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문제 정의
- 본 연구에서는 재료 건전성 평가의 일환으로 고온화학세정 환경에서 20 % EDTA 용액이 결함을 가지고 있는 증기발생기 전열관에 미치는 영향에 대해 평가를 수행하였다. EDTA는 증기발생기 내부 슬러지와 반응하지만 세정동안에 일부 EDTA는 증기발생기 구성 재료 (탄소강)와 반응을 한다.
제안 방법
- 5와 같이 qualification test (QT)설비를 제작하여 이용하였다. 검증시험설비는 약품혼합탱크, 약품주입펌프, Autoclave, 온도 제어장치로 구성되어 있으며, Autoclave는 2중 강화유리로 제작하여 내부 시편의 상태변화를 볼 수 있도록 설계하였다. 이외에도 실험 동안에 발생할 수 있는 급격한 부식속도의 증가와 같은 과도상태 예방하기 위해 부식속도를 실시간으로 측정할 수 있는 감시장치 (corrosion monitoring system : CMS)를 설치하였다.
- 결함길이 측정과 표면 산화물 분석을 위해 SEM/EDS 장비를 이용하였다. 실험 전에 시편의 주 결함을 중심으로 관찰된 결함 길이를 모두 측정하였으며, 표면에 생성된 산화막의 정확한 평가를 위해 8 ∼ 9곳을 임의로 선정하여 화학성분을 분석하였다.
- 결함이 있는 전열관을 중심으로 절단한 후, 절단면을 중심으로 1 μm 다이아몬드 써스펜션 (suspension)을 이용하여 연마하였다.
- 고온화학세정환경에서 20 % EDTA 용액이 결함 전열관에 미치는 영향에 대해 평가하였다. 평가결과, 결함에 대해 ECT 신호로 측정된 전압과 깊이 %는 증가하는 경향을 보였으나 측정값은 오차범위이내로 결함이 증가하지 않은 것으로 판단된다.
- 시편마다 표면의 8 ∼ 9곳을 임의로 선정하여 실험 전에 표면에 생성된 산화피막의 화학적 성분을 분석하였으며 실험 전 위치와 되도록 동일한 위치를 실험 이후 표면분석 하였다.
- 신호수집을 위해 균열가공 교정시편을 시작으로 8개 결함시편을 순서대로 일렬로 정렬한 후 MRPC 탐촉자를 이용하여 결함부위의 신호를 취득하였으며, 검증실험 이후에 동일한 방법을 수행하여 신호를 취득·분석하였다.
- 실험 전에 시편의 주 결함을 중심으로 관찰된 결함 길이를 모두 측정하였으며, 표면에 생성된 산화막의 정확한 평가를 위해 8 ∼ 9곳을 임의로 선정하여 화학성분을 분석하였다.
- 결함이 있는 전열관을 중심으로 절단한 후, 절단면을 중심으로 1 μm 다이아몬드 써스펜션 (suspension)을 이용하여 연마하였다. 연마한 시편은 결함이 발생할 것으로 예상된 부위를 중심으로 전자현미경 (JEOL, JSM-6460)을 이용하여 결함을 찾았다. 만약 결함이 보이지 않을 시에는 위와 같은 절차를 반복하였다.
- 반면, 고온화학세정은 약품농도와 온도가 높을 뿐만 아니라 세정시간도 길기 때문에 세정 동안에 재료 부식속도가 저온화학세정에 비해 상대적으로 높다. 이에 원전에서는 고온화학세정 수행 시, 재료 건전성에 영향을 미치지 않는 범위에서 재료 허용 부식속도를 정하고 사전에 허용치 이내인지를 확인하고 있다(이하 검증시험).
- 검증시험설비는 약품혼합탱크, 약품주입펌프, Autoclave, 온도 제어장치로 구성되어 있으며, Autoclave는 2중 강화유리로 제작하여 내부 시편의 상태변화를 볼 수 있도록 설계하였다. 이외에도 실험 동안에 발생할 수 있는 급격한 부식속도의 증가와 같은 과도상태 예방하기 위해 부식속도를 실시간으로 측정할 수 있는 감시장치 (corrosion monitoring system : CMS)를 설치하였다.
