KR102150795B1 - 이종 금속 절단을 위한 원격 하이브리드 절단장치 - Google Patents

이종 금속 절단을 위한 원격 하이브리드 절단장치 Download PDF

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정진만
박현희
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Abstract

본 발명은 노후 원자력 발전소 해체에서 방사화된 원자로와 고방사능 원자로 내부구조물의 원격절단 장치인 산소 또는 공기 중 적어도 하나 및 레이저 절단의 장점만을 융합한 이종 접합 금속의 하이브리드 절단 장치 및 헤드를 제공하는데 있다.
따라서 산소 또는 공기 중 적어도 하나 및 레이저 절단의 장점을 융합한 이종 접합금속의 하이브리드 절단은 절단폭을 줄이고 절단속도를 증가시키는 장점이 있다. 특히 고방사화된 원자력 시설의 해체 절단에서는 절단폭의 축소로 발생되는 2차 방사능 폐기물을 줄이는 상승된 효과도 있다.

Description

이종 금속 절단을 위한 원격 하이브리드 절단장치{Remote hybrid cutting device for heterogeneous metal cutting}
본 발명은 원자력 발전소에서 주요 구조물 중 하나인 원자로 내부에 존재하는 금속 구조물 해체를 위한 하이브리드 절단장치이며, 보다 구체적으로 원자로에는 방사선 누출을 방지하면서 견고성을 유지하기 위하여 핵연료 다발을 감싸는 두꺼운 금속 구조물이 존재하며, 상기 금속구조물 외부는 탄소강이고 내부는 일정 두께의 스텐인레스 스틸로 이루어져, 산소절단 방식인 고압 산소를 공급하여 절단하더라도 스텐인레스 스틸이 잘 산화되지 않기 때문에 절단에 효과가 없으므로 비용 절약 및 안전을 위하여 고출력 펄스 또는 씨더블유(CW) 레이저로 열을 스텐인레스 스틸에 가하면서 인체에 무해한 가스 또는 고압산소를 연속적으로 또는 주기적으로 가하여 용융된 물질을 불어내는 방식으로 절단하고, 스텐인레스 스틸을 통과한 후에는 탄소강이므로 신속하게 절단하기 위하여 고압산소 화염으로 탄소강을 산화시키면서 레이저 빔을 동시에 조사하여 녹여서 절단하는 하이브리드 절단장치 및 방법을 제공하는 것이다.
운전 정지된 원자력 발전소의 주요 시설 중 방사화된 원자로 본체와 고방사능 원자로 내부 구조물 등은 방사능 오염원으로부터 작업자가 수월하게 접근하여 해체작업을 할 수 없다.
또한 두께가 수백 미리미터 이상의 원자로 본체 해체를 위한 작업 시 일반적인 기존의 산소 절단방법으로는 절단 폭 및 두께에 비례하여 슬러지, 연기(Fume) 및 에어로졸(Aerosol) 형태의 방사성 이차 폐기물이 발생하는 문제와 절단에 소요되는 작업시간도 길어 많은 비용이 발생한다.
원자로에는 방사선 누출을 방지하면서 견고성을 유지하기 위하여 핵연료 다발을 감싸는 두꺼운 금속 구조물이 존재하며, 상기 금속구조물 외부는 탄소강이고, 내부는 일정 두께의 스텐인레스 스틸로 이루어져 있으므로, 이종 금속물로 구성된 두꺼운 구조물을 효율적으로 절단하는 방법 및 장치가 요구된다.
또한 작업자들의 방사능 피폭을 줄이기 위하여 방사능 오염원으로부터 떨어진 원거리에서 원격 하이브리드 절단 헤드에 산소 절단화염 점화를 위한 원격 화염점화장치를 부가한 원격 하이브리드 절단장치를 제공하는데 있다.
대한민국 공개특허공보 : 10-2015-0006959 대한민국 공개특허공보 : 10-2016-0035708
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 원자로를 둘러싼 금속물이 외부는 탄소강이고 내부는 일정 두께의 스텐인레스 스틸로 이루어져, 산소절단 방식인 고압 산소를 공급하여 절단하더라도 스텐인레스 스틸이 잘 산화되지 않기 때문에 절단에 효과가 없으므로 비용 절약 및 안전을 위하여 고출력 펄스 또는 씨더블유(CW) 레이저로 열을 스텐인레스 스틸에 가하면서 인체에 무해한 가스 또는 고압산소를 연속적으로 또는 주기적으로 가하여 용융된 물질을 불어내는 방식으로 절단하는데 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 또 다른 과제는 이종 금속구조물 중에서 스텐인레스 스틸을 통과한 후에는 탄소강이므로 신속하게 절단하기 위하여 고압산소 화염으로 탄소강을 산화시키면서 레이저 빔을 동시에 조사하여 녹여서 절단하는 하이브리드 절단장치 및 방법을 제공하는데 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 또 다른 과제는 원자로 본체와 보호 콘크리트 벽사이의 수백 미리미터 이하의 좁은 공간에서도 절단작업이 가능한 L형상의 하이브리드 절단 헤드를 구비한 원격 제어 하이브리드 절단장치를 제공하는데 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 또 다른 과제는 해체 대상인 노후 원자력 발전소의 방사화된 원자로 및 고방사능의 원자로 내부 구조물의 원격 절단을 위하여 절단시 발생되는 방사성 이차 폐기물의 발생량을 감소시키고, 작업속도를 증대시킬 수 있는 하이브리드 절단장치를 제공하는데 있다.
