A special usage impeller pump for ballast water treatment is part of an offshore plant's structure. It has to maintain a high corrosion resistance in an extreme environment, in which it can contact several kinds of aqueous solutions. The duplex stainless steel used in such severe environments is known to have corrosion resistance and excellent mechanical properties. This study estimated the performance of an impeller pump system designed using duplex stainless steel through a computational fluid dynamics analysis. As a result, it was determined that the pressure drop increases and the impeller performance is lowered if the equivalent roughness is enlarged. The surface precision of the duplex stainless steel must be consistently maintained. If thisis the case, it was determined that the existing STS steel can be substituted for the Duplex stainless steel.
해양플랜트 산업은 차세대 성장 동력 사업 분야로 부상하고 있으며, 국내 조선업계도 기존 산업의 대체 시장으로 집중하고 있다. 하지만 조선 분야가 90% 이상 국산화 되었지만 해양플랜트 분야의 국산화는 미약한 수준이며 대부분 100년 이상 축적된 자체 기술력을 보유하고 있는 해외에 의존하고 있는 실정이다(Kim et al., 1994; Kang et al., 2010).
해양플랜트 구조물 중의 하나인 선박 평형수 처리용 특수 펌프용 임펠러는 바닷물에 의한 공식 및 틈새 부식이 없어야 하고, 여러 종류의 수용액이 접촉되는 환경에서 고내식성을 유지해야하며, 높은 강성을 가지고 있어야 하여 현재 스테인리스강을 이용한 제품을 사용 중이다. 가혹한 환경에서 사용되는 듀플렉스 스테인리스강(Duplex stainless steel)은 Fig. 1과 같은 조직을 가지며 오스테나이트와 페라이트 비율이 각각 50% 전후가 될 때 가장 우수한 기계적 성질과 내식성을 가진다고 알려져 있어(Seo et al., 2012; Kim and Lee, 1995; Park et al., 2007), 높은 농도의 해수에 접촉하는 파트에서 사용되고 있으며, 담수화 처리 공장이나 역 삼투압 공장의 이상적인 소재로 꼽히고 있다.
한편, 유체해석에서 유동장의 기하학적 형상이나 흡입조건 등은 동일하고 다만 구조물의 재질만 변경되는 경우 유동장 벽면에 적용되는 벽면조건을 조정해야 한다. 유동해석 시 적용되는 벽면조건은 주로 벽면의 등가 거칠기(Equivalent roughness)를 조정하여 재질 변경 효과를 적용한다. 하지만 일반적으로 구조물 가공 시 가공 정도가 등가 거칠기를 결정하기 때문에 단지 재질만 변경된 경우에는 기존의 시스템 성능과 차이가 나지 않고 구조물 가공 시 적용된 표면정도의 차이가 시스템 성능에 영향을 미친다고 할 수 있다(Kim et al., 1999; Kim et al., 2011; An and Shin, 2009).
따라서 본 연구에서는 기존의 STS(Stainless)강에서 듀플렉스 스테인리스강으로 재질을 변경하였으며, 재질변경에 따른 임펠러의 형상이나 구조는 기존의 개발품과 동일하게 하여 펌프의 임펠러 재질을 변경한 경우 재질 변경이 펌프 및 시스템 성능에 미치는 영향에 대하여 전산 유동해석(Computational fluid dynamics)을 활용하여 평가 해석을 실시하였고, 해석은 설계된 펌프 시스템에 대하여 3차원 유동장을 형성하고 임펠러 벽면의 등가 거칠기를 변경한 경우의 시스템의 성능변화를 임펠러 가동에 따른 토크 및 압력상승으로 표시하여 등가 거칠기에 따른 듀플렉스 스테인리스강의 선박 평형수 처리용 특수 펌프 임펠러 성능 평가를 하였다.
일반적으로 특수 펌프용 임펠러의 소재로 쓰이는 스테인리스강은 합금 성분계, 미세조직, 상, 용도 등에 따라 구분되지기도 하지만 일반적으로는 상에 따라 나눈다. 사용되는 소재는 일반 304 또는 316 스테인리스강보다도 내식성이 매우 우수한 2507급 스테인리스강의 이용이 요망되나, 2507급 스테인리스강은 질소(N)와 페라이트 안정화 원소인 크롬, 몰리브덴 및 텅스텐 함유량이 높아서 열간 성형성이 열악하므로 열간단조에 의한 부품성형이 어렵다는 단점이 있다(Hong et al., 2006). 따라서 본 연구에서는 선박 평형수 처리용 특수 펌프용 임펠러로의 적용을 위해, 스테인리스강의 대체재로서 높은 강성을 가지며 내산화 및 내 부식성을 요구하는 산업용 설비 구조물에 사용되는 듀플렉스 스테인리스강을 이용하였고, 사용된 재료의 화학조성 및 기본 물성을 본 해석에 앞서 실험을 진행하였다. 이에 따른 화학조성은 ASTM 규격 중 A890의 Grade CD6MN규격으로 분석하였다. 또한 해석에 따른 성능 비교를 위해 현재 사용되고 있는 스테인리스강의 표준 강도 비교표를 Fig. 2에 나타내었다.
