KR101626270B1 - 원자로 u형 모듈 관 시공장치 - Google Patents

원자로 u형 모듈 관 시공장치 Download PDF

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문인득
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Abstract

본 발명은 원자로 냉각재 계통설비에 구비된 원자로 냉각재 배관을 시공하기 위한 장치로서, 다수의 유압 장치에 의해서 바닥에 대해 상하로 승,하강가능하도록 구성된 하부 지지대; 상기 하부 지지대의 상부 측에 위치되고, 상부에는 U형 모듈 관을 장착하기 위한 새들을 구비한 상부 지지대; 및 상기 하부 지지대에 대해서 상기 상부 지지대를 회전시키도록 구성된 회전기구;를 포함하고, 상기 U형 모듈 관을 원자로의 냉각재 펌프의 케이싱 흡입구 하단과, 증기발생기의 출구관 엘보우 사이에 배치하고, 회전 및 상승시켜 정렬하며, 용접 연결하도록 사용되는 원자로 U형 모듈 관 시공장치를 제공한다. 또한, 본 발명에 의하면, U형 모듈 관과 냉각재 펌프의 케이싱 흡입구 하단, 및 증기발생기의 출구관 엘보우 사이의 용접 연결 부분에는 다수의 타이 스트랩을 장착하여 용접 작업중에 발생하는 용접 수축을 효과적으로 억제하며, 용접 작업은 원자로의 냉각재 펌프의 케이싱 흡입구 하단 측과, 증기발생기의 출구관 엘보우 측, 2개소에서 동시에 이루어짐으로써, 용접 부분의 횡방향 수축(Transverse shrinkage), 및 비틀림 변형(Angular distorsion)을 완벽하게 방지하여 정밀한 용접 시공을 이룰 수 있다.

Description

원자로 U형 모듈 관 시공장치{APPARATUS FOR INSTALLING U-SHAPED MODULE PIPE ON THE CLOSURE LOOP OF REACTOR COOLANT SYSTEM}
본 발명은 원자로 냉각재 계통설비에 구비된 원자로 냉각재 배관용 시공 장치에 관한 것으로, 보다 상세히는 CE형 2 LOOP 원자로 냉각재 배관의 가장 핵심 구간인 최종 연결구간(Closure loop)을 U형 배관 모듈을 활용하여 현장에서 용접 연결시켜서, 용접으로 인한 수축응력이 횡(수평)방향으로 미치치 않고, 종(수직)방향으로만 작용하도록 하고, 용접 연결부위에는 타이 스트랩을 적용함으로써, 원자로 냉각재 배관의 고온관, 저온관, 중간관 최종 연결구간의 연결용접 후에 존재하는 용접 수축 변형에 의한 잔류 하중을 최소화하여 원자로 냉각재 설비의 운전중에 발생하는 각종 진동 발생, 및 각종 부품들 간의 접촉 마모 현상을 방지할 수 있고, 그에 따른 원자로의 안정적인 가동, 세관 마모에 따른 설비 고장 방지, 및 원자로 내구 수명을 증대시키도록 개선된 원자로 U형 모듈 관 시공장치에 관한 것이다.
일반적으로, 원자로 발전소는 국내의 예를 들면, 컨버스천 엔지니어링(Combustion Engineering :CE)의 시스템플러스 80(한빛 3,4호기), 한국 표준형 원전(한울3,4,5,6호기 및 한빛 5,6호기), OPR1000(신고리 1,2호기), APR1400(신고리 3,4호기, 신울진 1,2호기, UAE 원전 1~4호기), 2-루프 가압경수로(Pressurized Water Reactor)등이 있다.
원자로 발전소(이하, 간략히 "원자로"라 한다)는 대한민국 등록특허공보 제10-1473665호의 "원자력 발전소의 부품 교체용 배관 지지 장치"에도 기재된 바와 같이, 격납 건물 내에 원자로 냉각재 계통(RCS:Reactor Coolant System)이 구비된다.
도 1을 참조하면, 이러한 원자로 발전소(이하, 간략히 "원자로"라 한다)의 기본 구조가 도시되어 있다.
이와 같은 원자로(1)는 격납 건물 내에 원자로 냉각재 계통(RCS:Reactor Coolant System)이 구비된다.
이와 같은 원자로 냉각재 계통은, 중앙에 원자로를 담고 있는 반응기(5)와, 이에 연결된 적어도 하나의 열전달 회로(7)를 가진다.
도 1에서는 두 개의 열전달 회로가 반응기(5)에 병렬로 연결된 것이 도시되어 있다.
각 회로(7)는 2대의 증기 발생기(9)와, 반응기(5) 및 증기 발생기(9) 사이에서 냉각재를 순환시키는 적어도 하나의, 보통 4대의 냉각재 펌프(11)를 포함한다. 각 회로(7)는 3개의 메인 배관을 포함하고, 메인 배관은 대구경으로 마련되며, 회로의 주요 부품과 연결된다. 이에 더하여 회로(7)는 냉각재의 온도 및 압력을 일정하게 유지하도록 하는 가압기(미 도시)를 포함한다.
첫 번째 대구경 배관 또는 고온관(hot leg)(13)은 대략 42인치 직경의 대경관으로서, 반응기(5)의 일측과, 증기 발생기(9)의 냉각재 챔버의 흡입부 일측에 연결되어 반응기(5) 내의 노심(core)과 접촉되어 가열된 냉각재를 증기 발생기(9)로 전송한다.
크로스 오버 레그(cross-over leg)로 불리는 순환관(15)은 증기 발생기(9)의 냉각재 챔버의 토출부 일측 및 냉각재 펌프(11)의 와류실 흡입부 일측을 연결한다.
그리고, 저온관(Cold leg)(17)은 냉각재 펌프(11)의 와류실과 반응기(5) 사이를 연결한다. 또한, 증기 발생기(9)에서 냉각되고 냉각재 펌프(11)에 의해 인출된 냉각재는 순환관(15), 저온관(17)을 통하여 반응기(5)로 전송되어 노심을 냉각한다.
이와 같은 원자로에서, 각각의 증기 발생기(9)는, 그 하부측이 슬라이딩 베이스(미 도시) 상에 다수의 스터드 앵커(미 도시)에 의해서 고정 지지되며, 이와 같은 슬라이딩 베이스는 포지드 앵커 플레이트 상에 마련된 다수의, 예를 들면 4개의 반구형 슬라이더 상에서 지지되어 원자로의 운전중에 발생하는 미세한 좌우 움직임을 수용하도록 되어 있다.
이와 같은 원자로 냉각재 계통설비에 구비된 원자로 냉각재 배관의 종래의 시공 공정은 아래와 같다.
즉, 도 2에 도시된 바와 같이, 반응기(5), 2대의 증기 발생기(9) 및 4대의 냉각재 펌프(11)의 배치 후에, 반응기(5)의 출구와 증기 발생기(9)를 연결하는 고온관(hot leg)(P001,P010)을 먼저 용접 연결한다.
이때에는 반응기(5) 측을 먼저 용접후, 증기발생기(9) 측을 후에 용접하며, 내면용접 & 응력 제거 열처리 작업(PWHT)을 실시한다.
그리고 다음으로는, 반응기(5)와 냉각재 펌프(11)를 연결시키는 제1 세트의 저온관(P005, P014)을 정렬시키고, 용접 연결한다.
또한 다음으로는, 반응기(5)와 냉각재 펌프(11)를 연결시키는 제2 세트의 저온관(P009, P018)을 정렬시키고, 용접 연결한다.
이때는 냉각재 펌프(11)의 케이싱, 수직 지지대와 크레비스 서포트가 슬라이딩 베이스에 연결된 상태서 용접이 이루어지게 된다.
CE형 원자로의 설치지침서(Installation Guideline)에는 냉각재 펌프(11)의 출입측과 입구측에 원자로배관 연결 용접시는 할 때에는 영구지지대 대신 임시지지대 사용을 권장한다. 그 이유는 용접 수축으로 인한 움직임을 허용하며 펌프 지지대에 구속력이 남지 않게 하는 목적이다. 이 방법은 한빛 3,4호기에서 적용되었다. 그러나 설치 방법의 선택은 시공계약자의 역무로 설치지침서에 명시되어 있어, 그 후 부터는 영구지지대를 사용하여 설치하는 방식을 적용하는 것이 업계의 통상적인 시공법이다.
