KR20020030127A - 가압중수로 압력관튜브 와전류검사용 탐촉자 - Google Patents

Abstract

본 발명은 압력관등의 결함 여부를 비파괴방법에 의해 가압 중수로 압력관 튜브와 같은 압력관 내부의 결함 여부를 보다 세밀하고 정확하게 탐지할 수 있도록 한 가압 중수로 압력관튜브 와전류검사용 탐촉자에 관한 것이다.

종래의 탐촉자 장치는 코일이 감긴 방향과 결함이 생성된 방향이 평행할 경우에는 결함신호의 크기가 아주 작거나 탐지하기가 매우 어렵고, 결함의 축방향 위치만 검출할 수 있으며, 특히 원주방향의 위치는 탐지가 불가능하며, 와전류의 투과 깊이가 제한되어 있어 두께가 두꺼운 검사대상은 제한적인 검사만이 가능한 단점을 가지고 있으며, 결함의 형상을 예측할 수 있는 방법이 없었다.

본 발명에서는 압력관에 삽입되는 탐촉자(100)는 몸체를 압력관의 내경보다 작게하되 상기 탐촉자의 면이 압력관 튜브의 일정한 부분에 안착할 수 있도록 탐촉자 몸체를 곡면으로 하고, 상기 탐촉자 몸체(101)내에는 4개의 송,수신 코일(101)과 2개의 +포인트형 코일(102)을 내장하도록 하며, 상기 탐촉자를 구성하는 4개의 송,수신 코일(101)은 압력관 튜브면에 생성된 어떠한 방향성을 가진 결함이나 마모라도 탐지할 수 있도록 2개의 코일을 하나의 쌍으로 하여 2쌍이 서로 수직으로 배열되도록 함을 특징으로 함.

Description

가압중수로 압력관튜브 와전류검사용 탐촉자{Probe for Eddy Current Inspection of Pressure Tube of Pressurizer Heavy Water Reactor}

본 발명은 압력관등의 결함 여부를 비파괴방법에 의해 탐지할 수 있도록 하는 와전류 검사용 탐촉자에 관한 것으로 더욱 구체적으로는 가압 중수로 압력관 튜브와 같은 압력관 내부의 결함 여부를 보다 세밀하고 정확하게 탐지할 수 있도록 한 가압 중수로 압력관튜브 와전류검사용 탐촉자에 관한 것이다.

와전류검사(Eddy Current Testing)는 코일에 교류전류를 인가할 때 코일에인접한 검사대상물의 표면에 발생한 와전류에 의해서 발생한 2차전류를 이용하여 코일의 전기적 특성인 임피던스변화를 측정함으로써 검사대상물의 결함유무 또는 물리적 특성을 알아내는 방법이다.

현재 이 검사방법은 원자력발전소 뿐만 아니라 항공, 우주, 선박 등의 모든 산업분야에서 사용되고 있는 비파괴검사방법중의 한 종류이다.

원자력발전소 설비중 중수로 압력관은 튜브 내부에 핵연료를 내장하고 핵분열을 일으켜 에너지를 발생시키며, 외부에는 카랜드리아 튜브(Calandria Tube)에 의하여 둘러싸여 있는 장치로서 원자력발전소에서 매우 중요한 역할을 하는 부분이다.

이와 같은 중수로 압력관은 가동년수가 증가함에 따라 수소 및 수소 동위원소 축적에 의한 결함이나 방사선 및 경년열화에 따라 재료의 성질이 저하되어 압력관의 처짐 또는 내경의 변화 등이 나타난다.

그런데 압력관의 외부는 카랜드리아 튜브에 의하여 밀폐되어 있으므로 압력관을 검사하기 위해서는 압력관 튜브 내부에서만 접근할 수 있다.

일반적으로 압력관을 검사하는 비파괴방법으로는 초음파 방법과 와전류 방법이 많이 사용되고 있으나 검사속도가 빠른 와전류검사방법이 더욱 광범위하게 이용되고 있다.

와전류 탐촉자는 와전류검사를 수행하기 위하여 검사대상에 접촉 또는 비접촉으로 신호를 취득하는 장치로서 중수로 압력관내부에 삽입되어 내부표면 또는 외부에 발생되는 결함 및 가터스프링의 위치를 탐지하는 장치이다.

