2. 원자로 재순환 펌프 축균열

Reactor Recirculation Pump Shaft Crack

 

이 사례는 원자로 재순환 펌프 및 전동기를 중대한 위험에서 구한 기록이다. 1989년 5월 1일에서 11일 사이에 유체 베어링(Hydrostatic Bearing)의 전반적인 구역에서 펌프 축을 통하여 균열이 진전되었다. 740 마력의 전동기로 구동되는 각각의 원자로 재순환 펌프는 분당 170,325 리터의 물을 원자로의 노심으로 공급할 수 있다. 원자로 재순환 펌프는 Proximity Probe를 사용해 상대 축 변위, 축 방향 진동 그리고 축의 회전 속도를 측정 감시한다. 또 이 펌프들은 토출량, 베어링 온도 그리고 전동기 권선 온도를 감시한다.

5월 11일, Grand Gulf 원자력 발전소의 진동 엔지니어는 연속적으로 감시되는 모든 중요 회전기계에 대해 정기적인 모니터링과 진동 점검을 수행하였다. 이 정기적인 모니터링과 진동 점검을 하기 위해 진동 감시 설비에서 Unfiltered 및 Filtered Orbit과 전체 진동 진폭이 이용되었다. 모든 진폭은 유사한 운전 조건하에서 관찰된 2주전의 진동 데이터와 거의 똑 같았다.

그러나 반시간 뒤 #B 원자로 재순환 펌프에서 Orbit의 모양이 바뀌었다. 그리고 펌프 커플링에 설치된 Proximity Probe의 진폭이 330 ㎛ p-p에서 406 ㎛ p-p으로 증가했다. 30분 후에는 펌프 커플링에서 진동은 457 ㎛ p-p에 도달하였다. 전동기 Inboard/Outboard 베어링 및 축 방향에 설치된 모든 Proximity 변환기도 마찬가지로 진동이 상승한 것으로 나타났다. 이 기간 동안 진동 엔지니어는 진동 상승 원인이 운전 조건의 변화 때문에 생기는 진동인지를 확인하기 위하여 진동 주파수 스펙트럼 데이터와 운전과 관련된 진동 데이터를 수집하였다.

운전 데이터와 결부시킨 진동 스펙트럼 점검결과 진동 상승의 원인은 운전 조건 때문이 아니라는 것을 확인하였다. 펌프를 정지해야하는 긴박한 문제라고 확신한 진동 엔지니어는 진동 계측용 테이프 기록계에 양쪽 재순환 펌프의 진동 신호를 기록하기 시작했고 #B 재순환 펌프에서 높은 진동이 발생하고 있다는 것을 제어실의 운전원에게 통보하였다.

진동 벡터 데이터는 1×, 2× 주파수에서 진동이 심각한 위상각 변화와 함께 증가한 것으로 나타났다. 반시간 후 진동 레벨은 위험 설정치인 508 ㎛ p-p 이상 증가하였다. 운전원은 진동 상승 추세를 줄이기 위하여 유량 조절 밸브를 조정했다. 이러한 노력은 효과가 없었으며 진동은 762 ㎛ p-p으로 증가했다. 축 Orbit 변화가 시작된 세시간 후 저속에서 펌프는 안전한 상태가 되었고 펌프 커플링의 총 진동 진폭도 279 ㎛ p-p로 감소하였다. 진동 데이터를 재검토하고 더 수집하기 위한 시간을 벌기 위해 진동 감시와 이완 부분에 대한 감시를 계속하면서 펌프를 저속으로 운전하였다.

다음날 진동 데이터를 검토한 결과 펌프가 손상을 입은 것이 뚜렷했고 저속 운전일지라도 더 이상의 운전은 적절하지 못한 것으로 판단되었다. 펌프를 정지하고 진동, 이완 부분의 “소음” 그리고 운전 중 데이터를 주의 깊게 재검토했다. 진동 데이터를 검토한 결과 과도한 진동의 원인은 펌프의 축 균열이나 축 휨으로 판단되었다.

육안 점검결과 여러 가지가 드러났다. 첫째 임펠러가 부착된 바로 위 테이퍼진 부분의 원주방향 약 320˚ 부근에서 축 균열이 발견되었다. 둘째 유체 베어링 상부 360˚ 위치에서 마찰 흔적이 있었고 저널은 130˚ 위치에서 마모된 흔적이 있었으며 마지막으로 축은 축 중심선에 대하여 굽었다.

 

2.1 再循環 펌프의 配置 (Recirculation Pump Arrangement)

#A, B 원자로 재순환 펌프의 일반 배치도는 그림 13-14에 나타내고 있으며 임의의 0˚ 기준에 관하여 두 로터 시스템의 진동 변환기의 각도 위치를 나타내고 있다.

두 로터 시스템 각각에 다음과 같은 위치에 3 세트의 X, Y Proximity Probe가 있다.

① 전동기 상부 베어링(UMB Y 및 UMB X)

② 전동기 하부 베어링(LMB Y 및 LMB X)

③ 펌프 커플링 허브(PCH Y 및 PCH X)

각 펌프에는 하나의 축 방향 위치 변환기가 추가로 설치되어 있고 전동기 상부 베어링 부근에는 밸런스 링(Balance Ring)을 관찰하는 곳이 있으며 Keyphasor 변환기는 전동기 하부 베어링 부근에 위치한다 (그림 13-15). Keyphasor 변환기 신호는 이 글에서 나타난 모든 위상각 데이터의 기준 값으로 사용된다.