해석을 위하여 Fig.3의 3차원 모델링 파일을 격자 생성 프로그램인 ANSYS ICEM-CFD 14.0에서 Fig. 4와 같이 해석 격자를 생성하였다. 해석에 사용된 격자의 형태는 사면체(Tetrahedral)와 프리즘 격자이다. 격자수는 약 58만 노드와 180만 Element가 사용되었다.
유체가 임펠러를 지나면서 발생하는 압력강하를 계산하기 위하여 펌프 하우징의 앞과 뒤쪽으로 임의의 유동장을 형성하였다. Fig. 5와 같이 입구(Inlet)와 출구(Outlet)를 형성하였으며 입구를 통하여 4ton/hr의 유량이 유입되며 그와 상응하는 양이 출구로 유출된다. 해석에 사용된 난류모델은 표준 k-
해석을 위한 듀플렉스강의 조건을 설정하기 위해, 재료의 대한 화학적, 기계적 성질에 대한 특성을 평가한 결과 Table 1과 같은 화학적 조성과 기계적 성질을 얻을 수 있었다. Fig. 2의 해석 비교 값인 다양한 종류의 스테인리스 강에 비해 약 150MPa ~ 400MPa 정도 높은 인장강도를 얻을 수 있어 우수한 기계적 성질을 갖는 것을 알 수 있었다.
[Table 1] Chemical properties and mechanical properties of duplex stainless steel
Chemical properties and mechanical properties of duplex stainless steel
등가 거칠기 변화에 따른 압력상승을 계산하기 위하여 Fig. 6와 같이 펌프 입구면(In)과 출구면(Out)을 형성하여 압력차를 측정하였다. 그리고 임펠러 면에 대하여 회전축을 기준으로 작용하는 토크를 측정하였다. 측정결과를 Table 2에 제시하였다. Table 2와 Fig. 7에서와 같이 등가 거칠기가 커지면 압력강하와 토크도 그에 비례하여 증가함을 알 수 있다. 여기서 특이한 사항은 등가 거칠기가 0.25mm까지는 거칠기에 따라 압력강하가 크게 증가하지만 0.25mm 이후에서는 완만한 증가를 보이며, 이를 통해 일정 두께 이상의 거칠기에서 압력강하가 일정한 값으로 수렴한다고 사료된다. 본 해석의 결과를 활용하여 실제 현장에 설치된 시스템 내부 벽면의 등가 거칠기 정보만으로 재질이나 가공정도에 따른 압력강하를 유추해 볼 수 있을 것이다.
[Table 2] Torque and pressure drop for various equivalent roughness
Torque and pressure drop for various equivalent roughness
해석결과, 등가 거칠기에 따른 유동장은 크게 변하지 않음을 알 수 있었다(Fig. 8). 다만 거칠기 4mm, 5mm에서는 Suction bowl 이후 영역에서 좌우 대칭의 유동장 형태가 사라지고 비대칭 형상의 유동장을 형성한다. 그러나 일반적인 가공정도에서는 거칠기 4mm, 5mm인 경우는 드물기 때문에 전체적인 시스템 성능에는 크게 문제가 없을 것으로 판단된다. Fig. 9에 거칠기 변화에 따른 Suction bowl 주위의 압력 분포를 나타내었다. Table 2와 Fig. 7에 나타난 바와 같이 등가 거칠기가 커짐에 따라 압력강하와 최고압력이 다소 증가하는 것을 확인할 수 있다.
본 논문에서는 듀플렉스 스테인리스강으로 설계된 임펠러 펌프 시스템에 대하여 3차원 유동장을 형성하고 임펠러 벽면의 등가 거칠기를 변경한 경우의 시스템의 성능변화를 예측하기 위하여 전산유체역학 기법을 활용하여 등가 거칠기에 따른 성능평가를 실시하여 듀플렉스 스테인리스강의 선박 평형수 처리용 특수 펌프 임펠러 적용 가능성을 검토 한 결과 다음과 같은 결과를 얻었다.
(1) 등가 거칠기가 커지면 압력강하가 증가하여 임펠러 시스템의 성능을 저하시킬 것으로 사료된다. (2) 재질을 기존의 STS강에서 듀플렉스 스테인리스강으로 변경하더라도 동일한 가공을 통하여 표면 정도를 일정하게 유지 시킨다면 등가 거칠기는 동일할 것이므로 시스템 성능을 저하하지 않을 것으로 사료된다. (3) 따라서 고내식성과 우수한 기계적 특성을 가지는 듀플렉스 스테인리스강으로 설계된 임펠러 펌프 시스템을 선박 평형수 처리용 특수 펌프 임펠러로 사용가능한 성능을 갖춘 것으로 사료된다.
