KR100447482B1 - 원자력발전소 증기발생기 전열관 균열의 관통 여부 판정및 관통길이 측정방법 - Google Patents

원자력발전소 증기발생기 전열관 균열의 관통 여부 판정및 관통길이 측정방법 Download PDF

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Abstract

원자력발전소 증기발생기 전열관에는 응력부식균열, 핏팅, 입계부식, 마모 등의 다양한 부식 및 기계적 손상이 발생하고 있기 때문에 매 주기마다 와전류 검사를 실시하여 새로운 결함의 발생과 기존 결함의 성장 추이를 비파괴적으로 감시하고 있다. 그러나 증기발생기 전열관에서 발생하고 있는 균열성 결함은 체적을 갖는 다른 종류의 결함들에 비하여 와전류 검사에 의한 결함 검출 및 결함 크기에 대한 정량적 평가가 쉽지 않으며 아스메 코드(ASME Code) 등 와전류 검사 관련 규격들에서도 아직까지 균열성 결함의 검출을 위한 검사 방법, 결함 크기에 대한 정량적 평가 방법 및 검출된 결함 전열관에 대한 조치기준 등이 명시적으로 규정되지 못한 실정이다. 특히 균열이 전열관 두께를 관통하였을 때는 방사능에 오염된 1차측 냉각수가 2차측으로 누설되어 계통을 오염시키는 중대한 문제가 발생하므로 관통 균열의 조기 탐지 및 크기 측정 방법의 개발이 요청된다.
본 발명은 모터구동 회전 탐촉자(Motorized Rotating Pancake Coil)를 이용하여 증기발생기 전열관의 균열성 결함에 대한 관통 여부를 판정하고 관통 길이를 정밀 측정하는 와전류 검사 방법을 대상으로 하며, 특히 모터구동 회전 탐촉자의 표면에 원주방향으로 장착된 팬케익 코일(Pancake Coil) 또는 플러스 포인트 코일(+Point Coil) 또는 액셜 코일(Axial Coil) 또는 써컴퍼렌샬 코일(Circumferential Coil) 또는 이들이 조합된 코일이 나선형으로 회전하면서 균열성 결함을 지날 때마다 나타내는 와전류 신호의 진폭특성값, 즉 매회전시마다 얻어지는 진폭특성값을 균열의 길이 방향 위치로 대응시켜 균열성 결함의 전열관 두께 관통 여부를 정밀 판정하고 관통 길이를 측정하는 것을 특징으로 한다.

Description

원자력발전소 증기발생기 전열관 균열의 관통 여부 판정 및 관통길이 측정방법{Determination Method of Through Wall／Non-Through Wall Cracks and Measurement Method of Through Wall Crack Length on Nuclear Steam Generator Tubes}
본 발명은 원자력발전소 증기발생기 전열관 균열의 관통 여부 판정 및 관통길이 측정방법에 관한 것이다.
원자력발전소 증기발생기 전열관에는 응력부식균열, 핏팅, 입계부식, 마모 등의 다양한 부식 및 기계적 손상이 발생하고 있다. 이러한 손상은 가동 안전성과 경제성을 저해하는 중요한 인자가 되고 있으며, 특히 균열이 전열관 두께를 관통하였을 때는 방사능에 오염된 1차측 냉각수가 2차측으로 누설되어 계통을 오염시키는 중대한 문제가 발생하므로 관통 균열의 조기 탐지 및 크기 측정 방법에 대한 기술 개발이 요청된다. 원자력발전소에서는 새로운 결함의 발생과 기존 결함의 성장 추이를 매 주기마다 실시되는 정기 보수기간 중에 비파괴적인 방법으로 감시하고 있다. 현재 증기발생기 전열관에 발생하는 결함을 비파괴적으로 감시하고 측정하기 위하여 와전류 검사법이 적용되고 있으며, 일반적으로 바빈(Bobbin) 코일 탐촉자와 모터구동 회전 탐촉자가 주로 사용되고 있다. 체적성 결함들의 경우 와전류 검사신호에서 얻어지는 위상각과의 상관관계를 이용하여 결함의 깊이를 전열관 두께대비 백분율(%)로 나타내어 결함의 크기로 평가하는 기술이 개발되어 있으나 그 신뢰성은 매우 낮은 것으로 평가되고 있다. 균열성 결함의 경우에는 체적을 갖는 다른 종류의 결함들에 비하여 와전류 검사에 의한 결함 검출 및 결함 크기에 대한 정량적 평가가 쉽지 않으며 아스메 코드(ASME Code) 등 와전류 검사 관련 규격들에서도 아직까지 균열성 결함의 검출을 위한 검사 방법, 결함 크기에 대한 정량적 평가 방법 및 검출된 결함 전열관에 대한 조치기준 등이 명시적으로 규정되지 못한 실정이다. 뿐만 아니라 균열성 결함이 전열관의 두께를 관통했는지 여부를 정밀하게 판정하고 관통 길이를 측정하는 것은 전혀 불가능하다.
