원자로 BMI 노즐 검사를 위한 자동화 비파괴검사 시스템 개발 Development of Automated Nondestructive Inspection System for
BMI Nozzles in Nuclear Vessel
박준수* , 이원근*, 한원진*, 이선호*, 성운학*
Joon Soo Park* , Won Kun Lee*, Won Jin Han*, Sun Ho Lee* and Un Hak Seong*
초 록 원자로 BMI 노즐은 원자력발전 설비의 운영을 위한 핵심요소 중 하나이며 하부헤드에 설치되어 있 다. 상부헤드에 비해 비교적 저온영역에 있지만 최근 외국사례에 비추어 볼 때 PWSCC의 발생 가능성이 크 기 때문에 가동중 비파괴검사가 반드시 필요하다. 그러나 BMI 노즐은 원자로 하부에 있기 때문에 고방사선 구역이며 원자로 내부는 붕산수로 채워져 있기 때문에 접근이 매우 어렵다. 본 연구에서 BMI 노즐 검사를 위하여 TOFD를 이용한 탐촉자를 개발하였고, 자동화검사를 위해 내방수 기능을 가진 스캐너를 개발하였다.
또한, BMI 노즐과 동일한 재질 및 형상으로 인공결함시험편을 제작하여 자동화 비파괴검사 시스템의 성능검 증을 수행하였다.
주요용어: 원자로, BMI 노즐, TOFD, 자동화 스캐너
Abstract BMI nozzles in bottom head of the nuclear vessel are one of major components in nuclear power plants.
The BMI nozzles have high possibility to generate PWSCC(primary water stress corrosion crack) according to recent foreign case although operation temperature is lower then the upper head of the nuclear vessel. Thus, nondestructive inspection of the BMI nozzles is required. But, inspection of BMI nozzles is not easy since the BMI nozzles placed in high radiated area and inside the nozzles filled with boric acid. Thus, in this study, a TOFD transducer for inspection of BMI and automated scanner system with water were developed. Also, validation of performance of the developed transducer and system are performed using specimens with artificial defects.
Keywords: Nuclear Vessel, BMI Nozzle, TOFD, Automated Scanner
[접수일: 2013. 1. 2, 수정일: 2013. 2. 6, 게재확정일: 2013. 2. 7] *두산중공업(주) 기술연구소, ✝Corresponding Author: R&D Institute, Doosan Heavy Industries and Construction Co., Ltd., Changwon 641-792, Korea (E-mail:
2013, Korean Society for Nondestructive Testing
1. 서 론
1970년대 이후 집중적으로 건설되어 상업 운전 중인 국내 원자력발전소의 운전년수가 증가함에 따라 건전성 확보에 대한 사회적 우려가 매우 심 각한 문제로 대두되고 있다. 이러한 사회적 우려 를 해소하고 원전을 안전하게 운영, 관리하기 위 해서는 적절한 원전 수명관리 규제 기술의 확보 가 무엇보다도 중요한 과제이다. 현재 가동중인 원자력발전소의 건전성 확보를 위해 주기적인 가 동중검사(in-service inspection: ISI)와 온라인 모니
터링(on-line monitoring)을 통한 운전 중 감시가 실시되고 있다. 이러한 프로그램에서는 원전 주 요 기기의 열화 및 노후화 감지를 위한 다양한 비파괴검사가 수행되고 있으며, 이러한 비파괴검 사의 결과를 바탕으로 파괴역학적 관점에서의 수 명평가가 수행되고 있다.
비파괴검사 기술은 수명관리의 첫 단계이며, 그 이후 이어지는 모든 수명관리 활동에 대한 기 본 자료를 제공하는 핵심 과정이기 때문에 그 신 뢰성 확보가 무엇보다도 중요시되고 있다.
원자로 BMI (bottom mounted instrument) 노즐
Fig. 1 Schematic diagram of BMI nozzle inner side inspection system 은 원자력발전 설비의 운영을 위한 핵심요소 중
하나이며 하부헤드에 설치되어 있어 비교적 저온 영역이지만 Alloy 600 소재가 가지고 있는 PWSCC (primary water stress corrosion cracking) 문제에서는 자유롭지 못하다. 무엇보다도 BMI 노즐의 PWSCC 균열이 발생할 경우 노즐 교체가 어렵고, 고 방사선구역으로 인하여 고난이도의 정비기술이 필요하다. 따라서 원자로 BMI 노즐 에 발생되는 균열을 조기에 검출하고 그 크기를 정확하게 검사하여 예기치 않은 대형사고를 미연 에 방지하는 것이 원자로 구조물의 신뢰성 확보 를 위해 중요하다고 할 수 있다.
