KR20160027454A

KR20160027454A - 습증기 침부식 모사장치 및 습증기 제조방법

Info

Publication number: KR20160027454A
Application number: KR1020140114324A
Authority: KR
Inventors: 심희상; 김경모; 허도행; 이은희
Original assignee: 한국원자력연구원
Priority date: 2014-08-29
Filing date: 2014-08-29
Publication date: 2016-03-10
Also published as: KR101668361B1

Abstract

본 발명은 화력발전소, 지열발전소 및 원자력발전소 등을 포함한 습증기 환경에 노출되는 소재에서 발생할 수 있는 침부식 현상을 모사하고 소재의 침부식 손상 정도를 평가하기 위한 습증기 침부식 모사장치 및 습증기 제조방법에 관한 것으로, 시험용액를 저장하는 계통수 탱크(110)와, 상기 계통수 탱크(110)에 저장된 냉각수를 공급받아 가열하여 고온, 고압의 증기를 생성하는 증기 발생기(120)와, 상기 증기 발생기(120)에 의해 형성된 증기의 압력과 온도를 조절하여 건도가 조절된 습증기를 생성하는 건습도 조절부(130) 및 상기 건습도 조절부(130)로부터 생성된 습증기를 시편(S)에 분사시켜 침부식을 발생시키는 테스트 챔버(140); 가 포함된 습증기 침부식 모사장치 및 모사방법 및 이를 위한 습증기의 제조방법에 관한 것이다.

Description

습증기 침부식 모사장치 및 습증기 제조방법 {TEST EQUIPMENT TO SIMULATE EROSION/CORROSION BY WET STEAM AND METHOD FOR MANUFACTURING OF WET STEAM}

본 발명은 화력발전소, 지열발전소 및 원자력발전소 등을 포함한 습증기 환경에 노출되는 소재에서 발생할 수 있는 침부식 현상을 모사하고 소재의 침부식 손상 정도를 평가하기 위한 습증기 침부식 모사장치 및 습증기 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 발전소의 냉각 계통에 사용되는 주요 배관재의 습증기 침부식 손상을 평가하기 위해 증기의 온도와 압력을 조절하여 실제 환경을 모사함으로써, 침부식 저항성 향상을 위한 대책을 마련할 수 있도록 하는 기술에 관한 것이다.

일반적으로 화력발전소, 지열발전소 및 원자력발전소 등의 대부분 상용발전소는 연료가 연소하면서 발생하는 열에너지로 액체상태의 물을 증기로 만들고 그 증기의 힘으로 터빈을 구동 시켜서 전기를 생산한다. 즉 보일러 또는 증기발생기를 통해 증기를 발생시키며 발생된 증기가 계통을 따라 이동해 터빈을 구동하여 열에너지를 운동에너지로 변환하고, 복수기에서 다시 액체상태로 응축된다.

응축된 물은 펌프와 가열기에서 가압 및 가온 되어 다시 증기발생기로 보내지는 순환계를 구성하게 되는데, 이 순환계를 연결하는 유체로서 증발 잠열이 큰 특성을 가진 물을 사용하며, 계통 내를 흐르는 물은 에너지 전달유체로서뿐만 아니라 부식 발생 환경의 하나인 전해질의 역할을 하게 된다.

따라서, 이 유체의 수화학 환경과 열역학적 상(PHASE) 변화가 계통 구조재의 부식에 직접적인 영향을 초래하게 된다.

한편, 다양한 부식 발생환경 중 하나인 습증기 침부식(EROSION/CORROSION) 현상은 주로 증기가 가지는 열에너지가 운동에너지로 바뀐 후에 일부 증기가 응축되어 물 입자를 형성하면서 발생하기 때문에 고압/저압 터빈 후단과, 고압터빈과 저압터빈 사이에 위치한 습분제거장치(MOISTURE SEPERATOR) 및 재가열기(REHEATER)를 연결하는 배관재에서 주로 발생한다.

따라서, 증기의 건도(STEAM QUALITY)가 낮아져 형성된 생성된 액적에 의해 발생하는 침부식 현상에 민감한 재료들을 내구성이 우수한 재료로 대체하는 등의 노력을 하고 있지만, 여전히 침부식에 의한 배관손상이 다수 보고 되고 있다.

또한, 내구성이 우수한 재료를 개발한다 하더라도 실제 발전소 환경하에서의 시험에 제약이 따르며, 이러한 실제 환경에서의 침부식 현상을 방지하는 기술을 개발하기 위해서는 실제 환경과 유사한 온도와 압력조건을 갖는 습증기 환경을 만드는 것이 중요하다.

소재의 침부식 특성평가를 위한 기존 기술의 일례로서, 일본 특개평7-243960호는 시험편이 위치하는 챔버와, 증기 터빈과 상기 챔버를 루프 상태로 연결하는 증기 배관 및 상기 증기 배관의 상기 챔버 입구측 부분에 각각 설치된 오리피스와, 상기 오리피스와 병렬로 배치된 솔레노이드 밸브 및 상기 솔레노이드 밸브를 개폐하기 위한 타이머를 갖는 제어장치가 포함된 증기환경의 부식 시험장치가 개시된 바 있다.