- 절단한 시편은 절단과정에서 부착될 수 있는 불순물을 제거하기 위해 아세톤에 침지시켜 5분간 초음파 세척을 추가적으로 수행하였다.
- 제작한 시편은 표면이 균일하게 부식되도록 다이아몬드 서스펜션 1 μm까지 연마한 후, 여분의 불순물을 제거하기 위해 아세톤에 침지시켜 초음파로 5분간 세척하였다.
대상 데이터
- 무게 감량 측정용 표준시편은 두께 1.0 mm × 폭 30.0 mm × 길이 13 mm로 제작하였으며, 총 2개를 이용하였다(Fig. 4).
- 생성 방법은 원전 증기발생기 운전 환경과 유사하게 한 후, 720 ℃ 12시간동안 열처리하여 인위적으로 생성시켰다. 산화피막이 생성된 전열관은 길이 10 mm로 절단하여 산화막 분석용 시편으로 사용하였다. 절단한 시편은 절단과정에서 부착될 수 있는 불순물을 제거하기 위해 아세톤에 침지시켜 5분간 초음파 세척을 추가적으로 수행하였다.
- 실험에 사용한 시편 재료는 alloy600 (HTMA)으로 화학성분은 Table 1에 나타내었으며, 평가를 위한 시편의 종류는 4종으로 인위적으로 결함을 생성시킨 전열관 시편 8개, 결함길이 측정용 시편 2개, 표면 산화물 분석용 시편 1개, 부식속도 측정용 시편 2개를 제작하였다.
데이터처리
- 따라서, 이에 대한 건전성 평가가 필요하다. 평가방법으로 eddy current test (ECT) 신호분석, 결함길이 변화, 산화막의 화학적 성분 변화, 무게감량을 이용한 부식속도 등을 이용하였다.
성능/효과
- Table 2는 결함 시편들의 실험 전, 후 측정된 ECT 신호 (전압; V, 결함관통깊이; %) 값을 보여주고 있다. 실험 후 결함 전열관의 측정된 전위를 보면 평균 0.05 V가 증가하였고 결함깊이도 평균 0.86 % 증가하였다. 이와 같은 경향으로 결함이 커지거나 결함깊이가 증가하였다고 판단하기 어려웠다.
- 04 (at%)였다. 실험 후 산소는 평균 37.70 (at%), 크롬 (Cr)은 평균 12.93 (at%), 철은 평균 5.79 (at%), 니켈 (Ni)은 평균 41.17 (at%)이었다. 조성 변화 결과를 보면 철 (Fe)과 크롬 (Cr)의 성분은 약간 줄었으나 나머지 성분은 약간 증가하였거나 변화가 없었다.
- 실험 후 측정된 결함 길이를 결과를 보면 뚜렷한 경향은 보이지 않을 뿐만 아니라 측정값이 장비의 측정 오차 범위 이내로 변함이 없는 것으로 보인다.
- 하지만 에칭 흔적을 반응량으로 판단하기 위한 무게변화나 길이 변화로 측정이 불가능할 정도로 미미한 양이었다. 이와 같은 결과를 종합적으로 판단하면 20 % EDTA는 증기발생기 전열관 표면에 에칭 흔적을 유발하지만 그 양이 결함, 표면에 생성된 산화물 또는 무게변화에 영향을 줄 만큼 크지 않았기 때문에 재료 건전성에도 크게 영향을 주지 않을 것으로 판단된다. 다만, 증기발생기 구성 재료는 전열관 외에 탄소강 (Carbon Steel)과 저합강 재료로 이뤄져 있어 EDTA가 국부적으로 잔류할 경우 탄소강과 저합금강 재료에는 국부부식을 일으킬 가능성이 있다5).
- 고온화학세정환경에서 20 % EDTA 용액이 결함 전열관에 미치는 영향에 대해 평가하였다. 평가결과, 결함에 대해 ECT 신호로 측정된 전압과 깊이 %는 증가하는 경향을 보였으나 측정값은 오차범위이내로 결함이 증가하지 않은 것으로 판단된다. ECT 신호 분석결과와 유사하게 산화물 분석결과 역시, 철과 크롬이 실험 이후 감소하는 경향을 보였으나 측정오차 범위이내로 표면에 생성된 산화물은 EDTA 용액에 영향을 받지 않은 것으로 판단된다.
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