원자력 발전소 제어 밸브 수밀 테스트

[산업일보]
글/ 조쉬 루엔버거(Josh Leuenberger)



IMI 크리티컬 엔지니어링유체 시스템에서 최적의 성능을 유지하기 위해서는 제어 밸브를 설치 이전에 정확하게 테스트하는 것이 중요하다. 이는 유체 제어 오류로 인해 끔찍한 결과를 초래할 수 있는 원자력 발전소의 경우에는 더더욱 중요하다.

제어 밸브의 성능을 정의하는 특성 중 가장 중요한 것은, 유량계수(Cv)에 대한 정확한 예측이 가능해야 한다는 것이며, 유량계수는 유체 흐름을 조절하기 위해 관련 밸브의 용량을 측정하는 것으로, 밸브 전반에 걸쳐 압력의 감소량과 해당 유량 간의 상관관계로 정의된다.

이는 밸브가 다양한 조건 하에서 필요에 따라 충분한 유량이 통과되도록 하고, 유체 시스템이 의도한 대로 동작하도록 하는데 중요하다.


원자력 분야의 최근 사례를 보면 제어 밸브를 위한 정확한 Cv 테스트가 왜 필요한지를 보여준다. 이 애플리케이션은 미국 원자력 시설로, 용량이 각각 1기가와트를 초과하는 2개의 BWR(Boiling Water Reactors)을 갖추고 있었다. 이 시설은 더 많은 전력을 생성하고, 매출을 높이기 위해 파워를 12% 증대시킴으로써 출력증강을 꾀하고 있었다.

원자력 시설에서 파워출력을 높이는 것은 일반적으로 더 많은 우라늄 연료의 핵분열을 통해 보다 높은 열 에너지를 생성함으로써 전기 출력을 높이게 된다. 하지만 높은 열 에너지는 유체 온도 또한 높이게 되는데, 이전에 설계된 이 설비는 이를 처리할 수 없는 상태였다. 높은 온도를 안전하게 수용하기 위해 추가적인 쿨링 기법을 채택하기로 결정했으며, 이 경우 시스템 디자이너는 RHR(Residual Heat Removal) 시스템에서 해답을 찾았다.

이 설비의 기존 RHR 시스템은 원자로가 정지했을 때 붕괴열을 제거하는 역할을 담당하는데, 이는 원자로의 격납 구조물에서 열 교환기로 물이 나가도록 하는 펌프 수를 제한하고, 용융을 방지한 다음, 다시 격납시킴으로써 격납온도을 안전하게 낮출 수 있다.

기존 구성방식은 각 펌프가 하나의 열 교환기를 담당하기 때문에 어떠한 펌프라도 정지하거나 또는 결함이 발생하면 이는 자동으로 열 교환기 작동에 부정적 영향을 미치게 된다. 설비는 여러 다양한 사고 시나리오에서도 원자로를 안전하게 가동할 수 있어야 하기 때문에 이는 바람직하지 못하며, 이 중 하나의 전기공급이 감소되면 더 적은 수의 전력이 부족한 RHR 펌프만 이용할 수 있게 된다. 적은 수의 펌프로도 더 많은 열 교환기를 유지할 수 있는 방법은 설비의 출력을 증강시키는 것이었다.



이는 RHR 상호연결 방식을 도입함으로써 해결됐다. 새로운 파이프 및 제어 밸브를 통해 플로우 루프를 교차적으로 연결할 수 있었으며, 만약 하나의 펌프가 실행되지 않으면, 이 연결이 개방돼 하나의 펌프로 2개의 열 교환기를 담당하고 쿨링 성능을 유지할 수 있도록 했다. 하지만 이 솔루션은 새로운 동작 모드에서 열 교환기 플로우의 밸런스를 정확하게 유지해야 하는 제어 밸브에 여러 가지 설계 과제들이 뒤따르도록 했다.

첫째로, 여러 제어 밸브 애플리케이션과 마찬가지로 이 밸브는 공동 흐름(Cavitating Flow) 영역에서 동작한다. 이는 압력 감소가 1 또는 2 단계만을 갖춘 표준 밸브를 사용하면 유체의 증기압을 넘어서는 축류(Vena Contracta)에서 압력이 떨어지게 되며, 캐비테이션 버블(Cavitation Bubbles) 형성으로 손상을 유발한다. 따라서 여러 단계의 밸브 트림이 필요하다.

또한 이 설비는 원자로 상태를 모니터하기 위해 설치된 여러 대의 수중 원격 검사 카메라를 갖추고 있었다. 제어 밸브의 빠른 유체 속도는 물의 흐름을 방해하고, 이미지를 왜곡할 수 있기 때문에 유출 속도를 최소화하기 위해 더 많은 트림 단계가 요구됐다.