본 발명 과제의 해결 수단은 방사선 누출을 방지하면서 견고성을 유지하기 위하여 핵연료 다발을 감싸는 두꺼운 금속 구조물이 원자로 내부에 존재하며, 상기 금속구조물 외부는 탄소강이고 내부는 일정 두께의 스텐인레스 스틸로 이종금속 접합 구조물로 이루어져, 비용 절약 및 안전을 위하여 고출력 펄스 또는 씨더블유(CW) 레이저로 열을 스텐인레스 스틸에 가하여 용융시키면서 인체에 무해한 가스 또는 고압산소를 연속적으로 또는 주기적으로 가하여 용융된 물질을 불어내는 방식으로 절단하고, 스텐인레스 스틸을 통과한 후에는 탄소강이므로 신속하게 절단하기 위하여 고압산소 화염으로 탄소강을 산화시키면서 레이저 빔을 동시에 조사하여 녹여서 절단하는 이종금속 접합물을 신속하게 절단할 수 있는 하이브리드 절단장치 및 방법을 구현하는데 있다.
본 발명의 또 다른 과제의 해결 수단은 절단 시 용융물이 고압 공기 및 산소에 의하여 발생 비산하는 작은 금속에 의한 이차오염을 방지하기 위하여 스텐인레스 스틸을 레이저로 용융시켜 불어낼 때와 탄소강을 레이저로 용융시킴과 동시에 높은 온도에서 고압산소를 불어 넣어 산화시키면서 신속하게 절단할 때 발생 비산하는 이차오염물을 석션으로 흡입하여 모우는 석션 장치를 더 구비할 수 있다.
본 발명의 또 다른 과제의 해결 수단은 절단 대상물의 절단 시간과 이차 오염을 최소화하기 위하여 절단 대상물에 레이저 빔의 초점이 형성되도록 제작하되, 고압산소 화염축과 레이저 빔의 조사축이 동축을 이루도록 제작된 후판용 산소 절단 및 레이저 절단을 융합한 원격 이종 금속 하이브리드 절단장치를 제공하는데 있다.
본 발명의 또 다른 과제의 해결 수단은 하이브리드 절단장치에 있어서, 후판용 산소 절단 및 레이저 절단을 융합한 원격 하이브리드 절단장치를 제작하되, 산소 절단과 레이저 절단을 독립적으로 적용할 수 있도록 제작된 후판용 산소 절단 및 레이저 절단을 융합한 원격 이종금속 하이브리드 절단장치를 제공하는데 있다.
본 발명은 해체 대상인 방사화된 노후 원자로 본체와 고방사능 원자로 내부 의 이종접합 금속구조물 등을 본 발명에 따른 이종금속 하이브리드 절단장치를 이용하여 원격으로 절단 시, 외부의 탄소강과 내부의 일정 두께의 스텐인레스 스틸을 서로 다른 방법을 적용하여 절단하므로 절단 비용 및 절단 시간을 줄일 수 있는 유리한 효과가 있다.
본 발명의 또 다른 효과는 이종금속물의 절단 시 비산하는 이차 오염물 발생량을 최소화하기 위하여 절단시 발생하는 비산하는 금속분진을 흡입하도록 석션 장치를 설치하여 이차 오염을 방지하는데 있다.
본 발명의 또 다른 효과는 이종금속물을 재료의 종류에 따라 서로 다른 절단 방법 및 장치를 적용하므로 절단 시 소요되는 비용을 절감할 수 있고, 탄소강에서 레이저와 고압 산소를 동시에 적용하여 산화시키면서 용융 절단하여 기존 산소 절단보다 빠른 절단 속도를 얻을 수 있으므로 인건비 및 작업시간을 감소시킬 수 있는 상승된 효과가 있다.
본 발명의 또 다른 효과는 산소 절단과 레이저 절단을 독립적으로 적용할 수 있도록 설계 제작하여 산소 절단으로만 할 수 없는 다양한 재료의 절단 및 다양한 응용을 가능하게 하는 상승된 효과가 있다.
