(1) 고장 현상

① 급입단 쉘 끝단 덮개에 발생한 균열 및 파단 일반적으로 밀 헤드 엔드 커버와 중공축을 연결하는 필렛 이음부, 즉 중공축과 플랜지 플레이트 사이의 원호형 이음부에서 발생합니다. 기포, 모래 구멍, 공극 및 모래 함유물과 같은 주조 결함은 균열이나 파손 부위에서 흔히 발견되며, 주철의 결정립은 대개 거칠다. 균열은 공급단 엔드 커버와 보강판의 외주면 사이의 용접 이음매에서도 발생할 수 있습니다. 이러한 경우, 용접면과 그 가장자리는 대개 매우 거칠고, 엔드 커버와의 접합 부위가 고르지 않으며, 언더컷이 심하고, 균열의 깊이와 폭이 모두 1mm를 초과합니다. 때로는 엔드 커버가 완전히 관통 균열되기도 하는데, 밀 내부에서 바라보면 균열 사이로 빛이 비쳐 보이며, 가동 중 밀 헤드에서 심각한 분진 누출이 발생합니다.

② 토출단 쉘 엔드 커버의 파손 일반적으로 엔드 커버와 쉘의 접합부에서 발생하며, 쉘 벽을 관통하는 연속적인 원주 방향 균열로 나타나 먼지 누출을 유발합니다. 이 균열은 종종 기름 얼룩에 가려져 있기 때문에, 중공축이 쉘에서 분리될 때까지는 쉽게 발견되지 않아 심각한 결과를 초래합니다.

③ 껍질 균열 일반적으로 맨홀 주변과 라이너 볼트 구멍 부근에서 발생하며, 볼 밀 껍질로 시작하여, 그 후 원주 방향으로 뻗어 나갑니다.

(2) 원인 분석

밀 쉘의 엔드 커버 및 쉘에 균열이나 파단이 발생하는 주요 원인은 다음과 같습니다.

① 제조, 운송 및 설치 과정에서 의도치 않게 생긴 홈 자국 – 이로 인해 균열과 파단이 발생합니다.

이러한 홈 자국은 종종 쉘이나 엔드 커버 재질에 의도치 않게 발생하는데, 예를 들어 가위, 센터 펀치 또는 기타 도구를 사용하여 쉘 표면을 펀칭, 스탬핑하거나 스크라이빙할 때 발생합니다. 또 다른 예로는, 쉘에 용접된 보조 리프팅 또는 운반 고정 장치를 화염 절단기로 절단할 때, 남은 표면을 매끄럽게 연마하지 않아 결함이 제거되지 않은 경우를 들 수 있습니다. 용접 언더컷이나 불완전한 침투 또한 밀에 하중이 가해지면 균열 발생 지점이 될 수 있습니다. 제조 과정에서 쉘 구조물이 크기 때문에 대부분의 제작업체는 전체 열처리를 수행할 수 없으므로, 용접부에 잔류 용접 응력이 남아 잠재적인 균열 위험을 초래합니다. 용접 홈을 적절히 세척하지 않거나 전극이 건조되지 않은 경우, 쉘 내면에 기포, 모래 구멍 또는 미세 균열과 같은 결함이 발생할 수 있습니다. 교대 응력과 재료 및 철 슬래그에 의한 마모 작용 하에서 이러한 결함은 균열로 발전하며, 균열은 점차 전파되고 깊어집니다.

② 부적절한 유지보수 골절로 이어진다.

a. 엔드 커버를 고정하는 볼트와 너트가 서로 “붙어버린다”. 라이너를 교체할 때, 너트를 화염으로 절단하는 과정에서 의도치 않게 엔드 커버가 손상된다. 볼트 구멍에 생긴 홈은 점차 균열로 발전한다.

b. 용접은 균열에 대한 긴급 수리 방법으로 자주 사용된다. 용접 기술이 부적절하거나 용가재가 잘못 선택될 경우, 수리 부위에서 재균열이 발생하기 쉽다. 예를 들어, 원형 삽입 플러그로 구멍을 메울 때 홈이 완전히 채워지지 않으면 용접부 전체 길이에 걸쳐 오목한 홈이 남게 되며, 이는 균열을 유발할 수 있습니다.

