KR101238420B1 - 압력용기의 결함 검출장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 압력용기의 결함 검출장치에 관한 것으로서, 열에너지를 갖는 열원체가 내장 또는 이동될 수 있게 수용공간이 마련되고 열원체의 열에너지에 의해 가열되는 압력용기와, 열원체에 의해 가열된 압력용기의 표면에 냉각가스를 분사하여 압력용기의 표면을 냉각시키는 냉각부와, 냉각부에 의해 냉각된 이후 열원체에 의해 점차적으로 가열되는 압력용기의 표면온도변화를 열 화상으로 촬영하는 촬영부와, 촬영부에서 촬영된 열 화상을 디스플레이하는 표시부와, 냉각부의 구동을 제어하고 촬영부의 작동을 제어하는 제어부를 구비한다.
본 발명에 따른 압력용기의 결함 검출장치에 의하면, 압력용기의 표면을 균일한 온도 분포를 갖도록 냉각시킨 후 재가열되는 압력용기의 표면 온도변화를 열 화상으로 촬영하고 표시함으로써 압력용기의 정밀한 검사를 가능케 한다.

Description

압력용기의 결함 검출장치{The crack and flaw detection device for high pressure and high temperature vessel}

본 발명은 압력용기의 결함 검출장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 고온으로 가열 및 압력이 가해진 압력용기 특히 발전용 원자로 용기의 표면을 냉각가스를 이용하여 냉각시키고 내부에서 발생하는 열에 의해 재가열되는 용기의 표면 온도변화를 열 화상으로 촬영하여 압력용기의 균열 또는 결함 등을 검출함으로써 용기의 안전성을 진단할 수 있는 압력용기의 결함 검출장치에 관한 것이다.

통상적인 원자로는 핵연료를 수용하는 원자로 용기를 구비하며, 원자로 용기는 실린더 몸체, 노즐, 플랜지 등 따로따로 제작된 여러 개의 주조물을 용접하여 제작하도록 되어 있다. 이 원자로 용기는 일차 냉각재를 원자로 용기 내의 연료에 걸쳐 순환시키는 일차 냉각재 회로에 결합 되고, 원료에 의해 일차 냉각재에 부여된 에너지를 추출하는 발전기에 결합된다.

원자로 용기는 원자로의 노심으로부터 발전기에 열을 전달하기 위해서 제공된 일차 냉각 시스템이 예를 들면 연결 라인의 누출 또는 파열로 인한 일차 냉각재 압력의 감소 등의 이유로 고장나면 급속히 파열될 수도 있다.

이와는 다르게 핵연료의 반응 속도를 제어하지 못하여 원자로 용기 자체가 핵연료의 반응 과정에서 생성되는 열에 의해 균열이 발생하거나 용융되어 원자로 용기가 내부로부터 파열되어 외부로 방사능이 외부로 대량 누출될 수도 있다.

상술한 바와 같은 이유로 원자로 용기 자체는 발전소의 두꺼운 콘크리트 격납용기내에 내장되어 있을 동안 원자로 용기의 구조적 안전성이 보장되어야 하며 이러한 원자로 용기의 구조적 안전성을 보장하기 위해 수시로 원자로 용기및 원자로 용기 내부에 설치된 결합부위를 검사하고 있다.

원자로 용기는 원자로에 설치되기 전에 검사되고 가동중일 경우 수시로 결함 발생여부를 확인하기 위하여 검사된다. 가동중 검사는 보통 검사 공구의 배치 및 이동을 매우 높은 정밀도로 유지하면서 원격 제어 작동으로 수중에서 수행된다.

현재까지 이 작업은 여러 원자력 산업체에서 사용화한 거대한 고정식 로봇 매니퓰레이터를 사용하여 수행하고 있다. 즉, 이 매니퓰레이터 끝에 센서를 장착하고 이를 이동시키면서 이때 취득한 센서신호로부터 원자로 용기의 결함 유무를 판정하고 있다.

