KR101174280B1 - 원자력 증기발생기 용접 후 열처리 과정에서의 튜브 결함 실시간 측정 방법 - Google Patents

원자력 증기발생기 용접 후 열처리 과정에서의 튜브 결함 실시간 측정 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명의 원자력 증기발생기 용접 후 열처리 과정에서의 튜브 결함 실시간 측정 방법은
튜브의 국부 변형과 와전류탐상검사(Eddy current testing, ECT) 신호인 전압과의 상관관계를 구하는 제1단계와;
튜브의 결함을 직접 측정하지 않고 튜브의 국부 변형과 튜브 서포트 플레이트의 변형각과의 상관관계를 구하는 제2단계와;
허용전압에 대응하는 튜브의 임계 국부 변형(결함)과 튜브 서포트 플레이트의 임계 변형각과의 관계를 획득하는 제3단계와;
튜브 서포트 플레이트의 변형각 측정결과로부터 튜브 결함을 실시간 모니터링하는 제4단계;로 이루어진다.

Description

원자력 증기발생기 용접 후 열처리 과정에서의 튜브 결함 실시간 측정 방법 {Tube defects monitoring method during post weld heat treatment for nuclear steam generator}
본 발명은 원자력 증기발생기의 용접 후 열처리과정에서 튜브(Tube)와 튜브 서포트 플레이트(Tube support plate, TSP)의 열변형에 의한 간섭으로 발생하는 튜브 결함을 실시간으로 측정하는 방법에 관한 것이다.
일반적으로 원자력 증기발생기 제작공정의 용접 후 열처리 과정에서 튜브와 튜브 서포트 플레이트(Tube support plate, TSP)의 열변형에 의한 간섭으로 발생하는 튜브 국부 변형은 비파괴검사 방법인 와전류탐상검사(Eddy current testing, ECT) 신호인 허용전압(V*)을 초과하게 되면 결함으로 규정하며, 일단 결함이 발생하게 되면 발전소 운전 수명에 매우 심각한 영향을 미치기 때문에 용접 후 열처리 과정에 발생하는 튜브 결함을 엄격하게 제한하고 있다.
따라서 용접 후열처리 과정에 허용전압(V*)과 관련된 튜브 임계변형(결함)을 실시간으로 모니터링 하는 것은 필수적이다.
본 발명이 관계하는 증기발생기는 원자로에서 발생한 열을 이용하여 증기를 발생시켜 터빈에 공급하는 원자력발전소의 주요 기기이다.
도 1에는 본 발명이 관계하는 증기발생기의 종단면도가 도시되어 있고, 도 2에는 동 증기발생기의 튜브와 튜브 서포트 플레이트 접속 부위의 사시도가 도시되어 있다.
일반적으로 상기 증기발생기는 도 1과 같이 채널 헤드(1; Channel Head), 튜브시트(2; Tube sheet), 세컨더리 쉘(3; Secondary Shell), 튜브(4; Tube), 튜브 서포트 플레이트(5; Tube Support Plate), 스테이 로드(6; Stay Rod), 어퍼 배럴 어셈블리(7; Upper Barrel Assembly) 등으로 구성된다.
상기 증기발생기는 원자로로부터 고온고압의 1 차측 증기가 채널 헤드(1; Channel Head)의 인렛 노즐(8; Inlet Nozzle)로 유입되고, U 형태의 튜브(4; Tube)를 타고 흐르는 동안 2 차측의 물과 열교환이 이루어지며, 다시 채널 헤드(1)의 아웃렛 노즐(9; Outlet Nozzle)을 통하여 빠져나가 원자로로 유입된다.
그리고 1 차측으로부터 열전달을 받은 2 차측의 물은 증기가 된 부분은 어퍼 배렐 어셈블리(7; Upper Barrel Assembly) 내에 있는 습분분리기(10)로 들어가게 되고, 그렇지 못한 부분은 내부에서 재순환하게 된다.