원자로 BMI 노즐의 비파괴검사는 노심 구조물 의 존재로 인하여 10년 주기 핵연료 교체시점에 진행한다. 이때 수행되는 비파괴검사 기술로는 노즐 내면 자동 UT 탐상 및 ECT 탐상장치와 각 각에 대한 검사 기법이 필요하다. 노즐 내면 UT 탐상에 있어서 핵심기술은 최대 두께 약 30 mm 에 이르는 두꺼운 노즐 내부에 존재하는 균열에 대한 검출 정확도를 확보하는 것이다. 또한 노즐 과 원자로 하부헤드를 결합하는 용접부와의 경계 부분에 존재하는 균열도 검출할 수 있어야 한다.
원자로 내부 수중 및 방사능 환경에서 작동되는 자동탐상시스템의 스캐너의 개발도 중요하다.
본 연구에서는 균열선단에서 발생하는 초음파 의 회절현상을 이용하는 비행시간회절(time-of- flight diffraction; TOFD) 기법을 기반으로 노즐 모재 균열 크기 측정 기법을 적용하였고, 노즐
내면의 표면균열 검출을 위해 ECT 탐촉자를 적 용하였다.
자동화검사 구현을 위하여 개발된 탐촉자의 장 착이 가능한 스캐너를 개발하였다. 스캐너는 주 위 구조물과의 간섭이 발생하지 않으면서도 검사 중 정밀도를 유지하도록 설계하였다. 그리고 원 자로 내부의 수중 및 방사능 환경에서도 작동이 가능하도록 설계하였다.
2. 원자로 BMI 노즐 검사
가압경수로 원전의 원자로 하부헤드에 설치된 BMI 노즐은 원자로 내부 상태를 측정하는 노심 계측기기를 안내하는 역할을 한다. 이들 노즐은 내경 10~20 mm의 관통관으로써 호기당 36~50개 이며 운전중 온도는 약 290℃이다.
BMI 노즐은 운전온도가 비교적 저온영역으로 써 Alloy 600 소재의 PWSCC 발생에 덜 민감한 것으로 알려져 있었다. 하지만 2003년 4월 미국 South Texas Project 1호기 (STP-1) 원전에서 발생 한 축방향 관통 균열에 의한 붕산수 누출 사고가 발생한 이후 더 이상 안전지대가 아님이 확인되 었다. STP-1 사고 이후로 미국 NRC에서는 기존 의 검사 프로그램인 bare metal visual (BMV) 검사 이외에 10년 핵연료 교체 주기 중 원자로 압력용 기 가동중검사 주기와 연계하여 BMI 노즐의 체 적검사를 권고하고 있다[1-3].
(a) (b)
Fig. 2 Pretest of TOFD method to find optimum conditions: (a) circumferential TOFD, (b) axial TOFD
(a) (b)
Fig. 3 TOFD signals obtained from (a) 4mm notch and (b) 6mm notch in the standard test block 2.1. 초음파장비의 구성
전체적인 BMI 노즐 내면 검사 시스템의 구성 은 아래 Fig. 1과 같다. 실제 검사를 수행하는 일 체형 탐촉자와 이를 구동하는 자동화 스캐너, 그 리고 이들을 컨트롤하는 제어시스템으로 구성되 어 있다. 초음파 및 ECT 발생장치는 R/D-Tech의 MS5800을 사용하였고, 초음파 신호 수집을 위한 프로그램은 Tomoview를 사용하였으며, ECT 신호 수집을 위한 프로그램은 Multiview를 사용하였다.
2.2. BMI 노즐 검사용 탐촉자
BMI 노즐 내면 탐상을 수행하는 일체형 탐촉 자를 개발하기 위하여 아래 Fig. 2에 보인 바와 같이 예비 시험을 통하여 진동자의 간격, 입사각 도, 그리고 주파수 등의 조건을 선정하였다.
