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영용 양
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1 2004 춘계학술발표회논문집한국원자력학회 IEEE 년판을이용한 Class 1E 기기의검증시험 Qualification Test of Class 1E Equipment based on IEEE323 Std 2003 김종석, 정선철, 김태룡한국전력공사전력연구원대전시유성구문지동 요약 기기검증기술기준은 IEEE Std 년판을시작으로 1974년, 1983년및 2003년판까지발행이되었다. 미국 NRC는 IEEE Std 년판을자국내내환경검증시험기준으로승인한상태이며 IEEE Std 년판은 월에발행되어현재 NRC의공식승인을기다리고있다. IEEE Std 판은기기의경년열화상태를기준으로검증수명을평가하는상태감시기법을제시하고있으며 DBA 시험시더블피크를적용하는문제도싱글피크와여유도를적용하는것으로결론지었다. IEEE323 Std 2003년판은검증수명연장방법을구체적으로다루어원자력발전소수명연장시적극적으로활용할수있도록개정되었다. 국내원전들도기기검증유지관리의효율성을위해 IEEE323 Std 2003판을적극활용하는것이바람직하다. Abstract IEEE Standard for Qualifying Class 1E Equipment has been updated to 2003 edition since the issue of IEEE Std , 1974, NRC approved the IEEE Std as Qualification standard of Class 1E Equipment in domestic nuclear power plant. IEEE Std was issued in September of 2003 and utility is waiting the approval of NRC. IEEE Std suggest a new qualification technique which adopts the condition monitoring. Performance of two transient during DBA test is no longer recommended in IEEE Std IEEE323 Std 2003 included a chapter of "extension of Qualified life" to make available the life extension of components during plant life extension. For the efficient control of preserving EQ in domestic nuclear power plant, IEEE323 Std 2003 is strongly recommended.

2 1. 서론 원자력법시행규칙제 19조 2항은원자력발전소운영자가발전소의안전성관련전기및계측기기에대한기기검증을수행하고검증상태를유지관리하도록요구하고있다. 내환경검증은발전소의설계기준사고분석에서제시하는온도, 압력, 방사선조사량, 화학물질및침수상태에따라시험, 분석, 경험및복합적인방법에의한검증을하는것이다. 분석은부분적시험결과및이론적계산식을토대로하므로내환경검증의대부분은시험이차지한다. 시험이란압력용기에기기를넣은뒤발전소설계기준사고시의환경조건을모사한 LOCA/HELB 프로파일에따라온도압력을변화시키면서기기의정상작동여부를확인하는것이다. 내환경검증시험을위한코드는 IEEE std 323을기본으로하며기기종류별로별도의코드를활용한다. IEEE Std 323은 1971년판을시작으로 1974년, 1983년및 2003년판까지발행이되었다. 미국 NRC는 IEEE Std 년판을자국내내환경검증시험기준으로승인한상태이며 IEEE Std 년판은정식으로인정을하지않고있다. IEEE Std 년판은 월에 2003년판이발행되어현재 NRC 의승인을기다리는상태이다. 본고에서는최근에발행된 IEEE Std 년판의내환경검증시험방법을검토하고국내원전에적용가능한지여부를분석한결과를기술하였다. 2. 본론 2.1 기기검증시험기술기준 IEEE Std 년판 [1] IEEE Std 년판은 1973년 12월에최종승인된원자력발전소 Class 1E 기기의검증기준이다. IEEE Std 년판의대부분은내환경검증방법에대하여기술하고있으나 IEEE Std 344에따른내진검증에대한간략한언급을포함하고있다. IEEE Std 323은 검증은유형시험, 운전경험혹은분석에의해수행하며이러한요건들은상황에따라개별적혹은복합적으로적용이가능하다 라고기술하고있다. 운전경험에의한검증은단순한경험그자체만으로는적용이어려우나실제상황에서시간대별재질특성변화를보여주는시험결과가제공된다면매우유용하게사용될수있다. 분석에의한검증은분석방법의적정성에대한검토가필요하며검증된이론식및가정을활용해야한다. 분석만을수행하는검증은너무복잡하여적용하기어렵다. 분석에의한검증은시험데이타의외삽처리또는이전시험에의해나타난설계변경의영향에대한결정에는효과적으로활용할수있으며단독환경변수의크기에따른기기성능변화를정량화하는데

