Characteristics of Eddy Current Signals of Axial Notches in Steam Generator U-bend Tubes using Rotating Pancake Coils

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(1)한국압력기기공학회 논문집 제8권 제3호 2012년 12월 pp. 7 󰡈 12. 회전코일 와전류신호를 이용한 증기발생기 곡관형 튜브의 축방향노치 신호의 특성 김창수† ․ 문용식*. Characteristics of Eddy Current Signals of Axial Notches in Steam Generator U-bend Tubes using Rotating Pancake Coils †. *. Chang-Soo Kim and Yong-Sig Moon. (Received 14 September 2012, Revised 25 October 2012, Accepted 12 November 2012). ABSTRACT Steam generator tubes are critical boundary of the primary and secondary side in nuclear power plants. Eddy current testing is commonly used as the method of non-destructive testing for the safety and integrity of steam generator tubes in the nuclear power plants. Changes in the geometric shape act as a stress concentration factor likely to cause a defect during the steam generator operation. The mixed-signals with the geometric shape are distorted and attributes that are difficult to detect signals. An example is bending stress due to compression process at a U-bend occurring in the intrados region which has a small radius of curvature. The resulting change in the geometric shape may lead to a dent like occurrences. The dent can cause stress concentration and generates stress corrosion cracks. In this study, the steam generator tubes of nuclear power plant were selected to study for analysis of mixed-signal containing dent and stress corrosion cracks. Key Words : steam generator(증기발생기), eddy current(와전류), rotating pancake coil(회전코일), dent signal(덴트 신호), axial crack(축방향 균열). 1. 서 론 원자력발전소 증기발생기는 터빈을 구동시키는 증 기를 발생시키는 역할을 하며, 내부에 설치된 세관은 1차계통과 2차계통의 압력경계를 이루는 주요한 구 성품으로 각 증기발생기에는 4,000∼10,000여개의 “∩” 자형 및 “⊓”자형 세관이 설치되어 있다. 세관 재질은 인코넬 600이 주종을 이루며, 최근에는 부식저항성이 향상된 인코넬 690 재질의 세관이 설치된다. 증기발생기의 세관에 대한 와전류검사는 보빈탐촉 † 책임저자, 회원, 한국수력원자력(주) 중앙연구원 E-mail : [email protected] TEL : (042)870-5031 FAX : (042)870-5658 * 한국수력원자력(주) 중앙연구원. 자를 이용하여 전체 세관에 대하여 검사를 수행하고, 정밀진단이 요구되는 세관은 회전코일 탐촉자를 이 용하여 수행한다. 증기발생기 세관은 벽 두께가 약 1mm이고, 고온․고 압 환경에 노출되어 세관의 내 ․ 외부에 다양한 결함 이 발생한다. 증기발생기에 발생하는 손상 메커니즘 에서 특히 세관의 확관공정, 굽힘공정 등의 제작공정 중에 덴트(dent), 벌지(bulge), 제작연마흔적 등의 기하 학적 형상변화가 발생하고, 운전 중에는 부식생성물 1). 에 의한 덴트가 발생한다 . 기하학적 형상변화는 응력집중 요인으로 작용하여 운전 중에 균열결함을 유발할 수 있으며, 기하학적 형 상변화가 있는 부위에 결함이 발생하면 일부 결함지 시를 왜곡시켜 결함의 탐지 및 크기측정을 어렵게 하.