초음파 진동자의 크기는 3 mm로 제작하였고, 각각 노즐 내외면의 축, 원주방향 균열을 탐상할
수 있도록 일체형으로 배치하였다. 제작된 일체 형 탐촉자에는 축, 원주방향 TOFD기법 적용을 위한 진동자 5 MHz 2쌍, 축방향 및 원주방향 균 열검사를 위한 사각탐상용 5 MHz 진동자, 내부 결함 및 노즐 두께 변화 탐사용인 10 MHz 수직 탐상용 진동자 그리고 노즐 내부 표면 탐상을 위 한 ECT 센서 2개가 각각 배치되어 있다. 이와 같은 일체형 탐촉자로 제작한 이유는 TOFD 탐 상기법의 취약 부분인 노즐 내면 표면 부분과, 저면 부분의 사각지대에 대한 검출능을 보완하기 위한 것이다.
Fig. 3은 개발된 일체형 탐촉자를 이용하여 각각 축/원주방향 인공결함에 대하여 TOFD 탐상을 한 실험결과들이다. 각 실험 데이터에서 lateral wave, crack tip signal, back wall signal을 볼 수 있다.
TOFD 실험을 통한 인공결함 크기 산정 결과 실제 크기와 측정 결과가 비교적 일치하는 결과 가 나왔다. 하지만 노즐 내부 및 외부 표면 근방 에 존재하는 결함에 대하여는 initial 신호와 back
(a) (b)
Fig. 4 (a) ECT signals from 4 mm notch and (b) angle beam ultrasonic testing signals from 2 mm notch in the standard test block
(a) (b)
Fig. 5 Integrated probe for inner side inspection of BMI nozzle: (a) front side, (b) back side wall 신호에 묻혀 명확한 탐상이 곤란하였다. 이
를 보완하기 위하여 각각 ECT 탐상과 사각탐상 을 수행하였다. Fig. 4는 ECT 탐상과 사각탐상 결과들이다.
Fig. 5는 예비시험을 기초로 각각 소자를 모듈 화한 일체형 탐촉자의 모습이다. 전면과 후면에 탐상 센서들이 배치되어 있으며 노즐 내면에 접 촉이 용이하도록 각각의 탐촉자 뒷면에 스프링이 설치되어 있다. 또한, 노즐 내면으로 탐촉자가 진입할 때 용접으로 인한 노즐 내경 변형에 대응 할 수 있도록 관절 구조로 되어 있다.
2.3. BMI 노즐 검사를 위한 자동화 스캐너 설계 및 제작
가동 중 원자로 BMI 노즐 내면 검사용 스캐너 는 컴퓨터로 제어하여 자동으로 BMI 노즐 내면 을 검사할 수 있는 장치로 구성되어있다. 스캐너 의 모든 작동은 자동이며, 탐상 중 정밀도를 유 지하여야 하고 오작동, 불안정한 움직임, 그리고 불필요한 이동이 없도록 하였다. BMI 노즐 내면 검사를 위한 스캐너 장비는 2축으로 이루어져 있고, 15~20 m 수중 및 방사능 환경에 적합하도 록 설계하였다. 방사능 환경에서는 일반적으로 사용되고 있는 엔코더와 카메라가 정상적으로 작
동하지 않는다. 스캐너의 위치정보를 확인하기 위하여 일반적인 엔코더 대신 리졸버(resolver) 엔코더를 적용하였다. 또한, 스캐너의 위치를 확 인하기 위하여 내방수 기능 및 내 방사선 기능을 가진 카메라를 적용하였다. 기구부의 컨트롤러은 수동 및 자동제어가 모두 가능하도록 하여 만일 의 상황에 대처할 수 있도록 하였다. 발전소 예 방정비기간 중 발생할 수 있는 정전에 대비하기 위하여 UPS (무정전 전원장치)가 장착되어 있다.
Fig. 6과 같이 최외곽 BMI 노즐과 OPR-1000 하부 flow baffle과의 간격은 최소 약 12 mm로 매우 협소하다. 이로 인하여 최외각의 BMI 노즐 검사를 위해서는 자동화 스캐너의 크기가 최소화 되어야 한다. 스캐너 기구는 원통 좌표(회전, 반 경방향 움직임)에 상하 방향의 운동 기구로 되어 있다. 스캐너는 BMI 검사용 manipulator를 이용해 목표 검사 노즐에 전달된다.
