WO2020138576A1

WO2020138576A1 - 유량제어형 열피로 균열 발생장치

Info

Publication number: WO2020138576A1
Application number: PCT/KR2018/016963
Authority: WO
Inventors: 안형근; 김재성
Original assignee: 호진산업기연(주)
Priority date: 2018-12-28
Filing date: 2018-12-31
Publication date: 2020-07-02
Also published as: KR102038781B1

Abstract

본 발명은 유량제어형 열피로 균열 발생장치를 개시한다. 본 발명에 따른 유량제어형 열피로 균열 발생장치는, 냉각 조건을 정밀하게 관리 제어할 수 있도록 하여 가열과 냉각을 반복하는 열피로 사이클의 정확도와 재현성에 대한 신뢰성과 비파괴 검사의 기량검증에 대한 신뢰성과 실효성을 보장할 수 있도록 하고, 또한 다양한 지름과 길이를 갖는 배관 시편에 대한 검사를 가능하게 할 수 있도록 하였다.

Description

유량제어형 열피로 균열 발생장치

본 발명은 실제 원자력 발전소에서 발생하는 자연균열과 동일한 환경 조건하에서 열피로 균열(Thermal Fatigue Crack)을 형성시킴으로써 검사의 정확도와 신뢰성 있는 정밀진단을 가능하게 한 유량제어형 열피로 균열 발생장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 원자력 발전소 구조물에 사용되는 다양한 크기의 시험 배관에 대한 검사를 가능하게 함으로써 전용 장비 제작에 따른 폐단을 해소하고, 특히 가열과 냉각을 반복하는 열피로 사이클을 정밀하고 균일하게 관리 제어할 수 있도록 함으로써 검사의 신뢰성을 보장함과 아울러 실제 원자력 발전소 설비에 대한 위험도를 정확하게 예측 진단할 수 있는 유량제어형 열피로 균열 발생장치에 관한 것이다.

국제원자력기구 IAEA는 현재 전 세계에서 가동 중인 원자력 발전소를 435개이며, 이중 80% 이상이 가동한 지 20여년이 넘어 노후화에 따른 안전성이 우려된다는 진단을 내린 바 있으며, 대한민국의 경우 1978년 고리 원자력 1호기가 상업운전을 시작한 이후 지속적으로 국내 전력의 상당부분을 담당해온 원자력 발전소 역시 아래의 표 1에서 보는 바와 같이 설계 수명 한도가 다 되어간다.

* 대한민국 원자력 발전소의 잔존 수명

발전소명	상업운전 개시(년)	설계수명 만료(년)	설계 수명(년)	잔존 수명(년)
고리 2호기	1983	2023	40	7
고리 3호기	1985	2024	40	8
고리 4호기	1986	2025	40	9
영광 1호기	1986	2025	40	9
영광 2호기	1987	2026	40	10
울진 1호기	1988	2027	40	11
울진 2호기	1989	2028	40	12
월성 2호기	1997	2026	30	10
월성 3호기	1998	2027	30	11
월성 4호기	1999	2029	30	13

원자력 발전소의 노후화에 따라 국내외 원자력 발전소에서는 가동 중인 원자력 발전소의 안전성에 문제를 일으킬 수 있는 열피로 균열(Thermal Fatigue Crack)과 응력 부식 균열(Stress Corrosion crack, SCC)등의 손상 및 내부균열 발생사례가 계속적으로 보고되고 있다.특히, 원전 구조물에서 주된 손상을 일으키는 열피로 균열과 응력 부식 균열은 주로 원전 가동 조건에 의해 주로 발생하고 있으며, 열피로 균열은 Pressurizer Surge Line, RCS Safety Relief Line 및 비상 노심 냉각 계통에서 열성층(Thermal Stratification)에 의한 열응력 구배가 원인으로 알려져 있다. 즉, 원전 구조물에서 발생하는 균열 현상은 고온고압과 부식환경 및 잔류응력 등이 발생 원인으로 증기발생기, 원자로 압력용기, 노즐 및 가압기 등에서 발생함에 따라 방사능 유출의 위험성이 있으므로, 원전 구조물의 노후화에 따라 지속적으로 발생하는 손상과 균열 등을 확인할 필요가 있으며, 이를 위해 주기적으로 가동중 검사(In-Service Inspection, ISI)를 실시하고 있다. 이러한 가동중 검사는 대부분 비파괴검사 방법(이하 NDT)을 통해 발생할 수 있는 안전사고에 대한 예방 정비를 진행하고 있다.

따라서, 원자력 발전소의 안전성 및 NDT기술의 신뢰성을 확보하기 위해서는 가동 중인 원전에서 발생하는 실제 결함과 유사한 자연 균열을 제작할 수 있는 기술 확보가 매우 중요한 실정이다.

이를 위해서는 실제 원전 구조물에서 열피로 균열 발생조건을 모사할 수 있는 실험장치를 구성하기 위한 본 발명은 원전의 신뢰성 및 안전성을 향상시키고, 가동 중 결함을 진단할 수 있는 정밀 진단기술을 고도화 할 수 있다. 즉, 원자력 발전소에서 실제 사용하는 배관재에 열피로 실제 모의 균열 제작 및 정밀진단의 원천기술을 확보하게 되면 이를 통하여 가동 중 검사기술을 발전시킴과 동시에 원자력 구조물 안전 규제 및 보수 기준의 자료로 활용할 수 있을 것이다.

국내의 경우 정밀탐지능력과 신뢰성에 대한 한계지점을 극복하기 위해 2000년부터 비파괴검사요원들의 기량검증을 실시하고 있는 미국의 기량검증제도를 도입하여 2005년부터 적용하고 있으나, PDI 시험편(실제 균열 시험편)은 원전 구조물 정밀진단을 위해 장비의 교정에는 직접적으로 사용하지 않고 비파괴 검사자들의 기량 검증에만 사용되고 있으며, 국내에서 사용하고 있는 대부분의 PDI 시험편 실제 균열 제작 기술에 대한 부족으로 인해 전량 외국에서 수입되고 있는 실정이다.

