천연가스 터빈 운영자 및 유지보수 관리자에게 바니시 형성은 운영 효율성과 기계 성능에 지속적으로 문제를 일으키는 이슈로, 다음과 같은 문제에 기여합니다:

 

• 윤활유 순환 장애
• 마모 및 부식 증가
• 장비 고장 및 이로 인한 가동 중단

특히 피킹 유닛은 주기적인 온도 상승과 하강으로 인해 바니시 문제에 더욱 취약합니다.

바니시 형성은 기계에서 오래전부터 발생해왔지만, 최근에 와서야 더욱 심각한 관리 과제로 부각되고 있습니다.

바니시 형성 증가의 주요 원인 중 하나는, 전통적으로 Group I 기유를 사용하던 제품과 달리, 대부분의 현대 터빈 유체가 더 고도 정제된 Group II 기유로 제조되고 있기 때문입니다. 이러한 전환은 제조사에게 여러 장점을 제공했는데, 그중 하나는 Group I 오일보다 더 복잡하고 효과적인 산화방지 화학물질을 첨가할 수 있어 산화 및 열 안정성이 향상되었다는 점입니다.

새롭게 추가된 성능 향상 기능들은 터빈 오일에 가장 까다로운 적용 분야인 가스터빈에 필수적입니다. 또한, 가스터빈은 북미 전력 생산 시장에서 가장 빠르게 성장하는 분야이기도 하여, 이 유체 조성 카테고리에 집중하는 것이 매우 중요함을 강조합니다.

Group II 기유가 산화에 대한 자연스러운 저항성을 갖고 있음에도 불구하고, 불행하게도 Group II 기유를 사용할 때 부작용으로 용해도가 감소하는 문제가 발생합니다.

이러한 기유의 산화 특성을 향상시키는 데 기여하는 공정인 하이드로크래킹 과정에서는, 원래 오일의 용해를 돕는 화합물들이 제거됩니다. 따라서 첨가제 제조사들은 이러한 화합물들이 용액 상태로 유지되도록 첨가제 화학 성분을 조정하는 과제를 맡고 있습니다.

"제조업체들은 더 높은 온도가 산화를 가속화하여 다양한 윤활유 문제를 일으키기 때문에, 터빈 유체에서 더 높은 성능을 요구할 수밖에 없습니다."

바니시 발생이 증가하는 또 다른 이유는 천연가스 터빈 유체가 점점 더 가혹한 환경에서 더 많은 기능을 수행해야 하기 때문입니다.

더 발전된 금속 기술이 개발됨에 따라 가스터빈의 효율성과 작동 온도는 계속 증가하고 있습니다. 일부 산업용 터빈에서는 하나의 유체 저장소가 터빈 베어링, 발전기 베어링, 분무 공기 압축기, 리프트 오일 시스템, 트립 오일 시스템, 발전기 수소 씰 시스템, 부하 기어 및 유압 회로 내 다수의 서보 밸브 등 다양한 부품에 동시에 윤활을 제공합니다.

발전기들은 더 효율적인 터빈과 높은 출력의 혜택을 누리지만, 그만큼 터빈 오일에 대한 요구와 부담도 증가합니다. 제조업체들은 높은 온도가 산화를 가속화하여 점도 증가, 바니시 형성, 슬러지 생성, 첨가제 고갈, 기유 분해, 필터 막힘, 발포 제어력 감소, 산도 증가, 녹 발생 및 부식 등 다양한 윤활유 문제를 야기하기 때문에 터빈 유체에 대해 더 높은 성능을 요구할 수밖에 없습니다.

윤활유를 신중하게 선택하는 것의 중요성은 아무리 강조해도 지나치지 않습니다. 원래의 장비 제조사(OEM)가 다시 그룹 I 오일로 돌아갈 계획이 있다는 징후는 전혀 없으며, 오히려 시간이 지남에 따라 그룹 III나 IV와 같이 더 정제된 오일로 전환될 가능성이 높아지고 있습니다. 마찬가지로, 터빈에 가해지는 요구와 이를 충족하기 위해 필요한 운전 조건은 앞으로도 계속될 것입니다.