이와 같은 압력관의 검사는 캐나다 Code인 CSA-N285.4에 따라 주기적으로 검사를 하는 것으로, 검사하는 내용은 초음파 또는 와전류를 이용한 체적검사, 압력관 처짐상태, 가터스프링 위치, 압력관 두께, 압력관 내경, 압력관 수소농도 등을 검사한다.

국내 중수로형 원자로의 와전류를 이용한 압력관검사는 대부분 외국에서 제작한 검사장비에 의하여 검사를 수행하여 왔으며, 이러한 검사장비중 대부분이 첨부도면 도 10과 도 11에 도시된 바와 같이 압력관 내부에 두 개의 코일이 감겨진 차동형 보빈 프로브(Differential bobbin probe)를 삽입하여 검사를 수행한다.

상기 도 10은 종래의 사용중인 차동형 타입의 탐촉자(20)을 이용한 와전류 검사법의 단면을 나타낸 것으로 2개의 코일(21)(22) 즉 코일(+)와 코일(-)을 검사대상 표면에 위치하여 자기장을 형성하고 형성된 자기장이 검사대상물(10)의 표면에 와전류(Eddy current)를 형성하도록 하는 것이다.

이때 형성된 와전류는 검사대상물(10)의 결함(12)및 물리적 특성에 따라서 영향을 받아 2차 자기장에 영향을 미치게 되는데 이와 같은 2차 자기장의 신호를 취득하여 검사대상물의 특성을 검사하도록 하는 것이다.

도 11은 상기 차동형 타입의 탐촉자(20)를 이용하여 검사대상물인 압력관(11)의 검사를 수행하는 상태를 도시한 것으로 중수로 압력관(11)의 기하학적 형상과 구조를 개략적으로 도시하고 있다.

그런데 이러한 종래의 차동형 타입 탐촉자(20)를 이용하여 검사대상 튜브를 검사할 경우에는 결함의 방향성에 영향을 많이 받는다.

즉, 코일이 감긴 방향과 결함이 생성된 방향이 평행할 경우에는 결함신호의 크기가 아주 작거나 탐지하기가 매우 어렵고, 결함의 축방향 위치만 검출할 수 있으며, 특히 원주방향의 위치는 탐지가 불가능하였다.

또한 종래의 장치에 의해서는 와전류의 투과 깊이가 제한되어 있어 두께가 두꺼운 검사대상은 제한적인 검사만이 가능한 단점을 가지고 있으며, 결함의 형상을 예측할 수 있는 방법이 없었다.

또한 종래의 차동형 타입 탐촉자는 와전류의 침투깊이가 제한되어 있어 압력관 외부에서 발생하는 균열, 마모 등의 결함을 탐지할 수 없어 검사의 신뢰성이 낮다.

즉, 도 10과 같이 두 개의 코일이 결함을 통과하면서 코일에 인가한 교류전류로부터 검사체에 생성된 와전류에 의한 2차 전류에 의하여 코일의 임피던스차이를 첫 번째 코일과 두 번째 코일의 차이를 비교하면서 검사를 수행하는 일반적인 차동형 타입의 탐촉자를 이용한 종래의 검사방법으로는 검사 방법상 결함의 축방향위치와 개략적인 체적만을 탐지할 수 있을 뿐이었다.

이러한 문제점을 해결하기 위해서 본 발명에서는 와전류의 침투깊이가 압력관튜브의 두께를 통과할 수 있고, 결함의 축방향 위치까지 정확하게 알 수 있도록 한 가압중수로 압력관튜브 와전류검사용 탐촉자를 제공하는데 그 목적이 있다.

도 1은 본 발명의 탐촉자를 이용하여 인공적으로 가공된 압력관(시험편)에서 신호를 취득하여 압력관의 결함을 실험검사하기 위한 와전류 검사시스템의 측정 원리를 설명하기 위한 구성을 보인 것임.