그러나, 이러한 환경을 제공하는 장치기술이 국내의 경우 전무하며, 해외에서도 일부 국가에서 모사장치를 고안하여 제공하였지만 실제 발전소 환경을 모사하는 습증기 시험장치 제작은 여러 가지 현실적 어려움을 안고 있는 실정이다.

일본 특개평7-243960호

이에 상기와 같은 점을 감안하여 발명된 본 발명은 고온고압의 가동중인 발전소 습증기 환경과 유사한 환경을 조성하기 위해 온도, 압력 및 건도의 조절이 용이하고, 정확하며, 안정적으로 모사할 수 있도록 하는 습증기 침부식 모사장치 및 습증기 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따르면, 발전소 순환계통수를 저장하는 계통수 탱크와, 상기 계통수 탱크에 저장된 시험용액을 공급받아 가열하여 고온, 고압의 증기를 생성하는 증기 발생기와, 상기 증기 발생기에 의해 형성된 증기의 압력과 온도를 조절하여 건도가 조절된 습증기를 생성하는 건습도 조절부 및 상기 건습도 조절부로부터 생성된 습증기를 습증기 환경에 노출되는 배관 소재의 시편에 분사하여 침부식을 발생시키는 테스트 챔버가 포함된 습증기 침부식 모사장치가 제공된다.

또한, 본 발명에 따르면, 시험용액에 암모니아와, 에탄올 아민 또는 암모니아와 에탄올 아민을 혼합한 용액을 주입하여 pH를 조절하는 제1단계와, 상기 제1단계에서 pH가 조절된 시험용액에 질소화합물과 불활성 가스 등을 주입하여 용존산소(DO: DISSOLVED OXYGEN)를 조절하는 제2단계와, 상기 제2단계에서 용존산소(DO)가 조절된 시험용액을 가열하여 건증기를 생성하는 제3단계 및 상기 제3단계에서 생성된 건증기의 압력과 온도를 조절하여 습증기를 생성하는 제4단계를 포함하는 습증기 침부식 모사를 위한 습증기 제조방법이 제공된다.

또한, 본 발명에 따르면, 습증기 환경에 노출되는 배관 소재의 시편을 절연재와 고정지그에 의해 테스트 챔버 내부에 고정하는 제1단계와, 상기 습증기 제조방법에 의해 제조된 습증기의 유량과 압력 및 온도를 조절하여 상기 시편에 분사하는 제2단계 및 상기 습증기의 분사에 의해 상기 시편의 침부식이 진행된 부위와 손상된 양을 측정 및 분석하여 평가하는 제3단계를 포함하는 습증기 침부식 모사 평가방법이 제공된다.

본 발명에 따르면, 화력발전소, 지열발전소 및 원자력발전소 계통에 사용되는 배관소재의 실제 침부식 환경을 제공하기 위한 계통수 탱크, 증기 발생기, 건습도 조절부 및 테스트 챔버 등이 유체 회로를 통해 조합된 구성을 제공함으로써, 습증기의 건도에 따른 소재의 침부식 특성을 용이하고 정확하게 평가할 수 있고, 실제 발전소에 사용되는 배관 소재의 침부식을 방지하기 위한 신재료의 개발, 표면처리 등의 다양한 기술 개발에 따른 산업 적용성을 확대시킬 수 있으며, 다양한 발전소 현장에 적용 가능성을 정확하게 검증할 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 발전소의 냉각 계통 배관재 습증기 침부식 모사장치의 구조를 개략적으로 나타낸 블록도.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 침부식 모사장치를 나타낸 구성도.
도 3은 도 2에 도시된 테스트 챔버의 구조를 나타낸 측면도.
도 4는 도 3에 도시된 테스트 챔버의 일실시예를 나타낸 평면도.
도 5는 도 3에 도시된 테스트 챔버의 다른 일실시예를 나타낸 평면도.
도 6은 본 발명에 따른 침부식 모사장치의 고정지그에 장착되기 위한 시편 형상을 나타낸 개념도.
도 7은 및 도 8은 도 6에 도시된 시편을 장착하기 위한 고정지그의 일실시예를 나타낸 단면도.
도 9는 도 7 및 도 8에 도시된 고정지그에 시편이 장착된 형상을 나타낸 단면도.
도 10은 본 발명의 일실시예에 따른 침부식 모사를 위한 습증기 제조방법을 나타낸 순서도.
도 11은 본 발명의 일실시예에 따른 침부식 모사 시편의 평가방법을 나타낸 순서도.

본 발명에 따른 침부식 모사장치는 발전소의 냉각 계통에 사용되는 소재의 침부식 특성을 파악하기 위해 실제 환경을 모사하기 위한 모사장치와, 모사 평가방법 및 이를 위한 습증기의 제조방법을 제공한다.