또한 이러한 시험편들은 자연균열과 유사한 환경에서 배관에 직접 제작되지 못하고, 전기적인 방전을 이용한 와이어 컷팅 및 CT 시험편 등을 통해 열에 의한 열피로균열이 아닌 일반 피로시험을 통해 제작된 후 일반 배관재 또는 용접부에 심어진 경우가 대부분으로, 종래의 일반 피로 균열 형성방식에 의해 제작된 시편은 실제 가동중인 원전 또는 장치산업의 설비에서 발생하는 배관재에 발생하는 것이 아닌 모의 시험편으로 제작하는 것이기 때문에 실제 균열과 많은 부분에서 차이가 발생함에 따라, 비파괴 검사의 기량검증에 대한 실효성을 확실하게 보장할 수 없는 단점이 있었다.

또한, 필요한 시기에 즉각적인 활용이 어려울 때가 많으며, NDT 업계의 기량 검증 및 훈련을 위해 다수의 시편이 필요할 때에 수요를 맞추기 어려운 폐단이 있었다.

이러한 문제점을 해결하기 위한 종래기술로는 대한민국 등록특허 제10-0801404호를 통해 ‘열피로균열형성장치’가 제안된 바 있으며, 그 청구항 1에는 ‘관형 시편의 일측 외주면에 원주방향으로 부착된 전도부재, 및 상기 전도부재에 인접하여 배치된 유도가열코일을 구비한 가열유닛; 냉각수 저장원으로부터 관형 시편의 내경면에 냉각수를 강제로 주입하는 냉각수펌프 및 냉각수 호스를 구비한 냉각유닛; 및 상기 가열유닛 및 냉각유닛의 작동을 제어하는 제어유닛;을 포함하는 것을 특징으로 하는 열피로균열형성장치.’가 개시되어 있다.

또 다른 종래기술로는 이건 출원의 발명자은 대한민국 등록특허 제 10-0920102호(2009.09.25.), ‘길이 방향 열피로 균열 형성장치’를 제안한 바 있으며, 그 청구항 1에는 ‘내면에 노치가 형성된 관형 시편(test piece made of pipe)의 일측 외주면에 원주방향으로 관형 시편에 인접하여 배치된 유도가열 코일을 구비한 가열 유닛과, 냉각수 저장원으로부터 관형 시편의 내경면에 냉각수를 강제로 주입하는 냉각수펌프 및 냉각수 호스를 구비한 냉각 유닛과, 상기 가열 유닛 및 냉각 유닛의 작동을 제어하는 제어 유닛을 포함하는 열피로 균열 형성장치에 있어서, 상기 관형 시편의 일측 외주면에 밀착 접촉되어 감싸도록 구비되어 원주 방향의 응력 크기를 제어하는 관형부재로서, 길이 방향으로 균열 위치 조정용 슬릿이 형성되고, 내부에는 냉각 온도 제어기에 의해 제어되는 냉각기에 배관 연결되어 냉각수 또는 냉각가스로 이루어진 냉각원이 주입되어 순환되는 냉각수 라인이 형성되며, 선택적으로 냉각원을 공급받아 상기 가열 유닛에 의해 가열된 관형 시편을 반복 냉각시켜 온도구배를 조절하는 냉각 블록을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 길이 방향 열피로 균열 형성장치.’을 제안한 바 있다.

또 다른 종래기술로는 이건 출원의 발명자가 제안한 대한민국 등록특허 제10-0909118호, ‘응력 부식균열 형성장치’가 있으며, 그 청구항 1에는 ‘관형 시편의 일측 외주면에 원주 방향으로 구비되는 전도부재 및 이 전도부재에 인접하여 배치된 가열 코일을 구비하여 관 내부에 증기압을 발생시키는 가열 유닛과; 상기 관형 시편 내부에 발생하는 증기압이 누설되지 않도록 개방된 양측을 밀폐시키는 양단 구속 유닛과; 상기 가열 유닛 및 양단 구속 유닛을 제어하는 제어 유닛을 포함하며, 상기 양단 구속 유닛은 상기 관형 시편의 양단을 차폐시키는 어퍼 플레이트 및 로어 플레이트와, 상기 어퍼 플레이트 및 로어 플레이트간의 간격을 조절하는 것으로 유공압을 작동압으로 하는 유공압 실린더 또는 전원 공급에 의해 로드를 출몰시키는 액츄에이터로 제공되는 텐션바를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 응력 부식균열 형성장치.’가 개시되어 있다.

그러나 종래 기술에 따른 유량제어형 열피로 균열 발생장치는 관형 시편의 국부에 가열과 냉각을 반복하여 열피로를 발생시키고 있으나, 이러한 열피로 사이클을 정밀하고 균일하게 제어할 수 없는 구조이어서 검사의 신뢰성을 높이는데 한계가 있어 결과적으로 실제 원자력 발전소 설비에 대한 위험도를 정확하게 예측 진단할 수 없는 심각한 문제점이 있었다.

또한, 다양한 크기의 배관 시편에 대한 검사가 불가능하여, 배관 시편의 크기에 따라 전용 장치를 제작하여야 하므로 경제성이 떨어질 뿐만 아니라 배관 시편의 크기에 따라 여러 대의 장치를 운용해야 하므로 장치를 설치 운용하기 위한 공간과 유지 관리면에서 비효율적인 문제점이 있었다.

본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 창출된 것으로서, 본 발명의 목적은 원자력 발전소 구조물에 사용되는 다양한 크기의 시험배관에 대한 검사를 가능하게 함으로써 장비의 표준화에 따른 운용의 효율성을 높이고, 특히 가열과 냉각을 반복하는 열피로 사이클을 일정하고 정밀하게 제어할 수 있도록 함으로써 검사의 신뢰성을 높일 수 있는 유량제어형 열피로 균열 발생장치를 제공하는데 있다.

