KR19980084011A - 대형 열교환기의 결함 있는 전열관의 보수 방법 및 보수에 사용되는 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 대형 열교환기류 전열관의 결함을 보수하는 방법에 있어서, 폭발확관용 슬리브 결합체를 파손된 전열관 위치에 고정시키는 공정; 상기 폭발확관용 슬리브 결합체를 상기 위치에서 폭발확관시키는 공정; 확관용 잔유물을 제거한 후 상기 위치에 레이저 슬리빙 헤드를 위치시키는 공정; 상기 레이저 슬리빙 헤드를 이용하여 상기 슬리브 결합체의 내면에 원주방향으로 레이저빔을 조사하여 슬리브 결합체 외면의 저융점 브레이징 메탈과 전열관을 용접시키는 레이저 용접공정;으로 이루어진 열교환기류 전열관의 결함 보수방법 및 이에 사용되는 슬리브 결합체에 관한 것이다.

Description

대형 열교환기의 결함 있는 전열관의 보수 방법 및 보수에 사용되는 장치

본 발명은 대형 열교환기류의 전열관에 결함이나 파손이 발생할 경우 전열관을 재사용 할 수 있도록 보수하는 방법과 보수에 사용되는 장치에 관한 것으로서, 특히 정밀 폭발확관 기술과 정밀 레이저 용접 및 레이저 열처리 기술을 조합하여 결함 전열관을 보수하는 것으로서 일반적으로 슬리빙이라고 불리어지는 보수방법과 그에 이용되는 장치인 슬리빙 결합체에 관한 것이다.

(종래의 기술)

원자력 증기발생기 교체의 문제점을 해결할 수 있는 보수 방법으로서 결함 전열관을 재사용할 수 있는 방법으로 일반적으로 널리 알려져 있는 기술은 슬리빙이라고 불리어지는 보수 방법이다. 이와 같은 슬리빙 기술은 결함 또는 파손된 전열관의 내경보다 직경이 작고 적당한 길이를 가진 슬리브를 파손 위치에 장착한 후 기계적인 롤, 수압확관기 또는 폭발방법 등으로 확관하여 슬리브를 결함 전열관에 밀착한 후 슬리브의 양 끝단부를 정밀 용접하는 것이다. 정밀용접 방법으로서는 특히 제작된 텅스텐 불활성 가스 분위기의 정밀 제어용접 또는 정밀 레이저 용접 등이 일반적으로 널리 사용되고 있다.

종래의 레이저 에너지를 이용한 슬리빙에 관한 보수방법은 미국특허 5,066,846, 5,097,110, 5,221,822, 5,182,429, 5,371,767, 5,430,270, 5,491,317, 5,514,849 등에 발표되어다. 상기의 특허에서 슬리빙 구성요소에 레이저빔 용접헤드를 사용하여 전열관을 용접하였다. 레이저 발진기로부터 나온 레이저 에너지는 직경이 작은 광파이버를 통하여 슬리브 내부에 에너지가 집중되도록 렌즈와 반사경을 가진 용접헤드로 전송되고, 용접헤드는 슬리브의 끝단부에서 축방향으로 회전하면서 슬리브와 전열관을 좁은 밴드 형태로 정밀 용접한 후, 슬리브의 반대편 끝단부도 동일한 방법으로 용접하였다.

그러나, 이런 슬리빙 방법은 끝단부가 용접된다 하더라도 운전 중에 전열관의 구조적인 강도가 약해져서 진동 등으로 파손될 뿐만 아니라, 응력부식에 의한 재파손이 번번히 발생한다는 문제점을 가지고 있었다.

또한, 레이저 용접헤드의 길이가 길어짐에 따라, 슬리브의 길이에 따라서곡면부 절연관이나 수실의 모서리 부분에서 파손이 발생하는 경우에는 슬리빙을 실시할 수 없는 문제점을 가지고 있었다.

슬리브의 확관방법에 있어서 미국특허 5,371,767 등은 수압확관 및 기계적인 롤 확관을 사용함으로서 수압확관기의 부피와 무게로 인하여 로봇의 크기가 증가하고, 작업시간이 길어짐으로서 작업자가 방사선 피복량이 클 뿐만 아니라 파손된 전열관의 일부분만이 보수가 가능한 문제점이 있었다.

또한, 이런 특허의 몇 가지 단점으로서는 슬리브의 확관부위가 레이저 용접 부위로 국한됨으로서 증기발생기의 운전중 전열관을 통과하는 1차 냉각제의 유체압력 증가에 따른 슬리브 끝단부위에서 난류에 의한 마모 등으로 재 파손되는 경향이 있었다. 또한 슬리브의 직경 감소 부분에서는 용접부위에 건전성 검사가 불가능 할 뿐만 아니라, 슬리브가 재 파손되거나 슬리브의 위쪽에 전열관이 파손된 경우에는 슬리빙을 할 수가 없었다. 왜냐하면 보수하기 위한 기존의 슬리브의 직경의 감소로 인하여 보수용 슬리브를 삽입할 수가 없기 때문이다.

반대로 슬리브의 확관하지 않는 미국특허 5,430,270 등은 슬리브 외면과 전열관 내면의 밀착 탄성이 없으므로서 레이저 열원에 의한 응용된 용가재가 슬리브와 전열관 사이에 붙지 않고 용가재의 하중에 의해 하부로 떨어짐으로서 용접의 불균일성으로 인한 누수가 가장 큰 문제점으로 발견되었다.