상기에서 1 차측의 유체의 통로가 되고 2 차측과 열교환을 담당하는 튜브(4; Tube)는 길이가 길고 두께가 얇아 휨 강성이 매우 작으므로 튜브 서포트 플레이트(5; Tube Support Plate)를 설치하여 휨 변형을 방지하고 있으며, 도 2와 같이 튜브 서포트 플레이트(5)에 튜브(4)가 설치되므로 길이 방향의 변형에 대하여 튜브(4)와 튜브 서포트 플레이트(5)는 서로 자유스럽게 된다.
또한 튜브(4)의 휨 변형을 방지하기 위하여 설치된 튜브 서포트 플레이트(5)는 직경에 비하여 두께가 얇고 튜브(4)의 통과를 위하여 구멍이 형성된 형태로 구성되어 휨으로 인한 면외 변형에 대하여 취약할 수 있으므로 이를 지지하기 위하여 강봉 형태의 스테이 로드(6; Stay Rod)를 사용한다.
스테이 로드(6)는 튜브 시트(2)에 볼팅(Bolting)으로 체결되고 이후 모든 튜브 서포트 플레이트(5)와 볼팅으로 연결되어 튜브 서포트 플레이트(5)의 처짐을 방지하게 된다.
상기 원자력 증기발생기는 세컨더리 쉘(3), 튜브(4), 튜브 서포트 플레이트(5), 스테이 로드(6)로 구성되는 중간 쉘 어셈블리(Intermediate Shell Assembly) 및 채널 헤드(1; Channel Head) 그리고 어퍼 배럴 어셈블리(7; Upper Barrel Assembly)로 구분할 수 있다.
그리고 상기 각각의 부분은 독립적으로 제작한 후 용접을 통하여 일체형이 되도록 하며, 용접 후 잔류 응력의 제거를 위하여 용접 후 열처리를 하게 되는데, 용접되는 각 쉘(Shell)의 두께가 상당히 두껍기 때문에 용접 후 열처리에 소요되는 시간도 길어지고 결과적으로 많은 열이 용접라인을 통하여 증기발생기 내부로 유입된다.
상기 용접 후 열처리 중 증기발생기의 자세는 수평으로 눕혀진 상태인데, 증기발생기 내부의 공기 온도가 상승하고 대류가 발생하여 증기발생기 상부의 공기는 온도가 높고 하부는 온도가 낮은 상태가 되며, 증기발생기 상부와 하부의 온도 차이로 인해 튜브 시트(2)와 연결된 튜브(4)와 스테이 로드(6)는 차등 팽창을 하게 된다.
상기 튜브(4)의 차등 팽창은 튜브 서포트 플레이트(5)에 영향을 주지 않는데, 그 이유는 튜브(4)와 튜브 서포트 플레이트(5)는 길이 방향의 변형에 대하여 서로 구속이 없기 때문이다.
도 3a에는 튜브를 제외한 증기발생기의 변형 전의 종단면도가 도시되어 있고, 도 3b에는 동 증기발생기의 변형 후의 종단면도가 도시되어 있다.
채널 헤드(1)와 중간 쉘 어셈블리(Intermediate Shell Assembly)의 용접연결부의 용접 후 열처리 동안 유입된 열은 증기발생기 2 차측 내부의 상부에는 더 높은 온도를 유지하고 하부에 낮은 온도를 유지하도록 하므로 튜브 시트(2)와 튜브 서포트 플레이트(5)에 고정된 스테이 로드(6)의 길이가 차등적으로 팽창하게 된다.
따라서 스테이 로드(6) 및 튜브 서포트 플레이트(5)는 도 4와 같이 변형된다.
도 2와 같이 튜브(4)의 축방향 길이 변화는 튜브 서포트 플레이트(5)와 간섭을 일으키지 않지만 튜브 서포트 플레이트(5)가 스테이 로드(6)의 차등적 길이 팽창으로 인해 면외 휨변형을 할 경우 튜브(4)와 튜브 서포트 플레이트(5)는 간섭을 일으키게 되고 튜브(4)에 소성변형을 유발하게 된다.
용접 후 열처리가 완료된 다음 튜브(4)의 국부 변형은 비파괴검사 방법인 와전류탐상검사(ECT)를 통하여 검사하게 되며, ECT는 튜브(4)의 변형 정도에 따라서 출력 전압 신호를 방출하는데, 허용 가능한 ECT 출력전압신호(V*)를 초과하면 결함으로 규정된다.