도 2는 중수로 압력관 튜브의 결함등을 탐지하도록 적용되는 본 발명의 와전류검사용 탐촉자의 구성을 보인 것으로서,

(a)는 탐촉자 코일 배치상태를 보여주는 정면도이고,

(b)는 탐촉자 몸체와 코일이 조립된 상태를 도시한 측단면도임.

도 3은 상기 도2의 설계에 따라 제작된 탐촉자의 도면 및 실제 제작된 형태를 사진으로 촬영한 것임.

도 4는 본 발명에 의해 제작된 탐촉자의 조립상태 단면도.

도 5는 조립완료된 탐촉자 뭉치의 도면 및 실제 제작된 형태의 사진.

도 6은 인공결함이 가공된 중수로 압력관용 모의 시험편.

도 7은 차동형 보빈 코일을 이용한 검사신호 그래프.

도 8은 압력관의 인공결함으로부터 취득한 일반적인 와전류 신호 그래프.

도 9는 일반적인 와전류신호로부터 변환한 C-Scan Plot

도 10은 차동형 코일을 이용한 튜브 검사원리를 보인 단면도.

도 11은 차동형 보빈 프로브를 이용한 압력관검사 개략도.

*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*

100: 탐촉자101: 송.수신코일

102: + 포인트 코일 103: 페라이트 코아

110: 탐촉자 몸체120: 피스톤 안내관

130: 스프링140: 피스톤

200: 압력관210: 구동모터

220: 리니어 모터230: 콘트롤러

240: 지지대

상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명에서는 압력관에 삽입되는 탐촉자의 형태를 튜브의 내경과 일치하는 종래의 탐촉자 타입에서 벗어나 탐촉자의 몸체를 작게 하여 탐촉자의 면이 압력관 튜브의 일정한 부분에 안착하게 탐촉자 몸체를 곡면으로 설계하고, 탐촉자 몸체내에는 기존의 차동형 탐촉자가 아닌 4개의 송,수신 코일과 2개의 +포인트형 탐촉자를 내장하며, 검사시 탐촉자가 직선운동 및 회동하면서 검사를 수행하도록 리니어모터와 구동모터를 구비함을 특징으로 한다.

또한 본 발명 탐촉자의 상기 4개의 송,수신 코일은 2개의 코일을 하나의 쌍으로 하여 2쌍이 수직으로 배열되어 튜브면에 생성한 어떠한 방향성을 가진 결함이나 마모라도 탐지할 수 있도록 함을 특징으로 한다.

이하 첨부된 도면에 의거하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명에 의한 탐촉자(100)를 이용하여 인공적으로 가공된 압력관(시험편)(200)에서 신호를 취득하여 압력관(200)의 결함을 실험검사하기 위한 와전류 검사시스템의 측정 원리를 설명하기 위한 구성을 보인 것이다.

이와 같은 와전류 검사시스템은 주파수발생기와 신호분석기 및 압력관을 지지하고 회전시키기 위한 지지대(240) 및 모터(210)(220)와 이를 조절하는 콘트롤러(230)와 기타 전기적 특성을 측정하는 시스템으로 구성되어 있다.

이와 같은 검사시스템에 있어서, 검사를 하고자 하는 시료인 압력관(200)을 지지대(240)에 설치하고 리니어모터(220)에 의해 직선이송되는 탐촉자(100)를 구동모터(210)에 의해 회전하는 압력관(200)의 내부에 일정속도로 이송하면서압력관(200) 내부의 결함을 검사하도록 하는 것이다.

상기의 검사 시스템은 실험모형으로 제작된 것이나 실제 사용되는 탐촉자 검사시스템은 탐촉자를 회동 및 직선 이송되도록 한 구조로 제작되어야 한다.

도 2는 중수로 압력관 튜브의 결함등을 탐지하도록 적용되는 본 발명의 와전류검사용 탐촉자의 구체적인 구성을 보인 것으로 (a)는 탐촉자 몸체(110)에 탐촉자 코일(101)(102),(103)가 배치된 상태를 보여주는 정면도이고, (b)는 탐촉자 몸체(110)와 코일(101)(102),(103)이 조립된 상태를 도시한 측단면도이다.