원격제어에 의한 레이저 정밀 용접 헤드에 의한 슬리빙 기술에 있어서 종래의 발명으로서 미국특허 제5,491,317 등은 초음파 모터 또는 소형 모터가 레이저 용접헤드 중심부에 놓여짐으로서 공기에 의한 냉각시스템이 추가로 필요할 뿐만 아니라, 고온 용접시 슬리브의 복사열에 의한 구동치차의 변형 등으로 회전이 원활하지 못하는 결점이 있었다.

종래의 특허는 슬리브 용접후 열처리를 하지 않거나 불완전하게 실시함으로서 증기발생기 운전중 슬리브의 용접 틈새에서 응력 부식 원인으로 슬리브가 재 파손 됨으로서 플러깅의 한계(보통 10% 이하)를 초과함으로서 증기발생기의 교체로 이어지는 결과를 만들었다.

본 발명은 상기의 여러 문제점을 모두 해결하기 위한 것으로서, 대형 열교환기 설비의 내부에 설치된 수백 내지 수천 개의 전열관이 운전중 어떤 원인으로 결함이 발생하거나 파손되어 기능이 상실된 경우, 이를 보수하여 원래의 기능을 회복 재사용하기 위하여 전열관의 내경보다 작은 튜브(이하 '슬리브'라함)를 결함 위치에 두고 정밀 폭발확관하고, 레이저로서 슬리브의 양끝을 초정밀 용접한 후, 레이저 열원으로서 용접 잔류응력을 제거하는 방법에 관한 것으로서 대형설비를 교체하지 않고 재사용할 수 있도록 하기 위한 것이다. 본 발명의 목적은 먼저, 전열관의 파손부위에 관계없이 슬리빙을 실시할 수 있도록 하며, 확관후의 슬리브 내경이 파손전의 전열관의 내경과 동일하게 하고, 정밀 조립된 화약의 폭발력으로 신속하게 슬리브를 실시할 뿐만 아니라 슬리브 직경을 전열관의 직경과 동일하게 함으로서, 작업자가 피폭량을 줄이고, 사용중 슬리브의 1차 유체의 난류 마모에 의한 재파손을 없애고, 슬리브의 용접부위 검사가 가능하게 하며, 슬리브 부위나 위쪽의 파손이 일어날 경우에도 슬리빙이 가능하게 하며, 레이저 헤드 구동장치인 임펠라의 회전력을 외부의 냉각공기로부터 정밀 조정함으로서 헤드구성의 단순화를 통하여 회전의 불안정, 용접중의 정지 등의 종래의 문제점을 해결하기 위한 목적을 가지고 있다.

그리고 본 발명이 가장 크게 해결하고자 하는 것은 용접부위의 응력제거를 위하여 별도의 응력제거 장치를 쓰지 않고 동일한 레이저 헤드의 회전속도를 높임으로서 레이저 열원으로 잔류응력 제거 레이저 열처리를 개발하고자 한 것이다.

여기서 대형 열교환기류라 함은 원자력 증기발생기, 급수가열기, 보일러, 응축기, 증발기, 화학반응기 등을 말하며, 이러한 설비의 내부에는 열교환이 이루어 질 수 있도록 수백 내지 수천개의 금속재질의 튜브(이하 '전열관'이라 함)로서 구성되어 있다. 이런 열교환용 전열관의 내부와 외부는 서로 다른 물질의 유체와 서로 다른 온도의 유체가 흘러가도록 설계되지만 단지 열교환 기능만이 금속재질의 전열관을 통하여 교환되도록 설계되어 있다. 만일 이런 전열관이 어떤 이유로 파손되어 전열관의 안쪽의 1차 계통의 유체와 전열관 바깥의 2차 계통의 유체가 혼합되면, 열교환기의 종류에 따라서 방사능 물질의 유출, 유독물질의 배출, 해수에 의한 주변기기의 부식파손, 열효율 기능 강화 등의 심각한 문제를 일으키게 된다. 예를 들어 원자력 발전소 증기발생기의 경우 가압수형 원자로에서 핵연료의 핵분열에 의해 발생된 방사선 물질과 열이 원자로 내부를 순환하는 1차 냉각재인 경수에 전달된다. 이 냉각재는 증기발생기의 전열관 내부를 지나면서 2차 유체인 순수한 물에 열을 전달하여 증기를 발생시키고 다시 원자로로 되돌아 온다. 방사능을 함유한 1차 냉각재로부터 단지 열을 전달받은 순수한 물의 증기는 터빈을 돌려서 전기를 얻고, 응축기에서 해수의 냉각수에 의해 응축되어 증기발생기로 되돌아가는 순환 계통인 경우, 증기발생기 전열관의 파손은 2차계통의 순수한 물을 방사능 물질로 오염시킴으로서 방사능 물질의 배출 원인이 되기 때문이다.

원자력 증기발생기는 몸체 내부는 수천개의 전열관으로 구성되어 있으며, 방사능 물질을 함유한 1차계통의 냉각재는 전열관 내부로, 전열관 외부는 2차계통의 순수한 물로 분리된 시스템이다. 이러한 순환방식은 원자로의 냉각재가 증기발생기 아래쪽의 수실로 들어가 튜브시트와 연결된 ∩모양의 전열관의 내부를 통하여 튜브시트 아래의 두 부분으로 나누어진 반대쪽 수실의 출구로 배출되어 냉각펌프를 지나 원자로로 되돌아 간다.

