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화력발전용 9Cr강의 장수명화 합금설계

전문가 제언: ○ 초초임계압(USC) 발전이란 보일러의 증기 압력이 246kg/㎠ 이상이고 온도가 593℃보다 높은 발전방식으로 터빈에 고온, 고압이 가해질수록 발전효율이 높아지므로 종전의 초임계압(SC) 발전(압력 225.65㎏/㎠, 온도 374℃이상)에 비해 훨씬 강력한 힘을 터빈에 전달한다. 현재 USC발전의 증기온도는 610℃~620℃이며 이는 점점 높아지는 추세에 있다.

○ 발전 플랜트의 보일러 튜브에는 고온크리프강도, 내산화성, 고온내식성, 용접성, 가공성 등이 요구되어 오스테나이트계 내열강이 주로 이용된다. 또 대구경 후육강관이나 터빈로터와 같은 후육의 대형구조물에서는 내외부의 온도차에 기인하는 열응력으로 크리프 피로손상이 심각하므로 페라이트계 내열강이 이용된다. 그러나 고온크리프강도와 내산화성이 취약하여 USC발전의 고온화에 장애가 되고 있다.

○ 페라이트계 내열강의 고온화는 각국이 국가프로젝트로 추진하여 일본, 유럽, 중국에서는 650℃급 9~12%Cr을 함유하는 페라이트계 내열강을 개발하고 있다. 오스테나이트계 내열강은 유럽의 THERMIE AD700프로젝트에서 700℃급, 미국 DOE의 Vision 21에서 760℃급 재료의 개발을 목표로 하여 최고온부에는 Ni기 초합금의 적용을 계획하고 있다.

○ 보일러용 페라이트계 내열강의 고온강도 목표치는 통상 10만 시간 크리프 파단강도를 100MPa로 설정하고 있다. 600℃이상의 고온에서는 내산화성을 위하여 9~12%Cr이 첨가된 2상 조직(tempered martensite+δferrite)으로 하고, 합금성분으로는 저Mo-고W화와 Co, V, Nb, B 등을 첨가하여 고온강도를 확보한다. 650℃급 재료로 개발 중인 강에는9Cr-3W-3Co-VNb강이 있고, 12Cr강에는 12Cr-WCoVNb강이 있다.

○ 국내에도 당진발전소 5, 6, 7, 8호기에 USC발전이 채택되고 있고, 태안발전소 9, 10호기에 1,050MW급 USC가 설치될 예정이다. 재료에 대해서는 620℃급 고Cr 페라이트계 내열강이 2003년부터 개발되고 있고 각 대학과 연구기관에서 9Cr-1Mo강과 Ni기 초내열합금이 연구되고 있다. 앞으로 크리프 강화기구의 응용과 합금설계에 의하여 보다 고온에서 장수명을 기대할 수 있는 내열강의 개발이 요구된다.

저자: Fujio Abe
자료유형: 학술정보