KR200307293Y1 - 경수로형 원자로 제어봉집합체 와전류검사 탐촉자 - Google Patents

Abstract

본 고안은 경수로형 원자로 제어봉 피복관 외부에 발생 가능한 마모를 검출하여 그 깊이를 측정할 수 있는 와전류 탐촉자와 와전류 신호 평가기술을 적용하는 것에 의해 제어봉 피복관의 건전성을 확인하므로서 원자로 운전중 제어봉집합체 고장으로 인한 발전소 운전정지 등의 사고를 미리 예방할 수 있도록 하는 경수로형 원자로 제어봉집합체 와전류검사 탐촉자에 관한 것이다.

본 고안의 경수로형 원자로 제어봉집합체 와전류검사 탐촉자는 원자로의 제어봉 피복관의 임피던스 변화를 측정하여 검출하기 위한 탐촉자에 있어서, 한 쌍의 코일링 내부 각각에 페라이트 코어를 삽입하여 차동형 내삽형 코일을 형성하고, 상기 상기 차동형 내삽형 코일을 상기 제어봉 피복관의 외연을 중심으로 균등각으로 8개 배열시킨 것을 특징으로 한다.

Description

경수로형 원자로 제어봉집합체 와전류검사 탐촉자{Light-water reactor atomic reactor control rod aggregate eddy current prosecuting attorney Prove}

본 고안은 방사선 피폭, 고온, 고압 등의 위해한 기기 운전환경으로 인해서 검사자가 해당 기기 도는 설비의 비파괴 검사를 위해 접근이 어려운 경수로형 원자로 제어봉 집합체 제어봉 피복관의 외부에 발생할 수 있는 마모, 균열 등의 결함을 원격으로 검출하고 그 크기를 측정하기 위한 경수로형 원자로 제어봉 집합체 와전류 검사 탐촉자에 관한 것이다.

일반적으로 경수로형 원자로 운전중 원자로 내부 냉각재 흐름 와류에 의해서 제어봉집합체 제어봉 피복관이 안내카드와 접촉하여 외부에 마모가 발생할 수 있으며, 또한 약 10년 정도 운전한 제어봉집합체의 경우 제어봉 선단부위 피복관 외부에 중성자 조사로 인해서 균열이 발생한 사례가 보고되고 있다.

제어봉 제작사에서는 이와 같은 결함이 발생하여 제어봉집합체 수명이 단축될 수 있으므로 주기적으로 비파괴 검사를 수행하도록 권고하고 있다.

그러나 현재 국내외적으로 피복관 외부에 발생할 수 있는 마모를 검출하고 그 깊이를 측정할 수 있는 비파괴 검사기술이 개발되지 않아 검사가 이루어지지 못하고 있는 실정이다.

이와 같이 제어봉 피복관에 발생할 수 있는 결함을 검출하기 위해서 지금까지는 수중 카메라를 이용하여 육안검사를 수행하여 왔으나 기존의 육안검사는 제어봉 피복관에 발생할 수 있는 마모, 균열 등의 결함에 대한 조재만 확인할 수 있는 검사로서 결함 검출 정확도나 신뢰도에 한계가 있었다.

즉, 육안검사는 발생할 수 있는 결함의 검출은 가능하나 발견된 결함의 길이, 깊이 폭 등을 정량화하기 어려운 문제가 있었다.

본 고안은 이러한 문제를 해결하기 위해 안출된 것으로, 그 목적은 경수로형 원자로 제어봉 피복관 외부에 발생 가능한 마모를 검출하여 그 깊이를 측정할 수 있는 와전류 탐촉자와 와전류 신호 평가기술을 적용하는 것에 의해 제어봉 피복관의 건전성을 확인하므로서 원자로 운전중 제어봉집합체 고장으로 인한 발전소 운전정지 등의 사고를 미리 예방할 수 있도록 하는 경수로형 원자로 제어봉집합체 와전류검사 탐촉자를 제공하는데 있다.

이러한 목적을 달성하기 위한 본 고안의 경수로형 원자로 제어봉집합체 와전류검사 탐촉자는 원자로의 제어봉 피복관의 임피던스 변화를 측정하여 검출하기 위한 탐촉자에 있어서,

한 쌍의 코일링 내부 각각에 페라이트 코어를 삽입하여 차동형 내삽형 코일을 형성하고, 상기 상기 차동형 내삽형 코일을 상기 제어봉 피복관의 외연을 중심으로 균등각으로 8개 배열시킨 것을 특징으로 한다.

도 1은 본 고안의 단면형상 와전류 검사 탐촉자 구조를 보인 단면도,

도 2는 본 고안의 차동형 내삽코일을 보인 도면,

도 3은 본 고안의 차동형 내삽코일 회로도,

도 4는 본 고안에 따른 단면형상 검사코일 와전류 검사탐촉자 회로도,

도 5는 본 고안의 차동형 내삽코일 와전류 검사탐촉자 회로도,

도 6은 다중표면코일 와전류 검사탐촉자 회로도,

도 7은 차동형 내삽코일 신호 및 마모량 측정값을 보인 도면,

도 8은 단면형상 검사신호 및 원주방향 마모량 측정값을 보인 도면.