증기발생기의 전열관은 길이가 길기 때문에 중간 위치에서 전열관을 고정시키는 지지대가 필요하고, 이런 지지대는 튜브시트와 마찬가지로 전열관을 통과시키는 홀을 가지고 있으며 몸체와 연결된다. 이런 전열관들은 제작을 쉽게 하고, 사용중 전열관의 열팽창을 고려하여 튜브 지지대의 홀은 전열관의 직경보다 약간 크게 함과 동시에 튜브를 수평적으로 지지하고 운전중 진동 등에 견딜 수 있도록 충분히 작아야 한다.

증기발생기의 전열관은 장기간의 운전중 여러 가지 원인의 파손 메카니즘을 가지고 있는데, 전열관의 부식균열, 두께감소, 파손 등이 발생하게 된다. 부식의 원인으로서는 일차 냉각재에 의한 응력부식파괴(Stress Corrosion Cracking), 이차측의 응력부식파괴와 불순물에 의한 부식이 있다. 일차측의 파손은 전열관의 확관 천이 지점, ∩전열관의 곡면부위, 전열관의 지지대와 같은 잔류응력 누적지점의 위치에서 주로 일어난다. 이차측 파손은 전열관의 튜브시트 사이의 균열, 튜브 지지대와 전열관의 경계면, ∩전열관과 진동방지판과 같은 침전물이 쌓이는 위치에서 발생하게 된다. 이런 파손 문제를 해결하기 위한 방법으로서는 전열관의 파손위치와 수량에 의해 구분된다. 즉, 파손된 전열관의 관막음(플러깅) 하든지 또는 전열관 내부를 도금이나 클래딩하거나 또는 전열관 내부에 슬리빙할 수 있다. 그렇지 않으면 증기발생기의 전체 교체가 있다.

파손된 전열관의 플러깅 방법은 슬리빙을 실시할 수 없는 경우이거나 긴급 파손의 경우에 즉시 실시가 가능하지만 운전시의 해당 전열관의 기능을 사용하지 않음으로서 증기발생기의 열효율을 감소시킬 뿐만 아니라, 플러깅 여유는 전체 전열관의 용량 설계에 따라서 10% 내지 15% 이하에서만 가능하다.

파손된 전열관의 내부를 도금하는 방법은 전열관의 미세한 균열이 발생한 경우 적용하여 사용할 수 있지만 전열관의 기계적인 강도를 유지할 수 없으므로 저열관이 심하게 부식되거나 파손된 경우에는 적용이 불가능하다.

파손된 전열관을 슬리빙하는 경우에는 전열관의 기능과 기계적 강도를 충분히 유지할 수 있음로서 대부분의 원자력 발전소 보수에 일반화되어 있다.

증기발생기의 교체는 최종적인 해결방법으로서 장기간의 운전중지로 인한 소득 감소와 교체 비용 및 방사능 물질의 차단 시설추가, 사후처리 등의 문제점들이 발생되고 있다.

제1도는 원자력 증기발생기 전열관의 결함 발생 위치 개략도,

제2도는 증기발생기 튜브시트 상부의 결함 발생 전열관의 상세도,

제3도는 증기발생기 지지대 부위의 결함 발생 전열관의 상세도,

제4도는 종래 기술에 관한 지지대 부위의 슬리빙 방법,

제5도는 종래 기술에 관한 튜브시트 부위의 슬리빙 방법,

제6도는 종래 기술에 관한 증기발생기 레이저 슬리빙 장치의 시스템 개략도,

제7도는 종래 기술에 관한 결함 전열관의 용접 및 열처리용 슬리빙 헤드 도면,

제8도는 본 발명에 관한 증기발생기 레이저 보수 설비 개략도,

제9도는 본 발명에 관한 폭발 확관용도의 슬리브 결합체의 단면도,

제10도는 곡면부위 보수용 슬리브 결합체의 단면도,

제11도는 레이저 슬리빙 헤드 상세 단면도,

제12도는 튜브시트 부위의 결함 전열관 단면도,

제13도는 튜브시트 부위의 슬리빙후의 단면도,

제14도는 지지대 부위의 결함 전열관 단면도,

제15도는 지지대 부위의 슬리빙 후 단면도,

제16도는 기존 슬리브의 재파손 결함 발생 단면도,

제17도는 기존 슬리브의 결함 전열관 슬리빙 개략도,

제18도는 'U' 밴드 부위의 결함 전열관 슬리빙 개략도.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명하기로 한다.

본 발명은 열교환기 설비의 전열관이 부식 등으로 결함이 발생하거나 파손된 경우의 전열관 보수 공정에 적용되는 것이다. 상세한 내용은 대형 열교환기 설비중 원자력 증기 발생기를 예를들어 상세한 공정을 설명한다.

제1도는 전형적인 순환방식의 가압수형 원자력 발전소의 증기발생기이다. 본 도면에서는 전열관(1)의 집합체에 대한 이해를 돕기 위해 2개를 표시하였지만 용량에 따라서 4천 내지 9천여 개의 전열관으로 구성되어 있으며, 튜브시트(3), 입구측 수실(6), 출구측 수실(7), 전열관 지지대(11), 습분분리기(12), 습분건조기(13), 동력용기 출구(14), 외부셀(4) 등으로 구성된다. 운전중 원자로에서 배출된 방사능 물질을 함유한 냉각재는 노즐(8)을 통하여 수실(6)으로 유입되어, 튜브시트(3)의 수 천개의 홀을 통하여 전열관(1)의 내부로 들어가며, ∩곡면부(2) C를 돌아서 출구측 반대쪽 수실(7)로 되돌아서 노즐(9)을 통해 원자로로 다시 들어간다. 이때 전열관(1)의 외면에 있는 순수한 2차측 유체는 전열관(1) 금속을 통하여 단지 열전달이 이루어져 동력을 일으키는 증기가 되어 습분분리기(12), 건조기(13), 증기 출구 노즐(14)를 통하여 터빈으로 보내어 진다.

