와전류탐상을 이용한 증기발생기 전열관의 금속 및 마멸검출에 관한 연구

Abstract

최근 원자력발전소의 증기발생기, 복수기, 연료제어봉 등 ECT(와전류탐상)에 의한 고성능, 고정밀 검사의 수요가 급증하고 있다. 그 결과 다양한 방법의 와전류탐상 프로브에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 증기발생기 세관 근처의 금속 이물질의 탐상을 위한 검출능을 높게 하기 위하여 적정주파수에서 검출 가능한 프로브의 개발이 진행되고 있다. 현재 증기발생기 세관의 대형화, 고효율화, 고성능화에 따라 이물질에 의한 지시, 응력부식균열 등의 열화 및 마모로 인한 세관의 안정성을 확보하는 데에 큰 주목을 받고 있다. 현재 증기발생기 이차측에 금속 종류의 물질이 유입되는 경우 이 금속종류의 물질은 전열관에 접촉하여 마모를 일으키거나, 충격을 가하여 전열관의 건전성에 영향을 미칠 수 있다. 많은 경우 장비의 접근성 및 물질의 형상에 의해 제거가 불가능하며 실험적 또는 해석적인 방법으로 전열관의 건정성을 입증하는 경우 증기발생기를 계속 운전할 수 있다. 전 세계적으로 원전 운영 중 증기발생기 전열관 2차측에서 유입되는 금속종류의 이물질로 인한 마모와 누설사례가 빈번히 발생하고 있으며. 1975년 미국의 Point Beach 1호기는 이물질에 의한 전열관 누설 사고를 경험하였으며, 1979년 Prairie Island 1호기 증기발생기 2차 측에서 다량의 이물질을 발견하였다. 이물질에 의한 증기발생기 전열관의 마모손상이 급증함에 따라 전 세계적으로 증기발생기 다발 속 이물질에 대한 다양한 연구활동과 건전성 입증방법에 노력하고 있다. 미국의 SGMP: 삼각형 피치의 증기발생기 이물질 우선순위를 살펴보면 중요성의 정도를 3단계로 나타내었으며 각 단계별로 대처해야하는 방법에 대해서 자세히 설명을 다루고 있다. 이에 국내의 연구동향으로는 Jee는 와전류검사 방법을 이용한 이물질에 의한 증기발생기 전열관 마모 평가방법에 대하여 연구하였는데 이물질에 의한 마모의 경우 이물질 형태, 전열관과 접촉형태, 위치, 및 유로흐름 등 이물질 뿐 아니라 주변의 다양한 조건에 따라 마모형태가 다르게 발생할 수 있으며 보빈탐촉자의 코일의 형태상 마모형태를 구분하는 것은 불가능하고, 다양한 형태의 마모에 대해 평가결과와 실제 가공 깊이간에 많은 차이가 발생한다는 연구결과를 발표하였다. Yoo 등은 증기발생기 전열관과 접촉하고 있는 이물질 평가 프로그램 개발에 대해 연구하였는데 각 현장의 계확예방정비시 와전류탐상 평가를 담당하는 엔지니어들의 인적실수를 줄여 인건비의 절감을 이루고자 하는 연구를 하였다. Kim 등은 이물질에 의한 증기발생기 전열관 건전성 평가방법에 대하여 연구하였는데 증기발생기 전열관의 열화 문제를 크게 기계적 현상인 마모와 피로현상과 가동전/중 이차측으로 유입되는 잔류물질에 의한 열화로 나누었으며 열수력해석에서 2차측의 유체 유속, 혼합밀도 및 건동 등의 분포와 1차 변수의 혼합 유속, 압력, 엔탈피, 건도, void fraction, 1차측 냉각수의 온도, 전열관의 온도 등 다양한 변수를 활용한 연구를 진행하였다. 이 연구 결과로 이물질 영향평가 프로그램에 열수력 자료와 모드형상, 그리고 고유 진동수를 데이터베이스화 할 수 있는 근거 자료로 활용이 가능해졌다. Ku 등은 펄스와전류를 이용한 증기발생기 이물질 신호분석에 대해 연구하였는데 이물질로 마찰에 의한 마모와 달리 성장속도를 예측하기 힘들기 때문에 조기탐지를 위한 신뢰도 높은 검사가 필요하므로 와전류탐상기법의 이물질 패턴 신호를 비교하였다. 각 종류별로 스테인레스강, 동, 탄소강, 주석, 구리, 납 등 여러물질에 관한 비교를 행하였는데 전도도가 높은 물질일수록 PEC 탐촉자에서 얻어지는 신호의 범위가 증가했으며, 이는 사이즈가 커질수록 동일하였다고 연구하였다. Jung 등은 이물질에 대한 ECT Bobbin Probe 검출 강도에 대해 연구하였으며 증기발생기 2차측(관판 상단 및 관 지지판)에 잔류하는 이물질은 전열관에 마모를 야기하는 누설을 발생시킬 가능성이 있으며, 마모는 전열관 재료의 부식 특성과는 별개로 이물질의 재료, 형태, 크기 등에 따라 영향을 받으며 관판상단에서 수직으로 3mm씩 6구간으로 나누어 관판상단의 금속성분과 구별을 해낼 수 있는지에 대한 연구와 수평으로 1mm씩 나누어 이격하여 신호의 변화가 어떻게 관찰되는지에 대한 연구를 진행하였다. 