더 높은 신뢰성을 가진 설비의 요구
우리나라 원자력산업에서 원자력발전(이하 원전) 은 중심적인 역할을 하고 있으며, 국내 원전은 UAE 수 출과 후쿠시마 사고를 계기로 국민들의 관심을 받고 있다. 일본 후쿠시마 원전사고 이후 세계 각국은 각 국가별로 처한 상황에 따라 원전 정책을 다양하게 가 져가고 있으나, 우리나라에서는 기후변화에 대한 효 율적 대응, 안정적이며 저렴한 전력공급, 에너지 안보 측면 및 신재생에너지 전력의 안정적, 경제적 상용화 시까지 가교에너지 역할 수행을 위해 필연적 대안으 로서 자리 잡고 있다. 원전을 구성하는 설비 및 부품 의 신뢰성은 원전의 안전성 확보 및 경제적 운영에 직 접적 연관을 가지고 있다. 특히 안전계통의 설비는 안 전한 원전 운영을 보장하고, 비안전계통의 설비 및 부 품은 운전정지와 연결되어 경제성을 유지할 수 있도 록 한다.
원전에서 사고(事故)와 고장(故障)을 혼돈하여 언 론 및 일반인들 사이에 회자(膾炙)되고 있다. 안전과 직결되어 있는 안전계통의 설비 및 부품의 고장에 의 한 기능 상실은 방사능 물질의 유출이라는 사고를 유 발할 수 있는 가능성을 전혀 배제할 수 없기에, 작은 고장이라도 각별한 관심을 가져야 하고, 더 높은 수준 의 신뢰성이 요구되고 있다. 함께, 비안전계통 설비
및 부품의 고장은 운영 중단 또는 전력생산 저하를 초 래하여 경제적 손실을 유발할 수 있기에, 화력 및 수력 등 타 전원의 설비 및 부품보다 더 높은 신뢰성의 유지 가 필요하다.
이 글에서는 설비 및 부품의 성능저하 또는 기능상 실이, 원전의 설계, 운영, 정비 현장에서 대부분 고장 의 범위에서 이루어지므로 이를 예방하고, 방지하기 위한 노력들에 대해 언급하고자 한다. 함께, 연계 설 비 단위의 연속적 기능상실에 의한 근원적 사고 발생 방지를 위해 취해지는 고장 발생의 근원적 예방 활동, 재료의 열화에 의한 고장 발생 가능성 사전 차단 등의 신뢰성 향상 연구들을 살펴보고자 한다.
원자력 산업설비의 신뢰성 보장 활동
원전 산업설비의 신뢰성을 확보하기 위한 방안은
박 치 용ㅣ 한국에너지기술평가원 원자력 PD ㅣe-mail : [email protected]
최근에는 원자력에 대한 국민의 관심이 높아져 기기의 고장 수준에 대해서도 언론에 보도되는 것이 현실이다. 이 는 곧 원자력 산업설비에 대한 신뢰성을 한층 더 높은 단계로 요구하는 목소리인 것이다. 이 글을 통해서 원자력 산업설비에 대한 신뢰성 향상을 위한 활동을 정리해 보고자 한다.
그림 1원전 설비 신뢰성 감시활동
크게 세 가지로 나누어 볼 수 있다. 첫째로 설계 및 제 작 단계에서는 산업기술기준(ASME 또는 KEPIC)에서 요구하는 요건을 준수하는 일이다. 이는 설계자 및 제 작자, 건설시의 설치자 들에 의해서 이루어지는 신뢰 성 보장 활동이다. 두 번째로 가동원전 설비의 검사 및 정비를 통한 시간에 따른 재료의 열화(degra dation)를 감시하는 일이다. 이는 원전 사업자 주도로 이루어지며 설비 설계, 제작 관련자 모두가 참여하는 활동이다. 세 번째는 사고 조건에서도 기기생존성을 보장하기 위한 성능검증 활동이다. 물론 상기 세 가지 활동이 모두 기술기준 및 안전기준 요건에 규정되어 검사, 심사, 승인 및 인증 절차로서 재차 확인하는 과 정을 거친다. 따라서 원재료에서부터 설계, 제작, 설 치, 운영, 정비 및 운전의 전 단계에서 관련자 모두가 산업설비의 신뢰성 향상과 연관되어 있고, 이를 바탕 으로 안전의 초석을 다지기 위한 노력을 경주한다고 할 수 있다.