즉, 본 발명은 종전기술에서 냉각수를 시편 배관의 내부로 단순 통수시키는 방식에서 벗어나 시편 배관 내부를 통수하는 유량을 검출하고, 이를 열응력 발생지점을 기준으로 유량을 실시간 정밀하게 관리 제어할 수 있도록 함으로써 규칙적인 재현성을 보장하고 신뢰성있는 예측 진단을 가능하게 하는 유량제어형 열피로 균열 발생장치를 제공하는데 있다.

상기의 목적을 실현하기 위한 본 발명의 바람직한 실시례에 따른 유량제어형 열피로 균열 발생장치는, 관통된 배관시편의 양측면에 밀착 접촉되어 외부로부터 냉각수를 공급받아 배관시편의 내부로 안내하는 프레임 유닛과, 상기 배관 시편의 일측 외면에 인접하게 배치되어 국부 가열하는 가열유닛과, 상기 배관시편의 내부로 냉각수를 강제 공급하여 냉각시키는 냉각수펌프를 구비한 냉각유닛과, 상기 가열유닛과 냉각유닛의 작동을 제어하는 제어유닛을 포함하는 유량제어형 열피로 균열 발생장치에 있어서,

상기 냉각유닛은 배관시편의 내부 유량을 검출하는 유량검출기 및 상기 냉각수펌프와 배관시편을 연결하는 냉각수 라인 상에 설치되어 유량을 조절하는 유량조절밸브; 상기 제어유닛은 가열유닛의 가열 온도와 가열시간을 검출하여 이를 기초로 상기 배관 시편의 내부를 통과하는 냉각수의 유량과 통수 시간을 계산 처리하여 상기 가열유닛과 상기 냉각유닛에 제어신호를 인가하는 열피로 사이클 제어부로 구성된 것을 그 특징으로 한다.

본 발명의 바람직한 한 특징으로서, 상기 제어유닛은, 상기 가열유닛의 발열온도 및 온/오프의 동작을 제어하는 가열제어모듈; 상기 국부 가열된 배관시편의 발열점의 위치를 검출하는 발열위치 검출모듈; 상기 발열위치 검출모듈로부터 발열점의 위치 정보를 제공받아 이를 기준으로 열응력 발생구간 설정을 위한 냉각점의 위치를 계산처리하고, 계산된 냉각점의 위치에 냉각수 수위가 유지되도록 상기 유량조절밸브에 제어신호를 인가하는 열응력 제어부로 구성되는 것에 있다.

본 발명의 바람직한 다른 특징으로서, 상기 냉각유닛은, 상기 배관시편의 내부를 통과하는 냉각수의 수위를 측정하는 수위레벨센서 및 상기 배관 시편의 내부를 통과하는 냉각수의 유속을 감지하는 유속감지센서 및 상기 배관 시편을 통과하는 냉각수의 온도를 측정하는 수온센서 중 어느 하나 또는 하나 이상으로 구성되는 것에 있다.

본 발명의 바람직한 또 다른 특징으로서, 상기 가열유닛은, 고주파 전류를 인가 받아 자장을 형성시켜 발열을 유도하는 유도가열 코일 또는 전원을 공급받아 발열하는 발열선을 구비한 직접가열 코일 중 어느 하나로 이루어진 발열원; 상기 발열원의 가열온도를 측정하는 가열온도 센서; 상기 발열원의 가열시간을 측정하는 가열 타이머; 상기 발열원에 의해 가열된 배관 시편의 가장 높은 발열점 위치를 검출하여 이를 제어유닛에 인가하는 발열위치 검출모듈로 구성되는 것에 있다.

본 발명의 바람직한 또 다른 특징으로서, 상기프레임 유닛은, 상기 배관 시편의 개방된 양측면 중 어느 한쪽에 밀착 접촉되는 배출차폐면을 형성한 것으로 냉각수가 외부로 배출될 수 있도록 배출구가 형성된 수직하게 배치된 판재 형상의 배출 플랜지; 상기 배출 플랜지와 간격을 두고 대향 배치되되 상호 횡방향으로 배치된 복수의 가이드 포스트로 연결 지지되는 고정 플랜지; 상기 배출 플랜지와 고정 플랜지 사이에 배치되어 가이드 포스트를 따라 전,후 슬라이드 이동 가능하게 구비되되, 상기 배관 시편의 다른 한쪽에 밀착 접촉되는 가동차폐면을 형성한 것으로 일측에는 외부로부터 냉각수를 공급받는 냉각재킷이 구비된 가동 플랜지; 상기 고정 플랜지의 일측에 설치되어 상기 가동 플랜지를 전,후 이동시켜 상기 배출 플랜지와의 간격을 조절하는 가압 구동원 및 상기 가동 플랜지에 작용하는 가압력을 검출하여 상기 배관 시편에 대한 밀착 정도를 조절하는 가압 제어부로 구성되는 것에 있다.

본 발명의 바람직한 또 다른 특징으로서, 상기 가압 구동부는 제어신호를 인가받아 동작되는 것으로, 상기 가동 플랜지의 일측에 연결된 로드를 전,후진시켜 가동 플랜지를 전,후 방향으로 연동되게 하는 액츄에이터 또는 상기 가동 플랜지의 일측에 나사체결된 이송스크류를 정,역 회전시켜 가동 플랜지를 전,후 방향으로 연동되게 하는 스크류모터 중 어느 하나이고;, 상기 가압 제어부는 상기 가동 플랜지에 작용하는 가압력을 검출하는 로드셀 또는 가압센서 중 어느 하나로 된 가압 감지기로부터 감지신호를 인가받아 상기 가압 구동부에 제어신호를 인가하도록 구성되는 것에 있다.