도 1은 본 발명에 따른 절단 대상인 원자로에 존재하는 이종 금속구조물의 형상을 도시한 것이다.
도 2는 본 발명에 따른 하이브리드 절단장치의 헤드 부분을 도시한 것이다.
도 3은 본 발명에 따른 하이브리드 절단장치의 산소 절단노즐 팁(1) 끝단에서 생성되는 산소절단화염(5)을 나타낸 것이다.
도 4는 본 발명에 따른 하이브리드 절단장치의 레이저 빔 집속 렌즈(10)와 빔(7)의 집속 형상을 도시한 것이다.
도 5는 본 발명에 따른 하이브리드 절단장치에서 산소절단 토치 본체(6) 후면에 레이저 빔 윈도우(12)가 설치된 전체 구성도를 나타낸 것이다.
도 6은 본 발명에 따른 하이브리드 절단장치에 의하여 해체되어야할 원자로 내부 이종 금속구조물을 나타낸 것이다.
본 발명을 실시하기 위한 구체적인 내용을 살펴본다.
본 발명은 고방사능이 존재하는 원자로 해체 시 사용될 수 있는 이종금속 구조물을 절단 해체할 수 있는 방법 및 장치에 관한 것이다.
본 발명은 외부로 방사선 누출을 방지하면서 견고성을 유지하기 위하여 핵연료 다발을 감싸는 두꺼운 금속 구조물이 원자로 내부에 존재한다.
상기 금속 구조물 외부는 탄소강이고, 내부는 일정 두께의 스텐인레스 스틸로 이종금속 접합 구조물로 이루어져 있다.
내부에 일정 두께로 존재하는 스텐인레스 스틸을 절단하기 위하여 비용 절약 및 안전을 위하여 고출력 펄스 또는 씨더블유(CW) 레이저 빔으로 열을 스텐인레스 스틸에 가하여 용융시키면서 인체에 무해한 가스 또는 고압산소를 연속적으로 또는 주기적으로 가하여 용융된 스텐인레스 스틸을 불어내면서 절단하는 단계 및 수단을 포함한다.
이종 금속 구조물에서 스텐인레스 스틸을 통과한 후에는 탄소강이므로 신속하게 절단하기 위하여 고압산소 화염으로 탄소강을 산화시키면서 레이저 빔을 동시에 조사하여 용융시키면서 신속하게 절단하는 단계 및 수단을 포함한다.
본 발명은 이종 금속 구조물을 각각의 재질에 맞게 용융 절단하므로 경제적이면서 신속하게 절단할 수 있는 하이브리드 절단장치 및 방법이다.
본 발명은 이종 금속구조물 절단 시 발생하는 비산하는 작은 금속에 의한 이차오염을 방지하기 위하여 스텐인레스 스틸을 레이저로 용융시켜 불어낼 때와 탄소강을 레이저로 용융시킴과 동시에 높은 온도에서 고압산소를 불어 넣어 산화시키면서 신속하게 절단할 때 발생하는 이차오염물을 석션으로 흡입하여 모우는 석션 장치를 구비할 수 있다.
본 발명은 후판용 산소 절단 및 레이저 절단을 융합한 원격 하이브리드 절단장치를 제작하되, 산소 절단과 레이저 절단을 독립적으로 적용할 수 있도록 설계 제작된 후판용 산소 절단 및 레이저 절단을 융합한 원격 이종금속 구조물을 절단하는 것이다.
본 발명은 방사화된 원자력 설비의 안전하고 경제적인 해체를 위한 절단장치로, 절단 시 발생하는 이차 폐기물물을 최소화하고, 빠른 절단 속도로 작업을 수행하며, 현장 상황에 맞는 협소한 공간에서 절단 작업이 가능한 후판용 산소 절단 및 레이저 절단을 융합한 이종 금속 구조물을 원격 절단하는 장치이다
특히, 원자로 등 고방사성이며 두꺼운 이종 금속 구조물을 협소한 공간에서 원격으로 해체/절단하기 위해서는,
첫째, 수 미리미터의 스테인레스 스틸과 수백 미리미터 두께의 탄소강을 절단을 위하여 용융에 의한 절단속도가 빠른 레이저 절단기술과 용융된 금속물질을 냉각전에 불어내는 기술 및 고압 산소를 불어넣어 산화시키면서 절단을 수행하는 절단기술을 적절히 사용하여 경제적이면서 신속한 하이브리드 절단장치를 제공하는 것이다.
둘째, 탄소강 부분은 산소 절단의 장점과 레이저 절단의 장점을 극대화시켜 신속한 절단을 위한 산소 절단화염과 레이저 빔을 동축으로 방사하여 절단 능력을 증가시키는 것이다.
