재료 열화손상 조기진단 신기술 개발 과제 주요성과

개요

2012년 3월부터 2017년 2월까지 수행된 “장기가동 원전재료 안전성 향상 신기술 개발” 대과제의 세부과제로 “재료 열화손상 조기진단 신기술 개발” 과제를 수행하였으며, 주요 연구 내용은 다음과 같다. 첫 번째는 증기발생기 전열관 곡관부 형상 및 결함 동시진단 신기술을 개발하였고, 두 번째는 배관 및 용접부 초음파 진단기술을 개발하였다. 세 번째는 매설배관용 장거리 유도초음파 진단장치를 제작하였다. 본 연구개발은 재료 열화손상을 조기에 진단하여 재료 파괴에 의한 사고 발생을 사전에 예방하고 대처할 수 있는 보다 정밀한 비파괴 진단 신기술을 개발하고자 하였다.

증기발생기 진단 분야

곡관부 형상검사 탐촉자 시제품 제작

국내 모든 노형의 원전 증기발생기에는 U 형태의 전열관이 설치되어 있으며, 위치에 따라 전열관 곡관부의 곡률이 다양한 값을 가진다. 전열관의 휨(bending) 공정에 의해 발생한 형상변화는 재료의 냉간 변형과 이로 인한 과도한 잔류응력을 유발하여 부식손상을 급격히 진행시키는 중요한 선행인자로 작용한다. Bobbin 및 MRPC 탐촉자를 사용한 전열관 검사에서 곡관부에 존재하는 타원도, 내경, 곡률 등 국부적인 형상변화의 분균일성에 의해 높은 wobble 신호가 유발되어 이 위치에서 발생된 결함의 검출능이 현저히 감소하고 있으며, 곡관부는 전열관의 인출 및 파괴 검사가 불가능하여 가동 중에 발생한 손상의 유형과 원인 등을 정확하게 규명하기가 어렵다. 이러한 곡관부에 대한 기존 검사방법의 신뢰성이 매우 낮기 때문에 곡관부 결함의 검출능을 향상시키고 손상을 유발시킨 원인을 정확히 진단할 수 있는 검사기술의 개발 및 적용이 필요하다. 본 연구에서는 국내 표준형 원전 증기발생기에 적용된 전열관 곡관부의 다양한 곡률 반경을 고려하여 형상검사용 와전류 탐촉자(U-Probe)를 설계, 제작하여 그 성능을 평가하였다. 전열관 곡관부 내에서 탐촉자가 회전 및 직선운동이 용이하도록 기본 구조를 설계하였으며, 전열관 곡관부의 타원도 실측결과와 곡률반경을 감안하여 코일 유닛의 외경을 결정하고 지지구조를 제작하였다. 곡관부의 곡률반경의 변화에 맞춰서 정확한 형상검사가 가능하도록 3 종류의 1차 와전류 탐촉자를 제작하였으며, 시험 검사를 통해 최적화 요건을 반영한 2종의 2차 시제품을 제작완료 하였다.


그림 1. 증기발생기 전열관 곡관부 형상 및 균열 검사 와전류 탐촉자 시제품 사진
(a) low row U-tubes and (b) high row U-tubes.

신형 탐촉자 곡관부 형상측정 정밀도 및 결함 검출능 평가

국내 표준형 원전 증기발생기 전열관 제작과 동일한 방법으로 곡관부 전열관(곡률반경 3″) 시편을 제작하였다. 이 시편을 이용하여 전열관 곡관부의 자연결함 제어 제작 기술을 개밣였고, 실제 가동원전 곡관부에서 발생한 내면 축방향 균열의 와전류 신호 특성과 형상 등을 정확히 모사 재현함으로써 그 활용성을 검증하였다. 곡관부 전열관의 자연결함 시편에 신형 탐촉자 시제품을 적용하여 결함신호 대 잡음비를 비교 분석하였다. 동일한 크기의 미소결함에 대해 신형 탐촉자 신제품의 고주파수 검사신호가 기존에 사용되고 있는 탐촉자 보다 결함 검출능이 약 35% 향상된 우수한 성능을 검증하였다. 전열관 길이 방향으로 원주 단면이 국부적으로 타원화된 구간들을 갖는 표준시험편을 사용하여 U-Probe 시제품의 형상측정 정밀도 평가하여 측정오차가 ±0.10 mm 이내로 측정됨을 확인하였다. 신형 탐촉자를 이용한 전열관 형상변화 신호를 프로파일 분석 및 원주방향 단면 실측과 타원도 해석이 가능한 평가 프로그램을 제작하였다.


