KR200429816Y1 - 와전류검사 탐촉자 - Google Patents

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김세경
남민우
조찬희
최성남
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윤병식
양승한
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Abstract

본 고안은 원자력 발전소의 제어봉 봉단마개의 용접부에서 발생가능한 균열성 결함을 검출하고, 균열의 길이를 측정하여 제어봉의 건전성을 평가함으로써 운전중 제어봉 고장으로 인한 발전소 운전정지 등의 사고를 미연에 방지하도록 한 원자로 제어봉 봉단마개 용접부 와전류검사 탐촉자를 제공한다.
이를 위하여, 본 고안에 따른 와전류검사 탐촉자는 원자로 제어봉이 삽입되는 코일 케이싱과, 상기 원자로 제어봉의 말단에 형성된 봉단마개 용접부의 균열을 검출하는 다수의 탐촉자 코일와, 상기 탐촉자 코일이 내재되어 고정된 적어도 하나의 코일 몸체 및 상기 코일 몸체와 상기 코일 케이싱 사이에 형성되어 상기 코일 몸체를 상기 제어봉으로 밀착시키는 적어도 하나의 코일 스프링을 구비한다.

Description

와전류검사 탐촉자{EDDY CURRENT TEST PROBE}
도 1은 종래 원자로 제어봉의 설치도이다.
도 2는 도 1에 도시된 원자로 제어봉의 봉단마개 용접부를 도시한 단면도이다.
도 3은 본 고안의 실시 예에 따른 와전류검사 탐촉자의 세로방향으로 절단된 단면을 도시한 단면도이다.
도 4는 본 고안의 실시 예에 따른 와전류검사 탐촉자의 가로방향으로 절단된 단면을 도시한 단면도이다.
도 5는 도 3 및 도 4에 도시된 와전류검사 탐촉자의 환형 코일을 도시한 단면도이다.
도 6은 본 고안의 실시 예에 따른 탐촉자 코일의 회로를 도시한 회로도이다.
도 7은 본 고안의 실시 예에 따른 와전류검사 탐촉자에서 발생하는 와전류신호를 측정한 그래프이다.
<도면부호의 간단한 설명>
100: 원자로 제어봉 120: 봉단마개
130: 봉단마개 용접부 140: 피복관
160: 안내카드 210: 코일 스프링
220: 탐촉자 코일 221: 환형 코일
230: 코일 몸체 240: 코일 케이싱
250: 케이블 안내관 260: 페라이트 코어
300: 탐촉자 케이블 310: 가변형 커패시터
400: 주파수 발생부
본 고안은 원자로 제어봉 봉단마개 용접부 비파괴검사에 사용되는 와전류검사 탐촉자에 관한 것이다.
원자로 제어봉은 원자로 운전중 노심반응도를 제어하고 비상시 원자로를 정지시키는 기능을 가진 기기로서 운전중 자유로운 상하운동과 기하학적형상의 건전성이 보장되어야 하는 원전의 운전 신뢰성 및 안전성 확보에 핵심 설비이다. 제어봉은 운전중 원자로 내부 냉각재 흐름에 의한 진동, 중성자 조사 등으로 인하여 봉단마개(End-Tip) 용접부에 균열성 결함이 발생하여 운전 신뢰도에 영향을 미칠 가능성이 있으므로 주기적인 비파괴검사를 수행하여 건전성을 평가하고 있다.
원자로 운전중 원자로 제어봉 피복관(140)에는 원자로 내부의 냉각재 흐름시 발생하는 와류에 의해서 안내카드(160)와 제어봉 피복관(140)이 접촉하여 마모가 발생할 수 있으며, 또한 봉단마개 용접부(130)에는 중성자조사에 의한 균열성 결함이 발생하여 제어봉 수명이 단축될 수 있다. 이와 같이, 원자로 제어봉(100)에 발생할 수 있는 주요 결함은 피복관 마모와 봉단마개(120)의 봉단마개 용접부(130)의 균열성결함 두 가지로 분류된다. 현재 제어봉 비파괴검사에 적용되고 있는 기술은 검사속도가 빠르고 비용이 저렴한 내삽형 와전류검사기술로서 피복관 마모 결함만을 검출할 수 있으며, 이 기술로는 봉단마개 용접부(130) 발생 균열성 결함은 검출이 어렵다.