제2도에서와 같이 증기발생기 전열관(1)의 끝단부의 각각은 튜브시트(3)홀에 확관과 용접으로 체결되어 있다. 이런 전열관(1)들은 수 년간 운전중 응력 또는 2차측 유체의 불순물 등의 침전물(15) 등의 원인으로 부식되어 크랙이 발생되어 가끔 파손되는 수가 있다.

제3도에서 튜브시트 상부의 전열관(1)들은 지지대(11)에 구속되어 있으며, 지지대(11)의 홀의 구경은 전열관(1)의 외경 보다 약간 크게 되어 있다. 이것은 제작을 용이하게 하면서 운전시 전열관(1)의 팽창 때문에 필요하다.

수년간 운전시 중심부의 전열관(1)들은 지지대 사이의 유속(16), 슬러지 침전물(15) 및 전열관의 진동에 의한 마모, 부식 등을 전열관 외면이 제3도와 같이 얇아지거나 파손되는 경우가 있다. 파손의 경우는 방사능을 함유한 냉각재가 전열관을 통하여 증기 터빈을 회전시키는 순수한 유체를 오염시키는 경우가 발생하게 되는데, 이런 경우에는 해당 전열관의 양 끝단부를 관막음(플러깅)으로 일시적인 해결은 가능하지만 전열관의 원래 기능은 소실된다.

전열관의 기능을 재생시키는 방법으로서 슬리빙 기술은 미국 특허 5,371,767 등에서 수압확관과 초정밀 레이저 용접 기술이 개발되어 있다. 이런 이미 알려진 슬리빙 특허를 요약정리하면 수압확관과 정밀 레이저 용접을 조합한 기술로 볼 수 있다.

종래에는 제4도와 같이 지지대(14) 부위의 전열관(1)의 외면이 마모되거나 파손된 경우 슬리브(18)을 결함부위를 중심으로 설치한 후 상하 끝단에서 약간 떨어진 지점에 레이저 용접 밴드(20)보다 넓은 범위로 수압확관(17) 한 후 레이저 열원으로 슬리브(18) 확관에 의한 탄성력과 전열관의 내부 압축힘을 활용하여 상부 및 하부위치(20)에서 각각 정밀 레이저용접을 한다.

제5도에 종래기술에서 튜브시트(3) 직상부에 위치에 전열관(1)의 결함이 발생된 경우에도 수압확관폭(17) 만큼 확관한 후 상부는 레이저 용접(20), 하부는 기계적 롤확관 한 후, 튜브시트 끝단부에서 레이저 용접(21) 한다.

이런 정밀 레이저에 대한 종래의 슬리빙 기술은 슬리빙 기술을 개발하여도 근본적인 해결방법은 없었는데 이것은 파손 전열관을 보수하는 데는 적용범위의 한계가 있었다.

첫째 이유로서 300~900mm의 슬리브 직선 길이로 인하여 ∩곡면부(C 부위)전열관의 파손부위나 수실 모서리 부분의 결함 전열관 또는 슬리브의 재파손이 발생할 경우에 종전의 발명은 적용할 수가 없었다. 이것에 대한 본 발명의 해결 방법으로서 필요에 따라 유연성이 있는 슬리브와 정밀 폭발 확관기술과 레이저 용접 헤드 길이를 짧게함으로서 가능하게 하였다.

두 번째로 슬리브의 확관부위가 작은 범위 상하에만 적용 용접함으로서 가공응력의 집중으로 인해서 사용중 용접부위의 재파손이 발생할 뿐만아니라, 슬리브 의상,하부의 내경 부분이 작음으로서 레이저 용접후의 열처리나 비파괴 건전성 검사가 불가능하였다. 또한 운전중 슬리브(18)가 재파손되는 경우에는 슬리빙이 불가능하였으며, 운전중에도 직경감소로 인하여 1차 유체의 상, 하부 압력 상승이나 난류에 의한 마모 등이 발생하였다. 이런 여러 가지 문제점들은 본 발명에서 화약에 의한 정밀 폭발 확관 기술로서 슬리브의 내경을 전열관의 내경과 동일하게 함으로서 해결할 수가 있었다.

세 번째로 슬리빙을 하기위한 수압확관 장비 등 전, 후처리 부대장비가 크게 복잡하여 슬리빙 보수시간이 길어짐으로서 작업자가 피복량의 매우 컸다. 이것은 정밀 폭발확관 기술을 응용함으로서 주변장치를 단순화하고 로봇을 소형화하는 한편 성능을 높이고 레이저 용접 및 열처리를 동시에 실시함으로서 보수시간을 대폭 단축하였다.

제6도는 종래의 원자력 증기발생기 결함 전열관 보수를 위한 레이저 용접 보수 시스템 개략도이다. 레이저 시스템(22)은 보통 펄스 발생 전기장치, 광학장치 및 냉각장치로 구성되는데 광파이버에 의한 에너지 전송을 위해 Nd:YAG 레이저를 사용하며 광파이버의 전송 손실을 감안하여 용접가능하도록 1.0 내지 2.5 kW 용량이다. 레이저 발생장치에서 발생된 레이저빔은 접속장치(23)에서 렌즈로 집광되어 직경 0.8 내지 1.0mm 광파이버(24)로 들어가서 전송되며 원자로 격납용기(25) 외부에서 내부로 전송되는데 150~250 미터의 길이가 된다. 이 전송 케이블은 증기발생기의 맨웨이(Man Way) 가까이에서 접촉단자(26)으로 광파이버(24)와 연결시켜서 레이저 용접 헤드(27)로 보내어 진다.

