KR20210001342U - 저온 코팅 분사 방식을 이용하는 원자력 발전 설비용 용접기기 - Google Patents
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Abstract
본 고안은 저온 코팅 분사 방식을 이용하는 원자력 발전 설비용 용접기기에 관한 것으로 보다 상세하게는 코팅제가 보관되는 호퍼와, 상기 호퍼와 연결관을 통해 연결되고 상기 코팅제가 분출구를 통해 분출되는 스프레이건과, 상기 호퍼에 보관되는 코팅제가 상기 연결관을 통해 상기 스프레이건에 공급되어 분출되게 상기 호퍼에 고압의 가스를 공급하는 가스 공급관과, 상기 분출구로 분출되는 코팅제가 일정 온도로 가열되게 상기 스프레이건에 고압가스를 가열하여 공급하는 히팅 가스 공급관을 포함하는 것을 특징으로 하는 저온 코팅 분사 방식을 이용하는 원자력 발전 설비용 용접기기에 관한 것이다.
Description
본 고안은 저온 코팅 분사 방식을 이용하는 원자력 발전 설비용 용접기기에 관한 것으로 보다 상세하게는 원자력 발전 설비에 용접으로 인한 일차 수응력 부식 균열(PWSCC)과 응력 부식 균열(SCC) 및 염화물 응력 부식 균열(CISCC)을 방지하기 위해 발전 설비 내주면을 저온 코팅 분사 방식으로 코팅함으로써 저온 코팅 분사 방식을 이용하는 원자력 발전 설비용 용접기기에 관한 것이다.
원자력 발전 설비에 사용되는 압력 용기, 가압기, 반응기, 캐니스터, 노즐이나 파이프 연결부위 등에는 크롬-몰리브덴(Cr-Mo)계 내열강 또는 탄소강, 인코넬 합금 등에 오오스테나이트계 스테인레스강(Austenite Stainless Steel)을 주성분으로 하는 SAW(Submerged Arc Welding)용접을 사용했다.
SAW용접은 일반적으로 용접열을 이용하여 용접 재료를 녹이고, 녹은 용접 재료를 사용하여 원자력 발전 설비의 제품 표면에 내식성이 우수하도록 용접하는 방법이다.
하지만, 가압경수로(PWR) 방식 원자력 발전 설비의 경우 냉각재로 물이 사용되며, 원자로에서 끓은 물이 순환하는 1차 계통과 1차 계통에서 열 에너지를 전달받은 물이 증기가 되어 터빈을 돌리는 2차 계통으로 구분되고, 1차 계통에 사용되는 부품의 경우 400~800℃ 온도에 노출되므로 예민화된 구역이 발생하고, 이 구역은 일차 수응력 부식 균열(PWSCC; Primary Water Stress Corrosion Cracking)이라 불리는 응력 부식 균열(SCC; Stress Corrosion Cracking)이 발생할 가능성이 높다.
여기서, 응력 부식 균열(SCC; Stress Corrosion Cracking)은 재료가 응력 작용 아래에 있을 때, 부식 환경과 상호 작용하여 파괴되는 현상을 말한다.
또한, 사용 후 핵연료 건식 저장 장치의 캐니스터(Canister)의 용접부 및 주위에서 발생하는 염화물에 의한 응력 부식 균열(SCC)인 염화물 응력 부식 균열(CISCC; Chloride-Induced Stress Corrosion Cracking)이 용접에서 발생하는 문제점으로 부각되었다.
이와 같이, SAW용접의 용융 융접은 용접열에 의해 모재에도 다양한 결함이 발생하며, 잔류 압축 응력이 남아 있어 사용 주기에 따라 부식 균열이 발생하는 원인 중 하나로 지목되고 있다.
또한, 앞서 서술한 응력 부식 균열, 염화물에 의한 응력 부식 균열과 같은 응력 부식 균열을 방지하기 위해 캐비테이션 피닝(Cavitaion Peening) 및 레이저 피닝(Laser Peening)의 기술을 활용하여 응력 부식을 방지하려 했지만, 많은 작업 시간과 많은 비용이 들어간다는 문제점이 있다.