이하 본 발명의 실시예를 첨부된 예시도면을 참조로 상세히 설명하며, 이러한 실시예는 일례로서 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으므로, 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.

또한, 하기에서 사용되는 시험용액은 냉각수, 계통수 및 발전소 2차 계통수일 수 있음을 밝혀두고자 한다.

도 1은 본 발명에 따른 습증기 침부식 모사장치(10)의 구조를 개략적으로 나타낸 블록도이다.

도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 침부식 모사장치(10)는 계통수 탱크(110)와, 증기 발생기(120)와, 건습도 조절부(130) 및 테스트 챔버(140)를 포함한다.

계통수 탱크(110)는 발전소의 냉각 계통수를 모사한 시험용액을 내부에 저장하고, 실제 발전소 냉각 계통의 환경을 모사하기 위해 각종 수화학적(water chemistry) 조건을 조절하여 증기 발생기(120)로 공급한다.

증기 발생기(120)는 계통수 탱크(110)로부터 공급된 2차 시험용액을 가열하여 건증기를 생성하고, 이를 건습도 조절부(130)로 공급한다.

건습도 조절부(130)는 증기 발생기(120)로부터 공급된 건증기의 압력과 온도를 조절하여 실제 발전소 냉각 계통의 환경과 동일한 조건을 모사할 수 있는 습증기를 생성하여 테스트 챔버(140)로 공급한다.

테스트 챔버(140)는 건습도 조절부(130)를 통해 공급된 습증기를 내부에 장착된 시편(S; 도 2를 참조)에 분사하여 실제 환경의 침부식을 모사함으로써, 습증기 분사 후 시편의 침부식을 분석하여 평가할 수 있도록 한다.

그리고, 본 발명에 따른 침부식 모사장치는 계통수 탱크(110)에 저장된 시험용액을 증기 발생기(120)와, 건습도 조절부(130) 및 테스트 챔버(140)의 순서로 순차적으로 공급하고, 테스트 챔버(140)에 분사된 습증기는 열교환기(251)와 제2응축기(253)에서 냉각되고 낮은 압력조건에 의해 다시 액화되어 계통수 탱크(110)로 보내지게 되며, 이때 계통수 탱크(110)와 증기발생기(120) 및 테스트 챔버(140)와 계통수탱크(110)를 연결하는 유량순환라인(150)을 통해 반복 순환된다.

도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 침부식 모사장치(10)를 보다 구체적으로 나타낸 구성도이다.

도 2를 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 침부식 모사장치(10)는 발전소의 냉각 계통수를 모사한 시험용액을 저장하는 계통수 탱크(110)와, 상기 계통수 탱크(110)에 저장된 시험용액을 공급받아 가열하여 고온, 고압의 증기를 생성하는 증기 발생기(120)와, 상기 증기 발생기(120)에 의해 형성된 증기의 압력과 온도를 조절하여 건도가 조절된 습증기를 생성하는 건습도 조절부(130) 및 상기 건습도 조절부(130)로부터 생성된 습증기를 발전소용 배관소재를 가공하여 제작된 시편(S)에 분사시켜 침부식을 발생시키는 테스트 챔버(140)를 포함한다.

그리고, 계통수 탱크(110)로부터 상기 테스트 챔버(140)에 이르기까지 유체를 공급하고, 상기 계통수 탱크(110)로 재순환시키는 유량순환라인(150)을 포함한다.

이때, 유량순환라인(150)은 계통수 탱크(110)로쿠터 열교환기(251)을 거쳐 증기발생기(120)로 시험용액을 공급하는 공급하인(151)과, 테스크 챔버(140)로부터 열교환기(251), 제 2응축기(253), 시험용액 여과필터(255)와 유량계(257)을 거쳐 계통수 탱크(110)로 시험용액 순환시키는 순환라인(152)를 포함한다.

이때, 열교환기(251)에서 계통수 탱크(110)로쿠터 증기발생기(120)로 이어지는 공급라인(151)을 통과하는 저온의 유체와, 테스트 챔버(140)로부터 계통수 탱크(110)로 이어지는 순환라인(152)을 통과하는 습증기가 포함된 고온의 유체가 서로 열교환이 이루어지도록 하여, 증기 발생기(120)로 이어지는 시험용액의 온도는 증가되고, 계통수 탱크(110)로 순환되는 유체의 온도는 떨어뜨려 쉽게 액화될 수 있도록 구성될 수 있다.

보다 구체적으로, 계통수 탱크(110)는 침부식 모사장치(10)의 외부로부터 시험용액을 공급 받을 수 있도록 하는 급수 라인(210)과, 급수 라인(210)으로 공급되는 시험용액의 공급과 차단 및 유량을 조절할 수 있는 급수 밸브(212)가 구비된다.

계통수 탱크(110)는 증기 발생기(120)로 공급하는 시험용액의 각종 화학적 조건을 조절할 수 있도록 형성된다.