셋째, 협소한 공간에서 작업 가능한 절단 헤드 구조로 레이저 빔, 공기 및 산소 절단용 가스류를 70-100 각도로 꺾어서 공급하는 것이다.
넷째, 원격 하이브리드 절단장치에서 초기 산소화염 발생을 위해서는 절단노즐 앞부분에 화염 점화장치가 부착 설치되며, 상기 화염 점화장치는 절단을 위해 노즐 끝부분에 부착되고 작업자의 방사능 오염을 피하기 위하여 원격으로 점화 및 제어되도록 구성되어 있다.
이종 금속 구조물의 효율적인 절단을 위하여 공기를 포함하는 인체 무해한 고압 가스의 주입관은 고압 산소 공급관을 이용하거나 별도로 하나의 관을 더 설치할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 절단 대상인 원자로에 존재하는 이종 금속구조물의 형상을 도시한 것이다. 도 1에서, A 는 스텐인레스 스틸이고, B 는 탄소강이다.
본 발명은 방사화된 폐기물인 원자로 본체 및 원자로 내부 구조물 등의 해체를 위한 절단작업을 수행할 때 작업자의 피폭을 최소화하기 위해 매니플레이트(manipulator)를 이용한 원격절단 작업이 필요하다.
이러한 시설물은 수백 미리미터 두께를 가진 후판으로, 경제적으로 절단하기 위해서는 기존의 산소 절단 방법보다 빠른 절단 속도로 원격작업으로 수행됨이 바람직하다.
또한, 이종 금속 구조물의 절단 작업 시 발생 비산하는 방사성 이차 폐기물은 절단장치와 인접한 위치에 석션 장치를 설치하여 효율적으로 수집하여 또 다른 오염을 방지 또는 최소화하는 것이 중요하다.
본 발명에 따른 하이브리드 절단장치 및 절단장치의 헤드는 산소 절단기능 및 레이저 절단기능을 각각 독립적 또는 융합하여 사용할 수 있도록 설계 제작할 수 있다.
원자로 구조물과 보호 콘크리트 벽사이의 협소한 공간에서 원격으로 절단 작업이 가능하도록 설계 제작될 수 있다.
통상의 산소 절단 헤드의 구조는 3종류의 고압산소, 저압산소, 공기 및 프로판 등 연소가스의 공급이 산소 절단 헤드의 노즐 뒤쪽에서 공급된다.
도 2에서 고압산소, 저압산소, 공기 및 프로판 가스의 공급관은 3가지로 한정할 필요가 없고, 필요에 따라 줄일 수도 있고, 더 부가할 수도 있다.
레이저 절단은 광학계를 통해 레이저 빔을 집속 조사하여 절단 대상물을 절단하도록 설계 제작되어 있다.
본 발명에 따른 하이브리드 절단장치는 레이저 빔과 산소 절단화염을 절단축과 동축으로 설계 제작하여 양 절단기술의 장점을 극대화하는 것이 바람직하다.
원자로를 둘러싸고 있는 스테인레스 스틸과 탄소강으로 접합된 이종금속 구조물 중 스테인레스 스틸의 절단 방법은 고출력 펄스 또는 씨더블유(CW) 레이저로 열을 스텐인레스 스틸에 가하여 용융시키면서 인체에 무해한 가스 및 고압산소 중 적어도 하나를 연속적으로 또는 주기적으로 가하여 용융된 물질을 불어내면서 절단하는 단계 및 수단을 포함한다.
탄소강의 절단은 고압 산소의 공급과 레이저 빔을 동시에 사용하여 고압산소 화염으로 탄소강을 신속하게 산화시키면서 레이저 빔을 동시에 조사하여 탄소강을 용융시켜서 신속하게 절단하는 단계 및 수단을 포함한다.
본 발명에 따른 하이브리드 절단장치는 레이저 빔을 산소 절단 헤드 내부로 전송하여 레이저 빔의 초점을 절단 대상물에 맞추어서 전송하는 것이 바람직하다.
이를 기술적으로 만족시키기 위한 하이브리드 절단 장치의 구조는 도 2과 같이 산소 절단 측면에서 3종류의 가스와 공기를 공급할 수 있는 구조로 설계 제작되는 것이 바람직하다.
도 2은 본 발명에 따른 하이브리드 절단장치의 헤드를 도시한 것이다.
하이브리드 절단장치의 헤드는 레이저 빔 공급부와, 고압 산소 공급관, 저압 산소 공급관, 프로판 가스 공급관 및 고압 공기 공급관 중 적어도 둘 이상이 결합되어 구성된다.
도 2에서, 산소절단 토치 본체(6)에서 산소 절단노즐 팁(Tip, 1)은 수백 미리미터 두께의 후판 절단이 가능하고, 주위에 절단화염이 퍼지지 않도록 화염을 감싸 안는 구조이다.
