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제안 방법
- 전체 감육 두께는 약 210 ㎛ 정도로 측정되었다. FAC 시험은 1차와 2차로 나누어서 각각 1200 시간씩 진행되었는데 1차 실험에서는 유속을 10 m/s로 실험하였고, 2차 실험은 이보다약 2 m/s 정도 높은 12 m/s 유속 조건에서 FAC 실험을 수행하였다. SH-UT 측정 결과 1차 FAC 시험에서는 약 80 ㎛ 정도 감육 되었고, 2차 FAC 시험에서는 약 130 ㎛ 정도 감육된 것으로 측정되었다.
- 또한 취출수 라인에 정화계통인 이온교환수지를 설치하고, 주입수 라인에 수화학 제어계통을 구성하여 시험용액의 DO와 전도도, pH 등 수화학 조건을 조절할 수 있도록 제작하였다. FAC 실증시험설비는 고유속을 시험할 수 있도록 2인치 배관을 기준으로 최대 20 m/s 유속이 가능하도록 설계하였다. 구축된 FAC 실증 시험 장치를 이용하여 외경 2인치 배관(내경 49.
- 이 설비는 원전 2차측 환경에서 유속, 용존산소, pH, 온도, 배관형상 등 인자들의 FAC 영향을 실증할 수있도록 설계되었다. FAC 실증시험설비는 배관 감육현상을 실증하기 위해 고온고압의 유체를 고속으로 순환시키는 주순환 루프에 시험배관을 연결하여 고온 FAC 시험을 수행할 수 있도록 제작하였다. 또한 취출수 라인에 정화계통인 이온교환수지를 설치하고, 주입수 라인에 수화학 제어계통을 구성하여 시험용액의 DO와 전도도, pH 등 수화학 조건을 조절할 수 있도록 제작하였다.
- 25 MHz의 조건으로 가진하였고, 수평횡파의 변위방향이 웨이브가이드의 표면과 평행하도록 수평횡파 탐촉자의 polarization 방향과 변위방향을 웨이브가이드 평면과 평행하도록 배치하였다. 가진 탐촉자와 수신 탐촉자를 별도로 사용하는 pitch/catch 방식을 적용하기 위해서 두개의 웨이브가이드를 검사 배관 표면에 1 mm 간격으로 평행하게 부착하고 각각의 끝에 가진용 초음파 탐촉자와 수신용 탐촉자를 연결하였다.
- 용접배관은 시험용액이 A 측정위치로 유입되어 L 측정위치 에서 배출되는 구조로 되어 있다. 각 UT 측정위치는 격자 형태로 미리 표시를 해 놓아 같은 위치에서 측정이 이루어질 수 있도록 하였다. 상온UT 측정 위치는 A~C 탄소강 (구간 I), D~H 저합금강 (구간 II), I~L 탄소강 (구간 III) 으로 구분된다.
- SA106 탄소강과 P22 저합금강은 국내 발전소의 배관 재질로 가장 널리 사용되고 있다. 각 용접부위 간의 거리는 배관 내경의 15배가 되도록 설계하였고, 용접 후 배관 내부 비드를 기계가공으로 제거하여 모재를 손상시키지 않으면서 back bead를 선택적으로 제거하고 용접부위 단면이 최대한 원형이 되도록 가공하였다. 탄소강과 저합금강 용접은 ER70S-6 (Cr 0.
- 감육에 의한 배관 두께 변화는 고온 초음파 측정 장치로 시험기간 동안 상시 측정을 실시하였고, 시험 전후에 그리드 방식으로 상온 UT로 측정하여 배관 두께 변화를 관찰하였다 (Fig. 3(b, c)).
- 3(b, c)). 고온 초음파 두께 측정장치는 Fig. 3과 같이 배치하였는데 버퍼로드 (buffer rod) type (GE Rightrax model) 4개 채널과 자체 제작한 웨이브가이드 (waveguide) type을 설치하여 시험기간 중 상시측정 하였다. Fig.
- FAC 실증시험설비는 고유속을 시험할 수 있도록 2인치 배관을 기준으로 최대 20 m/s 유속이 가능하도록 설계하였다. 구축된 FAC 실증 시험 장치를 이용하여 외경 2인치 배관(내경 49.2 mm)에서 1차 실험에서는 10 m/s 유속으로 그리고 2차 실험에서는 12 m/s 유속으로 실험하여 유속 변화에 따른 배관감육 영향을 평가하였다. 부식 감육 시험은 시험 배관 내부 유체 온도를 150도, 압력 10기압을 유지하면서 50일간 (1200시간) 시험을 진행하였고 시험 기간 중 용존산소 (DO)는 5 ppb 이하가 되도록 질소를 이용한 탈기를 지속하였다 (Fig 2(a)).
- FAC 실증시험설비는 배관 감육현상을 실증하기 위해 고온고압의 유체를 고속으로 순환시키는 주순환 루프에 시험배관을 연결하여 고온 FAC 시험을 수행할 수 있도록 제작하였다. 또한 취출수 라인에 정화계통인 이온교환수지를 설치하고, 주입수 라인에 수화학 제어계통을 구성하여 시험용액의 DO와 전도도, pH 등 수화학 조건을 조절할 수 있도록 제작하였다. FAC 실증시험설비는 고유속을 시험할 수 있도록 2인치 배관을 기준으로 최대 20 m/s 유속이 가능하도록 설계하였다.
