KR100306332B1 - 용기관통부재의응력부식감시장치및관통부재의열화도평가방법 - Google Patents

Abstract

응력-부식 손상은 전해액(50)을 수용하는 용기의 벽(40)을 가로지르는 관통구조물(32)내에서 추적된다. 이러한 용기는 냉각제를 수용하는 원자로 압력용기와 같은 것을 말한다. 상기 용기의 벽(40)은 압력차단벽을 유지하면서 용기의 내부 구조물에 외부장치를 결합하기 위하여 제어봉 안내장치 및 센서 신호와 케이블과 같은 관통 튜브(32)를 갖는다. 상기 관통구조물(32)은 응력-부식 손상되며 특히 상기 관통구조물을 상기 용기헤드에 부착한 용접부 근처에서 그러하다. 1개 또는 그 이상의 관통구조물(32)은 상기 관통구조물과 함께 전기화학적 센서 셀을 형성하는 센서 탐침으로 구성되는데, 상기 관통구조물(32) 벽(82)의 표면과 함께 전해액(50)에 노출된 전극(74)을 구비한다. 상기 전극(74) 및 상기 표면은 달리 절연되며, 다수의 전극(64)은 별개의 국소 영역을 추적하기 위하여 배열될 수 있다. 상기 전극(72, 74)은 응력 및 부식으로 인한 전기화학적 활성의 작용으로서의 신호를 생성하는 검출회로에 결선되며, 모든 관통구조물의 부식을 나타낸다. 전기화학적 전위, 임피던스, 전류 및 이러한 신호의 특정 노이즈 수준은 전기화학적 활성의 작용으로서의 관통구조물 벽의 노후화를 평가하기 위하여 검출되고 판독된다.

Description

용기 관통 부재의 응력 부식 감시 장치 및 관통 부재의 열화도 평가 방법

제1도는 본 발명에 따라 관통 튜브내에 설치된 부식 감시 프로브를 도시하는 원자로 용기 헤드의 부분 단면도.

제2도는 제1도의 2-2 선을 따라 절단한 원자로 용기 헤드의 관통 튜브의 통로 영역에서 쌍으로된 전극의 원주방향 분포 상태를 도시하는 프로브의 단면도.

제3도는 부식 감시를 위해 본 발명에 따라 발생된 입력 및 출력을 도시한 것으로, 간략화하기 위해 단지 한 세트의 전극만을 도시한 전기 배선도.

제4도는 다수의 부식 감시 프로브를 갖는 원자로 헤드 패키지를 도시한 개략도.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

32 : 관통 부재 또는 관통 튜브 50 : 전해질

64 : 센서 프로브 또는 프로브 어레이 72, 74 : 전극

82 : 관통 부재의 벽 94 : 검출 회로

102 : 용접부 112 : 절연체

본 발명은 양자가 전해질의 작용을 받는 금속과 전극간의 전기적 활동도(activity)를 감시함으로써 금속의 부식의 정도를 평가하는 분야에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 용기의 원형구조의 관통 부재(penetrations), 예를 들면 용기의 벽을 통해 제어장치 및 검출장치를 결합하기 위하여 원자로 용기를 관통하는 구조체의 국부적인 부식을 감시하는 것에 관한 것이다.

용기를 관통하는 구조체, 예를 들면 용기의 개구부에 하나 또는 그 이상의 용접부로 부착된 도관을 제공하는 데에는 여러가지 이유가 있다. 상기 도관을, 예를 들면 유동경로를 제공할 수도 있고, 기계장치를 통과시킬 수도 있거나 또는 용기의 벽을 통하여 전기 전도체를 결합할 수 있도록 배열할 수 있다. 상기 용기가 전해질을 수용하여 열적 응력 및/또는 기계적 응력을 받는 경우, 관통 부재는 부식된다. 비대칭 용접 또는 유사한 구조로 관통 부재를 전해질을 수용한 가압 용기에 부착시키는 경우, 특히 관통 부재를 용기에 부착한 영역에서 부식 응력 균열(corrosion-stress cracking)이 문제가 될 수 있다.

가압수형 원자로 용기가 일예이다. 가압수형 원자로는 핵연료를 수용하는 압력 용기 및 도관 시스템을 포함하며, 상기 도관 시스템에 의해 물 또는 코발트를 함유한 물과 같은 냉각제가 용기 내외부로 운반된다. 상기 핵연료는 다수의 긴 수직 봉을 포함하는데, 상기 수직봉은 근접하게 이격되고, 그 내부에 제어 봉이 삽입된다. 상기 제어봉은 연료봉 사이의 공간내로 이동이 가능하여 중성자속을 소정의 비율로 감쇠시키며, 그것에 의해 발생 열량은 물론 연료의 핵붕괴 속도를 제어한다. 냉각제는 용기의 하부로 공급되어, 연료봉의 상측으로 흘러서, 연료봉 위의 소정 높이에서 유출되며, 이 과정에서 가열된다. 상기 냉각제는 고온(예를 들면, 600℉)으로 가열되며 상당한 압력(예를 들면 2,200psi)을 발생한다.

계측장치 및 제어장치는 적절한 작동을 보장하기 위하여 원자로 용기내에 수납되어 설치된다. 이러한 장치에 필요한 기계적 및 전기적 결합부재를 수납하도록 원자로 용기의 벽의 여러 위치에 관통 부재를 제공하는 것이 가능하지만, 안전특성을 개선하기 위해서 관통 부재를 용기의 상부에 배치하고, 이에 의해 하부에 높은 완전성(integrity)을 제공하는 것이 바람직하다. 전형적으로, 원자로 용기는 비교적 두꺼운(예를 들면, 13cm 또는 5인치) 강으로된 대체로 원통형 중공체를 포함하며 뚜껑 또는 원자로 용기 헤드가 상부에 부착되어 밀봉된 압력 용기를 형성한다. 압력 경계부를 가로지르는 기계적 및 전기적 결합부재의 관통 부재가 원자로 용기의 헤드 또는 뚜껑을 통해 연장되는 끼워맞춤부(fittings)의 형태로 제공된다.