한편, 결함이 발생된 부분과 정상 부분에서의 온도가 다르게 나타나는 점을 이용하여 결함의 발생유무를 판정하는 검사하는 방법을 적용할 수도 있는데, 이러한 열 화상을 이용한 판정 방법은 가동중인 원자로 용기가 연속적인 핵반응에 의해 열에 장시간에 걸쳐 노출된 상태에 있게 되므로 원자로 용기의 표면온도 즉, 결함부분과 정상부분의 온도가 동일하거나 거의 같아 결함부분과 정상부분을 구별해내기가 어려워 정밀한 검사가 불가능한 단점이 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서 가동중에도 원자로 용기의 결함을 정밀하게 검출할 수 있는 압력용기의 결함 검출장치를 제공하는데 그 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 압력용기의 결함 검출장치는 열에너지를 갖는 열원체가 내장 또는 이동될 수 있게 수용공간이 마련되고 상기 열원체의 열에너지에 의해 가열되는 압력용기와, 상기 열원체에 의해 가열된 상기 압력용기의 표면에 냉각가스를 분사하여 상기 압력용기의 표면을 냉각시키는 냉각부와, 상기 냉각부에 의해 냉각된 이후 상기 열원체에 의해 점차적으로 가열되는 상기 압력용기의 표면온도변화를 열 화상으로 촬영하는 촬영부와, 상기 촬영부에서 촬영된 열 화상을 디스플레이하는 표시부와, 상기 냉각부의 구동을 제어하고 상기 촬영부의 작동을 제어하는 제어부를 구비한다.

상기 압력용기는 외부로부터 상기 열원체가 상기 수용공간으로 유입되는 유입구와 상기 수용공간을 경유하여 상기 수용공간으로부터 상기 열원체가 외부로 배출되는 배출구가 마련되고 상기 열원체를 가열하여 상기 수용공간으로 공급 및 상기 수용공간으로부터 상기 열원체를 회수하는 순환부와 연결되며, 상기 순환부는 상기 수용공간으로부터 배출되는 상기 열원체가 회수되는 저장공간이 마련된 순환조와 상기 순환조 내의 상기 열원체를 가열하는 히터와 상기 순환조 내의 열원체를 상기 수용공간으로 이송시키는 순환펌프를 포함하며, 상기 냉각부는 상기 냉각가스가 충진된 가스탱크와 상기 가스탱크로부터 배출되는 상기 냉각가스가 이송되는 가스이송관과 상기 가스이송관에 일단이 결합 되고 타단은 상기 압력용기의 표면 방향으로 상기 냉각가스를 분사하는 가스분사노즐 및 상기 가스이송관에 설치되어 상기 제어부에 의해 제어되어 상기 가스이송관을 개폐시키는 밸브를 포함한다.

상기 냉각부는 상기 냉각가스가 충진된 가스탱크와, 상기 가스탱크로부터 배출되는 상기 냉각가스가 이송되는 가스이송관과, 상기 가스이송관으로부터 이송되는 상기 냉각가스를 상기 압력용기의 표면으로 균일하게 분사될 수 있게 상기 압력용기의 표면을 둘러싸는 형상으로 형성되고 상기 가스이송관과 결합되는 주입구가 마련되며 내부에는 상기 주입구로 주입된 상기 냉각가스가 이동될 수 있게 유로가 형성되고 상기 압력용기의 표면과 마주보는 일 측면에 상기 유로와 연통되게 다수의 가스 분출구멍이 형성된 가스분사커버 및 상기 가스이송관에 설치되어 상기 제어부의 제어에 의해 상기 가스이송관을 개폐시키는 밸브를 포함하며, 상기 가스분출구멍은 상기 주입구로부터 멀어질수록 점차적으로 내경이 커지게 형성된다.

본 발명에 따른 압력용기의 결함 검출장치에 의하면, 압력용기의 표면을 균일한 온도 분포를 갖도록 냉각시킨 후 내부의 열원체에 의한 압력용기의 표면 온도변화를 열 화상으로 촬영하고 표시함으로써 압력용기의 정밀한 검사를 가능케 한다.

