습증기 침부식(Wet steam erosion/corrosion) 시험장치 기술

기술내용

원자력 발전소 2차계통은 원자로 냉각재통(1차계통)으로부터의 열에너지를 받아 운동에너지로 변환시키는 기능을 하며, 열에너지를 운동에너지로 변환하기 위해 2개의 등온 열전달과정과 2개의 가역 단열과정으로 사이클이 구성되는 랜킨사이클을 사용한다. 즉, 증기발생기에서 등온상태에서 1차측 열에너지를 2차측으로 전달받아 증기를 발생시키며, 발생된 증기는 터빈에서 운동에너지로 변환되고, 복수기에서 등온 응축이 일어나게 된다. 응축된 물은 펌프와 가열기에서 가온 및 가압되어 증기발생기로 보내지는 순환계를 구성하게 되는데, 이 순환계를 연결하는 유체로서 증발잠열이 큰 특성이 있는 물을 사용하며, 계통 내를 흐르는 물은 부식발생환경의 하나인 전해질의 역할과 에너지 전달 유체로서 작용하게 되므로, 이 유체의 수화학 환경과 열역학적 상(phase) 변화가 계통 구조물의 부식에 직접적인 영향을 초래하게 된다. 다양한 부식 발생환경 중 하나인 습증기 침부식(erosion/corrosion) 또는 FAC(Flow Assisted Corrosion) 현상은 주로 증기가 가지는 열에너지가 운동에너지로 바뀐 후에 일부 증기가 응축되어 물 입자를 형성하면서 발생하게 되기 때문에 고압/저압 터빈 후단과 고압터빈에 저압터빈 사이 습분제거장치 및 재가열기를 연결하는 배관재에서 주로 발생한다. 따라서 이러한 증기의 건도가 낮아져 생성된 액적에 의한 침부식 현상에 민감한 재료들을 내구성이 우수한 재료로 대체하는 등의 노력을 하고 있지만, 몇몇 부위에서는 여전히 침부식에 의한 배관파손이 발생하고 있다. 그림1은 배관내부에 흐르는 습증기로 인한 침부식 손상모습을 보여주는 사진이다. 내구성이 우수한 재료를 개발한다 하더라도 실제 발전소 환경하에서의 시험에 제약이 따르며, 이러한 환경에서의 침부식 현상을 방지하는 기술을 개발하기 위해서는 실제 환경과 유사한 온도/압력이 조절된 습증기 환경을 만드는 것이 중요하다. 본 시험장치의 목적은 이와 같은 원자력발전소 2차계통 주요 배관재료의 습증기로 인한 침부식 파손을 평가하고 이를 방지할 수 있는 기술을 개발하기 위해 증기의 온도와 압력을 조절하여 배관재의 침부식 환경을 모사하여 실증할 수 있도록 설계되었다.

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(a) Tiger striping

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(b) Horse shoe pits

그림1. 원자력발전소 배관의 습증기 FAC 손상 사례

장치구성

습증기 침부식 시험장치는 원자력발전소 2차 냉각계통을 구성하는 배관재료의 특성을 시험하기 위해 냉각수를 저장하는 계통수 탱크와 증기를 발생시키는 보일러, 증기의 건습도 조절부, 시편이 장착된 침부식 시험부로 구분되며 전체 모습은 그림 2와 같다.

  • 계통수 탱크: 원전 2차계통수의 pH, 용존 산소, 전도도 등 수화학 환경을 조절함.
  • 공급펌프: 계통수 탱크로부터 보일러로 시험용액을 공급함.
  • 보일러: 히터를 통해 고온고압의 포화증기를 생성함.
  • 재가열기: 보일러로부터 공급된 포화증기에는 수분이 포함되어 있는데 이것을 재가열하여 100% 건증기로 만듬.
  • 압력조절기: 압력조절을 통해 증기의 건도를 조절함.
  • 콘덴서(열교환기): 증기의 온도 조절을 통해 건도를 조절함.
  • 습증기 침부식 테스트 챔버: 고온/고압 증기 노즐, 테스트 배관재, 절연패드, 시편고정 지그, 배수관, 측정 윈도우 등으로 구성됨. 배관재 시편은 침부식 테스트를 위해, 노즐 분사방향과 수직으로 설치하고, 습증기 충돌후 하단의 배관을 통해 물로 응축할 수 있도록 설계함.
  • 2차콘덴서(열교환기): 증기의 온도를 강하시켜 물로 변환되도록 함.
  • 센서부: 공급수의 화학적 조건을 조절하기 위한 pH 측정기, 전도도 측정기, 용존산소 측정기로 구성됨.
  • 고속 순환펌프: 공급수의 화학적 조건 유지를 위한 순환장치.

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그림 2. 배관재 습증기 침부식 시험장치

적용분야

  • 배관내 습증기 건도에 따른 배관재료의 침부식 특성 시험
  • 침부식 저항성 향상 신재료 개발
  • 금속 표면 내식성 평가
  • 배관재 표면처리 및 코팅 기술 적용성 평가
  • pH, 용존산소 등 수화학 조건에 따른 습증기 환경에 따른 산화막 특성 시험
  • 배관 형상, 크기, 두께와 습증기 조건에 따른 배관설계 검증

적용사례

  • 습증기 영역 배관 재료 FAC 시험 평가(SA106Gr.B / SA335P22 비교시험)
    • 습증기 영역 FAC 최대 민감부위 재질 대체효과 시험
    • 기존배관 재료인 SA106Gr.B를 SA335P22 재질로 교체 시 1/5 이하로 FAC 감소
  • 습증기 영역 건도(Steam quality) 변화에 따른 배관재 FAC 시험
    • 습증기 건도 증가 시 배관 FAC 속도 증가
  • 배관재 표면 Pt입자 코팅 효과 시험

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그림 3. 배관재 FAC 시험을 위한 습증기 분사 모습

Document ID: d20140027