도 2에서 스테인레스 스틸을 경제적이면서 효율적으로 절단하기 위하여 고압의 공기만을 공급하거나 또는 고압의 공기 및 산소 중 적어도 하나를 공급하도록 구성할 수도 있다.
즉, 도 2에서, 고압 산소 공급관, 저압 산소 공급관, 프로판 가스 공급관 및 고압 공기 공급관 각각에 차단 밸브를 부착하고, 각각의 밸브를 제어하여 원하는 가스를 공급하도록 설계 제작할 수 있다.
효율적으로 가스 및/또는 산소를 공급제어 하기 위하여 상기 공급관은 하나 이상 결합하여 동시에 제어할 수 있도록 설계 제작할 수도 있다.
또한, 방사능에 의한 작업자 보호를 위하여 원격 화염 점화를 위한 원격 전자/전기식 화염 점화장치(15)를 부착할 수 있도록 설계 제작할 수 있다.
산소절단 장치 본체(6)에는 본체 중앙으로 고압산소 공급관(2)이 연결되어 고압산소 절단 노즐 팁(1)의 중앙으로 고압산소를 공급하며, 나머지 저압산소 공급관(3) 및 프로판 가스 공급관(4)은 고압산소 공급관(2)에 인접하여 공급관을 형성하여 절단될 모재의 온도를 올리는 역할을 한다.
도 2에서와 같이 중앙에 레이저 빔이 조사되고, 고압산소 공급관은 레이저 빔이 공급되는 공간으로 공급되며, 저압산소 공급관(3) 및 프로판 가스 공급관(4)은 고압산소 공급관을 중심으로 인접하여 동심원으로 설계 제작하는 것이 바람직하다.
이종금속 구조물 증 스텐인레스 스틸을 절단할 때에는 고압 산소 공급관으로 공기를 포함하는 인체 무해한 가스를 고압으로 공급하도록 구성할 수 있다.
즉, 본 발명은 스텐인레스 스틸을 절단할 때에는 도 2에서 레이저 빔으로 용융시키면서 용융된 물질을 고압의 공기를 포함하는 인체 무해한 가스로 불어내면서 경제적이면서 효율적으로 절단한다.
이종금속 구조물 중 탄소강을 절단할 때에는 도 2에서와 같은 구조로 고압 산소, 저압 산소 및 프로판 가스 공급관으로 각각 해당하는 기체를 공급하면서 절단하는 것이 바람직하다. 고압산소 공급관을 제외한 나머지 부분들은 물론 변형 가능하다.
상기 고압산소 절단노즐 팁(1) 끝단에서 생성되는 산소절단화염(5)은 일반적으로 도 3과 같은 형태로 나타나며, 화염길이가 짧게 형성된다.
일반적으로 화염온도 분포도에서 약 섭씨 600℃ 이상에서는 화염길이로 절단할 수 없다. 구체적으로, 화염길이를 길게 하면 화염폭이 커지게 되고, 두꺼운 탄소강(강철) 구조물에서 절단 깊이를 길게 하면 폭이 커지는 단점이 있다.
레이저 절단은 도 3에서와 같이 레이저 발진기로부터 전송된 레이저 빔(7)이 레이저 빔 집속광학 렌즈(10)를 통과하여 모재에 집속되도록 이루어진다.
일반적인 레이저 절단 헤드는 도 4과 같이 레이저 빔을 집속하는 집속광학 렌즈(10)를 이용하여 전송된 레이저 빔(7)을 모으는 구조이다.
본 발명에 따른 하이브리드 절단장치는 도 3에서와 같이 산소절단화염(5)의 중심부분과 레이저 빔이 집속되는 레이저 빔 초점(14) 위치가 일치되도록 설계 제작하면 절단능력이 증가된다.
레이저 빔 초점(14)과 산소절단화염(5)을 절단축의 동일축으로 만들기 위해서는 도 2의 산소절단 장치 본체(6) 구조에 도 4의 레이저 빔 집속광학 렌즈(10)위치를 설정된 위치에 배치하면 도 3와 같이 산소절단화염(5)의 중심 부분과 레이저 빔의 집속되는 레이저 빔 초점(14)를 일치시킬 수 있다.
이를 구현하기 위해서는 도 3에서와 같은 산소절단 장치 본체(6)에 동축으로 레이저 빔(7)이 주입될 수 있도록 도 5에서와 같이 산소절단 장치 본체(6) 후면에 레이저 빔 윈도우(12)를 설치는 구조를 갖는다.