본 발명에 따른 유량제어형 열피로 균열 발생장치는, 냉각 조건을 정밀하게 관리 제어할 수 있으므로 가열과 냉각을 반복하는 열피로 사이클의 정확도와 재현성에 대한 신뢰성을 크게 높일 수 있음에 따라 비파괴 검사의 기량검증에 대한 신뢰성과 실효성을 보장할 수 있는 유용한 이점이 기대된다.

또한, 본 발명은 배출 플랜지에 대하여 가동 플랜지가 가압 구동원에 의해 전,후 이동되는 구조이어서 배관 시편의 개방된 양측에 대한 견고하고 안정된 밀착 상태를 유지시킬 수 있음에 따라 냉각수 누수 등의 폐단을 미연에 방지할 수 있을 뿐만 아니라 시험작업 준비에 따른 작업성 및 작업시간을 개선시킬 수 있는 이점이 있다.

특히, 다양한 지름과 길이를 갖는 배관 시편에 대한 검사가 가능함에 따라 장치의 효율인 운용을 통한 경제성과 유지관리의 편의성을 높일 수 있다.

본 발명의 특징 및 이점들은 첨부도면에 의거한 다음의 상세한 설명으로 더욱 명백해질 것이다. 이에 앞서 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이고 사전적인 의미로 해석되어서는 아니 되며, 발명자가 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합되는 의미와 개념으로 해석되어야 한다.

도 1 및 도 2는 본 발명에 따른 유량제어형 열피로 균열 발생장치의 사용상태를 설명하기 위한 사시도,

도 3은 본 발명에 따른 유량제어형 열피로 균열 발생장치를 정면에서 바라본 도면,

도 4는 본 발명에 따른 유량제어형 열피로 균열 발생장치를 위에서 바라본 도면,

도 5 및 도 6은 본 발명에 따른 유량제어형 열피로 균열 발생장치에서 프레임유닛의 구성을 설명하기 위한 분해 사시도,

도 7은 도 6의 가동 플랜지에 대한 A-A’선 단면도,

도 8은 본 발명에 따른 유량제어형 열피로 균열 발생장치에 따른 냉각유닛의 구성을 설명하기 위한 모식도,

도 9는 본 발명에 따른 유량제어형 열피로 균열 발생장치에서 제어유닛의 구성을 설명하기 위한 블록도,

도 10은 본 발명에 따른 유량제어형 열피로 균열 발생장치에서 가열유닛의 구성을 설명하기 위한 블록도,

도 11은 본 발명에 따른 유량제어형 열피로 균열 발생장치에서 냉각유닛의 구성요소를 설명하기 위한 블록도,

도 12는 본 발명에 따른 유량제어형 열피로 균열 발생장치에서 열응력 발생구간을 설명하기 위한 모식도.

<부호의 설명>

1 : 유량제어형 열피로 균열 발생장치

10 : 프레임유닛 11 : 배출 플랜지 11a : 배출차폐면

11b : 배출구 11c : 배출가이드 12 : 가이드포스트

13 : 고정 플랜지 15 : 가동 플랜지 15a : 가동차폐면

15b : 입수구 15h : 가이드레일홀 16 : 냉각재킷

16a : 관로접속구 17 : 가압 구동원 19 : 가압제어부

19a : 가압 감지기 20 : 가열유닛 21 : 발열원

23 : 가열온도 센서 25 : 가열 타이머 30 : 냉각유닛

31: 유량검출기 32 : 냉각수 라인 33 : 유량조절밸브

34 : 냉각수펌프 35 : 수위레벨센서 36 : 냉각수탱크

37 : 유속감지센서 39 : 수온센서 40 : 제어유닛

41 : 열피로 사이클 제어부 43 : 가열제어모듈

45 : 발열위치 검출모듈 47 : 열응력 제어부

이하에서는 첨부한 도면을 참조하면서 본 발명의 실시예에 대한 구성 및 작용을 상세하게 설명하기로 한다. 다만, 본 발명을 특정한 개시형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 본 출원에서 "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 단계, 동작, 구성 요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다. 즉, 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성 요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 또한, 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 관련기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.

여기서, 반복되는 설명, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능, 및 구성에 대한 구체적인 설명은 본 발명의 요지를 모호하지 않게 하기 위하여 생략한다. 본 발명의 실시형태는 당 업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 따라서, 도면에서의 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있다.

도 1 및 도 2는 본 발명에 따른 유량제어형 열피로 균열 발생장치의 사용상태를 설명하기 위한 사시도이다.

도면에는 배관 시편(100)을 고정 지지하기 위한 것으로 서로 마주보는 방향으로 수직하게 배치되는 판재형의 배출 플랜지(11)와 고정 플랜지(13) 그리고 이들 사이에 배치되어 가압 구동원(17)에 의해 전,후 이동하는 가동 플랜지(15)로 이루어진 프레임유닛(10)과, 상기 배관 시편(100)에 인접하게 배치되어 국부 가열하는 가열유닛(20)과, 상기 배관 시편(100)의 내부로 냉각수를 공급하여 냉각시키는 냉각유닛(30)과, 상기 가열유닛(20)과 냉각유닛(30)의 동작을 제어하여 가열과 냉각에 의한 열피로를 발생시키도록 하는 제어유닛(40)으로 이루어진 유량제어형 열피로 균열 발생장치(1)이 도시되어 있다.

도 3은 본 발명에 따른 유량제어형 열피로 균열 발생장치를 정면에서 바라본 도면이고, 도 4는 본 발명에 따른 유량제어형 열피로 균열 발생장치를 위에서 바라본 도면이다. 도면에는 배관 시편(100)의 개방된 양측면에 위치되어 수밀이 유지될 수 있도록 구비되는 배출 플랜지(11)와 가동 플랜지(15) 그리고 상기 가동 플랜지(15)를 상기 배출 플랜지(11)에 대해 전,후 방향으로 슬라이드 이동될 수 있도록 안내하는 가이드 포스트(12) 및 상기 가동 플랜지(15)의 일측에 간격을 두고 구비되어 냉각수 라인(32)을 통해 냉각수를 공급받아 상기 배관 시편(100)의 내부로 주입하기 위한 냉각재킷(16)과, 상기 가동 플랜지(15)를 전,후 이동시키기 위한 구동력을 제공하는 가압 구동원(17)과 가압제어부(19) 및 이들 가압 구동원(17)과 가압제어부(19)를 사이에 두고 수직하게 설치되는 고정 플랜지(13)로 이루어진 프레임유닛(10)을 포함하는 유량제어형 열피로 균열 발생장치(1)이 도시되어 있다.

