KR20060011055A - 증기/물 혼합 환경 재료의 마모 시험장치 - Google Patents

증기/물 혼합 환경 재료의 마모 시험장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 증기/물 혼합 환경 재료의 마모 시험장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 원자력 발전소의 증기 발생기와 같은 고온(300℃이하) 및 고압(150bar) 환경하에서 증기 발생부를 통해 증기와 물의 혼합된 2상(기상+액상) 유체를 시험용 챔버 내부로 분출시킴으로써, 기계구조물의 상호 작용에 의한 마모와 같은 기계적 성질에 대한 시험 평가를 증기/물 혼합 환경하에서 수행할 수 있는 장치에 관한 것이다.
즉, 본 발명은 내부에 구비된 시험편을 고정하는 고정 지그(Jig)가 마련되어 시험 상황을 모의적으로 제공하며 외주면 양측에 순환수의 온도를 조절할 수 있는 냉각/히터부가 마련된 시험용 챔버; 상기 챔버의 하면에 연통되게 설치되어 챔버 내부에 고온/고압의 증기를 공급하는 증기 발생부; 상기 증기 발생부와 연통되어 고온/고압의 시험 환경을 일정하게 유지하는 수화학 조절장치; 상기 수화학 조절장치를 전기적으로 연결하여 제어하며, 챔버내에 하중과 변위에 따른 일률 등을 산출하여 표시 및 제어하는 제어부;를 포함한 것을 특징으로 하는 증기/물 혼합 환경 재료의 마모 시험장치를 제공한다.
기계적 성질, 마모 시험장치, 고온/고압, 증기/물, 증기 발생부

Description

증기/물 혼합 환경 재료의 마모 시험장치{Wear properties tester of material under steam/water mixed environment}
도 1은 본 발명에 따른 증기/물 혼합 환경 재료의 마모 시험장치에 따른 전체 시스템을 도시한 개념도이다.
도 2는 본 발명에 따른 증기/물 혼합 환경 재료의 마모 시험장치를 도시한 개략도이다.
도 3은 도 2의 증기발생부에서 발생된 2상의 유체로 시험편과 고정 지그의 기계적 성질을 시험하는 상태를 도시한 부분 확대도이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
100 : 기계적 성질 시험장치 110 : 챔버
112 : 냉각/히터부 114 : 측정센서
116, 117 : 시험편 118, 119 : 고정지그(Jig)
120 : 증기 발생부 124 : 히터부
130 : 고정장치 140 : 제어부
150 : 수화학 조절장치
본 발명은 증기/물 혼합 환경 재료의 마모 시험장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 원자력 발전소의 증기 발생기와 같은 고온(300℃이하) 및 고압(150bar) 환경하에서 증기 발생부를 통해 증기와 물의 혼합된 2상(기상+액상) 유체를 시험용 챔버 내부로 분출시킴으로써, 기계구조물의 상호 작용에 의한 마모와 같은 기계적 성질에 대한 시험 평가를 증기/물 혼합 환경하에서 수행할 수 있는 증기/물 혼합 환경 재료의 마모 시험장치에 관한 것이다.
일반적으로, 기계 구조물은 수많은 부품으로 이루어지고 상대적인 운동에 의하여 마찰 또는 충격을 시행함에 따라 마모가 발생되며, 상기 기계 구조물은 보통 대기압 하에서 사용되지만 해양과 같은 수중(해수포함)환경, 우주와 같은 저온/진동 환경, 원자력 발전소의 증기발생기와 같은 고온/고압 환경 등과 같은 다양한 극한 환경에서 사용되는 경우가 많다. 이와 같은 특수한 환경에서 기계 구조물의 기계적 성질을 평가하기 위해서는 시험용 챔버를 이용하여 필요한 환경을 모의적으로 제공한 상태에서 시험이 수행된다.
이때, 챔버 내부는 주로 공기 또는 물과 같은 단일상의 환경조건에 온도 또는 압력의 환경조건을 더하여 기계적 성질 시험 평가를 수행한다. 그러나, 원자력 발전소의 증기발생기는 원자로에서 발생하는 열에너지를 전기에너지로 바꾸기 위한 열교환기로서 300℃에 이르는 고온과 150bar의 고압의 환경에서 사용되고 있다.
그리고, 원자력 발전소의 증기발생기 내부에서 열교환이 이루어지면 전열관 표면에는 많은 양의 증기가 발생하여 고온/고압의 냉각수와 함께 혼합되어 유동한 다.