3 많이사용된다. 검증은유형시험을원칙으로하며운전경험과분석은보조적인방법으로활용해야한다. 검증작업을수행시고려해야할사항은 1검증조건은실제상황과동일이상일것, 2실험결과의외삽처리는확인된고장모드및노화메카니즘의고려하에수행될것, 3기기수명이발전소수명보다적을경우가동중검증을활용할것, 4 검증문서를작성할것, 5 가동중검증을위한검증시험데이터를확보할것, 6 Class 1E기기의현장설치상태를고려한검증을수행할것이다 IEEE Std 년판 [2] IEEE Std 년판은 IEEE Std 년판의개정판이며 1983년판을적용하면서현실적으로개선이필요한부분을반영한것이다. 본기술기준에서 1983년판에비해변화된부분은다음과같다. 본기술기준은검증용도및적용환경별로기기를검증하고자할때그방법을명시하고있다. 예를들어 IEEE Std 323은지금까지열악한환경의 Class 1E 기기및사후감시기기의검증에만주로사용되어왔으나 2003년판의경우온화한환경에위치한기기의검증에도활용될수있도록하였다. 열악한환경에위치한기기의경우검증문서요구사항은더욱엄격해졌다. 지금까지사용해오던 DBE, DBA, LOCA 및 HELB와같은용어들을 design basis event" 로통일시켰다. 문장을복잡하게만들지않기위해 design basis accident" 용어를사용하기도한다. 설계기준사고프로파일의시험여유도적용이바뀌었다. 온도, 압력, 방사선, 운전시간에대한정량적여유도를줌으로서 IEEE Std 년판에서적용하였던 2번의과도상태는적용하지않고설계기준사고프로파일에시험여유도만주는것으로합의되었다. 새로운디지털시스템및개선된아나로그시스템은환경요소가기기의성능에중대한영향을미칠경우 EMI/RFI 및전력서지의민감도에대한시험이필요하게되었다. 현재설치된 I&C 계통들은 EMI/RFI 및전력서지에대한민감도가낮기때문에그동안내환경검증에서다루지않았으나현재의 I&C 계통을개선된아나로그시스템이나컴퓨터제어디지털시스템이나개선된아나로그시스템으로바꿀경우 EMI/RFI 및전력서지에대한영향을검토해야한다. 금번 IEEE Std 년판에서새롭게등장한것은상태감시에의한수명평가이다. 기기의노화감쇠는기기가처해진환경변수및노화메카니즘으로인해발생한다. 따라서안전성관련전기기기는설계기준사고시험이전에실제상황과동일한경년열화가되어있어야한다. 이전버전에서는기기가성능요구치를계속적으로만족하는시간을검증수명이라고명시하였다. IEEE Std 년판은기기의성능요구치가만족되는기기의경년열화상태를정하고이를검증만족상태라고명시하고있다. 따라서기기의검증만

4 족상태가계속유지되기만하면기존의검증수명을초월하여도계속사용될수있도록하였다. 본기준이활용되면인허가갱신시검증수명연장이가능하게된다. IEEE Std 년판은 5.2 Extension of qualified life" 라는항목과 5.3 Condition monitoring" 항목을신설하여검증수명연장에대한내용을구체화하였으며특히 5.2.d 요건에는기기부품중경년열화에민감한부품을신품으로교체하여기기의검증을계속유지할수있는방안을제시하고있다. 2.2 기기검증프로그램 기기사양기기검증대상기기는기기명칭, 기기현장연결상황, 검증수명목표, 안전기능, 정상, 비정상및설계기준사고환경조건및시험여유도에대한정보를문서화해야한다. 정상및비상운전시의환경조건은주변압력 / 온도, 상대습도, 방사선, OBE 내진및진동, 운전횟수, 전기부하및신호, 응축 / 화학물질살수 / 침수및 EMI/RFI 및전력서지에대한내용을문서에수록한다 검증계획검증프로그램에서는시험, 검사, 성능평가, 성능한계, 안전성능을수행할수있음을보여주는분석이포함된다. 검증계획에는경년열화영향, 경년열화메카니즘, 경년열화고려사항, 검증수명목표, 시험여유도, 주기적정비및교체, 안전성능제한치에대한내용이포함되어야한다 검증수행검증은유형시험, 운전경험, 분석, 데이터의내외삽처리, 검증수명연장, 상태기준검증, 안전성능기준치를결정함으로서수행된다. 유형시험은검증계획수립, 설계기준시험프로파일, 현장설치요건, 기기연결상태, 검증시험중안전성능의모니터링, 시험여유도적용, 시험순서, 자연열화및가속열화, 방사선가속조사, 지진및진동에대한검증, 정상및설계기준사고에서의정상작동및육안검사요건을가지고수행된다. 시험여유도의경우온도 +8, 압력 +10%, 사고시방사선 +10%, 전압 ±10%, 작동시간 +10%, 지진 / 진동 +10%, 주파수 ±5% 이적용된다. 시험순서는육안검사-기본기능검사-안전성능검사-가속열화및가속방사선조사-진동시험-OBE/SSE 내진시험-설계기준사고시험중안전성능검사-육안검사의순으로수행된다. 운전경험에의한검증을위해서는다음과같은사항에대한기록데이터가필요하다. 운전경험이있는기기는검증대상기기와동일한제품이거나비록약간다르다하여도그

