국내외 원자력발전소의 운전년수가 증가함에 따라 매설배관의 경년열화에 의한 손상사례가 점차 증가하고 있다. 그 예로 국내 원전의 경우 1998년 울진 1호기에서 기기냉각해수계통 매설배관 라이닝 손상, 2006년에 영광 4호기에서 취수지역 소화수 공급밸브 후단의 매설배관 누설이 발생되는 등 다수의 손상사례가 보고되고 있다. 해외 원전의 경우도 2009년 5월 미국 내 Indian Point 2호기에서 보조급수 매설배관에서 누설(약 2.27 m3)이 발생하였다. 이에 따라 매설배관의 손상은 최근 원전 산업이 직면하고 있는 중요한 현안사항 중의 하나로 대두되었으며, 지상의 배관과는 달리 매설배관은 내부의 유체로부터 부식, 외부의 토양으로 인한 기계적, 화학적 손상 그리고 중(重)하중에 의한 피로 등을 동시에 경험하고 있다. 매설배관에서 누설이 발생할 경우에는 누설의 원인을 찾기도 어려울 뿐만 아니라 접근도 용이하지 않아 적절한 시기에 정비하기란 매우 어렵다. 현재의 매설배관 건전성 관리는 누설시 위치를 파악하고 임시보수 또는 경상정비를 통하여 사후처리를 진행하므로, 토양 또는 콘크리트에 매립된 매설배관의 잠재적인 손상징후 파악과 그에 대한 건전성 평가에 상당한 제한을 받고 있다. 이에 따라 국내원전에 적용 가능한 매설배관 경년열화관리 프로그램의 구축 필요성이 대두되었으며, 이를 위해 국내 원전의 관리대상 매설배관 계통을 도출하고 그에 대한 체계적인 위험도 분석, 데이터베이스 구축, 상세 평가, 외부 및 내부 비파괴검사 기술개발 및 규제 지침개발 등이 필요하다.
본 기술 논문의 목적은 매설배관에 대한 국내 규제요건 개발을 위해 해외의 규제현황, 매설배관 및 탱크의 관리현황 등을 파악하는 것이다. 이를 위하여 매설배관의 경년열화 관련 경험을 요약한 NUREG GALL 보고서[1], 미국 규제기관의 규제지침서(ISG)[2], 규제기관에서 발행한 규제문서(TI)[3], 매설배관 미국 산업계 관리지침인 NEI 09-14[4] 및 EPRI TR 1021175[5] 등을 정리하였고, 국내에 적용되고 있는 매설배관 경년열화 관리현황을 정리하였다. 이러한 국내외 매설배관 경년열화 규제요건, 사업자 문서 및 국내 적용현황을 파악하여 향후 국내 원전의 매설배관 규제에 적용될 수 있는 규제지침을 개발할 예정이고 국내 산업계가 원전의 매설배관 검사를 위해서 준비해야 할 사항을 정리하였다.
가동 원전의 매설 배관에서 부식에의한 누설이 발생한 사례가 있으며, 이러한 운전 경험을 반영하여 적절한 검사 및 완화 기법에 의해 관리 되어야 한다. 또한, 배관 및 원자력 시설이 발전소마다 차이가 있고, 고유의 운전 경험이 있으므로 이를 고려한 경년열화 관리 프로그램을 적용해야 한다. NUREG-1801 중 XI.M41 “Buried and Underground Piping and Tanks”는 매설 및 지하 배관 및 탱크에 대한 규제 지침에 해당한다. NUREG-1801은 금속, 고분자, 시멘트, 콘크리트 등 재료에 상관없이 매설된 모든 배관을 대상으로 한다. 전형적인 사례로 service water piping, condensate storage transfer line, fuel oil and lubricating oil lines, fire protection piping 등이 이 있으며, 재질과 노출환경(공기, 토양, 콘크리트)에 적합하도록 Table 1에 따라 예방활동을 수행한다.
* When provided, coatings are in accordance with NACE SP0169-2007 or RP0285-2002 [6-7]
** e.g., AI6XN or 254 SMO
*** Backfill limits apply only if piping is coated
경년열화 현상은 물질의 특성 변화, 모든 종류의 부식으로 인한 재료의 손실, 응력부식 균열 등에 영향을 준다. 물질의 특성 변화는 수동 초음파 검사를 통해, 재료의 손실은 배관 외면의 육안 검사나 벽 두께 측정을 통해 감시할 수 있다. 벽 두께의 측정은 초음파 검사를 통해 수행된다. 강, 구리, 알루미늄 배관은 배관-토양 전위차와 음극 방식 전류에 의해 감시 및 측정된다. 이를 통해 음극 방식 시스템의 부식 억제 효과를 확인할 수 있다.
