2013. 11. 8 권갑주 - kins.re.kr · 밸브몸체와트림은유체유동유발진동(Flow Accellated Vibration)을최소화하는구조 로설계하여야한다. 밸브설계요건보완

2013. 11. 8

권 갑 주

제5회 원전 계측제어 심포지엄(NuPIC 2013)

바탕 화면 보기.scf

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2 운전 현황

2

3 원인 분석 및 기술동향

4 개선 사례 및 효과분석

5 가동 원전 및 신규 원전 적용방안

1 개 요

6 결 론


3

국내 유일의 자체(특허)기술 보유한 제어밸브 설계 및 제조 회사

• 37건 국내 외 특허 보유, 초고압(4500#)정밀제어밸브 생산

무누설 (Steam & Gas Plant용) 제어밸브 설계 및 제조

국내 유일한 원자력 안전등급용 제어밸브 제조 및 공급

• Q Class AOV(J232B) & KEPIC- MN Stamp 보유

대한민국 신제품(NEP)인증 및 조달청 우수제품 선정

플랜트 ENG(설계) 능력을 보유한 종합밸브 메이커

• 가동원전 설계 자격보유 및 설계개선 용역 수행

• AOV, MOV, BFV, Ball, PRV 등 제반 밸브 설계 및 제조


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1. 개 요

외산 수입품으로 높은 구매비 지출 및 유지보수 비용 소요

대형 밸브로서 고장 시 정비가 매우 어려움

신규 원전 시운전 중 고장으로 공정 영향 사례

원전 가동 중 내부누설로 발전소 효율 및 전기출력 감소

호기당 2MW 수준의 출력 손실

밸브 트림의 반복적 손상으로 밸브 신뢰도 저하

터빈 바이패스 밸브는 호기당 12대~16대 운영

고온고압 조건에서 대부분 주증기 차단 기능 수행

터빈 기동 시 또는 정지운전 시에만 작동


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2. 운전 현황

가동 원전 고장 현황

발전소 운전중 내부 누설로 인해 발전소 효율 저하 및 출력손실

~ 2MW 출력 손실

매 O/H 마다 밸브 분해 정비 수행

밸브 부품의 침식 손상 정비

신규 원전 고장 현황

시운전 중 밸브 내부부품 Galling 손상

정비에 10개월 이상 소요

밸브 작동시간(15~25초) 설정이 매우 어려움

설정값 조절 시 20회 이상 밸브 작동 필요


6

개폐 시험 중 고착현상 발생

계통 정상가압 상태(약 75kgs)에서 밸브 개방 후 닫히면서 고착

15~70% 개도에서 고착, 밸브마다 고착 위치 상이

밸브 Disk Stack 내부 이물질 존재( 제작시 유입된 가공 칩)

Disk Stack 내면, Plug와 Cage Retainer의 외면의 심한 손상(galling)

신규 원전 고장 현황


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유체의 압력, 속도변화

Cavitation 또는 Flashing 발생

소음, 진동, 침부식, 마멸, 파손

내부누설, 손상 제어난조 소음 환경

유체 누설 프로세스 복잡 법적 규제

효율 저하 설비비 증가 방음설비 추가

원가 및 운영비용 증가(경제적 손실)Cavitation Point

밸브 고장 원리

1000 MWe 급 원전 호기당 약 10 MWe 까지 손실

3. 원인 분석 및 기술 동향


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① Body 비대칭 구조

② Plug 구조 부적절 (Wheel Rib Type)

③ 구동기의 구동력 부족

④ Cage 유동 설계 부적절에 의한 유동 유발 진동

⑤ Cage 관련 부품 동심 유지 구조 부적절

⑥ Cage와 Plug의 상호 동심 유지 미흡

⑦ Plug Stem의 Run-out (Bending)

⑧ Plug Stem의 Stiffness

고장 유발 요인

신규 원전 밸브 고장 원인


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(1) 밸브 트림 (TRIM) 개선

고 장 원 인 영 향 개 선 방 안

고차압 또는 플래싱 조

건에서 내부 유동에너지

과다

고속 유동에 의해 밸브 몸

체 및 내부부품의 침식 손

상 발생

유동에너지를 적정치로 유지

하기 위해 Multi- stage Trim

적용

운전조건에서 캐비테이

션 발생

밸브 몸체 및 내부부품의

캐비테이션 손상 발생

캐비테이션이 발생하지 않도

록 Anti-cavitation Trim

(Multi-stage Trim) 적용

낮은 누설등급으로 인한

누설 허용

누설 진행 및 시간경과에

따라 손상 확대

누설등급 상향 조절

(Leakage Class Ⅴ)

밸브 내부 유동 구조의

부적절

밸브 몸체 및 내부 부품의

침식 손상 발생

증기/2상 유체의 유동은 Flow

to Open, 액체 유동은 Flow

to Close 형식으로 개선

밸브 개선 기술 동향


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고 장 원 인 영 향 개선 방안

고차압 조건에서 누설을

차단할 수 있는 구동기의

구동력 부족

플러그/씨트 밀봉에 필요

한 차단력(Shuf-off Force)