5 차이점으로인해기기의안전성능을감소시키지않아야한다. 운전경험을가진기기는검증하려는기기보다동등또는더열악한조건및환경에노출되었음을보여주고이러한환경에서안전기능을만족스럽게수행하였다는기록이있어야한다. 비안전성계통에설치된동일한기기의운전경험인경우도환경및운전조건에대한동일성이증명된다면활용할수있다. 검증수명에대한결정은운전조건과운전이력에대한분석을통해수행된다. 분석에의한검증은논리적인평가, 유사성평가혹은기기가특정조건에처하였을경우안전기능을수행할수있음을증명하는수학적모델을필요로한다. 분석은시간대별환경인자를고려해야한다. 분석기법은대부분의기기에대해제한적으로사용가능하며항상시험데이터와운전경험에근거해야한다. 사용된분석기법에대한적정성도평가를해야한다. 시험데이타의외삽및내삽처리는특정운전조건에서의안전성능이다른운전조건에적용하는경우와유사한기기에적용하는경우가있다. 운전조건의비교분석은물리학적원리에근거하여수행되어야한다. 외삽및내삽처리시검증대상기기구성품의재질은동일또는동등하여야하며, 기본형상에변화가없다면크기는변할수있으나이경우스케일확인하여표면적이달라짐에따른열충격변화및질량및모드변화에따른지진영향을고려하여야한다. 형상은동일해야하며차이가있으면안전기능에영향을미치지않는지여부를분석해야한다. 운전및환경에의한응력은정상및비정상운전조건에서동등해야한다. 시험하려는기기의경년열화메카니즘들은검증대상기기의경년열화메카니즘을모두포함할수있어야한다. 안전기능은작동및작동해제상황에서모두동일하여야한다. 기기검증수명의연장은수명결정시적용된환경조건이실제상황에비해과도하게보수적임을평가한경우, 수명결정에사용된활성화에너지가보수적임을평가한경우, 설계기준사고이전의실제운전조건이수명결정에사용된운전조건보다덜심각함을확인한경우, 유사한기기의검증수명이더긴것을확인하였을경우, 기기가설치된환경보다더열악한환경에서자연열화된기기가있을경우, 기기의자연열화및가속열화기간이검증된수명보다더긴것이확인된경우가능하다. 상태감시에의한검증을위해서는가속열화작업을단계별로수행하고단계별상태를나타내는지시값을측정해야한다. 특히수명만료시점으로정하는설계기준사고바로직전의경년열화상태값을측정하는것이필요하다. 상태감시를위해측정되는값은경년열화의변화를감지할수있는것이어야한다. 검증이완료된기기의경우다른샘플을구해서노화년도별경년열화지시값을측정하는것이필요하다. 상태지시값이기존의검증과정에서얻어진것이면사용자는기존방법에의한수명과상태감시결과에의한수명중하나를선택하거나두개를조합하여사용할수있다. 상태감시에의한검증이수행되면기기는수명종료에해당하는상태에도달할때까지검증되는것이다. 상태를지시