경년열화 현상을 감시할 수 있는 방법 및 주기는 매설배관의 재료나 노출환경에 따라 다르며, 모든 매설 배관은 그 재료 및 구성과 무관하게 접근이 가능 할 때에는 육안 검사를 해야 한다. 매설 배관에 대한 직접검사는 연장 운전 시작 10년 전부터 10년 주기로 수행해야 한다. 검사 위치는 위험도를 기반으로 선택되며, 코팅의 종류 및 상태, 음극 방식의 효과, backfill의 특성, 토양 저항성, 배관 내용물 및 기능 등이 고려된다. 육안 검사를 필수적으로 수행하고 중요한 지시가 발견될 시 표면 또는 체적 비파괴 검사를 수행한다. 다수 호기 부지에서 한 호기를 대상으로 수행한 공유 매설배관 검사는 해당 호기에서만 인정된다. 고분자 재료의 육안 검사는 재료 특성의 경화, 연화 및 다른 변화를 감시할 수 있는 수동 검사로 강화되며, 유도초음파나 다른 검사 기법들을 사용할 수 있다.
음극 방식 시스템 가동 중, 또는 직접 검사 중에 부정적인 지시가 관찰되면 발전소 수정 프로그램이 시작된다. 이때는 검사 대상 수를 2배로 늘리며, 확장된 검사 대상에서 다시 부정적 지시가 발견되면 다시 검사 대상을 2배로 확장하여 검사를 수행한다. 합격 기준을 초과하는 지시는 교체 및 보수하며, 발견된 지시의 확장 가능성을 결정하기 위한 해석이 수행될 수 있다. 음극 방식 보호 시스템이 적용된 매설 배관의 경우 배관-토양 전위차와 음극 방식 전류의 경향성을 분석하여 음극 방식 시스템이나 코팅의 효율성을 파악한다.
LR-ISG-2011-03 “Buried and Underground Piping and Tanks”에는 앞선 2.1 절에서 다룬 NUREG-1801의 매설 및 지하 배관 및 탱크에 대한 규제 지침에 해당하는, NUREG-1801 중 XI.M41 “Buried and Underground Piping and Tanks”의 내용에 대해 변경 및 보완된 내용을 기술하고 있다. 변경 및 보완된 내용은 원전 사업자가 운영허가 갱신 및 인허가에 필요한 부분으로서 매설 및 지하 배관 및 탱크의 경년열화에 관련한 허가 기준 및 관리 효과에 대해 다루고 있다. 또한 LR-ISG-2011-03은 NUREG-1800[8]의 “FSAR Supplement for Aging Managements of Applicable Systems” 내용에 대해 변경 및 보완하고 있다. 따라서 원전 사업자는 재개정 되는 LR-ISG- 2011-03을 이용하여 운영허가 갱신 및 인허가에 필요한 규제 내용과 관련 기술 기준에 대해 필요한 정보를 획득할 수 있다.
변경 및 보완된 내용은 아래의 6가지로 요약할 수 있으며, 세부내용은 각 항목에서 자세히 다루었다.
(A) 확장 운영 기간 동안 음극방식 미적용 설비에 대한 권고사항
(B) 내부부식 탐지를 위한 지하배관 체적검사 수행 권고의 제거
(C) 이상징후(Adverse condition)에 따른 검사물량 증가
(D) 부적절한 채움재로 인한 코팅손상과 관련한 권고사항
(E) 음극방식 이용 점검의 허용기준
(F) FSAR supplement description의 변경사항
본 USNRC 검사 지침(TI-2515-182)의 목적은 원전 사업자들이 매설 또는 지하 배관 및 탱크 건전성에 대한 관리 계획을 실행하는지의 여부를 평가하고, 매설 또는 지하 배관 및 탱크의 구조적 건전성과 누설에 대한 건전성 확보 수준이 적절한지 평가하기 위한 것이다. 이와 같은 USNRC 검사 지침을 적용하여 수집된 정보는 사업자의 자발적인 관리 계획의 실행 범위를 결정하기 위해 사용되며, USNRC의 추가적인 요청사항들도 국내 규제의 목적으로 사용할 수 있다.