레이저 빔 윈도우(12)는 집속된 레이저 빔이 투과된다. 따라서 고압 산소 공급관(2)으로부터 공급된 절단용 고압산소는 레이저 빔 윈도우(12)에서 차단되어 레이저 빔 벤딩 미러/프리즘(11) 방향으로 주입되는 것을 막고, 산소 절단노즐 팁(1)방향으로만 공급되도록 설계 제작하여 절단 화염을 극대화할 수 있다.
일반적으로 레이저 전송 광섬유(8)로 전송된 레이저 빔(7)은 레이저 빔 콜리메이터(collimator) 렌즈(9)와 레이저 빔 집속광학 렌즈(10)를 통하여 집속하도록 구성되어 있다.
또한 본 발명은 원자로 본체와 보호 콘크리트 벽사이의 협소한 공간에서 원격 절단작업을 위해서 레이저 전송 광섬유(8)에서 방출되는 레이저 빔의 방향을 꺾어서 산소절단화염(5)과 동일한 축으로 방사하도록 설계 제작하는 것이 바람직하다.
레이저 빔(7)을 원하는 방향 또는 설정된 방향으로 꺾기 위해서는 레이저 빔이 진행하는 방향에 레이저 빔 벤딩 미러 및/또는 프리즘(11)를 하나 이상 설치할 수 있다.
또한, 산소절단화염(5)의 중심부 위치와 레이저 빔 초점(14)을 맞추기 위해서 레이저 빔 집속광학 렌즈(10)를 설정된 위치에 고정하여 일치시킬 수 있다.
도 5의 개념도는 레이저 발진장치에서 레이저 전송 광섬유(8)를 경유하여 확산된 빔을 레이저 빔 콜리메이터(collimator) 렌즈(9)로 병행하게 만들고, 이 빔을 레이저 빔 집속광학 렌즈(10)를 통하여 초점에 집속시키는 구조로 설계 제작할 수 있다.
이때 빔의 진행방향을 바꾸기 위해 레이저 빔 벤딩 미러 및/또는 프리즘(11)를 하나 이상 설치할 수 있다.
도 6은 본 발명에 따른 하이브리드 절단장치에 의하여 해체되어야할 원자로 내부 이종 금속구조물(도 6에서 원자로 본체에 해당함)을 나타낸 것이다.
레이저 전송 광섬유(8)의 출구, 레이저 빔 콜리메이터(collimator) 렌즈(9), 레이저 빔 집속광학 렌즈(10), 레이저 빔 벤딩 미러 및/또는 프리즘(11) 및 레이저 빔 윈도우(12) 등은 레이저 빔 전송관(13) 안에서 상대적인 위치변화 없이 안정되게 고정되어 있어야 한다.
상기 구성품들이 안정되게 고정되어야만 레이저 빔 초점(14) 위치가 산소 절단화염 중앙에 일정하게 유지될 수 있다.
본 발명에 따른 원격 하이브리드 절단장치는 작업자의 방사능 오염을 최소화 하기 위하여 원격 화염점화를 할 수 있도록 원격 전자/전기식 화염 점화장치(15)를 설치하는 것이 바람직하다.
원격 전자/전기식 화염 점화장치(15)을 이용한 점화방법은 작업자의 방사능 피복을 줄이기 위하여 레이저 발진장치 및 고압 가스류 등을 공급하는 곳에서 원격으로 제어할 수 있어야 한다.
이러한 원격 제어 전자/전기식 화염 점화장치(15)는 하이브리드 절단장치의 산소 절단노즐 팁(1) 가장자리 내측에 설치하는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명에 따른 하이브리드 절단장치는 수중 절단에 사용할 수 있도록 산소 절단장치 및 레이저 빔 전송 광학계를 수압으로부터 밀폐될 수 있는 방법으로 절단시 주위의 수압보다 높은 고압 절단가스 압력를 이용하여 압력 레이저 빔 전송관(13) 안으로 연결 수밀구조를 갖도록 설계 제작할 수 있다.
상기 기술된 본 발명의 기술적 구성을 바탕으로 보호 범위를 요약한다.
본 발명에 따른 하나의 실시 예는 이종 금속 하이브리드 절단방법에 있어서, 원자로 내부에 존재하는 스텐인레스 스틸로 클레딩된 탄소강로 이루어진 이종 금속구조물을 절단하되, 스텐인레스 스틸은 비용 절약 및 안전을 위하여 고출력 펄스 또는 CW 레이저로 열을 가하여 용융시키면서 인체에 무해한 가스 또는 고압산소 공급관을 통해서 고압으로 용융물을 불어내면서 절단하는 단계와, 스텐인레스 스틸을 통과한 후에 탄소강에서는 신속하게 절단하기 위하여 고압산소 화염으로 탄소강을 산화시키면서 절단하거나 레이저 빔을 동시에 조사하여 녹여서 절단하는 단계를 포함한다.