이러한 저온관은 그 용접전에 원자로 냉각재 펌프(11)의 케이싱과 수직 컬럼 서포트를 영구적으로 설치 완료한 상태서 용접되어 원자로 냉각재 펌프(11)의 플랜지면의 수평고도의 어느 정도 기울어짐은 허용된다. 4개 펌프(11)의 중심선은 용접 수축량을 미리 보상하여 용접을 하게 된다.
수동용접의 경우 종방향 용접 수축 7~9mm이 대부분이고, 용접기사가 변위를 인식하면서 변위가 발생되면 반대방향으로 용접 작업을 지시하여 회전 수축에 대응하는 시공방법을 적용하여만 회전 수축에 대한 변위를 보상하면서 용접이 가능하다.
오비털 자동용접(Orbital automatic welding)은 수축은 5~6mm 범위이지만, 용접헤드가 한 방향으로 회전하며 계속 용접을 하므로 종방향 수축 이후에 횡(회전) 수축이 연이어 발생하는 특성이 있다. 이로 인해 원자로 냉각재 펌프는 수평고도는 최초 설치 상태의 수평을 유지하지 못하고 기울어지는 특성이 있다.
다음으로는, 반응기(5)와 냉각재 펌프(11)를 연결시키는 제1 세트의 저온관(P005, P014)과, 제2 세트의 저온관(P009, P018)의 응력 제거 열처리 작업(PWHT)을 실시한다.
그리고, 다음으로는 냉각재 펌프(11)의 케이싱 흡입구에 각각 엘보우(P004, P008, P013, P017)를 취부하여 용접을 하게 된다.
이와 같은 상세 구조가 도 3에 기재되어 있다.
즉, 각각의 냉각재 펌프(11)의 케이싱 흡입구 하단에 각각 엘보우(P004, P008, P013, P017)를 취부하여 용접연결한다.
이때는 엘보우(P004, P008, P013, P017)는 한쪽만 용접이 되므로 구속이 없는 상태이다. 한편 증기발생기(9)의 출구관 일측에 엘보우(P002, P006, P011, P015)는 독립공정으로 먼저 용접이 되어 이때도 구속이 없는 상태다.
이와 같은 엘보우 용접공정이 완료되면, 나머지 최종연결 구관의 순환관 L 자형 스풀을 설치하기 위해 연결구간을 측량으로 실측하여 가공치수를 산출하고, 순환관 L 자형 스풀(P003, P007, P012, P016)를 공장 가공하여 현장 맞춤을 하게 된다.
이와 같은 종래의 최종 연결 L 자형 스풀(P003, P007, P012, P016)을 가공하기 위해 현장 측량을 해보면, 펌프용기가 기울어진 만큼 최종 연결 L 자형 스풀(P003, P007, P012, P016)의 반대편(증기발생기의 출구노즐)이 올라오는 현상이 발견되며, 이는 저온관 용접으로 발생된 펌프용기의 플랜지면의 경사와 관련되어 있다.
따라서, 증기발생기(9)의 출구노즐에 연결하려면 정상장인 정렬작업을 할 수가 없어 현장 실측하여 최종 연결 L 자형 스풀(P003, P007, P012, P016)을 가공후 정렬 작업을 하게 된다.
이러한 경우, 증기발생기(9)의 출구관 측의 가공량의 경험치는 수동용접을 적용한 경험치는 최대 9mm정도 이며, 자동용접의 경우는 최대 50mm 정도 가공이 요구되어 펌프용기 플랜지면의 경사가 수동용접보다 자동용접이 더 많이 발생한다.
이러한 최종 연결 L 자형 스풀(P003, P007, P012, P016)의 정렬(FIT-UP)이 끝나면, 최종 연결 L 자형 스풀(P003, P007)의 용접작업을 실시하고, 최종 연결 L 자형 스풀(P012, P016)의 용접작업을 실시한다.
이와 같은 용접 단계에서는, 각각 최종 연결 L 자형 스풀(P003, P007, P012, P016)와, 펌프(11)의 흡입측의 엘보우와 가용접을 하여 종방향 수축 5mm가 용착되면, 증기발생기(9)의 출구측과 가용접을 하게 된다.
그리고, 다음으로는, 최종 연결 L 자형 스풀(P003, P007, P012, P016)을 전용접하고, 응력 제거 열처리 작업(PWHT)을 실시한다.
또한 다음으로는, 이러한 최종 용접 완료 후에 최종 측량을 하며, 원자로 냉각재 펌프 수평 지지대의 설치 단계가 실행된다.
이 과정 까지가 CE형 2-LOOP 원자로에 적용되어온 통상적인 냉각재 배관 계통의 배관 시공 방식이다.
그러나, 이와 같은 종래의 시공방법은 최종 연결 L 자형 스풀(P003, P007, P012, P016)를 가공완료 후, 용접을 할 경우 저온관 방향으로 완전히 구속된 상태에서 용접 수축이 발생되어야 하므로, 이 과정에서 과대한 수축응력이 발생하여 용접중 저온균열이 수동용접에서 발생된 사례가 있었다.
용접부에서, 용접구속이 많은 경우, 용접부에 예열온도를 기술기준보다 높여 용접시공을 하면 저온균열은 방지할 수 있는 것이 일반적인 용접기술이다.
그러나, 냉각재 펌프 수직 컬럼 서포트(Vertical column support)가 영구적으로 설치되어 있으므로, 용접 수축이 발생시 배관 용접부에만 존재하는 것이 아니고, 수직컬럼 서포트가 앵커볼트에 고정되어 구속되어 있기 때문에, 수축에 대응하려는 힘이 앵커볼트(anchor bolt)와 펌프 수직지지대에 잔류하게 된다.
즉, 종래의 시공방법은 도 5에 도시된 바와 같이, 최종 연결 L 자형 스풀(P003, P007, P012, P016)을 시공하는 경우, 냉각재 펌프(11)의 케이싱 흡입구 하단에 설치된 엘보우(P004, P008, P013, P017)에서는, 수직방향으로 용접선이 형성되어 용접이 이루어지고, 증기발생기(9)의 출구관 측 엘보우(P002, P006, P011, P015)에서는 수평방향으로 용접선이 형성되어 용접이 이루어진다.
따라서, 냉각재 펌프(11)의 케이싱 흡입구 하단에 설치된 엘보우(P004, P008, P013, P017)의 수직방향으로 용접선에 의해서는 최종 연결 L 자형 스풀(P003, P007, P012, P016)의 길이방향(횡방향)으로 용접 수축이 발생되고, 증기발생기(9)의 출구관 측 엘보우(P002, P006, P011, P015)의 수평방향으로 용접선에 의해서는 최종 연결 L 자형 스풀(P003, P007, P012, P016)의 수직방향(종방향)으로 용접 수축이 발생된다.
그리고, 이와 같은 용접 수축에 대응하려는 또 다른 현상은 증기발생기의 슬라이딩 베이스에도 영향을 미친다. 즉, 증기발생기(9)의 노즐측과 중간관 연결용접시 발생하는 용접 수축 5mm에 대응하려는 반력이 증기발생기(9)의 슬라이딩 베이스에 가해져서 용접전과 용접후의 슬라이딩 베이스 스커트의 수평고도가 1mm 정도 침하된다.
뿐만 아니라, 최종 연결 L 자형 스풀(P003, P007, P012, P016)의 용접부에서 이루어지는 응력제거 열처리 작업에 의해서 응력은 제거되지만, 응력제거 열처리가 끝난 증기발생기(9) 노즐과, 펌프(11)의 노즐에는 여전히 잔류 응력이 생기게 된다.
즉 슬라이딩 베이스의 침하와, 펌프 수직컬럼 서포트(Vertical column support)에 잔류한 하중(Preload)은 용접부에 대한 응력제거 열처리를 하더라도 펌프 수직컬럼 서포트에는 잔류 하중이 남게 된다.
이러한 잔류하중은 원자로 작동시 배관 움직임을 발생시키는 한 원인이다.
실제로, 미국 Milestone point 2호기의 증기발생기(9)의 교체공사를 수행한 벡텔엔지니어링이 원자로 냉각재 펌프에 잔류한 하중제어에 실패한 사유로 교체 공사기간이 대폭 연장된 사례가 발생되었다. 통상적인 교체공사 기간은 80일 전후였으나, 이 Milestone point 2호기에서는 185일 소요되었고, 방사선 피폭량도 통상적인 교체사업에 비해 3배 이상 피폭 기록으로 남아 있다.