검증을 통한 신뢰성 확보
펌프 및 밸브 등의 유체기기는 원전에서 유체계통 을 구동하고 제어하는 기기로서 유체계통의 성능을 유지하기 위해서는 성능에 대한 신뢰성을 보장하여야 한다. 펌프 및 밸브는 ASME QME-1 또는 KEPIC MF 등의 기술기준에 의해 설계, 제작되어 기기의 고유 특 성 유지, 부품의 기본 요건 등에 대한 성능 신뢰성을 확보를 요구하고 있다. 함께 용량과 기능의 적절성에 대한 입증은 성능검증 시험을 통해 수행하도록 요구 하고 있다. 원전에서 안전등급 밸브 및 펌프의 성능검 증 시험은 설계기준 사고를 포함한 모든 운전조건에 서 고유의 기능을 확실하게 수행할 수 있는가를 평가 하는 시험이다. 사례로 안전 관련 밸브에서 요구하는 시험은 표 1과 같이 15개 종류의 시험을 수행하여야 하고, 펌프는 표 2에 나타낸 바와 같이 총 6종의 시험
을 수행하여야 한다.
성능검증 시험을 수행하여 신뢰성을 확보하여야 하 는 유체기기에는 펌프 및 밸브뿐만 아니라 감압 오리 피스, 유량계, 노즐, 증기 트랩 등도 있다. 원전에서의 대표적 밸브 및 펌프를 열거하면 주증기안전밸브 (MSSV), 파일럿구동 안전밸브(POSRV), 가압기안전밸 브(PSV), 공기구동밸브(MOV), 동력구동밸브(POV), 공기구동밸브(AOV), 체크밸브(CV), 솔레노이드구동 밸브(SOV), 감압밸브(PRV) 등과 원심펌프 형태인 고 압충전펌프, 안전주입펌프, 정지냉각펌프, 원자로냉 각재펌프(RCP) 및 축류형 펌프인 1차 해수계통 취수 구펌프 등을 들 수 있다.
우리나라에서 2012년에 한국기계연구원 부지 내에 원전 대형 유체관로기기에 대한 원전 운영조건과 동 일한 상태의 성능검증 설비를 구축하고 있다. 증기 (steam)용 설비는 한국기계연구원에서 물(water)용
1 2 3 4 5 6 7 8
배출관 및 반력하중 검증시험 내진 및 배출관 하중 조합시험 외부 환경시험
열영향 시험
유동 차단과 기능 능력 입증 성능 및 누설 (최종) 시험 후 검사 시험 전 검사
성능 및 누설 기본 진동수 결정 환경 및 경년열화 모사 중간 검사
주기 시험(상온 및 고온) 단부 하중 시험 내진 시험
9 10 11 12 13 14 15 표 1밸브 시험 항목
1
2 3
4
5
6
•펌프 완성품에 대한 설계 정압 하에서 누설 등 확인
•펌프 양정, 축동력, 효율 곡선 작성
•필요 NPSH, 유효 NPSH 평가
•연속적인 펌프 start /stop 운전 시 성 능, 건전성 확인
•계통온도, 압력의 급격한 변화에 따른 펌프성능 입증
•펌프 축 진동 평가 수압 시험
일반성능 시험 NPSH 시험
내구성 시험
Thermal Transient 시험
Vibration 시험
표 2펌프 시험 항목 및 내역
설비는 한국수력원자력 중앙연구원에서 2013년도부 터 운용을 시작할 예정이다. 이로서 중소중견기업에 서 주로 생산되는 펌프 및 밸브류의 국산화 설비 및 수 출설비에 대해 신뢰성 검증 작업이 수행되어 원전 산 업설비의 국산화를 촉진하고, 원전설비 수출의 지원 자로서 그 기능을 다할 것으로 예상된다. 조만간에는 공인된 인증체계까지 갖춤으로써 명실공히 원자력 강 국의 기반을 다지는 데 기여할 것으로 기대된다.