(2) 8. 김창수 ․ 문용식. Fig. 1 Configuration for U-bend tube. 는 요인으로 작용한다. 해외원전의 경우 이러한 비정 상적 지시로 인한 세관 누설사례가 종종 발생하고 있 다2,3). Fig. 1은 “∩” 자형 곡관부 1열의 세관 형상으로서, 저단열 곡관부의 안쪽에 존재하는 덴트신호가 응력 부식균열을 유발하는 경우가 발생한다. 덴트신호와 응력부식균열이 혼합되어 나타난 복합신호는 세관 곡관부의 곡률 반경이 작은 1∽3열에서 주로 발생하 며, 결함신호가 왜곡되어 결함탐지를 어렵게 한다. 세관의 곡관부에는 굽힘공정으로 인한 접선신호 또 는 덴트에 의한 기하학적 형상변화가 발생한다. 기하 학적 형상변화가 발생한 곳에서 결함신호가 발생하 는 경우에는 기하학적 형상변화가 결함신호를 왜곡 시켜 결함신호의 특성을 이해하기 어렵게 한다. 본 연구에서는 증기발생기 세관에 발생하는 다양 한 기하학적 형상변화 중에서 곡관부에서 덴트와 축 방향 노치가 혼합되어 나타나는 복합신호에 대한 와 전류신호의 특성을 분석하고자 한다.. 2. 이론적 배경. Fig. 2 Dent signal in bending area at U-bend. 2.1.2 굽힘공정의 기하학적 형상변화 증기발생기 세관은 굽힘공정을 통하여 “∩”자형 및 “⊓”자형 세관을 제작한다. 따라서 세관의 직관부와 곡관부의 경계부에 기하학적 형상변화와 응력부식균 열이 발생할 수 있다. Fig. 2는 증기발생기 세관에서 “∩”자형으로 굴곡된 곡관부에 발생한 기하학적 형상변화의 와전류신호를 보여주고 있다. 곡률반경이 작은 저단열에서 발생한 기하학적 형상변화 신호는 위상이 180°로서 곡관부의 정점 안쪽에서 발생하는 것으로 확인되었다. 2.1.3 운전중에 발생하는 기하학적 형상변화. 2.1 세관의 기하학적 형상변화. 증기발생기 운전 중에는 계통에서 부식생성물이 발 생하여 세관의 외면에 축적된다. 부식생성물은 주로 튜브시트 상단, 관지지판 및 세관외면에 축적되어 덴. 2.1.1 확관공정의 기하학적 형상변화. 트를 생성한다.. 와전류검사에서 튜브시트의 확관신호는 대략 0°로 서 Bulge 신호와 같은 위상각을 갖는다. 확관신호는. 2.1.4 기하학적 형상변화가 와전류에 미치는 영향. 튜브시트 신호와 합쳐져서 두 성분이 합성한 형태로. Fig. 3은 세관의 확관신호, 내경신호, 덴트, 탐촉자 흔들림, 마그네타이트에 대한 전형적인 와전류신호의 형태를 보여주고 있다. 확관신호는 왼쪽방향으로 향. 나타나 진폭이 매우 크게 되며 결함의 탐지를 방해하 는 특성이 있다.. Transaction of the KPVP, Vol. 8, No. 3.

(3) 9. 회전코일 와전류신호를 이용한 증기발생기 곡관형 튜브의 축방향노치 신호의 특성. 하여 위상각이 0°이고, 덴트신호는 오른쪽방향으로 향하여 위상각이 180°에 가깝게 되며 탐촉자 흔들림. 로 인한 덴트신호는 발생원인이 부식생성물로 인한 눌림으로 발생한 덴트신호와는 분명히 다르지만, 신. 신호는 160° 정도의 위상각을 갖는다. 즉, 확관신호와 덴트신호는 위상각이 수평에 가깝게 되며, 내경신호 는 확관신호와 관통홀 사이의 위상각을 가지며, 외경. 호의 형상은 비슷하여 와전류신호로서 구분하기는 용이하지 않다.. 신호는 관통홀과 탐촉자 흔들림신호 사이의 위상각 을 갖는다. 확관신호, 덴트 등의 기하학적 형상변화가 존재하. 2.2.2 부식생성물에 의한 덴트신호의 특징 부식생성물에 의한 눌림으로 생성되는 덴트신호는 증기발생기 운전 중에 마그네타이트 등과 같은 계통. 는 곳에서 결함신호가 발생하면 와전류신호는 왜곡 된다. 기하학적 형상변화가 있는 곳에 생성된 결함신 호의 진폭이 충분히 큰 경우에는 결함신호가 비교적. 내의 부식생성물이 축적되어 세관의 외경이 국부적 으로 감소하는 현상이다. 따라서 부식생성물에 의한 눌림으로 생성되는 덴트신호는 기계적눌림 신호와는. 잘 탐지되지만, 결함신호의 진폭이 작은 경우에는 수 평성분을 갖는 기하학적 형상변화의 영향으로 결함 신호가 왜곡되어 탐지가 어렵게 된다.. 다르게 날카로운 형태로는 나타나지 않으며 대체로 완만한 신호변화를 나타낸다.. 2.2 덴트신호의 특징 2.2.1 기계적눌림에 의한 덴트신호의 특징 기계적 눌림으로 발생한 덴트는 세관의 제작, 가공 및 정비 또는 운전 중에 기계적인 힘이 세관의 외면 에 가해져서 두께감소 없이 안쪽으로 찌그러질 때 생 성된다. 따라서 덴트신호는 세관에 가해지는 힘의 정 도와 물체의 형상에 따라서 신호형상이 변한다. 덴트 신호는 일반적으로 구, 길이 또는 원주방향으로 날카 롭게 찍힌 형태 등으로 다양하게 나타난다. 덴트신호의 형상이 예리할수록 응력집중이 증가하 여 결함이 발생할 가능성이 크게 된다. 기계적 눌림으. 2.3 곡관부의 굽힘응력 및 열응력 세관의 첫째열의 굽힘응력  를 계산하면 다음과 같이 계산할 수 있다.           ×  ×       . 여기에서, 종탄성계수    ×              곡률 반경    Table 1은 OPR-1000형 증기발생기 세관의 열 번호 에 따른 곡률반경과 굽힘응력에 대한 정보를 보여준 다. 1∼3번 열의 굽힘응력이 17번 열보다 대략 3배 정 도 큰 값을 보이고 있다. 따라서, 세관의 열 번호가 낮 은 곳에서 굽힘응력이 크게 되어, 저단열에서 응력부 식균열이 더 쉽게 발생할 수 있다. Table 1 Variables for tubes in row number of steam generator Row No.. Curvature radius(ρ) (cm). Bending Stress 2 (kg/cm ). 1. 7.62. 261,811. 2. 8.89. 224,409. 3. 10.16. 196,358. 16. 26.67. 74,803. 17. 27.94. 71,403. ∼. Fig. 3 EC signals from a typical calibration tube. 한국압력기기공학회 논문집 제8권 제3호 2012년 12월.