도 1은 본 발명에 따른 압력용기 검출 장치의 제1실시 예를 나타낸 개략도이고,
도 2는 본 발명에 따른 압력용기 검출 장치의 제2실시 예를 나타낸 개략도이며,
도 3은 도 2에 도시된 본 발명에 따른 압력용기의 냉각부 구성중 가스분사패드를 나타낸 발췌사시도이다.

이하 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 압력용기의 결함 검출장치에 대하여 더욱 자세하게 설명한다.

도 1에는 본 발명에 따른 압력용기의 결함 검출장치의 제1실시 예가 도시되어 있다.

도면을 참조하면, 압력용기의 결함 검출장치(1)는 압력용기(100)와 냉각부(200)와 촬영부(300)와 표시부(400) 및 제어부(500)를 구비한다.

압력용기(100)는 상하가 개방되고 내부에는 열에너지를 갖는 열원체(150)가 내장될 수 있게 수용공간(101)이 마련된 원통 형상의 몸체(110)와, 몸체(110)의 상부 및 하부에서 수용공간(101)이 밀폐되게 몸체(110)의 상부 및 하단에 접합되는 상부플랜지(120) 및 하부플랜지(130)를 포함한다. 압력용기(100)는 열원체(150)의 열에너지를 전달받아 가열되는 금속 소재로 형성되어 있다. 본 실시 예에서의 압력용기(100)는 원자력 발전소에서 핵연료가 내장되는 원자로 용기이다.

압력용기(100)의 수용공간(101)에는 핵분열을 연쇄적으로 일으켜서 열에너지를 얻을 수 있는 열원체(150)(이하 '핵연료')가 내장되어 있다.

압력용기(100)에는 핵연료(150)의 핵분열에 의해 발생하는 열에너지를 이용하여 증기를 만들고 증기를 이용하여 터빈을 구동시킬 수 있도록 핵연료(150)의 주변을 경유하여 핵연료(150)로부터 열을 전달받는 물이 공급되는 주입구(102)와 핵연료(150)의 열에너지에 의해 발생하는 증기가 배출되는 배출구(103)가 형성되어 있다.

도면에 도시되어 있지 않지만, 핵연료(150)의 바깥으로는 중성자 누설을 방지하기 위한 중성자 반사체가 배치되어 있고, 가장 바깥 측은 압력용기(100) 내에서 발생하는 강한 방사선인 감마선과 중성자선의 누출을 막기 위한 차폐체가 설치된다. 또한, 압력용기(100)에는 배출구(103)로 배출되는 증기를 이용하여 발전하는 터빈을 포함하는 발전설비와, 터빈을 구동시킨 후의 증기를 응축시키는 응축기 및 응축기에서 주입구로 응축수를 재공급하는 가압펌프를 포함하는 순환설비가 연결된다.

냉각부(200)는 핵연료(150)의 열에너지에 의해 가열된 압력용기(100)의 표면에 냉각가스를 분사하여 압력용기(100)의 표면을 냉각시키기 위한 것으로 가스탱크(210)와, 가스이송관(220)과, 가스분사노즐(230) 및 밸브(240)를 구비한다.

가스탱크(210)는 가열된 압력용기(100)의 표면을 냉각시키도록 기체를 냉각 또는 압축하여 액화시킨 액화가스가 충진되어 있다. 바람직하게 가스탱크(210)에 충진되는 가스는 냉각용 가스로서 질소를 이용한다.

가스탱크(210)에는 냉각가스가 이송되는 가스이송관(220)이 설치되어 있고, 가스이송관(220)에는 가스분사노즐(230)로 냉각가스를 공급되게 하거나 차단되도록 후술 되는 제어부에 의해 가스이송관(220)을 개폐하는 밸브(240)가 설치되어 있다.

가스분사노즐(230)은 가스탱크(210)로부터 공급되는 냉각가스를 압력용기(100)의 표면에 고르게 분사되도록 다수가 가스탱크(210)의 외측에 일정간격으로 설치되어 있다.

촬영부(300)는 냉각부(200)에 의해 냉각된 이후 열원체(150)에 의해 점차적으로 가열되는 압력용기(100)의 표면온도변화를 열 화상으로 촬영하는 것으로, 압력용기(100)에서 방출되는 적외선을 감지할 수 있는 적외선카메라가 적용되었다.

