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소구경 소켓배관 PAUT 검사 현장 적용 사례

Field Application for PAUT of Small Socket Welds

최정권, 윤희철

Jeong-Gweon Choi, Hee-Chul Yoon

앤스코(주)

ANSCO

[요 약]

최근 국내외에서 원자력 발전소의 소구경 소켓용접부 손상 및 파단으로 발전소 정지 및

보수 등이 야기되었고, 이는 원전의 안정성 우려 및 경제적 손실을 초래하였다. 하지만

1.0" 이하 소구경 소켓용접부는 가동중검사 면제 대상으로 분류되어, 주로 표면검사 및 방

사선 투과검사가 수행되었었다. 이와 같은 검사방법들은 예방차원에서 누설의 징후를 미리

검출하기가 어렵다. 따라서 제작과정에서 발생 되는 용접결함과 가동중에 발생하는 균열

(Crack)과 같은 결함을 검출할 수 있는 새로운 검사기법의 적용이 필요하다.

본고에서는 각종 검사기법들 중 접근제한 부위에 대한 검사방법으로 최근 국내원전에

적용되고 있는 위상배열(Phased Array) 초음파검사 기법을 이용한 소켓용접부 검사기법

및 앤스코(주)에서 최근 수행한 현장 적용 결과를 소개한다.

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1. 서론

소켓용접부는 2.0" 이하 소구경배관으로

배관 직경이 작아 가동중검사에서 면제되거

나 표면검사만 수행하고 있다. 용접형태는 맞

대기(Butt) 용접이 아닌 필렛(Fillet) 용접이

고, 두께 또한 얇아 파장(Wave length) 및

불감대 관점에서 일반 초음파검사로 결함을

검출하는 것이 어렵다. 또한 두께 변화부가

많아 방사선 투과검사는 결함의 검출에 어려

움이 있다. 최근 이러한 이유로 소구경 소켓

용접부 검사에 위상배열(Phased Array) 초

음파검사 기법을 이용한 검사가 개발되어 현

장에 적용중이다.

소구경 소켓배관은 가동중에 가장 많은

형태로 발생하는 결함의 형태는 진동피로균

열(VF : Vibration Fatigue)이다. 위상배열

초음파검사는 소켓 형태의 용접부에 최적화

되도록 개발되어 제작결함과 가동중결함 및

관련/비관련 결함을 특성화 하고 분류의 어

려움을 극복하여 관련지시만 보수할 수 있는

장점을 보여준다.

2. 결함발생 사례

2.1 소구경 소켓용접부

소구경배관은 외경 2인치의 배관으로 탄

소강, 스테인리스 강 또는 Cr-Mo 합금 으

로 제작되며, 원자력발전소 노형에 따라 압력

경계 내에 온도 및 압력측정, 배수(Drain)를

목적으로 설치되어 있으며, 주 배관 및 기기

에서 분기하고 연결은 일반적으로 소켓용접

의 형태를 갖는다.

가동원전에서 소켓용접부의 주 손상기구

는 진동으로 인한 고주기 열피로 균열 이며,

전력기술 기준(KEPIC) MN 4427에 소켓용

접부 제작에 관한 내용이 언급되어 있다. 소

켓용접부는 용접 전 약 1/16인치(1.6mm)의

간극(Gap)을 유지하도록 요구 하고 있으며,

용접 후에는 갭에 대한 확인을 규정하지 않

고 있다.

가동중 소켓 간극은 EPRI TR-1009715

(Analysis of Socket Welded Assembly

Gap) 및 "원전 기기 건전성 평가 규제기술

개발" 연구결과를 적용하여 0.1mm 이상의

간격 유지 시 합격으로 하고 있다.

2.2 국내원전 관리방안

국내원전의 소켓용접부에 대한 진동 측정

평가결과 다음과 같이 진동 위험도를 3개

그룹으로 분류하고, 손상 가능성이 높은 분기

관 용접부 및 분기관과 이격 거리를 고려하

여 배관 중요도를 3개 그룹으로 분류하였다.