(4) 10. 김창수 ․ 문용식. Table 2 Artificial flaw specification for dent and notch at U-bend tubes No. Artificial flaw. Dimensions dent. 설정하였다. 축방향 균열 탐지용 코일은 표준시험편 의 40% 깊이 축방향 노치의 위상을 15°로 조정하고, 신호진폭은 기본주파수 채널인 300kHz에서 100% 축. notch. 1 Dent＋I.D axial - depth : 0.6mm - depth : 20,40,60% - length : 10mm - length : 5mm 2 Dent＋O.D axial - width : 0.2mm - width : 2mm. 방향 노치신호를 20 volts로 설정한 후 나머지 채널에 대해서 정규화 하였다. 원주방향 균열 탐지용 코일은 노치표준시험편의 40% 원주방향 노치의 위상을 15°로 조정하고, 신호 진폭은 기본주파수 채널에서 100% 원주방향 노치 신 호를 20 volts로 설정한 후 나머지 채널에 대해서 정 5,6). 규화 하였다 .. 4. 실험결과 및 고찰 (a) dent＋O.D axial notch. (b) dent＋I.D axial notch. Fig. 4 Dent and axial notch configuration at U-bend tubes. 4.1 덴트와 축방향 내경노치 신호분석 Fig. 5는 0.6mm 깊이 덴트와 40% 깊이 축방향 내경 노치가 가공된 시편의 와전류신호이다. 덴트 신호의 영향이 거의 미치지 않으며 신호의 형태도 왜곡되지. 3. 실험장치 및 방법. 않고 있다. Fig. 6(a)는 0.6mm 깊이 덴트와 60%, 40% 및 20%. 3.1 시편설계 및 제작 증기발생기 곡관부 현장검사 경험을 바탕으로 덴트 신호와 축방향 균열은 압축응력이 발생하는 곡관부 의 안쪽(intrados)에서 발생하는 것으로 확인되었다. 따라서, 곡관부 안쪽의 외면에 덴트를 가공한 후 여기 에 내 ․ 외면 축방향노치를 가공하였다. Table 2는 곡관부에 가공한 덴트와 노치의 사양을 보여주고 있으며, Fig. 4는 제작도면이다. 회전코일 와전류검사 신호수집 및 평가를 위하여 다중주파수 검사 기법을 적용하며 4개 주파수를 사용 하였다. 400kHz는 최적주파수, 300kHz는 검출주파수, 150kHz는 참조 주파수, 20kHz는 지지구조물 검출용 주파수이다. 곡관부 검사를 위한 회전코일은 직관부 검사용 탐 촉자로는 삽입이 되지 않기 때문에 잘 구부려지도록 고안되고, 탐촉자 직경이 다소 작은 것을 사용한다. 따라서 곡관부 검사용 회전코일 탐촉자는 플러스포 인트 코일 하나가 설치되어 있다. 3.2 신호평가 변수 설정 회전코일 탐촉자를 이용한 와전류신호의 설정은 축 방향 및 원주방향 균열 탐지용 코일로 각각 구분하여. Transaction of the KPVP, Vol. 8, No. 3. 깊이의 축방향 내경노치가 각각 조합된 시편의 와전 류신호에서 진폭의 추이변화를 보여주고 있다. 복합 신호의 진폭은 노치깊이에 비례하여 증가하고 있는 것을 확인하였다. Fig. 6(b)는 0.6mm 깊이 덴트와 60%, 40% 및 20% 깊이의 축방향 내경노치가 각각 조합된 시편의 와전 류신호에서 위상각의 추이변화를 보여주고 있다. 복 합신호의 위상각은 가공깊이에 다소 비례하고 있다.. Fig. 5 EC signal for 40% depth I.D axial notch at the 0.6mm depth dent.