6 하는값의경향이현실적이지못하면수명결정에의한검증방법으로복귀할수있다. 상태감시에의한검증시검증문서에는시험방법, 상태지시값사용의제한요건, 가속열화방법이기술되어야한다. 검증대상기기는지정된한계범위내에서안전기능을수행할수있어야하며안전기능을만족시키지못하는경우기기의수정혹은사용의제한요건을결정하여야한다 수정검증이완료된기기에수정이가해지는경우추가적인검증이필요한지여부를평가하여야한다. 기기의수정이라함은설계, 재질, 제작공정, 간극, 윤활제, 고정상태를포함한다. 검증의수정이라함은안전기능, 제한값, 유전응력정도, 기계적응력, 사고후환경조건및발전소수명연장등을말한다. 평가결과추가적인검증이불필요할경우평가문서를작성하여검증문서파일에포함하여야한다. 평가결과추가적인조치가필요하면조치작업후수정된기기가검증되었음을확인하는문서를작성하여야한다. 2.3 검증문서 온화한환경의기기에대한검증문서온화한환경에위치한 Class 1E 기기의검증문서는설계 / 구매사양서, 내진시험보고서, 품질보증서 (C of C) 이다. 설계 / 구매사양서는정상및예상운전조건별특정환경지역에서의기능요구값을수록하여야한다. 온화한환경에위치한기기의경우중대한노화메카니즘이없을경우검증수명을문서화할필요가없다. 내진검증의경우중대한노화메카니즘이존재할경우만경년열화된시험편을사용하여내진검증을수행하고이를문서화한다 열악한환경의기기에대한검증문서 Class 1E 기기의검증문서는요구사양의만족여부, 검증수명, 감시 / 정비혹은상태감시주기의설정이수립되어있음을보여주어야한다. 검증에사용된데이터는적용타당성이있어야하며이해가쉽고추적이가능한형태로정리되어제시된결론에대한독립적감사가가능하도록하여야한다. 열악한환경에위치한기기의검증문서는다음사항을포함하여야한다. - 기기명, 기기제작사, 모델번호 - 안전기능 - 검증방법 - 정상운전환경의온도, 압력, 방사선, 상대습도, EMI/RFI, 파워서지, 운전싸이클, 설

7 계기준사고 - 성능제한치 - 시험순서 - 기기고정방법, 설치방향, 주변기기연결상태, 전선관밀봉요구사항 - 설계기준사고모의시험형상 ( 시험챔버내부에어떤커넥터가있는지여부등 ) - 시험을위해선정된표본기기가대표기기인지여부에대한판정 - 중대한경년열화메카니즘에대한평가 - 검증수명결정근거 - 가속열화시험결과 - 설계기준사고시험결과. 시험결과에는온도-시간곡선, 압력-시간곡선, 습도, 화학물질분사, 물분사, 전기적부하, 기계적부하, 가압된전압, 주파수및침수상황이기술되어야한다. - 방사선원, 조사율및총조사선량이포함된방사선시험결과 - 내진시험결과 - 최대온도, 최대압력, 방사선, 전압, 작동시간, 내진준위에대한여유도 - 검증을유지하기위한감시, 정비, 주기적시험혹은교체계획 - 검증에영향을미치는시험중이상상태에대한평가 - 제한사항및경고를포함하는검증요약및결론, 검증수명및주기적감시 / 정비주기 2.4 등온시험데이터를이용한활성화에너지산출검증대상기기는설계기준사고이전에검증수명목표치에해당하는경년열화가완료되어야한다. 경년열화는자연열화, 가속열화또는두가지의복합을통해수행된다. 자연열화를통해경년열화를수행할경우별도의계산이필요없으나장기간열화된시편이없을경우가속열화방법을적용한다. 가속열화의경우운전온도와검증목표수명에해당하는가속열화온도및가속열화시간을결정해야한다. 가속열화에필요한조건의재료의활성화에너지에따라달라진다. 다음은등온시험데이터를이용한활성화에너지계산방법을설명한것이다. 본실험데이터는미국의검증회사에서 NYLON재질의활성화에너지를산출하는과정에서생산된것이나본고에서는설명을쉽게하기위해약간의가상데이터를추가하였다.[3] 활성화에너지를계산하기위해서 133, 157.5, 202, 240 의온도군에서 NYLON을열화한후특정온도군에서특정시간대별로재질을가속열화하고 100, 200, 400, 1000, 5000, 10000시간대별로경년열화된 NYLON을인출한후최대인장강도를측정한결과를표 1에나타내었다. 측정되어야할물성치는최대인장강도, 파단- 연신율, 유전율, 인덴터지수등재료의안전기능에관계되는것이면상관이없으나본실험에서는최대인장강도를기준으로활성화에너지를산출하였다. 경년열화되지않은 NYLON의인장강도값은 540이었으며온도군및시간대별로가속열화