원자력 발전 설비의 제품 표면에 내식성이 우수하도록 용접하는 작업에 대한 선행 특허기술이 제안된 바 있다. 선행문헌 001의 대한민국공개 특허공보 제10-2001-0089170호는 클래드 강판의 자동 용접하는 장치에 관한 것으로 불균일한 클래드 폭을 가진 클래드 강판의 용접작업을 수행하며 고 용접 전류를 활용하여 용착량 및 용착 속도를 개선하며 용접품질을 확보할 수 있는 "스트립 SAW 자동 용접 장치"를 개시한다.
그러나 선행문헌 001에 따르면 원자력 발전 설비의 제품 표면을 용접열로 가열하여 용접 재료를 녹이는 용융 용접으로 기계로 작업한다 해도 열 영향으로 인한 잔류 응력이 모재에 남아 있어 잔류 응력에 의한 부식 균열이 발생할 수 있다는 문제점이 있다.
또한, 잔류 응력이 남아 있을 경우 원자로 및 사용 후 핵연료 중간 저장 장치의 수명이 단축되어 원자력 성분이 방출될 수 있는 문제점이 있다.
또한, SAW용접시 고온의 열처리로 인해 모재에 잔류 응력이 잔존하며 클래딩(Cladding) 두께를 제어하지 못해 균일하게 용접면이 가공되지 않는다는 문제점이 있다.
본 고안이 해결하고자 하는 과제는, 용융 용접으로 인한 고온 균열 및 잔류응력의 잔존으로 인한 용접 결함을 방지할 수 있는 저온 코팅 분사 방식을 이용하는 원자력 발전 설비용 용접기기를 제공하는 것이다.
본 고안이 해결하고자 하는 다른 과제는, 고압의 가스로 금속 성분의 분말을 모재 표면을 코팅하여 원자력 발전 설비 내주면을 용접했을 때 발생하는 잔류 응력에 의한 부식을 방지하는 저온 코팅 분사 방식을 이용하는 원자력 발전 설비용 용접기기를 제공하는 것이다.
본 고안이 해결하고자 하는 또 다른 과제는, 고비용의 캐비테이션 피닝(Cavitaion Peening) 및 레이저 피닝(Laser Peening)을 대체하여 생산 비용 절감을 이루는 저온 코팅 분사 방식을 이용하는 원자력 발전 설비용 용접기기를 제공하는 것이다.
상기한 기술적 과제를 달성하기 위해 본 고안은 코팅제가 보관되는 호퍼와, 상기 호퍼와 연결관을 통해 연결되고 상기 코팅제가 분출구를 통해 분출되는 스프레이건과, 상기 호퍼에 보관되는 코팅제가 상기 연결관을 통해 상기 스프레이건에 공급되어 분출되게 상기 호퍼에 고압의 가스를 공급하는 가스 공급관과, 상기 분출구로 분출되는 코팅제가 일정 온도로 가열되게 상기 스프레이건에 고압가스를 가열하여 공급하는 히팅 가스 공급관을 포함하는 것을 특징으로 하는 저온 코팅 분사 방식을 이용하는 원자력 발전 설비용 용접기기를 제안한다.
상기 코팅제는 탄소 강, 스텐레스 강, 니켈 합금, 구리, 티탄 합금 중 적어도 하나 이상의 금속이 사용되는 것을 포함할 수 있다.
상기 코팅제는 분말 형태인 것을 더 포함할 수 있다.
상기 히팅 가스 공급관은 고압의 가스를 가열하는 히터를 구비하는 것을 포함할 수 있다.
상기 히터는 분말 형태의 코팅제를 모재에 코팅할 수 있도록 고압의 가스를 150~850℃로 가열하는 것을 포함할 수 있다.
본 고안의 실시예들에 의하면, 금속 분말을 고압의 가스로 원자력 발전 설비 내주면에 코팅함으로 고압의 가스로 분출되는 속도와 내주면에 분말 충격으로 피닝되고 이로 인해 용융 융접에서 발생되는 잔류 응력이 최소화될 수 있다.
본 고안의 실시예들에 의하면, 금속의 분말을 원자력 설비 장치에 적층 함으로써 용융 융접했을 때 열영향부 잔류 응력으로 인한 부식 균열을 방지할 수 있다.
본 고안의 실시예들에 의하면, 다수의 금속 분말을 분사하여 금속 분말을 적층 함으로 클래딩(Cladding) 소정의 두께로 설계할 수 있다.
