KR100409242B1 - 증기발생기의 반진동 구조물과 전열관의 배열방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 원자력발전소의 증기발생기내 유체흐름에 의한 진동으로 발생되는 전열관 마모손상을 억제하기 위한 증기발생기 반진동 구조물 천공 구멍의 형상과 배열 그리고 이러한 반진동 구조물과 전열관의 배열방법에 관한 것이다.

배트윙(batwing)(4),버티컬 스트립(Vertical strip)(5) 및 호리젼탈 스트립(Horizontal strip)(6)으로 구성된 반진동 구조물 판재 내부 구멍의 형상과 배열구조에 있어 직원형(直圓型) 구멍(17)의 장축이 배트윙(4)과 버티칼 스트립(5)의 길이방향에 수직이 되도록 하고 이들 구멍들이 지그재그형 또는 일자형으로 배열되는 구조와 정원형(正圓型) 구멍(18)의 지그재그형 배열 또는 일자형으로 배열구조를 특징으로 하며 이러한 반진동 구조물과 전열관(2)의 배열에 있어서는 전열관 표면의 외경중심선(19)이 배트윙(4)과 버티칼 스트립(5)에 천공된 구멍(20, 21)과 구멍(20', 21')사이의 중앙을 지나는 배열방법을 적용하므로서, 반진동 구조물과 전열관(2) 간의 접촉이 발생할 경우 구조물내 구멍의 모서리와 전열관 표면 외경중심선(19)의 접촉이 발생되지 않게 하고 또한 선접촉 길이 및 표면 접촉면적을 최대화시켜 증기발생기 전열관(2) 표면에 걸리는 국부적 응력을 최소화시킬 수 있게 한 것을 특징으로 하는 증기발생기의 반진동 구조물과 전열관의 배열방법.

Description

증기발생기의 반진동 구조물과 전열관의 배열방법{Anti-vibration structure and arrangement method of steam generator tubes of steam generator}

본 발명은 원자력발전소의 증기발생기내 유체흐름에 의한 진동으로 발생되는 전열관 마모손상을 억제하기 위한 반진동 구조물 천공 구멍의 형상과 배열 그리고 이러한 반진동 구조물과 전열관의 배열방법에 관한 것이다. 배트윙(batwing), 버티컬 스트립(vertical strip) 및 호리젼탈 스트립(horizontal strip)으로 구성된 반진동 구조물 판재 내부 구멍의 형상과 배열에 있어 직원형(直圓型) 구멍의 장축이배트윙과 버티칼 스트립의 길이방향에 수직이 되도록 하고 이들 구멍들이 지그재그형 또는 일자형으로 배열되는 구조와 정원형(正圓型) 구멍의 지그재그형 배열 또는 일자형으로 배열되는 구조를 특징으로 하며 이러한 반진동 구조물과 전열관의 배열에 있어서는 전열관의 표면외경중심선이 배트윙과 버티칼 스트립에 천공된 구멍과 구멍사이의 중앙을 지나는 배열방법을 적용하므로서, 반진동 구조물과 전열관 간의 접촉이 발생할 경우 구조물내 구멍의 모서리와 전열관 표면의 접촉이 발생되지 않게 하고 또한 선접촉 길이 및 표면 접촉면적을 최대화시켜 증기발생기 전열관 표면에 걸리는 국부적 응력을 최소화시키므로서 증기발생기 전열관의 마모손상을 억제할 수 있도록 구성한 것이다..

원자력발전소의 증기발생기 내부에는 증기발생기 전열관 다발의 진동을 억제시키기 위하여 반진동 구조물이 설치되어 있다. 원통다관식 증기발생기 내부의 반진동 구조물은 통상적으로 전열관 다발이 역 "∪"자형 또는 "∩"자형 구조로 꺾여져 있는 상부의 전열관 다발의 진동을 억제하도록 설계되어 있다. 도 1은 한국 표준형 원전(또는 컴버스쳔 엔지니어링(Combustion Engineering)형) 증기발생기내 반진동 구조물과 전열관의 배열 중 일부분을 보여주는 도면으로서, 반진동 구조물은 최상단 풀 타입(full type) 튜브 써포트 플레이트(tube support plate)(1) 상부의 전열관(2) 다발(3) 중 튜브 써포트 플레이트 구조물에 의한 지지가 이루어지지 않는 부분에 설치되어 있으며, 배트윙(batwing)(4), 버티칼 스트립(vertical strip)(5), 호리젼탈 스트립(horizontal strip)(6) 등의 주요 구성부품으로 이루어져 있다..