예컨대, 계통수 탱크(110)의 내부에 저장된 시험용액에 각종 화학 첨가물을 투입할 수 있도록 형성되거나, 또는 화학 첨가물을 미리 투입하여 화학적 조건이 조절된 계통수를 상기 급수 라인(210)을 통해 투입할 수도 있다.

계통수 탱크(110)의 일측에는 내부에 저장된 시험용액에 불활성 가스를 투입하여 탈기시킬 수 있도록 하는 가스 주입부(213)가 더 포함될 수 있다.

또한, 계통수 탱크(110)는 화학적 조건이 조절된 상태를 측정하기 위해 내부에 저장된 시험용액을 외부로 우회 시키는 바이패스 라인(214)과, 바이패스 라인(214)으로 유량을 순환시키는 바이패스 펌프(216) 및 바이패스 라인(214)을 통과하는 시험용액의 용존산소(DO; DISSOLVED OXYGEN), 전도도(Con; CONDUCTIVITY), pH 등을 측정할 수 있는 센서부(218)가 구비된다.

이러한 계통수 탱크(110)는 내부에 저장된 시험용액에 적정량의 화학 첨가물 및 불활성 가스를 투입한 후 또는 투입하는 동시에 바이패스 라인(214)에 구비된 센서부(218)를 통해 화학적 특성을 측정하여, 요구되는 조건을 만족할 때까지 조절을 반복한 후 증기 발생기(120)로 시험용액 공급할 수 있다.

증기 발생기(120)는 상기 계통수 탱크(110)로부터 공급되는 상기 시험용액을 가열하여 증기를 생성하는 가열기(122) 및 상기 가열기(122)에 의해 생성된 증기를 재가열하여 수분이 제거된 건증기를 생성하는 재가열기(124)가 포함된다.

증기 발생기(120)로 공급되는 시험용액은 상기한 열교환기(251)를 통해 공급라인(151)과 순환라인(152)이 열교환함으로써, 온도를 높인 상태로 공급이 이루어진다.

증기 발생기(120)의 가열기(122)는 계통수 탱크(110)로부터 공급되는 시험용액을 가열하여 증기를 생성한다.

그리고, 가열기(122)를 통해 생성된 증기는 수분을 함유하고 있는 포화상태이므로 재가열기(124)를 통과하게 하여 재가열함으로써, 수분이 완전히 제거된 100% 건도의 건증기를 생성한다.

증기 발생기(120)에 의해 생성된 건증기는 건습도 조절부(130)로 공급되어 원하는 건도로 조절된 습증기로 변환된다.

건습도 조절부(130)는 상기 증기 발생기(120)에 의해 형성된 증기의 압력을 조절하는 압력밸브(132) 및 상기 압력밸브(132)에 의해 압력이 조절된 증기를 응축시켜 습증기를 생성하는 제1응축기(134)가 포함된다.

압력밸브(132)는 증기 발생기(120)의 재가열기(124)를 통해 생성된 건증기의 공급 압력을 조절하여 제1응축기(134)로 공급하고, 제1응축기(134)는 압력이 조절된 건증기를 응축시켜 습증기를 생성하여 테스트 챔버(140)로 공급한다.

건습도 조절부(130)에 의해 생성되는 습증기는 발전소의 냉각 계통의 환경과 동일한 환경을 형성할 수 있도록, 압력밸브(132)와 제1응축기(134)의 작동을 제어하여 형성될 수 있다.

테스트 챔버(140)는 건습도 조절부(130)에 의해 생성된 습증기를 공급받아 내부에 장착된 시편에 설정된 시간과, 분사량, 분사속도 및 분사압력으로 분사시켜 침부식을 발생시키도록 하고 분사된 습증기는 열교환기(251) 및 제 2 응축기(253)를 거쳐 계통수 탱크(110)로 연결된 순환라인(152)을 통해 배출시킨다.

이때, 순환라인(152)은 상기 열교환기(251)를 통해 상기 계통수 탱크(110)로 순환되는 습증기를 응축시키는 제2응축기(253)와, 상기 제2응축기(253)에 의해 응축된 액체 상태의 시험용액을 여과필터(255) 및 상기 계통수 탱크(110)로 순환되는 시험용액의 유량을 측정하는 유량계(257)가 포함된다.

또한, 열교환기(251)를 통해 냉각이 이루어진 습증기는 제2응축기(253)를 통과하여 완전히 액화가 이루어진 상태로 계통수 탱크(110)로 순환되고, 계통수 탱크(110)에서 다시 화학적 조절을 거친 뒤, 공급라인(151)을 통해 재공급 되어 시험용액을 순환시키는 사이클이 반복된다.

도 3은 도 2에 도시된 테스트 챔버(140)의 구조를 나타낸 측면도이다.

