KR20000018336A - 경수로형 원자로 제어봉피복관 원주방향 균열검사용 다중표면코일 와전류검사 탐촉자 - Google Patents

경수로형 원자로 제어봉피복관 원주방향 균열검사용 다중표면코일 와전류검사 탐촉자 Download PDF

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이희종
남민우
정계조
이진황
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이종훈
한국전력공사
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Abstract

본 발명은 방사선 피폭, 고온, 고압 등의 위해한 기기 운전환경으로 인해서 검사자가 해당 기기 또는 설비의 비파괴검사를 위해 접근이 어려운 경수로형 원자로의 출력조절용 제어봉 집합체 제어봉피복관의 외부 원주방향으로 발생할 수 있는 균열을 원격으로 검출하고 그 크기를 측정하기 위한 원격 비파괴검사를 위한 경수로형 원자로 제어봉피복관 원주방향 균열검사용 다중표면코일 와전류검사 탐촉자에 관한 것이다.
종래의 제어봉피복관 결함을 검출하기 위한 비파괴검사기술은 검사속도가 빠르고 비용이 저렴한 와전류검사기술이 주로 적용되어 있고, 기존의 Encircling & Profilometry Probe를 사용하여 피복관외부 원주방향으로 발생할 수 있는 마모만을 검출하여 그 양을 측정할 수 있을 뿐이다.
본 발명에서는 경수로형 원자로의 출력을 조절하는 제어봉 피복관에 발생 가능한 균열상태를 검출하기 위한 와전류탐촉장치로서, 상기 탐촉장치는 제어봉피복관(200)의 원주방향으로 다수의 탐촉자(100)를 배치하며, 상기 다수의 탐촉자(100)내에 설치된 표면코일(130)의 내부에는 투자율을 증가시켜 미세균열에 대한 감도가 증가되도록 내부에 페라이트 코아(140)가 삽입 설치되며, 상기 탐촉장치를 이루는 다수의 각 코일(130)과 연결하는 회로는 각 코일 제작시 발생할 수 있는 전기적 특성 차이를 보상하고, 탐촉자코일과 탐촉자 케이블(160)간의 캐페시턴스를 인위적으로 조절하여 시험주파수에서 공명이 발생하여 최고감도가 얻어지도록 세라믹 캐페시터(180)를 추가하여 회로를 구성되어 경수로형 원자로 제어봉 피복관 외부에 발생 가능한 원주방향 균열을 검출하고, 그 균열된 길이를 측정하여 제어봉 피복관의 건전성을 평가하므로서 원자로 운전중 제어봉 집합체 고장으로 인한 발전소 운전정지 등의 사고를 미연에 예방할 수 있도록 한 것임.

Description

경수로형 원자로 제어봉피복관 원주방향 균열검사용 다중표면코일 와전류검사 탐촉자
본 발명은 방사선 피폭, 고온, 고압 등의 위해한 기기 운전환경으로 인해서 검사자가 해당 기기 또는 설비의 비파괴검사를 위해 접근이 어려운 경수로형 원자로의 출력조절용 제어봉 집합체 제어봉피복관의 외부 원주방향으로 발생할 수 있는 균열을 원격으로 검출하고 그 크기를 측정하기 위한 원격 비파괴검사를 위한 경수로형 원자로 제어봉피복관 원주방향 균열검사용 다중표면코일 와전류검사 탐촉자에 관한 것이다.
경수로형 원자로 운전중 제어봉집합체 제어봉 피복관 외부에 원자로내부 냉각재 흐름와류에 의해서 피복관이 안내카드와 접촉하여 마모가 발생할 수 있으며, 또한 중성자조사에 의한 균열등이 발생하여 제어봉집합체 수명이 단축되고 있다.