현재 원자력발전소에서는 증기발생기 전열관에 관통 균열의 존재 유무를 판정하기 위해서 증기발생기 1차측 또는 2차측에서 수압시험을 수행하고 수압의 변화 또는 물의 누설 여부를 관찰함으로써 관통 균열을 찾아내고 있는 실정이다. 이러한 기계적인 방법은 추가의 검사 시간과 비용이 많이 소요되며 대규모 설비가 필요하고 검사의 정확성이 낮으며 수압시험에 의해 균열의 틈 간격이 넓어질 뿐만 아니라 관통 균열의 길이를 전혀 측정할 수 없는 단점이 있다.
그러므로 정기 보수기간 중에 수행한 와전류 검사 신호를 이용하여 관통 균열을 판정하고 관통 길이를 측정할 수 있는 기술이 개발된다면 관통 균열을 찾아내기 위한 추가 시간과 비용이 전혀 소요되지 않게 되는 등 종래기술에서 야기되는 문제점을 해결할 수 있다.
본 발명은 모터구동 회전 탐촉자(Motorized Rotating Pancake Coil)를 이용하여 증기발생기 전열관의 균열성 결함에 대한 관통 여부를 판정하고 관통 길이를 정밀 측정하는 와전류 검사 방법을 대상으로 하며, 특히 모터구동 회전 탐촉자의 표면에 원주방향으로 장착된 팬케익 코일(Pancake Coil) 또는 플러스 포인트 코일(+Point Coil) 또는 액셜 코일(Axial Coil) 또는 써컴퍼렌샬 코일(Circumferential Coil) 또는 이들이 조합된 코일이 나선형으로 회전하면서 균열성 결함을 지날 때마다 나타내는 와전류 신호의 진폭특성값, 즉 매회전시마다 얻어지는 진폭특성값을 균열의 길이 방향 위치로 대응시켜 균열성 결함의 전열관 두께 관통 여부를 정밀 판정하고 관통 길이를 측정하는 것을 특징으로 한다.
따라서 본 발명은 종래 기술의 단점을 극복하기 위한 신기술로서, 모터구동 회전 탐촉자의 와전류신호 중에서 진폭특성값을 이용하여 원전 증기발생기 전열관에 형성된 균열성 결함이 전열관 두께를 관통했는지 여부를 정밀하게 판정하고, 관통 길이를 정밀 측정할 수 있는 비파괴적인 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명은 원자력발전소 증기발생기 전열관을 와전류 검사하는데 있어서, 모터구동 회전 탐촉자에 원주방향으로 장착된 와전류 코일에 의하여 전열관 표면의 균열성 결함으로부터 유도되는 와전류 신호특성으로부터 증기발생기 전열관에 발생하는 균열성 결함이 전열관 두께를 관통했는지 여부를 정밀하게 판정하고, 균열의 관통 길이를 정밀 측정하는 기술이다. 즉, 모터구동 회전 탐촉자의 팬케익 코일 또는 플러스 포인트 코일 또는 액셜 코일 또는 써컴퍼렌샬 코일 또는 이들이 조합된코일이 나선형으로 회전하면서 균열성 결함을 지날 때마다 나타내는 와전류 신호의 진폭특성값, 즉 매회전시마다 얻어지는 진폭특성값을 균열의 길이 방향 위치로 대응시켜 작성되는 그래프에서 변곡점의 개수와 위치를 측정함으로써 균열성 결함의 전열관 두께 관통 여부를 정밀 판정하고 관통 길이를 측정할 수 있다.
