적외선열화상기술을 적용한 원전 배관 감육결함 검출에 관한 연구

Abstract

최근 장기가동으로 노후화된 원전의 수가 증가하고 있고, 그에 따라 원전 2차계통 설비의 문제로 인한 발전정지 사례가 증가하고 있다. 이러한 사례들은 피로, 부식, 감육 등에 의해 원전 2차계통의 각종 구조물에서 발생한다. 그 중 감육결함은 배관 내부 유체의 유동에 의한 부식의 가속화로 인해 발생하며, Cr 함량이 낮은 탄소강 배관에서 자주 발생한다. 이러한 감육결함은 사전 징후 없이 바로 손상으로 진행되고 모재부에서도 흔히 발생하며 배관의 건전성을 저하시키는 주요 원인 중 하나로 알려져 있다. 감육결함의 체계적인 관리를 위해서는 주기적인 검사가 필요하며, 특히 원전의 가동을 멈추지 않은 상태에서도 정밀검사가 요구된다. 대부분의 원전 2차계통 설비는 원자력발전소의 안전성과 직접적인 관련은 없으나 일부 기기는 고장 발생 시 출력 감소 또는 발전 정지로 이어져 경제적인 손실을 초래한다. 특히 원전 2차계통은 정상운전 중 운전원 또는 작업자들이 쉽게 접근하여 작업을 하는 곳으로 예상하지 못한 배관의 손상은 심각한 사회적 영향을 미치기 때문에 매우 중요하다. 그로인하여 주요설비에 대한 건전성 여부 확인을 위해 비파괴검사에 대한 관심이 고조되고 있고 비교적 안전하면서 빠르고 쉽게 측정할 수 있는 비파괴검사의 요구가 증대되고 있다. 현재 원전 2차계통에는 초음파검사, 와전류검사, 자기탐상검사 등 여러 가지 비파괴검사가 수행되고 있다. 이러한 비파괴검사는 적외선열화상기술을 포함하고 있다. 적외선열화상기술은 결함부와 미결함부의 온도차를 관찰하여 결함의 유무를 확인함으로써 기존의 비파괴검사에 대한 제약을 해결할 수 있을 것이고 현장에서의 활용도가 높을 것으로 예상된다. 따라서 본 연구에서는 원전 배관 내부의 감육결함을 검출하기 위하여 적외선열화상기술을 적용하였다. 적외선열화상기술을 적용하여 정상운전 중인 원전과 정비기간인 원전의 결함을 검출하기 위해서는 실제 원전과 비슷한 조건에서 시험이 수행되어야 한다. 이를 위하여 정비기간 중인 원전은 배관의 온도가 상온을 유지하므로 가열장치를 이용한 시험을, 정상운전 중인 원전은 배관의 온도가 고온을 유지하므로 냉각장치를 이용한 시험을 수행하였다. 가열 및 냉각장치를 이용한 시험에 앞서 본 연구에 적용 가능한 가열 및 냉각장치를 조사하고 검토하여 최적의 장치를 선정하여 가열 및 냉각효과와 시험조건을 알아보기 위한 유한요소 해석을 수행하였다. 수치적인 기법을 사용하여 수행된 유한요소 해석을 통하여 각 장치들의 가열 및 냉각효과를 확인할 수 있었고, 시험조건을 알아볼 수 있었다. 유한요소 해석 결과를 적용한 가열 및 냉각시험은 인위적으로 결함을 가공한 배관 시험편의 결함을 검출하는 결과를 얻을 수 있었다. 가열장치를 이용한 시험에서는 정비기간의 원전에 적용하여 결함을 검출할 수 있을 것으로 예측할 수 있었다. 반면에, 냉각장치를 이용한 시험에서는 결함을 부분적으로 검출할 수 있었고, 정상운전 중인 원전에 적용하기 위해서는 냉각장치를 개선 보완하는 것이 필요하다고 판단되었다. 본 연구의 결과를 통하여 적외선열화상기술을 이용한 신뢰성 있는 결함 검사 기술을 개발함으로써 2차계통 배관 설비에 대한 유지보수를 용이하게 할 수 있도록 하여 감육결함 검사 시 기초자료로 사용할 수 있도록 할 것이다. 또한, 원전 설비의 가동 효율과 가동 중단으로 인한 에너지 및 경제적 손실을 최소화할 수 있을 것으로 기대된다.