또한, 원자로 냉각재 펌프(11)의 서포트와 증기발생기(9)의 슬라이딩 베이스에 잔류하중이 남아 있으면, 고온 기능 시험중에 원자로 냉각재 계통의 열팽창 거동에 영향을 미쳐 증기발생기(9)의 상부지지대에 있는 키이/키웨이(미 도시)간에 유지되어야 할 고온간극 요건에 영향을 미치고, 또한 방진기(SNUBBER)의 상온(heat-up전/cool-down후) 핀과 핀간 거리(Pin-to-pin)가 설계기준을 초과하는 문제가 있다.
그리고, 원자로의 정상운전 중에 진동(vibration)이 발생하여 증기발생기(9)의 세관 마모가 상업운전 초기 부터 발생되게 된다. 그리고 심한 경우는 원자로 냉각재 펌프(11)에 고진동을 초래하게 된다.
이와 같이 종래의 원자로 냉각재 배관 시공에 따른 문제점들은 최종 연결 L 자형 스풀(P003, P007, P012, P016)의 용접부에서 종 수축과 횡 수축이 발생되고, 그 과정에서 증기발생기(9)의 하부지지구조와 냉각재 펌프(11)의 수직 컬럼에 잔류하중(spring back force)이 남게 된다.
즉, 종래의 공정은 영구지지대를 사용하여 원자로 냉각재 펌프(11)의 입구관, 출구관에 용접을 하게 되므로 구속력이 남게 된다.
따라서, 종래의 공정은 구속력의 작용으로 인해 펌프케이싱의 수평고도에 영향을 미쳐 용접부에 결함이 발생되면, 보수용접으로 인해 국부적인 수축이 발생되어 펌프 케이싱의 수평고도가 설계 기준치를 벗어나는 문제가 있다.
이러한 잔류하중의 결과로서, 최종 연결 L 자형 스풀(P003, P007, P012, P016)를 용접하면 슬라이딩 베이스에 수축으로 인한 압축하중이 발생되어 침하가 생긴다. 이 침하는 슬라이더와 베이스 플레이트간에 마찰력을 증가시킨다.
이러한 침하량이 슬라이딩 베이스에 잔류하는 하중으로 볼 수 있다. 이러한 잔류하중은 원자로의 기동초기에 슬라이더의 마찰력을 증가시켜서 횡방향 미끌림 작동을 크게 저해하는 특성이 있다.
즉, 상기 슬라이딩 베이스는 설치공차(레벨공차 +/- 0.889mm 이내)를 만족해야 하는 것이 설계요건이다. 그러나 최종 연결 L 자형 스풀(P003, P007, P012, P016)의 연결 용접시에는 2개소 용접을 동시에 수행하는 관계로 수직 방향(종방향)의 용접 수축력이 슬라이딩 베이스에 압축력으로 작용하게 된다.
이러한 용접 공정은 용접 수축으로 인해 수직 방향(종방향)으로 설계 허용치보다 약 0.9~1.1mm 마이너스(-) 방향의 용접변위가 발생되며, 이는 슬라이딩 베이스에 압축력으로 잔류하게 된다. 이 압축력은 기동초기에 마찰력을 증가시켜 횡방향(수평 방향)의 미끌음을 억제하는 특성이 있다.
결과적으로, 종래의 원자로 냉각재 배관 용접공접은, 원자로 냉각재 펌프(11)의 영구지지대(수직컬럼 서포트)를 설치하고 저온관을 용접완료하고, 최종 연결 L 자형 스풀(P003, P007, P012, P016)을 용접할 경우에 증기발생기(9)의 하부 지지대와, 원자로 냉각재 펌프(11)의 수직컬럼 지지대에 잔류하중이 존재하는 현상은 회피할 수 없게 된다.
따라서, 슬라이딩 베이스가 변형되어 수평을 유지 못하고 기울어지면, 결과적으로 원자로 냉각재 펌프(11)와 증기발생기(9)의 관련지지 구조물의 변형과 간섭으로 인해 진동응력(vibration stress)을 더욱 가중시키게 된다.
이러한 진동응력은 증기발생기(9)의 세관 마모의 원인이 될 뿐 아니라, 마모는 튜브(세관) 표면을 응력을 증가시켜서 세관의 응력부식균열을 야기시키게 된다. 또한 RCS 계통에 연결된 배관에 피로를 가중시키게 된다.
이러한 상태로 장주기 운전되면, 원자로 냉각재 펌프의 내장품 마모, 원자로 냉각재 펌프의 메카니컬 실(mechnical seal)과 소구경 배관의 누설로 이어진다.
한편, 원자로 냉각재 배관의 용접시공은 단순히 용접부로 보기보다는 비록 수축, 변형을 동반하는 용접 이음부이지만 이를 정밀한 기계적 이음 수준으로 관리해야 할 필요성이 있다. 즉, 설계 목적을 구현하기 위한 시공기술의 중요성은 말로 다할 수 없지만, 원설계자 시공지침서(Installation guideline)에서 권고하는 지침은 수동용접 지침에 해당되어 신고리 1,2호기부터 자동용접을 적용하는 경우는 고려되지 않아 일부 공정이나 시공기술의 보완이 필요한 부분이 있다.
시공지침서에는 고온관 용접시에만 두 사람이 서로 반대 위치에서 동시에 벨런스 용접하도록 권하고 있다. 그러나 자동용접에서는 용접헤드가 한 방향으로 회전하는 방식을 거의 대부분 적용하여 횡 수축(원주방향) 제어에 실패한 결과로 야기된 문제점이 들어난다, 즉, 용접부에 대한 비파괴 품질에 너무 치우친 나머지 용접 수축 및 변형으로 인한 RCS 계통의 기구학적인 운전 특성이 간과되어 온 관계로 자동용접이 적용된 이후부터 증기발생기(9), 냉각재 펌프(11)의 정위치(True position)를 벗어나는 문제점이 많이 발생되고, 기기 진동 문제도 자주 발생되어. 자동용접 적용에 따른 보다 정밀한 용접 시공기술의 개발이 절실한 실정이다.
따라서, 당업계에서는 원자로의 구조적 진동을 최소화하여 증기 발생기의 세관 마모와, 원자로 냉각재 계통 설비의 마모(wear)를 방지할 수 있는 기술 개발이 절실하게 요구된다.
본 발명의 목적은 상기와 같은 종래의 문제점을 해소시키기 위한 것으로서, 신규 원자로 배관 시공시, 고온관, 저온관, 중간관 최종 연결(closure loop)의 용접 수축으로 인해 발생하는 증기발생기 지지구조인 슬라이딩 베이스의 침하를 방지하고, 슬라이더의 작동 불일치를 방지할 수 있으며, 원자로 냉각재 펌프의 구조적 진동과 증기발생기 세관 마모를 방지할 수 있는 원자로 U형 모듈 관 시공장치를 제공함에 있다.
또한, 본 발명의 다른 목적은 U형 모듈 관의 공장 또는 현장 가공이 완료되면, 이를 냉각재 펌프의 케이싱 흡입구 하단과, 증기발생기의 출구관 엘보우 사이에서 작업자가 매우 쉽게 최종 정렬을 할 수 있고, U형 모듈 관과 냉각재 펌프의 케이싱 흡입구 하단과, 증기발생기의 출구관 엘보우 사이의 용접 연결 부분에는 타이 스트랩을 장착하여 용접 작업중에 발생하는 용접 수축을 억제하며, 용접 부위의 2개소에서 동시에 오비털 자동용접(Orbital automatic welding)을 통해 용접 연결함으로써, 용접 부분의 횡방향 수축(Transverse shrinkage), 및 비틀림 변형(Angular distorsion)을 방지하여 정밀한 용접 시공을 가능하게 하는 원자로 U형 모듈 관 시공장치를 제공함에 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 원자로 냉각재 계통설비에 구비된 원자로 냉각재 배관을 시공하기 위한 장치에 있어서,
다수의 유압 장치에 의해서 바닥에 대해 상하로 승,하강가능하도록 구성된 하부 지지대;
상기 하부 지지대의 상부 측에 위치되고, 상부에는 U형 모듈 관을 장착하기 위한 새들을 구비한 상부 지지대; 및
상기 하부 지지대에 대해서 상기 상부 지지대를 회전시키도록 구성된 회전기구;를 포함하고, 상기 U형 모듈 관을 원자로의 냉각재 펌프의 케이싱 흡입구 하단과, 증기발생기의 출구관 엘보우 사이에 배치하고, 회전 및 상승시켜 정렬하며, 용접 연결하도록 사용되는 원자로 U형 모듈 관 시공장치를 제공한다.