현재 이와 같이 제어봉피복관에 발생할 수 있는 결함을 검출하기 위한 비파괴검사기술은 검사속도가 빠르고 비용이 저렴한 와전류검사기술이 주로 적용되어 있고, 기존의 Encircling & Profilometry Probe를 사용하여 피복관외부 원주방향으로 발생할 수 있는 마모만을 검출하여 그 양을 측정할 수 있을 뿐이다.
그러나 피복관 외부에 중성자 조사로 인해서 축방향 및 원주방향으로 균열이 발생한 사례가 외국에서 보고되고 있고, 원주방향 균열로 인해서 원자로 운전중 제어봉이 절단될 가능성이 있으므로 피복관 원주방향으로 발생한 균열이 원주방향으로 180°를 초과할 경우 제어봉을 교체할 것을 제어봉 제작사에서 권고하고 있다. 그러나 현재 국내외적으로 피복관 외부 원주방향으로 발생할 수 있는 원주방향균열을 검출하고 그 길이를 측정할 수 있는 와전류탐촉자가 개발되지 않아 균열검사가 이루어지지 못하고 있는 실정이다.
이와같은 문제점을 개선하기 위하여 본 발명에서는 경수로형 원자로 제어봉 피복관 외부에 발생가능한 원주방향 균열을 검출하고, 그 균열된 길이를 측정하여 제어봉 피복관의 건전성을 평가하므로서 원자로 운전중 제어봉 집합체 고장으로 인한 발전소 운전정지 등의 사고를 미연에 예방할 수 있도록 한 경수로형 원자로 제어봉피복관 원주방향 균열검사용 다중표면코일 와전류검사 탐촉자를 제공하는데 그 목적이 있다.
도 1 (a)는 본 발명의 일실시예로서 탐촉자의 배열상태 단면도.
도 1 (b)는 본 발명 탐촉자의 내부구성을 보인 확대 단면도.
도 1 (c)는 코일 내부에 페라이트 코아가 삽입된 상태도.
도 2는 8개의 다중표면코일로 구성된 와전류 탐촉자.
도 3은 본 발명 탐촉자 코일의 회로도.
도 4의 (a)는 재래식 와전류탐촉자에서 발생하는 와전류신호.
도 4의 (b)는 본 발명 탐촉자에서 발생하는 와전류신호.
도 5의 (a)는 페라이트코어를 삽입하지 않을 때 코일의 신호진폭.
도 5의 (b)는 페라이트코어를 삽입했을 때 코일의 신호진폭.
〈도면의 주요부분에 대한 부호의 설명〉
100: 탐촉자 110: 탐촉자 몸체
111: 걸림턱 120: 접촉부
121: 걸림플렌지 130: 표면코일
140: 페라이트 코아 150: 스프링
160: 케이블 170: 지지판
180: 세라믹 캐페시터 200: 제어봉 피복관
상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명에서는 경수로형 원자로의 출력을 조절하는 제어봉 피복관에 발생 가능한 균열상태를 검출하기 위한 와전류탐촉장치로서, 상기 탐촉장치는 제어봉피복관(200)의 원주방향으로 다수의 탐촉자(100)를 배치하며, 상기 다수의 탐촉자(100)내에 설치된 표면코일(130)의 내부에는 투자율을 증가시켜 미세균열에 대한 감도가 증가되도록 내부에 페라이트 코아(140)가 삽입 설치되며, 상기 탐촉장치를 이루는 다수의 각 코일(130)과 연결하는 회로는 각 코일 제작시 발생할 수 있는 전기적 특성 차이를 보상하고, 탐촉자코일과 탐촉자 케이블(160)간의 캐페시턴스를 인위적으로 조절하여 시험주파수에서 공명이 발생하여 최고감도가 얻어지도록 세라믹 캐페시터(180)를 추가하여 회로를 구성함을 특징으로 한다.
도 1은 본 발명의 일실시예로서 제어봉피복관(200)의 외부 원주방향으로 발생하는 균열을 검출하고 그 길이를 측정하는데 사용되는 와전류 검사탐촉자를 도시한 것이다.
