[논문]원자력 발전소 AOV 구동기 내진 설계에 관한 연구

김영범; 장훈; 윤인식; 강영미

원자력 발전소 AOV 구동기 내진 설계에 관한 연구
A Study of Earthquake Design Air Operated Valve Actuator in Nuclear Power Plant 원문보기

김영범 (시스템 디엔디(주)) , 장훈 (시스템 디엔디(주)) , 윤인식 (시스템 디엔디(주)) , 강영미 (시스템 디엔디(주))

Under localization developing for the control valve of the safety grade Q Class 1 which is established in the atomic power plant followed ASME Code and important parts (Body, Yoke, Bonnet, Actuator) design and produced. In order to verify this analyzed the earthquake stress of AOV. AOV the above of 33Hz occurred from fIrst mode, the earthquake stress occurred from inside the yield strength of the material.

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문제 정의

따라서 본 연구에서는 국내에 사용되는 원자력 안전성 등급 Class1 밸브를 대상으로 내환경 및 내진에 대한 설계 기술을 확보하기 위하여 ASME Code에 따라 설계를 하고 구조해석 방법과 응력 계산을 통하여 내진에 대한 응력 거동을 분석하였다.
본 연구에서는 구매자의 요건에 따른 응력 계산검증과 FEM Analysis를 통하여 분석하고자 하며 차후 Earthquake Test가 이루어진 후 비교 평가하고자 한다.
본 연구에서는 국내의 원자력 발전소에서 사용되고 있는 구동기 형태가 실린더 형태인 4"AOV의 내진 설계 검증을 위하여 설계 요건에 따라 주요 부분의 응력을 계산하였고, FEM Analysis를 통하여 이를 비교 분한 결과 아래와 같다.

제안 방법

구매자에 의하여 국외 기업(Target Rock)에서는 AOV 3부분에 대하여 응력 계산을 수행하였으며, 계산된 응력이 재료의 강도 측면에서 건전성 여부를 분석하였다.
구조해석 시 사용된 하중은 스프링 포스, 구동기 압력, 구동기 하중, 요크 하중 및 지진이 발생하였을 때 발생되는 밴딩 모멘트를 하중 조건을 하용하였으며, 이 하중들에 의하여 발생되는 응력이 AOV의 재료의 인장강도와 비교 분석하였고, Fig 3과 4에 응력 분포를 나타내었다.
국내 원자력 발전소(고리3,4호기)에서 사용되는 실린더 타입의 4인치 AOV를 선정하여 2004 ASME Code에 따라서 밸브의 바디, 요크, 본넷 및 기타 구성품을 설계 하였으며, Fig 1에 설계된 4인치 AOV의 조립 도면을 나타내었고, Fig 2와 Fig 3에 밸브 제작 과정을 나타내었다.
볼트 체결부의 응력 분포를 분석하기 위하여 AOV 설계 요건 중 스프링 포스, 구동기 압력, 구동기 하중, 요크 하중 및 지진이 발생하였을 때 발생되는 벤딩 모멘트를 하중 조건을 사용하여 구조해석 결과를 Fig 5와 Fig 6에 나타내었다.

데이터처리

3.1절에 다라 4"AOV의 구조응력 계산을 검증하기 위하여 FEM Analysis를 이용하여 각 부분의 발생하는 응력을 분석하였다.

성능/효과

1) 주요 부품인 바디, 본넷, 요크부 및 볼트 체결부의 응력을 구매자 요건에 따라 응력을 계싼하여 분석한 결과 재료의 최대인장강도 보다 매우 낮게 산출되어 내진에 대한 구조적 건전성이 유지 되었다.
2) 설계 요건에 따라 FEM Analysis를 한 결과 보넷 목 부분과 볼트 체결부에서 높은 응력이 분포하였지만, 재료의 최대 인장강도 보다 낮게 분포하여 구조적 건전성을 충분히 유지 하였다.
분석 결과 본넷의 목 부분과 요크와 연결되는 부분에서 높은 응력이 발생하였으며, 바디와 접촉되는 부분에서 작은 응력이 분포하는 것을 볼 수 있다.
식 3)를 이용하여 체결응력을 계산한 결과 371.42MPa의 체결응력이 발생하며, 이것은 본넷의 최대 인장강도 483MPa보다 111.58MPa 작은 값으로 내진 구조응력에 대한 충분한 여유를 가지는 것을 계산되었다.
식2)을 이용하여 전단응력을 계산한 결과 92.87MPa의 작동응력이 발생하며, 이것은 본넷의 최대 인장강도 483MPa보다 390.13MPa 작은 값으로 내진 구조응력에 대한 충분한 여유를 가지는 것을 계산되었다.

핵심어

질문

논문에서 추출한 답변

FEM Analysis는 어떤 방법인가?

FEM Analysis는 수학적 모델에 의해 거동을 해석하고 분석하는 방법으로 구조적 특성이 단순하여 수학적 모델은 가능하나 현실적으로 시험이 불가능한 경우에 사용되며, 제어반이나 단순 구조 기기 등에 이용된다.

Random Multi-Frequency Test는 무엇인가?

진동 테이블(shake table)을 이용하여 기기가 설치되는 면의 지진에 의한 거동과 유사한 인공적인 임의 운동(random motion)을 만들어 시험하는 방법으로 Random Multi-Frequency Test라고도 한다.

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