A : 고진동 영역(진동 허용치 100% 이상)

B : 중진동 영역(진동 허용치 50%~99%)

C : 저진동 영역(진동 허용치 50% 미만)

Fig. 1 일반적 소켓용접부

Table 1 해외원전 누설 사례

진동위험도 등급

중요도 인자

A B C

Ⅰ ① ② ③

Ⅱ ④ ⑤ ⑥

Ⅲ ⑦ ⑧ ⑨

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Ⅰ : 분기관 용접부

Ⅱ : 밸브 용접부

Ⅲ : 피팅(Elbow, Tee 등) 용접부

○ ①, ② : 매주기 검사[고위험 용접부]

○ ④, ⑤, ⑦, ⑧ :

2~3주기 검사[중위험 용접부]

○ ③, ⑥, ⑨ : 6주기 검사[저위험 용접부]

2.3 국내외 결함발생 사례

2008년 6월 고리3호기 및 2017년 3월

고리4호기 증기발생기 수실 배수 배관(Drain

Line) 소켓용접부에서 고주기 진동피로에 의

한 균열로 누설이 발생하여 발전정지를 유발

하였다. 해외원전에서의 1차측 소구경배관

소켓용접부에서 표2와 같이 대한 다양한 발

전소에서 누설사례가 발생되었으며, 발생원인

은 주로 진동으로 인한 피로균열에서 기인

된 것으로 분석되고 있다.

3. 검사 기술

3.1 결함형태

소구경배관 소켓용접부에서 누설의 원인

이 되는 결함의 형태는 제작결함인 용접결함

과 가동중결함인 균열로 분류할 수 있다.

제작결함인 용접결함은 배관과 소켓부품

의 용접과정에서 발생되며 주로 배관 쪽 또

는 소켓 쪽에 융합부족(LOF, Lack of

Fusion)이 발생되고, 가동중에 발생되는 결

(a) 고리3호기

(b) 고리4호기

(c) 배수라인 형상

Fig. 2 증기발생기 배수라인 누설 사례

함은 주로 기기의 진동에 의한 용접 루트부

(Root) 또는 토우(Toe)에서 균열(Crack)이

발생된다.

3.2 검사장비

소구경배관은 직경이 작아 일반 초음파검

Table 2 해외원전 누설 사례

발전소 내용 원인

Vogtle 1 CVCS Orifice 진동피로

Cook 1 RCS Flowmeter 진동피로

Hatch 1 RHR Vent Line 진동피로

St. Lucie 2 RCP Seal 진동피로

Catawba 2 CVCS Orifice 용접결함

Oconee 1 LPSI 진동피로

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사시 탐촉자의 접촉과 빔의 방향에 영향을

많이 받기 때문에 검사의 신뢰성을 높이고

B-Scan과 C-Scan 신호를 활용함으로써 위

상배열 초음파 검사신호의 평가 용이성을 높

일 수 있다. 소켓용접부는 주사거리가 제한되

고 배관이 2.0", 1.5", 1.0", 0.75" 등으로 직

경이 작아 사용하는 탐촉자의 접촉면을 최대

화하여야 한다. 따라서 위상배열 초음파탐촉

자의 빔 집속 효율 및 조향 능력을 고려하여

1D Linear, 압전소자의 수는 16개로 선정하

고 탐촉자의 공칭주파수가 3.5MHz를 사용한

다. 소켓용접부 검사에 사용되는 위상배열 초

음파 탐촉자 및 웻지의 특성 값은 표3, 4와

같다.

위상배열 초음파 탐촉자가 일정한 위치에

서 일정한 접촉력을 유지하고 배관의 원주방

향을 회전하면서 신호를 취득하기 위하여 링

형태의 스캐너를 사용한다. 이는 검사대상 배

관과의 일정한 접촉력을 유지하고 스캐너의

유격을 최소화하기 위하여 인장력을 조절할

수 있는 Tension Adjuster를 적용하여 한

번에 장착 및 회전을 용이하게 하였고, 위치

표정을 위해 회전축에 1개의 Encoder를 부

착하였다.

