2014. 10. 23

김 양 석

제 19회 안전관련 펌프 및 밸브 가동중시험 워크숍

1. 주기적 성능확인 개요

2. 밸브 요구동력 변화 평가

3. 구동기 성능저하 평가

4. 주기적 성능확인 최적화 방안

규제요건 : 원자력안전위원회 고시 제2012-23호(2012. 1)

“안전관련 펌프 및 밸브의 가동중 시험에 관한 규정”

• 전원전 안전관련 MOV/AOV에 대한 성능평가 및 주기적 성능확인 수행 요구

설계기준 성능평가 및 주기적 성능확인 수행 현황

• 모터구동밸브 (MOV)

- 설계기준 성능평가 완료

- 주기적 성능확인 수행중 (5년주기 수행 완료, 10년주기 수행중)

• 공기구동밸브 (AOV)

- 설계기준 성능평가 완료

- 주기적 성능확인 수행중 (5년주기 수행 중) 10년주기 절차 개발 필요

1

적용 기술 개요

운전여유도(%) = 구동기성능 – 밸브 요구 동력

밸브 요구 동력 X 100

밸브 요구 동력 (선형밸브) = Fpack ± FP,DBR + FDP,DB

Fpack : 패킹 쓰러스트(정적 험 측정 가능)

FP,DBR : 피스톤 효과에 의한 쓰러스트

FDP,DB : 설계기준 차압에 의한 쓰러스트(동적 시험으로 측정 가능)

FDP,DB = VF×∆PDB×Ao

VF : 밸브 팩터, ∆PDB : 설계기준 최대 차압 , Ao : 오리피스 단면적

VF = Th –Thrun±(Pup-Pup-run)×πds

2/4

DP×Ao

µ = COS θ

1/VF±SIN θ [선형밸브]

[회전형밸브] µ = 24×(TqDPO –TqSTO)

DP×Adisk×Ds

디스크/시트 마찰계수

베어링 마찰계수

※ 디스크/시트 마찰계수 또는 베어링 마찰계수(µ) - 밸브 요구 동력 변화에 핵심 인자 (시간경과에 따라 성능저하 발생) - 주기적 성능확인시 동적진단시험을 통해 성능저하 확인 필요 2

디스크/시트 마찰계수 및 베어링 마찰계수의 시간경과에 따른 경향

• 시간 경과에 따라 더 이상 증가하지 않는 Threshold COF 도출 ⇒ 동적진단시험 수행 불필요

추진 방향 • JOG 및 국내 MOV 시험결과 적용 가능 밸브 : 시험 결과 적용 • JOG 결과 적용 불가능 밸브 : 설계특성 및 운전조건이 유사한 MOV 시험결과 적용

COF

COF : 디스크/시트 마찰계수와 베어링 마찰계수 통칭

Time ?

Threshold COF

* JOG(Joint Owners Group) : 미국 원전 소유주 그룹(98개호기 참여), MOV/AOV 성능평가 기술개발 및 교류를 위해 결성된 조직

3

JOG 및 국내 MOV 수행 결과 요약 • 게이트 밸브 : 유체 종류 및 디스크/시트 재질별 Threshold값 도출 • 글로브 밸브 : 평가결과 성능저하 징후가 없어 성능평가시 적용중인 값 사용 • 버터플라이밸브 : 유체종류, 베어링 재질, Hub seal 유무에 따른 Threshold값 도출

수행 결과 예시 • 게이트 밸브 디스크/시트 재질이 stellite/stellite 인 경우

유체의 종류 Threshold COF

Water,Air/N2 0.57

운전 여유도(M) 안전중요도

정적 진단시험 주기(Year)

At-the-Valve 시험

Low 0≦M<5%)

Medium (5%≦M<10%)

High 10%≦M)

High 2 4 6

Medium 4 8 10

Low 6 10 10

[주기적성능확인 진단시험 주기결정 방법(MOV)]

4

MOV 수행결과 AOV 적용 방법 • 수행 방법 - AOV 상세 설계 및 운전 자료 조사(1,270대) : 유량, 차압, 행정수, 재질 등 - MOV 수행결과 적용을 위한 AOV 분류 : 고차압/저차압, 재질 등 - 대상밸브 유형별 요구동력 변화 적용 방법 개발 - MOV 수행 결과 적용 불가능 밸브에 대한 평가 방안 수립