도 5 및 도 6은 본 발명에 따른 유량제어형 열피로 균열 발생장치에서 프레임유닛의 구성을 설명하기 위한 분해 사시도이고,도 7은 도 6의 가동 플랜지에 대한 A-A’선 단면도이다. 도면에는 원통 형상의 배관 시편(100)의 개방된 일측면이 끼움 조립될 수 있도록 배관 시편(100)의 지름에 대응하는 단차홈을 형성하고 그 중앙으로는 냉각수가 외부로 배출될 수 있도록 에 배출구멍(11)이 관통 형성된 배출차폐면(11a)이 제공된 배출 플랜지(11)와, 상기 배출 플랜지(11)의 일측에 구비되되, 이 배출 플랜지(11)에 대하여 간격 조절이 가능하도록 구비되는 판재 형상의 부재로, 상기 배관 시편(100)의 개방된 타측면이 끼움 조립될 수 있도록 배관 시편(100)의 지름에 대응하는 단차홈을 형성하고, 그 중앙으로는 냉각수를 공급받을 수 있도록 입수구(15b)가 관통 형성된 가동차폐면(15a)이 마련된 가동 플랜지(15)와, 상기 가동 플랜지(15)의 가동차폐면(15a)의 반대쪽 면에 구비되어 냉각수를 공급하기 위한 냉각수 라인(32)이 연결되어 상기 입수구(15b)를 통해 배관 시편(100)의 내부로 안내될 수 있게 하는 냉각재킷(16)과, 상기 가동 플랜지(15)의 일측으로 간격을 두고 배치되되 상기 가동 플랜지(15)를 전,후 이동시키기 위한 구동요소인 가압 구동원(17)과 가압제어부(19)가 설치되는 판재 요소인 고정 플랜지(13)로 이루어진 프레임유닛(10)이 도시되어 있다.

도 8은 본 발명에 따른 유량제어형 열피로 균열 발생장치에 따른 냉각유닛의 구성을 설명하기 위한 모식도이다. 도면에는 배관 시편(100)의 내부 유량을 검출하는 유량검출기(31) 및 냉각수를 저장하는 냉각수탱크(36) 그리고 냉각수탱크(36)에 저장된 냉각수를 강제 공급하기 위한 냉각수펌프(34)와, 냉각수펌프(34)에 연결되어 냉각수를 공급받아 가동 플랜지(15)의 일측에 마련된 냉각재킷(16)에 연결되는 냉각수 라인(32)과, 상기 배관 시편(100)의 내부를 통과하는 냉각수의 수위를 검출하기 위한 수위레벨센서(35) 및 유속을 검출하기 위한 유속감지센서(37) 끝으로 상기 냉각수 라인(32) 상에 설치되어 상기 배관 시편(100)의 내부를 통과하는 냉각수의 유량을 조절하기 위한 유량조절밸브(33)로 이루어진 냉각유닛(30)이 도시되어 있다.

도 9는 본 발명에 따른 유량제어형 열피로 균열 발생장치에서 제어유닛의 구성을 설명하기 위한 블록도이다. 도면에는, 가열유닛(20)의 가열온도와 가열시간을 검출하여 이를 기초로 상기 배관 시편(100)의 내부를 통과하는 냉각수의 유량과 통수 시간을 계산 처리한 후 상기 가열유닛(20)과 냉각유닛(30)에 제어신호를 인가하는 열피로 사이클제어부(41)와. 배관 시편(100)의 발열점 위치를 기준으로 열응력 발생구간 설정을 위한 냉각점의 위치를 계산 처리하고 계산된 냉각점의 위치에 냉각수의 수위가 유지될 수 있게 유량조절밸브(33)에 제어신호를 인가하는 열응력 제어부(47)를 포함하는 제어유닛(40)이 도시되어 있다.

도 10은 본 발명에 따른 유량제어형 열피로 균열 발생장치에서 가열유닛의 구성을 설명하기 위한 블록도이다. 도면에는, 내부가 비어 있고 양측면이 개방된 원통형의 배관 시편(100)의 외부 일측에 대하여 국부 가열하는 것으로, 유도가열 코일이나 직접가열 코일 중 어느 하나로 된 발열원(21)과, 이 발열원(21)의 가열온도를 측정하는 가열온도 센서(23) 그리고 발열원(21)의 가열시간을 측정하기 위한 가열 타이머(25)로 이루어진 가열유닛(20)이 도시되어 있다.

도 11은 본 발명에 따른 유량제어형 열피로 균열 발생장치에서 냉각유닛의 구성요소를 설명하기 위한 블록도이다. 도면에는, 배관 시편(100)의 내부로 냉각수를 강제 공급하여 냉각시키기 위한 요소로, 상기 배관 시편(100)의 내부 유량을 검출하기 위한 유량검출기(31)와, 냉각수 공급을 위한 관로인 냉각수 라인(32)과, 상기 배관 시편(100)의 내부를 통과하는 냉각수의 유량을 조절하기 위한 밸브요소인 유량조절밸브(33)와, 상기 배관 시편(100)의 내부로 냉각수가 강제 공급될 수 있도록 하는 냉각수펌프(34)와, 상기 배관 시편(100)의 내부 수위를 검출하기 위한 수위레벨센서(35)와, 상기 배관 시편(100)의 내부로 공급되는 냉각수가 저장되어 있는 냉각수탱크(36)와, 상기 배관 시편(100)의 내부를 통과하는 냉각수의 유속을 감지하기 위한 유속감지센서(37)와, 상기 배관 시편(100)에 공급되는 냉각수의 온도 또는 배관 시편(100)의 내부를 경유한 냉각수의 온도를 검출하기 위한 수온센서(39)로 이루어진 냉각유닛(30)이 도시되어 있다.

