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원전 소구경 관통관 J-Groove 자동용접 정비기술 개발

원전 소구경 관통관 J-Groove 자동용접 정비기술 개발

  • 기자명 조홍석
  • 입력 2015.05.12 10:58
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▲ 2014 국제 원자력·방사선 엑스포 전시회 참여 및 기술홍보

[에너지코리아 5월호] 국내 원전은 현재 총 23기의 원자력발전소가 상업운전 중으로 국내 총 발전전력량의 약 30%를 담당하고 있어 국가 중요 기간산업설비로서의 중요한 역할을 담당하고 있다. 그러나 해외 원전의 운전경험에 비추어 볼 때 국내 원전도 가동년수의 증가에 따라, 초기 건설 원전에 적용된 Alloy 600 이종금속용접부에서의 일차수응력부식균열(PWSCC) 발생 가능성이 높아질 것으로 예상된다. 과거의 사례를 볼 때 정비기술이 확보되지 않은 상황에서는 전적으로 해외 기술에 의존하게 되므로 사전준비 기간이 길어질 뿐만 아니라 막대한 외화 유출이 발생하므로 관련 정비기술의 국산화가 반드시 필요한 실정이다.

 

Alloy 600 이종금속 용접부 정비기술 개발 현황

▲ Alloy 600 정비기술개발 현황

Alloy 600 이종금속 용접부 정비기술 개발은 2005년부터 정부 수탁과제와 자체 연구개발 과제를 통하여 다양한 형태의 용접부 정비기술을 개발해 오고 있다. 대표적인 정비기술로는 구조적 덧씌움 용접기술(SWOL), 기계적 가압에 의한 잔류응력 개선기술(MeSIA), 수중 레이저 용접정비 기술(KURIS), 가압기 히터 슬리브 정비기술(PRISM), 원자로 상부헤드 CEDM 관통관 밀봉용접 정비기술(SWR) 등이다. 이 중에서 지난 9월에 개발이 완료된 가압기 히터 슬리브 J-Groove 자동용접 정비기술에 대해서 소개하고자 한다.

가압기 히터 슬리브 손상 사례 및 국내 현황

원전 가압기 히터 슬리브 용접부에서의 손상으로 인한 붕산수 누설은 1980년대 중반부터 ANO, Calvert Cliffs, Palo Verde 등 다수의 CE Type 해외 원전에서 발생하고 있다. 국내 가동원전 중 Alloy 600 용접부로 된 가압기 히터 슬리브는 한빛 3~6호기, 한울 3․4호기가 해당된다. 다행히 현재까지 국내의 가압기 히터 슬리브 용접부에서는 손상이 발견되지 않았으나 운전시간이 누적됨에 따라 향후 이들 용접부가 손상 가능성이 있어서 관련 정비기술을 개발했다.

▲ 가압기 히터 슬리브 위치 및 형상

가압기 히터 슬리브 정비기술

가압기 히터 슬리브와 같은 J-Groove 형태의 용접부 정비를 위한 ‘Half Nozzle Repair’기술은, 손상된 슬리브 전체를 교체하는 것은 어려운 공정 대신 슬리브의 절반정도를 제거하고 외면에 PWSCC 저항성이 우수한 재료인 Alloy 690으로 새로운 용접부를 만들어 압력경계를 유지함으로써 기존의 용접부에서 손상이 발생하더라도 기기 내부의 붕산수가 외부로 유출되지 않도록 하는 정비기술이다.

‘Half Nozzle Repair’ 공정은 기존 슬리브의 일부를 절단하여 제거하고 가압기 하부헤드에 일정한 크기의 PAD 용접부를 만들고, 새로운 슬리브 설치를 위해 홀(Hole)과 J-Groove 가공을 한 후, 새 슬리브를 삽입하고 J-Groove 용접을 하는 순서로 이루어진다.

기기가 설치된 위치가 고 방사선 구역이므로 원격제어에 의한 작업이 필요하여 컴퓨터 수치제어(CNC)에 의한 원격제어 자동 가공장비, 가스텅스텐아크용접(GTAW) PAD 용접장비, J-Groove 용접장비를 개발했다. 가공장비는 3차원 가공 프로그래밍과 컴퓨터 제어를 통하여 슬리브 절단, 보링, J-Groove 형상의 정밀 자동가공이 가능하다. 용접 시스템은 전원 공급기, 3축~5축 매니퓰레이터, 이중 용가재 송급장치(Dual Wire Feeder), 제어 및 감시 장치로 구성하여 특수한 작업 조건에서도 PAD 및 J-Groove 용접이 가능토록 했다.

개발 장비는 Mock-up 시험을 통하여 가공 및 용접공정에 의한 성능을 확인하였다. 시편에 대한 비파괴검사(PT, RT) 결과, 용접부에서 유의할만한 결함지시가 나타나지 않았다. 용접 열영향부(HAZ)에서의 취화로 인한 기계적 성질 저하 등 용접성 평가를 위한 경도시험 결과, 다층 PAD 용접시에 적용한 템퍼비드 용접효과로 용접 열영향부(HAZ)의 비커스 경도(Hv) 값은 350 미만으로 만족했고, HAZ부의 미세 조직 또한 템퍼비드 효과로 추정되는 결정립 미세화가 이루어진 것으로 나타났다. 각 용접층에 대한 화학조성 분석결과 크롬(Cr) 함유량이 모두 29% 이상으로 나타나 코드 요건에 적합한 정비품질의 확보가 가능함을 확인했다.

개발품 보완 통하여 성능 향상

자체 개발한 원격제어 자동 가공 및 용접 시스템은 지난 9월 17일부터 19일까지 서울 삼성동 코엑스에서 개최한 ‘2014 세계 원자력 및 방사선 엑스포 전시회’에 출품하여 관련 기술을 소개했다. 한전KPS 기술연구원에서는 앞으로 개발품의 보완을 통하여 성능을 향상시키고, 다른 사업부서와의 긴밀한 협의를 통하여 조기에 현장 적용이 가능토록 할 예정이다. 또한 지속적인 기술개발을 통하여 신규 사업을 지원하고 원전의 안정적, 경제적 운영에 기여하고자 한다.

 

본 기사는 에너지코리아뉴스의 자매지 월간<ENERGY KOREA> 2015년 5월호를 통해 보실 수 있습니다.

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