따라서 천연가스 터빈 운영자들에게는 윤활유 선택 시 바니시(슬러지) 관리가 앞으로도 의심의 여지 없이 최우선 과제로 남을 것입니다. 이 점을 감안하면, 운영자들이 최신 시장에서 제공되는 최신 조성(formulation)에 맞게 윤활유를 선택하고 있는지, 그 선택 방법을 살펴보는 것은 충분히 가치가 있습니다.

현재로서는 운영자들은 터빈 윤활유를 선택할 때, 산화 방지와 바니시 형성 억제 성능을 갖춘 제품을 찾기 위해 주로 OEM(원장비 제조사)이 지정한 시험 결과와 성능 등급을 참고합니다. 모든 면에서 볼 때, 데이터 기반의 판단과 현장 시험(field trial)을 병행하는 것이 가장 논리적인 의사 결정 방식입니다. 운영자와 정비 관리자는 자신들이 투자한 윤활유가 고장 위험을 효과적으로 줄일 수 있다는 확신을 필요로 합니다.

문제는 의사 결정 방식 자체에만 있는 것이 아니라, 윤활유 성능을 측정하는 기준 시험으로 업계가 여전히 받아들이고 있는 방식에도 있습니다.

윤활유 성능을 측정하는 한 가지 특정 방법인 RPVOT(Rotating Pressure Vessel Oxidation Test, 회전 압력 용기 산화 시험)은 여전히 벤치마킹 도구로서 매우 가치가 있지만, 오늘날의 가스터빈 윤활유 조성의 실제 사용 중 성능을 예측하는 데에는 그다지 유용하지 않습니다. 그러나 특정 시스템의 결과를 장기간에 걸쳐 비교할 때에는 훌륭한 참고 자료가 될 수 있습니다.

RPVOT(Rotating Pressure Vessel Oxidation Test)와 그 시험 방법

회전 압력 용기 산화 시험(RPVOT)은 동일한 조성을 가진 신규 윤활유와 사용 중인 윤활유의 산화 안정성을 평가하기 위해 설계된 가속 노화 시험입니다. 이 시험은 1960년대에 ASTM 표준으로 제정되었으며, 현재는 최종 사용자가 터빈 윤활유의 잔여 사용 수명을 판단하는 사실상의 기준 측정 방법으로 자리 잡았습니다.

RPVOT 시험은 윤활유, 물, 구리 촉매를 압력계가 장착된 압력 용기에 넣어 수행됩니다. 그 후 용기에 산소를 주입하여 620 kPa(90 psi)로 압력을 가하고, 150°C의 오일 욕조나 건식 블록에 넣은 뒤, 축 방향으로 분당 100회 회전(100 rpm)시킵니다. 시험 결과는 최대 압력보다 175 kPa(25.4 psi) 감소하는 데 걸린 시간으로 보고됩니다. 압력 감소는 윤활유 성분과 산소가 반응하여 산소가 소비되었음을 나타냅니다. 이때 걸린 시간(분)을 통해 윤활유의 산화 안정성을 추정합니다.

RPVOT 시험 적용 시점

구형 기술의 그룹 I 기반 터빈 윤활유의 경우, 이 시험 방법은 윤활유 성능을 예측하는 데 유용한 것으로 입증되었습니다.

그러나 신세대 터빈 윤활유는 비선형적이고 예측할 수 없는 속도로 열화되는데, 이는 특정 항산화제와 그룹 II 기유(base oil)의 자연적인 산화 저항 특성 때문입니다. 그 결과, RPVOT 시험은 윤활유가 언제 열화되어 시스템 침전물을 생성할지에 대한 경고를 거의 제공하지 못합니다. 따라서, 다양한 시험을 장기간에 걸쳐 수행하고, 추세 분석(trending)을 통해 전체적인 상황을 파악하게 됩니다. 이 점은 여러 이유에서 명확하게 나타나며, 그 중 두 가지는 다음과 같습니다.

1. 매우 높은 RPVOT 값을 나타내는 일부 항산화제는 소모될 경우 불용성 물질(insolubles)을 많이 생성할 수 있으며, 이는 윤활 시스템 내 바니시 형성과 직접적인 상관관계를 보여줍니다. 따라서, 경우에 따라 이러한 화학 조성은 높은 RPVOT 값을 나타내지만, 가스터빈에서 바니시 발생 가능성을 오히려 높이는 데 기여하기도 합니다.

