[논문]음향방출법에 의한 원자력발전소 밸브내부 누설평가에 관한 연구

이상국; 이선기; 이준신

문제 정의

있다. 따라서 본 실험은 밸브 시트면에 누설상태를 모의하여 질소가스와 상온수를 누설시킬 때의 음향 특성을 실험에 의해 조사하였다. 또한 대형밸브에 대한 음향센서의 부착위치와 누설음의 크기와의 관계 및 고온의 실 밸브에 대한 음향 센서의 부착 방법인 도파관 (waveguide) 을 이용한 경우의 검출 특성을 조사하였다.
발전소에 있어서 음향방출법에 의한 밸브내부 누설검사법의 개발을 목적으로 실제 밸브를 이용하여 밸브내부 누설시 음향특성을 파악하고, 그것에 기초한 검사법의 적용성을 검토하였다. 또한 실제 발전소에서 이러한 기법을 적용하기 위한 소형검출기의 제작도 수행하였다.
본 논문은 실제 발전소의 대형 밸브를 대상으로 음향방출법을 이용하여 밸브내부 누설검출실험을 수행하여 밸브내부의 미소누설 검출이 가능함을 확인하였으며, 또한 실제 발전소 밸브를 이용하여 주변환경소음(background noise) 및 누설시의 음향특성 분석, 스펙트럼분석에 의해 누설검출의 성능을 향상시키는 방법을 검토한 것이다.
누설량은 시트면의 누설상태와 밸브 출입구의 차압에 따라 변화하고, 누설량에 따라 누설음의 크기가 변화하였다. 시험조건에서의 누설량은, 음향방출법에 의해 미소누설시의 검출성능을 평가함을 목적으로 하였으므로 미소유량이 얻어질 수 있도록 누설상태를 조절하였다. 질소가스의 경우 누설량은 약 2 ~ 300Ncc/sec의 유량범위에서 실험을 수행하였다.