도 3을 참조하면, 테스트 챔버(140)는 습증기를 내부로 유입시키는 입수관(142)과, 입수관(142)을 통해 유입된 습증기를 내부로 분사시키기 위한 분사 노즐(144)과, 분사 노즐(144)의 전방에 시편(S)을 장착하는 고정지그(146), 습증기가 분사될 때 시편의 온도를 측정하는 온도센서(147), 고정지그(146)에 장착된 시편(S)에 분사된 습증기를 외부로 배수시키는 배수관(148) 및 테스트 챔버에 장착된 시편(S)과 분사노즐(144)과 습증기가 분사되는 상태를 관찰할 수 있는 투시창(149)를 포함한다. 투시창(149)은 시편(S)과 분사노즐(144)의 일직선에 수직하는 양측면에 위치하는 구조일 수 있다.

고정지그(146)는 절연재로 밀폐된 내부에 시편(S)을 삽입하고, 상기 시편(S)이 분사 노즐(144)을 향해 수직하는 위치에 상기 습증기가 분사될 수 있도록 관통부재(812: 도 8 및 도 9를 참조)가 형성된 구조일 수 있다.

도 4는 도 3에 도시된 테스트 챔버(140)의 일실시예를 나타낸 것으로, 특히 도 4는 테스트 챔버(140)의 내부에 1 개의 분사 노즐(144)이 형성된 예를 나타낸다.

도 4를 참조하면, 테스트 챔버(140)는 건습도 조절부(130)로부터 습증기가 공급되는 급수관(142)에 시편(S)이 장착되는 고정지그(146)와 쌍을 이루는 1 개의 분사 노즐(144)이 연결되도록 형성된다.

한편, 도 5는 도 3에 도시된 테스트 챔버(140)의 다른 일실시예를 나타낸 것으로, 특히 도 5는 테스트 챔버(140)의 내부에 다수의 분사 노즐(144)이 형성된 예를 나타낸다.

도 5를 참조하면, 테스트 챔버(140)는 건습도 조절부(130)를 통해 공급되는 습증기를 다수의 분사 노즐(144)로 분기시키도록 형성될 수 있다.

이를 위해, 건습도 조절부(130)로부터 공급되는 습증기가 공급되는 급수관(142a, 142b)을 다수로 분기시키도록 하고, 분기된 수만큼의 분사 노즐(144)이 연결되도록 형성될 수 있다.

이때, 테스트 챔버(140)에 장착된 고정지그(146a, 146b)는 장착된 시편(S)에 대응되는 각각의 분사 노즐(144a, 144b)에 의해 습증기가 분사될 수 있도록 다수의 관통부재(812)가 형성될 수 있다.

도 6은 본 발명에 따른 침부식 모사장치의 고정지그(146)에 장착하기 위한 시편(S) 형상의 일예를 나타낸다.

시편(S)은 외곽을 이루는 둘레측의 길이가 L 인 제1층(610)과, 외곽을 이루는 둘레측의 길이가 상기한 L 보다 작은 길이인 l 로 형성되어 제1층(610)과 단차(630)를 이루는 제2층(620)으로 형성된다.

예컨데, 시편(S)은 정사각형 형태로 제작되어, 제1층(610)의 둘레측 길이 L은 30mm 로 형성하고, 제2층(620)의 둘레측 길이 l은 27mm 로 형성함으로써, 제1층(610)과 제2층(620) 사이의 단차(630)가 각각 1.5mm 가 되도록 형성될 수 있으며, 이에 한정되지 않고 시편(S)의 크기와 측정 환경에 따라서 다양한 크기 및 형상으로 형성될 수 있다.

이러한 시편(S)은 발전소의 냉각 계통에 사용되는 배관(P) 소재가 사용될 수 있다.

이 경우, 둘레측의 길이가 상대적으로 작은 제2층(620)이 배관(P) 외부를 향하는 면으로 형성하여, 제1층과(610)의 사이에 형성된 단차(630)를 이용하여 테스트 챔버(140)의 고정지그에(146) 결합함으로써, 제2층(620)에 습증기가 분사되도록 하는 것이 바람직하다.

도 7 및 도 8은 도 6에 도시된 시편(S)을 장착하기 위한 고정지그(146)의 일실시예를 나타낸 것으로, 도 7은 시편(S)의 제1층(610)을 안착시키는 지그 본체(710)를 나타내고, 도 8은 시편(S)의 제1층(610)을 덮고, 제 2층(620)을 노출하는 지그 커버(810)를 나타낸다.

도 7 및 도 8을 참조하면, 본 실시예에 따른 고정지그(146)는 상기한 시편(S)의 제1층(610)을 삽입하여 안착시키는 삽입부(712)가 구비된 지그 본체(710)와, 상기 지그 본체(710)에 삽입된 상기 시편(S)의 상부에 상기 제2층(620) 만이 외부로 노출되도록 하는 관통부재(812)가 구비된 지그 커버(810)로 형성될 수 있다.

지그 본체(710)는 테스트 챔버(140)의 일측에 고정 결합되고, 삽입부(712)는 시편(S)의 제1층(610)이 삽입될 수 있도록 제 1층(610)의 둘레부 길이 L 보다 조금 더 크게 형성된다.