또한 본 발명은 바람직하게는, 상기 회전기구는 하부 지지대의 상부면에 고정된 원형 레일과, 상부 지지대의 하부면에 고정된 다수의 휠들을 포함하며, 상기 휠들은 상기 원형 레일 상에 배치되어 원형 레일을 따라서 이동함으로써, 하부 지지대에 대하여 상부 지지대의 360도 회전을 허용하고, 상기 상부 지지대상의 U형 모듈 관을 상기 원자로의 냉각재 펌프의 케이싱 흡입구 하단과, 증기발생기의 출구관 엘보우 하부에서 회전시키도록 구성된 것이다.
그리고 본 발명은 바람직하게는, 상기 상부 지지대는 새들 상에 다수의 턴 버클과 고무판이 U형 모듈 관을 에워싸도록 구성되어 U형 모듈 관을 고정시키고, 상기 상,하부 지지대의 측면에는 줄걸이용 다수의 리프팅 러그들이 형성되어 상,하부 지지대를 이동시킬 수 있도록 구성된 것이다.
또한 본 발명은 바람직하게는, 상기 U형 모듈 관의 일측과, 상기 원자로의 냉각재 펌프의 케이싱 흡입구 하단 용접 연결부위와, 상기 U형 모듈 관의 타측과, 상기 증기발생기의 출구관 엘보우의 용접 연결부위는, 용접작업시 용접수축을 방지하기 위해 고정되는 다수의 타이 스트랩을 포함하는 것이다.
그리고 본 발명은 바람직하게는, 상기 다수의 타이 스트랩은, 상기 U형 모듈 관의 일측과, 상기 원자로의 냉각재 펌프의 케이싱 흡입구 하단 용접 연결부위 내부와, 상기 U형 모듈 관의 타측과, 상기 증기발생기의 출구관 엘보우의 용접 연결부위 내부에서, 각각 원주방향 45도의 등 간격으로 용접고정되며, 상기 용접 연결부위의 외부 용접이 완료된 다음에는 상기 U형 모듈 관과, 상기 원자로의 냉각재 펌프의 케이싱 흡입구 하단, 및 증기발생기의 출구관 엘보우 사이의 용접 연결 부위로부터 제거되는 것이다.
또한 본 발명은 바람직하게는, 상기 다수의 타이 스트랩은, 각각 용접 연결부위 내부에서, 상기 U형 모듈 관의 일측과, 상기 원자로의 냉각재 펌프의 케이싱 흡입구 하단을 용접연결하거나, 또는 상기 U형 모듈 관의 타측과, 상기 증기발생기의 출구관 엘보우를 용접연결하며, 상기 타이 스트랩 각각의 중간에는 상기 U형 모듈 관의 일측과, 상기 원자로의 냉각재 펌프의 케이싱 흡입구 하단 사이의 개선 홈과, 상기 U형 모듈 관의 타측과, 상기 증기발생기의 출구관 엘보우 사이의 개선 홈에 각각 일치하여 삽입되는 쐐기형의 단턱을 형성하여 면 접촉함으로써, 용접 작업시 용접 수축을 최소화하도록 구성된 것이다.
그리고 본 발명은 바람직하게는, 상기 U형 모듈 관의 일측과, 상기 원자로의 냉각재 펌프의 케이싱 흡입구 하단 용접 연결부위와, 상기 U형 모듈 관의 타측과, 상기 증기발생기의 출구관 엘보우의 용접 연결부위는, 각각 TIG 자동용접장치에 의해서 동시에 용접작업이 이루어지고, 완료되는 것이다.
본 발명에 따른 원자로 U형 모듈 관 시공장치에 의하면, U형 모듈 관의 공장 또는 현장 가공이 완료되면, 이를 상부 지지대의 새들에 장착하고, 이와 같은 상태에서 원자로의 냉각재 펌프의 케이싱 흡입구 하단과, 증기발생기의 출구관 엘보우 사이에서 회전 및 상승시켜 최종 정렬하며, 용접 연결하도록 사용될 수 있다.
또한, 본 발명에 의하면, U형 모듈 관과 냉각재 펌프의 케이싱 흡입구 하단, 및 증기발생기의 출구관 엘보우 사이의 용접 연결 부분에는 다수의 타이 스트랩을 장착하여 용접 작업중에 발생하는 용접 수축을 효과적으로 억제하며, 용접 작업은 원자로의 냉각재 펌프의 케이싱 흡입구 하단 측과, 증기발생기의 출구관 엘보우 측, 2개소에서 동시에 이루어짐으로써, 용접 부분의 횡방향 수축(Transverse shrinkage), 및 비틀림 변형(Angular distorsion)을 완벽하게 방지하여 정밀한 용접 시공을 이룰 수 있다.
따라서, 본 발명에 의하면 원자로 배관 시공시, 고온관, 저온관, 중간관 최종 연결(closure loop)의 용접 수축으로 인해 발생하는 증기발생기 지지구조인 슬라이딩 베이스의 침하를 방지하고, 슬라이더의 작동 불일치를 방지할 수 있으며, 원자로 냉각재 펌프의 구조적 진동과 증기발생기 세관 마모를 방지하고, 각종 부품들 간의 접촉 마모 현상을 방지할 수 있어서 원자로의 안정적인 가동, 설비 고장 방지, 및 원자로 내구 수명을 증대시키는 개선된 효과를 얻을 수 있다.
도 1은 원자로의 반응로, 증기발생기 및 냉각재 펌프들을 포함하는 냉각재 계통(RCS:Reactor Coolant System)을 도시한 외관 사시도이다.
도 2는 원자로의 반응로, 증기발생기 및 냉각재 펌프들을 포함하는 냉각재 계통(RCS:Reactor Coolant System)을 도시한 평단면도이다.
도 3은 종래의 기술에 따라서, 최종 연결 L 자형 스풀을, 냉각재 펌프의 흡입측의 엘보우와 증기발생기의 출구측 엘보우 사이에서 연결시키는 설명도이다.
도 4는 본 발명에 따른 원자로 U형 모듈 관 시공장치를 전체적으로 도시한 측면도이다.
도 5는 본 발명의 원자로 U형 모듈 관 시공장치를 도시한 종단면도로서, 도 4의 A-A선을 따른 단면도이다.
도 6a는 본 발명에 따른 원자로 U형 모듈 관 시공장치에서 하부 지지대의 원형 레일 상에 휠이 배치된 위치를 도시한 평면도이다.
도 6b는 본 발명에 따른 원자로 U형 모듈 관 시공장치에서 원형 레일 상의 휠이 배치된 위치를 도시한 측 단면도이다.
도 7은 본 발명에 따른 원자로 U형 모듈 관 시공장치에서, 용접 연결부부분에 설치되는 타이 스트랩의 장착구조를 도시한 단면도이다.
도 8은 본 발명에 따른 원자로 U형 모듈 관 시공장치에서, 용접 연결부부분에 설치되는 타이 스트랩의 배치구조와 2개소 동시 용접을 설명하기 위한 평 단면도이다.
도 9a, b는 본 발명에 따른 원자로 U형 모듈 관 시공장치의 타이 스트랩 모델링 실험에 사용된, 시험편 설명도 및 결과 그래프도이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시 예를 도면을 참조하여 보다 상세히 설명한다.
본 발명에 따른 원자로 U형 모듈 관 시공장치(100)는, 도 4에 전체적으로 도시된 바와 같이, 원자로의 냉각재 펌프(11)의 케이싱 흡입구 하단과, 증기발생기(9)의 출구관 엘보우(P002, P006, P011, P015) 사이에, 각각 U형 모듈 관(P003+P004),(P007+P008),(P012+P013),(P016+P017)을 배치하고, 회전 및 상승시켜 정렬하며, 용접 연결하도록 사용되는 장치이다.
상기 U형 모듈관은 도 2에 관련하여 표기된 바와 같이, 4개소의 냉각재 펌프(11)와 2개소의 증기발생기(9) 사이에서 동시에 용접 연결된다.
즉, 상기 U형 모듈관은 용접의 벨런스를 유지하기 위해서, 도 2에 도시된 바와 같은, 4개 U형 모듈관(P003+P004),(P007+P008),(P012+P013),(P016+P017)을 동시 용접한다. 이와 같이, 4개소 용접이 동시에 이루어질 때 반응로(5)를 중심으로 서로 대각방향으로 대칭된 루프에서 밸런스 용접이 되도록 용접 헤드는 서로 반대방향으로 회전하게 하여 회전 수축을 방지하게 된다.
