석장비는 고가이지만 계약, 또는 1회에 한해서 이 장비를 사용하여 기술 용역을 수행하는 회사들이 있다. 그러나 진단의 관점에서 볼때 1회에 한해서 취해진 값은 운전자료의 이력으로는 대용할 수 없음을 염두에 두어야 한다. 왜냐하면 문제점의 증상 중에서 가장 결정적인 것은 어떤 변화가 증가하거나 감소하는 것이기 때문이다.

이것으로 종동측 공정 기계류의 고장원인 해결 기법에 관한 설명을 마친다. 구동기에 관한 설명의 개요로써 표 4-17은 V-벨트로 구동되는 기계에 대한 고장원인 해결 지침이다. 커플링 고장 분석과 고장원인 해결은 제3장의 앞부분에서 설명하였다.

표 4-17 V 벨트 구동기의 고장원인 해결 지침