후쿠시마사고 이후, 경미한 고장이 대형사고로 확대되는 것을 예방하기 위한 원전기기 상태 감시 및 진단 기술에 대한 관심이 높아지고 있으며, 한국원자력연구원
기계‧구조안전연구부에서는 원전기기 상태 감시 및 진단 기술을 지속적으로 개발해오고 있다. 1990년대부터 원자로계통의 구조건전성을 감시 및 진단하는
원자로계통 구조건전성 감시기술에 대한 연구를 수행하였으며, 배관계 및 회전체의 고진동과 이상진동을 진단 및 제어하는 기술, 영상∙음향신호를 이용하여
배관을 포함한 설비의 누출을 감시하는 기술, 영상을 이용한 배관진동감시기술을 연구하고 있다. 또한 플랜트설비의 노후화에 따라서 사회적관심이 높아지고
있는 매설배관누설탐지기술과 배관감육감시기술을 중점적으로 연구하고 있다. 향후 안전성 강화를 위하여 4차산업혁명기술을 안전기술에 접목하여 기존 감시사각지대를
해소하고, 머신러닝기술을 활용하여 진단신뢰도를 향상시키기 위한 연구를 지속적으로 수행하고자 한다.
Abstract
The interest in monitoring and diagnosing abnormal conditions in nuclear power plants
has increased since the Fukushima accident. The Korea Atomic Energy Research Institute
has been developing technology for the monitoring and diagnosis of the mechanical
components of nuclear power plants. Technology for monitoring the structural integrity
of the nuclear steam-supply system has been a focus since the 1990s. Researchers have
also developed technology to monitor and control abnormal vibrations of piping and
rotating machinery, along with technology to detect leaks using both visual and acoustic
signals. Research on detecting leaks in buried pipe and monitoring pipe-wall thinning
is also being conducted. The coming technologies of the fourth industrial revolution
will have integrated safety systems to improve the reliability of monitoring/diagnosis
technologies.
Keywords: 원전기기 상태 감시 및 진단, 진동 및 소음, 영상, 펌프, 배관.
Keywords: Condition Monitoring & Diagnosis, Nuclear Power Plant, Sound & Vibration, Camera Image, Pump, Piping.
원자력발전소의 압력경계는 1차계통(원자로 계통) 및 2차계통(BOP; Balance of Power)으로 구성되어 있으며, 그 압력경계를 구성하는
원전 기기는 크게 능동기기 및 수동기기로 나누어진다. 여기서, 능동기기는 동력원을 공급받아 압력경계 내부 유체(냉각수)의 흐름을 유발시키는 기기로서
주로 펌프, 모터 및 밸브 등으로 구성되며, 수동기기는 동력원의 공급 없이 유체의 유로를 구성하는 기기로서 압력용기, 배관, 열교환기 및 가압기 등을
일컫는다. 따라서, 원전기기 또는 구성부품/재료의 결함이나 고장을 조기에 발견하여 적절한 대응조치를 하지 않을 경우, 사고로 진행되어 발전소의 불시정지를
유발하거나 또는 정비기간의 지체 및 기동지연으로 인한 이용률의 저하를 초래할 수 있다. 이러한 원전기기의 고장이나 결함을 조기에 발견하기 위한 ‘구조상태
감시 및 진단 기술’들에 대하여 한국원자력연구원을 중심으로 개발되어온 사례 및 미래의 기술개발 방향을 소개하고자 한다.
발전소 내부에는 다수의 배관계가 분포되어 있으며, 이러한 배관계에 고진동이 발생할 경우, 배관계에 과도한 응력 및 피로현상을 유발할 수 있으므로,
원자력발전소의 배관들은 ASME O/M S/G Part3[1]에 따라 관리하도록 되어 있다.
Fig. 1은 국내 발전소에서 주증기배관의 고진동이 발생한 사례이며, 고진동이 발생한 배관계에 대한 진동측정 및 모드해석을 통해 진동저감 방안을 도출하였으며,
모드해석결과를 기반으로 하여 진동 저감을 위해 에너지흡수형 댐퍼를 설치할 위치를 선정하고, 댐퍼설치를 통해 약 50%의 진동저감을 달성할 수 있었다.
