원자력발전소 탄소강배관 감육 관리 기술

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원자력발전소 탄소강배관 감육 관리 기술
Posted at 2015-04-09 10:27:52

유동가속부식에 의한 배관손상… 이렇게 예방한다
이재곤 한수원 중앙연구원 기계재료그룹장        
이요섭  한수원 중앙연구원 기계재료그룹 선임전문원        


1.개요

원자력발전소(이하 원전) 증기사이클계통 탄소강배관에는 내부 유체의 유동에 기인하여 배관 두께가 얇아지는 유동가속부식(FAC; Flow Accelerated Corrosion) 현상이 발생되고 있다. 유동가속부식에 의한 탄소강배관의 손상은 1980년대 이후 전 세계적으로 광범위하게 보고되고 있다.

특히, 1986년 미국 Surry 원전에서 급수배관 파열에 의해 4명의 사상자가 발생하여 큰 문제가 대두되었고, 2004년 8월 일본 미하마 원전에서는 11명의 사상자를 동반한 급수배관 증기누설 사고가 발생하여 원전 탄소강배관 감육 관리의 중요성을 재인식 시키는 계기가 되었다.

탄소강배관의 감육에 의한 손상을 예방하고자 미국 전력연구소(EPRI; Electric Power Research Institute)에서는 배관감육 관리 프로그램(CHECWORKS; Chexal-Horowitz Engineering Corrosion WORKSation)을 개발하였으며, 2012년 현재까지 전 세계 250여개 이상의 원전에서 활용되고 있다.

국내 원전은 유동가속부식에 의한 배관 손상을 예방하고자 전 원전 Checworks 프로그램 데이터베이스를 구축하고 효율적인 탄소강배관 감육 관리를 위한 표준기술절차서를 마련하였으며, 발전소 수명기간 동안 원전의 탄소강배관의 건전성과 경제성을 동시에 확보하기 위한 감육배관 건전성평가 프로그램(PiTEP; Pipe Thinning Evaluation Program)을 개발하여 2012년 현재 전 원전에 적용하고 있다. 본고에서는 현재 국내 원전에 적용하고 있는 탄소강배관의 감육 관리 기술 현황을 소개하였다.

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2. FAC 메카니즘 및 민감도

FAC는 탄소강 배관 내부표면의 보호피막(magnetite, Fe3O4)이 흐르는 물 또는 습증기와 접촉하여 부식되는 열화메커니즘으로 [그림 1]에서 보는 바와 같이 다음의 두 가지 연속과정으로 발생한다.

첫 번째는 용해성 철 이온이 산화물과 물의 경계부분에서 형성되는 단계로 물속의 철-마그네타이트 경계면에서의 금속산화(➀), 다공성의 산화막을 통한 철이온의 유체흐름 속으로의 확산/금속-산화물 경계면에서 생성된 수소가 산화막의 틈새를 통하여 유체로 확산(②), 수소에 의한 마그네타이트 산화막의 환원반응을 통한 분해(③) 등의 과정을 거친다. 두 번째 과정은 철이온이 확산경계층을 통하여 유체내로 이동(④)하는 것이다.

[그림 1] FAC 메카니즘 개념도

이와 같은 과정을 통해 발생하는 FAC는 아래와 같은 부식속도 식(Chexal-Horowitz Model)으로 표현되며 주요인자는 온도, 합금원소함량, 질량전달, 용존산소농도, pH, 기하학적 형태, 기포분율 등이 있다.

CR = F1(T)․F2(AC)․F3(MT)․F4(O2)․F5(pH)․F6(G)․F7(α)

CR(Corrosion Rate): FAC 부식속도

F1(T): 온도 Factor

F2(AC): 합금원소 함량 Factor

F3(MT): 질량전달 Factor

F4(O2): 용존산소 농도 Factor

F5(pH): 운전온도에서의 pH 영향 Factor

F6(G): Pipe Geometry Factor

F7(α): 유체내의 Void Fraction 및 Steam Quality Factor

각 인자별 민감도를 살펴보면 FAC는 약 93 ~ 290°C의 온도 범위에서 나타나며, 150°C에서 가장 큰 속도로 발생한다. 철에 0.1% 이상의 크롬(Cr)이 존재하게 되면 보호성 크롬산화물이 형성되어 FAC 발생이 저감된다. 질량전달인자 중 고 유속 조건은 금속표면의 철 이동을 가속시켜 부식속도를 급격히 증가하게 한다.

용존산소 농도가 높을수록 배관표면에 치밀한 보호피막이 형성되어 FAC 부식속도가 감소된다. FAC는 금속표면에서의 수용성 이온의 용해 정도에 달려 있어 금속이온의 용해도를 좌우하는 중요한 요소인 pH가 증가하게 되면 부식속도는 감소한다.

심한 난류가 일어나는 지역(예, 오리피스 및 조절밸브 후단)에서 FAC가 심각하게 발생하는 것과 같은 기하학적 형태(Geometry) 인자에 의해 FAC가 발생한다. 기포분율이 높거나 습분이 많은(낮은 건도) 2상류 습증기배관에서는 습증기와 건증기의 이동 속도가 달라 이에 따른 유동이 증가하여 FAC 부식속도는 증가한다.

3. 탄소강배관 감육 평가 및 관리

1) FAC 관리대상 선정

원전 증기사이클계통은 그림 2에서 보는 바와 같이 수많은 탄소강배관으로 구성되어 있어 국내 원전에서는 집중관리 대상을 도출하기 위해 FAC 관리 대상 선정 절차를 개발하여 적용하고 있다.