부식에 의해 야기된 매설 및 지하배관 누설이 지하수를 오염시키는 결과를 초래하는 사례가 발생하여 매설배관에 대한 규제가 추진되었다. USNRC는 TI-2515-173, “Review of the Implementation of the Industry Groundwater Protection Voluntary Initiative”를 기준으로 검사를 수행하여 배관 누설사고에 대한 대응을 시작하였고, 산업계가 자발적으로 지하수 보호 계획을 수립 및 이행하도록 하였다. 또한 “Industry Initiative on Buried Piping Integrity”, (ADAMS, Accession Nos. ML093350034 and ML093350035)에서 토양에 직접적으로 접촉하는 매설배관의 건전성을 추진하기 위한 계획을 제시하였다. 그러나 토양과 접촉하지 않는 지하배관에서 삼중수소(tritium)화된 물이 누설되어 주변 환경을 오염시킨 운전경험을 토대로 원전 산업계는 토양과 직접 접촉하지 않는 지하배관을 규제대상에 포함하는 것으로 매설 및 지하배관 및 탱크의 경년열화 관리 계획의 범위를 확장하였다. 또한, 원전산업계는 지하배관 및 탱크 관리계획에서 나온 원전사업자의 지침 문서 NEI 09-14 “Guideline for the management of buried piping integrity” 및 EPRI TR 1021175 “Recommendations for an Effective Program to Control the Degradation of Buried and Underground Piping and Tanks” 등을 발행하였다. 이와 같은 매설 또는 지하 배관 및 탱크의 건전성 관리계획에서 각 원전사업자는 경년열화 관리 프로그램을 개발하고 실행해야 함을 제시하고 있다.
USNRC 검사원은 원전사업자가 NEI 09-14(Rev. 1)의 3.3.a 및 3.3.b에 기술된 내용들을 성공적으로 수행했는지의 여부를 평가하며, 이 평가는 2단계로 수행된다. 1단계에서 USNRC 검사원은 관련 프로그램의 체계 및 완료일이 NEI 09-14(Rev. 1)에 포함된 내용과 부합하는 지를 결정(인허가 측면의 적용 가능한 완료 일정을 만족했는지의 여부)하고, 2단계에서는 명확한 질의 및 응답을 기준으로 상세한 항목에서 사업자의 프로그램 실행을 검토한다. 1, 2단계에서 요구하는 검사는 NEI 09-14(Rev. 1)의 3.3.a 및 3.3.b에 기술된 내용을 기초로 아래 Table 2의 일정에 따른 프로그램 수행 여부를 확인하였다. 검사원은 프로그램에 명시된 완료 날짜에 부합하는 조치들이 완료되었음을 보증하기 위해 매설 또는 지하배관 및 탱크에 대한 원전사업자의 프로그램을 검토한다. 또한, 검사원은 원전사업자가 요구받은 질문들에 대한 서면 응답을 준비할 수 있도록 충분한 시일을 두고 검토한다.
우선, 원전사업자 프로그램의 절차와 관리에 대해 검토하며, Table 2의 일정에 맞게 절차와 관리가 수립되었는지를 확인한다. 배관의 위험도 순위를 판단하는 프로세스 및 방법, 검사기법, 검사 실행, 검사 범위 확장, 사용적합성 적용 및 경향 분석에 대한 계획, 사용적합성 평가 방법 및 여유도, 보수 방법이 적절성 등을 검토한다. 매설배관의 부식에 대한 예방 방법 및 재사용 방안, 누설 탐지 기법 등을 검토한다. 위험도 순위를 평가하기 위해 매설배관의 손상 모드(누설, 파단, 폐색, 기계적 손상)가 고려되었는지 확인한다. 손상 또는 열화 부위를 확인하고, 손상 부위를 격리하거나 우회시키는 능력을 검토한다. 안전과 환경에 대한 손상 및 그에 대한 비용, 매설배관의 직접적 손상 및 주변 구조물과 기기에 미치는 부차적 손상도 검토한다. 또한 검사 및 평가 계획의 적절성을 확인하기 위해 검사 대상 배관 부분(segment)을 확인하고, 잠재적인 검사기법을 확보여부를 검토한다. 위험도 순위를 바탕으로 한 매설배관 부분(segment)들의 검사 일정과 음극 방식 설비의 유지 보수 계획을 검토한다. 검사 실행에 대해서 일정에 맞춰 검사가 수행되었는지, 위험도에 따라 검사 대상이 적절히 선택되었는지, 코팅이 적절히 검사 되었는지 등을 포함하여 계획이 적절히 실행되고 일정이 준수 되었는지 평가한다.