본 발명에 따른 또 다른 하나의 실시 예는 이종 금속 하이브리드 절단장치에 있어서, 원자로 내부에 존재하는 스텐인레스 스틸로 클레팅된 탄소강로 이루어진 이종 금속구조물을 절단하되, 스텐인레스 스틸 부분은 비용 절약 및 안전을 위하여 고출력 펄스 또는 CW 레이저로 열을 가하여 용융시키면서 인체에 무해한 가스 또는 고압산소 공급관을 통해서 고압으로 용융물을 불어내면서 절단하고, 스텐인레스 스틸을 통과한 후에 탄소강에서는 신속하게 절단하기 위하여 고압 산소 공급관을 통해서 고압산소 화염을 형성하여 탄소강을 산화시키면서 절단하거나 레이저 빔을 동시에 조사하여 녹여서 절단한다.
또한, 본 발명은 절단 대상물의 절단시간과 이차 폐기물을 최소화하기 위하여 절단 대상물에 레이저 빔의 초점이 형성되도록 제작하되, 고압산소 화염축과 레이저 빔의 조사축이 동축을 이루도록 설계 제작되어 있다.
본 발명은 후판용 산소 절단 및 레이저 절단을 융합한 원격 하이브리드 절단장치를 제작하되, 하이브리드 절단 헤드와 레이저 절단을 독립적으로 적용할 수 있도록 제작되어 있다.
본 발명은 협소한 공간에서 적용 가능한 하이브리드 절단 헤드 구성을 위하여 산소 절단용 헤드와 레이저 빔 전송 헤드 제작 시 공급가스방향 및 레이저 빔 공급방향을 70-110도 정도 회전하도록 제작되는 것이 바람직하다.
본 발명은 작업자의 방사능 피폭을 최소화하기 위하여 산소 절단화염 점화용 전자/전기식 원격 점화장치가 하이브리드 절단장치 첨두부분의 가장자리에 부착 설치되어 있다.
본 발명은 산소 절단장치를 통해서 공급되는 수압보다 높은 고압가스를 이용하여 산소 절단장치 및 레이저 빔 전송 광학계를 수압으로부터 보호하고 수중 절단 작업이 가능하도록 제작될 수 있다.
또한, 본 발명은 작업자들이 고방사능에 노출되지 않으면서 좁은 공간에서 작업이 용이하도록 레이저 빔을 원거리 전송하기 위한 광전송용 광섬유와 원거리 산소 절단용 가스 공급 호스를 일체화시켜 제작될 수 있다.
본 발명은 하이브리드 절단 헤드에는 절단 상태 및 확인을 위한 센서가 부착 설치되고, 센서로부터 받은 신호를 원격 모니터링 하도록 구성할 수 있다.
또한, 본 발명은 산소절단 장치 본체에 동축으로 레이저 빔이 주입될 수 있도록 제작하고, 공급된 절단용 고압산소의 유입을 차단하기 위하여 산소절단 장치 본체 후면에 레이저 빔 윈도우가 설치될 수 있다.
산소 또는 공기 중 적어도 하나 및 레이저 절단장치가 결합된 이종 금속 원격 하이브리드 절단장치 및 기술은 수백 미리미터 이상의 후판 절단에서 기존의 산소 절단보다 절단 폭을 감소시키고, 절단속도를 증가시킬 수 있다. 특히 산소절단으로는 불가능한 스텐인레스 재질 등의 절단에도 사용할 수 있어 일반산업에도 이용될 가능성이 매우 높다.
1; 산소 절단노즐 팁(Tip)
2; 고압산소 공급관
3; 저압산소 공급관
4; 프로판 가스 공급관
5, 고압공기 공급관
5; 산소절단화염
6; 산소절단 토치 본체
7; 레이저 빔
8; 레이저 전송 광섬유
9; 레이저 빔 collimator 렌즈
10; 레이저 빔 집속광학 렌즈
11; 레이저 빔 벤딩 미러/프리즘
12; 레이저 빔 윈도우
13; 레이저 빔 전송관
14; 레이저 빔 초점
15; 전자/전기식 화염 점화장치
A : 스텐인레스 스틸 B : 탄소강

Claims (9)

  1. 원자로 내부에 존재하는 스텐인레스 스틸로 클레딩된 탄소강으로 구성된 이종 금속 하이브리드 절단방법에 있어서,
    절단 대상인 두꺼운 이종 금속구조물의 절단 시간 단축 및 이차 방사성 폐기물 발생을 최소화하기 위하여 두꺼운 이종 금속구조물 표면에 레이저 빔의 초점이 형성되도록 구성되고,
    고압산소 화염축과 레이저 빔의 조사축이 동축을 형성하되, 레이저 빔이 고압산소 공급관 내부로 전송되도록 하이브리드 절단 헤드가 구성되며,
    작업자들이 고방사능에 노출되지 않으면서 좁은 공간에서 작업이 용이하도록 레이저 빔을 원거리 전송하기 위한 광전송용 광섬유와 원거리 산소절단용 가스 공급 호스를 일체화시켜 하이브리드 절단 헤드와 결합하여 구성되며,
    상기 하이브리드 절단 헤드를 이용하여 원자로 내부에 존재하는 스텐인레스 스틸로 클레딩된 탄소강으로 이루어진 두꺼운 이종 금속구조물을 절단하되,
    이종 금속구조물 중 스텐인레스 스틸은 비용 절약 및 안전을 위하여 고출력 펄스 또는 씨더블유(CW) 레이저로 열을 가하여 용융시키면서 인체에 무해한 가스 또는 고압산소 공급관을 통해서 고압으로 용융물을 불어내면서 절단하는 단계; 및
    이종 금속구조물 중 탄소강은 신속하게 절단하기 위하여 고압산소 화염과 레이저 빔을 동시에 조사하여 녹여서 불어내면서 절단하는 단계를 포함함을 특징으로 하는 하이브리드 절단방법.