용기 헤드의 관통 부재는, 예를 들면 가동 제어봉 안내 장치를 수납하고, 또 용기 내측에 위치되는, 예를 들면 연료봉 사이에 산재된 심블 튜브(thimble tubes) 내에 배치된 온도 및 중성자속 레벨 센서(temperature and nuclear flux level sensors)와 같은 센서에 전기적으로 접속되는 도체가 통과하도록 제공된다. 헤드를 관통하는 상기 튜브 또는 유사한 구조 부재는 헤드의 내벽과 동일 평면이 되게 종단될 수도 있거나, 내측 공간으로 돌출될 수도 있다. 또한, 상기 튜브 또는 유사한 관통 부재는 헤드의 평면을 수직으로 가로지르거나 소정 각도로 가로지를 수도 있다. 전형적으로, 상기 관통 튜브는 서로 평행한 상태로 또한 정렬관계를 이뤄 수직으로 정렬되어 있다. 그에 따라, 제어봉은, 예를 들면 관통 튜브내에서 상하로 움직일 수 있는 액츄에이터와 결합되어 연료에 대한 제어봉의 대응 변위를 얻을 수 있다.

가동식이거나 정지식이거나 간에, 용기 헤드를 통해 통과하는 상기 구조체는 관통 튜브와 결합되어 있으며, 상기 관통 튜브는 냉각제에 의해 생성된 압력에 견디고 압력 경계부를 유지하도록 배열된다. 상기 관통 튜브는 각각 용기 헤드를 통해 연장되며, 상기 제어봉 기구 또는 전기신호 결합부가 통과하기에 적합한 압력 끼워맞춤부를 구비한다. 관통 부재 및 결합부재의 집합체는 원자로 용기 헤드 어댑터로 알려져 있다.

냉각제를 운반하는 원자로의 모든 튜브 및 도관은 시간이 지나면 부식된다. 그러한 부식이유는 여러가지인데, 냉각제(전해질)와의 화학반응, 핵 방사선의 영향, 온도 및 압력 변화로 인한 기계적 응력 등을 포함한다. 원자로 용기 헤드의 관통 부재에 응력 부식 균열이 발생되어 잠재적인 누출이 야기된다.

용기 헤드는 압력을 견디기에 적합한 돔형상(dome shaped)이다. 관통 부재는 통상 수직이고 헤드는 돔이지만, 돔의 중심으로부터 반경방향으로 이격되어 위치된 그러한 관통 부재는 돔 표면의 접선에 대하여 소정의 각도로 돔을 관통한다. 따라서, 관통 튜브를 용기 헤드에 부착하는 용접부는 관통 튜브상의 동일한 축방향 높이에 위치되지 않고 및/또는 관통 튜브의 반대측에 상이한 크기의 용접부를 갖는 것을 특징으로 한다. 이는 특히 용기 헤드의 외측 반경에 위치된 관통 부재에서 뚜렷하다. 이러한 이유 때문에 용접부에 의해 열응력이 발생된다. 또한, 열응력으로 인하여 관통 튜브에 응력 부식 균열이 발생되고, 축방향으로 이격되거나 상이한 크기로된 용접부에 인접한 영역에서 튜브의 응력 부식 균열이 벽을 관통하며, 그 결과 냉각제의 누설이 발생할 우려가 있다.

용기 헤드의 관통 부재와 같은 취약부에서 온라인(on-line) 및 자동화된 방식으로 균열을 감시하고, 실제 균열의 전파가 발생되는 시기를 결정하며, 원자로 용기의 부식을 방지할 개선수단이 효과적인지를 평가하는 것이 바람직할 것이다.

또한, 온라인 균열 감시 시스템은 원자로 헤드의 상이한 위치에서 부식의 상대적인 심각성을 평가하는 정보를 제공하여 근본적인 원인을 알아내고 정정하는데 도움을 줄 수 있다.

전기화학적 부식 측정은 일반적으로 전해질에 노출된 금속의 부식 수준을 감시하는데 이용되어 왔다. 보일러와 같은 고온 환경에서는, 연도 가스 또는 수성 냉각제에 노출되는 것으로 인해 부식이 발생될 수도 있다. 래드키(Hladky)의 미국특허 제 4,575,678 호는 전해질을 운반하는 금속 구조체, 예를 들면 관 또는 도관, 저장 탱크, 처리 용기, 열교환기, 펌프 또는 밸브 등의 열화도(deterioration)를 분석하는 일반적인 방법을 개시하고 있다. 콕스(Cox) 등의 국제 출원 제 PCT/GB87/00500 호는 전기화학적 프로브(probe)를 개시하고 있는데, 상기 프로브는 부식 데이타를 계속 수집하기 위한 것으로 용기의 벽으로부터 전해질내로 돌출되어 있다. 론체티(Ronchetti) 등의 미국 특허 제 4,426,618 호에 개시되어 있는 프로브는 전해질이 통과하는 도관의 일부를 형성하는 구조체이다. 각각의 경우에 상기 프로브는 전해질에 노출된 다수의 부식 검출 전극을 포함한다. 상기 전극의 전위와 전극 사이에 흐르는 전류를 검출해서 전극의 화학적 부식 정도와 결부시킨다. 전극의 부식은 용기, 도관 또는 전해질을 수용하는 기타 구조체의 부식과 비교할 수 있다. 따라서, 전극의 부식 정도를 검출하고 그 결과를 통합함으로써, 프로브는 구조체의 순간적인 부식 정도를 전체적으로 평가하는데 사용될 수 있다. 그러한 정보는 팔루사미(Palusami) 등의 미국 특허 제 4,935,195 호에 개시되어 있는 바와 같이 유지보수 계획의 일부로서 통합될 수 있다.