표시부(400)는 촬영부(300)에서 촬영된 압력용기(100)의 열 화상을 디스플레이하는 것으로 촬영부(300) 및 후술 되는 제어부에 연결되어 있다.

제어부(500)는 냉각부(200) 및 촬영부(300)의 작동을 제어하는 것으로 밸브(240)의 개폐 및 적외선카메라의 촬영주기 등을 제어하고 촬영부(300)에서 촬영된 열 화상을 표시부(400)를 통해 표시되게 한다.

압력용기(100)의 결함여부를 검출하는 진단모드가 시작되면 제어부(500)는 냉각부(200)를 통해 냉각가스를 분사시켜 압력용기(100)의 표면을 냉각시킨다.

냉각가스에 의해 냉각된 압력용기(100)는 지속적인 핵반응을 통해 열을 방출하는 핵연료(150)에 의해 다시 표면의 온도가 상승하게 되고, 이때 촬영부(300)는 압력용기(100)에서 방출되는 적외선 영역의 파장을 감지하여 압력용기(100)의 열 화상을 획득한다.

압력용기(100)의 일 부분이 다른 부분보다 두께가 얇게 형성되거나 고압 및 고온으로 인하여 내벽에 균열 또는 용융이 발생된 경우, 냉각부(200)를 통해 순간 냉각시킨 뒤 압력용기(100) 내부의 열에 의해 다시 온도가 상승할 때 압력용기(100)의 결함부분은 결함이 발생하지 않은 정상부분보다 승온속도가 빨라 온도가 높게 나타난다.

즉, 결함이 발생하지 않는 정상부분보다 두께가 얇은 결함부분은 압력용기(100) 내부의 열에 의해 온도가 쉽게 상승하는 것이다. 촬영부(300)는 이러한 압력용기(100) 표면의 온도 분포 차이를 열 화상으로 획득하고 표시부(400)를 통해 온도분포가 상이한 부분에서 결함이 발생한 것을 사용자로 하여금 확인할 수 있게 한다.

미설명부호 170은 압력 용기 내의 방사능이 외부로 유출되는 것을 방지하기 위한 격리용기이다.

도 2에는 본 발명의 압력용기의 결함 검출장치의 제2실시 예가 도시되어 있다.

도 2에 도시된 본 발명에 따른 압력용기의 결함 검출장치(2)는 원자로에 설치되기 전 압력용기(100a)를 검사하여 원자로 용기에 적용될 수 있는지의 여부를 판별하기 위한 것으로서 검사 대상인 압력용기(100a), 압력용기(100a)에 열원체(150a)를 제공하는 순환부(600), 압력용기(100a)를 냉각시키는 냉각부(200), 압력용기(100a)의 열 화상을 촬영하는 촬영부(300), 열 화상을 표시하는 표시부(400) 및 냉각부(200) 및 촬영부(300)의 구동을 제어하는 제어부(500)를 구비한다.

여기서 냉각부(200), 촬영부(300), 표시부(400) 및 제어부(500)는 앞서 설명된 본 발명에 따른 압력용기 결함 검출장치의 제1실시 예에 대한 상세한 설명에서 자세하게 설명하고 있는 바와 동일하므로 중복설명은 생략한다.

압력용기(100a)는 외부로부터 열원체(150a)가 수용공간(101a)으로 유입되는 유입구(102a)와 수용공간(101a)을 경유하여 수용공간(101a)으로부터 열원체(105a)가 외부로 배출되는 배출구(103a)가 마련되어 있고, 열원체(150a)를 가열하여 수용공간(101a)으로 공급 및 수용공간(101a)으로부터 열원체(150a)를 회수하는 순환부(600)와 연결되어 있다.

순환부(600)는 수용공간(101a)으로부터 배출되는 열원체(150a)가 회수되는 저장공간이 마련된 순환조(610)와, 순환조(610) 내의 열원체(150a)를 가열하는 히터(620)와, 순환조(610) 내의 열원체(150a)를 수용공간으로 이송시키는 순환펌프(630)를 포함한다.