또 다른 성능검증 설비로서 원자로냉각재펌프(RCP) 에 대한 실증실험 장치가 한국원자력연구소 내에 설치 될 예정이다. 이는 2012년 완공되어 두산중공업에서 개발한 시제품 RCP의 성능검증뿐만 아니라 국내외 원 전에 공급을 위해 제작되는 RCP의 성능검증을 수행할 예정으로 있어 향후 국내기업의 기술력 향상 유도 및 설비 신뢰성 확보에 이바지 할 것으로 기대된다.
마지막 성능검증을 통한 신뢰성 향상 활동으로는 케이블 등의 전기기기 및 소형 금속류 기기에 대한 기 기검증(EQ: Equipment Qualification)이다. 이는 원전 에서 사용하는 기기에 대해 운전기간 동안 정상 및 사 고조건하에서도 요구되는 성능을 수행할 수 있다는 것을 검증하는 행위이다. 특히, 안전에 중요한 소형의 전기 및 기계기기는 설계수명기간 동안 정상 및 사고
조건에서 안전기능을 수행할 수 있음을 입증하여야 한다. 자연적인 노화공정에 의한 성능저하뿐만 아니 라 정상 및 사고조건에서의 환경, 운전, 지진, 진동, 방 사선, 온도, 압력, 화학분무, 습도, 침수, 먼지 및 복합 상승효과까지도 고려하여 시험을 수행하고 있다.
기기의 시간지연 성능저하 신뢰성 평가
원전의 산업설비는 장기간 운전됨에 따라 초기의 고유 성능 유지가 점차 약화됨은 자연적인 현상이다.
이는 재료의 노화에 따른 필연적인 현상으로 초기 제 작 시 수명기간을 고려하여 충분히 보수적으로 설계
그림 2성능검증 시험설비 조감도
(출처: KHNP 중앙연구원 이선기 제공)
그림 3물용 설비 계통 구성도
(출처: KHNP 중앙연구원 이선기 제공)
그림 4케이블 노화 검증 장비
(출처: KHNP 중앙연구원 김종석 제공)
하지만 국부적인 영역에서 손상 발생이 보고되고 있 다. 원전 주요기기에서 일어나는 대표적인 국부적인 손상기구(damage mechanism)들을 정리하여 그림 5 에 나타내었다. 손상기구들은 배관의 재질 및 환경에 크게 의존하는 성격을 가지며, 원전 운전 중에는 검사 및 정비를 통하여 감시 관리되고 있다. 주요한 기구들 을 살펴보면 주요 1차측기기들에서 일어나는 손상기 구는 피로, 응력부식균열, 마모 등을 들 수 있으며 2차 측기기에서는 터빈 진동, 부식 및 침식에 의한 감육현 상 등이 대표적이다.
가동원전 설비에서의 손상에 대한 정확한 평가 및 예측, 검사를 통한 손상의 조기발견, 적절한 교체 및 보수 등의 예방정비 활동이 기기 신뢰성 향상을 위한 주요 활동이다.
특히, 원전 설비에서 비파괴검사에 의한 결함 또는 열화의 조기 발견은 고장의 예방차원에서 중요하며, 신뢰성 확보의 측면에서는, 일단 인지된 결함은 결함 의 미래를 예측하는 적절한 평가기법 및 정비를 통하 여 통제되기 때문에 고장에 의한 사고 발생 확률을 영 (zero) 수준으로 유지할 수 있다. 따라서 비파괴검사 기술의 향상이 설비 신뢰성 유지 측면에서 매우 중요 하다. 비파괴검사에 의한 손상부의 발견을 위해 모든
기기 및 설비에 대해 수행하는 것은 불가능하기 때문 에, 근래에는 안전성에 영향이 큰 기기 및 설비와 역사 적으로 손상 이력을 가졌거나 손상확률이 높은 부위 를 중점적으로 검사함으로써 전체 설비에 대한 신뢰 성을 높이고자 하는 방법인 위험도기반 가동 중 검사 기법이 국내에도 일부 시범적용 단계를 거쳐 전 원전 에 적용이 시도되고 있다.