그림 2. U-Probe의 상용 탐촉자의 전열관 결함신호 대 잡음비의 비교 평가 결과와 U-Probe 신호해석 및 3차원 형상 분석 프로그램

배관 초음파 진단 분야

레이저 비선형초음파공명 분광기술 개발

현재 비파괴평가 기술로는 결함의 크기가 수 mm 정도에 도달해야 탐지가 가능하기 때문에 이러한 결함 탐지능의 한계를 극복하기 위한 연구 중 하나로 재료의 비선형 초음파 특성 평가 기술이 개발되고 있다. 고조파를 이용한 비선형 초음파 기술의 측정 신뢰도가 낮은 단점이 있으며, 이를 해결하기 위해 재료의 초음파 공명 특성에서 공명주파수의 천이 또는 공명 패턴의 변화 양상으로 비선형성을 측정하는 방법을 개발하였다. 초음파 비선형 현상을 구현하기 위한 강력장 초음파 발진장치, 레이저 고조파 신호 수집 시스템 및 스캐너로 구성된 레이저 초음파공명 분광장치를 제작하였다. 초음파 신호에서 고조파 특성을 확인하고 균열 영역에서 고조파 진폭이 증가하며 이는 균열 영역에서 초음파 비선형 계수가 증가함을 증명하였다. 초음파 비선형성을 미세결함 진단에 구현하기 위해 레이저 또는 압전 소자에 의한 초음파 공명 신호의 수집, 분석시스템을 구축하였다. 간편한 비선형 초음파 결함진단 시스템을 위해 레이저 진동계와 impact hammer를 적용한 비선형 충격음향 결함진단 시스템을 제작하고 결함 탐지 성능을 확인하였다. 레이저 초음파공명 시스템을 구축하여 초음파 비선형 현상을 구현하였고, Impact hammer에 의한 충격파 에너지는 레이저 진동계에서 측정된 time domain에서의 신호 진폭으로 상대적인 차이를 추출하였다. Impact hammer에 의한 충격파 에너지 변화에 따라 공명 스펙트럼이 변화하였고, 충격파에 의한 비선형성을 확인하였다.


그림 3. 레이저 비선형초음파공명 분광 진단장치

비선형 초음파 신호해석 알고리즘 개발

복잡한 공명 패턴 신호에서 유효한 공명 성분을 추출하는데 편리하도록 수집된 초음파 신호를 바코드 패턴 형태로 변환시켜서 공명 모드별 측정 가능한 공명 피크의 숫자를 계산하고 최적의 공명 진동 모드를 추출하도록 하였다. 선정된 공명 진동 모드에 대해 충격에너지에 따른 공명주파수 천이를 계산하고 이를 도시하는 프로그램을 제작하였다. 개발된 비선형 초음파 신호해석 프로그램의 성능을 검증하기 위해 실제 균열 시험편에 대한 적용시험을 수행하였다. 실제로 공명 스펙트럼은 시험체의 제원 및 형상 등에 영향을 받으며, 특히 시험체의 물리적 접촉 상태에 따라 다른 결과가 나타나므로 일관성 있는 데이터 수집을 위해서는 가능한 한 자유공진 조건을 허용하도록 시편의 고정 문제를 최적화할 필요성이 있다.


그림 4. 균열 주변 초음파공명 레이저 스캔 신호의 영상화 처리 사례

매설배관 장거리 유도초음파 진단 분야

자기변형 유도초음파 진단장치 제작

최근 미국 원전에서 매설배관의 누설사고가 발생함에 따라 매설배관 건전성 관리 프로그램을 수립할 것을 요구받고 있으며, 이에 따라 매설배관 검사에 적합한 비파괴검사 기술을 찾기 위한 논의가 진행되고 있다. 일반적으로 매설배관은 접근성 제약과 배관 내외면에 존재하는 구속조건을 극복하기 위해 가장 유력하다고 판단되는 비파괴평가 방법으로 매설배관에 대한 유도초음파 검사기술 개발 필요성이 커지고 있다. 매설배관을 모사한 직경 2.5 인치 및 6 인치 장거리 매설배관 mock-up을 설계, 제작하였다. 탈부착이 가능한 유도초음파 발생용 자기변형 밴드 시제품을 제작하고 자기 바이어스 감도 및 초음파 에너지 감쇠 특성 자료를 생산하였다. 매설배관 유도초음파 검사 최적 조건을 도출하기 위하여 위상속도 분산석도 및 군속도 분산선도를 계산하였으며, 특히 매설배관 표면에서 각 모드별 변위 백터를 분석함으로써 유도초음파 응향 감쇠를 예측하였다. 배관 표면에서 원주방향 변위만 존재하고 반경방향 및 축방향 변위가 0인 위틀림 진동보드 T(0, n) 모드가 유리한 것으로 판단하였다.


그림 5. 자기변형 유도초음파 원거리 진단장치

매설배관 검사용 자기변형 유도초음파 성능 검증

실제 매설배관에서 기하학적 구조물에 의한 의사 신호를 제거하기 위해 의사신호(기준신호)를 제거하는 유도초음파 신호 위상일치/비교 알고리즘 및 프로그램을 개발하였다. 개발된 프로그램을 통하여 자기변형 유도초음파 센서를 배관에 영구 설치한 후 수집되는 신호를 개발된 프로그램을 통하여 의사 신호를 비교, 제거함으로써 초기 균열 탐지 및 결함 성장을 상시 감수할 수 있다. 배관 부식 결함에 대해 부식 결함 생성 단계별로 수집된 유도초음파 신호에 대해 위상 일치/비교 프로그램을 적용하여 신호 감시 결함 탐지능이 대폭 향상되었으며, 과거 측정이 불가능하였던 초기 미세결함(부식 흔적)에 대해서도 탐지가 가능함을 확인 하였다. 배관 용접부에서의 결함 탐지 실험에서 노치 결함에 대한 결함 탐지능을 배관 단면적 대비 약 1.3%, 부식결함에 대해서는 단면적 대비 약 1.7%로 보수적으로 평가하여 단면적 대비 약 2% 결함까지 탐지 가능하였다. 본 연구 결과는 종래의 유도초음파검사 방법의 탐지능이 단면적 대비 약 5~10%인 점을  고려할 때 매우 우수한 결과이며, 매설배관 또는 보온재 배관에서의 초기균열 탐지 및 균열 성장을 상시 감시하는데 적용 가능함을 보여준다.


그림 6. 자기변형 유도초음파 진단장치를 적용한 원거리 배관 용접부 부식 측정 사례