그리고, 지그 커버(810)의 관통부재(812)는 지그 본체(710)에 삽입되는 시편(S)의 제2층(620)의 둘레부 길이인 l 과 같거나 조금 더 크게 형성되고, 지그 커버(810)로 시편(S)을 덮어 지그 본체(710)에 결합됨으로써, 관통부재(812) 부위로 시편(S)을 노출시키도록 형성된다.

이때, 고정지그(146)과 시편(S)의 접촉에 의해 부식환경이 조성되는 것을 방지하기 위하여, 고정지그(146)과 시편(S)의 접촉 부위를 테플론 등 전기적 절연재로 절연할 수 있다.

이때, 지그 본체(710)와 지그 커버(810)는 서로 결합 시 수직 대응하는 다수의 체결공(714, 814)을 형성하여, 각각의 체결공(714, 814)에 볼트(B: 도 9 참조)를 삽입하여 서로 결합될 수 있다.

또한, 시편 중앙의 동공(716)을 통해, 테스트 챔버를 관통하여 삽입된 온도센서(147)가 시편에 접촉하여 습증기 분사 시 시편의 온도를 측정할 수 있다.

도 9는 도 7 및 도 8에 도시된 고정지그(146)에 시편(S)을 장착한 예를 나타낸다.

도 9를 참조하면, 고정지그(146)는 지그 본체(710)의 삽입부(712)와, 지그 커버(810)의 관통부재(812)에 시편(S)을 삽입하여 서로 맞댄 후 볼트(B)로 체결하고, 지그 본체(710)가 테스트 챔버(140)의 내부에 고정 결합됨으로써, 지그 커버(810)의 관통부재(812)가 분사 노즐(144)을 향하도록 설치될 수 있고, 분사 노즐(144)을 통해 습증기가 시편(S)에 분사될 수 있다.

한편, 본 발명의 다른 일측면에 따르면, 습증기 침부식 모사를 위한 습증기 제조방법이 제공된다.

본 발명의 침부식 모사를 위한 습증기 제조방법은 앞서 설명한 침부식 모사장치의 계통수 탱크(110), 증기 발생기(120) 및 건습도 조절부(130)에 의해 제조된 것일 수 있으며, 후술되는 조건들에 한정되지 않고, 화력발전소, 지열발전소 및 원자력발전소 등을 포함한 실제 습증기 환경을 조성하기 위해서 다양하게 변경이 가능하다.

도 10은 본 발명의 일실시예에 따른 침부식 모사를 위한 습증기 제조방법의 순서를 나타낸다.

도 10을 참조하면, 본 실시예에 따른 습증기 제조방법은 증류수에 암모니아, 에탄올 아민 또는 암모니아와 에탄올 아민을 혼합한 혼합액을 주입하여 pH를 조절하는 제1단계(S101), 상기 제1단계(S101)에서 pH가 조절된 시험용액에 질소화합물과 불활성 가스 등을 주입하여 용존산소(DO)를 조절하는 제2단계(S102), 상기 제2단계(S102)에서 용존산소(DO)가 조절된 시험용액을 가열하여 건증기를 생성하는 제3단계(S103) 및 상기 제3단계(S103)에서 생성된 건증기의 압력과 온도를 조절하여 건도가 조절된 습증기를 생성하는 제4단계(S104)를 포함한다.

상기 제1단계(S101)에서 주입되는 암모니아의 농도는 0.5 ppm 에서 2.5 ppm 사이, 시험용액의 pH는 9.0 에서 10.0 사이로 조절하는 것을 포함한다. 상기 암모니아의 농도 및 상기 시험용액의 pH는 각각 0.5 ppm 에서 2.5 ppm, 9.0 에서 10.0 사이로 조절될 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.

그리고, 제1단계(S101)에서 주입되는 에탄올 아민의 농도는 1.5 ppm 에서 2.5 ppm 사이로 조절하는 것을 포함한다.

상기 제2단계(S102)에서 주입되는 질소화합물은 하이드라진이 사용될 수 있고, 시험용액의 용존산소(DO)는 10 ppb 이하가 되도록 조절하는 것을 포함한다.

상기 제3단계(S103)는 상기 시험용액을 180℃ 에서 230℃ 사이의 온도와, 10 에서 25 기압 사이의 조건에서 가열시킨 후 200℃ 에서 300℃ 사이에서 재가열하여 건도 100%인 건증기를 생성하는 것을 포함한다.

상기 4단계(S104)는 제3단계(S103)에서 생성된 건증기를 8 기압 에서 15 기압 사이의 압력으로 조절한 후 응축시켜 150℃ 에서 220℃ 사이의 습증기를 생성하는 것을 포함한다.

또한, 본 발명의 또 다른 일측면에 따르면, 습증기 침부식 모사 평가방법이 제공된다.

본 발명의 침부식 모사를 위한 습증기 제조방법은 앞서 설명한 침부식 모사장치(10)에 의해 실시되는 것일 수 있으며, 앞선 침부식 모사장치(10)의 설명에 사용된 도면에 기재된 구성의 도면부호와 동일한 기능을 하는 구성에 대해서는 동일한 도면부호를 그대로 기재하여 설명하도록 한다.