원전설비의 노화에 의한 성능저하를 예측하고, 평 가하기 위해서 이루어지는 환경모사 실증실험은 실제 원전환경을 모사하여 이루어진다. 이는 좀더 높은 수 준의 신뢰성을 확보하기 위한 원전설비 및 기기 관리 기준에 따라 수행되며, 그 사례로서 그림 6에서 보는 바와 같이 실제 원전 상황과 동일한 수준의 환경조건
그림 5원전에서의 주요기기 및 열화현상
그림 6주요열화 기구인 마모 및 환경피로 실증시험장치
에서의 마모시험, 환경피로시험, 응력부식균열 실험 등이 수행되고 있다.
실제 환경에서의 실험 및 이를 기반으로 한 평가기 법의 향상, 비파괴검사의 신뢰성 향상, 응력부식균열 및 탄소강 배관에 대한 감육관리 체계 운용 등 열화 관 리체계의 효율적 운용 등은 시간지연 성능저하 기기 의 건전성과 성능 신뢰성을 확보하고자 하는 노력으 로 평가할 수 있다.
신뢰성 향상 방안
이 글에서 언급하고자 하는 원전설비 및 기기의 신 뢰성 확보를 위한 범위가 고장 예방의 차원에서 이루 어졌지만, 국내원전 및 전 세계원전에서의 고장에 대 한 사례는 통계를 구할 수는 없다. 다만, 고장으로 인 한 원전정지 사례 또는 안전기기의 손상사례는 국제 공동연구를 통해 통계화되고 있으며 이를 분석하는 글 또는 논문 또한 다수 출간되고 있다. 다만, 이 글에 서는 국내 원전에서 고장에 의한 파급으로 원전이 정
지한 건수, 운전에 영향을 줄 정도의 고장 건수를 운전 기수와 함께 그림 7에 나타내었다. 이는 곧 원전 설비 의 신뢰도를 보여주는 간접적 자료로서 충분히 고려 해 볼 가치가 있다.
호기당 불시 고장정지 건수가 원전 운영초기보다는 현저히 감소하고 있음을 쉽게 파악할 수 있다. 불시 정지 건수는 인적실수를 포함하고 있기 때문에 원전 기기의 신뢰성에 대한 지표로서의 직접적 의미는 없 으나 전체적으로 원전설비 신뢰성이 향상되고 있음은 주지의 사실이다. 그럼에도 불구하고 원전설비 및 기 기의 신뢰성 향상을 위한 노력은 지속되어야 함은 재 차 언급할 필요가 없을 것이다.
최근 정부에서는 원전 기자재의 신뢰성 확보, 국내 외 품질인증, 국내외 판로개척 등에 대한 지원을 통해 원전 기자재 중소기업의 역량 강화를 위한 원전 기자 재 종합지원사업의 시행을 착수하였고, 광역선도사업 의 일부로서 동남권(부산/경남/울산)에서의 2차측 원 전설비에 대한 지원을 착수하였다. 이와 함께 원자력 융합원천기술개발사업을 통해 원전설비 신뢰성 향상 을 위한 다양한 R&D를 지속적으로 지원하고 있다. 신뢰성 수준을 더 높은 수준으로 향상시키기 위해서 는 정부의 지원노력과 함께 원전 운영, 설계, 제작 및 설비 관리와 관 련된 모든 부분에서 지대한 관심을 갖고 원전 설비 및 기기의 제로 (zero) 고장화를 위해 지속적으로 노력하여야 할 것이다.
그림 7국내 원전 고장정지 건수 및 운전기수(출처: 한수원 자료) 연도
운전 기수 고장정지 건수 기당 고장정지 건수
’96 11 10 0.9
’97 12 13 1.1
’98 14
6 0.4
’99 15 13 0.9
’00 16
8 0.5
’01 16 8 0.5
’02 18
8 0.4
’03 18 11 0.6
’04 19 12 0.6
’05 20 10 0.5
’06 20 11 0.6
’07 20 12 0.6
’08 20 7 0.4
’09 20 6 0.3
’10 20 2 0.1
