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발전소의 배관(tubing) 교체에 사용 된 오비탈 GTA 용접
*역자: 오비탈 용접(ORBITAL WELDING)은 파이프 특수 용접이라고도 하나 편의를 위해 아래 텍스트에는 오비탈 용접이라고 표기
ARC Machines, inc. _ BARBARA K. HENON 박사 저
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매년, 캐나다 앨버타주 캘거리시의 TransAlta Utilities 회사 (TAU)는 여섯 개의 석탄으로 가동되는 선댄스 발전소에 발전기 중 한 개를 정지시키고 대대적으로 점검을 실시한다. 이 발전소의 여섯 개에 발전기는 앨버타주 에드먼턴에서 70킬로미터가 떨어진 곳에 위치해 있는데, 총 2100MW의 용량을 뽐낸다.
이 점검으로 대대적인 보일러 공사도 할 수 있게 되었다. 스테인리스강(鋼)의 내부 요소를 크롬몰리브덴 강의 외부 요소와 연결시키는 이 용접이 수명을 다했기 때문에 올해는 342개의 과열기를 바이메탈릭 용접으로 교체 할 계획이 있었다.
■ 바이메탈릭 용접 교체
과열기는 1005.F도에 2475 psig 설계조건을 갖추어야 한다. 바이메탈릭 용접은 각기 다른 요소 간의 다양한 팽창 계수(膨張係數)로 인하여 생기는 열응력을 흡수해 주며, 일반 압력과 온도 조절까지 해준다. 대다수 응력이 쌓인 이유는 시기별로 관리를 위해 가동이 정지되기 때문이다.
이는 용접 크리프 수명을 최소 100,000 가동 시간으로 줄이는 결과를 가져온다. EPRI (전력 연구기관)은 이 문제에 대한 수 많은 연구를 진행해 왔는데 그 결과 75,000시간을 연이어 가동하면 최초의 용접 문제가 발생한다고 추정하며, 문제는 보통 내부의 열 영향부(HAZ)에서 발생한다고 밝혀졌다.
선댄스 발전소의 첫 번째 발전기는 20년 동안 가동되어 왔고, 88%의 가동률로 가동되고 있으며, 총 150,000시간이 가동되었다. 매뉴얼에 따라 수많은 바이메탈릭 용접이 수리되었기 때문에 교체되어야 할 적당한 시기였다.
발전소장 Floyd Mulligan은 튜브 교체 시기를 늘릴 수 있는 용접 기술을 찾고 있었다. 발전소는 이전에 꽤 많은 바이메탈릭 용접 문제를 겪었고 이러한 문제들로 인하여 보통 하루 5만불 정도의 손해를 보았다. Floyd는 한 번의 교체로 200,000시간을 가동할 수 있는 교체작업을 하길 원했기 때문에 바이메탈릭 용접에 새로운 이음설계가 사용되었다.
이 새로운 설계도는 기존의 E 309 용접봉 대신 Inconel을 필러(끼움재)로 사용하고 넓은 캡으로 용접 프로필을 바꾸었다. 이 설계는 연구실에서 진행된 크리프 테스트에서 용접의 수명을 네 배나 증가시킨다고 나타났다. 원래는 현장용접으로 사용이 되었던 이번 프로젝트의 바이메탈릭 용접은 현장에서 떨어진 공장에서 만들어졌고 TransAlta사(社)는 발전시설의 남은 수명 동안 추가적인 교체를 하지 않아도 될 것으로 보고 있다.
공장에서 만들어진 조립체들은 2피트의 스테인리스 강과 크롬몰리브덴으로 만들어진 배관과 2피트의 바이메탈릭 중심 용접으로 이루어졌으며, 총 4피트의 길이로 되어있다. 발전기 점검 작업은 기존의 바이메탈릭 용접을 제거하고(인접 튜브까지 포함) 바이메탈릭 용접 조립체로 대체하는 것을 포합한다.