*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*

10;탐촉자 11;차동형 내삽코일

12;제어봉 피복관 13;탐촉자 뭉치

14;캐패시터 15,16;브릿지회로

이하, 본 고안의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 통해 설명한다. 도 1은 본 발명에 따른 단면형상 검사 와전류탐촉자를 설치한 상태에서 축방향으로 절단한 단면도이다.

도면을 참조하면, 전체 부호 10은 본 고안의 탐촉자를 도시한 것이다. 상기 탐촉자(10)는 그 내경내에 차동형 내삽코일(Differential Encircling Coil;11)들을 등각도로 8개 배치하고 있다.

상기 차동형 내삽코일(11)은 그 외경이 제한을 받을 수 있고, 제한된 코일 크기로 제어봉 피복관(12)에 발생하는 균열의 검출에 필요한 충분한 인덕턴스(Inductance) 발생을 유도하기 위해서 코일 내부에 페라이트 코어를 삽입하여 투자율을 증가시키므로서 미세 균열에 대한 감도를 증대시키도록 하고 있다.

단면형상 검사코일은 코일이 피복관(12) 외부표면을 주사할 때 코일 1개가 담당하는 원주방향 각도는 45°로서 8개 코일이 360°전 원주 방향을 주사하게 되어 원주방향으로 발생한 균열을 검출하게 된다.

도 2는 제어봉 피복관 외부에 발생할 수 있는 마모를 검출하고 그 깊이를 측정하는데 사용되는 와전류 검사 탐촉자의 상세도이다.

도면중, 도 2a는 와전류 검사 탐촉자 뭉치를 보인 정면도이고, 2b는 2a의 A-A선에서 절개한 차동형 내삽코일(Differential Encircling Coil)을 단면도이고, 도 2c는 도 2b의 B-B선 단면도이다.

도면을 참조하면, 본 고안은 와전류 검사 탐촉자 뭉치를 형성하고 있는 상기 차동형 내삽코일(11)을 링형태로 코일로 2개를 1조로 하여 8쌍이 등각도로 배열되어 있으며, 본 고안은 그 중 1개를 발췌한 단면을 보인 것으로, 탐촉자 뭉치(13)는 그 내경으로 제어봉 피복관(12)이 내부로 통과되게 하여 와전류 신호를 취득하기 때문에 피복관(12) 외경에 의해 그 내경이 정해진다.

도 3은 차동형 내삽코일의 회로도이다. 2개의 링형태 코일(11)에서 얻어진 임피던스값의 차이가 리사주 신호로 나타나게 되며 코일을 감는 권선수는 코일에 연결된 연장케이블의 용량성 캐퍼시턴스값과 시험주파수에 따라 결정된다.

도 4는 단면형상 검사코일의 화전류 검사 탐촉자 회로도이다. 도면을 참조하면, 본 고안은 8쌍이루어진 각 내삽코일(11)의 제작시 발생할 수 있는 전기적 특성차이를 보상하여 동일 시험주파수에서 공명이 발생하도록 탐촉자 코일과 탐촉자 케이블 사이에 세라믹 캐패시터(14)를 추가하여 각 회로의 용량성 캐패시턴스값을 조절할 수 있도록 하고 있다.

이와 같이 구성된 본 고안의 작용을 설명한다. 본 고안에 따른 차동형 내삽코일(11)은 코일에서 발생하는 와전류가 코일방향에 평행으로 흐르게 되어 피복관(12) 외부에 발생한 마모를 검출하여 그 평균 깊이를 측정한다.

즉, 차동형 내삽코일(11)은 도 5와 같이 링형태 2개 코일이 서로 반대방향으로 감겨져 있으며, 브릿지 회로(15)가 평형상태를 유지한 상태에서 임피던스 변화량이 발생할 경우 그 변화량을 측정한다. 즉, 2개 코일에 감지된 임피던스 차이를 리사주 신호로 나타내고 이 신호의 최대 전압치를 표준 시험편에서 얻어진 신호의 전압치와 비교하여 검출된 마모의 깊이를 측정한다. 또한 차동형 내삽코일(11)은 코일이 원주방향으로 감겨져 있기 때문에 코일과 접해져 있는 피복관(12) 외부 마모의 평균량을 측정한다.

도 6은 단면형상 검사코일을 보인 회로도이다. 도면을 참조하면, 제어봉 피복관 원주방향으로 국부적으로 발생한 최대와 최소 마모량을 측정하고, 8개 팬케익형태 내삽코일(11)이 원주방향 45° 간격으로 배치되어 있다.

차동형 내삽코일(11)이 제어봉 피복관(12) 축방향 외부를 지나갈 때 코일 머리부분이 제어봉 피복관(12) 표면에 밀착되어 이동한다. 코일이 마모가 발생한 부위를 지나가면 코일 임피던스가 변하게 되고 이 변화량을 8개 각 코일이 감지하게 된다.