배트윙(4)은 V자형의 양날개 형태이며 전열관들이 90도 각도로 꺾이는 곡관부(7)를 따라 위치하게 된다. 버티칼 스트립(5)은 수직방향으로 배트윙(4)과 일체형으로 연결되어 있다. 배트윙(4)의 양쪽 날개 각각에 2개씩의 버티칼 스트립(5)이 연결되므로 배트윙(4) 1조에 버티칼 스트립(5)이 총 4개가 연결된 구조를 갖는다. 이들 배트윙(4)과 버티칼 스트립(5)은 두께와 폭이 각각 2.29 mm, 50.8 mm인 얇은 판재이며, 각 판재에는 유체의 흐름을 원활하게 하기 위한 2열의 직원형(直圓型) 구멍(8, 8')들이 이들 구조물의 길이방향과 평행한 방향으로 엇갈리게 천공되어 있다. 호리젼탈 스트립(6)은 도 2에 나타낸 바와 같이 버티칼 스트립 판재(5)의 양단(9, 9')에 수직방향으로 엇갈리게 끼워지는 판재로서 이와 같은 구성으로 형성되는 사각형 단면구조의 격자사이로 전열관(2)들이 일정하게 배열된다. 이러한 호리젼탈 스트립(6)은 전열관 배열구조상 버티칼 스트립(5)의 일정 높이 이상에만 설치되도록 설계되어 있다.

이러한 반진동 구조물과 전열관들의 배열상태에서 유체흐름에 의한 진동으로 반진동 구조물과 전열관이 접촉하여 전열관 표면에 마모손상이 발생된다. 배트윙(4) 및 버티칼 스트립(5)과 전열관 표면 사이의 간격은 제작규격상 약 0.33 mm이며, 호리젼탈 스트립(6)과 전열관 표면 사이의 간격은 약 0.44 mm를 유지하도록 되어 있다. 따라서 이들 구조물들간에 약간의 비틀림이나 변위가 존재할 경우, 유체진동에 의한 반진동 구조물과 전열관간의 접촉(선접촉 또는 점접촉)이 매우 쉽게 일어나며 진동에 의하여 접촉부위에서는 높은 접촉응력의 반복작용에 기인하는전열관 표면의 국부적인 마모손상이 급격히 진행되는 문제점을 갖게 된다.(도 1의 전열관 열 번호 row No. 25 ~ No. 40으로 표시된 영역은 특별히 마모가 집중되는 구역을 표시한 것이다.)

이러한 마모손상의 구조적 요인을 설명하기 위하여 버티칼 스트립(5)과 전열관(2)의 배열상태 예를 도 3에 나타내었다. 도 3a와 3b는 호리젼탈 스트립(6)이 존재하는 부분에서의 버티칼 스트립(5)과 전열관의 배열을 나타낸 것으로서, 각각 버티칼 스트립(5)과 직교방향으로 전열관이 배열된 실제상태의 정면도와 측면도이다. 그리고 도 3c는 전열관(2)과 전열관(2') 사이에 설치된 버티칼 스트립(5)이 약간의 기울기를 갖고 비틀려 있는 비정상적인 배열상태의 예를 나타낸 것이다. 도 3a에서 볼 수 있듯이 이점쇄선으로 표시한 각 전열관의 외경 중심선(10)들이 반진동 구조물의 직원형 구멍(8) 모서리의 끝부분 4곳(11a, 11b, 11c, 11d)과 교차하여 지나게 된다. 따라서 진동에 의한 두 구조물간의 실제 선접촉은 구멍 안쪽 부분에 위치하는 전열관 표면(12)을 제외한 나머지 부분에서만 일어나게 된다. 이에 따라 두 구조물의 접촉시 전열관 표면에 가해지는 응력이 버티칼 스트립(5)의 전체 폭(13)에 해당하는 전열관 표면 전체길이에 대해 균일하게 분산되어 작용하는 것이 아니라 실제 선접촉으로 이루어진 부분에만 작용하게 된다. 즉, 구멍 안쪽과 만나는 전열관 표면(12)에는 응력이 전혀 가해지지 않는 반면 이 부분을 제외한 나머지 부분에만 집중하여 높은 응력으로 작용하게 되는 문제점을 갖게 됨을 알 수 있다.