전기화학적 저항, 전극 사이의 갈바니 전류(galvanic current), 전기화학적 전위 노이즈(noise) 및 전기화학적 전류 노이즈에 대한 특정한 검출 및 감시는 연소용기의 열화도 측정에 관하여 1991년 발표된 논문 “On-Line Materials Surveillance for Improved Reliability in Power Generation Systems”(Paper No. 254, NACE Annul Conference and Corrosion Show)에 개시되어 있다. 그러한 감시 방법에 유용한 전극 구조체는 미국 특허 제 3,504,323 호(민니 2세), 제 3,491,012 호(윈슬로우 2세) 및 제 2,834,858 호(샤살)에 개시되어 있다.

본 발명이 의도하는 바는 전기화학적 감시 기술을 용기의 벽을 가로지르는 관통 부재에 발생되는 특정 문제에 적용하는 것이다. 특히, 본 발명은 원자로 용기의 벽을 가로지르는 관통 부재에 발생되는 국소 부식을 감시하는데 적용할 수 있다. 본 발명에 따르면, 용기 또는 유사한 전해질 수용 구조체의 다수의 관통 부재, 특히 원자로 용기 헤드의 제어 및 측정용 관통 부재를 설치함으로써, 관통 부재의 상태를 전반적으로 평가할 수 있고, 그에 따라 상기 원자로의 중요한 영역에 대한 정보를 얻을 수 있다는 사실을 발견하였다. 또한, 관통 튜브의 특정 영역의 부식 특성을 선택적으로 감시하여, 관통 튜브의 상이한 위치에서 발생되는 부식을 구별할 수 있다.

본 발명은 용기 관통 부재의 현재의 부식 수준, 상태 및 완전성을 평가하는데 유용하며, 관통 부재의 수명이 감소될 수 있다는 정보를 제공하여 필요한 유지보수 조치를 계획하고 수행하는데 유용하다.

본 발명의 목적은 용기 관통 부재, 즉 용기의 벽을 통해 결합되는 구조체, 도관 또는 전해질을 운반하는 유사한 구조체와 관련된 응력 부식 균열의 온라인 감시(on-line monitoring)를 가능하게 하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 적어도 하나의 전형적인 용기 관통 부재를 전기화학적 센서의 전극중 하나로 사용하여, 관통 부재상의 화학적 및 기계적 응력으로 인한 다수의 그러한 관통 부재의 열화도를 평가하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 용기 관통 부재의 내벽 또는 돌출된 외벽상의 상이한 위치에서, 예를 들면 원형 단면을 갖는 관통 부재 주위의 상이한 축방향 위치 및 원주방향 위치에서의 부식을 검출하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 관통 부재중 일부를 온라인 데이타 수집 시스템을 사용하여 전기화학적으로 감시하는 것에 의해서 용기 관통 부재의 열화도를 평가하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은, 특히 용기 헤드의 면에 대하여 소정의 각도로 용기 헤드 구조체를 통과하는 통로에 그리고 상기 통로에 인접한 위치에 원형 관통 부재를 설치하는 것에 의해서 원자로 헤드 어댑터의 관통 부재를 중요한 또는 손상을 받는 위치에서 감시하는 것이다.

이들 및 다른 목적은 본 발명에 따른 응력 부식 손상 감시방법 및 장치에 의해 달성된다. 응력 부식 손상은 냉각제 및 핵연료를 수용하는 원자로 용기의 헤드 어댑터의 관통 부재와 같은 전해질 수용 용기의 벽을 가로지르는 관통 부재에서 감시된다. 상기 용기의 벽에는 압력 장벽(pressure barrier)을 유지하면서 기계적 또는 전기적 외부장치를 용기의 내부 구조체에 결합하기 위한 제어봉 안내장치 및 센서 신호 케이블과 같은 다수의 관통 튜브가 구비된다. 상기 관통 부재는, 특히 용기 헤드 관통로에서 그리고 그것에 인접한 위치에서 응력 부식 손상을 받는데, 그 위치에서 상기 관통 부재는 용기의 헤드에 용접되거나 또는 열응력을 발생시키는 방식으로 유사하게 부착될 수도 있다. 하나 또는 그 이상의 관통 부재는 적어도 하나의 전극, 바람직하게는 전기화학적 센서 셀(electrochemical sensor cell)을 형성하는 다수의 전극을 구비한다. 일련의 전극 쌍은 관통 튜브 재료의 표면, 주로 센서 프로브의 각각의 전극에 근접한 영역상의 부식활동을 검출함으로써, 프로브상의 여러 위치에서의 부식정도를 구별할 수 있게 한다. 전극 쌍의 각각의 전극은 하나의 작용 전극과 하나의 기준 전극을 형성한다. 상기 전극 쌍 근처의 관통 튜브의 부식면은 다른 하나의 작용 전극을 형성한다. 이러한 전극은 관통 부재의 부식 벽과 마찬가지로 전해질에 노출되어 있다. 상기 전극 및 상기 부식 벽은 다른 방법으로 전기적으로 절연되며, 응력 및 부식으로 인한 전기화학적 활동도의 함수로서의 신호를 생성하는 검출기 회로에 배선되어 있다. 전기화학적 전위, 전기화학적 임피던스, 전기화학적 전류, 및 특히 전위 및 전류중의 노이즈 수준은 각각의 전극쌍 및 부식되는 관통 튜브의 각각의 구분가능한 감시 영역에 대해서 검출된다. 상기 신호를 분석 및/또는 판독하여 전기화학적 활동도의 함수로서의 관통부재의 벽의 열화도를 평가할 수 있다. 이러한 방식으로, 모든 용기 관통 부재의 상태는 부식이 우선적으로 발생되는 관통 부재의 영역을 식별할 수 있게 하는 방법으로 평가되며, 필요한 경우 적절한 개선작업을 용이하게 한다.