(a) Pipe side LOF

(b) Socket side LOF

(c) Root Weld Cracking

(d) Weld Toe Cracking

Fig. 3 소켓용접부 결함 형태

Table 3 초음파 탐촉자 특성 값

제작사 GEIT

모델명 115-001-132

주파수 (MHz) 3.50

형상 및 압전소자 모양

1D Linear Array, Rectangular

압전소자 수 및 배열 16, 1×16

탐촉자 피치(㎜) 0.400

압전소자 크기(㎜×㎜) 6.4 × 6.35

외관 크기(Foot Print)(㎜) 16.28 × 11.05

케이블 길이 (m) 3

케이블 어댑터 모델 번호

Zetec Adapter : Omni-A-ADP03 Zetec Cable : EWUXE075A

Table 4 웻지 특성 값

제작사 GEIT

모델명 360-141-198∼208

접촉면 곡률(㎜) 1.0/1.3/1.8/2.0/3.0

웻지 각도 (deg)/Roof 각도(deg) 35.0/0.0

음속(㎜/㎲) 2,336.8

Height at middle first element (㎜) 5.13

Primary offset of the middle of first element (㎜)

4.17

Secondary axis offset of the middle of first element (㎜)

5.54

웻지 외관크기 (㎜×㎜) 20.37 × 11.1

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3.3 검사방법

기준감도는 45° 빔을 사용하여 교정시험

편의 외경에 가공된 노치로부터 신호 진폭이

전체화면 높이의 80%가 되도록 설정한다.

검사는 그림5와 같이 탐촉자 전면 모서리

가 소켓용접부 Toe에 위치하게 스캐너를 장

착하고 시계방향으로 1바퀴 회전 시킨다. 위

상배열 초음파장비에서 수신 가능한 최대 속

도를 초과하지 않도록 검사 속도를 최대 1

in/sec 이하로 검사한다. 검사 시 주사감도

설정을 위한 감도는 초음파 빔의 각 45° 굴

절각 신호가 검사 대상 두께의 2배가 되는

면(주로 OD)으로부터의 기본 노이즈 신호 진

폭 값이 전체 화면의 10%~15% 사이가 되

도록 설정한다. 만일 기본 노이즈 신호가 미

미할 경우 튜브 끝단으로부터 반사한 신호의

진폭을 전체 화면의 50%~60% 사이가 되도

록 감도를 설정한다.

3.4 Data 평가

3.4.1 검사신호 평가

검사 데이터를 검토하는 가장 효과적인

방법은 Volume corrected S-Scan 신호의

data 커서가 있는 각도에서 나타나는

Projected B-Scan 신호를 이용하는 것이다.

S-scan에서 TPS를 확인하고 data 커서를

TPS의 중간부분에 위치하면B-Scan 화면에

TPS가 나타난다. TPS의 중간부분에 적합하

게 위치하였다면 B-Scan 화면에서는 소켓용

접부의 전체 원주방향에 걸쳐 불규칙적으로

나타나는 TPS를 확인할 수 있다. S-Scan의

data 커서를 이용하여 TPS가 나타난 위치의

위쪽과 아래쪽 각도에 대한 B-Scan 신호를

관찰한다. TPS가 나타난 각도의 위쪽에서 나

타난 지시는 배관에 발생한 균열로 인한 신

호이며, TPS가 나타난 각도의 아래쪽에 나타

난 지시는 용접부 균열, 수직 융합불량

(V-LOF) 및 수평 융합불량(H-LOF)에 의한

신호이다. 일반적인 신호평가 절차를 그림6에

나타내었다.