• MOV 수행결과 적용을 위한 AOV 분류(고차압/저차압 분류)

밸브 유형 전체 밸브 대수 JOG 기준

저차압 밸브

JOG 기준

고차압 밸브

게이트 164 11 153

글로브

불균형 773 177 596

균형 34 14 20

파일럿 14 8 6

버터플라이 285 223 62*

합계 1,270 433 837

* 고차압기준 : 게이트/글로브 > 150 psid, 버터플라이 > 50 psid

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MOV 수행결과 AOV 적용 방법

구 분 Threshold COF

수행 주체 디스크/시트 표면재질 유체 종류 및 온도

Stellite vs. Stellite Water or Air/N2, All temperatures

0.57 JOG

0.621) 국내

Stellite vs. Stellite Steam 0.58

JOG

13 Cr SS vs. 13 Cr SS Water or Air/N2 ≤120℉ 0.69

13 Cr SS vs. Stellite Water or Air/N2, All temperatures 0.70

13 Cr SS vs. Monel Water or Air/N2, All temperatures 0.71

Deloro50 vs. Deloro50 Water≤120℉ 0.57

Deloro50 vs. Deloro40 Treated Water, All temperatures 0.69

국내 Platnam vs. Platnam

Treated Water, All temperatures or Steam

0.31

1) Water>120℉, Guide 재질이 300 series SS-300 series SS인 경우 적용.

[고차압 게이트밸브 153대] MOV 수행결과 적용 (가능 : 137대, 불가능 16대-유사재질 적용)

구 분 Threshold 베어링 마찰계수(μb,th)

수행 주체 베어링 재질 유체 종류 및 온도 허브실

Bronze

Treated Water, All Temperatures or Air/N2≤150℉ N/A 변화 없음

(기존값 적용)

JOG

Untreated Water, All Temperatures Yes No 0.39

Teflon, Teflon/ Monel

All Water, All Temperatures Or Air/N2≤150℉ N/A 0.13

Tefzel All Water, All Temperatures Or Air/N2≤150℉ N/A 0.31

Nomex All Water≤150℉ or Air/N2≤150℉ N/A 0.23 Nylatron

Polyethylene

300 series SS All Water≤150℉, Treated Water >150℉ or Air/N2≤150℉ N/A 0.60 국내

Stellite Treated Water≤150℉ N/A 변화 없음

(기존값 적용) JOG Untreated Water≤150℉ Yes

[고차압 버터플라이밸브 62대] MOV 수행결과 적용 (모두 적용가능)

[고차압 글로브밸브 622대] MOV 수행결과 적용 (balanced/pilot형 : 26대 = 1.0 적용, unbalanced 596대는 아래 기준 적용)

적용 조건 VF 밸브수

다음 조건들을 모두 만족(Flashing 발생 조건)하는 밸브 ․운전 조건 : Water > 150℉ ․유동 방향 : Flow Under Disk(닫힘시)

1.26 106

․설계기준 성능평가시 적용 밸브팩터가 1.5인 밸브 1.5 12

․압축성 유체이고 유속이 86 ft/sec 초과인 밸브 1.5 36

나머지 밸브 1.0 429 6

수행 방법

전 원전 적용 방법 개발

성능저하 평가 대상 변수별 Threshold 결정

• 스프링상수, 스프링프리로드, 구동기효율 등

• 신호수집 및 신호변환 (AOVIDS 이용) • 밸브별 설계기준성능평가 AL 1,2차 및 주기적성능확인 AF 신호분석

• 변수 값 및 성능변화율 계산

• 성능변화(증감) 경향 평가

• 밸브 요구동력 변화 평가와 동일 방법

시간 경과에 따른 경향 분석

설계기준 성능평가 및 주기적 성능확인 신호분석

구동기 성능저하 평가 대상 변수 선정

성능저하 평가 대상 변수 값 결정 100

,

,, ×−

=∆평균

평균

ALS

AFSALSS X

XXX

운전여유도(%) = 구동기성능 – 밸브 요구 동력

밸브 요구 동력 X 100

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평가대상 변수 선정

성능저하 평가 대상 변수

성능저하 평가 방법 비고

스프링 상수 • 스프링 재질, 정상운전시 스프링의 상태 및 스프링 형상별 경향분석 및 변화율 평가

선정

스프링 프리로드 (Relaxation)

