Development of Ultrasonic Testing System for In-Service Inspection of the Shrunk-on Type LP Turbine Roter

Shrunk-on Type 저압 터빈 로터의 가동중검사를 위한 초음파검사 시스템 개발

Development of Ultrasonic Testing System for In-Service Inspection of the Shrunk-on Type LP Turbine Roter

박준수*

, 성운학*, 유승우**

Joon-Soo Park*

, Un-Hak Seong* and Sung-Woo Ryu**

초 록 터빈은 원자력발전소의 주요기기로서 고온․고압하에서 고속회전으로 인해 신뢰성 있는 검사가 요 구된다. 터빈의 가동중검사의 경우 블레이드가 조립된 상태에서 검사가 수행되며 구조적 복잡성으로 인하여 탐촉자의 접근이 제한되며, 신호 해석이 매우 어렵다. 본 연구에서는 신뢰성 높은 신호해석을 위하여 실제 터 빈과 크기 및 형상이 동일한 mock-up을 제작하였다. 터빈의 key와 내표면부의 결함탐상을 위해 pulse-echo 및 TOFD 기법을 개발하였고, dovetail 검사를 위하여 위상배열 초음파탐상기법을 개발하였다. 개발된 기법들 을 가동중 터빈 검사에 효율적으로 적용하기 위해 자동화 검사 scanner를 제작하였으며, 현장적용을 통하여 신뢰성을 검증하였다.

주요용어: 열박음 저압터빈, 초음파검사, 위상배열검사

Abstract Turbine, which is one of major components in nuclear power plants, requires reliable nondestructive

Furthermore, an automatic scanner system was developed for in-service inspection of the developed methods.

Keywords: Shrunk-on Type Low Pressure Turbine, Ultrasonic Testing, Phased Array Ultrasonic Testing [논 문] - 비파괴 검사학 회지

Journal of the Korean Society for Nondestructive Testing Vol. 29, No. 2 (2009. 4)

[접수일: 2009. 3. 3, 수정일 : 2009. 4. 8, 게재확정일: 2009. 4. 13] *두산중공업(주) 기술연구원, **두산중공업(주) 비파괴검사부, ✝Corresponding Author: R&D Institute, Doosan Heavy Industries and Construction Co., Ltd., Changwon 641-792, Korea (E-mail: [email protected])

1. 서 론

가동중인 발전소들은 운전년수가 증가함에 따라 계획 예방 정비기간중 비파괴검사가 요구되고 있 다. 터빈은 가동시 계속적인 부하를 받고 있으며, 시동(start-up)이나 정지(shutdown)시 급격한 부하 변동 상태에 놓이게 되고, 고온 증기의 분위기 속 에서 가동됨에 따라 균열발생의 원인이 되는 진동,

피로, 부식 및 침식 등의 조건에 놓이게 된다. 특 히, 발전소 증기터빈에서 균열은 주로 key, 로터 중심공(rotor bore), disc 표면, disc 내표면부(disc wheel bore), dovetail, 그리고 blade root 등에서 발생되며 이러한 부위는 조립된 상태의 내표면으로 검사에 높은 기술력과 고도의 경험이 요구된다[1].

따라서, 가동중인 터빈에 대한 비파괴검사는 주로

외국 제작업체에 의존하며, 국내의 검사기술은 터빈

Wheel bore Key

Dovetail

Fig. 1 A Schematic diagram of wheel disc

(a)

(b)

Fig. 2 A photo of (a) wheel disc mock-ups and (b) dovetail mock-ups

의 부분적인 영역에 한정되고 대부분 수작업에 의 한 검사로 수행되고 있다. 최근 이를 극복하기 위해 국내에서도 활발한 연구가 진행되고 있다[2-4]. 양승 한 등[2]은 pin finger type의 동익 루트부에 대한 연구를 수행하였으며, 조용상 등[3]에 의해 위상배 열 초음파를 이용한 블레이드 루트 검사 방법이 연 구되었다. 유승우 등[4]은 고압터빈의 중심공검사를 위한 시스템 개발에 대한 연구를 진행하였다.

