원전기기의 상태 감시 및 진단 기술

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.

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.

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.

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.

Fig. 5는 복수개의 마이크로폰어레이를 이용한 누출감시개념도를 나타내고 있다.

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.

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).

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.

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.

Fig. 10은 발전소현장에서의 영상신호를 이용한 고소지역 배관 진동측정결과를 나타내고 있으며, 향후 영상신호를 이용한 플랜트 감시기술 개발을 지속적으로 추진할 예정이다.

국내의 가압경수형원전에는 원자로 압력계통(NSSS; nuclear steam supply system)을 구성하는 기기의 구조적인 건전성을 온라인으로 감시하는 설비로서, 원자로계통 구조건전성 감시시스템(NIMS; NSSS integrity monitoring system)이 설치되어 있다. Fig. 11은 원자로 압력계통을 나타내고 있으며, 원자로계통 구조건전성 감시시스템의 부속시스템으로는, 1) 원자로내부구조물 진동감시시스템(IVMS; internal vibration monitoring system), 2) 금속이물질 감시시스템(LPMS; loose part monitoring system), 3) 음향 누설감시시스템(ALMS; acoustic leak monitoring system), 및 4) 원자로냉각재펌프 진동감시시스템(RCPVMS; reactor coolant pump vibration monitoring system)이 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.

통합형 원자로계통 구조건전성 감시시스템(I-NIMS)은 Fig. 13에서 볼 수 있듯이, 부속시스템에서 계측된 다양한 종류의 측정신호를 융합적으로 분석[4]하여, 정밀한 진단을 내릴 수 있도록 개발되었다.

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.

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.

Fig. 19는 통합형 NIMS의 진단신뢰도 향상을 위한 실험데이터 구축 및 개발기술 검증/개선을 위한 테스트베드를 나타내고 있으며, 향후 테스트베드를 활용하여 통합형 NIMS 소프트웨어에 대한 지속적인 개선을 추진할 계획이다.

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.

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.

배관의 두께가 얇아지면 배관을 전파하는 진동파의 전파속도가 달라짐을 이용하여, 진동센서에서 계측되는 진동신호의 도달시간 또는 반복주기를 분석하여 배관감육을 진단하는 알고리즘[8,9]을 개발하였으며, Fig. 21은 배관감육 상시감시를 위한 시작품 개념도를 나타내고 있다.

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.

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.

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.

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.