본 발명에 따른 원자로 U형 모듈 관 시공장치(100)는, 다수의 유압 장치(106)에 의해서 바닥(108)에 대해 상하로 승,하강가능하도록 구성된 하부 지지대(110)를 갖는다.
이와 같은 하부 지지대(110)는, 예를 들면 철 구조물로 제작되고, 상기 유압 장치(106)는 예를 들면 6개가 하부 지지대(110)의 아래에 장착되며, 이를 통하여 하부 지지대(110)의 승,하강이 이루어진다.
또한, 이러한 하부 지지대(110)는 그 측면에, 다수의 리프팅 러그(114)들이 형성되어 하부 지지대(110)를 이동시키는 경우, 줄걸이 수단으로서 사용될 수 있다.
그리고, 상기 하부 지지대(110)의 상부 측에는 상부 지지대(130)가 구비된다. 이와 같은 상부 지지대(130)는 그 상부에 각각 U형 모듈 관(P003+P004),(P007+P008),(P012+P013),(P016+P017)을 장착하기 위한 새들(140) 을 구비한 것으로서, 하부 지지대(110)와 마찬가지로, 예를 들면 철 구조물로 제작되고, 그 측면에는 다수의 리프팅 러그(134)들이 형성되어 상부 지지대(130)를 이동시키는 경우, 줄걸이 수단으로서 사용될 수 있다.
또한, 상부 지지대(130)의 상부에 위치된 새들(140) 은, 도 5에 도시된 바와 같이, 그 상부 면에 원호형 경사면을 형성하여 상기 U형 모듈 관(P003+P004),(P007+P008),(P012+P013),(P016+P017)이 안착되는 구조이다.
또한, 이와 같은 새들(140) 은 그 상부 양측으로, 도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이, 각각 다수의 턴 버클(144)들이 고정되며, 이러한 턴 버클(144)은 와이어 로프(146)가 U형 모듈 관(P003+P004),(P007+P008),(P012+P013),(P016+P017)을 에워싸도록 구성되어 U형 모듈 관(P003+P004),(P007+P008),(P012+P013),(P016+P017)을 고정시킨다.
이때, 상기 턴 버클(144)의 와이어 로프(146)가 U형 모듈 관(P003+P004),(P007+P008),(P012+P013),(P016+P017)을 에워싸는 경우, U형 모듈 관(P003+P004),(P007+P008),(P012+P013),(P016+P017)의 표면 손상을 방지하기 위해서, 와이어 로프(146)와 U형 모듈 관 사이에는 고무판(148)이 삽입된다.
이와 같은 고무판(148)은 와이어 로프(146)가 U형 모듈 관(P003+P004),(P007+P008),(P012+P013),(P016+P017)을 스크래치 손상시키지 않도록 할 뿐만 아니라, 금속 재료 간의 미끄러짐을 방지하여 완벽한 고정이 이루어지도록 한다.
또한, 본 발명에 따른 원자로 U형 모듈 관 시공장치(100)는, 상,하부 지지대(110, 130)의 사이에 하부 지지대(110)에 대해서 상부 지지대(130)를 회전시키도록 구성된 회전기구(170)가 배치된다.
이와 같은 회전기구(170)는, 도 6a 및 도 6b에 도시된 바와 같이, 하부 지지대(110)의 상부 면에 고정된 원형 레일(172)과, 상부 지지대(130)의 하부 면에 고정된 다수의 휠(174)들을 포함한다.
이와 같은 회전기구(170)는 상기 휠(174)들이 상기 원형 레일(172) 상에서, 도 6a에 도시된 바와 같이, 바람직하게는 원형 레일(172)을 따르는 원주방향으로 6개소에 등 간격으로 배치되어 원형 레일(172)을 따라서 굴러 이동하도록 구성된다.
이와 같은 구조에서, 상기 레일(172)은 그 상부 면이 오목한 "∪"형 홈을 형성하고, 상기 휠(174)들은 레일(172)의 오목한 "∪"형 홈을 따라서 굴러 이동한다. 이러한 휠(174)들은 그 회전을 원활하게 하기 위하여 니들 베어링(미 도시)이 내장될 수 있다.
따라서, 이와 같은 회전기구(170)는 하부 지지대(110)에 대하여 상부 지지대(130)의 360도 회전을 허용하고, 결과적으로 상부 지지대(130)상의 새들(140)에 U형 모듈 관(P003+P004),(P007+P008),(P012+P013),(P016+P017)이 고정되면, 상기 U형 모듈 관(P003+P004),(P007+P008),(P012+P013),(P016+P017)이 원자로의 냉각재 펌프(11)의 케이싱 흡입구 하단과, 증기발생기(9)의 출구관 엘보우(P002, P006, P011, P015) 하부에서 360도 회전될 수 있도록 한다.
또한, 본 발명에 따른 원자로 U형 모듈 관 시공장치(100)는, U형 모듈 관의 일측과, 상기 원자로의 냉각재 펌프(11)의 케이싱 흡입구 하단 용접 연결부위 및, 상기 U형 모듈 관의 타측과, 상기 증기발생기(9)의 출구관 엘보우(P002, P006, P011, P015)의 용접 연결부위에, 용접작업시 용접수축을 방지하기 위한 다수의 타이 스트랩(190)을 포함한다.
이러한 타이 스트랩(190)의 장착 구조가 도 7에 도시되어 있다.
즉, 상기 타이 스트랩(190)은, 상기 U형 모듈 관의 일측과, 상기 원자로의 냉각재 펌프(11)의 케이싱 흡입구 하단 용접 연결부위 내부와, 상기 U형 모듈 관의 타측과, 상기 증기발생기(9)의 출구관 엘보우(P002, P006, P011, P015)의 용접 연결부위 내부에서 각각 용접고정된다.
이와 같은 타이 스트랩(190)은, 도 8에 도시된 바와 같이, 각각 용접 연결부위 내부에서, 상기 U형 모듈 관의 일측과, 상기 원자로의 냉각재 펌프(11)의 케이싱 흡입구 하단의 내측에서, 예를 들면 각각 원주방향 45도의 등 간격으로, 8개소 용접 연결한다.
또한, 상기 U형 모듈 관의 타측과, 상기 증기발생기(9)의 출구관 엘보우(P002, P006, P011, P015)의 내측에서, 예를 들면 각각 원주방향 45도의 등 간격으로, 8개소 용접 연결한다.
이와 같은 타이 스트랩(190)은 통상적인 대구경 용접작업에서 사용하는 임시고정 지그의 가 용접(Tack-welding)과는 다른 구조로 연결된다.
즉, 본 발명에서 사용되는 타이 스트랩(190)은 그 중간에 각각 상기 U형 모듈 관의 일측과, 상기 원자로의 냉각재 펌프(11)의 케이싱 흡입구 하단 사이의 개선 홈(192)에 일치하는 단턱(194)을 구비하도록 정밀 가공된다.
마찬가지로, 상기 타이 스트랩(190)은 상기 U형 모듈 관의 타측과, 상기 증기발생기(9)의 출구관 엘보우(P002, P006, P011, P015) 사이의 개선 홈(192)에 각각 일치하여 삽입되는 쐐기형의 단턱(194)을 구비한다.
또한, 상기 타이 스트랩(190)은 임시고정 지그의 가 용접(Tack-welding)과는 다르게 그 양 측면의 전체길이를 따른 완전한 전체 용접으로 연결된다.
즉, 일반적인 사용되는 임시고정 지그의 가 용접(Tack-welding) 작업으로는, 본 발명이 적용되는 U형 모듈 관(P003+P004),(P007+P008),(P012+P013),(P016+P017)의 용접 연결시, 그 용접 수축을 견딜 수 없기 때문에, 상기 타이 스트랩(190)은 완전한 전체 용접방식으로 연결된다.
이러한 타이 스트랩(190)의 연결과정에서, 타이 스트랩(190)의 중간 단턱(194)은, U형 모듈 관의 일측과, 상기 원자로의 냉각재 펌프(11)의 케이싱 흡입구 하단 사이의 개선 홈(192)에 일치하고, U형 모듈 관의 타측과, 상기 증기발생기(9)의 출구관 엘보우(P002, P006, P011, P015) 사이의 개선 홈(192)에 각각 일치하여 면 접촉하는 구조를 갖춤으로써, 상기 U형 모듈 관(P003+P004),(P007+P008),(P012+P013),(P016+P017)의 용접 연결 작업시 그 용접 수축을 최소화하도록 구성된 것이다.