(5) 회전코일 와전류신호를 이용한 증기발생기 곡관형 튜브의 축방향노치 신호의 특성. Fig. 6(a) Amplitude for I.D axial notch at the 0.6mm depth dent. Fig. 6(b) Phase for I.D axial notch at the 0.6mm depth dent. 11. Fig. 8(a) Amplitude for O.D axial notch at the 0.6mm depth dent. Fig. 8(b) Phase for O.D axial notch at the 0.6mm depth dent. Fig. 8(a)는 0.6mm 깊이 덴트와 60%, 40% 및 20% 깊이의 축방향 외경노치가 각각 조합된 시편에 대한 와전류신호의 진폭을 나타낸 그래프이다. 진폭은 노 치깊이와는 무관하게 거의 비슷하게 나타나고 있으 며, 진폭값과 노치깊이 사이에는 연관성이 없는 것을 확인되었다. Fig. 8(b)는 0.6mm 깊이 덴트와 60%, 40% 및 20% 깊이의 축방향 외경노치가 각각 조합된 시편에 대한 와전류신호의 위상각을 나타낸 그래프이다. 위상각은 노치깊이와 다소 비례하여 증가하는 특성을 보였다. Fig. 7 EC signal for 60% depth O.D axial notch at the 0.6mm depth dent. 4.2 덴트와 축방향 외경노치 신호분석 Fig. 7은 0.6mm 깊이 덴트와 60% 깊이 축방향 외경 노치가 가공된 시편의 와전류신호이다. 그림의 복합 신호에서 신호 형태는 왜곡되지 않으며 순수한 축방 향 노치신호와 같게 나타나고 있다.. 5. 결 론 본 연구에서는 증기발생기 세관의 곡관부에 생성되 는 기하학적 형상변화의 한 형태인 덴트와 축방향 응 력부식균열이 혼합된 복합신호에 대한 와전류신호의 특성을 분석하기 위하여, 덴트에 축방향노치를 가공 한 시편의 와전류신호를 취득하여 신호특성을 검토. 한국압력기기공학회 논문집 제8권 제3호 2012년 12월.

(6) 12. 김창수 ․ 문용식. 하였다. 1) 덴트와 축방향노치가 혼합된 복합신호는 와전류. 참고문헌. 신호의 형상이 왜곡되지 않았다. 2) 덴트와 축방향 내경노치가 혼합된 복합신호에 서 진폭은 노치깊이에 비례하여 뚜렷이 증가하며, 위. 1. V.S. Cecco, RC-1433 “Innovations in Eddy Current Testing”, pp. 15-21, 1995. 2. Westinghouse, MRS-TRC-1254, “Comparison of EDM Notch in Expansion Transition versus Freespan”, 2002. 3. NRC(미국 원자력규제위원회), IN 2004-16 “Tube Leakage due to a Fabrication Flaw in a replacement Steam Generators”, pp. 1-5, 2004. 4. ASNT, “Nondestructive Testing Handbook, Eddy Current, Flux Leakage and Microwave nondestructive Testing”, pp. 252-264, 1986. 5. 한국수력원자력, “증기발생기 와전류탐상검사 지 침서”, 2012. 6. 한국수력원자력, “한국표준형 증기발생기 와전류 탐상검사 신호평가 지침서”, 2012.. 상각은 가공깊이와 비례하나 변화량은 작은 특징을 보이고 있다. 3) 덴트와 축방향 외경노치가 혼합된 복합신호에서 진폭은 노치깊이와 무관한 특징을 나타내며, 위상각 은 노치깊이와 비례하여 증가하는 특징을 보인다. 본 연구에서는 지금까지 연구에서 관심있게 다루어 지지 않았던 기하학적 형상변화의 한 형태인 덴트와 축방향노치가 혼합되어 나타나는 복합신호에 대한 와전류신호의 특성을 분석함으로써, 증기발생기 세관 의 신호평가에 많은 도움을 줄 수 있을 것으로 기대 된다.. Transaction of the KPVP, Vol. 8, No. 3.

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