현재 제어봉 봉단마개 용접부에 중성자 조사로 인해서 축방향 및 원주방향으로 균열이 발생한 사례가 외국에서 보고되고 있고, 균열성 결함으로 인해서 원자로 운전중 제어봉이 절단될 가능성이 있으므로 원주방향으로 180°를 초과하는 균열성 결함이 검출될 경우 제어봉을 교체하도록 외국의 제어봉 제작사에서 권고하고 있다.
따라서, 본 고안의 기술적 과제는 원자력 발전기의 제어봉 봉단마개의 용접부에서 발생가능한 균열성 결함을 검출하고, 균열의 길이를 측정하여 제어봉의 건전성을 평가함으로써 운전중 제어봉 고장으로 인한 발전소 운전정지 등의 사고를 미연에 방지하도록 한 원자로 제어봉 봉단마개 용접부 와전류검사 탐촉자를 제공하는 데 있다.
상기의 기술적 과제를 해결하기 위하여, 본 고안은 원자로 제어봉이 삽입되는 코일 케이싱과, 상기 원자로 제어봉의 말단에 형성된 봉단마개 용접부의 균열을 검출하는 다수의 탐촉자 코일와, 상기 탐촉자 코일이 내재되어 고정된 적어도 하나의 코일 몸체 및 상기 코일 몸체와 상기 코일 케이싱 사이에 형성되어 상기 코일 몸체를 상기 제어봉으로 밀착시키는 적어도 하나의 코일 스프링을 구비한 것을 특징으로 하는 와전류검사 탐촉자를 제공한다.
여기서, 상기 탐촉자 코일는 상기 코일 몸체 내면의 원주 90°간격으로 4쌍의 차동형 코일로 형성된다.
그리고 상기 차동형 코일 각각의 내부에는 상기 차동형 코일의 투자율을 증가시키는 페라이트 코아를 더 구비한다.
이때, 상기 차동형 코일 각각에 전류를 공급하는 탐촉자 케이블을 더 구비하고, 상기 차동형 코일과 상기 탐촉자 케이블 사이에 가변형 커패시터를 더 구비한다.
또한, 상기 코일 몸체는 세로 방향으로 2분할 되며, 상기 코일 스프링은 상기 2분할된 코일 몸체 각각의 상부 및 하부에 형성된된다.
이때, 상기 코일 몸체는 엔지니어링 플라스틱으로 형성된다.
그리고 상기 엔지니어링 플라스틱은 폴리이미드, 폴리에테르이미드, 폴리에테르술폰, 롤리에테르에테르케톤 중 적어도 어느 하나이다.
상기 목적 외에 본 고안의 다른 목적 및 이점들은 첨부 도면을 참조한 본 고 안의 바람직한 실시 예에 대한 설명을 통하여 명백하게 드러나게 될 것이다.
이하, 본 고안의 바람직한 실시 예들을 도 3 내지 도 7을 참조하여 상세하게 설명하기로 한다.
도 3은 본 고안의 실시 예에 따른 와전류검사 탐촉자의 세로측 단면을 도시한 단면도이고, 도 4는 도 3에 도시된 와전류검사 탐촉자의 가로측 단면을 도시한 단면도이다.
도 3 및 도 4를 참조하면, 본 고안의 실시 예에 따른 와전류검사 탐촉자는 원자로 제어봉(100)이 삽입되는 코일 케이싱(240)과, 원자로 제어봉(100)의 말단에 형성된 봉단마개 용접부(130)의 균열을 검출하는 다수의 탐촉자 코일(220)과, 탐촉자 코일(220)이 내재되어 고정된 적어도 하나의 코일 몸체(230) 및 코일 몸체(230)와 코일 케이싱(240) 사이에 형성되어 코일 몸체(230)를 원자로 제어봉(100)으로 밀착시키는 적어도 하나의 코일 스프링(210)을 구비한다.