제안 방법

밸브 출구 측이 대기 개방의 경우와 만수의 경우 및 밸브차압과 누설상태를 변화시킨 경우에 대해서 나타낸다. 누설상태는 1)균열결함의 경우 2) 균열결함에 가느다란 선 1개를 삽입시킨 경우 및 3) 균열결함에 가느다란 선 2개를 삽입시킨 경우로 3가지의 조건으로 수행하였다.
밸브 시트면의 균열손상으로 인한 누설상태는 밸브 몸체에 60°의 V 노치 손상을 절삭용 바이트로 가공하였다. V노치의 최초 깊이는 0.05mm를 목표로 가공하고 누설량의 증가를 위해 결함의 깊이를 깊게 하였다. 손상가공후 깊이는 측정하지 않았다.
밸브 시트면에서의 누설상태는, 시트가 이물질을 삽입한 밸브가 틈새(slit) 모양에 따라 미소하게 개방된 상태의 경우와 시트면에 균열손상이 생겨 누설이 발생되는 경우의 두 가지 형태로 누설를 모의하였다. 누설량은 시트면의 누설상태와 밸브 출입구의 차압에 따라 변화하고, 누설량에 따라 누설음의 크기가 변화하였다. 시험조건에서의 누설량은, 음향방출법에 의해 미소누설시의 검출성능을 평가함을 목적으로 하였으므로 미소유량이 얻어질 수 있도록 누설상태를 조절하였다.
따라서, 본 연구에서 얻어진 질소가스에서의 최소 누설검출한계를 MSS-SP61에서 허용되고 있는 공기에 의한 밸브시트 누설량(50cc/min/inch)과 비교하였다. 최소 누설검출량은 거의 허용량에 가까운 값이며, 허용량에 가까운 미소누설에서도 누설음을 검출할 수 있는 능력이 있음을 알 수 있었다.
따라서 본 실험은 밸브 시트면에 누설상태를 모의하여 질소가스와 상온수를 누설시킬 때의 음향 특성을 실험에 의해 조사하였다. 또한 대형밸브에 대한 음향센서의 부착위치와 누설음의 크기와의 관계 및 고온의 실 밸브에 대한 음향 센서의 부착 방법인 도파관 (waveguide) 을 이용한 경우의 검출 특성을 조사하였다.
또한 실제 발전소에서 이러한 기법을 적용하기 위한 소형검출기의 제작도 수행하였다. 이와 아울러 실제 발전소 밸브에 음향방출법을 실용화하기 위해서는 주변환경소음이 문제가 되는 것을 파악하여 주변환경소음이 큰 경우의 누설 검출에 대해서 주변환경소음을 스펙트럼분석에 의해 소거하는 간편한 방법을 검토하였다.
시험조건을 Table 2에 나타낸다. 밸브 시트면에서의 누설상태는, 시트가 이물질을 삽입한 밸브가 틈새(slit) 모양에 따라 미소하게 개방된 상태의 경우와 시트면에 균열손상이 생겨 누설이 발생되는 경우의 두 가지 형태로 누설를 모의하였다. 누설량은 시트면의 누설상태와 밸브 출입구의 차압에 따라 변화하고, 누설량에 따라 누설음의 크기가 변화하였다.
전치 증폭기의 주파수대역은 2아曲에서 2此이며, 또한 주파수 분석기의 주파수대역은 101曲에서 2001曲이다. 상온수에 의한 누설시험은 밸브 입구측을 가압펌프로 가압하여 밸브 출구측은 대기 개방과 만수의 경우 두 가지 조건으로 행하였다. 만수의 경우 밸브 출구측 압력은 대기압으로 하였다.
음향센서는 Fig.2에 나타낸 것과 같이, 밸브 박스에 직접 부착한 경우와 도파봉(직경 10mm, 길이 300mm: SUS제)을 끼워 넣어 부착한 두 가지 방법으로 수행하였다. 도파봉을 사용하여 부착하는 것은 고온의 현장 밸브 및 보온재가 있는 경우를 고려한 것이다.
도파봉을 사용하여 부착하는 것은 고온의 현장 밸브 및 보온재가 있는 경우를 고려한 것이다. 음향센서는 Fig.3에서 나타낸 것과 같이 밸브 중심으로 밸브박스 주변에 부착할 경우, 각각 4점의 위치에 부착하여 측정점에 따른 누설음의 크기에 대한 경향을 조사하였다.
또한 실제 발전소에서 이러한 기법을 적용하기 위한 소형검출기의 제작도 수행하였다. 이와 아울러 실제 발전소 밸브에 음향방출법을 실용화하기 위해서는 주변환경소음이 문제가 되는 것을 파악하여 주변환경소음이 큰 경우의 누설 검출에 대해서 주변환경소음을 스펙트럼분석에 의해 소거하는 간편한 방법을 검토하였다. 음향방출법에 의한 밸브내부 누설검사법이 실용화되면 발전소 등정기검사 시에 있어서 밸브 누설검사의 신뢰성이 증가하고 정기검사 작업의 합리화에 크게 기여할 수 있을 것으로 기대된다.
게이트 밸브의 경우, 완전 닫힘상태에서 밸브 입구 측을 가압하면 입구측의 씨일면에 미소간극이 생겨 본네트내에 유체가 유동하게 된다. 입구 측 압력이 소정의 압력이 될 때까지 이러한 간극에서 누설음이 발생하여, 출구측 씨일면에 모의한 누설상태로부터 발생하는 누설음과 구분되지 못 할 수도 있음을 고려할 수 있고, 또한 본네트내 압력이 밸브 입구압력과 동일한 압력이 될 때까지는 시간이 필요하기 때문에 밸브 몸체 입구 측에 0 5mm의 발란스 홀을 개방하여 누설음 판별과 실험의 신속을 기하였다.
1 에 나타낸다. 질소가스에 의한 밸브누설시험은 밸브 입구측에 감압한 질소가스를 가압하여 누설상태를 모의한 밸브 출구측 시트면의 누설부를 통과 시켜 밸브 출구측에서 대기중으로 방출하였다. 밸브 시트면에 있어서 누설로 발생하는 음향은 밸브 외벽에 부착한 음향센서로 검출한다.