따라서 튜브(4)의 결함이 없는 증기발생기의 제작을 위해 용접 후 열처리 과정에서 증기발생기의 튜브 변형량을 실시간으로 모니터링 해야 하는데, 종래에는 용접 후 열처리 중에 증기발생기의 내부구조물의 구조적 문제로 인해 튜브(4)의 변형량을 측정하기가 어려운 문제가 있었다.
본 발명은 상기와 같은 종래의 실정을 감안하여 안출한 것이며, 그 목적이 튜브 국부 변형을 직접 측정하지 않고 튜브 서포트 플레이트의 변형각을 측정함으로써 튜브 결함의 발생 유무를 보다 간편하게 판별할 수 있도록 하는 원자력 증기발생기 용접 후 열처리 과정에서의 튜브 결함 실시간 측정 방법을 제공하는 데에 있는 것이다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 원자력 증기발생기 용접 후 열처리 과정에서의 튜브 결함 실시간 측정 방법은 튜브의 국부 변형과 와전류탐상검사(Eddy current testing, ECT) 신호인 전압과의 상관관계를 구하는 제1단계와; 튜브의 결함을 직접 측정하지 않고 튜브의 국부 변형과 튜브 서포트 플레이트의 변형각과의 상관관계를 구하는 제2단계와; 허용전압에 대응하는 튜브의 임계 국부 변형(결함)과 튜브 서포트 플레이트의 임계 변형각과의 관계를 획득하는 제3단계와; 튜브 서포트 플레이트의 변형각 측정결과로부터 튜브 결함을 실시간 모니터링하는 제4단계;로 이루어진다.
본 발명의 원자력 증기발생기 용접 후 열처리 과정에서의 튜브 결함 실시간 측정 방법에 있어서 튜브의 국부 변형과 와전류탐상검사(Eddy current testing, ECT)신호인 전압과의 상관관계를 구하는 제1단계에서는 유한요소해석을 통하여 튜브 국부 변형의 형상을 파악한 후 파악된 형상과 유사한 국부 변형이 생성된 튜브 시편들을 제작하고, 제작된 시편들에 대해 비파괴검사방법인 와전류탐상(Eddy Current Testing) 시험을 수행하여 신호 값인 전압과 튜브의 국부 변형과의 관계 그래프를 구하며, 상기 전압과 튜브의 국부 변형과의 관계 그래프로부터 허용전압(V*)과 대응하는 임계 국부 변형(d*)을 결정한다.
그리고 튜브의 국부 변형과 튜브 서포트 플레이트의 변형각과의 상관관계를 구하는 제2단계에서는 상기 제1단계에서 결정된 임계 국부 변형(d*)에 대응하는 튜브 서포트 플레이트의 임계 변형각(q*)을 결정한다.
한편 원자력 증기발생기 용접 후 열처리 과정에서의 튜브 결함 실시간 측정 방법에 있어서 용접 후 열처리 과정 중에 튜브 서포트 플레이트의 변형각을 실시간 모니터링함으로써 튜브 서포트 플레이트의 임계변형각에 대응하는 튜브 결함 유무를 실시간으로 판단하는 제4단계에서는 튜브 서포트 플레이트(5)에 센서(101; Sensor)를 부착하여 신호처리장치(102; Data Processing Device)에 연결하고, 이를 다시 신호감시 및 저장장치(103; Data Monitoring and Recording Device)에 연결하여 증기발생기 용접 후 열처리 과정에서 발생하는 튜브 서포트 플레이트 변형각을 실시간으로 측정한다.
본 발명에 의하면 원자력 증기발생기 제작공정의 용접 후 열처리 과정에서 튜브와 튜브 서포트 플레이트(Tube support plate, TSP)의 열변형에 의한 간섭으로 발생하는 튜브 결함을 방지할 수 있게 되므로 원자력 증기발생기의 품질을 크게 개선할 수 있게 되고, 발전소 운전 수명을 연장할 수 있게 되는 등의 효과를 얻을 수 있게 된다.