도 1 은 모터구동 회전 탐촉자로 와전류 검사를 하면서 와전류 신호를 취득하고, 얻어진 와전류 신호 중에서 진폭특성값을 균열의 길이방향으로 대응시키는 과정을 도시한 그래프
도 2 는 와전류 검사의 팬케익 코일의 진폭특성값을 이용하여 축방향 균열이 전열관 두께를 관통하고 있는지 그 여부를 판정하고, 관통길이를 측정하는 방법에 관한 그래프
도 3 은 와전류 검사의 팬케익 코일의 진폭특성값과 플러스 포인트 코일의 진폭특성값의 차이를 이용하여 축방향 균열이 전열관 두께를 관통하고 있는지 그 여부를 판정하고, 관통길이를 측정하는 방법에 관한 그래프
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
(1) : 전열관 (2) : 축방향의 균열
(3) : 탐촉자의 이동방향 (4) : 관통균열
(5) : 비관통균열 (6) : 관통길이
(7) : 관통균열 (8) : 관통길이
(9) : 비관통균열
증기발생기 전열관 내부에 삽입되는 모터구동 회전 탐촉자는 일정한 속도로 회전하면서 전열관의 길이방향을 따라 일정한 속도로 이동하게 된다. 이 때 모터구동 회전 탐촉자의 코일은 팬케익 코일, 플러스 포인트 코일, 액셜 코일, 써컴퍼렌샬 코일이 단독 또는 서로 조합되어 설치되어 있다.
상기 모터구동 회전 탐촉자와 이에 관련된 팬케익 코일, 플러스 포인트 코일, 액셜 코일, 써컴퍼렌샬 코일이 단독 또는 서로 조립된 물리적 구성은 이미 관용된 기술이므로, 그 상세한 도시나 설명은 생략한다.
전열관에 균열성 결함이 존재할 경우 모터구동 회전 탐촉자에 설치된 코일과 균열성 결함에 의하여 와전류 신호가 유도되며 이를 컴퓨터를 이용하여 취득하고 저장하게 된다. 탐촉자가 회전하기 때문에 하나의 균열성 결함에 대하여 코일이 결함을 지나는 순간마다 즉, 한번 회전할 때마다 와전류 신호를 얻을 수 있다. 모터구동 회전 탐촉자는 회전하면서 전열관의 길이방향으로 이동하게 되므로, 매회전시마다 얻어진 와전류 신호 중에서 진폭특성값을 균열의 길이방향으로 대응시켜 작성되는 그래프에서 균열성 결함의 관통 여부를 정밀하게 판정하고 관통 길이를 측정할 수 있다. 즉, 관통균열의 경우에는 균열의 길이방향으로 대응시킨 진폭특성값의 곡선이 3개의 변곡점을 갖게 되며, 극대점과 극대점 사이의 길이가 관통길이가 된다. 그러나 비관통 균열은 변곡점이 오직 1개만 존재하므로 관통 여부를 정밀 판정할 수 있게 된다.
상기 발명을 구체적인 실시예와 도면을 통하여 설명하면 다음과 같다.
도 1 은 증기발생기 전열관을 모터구동 회전 탐촉자로 와전류 검사를 하면서 와전류 신호를 취득하고, 얻어진 와전류 신호 중에서 진폭특성값을 균열의 길이방향으로 대응시키는 과정을 도시한 것이다. 전열관(1)에 축방향의 균열(2)이 존재하고 있다. 모터구동 회전 탐촉자는 그림에서와 같이 전열관의 내부로 삽입되어 일정한 속도로 회전하면서 일정한 속도로 전열관의 길이방향을 따라 이동(3)하게 된다. 탐촉자에 장착된 코일이 균열(2)에 접근하면서 와전류 신호가 서서히 유도되기 시작하며, 코일이 한 번 회전할 때마다 균열을 만나게 되는 위치는 그림에서와 같이 x1, x2, x3, x4, x5, x6, x7, x8 지점이 된다. 코일이 이 지점을 벗어날수록 와전류 신호는 서서히 사라지게 된다. 코일이 균열을 처음으로 만나게 되는 지점(x1)의 앞부분과 최종적으로 만나게 되는 지점(x8)의 뒷부분을 포함하여 와전류 신호가 얻어지는 각각의 지점, 즉 균열의 길이방향의 지점들을 가로축으로 하고 그 지점에서 얻어진 와전류 신호 중에서 진폭특성값을 세로축에 대응시키면 균열의 길이에 대한 진폭특성값의 그래프를 얻을 수 있게 된다(도 2 와 도 3 참조).