8 후최대인장강도값은표 1 과같다. 표 1 의데이터를그래프로나타낸것이그림 1 이다. 표 1 NYLON 재료의온도및시간대별가속열화후최대인장강도 시간온도군 100h 200h 400h 1000h 5000h 10,000h Oven Oven Oven Oven 'C 157.5'C 202'C 240'C % 인장강도 h 100h 200h 400h 1000h 5000h 10000h 그림 1 온도및가속열화시간대별그래프 상기그래프에서인장강도값이 50% 로감소한경우의시간대를뽑아내어 failure time을확인하면표 2의데이터를얻을수있다. 표 2 Failure time 선정 온도 failure time Oven1 x1 133 (406 K) y1 10,000hr Oven2 x (430 5K) y2 3,000hr Oven3 x3 202 (475 K) y3 400hr Oven4 x4 240 (513 K) y4 100hr

9 온도및시간에대한 Arrhenius 방정식은 (1) 식 (1) 을풀면 (2) 식 (2) 는 y = mx +b 의형태로대체할수있다.[4] (3) y = mx+b, y = ln x, m = E a /K b, x = 1/T, b = c (4) 표 2 의데이터를이용하여식 (4) 의형태로구성하면표 3 과같은형태가된다. 표 3 식 (3) 의 x, y 값 x y 1/ / / / 표 3 의데이터를식 (2) 에대입하면다음과같이식 (5), (6), (7), (8) 을얻을수있다. (5) (6) (7) (8) 식 (5), (6), (7), (8) 을이용하여 Ea를산출하려면 4개의점들이선형관계를이루어야하므로실험데이타를바탕으로근사화된선형라인을구해야한다. 선형라인의기울기가활성화에너지가된다. 마이크로소프트엑셀프로그램에서제공하는통계기능을이용하여 slope, intercept 및 correl값을산출하면다음과같다. Slope(y,x) 는선형회귀선의기울기, Intercept(y,x) 는선형회귀선의 y 절편, Correl(x,y) 는두데이터집합사이의상관계수를나타낸다. Correl(x,y) 값이 1 에가까울수록데이터가선형화되어있음을알수있다. 본실험데이타를통해나타난 Correlation coefficient값

10 은 이며 Intercept 값은 로나타났다. 식 (3) 의 y = mx + b의관계를이용하면 m에해당되는 Slope는 9,164, b = 이된다. m = E a/k b 이므로활성화에너지 (E a) = m = ev 가된다. 3. 결론 기기검증기술기준 IEEE323 Std 2003년판을검토하고국내가동원전의적용가능성을분석하였다. 2003판에서새로이도입된상태감시에의한수명평가방법은기기의경년열화상태를평가하여검증종료시점에도달하였는지여부를평가하는기법이므로검증문서가확보되지않은장기사용원전에적용할경우매우유용하게활용할것으로기대된다. IEEE323 Std 1974년판과 1983년판의차이점으로대두되었던설계기준사고시험시더블피크를적용하는문제도 2003년판에서는싱글피크와여유도를적용하는것으로결론지었다. IEEE323 Std 2003년판은검증수명연장방법을별도의단원에서보다구체적으로다루어원자력발전소수명연장시적극적으로활용할수있도록개정되었다. NRC는본기기검증규정개정판의승인을긍정적으로검토하고있다. 향후국내원전들도기기검증기준을 IEEE323 Std 2003판으로바꾸어적용하는것이최신기술수준에적합한기술기준을활용하는것이라고판단된다. 참고문헌 [1] IEEE, IEEE Standard for Qualifying Class 1E Equipment for Nuclear Power Generating Station, IEEE Std , 1973 [2] IEEE, IEEE Standard for Qualifying Class 1E Equipment for Nuclear Power Generating Station, IEEE Std , 2003 [3] Tom Hancock, Wyle. Life calculation for NYLON RESIN, 1982 [4] IEEE, IEEE guide for the Statistical Analysis of Thermal Life Test Data, 1971

- 2 -

- 2 - - 2 - - 3 - - 4 - - 5 - - 6 - - 7 - - 8 - - 9 - 가 ) 가 ) 가 ) 가 ) - 10 - - 11 - 길이 피시험기기 주전원 절연지지물 케이블지지용절연물 접지면 발생기 - 12 - 길이 가능한경우 절연지지물 절연지지물 접지면 전자계클램프 감결합장치 - 13 - - 14 - - 15 - - 16 - - 17 - - 18 -