본 고안의 실시예들에 의하면, 용접 기계로 용접해도 고온의 용접을 이루는 모재 표면에서 발생할 수밖에 없는 고온 균열을 코팅제를 분사함으로써 코팅하는 과정으로 모재 표면의 잔류 응력으로 인한 균열을 방지할 수 있다.
도 1은 본 고안의 일 실시예에 따른 저온 코팅 분사 방식을 이용하는 원자력 발전 설비용 용접기기를 나타내는 측면도다.
도 2는 본 고안의 일 실시예에 따른 저온 코팅 분사 장치 분사흐름의 대한 블록도이다.
도 3은 본 고안의 일 실시예에 따른 코팅층의 형상에 관한 측면도다.
도 2는 본 고안의 일 실시예에 따른 저온 코팅 분사 장치 분사흐름의 대한 블록도이다.
도 3은 본 고안의 일 실시예에 따른 코팅층의 형상에 관한 측면도다.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 고안의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수 있다고 이해되어야 할 것이다.
반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.
본 명세서에서 사용되는 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 공정, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 공정, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미가 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미가 있는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정하여 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여, 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
또한, 사용되는 기술 용어 및 과학 용어에 있어서 다른 정의가 없다면, 이 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 통상적으로 이해하고 있는 의미를 가지며, 하기의 설명 및 첨부 도면에서 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 설명은 생략한다.
다음에 소개되는 도면들은 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 예로서 제공되는 것이다. 따라서, 본 발명은 이하 제시되는 도면들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 또한, 명세서 전반에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다. 도면들 중 동일한 구성요소들은 가능한 한 어느 곳에서든지 동일한 부호들로 나타내고 있음에 유의해야 한다.
이하 본 명세서에 첨부된 도면을 참고로 상세히 설명한다.
도 1은 본 고안의 일 실시예에 따른 저온 코팅 분사 방식을 이용하는 원자력 발전 설비용 용접기기를 나타내는 측면도다.
도 1에서 보듯, 코팅제(260)가 보관되는 호퍼(220)와, 상기 호퍼(220)와 연결관(221)을 통해 연결되고 상기 코팅제(260)가 분출구(250)를 통해 분출되는 스프레이건(240)과, 상기 호퍼(220)에 보관되는 코팅제(260)가 상기 연결관(221)을 통해 상기 스프레이건(240)에 공급되어 분출되게 상기 호퍼(220)에 고압의 가스를 공급하는 가스 공급관(211)과, 상기 분출구(250)로 분출되는 코팅제(260)가 일정 온도로 가열되게 상기 스프레이건(240)에 고압가스를 가열하여 공급하는 히팅 가스 공급관(231)을 포함할 수 있다.
저온 코팅 분사 장치(200) 일측에 가스를 공급할 수 있는 가스 공급부(210)가 설치되고, 가스 공급부(210)에 연결되는 가스 공급 분기관(211)으로 상기 호퍼(220)와 상기 히터(230)에 고압가스를 유입한다.
가스 공급부(210)에 보관되는 고압의 가스는 질소, 헬륨, 공기 중 적어도 하나의 성분으로 구성하며 복수의 가스를 섞어서 사용할 수도 있다. 상기 고압가스는 가스 공급관(211)을 타고 호퍼(220)와 히터(230)로 공급된다.
호퍼(220)는 가스 공급관(211)과 금속 분말을 보관할 수 있는 금속 보관 장치(미도시)로 이뤄지며, 가스 공급관(211)으로 고압가스가 유입될 때, 금속 보관 장치에 보관되는 금속 분말이 유입되어 상기 호퍼(220)의 일측으로 연결되는 분말 공급관(221)으로 고압가스와 금속 분말이 혼합되어 이송된다.
상기 분말 보관 장치(미도시)에 보관되는 금속 분말은 탄소 강, 스텐레스 강, 니켈 합금, 구리, 티탄 합금 중 적어도 하나 이상의 금속 분말이 포함되며, 저온 분사 코팅시 가스 공급부(210)로 공급받은 고압가스는 금속 분말과 혼합되어 연결관(221)을 통해 스프레이건(240)에 유입된다.