③ 부적절한 재료 선정 골절로 이어진다.

a. 밀 본체와 끝단 커버는 반복적인 교대(피로) 응력을 받기 때문에, 저탄소이며 비교적 연성이 높은 강판을 사용해야 합니다. 선택한 재료가 기술적 요건을 충족하지 못하거나, 굽힘 강도가 부족하거나, 강판 내에 이미 미세 균열이 존재하는 경우, 교대 응력 하에서 여러 방향으로 뻗어 나가는 표면 균열이 발생하여 결국 피로 파단을 초래하게 됩니다.

b. 일부 노후된 밀의 경우, 외피의 국부적인 심한 마모로 인해 강도가 저하되며, 이로 인해 균열이 발생할 수도 있다.

④ 밀 과부하 골절로 이어진다.

경험에 따르면, 연마재 충전량을 적절히 늘리면 밀의 생산량을 향상시킬 수 있습니다. 그러나 충전량을 늘려 쉘 플레이트의 응력이 설계 사양을 초과하거나, 다른 이유로 과부하가 발생하면 쉘과 엔드 커버 모두에 균열이나 파단이 발생할 수 있습니다. 또한, 운전 중 밀 내부의 높은 온도와 내부·외부 간의 큰 온도 차이로 인해 열 응력이 발생하며, 이는 균열의 진행을 가속화합니다.

⑤ 쉘 두께 및 단면 덮개 두께가 부족함 골절로 이어진다.

a. 외피 두께에는 비교적 큰 안전 계수가 적용되어 있지만, 맨홀은 화염 절단 방식으로 제작되어 전체 어닐링을 통해 응력을 제거할 수 없다. 잔류 응력이 운전 중 발생하는 굽힘 응력과 결합되어 균열을 유발하는 복잡한 응력 상태를 형성합니다. 게다가 외피에 많은 볼트 구멍이 뚫려 있어, 외피 두께의 유효 안전 여유가 상당히 감소합니다.

b. 엔드 커버는 일반적으로 넓은 평면부를 가지고 있지만 벽 두께는 비교적 얇습니다. 주조 과정에서 불균일한 냉각 수축으로 인해 내부 응력이 발생합니다. 또한, 엔드 커버가 중공축과 거의 직각으로 교차하기 때문에 주입 시 난류가 발생할 수 있어 품질 관리가 어렵습니다. 운전 중 이 필렛 영역은 “교대 응력”과 “응력 집중”에 가장 민감한 부위이므로, 이곳에서 파단이 발생할 가능성이 매우 높습니다. 또한, 부적절한 용접 설계, 잘못된 보강판 설계, 용접 품질 저하 및 기타 구조적 결함 역시 엔드 커버 파단의 주요 원인입니다.

(3) 치료 방법

a. 준비 작업

① 필요한 모든 수리 도구와 장비를 준비하십시오. 밀에서 연마재를 모두 비우고, 용접 작업 시 쉘과 엔드 커버에 하중이 가해지지 않도록 쉘을 들어 올리거나 받쳐 주십시오.

② 균열(또는 파손된 부분)과 주변 표면의 이물질을 모두 제거하십시오. 풀와이어 방식이나 직선자를 사용하여 엔드 커버의 평탄도를 측정하고, 동시에 균열이 변위되었는지(정렬 불량) 확인하십시오. 측정 지점을 표시하고, 용접 후 측정값과 비교할 수 있도록 데이터를 기록하십시오.

③ 예를 들어 염료 침투 검사법을 사용하여 표면 균열 검사를 실시합니다. 균열이 한쪽 면에서만 보이는 경우에는 초음파 탐상을 통해 균열 깊이를 측정합니다.