본 발명은 도면에 도시하고 아래의 상세한 설명에서 개시한 바람직한 실시예를 참조하면 이해될 수 있다. 그러나 도면 및 상세한 설명이 의도하는 바는 한정적이기 보다는 예시적인 것이며, 본 발명은 특허청구범위에 기재된 발명의 범위내에서 변형 가능하다는 사실을 이해하여야 한다.

이하 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

제1도를 참조하면, 관형 도관인 관통 부재 또는 관통 튜브(32)는 원자력 발전기의 원자로 용기의 벽(40)을 가로지르며, 냉각제와의 화학반응으로 인하여 또한 열팽창 및 압력의 변화에 기인한 기계적 응력으로 인하여 응력 부식 손상을 입는다. 도시된 상기 관통 부재(32)는 원자로 헤드 패키지를 가로지르는 다수의 관통 부재중 하나일 수 있으며, 제어봉 가이드와 같은 기계적 수단 및 신호 전도체(signal conductor)와 같은 전기적 수단이 원자로 용기와 격납용기 구조체(containment building)(도시되지 않음) 사이의 압력 장벽을 관통하게 함으로써 압력 끼워맞춤부(42)를 규정한다. 감시될 관통 부재(32)는 제어봉 가이드, 신호 전도체 등에 사용될 수도 있는 통상의 압력 밀봉 관통 튜브이다. 적어도 하나의 관통 튜브(32), 바람직하게는 관통 튜브중의 특징적인 표본 또는 일부는 표본 관통 튜브의 부식을 평가하기 위한 수단으로 설치되며, 또한 유사하게 설치되지 않는 비교할만한 관통 튜브의 부식을 평가하기 위한 수단으로 설치된다.

원자로 용기(상세하게 도시하지 않았음)는 다량의 핵연료 및 열을 운반하기 위해 핵연료 위로 흐르는 냉각제 수용하도록 배치되어 있다. 상기 냉각제는 보통물이며, 용액중에 여러 이온이 있는 전해질(50)을 형성한다. 상기 관통 부재(32)는 원자로의 작동으로 인해 응력 부식되기 쉬운 도관을 형성한다. 관통 부재(32)의 일부는 원자로 용기의 외부에 있지만, 상기 관통 부재(32)는 온도 및 압력상태에 따른 응력 뿐만아니라 냉각제 또는 전해질(50)로부터의 화학적 작용을 받는다.

그러한 상태에 있는 대부분의 금속과 같이, 상기 관통 부재의 벽은 부식되며 시간이 지나면 균열이 발생될 수 있다. 본 발명에 의하면 그러한 부식의 진행 정도를 평가한다. 이러한 방식으로 수집된 정보는 유지보수계획을 위하여 관통 튜브벽의 누적된 부식을 감시하는데 사용될 수 있으며, 또한 특히 관통 튜브를 원자로 용기 헤드에 부착하는 기법으로 인하여 취약해지기 쉬운 영역에서 증가된 응력 및 부식 상태를 검출하는데 유용하다. 감시 결과를 적당히 선택해서, 예를 들면 냉각제의 화학적 성질을 조정하는 것과 같이 부식 발생 속도를 감소시키기 위한 조치, 또는 파손이 진행중이거나 파손될 우려가 있는 관통 튜브를 교체 또는 수리하는 조치를 취하는 것을 포함할 수도 있다.

부식을 평가하기 위하여, 관통 부재의 벽에 영향을 미치는 화학반응을 전기적으로 검출한다. 적어도 하나의 전기화학적 센서 구조체 또는 셀(cell)(60), 바람직하게는 센서 또는 프로브의 어레이(64)가 원자로 벽(40)을 가로지르는 적어도 하나의 관통 부재(32)내에 설치된다. 각 센서 셀(60)은 서로로부터 그리고 각 관통 튜브(32)의 벽(82)으로부터도 절연된 작용 전극(72) 및 기준 전극(74)을 갖는다. 상기 작용 전극(72) 및 상기 기준 전극(74)은 감시할 관통 부재의 벽(82)에 영역내에 근접하여 위치되며, 각각의 셀은 그 영역에 있어서 부식에 실질적으로 응답한다. 상기 관통 부재의 벽(82) 및 전극(72, 74)은 원자로 작동중에 통상 전해질(50)에 노출되어 있다.

바람직한 실시예에 있어서, 개별적으로 배선된 전극이 센서 프로브 표면상의 여러 장소에 위치되어, 다수의 개별 영역에서 부식을 감시한다. 원주방향으로 이격된 전극 어레이(88)의 축방향으로 이격된 그룹(86)은 센서 프로브 둘레의 영역을 개별적으로 감시할 수 있게 한다. 예를 들면, 두께가 약 13cm 또는 5인치인 용기 헤드 관통 부재의 통로 영역에서 부식을 감시하기 위해서는, 8개의 원주방향으로 이격된 검출용 전극의 3개 내지 5개의 축방향 이격 센서 전극 세트가 제공될 수 있다. 이렇게 배열하면 관통 튜브의 내벽에 24개 내지 40개의 개별적으로 구별가능한 부식 감시 영역을 제공한다. 또한, 상기 검출용 전극 어레이는 원자로 용기내로 돌출되어 있는 관통 튜브의 외면을 둘러싸도록 설치하는 것도 가능하다. 그러나, 도시된 실시예는, 특히 용기 헤드에 관통 튜브가 부착된 영역에서, 즉 관통 튜브상의 응력이 부식 문제를 일으키는 영역에서 관통 튜브의 내측으로부터 부식을 감시하도록 배열되어 있다.