제7도에서 종래의 레이저 에너지는 헤드(27) 내부의 렌즈(28)와 반사경(29)을 통과하여 슬리브(18)에 조사된다. 종래의 슬리빙 헤드(27) 내부의 회전력은 초음파 모터(31)과 엔코더(32)로 중심축의 고정장치(30)을 축으로 회전하여 불활성 가스에 의한 용접 산화 방지와 헤드 냉각 분위기에서 정밀용접하였다.

이런 발명의 문제점으로는 모터 장치(31)가 레이저 헤드(27) 내부에 장착됨으로서 헤드 직경을 8mm 이하로 줄일 수 없고 와전류 검사장치(33) 등으로 헤드(27) 전체길이가 길어짐으로서 직경 작은 전열관이나 ∩곡면부, 수실 모서리 부위의 전열관(1)이 파손된 경우에는 보수가 불가능하였다. 그러나 본 발명의 특징은 공기에 의한 회전 구동 장치가 레이저 헤드 내부에 초음파 모터 대신에 장착함으로서 상기의 문제점을 해결하였다.

제8도는 증기발생기 파손 전열관을 보수하기 위한 본 발명의 레이저 슬리빙 시스템 개략도이다. 본 발명은 대형 열교환기류 전열관의 결함을 보수하는 방법에 있어서, 폭발확관용 슬리브 결합체를 파손된 전열관 위치에 고정시키는 공정; 상기 폭발확관용 슬리브 결합체를 상기 위치에서 폭발확관시키는 공정; 확관용 잔유물을 제거한 후 상기 위치에 레이저 슬리빙 헤드를 위치시키는 공정; 상기 레이저 슬리빙 헤드를 이용하여 상기 슬리브 결합체의 내면에 원주방향으로 레이저빔을 조사하여 슬리브 결합체 외면의 저융점 브레이징 메탈과 전열관을 용접시키는 레이저 용접공정;으로 이루어 진다. 그리고 여기서 상기 레이저 용접공정은 레이저 슬리빙 헤드를 회전 및 축방향으로 이동하면서 용접을 수행하는 공정; 용접후 회전속도와 축방향이동 속도를 증가시켜서 용접 잔류응력제거 열처리를 하는 공정; 으로 이루어진다.

그리고 여기서 상기 레이저 슬리빙 헤드의 회전동력은 냉각 및 불활성 분위기의 가스로 유입되는 가스를 노즐과 회전날개의 유체흐름의 반작용으로 얻고 회전속도의 감지센서 출력신호로부터 가스압력 조절 밸브를 통하여 회전속도를 조정하도록 되어 있으며, 헤드의 냉각 및 불활성 분위기 조성을 위한 냉각 유체의 흐름은 렌즈의 외부의 3개의 홈을 통하여 달성되며, 반사경은 반사면 및 뒷면에서 냉각되도록 유체흐름으로 구성한다. 또한 레이저 용접헤드의 축방향 이동은 원격제어에 의한 핀치롤로 구성하고 헤드의 회전속도와 연계하여 제어되도록 구성하고 용접시에는 회전속도를 낮추는 반면, 열처리시에는 회전속도를 높일 수 있게 한다.

본 발명에 관한 구체적인 작용을 설명하면 다음과 같다.

증기발생기 결함 세관(1)을 슬리브 헤드(27)로 정밀용접을 실시하기 위하여 원격 제어장치(47)와 헤드 이송용 제어장치(48)로서 슬리브(19)를 파손 전열관 위치에 고정시킨 후 폭발확관하고, 원격 제어로 잔유물을 제거한 후 슬리브 헤드(27)를 장착한다. 슬리브 헤드는 케이블에 연결되어 8 미터의 길이의 유연성 가이드 튜브(37)의 양끝단의 니플(38)(39) 사이의 안쪽에 둘이있다. 케이블의 내부에는 레이저 전송용 광파이버(24)와 냉각 및 팬 회전용 냉각가스 통로 및 회전수 감지용 신호전선이 들어있다. 헤드(27)의 상, 하 이동은 케이블과 접촉된 가이드 롤(44)의 회전력으로 이동이 제어된다. 광파이버(24)가 들어 있는 케이블은 레이저 에너지 손실이 되지 않는 지름을 가진 원형(45)에 감기거나 풀린다.

냉각 및 불활성 용도의 가스(46)은 압력조절 센스장치(50)로부터 호스(49)의 내부를 지나 레이저헤드(27)에 도달한다. 그리고 이 가스는 레이저 발생장치(22)방향으로는 밀폐되는 반면 튜브(37) 방향으로 보내어 진다. 격납용기(25)의 외부에는 레이저 발생 시스템(22)과 원격 제어장치(47) 및 슬리빙 제어장치(48)를 설치한다.

레이저 발생장치(22)는 격납용기(25)의 외부에서 레이저헤드(27)의 출력을 조절하는 시스템을 포함하며, 헤드(27)의 레이저 출력 조절, 개폐, 펄스 조절 등의 장치를 통하여 슬리브(19)의 용접 및 열처리를 수행한다. 이 레이저 시스템은 원격 제어장치(47)와 슬리빙 제어장치(48)와 동시 제어된다.