④ 균열이나 파손된 부위의 손상 정도에 따라 구체적인 보수 방안을 선정합니다. 즉, 영구 보수(즉, 고품질 보수)를 실시할지, 긴급 임시 보수를 실시할지, 아니면 해당 부품을 새 부품으로 교체할지 결정합니다. 파단된 부품을 교체하지 않을 경우, 아래의 e~i 단계를 계속 진행하십시오.

⑤ 균열(가지 균열 포함)의 양쪽 끝 부분에 관통 구멍(정지 구멍)을 뚫습니다. 구멍의 직경은 일반적으로 5~6 mm입니다.

⑥ 용접 홈을 준비한다. 일반적으로 V자형 홈이 사용된다. 그림 2.32(원본 그림 참조)에 표시된 대로 단면적을 계산한다. 도면 요구 사항에 따라 균열 위치와 반대편의 대칭 위치에 홈을 가공하거나(에어 아크를 사용하여) 파내야 한다.

그림 2.32 – V자형 홈의 단면적 계산도

고품질(영구적) 보수 방안을 수립하기 위해, 홈의 단면적 A는 식 (1)을 사용하여 계산할 수 있다:

A ≥ (b + e)h (1)

긴급(임시) 보수 방안을 위해, 홈의 단면적 A는 식 (2)를 사용하여 계산할 수 있다:

A ≥ 2eh (2)

g. 홈 부위의 녹, 칩, 기름, 그리스, 수분 등 모든 이물질을 제거하십시오.

h. 모재를 예열하십시오. 예열이 불가능한 경우에는 주변 온도가 최소 20 °C에 도달하도록 하십시오.

i. 적절한 용접 용가재를 선택하고 필요한 양을 계산하십시오. 전극을 지정된 온도에서 건조시키십시오. 필요한 용가재의 양 Q 다음과 같이 식 (3)을 사용하여 계산할 수 있다:

Q = γ · A · L (3)

장소:

• γ = 용가재의 밀도 (kg/m³)
• A = 홈의 총 단면적 (m²)
• L = 균열 또는 파단의 길이 (m)

용접 중 변형을 방지하기 위해, 균열 길이를 따라 약 500mm 간격으로 균열을 가로지르는 방향으로 변형 방지판을 용접할 수 있다.

② 균열이 발생한 밀 쉘의 수리 방법

a. 균열 부위의 강판을 청소하십시오. 균열의 양 끝을 찾아내고, 균열이 더 이상 진행되지 않도록 각 끝 부분에 정지 구멍(일반적으로 직경 5~6 mm)을 뚫으십시오.

b. 에어 아크 고우징 또는 화염 절단법을 사용하여 균열이 발생한 판재의 내·외면 모두에 50°~60° 각도의 삼각형 홈(베벨)을 파내십시오. 쉘의 변형을 최소화하기 위해 양면 홈의 기저부 간격을 약 2 mm로 유지해야 하며, 판의 두께를 완전히 관통하지 않도록 하십시오.

c. 홈을 형성한 후에는 앵글 그라인더나 연삭 휠을 사용하여 가능한 한 매끄럽게 다듬어야 하며, 이때 홈 표면이 평평하고 이물질이 전혀 없어야 하며 금속 특유의 광택이 나도록 해야 합니다. 홈 정리가 완료된 후에는 침투 검사(penetrant inspection)를 실시하여 기타 결함이 없는지 확인하고, 균열 끝부분이 제거되었는지 확인해야 합니다. 선체 강도를 과도하게 저하시키지 않기 위해, 홈 가공은 스킵 용접 순서를 사용하여 구간별로 수행해야 합니다. 각 홈 구간은 길이가 400–500 mm가 되도록 균열 중심부에서 절단해야 하며, 잔여 균열 길이가 500 mm 미만이 될 때까지 이 과정을 반복해야 합니다. 이때부터 전체 균열을 스톱홀까지 한 번에 용접할 수 있습니다.