또한, 증기의 양은 상부로 올라갈수록 증가하여 전열관의 최상부에서 70～90% 까지 이르게 되며, 최대 유속은 7～8m/sec에 이르게 된다. 이와 같은 증기/물이 혼합된 유체의 유동에 의해 증기발생기의 전열관과 전열관을 고정하는 지지대는 진동을 하게 되고 전열관과 지지대의 상대적인 운동에 의하여 전열관에 마모가 발생되는 것이다.
종래의 기계적 성질 시험장치는 증기 발생기 내부 유체의 유동에 의한 진동을 제공할 수 있는 구동장치와, 증기 발생기의 냉각수를 모사할 수 있는 수화학 제어장치와, 고온/고압의 증기발생기 내부환경을 모사하는 챔버로 이루어지며, 시험편의 상대적 운동을 제공할 수 있는 구동장치로는 캠 제어 방식, 유압 진동 방식, 마그네틱 선형모터 방식, 피에조 방식 등의 장치로 시험편과 고정 지그의 상대적인 운동의 재현이 가능하며, 수화학 제어장치에서 제공되는 원자력발전소 냉각수의 조건과 유사한 수화학 조건의 재현이 가능하나, 시험이 실시되는 챔버 내부에서 원자력 발전소의 증기발생기 전열관에 적용되는 열역학 조건인 증기와 물이 혼합된 2상(기상+액상) 유체에 대한 실증 환경의 재현이 불가능한 문제점이 있었다.
본 발명은 상기 종래의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 그 목적은 원자력 발전소의 증기발생기 내부 환경과 동일한 고온/고압 상태에서 증기/물의 혼합 유체를 생성하여 마모와 같은 기계적 성질 시험에 제공함으로써, 실제 원자력 발전소의 증기발생기 내부환경과 동일한 환경에서 기계적 성질을 시험할 수 있게 한 증기/물 혼합 환경 재료의 마모 시험장치를 제공함에 있다.
상술한 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 내부에 구비된 시험편을 고정하는 고정 지그(Jig)가 마련되어 시험 상황을 모의적으로 제공하며 외주면 양측에 순환수의 온도를 조절할 수 있는 냉각/히터부가 마련된 시험용 챔버; 상기 챔버의 하면에 연통되게 설치되어 챔버 내부에 고온/고압의 증기를 공급하는 증기 발생부; 상기 증기 발생부와 연통되어 고온/고압의 시험 환경을 일정하게 유지하는 수화학 조절장치; 상기 수화학 조절장치를 전기적으로 연결하여 제어하며, 챔버내에 하중과 변위에 따른 일률 등을 산출하여 표시 및 제어하는 제어부;를 포함함으로써, 재료의 마모 특성 시험시 원자력 발전소의 증기발생기 내부환경과 유사한 환경에서 마모와 같은 기계적 성질을 시험할 수 있으므로 바람직하다.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 구체적인 실시예를 상세하게 설명한다.
본 발명의 실시예의 증기/물 혼합 환경 재료의 마모 시험장치(100)는 도 1에 도시된 바와 같이 시험 상황을 모의적으로 제공하며 내부에 시험편(116, 117)이 고정되는 고정 지그(118, 119)가 구비된 챔버(110)와, 상기 챔버(110)의 양측에 수평 방향으로 설치되어 시험편(116, 117)의 시험시 필요한 하중과 변위를 발생시키는 한 쌍의 구동장치(130)와, 상기 챔버(110)의 하면에 연통되게 설치되어 고온/고압 상태인 챔버(110)에 증기를 공급하는 증기 발생부(120)와, 상기 챔버(110)의 내부와 연통되어 이 챔버(110)에 유입되는 물의 화학적 성분을 조절하고 증기 발생부(120)에 증기화 할 수 있는 물을 제공하는 수화학 조절장치(150)와, 상기 수화학 조절장치(150)와 구동장치(130)를 전기적으로 연결시켜 각각 제어하며 챔버(110)내에 하중과 변위에 따른 일률 등을 산출하여 표시 및 제어하는 제어부(140)로 이루어진다.
상기 증기/물 혼합 환경 재료의 마모 시험장치(100)에 적용되는 챔버(110)를 더욱 상세히 설명하면 도 2에 도시된 바와 같이 개폐가 가능하며 시험편(116, 117)의 기계적 성질 시험이 이루어지는 공간으로 원자력 발전소의 증기발생기 내부와 같은 고온/고압과 같은 극한 환경이 수행되며, 300℃의 고온과 150bar의 압력에서 재료의 기계적 특성평가를 수행하는 공간으로 시험편(116, 117)을 고정할 수 있는 고정 지그(118, 119)가 전후 또는 상하로 왕복 운동할 수 있도록 외주면 양측에 구동장치(130)가 설치된다.