특히 도 3c와 같은 비정상적인 배열상태에서는 버티칼 스트립(5)의 한쪽 모서리(14)와 전열관 표면(15)이 경사각을 갖고 접촉되기 때문에 접촉부위에 매우 큰응력이 작용하는 '모서리 효과'에 의하여 이곳에서 1차적인 마모가 급속히 시작된다. 이 부분에서 전열관 두께방향으로의 마모가 계속 진행되면 선접촉부 동일 선상에 위치하는 인접 구멍의 안쪽 모서리(16, 16')와 전열관 표면의 2차 접촉이 발생되어 이 부위에서 동일한 원리에 의하여 추가적인 마모가 진행된다. 배트윙(4)과 전열관 배열부분도 도 3에서 설명한 바와 같은 유사한 구조적 관계와 마모손상 양상을 나타낸다(도시하지 않음).

본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위한 목적으로 창출된 것으로서, 배트윙, 버티칼 스트립 각각의 판재와 전열관 표면간의 선접촉 길이(또는 접촉면적)를 최대화하여 유체흐름에 의한 반진동 구조물과 전열관의 접촉시 전열관 표면에 가해지는 응력을 완화시키므로서 전열관 표면의 마모손상을 억제시킬 수 있는 증기발생기 반진동 구조물의 구조를 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기의 목적을 위하여, 본 발명에서는 배트윙과 버티칼 스트립에 천공되는 구멍의 형상과 배열을 개선시킴과 동시에 증기발생기 전열관 표면의 외경 중심선이 배트윙과 버티칼 스트립의 천공 구멍(특히 구멍 안쪽의 모서리 부분들)과 만나지 않는 배열을 고안하므로서, 증기발생기의 제작중 또는 가동중에 발생하는 반진동 구조물과 전열관 표면간의 접촉시 선접촉 길이 및 접촉면적을 최대화하여 접촉부위의 전열관 표면에 가해지는 응력을 감소시켜 전열관의 마모손상을 억제시킬 수 있는 반진동 구조물의 구조를 제공하는 것이다. 그리고 이러한 효과를 극대화하기 위해서는 배트윙 및 버티칼 스트립 판재의 양단의 모서리와 천공 구멍의 모서리 부분들에 대한 완벽한 라운딩(rounding) 마무리 처리가 반드시 필요하다.

도 1 은 한국 표준형 원전 증기발생기내 반진동 구조물과 전열관의 배열 일부분을 나타낸 예시도

도 2 는 호리젼탈 스트립이 존재하는 버티칼 스트립 부분에서의 이들 구조물과 전열관의 배열을 도시한 예시도

도 3a 는 버티칼 스트립, 호리젼탈 스트립, 전열관 배열구조의 정면도

도 3b 는 버티칼 스트립, 호리젼탈 스트립, 전열관 배열구조의 측면도

도 3c 는 전열관과 전열관 사이의 버티칼 스트립이 경사를 갖고 비정상적으로 배열된 상태를 도시한 예시도

도 4 는 본 발명 직원형 구멍의 반진동 구조물과 증기발생기 전열관의 배열구조를 도시한 일실시예도

도 5 는 본 발명 직원형 구멍의 반진동 구조물과 증기발생기 전열관의 배열구조를 도시한 다른 실시예도

도 6 은 본 발명 정원형 구멍의 반진동 구조물과 증기발생기 전열관의 배열구조를 도시한 일실시예도

도 7 은 본 발명 정원형 구멍의 반진동 구조물과 증기발생기 전열관의 배열구조를 도시한 다른 실시예도

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

(2) 증기발생기 전열관

(4) 배트윙

(5) 버티칼 스트립

(6) 호리젼탈 스트립

(17) 직원형 구멍

(18) 정원형 구멍

(19) 천공구멍 모서리와 접촉하지 않는 전열관 표면 외경 중심선

이하 발명의 요지를 첨부된 도면에 연계시켜 그 구성과 작용을 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 4는 반진동 구조물의 배트윙(4)과 버티칼 스트립(5)에 천공된 직원형 구멍(17)의 장축이 이들 판재 각각의 길이 방향과 수직으로 배향되고 이들 구멍들이 지그재그형으로 엇갈리게 배열된 반진동 구조물과 이러한 반진동 구조물에 증기발생기 전열관(2)의 배열을 도시한 일실시예도이다. 도 5는 천공구멍(17)의 형상과 배향이 도 4와 같으나 구멍들이 일자형으로 배열된 반진동 구조물과 증기발생기 전열관의 배열을 도시한 다른 실시예도이다. 도 6과 7은 구조적 특징에 있어서 도 4, 5와 동일하나 천공 구멍의 형상이 정원형(正圓型)(18)인 구조에 대한 실시예도로서, 도 6은 정원형 천공 구멍의 지그재그형 배열과 전열관의 배열, 도 7은 정원형 천공 구멍의 일자형 배열과 전열관의 배열을 나타낸 것이다.