상기 각각의 전극은 신호 전도체(92)를 거쳐 제3도에 도시된 바와 같은 측정장치에 연결되어, 전위 및 전류 정보를 수집하고, 또 전위 및 전류 노이즈의 범위를 결정하기 위한 데이타를 분석한다. 상기 신호 전도체(92)는 압력 경계부를 유지하도록 작동될 수 있는 표준 압력 끼워맞춤부(42)를 거쳐 관통 부재의 외부로 이어진다. 상기 신호 전도체(92)는 검출 회로(94)에 결합되어 전극(72, 74)에서 발생된 전압 신호 및 전류 신호를 연결해준다. 또한, 관통 부재의 벽(82)이 검출회로에 결합되어 작용 전극인 상기 관통 부재의 벽을 검출기에 접속시킨다. 전압 신호 및 전류 신호는 관통 부재의 벽에 응력 부식 손상을 야기하는 전기화학적 활동도의 작용에 따라 변화된다. 부식 정도는 전극과 전해질 사이에 흐르며 관통 부재 벽의 각 부분과 그에 결합된 전극 사이에 전류 신호 및 전압 신호를 생성하는 교환전류의 함수이다.

상기 검출 회로(94)는 신호 전도체(92)에 결합되며 데이타를 부호화하도록 작동될 수 있는데, 상기 데이타는 전극과 벽 사이의 전기화학적 전위, 전극과 벽사이의 전기화학적 임피던스 및 전극과 벽(82)사이의 전해질을 통해 흐르는 전류중 적어도 하나를 나타내는 것이다. 바람직하게, 이러한 신호의 전류 및 전압 노이즈 수준을 평가한다. 상기 검출 회로에 의해 생성된 데이타를 판독하여 전기화학적 활동도의 함수로서의 관통 부재의 벽의 열화도를 평가한다.

전해질내의 금속의 부식정도를 반영하는데 사용할 수 있는 전기적 활동도의 다수의 특정 요소들이 있는데, 이는 명세서의 종래 기술 부분을 참조하면 알 수 있다. 간략하게 설명하면, 신호 전도체(92)는 측정 회로에 접속되는 것이 바람직한데, 상기 측정 회로는 상기 벽, 상기 전극 및 상기 전해질을 통한 전류 소모 및 전위수준을 증폭하고 부호화할 수 있으며, 상기 측정 회로의 신호는 부식 수준 및 누적된 응력 부식 손상정도를 나타낸다. 감시가 가능한 몇몇의 변수에는 주파수의 함수로서의 전기화학적 임피던스, 전극과 벽 사이의 갈바니 전류, 전기화학적 전위 노이즈 및 전기화학적 전류 노이즈가 포함된다.

전기화학적 임피던스는, 예를 들면 0.1 Hz 내지 10 kHz의 주파수 범위를 초과하는 인가 정현 전위파(apllied sinusoidal potential waveform)에 대한 부식면의 반응을 분석하는 것에 의해 측정한다. 이렇게 하면, 부식면의 저항/정전용량에 대한 정보가 얻어진다. 고주파에서, 상기 임피던스는 관통 부재의 벽과 전극을 포함하는 상기 회로내의 전해질 용액저항과 관련 지울 수 있으며, 또한 축적된 녹 및/또는 존재하는 유사한 침전물의 정도와 관련지울 수 있다. 저주파에서의 반응은 센서 회로의 분극저항(또는 DC 임피던스 값)과 관련지울 수 있다. 용액 저항을 감함으로써, 부식면에서의 전하 수송(charge transfer)에 대한 저항의 정확한 대표값을 결정할 수 있다. 전하 수송 저항이 낮을수록 부식율이 더 높아지며, 그 반대 현상도 성립한다.

두전극, 이 경우에서는 관통 부재 벽과 관통 부재내의 전극 사이에 갈바니 전류를 결정하기 위해 영점 저항 전류계(zero resistance ammmetry)를 사용할 수 있다. 통상적으로, 상기 관통 부재의 벽 및 상기 전극은 별개의 금속재료이며, 하나의 셀로 결합될 경우 본질적으로 갈바니 전류를 생성한다. 이러한 기법으로 명목상 동일한 전극 사이의 갈바니 전류를 결정할 수도 있으며, 통상 상기 전극은 적어도 미소하게 상이한 전위를 결정할 정도로 상이하다. 관통 부재의 벽 및 전극이 영점 저항 전류계를 거쳐 결합되는 경우 측정가능한 전류가 흐른다. 부식 진행중에 있어서 상기 결합전류의 DC 값은 전극상에서 진행중인 부식 활동도의 수준에 비례한다.

전기화학적 전위 노이즈는 전기화학적 부식 전위의 낮은 수준의 불규칙 변동(fluctuation)이다. 상기 변동은 통상 낮은 진폭(예를 들면, 1mV 미만)이고 저주파수(예를들면, 1 Hz 이하)이다. 전기화학적 전위의 저주파수 변화를 측정함으로써 부식 침식의 형태와 상호 관련지울 수 있는 시간 변화 신호(time varying signal)를 생성할 수 있다. 예를 들면, 점식(pitting corrosion) 및 균열 침식(crevice attack)은 전기화학적 전위 노이즈를 측정하면 명백하게 상이한 신호를 발생한다.

전기화학적 전류 노이즈도 측정할 수 있다. 전류 노이즈는 전위 노이즈와 유사한데, 유사한 전극 사이의 결합전류내에서의 변동을 기록하고 분석하는 것은 상이하다. 전체적인 부식 속도의 추정은 센서 셀을 경험적으로 교정한 후에 제어된 중량 손실 측정 장치를 사용하여 전기화학적 전류 노이즈 출력신호로부터 평가할 수 있다.