2007년 미국 전력연구원(Electric Power Research Institute, EPRI)은 원자력 발전소의 중요한 현안인 매설배관의 건전성을 확인하는 두 개의 워크샵을 실시하였다. 워크샵 결과, EPRI는 원자력 발전소 엔지니어들이 매설배관의 열화와 누설을 방지하고 완화할 수 있도록 권장사항 문서 (EPRI report 1016456)의 제작을 지원하였다. 2007년부터 일부 원자력 발전소에서 매설배관 누설이 발생하였고, 이 사건을 통해 배관 내 유체에 포함된 방사성 물질을 고려 할 때 선제적이고 특수한 조치가 필요하다고 판단하였다. 2009년에 Nuclear Energy Institute (NEI)의 핵 전략 문제 자문 위원회 (Nuclear Strategic Issues Advisory Committee, NSIAC)는 매설배관의 건전성 관리를 위한 “Guideline for the management of buried piping integrity”를 지원하기로 합의하였고, 이것이 NEI-09-14로 이어졌다. NEI-09-14는 구현 지침을 위해 EPRI TR 1016456를 참조하였으며, 2010년에 NSIAC는 매설배관의 건전성 관리를 지하 및 매설 배관과 매설 탱크로 그 대상을 확장하기로 결정하였다
EPRI TR 1021175에는 매설 또는 지하 배관 및 탱크의 열화를 제어할 수 있는 효과적인 프로그램을 위한 지침과 권장사항으로 구성되어 있다. 권장사항은 전력산업 뿐만 아니라 수도 시설, 석유나 가스 산업과 같은 거대 산업에서 축적된 지식과 경험에 기반을 두고 있다. 지침과 권장사항은 다음의 여섯 가지 요소로 구성되어 있다: (A) 절차 및 감독, (B) 위험 순위, (C) 검사, (D) Fitness-for-service, (E) 수리, (F) 예방 및 방화.
원전의 매설배관 건전성 관리계획에 의해 2009년 11월에 최초 승인되었으며, 지표면 하부에 설치되어 있지만 토양과 직접 접촉하지 않는 지하배관 및 탱크에 대해서도 잠재적인 열화 가능성이 존재함에 따라 관리대상 범위를 지하배관 및 탱크까지도 확대하고 추진일정을 개정하여 2013년 1월에 “Industry Initiative on Buried Piping Integrity” (ADAMS, Accession Nos. ML093350034 and ML093350035)로 제시되었다. 지하배관 및 탱크의 구조 및 누설에 대한 건전성을 합리적으로 확보할 수 있도록 원전 산업계의 지하배관 및 탱크 관리계획에 요구되는 조치사항 및 검사계획 등을 제시하고자 NEI 09-14 지침이 간행되었으며, 아래와 같은 목적을 가지고 있다.
(A) 원전의 안전성 또는 방사성 오염이 가능한 주요 지하배관 및 탱크의 진보적 관리 프로그램 수립
(B) 운전경험 사례 및 기타 산업계 관련 정보 등의 공유
(C) 지하배관 및 탱크의 정량적 평가 및 검사 기술 개발
(D) 규제지침 및 원전산업계 활동 개선에 따른 지하배관 및 탱크의 고유기능 유지
매설, 지하배관 및 탱크의 열화관리를 위해 필요한 각 이행 단계의 상세 기술 및 속성 등은 EPRI TR 1021175를 활용토록 제시되었다.
국내 매설배관 검사방법은 원전 계속운전 인허가 갱신 신청 시점 이외에 주기적안전성평가(PSR)를 수행할 때 매설배관에 대한 체계적인 검사 및 관리를 수행할 수 있는 경년열화관리 프로그램을 운영하고 있다.
국내 20년 이상 가동중인 9개 원전에 대해서 경년열화관리 프로그램 AMP(aging management program)가 개발되어 있으나, 이는 안전관련 매설배관만을 대상으로 경년열화가 어떻게 관리되고 있는지를 확인하기 위한 것으로서 전체 매설배관을 대상으로 한 위험도순위 평가 프로그램 구축, 사용적합성 평가, 벽두께 손실평가를 통한 건전성 확보 등의 체계적인 장기 관리방안을 포함하고 있지 않다.
2010년부터 2012년까지 ㈜한수원 중앙연구원과 ㈜한전기술에서 공동으로 한울 3,4호기를 시범원전으로 하여 “매설배관 경년열화관리 표준기술체계 개발” 연구를 수행한 바 있으나, EPRI의 위험도평가 프로그램을 활용하고 관리 데이터베이스의 전사 확대를 위한 기반 및 표준기술에 중점을 두고 수행되었다. 이에 따라 EPRI가 개발한 위험도평가 프로그램(BPWORKS)을 참조하여 국내 원전에 최적화된 위험도순위 분석 프로그램을 개발하였고, 사용적합성 평가 Tool을 추가로 구축하였고 향후 원전에 적용할 예정이다.