재질에 따른 이물질 검출 최적 주파수는 자성체는 ch7(20KHz), 비자성체는 Ch5(150KHz)로 이물질 신호가 가장 뚜렷하였으며 수평으로 최대 3mm까지 떨어진 곳에서 검출이 가능하다는 연구결과를 발표하였다. 이처럼 이물질에 대한 많은 연구가 국내 및 해외에서 진행되고 있으며 와전류탐상을 사용한 재료 열화 손상 평가는 탐촉자에 수신된 와전류 신호의 주파수에 대한 진폭의 분포가 시간적으로 어떻게 변화하는지를 정확히 파악함으로써 재료 내부의 상태변화 등의 정보를 얻는데 매우 중요하다. 하지만, 와전류 신호의 주파수 특성을 분석하는 방법으로는 대부분 맥스웰 방정식 변환이 주로 이용되고 있다. 이 방법으로는 고체 내를 전파하는 전류에 대하여, 진폭 변화에 따른 주파수 변화 및 특성을 정확하게 파악하기 어렵다. 따라서, 와전류탐상 평가에서 진폭-주파수 해석법을 이용한 연구가 많은 연구자들에 의하여 활발하게 진행되고 있으나, 와전류를 이용한 재료 열화 평가에 대한 연구는 많은 여지를 남겨놓고 있다. Cho등은 반무한체 해석을 통해 사각조각면위의 균일분포하중과 탄성변형량의 관계로부터 접촉 계면의 응력을 계산하였고 Archard wear 모델을 이용해 각 격자의 마멸 깊이를 계산하여 접촉면의 형상을 예측할 수 있는 알고리즘을 제시하였다. Kim등은 기어용 강을 대상으로 하여 프레팅을 발생시킬 수 있는 장치를 구축하고, 실험함으로써 프레팅 마멸에 의한 깊이 측정과 예측을 확인하였다. 이렇듯 마멸결함에 대한 연구는 국내외에서 활발히 진행되고 있으며 최근의 국내에서 큰 이슈가 되고 있듯이 증기발생기 내부의 금속 이물질에 의한 전열관 손상은 국내뿐 아니라 세계적으로도 큰 이슈가 되고 있는 중요한 문제이다. 일반적으로 최근 전환되고 있는 증기발생기 전열관 재질 Inconel 690의 경우 대부분의 결함이 마모결함이며 전열관을 고정하기 위한 전열관지지판이 유체유발진동에 의하여 전열관과의 마찰로 마모가 발생하고 있다. 일반적인 전열관 마모 깊이 성장률은 상업운전 초기에 높은 성장률을 보이다가 운전횟수가 증가할수록 성장률이 일정한 비율에서 수렴하는 특성을 보이게 된다. 마모 결함은 유체유발진동에 의한 결함이라 전열관 재질에 관계없이 생성된다. 하지만 유체유발진동이 아닌 구역에서 생성되는 마모결함에 대해서는 검사자가 정확한 평가를 내려야 하며 이물질에 의한 마모결함이 생겨 전열관에 취약한 손상을 주게 된다. 본 논문에서는 전열관 다발 속 금속의 확인을 효율적으로 하기 위하여 거리, 전도율, 주파수의 차이에 의한 이물질의 신호 특성을 확인해보고 그 신호형상의 차이가 어떤 차이가 있는지에 대해서 알아보며 각 금속별 크기와 형상을 상이하게 조절하여 전열관과 접합되었을 때 금속형상과 분포를 예측할 수 있는 지에 대해 고찰해보기로 한다. 또한, 와전류 탐상 평가에서 다중 전열관에서 발견되는 금속물질의 명확한 위치확인을 위하여 1차검사 보빈 프로브에서의 이물질의 발견과 위치 및 재질크기를 예측하며 2차검사 회전프로브에서 정확한 위치 및 크기에 대하여 확인해보기로 한다. 금속물질에 의한 마모가 발견되는 전열관의 경우 대부분이 프레팅마멸결함 혹은 균열로 확인되기 때문에 전열관지지판 이외의 유체유발진동 마모측정방법과 균열깊이측정 마모측정법 및 Archard Equation의 프레팅마멸 측정의 비교와 차이에 대해 연구하여 손상된 전열관의 정량적인 깊이측정에 대한 경향성 분석을 제시하고자 한다.

Recently, demand for high-performance and high-precision inspection by ECT (eddy-current flaw detection) such as steam generator, condenser, and fuel control rod of a nuclear power plant is increasing rapidly. As a result, various methods of eddy current probe have been actively researched. Development of a probe capable of detecting at an appropriate frequency is in progress in order to increase the detection ability for detection of