상기 관통 튜브(32)는 원자로 압력 용기의 헤드 벽(40)에 의해 규정된 벽을 가로지르는 관형 도관을 포함한다. 상기 도관은 단면이 원형이며, 용기 헤드 벽(40)의 구멍(98)내에 꼭맞게 삽입된다. 용기 헤드는 돔형상(dome shaped)이지만, 관통 튜브(32)는 서로간에 평행하다. 그 결과, 관통 튜브의 종축은 관통 부재(32)에서 헤드 벽(40)의 평면에 대하여 소정 각도로 배치된다. 제1도에 도시된 바와같이 관통 튜브(32)를 용기헤드 벽(40)에 부착하는 용접부(102)는 상이한 크기이며, 관통 튜브(32)를 따라 상이한 축방향 장소에 위치된다. 또한 제1도에 도시한 바와 같이 관통 튜브는 용기의 벽의 내측으로 돌출될 수도 있다. 이렇게 설치되기 때문에 관통 튜브(32)는 특히 용접부(102)에 인접하여, 즉 관통 튜브(32)가 용기 헤드 벽(40)을 가로지르는 영역에서 응력 부식 균열이 발생된다. 센서 셀(60)의 전극(72, 74)은 관통 튜브가 손상받을 수 있는 그 영역에 배치되는 것이 바람직하다.

부식 감시를 위해 사용되는 관통 튜브(32)는 원자로 압력 용기의 헤드 벽(40)의 다른 관통 부재와 유사하다. 그 결과, 다른 관통 부재의 부식은 일반적으로 상기 센서가 설치된 관통 부재에서 발생되는 부식을 측정함으로써 평가할 수 있다. 적어도 하나의 관통 부재에 계측장치가 설치되지만, 제4도에 도시된 바와 같이 다수의 상기 관통 부재를 설치하여, 용기 헤드의 상이한 위치에서 부식을 개별적으로 평가하는 것도 가능하다. 예를 들면, 상기 센서가 설치된 관통 부재는 서로간에 직경방향으로 대향되게 위치될 수도 있거나, 그렇지 않으면 헤드의 원주 둘레에 이격될 수도 있고 및/또는 원자로 용기의 중심선으로부터 상이한 반경방향 거리에 이격 배치될 수 있다. 상기 센서가 설치된 관통 부재는 제어봉 가이드 또는 다른 센서, 예를 들면 온도, 압력, 중성자속 등과 같은 신호 전도체에 대해 사용되는 관통 부재와 동일한 방법으로 압력 끼워맞춤부(42)를 구비한다.

제1도 및 제2도를 참조하면, 다수의 전극쌍(72, 74)이 프로브의 원주 둘레에 축방향으로 이격된 어레이(88)로 배열된다. 각 전극쌍(110)의 2개의 전극(72, 74)은 전해질(50)을 통하여 주로 관통 튜브(32)의 벽의 가장 가까운 부분과 상호작용하여, 배열된 전극이 상이한 영역에 따라 특정 신호를 발생시킬 수 있게한다. 전기 절연체(112)는 프로브의 전극 사이에 삽입되며, 전극 및 절연체는 국제특허 출원 제 PCT/GB87/00500 호의 프로브에서와 같이 지지봉(120) 또는 스프링 장착물위에 설치된다.

따라서, 관통 튜브(32)는 각각의 측정을 위한 작용 전극중 하나로서 사용된다. 상기 두개의 상대 전극(72, 74)은 잠재적인 균열부에 가까운 관통 튜브를 따라, 예를 들면 관통 튜브의 설치로 인하여 응력이 최대인 곳에 위치되는 것이 바람직하다. 제3도에 개략적으로 도시된 바와 같이, 전류 신호가 하나의 전극(124)과 관통 부재의 벽 사이에서 검출되어 결합 전류 및 전류 노이즈 신호를 구할 수 있다. 전압 신호는 다른 전극(126)과 다른 전극으로서의 관통 부재의 벽 사이에서 검출되어, 전위 기준신호 및 전위 노이즈 신호를 생성한다. 이들 신호는 데이타를 표본화하도록 작동될 수 있는 디지탈화 수단(130)에 결합되고, 표본 데이타를 수치적으로 분석하는 프로세서(processor)(132)에 결합된다.

전압 측정 및 전류 측정에 사용되는 전극은 관통 튜브와 동일한 재료로 제조될 수 있다. 임의의 또는 모든 측정을 위하여 다중 전극을 관통 튜브내에 설치할 수 있는데, 예를 들면 전극쌍(110)을 원주 둘레에 180° 이격되게 배치하거나 도시된 바와 같이 45° 간격으로 배치하여 관통 튜브의 내측 원주 둘레의 및/또는 상이한 축방향 위치에서 부식상태의 변화를 검출한다. 전극쌍에 대한 특정 배열은 관통 부재의 형태 및 치수에 따라 변화될 수 있으며, 요구되는 국부적인 감시 영역의 범위에 따라 변화될 수도 있다. 이와 유사하게, 용기 헤드를 가로지르는 하나 또는 다수의 관통 튜브(32)는 제4도에 도시된 바와 같이 이러한 방식으로 설치하여, 관통 튜브의 부식에 대한 완벽한 데이타를 구할 수 있다.

전기화학적 노이즈 측정을 사용하여 원자로 용기 관통 부재의 응력 부식 균열 및 유사한 부식을 평가하는 것은 몇가지 이점이 있다. 상기 프로브의 구조는 극히 간단하며 정밀하지 않을 수 있다. 따라서, 프로브는 원자로 용기의 가혹한 환경에서도 안전할 정도로 적합하며, 장시간 신뢰성이 있는 측정을 예상할 수 있다.