Fig. 4 1축 수동 링 스캐너

Fig. 5 검사위치 및 기준 Fig. 6 신호평가 절차

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3.4.2 배관 끝단 및 TPS 신호

배관 끝단 반사 신호가 전체 검사 데이터

의 원주방향으로 일정하게 나타나는 것은 검

사 중 탐촉자의 접촉이 일정하게 유지되었다

는 것을 보증한다. "Triple Point Signal(이하

TPS)"은 배관, 소켓 및 용접부 3점이 만나는

지점의 기하학적 형상 신호로 TPS는 결함

검출 및 확인에 사용되는 가장 기본이 되는

기준신호이다. 그러나 용접이 배관과 소켓이

만나는 점에 충분하게 이루어졌을 경우 TPS

는 나타나지 않을 수도 있다. 검사 시스템이

적합하게 교정이 되었다면 TPS는 배관 두께

의 2배 거리에서 나타나며, 전체 소켓용접부

가 균일하게 용접되지 않았기 때문에 360°

전체에 걸쳐 균일한 진폭으로 나타나지 않으

며, 위치에 따라 진폭의 크기가 다르게 나타

난다.

3.4.3 배관 모재 및 용접부 균열

배관 모재 균열 신호는 일반적으로 S-Scan

에서 TPS보다 높은 각도로 용접부 균열은

TPS 보다 낮은 각도에서 나타난다. 일반적으

로 균열일 경우 Triple Point에서 성장하고

결하의 크기가 작을 경우 TPS와 분리가 어

렵지만 균열의 성장이 조금 이뤄진 후에는

다른 지시에 비해 신호의 진폭이 높으며,

S-Scan에서 TPS는 붉은 색 영역으로 확인

된다.

3.4.4 V-LOF(Vertical Lack of Fusion) 및

H-LOF(Horizontal Lack of Fusion)

LOF 신호는 S-Scan 화면의 Triple Point

에서 반사한 신호보다 위치적으로 낮은 굴절

각도에서 형성되고 TPS와 연결되지 않으며,

진폭은 낮은편이다. 용접부와 소켓의 경계면

에 위치한 수직 융합불량(V-LOF)으로부터

반사한 신호는 TPS 보단 긴 빔행정을 가지

므로 B-Scan 상에서 TPS 보다 하단에

(a) 배관 끝단

(b) TPS

(c) 신호 형상

Fig. 7 배관 끝단 및 TPS

이미지가 형성되고, 수평 융합불량(H-LOF)

은 짧은 빔 행정으로 TPS 보다 위에 이미지

가 형성되고 보다 낮은 진폭으로 나타난다.

Triple Point에서 떨어져 경계면의 중간영역

에서 발생한 LOF 결함신호 S-Scan 화면에

서 결함의 양쪽 끝단에서 반사한 두 개의 분

리된 신호가 나타난다. 만일 분리된 신호가

관찰되지 않는다면 LOF가 Triple Point에 매

우 근접하거나 Triple Point에 연결된 것이거

나 균열이 발생한 것으로 판단한다.

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(a) 배관 모재 균열

(b) 용접부 균열

(c) V-LOF

(d) H-LOF

Fig. 8 균열 및 LOF 신호

3.4.5 균열과 LOF 구별의 기술적 한계

현 절차서는 지시의 형태에 따라 위험도

가 다르므로 LOF의 경우 길이가 4.8mm 이

상일 경우, 균열은 진폭 및 길이에 상관없이

불합격으로 처리된다. 따라서 결함의 특성화

과정이 중요한 과정이지만 균열과 LOF의 구

별은 기술적 한계를 갖는다. 지시 평가는 검

출 각도, 위치 및 진폭으로 형태를 구별한다.

소켓검사에 사용되는 탐촉자는 3.5MHz로 초

음파의 Wavelength는 약 1mm 정도가 된다.

그리고 외경 0.75" 및 1" 배관의 두께는 약

5~6mm로 지시의 형태를 구별할 수 있는 척

도가 되는 분해능(신호의 패턴) 관점에서 너

무 얇은 두께가 초음파의 지시 구별 한계로

작용하여 지시의 구별이 완벽하게 이뤄지지

않는다.