도 11은 본 발명의 일실시예에 따른 침부식 모사 평가방법의 순서를 나타낸다.

도 11을 참조하면, 본 실시예에 따른 침부식 모사 평가방법은 발전소용 소재의 시편(S)을 절연재와 고정지그(146)에 의해 테스트 챔버(140) 내부에 고정하는 제1단계(S111)와, 앞서 설명한 침부식 모사를 위한 습증기 제조방법에 의해 제조된 습증기를 상기 시편(S)이 장착된 테스트 챔버(140)로 투입하고, 상기 습증기의 유량과 압력 및 온도를 조절하여 상기 시편(S)에 분사하는 제2단계(S112) 및 상기 습증기의 분사에 의해 상기 시편(S)의 침부식이 진행된 부위와 손상된 양을 측정 및 분석하여 평가하는 제3단계(S113)를 포함한다.

상기 제1단계(S111)에서 시편(S)은 발전소의 냉각 계통에 사용되는 배관재일 수 있다.

제1단계(S111)에서 시편은 아세톤, 메탄올, 에탄올, 초순수에서 각각 15분씩 초음파 세척하고, 질소 가스로 건조시킨 후 65℃의 온도로 15분간 건조시킨 것을 준비한다.

그리고, 준비된 시편을 도 6에서 도시된 바와 같이, 노출 표면이 27mm ×27mm 되도록 절연재와 고정지그(146)에 고정하고, 테스트 챔버(140)에 장착한다.

제2단계(S112)에서는 증기 발생기(120)에 의해 발생되는 증기의 pH를 9.3 ~9.6 범위로 조절하기 위해 암모니아 0.7ppm ~ 2.0ppm, 에탄올 아민(ETA) 1.5 ~ 2.5 ppb 로 조절하여 시험용액으로 주입한다.

그리고, 시험용액에 하이드라진(N₂H₂) 약품을 주입하여 시험용액 내 용존산소(DO) 농도를 10ppb 이하로 조절할 수 있다.

이때, 나트륨, 염소이온, 철, 구리, 실리카 등이 관리 기준치를 넘지 않도록 하는 것이 바람직하다.

그리고, 상온에서 시험용액의 용존산소(DO)가 10ppb가 되도록 질소 가스를 주입하여 탈기시키면서 순환 펌프를 통해 용액을 순환시킨다.

이러한 과정을 반복하여 시험용액의 용존산소(DO)가 10ppb 이하가 되면, 증기 발생기(120) 내에 계통수를 공급하고, 가열기(122)에서 온도를 180 내지 230℃, 10 내지 25 기압 조건으로 설정하고 가열한다.

가열기(122)의 증기 온도가 설정값에 도달하면, 발생된 증기를 재가열기(124)로 보내고, 증기의 건도가 100%가 되도록 재가열 온도를 설정하여 건증기를 생성한다.

증기 발생기(120)에 의해 최종 생성된 건증기는 건도가 50% ~ 95% 습증기를 생성되도록 상기한 과정을 반복하여 조건을 만족하는 습증기를 생성한다.

제3단계(S113)는 상기한 과정을 통해 생성된 습증기를 테스트 챔버(140)로 공급하여, 테스트 챔버(140)에 장착된 시편에 분사시키고, 습증기의 분사에 의해 손상된 시편(S)의 부위와 손상된 양을 평가한다.

상기 제3단계(S113)는 침부식이 진행된 상기 시편(S)을 surface profiler, SEM XPS, TEM, 무게변화평가 등 다양한 분석방법을 이용해 침부식 특성과 침부식량을 평가한다.

상기한 바와 같은 본 발명의 침부식 모사장치와, 침부식 모사평가 방법 및 이를 위한 습증기의 제조방법은 시험용액의 화학적 특성을 다양하게 조절하여 실제 발전소 냉각 계통의 환경을 간단하게 모사시켜 발전소용 배관소재 시편(S)에 분사시킬 수 있도록 함으로써, 발전소 냉각 계통의 주요 소재의 습증기 환경에서의 침부식 손상 특성을 쉽고 간편하게 평가할 수 있도록 한다.

또한, 발전소 냉각 계통의 실제 환경 모사 및 이를 위한 습증기의 제조가 연속적이고 규격적으로 이루어짐으로써, 침부식 모사평가의 정확성을 현저히 높일 수 있다.

따라서, 발전소의 냉각 계통에 적용되는 소재의 침부식 저항성을 향상시키는데 적합한 소재를 미리 적용하고, 이를 통해 발전소 냉각 계통의 내구성과, 안정성을 높이는데 크게 기여할 수 있다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형 가능함은 물론이다.