본 발명의 반진동 구조물의 구성 중 도 4와 5의 경우, 유체의 흐름을 원활하게 하여 주는 직원형 구멍(17)을 배트윙(4)과 버티칼 스트립(5)의 길이방향에 수직이 되도록 천공하고 이들 반진동 구조물 판재 사이를 통과하게 되는 전열관(2)들의 외경중심선(19)(도4 ~ 도7에서 모두 이점 쇄선으로 표시한 선)이 이를 중심으로 상하에 위치하는 2개의 직원형 천공 구멍(20, 20')간의 중앙을 지나도록 배열하므로서 반진동 구조물과 전열관(2)의 접촉시 전열관 표면과 천공 구멍 모서리의 접촉이 발생되지 않도록 하는 구조적 특징을 갖는다. 이러한 구조적 특징은 도 6과 7의 정원형 천공 구멍(18)을 갖는 반진동 구조물과 전열관(2)의 배열에 있어서도 동일하게 적용된다(이 경우 전열관 외경 중심선 상하의 정원형 구멍을 각각 21과 21'로 표시하였음).

본 발명은 반진동 구조물과 전열관 표면간의 접촉시 선접촉 길이(또는 접촉면적)을 최대화하여 접촉부위의 전열관 표면에 가해지는 응력을 감소시켜 전열관의 마모손상을 억제시킬 수 있는 반진동 구조물의 구조를 제공하는 것이다. 따라서 도 4 ∼ 도 7에 나타낸 바와 같이, 증기발생기 전열관의 외경 중심선(19)이 반드시 반진동 구조물 판재의 천공구멍들간의 중앙을 지나도록 배열시켜 전열관 표면과 천공구멍 모서리와의 접촉을 피하므로서 배트윙(4) 및 버티칼 스트립(5)과 전열관 표면의 선접촉 길이(또는 접촉면적)를 최대화시켜 증기발생기 전열관 표면에 걸리는 국부적 응력을 완화시킬 수 있는 반진동 구조물과 전열관(2)의 배열 방법을 제공한다. 이를 보다 용이하게 달성하고 효과를 극대화시키기 위하여, 배트윙(4)과 버티칼 스트립(5) 판재에 천공되는 구멍의 형상과 배열에 있어서 직원형 구멍(17) 경우 구멍의 장축이 이들 판재의 길이방향과 수직이 되도록 배향하며, 이들 구멍들이 지그재그형 또는 일자형으로 배열되도록 한다. 정원형 천공구멍(18)의 경우 역시 지그재그형 배열 또는 일자형 배열이 되도록 한다.

이러한 구조적 특징을 갖는 본 발명의 반진동 구조물과 전열관(2)의 배열에 따라, 증기발생기의 제작중 또는 가동중에 발생할 수 있는 반진동 구조물과 전열관표면 접촉시 다음과 같은 전열관 표면의 마모손상 억제 효과를 얻게 된다.

첫째, 반진동 구조물 판재와 전열관간의 간격이 일정한 간격을 유지하며 정상적으로 배열된 상태에서의 접촉시, 전열관 표면이 반진동 구조물 판재에 접촉하는 실제 선접촉 길이는 반진동 구조물 판재에서 천공 구멍이 없는 전체 폭에 해당하는 길이(13)로 최대화된다. 따라서 앞서 도 3a에서 제기되었던 문제점인 천공구멍 모서리 4곳(11a~11d)과의 접촉 및 이에 따른 실제 접촉부에서의 응력집중 현상이 발생되지 않기 때문에 마모손상이 보다 억제되는 효과를 얻게 된다.

둘째, 반진동 구조물 판재와 전열관이 도 3c와 같이 비정상적으로 배열된 경우라 할지라도, 본 발명의 구조적인 특징으로 천공 구멍 모서리와 전열관 표면의 접촉이 발생되지 않기 때문에 도 3c에서 기술한 '모서리 효과'에 의한 2차 마모손상 양상이 원천적으로 일어나지 않는 효과를 얻을 수 있다.

