KR20210085559A - 빅데이터 기반 증기발생기 전열관 파단 예측 및 수명 관리시스템 - Google Patents

빅데이터 기반 증기발생기 전열관 파단 예측 및 수명 관리시스템 Download PDF

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KR20210085559A
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김지현
황일순
김태용
이정환
이정현
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울산과학기술원
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Abstract

본 발명은 빅데이터 기반 증기발생기 전열관 파단 예측 및 수명 관리시스템에 관한 것으로, 납-비스무스 원자로에서 냉각수 유동으로 인한 증기발생기 전열관 파단을 빅데이터 기반으로 예측하며 증기발생기의 건전성을 유지할 수 있도록 함으로써 증기발생기의 장기간 운영에 따른 안전 및 안정성을 확보할 수 있도록 한 것이다.

Description

빅데이터 기반 증기발생기 전열관 파단 예측 및 수명 관리시스템{BIG DATA BASED STEAM GENERATOR TUBE RUPTURE PREDICTION AND LIFE MANAGEMENT SYSTEM}
본 발명은 원자로의 증기발생기 전열관 관리시스템에 관한 것으로, 특히 납-비스무스 원자로에서 냉각수 유동으로 인한 증기발생기 전열관 파단을 빅데이터 기반으로 예측하며 증기발생기의 건전성을 유지할 수 있도록 함으로써 증기발생기의 장기간 운영에 따른 안전 및 안정성을 확보할 수 있도록 한 빅데이터 기반 증기발생기 전열관 파단 예측 및 수명 관리시스템에 관한 것이다.
일반적으로 4세대 납-비스무스 고속 원자로는 해양 선박의 차세대 동력원으로 각광받고 있다. 초소형 원자로의 집약화를 통한 공간 절약 및 출력 효율 증진을 달성하기 위해 증기발생기의 새로운 개념의 디자인이 요구되며 장시간 운전을 위해 안전에 대한 요건이 중요하다.
납-비스무스 액체금속 원자로에 사용되는 증기발생기 전열관은 냉각수 유동으로 인한 부식 및 마모가 일어나며, 냉각재 내의 불순물이 전열관에 축적되어 증기발생기의 열전달 효과가 지속적으로 감소하는 것으로 알려져 있다.
종래기술에 의한 증기발생기 전열관은 액체 금속의 유동으로 인한 노즐 부분에 진동이 발생하여 전열관의 피로 및 예민화로 미세균열 전파 및 전열관 파단의 문제가 발생할 수 있다.
또한, 증기 전열관의 안전 평가 기술이 미비하여 수명 평가 실패 시 파단으로 인한 문제를 초래할 수 있으며, 해당 문제를 해결하기 위해 전열관 교체는 장비의 가동율을 낮추고 경제적 손실을 야기할 수 있다. 따라서, 증기발생기의 수명 예측 및 관리를 위한 새로운 개념의 시스템 설계가 필요한 실정이다.
한국등록특허공보 제0562358호(2006.03.13.)
이에 본 발명은 상기와 같은 종래의 제반 문제점을 해소하기 위해 제안된 것으로, 본 발명의 목적은 납-비스무스 원자로에서 냉각수 유동으로 인한 증기발생기 전열관 파단을 빅데이터 기반으로 예측하며 증기발생기의 건전성을 유지할 수 있도록 함으로써 증기발생기의 장기간 운영에 따른 안전 및 안정성을 확보할 수 있도록 한 빅데이터 기반 증기발생기 전열관 파단 예측 및 수명 관리시스템을 제공하는데 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 기술적 사상에 의한 증기발생기 전열관 파단 예측 및 수명 관리시스템은, 원자로의 증기발생기 전열관을 보호하기 위한 전열관 파단 예측 및 수명 관리시스템으로서, 상기 증기발생기 전열관에서 발생하는 미세균열 정보를 지속적으로 축적하여 증기발생기 전열관의 파단을 빅데이터 기반으로 예측할 수 있도록 한 것을 그 기술적 구성상의 특징으로 할 수 있다.