저압터빈은 작은 결함이 존재하여도 경우에 따라 서는 심각한 위험을 초래할 수 있기 때문에 극히 미세한 크기의 결함조차 검출이 요구된다. 일반적 으로 터빈을 검사하는 비파괴검사 방법으로는 초음 파탐상검사(UT), 자분탐상검사(MT) 및 침투탐상검 사(PT) 등이 적용되고 있다. 그러나 가동중 터빈의 경우 key, 내표면부 그리고 dovetail은 디스크를 로 터에서 분리할 수 없기 때문에 탐촉자의 접근이 제 한되어 특별한 검사장치 및 검사기술이 요구된다.

따라서, 한정된 영역에서 검사를 수행하기 위해서 는 일반적 비파괴 초음파탐상법뿐만 아니라, time of flight diffraction(이하 TOFD) 및 phased array ultrasonic testing(이하 PAUT)등 최신 검사기법 적 용이 필요하다.

본 연구에서는 표준형 원전 저압 터빈의 key, 내 표면부, 및 dovetail에 대하여 실제 형상과 동일한 mock-up 시편을 제작하여 가동중 터빈 검사기법을 개발하였으며, 또한, 개발된 기법들을 가동중 터빈 검사에 적용하기 위하여 자동화 스캐너를 제작하였 고, 성능검증을 위한 현장시험을 수행하였다.

2. Shrunk-on Type 저압 터빈 및 검사부위 형상

발전용 증기터빈은 증기발생기 또는 보일러에서 발생한 고온·고압 증기가 가진 열에너지를 속도에 너지로 변환시키고 그 속도에너지를 회전운동으로 전환시켜, 발전기를 구동하는 기계장치이다. 표준원 전용 터빈은 고압터빈 1대와 저압터빈 3대로 구성 되어 있으며, 1800rpm으로 회전하는 대형 충동터 빈이다. 증기 flow는 중앙을 기준으로 양쪽으로 각 각 7단의 wheel을 갖는 double flow로 되어있으며, rotor shaft에 wheel disc를 열박음(Shrunk-on)으로 조립된다. 열박음 이완시 커플링의 회전을 방지하 기 위하여 rotor shaft에 keyway를 가공하고 wheel disc의 key를 결합한다. Fig. 1은 wheel disc의 단 면도를 보여주고 있다. 터빈 disc의 초음파검사 영

역은 Fig. 1에서 보는바와 같이 key, 내표면부 (wheel bore)와 bucket root부와 체결되는 disc dovetail 부이다.

3. 검사 기법 개발

3.1. Mock-up 시편

초음파 탐상의 정확성을 향상시키기 위하여

mock-up 시험편을 터빈 디스크와 동일한 재질

Fig. 3 Schematic diagram of automated scanner for the turbine inspection (2.5Ni-Cr-Mo-V), 크기 및 형상으로 제작하였으며,

결함발생의 우려가 높거나 검사가 어려운 위치에 인공결함을 내제하였다. 한국형표준원자력발전소 의 저압 터빈 로터 디스크는 터빈측 1～7단과 발 전기측 1～7단까지 총 14단으로 구성되어 있으나, 양측의 디스크는 각 단별 형상이 동일하므로 mock-up 시험편은 1～7단까지 7개의 wheel disc 및 1～5 단까지 5개의 tangential entry type dovetail 형상으로 제작하였다. 6단과 7단 dovetail 은 pinned finger dovetail을 적용하여 본 연구에 는 제외하였다.

Fig. 2는 본 연구에서 제작한 터빈 mock-up 시 험편으로 Fig. 2 (a)는 wheel disc 시험편, Fig. 2 (b)는 dovetail 시험편 사진을 보여주고 있다.

3.2. 검사 장치

저압 터빈 가동중검사를 위하여 본 연구에서 초 음파 발생장치는 R/D-Tech의 MS5800을 사용하였 고, 위상배열 초음파탐상은 같은 회사의 FocusLT를 사용하였으며, 초음파 신호 수집을 위한 프로그램 은 Tomoview를 사용하였다.

