연구의 배경
캐나다의 Point Lepreau 및 Gentilly-2 발전소에서 각각 1995 년도와 1996 년도에 수행된 압력관 (핵연료채널 집합체 엔드피팅)의 출구측 피더배관에 대한 두께측정 결과, 곡관부 (정확한 위치는 미공개)에서 예상치를 초과하는 두께 감육이 나타났으며, 이러한 피더배관의 감육은 유동가속부식 (FAC)에 기인한 것으로 알려졌다. 이에 AECL 에서는 운전중인 각 발전소의 압력관 출구 피더배관에 대한 두께측정을 권고하는 CANDU-6 Station Information Bulletin 96-2 "Feeder Wall Thickness Measurements"를 발행하였다. 상기 권고에 따라 월성 1 호기는 1996 년부터 매계획예방정비 기간에 피더배관의 두께측정을 수행해오고 있으며 그 결과 출구측 하부 피더배관의 곡관부 두께 감소율이 설계 예상치를 상회하고 있다. 월성 2, 3, 4 호기의 경우는 피더배관 내벽의 감육율이 설계 예상치를 초과하지 않고 있고, 이는 월성 2, 3, 4 호기의 피더배관 재질의 크롬 함유량이 월성 1 호기에 비해 높기 때문인 것으로 알려져 있다.
피더배관의 두께측정은 접근 가능한 압력관 출구 피더배관 중, 1 차 곡관부 위주 (2005년 1차 곡관부 217개, 2차 곡관부 27개 검사수행)로 이루어지고 있으며, 초음파 두께측정기를 사용하여 수동으로 측정하고 있다. 그리고 제작시 벤딩공정으로 인하여 초기에 두께가 가장 얇아진 피더배관의 1, 2차 곡관부 extrados 중앙부위를 위주로 두께측정이 이루어지고 있다. 또한 두께 측정시 검사원의 피폭량 증가 및 UT 장비의 낮은 정확도 등 관리상의 어려움이 있다. 지금까지 피더배관에 대한 많은 연구들이 이루어져 왔지만, 대불분이 수명평가에 대한 연구이고, 연구결과의 적용성, 실용성 및 신뢰성의 부족으로 현장에 적용하고 있지 못한 실정이며 피더배관 유동에 대한 정확한 지식과 정보가 불충분하여 현재 선정 두께 측정지점이 유동가속부식에 취약한 부위를 표함하고 있는지에 대한 적절성 또한 평가되지 못하고 있는 상태이다. 따라서 피더배관의 건전성을 보장하면서 현장 측정요원의 피폭량을 극소화하기 위해 피더배관 감육 측정의 효율을 극대화하는 것은 매우 중요한 일이다. 이를 위해서는 FAC 에 취약한 피더배관 부위를 정확히 예측하여 취약부위를 집중적으로 감시, 측정하여야 하며, 취약부위 예측결과가 건전성 감시 프로그램에 반영되어야 할 것이다.
연구의 내용
유동가속부식에 영향을 미치는 인자는 pH, 온도, 유체속도, 배관의 조성 등이 있으며, 이들 인자들 중 유체속도 및 전단응력과 같은 수력학적 인자를 제외한 대부분의 인자들은 유체가 유동하는 배관내부 표면에 균일하게 영향을 미친다. 그와는 달리 유체속도 및 전단응력과 같은 수력학적 인자는 배관의 형상에 따라 배관내부의 유속이 변하는 현상으로 인해 국부적인 위치에 따라 변화하게 되며, 따라서 피더배관의 FAC 에 의한 국부적인 감육에 크게 영향을 미치는 인자는 수력학적 인자이다.
CANDU 원자로의 경우 원자로 출력이 80% 미만일 때는 압력관 출구 냉각재의 건도가 0%(단상)를 유지하는 반면에, 원자로 출력이 80% 이상이면 원자로 출력이 100%로 상승함에 따라 건도 4% (보이드율 33.5%)까지 선형적으로 증가하는 특성을 보이므로, 압력관 출구 피더배관 내부에는 이상유동이 존재하게 된다.
따라서 본 연구에서는 FAC 에 의한 감육이 가장 심하게 발생하는 지점을 평가 및 선정하기 위해 CFD 해석을 통해 피더배관 내부의 단상 및 이상 유동장을 계산하고, FAC 감육 손상의 지배인자인 전단응력의 분포를 파악한다. 그리고 해석결과에 의해 선정된 감육 지점과 현재 선정되어 있는 점검 지점을 비교함으로써 피더배관 안전관리의 적절성을 확인하고, 피더배관의 두께측정이 지속적으로 이루어져야 하는 취약부위 선정에 대한 지침을 예방조치의 의미로 제공하고자 한다.
연구의 결과
FAC 에 취약하다고 알려져 있는 출구관 하부 피더배관은 곡관부의 굽힘각도 또는 직관부의 길이에 따라 20 개의 type 으로 나누어지며, 특히 1 차 곡관부가 3 차원으로 twisting 되어진 복잡한 형상을 가지고 있다. 하지만 이런 피더배관의 기하학적 특징은 1 차 곡관부가 압력관 상류방향으로 굽어진 경우와 1 차 곡관부가 압력관 하류방향으로 굽어진 경우로 나누어 질 수 있으며, 이 두 가지 형상에 대해 유동장파 전단응력 분포를 구하였다.