원격제어장치(47)는 고정장치(35)에서 레이저헤드(27)가 결함 전열관(1)의 튜브시트 홀(3)의 하단에 장착되어 슬리빙 등의 보수 작업을 수행할 수 있도록 원격 제어 판넬로 구성된다.

슬리빙 제어장치(48)는 냉각가스(46)의 압력제어장치(50), 헤드(27)의 상하이동용 핀치롤(44), 헤드의 회전수 감시 신호 및 CCD 카메라(40) 각도 조정장치 제어시스템으로 구성하여 상호 제어 자동 또는 수동으로 제어한다.

레이저헤드(27)의 결함 전열관 부위의 이동은 원격 제어 시스템(47)에 의한 고정장치(35)의 6축 구동식 제어 모터(41), 지지대(42), 케메라(40)에 의한 시스템으로 구성된다.

제9도는 일반 보수용 슬리브 19는 결함 전열관(1)에 밀착하기 위한 폭발확관용 슬리브 결합체의 단면도이다. 본 폭발확관용 슬리브 결합체는 중심부의 전기뇌관, 뇌관전선, 화약으로 구성된 폭발부와; 슬리브 결합체의 내면과 중심부의 폭발부사이에 저밀도 폴리에틸렌 수지와; 슬리브 결합체의 양쪽 단부의 복수개의 홈으로 이루어져 있는 것을 특징으로 하고, 상기 폭발부 내의 화약은 폭발확관후 슬리브의 내경과 결함 전열관의 내경이 동일하도록 고성능 RDX와 HMX를 혼합한 비율의 화약량으로 구성된 것을 특징으로 한다.

또한 상기 슬리브 결합체는 슬리브 결합체 외면에 깊이 0.3~0.5mm, 폭 2.0~4.0mm의 환형링으로 구성하며 재질은 슬리브 및 전열관의 융점보다 200~500℃ 낮은 브레이징 합금으로 구성한 것을 특징으로 하고 있다.

이 결합체는 원격 제어 시스템(47), (48)에 의하여 케이블에 장착되어 가이드롤(44)에 의해 가이드 튜브(37)을 안쪽을 이동하여 니플(38)을 지나 파손 전열관 위치에 장착된다. 폭발확관 결합체의 슬리브(19)는 내부에 저밀도 폴리에틸렌 수지(53)외면과 강력접착제(56)으로 접합되어 있으며, 전기뇌관(51), 뇌관전선(55) 및 화약(52)으로 구성되어 있다. 슬리브(19)의 양 끝단 부위는 길이 0.3~0.5mm, 폭 2.0~3.0mm의 3개의 홀(54)을 형성하여 홈에는 인코넬 690보다 융점이 200~400℃ 낮은 니켈-은 합금으로 구성하는데 이것은 확관후 저융점에 의한 용접 성능을 향상하기 위함이다.

또한 상기 슬리브 결합체는 전열관의 결함위치에 관계없이 전부위에서 사용할 수 있도록 만곡형으로 이루어진 것을 특징으로 하는데 이는 제10도에 나타난다.

여기서 상기 만곡형 슬리브 결합체는 슬리브 외면 합금을 200~500℃ 낮은 브레이징 합금으로 함과 동시에,형태의 깊이 0.2~0.5, 폭 3.0~8.0, 두께 0.3~0.5mm의 환형링으로 구성하며, 슬리브 내면은형태의 길이 0.2~0.5, 폭 5.0~10.0 두께 0.5~0.8mm로 전열관의 재질과 동일 또는 우수한 재질로 구성한 것을 특징으로 한다.

제10도의 만곡형 슬리브(57)는 결함 또는 파손된 전열관이 ∩곡면부위나 수실 모서리 부분의 전열관의 파손이 발생된 경우에 사용된다. 만곡형 슬리브(57) 내부의 완충제(53), 화약(52), 전기뇌관(51) 등은 동일하지만 슬리브의 안쪽(58)은 인코넬 합금이고 외면(59)은 니켈-은 합금으로 구성되는데 열박음 처리로서 결합한 후 곡률반경이 110mm 이하가 되도록 한다. 일반형 슬리브(19) 또는 만곡형 슬리브(57)와 완충제(53) 사이에는 슬리브가 떨어지지 않도록 강력 접착제(59)가 사용된다. 화약은 고강력 화약인 PETN, RDX 등을 혼합하여 폭발힘의 세기가 조정되는데 슬리브(19) 또는 만곡형 슬리브(57)의 내경은 폭발확관 후 결함 전열관의 내경과 동일하도록 화약량을 조절한다.

제11도에서 레이저 헤드(27)는 직경 0.8~1.0mm의 광화이버(24), 냉각가스 통로(65) 및 회전수 감응장치(69)를 둘러싸고 있는 케이블(37)과 연결되어 있다. 레이저 에너지는 광파이버(24) 끝단에서 1~2개의 렌즈(28)로 집광되어 반사경(29)에서 레이저빔 각도를 바꾸어서 슬리브(19) 내면에 조사된다.