Vibration reduction of main steam piping by using energy absorption type restraint
Fig. 2는 발전소 주급수배관계의 진동저감 사례를 나타내며, 배관에 발생하는 주요진동의 주파수가 61.5 Hz로 측정되어, 주로 저주파 에너지를 흡수하는 에너지흡수형
댐퍼의 설치효과가 크지 않아서, 61.5 Hz의 진동성분을 저감하기 위한 고주파진동 제어용 동흡진기를 개발[2] 및 설치하였다. 그 결과 약 20%의 진동에너지를 감소시킬 수 있었다.
Vibration reduction of main feed water piping by using dynamic absorber components
발전소에서는 운영되고 있는 회전체를 안전하게 운전하기 위해서는 회전체 공급사에서 제시한 진동기준에 따라 운영을 하여야 하며, 발전소에서 운전되고 있는
회전체의 진동수준이 운전가능 기준상한치에 근접하는 경우에는 고진동 발생원인을 규명하고, 진동발생 원인을 제거하는 작업이 필요하다. Fig. 3은 국내 발전소의 주급수펌프의 진동이 기준상한치에 근접한 사례를 나타내고 있으며, 이 경우 주급수펌프/모터의 진동신호 취득 및 분석결과, 모터 무부하(NDE)측의
진동이 가장 큰 것으로 나타났으며, 차수분석(order analysis) 결과 그 원인은 모터 회전축의 편심(unbalance)인 것으로 규명되어,
편심량 저감을 위한 밸런싱작업을 수행하였으며, Fig. 4에서 볼 수 있듯이, 현장밸런싱 작업이 성공적으로 수행되어 모터 무부하측의 진동이 감소한 것으로 확인할 수 있다.
Comparison of vibration level before and after field balancing operation
최근들어 플랜트 누출사고로 인하여, 누출 감시 기술에 대한 사회적 관심이 높아지고 있으며, 플랜트 노후화에 의해 발생 가능한 기기 및 배관계에서의
미세누출이 대형사고로 확대되는 것을 방지하기 위한 기술개발을 수행하였다. 플랜트에서 누출을 감시하기 위한 하나의 방법으로 마이크로폰 어레이(microphone
array)에서 취득한 음향신호를 이용하는 방법을 고려할 수 있으며, 음향신호를 활용할 경우, 진동센서를 이용하는 경우에 비하여 넓은 영역을 감시할
수 있다는 장점이 있다.
Conceptual diagram of leak monitoring using microphone array system
Fig. 6은 누출실험장치를 이용하여 증기누출을 발생시킨 상황에서 마이크로폰 어레이에서 취득한 음향신호에 대해 빔포밍(beam forming)방법을 적용한 결과를
나타내고 있으며, 향후 음향신호를 이용하여 넓은 영역에 분포한 기기 및 배관계에서 발생하는 누출을 감시/진단하는 연구를 지속적으로 수행할 예정이다.
Experimental result for leak detection using multichannel microphone array
2.2 영상신호 기반 누출 및 진동 감시
현재 원전을 포함한 플랜트에는 핵심기기 위주로 기기 건전성 감시를 위한 유선망센서가 설치되어 운영되고 있으며, 센서가 설치되어 있지 않은 영역에 대한
감시를 수행하기 위한 하나의 방법으로 원거리에 설치된 카메라로부터 취득된 영상신호를 이용하여 원격으로 감시하는 방법을 고려할 수 있으며, 한국원자력연구원에서는
영상신호를 이용하여 누출 및 진동을 감시하는 연구를 수행하고 있다(Fig. 7 참조).
Conceptual diagram of leak and vibration monitoring by using camera image
Fig. 8의 좌측그림은 누출 시의 영상신호를 나타내고, 우측은 차영상을 이용한 누출감시기법[3] 적용결과를 나타내고 있으며, 누출이 발생하면 연속적으로 촬영되는 영상신호의 픽셀값에 변화가 발생하고, 이러한 차이를 감지(차영상)하면 누출이 발생하는
영역을 탐지할 수 있으므로, Fig. 8의 하단좌측에서와 같이 육안상으로는 정확하게 누설 여부를 확인할 수 없는 미세누출에 대해서도 개발기법을 적용하여 누출을 검출할 수 있음을 실험적으로
확인하였다.