상기와 같이 구성된 본 발명에 따른 원자로 U형 모듈 관 시공장치(100)는, 상기 U형 모듈 관(P003+P004),(P007+P008),(P012+P013),(P016+P017)의 설치 전에 선행적으로 조치되어야 할 것이, 원자로는 어떠한 조건에서도 움직임이 없도록 사전에 완전히 고정되어야 한다. 상기 U형 모듈 관은 각각 공장에서, 또는 현장에서 사전 제작될 수 있다.
상기 U형 모듈관은 최종 연결구간(CLOSE LOOP)을 4개소에서 본뜨기 측정한 값과 비교하면서 정밀하게 현장 또는 공장 가공하게 된다.
또한, 상기 U형 모듈관의 제작시, 사전 측정된 스풀 길이에 일치하도록 용접시 종 수축과 회전 수축을 모니터링 하면서 용접한다.
이때에는 각각의 배관 내면에 정렬 러그(Alignment lug)를 부착하고 용접한 후에 응력 제거 열처리 작업(PWHT)을 실시한다.
이렇게 U형 모듈 관을 준비함으로써, 종전의 최종 연결 L 자형 스풀(P003, P007, P012, P016)의 가공 치수가 설계 치수와 상이하여 공장 가공하여 재반입하여 지연되는 공정을 없앨 수 있다.
한편, 이와 같은 U형 모듈관은 용접의 벨런스를 유지하기 위해서, 도 2에 관련하여 표기된 바와 같이, 4개소의 냉각재 펌프(11)와 2개소의 증기발생기(9) 사이에서 4개 U형 모듈관(P003+P004),(P007+P008),(P012+P013),(P016+P017)을 동시 용접한다.
이때, 본 발명에 따른 원자로 U형 모듈 관 시공장치(100)는, 도 4에 전체적으로 도시된 바와 같이, 상부 지지대(130)의 새들(140)에 각각의 U형 모듈 관(P003+P004),(P007+P008),(P012+P013),(P016+P017)을 고정한 상태에서 원자로의 냉각재 펌프(11)의 케이싱 흡입구 하단과, 증기발생기(9)의 출구관 엘보우(P002, P006, P011, P015) 사이에 각각 배치된다.
이때에는, 상기 U형 모듈 관의 높이는 원자로의 냉각재 펌프(11)의 케이싱 흡입구 하단과, 증기발생기(9)의 출구관 엘보우(P002, P006, P011, P015) 보다는 그 높이가 낮은 상태이며, U형 모듈 관은 그 양 측단이, 원자로의 냉각재 펌프(11)의 케이싱 흡입구 하단과, 증기발생기(9)의 출구관 엘보우(P002, P006, P011, P015)에 정렬되지 않은 상태이다., 예를 들면, 대략 90도 어긋나서 배치된 상태이다.
이와 같은 상태에서, 작업자는 회전기구(170)를 이용하여 U형 모듈 관(P003+P004),(P007+P008),(P012+P013),(P016+P017)의 양 측단이 원자로의 냉각재 펌프(11)의 케이싱 흡입구 하단과, 증기발생기(9)의 출구관 엘보우(P002, P006, P011, P015)에 정렬하도록 U형 모듈 관을 회전시킨다.
이때, 상기 회전기구(170)는 상부 지지대(130)의 휠(174)들이 하부 지지대(110)의 원형 레일(172)을 따라서 회전하여 U형 모듈 관(P003+P004),(P007+P008),(P012+P013),(P016+P017)이 회전됨은 상기에서 설명한 바와 같다.
그리고, 다음으로는 하부 지지대(110)에 마련된 유압 장치(106)를 이용하여 U형 모듈 관(P003+P004),(P007+P008),(P012+P013),(P016+P017)을 상승시킨다. 이때, 상기 유압 장치(106)는 상,하부 지지대(110, 130) 및 그 위의 U형 모듈 관 모두를 승,하강시킴은 물론이다.
이와 같이 U형 모듈 관(P003+P004),(P007+P008),(P012+P013),(P016+P017)이 상승되어 원자로의 냉각재 펌프(11)의 케이싱 흡입구 하단과, 증기발생기(9)의 출구관 엘보우(P002, P006, P011, P015)에 최종 정렬되면, 상기 U형 모듈 관(P003+P004),(P007+P008),(P012+P013),(P016+P017)의 내부에서 타이 스트랩(190)의 장착이 이루어진다.
즉, 본 발명에서 특별하게 구성된 타이 스트랩(190)을 이용하여, 도 7 및 도 8에 도시된 바와 같이, 상기 U형 모듈 관의 일측과, 상기 원자로의 냉각재 펌프(11)의 케이싱 흡입구 하단의 내측을 각각 원주방향 45도의 등 간격으로, 8개소 용접 연결한다. 또한, 상기 U형 모듈 관의 타측과, 상기 증기발생기(9)의 출구관 엘보우(P002, P006, P011, P015)의 내측을 각각 원주방향 45도의 등 간격으로, 8개소 용접 연결한다.
그리고, 이와 같이 타이 스트랩(190)에 의한 고정이 이루어진 다음, 도 8에 도시된 바와 같이, 상기 U형 모듈 관의 일측과, 상기 원자로의 냉각재 펌프(11)의 케이싱 흡입구 하단 용접 연결부위와, 상기 U형 모듈 관의 타측과, 상기 증기발생기(9)의 출구관 엘보우(P002, P006, P011, P015)의 용접 연결부위가, 각각 TIG 자동용접장치에 의해서 동시에 용접작업이 이루어진다.
이와 같이, 도 8의 용접 부위(W1, W2) 2개소에서, 동시에 오비털 자동용접(Orbital automatic welding)을 통해 용접 연결이 이루어지면, 용접 부분의 횡방향 수축(Transverse shrinkage), 및 각 비틀림 변형(Angular distorsion)을 완벽하게 방지하여 정밀한 용접 시공을 이룰 수 있다.
상기 오비털 자동용접(Orbital automatic welding)은, 예를 들면 TIG 자동용접장치로 이루어질 수 있다.
그리고, 이와 같이 용접 작업에서, 용접 연결부위의 용접 7~8 패스(pass) 작업이 이루어지면, U형 모듈관을 고정한 턴 버클(144)을 제거하고, 그 후의 용접 패스에서 일어나는 용접 수축은 타이 스트랩(190)이 완벽하게 방지하여 용접 수축이 일어나지 않게 된다.
또한, 이와 같은 상기 U형 모듈 관의 일측과, 상기 원자로의 냉각재 펌프(11)의 케이싱 흡입구 하단 용접 연결부위의 외측 용접과, 상기 U형 모듈 관의 타측과, 상기 증기발생기(9)의 출구관 엘보우(P002, P006, P011, P015)의 용접 연결부위의 외측 용접이 동시에 완료되면, 상기 타이 스트랩(190)들이 각각 U형 모듈 관(P003+P004),(P007+P008),(P012+P013),(P016+P017)과, 상기 원자로의 냉각재 펌프(11)의 케이싱 흡입구 하단, 및 증기발생기(9)의 출구관 엘보우(P002, P006, P011, P015)로부터 제거된다.
이때에는, 타이 스트랩(190)의 용접 연결부분을 그라인딩으로 연삭 제거하고, 망치로 타격하여 각각 U형 모듈 관과, 상기 원자로의 냉각재 펌프(11)의 케이싱 흡입구 하단, 및 증기발생기(9)의 출구관 엘보우(P002, P006, P011, P015)로부터 분리시키게 된다.
이와 같이 타이 스트랩(190)을 분리시키게 되면, U형 모듈 관의 일측과, 원자로의 냉각재 펌프(11)의 케이싱 흡입구 하단 사이의 개선 홈(192)이 노출되고, U형 모듈 관의 타측과, 상기 증기발생기(9)의 출구관 엘보우(P002, P006, P011, P015) 사이의 개선 홈(192)이 각각 노출되며, 이와 같은 개선 홈(192)들을 동시에 오비털 자동용접(Orbital automatic welding)을 통해서 내측 용접 연결이 이루어진다.
그리고, 이와 같이 개선 홈(192)들에 대한 내측 용접이 이루어진 다음에는 U형 모듈 관(P003+P004),(P007+P008),(P012+P013),(P016+P017), 원자로의 냉각재 펌프(11)의 케이싱 흡입구 하단, 및 증기발생기(9)의 출구관 엘보우(P002, P006, P011, P015)의 내측면에 형성된 스테인레스 클래드 층(196)을 동일한 스테인레스 강 재료로 용접하여 용접완료한다.