도 2 는 축방향 균열이 전열관 두께를 관통하고 있는지 그 여부를 와전류 신호의 진폭특성값을 이용하여 판정하고 그 관통길이를 측정한 것이다. 이 때 시험에사용된 균열은 관통균열(4)의 경우 관통길이가 6.0 mm였으며, 비관통 균열(5)의 길이는 6.0 mm였다. 와전류 검사는 팬케익 코일이 장착된 모터구동 회전 탐촉자를 이용하였다. 관통균열(4)의 경우 코일이 결함을 지나는 순간마다, 즉 한번 회전할 때마다 얻어진 와전류 신호 중에서 진폭특성값을 균열의 길이방향 위치로 대응시켰을 때 3개의 변곡점이 존재하였다. 이 때 극대점 위치는 균열이 관통되는 지점이 되므로 극대점과 극대점 사이의 길이를 측정하면 관통길이(6)를 정확히 측정할 수 있다. 이를 통하여 측정된 관통길이는 5.9 mm로서 실측길이인 6.0 mm와 거의 일치하였다. 그러나 비관통 균열(5)의 경우 변곡점이 오직 1개만 존재하므로 관통균열과 비관통 균열을 명백히 구별할 수 있다. 이상의 실시예는 팬케익 코일에 의한 진폭특성값을 이용한 것이나, 플러스 포인트 코일, 액셜 코일, 써컴퍼렌샬 코일에 의한 진폭특성값을 이용하여도 유사한 결과를 얻을 수 있다.
또한, 팬케익 코일의 진폭특성값과 상기한 다른 코일의 진폭특성값의 차이 값을 균열의 길이방향으로 대응시켜도 동일한 결과를 얻을 수 있다. 도 3 은 도 2 에서 사용한 것과 동일한 관통 균열과 비관통 균열에 대하여 팬케익 코일과 플러스 포인트 코일이 장착된 모터구동 회전 탐촉자를 이용하여 와전류 검사를 행한 다음 이 때 얻어진 팬케익 코일의 진폭특성값과 플러스 포인트 코일의 진폭특성값의 차이를 균열의 길이방향으로 대응시켜 나타낸 그래프이다. 관통균열(7)의 경우 3개의 변곡점이 나타나고 있으며, 그 양상은 도 1 과 비교할 때 훨씬 명백하게 나타난다. 이 때의 관통길이(8)는 극대점과 극대점 사이의 길이를 측정하면 구할 수 있다. 이렇게 측정된 관통길이는 5.9 mm로서 실측길이인 6.0 mm와 거의 일치하였다. 반면에비관통 균열(9)은 그림에서와 같이 변곡점이 오직 1개만 존재하므로 관통균열과 매우 대조되는 특성을 보이기 때문에 균열의 관통 여부를 정밀 측정할 수 있게 된다.
일정 길이의 균열성 결함에 대하여 얻어지는 와전류 진폭신호의 개수는 탐촉자의 회전 속도 및 탐촉자가 전열관의 길이방향으로 이동하는 인출속도에 따라 달라진다. 따라서 탐촉자의 회전속도를 크게 하거나 인출속도를 느리게 할 경우 단위길이당 얻게 되는 진폭신호의 개수가 많아지므로 보다 정밀한 결과를 얻을 수 있다.
이러한 정밀평가를 위해서는 와전류검사 전에 검사대상 전열관과 같은 재료 및 규격의 전열관에 전열관의 축 방향 또는 원주 방향으로 길이가 다른 일정간격의 관통 결함을 가공하고, 또한 각각의 길이에 대하여 깊이가 다른 비관통 결함을 가공하여 표준 시험편을 제작한 다음 와전류 신호를 보정하는 절차가 필요하다. 이 절차는 와전류 검사의 매우 일반적인 보정절차와 동일하므로 여기서 따로 기술하지는 않기로 한다.