■ 오비탈 파이프 용접
전통적으로, 이 작업은 많은 숙련된 기술자들에 의하여 이루어졌다. 작업의 용접부분- 스테인리스 강(304-H)을 스테인리스 강으로, 크롬몰리 (T22)를 크롬몰리로 교체하는 작업은 20명에서 26명의 숙련된 GTA 용접공들이 필요했다.
전년도에 이루어진 비슷한 프로젝트에서, TAU사(社)를 위해 일하던 계약자가 해당 작업을 위한 작업자들을 충분히 구하지 못하여 TransAlta 사(社)는 캘리포니아 Pacoima에 있는 Arc Machines사(社)에서 인력과 오비탈 용접 기계를 얻었어야만 했다. 해당 프로젝트 기간 동안, 오비탈 용접 기계의 잠재성은 TAU 사(社)의 수석 엔지니어 기술자인 Steve Thomas의 눈에 띠게 되었다.
TransAlta 사(社)는 오비탈 용접 기계를 선댄스 발전기 1호의 바이메탈릭 용접 대체 작업에 사용하고 싶어했다. Asea Brown Boveri, Inc. 사(社) (ABB 연소 서비스)와 함께 일하며, 프로젝트에 오비탈 용접 기기를 사용하게끔 계획을 세웠다. TAU 사(社)가 ABB 사(社)를 고른 이유는 ABB 사(社)가 캐나다 내의 주요 시설에서 오비탈 용접 기기에 대한 경험을 가지고 있었기 때문이다.
■ 인사 선발 및 교육
선댄스 발전소에서 일을 하려면 믿을만하고 숙련된 인력이 다시 필요했다. 캐나다의 전력 산업에서는 비교적으로 전력 공급 수요가 적은 여름 내내 대대적인 시설점검이 진행된다. 이러한 이유로 여름에는 보통 인력이 부족한 현상이 일어난다. ABB 연소 서비스 사(社)는 선댄스 1호기 프로젝트가 시작된 시기에 기계 운영을 할만한 숙련된 인력이 많이 있지 않은 상태여서 숙련된 인력을 제공할 수 없었다.
이런 ABB 사(社)와 친밀한 관계를 유지하던 TAU 사(社)는 ABB사(社)의 용접공 8명을 교육시키는 데 투자하였다. 이 용접공들은 ABB사(社)가 앨버타주의 보일러 관리 인력 공급 회사인 International Brotherhood of Boilermakers, Local 146 사(社)에서 정기적으로 고용한 인력이다. Local 146 사(社)는 오비탈 용접 기술에 큰 관심을 보였다. 그들의 직원이 이 교육을 받으면 회사의 기술적 자산이 될 것이라고 여겼기 때문이다.
교육과정은 ABB 사(社)의 에드먼턴 사무실에서 이루어졌다. Arc Machines, Inc. 사(社)의 파이프 용접 제품 매니저 및 용접기술공인 Frank York가 한 번에 4명의 용접공씩 총 두 번의 32시간짜리 교육과정을 진행하였다. 교육과정이 끝난 후, 각 용접공은 해당 기계에 64시간의 경험을 쌓았다. 이 중 반은 용접에, 나머지 반은 합동준비를 하는 데 쓰였다. 이 모든 과정은 ABB 사(社)의 수석 오비탈 용접 기술가인 Steve Chambers의 감독 하에 이루어졌다.
■ 작업의 범위
작업의 각 단계에 소요되는 시간을 고려하여 아주 세밀하게 작업 범위가 계획되었다. 튜브 드레싱, 설치, 끼워넣기, 루트(roots)용접, 엑스레이 등등에 대한 일일 목표량이 세워졌다. 실제 작업은 8월 2일 시작되었고 9월 16일 마치는 것으로 계획하였다. 효율적으로, 또 아무 문제 없이 시간에 맞추어 업무를 마치기 위하여 준비할 수 있는 것들을 최대한 준비하였다. TransAlta 사(社)는 필요한 도구와 기기들을 제공해주었고 이 중에는 오비탈 용접을 위해 관(tubing) 끝을 준비하는 기기를 페이싱(facing) 하는 작업도 포함되었다.