구체적으로, 코일 케이싱(240)은 와전류검사 탐촉자를 내재하며 코일 스프링(210)이 부착되어 고정된다.
코일 몸체(230)는 그 내경이 원자로 제어봉(100)보다 적어도 같거나 크게 형성되며, 세로방향으로 2분할 되어 형성된다. 분할된 각각의 코일 몸체(230) 사이에는 미세한 간격이 형성된다. 코일 몸체(230)는 코일 케이싱(240)에 부착되어 고정된 코일 스프링(210)의 탄성을 통해 원자로 제어봉(100)과 밀착된다. 이렇게 형성되 코일 스프링(210)을 통해 코일 몸체(230)가 봉단마개 용접부(130)와 밀착되어 탐촉자 코일(220)과 봉단마개 용접부(130) 사이의 간극을 최소화시켜 탐촉자 코 일(220)에서의 봉단마개 용접부(130)의 균열을 용이하게 측정할 수 있도록 한다.
코일 몸체(230)는 내면이 용접부(130)에 접촉하여 미끄러질 때 발생할수 있는 마모를 최소화하며, 원자로 내부의 방사선에 부식되지 않는 엔지니어링 프라스틱을 사용한다. 이러한 코일 몸체(230)는 내방사성, 내마모성 및 내열성의 특성을 갖는 엔지니어링 플라스틱의 일종인 폴리에테르에테르케톤을 사용하여 사용 수명을 연장할 수 있다. 또한, 폴리에테르에테르케톤과 유사한 성질을 갖는 엔지니어링 플라스틱으로 폴리이미드, 폴리에테르이미드, 폴리에테르술폰 등을 사용할 수 있다. 이외에 내방사성, 내마모성 및 내열성을 갖는 다른 엔지니어링 플라스틱을 사용하여 코일 몸체(230)를 형성할 수 있다.
코일 몸체(230)의 측면에는 다수의 탐촉자 코일(220)이 형성된다. 각각의 탐촉자 코일(220)은 2개의 환형 코일(221)이 쌍으로 형성되어 차동형으로 형성된다. 그리고 차동형으로 형성된 환형 코일(221) 내부에 투과율을 향상시키기 위해 도 5에 도시된 바와 같이, 페라이트 코어(260)를 추가로 형성할 수 있다. 특히, 상부 및 하부에 환형 코일(221) 각각이 형성되어 환형 코일(221)의 와전류 방향과 평행한 봉단마개 용접부(130) 균열을 측정할 수 있다. 예를 들어, 단면이 원형인 봉단마개 용접부(130)의 표면결함 검출시 하나의 환형 코일만 사용하게 되면 환형 코일에서 발생되는 와전류가 코일 방향과 평행하게 흐르게 된다. 탐촉자는 와전류의 흐름과 수직인 결함만을 측정하고, 와전류의 흐름과 수평인 결함을 측정하기 못하는 문제점이 발생된다. 따라서, 본 고안에서는 환형 코일(221)을 상부 및 하부 각각에 차동형으로 형성하여 와전류 흐름과 수직인 결함도 측정한다. 이러한 탐촉 자 코일(220)은 4개가 각각 원주 방향으로 90°간격으로 형성되어 360°원주방향 전체의 원자로 제어봉의 봉단마개 용접부(130)의 균열을 측정한다. 이때, 탐촉자 코일(220)은 2개의 환형 코일(221)이 쌍으로 형성되어 상부에 형성된 코일과 하부에 형성된 코일 사이에 원자로 제어봉(100)의 봉단마개 용접부(130)가 위치하게 되며, 원자로 제어봉(100)의 상하운동시 봉단마개 용접부(130)의 균열을 측정한다. 이를 위해, 탐촉자 코일(220)에 전류를 공급하는 탐촉자 케이블(300)을 추가로 구비하며, 탐촉자 코일(220)과 탐촉자 케이블(300) 사이에 가변형 커패시터(310)를 더 구비한다. 