CORROSION SCIENCE AND TECHNOLOGY, Vol.15, No.3(2016), pp.135~140 pissn: 1598-6462 / eissn: 2288-6524 DOI: http://dx.doi.org/10.14773/cst.2016.15.3.135 원전 2 차계통의출력증강운전에따른배관감육영향분석 윤훈 1,2 황경모 1 이효승 1,2 문승재 2, 1 KEPCO E&C, 경상북도김천시혁신로 269 2 한양대학교기계공학부, 서울특별시성동구왕십리로 222 (2016 년 2 월 12 일접수, 2016 년 5 월 16 일수정, 2016 년 6 월 16 일채택 ) Analysis of Wall-Thinning Effects Caused by Power Uprates in the Secondary System of a Nuclear Power Plant Hun Yun 1,2, Kyeongmo Hwang 1, Hyoseoung Lee 1,2, and Seung-Jae Moon 2, 1 KEPCO E&C, 269, Hyeoksin-ro, Gimcheon-si, Gyeongsangbuk-do, Korea 2 Mechanical Department, Hanyang University, 222, Wangsimni-ro, Seoungdong-gu, Seoul, Korea (Received February 12, 2016; Revised May 16, 2016; Accepted June 16, 2016) Piping and equipment are degraded by flow-accelerated corrosion (FAC) in nuclear power plants. FAC causes numerous problems and nuclear utilities maintain programs to control FAC. The key parameters influencing FAC are hydrodynamic conditions, water chemistry, and effect of materials. Recently, a nuclear utility has planned slight power uprates in Korea. Operating conditions need to be changed in the secondary system according to power uprates. This study analyzed the effect of wall-thinning caused by power uprates. The change of operation data in the secondary cycle is reviewed, and wall-thinning rates are analyzed in the main lines. As a result, two phase (mixture of water and steam) lines have a greater impact than a water line under power uprate conditions. Also, the quality of steam is the most important factor for FAC in two phase lines. Keywords : flow-accelerated corrosion, wall-thinning, power uprates 1. 서론국내원자력발전소는일반적으로발전전부하중기저부하를담당한다. 원전은한번운전을시작하면차주기계획예방정비시기이전까지 100 % 출력운전을목표로한다. 최근원자력발전소에서는안전을보장하는범위내에서출력을높여운전하는출력증강운전을계획하고있다. 미국에서는원전의출력증강을이미 1970 년대에부터시작하였으며, 최근까지약 140 여원전에서출력증강운전을시행중이다. 원전의출력증강은 measurement uncertainty recapture power uprates (MUR), stretched power uprates (SPU), 그리고 extended power uprates (EPU) 로구분된다. MUR 은개선된출력계산을통해최대 2% 정도의출력증강을달성하고, SPU 는일반적으로최대 7 % 정도의출력증강 Corresponding author: smoon@hanyang.ac.kr 을수행하며, EPU는대대적인발전소의설계변경을통해최대 20 % 까지출력을증강한다. 