이때 표면에 발생한 마모량에 따라 각 8개 코일에 발생한 임피던스 변화량이 서로 다른 와전류 신호가 생성되고 임피던스 변화량을 균열 깊이로 환산하여 원주방향 국부적으로 발생한 균열의 깊이를 측정한다.

즉, 전기적으로 탐촉자 코일이 공기중에 있는 상태에서는 브릿지회로(16)가 평형상태를 이루고 있다가(A,C점 사이의 전위차가 없음, V=0) 코일에 튜브를 접근시키면 임피던스 Z가 변하게 되어 평형이 깨져 A,C점 사이에 전류가 흐르게 된다. 즉, 회로가 평형상태에서는 I1Z1=I2Z2, I1Z3=I2Z4의 조건이 형성되어 다음의 수학식 2가 얻어진다.

Z1/Z2=Z3/Z4

상기 수학식 1에서 인접한 한 쌍 팔의 임피던스비는 평형되어야 할 다른 진접한 팔의 임피던스비와 같아야 되고 이때 브릿지회로는 평형이 이루어진다.

만약 Z1/Z2 〉Z3/Z4이면 C점의 전위는 A점의 전위보다 높다. 이것은 Z1,Z2,Z3가 일정하고 Z4가 증가할 경우(즉, 코일이 결함을 통과할 때) 브릿지회로의 불평형량은 증가하게 되고 반대로 Z2가 증가하면 불평형량은 감소함을 의미한다.

이와 같이 본 고안은 불평형 브릿지회로의 특성을 이용하여 탐촉자가 원주방향 균열을 통과할 때 변화하는 코일의 임피던스를 측정하고, 이를 와전류 신호로나타낸다.

또한, 검사코일이 고주파수(100kHz 이상)에서 사용되거나 긴 탐촉자 케이블을 사용해야 하는 원격검사에는 검사코일과 케이블간의 공명을 고려해야 하는데 일반적으로 공명주파수에서 최대의 진폭이 얻어지고 위상각이 180°반전된다.

공명은 다음의 수학식 2에서와 같이 코일의 유도성 리액턴스가 케이블의 요량성 리액턴스와 동일하게 될 때 발생한다.

ωL = 1/ωC

여기서, ω = 2πf, L은 코일 인덕턴스(Henries), C;케이블 총 캐패시턴스(Farads), f;주파수(Hertz)이다.

상기 수학식 2에서 탐촉자 - 케이블 공명 주파수는

f = 1/2π (LC)가 된다.

이상과 같이 차동형 내삽코일과 단면형상 검사코일로 구성된 와전류 탐촉자의 마모결함에 대한 검출 및 깊이측정 능력을 평가하기 위해서 제어봉 피복관과 동일한 재질 및 기하학적 치수를 가진 스테이레스강-304튜브 외부에 제어봉 피복관에 발생 가능한 마모 결함과 유사한 형태로 깊이를 다르게 하여 그루브를 가공하여 이들 그루브에 대한 와전류 검사 탐촉자의 검출 및 크기 측정능력을 확인하였다.

차동형 내삽코일은 도 7과 같이 시험편에 가공된 4개의 깊이가 다른 각 그루브가 검출되어 그 깊이가 측정된 것을 알 수 있다. 각 그루브의 깊이는 리사주 신호의 최대 전압치를 측정하여 이루어진다.

단면형상 검사 와전류 탐촉자는 도 8과 같이 8개 코일 모두에서 마모결함 신호가 발생하여 원주방향으로 국부적으로 발생한 마로 최대 및 최소 깊이가 측정됨을 알 수 있다.

이상에서 설명한 바와 같이 종래에는 원자로 제어봉 집합체 피복관 건전성 평가를 위해 현재 적용하고 있는 와전류 검사기술로는 제어봉 피복관 선단부위에 발생하고 있는 원주방향 균열을 검출하고 그 길이를 측정할 수 없어 제어봉 피복관의 건전성을 완전하게 평가할 수 없지만, 본 고안의 다중표면코일 와전류 탐촉자를 사용할 경우 제어봉 피복관 선단부위에 발생할 수 있는 원주방향 균열을 검출하고 제어봉 피복관의 건전성을 정확하게 평가할 수 있으며, 이 검사결과에 따라 제어봉 집합체의 교체 또는 재사용 등의 조치를 적기에 취하므로서 원자로 제어봉 집합체 고장으로 인한 발전소 운전정지 등의 사고를 사전에 예방할 수 있다.

Claims (1)

1. 원자로의 제어봉 피복관의 임피던스 변화를 측정하여 검출하기 위한 탐촉자에 있어서,

   한 쌍의 코일링 내부 각각에 페라이트 코어를 삽입하여 차동형 내삽형 코일을 형성하고, 상기 차동형 내삽형 코일을 상기 제어봉 피복관의 외연을 중심으로 균등각으로 8개 배열시킨 것을 특징으로 하는 경수로형 원자로 제어봉집합체 와전류검사 탐촉자.