원기사4차

증기발생기 전열관 곡관부 3차원 형상 검사기술

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기술 개요

원전 증기발생기에는 수천 개의 U-자형 전열관이 설치되어 있는데 전열관의 위치에 따라 다양한 곡률반경 값을 갖는 곡관부가 존재한다. 곡률 반경이 작을수록 곡관부는 굽힘 및 원주단면의 타원화(Ovalization) 변형에 의해 더 큰 잔류응력이 전열관 내외면에 유발되고, 이로 인하여 응력부식균열의 발생 및 성장이 가속화 됨으로서 가동중 전열관의 파단 및 냉각재 누설사고 등을 경험한 바 있다 [1,2,3]. 본 연구에서는 전열관 곡관부의 변형상태를 정량적으로 정밀 측정하여 균열발생에 대한 민감도를 사전에 진단/예측하기 위하여 개발한 3차원 형상 검사기술을 소개한다.

곡관부 형상 검사용 와전류 탐촉자

그림 1은 전열관 곡관부의 3차원 형상변화를 측정하기 위해 개발한 와전류 탐촉자의 검사코일 및 지지구조 설계도면이다. 탐촉자는 전열관 내부에 삽입되어 곡관부내에서 회전 및 직선운동하며 전열관의 반경을 연속적으로 측정할 수 있도록 설계되었다.

그림 1. 전열관 곡관부 형상검사용 와전류 탐촉자 코일 및 구조 설계

상기 설계도면을 바탕으로 실제 검사를 수행하기 위하여 탐촉자 시제품을 제작하였으며 제작된 탐촉자 시제품의 외형 사진을 검사용 실제 전열관 곡관부 시편과 함께 비교하여 그림 2에 실었다. 그림에 보인 전열관은 국내 표준형 원전 증기발생기에 적용된 최소 곡률반경(3 inch)을 갖는 실제 전열관의 곡관부 모양이며, 탐촉자는 전열관 내부에서 이 곡률을 따라 진행/회전하면서 형상측정을 위한 와전류 신호가 수집된다.

그림 2. 곡관부 형상검사용 와전류 탐촉자 시제품 및 최소 곡률반경 전열관의 곡관부 모양

3차원 형상 정량 측정용 표준시편 및 신호보정

곡관부의 형상변화를 정량적으로 측정하는 과정은, 우선 이미 알고 있는 크기의 형상변화를 갖는 표준 시험편으로부터 와전류 신호 진폭을 얻고 이들 간의 상관관계를 나타내는 보정식을 구하여 실제 시편의 형상변화를 측정하게 된다. 그림 3은 표준 시험편의 규격을 보여주고 있는데 내경범위 15.3mm ~ 18.11mm 에서 5개의 서로 다른 내경 값을 갖는 구역이 시험편에 제작되어 있음을 알 수 있다.

그림 3. 형상변화 정량측정용 표준 시험편 규격도

그림 4는 표준 시험편을 이용하여 실제 내경 값과 와전류 신호진폭간의 상관관계 보정식을 구한 결과를 보여주고 있는데 매우 정확한 보정 관계식이 얻어졌음을 알 수 있다.

그림 4. 표준 시험편에 대한 보정식 도출 결과

전열관 곡관부 3차원 형상 검사결과

제작된 탐촉자 시제품으로 전열관 곡관부에 대해 와전류 신호를 수집하고 보정식을 사용하여 변환하는 절차를 거쳐 형상변화 크기 측정이 수행되었다. 측정결과의 신뢰성을 평가하기 위해 측정위치와 동일한 위치에서의 곡관부 내경 값을 실측하여 측정치와 실측치를 상호 비교 검증하였다.

그림 5는 표준 시험편과 최소 곡률반경(3 inch) 전열관 곡관부에 대해 탐촉자 시제품을 사용하여 연속으로 수집한 와전류 신호진폭의 분포결과를 보여주고 있는데 표준시험편과 곡관부 각각의 형상변화 양상을 신호진폭 변화로부터 명료하게 확인할 수 있다.

그림 5. 탐촉자 시제품의 표준 시험편 및 곡관부 신호수집 결과

그림 6은 최소 곡률반경(3 inch) 전열관 곡관부의 apex위치에서 측정된 정량적 형상변화의 크기 결과를 보여 주고 있다. 원주단면의 내경변화 분포는 비대칭적 타원형상(asymmetric elliptical shape)으로 나타나 일반적으로 알려진 장축과 단축을 갖는 oval 형태가 아닌 불규칙적인 복잡한 형상을 갖고 있다는 사실을 최초로 확인할 수 있었다. 정량적 정밀도는 실측치 대비 ±0.06mm 이내의 오차로 매우 정확한 측정 성능을 검증하였다.

그림 6. 곡률반경 3 inch 전열관 곡관부 APEX위치의 원주단면 내경 측정결과

참고문헌