상기의 내용중 모터구동 회전 탐촉자의 코일이 나선형으로 회전하면서 균열성 결함을 지날 때마다 나타내는, 즉 매회전시마다 얻어지는 와전류 신호의 진폭특성값을 이용하여 균열성 결함의 관통 여부를 정밀 평가하고 관통 길이를 측정하기 위하여 구성한 전산 프로그램을 포함한다.
앞에서 설명한 실시예는 본 발명 기술을 적용한 하나의 실시예에 불과하며 본 발명의 핵심 특징 즉, 코일이 결함을 지나는 순간마다 즉, 한번 회전할 때마다 얻어지는 와전류신호 중에서 진폭특성값을 균열의 길이방향 위치로 대응시켜 균열의 관통 여부를 판정하고 관통길이를 측정하는 단계를 포함하는 여타의 측정 방법은 본 발명의 범주를 벗어나지 못하는 것이 명백하다.
본 발명은 상술한 특정한 바람직한 실시예와 변형예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 설계변경적 실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 청구범위 기재의 범위내에 있게 된다.
본 발명 기술을 원자력발전소 증기발생기 전열관의 비파괴 검사에 적용할 경우 균열성 결함의 관통 균열 유무를 정확히 판정할 수 있고, 관통 균열의 길이를 측정할 수 있다. 따라서 결함 전열관에 대한 건전성을 정확히 예측.평가할 수 있으며, 적기에 전열관의 보수가 가능하며, 1차측 냉각수의 누설을 예방할 수 있다. 특히 국내의 경우 1차측 냉각수의 누설을 허용하지 않고 있기 때문에 사전에 관통 결함 전열관을 판정해 내는 것이 매우 중요하다. 이러한 기술은 전세계적으로 유례가 없으므로 본 발명기술을 이용한 와전류 검사 기술의 해외 수출도 기대할 수 있다.

Claims (5)

  1. 원자력발전소 증기발생기 전열관 표면의 균열성 결함을 와전류 검사법으로 평가하는 방법에 있어서, 모터구동 회전 탐촉자의 코일이 나선형으로 회전하면서 균열성 결함을 지날 때마다 나타내는, 즉 매회전시마다 얻어지는 와전류 신호의 진폭특성값을 균열의 길이방향 위치로 대응시켰을 때 나타나는 그래프의 변곡점의 개수와 위치를 측정하여 균열성 결함의 전열관 두께 관통 여부를 정밀 판정하고 관통 길이를 측정하는 것을 특징으로 하는 원자력발전소 증기발생기 전열관 균열의 관통여부 판정 및 관통길이 측정 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    모터구동 회전 탐촉자의 코일은 팬케익 코일, 플러스 포인트 코일, 액셜 코일, 써컴퍼렌샬 코일 중에서 적어도 하나가 선정되며, 선정된 코일이 나선형으로 회전하면서 균열성 결함을 지날 때마다 나타내는, 즉 매회전시마다 얻어지는 와전류 진폭특성값을 이용하는 것을 특징으로 하는 원자력발전소 증기발생기 전열관 균열의 관통여부 판정 및 관통길이 측정 방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    서로 다른 두 개의 코일이 나선형으로 회전하면서 균열성 결함을 지날 때마다 나타내는, 즉 매회전시마다 얻어지는 와전류 진폭특성값의 차이를 이용하는 것을 특징으로 하는 원자력발전소 증기발생기 전열관 균열의 관통여부 판정 및 관통길이 측정 방법.
  4. 제 3 항에 있어서,
    서로 다른 두 코일 중 적어도 하나는 팬케익 코일을 포함하는 것을 특징으로 하는 원자력발전소 증기발생기 전열관 균열의 관통여부 판정 및 관통길이 측정 방법.
  5. 제 1 항에 있어서,
    모터구동 회전 탐촉자의 코일이 나선형으로 회전하면서 균열성 결함을 지날 때마다 나타내는, 즉 매회전시마다 얻어지는 와전류 신호의 진폭특성값을 이용하여 균열성 결함의 관통 여부를 정밀 평가하고 관통 길이를 측정하기 위하여 구성한 전산 프로그램을 포함하는 것을 특징으로 하는 원자력발전소 증기발생기 전열관 균열의 관통여부 판정 및 관통길이 측정 방법.
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