Fig. 7은 내방수 성능을 실험하기 위한 가압 챔버이다. BMI 검사는 수심 15 m에서 검사를 수 행한다. 이를 구현하기 위해서 가압 챔버에서 가 혹한 환경인 3 bar의 압력을 가한 상태에서 각 축 의 모터 모듈에 대하여 30분 연속 작동 시험을 하였다. 챔버의 크기가 제한되어 있어서 자동화 스캐너의 주요 부품 모듈별로 실험을 수행하여 내방수성을 확인하였다.
Fig. 6 Outer nozzle and flow baffle
Fig. 7 Pressure chamber
Fig. 8 Scanner for inspection of BMI nozzle
Fig. 9 Interface of control program
Fig. 8은 가압 챔버의 부품 모듈별로 시험을 수행하여 합격한 부품을 조합하여 제작한 BMI 노즐 내면 검사용 스캐너의 형상이다.
모터 드라이버는 검사 툴에 미치는 노이즈를 최소화할 수 있는 방식을 사용하였고, 노이즈 발 생 가능성이 높은 AC 서보 모터 사용은 지양하 고, DC 서보 또는 BLDC 드라이버 사용하도록 하였다. DC 서보는 linear type 제어 방식을 사용 하였고, 자동검사 및 수동검사가 가능하며 속도 및 토크지령이 가능하도록 하였다. 스캐너와 제 어기와의 거리는 25 m 이상 이며 ethernet 통신을 이용하여 관리구역 외부에서 원격으로 제어가 가 능할 수 있도록 통신 시스템을 구축하였다.
Fig. 9는 제어 프로그램의 인터페이스 화면 모 습을 보여주고 있다. 모션 컨트롤러와 실시간으 로 통신하면서 사용자 인터페이스를 제공하고, 기구부 제어가 가능하도록 프로그래밍 되도록 하 였고 작업환경을 한 눈에 볼 수 있도록 3차원 그 래픽 인터페이스를 구축하도록 하였다. 인터페이 스는 원자로 BMI 노즐의 위치를 표현하고 이를 선택하여 작업 노즐 또는 설치 노즐을 설정할 수 있도록 하였다. 또한, BMI 노즐 내의 탐촉자 위 치를 3차원 그래픽으로 표현하도록 하였다.
3. 성능 검증 3.1. BMI 노즐 시험편
BMI 노즐은 Alloy 600 혹은 690을 사용하여 원자로 하부헤드에 J-groove 이종금속용접으로 장 착된다. Table 1은 대표적인 BMI 노즐의 형상과 제원에 대한 정보들이다. 시험편 제작에 사용된 BMI 노즐은 한국형 원자로 OPR-1000에 장착되 는 사양으로 1호기당 BMI 노즐은 45개가 장착된 다. Tabel 1에 나타나있는 노즐 사양은 No. 1&45 노즐로서 최외각부에 장착된 노즐에 해당된다.
이는 비파괴검사를 위한 접근성 및 형상이 가장 취약하여 우선적으로 고려되어야 하기 때문이다.
Fig. 10은 원자로 내에 용접으로 장착된 BMI 노 즐의 설계 도면이다.
BMI 노즐에 대한 비파괴검사 기법들의 성능 검증 및 calibration을 위해서는 실제 원자로 BMI 노즐과 동일한 재질, 크기 및 process로 제작된 결함시험편이 요구된다. 시험편의 인공결함을 가
Fig. 10 Schematic diagram of the No. 1&45 BMI nozzle
Table 1 Specifications of the BMI nozzle
Nozzle No. Length O.D (mm)
I.D (mm)
Thickness (mm) 1&45 1,263.57 76.2 19.05 28.58
Table 2 Specifications of artificial notches in standard test block
Length(mm) Depth(mm) Position (deg)
Circumferential notches
4 2 0
6 3 90
8 4 180
12 6 270
axial notches
4 2 0
6 3 90
8 4 180
12 6 270
(a) (b)
Fig. 11 Photograph of standard test block with artificial notches: (a) BMI nozzle, (b) BMI nozzle with J-weld 공하기 위하여 먼저 BMI 노즐에서 발생되는 결 함 유형을 바탕으로 표준시험편을 설계 및 제작 하였다. Table 2는 BMI 노즐 표면 및 내부에 삽 입하는 인공결함의 종류이다. 결함의 크기는 BMI 노즐 비파괴검사 선행사례분석을 통하여 선 진업체에서 적용된 검증시험 요건을 충족하도 록 선정하였다[4]. 이러한 결함 데이터를 바탕 으로 Fig. 11과 같이 실제 BMI 노즐의 내, 외 면상에 각각 원주, 축방향 결함을 내재한 시험 편을 설계하고 가공하였다. 분석사례를 통하여 인공결함의 크기는 각각 깊이 2~6 mm, 길이 4~12 mm로 하였다.