또한, 상기 시험편(116, 117)이 고정된 고정지그(118, 119)의 중심 하부에서 챔브(110)와 연통된 상태로 설치되어 증기를 발생시키는 증기 발생부(120)가 설치되며, 상기 증기 발생부(120)와 이격된 챔버(110)의 상부 중심부에 증기 발생부(120)에서 발생된 증기의 함유량을 검출하는 측정센서(114)가 구비된다.
여기서, 상기 고정지그(118, 119)는 시험편(116, 117)을 고정하고 시험에 필요한 하중과 변위를 구동장치(130)의 구동축(132)의 구동력을 시험편(116, 117)에 전달하는 기구로써 판상의 시험편(116)을 고정하는 고정 지그(118)와 튜브(Tube)형 상의 시험편(117)을 고정할 수 있도록 반원 형상의 장착홈이 형성된 고정 지그(119)로 구분된다.
상기 측정센서(114)에 의해 센싱(Sensing)된 증기량의 출력값을 제어하는 제어부(142)가 더 마련된다.
상기 구동장치(130)는 챔버(10)의 내부까지 연장된 구동축(132)의 운동에 의해 고정지그(118, 119)에 고정된 시험편(116, 117)을 상하 또는 전후로 왕복 운동시켜 하중 및 변위를 전달한다.
상기 증기 발생부(120)는 챔버(110)의 하면에 연통되게 설치되어 고온/고압 상태인 챔버(110)에 증기를 공급하되 내부가 중공인 하우징(122)과, 상기 하우징(122)의 내주면에 설치되어 하우징(122)에 충진된 순환수를 가열하는 다수개의 히터부(124)와, 상기 하우징(122)의 상부에 설치되어 증기를 배출시키는 노즐부(126)로 이루어지며, 증기인 기상(氣相)을 생성시켜 노즐(126)을 통해 액상(液相)의 물이 있는 챔브(110)내로 분사되어 재료시험부인 시험편(116, 117) 사이에서 기상(氣相)과 액상(液相)이 혼합된 유체 분위기를 생성한다. 여기서, 배출구멍이 다른 노즐부(126)로 교체함으로써 증기/물로 생성된 혼합 유체의 유속을 저속 또는 고속으로 조절할 수 있다.
상기 수화학 조절장치(150)는 챔버(110) 내부에 원자력 발전소의 증기발생기 (미도시) 내부환경을 인위적으로 형성시켜 증기/물 혼합 환경 재료의 마모 시험이 수행되는 동안 수화학 환경을 일정하게 유지하여 챔버(110)에 유입되는 유입수의 화학적 성분을 조절하는 장치로, 챔버(110)에 유입되는 물의 화학적 성분을 조절하 여 원자력 발전소의 증기발생기 내부 상황과 유사한 수화학 조건이 형성, 유지된다.
상기 제어부(140)는 챔버(110)의 외주면에 구비된 냉각/히터부(112)와, 구동장치(130)와, 증기 발생부(120)의 히터부(124)와, 수화학 조절장치(150)를 제어하며, 시험 조건인 하중과 변위를 설정하는 한편, 시험중에 검출되는 하중과 변위에 따른 에너지량을 산출하고 표시하는 장치이다.
상기 증기 발생부(120)에 의해 발생된 증기를 시험편(116, 117)이 고정된 고정지그(118, 119) 방향으로 배출시키는 과정은 도 3에 도시된 바와 같이 상기 시험편(116, 117)이 고정된 고정지그(118, 119)의 중심 하부에 노즐부(126)가 설치되어 상기 노즐부(126)에 의해 배출된 증기는 물과 혼합됨으로써 기상과 액상의 혼합 유체가 생성된다. 여기서, 도 2에 도시된 바와 같이 챔버(110)의 양측에 설치된 구동장치(130)에 의해 고정지그(118, 119)에 하중과 변위가 전달되어 원자력 발전소의 증기발생기와 동일한 상황에서 증기/물 혼합 환경 재료의 마모 특성을 시험하는 것이다.
본 발명의 증기/물 혼합 환경 재료의 마모 시험장치(100)는 도 1에 도시된 바와 같이 먼저, 시험편(116, 117)을 고정지그(118, 119)에 장착한 후 챔버(110) 내부를 밀폐시키고 수화학 조절장치(150)를 가동시켜 챔버(110) 내부에 순환수를 유입시키고, 가열 장치인 히터부(124) 및 냉각/히터부(112)에 의해 시험을 하기 위한 온도까지 가열한다.
