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문제 정의
- 본 연구에서는 가동중 원자로 하부에 있는 BMI 노즐에 대한 비파괴검사를 위한 자동화 초음파검사 시스템을 개발하였다. BMI 노즐 자동화 검사시스템은 BMI 노즐 검사용 탐촉자, 자동화 스캐너, pulser/receiver 등으로 구성된다.
- Mockup에서의 실험은 제작 중인 manipulator가 완성된 후에 수행할 예정이다. 본 연구에서는 스캐너 성능 및 탐촉자의 결함 검출능을 확인하기 위해서 지그에 스캐너를 고정하고 결함 검출능 실험을 수행하였다. Fig.
- 제작된 일체형 탐촉자에는 축, 원주방향 TOFD기법 적용을 위한 진동자 5 MHz 2쌍, 축방향 및 원주방향 균열검사를 위한 사각탐상용 5 MHz 진동자, 내부결함 및 노즐 두께 변화 탐사용인 10 MHz 수직탐상용 진동자 그리고 노즐 내부 표면 탐상을 위한 ECT 센서 2개가 각각 배치되어 있다. 이와 같은 일체형 탐촉자로 제작한 이유는 TOFD 탐상기법의 취약 부분인 노즐 내면 표면 부분과, 저면 부분의 사각지대에 대한 검출능을 보완하기 위한 것이다.
제안 방법
- 스캐너의 모든 작동은 자동이며, 탐상 중 정밀도를 유지하여야 하고 오작동, 불안정한 움직임, 그리고 불필요한 이동이 없도록 하였다. BMI 노즐 내면 검사를 위한 스캐너 장비는 2축으로 이루어져 있고, 15~20 m 수중 및 방사능 환경에 적합하도록 설계하였다. 방사능 환경에서는 일반적으로 사용되고 있는 엔코더와 카메라가 정상적으로 작동하지 않는다.
- BMI 노즐 내면 탐상을 수행하는 일체형 탐촉 자를 개발하기 위하여 아래 Fig. 2에 보인 바와 같이 예비 시험을 통하여 진동자의 간격, 입사각도, 그리고 주파수 등의 조건을 선정하였다.
- 모터 드라이버는 검사 툴에 미치는 노이즈를 최소화할 수 있는 방식을 사용하였고, 노이즈 발생 가능성이 높은 AC 서보 모터 사용은 지양하고, DC 서보 또는 BLDC 드라이버 사용하도록 하였다. DC 서보는 linear type 제어 방식을 사용하였고, 자동검사 및 수동검사가 가능하며 속도 및 토크지령이 가능하도록 하였다. 스캐너와 제어기와의 거리는 25 m 이상이며 ethernet 통신을 이용하여 관리구역 외부에서 원격으로 제어가 가능할 수 있도록 통신 시스템을 구축하였다.
- 한편 개발된 탐촉자를 자동으로 검사할 수 있는 15 m 수중 방수가 가능한 자동화 스캐너를 개발하였다. 개발된 자동화 초음파검사 시스템의 성능검증시험을 위해 실제 OPR-1000 원전에 사용되고 있는 Alloy 690 재질로 만든 BMI 노즐에 인공노치의 표준시험편을 제작하여 결함 탐상능을 검증하였다.
- Table 2는 BMI 노즐 표면 및 내부에 삽입하는 인공결함의 종류이다. 결함의 크기는 BMI 노즐 비파괴검사 선행사례분석을 통하여 선진업체에서 적용된 검증시험 요건을 충족하도록 선정하였다[4]. 이러한 결함 데이터를 바탕으로 Fig.
- 스캐너는 주위 구조물과의 간섭이 발생하지 않으면서도 검사중 정밀도를 유지하도록 설계하였다. 그리고 원자로 내부의 수중 및 방사능 환경에서도 작동이 가능하도록 설계하였다.