2. RPVOT 값은 일부 부식 억제제(corrosion inhibitors)와 금속 수동화제(metal passivators)의 첨가에 의해 크게 영향을 받을 수 있습니다. 이러한 첨가제들은 RPVOT 시험에서 사용되는 구리 코일(copper wire coil)과 같은 주요 촉매의 효과를 무력화하여 시험 결과를 개선시키고, 윤활유의 산화 특성에 대해 잘못된 신호를 줄 수 있습니다. 이 때문에 다른 산화 시험도 함께 수행됩니다. 부식 억제제는 극성(polar) 성질을 가지고 금속 표면에 보호막을 형성하도록 설계되었기 때문에, 운전 시작 후 비교적 빠르게 소모되는 경우가 많습니다. 일부 터빈 윤활유 조성에서는 부식 억제제 소모로 인해 첫 해 동안 RPVOT 값이 급격히 떨어지는 현상도 흔히 관찰됩니다. 따라서, 초기 RPVOT 값보다 RPVOT 유지(retention)가 터빈 오일 성능을 평가하는 데 훨씬 강력한 지표가 됩니다.^[1].

명확히 말하자면, RPVOT 시험이 완전히 무용지물이 되는 것은 아닙니다. 시험 결과는 동일 조성 윤활유 배치(batch) 간의 품질 비교에는 유용하게 활용될 수 있습니다.

운영자들은 이 시험을 사용하여(또는 사용해야 하며), 윤활유 사용 초기에 기본적인(fluid base-level) 특성을 측정하고, 시간이 지남에 따라 이러한 특성에 대한 산화 영향을 추적할 수 있습니다.

또한, 만약 터빈 윤활유 저장소(reservoir)에 혼합된 브랜드나 조성의 윤활유가 있는 경우, 윤활유 상태 평가를 위한 전체 시험 항목(test slate)의 일부로 RPVOT 시험을 수행하는 것이 권장됩니다. RPVOT 결과는 동일 조성의 사용 중인 윤활유를 대상으로 하는 종합 분석 프로그램(overall analysis program)의 일부로도 활용할 수 있습니다.

그러나 일정 시점 이후에는 RPVOT 시험만으로는 서로 다른 가스터빈 오일 조성의 상대적 수명(longevity)을 평가하는 데 더 이상 유용하지 않습니다. 따라서 RPVOT 결과를 단독으로(isolation) 경쟁 윤활유를 비교하는 척도로 사용하는 것은 적절하지 않습니다.

참고로, RPVOT 시험은 서로 다른 윤활유 조성의 성능을 비교하기 위해 만들어진 것이 아닙니다. 실제로 이 시험 방법은 서로 다른 조성의 오일을 비교하는 데 사용하지 말 것이라고 명시적으로 권고하고 있습니다.

ASTM D2272 – 회전 압력 용기법에 의한 증기 터빈 오일 산화 안정성 표준 시험 방법에 따르면:

“[이 시험으로 얻는] 산화 안정성 평가는 동일 공정에서 생산된 배치(batch) 제품의 품질 승인을 위해 해당 특성의 연속성을 관리하는 데 유용합니다. 이 시험 방법은 ASTM D943 시험을 대체하거나, 서로 다른 조성의 신규 오일 수명을 비교하기 위해 사용하도록 의도된 것이 아닙니다. 또한, 이 시험 방법은 사용 중인(in-service) 오일의 남은 산화 시험 수명을 평가하는 데에도 사용됩니다.”

RPVOT 값이 높은 조성을 갖고자 하는 욕구는 이해할 수 있지만, 그 조성이 바니시(varnish)를 생성한다면 이는 터빈 시스템에 훨씬 더 해롭기 때문에 바람직하지 않습니다. 오늘날 전문가들은 바니시와 슬러지(sludge) 발생 가능성이 매우 낮은 조성을 선택하는 것이 더 가치 있다고 동의합니다.