국내에서는기존의설비를변경하지않고, 안전을보장하는범위내에서 SPU에해당하는출력증강을계획중이다. 유동가속부식 (flow-accelerated corrosion, FAC) 은탄소강또는저합금강으로제작된배관및기기표면이내부의유체에의해용해되어점차얇아지는현상이다. 1986 년미국의 Surry 원전에서발생한배관손상사례를시작으로최근까지크고작은손상사례가지속적으로보고되고있다 1-3). 국내의모든원전에서는 FAC로인한손상을미연에방지하기위하여체계적인배관감육관리절차를수립하여운용중이다. 일반적으로 FAC 에영향을미치는주요원인은크게수화학조건, 배관의재질, 그리고열수력조건 ( 예, 유속, 유로의형상, 건도등 ) 으로알려져있다 1,3). 출력증강을할경우 2차계통배관은압력, 온도, 유량등의운전조건이변하게된다. 이러한운전조건의변화는 2차계통배관내부의 FAC 발생
HUN YUN, KYEONGMO HWANG, HYOSEOUNG LEE, AND SEUNG-JAE MOON 원인을변화키시고, 최종적으로 2 차계통배관내부의 FAC 감육률의변화를가져온다. 본논문에서는국내원전에서 계획중인출력증강에대비하여, 출력증강시원전 2 차계통 에서발생할수있는 FAC 의영향을분석하였다. 우선기존 정상출력 (100 % 출력 ) 운전조건과출력증강시운전조건 을분석하고, 각운전조건에서감육률분석을수행하였다. 감육률분석은미국 EPRI 에서개발한원전의배관감육해석 코드인 CHECWORKS 를사용하였다 4,5). 감육률분석을통 해출력증강시원전 2 차계통사이클내주요배관에서 FAC 로인한감육률의변화를예측해보고자한다. 2. 출력최적화운전에따른 FAC 의영향변수 FAC 는내부를흐르는유체에배관표면의마그네타이트 가용해되면서배관벽이점차얇아지는현상이다. FAC 에 영향을미치는변수와각변수들간의상관관계를통한예측 식은식 (1) 과같다 6). 여기서, E = 감육률 F 1 (T) = 온도영향변수 F 2 (AC) = 재질내합금함량영향변수 F 3 (MT) = 물질전달에의한영항변수 F 4 (O 2 ) = 용존산소의영향변수 F 5 (ph) = ph 의영향변수 F 6 (G) = 유로의형상변수 F 7 (a) = Void Fraction 의영향변수 F 8 (N 2 H 4 ) = Hydrazine 영향변수 (1) 낸다. 그림에서보듯이유속이증가하면감육률이증가하는경향을보인다. 출력증강을통해압력및온도가변하게되면 2상조건에서는건도가변하게된다. 건도는 2상유체중증기성분의질량비로, 2상조건에서어느정도의수분을포함하고있는가를나타낸다. 2상조건에서건도는감육률에매우큰영향을미친다. FAC 는내부유체가건증기상태일때에는발생하지않는다. 액체와증기상태가혼합되어있는 2상유체에서액체성분만감육에영향을미치게된다. Fig. 2는 2상유체조건에서증기의건도와감육률의상관관계를나타낸다. 건도의미소한변화도감육률에큰영향을미침을알수있다. 출력증강으로인한온도의변화도감육률변화에영향을미친다. FAC는일반적으로 100 ~ 280 에서발생한다. Fig. 1을보면온도에의한영향은유속의증가에따라조금씩우측으로이동하기는하지만, 약 130 ~ 140 근처에서최대값을갖는종모양의그래프로나타난다. 일반적으로온도와감육률의상관관계는약 140 ~180 정도에서최대값을갖으며, 최대값이하에서는온도가증가하면감육률은증가하고, 최대값이상에서는온도가증가하면감육률은감소하는경향을보인다. 이는 Fe 3 O 4 의용해도와직접적으로연관되어있다. 또한, 배관내온도의변화로인해 ph도변하게된다. ph는온도, 건도, 아민의종류, 그리고아민의농도로결정된다. 일반적으로 ph가높으면 FAC로인한감육률은감소한다 7,8). 앞서살펴본바와같이 FAC 는다양한요인들이복합적으로작용하여발생하게된다. 일부영향변수에대한감육률 식 (1) 은 EPRI에서개발한 CHECWORKS 프로그램에서적용하고있는 Chexal-Horowitz Erosion-Corrosion Model 이다. 이외에도독일, 프랑스등에서별도의 FAC 예측식을제시하고있다. 각예측식은영향변수의상관관계등에서상이한점은있지만, 일반적으로 FAC에영향을미치는변수는큰차이가없다. 출력증강을위해서는 2차계통라인의운전조건을변경해야한다. 운전조건이변경되면감육에영향을미치는요인들이변경되며, 이로인하여 FAC로인한감육률이변하게된다. 출력증강으로인해영향을받는주요변수는유량, 온도, 건도등이다. 2차계통배관내부의유량변화는배관내유속을변화시킨다. 유속은철의물질전달을지배하는중요한변수이다. 유속의증가는물질전달효과를증대시키며, 표면의전단응력이증가한다. Fig. 1은유속과감육률의상관관계를나타 Fig. 1. Flow and temperature dependence of single-phase FAC 1). CORROSION SCIENCE AND TECHNOLOGY Vol.15, No.3, 2016