4. 현장 적용 사례

2017년 3월 고리4호기 증기발생기 "A"

배수밸브 소켓용접부(BB103-001-SW02)에

서 고주기 진동피로에 의한 균열로 원자로냉

각재 누설이 확인되어 수동정지 되었다. 누설

부위(관통결함)에 대하여 절단 후 PT검사를

약 10회 수행하였으나 결함 탐지에 실패하였

다. 그 후 누설부위 Grinding을 수행하고

100℃물에서 중탕한 후 PT를 수행하였지만

(a) 단면절단

(b) 파면관찰

(c) PAUT 결과

Fig. 9 고리4호기 배수 노즐 관통 지시

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작은 핀홀 형태의 지시만 탐지되었다. 또한

위상배열 초음파검사를 수행하여 기초 데이

터를 취득하였으며, 동 부위에 대하여 파단시

험을 수행되었다. 파단 검사결과 균열선단의

좁은 간격 줄무늬, 균열입구의 마멸현상 및

균열 면에서의 산화물 눌림 등 반복하중에

의한 취성파면현상이 확인되었다. 초음파검사

결과와 파단 시험 결과를 그림9에 나타내었

다.

누설부위와 유사한 소켓용접부에 대하여

고리3,4호기 총 약 1,000 개소에 대하여

(RCS, CVCS, MSIV 계통) 위상배열 초음파

검사를 수행하였고, 다수의 LOF 지시를 발견

하여 보수를 수행되었다. LOF의 경우 데이터

의 평가 방법에 따라 고리4호기 배수노즐에

서 발견된 관통 균열과 다른 대표적인 LOF

지시와의 비교를 위의 그림10에 나타내었다.

일반적으로 균열은 진폭이 높고 TPS 신호

위치에 근접하여 나타나며, V-LOF는 균열보

다는 진폭이 낮으며 TPS 위치를 벗어나 위

치하여 저각도로 관찰된다. 다음 그림11은 검

출된 LOF의 대표적인 내용을 나타내었다.

(a) 가압기하부, LOF(6.5mm), 불합격

(b) 원자로상부, LOF(6.0mm), 불합격

(c) 원자로상부, LOF(30.0mm), 불합격

(d) RCP-B, LOF(10.5/5.6mm), 불합격

(e) MSIV, LOF(6.5mm), 불합격

Fig. 11 고리4호기 지시 사진

지시부위

BB103-001-SW02(균열)

BB123-001-SW05(V-LOF)

진폭 75% 34%

각도 57°~62° 39°~42°

Depth 11.4mm 16.72mm

Fig. 10 균열 및 LOT 비교

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5. 결론

고리3,4호기 증기발생기 배수배관 소켓용

접부에서 누설 및 해외원전에서도 유사한 누

설사례가 증가함에 따라 소켓용접부에 대한

건전성 확보의 필요성이 대두되었다. 국내원전

의 경우 발전사업자에 의해 소켓용접부 관리

방안이 수립하고 위험도 그룹별로 검사계획

(안)을 수립하였다. 소켓용접부에 적용되는

위상배열 초음파검사 기법의 현장적용 결과

거의 대부분 결함에 대하여 우수한 결함 탐

지 및 평가 능력이 검증되었다. 향후 소켓용

접부 위상배열 초음파검사를 지속적으로 수

행함으로 고리3,4호기와 같은 누설 사태 및

불시정지 등의 손실을 줄일 수 있을 것으로

사료된다.

참고문헌

[1] 한수원 설비기술처, "RCS 소구경 소켓용

접부 관리 방안 시행(안)", 2011

[2] B. S. Yoon, "Development of Phased

Array Ultrasonic Testing Technology for

Small Bore Piping Socket Welds", 2012

KHNP-EPRI Workshop

[3] Pedro Lara & Mark Dennis,

"Volumetric Examination of Small Bore

Socket-to-Pipe Welds", 2012 KHNP-

EPRI Workshop

[4] Nondestructive Evaluation : Vol.

Examination of Small Bore Piping Welds

- Phase 1 (1015155), 2007

[5] ANSCO-NDE-05-PAUT-02,R1 소구경

배관 소켓용접부 위상배열 초음파검사 절차

서, 2016

[6] 제80회 원자력안전위원회 회의 "고리4호

기 원자로 수동정지 조사 및 정기검사 결과

에 따른 재가동 심의(안)", 2018