또한, 상기 전기화학적 노이즈 측정 기법은 매우 정확하여, 가시적으로 검출할 수 있는 손상이 발생되기 전에 균열의 개시를 검출할 수 있다. 또한, 상기 기법은 균열의 전파를 검출하여, 균열의 깊이를 측정할 수 있다. 노이즈 신호 분석은 관통 부재의 벽과 전극의 자유 부식 전위를 효과적으로 측정하므로, 시료의 분극(polarization)이 필요없는데, 이것은 이온교환을 위한 에너지를 제공하는 것에 의해 부식 과정을 잠재적으로 가속화할 수 있다. 노이즈 신호를 분석하면 부식 수준을 평가할 수 있을 뿐만 아니라 작업시에 기본적인 전기화학적 과정 및 부식 과정을 식별하는데 도움이 된다. 이러한 정보는 근본적인 원인 분석 및 파손 검토에 중요하다. 마지막으로, 이 기법은 원자로 용기의 벽(40)의 영역에 있는 원자로 용기 관통 부재(32)에서 발생되는 전형적인 응력 부식 균열과 같은 복잡한 국부적인 부식 발생을 감시하는데 우수하다.

센서로부터 발생된 신호를 수집하고 분석하는데 필요한 회로는 주파수의 특정의 데이타를 분석할 수 있는 데이타 처리 수단에 결합된 고 입력 임피던스 증폭기를 구비할 수 있다. 바람직하게, 장치의 출력은 그래프 평판 요약 보고용(graphic, tabular, summary reporting)이며 또 잠재적으로는 보수 경보(maintenance alarms)의 개시용인 적절한 디스플레이(display) 및/또는 판독장치(134)에 결합된다. 또한, 데이타는 참조를 위해 저장되며, 모뎀 또는 기타 통신수단을 거쳐 원격 전송될 수 있다. 본 발명에 따른 측정에 적용될 수 있는 특히 전기화학적 노이즈 분석을 위한 회로의 일체화된 패키지는 영국 맨체스터 소재의 CAPCIS MARCH, Limited(CML)로부터 상품명 DENIS(Digital Electrochemical Noise Integrated System)로 구입할 수 있다.

프로브는 일반적으로 다른 프로세스 감시 변수와 동일한 방법으로 데이타 수집 및 분석회로에 결합된다. 샘플링 AD 변환기, 멀티플렉서, 케이블 및 기타 신호 전도체, 데이타 수집 장치 및 전기화학적 노이즈 분석기와 같은 다양한 중간 및 최종 구성요소들이 제공될 수 있다. 전기화학적 노이즈 분석은 데이타를 처리하기 위해 결합된 프로세서상에서 작동되는 소프트웨어를 통해 수행되는 것이 바람직하며, 소프트웨어는 관통 튜브의 잔여 사용 수명을 추정하는 유지보수 추정 기능을 포함할 수 있다.

프로브는 기존 형태의 원자로 헤드 어댑터 관통 튜브와 호환성이 있는 치수로 설정되고 배치되는 것이 바람직하며, 관통 부재(32)에 간단하게 삽입할 수 있고 압력 끼워맞춤부(42)로 밀봉될 수 있으며, 또 작동을 위해 검출 회로(94)에 배선할 수 있는 일체식 구조인 것이 바람직하다. 관통 튜브내에 배치되는 상기 전극 어레이는 관통 튜브의 내경부에서 이러한 형태의 관통 튜브내에 균열이 관측되는 위치의 근방에, 즉 원자로 벽과의 결합부에 인접한 영역에 배치될 수 있다. 또한, 상기 프로브의 압력 경계부 자격도 중요한 관심사항이다. 기존의 검출 케이블 구조체와 함께 사용되는 압력 밀폐장치와 유사한 단부 캡 설계 또는 그와 유사한 형태를 사용하는 것이 바람직하다. 프로브는 적용가능한 법령의 요구에 따라 적용가능한 재료를 사용하여 제조된다.

프로브는, 실질적으로 지지부 및 전극용의 고체 금속 부재로 구성되고, 전해질(50)을 통한 이온전류에 흐름을 거치는 것을 제외하고 관통 튜브(32) 및 전극들의 전기적 절연상태를 유지할 수 있도록 전기 절연체(112)를 통해 결합된 내구성이 있는 기구이다. 헤드 어댑터의 관통 튜브내에 설치되고 센서 프로브와 그의 절연부재 및 압력용 부품에 적절한 내구성 있는 재료를 이용하므로, 프로브는 압력, 온도 지진충격, 유동 진동 등과 같은 부하에 대한 발전소의 안전상의 한계를 위태롭게 하지 않는다. 따라서 상기 센서 프로브는 적어도 관통 튜브(32)에 적용가능한 사양을 초과하는 방사능 노출의 효과에도 견딜 수 있도록 배치될 수 있다.

상기 감시 시스템은 발전소의 정상 동작중에는 연속가동되는 것이 바람직하다. 데이타 분석 소프트웨어가 감시 및 유지보수 계획수립 목적으로 부식 활성에 대한 연속된 온라인 표시를 제공한다.

Claims (10)