탐촉자 케이블(300)은 탐촉자 안내관(250)을 통해 탐촉자 코일에 전류를 공급한다. 탐촉자 코일(220)에 전류가 공급되면 코일 중앙으로 자계(Magnetic Flux)가 형성된다. 특히, 투자율이 큰 페라이트 코어(260)가 탐촉자 코일(220)의 중앙에 형성되어 페라이트 코어(260) 중앙으로 더 큰 자계가 형성된다. 이렇게 생성된 자계에 의해 각각의 탐촉자 코일(220) 주변에 탐촉자 코일(220) 주변을 회전하는 와전류가 형성된다. 이 와전류를 이용하여 봉단마개 용접부(130)의 균열을 측정한다. 즉, 와전류가 봉단마개 용접부(130)의 균열부에 침투하면 봉단마개 용접부(130)의 미세한 틈이 저항으로 작용한다. 따라서, 각각의 탐촉자 코일(220)의 임피던스량을 측정하여 비교함으로써 봉단마개 용접부(130)의 균열부를 검출함과 아울러, 균열부의 길이까지 측정할 수 있다.
이러한 탐촉자 코일을 더욱 자세히 설명하기 위하여 도 6을 참조하기로 한다.
도 6은 본 고안의 실시 예에 따른 탐촉자 코일의 회로를 도시한 회로도이다.
도 6에 도시된 바와 같이, 각각의 탐촉자 코일(220)은 봉단마개 용접부(130)의 균열을 신호형태로 검출하기 위하여 주파수 발생부(400)와 연결된다. 주파수 발생부(400)와 탐촉자 코일 각각은 도6에 도시된 바와 같이, 휘스톤브리지 회로로 연결된다. 이에 따라, 탐촉자 코일(220)이 공기중에 있을 경우에는 휘스톤브리지 회로가 평형상태를 이룬다. 다음으로, 탐촉자 코일(220)에 균열이 발생된 봉단마개 용접부(130)를 접근시키면 휘스톤브리지가 불평형상태로 바뀌게된다. 이때, 휘스톤브리지를 구성하는 각각의 탐촉자 코일(220)에서 발생되는 임피던스를 계산하여 균열의 폭을 계산할 수 있다. 제1 내지 제4 탐촉자 코일(220) 각각의 임피던스를 Z1 내지 Z라 하면, 휘스톤브리지의 평형조건은 수학식 1과 같다.
Figure 112006054542055-utm00001
예를 들어, 제4 탐촉자 코일(220)과 마주하는 봉단마개 용접부(130)에서 균열이 발생되면, 휘스톤브리지의 불평형량이 증가한다. 이에 따라, 제4 탐촉자 코일(220)과 마주하는 봉단마개 용접부(130)의 균열이 발생된 것을 알 수 있다. 이와 같이, 휘스톤브리지 회로의 특성을 이용하여 탐촉자 코일(220)이 고주파수에서 사용되거나, 원격검사를 하는 경우에 탐촉자 코일(220)과 연결된 탐촉자 케이 블(300)의 길이가 길어져 신호지연 또는 감쇠가 발생될 수도 있다. 따라서, 이와 같은 신호지연 또는 신호감쇠를 방지하기 위하여 가변형 커패시터(310)를 추가로 구비한다.
가변형 커패시터(310)는 주파수 발생부(400)에 형성되어 검출된 신호를 공명을 이용하여 증폭한다. 즉, 검출된 신호 대 잡음비(Signal to Noise Ratio: SNR)를 크게한다. 즉, 탐촉자 코일(220)이 유도성 리액턴스가 탐촉자 케이블(300)의 용량성 리액턴스와 동일하도록 가변형 커패시터(310)로 용량성 리액턴스를 보상하여 검출주파수를 공명시킨다. 이에 따라, 동일 주파수에서 신호의 크기가 커져 SNR이 커지므로 검출감도를 높일 수 있다. 여기서, 본 고안의 실시 예에 따른 와전류검사 탐촉자의 공명주파수는 수학식 2와 같다.