- 인터페이스는 원자로 BMI 노즐의 위치를 표현하고 이를 선택하여 작업 노즐 또는 설치 노즐을 설정할 수 있도록 하였다. 또한, BMI 노즐 내의 탐촉자 위치를 3차원 그래픽으로 표현하도록 하였다.
- 스캐너의 위치정보를 확인하기 위하여 일반적인 엔코더 대신 리졸버 (resolver) 엔코더를 적용하였다. 또한, 스캐너의 위치를 확인하기 위하여 내방수 기능 및 내 방사선 기능을 가진 카메라를 적용하였다. 기구부의 컨트롤러은 수동 및 자동제어가 모두 가능하도록 하여 만일의 상황에 대처할 수 있도록 하였다.
- 9는 제어 프로그램의 인터페이스 화면 모습을 보여주고 있다. 모션 컨트롤러와 실시간으로 통신하면서 사용자 인터페이스를 제공하고, 기구부 제어가 가능하도록 프로그래밍 되도록 하였고 작업환경을 한 눈에 볼 수 있도록 3차원 그래픽 인터페이스를 구축하도록 하였다. 인터페이스는 원자로 BMI 노즐의 위치를 표현하고 이를 선택하여 작업 노즐 또는 설치 노즐을 설정할 수 있도록 하였다.
- 모터 드라이버는 검사 툴에 미치는 노이즈를 최소화할 수 있는 방식을 사용하였고, 노이즈 발생 가능성이 높은 AC 서보 모터 사용은 지양하고, DC 서보 또는 BLDC 드라이버 사용하도록 하였다. DC 서보는 linear type 제어 방식을 사용하였고, 자동검사 및 수동검사가 가능하며 속도 및 토크지령이 가능하도록 하였다.
- 자동화검사 구현을 위하여 개발된 탐촉자의 장착이 가능한 스캐너를 개발하였다. 스캐너는 주위 구조물과의 간섭이 발생하지 않으면서도 검사중 정밀도를 유지하도록 설계하였다. 그리고 원자로 내부의 수중 및 방사능 환경에서도 작동이 가능하도록 설계하였다.
- DC 서보는 linear type 제어 방식을 사용하였고, 자동검사 및 수동검사가 가능하며 속도 및 토크지령이 가능하도록 하였다. 스캐너와 제어기와의 거리는 25 m 이상이며 ethernet 통신을 이용하여 관리구역 외부에서 원격으로 제어가 가능할 수 있도록 통신 시스템을 구축하였다.
- 가동 중 원자로 BMI 노즐 내면 검사용 스캐너는 컴퓨터로 제어하여 자동으로 BMI 노즐 내면을 검사할 수 있는 장치로 구성되어있다. 스캐너의 모든 작동은 자동이며, 탐상 중 정밀도를 유지하여야 하고 오작동, 불안정한 움직임, 그리고 불필요한 이동이 없도록 하였다. BMI 노즐 내면 검사를 위한 스캐너 장비는 2축으로 이루어져 있고, 15~20 m 수중 및 방사능 환경에 적합하도록 설계하였다.
- 방사능 환경에서는 일반적으로 사용되고 있는 엔코더와 카메라가 정상적으로 작동하지 않는다. 스캐너의 위치정보를 확인하기 위하여 일반적인 엔코더 대신 리졸버 (resolver) 엔코더를 적용하였다. 또한, 스캐너의 위치를 확인하기 위하여 내방수 기능 및 내 방사선 기능을 가진 카메라를 적용하였다.
- BMI 노즐에 대한 비파괴검사 기법들의 성능 검증 및 calibration을 위해서는 실제 원자로 BMI 노즐과 동일한 재질, 크기 및 process로 제작된 결함시험편이 요구된다. 시험편의 인공결함을 가공하기 위하여 먼저 BMI 노즐에서 발생되는 결함 유형을 바탕으로 표준시험편을 설계 및 제작하였다. Table 2는 BMI 노즐 표면 및 내부에 삽입하는 인공결함의 종류이다.