본 발명 탐촉자는 페라이트 코아(103)에 코일을 감은 팬케??(pancake)코일 즉 송,수신 코일(101)과 +포인트 코일(102)을 각각 탐촉자 몸체(110)에 가공된 6개의 홀에 삽입하여 코일을 배열하였다.

상기 코일의 배열순서는 중심부의 4개 홀에는 송,수신코일(101)을 삽입하고 외부의 2개 홀에는 +포인트 코일(102)을 삽입하여 배열하였다.

즉, 도 2,3과 같이 중앙의 상.하, 좌우에 수직한 방향으로 각각 송,수신코일(101)을 배치하였고, 또한 내부표면에 발생한 결함을 검출하기 위하여 탐촉자 몸체(110) 양쪽단부에는 +포인트 코일(102)을 배치하였다.

탐촉자의 몸체(110)는 수분의 흡수를 최소화하고 압력관(200)에 대한 마모를 최소화하기 위하여 아세탈 재질로 제작하며, 송.수신코일(101)의 내부에 설치된 페라이트 코아(103)는 자기장의 세기를 강화하도록 하였다.

이와 같은 설계에 따라 제작된 것이 도 3의 탐촉자로서 실제 제작된 형태를 도면 및 사진으로 촬영한 것이다.

본 발명이 제시하는 탐촉자는 하나의 코일 즉 송신코일에서 교류전류를 인가하고 반대편 코일 즉 수신코일에서 2차 전류를 수신하는 송,수신 탐촉자를 적용하였다.

상기 탐촉자를 구성하는 4개의 송,수신 코일(101)은 압력관(200)의 튜브면에 생성된 어떠한 방향성을 가진 결함이나 마모라도 탐지할 수 있도록 2개의 코일을 하나의 쌍으로 하여 2쌍이 서로 수직으로 배열된 것이다.

즉, 사진 도면에 표시된 바와 같이 중앙의 상.하, 좌.우에 각각 송,수신코일(101)이 설치되고, 양단부에 +포인트 코일(102)이 설치 구성함으로서 코일과 평행한 방향으로 발생한 결함은 탐지하지 못한다는 단점을 보상할 수 있다.

도 4는 탐촉자 몸체(110)를 압력관(200)의 내부면에 접촉시키기 용이하도록 구성된 탐촉자 뭉치의 단면도를 도시한 것으로서 중앙부의 피스톤 안내관(120)내에 스프링(130)이 삽입 설치되며, 상기 스프링(130)으로부터 탄성력을 받는 양측의 피스톤(140) 선단부에는 탐촉자 몸체(110)가 설치되어 구성된 것이다.

상기 탐촉자 뭉치는 탐촉자 몸체(110)의 코일(101)(102)이 설치된 부분 접촉 지지부가 검사대상인 압력관(200)의 내벽에 일정한 압력을 가지고 접촉하도록 하기 위하여 양측으로 설치된 것이다.

즉, 실제 검사시 탐촉자가 압력관 표면에 일정한 압력으로 접촉하여 균일한 신호를 취득하도록 도 4 와 같이 양쪽에 각각 탐촉자몸체(110)를 두고 그 사이에 스프링(130)을 설치하여 균일한 압력의 탄성이 작용하도록 한 것이다.

도 5는 도 4에 의한 탐촉자의 실물 도면 및 제작물의 사진이다.

본 발명 송,수신형 탐촉자는 와전류의 침투깊이가 종래의 차동형 탐촉자 보다 깊어 검사체의 표면에서 내부로 멀리 떨어진 결함도 탐지할 수 있다.

이와 같은 본 발명의 실시예로서 중수로 압력관 외부에 존재하는 마모성 결함을 탐지하기 위하여 도 6과 같이 크기별로 8종류의 결함을 가공한 교정 시험편을 제작하고 본 발명 송,수신 탐촉자를 이용하여 신호를 취득하였다.

신호취득은 미국 ZETEC 사에서 제작한 와전류검사장비인 MIZ-30/8을 이용하여 UNIX 운영체계에서 작동되는 Eddynet 98 소프트웨어를 사용하였다.

범용적으로 사용되는 하나의 송,수신 코일로 구성된 단일형 탐촉자를 사용하여 동일한 교정시편함을 검사한 도 8을 비교하면 보빈탐촉자는 송.수신탐촉자의 방향에 수직한 방향의 결함을 감지하지 못함을 알 수 있다.