도 1의 (a)는 제어봉피복관(200)의 둘레에 탐촉장치를 구성하고 있는 8개 탐촉자(100)가 각각 배열된 상태의 단면도이다.
상기 탐촉장치는 원주방향으로 각각 8개의 표면코일(130)을 포함하는 탐촉자(100)가 배치되어 있고, 탐촉장치의 내경은 제어봉피복관(200)이 탐촉장치 내부로 통과되어 와전류신호가 취득되기 때문에 피복관 외경에 의해서 정해진다.
이와 같이 일정 크기로 정해진 탐촉장치의 내경내에 8개 코일을 배치해야 하기 때문에 코일 외경이 제한을 받을 수 있고, 제한된 코일 크기로 제어봉피복관(200)에 발생하는 균열의 검출에 필요한 인덕턴스 발생을 유도하기 위해서 도 1의 (c)에서와 같이 코일 내부에 페라이트 코아(140)를 삽입하여 투자율을 증가시키므로서 미세균열에 대한 감도를 증대시켰다.
도 1의 (b)는 탐촉자(100)의 내부 구성을 보인 단면도로서 상기 탐촉자(100)는 시험체인 제어봉피복관(200) 표면과의 작동시 표면코일(130)을 감싸는 탐촉자의 머리부분인 접촉부(120)가 상기 제어봉피복관(200)에 항상 밀착되어 표면을 따라 주사되도록 코일 몸체 후방에는 지지판(170)에 지지되는 스프링(150)이 설치되고, 상기 접촉부(120)는 걸림플랜지(121)가 탐촉자몸체(110)의 걸림턱(111)에 걸리도록 하여 이탈 방지되도록 한다.
즉, 제어봉피복관(200) 표면에 발생한 균열검출을 위해 코일이 제어봉 피복관 표면 주사시 시험체인 제어봉피복관(200)과 탐촉자(100)간에 Lift-off 발생이 발생하지 않고 코일의 머리부분인 접촉부(120)가 피복관에 밀착되어 표면을 따라 주사되도록 코일 몸체 후방에 스프링(150)이 설치되어 있는 것이다.
이 스프링(150)의 탄성력에 의해서 코일 몸체가 미끄러져 피복관표면에 밀착 주사되어 Lift-off발생에 의한 잡음(Noise) 발생을 최소화한다.
도 2는 8개 다중표면코일로 구성된 와전류탐촉자의 전개도로서 코일이 피복관외부 표면을 주사할 때 코일 1개가 담당하는 원주방향 각도는 45°이고, 8개 코일이 360°전원주방향으로 주사하게 되어 원주방향으로 발생한 균열을 감지하게 된다.
도 3은 탐촉자 코일의 회로도로서 8개 각 코일 제작시 발생할 수 있는 전기적 특성 차이를 보상하고, 탐촉자코일(130)과 탐촉자 케이블(160)간의 캐페시턴스를 인위적으로 조절하여 시험주파수에서 공명이 발생하여 최고감도가 얻어지도록 세라믹 캐페시터(180)를 추가하여 회로를 구성하였다.
도 4의 (a)는 재래식 와전류탐촉자에서 발생하는 와전류신호로서 와전류탐촉자의 품질을 나타내는 신호대 잡음비(signal to noise)가 낮아져 결함으로부터 발생한 각 신호들의 구분이 어려워 결함신호의 평가가 불가능하다.
도 4의 (b)는 본 발명 탐촉자에서 발생하는 와전류신호로서 도 4의 (a)에 나타낸 재래식 와전류탐촉자에서 발생하는 와전류신호와 비교하여 신호대 잡음비(signal to noise)가 확실하게 높아 각 결합으로부터 발생한 각 신호들의 구분이 가능함을 알 수 있다.