가동중 터빈에 대한 비파괴검사는 터빈을 터닝 롤에 올려놓고 저속으로 회전하면서 검사를 수행한

다. 탐촉자를 지지하고 결함신호의 위치를 정확히 전달해주기 위해 자동화 스캐너를 개발하였다. 스 캐너는 터빈 전 영역을 쉽게 이동하면서 검사할 수 있도록 레일을 이용한 이동방식을 채택하였으며, 2 개의 scanner arm을 회전 및 길이 방향으로 전진/

후진하여 탐촉자를 터빈의 검사 위치에 정확히 이 동할 수 있도록 설계하였다. 또한, 두 단을 동시에 검사를 하거나 TOFD 등 pitch-catch (이하 P.C.)기 법이 가능하도록 1set(2개)를 제작하였다. Fig. 3은 개발된 자동화 스캐너의 전체 개념도로서 rail, 검 사제어 table, table에 견고하게 부착된 manipulator 및 scanner arm 등으로 구성되어있다.

3.3. 검사기법

3.3.1. Key 및 내표면부

터빈의 disc key와 내표면부 검사는 Fig. 4에서

보인 바와 같이 pulse-echo(이하 P.E.) 기법 및

TOFD 기법을 적용하였다. P.E. 기법은 단과 단 사

이의 넓이에 따라 7～12번의 탐상을 수행하고,

TOFD는 pulser부에 2개의 탐촉자와 receiver부에 2

개의 탐촉자를 이용하여 한단을 한번에 스캔 할 수

있도록 하였다.

P.E TOFD P.E Transducer

P.E TOFD P.E

Transducer

Fig. 4 Schematic diagram of P. C. and TOFD for inspecting wheel bore

Fig. 5 Inspection of key in wheel disc mock-up

Notch Signal Key Signal

Notch Signal Key Signal

Fig. 6 Ultrasonic wave data in 2mm notch of 3nd stage wheel bore mock-up

Fig. 7 Photo of (a) the developed TOFD transducers, and (b) Inspection in the wheel disc mock-up using the developed transducer

Key 및 내표면부의 두께는 표면에서 각 단별로 약 200～400 mm이다. P.E. 기법을 적용하기 위하여 2.25 MHz의 주파수를 갖는 12.7 mm 크기의 원형 탐촉자 2개를 사각탐상에 이용하였고, 2.25 MHz, 6.35 mm 원형 탐촉자를 수직탐상에 사용하였다. 사 각탐상기법은 key 및 내표면부의 균열 및 pitting을 검출하는데 적용하였으며, 수직탐상기법은 디스크

저면 신호를 이용하여 탐촉자의 접촉여부 및 소재 결함을 검출하는데 이용하였다. 여기에 적용되는 웨 지(wedge)의 굴절각은 디스크의 치수 및 key 위치 에 따라 결정된다. 웨지는 각 단별로 disc key에 45°로 입사할 수 있도록 하였으며, 시계 및 반시계 방향으로 탐상을 수행할 수 있도록 웨지를 제작하 였다. 일반적으로 웨지는 아크릴 수지를 사용하여 계산된 굴절각에 맞게 정밀하게 제작되어야 한다.

Fig. 5는 disc mock-up에서 내표면부에 있는 결함을 탐상하는 모습을 보여주고 있다. 검사 시간을 단축 하기 위하여 하나의 웨지에 사각탐상 2개, 수직탐상 1개를 동시에 검사할 수 있도록 웨지를 제작하였다.

Fig. 6은 3단 disc mock-up 시편에서 개발된 웨지 및 사각탐상용 탐촉자를 사용하여 획득한 key 신호 와 높이 2 mm의 노치 신호를 보여주고 있다.

버켓이 조립되어 있어 P.E 탐촉자에 의한 탐상

이 불가능한 disc 내표면부는 TOFD 탐상 방법을

적용하였다. TOFD 기법은 내표면에서 발생되는

지시를 검출하기 위한 방법으로 회절이 발생되기

용이한 선형성 지시 검출에 매우 유리한 검사 방

법이다. Fig. 7은 본 연구에서 개발된 TOFD 탐촉

자와 disc mock-up 시편의 결함을 탐상하고 있는

모습을 보여주고 있다. TOFD 탐촉자는 터빈과의

Notch Signal Notch Signal

Fig. 8 TOFD signal of artificial notch in 2nd state disc wheel

Hook 1 Hook 2

Hook 3

Fig. 9 Ultrasonic inspection area in dovetail

Fig. 10 Transducer and wedge for the dovetail inspection

Fig. 11 Inspection in dovetail mock-up 접촉력을 좋게 하기 위하여 웨지 내에 각각 2개의

탐촉자를 삽입하여 제작하였다. Fig. 8은 개발된 탐 촉자를 사용하여 2단 mock-up 시편에서 획득한 노 치의 회절 신호를 보여주고 있는데 내표면부에 있 는 결함이 잘 검출됨을 확인할 수 있다.