대상 데이터

시험에 사용한 밸브는 원자력발전소에 실제로 설치되어 있는 밸브와 동일형식의 밸브를 사용하였다. 시험밸브의 사양을 Table 1에 나타낸다.
밸브 시트면에 있어서 누설로 발생하는 음향은 밸브 외벽에 부착한 음향센서로 검출한다. 음향 센서는 PZT(실리콘산 티탄산 연자기) 타입의 공진형 음향센서이며, 공진주파수가 501曲와 701 曲의 것을 사용하였다. 음향센서로부터의 출력은 전치 증폭기 (preamplifier)에서 40dB로 증폭시킨후 주 증폭기(main amplifier)에서 20dB 증폭시켰다.

성능/효과

상온수의 누설량은 전력용 규격 E-101 에서 No Leak가 목표값으로 되어 있다. 본 시험 결과는 균열결함의 경우 약 1 cc/min/inch, 균열결함과 미소개도의 경우 약 4 cc/min/inch의 누설량 이상에서 누설음 검출이 가능하다. No Leak에서는 누설음이 발생하지 않으나, 본 시험결과 검출 가능한 최소 누설검출량은 작은 값인 것으로 생각된다.
대형밸브의 경우, 1개의 음향 센서에 의한 누설검출은 누설위치에서 많이 떨어져 있다면 주변 환경소음과의 비교에 있어서 누설검출이 불리하지만, 밸브내부 시트면상의 누설 위치의 예측은 밸브박스 주위에 복수개의 음향 센서 출력의 상대비교에 의해 가능한 것으로 생각된다. 음향센서를 밸브박스에 직접 부착한 경우와 도파관을 붙인 경우에 대해서 누설음의 크기를 비교한 결과, 두 가지 방법 모두 차이가 없으며 밸브크기, 누설상태의 변화에 의해서도 같은 경향을 나타내었다.
이상의 결과로부터, 음향방출법에 의한 밸브 내부누설검사법은 대형 밸브에 있어서도 미소누설을 검출할 수 있는 능력을 가지고 있으며, 실제 발전소에 있어서의 밸브 시트면의 씨일성능의 건전성을 평가하는 수단으로 적용 가능한 것으로 생각된다. 단, 최소 누설검출량은 현장의 주변 환경 소음과 비교한 것이며, 또한 누설상태는 미소누설을 얻기 위해 모의하였고 누설량은 밸브 차압에 따라 변화하는 것 등을 고려하여 실제 밸브에의 적용을 위해서는 이러한 점을 고려할 필요가 있다.
따라서, 본 연구에서 얻어진 질소가스에서의 최소 누설검출한계를 MSS-SP61에서 허용되고 있는 공기에 의한 밸브시트 누설량(50cc/min/inch)과 비교하였다. 최소 누설검출량은 거의 허용량에 가까운 값이며, 허용량에 가까운 미소누설에서도 누설음을 검출할 수 있는 능력이 있음을 알 수 있었다. 상온수의 누설량은 전력용 규격 E-101 에서 No Leak가 목표값으로 되어 있다.

후속연구

주변 환경 소음의 스펙트럼도 같은 경향을 나타낸다. 검출한 누설음의 스펙트럼에는 특징적인 차이는 보이지 않고 음향센서의 특성이 나타나고 있는 것으로 생각되고, 스펙트럼 비교로부터 누설 음의 특징을 조사하기 위해서는 보다 상세한 분석이 필요하다. 도파봉을 끼운 음향센서를 부착한 경우의 스펙트럼에는 도파관의 고유진동수가 실려, 누설음의 스펙트럼 비교에 의한 검토는 더욱 복잡하게 된다.
이와 아울러 실제 발전소 밸브에 음향방출법을 실용화하기 위해서는 주변환경소음이 문제가 되는 것을 파악하여 주변환경소음이 큰 경우의 누설 검출에 대해서 주변환경소음을 스펙트럼분석에 의해 소거하는 간편한 방법을 검토하였다. 음향방출법에 의한 밸브내부 누설검사법이 실용화되면 발전소 등정기검사 시에 있어서 밸브 누설검사의 신뢰성이 증가하고 정기검사 작업의 합리화에 크게 기여할 수 있을 것으로 기대된다.

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