이러한 스테인레스 클래드 층(196)은 U형 모듈 관, 원자로의 냉각재 펌프(11)의 케이싱 흡입구 하단, 및 증기발생기(9)의 출구관 엘보우(P002, P006, P011, P015)의 내식성을 강화시키기 위하여 내 측면에 이중으로 형성된 피복부분이다.
실험 예
이하에서는 본 발명에서 사용된 타이 스트랩(190)의 효과를 입증하기 위한 일련의 실험을 시행하였다.
먼저, 타이 스트랩(190)은 용접수축을 최대한 적게 하기 위한 것으로서, 종래에는 타이 스트랩(190)을 실제 원자로 배관 용접시에는 사용하지를 않는다.
그러나, 본 발명에서는 다수의 타이 스트랩(190)들이 각각의 U형 모듈 관(P003+P004),(P007+P008),(P012+P013),(P016+P017)의 용접 연결부분에서 도입된다.
아래의 (표 1)은 타이 스트랩(190)을 이용한 내면 수축결과이다.
표 1에서는 두 가지를 비교한 것으로서, 각각의 용접 연결부분의 1/3 pass 용착(19pass) 후 타이 스트랩(190)의 제거, 및 100% 용접(108pass) 후 타이 스트랩(190)을 제거하였을 때, 각각의 원자로 배관별 용접 수축량(Weld shrinkage)을 도시한 것이다.
(표 1) 원자로배관 위치별 중량 및 용접 수축량(실측 및 모델링)
고온관 중간관
Vertical horizontal X,Z 방향 Vertical
Dead weight(lbs) 20,000 10,000 10,000 25,000
19 PASS 용접시
타이 스트랩(190) 부착한 내,외면의 Weld shrinkage(mm)		 * 내면
- 평균 1.5mm(실측), 1.9mm(모델링 계산값)
* 외면
- 평균 3.0mm(실측), 2.6mm(모델링 계산값)

108 PASS 용접 완료 후
타이 스트랩(190) 부착한 내,외면의 Weld shrinkage(mm)		 * 내면
- 평균 2,2 mm (실측) 2.23mm(모델링 계산값)
* 외면
외면 수축은 yielding 현상으로 인해 최종 용접완료 단계에서는 함몰 현상으로 큰 의미가 없는 수축량으로 배관 내면 수축만 반영함.
상기 용접 수축량의 실측 및 모델링 실험에서 알 수 있는 바와 같이, 타이 스트랩(190)은 용접 부위의 100% 용접 후 제거하는 것이 보다 효과적이었다.
다음으로는, 타이 스트랩(190)을 사용하지 않은 종래 기술의 비구속 조건(unrestrained condition)과, 타이 스트랩(190)을 사용한 본 발명의 구속조건(restrained condition)에 대하여 비교하였다.
원자로 배관과 같은 후육, 대구경 맞대기 이음은 용접시의 구속(restraint) 상태, 모재 두께, 입열량, 개선형상, 비드 용착 방법, 예열 등이 용접 수축(weld shrinkage)에 영향을 미친다. 경험에 의하면 수동용접을 적용한 원자로 배관 시공중 저온균열 사례가 있었고, 임시 부착물 부착위치에서 용접 직후에는 나타나지 않다가 현장에서 상온 수업 시험 후에 시행하는 가동전 검사에서 결함으로 검출되는 사례가 있다. 이러한 현상은 용접 입열, 구속특성에 따른 용접수축으로 잔류한 응력에 의해 주로 발생된다.
원자로 배관 용접작업에서는, 용접균열, 최종 시공 후의 진동, 위치 정밀도 등이, 용접 수축에 의해서 지대한 영향을 받고, 이러한 용접 수축은 구속 조건의 여부에 의존하므로, 타이 스트랩(190)을 사용한 구속조건(restrained condition)(본 발명)과, 타이 스트랩(190)을 사용하지 않는 비구속 조건(unrestrained condition)(종래 기술)으로 구분하여 실험할 필요성이 있다.
본 실험에서는, 문헌(Predictive formula for weld distortion-a critical review : G VERBAEGHE)에 언급된 용접 수축에 관한 다양한 모델링식 중에서, 원자로 배관과 같은 대구경 배관에 적용할 수 있는 Leggatt Model을 이용하여, 원자로 냉각재 배관의 용접 위치별 변형(distortion)에 대해 종래의 시공법과, 본 발명의 개선공법을 비교하였다.
상기 Leggatt Model은 용접 부위의 구조를 나타낸 도 9a에 관련하여, 아래의 식(1)로 표시된다.
Figure 112016018929673-pat00001
(식 1)
여기서: δt ; transverse shrinkage (mm)
q/v: heating Input (J/mm)
tc: thickness of unfused plate material (See Fig.2)
β; restrained angular distortion(°)
d : distance between centre of welded area and the center of the plate(mm) 이다
이러한 고온관 용접부의 Leggatt (식 1)에서 종래의 비 구속 조건(unrestrained condition), 즉 타이 스트랩(190)을 사용하지 않은 모델링 결과가 아래와 같이 얻어졌다.
Figure 112016018929673-pat00002
그리고, 종래의 비구속 조건(unrestrained condition)에 대한 실측정은 도 9b에 도시된 그래프와 같았다. 즉, 종래의 시공방식에 따르면, 용접부위의 18pass 상태에서 용접 수축(δ)은 대략 5.7mm이었다.
또한, 도 9b의 그래프에서는, 종래의 비구속 조건(unrestrained condition)에 대해 용접 부분의 횡방향 수축(Transverse shrinkage), 및 각 비틀림 변형(Angular distorsion)이 Leggatt 모델식(식 1)을 적용한 계산식과 측정값이 서로 잘 일치함을 보여주었다.
다음으로, 본 실험에서는 타이 스트랩(190)을 적용한 본 발명의 구속조건(restrained condition)에 대해 모델링 결과를 얻었다.
본 발명의 원자로 U형 모듈 관 시공장치(100)는 타이 스트랩(190)을 부착하여 횡방향 수축(Transverse shrinkage), 및 각 비틀림 변형(Angular distorsion)을 상당량 줄일 수 있는 특성이 있고, 용접 수축이 수직방향으로만 이루어지는 특징과 내부 타이 스트랩(190)을 부착하면, 각 비틀림 변형(Angular distorsion)을 없앨 수 있기 때문에, (식 1)에서 β = 0°로 가정하고, 상기 (식 1)을 아래의 (식 2)와 같이 단순화시킬 수 있다.
Figure 112016018929673-pat00003
(식-2)
상기 (식 2)는 각 비틀림 변형(Angular distorsion)이 없다는 가정하에, 입열량과 용착 두께만 정확하게 제어하면, 횡방향 수축(Transverse shrinkage)을 컴퓨터 해석을 하지 않고도 충분히 계산할 수 있었다. 중요한 것은 용접부를 정밀하게 제어할 수 있는 변수를 도출하여 변수의 변경없이 적용하는 것이 관건이다.
상기 (식 2)에는 신형원전(APR 1400)의 시방(Procedure Qualification) 기록을 적용하여 계산하고, 모델과 실제 측정값을 비교한 결과 거의 일치함을 알 수 있었다.
APR 1400에 적용한 타이 스트랩(190) 부착 용접 pass별 수축 데이터는 아래의 (표 2)와 같다.
(표 2) 식 2의 개량 모델링 계산식에 의한 수축값(1~19 pass 동일한 입열량, 용착두께 적용)
---------------------------------------------------------------------
Modeling Transverse shrinkage
---------------------------------------------------------------------
1pass
Figure 112016018929673-pat00004
= 0.138 mm
2pass
Figure 112016018929673-pat00005
= 0.138 mm
3pass
Figure 112016018929673-pat00006
= 0.138 mm
4pass
Figure 112016018929673-pat00007
= 0.138 mm
5pass
Figure 112016018929673-pat00008
= 0.138 mm
6pass
Figure 112016018929673-pat00009
= 0.138 mm
7pass
Figure 112016018929673-pat00010
= 0.138 mm
8pass
Figure 112016018929673-pat00011
= 0.138 mm
9pass
Figure 112016018929673-pat00012
= 0.138 mm
10pass
Figure 112016018929673-pat00013
= 0.138 mm
11pass
Figure 112016018929673-pat00014
= 0.138 mm
12pass
Figure 112016018929673-pat00015
= 0.138 mm
13pass
Figure 112016018929673-pat00016
= 0.138 mm
14pass
Figure 112016018929673-pat00017
= 0.138 mm
15pass
Figure 112016018929673-pat00018
= 0.138 mm
16pass
Figure 112016018929673-pat00019
= 0.138 mm
17pass
Figure 112016018929673-pat00020
= 0.138 mm
18pass
Figure 112016018929673-pat00021
= 0.138 mm 18pass 수축 누계 2.4 mm
19pass
Figure 112016018929673-pat00022
= 0.138 mm
개량 LIGGATT Model = 2.62mm
상기 식 2의 개량 모델링 계산식에 의한 수축값은, 용접 부위의 18pass 이후에 용접 수축(δ) = 2.4mm이었다.