ANALYSIS OF WALL-THINNING EFFECTS CAUSED BY POWER UPRATES IN THE SECONDARY SYSTEM OF A NUCLEAR POWER PLANT Fig. 2. Steam quality dependence of two-phase flow 1). 은일정한상관관계를보이며증가또는감소하지만, 온도와같은변수는상황에따라감육률을증가또는감소시킬수있다. 일반적으로출력증강시압력, 온도, 유량등이증가하는경향을보이지만, 감육률은다양한변수가복합적으로작용하여발생하기때문에단순히예측할수없다. 3. 실험방법본논문에서는원자력발전소의정상출력 (100 % normal operation, NO) 운전과출력증강 (104.5 % power uprates, PU) 운전에서운전조건변화가배관감육에미치는영향을분석하였다. 배관감육분석을위해서미국 EPRI 에서개발한유동가속부식예측프로그램인 CHECWORKS 프로그램을활용하였다 4,5). CHECWORKS 프로그램은유동가속부식예측을위해전세계에서가장널리사용되는프로그램이며, 국내원전에서도 CHECWORKS 프로그램을사용하고있다. 각조건의운전조건의변화를분석하기위하여정상출력조건과출력증강조건에서열평형도 (heat balance diagram, HBD) 분석을수행하였다. 각각의 HBD에서동일한라인의운전조건을추출하였다. 감육률해석은해당발전소의 CHECWORKS 모델을기준으로정상출력운전조건에대한감육률해석을먼저수행하고, 동일한조건에서출력증강운전조건의해석을수행하였다. 출력증강조건에서변화를알수없는변수 ( 예, 재질, 환경등 ) 는모두동일하게가정하였다. Fig. 3은 2차계통사이클의분석대상라인을표시한것이다. 각분석대상라인은편의상복수기 (condenser, CEX) 를기준으로차례로번호를부여하여구분하였다. 1 라인은저압급수가열기 (heater, HTR) #2에서 #3으로연결된복수계통라인이며, 2 ~ 4 라인은급수펌프 (feedwater pump, FWP) 에서증기발생기 (steam generator, S/G) 사이의급수가열기를연결하는급수계통라 Fig. 3. Analysis lines on heat balance diagram. CORROSION SCIENCE AND TECHNOLOGY Vol.15, No.3, 2016
HUN YUN, KYEONGMO HWANG, HYOSEOUNG LEE, AND SEUNG-JAE MOON Table 1. Operating condition of normal and power uprates conditions Line No. Pressure (Psia) Temperature ( ) Enthalpy (Btu/lb) Flow Rate (Mlb/h) Quality NO 1) PU RC 3) NO 1) PU RC 3) NO 1) PU RC 3) NO 1) PU RC 3) NO 1) PU 2) RC 3) 1 4.95 5.13 3.8 % 161.78 163.36 1.0 % - - 4.081 4.248 4.1 % 0 0-2 118.35 123.62 4.5 % 340.21 343.50 1.0 % 311.36 314.80 1.1 % 5.959 6.281 5.4 % 0 0-3 190.39 198.67 4.4 % 377.68 381.23 0.9 % 350.97 354.76 1.1 % 5.959 6.281 5.4 % 0 0-4 319.44 333.28 4.3 % 423.13 427.09 0.9 % 400.21 404.58 1.1 % 5.959 6.281 5.4 % 0 0-5 779.72 818.37 5.0 % 522.07 527.50 1.0 % 1196.60 1194.98-0.1 % 3.769 3.949 4.8 % 0.995 0.994-0.04 % 6 324.58 339.53 4.6 % 424.61 428.83 1.0 % 1127.82 1125.45-0.2 % 0.638 0.682 6.9 % 0.906 0.902-0.42 % 7 203.81 213.58 4.8 % 383.37 387.33 1.0 % 1107.56 1105.64-0.2 % 0.692 0.739 6.8 % 0.892 0.888-0.39 % 8 23.63 24.69 4.5 % 236.97 239.37 1.0 % 1155.36 1157.04 0.1 % 0.153 0.161 5.2 % 0.996 0.997 0.09 % 9 218.35 230.29 5.5 % 389.21 393.79 1.2 % 363.33 368.25 1.4 % 0.594 0.64 7.7 % 0 0-1) NO : Normal Operation, 2) PU : Power Uprates Operation, 3) RC : Rate of Change, ((PU-NO)/NO) x 100 (%) 인이다. 5 라인은주증기계통라인이며, 6 ~ 8 라인은고압터빈 (high pressure turbine, HP Turbine), 저압터빈 (low pressure turbine, LP Turbine), 재열기 (reheater, RHTR) 에서열교환기로연결된추기계통라인이다. 9 라인은고압급수가열기 #7에서 #6번으로연결된배수계통라인이다. Table 1은정상출력및출력증강에대한운전조건을나타낸다. 정상출력을기준으로출력증강에서는모든분석라인에서압력, 온도, 유량이증가하였으나, 엔탈피는일부라인에서는감소한것으로알수있다. 앞서살펴본바와같이출력증강으로인하여압력, 온도, 유량이증가하면감육률도증가할것으로단정하는것은주의해야한다. 온도는최대값을기준으로증가하면오히려감육률이감소하는경향을보인다. 또한, 온도및압력의변화에따라변화하는건도의증가또는감소가감육률변화에크게영향을미친다. 따라서, 운전조건이변화할경우에는 FAC로인한감육률의변화에대한분석이반드시수반되어야한다. 정상출력조건과출력증강조건에서각라인에서감육률해석을수행하고그결과를분석하였다. 4. 실험결과정상출력조건과출력증강조건에서각각감육해석을수 행하고, 그결과를분석하였다. Table 2는각라인의감육률분석결과이며, Fig. 4는각라인의분석결과를그래프로표시하였다. Table 2의감육률은각라인에포함된개별컴포넌트의감육률의평균값이다. 이를비교하여각라인에서감육률의변화를분석하였다. 1 라인은복수계통라인이고, 2 ~ 4 라인이급수계통라인이며, 내부유체상태는모두단상의물이다. 또한, 9 라인은배수계통라인으로마찬가지로내부에단상의물이흐르는라인이다. 해당라인에서는감육률이약간증가하거나감소하지만그변화는미미한것을알수있다. 앞서살펴본바와같이각라인에서운전조건의변화는복합적으로감육률에영향을미친다. 2, 3 라인에서는유량의증가, 온도상승등으로인하여감육률이약간증가한것으로추정할수있다. 4 라인에서는온도가 217.29 (423.13 ) 로이영역에서는온도가증가할수록감육률이감소하는경향을보인다. 4 라인에서는감육률이약간감소한것을알수있는데, 이는다른변수보다온도의영향이감육률에지배적인영향을주는것으로추정할수있다. 그러나, 단상의물라인에서는출력증강으로인한감육률의변화가크지않은것을알수있다. 5 라인은주증기계통라인이며, 6 ~ 8 라인은추기계통라인이다. 해당라인의내부유체는물과증기가혼합된 2상의습증기이다. 출력증강조건에서습증기라인들의감육률 CORROSION SCIENCE AND TECHNOLOGY Vol.15, No.3, 2016
ANALYSIS OF WALL-THINNING EFFECTS CAUSED BY POWER UPRATES IN THE SECONDARY SYSTEM OF A NUCLEAR POWER PLANT Table 2. Results on wear rates No Average of Wear Rate (mils/yr) Rate (%) (PU/NO) 100 NO PU 1 1.456 1.365 94 % 2 2.910 2.959 102 % 3 3.990 4.022 101 % 4 1.605 1.523 95 % 5 1.126 1.412 125 % 6 10.054 14.395 143 % 7 0.017 0.020 119 % 8 1.008 0.601 60 % 9 2.925 2.870 98 % 변화는단상라인에비해상대적으로매우큰것을알수 있다. 5 ~ 7 라인은감육률이크게증가하였으며, 8 라인 은감육률이크게감소하였다. Table 1 을살펴보면해당 라인은모두압력, 온도, 유량이증가하였다. 