도 12는 본 발명에 따른 유량제어형 열피로 균열 발생장치에서 열응력 발생구간을 설명하기 위한 모식도이다. 도면에는, 가열유닛(20)을 구성하는 발열원(21)에 의해 배관 시편(100)의 일측이 국부 가열됨에 따라 발생하는 발열점(p1)과, 이 발열점(p1)에 대하여 열응력 발생구간을 형성하기 위한 냉각수의 수위인 냉각점(p2)이 마킹된 배관 시편(100)이 도시되어 있다. 참고적으로, 열피로 균열은 열응력 발생구간에서 발생하게 되는데, 이러한 열응력 발생구간(ΔT)은 열이 집중적으로 가열되는 지점인 발열점(p1)과, 이 발열점(p1)에 대하여 도면을 기준으로 하측으로 간격을 두고 냉각수를 통과시키는 경우 냉각수의 수위에 해당하는 위치가 냉각점(p2)이 되며, 상기 발열점(p1)과 냉각점(p2) 사이의 구간이 열응력 발생구간이 된다.

이상의 도면을 참조하여 본 발명에 따른 유량제어형 열피로 균열 발생장치의 구성을 살펴보기로 한다.

본 발명에 따른 유량제어형 열피로 균열 발생장치는 골조를 형성하는 것으로 양측면이 개방된 원통형의 배관 시편(100)을 고정 지지하기 위한 프레임유닛(10)과, 상기 배관 시편(100)의 일측 외면에 인접하게 배치되어 국부 가열함으로써 발열점(p1)을 형성하기 위한 가열유닛(20)과, 상기 배관 시편(100)의 내부에 냉각수를 통수시킴으로써 냉각점(p2)을 형성하는 것으로 냉각수의 유량 조절이 가능한 냉각유닛(30)과, 상기 가열유닛(20)과 냉각유닛(30)의 작동을 제어하여 상기 배관 시편(100)에 대한 가열과 냉각이 규칙적으로 일어날 수 있도록 하는 제어유닛(40)으로 구성된다.

프레임유닛(10)은 내부가 비어 있는 원통형의 부재인 배관 시편(100)의 개방된 양측면에 밀착 접촉되어 외부로부터 냉각수를 공급받아 배관 시편(100)의 내부로 안내하도록 지지하는 골조 요소로서, 배출 플랜지(11)와, 고정 플랜지(13)와, 가동 플랜지(15) 그리고 가압 구동원(17) 및 가압제어부(19)로 구성된다.

상기 배출 플랜지(11)는 상기 배관 시편(100)의 개방된 양측면 중 냉각수가 통과하여 출수되는 쪽에 밀착 접촉되는 판재형의 부재로서, 상기 배관 시편(100)의 일부가 끼움 삽입될 수 있도록 단차진 홈을 형성하고, 그 중앙에는 도면을 기준으로 길이 방향의 배출구(10b)가 관통 형성된 배출차폐면(11a)이 구비되는 구성이다.

이러한 배출구(10b)는 배출되는 냉각수의 양을 조절하기 위하여 배출구(10b)의 크기를 조절할 수 있도록 공지의 슬라이드 셔터가 구비되어도 무방하다.

또한, 상기 배출 플랜지(11)는 사각 판재형으로 제공되며, 네 모서리에 인접한 위치에 각각의 가이드 포스트(12)가 끼움 조립될 수 있는 조립홀(미부호)이 형성된다.

상기 고정 플랜지(13)는 상기 배출 플랜지(11)와 간격을 두고 대향 배치되는 사각 판재형의 부재로서, 상기 배출 플랜지(11)와 마찬가지로 네 모서리에 인접한 위치에 가이드 포스트(12)의 타단이 결합 조립될 수 있도록 조립홀(미부호)이 형성된다. 이러한 고정 플랜지(13)는 상기 배출 플랜지(11)와 함께 고정된 구조물의 역할을 하는 것으로, 후술할 가동 플랜지(15)를 전,후 슬라이드 이동시키는 구동력을 제공하는 가압 구동원(17)이 설치된다.

상기 가동 플랜지(15)는 상기 배출 플랜지(11)와 고정 플랜지(13)의 사이에 배치되어 가이드 포스트(12)를 따라 전,후 슬라이드 이동 가능하게 구비되는 사각 판재형의 부재로서, 상기 네 모서리에 인접한 위치에 각각의 가이드 포스트(12)가 슬라이드 삽입통과하는 가이드레일홀(15h)이 관통 형성되고, 상기 배출 플랜지(11)와 마주보는 면으로는 상기 배관 시편(100)의 다른 한쪽이 접촉되는 가동차폐면(15a)이 형성된다. 이러한 가동 플랜지(15)에서 가동차폐면(15a)은 상기 배관 시편(100)의 일부가 끼움 삽입되어 고정될 수 있도록 단차진 홈을 형성하고, 그 중앙에는 냉각수를 배관 시편(100)의 내부로 주입하기 위한 입수구(15b)가 형성된다.

또한, 상기 가동 플랜지(15)는 가동차폐면(15a)의 반대측면에 냉각수를 공급하기 위한 냉각수 라인(32)이 연결된 냉각재킷(16)이 구비되며, 이 냉각재킷(16)은 상기 입수구(15b)와 연결되는 구조이다.

한편, 상기 배출 플랜지(11)와 가동 플랜지(15)는 다양한 지름의 배관 시편(100)에 대한 취부가 가능하도록 다양한 배관 연결자재를 통해 상기 배출차폐면(11a)과 가동차폐면(15a)에 조립될 수 있으며, 이는 공지의 기술에 의해 실시되어도 무방하므로 상세한 설명은 생략한다.