다양한 동작 모드에서 원활한 유체 제어를 위해 긴 밸브 스트로크와 도표에 나타낸 것처럼, 스트로크 프로파일 대비 특정 Cv가 필요했다. 이 밸브는 작업자가 설비지시기를 보면서 수동 조그 컨트롤로 원격 구동이 가능하며, 플로우 밸런스를 위해 밸브를 수동으로 개폐할 수 있다. 가장 잦은 2개의 플로우 영역에서는, 미세조정(Fine Control) 모드가 필요했으며, 밸브는 모터 동작 시 초당 플로우 출력을 특정 등급으로 변경시켜야 했다. 나머지 Cv 슬로프는 최소 및 최대 플로우 조건에 부합돼야 했다.

또한 비상 과용량 상태에서는 중대한 원자로 사고 영향을 경감시킬 수 있어야 한다. 상당수의 파편이 유동 흐름으로 유입되는 것과 같은 사고는 다단계 트림을 막을 수도 있다. 따라서 대화면 개방형 케이지는 최악의 비상 쿨링 성능을 위해 100% 여분의 싱글-스테이지 유동량을 제공할 수 있도록 밸브 트림 상단에 설치됐다.

이러한 모든 설계 요건이 밸브 테스트에서 확실하게 검증됐다 하더라도, 이는 높은 정확도의 맞춤식 테스트 프로그램이 필요로 하는 최소한의 플로우 요건이다. 밸브가 완전히 잠겨있어도, RHR 펌프를 보호하고, 파이프 진동을 방지하기 위해 분당 약 4000갤론(GPM)의 물이 통과돼야 한다. 허용 밴드는 불과 4000 ~ 4100GPM으로 매우 타이트하다. 4000GPM은 밸브의 총 유동량의 약 10%가 되며, 이 타이트한 100GPM 허용밴드에 해당하는 퍼센트 포인트 내에서 완전히 폐쇄된 유동량을 정확히 테스트해야 한다.



Cv 테스트 가이드로는 국제 표준인 ISA S75.02가 있으며, 이는 어떠한 측정을 수행(주로 유량 및 차압)하고, 어떠한 수준의 측정 장비가 요구되는지, 필요한 최소한의 파이프 직선거리는 얼마인지 등을 정의하고 있다. 이 가이드를 따르면, 5%의 정확도로 측정을 수행할 수 있다.

하지만 이 애플리케이션에서 5%는 충분히 정확한 것은 아니며, 4000 ~ 4100GPM 최소 플로우 윈도우가 달성됐음을 입증하기 위해서는 훨씬 더 정밀한 Cv 측정이 필요하다.

솔루션은 매우 정밀한 플로우 측정이 가능한 특수 테스트 장비를 갖춘 주요 대학의 수질 연구 실험실에서 나왔다. 테스트 설정에서 수원은 사진에서 보여지는 것처럼, 설비의 상류만 막은 강이었다. 물은 테스트 표본(제어 밸브)을 통과해서 매우 정확하게 유량을 측정할 수 있는 보정된 웨이트 탱크(Weight Tank)로 방류되며, 매우 정밀한 Cv 측정이 가능하게 된다.

테스트 구조물은 디스크 스택의 최소 플로우 구역에만 노출되도록 개발됐으며, 쉽게 안정적으로 설치할 수 있도록 최종 밸브 트림 설계처럼 정확하게 평형을 갖추었다. 이는 8개의 트림 세트에 걸쳐 여러 번 테스트를 수행함으로써 얻은 핵심 요소다.

연구소에 밸브를 보내기 전에 초기 Cv 테스트는 테스트 수단으로 공기를 이용하는 밸브 제조업체에서 수행됐으며, ISA 가이드와 마찬가지로 5% 내의 Cv 정확도를 달성했다. 반면 수질 연구 실험실에서 수행한 특수 Cv 테스트는 0.2% 내의 정확도를 달성했다. 그렇더라도 공기와 물 테스트 간에는 매우 밀접한 상관관계가 있었으며, 그 결과는 각 0.8% 안에 있었다. 이는 랜덤 불확도라기보다는 0.8%의 반복적으로 편향된 불확도임을 보여주었으며, 공기 결과는 항상 물 결과보다 약간 높기 때문에 공기 테스트는 5%보다는 훨씬 더 정확한 것으로 나타났다. 또한 Cv는 어떠한 종류의 유체인지 상관없이 이를 제어하는 밸브 기하학 구조의 본질적 특성이라는 사실을 강화시켰다.