3.3.2. Wheel Dovetail

Fig. 9는 터빈의 tangential entry dovetail에 대한 개념도를 보여주고 있다. Dovetail은 1단의 경우 hook이 2개 그리고 나머지 단은 3개로 구성되어있 다. 터빈의 wheel dovetail 부에서 가동중 원심력으 로 인해 응력집중의 발생이 우려되는 가장 취약부 위는 hook 1, 2, 3의 모서리부 및 모재부이다. 따라 서, 가동중검사시 Fig. 9에서 보인 바와 같이 hook 을 중심으로 검사를 수행해야 한다. 가동중검사는 한정된 시간내에 검사를 수행해야 되므로 3개의 훅 을 웨지나 탐촉자의 변경없이 한번에 검사가 가능 한 기법이 요구된다.

위상배열 초음파 탐상 기법은 여러 개의 미소 발 진자로 구성된 배열 탐촉자를 사용하여 시편내부로 진행하는 초음파의 전파 각도와 집속 위치를 전자 적으로 조절한다. 그리고, 초음파 신호의 수신시 각 각의 미소 발진자가 받아들이는 신호를 전자적으로 처리하여 시험편 내부의 영상을 실시간으로 획득할 수 있는 기법이다. PAUT 시험은 조향 기법을 이 용하여 초음파 빔의 각도를 조절할 수 있기 때문에 웨지의 변경없이 훅 3개를 동시에 검사가 가능한 장점을 가지고 있다.

PAUT 탐촉자는 초음파의 시간지연 (time-delay) 를 이용하여 굴절각을 변화 할 수 있지만, 한정된 각을 넘어가면 grating lob가 발생하게 되어 원하 는 지점으로 음압의 집속이 어렵게 된다. 따라서, 입사각이 크면 웨지를 적용한 상태에서 최소한의 조향을 이용하여 초음파 영상을 획득해야한다. 저 압 터빈 dovetail의 경우 단별로 입사점 및 입사각 이 각각 다르기 때문에 단별로 웨지를 다르게 제작 해야한다. 위상배열 탐촉자는 64 CH. 탐촉자를 사 용하였고 웨지는 각 단에 맞게 제작하였다. Fig. 10 은 본 연구에서 적용한 탐촉자 및 웨지의 형상을 보여주고 있다.

Fig. 11은 저압 터빈 5단 dovetail mock-up 시편

에서 위상배열 초음파탐상 기법을 이용하여 결함을

획득하고 있는 모습을 보여주고 있다. Dovetail 검사

(a)

(b)

(c)

Fig. 12 Defect data of phased array ultrasonic testing in 5nd stage dovetail mock-up.

Defect signals in (a) 1st hook, (b) 2nd

hook, and (c) 3nd hook Fig. 13 Inspection using developed method and system in LP turbine

는 탐촉자 접촉 지점에서 반대쪽 hook을 검사하게 된다. 따라서, 한단에 두 번의 검사를 수행해야한다.

Fig. 12의 (a), (b), (c)는 5단 dovetail mock-up에 서 각각 1, 2, 3번 hook에 있는 notch에 대한 결함 신호를 보여주고 있다. 하나의 위상배열 초음파 탐 촉자와 웨지를 이용하여 한번에 3개의 hook에 있 는 결함 신호를 획득하는데 성공하였다. Fig. 12의 우측에 있는 이미지는 위상배열 초음파시험이 조향

을 통해 스캔없이 한번에 획득한 이미지이며, 왼쪽 에 있는 A-scan 신호는 이 이미지를 구성하는 신 호중 하나이다. 위상배열 초음파탐상시험은 이와 같이 한번에 이미지 및 A-scan 신호를 동시에 획 득해서 분석하는 장점을 가지고 있다. Dovetail의 경우 복잡한 hook의 형상으로 인해 반사신호가 혼 입되므로 결함 신호와 구별하기 위해서는 반드시 실제 형상과 동일한 mock-up을 이용해 획득한 신 호와 비교․평가해야한다.