매설배관 관리를 위하여 한수원은 전사공통 표준절차서인 경년열화관리 통합프로그램(표준정비-9101)을 개발하여 적용하고 있으며 경년열화 관리 대상 중에 지하 및 매설배관 및 탱크를 하나의 경년열화 관리항목으로 선정하여 관리하고 있다. 이 절차에 따라 각 발전소는 자체 지침을 개발하여 적용하고 있으며 고리 1발전소의 경우 경년열화관리프로그램(AMP) 운영지침(기행2-9101)을 개발하여 적용하고 있다.
4.1에서 기술한 위험도 기반으로 선택한 직간접 기법은 아직 적용되고 있지 않다. 간접 검사 방법에 대해서는 신뢰도 향상이 필요하여 관련 연구가 수행중이고 직접검사 방법은 국내 기술이 없어서 국외 기술을 도입하여 검사를 수행할 예정이다.
본 연구에서는 원전 매설배관 및 탱크에 대한 규제지침을 개발하기 위해서 국외에서 연구개발 또는 적용되는 규제요건, 사업자 문서 및 국내 적용현황 등을 검토하여 매설배관 규제현황을 파악하였다.
1) NUREG-1801 보고서, 미국 규제기관의 규제지침서(ISG), 규제문서(TI)의 상세내용을 검토한 결과 미국에서는 매설배관의 건전성을 확인하기 위해 매설배관의 재질과 노출환경에 따라 예방활동 수행 여부 및 그 방법(코팅, 음극방식, Backfill)을 정하였다. 대상 배관에 기 수행된 예방활동의 범주에 따라 결정된 검사 대상의 수와 검사 주기 및 방법에 적절하게 검사가 수행되고, 검사 결과가 정해진 합격 기준을 만족하는 지 여부를 확인하는 과정을 통해 매설배관의 건전성에 대한 규제가 수행됨을 확인하였다.
2) 미국 규제 요건은 NUREG-1801을 적용하고 있으며 이에 대한 보완으로 LR-ISG-2011-03을 발간하여 상세 규제 요건을 기술하고 있다. 또한, 현장 적용의 적절성을 검토하기 위하여 TI-2515-182을 검사 매뉴얼로 제시하고 있다. 규제 검사원은 TI-2515-182에 따라 미국 산업계에서 발간한 NEI-09-14에 따라 점검이 이루어지는지 검토하고 있으며 이 요건을 지키기 위하여 사업자는 미국 전력연구원에서 발간한 EPRI TR 1021175을 이용하여 점검을 수행하고 있다.
3) 미국 산업계의 지침인 NEI 09-14 및 미국 EPRI TR 1021175 등을 정리하여 매설배관에 대한 관리요건을 검토한 결과, 매설배관에서 발생할 수 있는 열화를 감지하고 완화할 수 있는 효과적인 관리 프로그램을 개발 이용하고 있음을 확인하였다. 이는 체계적인 검사 및 관리, 그리고 예방에 관한 기술적 정보를 포함할 뿐만 아니라, 각 과정의 세부적인 절차 및 결과을 포함하여 운영하고 있다. 따라서 국내 역시, 손상 발생 후 정비하는 수준에서 한걸음 나아가 손상을 사전에 예방할 수 있는 지침이나, 절차 및 관리 프로그램의 개발이 필요함을 확인하였다.
4) 국내에서는 주기적안전성평가(PSR)를 수행할 때 매설배관 관리를 수행하고 있으며 최근에 EPRI TR 1021175을 따르는 관리 프로그램을 개발하였으며 관리할 예정이다. 그러나, 이를 수행하기 위한 간접 검사 기법에 대해서는 추가적인 신뢰도 향상이 필요하며, 직접 검사 기법은 국내 기술이 없어 미국, 유럽 및 일본 등 선진국 수준의 연구가 수행되지 않고 있다. 간접 검사 기술의 경우, 신뢰도 향상을 위한 연구가 필요하고, 직접 검사 기술의 경우, 국내 연구가 미진함에 따라 검사 기술을 가진 회사가 없어 연구개발이 필요한 실정이다.
미국의 규제요건 및 사업자 관리 문서를 검토하여 미국의 현황을 파악하였으며, 이와 동일한 방향으로 규제요건을 수립하여 국내 사업자의 효과적인 매설배관 관리 프로그램 이행을 위한 지침을 개발할 예정이다. 또한, 이와 관련한 검사가 제대로 수행될 수 있도록 사업자에게 권고하였으며 간접검사에 대한 신뢰도 평가 및 검사기술 개발이 수행되도록 점검할 예정이다.