Figure 112006054542055-utm00002
여기서, L은 각 코일의 인덕턴스를 나타내며, C는 케이블의 총 커패시턴스를 나타낸다.
한편, 본 고안의 실시 예에 따른 와전류검사 탐촉자에 의한 균열의 원주방향 길이는 균열신호가 검출된 환형 코일(221)의 개수에 각각의 환형 코일(221)이 담당하는 원주방향각도 즉, 90°를 곱하면 균열의 길이가 구해진다.
도 7은 본 고안의 실시 예에 다른 와전류검사 탐촉자에서 발생하는 균열성 결함을 측정한 그래프이다.
도 7에 도시된 바와 같이, 본 고안의 실시 예에 따른 와전류검사 탐촉자를 통해 봉단마개 용접부(130)에서 균열이 있을 경우 측정된 신호에서와 같이 SNR이 크므로 4쌍 탐촉자 코일(220)에서 모두 검출되는 신호들의 구분이 가능함을 알 수 있다.
본 고안에 따른 와전류검사 탐촉자는 각각의 탐촉자 코일을 통해 원자로 제어봉의 봉단마개 용접부에서 발생되는 가로 또는 세로방향의 균열성 결함을 검출하여 원자로 제어봉의 건전성을 정확하게 평가하여 교체 또는 재사용의 조치를 적기에 취함으로써 원자로 운전중 원자로 제어봉 고장으로 인한 원자력 발전소의 운전정지 등의 사고를 미연에 방지할 수 있는 효과가 있다.
이상에서 상술한 본 고안은 본 고안이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다 할 것이다. 따라서 본 고안은 상술한 실시 예 및 첨부된 도면에 한정하지 않고 청구범위에 의해 그 권리가 정해져야 할 것이다.

Claims (7)

  1. 원자로 제어봉이 삽입되는 코일 케이싱과;
    상기 원자로 제어봉의 말단에 형성된 봉단마개 용접부의 균열을 검출하는 다수의 탐촉자 코일과;
    상기 탐촉자 코일이 내재되어 고정된 적어도 하나의 코일 몸체; 및
    상기 코일 몸체와 상기 코일 케이싱 사이에 형성되어 상기 코일 몸체를 상기 제어봉으로 밀착시키는 적어도 하나의 코일 스프링을 구비한 것을 특징으로 하는 와전류검사 탐촉자.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 탐촉자 코일은 상기 코일 몸체 내면의 원주 90°간격으로 4쌍의 차동형 코일로 형성된 것을 특징으로 하는 와전류검사 탐촉자.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 차동형 코일 각각의 내부에는 상기 차동형 코일의 투자율을 증가시키는 페라이트 코아를 더 형성하는 것을 특징으로 하는 와전류검사 탐촉자.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 차동형 코일 각각에 전류를 공급하는 탐촉자 케이블을 더 구비하고, 상 기 차동형 코일과 상기 탐촉자 케이블 사이에 가변형 커패시터를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 와전류검사 탐촉자.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 코일 몸체는 세로 방향으로 2분할 되며, 상기 코일 스프링은 상기 2분할된 코일 몸체 각각의 상부 및 하부에 형성된 것을 특징으로 하는 와전류검사 탐촉자.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 코일 몸체는 엔지니어링 플라스틱으로 형성된 것을 특징으로 하는 와전류 검사 탐촉자.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 엔지니어링 플라스틱은 폴리이미드, 폴리에테르이미드, 폴리에테르술폰, 롤리에테르에테르케톤 중 적어도 어느 하나인 것을 특징으로 하는 와전류검사 탐촉자.
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