여기서, 상기 전열관의 미세균열을 감지하기 위하여 에디전류 프로브를 구비하며, 상기 에디전류 프로브는, 상기 전열관 내부에 삽입되어 상기 전열관의 형상을 따라 휘어지면서 이동할 수 있도록 다수의 마디로 이루어진 슬라이드봉; 상기 슬라이드봉 선단부에 설치되어 상기 전열관 내주면에 인접한 상태로 슬라이딩 가능하도록 원통형의 몸체로 형성된 원통형 헤드; 및 상기 원통형 헤드의 외주면에 설치되어 와전류를 송, 수신하는 코일;로 이루어진 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 전열관에서 발생하는 응력집중과 충격을 완화하기 위하여 스테빌라이징 슬리브를 구비하며, 상기 스테빌라이징 슬리브는, 상기 전열관 외주면에서 전열관의 길이방향으로 이격을 두고 설치된 제1어댑터 및 제2어댑터; 상기 제1어댑터와 제2어댑터를 연결하는 형태로 설치되되 일단부는 제1어댑터에 고정되고 타단부는 제2어댑터를 관통하여 상대 변위 가능하도록 자유단으로 설치된 가이드 슬리브; 및 상기 가이드 슬리브를 감싼 형태로 상기 제1어댑터와 제2어댑터 사이에 설치된 압축스프링;으로 이루어진 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 전열관에서 발생하는 응력집중과 충격을 완화하기 위하여 스테빌라이징 모듈을 구비하며, 상기 스테빌라이징 모듈은, 상기 전열관을 외측에서 이격되게 감싸주는 단관 형태의 지지관; 및 상기 지지관과 전열관 사이에 설치되어 상기 지지관에 대하여 전열관을 탄성지지하되 상기 전열관을 중심으로 하여 복수개가 방사상 배치되며, 상기 전열관의 길이방향으로 이격된 2개의 지점을 접촉 지지하는 X자형 스프링;으로 이루어진 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 전열관 내부에 생성된 산화물 및 오염물을 주기적으로 제거할 수 있도록 한 라인 클리너를 구비하며, 상기 라인 클리너는, 상기 전열관 내부에 삽입되어 상기 전열관의 형상을 따라 휘어지면서 이동할 수 있도록 다수의 마디로 이루어진 플렉시블 회전축; 및 상기 플렉시블 회전축을 따라 설치되어 회전하면서 상기 전열관 내부에 존재하는 산화물 및 오염물을 외부로 인출하는 나선형 블레이드;로 이루어진 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명에 의한 증기발생기 전열관 파단 예측 및 수명 관리시스템은 납-비스무스 원자로에서 냉각수 유동으로 인한 증기발생기 전열관 파단을 빅데이터 기반으로 예측하며 증기발생기의 건전성을 유지할 수 있도록 함으로써 증기발생기의 장기간 운영에 따른 안전 및 안정성을 확보할 수 있으며, 증기발생기의 건전성 확보를 통한 수명 증대와 수명 예측을 통해 불필요한 검사 및 교체로 인한 비용 절감이 가능하다.
또한, 본 발명은 전열관의 미세균열을 감지하기 위한 에디전류 프로브, 전열관에서 발생하는 응력집중과 충격을 완화하기 위한 스테빌라이징 슬리브, 전열관 내부에 생성된 산화물 및 오염물을 주기적으로 제거할 수 있도록 한 라인 클리너를 구비함으로써 전열관의 건전성 및 안전성을 크게 증진하고 교체주기를 늘릴 수 있다.
또한, 본 발명은 향후 증기발생기 전열관을 사용하는 여타 발전 분야에도 직, 간접적으로 활용될 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 의한 증기발생기 전열관 파단 예측 및 수명 관리시스템에서 에디전류 프로브의 구성을 설명하기 위한 부분 단면도
도 2는 본 발명의 실시예에 의한 증기발생기 전열관 파단 예측 및 수명 관리시스템에서 전열관에 설치된 스테빌라이징 슬리브의 사시도
도 3은 본 발명의 실시예에 의한 증기발생기 전열관 파단 예측 및 수명 관리시스템에서 스테빌라이징 슬리브의 구성을 설명하기 위한 부분 단면도
도 4는 본 발명의 실시예에 의한 증기발생기 전열관 파단 예측 및 수명 관리시스템에서 스테빌라이징 모듈의 구성을 설명하기 위한 참조도
도 5는 본 발명의 실시예에 의한 증기발생기 전열관 파단 예측 및 수명 관리시스템에서 라인 클리너의 구성을 설명하기 위한 에디전류 프로브의 구성을 설명하기 위한 단면도
첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들에 의한 증기발생기 전열관 파단 예측 및 수명 관리시스템에 대하여 상세히 설명한다. 본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다. 첨부된 도면에 있어서, 구조물들의 치수는 본 발명의 명확성을 기하기 위하여 실제보다 확대하거나, 개략적인 구성을 이해하기 위하여 실제보다 축소하여 도시한 것이다.
