[논문]역지밸브의 고장 원인

송석윤; 유성연

doi:10.5293/kfma.2006.9.3.064

문제 정의

ORNL은 INPO의 NPRDS를 이용하여 1984~ 1990 기간에 발생한 고장사례들에 대한 자료를 평가하여 고장율과 기기수명, 발전소 수명 또는 기타 다른 인자들과 어떤 중요한 연관성을 확인하고자 하였다. 이때의 조사는 각각의 고장 이력을 검토하고, 고장 모드, 고장 영역, 고장 발견방법 등과 같은 중요한 인자들의 특성을 검토하였으나 밸브 유형에 대한 정보는 누락되어 있었다.
본고에서는 스윙형과 리프트형 역지밸브의 열림 특성을 살펴보고, 고장 특성을 분석하기 위해서 국내외 역지밸브에 관련된 고장 관련 자료를 조사하여가장 많은 고장을 일으키는 역지밸브의 종류, 고장 모드, 고장에 기여하는 인자 등을 도출하였다. 그리고 원자력발전소에 가장 많이 설치되어 운전되고 있는 스윙형과 리프트형 역지밸브에 대한 고장 원인을 분석 하였다.

제안 방법

고리 3, 4호기의 경우에는, 호기당 안전관련 계통에 설치된 역지밸브가 210대가 있으며 모든 밸브에대해 기본적인 정보 즉 재질, 밸브 크기, 설치 조건등을 조사하였다. 분류된 역지밸브는 스윙형, 리프트형, 틸팅형 3종류이며, 종류별로는 리프트형이 53%, 스윙형이 45%, 틸팅 디스크형이 2%로 구성되어있다.
고장의 결과가 고장원인에 대한 설명과 일관성이 있는지를 결정하고 고장 모드가 수리 또는 조정에 의해 입증이 되는지를 살펴보기 위해 NPRDS 고장 보고서에서의 조치 활동 부분을 분석하였다.
국내 원전에 설치된 역지밸브의 고장 사례를 분석하기 위하여 고리 3, 4호기와 영광 3, 4호기의 역 지 밸브에 관련된 밸브의 종류, 고장 발생시기, 고장 모드 및 원인, 고장 영역, 고장 조치사항, 고장 발견 방법 등의 자료를 조사하였다. 역지밸브의 고장과 관련된 자료는 국외 자료에 비하여 상당히 미흡한 점이 많았으며, 조사한 자료의 주요 내용은 아래와 같다.
이때의 조사는 각각의 고장 이력을 검토하고, 고장 모드, 고장 영역, 고장 발견방법 등과 같은 중요한 인자들의 특성을 검토하였으나 밸브 유형에 대한 정보는 누락되어 있었다. 그 이후 ORNL은 1991-1992 기간에 발생한 고장사례에 대한 추가분석에서, 동기간의 고장사례 중 85%에 해당하는 밸브 그리고 NPRDS 데이터베이스에 있는 밸브 중 58%의 밸브 유형을 확인하였으며, 이로부터 밸브 유형과 고장 모드, 밸브 유형과 고장발견방법, 밸브 유형에 따른 고장분포 등 이전에 분석되지 않았던 상관관계들을 알아내는 기초 자료를 제공하였다.
그리고 원자력발전소에 가장 많이 설치되어 운전되고 있는 스윙형과 리프트형 역지밸브에 대한 고장 원인을 분석 하였다.
스윙형과 리프트형 역지밸브의 열림 특성을 살펴보고, 고장 특성을 분석하기 위하서 원자력발전소에 설치되어 운전되고 있는 역지밸브에 대한 국내외 설치현황, 형태, 고장 발생 건수, 고장 모드, 고장 발견방법 및 밸브 유형 등에 대한 자료를 조사하였다.
조사되었다. 총 8회의 고장에 대해 고장 모드를 분석한 결과 시팅 고착 (stuck seating) 에 의한내부 누설이 2회이고 나머지는 원인이 부정확하며, 이를 해결하기 위해서 디스크 와셔 너트와 너트 교체, 글랜드 밀봉 교체, 본넷 및 힌지 씰링 교체, 래핑을통해 기기를 보수하였다. 운전기간이 짧고 고장사례가적은 관계로 특정 문제에 국한되기 보다는 여러 유형의 문제가 도출되었다.

대상 데이터

INPO의 NPRDS을 이용하여 10년 동안 검사한 20, 000대의 역지밸브에 대하여 (1984년부터 1993 년까지의 NPRDS 데이터) 제출된 고장보고서는 5, 200건 이하였다. 보고된 역지밸브 고장 사례 중 97%는 발전소 운전에 심각한 영향을 미치지 않고, 2%가 발전소 운영에 중대한 영향을 주는 것이었다.
(Institute of Nuclear Power Operations) 의 Nuclear Power Reliability Data System (NPRDS) 의 역지밸브데이터를 Update에 기여하여 왔으며 이와는 별도로 NIC 자체의 Check Valve Performance Data Base를 구축하였고 지속적으로 데이터를 Update하고 있다. NIC 데이터베이스에는 총 4, 000여대의 역지밸브 손상 데이터가 포함되어 있으며 여기에는 밸브및 밸브가 설치된 계통에 대한 기본 정보 이외에 고장모드 및 조치 사항 그리고 손상 정도에 대한 정보를포함하고 있다.
NPRDS는 제작사 모델, 모델번호 등으로 데이터를 분류할 수 있지만 어떤 경우에는 제공된 정보로부터 밸브 유형을 결정하는 것은 어렵다. NIC은 자체적으로 수행한 설문 조사 결과를 토대로 1991년 밸브 유형에 따른 분석을 수행하였는데, 추가로 필요한 정보는 제작사 카탈로그와 역지밸브에대한 EPRI (Electric Power Research Institute) 데이터베이스를 이용하였다. 분석결과는 Table 8에나타낸 바와 같다.