• 설계기준 성능평가시 규칙적 불활실성 값으로 기 적용 (JOG 결과 반영) • 구동기 모델, 스프링 재질, 정상운전시 스프링의 상태 및 스프링 형상별 경향분석 및 변화율 평가

선정

실린더 마찰력 • 실린더의 정지 마찰력에 불규칙적 불확실성으로 고려 -

다이아프램 유효단면적

• 비금속재질로 연신율, 압축률 등의 변화를 분석한 DB 활용 필요 • 설계기준 성능평가시 적용된 불확실성에 기반영

-

구동기 효율 (회전형 밸브)

• 측정 스템 토크로부터 구동기 효율 계산, 경향분석 및 변화율 평가 선정

공기압 • 성능저하와 무관(측정기 오차) -

밸브 행정거리

레귤레이터 /포지셔너 Drift

• 주기적인 교정(성능저하 기반영) -

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스프링 상수

• 분석대상

- 설계기준 및 주기적 성능확인 진단시험 완료

밸브 중 220대에 대한 신호 분석 (2012년 기준)

• 분석결과

- 스프링 재질, 발전소 운전년수, 스프링 형태,

스프링 부하율, 스프링 상수 크기 등에 따른

변화율 경향 분석

변화율 증감은 Random하게 나타남

• 주기적 성능확인시 적용 방안

구동기 성능평가시 설계기준 성능평가방법과

동일하게 적용

9

스프링 프리로드

• 분석대상

- 설계기준 및 주기적 성능확인 진단시험 완료

밸브 중 215대에 대한 신호 분석 (2012년 기준)

• 분석결과

- 스프링 재질, 구동기 모델, 발전소 운전년수,

스프링 형태, 스프링 부하율, 스프링 프리로드

크기 등에 따른 변화율 경향 분석

변화율 증감은 Random하게 나타남

• 주기적 성능확인시 적용 방안

구동기 성능평가시 설계기준 성능평가방법과

동일하게 적용

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구동기 효율

• 시팅/언시팅 구간의 진단 신호로부터 평가

• 2가지 유형 총 50대에 대한 신호 분석 및 잠재적 Threshold 평가

이차 주기적 성능확인 시험 수행 후 추가 분석 필요

회전형 구동기 유형 분석 구동기 대수 Threshold

랙 앤 피니언 15 0.61

스카치 요크 35 0.60

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주기적 성능확인 최적화 절차 요약(안)

• 주기적 성능확인 최대 시험주기 : 10년

• 안전중요도(범주), 요구동력등급, 운전여유도에 따라 주기 시험주기 결정

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요구동력등급 평가

• 시간경과에 따른 요구동력의 성능저하를 고려하기 위한 주기결정 변수

• 모터구동밸브 주기적 성능확인 절차 준용 (A, B, C, D등 네 개 등급)

요구동력등급 결정 절차

• 밸브 설계 및 운전 정보 수집

• PPM 또는 KVAP 수행 여부 결정

• CAI (Configuration and Application Information) Rating 결정

• 요구동력등급 결정

운전여유도 평가

• 밸브 요구동력 변화 및 구동기 성능저하 고려

Threshold 값을 적용하여 보수적으로 평가

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차 시험주기 결정

• 운전여유도가 0% 이상인 밸브 : 요구동력등급, 안전중요도, 운전여유도에 따라 결정

• 운전여유도가 0% 미만인 밸브

• 범주 2 밸브 차 시험주기 : Allowance 적용, 최대 6년

* Allowance : Threshold 값보다 작은 범위 내에서 2년 주기의 시간경과에 따른 성능저하 변화량

시험주기

안전중요도

주기적 성능확인 시험주기(Year)

A등급 B등급 C등급

0%≦M Low

0≦M<5%

Medium

5%≦M<10%

High

10%≦M 0%≦M

범주 1

(고안전중요도) 6 2 4 6 2

범주 2

(저안전중요도) 10 6 10 10 6

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