상기 가압 구동원(17)은 상기 고정 플랜지(13)의 일측에 설치되어 상기 가동 플랜지(15)를 전,후 방향으로 이동시킴으로써 상기 배출 플랜지(11)와의 간격을 근접되게 하거나 이격시키는 구동요소이다. 이러한 가압 구동원(17)은 제어신호를 받아 동작되는 것으로, 상기 가동 플랜지(15)의 일측에 연결된 로드를 전,후진 시켜 상기 가동 플랜지(15)를 전,후 방향으로 연동되게 하는 액츄에이터가 사용되거나 또는 상기 가동 플랜지(15)의 일측에 나사 체결된 이송스크류를 정,역 회전시켜 상기 가동 플랜지(15)를 전,후 방향으로 연동되게 하는 스크류 모터가 사용될 수 있으며, 이외에도 본 발명에서의 가압 구동원(17)은 상기 가동 플랜지(15)를 전,후 방향으로 이동시킬 수 있다면 공지의 다양한 구동원이 사용되어도 무방하다.

상기 가압제어부(19)는 상기 가동 플랜지(15)에 작용하는 가압력을 검출하여 상기 배관 시편(100)에 가해지는 배출 플랜지(11)와 가동 플랜지(15)의 밀착 정도를 조절하기 위한 요소이다. 이러한 가압제어부(19)는 상기 가동 플랜지(15)에 작용하는 가압력을 검출하는 로드셀 또는 가압센서 등으로 이루어진 가압 감지기(19a)을 포함하는 구성이며, 상기 배관 시편(100)에 가해지는 압력을 측정하여 상기 배출 플랜지(11)와 가동 플랜지(15)가 적정압력으로 배관 시편(100)의 양단에 대한 밀착 상태를 유지 또는 해제될 수 있도록 가압 구동원(17)을 제어한다.

가열유닛(20)은 상기 배관 시편(100)의 일측 외면에 인접하게 배치되어 국부 가열하는 가열요소로서, 고주파 전류를 인가 받아 자장을 형성시켜 발열을 유도하는 유도가열 코일 또는 전원을 공급받아 발열하는 발열선을 구비한 직접가열 코일 중 어느 하나로 이루어진 발열원(21)과. 상기 발열원(21)의 가열온도를 측정하는 가열온도 센서(23) 그리고 상기 발열원(21)의 가열시간을 측정하는 가열 타이머(25)로 구성된다.

냉각유닛(30)은 상기 배관 시편(100)의 내부로 냉각수를 강제 공급하여 냉각시키는 냉각요소로서, 상기 배관 시편(100)의 내부 유량을 검출하는 유량검출기(31)와, 상기 냉각수펌프(34)와 배관 시편(100)을 고정하고 있는 가동 플랜지(15)의 일측에 마련된 냉각재킷(16)을 연결하는 냉각수 라인(32) 및 이 냉각수 라인(32) 상에 설치되어 상기 배관 시편(100)의 내부로 공급되는 냉각수의 유량을 조절하는 유량조절밸브(33) 그리고 상기 배관 시편(100)의 내부를 통과하는 냉각수의 수위를 측정하는 수위레벨센서(35)와, 상기 배관 시편(100)의 내부를 통과하는 냉각수의 유속을 감지하는 유속감지센서(37)와, 상기 배관 시편을 통과하는 냉각수의 온도 또는 통과하여 배출되는 냉각수의 온도를 측정하는 수온센서(39) 중 어느 하나 이상을 포함하여 구성된다.

제어유닛(40)은 상기 가열유닛(20)과 냉각유닛(30)의 동작을 제어하는 제어요소로서, 크게 열피로 사이클제어부(41)와 열응력 제어부(47)로 구성된다.

상기 열피로 사이클제어부(41)는 상기 가열유닛(20)의 가열 온도와 가열시간을 검출하여 이를 기초로 상기 배관 시편(100)의 내부를 통과하는 냉각수의 유량과 통수시간을 계산 처리하고, 상기 가열유닛(20)과 냉각유닛(30)에 제어신호를 인가하는 요소이다. 즉, 상기 배관 시편(100)에 대한 열응력 발생구간을 형성하기 위해서는 가열과 냉각을 규칙적으로 재현하여야 하므로, 이를 위해서는 가열유닛(20)의 동작온도와 시간 그리고 냉각유닛(30)의 유량과 통수시간을 제어할 필요가 있으므로, 본 발명에서는 이를 위해 열피로 사이클제어부(41)가 가열유닛(20)의 가열온도와 가열시간 그리고 냉각유닛(30)의 유량과 통수시간을 기준으로 제어하는 것을 예시하였다. 이러한 열피로 사이클제어부(41)는 상기 가열유닛(20)의 발열온도 및 온/오프의 동작을 제어하는 가열제어모듈(43)과, 상기 국부 가열된 배관 시편(100)의 발열점(p1)의 위치를 검출하는 발열위치 검출모듈(45)을 포함하여 이루어진다.

상기 열응력 제어부(47)는 상기 발열위치 검출모듈(45) 로부터 상기 배관 시편(100)의 발열점(p1) 위치 정보를 제공받아 이를 기준으로 열응력 발생구간 형성을 위한 냉각점(p2)의 위치를 계산 처리하고, 계산된 냉각점(p2)의 위치에 냉각수의 수위가 유지될 수 있도록 상기 유량조절밸브(33)에 제어신호를 인가하는 요소이다. 즉, 도 12를 참조하면, 열응력 발생구간은 가열에 의해 가장 높은 온도를 갖는 지점인 발열점(p1)과, 이 발열점(p1)을 기준으로 하측에 냉각수의 최고 수위에 해당하는 지점에서 급속한 냉각이 이루어지는 냉각점(p2) 사이의 구간이며, 이 구간에서 균열 발생이 쉽게 일어나게 된다.