Experimental results for leak detection using image processing technique
Fig. 9는 영상신호를 이용한 진동측정 및 모달해석 실험사례를 나타내고 있으며, 구조물을 임펙트해머로 가진하고, 이때 발생하는 구조물 진동을 고속카메라로 촬영한
후, 영상처리기법을 적용하여 구조물의 진동변위을 산출하고, 이를 기반으로 모달해석을 수행한 결과를 나타내고 있다.
기존의 원자로계통 구조건전성 감시시스템의 경우 대부분 선진국 제품을 수입하여 사용해오고 있으며, 각 부속시스템의 센서가 계측한 신호는 해당 시스템에서만
독립적으로 분석되는 구조로 되어 있어 서로 다른 신호간의 상관관계를 고려한 종합적인 계측 및 분석이 어려운 단점이 있었다. 한국원자력연구원에서는 2006년부터
지식경제부의 지원으로 한국수력원자력㈜ 및 ㈜삼창기업과 더불어, 기존의 부속 시스템에 설치된 각종 센서들로부터 계측된 신호를 종합적으로 취득 및 분석하여,
기존의 시스템보다 신뢰성이 대폭 향상된 통합형 원자로계통 구조건전성 감시시스템(I-NIMS)을 완전 국산화 개발(Fig. 12)하였다.
Fig. 14~17은 통합형 NIMS의 부속시스템인 IVMS, LPMS, ALMS 및 RCPVMS의 하드웨어 및 소프트웨어를 나타내고 있으며, 통합형 NIMS의 하드웨어는
동시 신호처리 능력을 대폭 개선하였으며 경보신호의 실시간 감지율 개선, 선진국 제품에는 포함돼 있지 않은 3차원 그래픽 디스플레이 기능 탑재, 내부구조물
이상감시를 위한 모드 분리기법, 금속이물질 위치 및 질량추정을 위한 시간-주파수분석기법[5-7] 및 신형 금속이물질 질량추정기능, 냉각재펌프 진동분석을 위한 방향성 차수분석 등의 첨단 감시기법을 탑재하여 기존 외산 시스템에 비하여 정밀한 진단을
내릴 수 있는 최초의 통합형 시스템으로 개발되었다.
Hardware and online monitoring & analysis softwares for RCPVMS
Fig. 18은 통합형 NIMS를 이용하여 발전소 강구 충격시험결과를 진단한 결과를 나타내고 있으며, LPMS센서만을 이용할 경우에는 정확한 충격 위치 추정이
용이하지 않지만, 증기발생기에 설치된 LPMS 센서와 ALMS센서를 함께 활용할 경우, 정확한 위치추정이 가능함을 Fig. 18의 우측 그림에서 확인할 수 있다.
Testbed for building experimental database of NSSS condition monitoring and diagnosis
통합형 NIMS의 분석소프트웨어는 산업체로의 기술이전을 통하여 현재 국내 원전 2개호기에 설치되어 운영 중이며, 추후 나머지 원전에도 순차적으로 설치/적용을
추진하고 있다. 또한 통합형 NIMS기술은 발전소 현안문제 해결을 위한 기술 지원(2002년 이후 약 50여회)에 활용되고 있다.
2.4 배관감육 상시감시
Fig. 20은 러시아 발라코보원전과 일본 미하마원전에서의 이차계통 배관감육사진을 나타내고 있으며, 감육현상에 의한 파단 및 인명사고 발생 이후, 배관감육(wall
thinning)예방에 대한 관심이 높아지고 있다. 현재 발전소 이차계통 배관에 대한 감육검사는 계획예방 정비기간 중에 수행되고 있으며, 현재의 검사방법은
검사시간이 긴 단점이 있어, 기존 방법보다 신속하게 배관의 감육여부를 판단하기 위한 연구를 수행하고 있다.
Conceptual diagram of online wall thinning monitoring system
향후 배관 노후화에 따라 배관감육 감시에 대한 수요는 점차 커질 것으로 예상되며, 현재까지 개발된 하드웨어의 경량화 및 진단 소프트웨어 알고리즘 개선
등에 중점을 두어 연구를 추진할 예정이다.