- 시험온도 150도에서 10, 12 m/s 유속조건으로 각각 50일간 FAC 시험을 수행하여 각 부위별로 배관 두께 변화를 측정한 결과 유속 변화에 따른 탄소강과 저합금 강의 감육율 변화에 차이를 보였다. 배관 두께변화는 고온 UT 측정 장치로 시험기간 중에 두께변화를 감시하였고 시험 전과 후에 상온에서 UT 방법으로 배관 두께를 측정하였 다. 고온 UT 측정장치는 탐촉자 단열 방식에 따라 waveguide type (SH-UT)과 buffer rod type (BR-UT)을 사용하였는데 SH-UT 방식이 상온 UT 측정 결과와 더 유사한 값을 보여주었다.
- 본 연구에서는 FAC 실증시험설비를 이용하여 10 m/s 이상의 고속 유속 조건에서 탄소강과 저합금강이 용접되어 있는 배관의 감육 특성을 시험하였다. 상용 초음파 검사(UT, Ultrasonic Testing)와 함께 자체 개발한 고온 UT 검사 방법을 적용하여 on/off-line 감시를 통해 배관 감육 두께 변화를 정밀하게 측정하여 각각의 기술들을 비교 평가 하였다.
- 부식 감육 시험은 시험 배관 내부 유체 온도를 150도, 압력 10기압을 유지하면서 50일간 (1200시간) 시험을 진행하였고 시험 기간 중 용존산소 (DO)는 5 ppb 이하가 되도록 질소를 이용한 탈기를 지속하였다 (Fig 2
- 본 연구에서는 FAC 실증시험설비를 이용하여 10 m/s 이상의 고속 유속 조건에서 탄소강과 저합금강이 용접되어 있는 배관의 감육 특성을 시험하였다. 상용 초음파 검사(UT, Ultrasonic Testing)와 함께 자체 개발한 고온 UT 검사 방법을 적용하여 on/off-line 감시를 통해 배관 감육 두께 변화를 정밀하게 측정하여 각각의 기술들을 비교 평가 하였다.
- 2 wt%) 용접재로 Fillet 용접을 하였고 중간온도가 최대 177도이고 후열처리는 하지 않았다. 시험배관의 입구와 출구의 플랜지와 시험 루프 전체 배관을 감육이 거의 일어나지 않는 type 304 재질을 사용하였고, 이격거리 영향을 살펴보고자 탄소강 배관 내경 크기의 15배 길이로 배관을 절단하여 저합금강을 중앙으로 양쪽에 탄소강 배관들을 용접 연결하여 이종금속간의 배관 감육 영향을 시험하였다.
- 8과 같다. 여기서 채널1과 채널3, 4는 탄소강 (SA 106) 배관의 감육을 감시하였고, 채널2는 저합금강(P22) 에 부착하여 두께 변화를 측정하였다. 유체 흐름 방향은 채널 1부터 채널 4까지 순차적으로 흐르게 된다.
- 원전 2차계통 배관 감육현상을 실증하기 위한 고온 고압 유속시험장치를 제작 설치하여 탄소강 (SA106 Gr. B)과 저합금강 (SA335 P22)의 용접 배관에 대해 FAC 시험을 수행하였다. 시험온도 150도에서 10, 12 m/s 유속조건으로 각각 50일간 FAC 시험을 수행하여 각 부위별로 배관 두께 변화를 측정한 결과 유속 변화에 따른 탄소강과 저합금 강의 감육율 변화에 차이를 보였다.
- 원전 2차계통 수화학 환경과 재질에 따른 배관의 감육현상을 시험, 평가할 수 있도록 원자력발전소 2차측 배관의 FAC 현상을 실증, 모사할 수 있는 시험설비를 구축하였다 (Fig. 1). 이 설비는 원전 2차측 환경에서 유속, 용존산소, pH, 온도, 배관형상 등 인자들의 FAC 영향을 실증할 수있도록 설계되었다.
- 초음파 탐촉자를 strip waveguide 한 쪽 끝에 부착하여 SH파를 가진하였다. 웨이브가이드와 시편 간에 초음파 에너지의 진행을 위해 접촉매질(couplant)가 필요한데 측정 대상이 고온 배관이므로 금 박판(gold plate)을 접촉매질로 사용하여 건조클램핑(dry clamping) 방식으로 충분한 압력을 가하여 음향적인 접합이 원활하도록 하였다. 초음파 펄서/리시버는 다채널 송수신이 가능한 OPMUX v12.
- 6은 SA 106 탄소강의 온도 변화에 따른 음파 속도 변화를 측정한 결과이다. 이 그래프 결과를 이용하여 실제 측정 온도에서 음파 속도를 보정한 후 수신된 신호를 두께 길이로 환산하였다.