상기와 같이 구성되는 본 발명에 따른 유량제어형 열피로 균열 발생장치는 배관 시편(100)에 대한 가열과 냉각 작용을 규칙적이면서 균일하게 재현할 수 있으므로 결과적으로 열피로 사이클 재현에 대한 신뢰성을 높일 수 있으며, 또한 배출 플랜지(11)에 대하여 전,후 이동될 수 있도록 구비된 가동 플랜지(15)의 구조에 의해 배관 시편(100)의 설치 및 해체에 따른 작업성 개선과 다양한 배관 크기에 대한 검사가 가능하다.

한편, 본 발명은 기재된 실시례에 한정되는 것은 아니고, 적용 부위를 변경하여 사용하는 것이 가능하고, 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 다양하게 수정 및 변형을 할 수 있음은 이 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게는 자명하다. 따라서, 그러한 변형예 또는 수정예들은 본 발명의 특허청구범위에 속한다 해야 할 것이다.

Claims

관통된 배관시편의 양측면에 밀착 접촉되어 외부로부터 냉각수를 공급받아 배관시편의 내부로 안내하는 프레임 유닛과, 상기 배관 시편의 일측 외면에 인접하게 배치되어 국부 가열하는 가열유닛과, 상기 배관시편의 내부로 냉각수를 강제 공급하여 냉각시키는 냉각수펌프를 구비한 냉각유닛과, 상기 가열유닛과 냉각유닛의 작동을 제어하는 제어유닛을 포함하는 유량제어형 열피로 균열 발생장치에 있어서,

상기 냉각유닛은 배관시편의 내부 유량을 검출하는 유량검출기 및 상기 냉각수펌프와 배관시편을 연결하는 냉각수 라인 상에 설치되어 유량을 조절하는 유량조절밸브;

상기 제어유닛은 가열유닛의 가열 온도와 가열시간을 검출하여 이를 기초로 상기 배관 시편의 내부를 통과하는 냉각수의 유량과 통수 시간을 계산 처리하여 상기 가열유닛과 냉각유닛에 제어신호를 인가하는 열피로 사이클 제어부;를 더 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 유량제어형 열피로 균열 발생장치.
제 1항에 있어서, 상기 열피로 사이클제어부는 상기 가열유닛의 발열온도 및 온/오프의 동작을 제어하는 가열제어모듈과, 상기 국부 가열된 배관시편의 발열점의 위치를 검출하는 발열위치 검출모듈을 포함하고;,

상기 제어유닛은 상기 발열위치 검출모듈로부터 배관시편의 발열점 위치 정보를 제공받아 이를 기준으로 열응력 발생구간 설정을 위한 냉각점의 위치를 계산 처리하고, 계산된 냉각점의 위치에 냉각수의 수위가 유지될 수 있게 상기 유량조절밸브에 제어신호를 인가하는 열응력 제어부를 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 유량제어형 열피로 균열 발생장치.
제 1항에 있어서, 상기 냉각유닛은, 상기 배관시편의 내부를 통과하는 냉각수의 수위를 측정하는 수위레벨센서 및 상기 배관 시편의 내부를 통과하는 냉각수의 유속을 감지하는 유속감지센서 및 상기 배관 시편을 통과하는 냉각수의 온도를 측정하는 수온센서 중 어느 하나 또는 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 유량제어형 열피로 균열 발생장치.
제 1항에 있어서, 상기 가열유닛은, 고주파 전류를 인가 받아 자장을 형성시켜 발열을 유도하는 유도가열 코일 또는 전원을 공급받아 발열하는 발열선을 구비한 직접가열 코일 중 어느 하나로 이루어진 발열원;

상기 발열원의 가열온도를 측정하는 가열온도 센서;

상기 발열원의 가열시간을 측정하는 가열 타이머;를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 유량제어형 열피로 균열 발생장치.
제 1항에 있어서, 상기 프레임 유닛은, 상기 배관 시편의 개방된 양측면 중 어느 한쪽에 밀착 접촉되는 배출차폐면을 형성한 것으로 냉각수가 외부로 배출될 수 있도록 배출구가 형성된 수직하게 배치된 판재 형상의 배출 플랜지;

상기 배출 플랜지와 간격을 두고 대향 배치되되 상호 횡방향으로 배치된 복수의 가이드 포스트로 연결 지지되는 고정 플랜지;

상기 배출 플랜지와 고정 플랜지 사이에 배치되어 가이드 포스트를 따라 전,후 슬라이드 이동 가능하게 구비되되, 상기 배관 시편의 다른 한쪽에 밀착 접촉되는 가동차폐면을 형성한 것으로 일측에는 외부로부터 냉각수를 공급받는 냉각재킷이 구비된 가동 플랜지;

상기 고정 플랜지의 일측에 설치되어 상기 가동 플랜지를 전,후 이동시켜 상기 배출 플랜지와의 간격을 조절하는 가압 구동원 및 상기 가동 플랜지에 작용하는 가압력을 검출하여 상기 배관 시편에 대한 밀착 정도를 조절하는 가압 제어부;를 더 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 유량제어형 열피로 균열 발생장치.
제 5항에 있어서, 상기 가압 구동부는 제어신호를 인가받아 동작되는 것으로, 상기 가동 플랜지의 일측에 연결된 로드를 전,후진시켜 가동 플랜지를 전,후 방향으로 연동되게 하는 액츄에이터 또는 상기 가동 플랜지의 일측에 나사체결된 이송스크류를 정,역 회전시켜 가동 플랜지를 전,후 방향으로 연동되게 하는 스크류모터 중 어느 하나이고;,

상기 가압 제어부는 상기 가동 플랜지에 작용하는 가압력을 검출하는 로드셀 또는 가압센서 중 어느 하나로 된 가압 감지기로부터 감지신호를 인가 받아 상기 가압 구동부에 제어신호를 인가하도록 회로 연결된 구성을 특징으로 하는 유량제어형 열피로 균열 발생장치.