도 5는 탐촉자의 일정한 내경으로 인해서 내부 원주방향으로 설치되는 8개 코일 외경 크기가 제한되어 필요한 코일인덕턴스를 얻기 어려우므로 이의 해결방법으로 코일 내부에 Ferrite Core를 삽입하여 얻은 신호(도 5의 (b))로서 삽입전(도 5(a))과 비교하여 2 - 3배 감도가 증대된 것을 알 수 있다.
열교환기 튜브 및 단면이 원형인 시험체의 표면결함(부식, 수직균열등) 검출에 사용되는 환형코일(Encircling, Bobbin Probe)은 코일에서 발생하는 와전류가 코일 방향에 평행으로 흐르게 되어 와전류흐름에 수직인 결함만을 검출할 수 있고, 와전류흐름에 평행한 원주방향균열과는 상호작용이 없어 검출이 불가능하다.
따라서 원주방향균열을 검출하기 위해서는 원주방향균열에 수직한 와전류를 발생할 수 있는 표면코일을 사용하여야 한다.
원주방향 균열검출 및 크기측정에 사용되는 다중표면코일 와전류검사탐촉자는 아래그림에서와 같이 브리지형 휘스톤브리지회로로 구성되어 있다. 탐촉자 원주방향으로 8개의 표면코일이 배치되어 있다.
코일 머리부분이 제어봉 피복관 표면에 밀착되어 피복관외부에 발생한 균열 부위를 주사시 균열에 의해 코일의 임피던스가 변하게 된다. 이에 따라 와전류신호가 생성되고 임피던스변화량을 균열깊이로 환산하여 균열의 크기를 측정한다.
즉 전기적으로 탐촉자 코일이 공기중에 있는 상태에서는 브리이지회로가 평형상태를 이루고 있다가 (A,C점 사이의 전위차가 없음. V=0) 코일에 튜브를 접근시키면 임피던스Z가 변하게 되어 평형이 깨져 A, C 점 사이에 전류가 흐르게 된다. 즉, 회로가 평형상태에서는 I1Z1= I2Z2, I1Z3= I2Z4의 조건이 형성되어 다음식이 얻어진다.
윗식에서 인접한 한 쌍 팔의 임피던스비는 평형되어야 할 다른 인접한 팔의 임피던스비와 같아야 되고 이때 브리지회로는 평형이 이루어진다.
만약 이면 "C"점의 전위는 "A"점의 전위보다 높다. 이것은 Z1,Z2,Z3가 일정하고 Z4가 증가할 경우(즉, 코일이 결함을 통과할 때) 브리지회로의 불평형량은 증가하게 되고 반대로 Z2가 증가하면 불평형량은 감소한다. 이와 같은 불평형 브리지회로의 특성을 이용하여 탐촉자가 원주방향균열을 통과할 때 변화하는 코일의 임피던스를 측정하고, 이를 와전류신호로 나타낸다. 또한 검사코일이 고주파수(100kHz이상)에서 사용되거나 긴 탐촉자 케이블을 사용하여야 하는 원격검사에는 검사코일과 케이블간의 공명(Resonance)을 고려하여야 하는데 일반적으로 공명주파수에서 최대의 진폭이 얻어지고 위상각이 180°반전된다. 공명은 아래 식에서와 같이 코일의 유도성 리액턴스(Inductive reactance)가 케이블의 용량성 리액턴스와 동일하게 될 때 발생한다. 즉 ωL = 1/ωC, 의 관계가 성립한다.
ω = 2πf (Angular frequency, Radian/second), L :코일 인덕턴스, Henries, C: 케이블 총 Capacitance, Farads, f : 주파수 ,Hertz
윗식에서 탐촉자-케이블 공명 주파수는
가 된다.