10: 침부식 모사장치
S: 시편
110: 계통수 탱크
120: 증기 발생기
122: 가열기
124: 재가열기
130: 건습도 조절부
132: 압력밸브
134: 제1응축기
140: 테스트 챔버
144: 분사 노즐
146, 146a, 146b: 고정지그
147, 147a, 147b: 온도센서
150: 유량순환라인
216: 바이패스 펌프
218: 센서부
213: 가스 주입부
710: 지그 본체
810: 지그 커버

Claims

발전소 냉각수를 모사한 시험용액을 저장하는 계통수 탱크;
상기 계통수 탱크에 저장된 시험용액을 공급받아 가열하여 고온, 고압의 증기를 생성하는 증기 발생기;
상기 증기 발생기에 의해 형성된 증기의 압력과 온도를 조절하여 건도가 조절된 습증기를 생성하는 건습도 조절부; 및
상기 건습도 조절부로부터 생성된 습증기를 시편에 분사시켜 침부식을 발생시키는 테스트 챔버; 가 포함된 습증기 침부식 모사장치.
제1항에 있어서,
상기 계통수 탱크로부터 상기 테스트 챔버에 이르기까지 유체를 공급하고, 상기 계통수 탱크로 재순환시키는 유량순환라인; 이 포함된 것을 특징으로 하는 습증기 침부식 모사장치.
제1항에 있어서,
상기 계통수 탱크에 저장된 상기 시험용액에 불활성 가스를 공급하여 탈기시키는 가스 공급부; 가 포함된 것을 특징으로 하는 습증기 침부식 모사장치.
제1항에 있어서,
상기 계통수 탱크의 일측으로 상기 시험용액를 우회 시키는 바이패스 펌프; 및
상기 바이패스 펌프에 의해 순환되는 상기 시험용액의 pH, 전도도, 용존 산소량 및 용존 수소량을 측정하는 센서부; 가 포함된 것을 특징으로 하는 습증기 침부식 모사장치.
제1항에 있어서,
상기 증기발생기는 상기 계통수 탱크로부터 공급되는 상기 시험용액을 가열하여 증기를 생성하는 가열기; 및
상기 가열기에 의해 생성된 증기를 재가열하여 수분이 제거된 건증기를 생성하는 재가열기; 가 포함된 것을 특징으로 하는 습증기 침부식 모사장치.
제1항에 있어서,
상기 건습도 조절부는 상기 증기 발생기에 의해 형성된 증기의 압력을 조절하는 압력밸브; 및
상기 압력밸브에 의해 압력이 조절된 증기를 응축시켜 습증기를 생성하는 제1응축기; 가 포함된 것을 특징으로 하는 습증기 침부식 모사장치.
제1항에 있어서,
상기 테스트 챔버는 상기 습증기를 내부로 유입시키는 입수관;
상기 유입된 습증기를 내부로 분사시키기 위한 분사 노즐;
상기 분사 노즐의 전방에 상기 시편을 장착하는 고정지그;
상기 고정지그에 장착된 상기 시편에 분사된 습증기를 외부로 배수시키는 배수관;
상기 시편의 습증기 분사시 온도를 측정하기 위한 온도센서; 및
상기 분사노즐에서 상기 시편에 분사된 습증기 및 침부식 환경을 관찰할 수있는 투시창;이 포함된 것을 특징으로 하는 습증기 침부식 모사장치.
제7항에 있어서,
상기 고정지그는 절연재로 밀폐된 내부에 상기 시편을 삽입하고, 상기 시편이 상기 분사 노즐을 향해 수직하는 부위에 상기 습증기가 분사될 수 있도록 관통부재가 형성된 것을 특징으로 하는 습증기 침부식 모사장치.
발전소의 실제 환경을 모사하기 위한 습증기를 외부로부터 유입시키는 입수관;
상기 습증기를 내부로 분사시키는 분사 노즐;
상기 분사 노즐에 수직하게 발전소용 소재 시편을 장착하여 상기 시편에 상기 습증기가 분사될 수 있으며, 상기 시편에 상기 습증기가 분사되는 것을 관찰할 수 있는 투시창이 구비되는 고정지그;
상기 분사 노즐 및 상기 상기 습증기가 분사된 시편을 관찰할 수 있는 관통부재; 및
상기 시편에 분사된 습증기를 외부로 배수시키는 배수관을 포함하는 습증기 침부식 모사장치용 테스트 챔버.
제9항에 있어서,
상기 분사 노즐 및 상기 관통부재는 다수의 쌍으로 형성된 것을 특징으로 하는 습증기 침부식 모사장치용 테스트 챔버.
시험용액에 암모니아, 에탄올 아민 또는 암모니아와 에탄올 아민을 혼합한 혼합액을 주입하여 pH를 조절하는 제1단계;
상기 제1단계에서 pH가 조절된 냉각수에 질소화합물과 불활성 가스를 주입하여 용존산소(DO)를 조절하는 제2단계;
상기 제2단계에서 용존산소(DO)가 조절된 시험용액을 가열하여 건증기를 생성하는 제3단계; 및
상기 제3단계에서 생성된 건증기의 압력을 및 온도를 조절하여 습증기를 생성하는 제4단계; 를 포함하는 습증기 침부식 모사를 위한 습증기 제조방법.