또한, 제1 및 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. 한편, 다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
<실시예>
도 1은 본 발명의 실시예에 의한 증기발생기 전열관 파단 예측 및 수명 관리시스템에서 에디전류 프로브의 구성을 설명하기 위한 부분 단면도이고, 도 2는 본 발명의 실시예에 의한 증기발생기 전열관 파단 예측 및 수명 관리시스템에서 전열관에 설치된 스테빌라이징 슬리브의 사시도이며, 도 3은 본 발명의 실시예에 의한 증기발생기 전열관 파단 예측 및 수명 관리시스템에서 스테빌라이징 슬리브의 구성을 설명하기 위한 부분 단면도이며, 도 4는 본 발명의 실시예에 의한 증기발생기 전열관 파단 예측 및 수명 관리시스템에서 변형된 스테빌라이징 슬리브의 구성을 설명하기 위한 참조도이며, 도 5는 본 발명의 실시예에 의한 증기발생기 전열관 파단 예측 및 수명 관리시스템에서 라인 클리너의 구성을 설명하기 위한 에디전류 프로브의 구성을 설명하기 위한 단면도이다.
도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 의한 증기발생기 전열관(110) 파단 예측 및 수명 관리시스템은 전열관(110)의 미세균열을 감지하기 위한 에디전류 프로브(160), 전열관(110)에서 발생하는 응력집중과 충격을 완화하기 위한 스테빌라이징 슬리브(120), 전열관(110) 내부에 생성된 산화물 및 오염물을 주기적으로 제거할 수 있도록 한 라인 클리너(150)를 구비함으로써 전열관(110)의 건전성 및 안전성을 크게 증진하고 교체주기를 늘릴 수 있도록 구성된다.
특히 본 발명은 상기 에디전류 프로브(160)에 의해 감지한 증기발생기 전열관(110)의 미세균열 정보를 지속적으로 축적함으로써 증기발생기 전열관(110)의 파단을 빅데이터 기반으로 예측할 수 있도록 하였다.
이하, 상기 각 구성요소들을 중심으로 본 발명의 실시예에 의한 증기발생기 전열관(110) 파단 예측 및 수명 관리시스템에 대해 상세히 설명한다.
상기 에디전류 프로브(160)는 전열관(110)에서 부식, 마모, 공식, 감육 현상으로 인해 발생하는 미세균열을 감지하여 미세균열 정보를 생성하는 역할을 한다. 이를 위해 상기 에디전류 프로브(160)는 원통형 헤드(162)와, 에디전류 발생을 위한 코일(162), 슬라이드봉(161)으로 이루어진다.
상기 에디전류 프로브(160)의 원통형 헤드(162)는 슬라이드봉(161) 선단부에 설치되어 전열관(110) 내주면에 인접한 상태로 슬라이딩 가능하도록 구비된다. 상기 원통형 헤드(162)에 설치된 한 쌍의 코일(162)은 에디전류를 생성하는 한편, 전열관(110)을 경유한 상태의 에디전류를 수신하는 방법으로 전열관(110)에서 발생한 미세균열을 감지하게 된다.
상기 에디전류 프로브(160)에서 슬라이드봉(161)은 전열관(110) 내부에 삽입되어 전열관(110)의 형상을 따라 휘어지면서 이동할 수 있도록 다수의 마디로 이루어진 몸체로 구성된다. 이같은 슬라이드봉(161)이 구비되면 상기 원통형 헤드(162)를 곡선 구간을 갖는 전열관(110) 구석구석까지 이동시키면서 빠짐없이 미세균열을 감지하는데 도움이 된다.