마모와 수직방향균열검사에 사용되는 재래식 Encircling 와전류탐촉자와 다중표면코일 와전류탐촉자의 원주방향균열에 대한 검출 능력을 비교평가하기 위해서 제어봉피복관과 동일한 재질 및 기하학적형상을 가진 SS-304튜브외부에 원주방향의 균열성 Notch를 전기방전가공하여 2가지 탐촉자의 검출능력을 비교하였다.
Encircling과 전류탐촉자의 원주방향 균열검출 능력은 도 4의 (a)에서와 같이 원주방향균열에 대한 신호가 검출되지 않음을 알 수 있으나, 다중표면코일 와전류탐촉자는 도 4의 (b)에서와 같이 8개 코일 모두 검출되고 또한 균열의 원주방향길이는 신호가 검출된 코일의 개수에 1개코일이 담당하는 원주방향각도 45°를 곱하면 길이가 구해진다.
본 다중표면코일 와전류탐촉자가 사용되지 않고 있는 현재의 경수로형 제어봉 피복관 마모검사방식으로는 제어봉 피복관 선단부위에 발생하고 있는 원주방향균열을 검출하고 그 길이를 측정할 수 없어 제어봉 피복관의 건전성을 보장할 수 없다.
따라서 본 발명에 의한 다중표면코일 와전류탐촉자를 사용하여 제어봉피복관 선단부위에 발생할 수 있는 원주방향 균열을 검출하여 제어봉피복관의 건전성을 정확하게 평가하므로서 교체 또는 재사용의 조치를 적기에 취하여 원자로 운전중 제어봉집합체 고장으로 인한 발전소 운전정지 등의 사고를 사전에 예방하는 효과가 있다.

Claims (3)

  1. 경수로형 원자로의 출력을 조절하는 제어봉 피복관에 발생 가능한 균열상태를 검출하기 위한 와전류탐촉장치로서,
    상기 탐촉장치는 제어봉피복관(200)의 원주방향으로 다수의 탐촉자(100)를 배치하며,
    상기 다수의 탐촉자(100)내에 설치된 표면코일(130)의 내부에는 투자율을 증가시켜 미세균열에 대한 감도가 증가되도록 내부에 페라이트 코아(140)가 삽입 설치되며,
    상기 탐촉장치를 이루는 다수의 각 코일(130)과 연결하는 회로는 각 코일 제작시 발생할 수 있는 전기적 특성 차이를 보상하고, 탐촉자코일과 탐촉자 케이블(160)간의 캐페시턴스를 인위적으로 조절하여 시험주파수에서 공명이 발생하여 최고감도가 얻어지도록 세라믹 캐페시터(180)를 추가하여 회로를 구성함을 특징으로 하는 경수로형 원자로 제어봉피복관 원주방향 균열검사용 다중표면코일 와전류검사 탐촉자.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 탐촉자(100)는 시험체인 제어봉피복관(200) 표면과의 작동시 표면코일(130)을 감싸는 탐촉자의 머리부분인 접촉부(120)가 상기 제어봉피복관(200)에 항상 밀착되어 표면을 따라 주사되도록 코일 몸체 후방에 스프링(150)이 설치되고, 상기 접촉부(120)는 걸림플랜지(121)가 탐촉자몸체(110)의 걸림턱(111)에 걸리도록 하여 이탈 방지되도록 함을 특징으로 하는 경수로형 원자로 제어봉피복관 원주방향 균열검사용 다중표면코일 와전류검사 탐촉자.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 표면코일(130)을 포함하는 탐촉자(100)는 제어봉피복관(200)의 원주방향으로 일정간격으로 8개 배치 설치됨을 특징으로 하는 경수로형 원자로 제어봉피복관 원주방향 균열검사용 다중표면코일 와전류검사 탐촉자.
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR100419160B1 (ko) * 2002-03-28 2004-02-18 한국원자력연구소 핵연료 채널의 마모검사 방법 및 장치
CN110400645A (zh) * 2019-07-30 2019-11-01 清华大学 组合式过球检测传感器及其检测方法

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