그러나, 건도는 5 ~ 7 라인에서는미소하게감소하고, 8 라인에서는미소 하게증가하였다. Table 2 의감육해석결과에서는미소한 건도의변화가발생했음에도불구하고, 건도가감소하면감 육률이크게증가하고, 건도가증가하면감육률이크게감소하는것을알수있다. 즉, 2상유체라인에서는식 (1) 에제시된여러영향변수중건도의변화로인해발생한 Void Fraction 의변화가감육률에지배적인영향을미치는것으로판단된다. Fig. 4에서 7 라인은다른라인들에비하여감육률이가장크게발생하는조건하에서운전됨에도타라인에비해감육률의절대값이매우작음을알수있다. 이는해당라인의재질이저합금강이기때문이다. 일반적으로 2차계통배관에널리사용되는탄소강에비하여저합금강은감육에큰저항성을가지는것으로알려져있다. 해당발전소는감육영향을고려하여설계시 7 라인의재질을저합금강으로제작한것으로확인되었다. 5. 결론본연구에서는원자력발전소의정상출력조건과출력증강조건에서운전변수를분석하고, 각조건에서감육해석을수행하였다. 2가지조건에서수행한감육해석결과를분석하여출력증강으로인한운전조건의변화가감육률에미치는영향을분석하였다. 본연구의결과는다음과같다. 1) 열평형도상에서출력증강운전시감육률에영향을 Fig. 4. Comparison of wear rate between normal and power uprates conditions. CORROSION SCIENCE AND TECHNOLOGY Vol.15, No.3, 2016
HUN YUN, KYEONGMO HWANG, HYOSEOUNG LEE, AND SEUNG-JAE MOON 미치는주요변수는압력, 온도, 유량이다. 출력증강시각변수는모두증가하는것으로확인되었다. 그러나, 이러한변수의증가로인해반드시감육률이증가하지는않는다. 감육률은각변수의영향이복합적으로작용하여나타나는현상으로출력이변경될경우반드시감육해석을재수행하여변화를추적하고관리계획에반영할필요가있다. 2) 내부유체가단상의물인경우출력증강으로인한감육률의변화는크지않은것으로판단된다. 출력증강으로인하여각라인에서운전조건이변화하고, 이로인하여일부라인에서는감육률이약간증가하고, 일부에서는감육률이약간감소하는것을확인할수있었다. 하지만, 전반적으로단상의물라인에서감육률변화는크지않은것으로확인되었다. 3) 라인의내부유체가물과증가가혼합된 2상의습증기인경우에는출력증강으로인한감육률의변화가상당히큰것을확인하였다. 특히, 다른변수에비해건도의영향이지배적임을확인할수있었다. 미소한건도의변화에도감육률이크게증가하거나감소한다. 이로비추어볼때, 출력증강시발전소현장에서 2상라인에대하여특히주의를기울여야할것으로판단된다. 본연구를통해원자력발전소에서출력증강운전을수행 할경우발생할수있는감육률의변화를살펴보았다. 본 연구결과는발전소현장엔지니어가출력증강운전시행에 대비하여감육률의변화를이해하고관리방안을수립하는 데활용될수있을것으로판단된다. References 1. EPRI, TR-106611-R1, Flow-Accelerated Corrosion in Power Plant (2004). 2. EPRI, TR-1022295, Mentoring Guide for Flow-Accelerated Corrosion Engineers (2010). 3. EPRI, NSAC-202L-R4, Recommendations for an Effective Flow-Accelerated Corrosion Program, (2013). 4. EPRI, TR-1009599, Guidelines for Plant Modeling and Evaluation of Component Inspection Data (2004). 5. EPRI, TR-1019176, CHECWORKS Steam/Feedwater : Application Guidelines for Plant Modeling and Evaluation of Component Inspection Data (2009). 6. EPRI, TR-1018102, CHECWORKS Steam/Feedwater Application (SFA) Ver. 3.0 User Guide (2008). 7. E. H. Lee, K. M. Kim, H. P. Kim, Corros. Sci. Tech., 12, 280 (2013). 8. H. Yun, K. M. Hwang, S. J. Moon, Corros. Sci. Tech., 14, 325 (2015). CORROSION SCIENCE AND TECHNOLOGY Vol.15, No.3, 2016