도 1은 본 발명이 관계하는 증기발생기의 종단면도
도 2는 동 증기발생기의 튜브와 튜브 서포트 플레이트 접속 부위의 사시도
도 3a는 튜브를 제외한 증기발생기의 변형 전의 종단면도
도 3b는 동 증기발생기의 변형 후의 종단면도
도 4는 본 발명의 흐름도
도 5는 본 발명의 튜브의 국부 변형과 와전류탐상검사(ECT) 신호인 전압과의 관계 그래프
도 6은 본 발명의 튜브의 국부 변형과 튜브 서포트 플레이트의 변형각과의 관계 그래프
도 7은 본 발명의 튜브 서포트 플레이트 변형각 모니터링 예시도
이하 상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 구체적인 기술 내용을 첨부도면에 의거하여 자세히 설명하면 다음과 같다.
도 4에는 본 발명의 흐름도가 도시되어 있다.
도 4와 같이 본 발명의 원자력 증기발생기 용접 후 열처리 과정에서의 튜브 결함 실시간 측정 방법은
튜브의 국부 변형과 와전류탐상검사(Eddy current testing, ECT) 신호인 전압과의 상관관계를 구하는 제1단계와;
튜브의 결함을 직접 측정하지 않고 튜브의 국부 변형과 튜브 서포트 플레이트의 변형각과의 상관관계를 구하는 제2단계와;
허용전압에 대응하는 튜브의 임계 국부 변형(결함)과 튜브 서포트 플레이트의 임계 변형각과의 관계를 획득하는 제3단계와;
튜브 서포트 플레이트의 변형각 측정결과로부터 튜브 결함을 실시간 모니터링하는 제4단계;로 이루어진다.
본 발명의 원자력 증기발생기 용접 후 열처리 과정에서의 튜브 결함 실시간 측정 방법에 있어서 튜브의 국부 변형과 와전류탐상검사(Eddy current testing, ECT)신호인 전압과의 상관관계를 구하는 제1단계에서는 유한요소해석을 통하여 튜브 국부 변형의 형상을 파악한 후 파악된 형상과 유사한 국부 변형이 생성된 튜브 시편들을 제작한다.
그리고 제작된 시편들에 대해 비파괴검사방법인 와전류탐상(Eddy Current Testing)시험을 수행하여 신호 값인 전압과 튜브의 국부 변형과의 관계 그래프를 구하고, 상기 전압과 튜브의 국부 변형과의 관계 그래프로부터 허용전압(V*)과 대응하는 임계 국부 변형(d*)을 결정한다.
도 5에는 본 발명의 튜브의 국부 변형과 와전류탐상검사(ECT) 신호인 전압과의 관계 그래프가 도시되어 있다.
본 발명의 원자력 증기발생기 용접 후 열처리 과정에서의 튜브 결함 실시간 측정 방법에 있어서 튜브의 결함을 직접 측정하지 않고 튜브의 국부 변형과 튜브 서포트 플레이트의 변형각과의 상관관계를 구하는 제2단계에서는 원자력 증기발생기 제작공정의 용접 후 열처리 과정에서 발생하는 튜브 국부 변형은 구조적 문제로 인해 직접 측정하기가 불가하기 때문에 측정 가능한 튜브 서포트 플레이트의 변형각 측정을 통하여 튜브의 국부 변형을 평가하며, 이를 위해서는 튜브의 국부 변형과 튜브 서포트 플레이트의 변형각과의 관계 도출은 필수적이다.
도 6에는 유한요소해석으로부터 도출된 튜브의 국부 변형과 튜브 서포트 플레이트의 변형각과의 관계 그래프가 도시되어 있다.
상기 제1단계에서 결정된 임계 국부 변형(d*)에 대응하는 튜브 서포트 플레이트의 임계 변형각(q*)을 결정한다.