d. 용접은 홈 가공이 완료된 후에 수행해야 합니다. 균열이 매우 긴 경우에는 분할 스킵 용접 방식을 사용하십시오. 각 용접 구간의 길이는 400~500 mm여야 합니다. 용접은 밀의 한쪽 면에서 약 45°의 상향 경사를 이루도록 배치하고, 상향(진행형) 용접 기법을 사용해야 합니다. No. 41 전극(사용 전 250 °C에서 건조) 또는 J427 전극(사용 전 350 °C에서 1시간 동안 건조한 후 150 °C에서 보관)을 사용하십시오. 오븐에서 꺼낸 후, 즉시 쉘 내벽의 V자형 홈 안쪽에 두 겹을 용접한 다음, 쉘 외벽의 V자형 홈을 완전히 채워야 합니다.

e. 내벽에 이미 용접된 두 층을 깎아낸 후, 홈을 완전히 다시 용접하십시오. 앵글 그라인더나 연삭 휠을 사용하여 용접 비드를 평평하게 다듬은 다음, 침투 검사(penetrant inspection)를 실시하십시오. 결함이 발견되면 결함 부위를 제거하고 다시 용접하십시오. 결함이 남아 있지 않음을 확인한 후, 에어 해머(둥근 코 비트 장착)를 사용하여 용접 비드를 두 번 두드리십시오. 이렇게 하면 슬래그를 제거하고 잔류 응력을 해소할 수 있습니다.

f. 홈을 수평으로 채운 후, 최종 침투 검사(penetrant inspection)를 실시합니다. 결함이 발견되지 않으면 고전압, 저전류, 저속 이송을 사용하여 최종 피복 용접을 수행합니다. 마감층은 표면이 매끄러워야 하며, 언더컷 결함이 없어야 합니다. 아크 시작/종료 지점에 있는 모든 함몰부는 보수 용접을 통해 채워지고 평평하게 다듬어져야 하며, 돌출된 부분은 용접 표면과 수평이 되도록 연마하되 날카로운 연마 자국이 남지 않도록 해야 합니다.

장기간 사용으로 인해 쉘에 발생한 균열의 경우, 수리 시 원래 쉘을 두께 16~20 mm(원래 쉘 판재 두께에 따라 다름)의 강판 한 겹으로 감싸야 한다. 이 감싸는 강판의 이음매는 밀 축 방향을 따라 단면 용접되어야 합니다. 감싸는 강판은 강판의 양쪽 끝 가장자리를 따라 2~3열로 배열된 리벳을 사용하여 쉘에 고정해야 합니다. 전기 용접은 금지되어 있습니다. 이 부재의 경우, 겹침 이음부는 균열이 발생하기 쉬우므로.

③ 밀 쉘 엔드 커버와 쉘 사이의 이음매 균열 보수 방법 (긴급 보수)

a. 위에서 설명한 대로 모든 준비 작업을 완료하십시오.

b. 껍질 내부의 균열 중 틈이 10 mm 미만인 경우에는 산소-연료 절단법을 사용하여 홈을 파고, 슬래그를 제거한 뒤 매끄럽게 연마하십시오.

c. 껍질 내부의 균열 중 틈이 10 mm를 초과하는 경우에는 직경 8 mm의 철근을 적절한 충전재로 사용하되, 홈을 파지 마십시오.

d. 쉘과 엔드 커버 사이의 균열을 다시 용접하십시오. 먼저 균열 중 폭이 넓은 부분을 용접한 다음, 폭이 좁은 부분을 용접하십시오. 용접 비드가 쉘의 내면 위로 돌출되지 않도록 주의하십시오. 만약 돌출된 경우, 휴대용 그라인더나 앵글 그라인더를 사용하여 평평하게 다듬어, 배출 리프터 바의 설치에 지장이 없도록 하십시오.

e. 쉘의 안쪽 면에는 여러 개의 내부 보강 리브를, 바깥쪽 면에는 이에 상응하는 수의 외부 보강 리브를 서로 대응하는 쌍을 이루도록 용접합니다. 각 면당 개수는 10~20개여야 합니다(밀의 크기에 따라 다름; 보강 배치는 그림 2.33에 나와 있습니다). 쉘 외부에 기존 보강 리브가 있는 경우, 그림 2.33에 표시된 대로 새로운 보강 리브를 용접하기 전에 이를 제거해야 하며, 새로운 리브는 원래 위치에 용접하는 것이 바람직합니다.

f. 내부 및 외부 용접부의 품질을 점검하고, 매끄럽게 연마하십시오.