RPVOT 평가가 천연가스 터빈 윤활유를 선택하는 데 이상적이지 않다는 것이 확인된 후, 이를 보완할 대체 평가 방법이 필요하게 되었습니다. 수년 동안 여러 시험이 유용한 것으로 나타났으며, 전문가들은 신규 시험과 기존에 잘 확립된 시험을 조합하여 적절한 터빈 윤활유를 결정할 것을 권장합니다.

ASTM D7843 시험 – 멤브레인 패치 색도법(Membrane Patch Colorimetry, MPC)을 이용한 사용 중 터빈 오일에서 생성된 윤활유 불용성 색소(insoluble colour bodies) 측정

오일에 존재하는 불용성 열화 생성물(insoluble degradation products)의 수준을 측정합니다.

이 방법은 사용 중인 터빈 오일 샘플에서 불용성 오염물질을 멤브레인 패치로 추출하는 비교적 새로운 실험실 기법입니다. 패치의 색상은 분광광도계(spectrophotometer)를 이용해 분석됩니다.

이 시험은 윤활유에서 생성된 불용성 침전물(insoluble deposits) 형성을 파악하는 지침으로 사용할 수 있습니다. 이 시험은 불용성 수준의 미세한 변화까지 감지할 수 있을 만큼 민감하고 신뢰할 수 있는 방법으로 평가되며, 바니시 형성을 예측하는 데에도 활용됩니다. 시험 결과는 상태 모니터링(trending) 도구로 사용하도록 설계되었습니다.

ASTM D6971 – 선형 스윕 전압법(Linear Sweep Voltammetry, LSV) 또는 RULER®를 이용한 비아연(Non-Zinc) 터빈 오일 내 제한형 페놀(Hindered Phenolic) 및 방향족 아민(Aromatic Amine) 항산화제 함량 측정

윤활유 내 제한형 페놀(hindered phenol) 및 방향족 아민(aromatic amine) 항산화제를 측정합니다.

전기화학적 전압 분석법(Voltammetry)은 항산화제를 측정할 때 흔히 선택되는 기법으로, 실험실 테스트가 아닌 현장(field) 테스트를 반영한다는 특징이 있습니다. 항산화제는 터빈 오일 조성에서 열적, 산화적, 기계적 스트레스의 영향을 가장 먼저 받는 성분 중 하나로, 윤활유 고장의 초기 징후를 조기에 알려줍니다. 신규 오일을 기준으로 보정(calibration)하면, 남아 있는 항산화제 농도를 측정하여 윤활유의 잔여 산화 수명(remaining oxidative life)을 추정할 수 있습니다.

시험은 산화 여력(oxidation reserve, 남아 있는 보호량)과 산화 진행(oxidation progress, 이미 진행된 산화량)을 측정하도록 설계되었습니다. 두 가지 시험 방법 모두 장점이 있으며, 시험의 효과는 사용 중인 윤활유의 운전 조건에 따라 달라집니다. 윤활유가 산화 문제를 어떻게 처리하고 있는지 이해하면, 산화의 근본 원인(root cause)을 해결하는 데 도움이 됩니다. 윤활유 전문가(lubricant specialist)는 사용 가능한 측정 도구와 그 의미를 잘 알고 있어야 하며, 이를 통해 윤활유 산화의 원인을 파악하고 잠재적으로 줄일 수 있습니다.

초원심분리(울트라-원심) 시험(Ultra-Centrifuge Test)

바니시 발생 가능성을 평가하는 우수한 지표입니다.

초원심분리(UC) 시험은 윤활유 샘플에 바니시 발생 가능성과 관련된 열화 불용성 오염물질이 분리되도록 충분한 G-Force를 가하는 시험입니다. 불용성 오염물질은 일반적으로 밀도가 높아 시험 중 침전되며, 이렇게 응집된 물질은 등급(Rating 1~8) 척도와 비교하여 UC 값을 산출합니다.

ASTM D445 시험 – 투명 및 불투명 액체의 동점도(Kinematic Viscosity) 측정

지정된 온도(주로 40°C)에서 오일의 유동에 대한 내부 저항(점도, cSt)을 측정합니다.