부족으로 누설 발생

고차압 조건의 시트 누설

등 급 적 용 (ANSI/FCI 70.2

Seat Leakage Class Ⅴ)

및 구동기 용량 증대

(2) 구동기 용량 개선

고 장 원 인 영 향 개 선 방 안

표면경화(Hardfacing)

처리 미흡

내침식성 취약으로 인해

침식 손상 발생

Stellite Hardfacing

또는 질화 처리

밀봉부 선접촉

(Line Contact) 불량

밀봉부 기밀 불량으로 누

설 발생

플러그/씨트의 접촉각도

및 동심도 개선

동심도 불일치

(Misalignment)

밀봉부 기밀 불량으로 누

설 발생

설계 및 제작 공차

개선

(3) 밸브 Plug, Seat 설계 개선


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적용 조건유동에너지 기준 물의 등가 속도

psi kPa ft/s m/s

단상 유체 70 480 100 30

캐비테이션과2상 유체

40 275 75 23

진동 민감 계통 11 75 40 12

밸브 트림 유동에너지 기준 (ANSI/ISA)

KE : 유동 에너지(Kinetic Energy)W : 유체의 유량V : 유체의 속도Ρ : 유체의 밀도


설계 및 운전 조건1

사용유체 Steam 유 량 191.9 ton/hr

전단압력 110.9 kg/cm2 유량계수 270

후단압력 17.5 kg/cm2 사 이 즈 10”/ 2500lb

차 압 93.4 kg/cm2 밸브형식 Globe

온 도 540℃ 누설등급 Class IV

밀 도 31.2kg/m3 제 조 사 외국회사

4. 개선 사례 및 효과 분석

밸브 내부 누설로 약 2 MW 까지 출력손실 발생

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개선 내용3

개선사항 기존 밸브 국산화 밸브 비고

1. 트림 형식 Drilled Hole Helical Trim 특허 기술 적용

2. 유량 용량 Cv 270 Cv 324 1.2배 증대

3. 구동기 형식 Diaphragm Cylinder 최신 구동기/소형화

4. 구 동 력 1,700 kg 11,000 kg 6.4배 증대

5. 누설등급LeakageClass IV

LeakageClass V

약100배누설량 감소

6. 밀봉구조 Piston RingC-Seal &

Piston Ring 특허 기술

적용

7. 부품재질STS 420J2STS 431

STS 630등

최적 재질선정 및

Plasma Coating 등

최적화기술 적용

8. 포지셔너 EP Smart 성능 향상

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개선 효과5

내부누설 개선 및 발전기 출력 유지

내부누설시험으로 밀봉 성능 확인

밸브후단온도가 36.9℃에서 31.6℃로 낮아져 완전 밀봉되었음을 검증

한주기 운전(18개월) 동안 밀봉 성능 유지

기존 밸브 누설로 인한 발전기 출력 2 MW 감소 문제점 해결

개선전 온도변화 개선후 온도변화

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밸브 작동 시간 밸브의 전 행정 작동시간에 대한 조정 및 설정이 용이한 구조로 설계하여야 한다.

누설 방지 밸브 내부누설 방지를 위해 Seat Leakage Class Ⅴ로 하며, 지속적인 시트 누설 방지하기

위해 구동기는 충분한 밀봉 하중을 제공하도록 설계하여야 한다.

밸브의 트림 유동에너지는 단상 유체의 유동일 경우 480kPa 이하, 다상 유체일 경우275kPa 이하가 되도록 설계하여야 한다.

상기 유동 에너지 조건을 만족하기 위해 Multi-stage Multi-Path 구조의 트림을 적용하여야 한다.

고착방지 밸브 내부부품의 고착을 방지하기 위해 표면 경화처리를 하여 충분한 경도를 보유하도록

하여야 하며, 접촉 마찰이 가능한 부품 간에는 충분한 Galiing Resistance를 가진 재질로선정하여야 한다.

밸브 몸체와 트림은 유체 유동 유발 진동(Flow Accellated Vibration)을 최소화하는 구조로 설계하여야 한다.

밸브 설계 요건 보완

밸브 작동성 검증

밸브 고온고압 기능시험

필요시 밸브의 고착 여부를 확인하기 위해 밸브 고온고압 기능시험을 수행

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5. 가동 원전 및 신규 원전 적용 방안


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6. 결 론

밸브 내부누설

가동 원전의 터빈 바이패스 밸브의 내부 누설량 확인

내부누설에 따른 에너지 손실량은 발전기 출력 2MW 수준

내부누설을 개선하기 위해서는 설계 성능 개선을 통해 가능

밸브 고착 고장

밸브의 고착 고장을 방지하기 위해서는 유동 유발 진동 방지 구조 설계

접촉마찰 부품간에서 Galling Resistance 가 큰 재료 선정 및 표면경화 처리

밸브 성능 최적화 개선 경험

한주기 운전(18개월) 동안 무누설 유지 밸브 개발 및 검증 성공

가동 원전의 밸브 개선 시 40MW 이상의 출력 손실 보존 가능

2013. 11. 8 권갑주 - kins.re.kr · 밸브몸체와트림은유체유동유발진동(Flow Accellated Vibration)을최소화하는구조 로설계하여야한다. 밸브설계요건보완

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