1. 전해질을 수용하도록 배열된 용기의 응력 부식 감시 장치(a stress-corrosion monitoring apparatus)로서, 상기 용기는 다수의 관통 부재(32)가 예각으로 가로지르는 벽(40)을 구비하며, 상기 관통 부재(32)는 도관을 형성하고 용기의 작동으로 인하여 응력 부식 손상되는, 응력 부식 감시 장치에 있어서, 상기 관통 부재중 적어도 하나에 설치되는 적어도 하나의 전기화학적 센서프로브(64)로서, 상기 전기화학적 센서 프로브(64)는 적어도 하나의 관통 부재(32)의 벽(82)으로부터 절연된 전극(74)을 구비하고 상기 용기의 작동중에 상기 벽(82)과 함께 상기 전해질에 노출되며, 상기 벽(82) 및 상기 전극(74)이 전기화학적 검출 셀(cell)을 구성하는, 상기 전기화학적 센서 프로브(64)와; 상기 전극(74)에 그리고 상기 적어도 하나의 관통 부재의 벽(82)에 결합되는 것으로, 응력 부식 손상을 야기하는 전기화학적 활동도의 함수로서의 전압 신호 및 전류 신호를 생성하는 신호 전도체(92)와; 상기 신호 전도체(92)에 결합되며, 상기 전극(74)과 상기 관통 부재(32)의 벽(82) 사이의 전기화학적 전위, 상기 전극(74)과 상기 관통 부재(32)의 벽(82) 사이의 전기화학적 임피던스 및 상기 전극(74)과 상기 관통 부재(32)의 벽(82) 사이의 전해질(50)을 통해 흐르는 전류중 적어도 하나를 나타내는 데이타를 부호화하도록 작동가능한 검출 회로(94)와; 상기 관통 부재의 벽(82)의 열화도(deterioration)를 전기화학적 활동도의 함수로서 평가하기 위해 상기 데이타를 판독하는 수단(134)을 포함하는 것을 특징으로 하는 응력 부식 감시 장치.
2. 제1항에 있어서, 상기 관통 부재의 벽(82)의 별개의 영역에 인접하여 배치된 다수의 전극(72, 74)을 포함하며, 상기 각 전극은 상기 신호 전도체(92)에 의해 상기 검출 회로(94)에 결합되며, 상기 각 별개의 영역에서 부식을 나타내는 신호를 생성하도록 작동가능한 것을 특징으로 하는 응력 부식 감시 장치.
3. 제2항에 있어서, 상기 다수의 전극(72, 74) 및 상기 관통 부재의 벽(82)은 별개의 검출 셀을 형성하고, 상기 각 셀은 하나의 기준 전극(74) 및 두개의 작용 전극(72)을 포함하며, 하나의 작용 전극(72)은 상기 관통 부재(32)의 벽의 별개의 영역에 의해 형성되며, 다른 하나의 작용 전극(72) 및 상기 기준 전극(74)은 상기 전해질(50)을 통해 상기 각 별개의 영역과 상호작용하도록 위치되는 것을 특징으로 하는 응력 부식 감시 장치.
4. 제3항에 있어서, 상기 각 별개의 영역의 상기 전극(72, 74)은 상기 관통 부재(32)내에 삽입된 센서 프로브(64)의 둘레에 원주방향으로 이격배치되며, 이에 의하여 상기 센서 신호는 상기 관통 부재의 벽(82)의 원주방향으로 이격된 영역을 나타내는 것을 특징으로 하는 응력 부식 감시 장치.
5. 제4항에 있어서, 상기 각 별개의 영역의 상기 전극(72, 74)은 상기 센서 프로브(64)상에서 축방향으로 이격배치되는 것을 특징으로 하는 응력 부식 감시 장치.
6. 제3항에 있어서, 상기 검출 회로(94)는 상기 관통 부재의 벽(82)과 상기 전극(72, 74)중 하나 사이의 전위로부터 전위 노이즈 데이타를 생성하고, 또 상기 관통 부재의 벽과 전극(72, 74)중 다른 하나 사이의 전류로부터 전류 노이즈 데이타를 생성하도록 작동 가능한 것을 특징으로 하는 응력 부식 감시 장치.
7. 전해질(50)의 수용체를 규정하는 용기의 벽(40)을 예각으로 가로지르는 관통 부재(32)의 열화도를 평가하는 방법에 있어서, 관통 부재의 벽(82)을 형성하는 금속으로부터 전기적으로 절연된 적어도 하나의 전극(74)을 갖는 프로브(64)를 적어도 하나의 관통 부재(32)에 설치하는 단계와; 상기 전극(74) 및 상기 관통 부재의 벽(82) 양자를 상기 수용체내의 상기 전해질(50)에 노출시키는 단계와; 상기 전극(74)과 상기 관통 부재(32)의 벽(82) 사이의 전기화학적 전위, 상기 전극(74)과 상기 관통 부재(32)의 벽(82) 사이의 전기화학적 임피던스 및 상기 전극(74)과 상기 관통 부재(32)의 벽(82) 사이의 전해질(50)을 흐르는 전류중 적어도 하나를 나타내는 신호를 생성하기 위하여 상기 전극(74)과 상기 관통 부재의 벽(82) 사이의 전기적 활동도를 감시하는 단계와; 상기 전기적 활동도의 함수로서 상기 관통 부재의 벽의 열화도를 평가하는 단계를 포함하는 관통 부재의 열화도 평가 방법.
8. 제7항에 있어서, 주파수역에서 전기화학적 전위 및 전기화학적 전류중 적어도 하나의 변화를 감시하는 것에 의해 전기화학적 노이즈 수준에 대한 신호를 분석하는 단계를 더 포함하는 관통 부재의 열화도 평가 방법.
9. 제8항에 있어서, 적어도 2개의 전극(72, 74)을 상기 관통 부재의 벽(82)내에 배치하고, 상기 관통 부재의 벽(82)을 작용 전극으로 사용하면서 상기 적어도 2개의 전극(72, 74)을 사용하여 상기 전기화학적 전위 및 상기 전기화학적 전류의 변화를 감시하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 관통 부재의 열화도 평가 방법.
10. 제7항에 있어서, 다수의 전극쌍(110)을 갖는 삽입 프로브(64)를 상기 적어도 하나의 관통 부재(32)에 설치하되, 상기 각 전극쌍(110)내의 전극(72, 74)은 서로 인접하고 그리고 상기 관통 부재의 벽(82)의 별개의 영역에 근접하게 위치되며, 상기 각 전극(72, 74) 및 상기 관통 부재의 벽(82)은 하나의 기준 전극(74) 및 2개의 작용 전극(72)을 포함하는 셀을 형성하도록 하는 단계를 더 포함하며, 상기 감시 단계 및 상기 평가 단계는 각각의 상기 셀에 대한 갈기 별개의 영역내에서 부식을 별도로 감시하고 평가하는 것을 특징으로 하는 관통 부재의 열화도 평가 방법.