미설명부호 170a는 외부로부터 압력용기의 온도변화에 영향을 줄 수 있는 요소를 제거하도록 압력용기를 외부공간과 격리되게 설치할 수 있는 하우징 내지는 케이스이다.

본 실시 예에서 설명된 압력용기의 결함 검출장치(2)는 압력용기(100a)에 가동중인 원자로 내부의 온도 및 압력 조건과 유사 또는 동일한 조건을 제공한다.

압력용기(100a)의 결함을 검출하는 프로세스를 살펴보면 먼저 압력용기(100a)에 가열된 열원체를 공급하여 압력용기(100a)의 내부 상태를 가동 상태인 원자로 용기 내부의 온도 및 압력조건과 유사하거나 동일한 조건으로 만든다. 압력용기(100a) 내부의 온도 및 압력이 원자로 용기 내부의 조건과 유사하거나 동일한 상태가 되면 제어부(500)는 냉각부(200)를 통해 냉각가스를 분사시켜 압력용기(100a)의 표면을 순간적으로 냉각시킨다.

냉각가스에 의해 냉각된 압력용기(100a)는 지속적으로 순환부(600)에서 지속적으로 공급되는 열원체에 의해 다시 표면의 온도가 상승하게 되고, 이때 촬영부(300)는 압력용기(100a)에서 방출되는 적외선 영역의 파장을 감지하여 압력용기의 열 화상을 획득한다. 상기와 같은 프로세스를 통해 압력용기(100a)의 결함 여부를 검출할 수 있다.

도 3에는 도 2에 도시된 바와는 다르게 본 발명에 따른 압력용기의 결함 검출장치에 포함된 냉각부(200)의 다른 실시 예가 도시되어 있다.

도면을 참조하면, 냉각부는 가스탱크, 가스이송관, 가스분사커버 및 밸브를 포함하되, 냉각부는 앞서 도 2를 참고로 설명된 가스분사노즐(230)을 압력용기(100a)의 표면을 균일한 온도로 냉각시키도록 가스분사커버(250)로 변경한 구조로 가스분사커버(250)를 제외한 나머지 구성은 앞서 설명한 제1실시 예에서의 구성과 동일하다.

가스분사커버(250)는 압력용기(100a)의 외측을 둘러싸는 형태로 형성되고, 가스이송관(220)으로 이송되는 냉각가스를 공급받을 수 있게 주입구(251)가 마련되며 내부에는 주입구(251)를 통해 유입된 냉각가스가 이동할 수 있는 유로(252)가 형성되어 있다.

유로(252)는 가스분사커버(250)에 격자 상으로 형성될 수도 있고 도시된 바와 같이 내부가 빈 구조로 형성될 수도 있다.

압력용기(100a)의 표면과 마주보는 가스분사커버(250)의 일 측면에는 유로(252)와 연통되는 다스의 가스분출구멍(253)이 다수 형성되되 주입구(251)로부터 멀어질수록 점차적으로 커지게 형성되어 있다.

이러한 가스분출구멍(253)의 구조는 주입구(251)와 가까운 거리에 위치하는 가스분출구멍(253)과 주입구(251)와 먼 거리에 위치하는 가스분출구멍(253)을 통해 각각 분사되는 냉각가스의 양이 달라 압력용기(100a) 표면을 불균등한 상태로 냉각시키는 것을 방지하는 것으로, 주입구(251)로부터 떨어진 거리에 관계없이 동일한 양의 냉각가스를 분출되게 할 수 있어 냉각 과정에서 압력용기(100a)의 표면이 동일한 온도분포를 갖게 한다.

이상에서 설명한 본 발명에 따른 압력용기 결함 검출장치는 도면에 도시된 일 실시 예를 참고로 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며 본 기술분야에 있어 통상의 지식을 가진자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시 예가 가능하다는 점을 이해할 것이다.

따라서 본 발명의 진정한 기술적인 보호 범위는 첨부된 청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.