인적요소 또한 고려되었다. 기술자들이 작업환경에서 멀리 떨어지는 것을 최소화하기 위해, 보일러 빌딩에 과열기 헤더가 있는 층에 에어컨이 나오는 식당과 화장실을 만들었다. 유일하게 있는 엘리베이터가 아주 느렸고 꽤 좁았기 때문에, 이 방들을 만들어 프로젝트의 효율을 높일 수 있었다.
3주 동안 총 684개의 용접이 이루어져야 했다. 헤더 튜브들은 114개의 열로 이뤄졌고, 세 개의 튜브 가 들어가는 깊이에 2인치 정도 반경으로 튜브가 사이마다 있었다. 용접 될 배관의 외경은 모두 2인치였다.
크롬몰리 배관의 벽 두께는 0.460인치였고, 스테인리스 배관의 벽 두께는 0.240 인치였다. 용접을 시작하기에 앞서, ABB 사(社)의 용접 엔지니어링 기술자인 Larrie Hermans가 ASME Boiler and Pressure Vessel Code의 섹션 1부터 9까지, Weld Procedure Specifications(WPS), 그리고 Procedure and Performance Qualification Records(PQRs)에 맞춘 인증된 용접 절차를 만들어야 했다.
이로 하여금 용접과정과 용접공들이 지침서의 조건을 따르게 되었다. 작업은 ABB 사(社)와 TAU 사(社)의 철저하고 세밀한 계획 하에 이뤄졌다. TAU의 Steve Thomas, ABB의 관리 매니저 Brad Herczeg, ABB 현장 매니저 Spencer Allen이 작업을 실행하는 데 실제로 소요되는 시간을 계산하였고 현실적인 계획안을 만들었다.
■ 용접 장비
이 프로젝트에는 AMI 사(社)의 3개에 풀 기능의 마이크로 프로세서로 컨트롤하는 파이프 용접 전원공급장치 MODEL 215와 용접 헤드 MODEL 81 사용되었다. - 사진 1. 참조. 구간속도를 위한 용접 변수, 아크 전압 컨트롤, 용접 전류, 진동, 그리고 와이어 미급속도 등이 적힌 용접 스케줄이 프로그램 오퍼레이터 펜던트를 통하여 발전기로 입력되었고 메모리에 저장되었다. - 사진 2. 참조. 용접 중, 보조 오퍼레이션 펜던트를 사용하여 토치(torch)에 미세한 스티어링(steering)이 일어났다. 물로 식힌 네 개의 MODEL 81 파이프 용접 헤드가 현장에 있었고 하나는 여분으로 남겨두었다.
M-81의 토치에 끝부분은 1 1/2 인치 연장이 되었고, 이로 인하여 용접 작업 동안 연결 부분을 더욱 또렷하게 볼 수 있었고 용접 헤드를 과도한 열로부터 보호 되었다. 작업 공간이 매우 좁고 튜브 사이의 간격은 2인치밖에 되지 않았다. (사진 3 참고). 몇 몇 부분에서는, 1.75인치의 반경의 틈 안에 용접 헤드를 넣기 위해서 튜브를 조금 벌려야만 했다.
두 개의 장비로 헤더의 한쪽 끝에 있는 튜브들에 먼저 용접 작업을 시작했고 점점 중간 부근으로 옮겨서 작업을 하였다. (사진 4 참고). 그리고 세 번째 장비는 중간부터 바깥 쪽으로 향하여 작업을 진행하였다. 이는 용접되지 않은 튜브 창을 만들어서 용접을 할 공간을 만들기 위함이다- 사진 5 참고. 배관의 밑 부분에는 엎드려 들어갈 만한 공간이 있었지만, 그럼에도 불구하고 배관의 가운데 줄은 손이 닿기 가장 힘든 부분이었다.