이처럼 상기 에디전류 프로브(160)를 구비한 구성에 따르면 증기발생기 전열관(110)의 미세균열 정보를 지속적으로 축적함으로써 증기발생기 전열관(110)의 파단을 빅데이터 기반으로 예측하는 것이 가능해진다. 이를 위해 상기 에디전류 프로브(160)와 연동되어 에디전류 프로브(160)가 생성한 미세균열 정보를 저장하는 데이터베이스와, 장기간 저장된 방대한 양의 미세균열 정보를 이용하여 전열관(110)의 파단을 예측하는 파단 예측부를 더 구비한다.
상기 스테빌라이징 슬리브(120)는 상기 전열관(110)에서 발생하는 응력집중과 충격을 완화하는 역할을 한다. 이를 위해 상기 스테빌라이징 슬리브(120)는, 도 2 및 도 3에 도시된 것처럼 상기 전열관(110) 외주면에서 전열관(110)의 길이방향으로 이격을 두고 설치된 제1어댑터(121a) 및 제2어댑터(121b)와, 제1어댑터(121a)와 제2어댑터(121b)를 연결하는 형태로 설치되며, 일단부는 제1어댑터(121a)에 고정되고 타단부는 제2어댑터(121b)를 관통하여 상대 변위 가능하도록 자유단으로 설치된 가이드 슬리브(122)와, 상기 가이드 슬리브(122)를 감싼 형태로 제1어댑터(121a)와 제2어댑터(121b) 사이에 설치된 압축스프링(123)으로 이루어진다. 이같은 스테빌라이징 슬리브(120)가 구비되면, 전열관(110)에 작용하는 축방향, 레이디얼방향, 후프방향 응력과 스트레스는 완화시키는데 도움이 된다.
여기서 상기 스테빌라이징 슬리브(120)는 전열관(110) 전체에 작용하는 하중들을 고르게 완화시키기 위해서 적절한 배치가 필요하다. 이를 위해 전열관(110) 장착 시 응력해석을 통한 구조설계의 최적화를 적용한다.
한편, 상기 스테빌라이징 슬리브(120)는 도 4에 도시된 것처럼 스테빌라이징 모듈로 구비될 수도 있다. 상기 스테빌라이징 모듈은 상기 전열관(110)을 외측에서 이격되게 감싸주는 단관 형태의 지지관(130)과, X자형 스프링(140)으로 이루어진다.
여기서 상기 X자형 스프링(140)은 지지관(130)과 전열관(110) 사이에 설치되어 지지관(130)에 대하여 전열관(110)을 탄성지지하되, 전열관(110)을 중심으로 하여 복수개가 방사상 배치된다. 그리고 이 상태에서 전열관(110)의 길이방향으로 이격된 2개의 지점을 접촉 지지하게 된다. 이같은 변형된 형태의 스테빌라이징 모듈의 경우 도 2에 도시된 스테빌라이징 슬리브(120)와 비교하여 전열관(110)의 횡방향 및 레이디얼방향의 응력 및 스트레스를 완화하는데 더 효과적일 수 있다.
상기 라인 클리너(150)는 상기 전열관(110) 내부에 생성된 산화물 및 오염물을 주기적으로 제거하는 역할을 하다. 이를 위해 상기 라인 클리너(150)는, 전열관(110) 내부에 삽입되어 전열관(110)의 형상을 따라 휘어지면서 이동할 수 있도록 다수의 마디로 이루어진 플렉시블 회전축(151)과, 상기 플렉시블 회전축(151)을 따라 설치되어 회전하면서 전열관(110) 내부에 존재하는 산화물 및 오염물을 외부로 인출하는 나선형 블레이드(152)로 이루어진다. 이같은 라인 클리너(150)를 구비한 구성에 따르면 전열관(110) 내부에 생성된 산화물 및 오염물을 주기적으로 제거할 수 있게 되어 전열관(110) 내부의 건전성을 향상시킬 수 있게 된다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하였으나, 본 발명은 다양한 변화와 변경 및 균등물을 사용할 수 있다. 본 발명은 상기 실시예를 적절히 변형하여 동일하게 응용할 수 있음이 명확하다. 따라서 상기 기재 내용은 하기 특허청구범위의 한계에 의해 정해지는 본 발명의 범위를 한정하는 것이 아니다.