100, 100a : 압력용기 200 : 냉각부
210 : 가스탱크 230 : 가스분사노즐
250 : 가스분사커버 300 : 촬영부
400 : 표시부 500 : 제어부
600 : 순환부 610 : 순환조
620 : 히터 630 : 순환펌프

Claims (3)

1. 삭제
2. 열에너지를 갖는 열원체가 내장 또는 이동될 수 있게 수용공간이 마련되고 상기 열원체의 열에너지에 의해 가열되는 압력용기와;
   상기 열원체에 의해 가열된 상기 압력용기의 표면에 냉각가스를 분사하여 상기 압력용기의 표면을 냉각시키는 냉각부와;
   상기 냉각부에 의해 냉각된 이후 상기 열원체에 의해 점차적으로 가열되는 상기 압력용기의 표면온도변화를 열 화상으로 촬영하는 촬영부와;
   상기 촬영부에서 촬영된 열 화상을 디스플레이하는 표시부와;
   상기 냉각부의 구동을 제어하고 상기 촬영부의 작동을 제어하는 제어부;를 구비하고,
   상기 압력용기는 외부로부터 상기 열원체가 상기 수용공간으로 유입되는 유입구와 상기 수용공간을 경유하여 상기 수용공간으로부터 상기 열원체가 외부로 배출되는 배출구가 마련되고 상기 열원체를 가열하여 상기 수용공간으로 공급 및 상기 수용공간으로부터 상기 열원체를 회수하는 순환부와 연결되며,
   상기 순환부는 상기 수용공간으로부터 배출되는 상기 열원체가 회수되는 저장공간이 마련된 순환조와 상기 순환조 내의 상기 열원체를 가열하는 히터와 상기 순환조 내의 열원체를 상기 수용공간으로 이송시키는 순환펌프를 포함하며,
   상기 냉각부는 상기 냉각가스가 충진된 가스탱크와 상기 가스탱크로부터 배출되는 상기 냉각가스가 이송되는 가스이송관과 상기 가스이송관에 일단이 결합 되고 타단은 상기 압력용기의 표면 방향으로 상기 냉각가스를 분사하는 가스분사노즐 및 상기 가스이송관에 설치되어 상기 제어부에 의해 제어되어 상기 가스이송관을 개폐시키는 밸브를 포함하는 것을 특징으로 하는 압력용기 결함 검출장치.
3. 열에너지를 갖는 열원체가 내장 또는 이동될 수 있게 수용공간이 마련되고 상기 열원체의 열에너지에 의해 가열되는 압력용기와;
   상기 열원체에 의해 가열된 상기 압력용기의 표면에 냉각가스를 분사하여 상기 압력용기의 표면을 냉각시키는 냉각부와;
   상기 냉각부에 의해 냉각된 이후 상기 열원체에 의해 점차적으로 가열되는 상기 압력용기의 표면온도변화를 열 화상으로 촬영하는 촬영부와;
   상기 촬영부에서 촬영된 열 화상을 디스플레이하는 표시부와;
   상기 냉각부의 구동을 제어하고 상기 촬영부의 작동을 제어하는 제어부;를 구비하고,
   상기 냉각부는 상기 냉각가스가 충진된 가스탱크와, 상기 가스탱크로부터 배출되는 상기 냉각가스가 이송되는 가스이송관과, 상기 가스이송관으로부터 이송되는 상기 냉각가스를 상기 압력용기의 표면으로 균일하게 분사될 수 있게 상기 압력용기의 표면을 둘러싸는 형상으로 형성되고 상기 가스이송관과 결합되는 주입구가 마련되며 내부에는 상기 주입구로 주입된 상기 냉각가스가 이동될 수 있게 유로가 형성되고 상기 압력용기의 표면과 마주보는 일 측면에 상기 유로와 연통되게 다수의 가스 분출구멍이 형성된 가스분사커버 및 상기 가스이송관에 설치되어 상기 제어부의 제어에 의해 상기 가스이송관을 개폐시키는 밸브를 포함하며,
   상기 가스분출구멍은 상기 주입구로부터 멀어질수록 점차적으로 내경이 커지게 형성된 것을 특징으로 하는 압력용기 결함 검출장치.
   

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