레이저 헤드(27)을 회전시키는 구동력은 케이블(37)과 광섬유(24) 사이를 통과하는 냉각가스가 3개의 노즐(66)을 통과하여 회전 날개(67)을 회전시킴으로서 얻어진다. 이 냉각가스는 다시 렌즈(28)의 모서리 3곳(65)을 지나면서 렌즈를 냉각시키고 반사공(29)를 냉각시킨 후 대칭홀(63) 및 (64)에서 배출되면서 불활성 가스 분위기에서 용접되게 한다. 이때 헤드의 회전속도 감응 장치(69)는 레이저 헤드(27)의 회전 속도를 전기신호로 출력하게 되고 케이블(37) 안쪽을 통하여 제어시스템(48)로 전달되어 가스압력 조절방법으로서 회전속도를 제어한다. 헤드(27)의 축방향 이동은 제어시스템(48)에서 케이블 이송장치(44)를 구동제어하는 신호로서 조절한다. 레이저 용접후 열처리는 헤드(27)로써 사용 회전속도를 높이고 축방향 이동속도를 빠르게 하는 대신 레이저의 출력을 줄임으로서 달성된다.

용접 및 열처리 레이저빔의 회전 중심을 유지하기 위하여 중심 고정 장치는 앞쪽(62)와 뒤쪽(72)로 구성되며 레이저 헤드 이송용 가이드(60)는 중심축 저어널(61)과 연결되어 있다.

레이저헤드(27)을 중앙에 위치하기 위한 중심고정장치(단면도 A)는 탄성을 가진 3개의 금속재질(59)로 구성되어 있으며 가이드핀(61)의 지지를 위해 홀(58)로 구성되어 있다. 단면도 B에서 반사경(29)의 냉각과 레이저빔 용접부의 산화방지와 보호를 위하여 헤드(27)에 2개의 냉각가스 출구홀이 구성되어 있다. 단면도 C는 레이저빔 집광을 위한 렌즈이며 가스통로(65)을 3개 형성함으로서 렌즈의 냉각과 동시에 가스통로를 제공한다.

단면도 D는 헤드셀전체(27)를 회전시키기 위한 회전날개(67)로서 5~10개이며 날개의 외각은 헤드셀(27)에 고정된다. 이런 회전력은 단면도 E의 3개 노즐(66)의 냉각가스로부터 얻어지며, 회전속도는 감지센서(69)로부터 전기신호로 변환되어 제어장치(48)로부터 가스압력을 조정함으로서 헤드의 회전속도를 조정한다. 케이블(37)의 끝단 고정장치(71)는 광화이버(24)와 가스통로(66)을 제공하면서 베어링(70)등으로 헤드와 분리시키는 역할을 한다.

제12도는 원자력 증기발생기의 전열관(1) 중에서 결함빈도가 가장 많은 튜브시트(3) 직상부위의 전열관의 결함상태(73)를 표시한다. 이런 결함 전열관의 보수방법은 제13도와 같이 폭발확관용 슬리브 결합체(19)를 결함부위를 중심으로 장착한후 폭발확관한다. 완충제(53)를 제거한 후, 레이저 헤드(27)는 슬리브(19) 전체면에 대하여 나선식으로 하강하면서 브레이징 합금(54)가 기존의 결함전열관(1)과 용접되도록 한 후, 헤드의 회전속도와 상승속도를 높여서 용접 잔류응력 열처리를 실시한다.

제14도는 원자력 증기발생기의 전열관의 결함이나 파손 부위(74)가 지지대 11 부위에서 발생한 경우를 표시한다. 이런 경우에도 앞의 실시조건과 유사하게 결함부위(74)를 중심으로 폭발확관용 슬리브 결합체(19)를 장착한 후 화약량을 조절하여 폭발후 슬리브 내경이 기존의 전열관(1) 내경과 동일하도록 확관한 후 레이저 헤드(27)로서 나선식으로 상승 또는 하강하면서 브레이징 합금(54)가 용융되어 기존의 전열관(1)과 용접되게 한다. 용접후 슬리브(19)와 전열관(1)의 용접 잔류응력 제거를 위하여 헤드의 회전속도와 이동속도를 높여서 응력제거 열처리를 한후 검사한다.

제16도는 기존의 슬리빙 부위에 결함(75)이 발생된 경우를 표시한다. 주로 용접부위에 잔류 응력 부식 파손으로 결함(75)이 발생하는데 종래의 기술로서는 보수가 불가능하여 플러깅하였다. 그러나 본 발명은 기존의 슬리브 직경보다 외경이 작은 슬리브를 장착한 후 화약량의 세기를 조정함으로서 내경 팽창율을 제15도와 같이 할 수 있었다. 폭발확관후의 슬리브(19)의 모양은 제17도와 같다.

제17도에서도 레이저용접 및 레이저열처리 방법은 앞서 설명한 방법과 동일하나 레이저빔의 세기를 크게 하든지 시간을 길게 하여 용접이 가능하게 하였다.

제18도는 증기발생기의 전열관의 곡면부(2)에 결함(77)이 발생한 경우이다. 이런 경우에도 종전의 기술로서는 슬리빙이 불가능하였다. 왜냐하면 슬리브가 유연성이 없움으로서 곡면부위에 내경까지 도달할 수 없기 때문이다. 본 발명은 제10도의 유연성이 있는 폭발확관 결합체(57)를 구성하고 폭발확관한 후 레이저로서 열처리 및 응력제거 열처리를 함으로서 ∩곡면부의 결함(77)을 슬리빙하였다. 이것은 제10도의 폴리에틸렌 완충제(53)의 탄성력과 만곡형 슬리브(57)인 인코넬 690 소재의 내면 환형링(58)과 브레이징용 소재 외면 환형링(57)으로 슬리브 자체의 벤딩이 가능하게 함으로서 곡면 부위의 삽입이 가능케하였다. 또한 결합체를 폭발 확관법으로 확관한 후 길이가 짧은 레이저 헤드(27)로서 브레이징 메탈(57)이 완전 용접 융착됨으로서 결함 크기가 파손의 경우에도 제18도와 같이 슬리빙이 가능하였다.