그리고, 챔버(110)와 증기 발생부(120)의 하우징(122) 내부가 일정 온도에 도달하면 증기 발생부(120)의 히터부(124)를 작동시켜 증기 발생부(120) 내부의 순환수를 포화수증기압 이상의 온도가 되도록 가열하면 증기 발생부(120) 내부에 증기가 발생한다.
이때, 발생된 증기를 증기 발생부(120)의 노즐부(126)에서 시험편(116, 117)을 향해 분사하며, 챔버(110)로 분사된 증기는 순환수와 혼합됨으로써 증기/물이 혼합된 2상(기상, 액상)의 유체가 되어 시험편(116, 117) 사이를 통과하게 되며, 이때 증기 발생부(120) 상부에 부착된 노즐(126)의 교체에 따라 증기/물 혼합유체의 속도를 조절할 수 있으며, 챔브(110) 내부는 냉각/히터부(112)를 작동하여 챔버(110)내부 온도를 과냉각 온도를 유지하게 제어함으로 챔버(110) 내부의 과냉각 액상을 유지할 수 있다.
여기서, 시험편(116, 117) 사이를 통과하는 증기의 함유량은 시험편(116, 117) 상부에 마련된 측정 센서(114)에 의해 측정되며, 상기 측정 센서(114) 센싱된 증기 함유량에 대한 출력값에 따라 증기량을 조절하는 제어부(142)가 구비된다.
그러므로, 원자력 발전소의 증기발생기와 동일한 상황으로 시험 상황이 설정되면 구동장치(130)로 시험편(116, 117)이 고정된 고정지그(118, 119)를 상하 방향과 좌우 방향으로 하중과 변위를 가하여 마모 시험을 실시한다.
이와 같은 본 발명의 증기/물 혼합 환경 재료의 마모 시험장치는 마모 시험시 챔버 내부에 원자력 발전소의 증기발생기와 동일한 환경을 제공하여 고온/고압의 챔버 내부에 구비된 시험편에 증기를 분사하여 원자력 발전소의 증기발생기와 동일한 상황에서 재료의 기계적 성질을 시험할 수 있으므로, 증기 발생부의 온도를 챔버와 동일하게 유지하는 기존의 고온/고압 하에서의 마모 시험뿐만 아니라 증기/물의 혼합된 환경에서의 재료에 대한 마모 시험을 할 수 있는 효과가 있다.

Claims (5)

  1. 내부에 구비된 시험편을 고정하는 고정 지그(Jig)가 마련되어 시험 상황을 모의적으로 제공하며 외주면 양측에 순환수의 온도를 조절할 수 있는 냉각/히터부가 마련된 시험용 챔버;
    상기 챔버의 하면에 연통되게 설치되어 챔버 내부에 고온/고압의 증기를 공급하는 증기 발생부;
    상기 증기 발생부와 연통되어 고온/고압의 시험 환경을 일정하게 유지하는 수화학 조절장치;
    상기 수화학 조절장치를 전기적으로 연결하여 제어하며, 챔버내에 하중과 변위에 따른 일률 등을 산출하여 표시 및 제어하는 제어부;를 포함한 것을 특징으로 하는 증기/물 혼합 환경 재료의 마모 시험장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 챔버내에 구비된 시험편의 양측에 설치되어 시험에 필요한 하중과 변위를 발생시키는 구동장치가 더 마련된 것을 특징으로 하는 증기/물 혼합 환경 재료의 마모 시험장치.
  3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    상기 챔버내에 설치된 증기 발생부와 동일선상의 상부에 설치되어 증기의 함 유량을 측정할 수 있는 측정센서가 더 마련된 것을 특징으로 하는 증기/물 혼합 환경 재료의 마모 시험장치.
  4. 제 1항에 있어서, 상기 증기 발생부는,
    내부가 중공인 하우징;과 상기 하우징의 내주면에 설치되어 하우징에 충진된 순환수를 가열하는 다수개의 히터부;와 상기 하우징의 상부에 설치되어 증기를 배출시키는 노즐부;로 이루어진 것을 특징으로 하는 증기/물 혼합 환경 재료의 마모 시험장치.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 노즐부의 교체에 따라 시험부에서의 증기/물과 같은 혼합유체의 유속을 조절할 수 있는 것을 특징으로 하는 증기/물 혼합 환경 재료의 마모 시험장치.
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