- 이 시스템에서 BMI 노즐 전용 탐촉자는 2set의 TOFD 탐촉자, 사각탐촉자, 수직탐촉자 및 ECT 탐촉자로 구성된 하나의 모듈로 개발하였다. 한편 개발된 탐촉자를 자동으로 검사할 수 있는 15 m 수중 방수가 가능한 자동화 스캐너를 개발하였다.
- 결함의 크기는 BMI 노즐 비파괴검사 선행사례분석을 통하여 선진업체에서 적용된 검증시험 요건을 충족하도록 선정하였다[4]. 이러한 결함 데이터를 바탕으로 Fig. 11과 같이 실제 BMI 노즐의 내, 외면상에 각각 원주, 축방향 결함을 내재한 시험 편을 설계하고 가공하였다. 분석사례를 통하여 인공결함의 크기는 각각 깊이 2~6 mm, 길이 4~12 mm로 하였다.
- BMI 검사는 수심 15 m에서 검사를 수행한다. 이를 구현하기 위해서 가압 챔버에서 가혹한 환경인 3 bar의 압력을 가한 상태에서 각 축의 모터 모듈에 대하여 30분 연속 작동 시험을 하였다. 챔버의 크기가 제한되어 있어서 자동화 스캐너의 주요 부품 모듈별로 실험을 수행하여 내방수성을 확인하였다.
- 하지만 노즐 내부 및 외부 표면 근방에 존재하는 결함에 대하여는 initial 신호와 back wall 신호에 묻혀 명확한 탐상이 곤란하였다. 이를 보완하기 위하여 각각 ECT 탐상과 사각탐상을 수행하였다. Fig.
- 모션 컨트롤러와 실시간으로 통신하면서 사용자 인터페이스를 제공하고, 기구부 제어가 가능하도록 프로그래밍 되도록 하였고 작업환경을 한 눈에 볼 수 있도록 3차원 그래픽 인터페이스를 구축하도록 하였다. 인터페이스는 원자로 BMI 노즐의 위치를 표현하고 이를 선택하여 작업 노즐 또는 설치 노즐을 설정할 수 있도록 하였다. 또한, BMI 노즐 내의 탐촉자 위치를 3차원 그래픽으로 표현하도록 하였다.
- 자동화검사 구현을 위하여 개발된 탐촉자의 장착이 가능한 스캐너를 개발하였다. 스캐너는 주위 구조물과의 간섭이 발생하지 않으면서도 검사중 정밀도를 유지하도록 설계하였다.
- 이를 구현하기 위해서 가압 챔버에서 가혹한 환경인 3 bar의 압력을 가한 상태에서 각 축의 모터 모듈에 대하여 30분 연속 작동 시험을 하였다. 챔버의 크기가 제한되어 있어서 자동화 스캐너의 주요 부품 모듈별로 실험을 수행하여 내방수성을 확인하였다.
- 초음파 진동자의 크기는 3 mm로 제작하였고, 각각 노즐 내외면의 축, 원주방향 균열을 탐상할 수 있도록 일체형으로 배치하였다. 제작된 일체형 탐촉자에는 축, 원주방향 TOFD기법 적용을 위한 진동자 5 MHz 2쌍, 축방향 및 원주방향 균열검사를 위한 사각탐상용 5 MHz 진동자, 내부결함 및 노즐 두께 변화 탐사용인 10 MHz 수직탐상용 진동자 그리고 노즐 내부 표면 탐상을 위한 ECT 센서 2개가 각각 배치되어 있다.
- 이 시스템에서 BMI 노즐 전용 탐촉자는 2set의 TOFD 탐촉자, 사각탐촉자, 수직탐촉자 및 ECT 탐촉자로 구성된 하나의 모듈로 개발하였다. 한편 개발된 탐촉자를 자동으로 검사할 수 있는 15 m 수중 방수가 가능한 자동화 스캐너를 개발하였다. 개발된 자동화 초음파검사 시스템의 성능검증시험을 위해 실제 OPR-1000 원전에 사용되고 있는 Alloy 690 재질로 만든 BMI 노즐에 인공노치의 표준시험편을 제작하여 결함 탐상능을 검증하였다.