  2. 원자로 내부에 존재하는 스텐인레스 스틸로 클레딩된 탄소강으로 구성된 이종 금속 하이브리드 절단장치에 있어서,
    절단 대상인 두꺼운 이종 금속구조물의 절단 시간 단축 및 이차 방사성 폐기물 발생을 최소화하기 위하여 두꺼운 이종 금속구조물 표면에 레이저 빔의 초점이 형성되도록 구성되고,
    고압산소 화염축과 레이저 빔의 조사축이 동축을 형성하되, 레이저 빔이 고압산소 공급관 내부로 전송되도록 하이브리드 절단 헤드가 구성되며,
    작업자들이 고방사능에 노출되지 않으면서 좁은 공간에서 작업이 용이하도록 레이저 빔을 원거리 전송하기 위한 광전송용 광섬유와 원거리 산소절단용 가스 공급 호스를 일체화시켜 하이브리드 절단 헤드와 결합하여 구성되고,
    상기 하이브리드 절단 헤드를 이용하여 원자로 내부에 존재하는 스텐인레스 스틸로 클레딩된 탄소강으로 이루어진 두꺼운 이종 금속구조물을 절단하되,
    이종금속 구조물 중 스텐인레스 스틸은 비용 절약 및 안전을 위하여 고출력 펄스 또는 씨더블유(CW) 레이저로 열을 가하여 용융시키면서 인체에 무해한 가스 또는 고압산소 공급관을 통해서 고압으로 용융물을 불어내면서 절단하고,
    이종금속 구조물 중 탄소강은 신속하게 절단하기 위하여 하이브리드 절단 헤드의 고압 산소 공급관을 통해서 고압산소 화염을 형성하여 탄소강을 산화시키면서 절단하거나 하이브리드 절단 헤드로 고압산소 화염과 레이저 빔을 동시에 탄소강에 조사하여 녹여서 불어내면서 절단하는 하이브리드 절단장치.
  3. 제2항에 있어서,
    하이브리드 절단장치의 헤드는 레이저 빔 공급부와, 고압 산소 공급관, 저압 산소 공급관, 프로판 가스 공급관 및 고압 공기 공급관 중 적어도 하나 이상이 결합되어 구성된 하이브리드 절단장치.
  4. 삭제
  5. 제2항 또는 제3항에 있어서,
    작업자의 방사능 피폭을 최소화하기 위하여 산소 절단화염 점화용 원격점화 장치를 하이브리드 절단장치의 헤드 첨두 부분의 가장자리에 부착 설치되고,
    고압 산소 공급관으로부터 공급된 절단용 고압산소의 유입을 차단하기 위하여 산소절단 장치 본체 후면에 레이저 빔 윈도우가 설치된 하이브리드 절단장치.
  6. 삭제
  7. 제2항 또는 제3항에 있어서,
    하이브리드 절단 헤드에는 절단 상태 및 확인을 위한 센서가 부착 설치되고, 센서로부터 받은 신호에 기초하여 절단 상태를 원격 모니터링하도록 구성된 하이브리드 절단장치.
  8. 삭제
  9. 제2항 또는 제3항에 있어서,
    이종 금속구조물 절단 시 발생하는 비산하는 작은 금속에 의한 이차오염을 방지하기 위하여 스텐인레스 스틸을 레이저로 용융시켜 불어낼 때 발생하는 이차 오염물 및 탄소강을 레이저로 용융시킴과 동시에 고압산소를 불어 넣어 산화시키면서 용융물을 불어내면서 절단할 때 발생하는 이차오염물을 석션으로 흡입하여 모우는 석션 장치를 더 구비한 하이브리드 절단장치.
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