만약 이 용접이 매뉴얼대로 작업되었다면, 가운데 줄의 용접은 용접공이 위에서 밑으로 뻗어서 작업하거나 혹은 밑에서 위로 뻗어서 작업하는 수밖에 없었을 것이다. 보통 한 장비의 같은 용접 이음에 두 명의 용접공이 작업하는 것이 대부분의 경우다. 하지만 AMI 사(社)의 오비탈 용접장비를 사용하였기 때문에 각 장비마다 한 명의 용접공으로 작업이 가능했다. 자동화 장비의 사용은 용접공이 불편한 자세로 수동 용접을 해야 하는 작업과 손이 닿지 않는 곳의 작업까지 처리해주었다.
■ 생산기술은 생산력을 증가시킨다.
교육기간 동안, 성공적으로 프로젝트를 마칠 수 있게 용접 생산력의 수준을 높이려는 목표가 세워졌다. 학습곡선이 발생하리라고 예상됐지만, 작업자들은 프로젝트 시작부터 아주 생산적이었다. 5일 동안 세 번의 8시간짜리 작업 교대가 이뤄진 후 평균 생산량은 장비 1대당, 교대 한 번으로 8개의 용접 가능했다. 몇몇 작업자들은 이 수치의 두 배를 해내기도 했다.
기존의 용접 기술로 한 프로젝트들에서는, 방사선촬영(radiography)으로 생산성이 떨어지는 큰 제약을 가지고 있었다. 방사선촬영을 실행하기 위한 시간이 필요했기 때문이다. 이 프로젝트에선, 방사선촬영을 주말에 하여 시간을 절약할 수 있었다.
ABB사(社)는 시간을 절약할 수 있는 절삭(cutting)과 퍼징(purging)을 하는 제작 기술을 개발하였다. 이로 하여금 TAU에게 가장 최적의 비용으로 프로젝트를 진행할 수 있게 해주었다. 이 프로젝트는 결국 시간과 비용 싸움이었기 때문이다. Arc Machines, Inc.는 Frank York를 현장에 배치하여 용접 작업을 지켜볼 수 있게 협조하였다. 작업이 시작되고, 그들은 기존에 네 번의 과정이 필요했던 스테인리스와 스테인리스 용접을 세 번으로 줄여 용접에 드는 시간을 절약하였다. 크롬몰리와 크롬몰리 용접은 8번의 과정을 거쳐 완료되었다.
스테인리스와 스테인리스 용접을 먼저 진행하였는데 이는 용접작업 중 스테인리스 용접이 불활성 아르곤 가스 (inert argon gas)와 퍼징(purging)될 수 있도록 함이었다. 아르곤 가스와 퍼징하는 작업은 용접의 표면이 산화되는 것을 방지하며 더욱 깨끗하고 양질의 용접을 용이하게 한다. 기존에 사용되었던 용해성이 있는 퍼지댐(purge dam) 재료는 수압시험(hydrotesting) 과정에서 제거되었다.
용접작업은 일관적으로 추정되었던 용접 작업일수보다 빨리 끝났다. 하지만 이러한 개선점은 더욱 정확한 일정을 맞추기 위해 다소 더 많은 시간을 요구했다.
ABB 사(社)는 오비탈 용접으로 하는 이 작업이 2년 전 GTAW로 했던 매뉴얼 작업보다 25%정도 더욱 효율적이라고 보았다. 또한, 현재 훈련된 핵심 인력은 향후 새로운 작업의 투입될 미래의 인력이 될 것이다.
■ 문의처: 웰드웰 ☎ 055-288-4558
■ 출처 : WELDING JOURNAL(USA) MAY, 1992
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