- 1). 이 설비는 원전 2차측 환경에서 유속, 용존산소, pH, 온도, 배관형상 등 인자들의 FAC 영향을 실증할 수있도록 설계되었다. FAC 실증시험설비는 배관 감육현상을 실증하기 위해 고온고압의 유체를 고속으로 순환시키는 주순환 루프에 시험배관을 연결하여 고온 FAC 시험을 수행할 수 있도록 제작하였다.
- 이러한 대형사고를 깃점으로 전세계적으로 배관감육에 대한 연구가 활발히 수행되었고 이를 위해 프랑스 등 여러 나라에서 배관 감육을 연구할 수 있는 실증시험설비 (프랑스 EDF-CIROCO, 독일 AREVA-BENSON, 캐나다 B&W FAC Loop, 일본 CRIEPI-PRINTEMPS 등)를 설치하여 배관감육에 영향을 주는 여러 가지 인자들을 실증시험 평가하였고, 이러한 실험결과를 바탕으로 배관감육을 예측하고 관리할 수 있는 코드들 (미국 CHECWORKS, 프랑스 CICERO, 독일 COMSY, 러시아 RAMEK, 일본 FALSET 등)을 개발하여 원전 배관 관리에 활용하고 있다5,6).
- 또한 배관 감육 측정을 위해서 단열재를 제거해야하기 때문에 접근성이 떨어지고, 이에 따른 시간과 비용이 증가한다. 이러한 수동 UT 측정의 단점을 보완하기 위해 Fig. 4와 같이 고온에서 상시 감시할 수 있는 UT 측정 장치를 개발하여 배관감육 측정에 사용하였다 9,10) . 고온 초음파 측정 시에는 초음파 탐촉자 재료인 압전소자가 Curie 온도를 초과할 경우 압전 성능이 상실되거나 저하되고, 초음파 탐촉자와 측정 매질 간에 열팽창 계수 차이로 인한 박리, 또는 음향적인 decoupling으로 인하여 UT 측정 자체가 곤란한 경우가 발생한다.
- 웨이브가이드와 시편 간에 초음파 에너지의 진행을 위해 접촉매질(couplant)가 필요한데 측정 대상이 고온 배관이므로 금 박판(gold plate)을 접촉매질로 사용하여 건조클램핑(dry clamping) 방식으로 충분한 압력을 가하여 음향적인 접합이 원활하도록 하였다. 초음파 펄서/리시버는 다채널 송수신이 가능한 OPMUX v12.0 (8 channel, OPTEL Sp.)를 사용하여 2-cycle, 2.25 MHz의 조건으로 가진하였고, 수평횡파의 변위방향이 웨이브가이드의 표면과 평행하도록 수평횡파 탐촉자의 polarization 방향과 변위방향을 웨이브가이드 평면과 평행하도록 배치하였다. 가진 탐촉자와 수신 탐촉자를 별도로 사용하는 pitch/catch 방식을 적용하기 위해서 두개의 웨이브가이드를 검사 배관 표면에 1 mm 간격으로 평행하게 부착하고 각각의 끝에 가진용 초음파 탐촉자와 수신용 탐촉자를 연결하였다.
- 각 용접부위 간의 거리는 배관 내경의 15배가 되도록 설계하였고, 용접 후 배관 내부 비드를 기계가공으로 제거하여 모재를 손상시키지 않으면서 back bead를 선택적으로 제거하고 용접부위 단면이 최대한 원형이 되도록 가공하였다. 탄소강과 저합금강 용접은 ER70S-6 (Cr 0.15 wt%) 재질로 그루브 (groove) 용접을 하였고 최소 150 ℃로 예열을 하여 용접중 예열온도를 유지하였다. 용접 중간 온도는 최대 245 ℃ 이하가 되도록 하였고 용접 후 700 ℃에서 1시간동안 후열처리를 실시하 였다.
대상 데이터
- 각 배관 재질의 크롬 농도는 0.04와 2.1 %로 일본 신일 철주금(Nippon steel & Sumitomo metal Co.)에서 제작한 상용배관 재질을 사용하였고 화학적 조성은 Table 1과 같다.
- 3(a)와 같이 제작하였다. 시험배관은 동일한 직경의 탄소강 (SA106 Gr. B)과 저합금강 (SA-335 P22)를 용접한 이종금속 용접부의 감육 영향을 시험하였다. 각 배관 재질의 크롬 농도는 0.
- 4는 두가지 형태의 고온 UT 측정장치를 나타낸 그림이다. 웨이브가 이드형의 초음파 탐촉자는 직경 12.5 mm의 수평횡파 (shear horizontal, SH) Panametrics/Olympus NDT, Model V154를 사용하였다. 초음파 탐촉자를 strip waveguide 한 쪽 끝에 부착하여 SH파를 가진하였다.
이론/모형
- 배관 감육 측정은 상온 수동측정과 고온 자동감시 방법을 사용하였다. 현재 대부분의 원전 배관 감육 측정은 계획예방정비 기간 동안 상온에서 간이형 수동 초음파 측정법을 적용하고 있으나 이 방법에는 여러 가지 단점을 가지고 있다.
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