4. 성능 검증

개발된 기법 및 자동화 스캐너를 현장 가동중 터 빈 비파괴검사에 적용하여 성능검증을 수행하였다.

자동화 스캐너를 set-up을 한 후에 key, disc 내표

면부, 그리고 dovetail에 대한 검사를 수행하였으며

검사중에 취득된 데이터를 mock-up 시편에서 취득

한 데이터와 비교․평가를 통하여 결함의 유무를

확인하였다. mock-up 시편의 기하학적 형상에서

발생되는 초음파신호와 실제 가동중 터빈에서 나온

신호의 진폭 및 거리를 동일하게 맞추어 탐촉자의

위치 및 초음파탐상기를 설정한 후 검사를 수행하

였다. Fig. 13은 개발된 검사 장치로 가동중검사를 수행하는 모습을 보여주고 있다. 스캐너가 각 단별 로 이동을 용이하기 위해서 레일을 설치하고, 모터 케이블 등을 연결한 후 개발된 지그를 탐촉자에 부 착하여 검사를 수행하였다. 본 현장 검증 시험에서 개발된 검사 시스템에 의해 초음파 데이터들을 성 공적으로 취득하였으며 mock-up 시편의 데이터와 비교하여 결함판정을 수행하였다.

5. 결 론

본 연구에서는 한국표준형원자력발전소의 Shrunk- on type 저압터빈의 가동중검사를 위한 초음파검사 기법 및 장치를 개발하였다. 개발된 기법의 검출능 검증 및 수집된 데이터의 평가를 위하여 실제 저압 터빈과 동일한 2.5Ni-Cr-Mo-V 소재로 실물 크기의 mock-up을 제작하여 인공 결함을 삽입하였다. 제작 된 mock-up 시편을 이용하여 P.E와 TOFD 기법을 disc 내표면부 검사에 적용하였고, 위상배열 초음파 기법을 dovetail 검사에 적용하였다. 또한 터빈의 가 동중검사를 위하여 초음파탐상 기법의 자동화 및 신 호 취득의 효율성을 높일 수 있는 자동화 스캐너를 제작하였다. 본 연구에서 개발된 기법 및 장치를 조 립된 상태의 가동중 터빈의 검사에 적용한 결과 신 뢰성 있는 터빈의 운전에 요구되는 결함의 검사가 가능한 것으로 판단되었으며, 향후 장치의 개선을 통하여 화력발전소 등 다른 종류의 터빈에도 확대 적용할 수 있을 것으로 예상된다.

참고문헌

[1] 터빈 발전기 실무, 두산중공업 연구보고서 (1999) [2] 양승한, 이정빈, 김영호, 윤병식, 김용식, "원자 력 발전소 저압 터빈 동익 자동 초음파검사 기 술 개발", 비파괴검사학회지, Vol. 24, No. 4, pp. 371-377, (2004)

[3] 조용상, 정계조, 박상기, 김재훈, "위상배열 초 음파를 이용한 터빈 블레이드 루트부내 결함평 가 기법 연구", 비파괴검사학회지, Vol. 24, No. 2, pp. 151-157, (2004)

[4] 유승우, 장희준, 박현근, 성운학, 박준수, "로터 중심공 자동 초음파검사 시스템 개발", 한국비 파괴검사학회 추계학술대회 논문집, pp. 181- 185, (2006)

[5] 유승우, 장희준, 장욱진, 성운학, 박준수, "터빈 디스크에 대한 자동 초음파탐상", 한국비파괴검 사학회 춘계학술대회 논문집, pp. 433-442, (2006) [6] U. H. Seong and J. T. Kim, "A relationship

between UT reported sizes and actual sizes of defects in rotor forgings," Journal of the Korean Society for Nondestructive Testing, Vol. 25, No. 6, pp. 483-486, (2005)

[7] J. S. Park, S. J. Song and H. J. Kim,

"Calculation of radiation beam field from phased array ultrasonic transducers using expanded multi-Gaussian beam model,"

Solid State Phenomena, Vol. 110, pp. 163-168,

(2006)