2.5 기기진단 신기술
최근 배관 노후화에 기인한 화학플랜트의 누출 사고가 발생함에 따라서, 화학플랜트와 발전소의 누출사고에 대한 사회적 관심이 높아지고 있다. 지금까지
배관 누출탐지에 대한 연구는 주로 상수도 매설배관에 대해 수행되어 왔으며, 상수도 배관의 누출탐지에는 상호상관함수[10]를 이용한 기법이 주로 사용되어 왔다. 그러나 이러한 상호 상관함수기법은 발전소와 같이 주변 기계운전잡음이 발생하는 환경에서는 효과적으로 적용하기
어려운 것으로 알려져 있다[11].
이러한 기계운전 잡음환경에서 신뢰성 있는 누출 감시 및 진단 방법을 구현하기 위해서는, 우선 센서에서 측정된 신호로부터 누출특징을 추출하는 기법의
개발이 매우 중요한 부분을 차지하며, 플랜트와 같이 기계운전잡음이 존재하는 상황에서 누출특징을 효과적으로 추출하는 방법에 대한 연구를 수행하였다.
Fig. 22는 기계운전잡음이 존재하는 환경에서의 매설배관 누출탐지기법 실험결과[12]를 나타내고 있으며, 배관 양단에 설치된 진동센서들의 상호스펙트럼의 위상정보를 이용하면 잡음환경에서도 효과적으로 누출탐지가 가능함을 보여주고 있다.
Development of pipe leak detection technique in a noisy environment
최근 들어 IoT, 빅데이터, 로봇, 인공지능 기술 등의 4차산업혁명기술이 부각되고 있으며, 향후 원자력분야에서도 4차산업혁명기술을 접목한 감시/진단/예측
기술이 개발 및 적용될 것으로 예상된다.
한국원자력연구원의 기계‧구조안전연구부에서는 발전소 기기/구조물의 안전성 향상을 위하여, Fig.23의 원자로계통 및 이차계통 모사시험설비를 활용하여, 스마트센서 네트워크를 이용하여 기존의 감시사각지대를 해소하고, 머신러닝기술을 활용하여 설비의 결함
및 노후화상태를 정확히 진단하여, 사전에 고장을 예방하는 플랜트 안전관리 기술을 개발하고 있다. 또한 국가과학기술연구회 미래선도형 융합연구단사업에
참여하여 플랜트 누출예방을 위한 누출감시용 스마트센서 개발 및 딥러닝을 이용한 누출진단 기술을 한국전자통신연구원과 공동으로 개발하고 있다.
Innovative monitoring & diagnosis research by using 4th industrial revolution technologies
Fig. 24는 원전기기 상태 감시 및 진단관련 과거 연구성과 및 향후 연구계획을 나타내고 있으며, 향후 진단예측용 빅데이터 구축, 머신러닝기반 예측진단 체계
구축을 추진하고, 원전 주요 압력계통 기계/전기부품 및 설비의 열화 진단/예측에 활용함으로써 발전소 안전운영에 기여할 수 있는 기술 개발을 지속적으로
추진하고자 한다.
원자력발전소의 압력경계를 구성하는 주요 원전기기의 이상징후를 조기에 감시하여 그 상태를 정확하게 진단하는 기술들을 한국원자력연구원의 사례를 중심으로
소개하였으며, 개발한 기술들은 원자력발전소 이외의 일반 산업체 및 플랜트 기기들에 대한 상태 감시 및 진단에도 적용이 가능하다. 앞으로도 원자력발전소가
더욱 신뢰성 있고 안전하게 운영될 수 있도록 원전 현장에 대한 기기안전성 현안해결 관련 기술연구도 지속적으로 수행할 계획이다. 특히, 4차산업혁명기술을
접목하여 기존의 센싱 기술을 개선하고 상태 감시/진단 기술의 지능화를 위한 빅데이터의 구축, 그리고 로봇을 이용한 첨단 모바일 감시기술의 개발 분야에도
연구영역을 확대해 나갈 예정이다.
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