상기 금속 분말의 입자는 1 ~ 45 
의 크기로 구성될 수 있으며 금속 분말에 세라믹 입자를 혼합해 사용할 수도 있다. 원자력 발전 설비의 부식 균열을 막기 위해서는 바람직하게는 금속 분말만 사용하는 것이 바람직하다.
히터(230)는 분말 형태의 코팅제(260)를 용접부(100)에 코팅할 수 있도록 고압의 가스를 150~850℃로 히팅할 수 있다. 소정의 온도로 히팅된 히팅 가스는 히팅 가스 공급관(231)을 통해 스프레이건(240)으로 유입된다.
스프레이건(240)은 연결관(221)과 히팅 가스 공급관(231)이 삽입되고, 연결관(221)을 통해 고압가스와 금속 분말이 혼합되어 유입되고 히팅 가스 공급관(231)을 통해 소정의 온도로 가열된 히팅 가스가 공급되며, 상기 히팅 가스 공급관(231)과 연결관(221)이 스프레이건(240) 내부에 연결된다.
상기 스프레이건(240)의 일측으로 금속 분말과 가열된 가스를 분출할 수 있도록 분출구(250)가 형성되며, 분출구(250)는 모재 표면 방향으로 폭이 좁아지는 테이퍼 형상으로 이뤄질 수 있다.
상기 분출구(250)는 길이방향으로 일정 부분 폭이 좁아지다가 다시 넓어지도록 설계할 수 있다. 이를테면, 병목 현상으로 물이 병 밖으로 빠져나갈 때 병의 몸통보다 병의 목 부분의 내부지름이 좁아져 물이 넘치지 않도록 구성하는 것과 같이 설계할 수 있다. 따라서, 분출구(250)의 목 부분에 가열된 가스와 금속 분말이 유입되고, 이때 유입된 금속 분말과 고압가스가 과다하게 분출되지 않도록 설계하여 코팅층 적층 시 클래딩(Cladding)두께를 조절할 수 있다.
도 2는 본 고안의 일 실시예에 따른 저온 코팅 분사 장치 분사흐름의 대한 블록도이다.
도 2에서 보듯, 가스 공급부(210)는 호퍼(220)와 히터(230)에 가스 공급관(211)을 통해 고압가스를 공급하고 각각의 공정을 지난 후 스프레이건(240)에 각각의 공급관을 통해 유입되어 혼합되며, 스프레이건(240)의 길이방향에 연결되는 분출구(250)를 통해 코팅제(260)가 분출되어 용접부(100)에 코팅층(300)이 형성된다.
상기 분출구(250)와 용접부(100)의 거리는 10~70mm로 두고 작업하는 것이 바람직하다. 경우에 따라서는 토출되는 유량에 따른 거리를 조절할 수도 있다.
또한 분출구(250)는 원자력 발전 설비에 사용되는 압력 용기, 가압기, 반응기, 캐니스터, 노즐이나 파이프 연결부위 등의 용접부(100) 내주면에 코팅제를 코팅할 수 있도록 용접부(100)방향으로 테이퍼지도록 만들수 있다.
상기 원자력 발전 설비 중 캐니스터를 예로 들어 설명하자면, 캐니스터는 원자력 사용 후 폐기물을 저장하는 역할을 하는데, 응력 부식에 의한 폐기물 유출을 방지해야 한다.
부식 균열에 있어 초기 작업시 유의해야 한다. 따라서, 캐니스터 내부를 접합 또는 용접 작업할 때는 9.5~16mm의 직경을 가지는 협소한 구간과 600~700mm의 직경을 가지는 구간 및 50~100mm의 구간까지 원자력 발전 설비의 용접부(100)에서 저온 코팅제를 분사해 코팅할 수 있도록 상기 분출구(250)의 직경과 길이를 조절할 수 있다.
상기 분출구(250)의 직경은 6 ~ 15mm 일 수도 있으며, 길이는 원자력 발전 설비 내주면에 코팅제를 분사할 수 있도록 8 ~ 30mm로 만들수 있다.
상기 분출구(250)에서의 토출 압력은 상기 가스 공급부(210)에 보관된 가스가 헬륨일 경우에는 5~30 바(bar), 질소일 경우에는 5~30 바(bar)로 토출 압력을 설정함이 바람직하다. 또한, 헬륨과 질소가 혼합된 혼합 가스의 경우는 5 ~ 25 바(bar)로 구성할 수도 있다.