110: 전열관 120: 스테빌라이징 슬리브
130: 지지관 140: X자형 스프링
150: 라인 클리너 160: 에디전류 프로브

Claims (6)

  1. 원자로의 증기발생기 전열관을 보호하기 위한 전열관 파단 예측 및 수명 관리시스템으로서,
    상기 증기발생기 전열관에서 발생하는 미세균열 정보를 지속적으로 축적하여 증기발생기 전열관의 파단을 빅데이터 기반으로 예측할 수 있도록 한 것을 특징으로 하는 증기발생기 전열관 파단 예측 및 수명 관리시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 전열관의 미세균열을 감지하기 위하여 에디전류 프로브를 구비하며, 상기 에디전류 프로브는,
    상기 전열관 내부에 삽입되어 상기 전열관의 형상을 따라 휘어지면서 이동할 수 있도록 다수의 마디로 이루어진 슬라이드봉;
    상기 슬라이드봉 선단부에 설치되어 상기 전열관 내주면에 인접한 상태로 슬라이딩 가능하도록 원통형의 몸체로 형성된 원통형 헤드; 및
    상기 원통형 헤드의 외주면에 설치되어 와전류를 송, 수신하는 코일;로 이루어진 것을 특징으로 하는 증기발생기 전열관 파단 예측 및 수명 관리시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 전열관에서 발생하는 응력집중과 충격을 완화하기 위하여 스테빌라이징 슬리브를 구비하며, 상기 스테빌라이징 슬리브는,
    상기 전열관 외주면에서 전열관의 길이방향으로 이격을 두고 설치된 제1어댑터 및 제2어댑터;
    상기 제1어댑터와 제2어댑터를 연결하는 형태로 설치되되 일단부는 제1어댑터에 고정되고 타단부는 제2어댑터를 관통하여 상대 변위 가능하도록 자유단으로 설치된 가이드 슬리브; 및
    상기 가이드 슬리브를 감싼 형태로 상기 제1어댑터와 제2어댑터 사이에 설치된 압축스프링;으로 이루어진 것을 특징으로 하는 증기발생기 전열관 파단 예측 및 수명 관리시스템.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 전열관에서 발생하는 응력집중과 충격을 완화하기 위하여 스테빌라이징 모듈을 구비하며, 상기 스테빌라이징 모듈은,
    상기 전열관을 외측에서 이격되게 감싸주는 단관 형태의 지지관; 및
    상기 지지관과 전열관 사이에 설치되어 상기 지지관에 대하여 전열관을 탄성지지하되 상기 전열관을 중심으로 하여 복수개가 방사상 배치되며, 상기 전열관의 길이방향으로 이격된 2개의 지점을 접촉 지지하는 X자형 스프링;으로 이루어진 것을 특징으로 하는 증기발생기 전열관 파단 예측 및 수명 관리시스템.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 전열관 내부에 생성된 산화물 및 오염물을 주기적으로 제거할 수 있도록 한 라인 클리너를 구비하며, 상기 라인 클리너는,
    상기 전열관 내부에 삽입되어 상기 전열관의 형상을 따라 휘어지면서 이동할 수 있도록 다수의 마디로 이루어진 플렉시블 회전축; 및
    상기 플렉시블 회전축을 따라 설치되어 회전하면서 상기 전열관 내부에 존재하는 산화물 및 오염물을 외부로 인출하는 나선형 블레이드;로 이루어진 것을 특징으로 하는 증기발생기 전열관 파단 예측 및 수명 관리시스템.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 전열관의 미세균열을 감지하여 미세균열 정보를 생성하는 에디전류 프로브;
    상기 에디전류 프로브에서 생성된 미세균열 정보를 지속적으로 저장하는 데이터베이스;
    주기적으로 저장된 미세균열 정보를 이용하여 전열관의 파단을 예측하는 파단 예측부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 증기발생기 전열관 파단 예측 및 수명 관리시스템.
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Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100562358B1 (ko) 2005-07-20 2006-03-20 한국원자력연구소 열교환기의 전열관 상태 검출 장치 및 그 방법

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