성능/효과

INPO는 NPRDS에서의 고장 모드를 어떤 기기의고장이 발견되었을 때 그 기기가 나타내는 허용할 수없는 성능을 기술하는 Component-Specific Code 로 정의하는데, Table 3에 나타낸 바와 같이 여러가지 고장 모드중 세 가지 고장 모드 (Internal Leakage, Failure to Close, External Leak) 가 1984-1993 NPRDS 고장 데이터의 85%를 차지하는 것으로 나타났다.
NUREG/CR-5944⑺에서 분석된 1227개의 사례 중 83개에 대하여 조사한 결과를 보면, 분석된 83건의 고장 중 68건이 분명한 닫힘 고착 고장이었으며 그 중 41건은 리프트형 역지밸브에서, 23건은정확한 설정압력에서 열림 작동에 실패한 진공방지밸브 (vacuum breaker) 에서 발생한 것이다.
정도 있음을 알 수 있다. 고리 3, 4호기와 영광 3, 4호기에 설치된 역지밸브는 스윙형과 리프트형이 주류를 이루고 있고, 고장밸브의 현장시공도면을 확인한 결과 대부분이 수평배관에 수직으로 설치된 것으로 확인되었다.
7%인 것으로 조사되었다. 또한 총 56회의고장에 대해 고장 모드를 분석한 결과 불완전한 시팅 (improper seating)에 의한 내부 누설이 92%로대부분을 차지하고, 외부로의 누설 4%, 구성품의 손상이 4%인 것으로 나타났으며, 이를 해결하기 위해서디스크 래핑을 통해 기기를 보수하거나 디스크 또는본넷 가스켓을 교체하여 문제점을 해결하였다. 자료의부재로 인해 주요한 고장을 일으키는 정확한 원인을찾기는 어렵지만 결함 형태와 조치방법으로 미루어 디스크와 디스크 시트의 마모 현상이 고장을 일으키는주요 원인으로 판단된다.
미국에서 운전되고 있는 역지밸브의 고장 모드 중 내부누설, 닫힘 실패, 외부 누설이 고장 데이터의 85%를차지하는 것으로 나타났다.
있다. 밸브 내부를 흐르는 유체의 유속이 밸브 디스크의완전 열림에 필요한 요구량에 못 미치거나, 상류측교란요소로 인하여 디스크의 플러터 (flutter) 및태핑 (tapping)0] 발생하며, 반복된 충격 (repeated slamming) 에 의해 힌지핀 (hinge pin) 또는 디스크 스터드 (disc stud) 에 파손 또는 손상이 발생함을 알 수 있었다. 그리고 위와 같은 현상으로 인해디스크의 오정렬 (misalignment)와 오작동 (mal function) 이 야기됨을 알 수 있다.
200건 이하였다. 보고된 역지밸브 고장 사례 중 97%는 발전소 운전에 심각한 영향을 미치지 않고, 2%가 발전소 운영에 중대한 영향을 주는 것이었다. 1984-1991 기간의 NPRDS 데이터에 대하여 ORNL이 수행한 검토 결과, 분석된 4, 000개의 고장사례 중 1/3이 밸브 내부부품의 손상과 관련된 것이었다(3), ⑹
나타내는 것으로 나타났다. 스윙형은 유량이증가함에 따라 디스크 개도가 어느 정도 선형적으로서서히 증가하는 현상을 보여주는데 반해 리프트형은디스크 개도가 일정 유량까지는 거의 변화가 없다가어떤 유량에 도달하면 디스크가 갑자기 크게 상승하여완전 열림 상태에 도달하게 되는 특성을 보여주었다.
역지밸브의 고장을 조사한 자료를 분석한 결과 스윙형과 리프팅형이 가장 많이 설치되어 운전되고 있으며, 고장 발생 빈도도 가장 높은 것으로 나타났다. 미국에서 운전되고 있는 역지밸브의 고장 모드 중 내부누설, 닫힘 실패, 외부 누설이 고장 데이터의 85%를차지하는 것으로 나타났다.
영광 3, 4호기의 경우에는, 운영기간이 짧은 관계로 안전관련 계통에 설치된 역지밸브 194대 중, 8대의 밸브에서 총 8건의 보수를 요하는 고장이 발생한것으로 조사되었다. 총 8회의 고장에 대해 고장 모드를 분석한 결과 시팅 고착 (stuck seating) 에 의한내부 누설이 2회이고 나머지는 원인이 부정확하며, 이를 해결하기 위해서 디스크 와셔 너트와 너트 교체, 글랜드 밀봉 교체, 본넷 및 힌지 씰링 교체, 래핑을통해 기기를 보수하였다.

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