(1) CFD 계산의 검증
- Surry unit 2 급수배관 (18 인치 suction line) 감육 손상사고를 CFX 코드로 모사하여 계산한 결과 엘보우의 intrados 시작부위가 전단응력이 가장 크게 나타나 FAC에 가장 취약한 부위로 예측되었으며, 이는 실제사고에서 감육이 가장 심하게 발생하여 파단이 시작된 부위와 일치하였다.
- 이를 통해 CANDU 피더배관 내부의 유동장을 계산하기 위해 사용될 CFX 코드를 이용한 CFD 계산방법의 타당성을 검증하였다.
(2) 난류 모델의 평가
- Surry unit 2 배관감육 손상사고를 Shear Stress Transport (SST) 난류모델과 κ-ε 난류모델로 각각 해석하여 그 결과를 비교한 결과 SST난류모델과 κ-ε 난류모델이 FAC에 취약한 부위를 동일하게 예측하였고, 정량적으로 근사한 속도 및 전단응력 분포를 예측하였다.
- FAC에 취약한 부위를 정성적으로 예측한다는 본 연구의 목적에 따라 계산의 효율성을 제고하기 위해 κ-ε 난류모델을 선택하였다.
(3) CFD 해석을 위한 피더배관 모델 평가
- 1차 곡관부가 압력관과 동일한 평면상에 놓이지 않고 3차원으로 twisting 되어진 실제 피더배관 모델과 1차 곡관부가 압력관과 동일한 평면상에 놓인 단순화된 피더배관 모델을 비교한 결과 두 가지 모델이 FAC에 취약한 부위를 동일하게 예측하였고, 정성적으로 동일하고 정량적으로 근사한 속도 및 전단응력 분포를 예측하였다.
- 곡관부의 각도 및 직관부의 길이에 따른 영향을 파악하기 위하여 단순화된 피더배관 모델을 선택하였다.
(4) CFD 해석
- 1차 및 2차 곡관부 각도가 증가할수록 Pressure drop도 증가한다.
- 1차 및 2차 곡관부 각도가 증가할수록 곡관부 intrados 표면에 작용하는 최대전단응력의 크기도 증가한다.
- 1차 및 2차 직관부 길이가 증가할수록 Pressure drop도 증가한다. 단 1차 곡관부가 압력관의 하류방향으로 굽어진 형상에 대해서는 1차 직관부 길이가 감소함에 따라 난류강도의 증가에 의한 높은 마찰력이 발생하게 되어 Pressure drop이 증가하는 경향을 보인다.
- 1차 및 2차 직관부 길이가 증가할수록 유동이 developed되어 곡관부 intrados 표면에 작용하는 최대전단응력의 크기는 감소한다.
- 입구에서의 보이드율이 증가할수록 Pressure drop이 증가하는 경향을 보인다.
- 입구에서의 보이드율이 증가할수록 곡관부 intrados 표면에 작용하는 최대전단응력의 크기도 증가한다.
피더배관의 FAC에 의한 감육 취약부위 평가
· 일반적으로 FAC에 의한 감육에 취약한 부위는 최대전단응력이 작용하는 곡관부 intrados 시작부위에서의 직관과 곡관의 경계부 및 근방으로 밝혀졌다
· 1차 곡관부가 압력관 상류방향으로 굽어진 경우 :2차 곡관부가 시작되는 intrados 지점에서의 직관과 곡관의 경계부 및 근방이 취약지점으로 예측되었다.
· 1차 곡관부가 압력관 하류방향으로 굽어진 경우 : 보이드율이 0.2이하일 경우 1차 곡관부가 시작되는 intrados지점에서의 직관과 곡관의 경계부 및 근방이 취약지점으로 예측되었으며, 보이드율이 0.2를 초과할 경우 2차 곡관부가 시작되는 intrados 지점에서의 직관과 곡관의 경계부 및 근방이 취약지점으로 예측되었다.
감시평가 및 점검지침
· 현재 국내 피더배관의 두께측정은 벤딩공정으로 인해 두께가 가장 얇아진 곡관부 extrados 중앙부위 위주로 이루지고 있고, CFD 해석결과에 의해 예측된 FAC 감육현상에 가장 취약한 부위는 곡관이 시작되는 intrados 지점에서의 직관과 곡관의 경계부 및 근방으로 나타나 해석결과에 의해 선정된 감육지점과 현재 선정되어 있는 점검위치가 일치하지 않음을 확인하였다.
· 현재 선정되어 있는 점검위치는 단순히 제작시 얇아진 지점으로서 FAC mechanism 이 미미하게 작용하고 있으며, FAC mechanism 에 바탕을 둔 CFD 해석결과를 실제 피더배관 감시체계에 적용하여, 2006년 11 월에 수행된 19차, 월성 1 호기 정기검사부터 출구측 하부 피더배관의 1 차 및 2 차 곡관부 intrados 지점도 두께측정지점에 포함되도록 규제지침이 내려졌다.