도 3은 본 고안의 일 실시예에 따른 코팅층의 형상에 관한 측면도다.
도 3에서 보듯, 코팅층(300)은 탄소 강, 스텐레스 강, 니켈 합금, 구리, 티탄 합금 중 적어도 하나 이상의 금속 분말이 분출되어 형성될 수 있다.
금속 분말의 크기는 1 ~ 20 
와 20 ~44 
또는 44 
미만의 입자 크기로 코팅층(300)을 형성할 수도 있다. 이와 같이, 코팅층(300)을 형성함으로 부식 균열(PWSCC)과 응력 부식 균열(SCC) 및 염화물 응력 부식 균열(CISCC)을 방지할 수 있다.
용융 융접시 발생하는 열에 따른 잔류 응력으로 인한 용접부(100)의 일차 수응력 방지하기 위해 상기 코팅제(260)의 분사 유량은 5~50g/min로 설정할 수 있다. 분사 유량에 따라 코팅층(300)의 적층량을 조절할 수 있으며, 용융 융접으로 인한 클래딩(Cladding)의 두께를 감소 설계할 수 있다.
본 고안이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다.
그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 본 고안의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구의 범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구 범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 고안의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
또한, 적용범위가 다양함은 물론이고 청구범위에서 청구하는 본 고안의 요지를 벗어남 없이 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이다.
100 : 용접부 200 : 저온 코팅 분사 장치
210 : 가스 공급부 211 : 가스 공급관
220 : 호퍼 221 : 연결관
230 : 히터 231 : 히팅 가스 공급관
240 : 스프레이건 250 : 분출구
260: 코팅제 300 : 코팅층
210 : 가스 공급부 211 : 가스 공급관
220 : 호퍼 221 : 연결관
230 : 히터 231 : 히팅 가스 공급관
240 : 스프레이건 250 : 분출구
260: 코팅제 300 : 코팅층
Claims (5)
- 코팅제가 보관되는 호퍼와,
상기 호퍼와 연결관을 통해 연결되고 상기 코팅제가 분출구를 통해 분출되는 스프레이건과,
상기 호퍼에 보관되는 코팅제가 상기 연결관을 통해 상기 스프레이건에 공급되어 분출되게 상기 호퍼에 고압의 가스를 공급하는 가스 공급관과,
상기 분출구로 분출되는 코팅제가 일정 온도로 가열되게 상기 스프레이건에 고압가스를 가열하여 공급하는 히팅 가스 공급관을 포함하는 것을 특징으로 하는 저온 코팅 분사 방식을 이용하는 원자력 발전 설비용 용접기기. - 제1항에 있어서,
상기 코팅제는 탄소 강, 스텐레스 강, 니켈 합금, 구리, 티탄 합금 중 적어도 하나 이상의 금속으로 구성되는 것을 특징으로 하는 저온 코팅 분사 방식을 이용하는 원자력 발전 설비용 용접기기. - 제2항에 있어서,
상기 코팅제는 분말 형태인 것을 특징으로 하는 저온 코팅 분사 방식을 이용하는 원자력 발전 설비용 용접기기. - 제1항에 있어서,
상기 히팅 가스 공급관은 고압의 가스를 가열하는 히터를 구비하는 것을 포함하는 저온 코팅 분사 방식을 이용하는 원자력 발전 설비용 용접기기. - 제4항에 있어서,
상기 히터는 고압의 가스를 150~850℃로 가열하는 것을 포함하는 저온 코팅 분사 방식을 이용하는 원자력 발전 설비용 용접기기.
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|---|---|---|---|
| KR2020190004949U KR200497875Y1 (ko) | 2019-12-06 | 2019-12-06 | 저온 코팅 분사 방식을 이용하는 원자력 발전 설비용 용접기기 |
Applications Claiming Priority (1)
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ID=76603347
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| KR20030058646A (ko) | 2001-12-31 | 2003-07-07 | 두산중공업 주식회사 | 스트립 ｓａｗ 자동용접장치 |
| JP2007308737A (ja) * | 2006-05-16 | 2007-11-29 | Toyota Motor Corp | 溶接部の防食方法 |
-
2019
- 2019-12-06 KR KR2020190004949U patent/KR200497875Y1/ko active IP Right Grant
Patent Citations (2)
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