④ 밀 쉘 엔드 커버 균열 보수 방법

이번 수리의 핵심은 용접 후 엔드 커버의 변형을 억제하는 것입니다.

a. 위에서 설명한 대로 모든 준비 작업을 완료하십시오.

b. 밀의 엔드 커버를 분리하여 수리 현장으로 운반하십시오. 적절한 용접 충전재(전극)를 선택하고 필요한 양을 산출하십시오. 여건이 허락한다면, 엔드 커버를 150–200 °C까지 예열하십시오.

c. 균열 패턴을 파악하고, 균열의 각 가지 끝부분에 정지 구멍을 뚫은 뒤, 용접 홈을 연마하여 표면을 밝고 깨끗하게 다듬어야 한다.

d. 엔드 커버 파손 정도에 따라 용접공의 인원을 결정한다. 전체 과정에 걸쳐 평면(다운핸드) 용접 자세를 유지하면서, 백스텝 용접 기법을 사용하여 계획된 순서대로 구간별로 용접 금속을 적층한다. 홈 가공부터 용접 완료까지 엔드 커버의 작업 온도를 약 200 °C로 유지한다.

e. 가지가 갈라진 균열이 있는 엔드 커버의 경우, 구체적인 용접 순서는 다음과 같습니다. 먼저, 외부에서 가장자리까지 뻗어 있는 주 균열을 용접합니다. 그런 다음 엔드 커버를 180° 회전시킨 후, 내부에서 가장자리까지 뻗어 있는 주 균열을 용접하되(전체 길이 용접), 홈 높이의 일부만 채웁니다. 다음으로, 내부에서 분기 균열 부분을 용접하는 동시에 내부 주 균열 용접의 나머지 부분을 완료합니다. 마지막으로, 엔드 커버를 다시 180° 회전시킨 후 외부에서 남아 있는 분기 균열 부분을 완전히 용접합니다.

f. 균열 용접이 완료된 직후, 엔드 커버 전체를 덮고 재가열한 뒤, 응력 제거를 위해 24시간 이상 해당 온도를 유지한 다음, 덮은 상태에서 자연 냉각시킵니다.

g. 용접 전후에 당김선 방식이나 직선자를 사용하여 엔드 커버의 평탄도를 측정하고, 균열의 정렬 불량 여부를 확인한 뒤, 기준점을 표시하고, 용접 전후 상태를 비교할 수 있도록 데이터를 기록해야 합니다.

h. 용접 보강부를 연마하여 제거한 후, 엔드 커버에 대해 초음파 검사를 실시해야 합니다. 또한 염료 침투 검사를 통해 기타 결함이 없는지 확인하고 균열이 완전히 제거되었는지 확인할 수도 있습니다. 필요한 경우 재가공을 실시해야 합니다.

⑤ 수리에 대한 품질 요건

튜브 밀의 외피 및 단면 커버에 있는 용접 이음부의 표면 품질은 다음의 요구 사항을 충족해야 한다. 1학년 중국 표준에 명시된 바와 같이 JC/T 532–2007, “건축자재 기계용 강철 용접 부품에 대한 일반 기술 조건”.

그림 2.33 – 쉘 및 엔드 커버의 보강 방식 개략도 (단면도)
(재질: A3 및 814 강판)

범례:
1 – 용접 이음부 / 용접 부위
2 – 외부 보강 리브 플레이트 (외부 보강재)
3 – 내부 보강 리브 플레이트 (내부 보강재)
4 – 끝 덮개
5 – 쉘 플레이트