본 발명에 의하면, 전열관의 파손부위에 관계없이 슬리빙을 실시할 수 있으며, 신속하게 슬리브를 실시할 수 있고 작업자의 피복량을 줄이고 사용중 슬리브의 난류마모에 의한 재파손의 우려가 없으며 슬리브의 용접부위 검사가 가능하고, 슬리브 부위나 위쪽의 파손이 일어날 경우에도 슬리빙이 가능하며, 레이저 헤드 구동장치인 임펠라의 회전력을 회부의 냉각공기로부터 정밀 조정함으로서 헤드구성의 단순화를 통하여 회전의 불안정, 용접중의 정지 등의 문제점이 발생하지 않는 효과를 지닌다. 또한 용접부위의 응력제거를 위하여 별도의 응력제거 장치를 쓰지 않고 동일한 레이저 헤드의 회전속도를 높임으로서 레이저 열원으로 잔류응력 제거 레이저 열처리를 할 수 있게 되었다.

Claims (10)

1. 대형 열교환기류 전열관의 결함을 보수하는 방법에 있어서,

   폭발확관용 슬리브 결합체를 파손된 전열관 위치에 고정시키는 공정;

   상기 폭발확관용 슬리브 결합체를 상기 위치에서 폭발확관시키는 공정;

   확관용 잔유물을 제거한 후 상기 위치에 레이저 슬리빙 헤드를 위치시키는 공정;

   상기 레이저 슬리빙 헤드를 이용하여 상기 슬리브 결합체의 내면에 원주방향으로 레이저빔을 조사하여 슬리브 결합체 외면의 저융점 브레이징 메탈과 전열관을 용접시키는 레이저 용접공정;

   으로 이루어진 것을 특징으로 하는 열교환기류 전열관의 결함 보수방법.
2. 제1항에 있어서, 상기 레이저 용접공정은 레이저 슬리빙 헤드를 회전 및 축방향으로 이동하면서 용접을 수행하는 공정;

   용접후 회전속도와 축방향이동 속도를 증가시켜서 용접 잔류응력제거 열처리를 하는 공정;

   으로 이루어진 것을 특징으로 하는 열교환기류 전열관의 결함 보수방법.
3. 제2항에 있어서, 상기 레이저 슬리빙 헤드의 회전동력의 냉각 및 불활성 분위기의 가스로 유입되는 가스를 노즐과 회전날개의 유체흐름의 반작용으로 얻고 회전속도의 감지센서 출력신호로부터 가스압력 조절 밸브를 통하여 회전속도를 조정하는 것을 특징으로 하는 열교환기류 전열관의 결함 보수방법.
4. 제2항에 있어서, 상기 헤드의 냉각 및 불활성 분위기 조성을 위한 냉각 유체의 흐름은 렌즈의 외부의 3개의 홈을 통하여 달성되며, 반사경은 반사면 및 뒷면에서 냉각되도록 유체흐름으로 구성하는 것을 특징으로 하는 열교환기류 전열관의 보수방법.
5. 제2항에 있어서, 레이저 용접헤드의 축방향 이동은 원격제어에 의한 핀치롤로 구성하고 헤드의 회전속도와 연계하여 제어되도록 구성하고 용접시에는 회전속도를 낮추는 반면, 열처리시에는 회전속도를 높히는 것을 특징으로 하는 열교환기류 전열관의 보수방법.
6. 제1항에 있어서, 폭발확관용 슬리브 결합체는 중심부의 전기뇌관, 뇌관전선, 화약으로 구성된 폭발부와; 슬리브 결합체의 내면과 중심부의 폭발부사이의 저밀도 폴리에틸렌 수지와; 슬리브 결합체의 양쪽 단부의 복수개의 홈으로 이루어진 것을 특징으로 하는 직선형태의 폭발확관용 슬리브 결합체.
7. 제6항에 있어서, 상기 폭발부 내의 확약은 폭발확관후 슬리브의 내경과 결함 전열관의 내경이 동일하도록 고성능 RDX와 HMX를 혼합한 비율의 화약량으로 구성된 것을 특징으로 하는 폭발확관용 슬리브 결합체.
8. 제6항에 있어서, 상기 슬리브 결합체는 슬리브 결합체 외면에 깊이 0.3~0.5mm 폭 2.0~4.0mm 의 환형링으로 구성하며 재질은 슬리브 및 전열관의 융접보다 200~500℃ 낮은 브레이징 합금으로 구성한 것을 특징으로 하는 폭발확관용 슬리브 결합체.
9. 제6항에 있어서, 상기 슬리브 결합체는 전열관의 결함위치에 관계없이 전부위에서 사용할 수 있도록 만곡형으로 이루어진 것을 특징으로 하는 폭발확관용 슬리브 결합체.
10. 제9항에 있어서, 상기 만곡형 슬리브 결합체는 슬리브 외면 합금을 200~500℃ 낮은 브레이징 합금으로 함과 동시에,형태의 깊이 0.2~0.5, 폭 3.0~8.0, 두께 0.3~0.5mm의 환형링으로 구성하며, 슬리브 내면은형태의 길이 0.2~0.5, 폭 5.0~10.0 두께 0.5~0.8mm로 전열관의 재질과 동일 또는 우수한 재질로 구성한 것을 특징으로 하는 폭발확관용 슬리브 결합체.