대상 데이터
- 11과 같이 실제 BMI 노즐의 내, 외면상에 각각 원주, 축방향 결함을 내재한 시험 편을 설계하고 가공하였다. 분석사례를 통하여 인공결함의 크기는 각각 깊이 2~6 mm, 길이 4~12 mm로 하였다.
- Table 1은 대표적인 BMI 노즐의 형상과 제원에 대한 정보들이다. 시험편 제작에 사용된 BMI 노즐은 한국형 원자로 OPR-1000에 장착되는 사양으로 1호기당 BMI 노즐은 45개가 장착된다. Tabel 1에 나타나있는 노즐 사양은 No.
- 5 mm, 그리고 1 mm 인공노치로부터 획득한 신호이다. 일체형 탐촉자에 장착되어 있는 주파수 500 KHz 인 pan cake type 의 ECT 센서를 사용하였다. 깊이 변화에 따라 진폭의 크기가 변화는 것을 알 수 있다.
- 초음파 진동자의 크기는 3 mm로 제작하였고, 각각 노즐 내외면의 축, 원주방향 균열을 탐상할 수 있도록 일체형으로 배치하였다. 제작된 일체형 탐촉자에는 축, 원주방향 TOFD기법 적용을 위한 진동자 5 MHz 2쌍, 축방향 및 원주방향 균열검사를 위한 사각탐상용 5 MHz 진동자, 내부결함 및 노즐 두께 변화 탐사용인 10 MHz 수직탐상용 진동자 그리고 노즐 내부 표면 탐상을 위한 ECT 센서 2개가 각각 배치되어 있다. 이와 같은 일체형 탐촉자로 제작한 이유는 TOFD 탐상기법의 취약 부분인 노즐 내면 표면 부분과, 저면 부분의 사각지대에 대한 검출능을 보완하기 위한 것이다.
데이터처리
- 개발된 탐촉자 및 스캐너를 결함시험편을 이용하여 성능 검증을 수행하였다. 실제 원자로에서 검사하기 위해서는 manipulator에 스캐너를 장착하고 이동시킨다.
- 실제 검사를 수행하는 일체형 탐촉자와 이를 구동하는 자동화 스캐너, 그리고 이들을 컨트롤하는 제어시스템으로 구성되어 있다. 초음파 및 ECT 발생장치는 R/D-Tech의 MS5800을 사용하였고, 초음파 신호 수집을 위한 프로그램은 Tomoview를 사용하였으며, ECT 신호 수집을 위한 프로그램은 Multiview를 사용하였다.
이론/모형
- 본 연구에서는 균열선단에서 발생하는 초음파의 회절현상을 이용하는 비행시간회절 (time-of-flight diffraction; TOFD) 기법을 기반으로 노즐 모재 균열 크기 측정 기법을 적용하였고, 노즐내면의 표면균열 검출을 위해 ECT 탐촉자를 적용하였다.
성능/효과
- TOFD 실험을 통한 인공결함 크기 산정 결과 실제 크기와 측정 결과가 비교적 일치하는 결과가 나왔다. 하지만 노즐 내부 및 외부 표면 근방에 존재하는 결함에 대하여는 initial 신호와 back wall 신호에 묻혀 명확한 탐상이 곤란하였다.
- Table 3은 TOFD를 이용한 결함크기 산정 결과이다. 축방향 및 원주방향이 인공노치에 대한 결함 탐상 결과로써 결함 깊이의 오차가 1 mm 이내로 확인되었다. 축방향 결함의 2 mm 깊이 노치는 회절신호가 back wall echo에 묻혀 결함크기 확인이 불가능하였다.
후속연구
- 향후 본 검사 스캐너를 BMI 노즐로 이동할 있도록 manipulator와 연계하여 실제 크기의 원자로 mockup에서 BMI 노즐 검사를 수행할 예정이다.
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