한편 본 발명의 원자력 증기발생기 용접 후 열처리 과정에서의 튜브 결함 실시간 측정 방법에 있어서 용접 후 열처리 과정 중에 튜브 서포트 플레이트의 변형각을 실시간 모니터링함으로써 튜브 서포트 플레이트의 임계변형각에 대응하는 튜브 결함 유무를 실시간으로 판단하는 제4단계에서는 도 7과 같이 튜브 서포트 플레이트(5)에 센서(101; Sensor)를 부착하여 신호처리장치(102; Data Processing Device)에 연결하고, 이를 다시 신호감시 및 저장장치(103; Data Monitoring and Recording Device)에 연결하여 증기발생기 용접 후 열처리 과정에서 발생하는 튜브 서포트 플레이트 변형각을 실시간으로 측정함으로써 제2단계의 튜브의 국부 변형과 튜브 서포트 플레이트의 변형각과의 관계 그래프로부터 튜브의 결함 여부를 실시간 모니터링한다.
이상에서 설명한 본 발명은 전술한 설명에 의해 한정되는 것은 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능함은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.
1: 채널 헤드
2: 튜브 시트
3: 세컨더리 쉘
4: 튜브
5: 튜브 서포트 플레이트
6: 스테이 로드
7: 어퍼 배럴 어셈블리
10: 습분분리기
101: 센서
102: 신호처리장치
103: 신호감시 및 저장장치

Claims (4)

  1. 튜브의 국부 변형과 와전류탐상검사(Eddy current testing, ECT) 신호인 전압과의 상관관계를 구하는 제1단계와;
    튜브의 결함을 직접 측정하지 않고 튜브의 국부 변형과 튜브 서포트 플레이트의 변형각과의 상관관계를 구하는 제2단계와;
    허용전압에 대응하는 튜브의 임계 국부 변형(결함)과 튜브 서포트 플레이트의 임계 변형각과의 관계를 획득하는 제3단계와;
    튜브 서포트 플레이트의 변형각 측정결과로부터 튜브 결함을 실시간 모니터링하는 제4단계;
    로 이루어지는 원자력 증기발생기 용접 후 열처리 과정에서의 튜브 결함 실시간 측정 방법.
  2. 제1항에 있어서, 튜브의 국부 변형과 와전류탐상검사(Eddy current testing, ECT)신호인 전압과의 상관관계를 구하는 제1단계에서는 유한요소해석을 통하여 튜브 국부 변형의 형상을 파악한 후 파악된 형상과 유사한 국부 변형이 생성된 튜브 시편들을 제작하고, 제작된 시편들에 대해 비파괴검사방법인 와전류탐상(Eddy Current Testing) 시험을 수행하여 신호 값인 전압과 튜브의 국부 변형과의 관계 그래프를 구하며, 상기 전압과 튜브의 국부 변형과의 관계 그래프로부터 허용전압(V*)과 대응하는 임계 국부 변형(d*)을 결정하는 원자력 증기발생기 용접 후 열처리 과정에서의 튜브 결함 실시간 측정 방법.
  3. 제2항에 있어서, 튜브의 국부 변형과 튜브 서포트 플레이트의 변형각과의 상관관계를 구하는 제2단계에서는 상기 제1단계에서 결정된 임계 국부 변형(d*)에 대응하는 튜브 서포트 플레이트의 임계 변형각(q*)을 결정하는 원자력 증기발생기 용접 후 열처리 과정에서의 튜브 결함 실시간 측정 방법.
  4. 제1항 내지 제3항 중의 어느 한 항에 있어서, 용접 후 열처리 과정 중에 튜브 서포트 플레이트의 변형각을 실시간 모니터링함으로써 튜브 서포트 플레이트의 임계변형각에 대응하는 튜브 결함 유무를 실시간으로 판단하는 제4단계에서는 튜브 서포트 플레이트(5)에 센서(101; Sensor)를 부착하여 신호처리장치(102; Data Processing Device)에 연결하고, 이를 다시 신호감시 및 저장장치(103; Data Monitoring and Recording Device)에 연결하여 증기발생기 용접 후 열처리 과정에서 발생하는 튜브 서포트 플레이트 변형각을 실시간으로 측정하는 원자력 증기발생기 용접 후 열처리 과정에서의 튜브 결함 실시간 측정 방법.
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