상기의 비교 실험에서와 같이, 타이 스트랩(190)을 사용하지 않은 종래 기술의 비구속 조건(unrestrained condition)의 용접 수축(δ)은 5.7mm 이지만, 타이 스트랩(190)을 사용한 본 발명의 구속조건(restrained condition)의 용접 수축(δ)은 2.4mm이었으며, 1~18pass 수축 차이는 5.7mm/2.4mm로 본 발명은 종래 기술에 비하여 50% 이상 용접 수축을 방지하는 효과가 얻어졌다.
상기와 같이 본 발명에 따른 원자로 U형 모듈 관 시공장치(100)에 의하면, 용접 부분의 횡방향 수축(Transverse shrinkage), 및 비틀림 변형(Angular distorsion)을 완벽하게 방지하여 정밀한 용접 시공을 이룰 수 있다.
따라서, 본 발명에 의하면 원자로 배관 시공시, 고온관, 저온관, 중간관 최종 연결(closure loop)의 용접 수축으로 인해 발생하는 증기발생기(9)의 지지구조인 슬라이딩 베이스의 침하를 방지하고, 슬라이더의 작동 불일치를 방지할 수 있으며, 원자로 냉각재 펌프(11)의 구조적 진동과 증기발생기(9) 세관 마모를 방지하고, 각종 부품들 간의 접촉 마모 현상을 방지할 수 있어서 원자로의 안정적인 가동, 설비 고장 방지, 및 원자로 내구 수명을 증대시키는 개선된 효과를 얻을 수 있다.
본 발명은 상기에서 도면을 참조하여 특정 실시 예에 관련하여 상세히 설명하였지만 본 발명은 이와 같은 특정 구조에 한정되는 것은 아니다. 당 업계의 통상의 지식을 가진 자라면 이하의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 기술 사상 및 권리범위를 벗어나지 않고서도 본 발명을 다양하게 수정 또는 변경시킬 수 있을 것이다. 예를 들면, 상기 회전기구(170)는 원형 레일(172)과, 다수의 휠(174)들이 아닌 변형 구조, 즉 하부 지지대(110)에 대한 상부 지지대(130)의 임의의 360도 회전축 구조로도 이루어질 수도 있을 것이다. 또한 상기 타이 스트랩(190)은 용접 연결부위에서 각각 8 개소에 장착되지 않고, 임의 다른 갯수로서, 임의 등 간격 배열로도 장착가능할 것이다. 그렇지만 그와 같은 단순한 설계적인 수정 구조들은 모두 명백하게 본 발명의 권리범위 내에 속하게 됨을 미리 밝혀 두고자한다.
1: 원자로 5: 반응기
7: 열전달 회로 9: 증기 발생기
11: 냉각재 펌프 13: 고온관(hot leg)
15: 순환관 17: 저온관(Cold leg)
100: 본 발명에 따른 원자로 U형 모듈 관 시공장치
106: 유압 장치 108: 바닥
110: 하부 지지대 114, 134: 리프팅 러그
130: 상부 지지대 140: 새들
144: 턴 버클 146: 와이어 로프
148: 고무판 170: 회전기구
172: 원형 레일 174: 휠
190: 타이 스트랩 192: 개선 홈
194: 단턱 W1, W2: 용접 부위
P001,P010: 고온관
P005, P009, P014, P018: 저온관
P002, P004, P006, P008, P011, P013, P015, P017: 엘보우
P003, P007, P012, P016: L 자형 스풀
P003+P004, P007+P008, P012+P013, P016+P017: U형 모듈관

Claims (7)

  1. 원자로 냉각재 계통설비에 구비된 원자로 냉각재 배관을 시공하기 위한 장치에 있어서,
    다수의 유압 장치에 의해서 바닥에 대해 상하로 승,하강가능하도록 구성된 하부 지지대;
    상기 하부 지지대의 상부 측에 위치되고, 상부에는 U형 모듈 관을 장착하기 위한 새들을 구비한 상부 지지대; 및
    상기 U형 모듈 관의 일측과 원자로의 냉각재 펌프의 케이싱 흡입구 하단 용접 연결부위와, 상기 U형 모듈 관의 타측과 증기발생기의 출구관 엘보우의 용접 연결부위 내부에, 용접작업시 용접수축을 방지하기 위해 고정되는 다수의 타이 스트랩; 및
    상기 하부 지지대에 대해서 상기 상부 지지대를 회전시키도록 구성된 회전기구;를 포함하고,
    상기 U형 모듈 관을 원자로의 냉각재 펌프의 케이싱 흡입구 하단과, 증기발생기의 출구관 엘보우 사이에 배치하고, 회전 및 상승시켜 정렬하며, 용접 연결하도록 사용되고, 상기 타이 스트랩 각각의 중간에는 상기 U형 모듈 관의 일측과, 상기 원자로의 냉각재 펌프의 케이싱 흡입구 하단 사이의 개선 홈과, 상기 U형 모듈 관의 타측과, 상기 증기발생기의 출구관 엘보우 사이의 개선 홈에 각각 일치하여 삽입되는 쐐기형의 단턱을 형성하여 면 접촉함으로써, 용접 작업시 용접 수축을 최소화하도록 구성된 것임을 특징으로 하는 원자로 U형 모듈 관 시공장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 회전기구는 하부 지지대의 상부면에 고정된 원형 레일과, 상부 지지대의 하부면에 고정된 다수의 휠들을 포함하며, 상기 휠들은 상기 원형 레일 상에 배치되어 원형 레일을 따라서 이동함으로써, 하부 지지대에 대하여 상부 지지대의 360도 회전을 허용하고, 상기 상부 지지대상의 U형 모듈 관을 상기 원자로의 냉각재 펌프의 케이싱 흡입구 하단과, 증기발생기의 출구관 엘보우 하부에서 회전시키도록 구성된 것임을 특징으로 하는 원자로 U형 모듈 관 시공장치.
  3. 제2항에 있어서, 상기 상부 지지대는 새들 상에 다수의 턴 버클과 고무판이 U형 모듈 관을 에워싸도록 구성되어 U형 모듈 관을 고정시키고, 상기 상,하부 지지대의 측면에는 줄걸이용 다수의 리프팅 러그들이 형성되어 상,하부 지지대를 이동시킬 수 있도록 구성된 것임을 특징으로 하는 원자로 U형 모듈 관 시공장치.
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서, 상기 다수의 타이 스트랩은, 상기 U형 모듈 관의 일측과, 상기 원자로의 냉각재 펌프의 케이싱 흡입구 하단 용접 연결부위 내부와, 상기 U형 모듈 관의 타측과, 상기 증기발생기의 출구관 엘보우의 용접 연결부위 내부에서, 각각 원주방향 45도의 등 간격으로 용접고정되며, 상기 용접 연결부위의 외부 용접이 완료된 다음에는 상기 U형 모듈 관과, 상기 원자로의 냉각재 펌프의 케이싱 흡입구 하단, 및 증기발생기의 출구관 엘보우 사이의 용접 연결 부위로부터 제거되는 것임을 특징으로 하는 원자로 U형 모듈 관 시공장치.
  6. 삭제
  7. 제1항에 있어서, 상기 U형 모듈 관의 일측과, 상기 원자로의 냉각재 펌프의 케이싱 흡입구 하단 용접 연결부위와, 상기 U형 모듈 관의 타측과, 상기 증기발생기의 출구관 엘보우의 용접 연결부위는, 각각 TIG 자동용접장치에 의해서 동시에 용접작업이 이루어지고, 완료되는 것임을 특징으로 하는 원자로 U형 모듈 관 시공장치.


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