metal foreign substances near the steam generator tubule. In recent years, there has been a great deal of attention for securing the stability of the tubular structure due to the deterioration of the indication by the foreign substance, the stress corrosion cracking, and the wear due to the large size, high efficiency, and high performance of the steam generator tubule. If a metal type material flows into the secondary side of the steam generator, the metal type material may come into contact with the heat conduction pipe to cause wear or shock, which may affect the integrity of the heat transfer pipe. In many cases, it is not possible to remove it due to the accessibility of the equipment and the shape of the material, and the steam generator can be continuously operated if it proves the dryness of the tube in an experimental or analytical way. Worldwide, during the operation of the nuclear power plant, wear and leakage cases frequently occur due to the foreign metal of the metal type flowing from the secondary side of the steam generator tube. In this paper, we investigate the signal characteristics of foreign substances by the difference of distance, conductivity, and frequency in order to efficiently identify the bundle metal in the heat transfer tube. To determine the shape and distribution of the metal when it is bonded to the heat pipe. Also, in the eddy current test evaluation, it is necessary to predict the location and material size of the foreign object in the primary inspection bobbin probe and to confirm the exact position and size in the secondary inspection rotation probe in order to clearly locate the metal material found in the multi- Let's look at it. In the case of heat transfer pipes where metal abrasion is found, most of them are identified as fretting wear defects or cracks. Therefore, the comparison of the fluid induced vibration wear measurement methods other than the heat transfer pipe support plate, the crack depth measurement wear measurement and the fretting wear measurement of Archard Equation This paper presents a tendency analysis for the quantitative depth measurement of damaged tubes.