이러한 애플리케이션을 위해 설계된 밸브는 매우 견고하며, 지진 발생 전이나 발생 중, 또는 이후에도 동작이 가능하다. 밸브 트림은 6개의 개별 유체 제어 존을 포함하고 있다. 실지로 최소 흐름 요소는 폐쇄된 경우 정밀한 4,000GPM 플로우를 제공하며, 주요 플로우 제어 영역을 위한 특성화된 DRAG® 디스크 스택을 갖추고 있다.

DRAG® 디스크 스택은 여러 단계에 접근하는 데에 구불구불한 경로를 사용하는 다중 경로 및 다단계 트림 설계를 포함하고 있다. 이 트림 엘리먼트는 방전 가공 공정으로 새겨진 구불구불한 경로를 가진 개별 메탈 디스크 스택으로 구성되며, 스택 전체를 함께 납땜함으로써 견고한 제어 엘리먼트를 형성한다. 이러한 디스크 스택의 고유한 특징은 각 디스크가 각기 다른 수의 스테이지를 가질 수 있다는 것이다. 이러한 프로세스는 애플리케이션 요건에 부합하는 Cv 커브 슬로프의 정밀한 특성화가 가능하며, 밸브 스트로크 전반에 걸쳐 가변 플로우 저항을 제공할 수 있다. 이 프로젝트에서 요구되는 플로우 프로파일을 만들기 위해 10, 8, 6-단계 디스크 조합이 사용됐다.

생산 허용오차로 인해 가변 유량계수를 가진 동일한 설계의 밸브는 종종 크기 면에서 작은 변화가 나타나기 마련이다. 하지만 이 프로젝트의 엄격한 수용 기준은 표준 생산공정의 변화를 허용하지 않는다. 대신 2-단계 제조 공정이 사용됐다. 밸브가 설계되고 생산되고 나면, 초기에 만들어진 Cv는 위에 언급한 테스트를 통해 정확하게 측정된다. 각 개별 밸브에 대한 이 Cv 데이터에 기반해, 재특성화 공정을 통해 디스크 스택을 미세 조정하기 위해 제조공정 상에 여유를 남겨놓는다. 그런 다음, 원자력 설비에 설치하기 이전에 장비를 검증하기 위한 최종 Cv 테스트 확인을 위해 밸브는 다시 연구소로 보내어 진다.

최종 테스트 결과는 도표에 나타나있다. 상단의 파란색은 초기 구현된 데이터이고, 그 아래 빨간색은 재특성화 이후의 결과이다. 반면 이전에는 약간 완만한 데이터 산포를 보였지만, 이번에는 거의 제거됐으며, 모든 스택은 타깃 상의 우측에 있다. 2개의 데이터 세트(파랑 이전, 빨강 이후)가 나타내는 정규 분포는 어떻게 획기적으로 변동량이 감소됐는지를 보여준다. 그러나 가장 중요한 것은 4,000에서 4,100 GPM flow의 설계 요구사항을 여유 있게 달성할 있다는 것이 증명된 것 이다

최소 플로우 요건이 제공되면 마지막 단계에서 풀 Cv 커브가 완성된다. 모터 작업자와 구현한 것과 더불어 전체적인 최종 밸브 조립은 워터 테스트 연구소로 다시 보내지며, 약 12인치 스트로크로 완전히 폐쇄된 상태에서 완전히 개방되기까지 10개의 개별 스트로크 포지션에서 측정이 수행된다. 견고한 파랑색 라인에서 보여지는 것처럼, 결과적으로 탁월한 설계 커브와의 상관관계가 달성됐다.

이 프로젝트는 필요한 Cv 커브를 얻기 위해 디지털 포지셔닝이나 제어 로직에 의존하는 것이 아니라 밸브 하드웨어 자체에 대한 미세 조정 및 특성화가 가능하고, 미세 조정 능력이 요구되는 경우에 해당하는 사례를 보여주었다.

또한 제조상의 변동 및 허용오차를 처리하기 위한 미세조정 설정 및 테스트 추가가 가능한 ´결과-확인가능 제조´ 공정은 매우 엄격한 Cv 요건에 부합하는데 사용된다. 반면 테스트 수단이 물이나 공기, 또는 유체이든 여기에서 시연된 바처럼 측정된 Cv 정확도의 요인은 아니다. 따라서 밸브 애플리케이션이 워터 서비스라 하더라도, 보통 더 저렴한 공기를 통한 Cv 테스트는 테스트 방법으로 완벽하게 수용 가능하며, 측정 장비의 정확도는 애플리케이션 요건에 부합할 수 있다.