기타 상기한 두 가지 경우 외에 반진동 구조물 판재의 미소한 변위 및 비틀림으로 전열관 표면의 마모손상이 국부적으로 진행되는 경우라 할지라도 본 발명의 구조적 특징에 의하여 마모손상의 억제효과가 동일하게 얻어질 수 있다.

상기와 같은 본 발명의 효과를 극대화시키기 위해서는 배트윙(4), 버티컬 스트립(5), 호리젼탈 스트립(6) 판재 양단의 모서리와 천공 구멍(17, 18)의 모서리에 대한 완벽한 라운딩 마무리처리가 반드시 병행되어야 한다.

본 발명은 상술한 특정의 바람직한 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 그와같은 변경은 청구범위 기재의 범위 내에 있게 된다.

종래 한국 표준형 원전의 증기발생기에서 심각하게 나타나는 증기발생기 전열관의 마모손상은 반진동 구조물과 전열관간의 구조적인 문제에 직접적으로 기인하고 있다. 따라서 본 발명에서 제공되는 반진동 구조물내 구멍의 형상 및 배열방법과 전열관의 배열방법에 따라, 증기발생기의 제작중 또는 가동중에 발생할 수 있는 반진동 구조물과 전열관 표면 접촉시 기존의 마모손상 문제를 보다 효과적으로 억제할 수 있다. 이로부터 증기발생기의 가동 안전성과 유지보수 경제성 및 수명을 향상시키는 효과가 얻어지게 되며. 궁극적으로는 새로운 기술의 적용으로 가동중 건전성과 안전성이 제고된 증기발생기의 신규 건설 및 해외시장의 수출 경쟁력을 확보할 수 있다.

Claims (4)

1. 배트윙(4), 버티컬 스트립(5) 및 호리젼탈 스트립(6) 등을 기본 구성요소로 하는 가압경수로형 증기발생기 반진동 구조물에 있어서, 배트윙(4)과 버티컬 스트립(5) 판재에 천공되는 직원형(直圓型) 구멍(17)들의 장축이 이들 판재 각각의 길이 방향과 수직으로 배향되고 지그재그형으로 배열되며, 이 때 전열관(2)들의 외경중심선(19)이 배트윙(4)과 버티칼 스트립(5)에 천공된 구멍(20, 20')간의 중앙을 지나도록 배열시켜 반진동구조물과 전열관(2)의 접촉시 전열관 표면과 천공구멍(20)(20')모서리간의 접촉이 발생되지 않고 표면접촉 면적을 최대화시켜 증기발생기 전열관 표면에 걸리는 국부적 고응력을 완화시킬수 있게 한 것을 특징으로 하는 증기발생기의 반진동 구조물과 전열관의 배열방법.
2. 제 1 항에 있어서, 배트윙(4)과 버티컬 스트립(5) 판재에 천공된 직원형 구멍(17)을 일자형으로 배열시킨 것을 특징으로 하는 증기발생기의 반진동 구조물과 전열관의 배열방법.
3. 배트윙(4), 버티컬 스트립(5) 및 호리젼탈 스트립(6) 등을 기본 구성요소로 하는 가압경수로형 증기발생기 반진동 구조물에 있어서, 배트윙(4)과 버티컬 스트립(5) 판재에 천공되는 구멍이 정원형(正圓型)(18)이며 지그재그형으로 배열되며 이 때 전열관(2)들의 외경중심선(19)이 배트윙(4)과 버티칼 스트립(5)에 천공된 구멍(21, 21')간의 중앙을 지나도록 배열시켜 반진동 구조물과 전열관(2)의 접촉시 전열관 표면과 천공구멍(21, 21') 모서리간의 접촉이 발생되지 않고 표면접촉 면적을 최대화시켜 증기발생기 전열관 표면에 걸리는 국부적 고응력을 완화시킬수 있게 한 것을 특징으로 하는 증기발생기의 반진동 구조물과 전열관의 배열방법.
4. 제 3 항에 있어서, 배트윙(4)과 버티컬 스트립(5) 판재에 천공된 정원형 구멍(18)을 일자형으로 배열시킨 것을 특징으로 하는 증기발생기의 반진동 구조물과 전열관의 배열방법.