이 오래 검증된 시험은 여전히 매우 중요합니다. 점도는 오일의 가장 중요한 특성 중 하나로, 유체역학적 윤활(hydrodynamic lubrication) 조건에서 오일막 두께가 오일의 점도 특성에 크게 의존하기 때문입니다.

ISO 4406 – 고체 입자 오염 수준(청정도, Cleanliness) 코딩 방법

유체 1밀리리터당 입자 오염 수준을 정량화합니다.

이 시험은 모든 터빈 윤활유에서 수행하고 추세를 관찰하는 것이 중요합니다. 윤활유의 전체적인 청정도(cleanliness)를 평가할 수 있습니다.

ASTM D943 – 억제 처리된 광유(Inhibited Mineral Oils)의 산화 특성 평가(터빈 오일 안정성 시험, TOST: Turbine Oil Stability Test)

윤활유의 산화 안정성을 평가하며, 신규 터빈 오일(new oil) 특성을 시험합니다.

TOST 시험은 시험용 오일을 산화 스트레스 조건에 노출시켜 터빈 오일의 예상 수명과 성능을 평가하려고 합니다. 사용되는 조건은 산소, 고온, 수분, 금속 촉매 등으로, 이는 슬러지(sludge)와 산(acid) 형성을 증가시킬 수 있습니다. 그러나 실험실에서 실제 운전 조건을 완전히 재현하는 것은 불가능하므로, 시험 결과와 실제 현장 성능 간의 상관관계를 확보하기 어렵습니다. 이 때문에 대부분의 터빈 OEM은 TOST를 고위험 윤활유를 선별(screening)하기 위한 사양(specifications)에 사용합니다. 또한, 이 시험은 슬러지 형성이나 촉매 코일 부식과 같은 다른 열화 징후를 반영하지 않으며, 슬러지 측정에는 ASTM D4310이 사용됩니다.

FTM-791-3462 – 윤활유의 코킹(Coking) 경향성 평가

신규 터빈 오일이 고온 표면에서 경험하는 열·산화 안정성(thermal oxidative stability)을 평가합니다.

이 시험은 지정된 온도와 시간, 그리고 일정한 유량에서 수행됩니다. 윤활유 샘플은 시험 기간 동안 고온 패널 위에 지속적으로 방울 형태로 떨어뜨려 테스트됩니다. 시험이 진행됨에 따라 슬러지(sludge)와 바니시(varnish)가 판에 축적되며, 시험 종료 시 시각적 비교를 수행하거나, 바니시/침전물의 무게를 측정할 수 있습니다.

ASTM D3427 – 탄화수소 기반 오일의 공기 방출 특성(Air Release Properties) 평가

터빈 윤활유가 포집된 공기(entrained air)를 분리하는 능력을 평가합니다.

일부 가스터빈 OEM은 신규 오일 사양에서 공기 방출 한계(air release limits)를 지정합니다. 이 한계는 시험 조건과 지정된 온도에서 윤활유 내 포집 공기(volume)가 0.2%로 감소하는 데 걸리는 시간으로 정의됩니다. 저류탱크(sump)가 작고 체류 시간(residence time)이 짧은 터빈에서는, 포집된 공기 혼합물이 베어링(bearings)과 주요 유압 제어 요소(critical hydraulic control elements)로 전달될 수 있습니다. 이로 인해 윤활막 두께(film strength) 손실, 시스템 제어 상실, 산화 속도 증가 등의 문제가 발생할 수 있습니다.

신규 터빈 윤활유를 비교하고 선택할 때 위 시험 결과를 참고하는 것 외에도, 운영자들은 이러한 시험 중 일부를 정기적인 오일 점검(routine oil inspections)에 포함시키는 것이 권장됩니다. 기존의 사용 중인 터빈 윤활유 산화 상태 모니터링 방법(점도, 산도(acid number), RPVOT)도 여전히 유용하지만, MPC(Membrane Patch Colorimetry)와 LSV(Linear Sweep Voltammetry)와 같은 시험은 터빈 오일 열화를 더 초기 단계에서 파악하고, 윤활유의 침전물(deposit) 발생 경향을 확인하는 데 더 효과적일 가능성이 높습니다.