또한, 양쪽 끝에 위치한 + 포인트 탐촉자는 압력관 튜브 내부표면에 발생한 결함을 탐지할 수 있으므로 하나의 탐촉자를 이용하여 압력관 튜브 내부와 외부의 방향성을 가진 결함을 한번의 검사로 탐지할 수 있음을 알 수 있다.

본 발명 가압중수로 압력관튜브 검사용 와전류 탐촉자는 압력관 내부에 삽입되어 압력관 축방향으로 선형적으로 이동하고 압력관은 원주방향으로 회전운동을 하여 압력관의 내면을 모두 검사하도록 구성하여 결함의 정확한 특성 즉, 결함크기, 결함모양, 원주방향위치 등을 정확하게 평가할 수 있도록 하는 것이다.

또한 결함신호를 도 9와 같은 레스터 주사 형태로 볼 수 있으므로 와전류 검사신호 분석에 대한 지식을 가지고 있지 않더라도 쉽게 결함을 판별할 수 있도록 해준다.

이와 같이 본 발명은 결함의 축방향위치는 물론 결함의 원주방향 위치와 결함의 기하학적 형상까지 시각적으로 제공하므로서 검사의 신뢰성을 향상시켜 준다.

이상 살펴본 바와 같이 본 발명은 종래의 차동형 보빈 탐촉자를 이용하여 검사를 수행하였을 경우에는 결함의 대략적인 축방향 위치 및 결함의 체적만이 검사자가 알 수 있어 , 검사 후 결함의 평가에 많은 어려움이 있었으나 본 발명에서 제시한 중수로 압력관튜브와 전류검사용 탐촉자를 이용함으로서 결함의 축방향위치는 물론 결함의 원주방향 위치와 결함의 기하학적 형상까지 시각적으로 제공하므로서 보다 검사의 신뢰성을 향상시킬 수 있으며 결함의 평가를 용이하게 할 수 있는 기술로서 매우 유용한 기술인 것이다.

Claims (3)

1. 코일의 전기적인 특성인 임피던스변화를 측정하여 검사대상물을 파괴하지 않고 결함유무나 물리적 특성을 탐지하도록 하는 와전류검사용 탐촉자에 있어서,

   상기 탐촉자(100)는 압력관(200)에 삽입되는 부분의 형태를 튜브의 내경보다 몸체를 작게하되 상기 탐촉자의 면이 압력관 튜브의 일정한 부분에 안착할 수 있도록 탐촉자 몸체(110)를 곡면으로 하고,

   상기 탐촉자 몸체(110)내에는 4개의 송,수신 코일(101)과 2개의 +포인트 코일(102)을 내장하며,

   검사시 탐촉자(100)가 직선운동 및 회동하면서 검사를 수행하도록 리니어모터(220)와 구동모터(210)를 구비함을 특징으로 하는 가압중수로 압력관튜브 와전류검사용 탐촉자.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 탐촉자(100)를 구성하는 4개의 송,수신 코일(101)은 튜브면에 생성한 어떠한 방향성을 가진 결함이나 마모라도 탐지할 수 있도록 2개의 코일을 하나의 쌍으로 하여 2쌍이 서로 수직으로 배열되도록 하고, +포인트 코일(102)과 함께 구성됨을 특징으로 하는 가압중수로 압력관튜브 와전류검사용 탐촉자.
3. 제 1항에 있어서,

   상기 탐촉자(100)는 탐촉자 몸체(110)를 압력관(200)의 내부면에 접촉시키기 용이하도록 중앙부의 피스톤 안내관(120)내에 스프링(130)이 삽입 설치되며, 상기 스프링(130)으로부터 탄성력을 받는 양측의 피스톤(140) 선단부에는 탐촉자 몸체(110)가 설치되어 탐촉자 몸체(110)의 코일(101)(102)이 설치된 부분 접촉 지지부가 검사대상인 압력관(200)의 내벽에 일정한 압력을 가지고 접촉하도록 함을 특징으로 하는 가압중수로 압력관튜브 와전류검사용 탐촉자.