[그림 2] 원전 개략도 및 배관

[그림 3]  FAC 관리대상 선정 절차

2) FAC 예측 및 평가

FAC 관리대상으로 분류된 배관라인 중 Checworks 모델 관리 배관라인은 [그림 4]의 Checworks 구성의 설계정보 등에 근거한 열수력해석, 수화학해석, 및 감육속도해석 등을 수행하여 예측 감육속도 및 예측 잔여수명을 평가한다.

[그림 4] Checworks의 FAC 예측 해석 구성도

[그림 5] 모델 관리 배관라인 FAC 예측 및 평가 흐름도

[그림 5]에서 보는 바와 같이 Checworks 모델 관리 배관라인은 계획예방정비 기간 중에 Checworks 예측 결과에 의해 검사대상 배관을 선정하고 두께를 검사한다. 검사된 배관은 취득된 두께데이터로부터 배관별로 감육 정도를 평가하며, 감육속도 및 최소요구두께 도달 시점까지의 잔여수명을 평가한다.

감육 및 수명 평가 결과에 따라서 향후 지속적인 건전성 유지 확인을 위한 검사주기를 설정하거나, 보수 또는 교체 필요 여부를 결정하는 등 후속 조치를 취한다. 미검사된 배관은 동일 배관라인의 실측데이터를 반영하여 Checworks 예측 감육속도 및 잔여수명을 보정한 후 다음 계획예방정비에 예측 및 보정 결과 등으로 검사를 수행한다.

전 모델 관리 배관라인에 대해 검사 및 예측보정 결과에 따라 FAC 감육 상태를 확정 후 잔여수명을 평가하여 후속 관리한다.

FAC 관리대상으로 분류된 배관라인 중 비모델 관리 배관라인은 [그림 6]에서 보는 바와 같이 운전조건 분석을 통한 감육 발생 영향평가를 수행하여 카테고리를 분류하고 고 카테고리배관에 대하여 샘플검사를 수행한 후 결과에 따라 높은 감육 배관라인에 대하여 재질변경 또는 반복검사를 통한 평가 및 관리를 수행한다.

[그림 6] 비모델 관리 배관라인 FAC 예측 및 평가 흐름도

3) 두께 검사

FAC 배관에 대한 검사는 초음파 두께측정장비를 이용하여 KEPIC MIA 2300, ASNT SNT-TC-1A 또는 ANSI/ASNT CP-189요건의 LEVEL-Ⅱ(UT) 이상의 자격를 갖춘 검사자가 [그림 7]과 같은 Full Grid 방법을 적용하여 배관의 형상(엘보, 티, 레듀서, 익스펜더, 직관) 및 크기(그리드 간격 : 외경의 π/12배 또는 6인치 중 최소)에 따라 측정점들을 고온용 페인트로 표시하고 측정한다.

[그림 7] FAC 배관 Full Grid 검사 사진

4) 감육배관 건전성 평가

두께검사 결과에 기초한 잔여수명평가에서 1주기미만으로 평가된 배관에 대해서는 [그림 8]의 감육배관 건전성평가 절차에 따라 1주기 운전 가능성을 평가하며, 건전성평가는 다음과 같이 수행한다.

잔여수명 1주기미만 배관에 대해 차기주기 예상 두께(tp)를 계산하여 tp가 제작허용공차(공칭두께의 0.875배) 이상인 경우에는 차기주기 검사를 수행하고 절대교체 두께(공칭두께의 0.2배)미만인 경우는 교체 또는 보수를 수행한다.

tp가 절대교체와 제작허용공차의 범위 이내인 경우는 최소요구두께의 0.9배와 비교하는데, 이상인 경우는 tp에서의 응력해석을 수행하여 tp에서의 응력해석 요건을 만족하게 되면 다음 주기 검사를 수행한다.

tp가 최소요구두께의 0.9배 미만인 경우는 ASME B&PV Code, Code Case N-597-2의 상세건전성평가 또는 PiTEP 활용 대체건전성평가를 수행하여 만족 시 tp에서의 응력해석을 수행하여 tp에서의 응력해석 요건에 만족하면 다음 주기 검사를 수행한다.

[그림 8] 감육배관 건전성평가 흐름도
[그림 9]에 보여주고 있는 대체 건전성평가 프로그램 PiTEP은 Code Case의 국부허용두께 계산 보수성에 의한 적용 한계를 극복하고자 국내에서 파열 실험 및 관련 이론에 근거하여 자체 개발한 건전성평가 프로그램으로 국내 전 원전의 감육 배관 건전성평가에 적용하고 있다.

PiTEP은 감육 배관에 대해 공학적으로 타당한 기준을 제공함으로써 발전설비 성능 유지비용의 효율성을 제고하는데 크게 기여하고 있다.

[그림 9] 감육 배관 건전성평가 프로그램

4. 결 론

본 고에 기술한 원전 탄소강배관 감육 관리 기술은 국내 전 가동 원전뿐만 아니라 설계 및 시운전 중인 원전에까지도 반영되어 전 원전 탄소강배관에서의 유동가속부식에 기인한 손상 예방에 적용되고 있다.

앞에서 살펴본 관리대상 선정, 예측 및 평가, 검사, 건전성평가 등 감육 관리 관련 요소기술들이 유기적으로 결합되어 체계적으로 수행되고 있으며, 선진기술 수준에 도달하여 원전 안전 운영에 크게 기여하고 있는 것으로 사료된다.

향후 최근 일부 원전에서 보고되고 있는 배관 침식손상에 대한 관리 기술을 개발하여 원전 배관 감육 관리 기술을 더욱 보완 발전시킬 예정이다.