3.2. BMI 노즐 결함 검출 실험
개발된 탐촉자 및 스캐너를 결함시험편을 이용 하여 성능 검증을 수행하였다. 실제 원자로에서 검사하기 위해서는 manipulator에 스캐너를 장착 하고 이동시킨다. Mockup에서의 실험은 제작 중 인 manipulator가 완성된 후에 수행할 예정이다.
본 연구에서는 스캐너 성능 및 탐촉자의 결함 검 출능을 확인하기 위해서 지그에 스캐너를 고정하 고 결함 검출능 실험을 수행하였다. Fig. 12는 개 발된 스캐너와 탐촉자를 이용하여 결함 검출능 실험을 수행하고 있는 모습이다.
Table 3은 TOFD를 이용한 결함크기 산정 결과 이다. 축방향 및 원주방향이 인공노치에 대한 결 함 탐상 결과로써 결함 깊이의 오차가 1 mm 이 내로 확인되었다. 축방향 결함의 2 mm 깊이 노 치는 회절신호가 back wall echo에 묻혀 결함크기 확인이 불가능하였다. 축방향 3 mm의 경우 오차 율이 25.7%로 다소 크지만 노치의 크기와 TOFD
결함 크기 산정의 차이는 0.73 mm로서 실제 오 차 길이 차이는 크지 않는 것으로 판단된다.
Fig. 12 Photograph of inspection test in BMI nozzle
Table 3 Calculated results of TOFD method for circumferential and axial notches
Notch depth (mm)
Test results (mm)
Error (mm(%))
Circumferential notches
6 5.86 0.14(2.29)
4 4.10 0.10(2.6)
3 2.93 0.07(2.29)
2 2.05 0.05(2.6)
Axial notches
6 6.08 0.08(2.29)
4 3.75 0.25(6.32)
3 2.23 0.73(25.7)
(a) (b) (c)
Fig. 13 ECT signals obtained from (a) depth 0.3 mm notch, (b) 0.5 mm notch and (c) 1 mm notch
Fig. 13은 BMI 노즐 내 표면에 길이가 4 mm이 고, 깊이가 0.3 mm, 0.5 mm, 그리고 1 mm 인공 노치로부터 획득한 신호이다. 일체형 탐촉자에 장착되어 있는 주파수 500 KHz 인 pan cake type 의 ECT 센서를 사용하였다. 깊이 변화에 따라 진폭의 크기가 변화는 것을 알 수 있다.
4. 결 론
본 연구에서는 가동중 원자로 하부에 있는 BMI 노즐에 대한 비파괴검사를 위한 자동화 초 음파검사 시스템을 개발하였다. BMI 노즐 자동 화 검사시스템은 BMI 노즐 검사용 탐촉자, 자동 화 스캐너, pulser/receiver 등으로 구성된다.
이 시스템에서 BMI 노즐 전용 탐촉자는 2set의 TOFD 탐촉자, 사각탐촉자, 수직탐촉자 및 ECT 탐촉자로 구성된 하나의 모듈로 개발하였다. 한 편 개발된 탐촉자를 자동으로 검사할 수 있는 15 m 수중 방수가 가능한 자동화 스캐너를 개발 하였다. 개발된 자동화 초음파검사 시스템의 성 능검증시험을 위해 실제 OPR-1000 원전에 사용 되고 있는 Alloy 690 재질로 만든 BMI 노즐에 인공노치의 표준시험편을 제작하여 결함 탐상능 을 검증하였다.
향후 본 검사 스캐너를 BMI 노즐로 이동할 있 도록 manipulator와 연계하여 실제 크기의 원자로 mockup에서 BMI 노즐 검사를 수행할 예정이다.
후 기
본 연구는 지식경제부의 2010년 원자력연구개 발사업(원전기술혁신분야)의 연구자금 지원으로 수행되었다.
참고문헌
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