그림 13-14 진동 변환기의 방향을 보여주는 원자로 재순환 펌프

그림 13-15 Probe의 위치를 보여주는 원자로 재순환 펌프

 

2.2 診斷 接近方法 (Diagnostic Approach)

펌프를 저속으로 감속 운전하기 전에 축 균열 징후가 분명히 나타났는지를 평가하기 위해 테이프에 저장된 데이터 분석이 수행되었다. 분석은 다음의 축 균열 현상의 기초적인 해석에 근거를 두었다.

균열이 있는 축은 균열 면에서 강성이 저하되는 것을 경험으로 알고있다. 그러므로 반경 방향 힘을 받을 때 균열이 있는 축은 균열이 없는 축 보다 더 굽어질 것이다. 또한 균열이 있는 축은 정상 운전상태 및 과도 운전상태(기동/정지) 모두 다른 동적 응답을 나타낼 것이다. 수평기계의 경우에 정상적인 힘의 가장 일반적인 근원은 중력이다.

원자로 재순환 펌프 즉 원자로 냉각수 펌프에서 반경방향 측의 부하 그리고/또는 전동기와 펌프 축간의 가혹한 축의 Misalignment는 필연적으로 반경 방향의 힘을 가하게 된다. 균열이 발생하면 축은 굽은 상태가 되어 1× 응답의 변화로 나타나며 비대칭 축 강성으로 2× 응답이 발생한다. 그러므로 1×와 2× 진동 응답 벡터는 잠재적 균열을 나타내는 중요한 척도가 된다.

원자로 재순환 펌프의 데이터는 유량 조절 밸브를 6에서 12% 정도 열어 감속 운전하는 도중에 수집된 것이다. 이 상태에서 순수한 반경 방향 측 부하는 임펠러 주위에 존재하고 펌프의 흡입측으로부터 떨어진 쪽 즉, 동쪽으로 향하여 작용한다.

 

2.3 定常 運轉狀態 데이터 (Steady State Data)

그림 13-16~13-23는 5월 2일까지의 진동 진폭이나 위상각이 변하지 않은 Unfiltered, 1× 및 2× Filtered Shaft Orbit를 보여준다. 그러나 5월 11일 데이터는 현저한 진폭 및 위상각의 변화가 모든 Orbit 모양에서 명백히 나타났다.

그림 13-16 전동기 하부에서의 Orbit

그림 13-17 펌프 커플링에서의 Orbit

그림 13-18 전동기 하부에서의 Orbit

그림 13-19 펌프 커플링에서의 Orbit

그림 13-20 전동기 하부에서의 Orbit

그림 13-21 펌프 커플링에서의 Orbit

그림 13-22 최종 균열 발달 이전의 전동기 하부에서의 Orbit/Timebase 데이터(5월 1일)

그림 13-23 최종 균열 진전 동안의 전동기 하부에서의 Orbit/Timebase Plot(5월11일)

그림 13-24 최종 균열 진전 이전의 전동기 하부에서의 Orbit/Timebase Plot(5월 1일)

그림 13-25 최종 균열 진전 동안의 전동기 하부에서의 Orbit/Timebase Plot(5월11일)

그림 13-26 최종 균열 진전 이전의 펌프 커플링에서의 Orbit/Timebase Plot(5월1일)

그림 13-27 최종 균열 진전 동안의 펌프 커플링에서의 Orbit/Timebase Plot(5월11일)

Shaft Orbit는 전동기 상부에서 북동쪽을 향하고 서서 펌프를 내려다보는 방향으로 모두 정해져 있다 (그림 13-14, 13-15). 이 문제를 염두에 두면 북동쪽은 0˚이고 북쪽은 45˚ 동쪽은 315˚이다. 경험상 #B 펌프의 흐름 상태에서 임펠러에 예상되는 반경 방향 예압(Preload)은 45˚ 방향 즉, 동쪽 방향의 벡터이다.

#B 펌프의 Shaft Orbit는 예압이 동서 면에 존재한다는 것을 나타낸다. 비록 Orbit가 예압의 방향을 지시하지는 않지만 Orbit의 타원 모양은 예압의 존재를 나타낸다.

그러나 5월 11일 펌프 커플링에서 Unfiltered Orbit를 보면 반경 방향 부하가 45˚에 작용한다는 결론을 내릴 수 있다. 최초로 Unfiltered Orbit가 타원형(그림 13-16, 13-17)으로 나타났으며 2시간이 지난 Orbit의 타원 모양은 동쪽이 잘려 나가기 시작했는데 이는 축이 그 방향에서 예압을 받고 있음을 의미한다.

그림 13-28~13-31까지는 1×, 2× 벡터의 진폭과 위상각 대 시간(APHT) Plot 이다.

모든 위치에서의 진폭과 위상 정보는 5월 1~2일, 26 시간 동안은 일정했다. 그러나 1×, 2× 두 벡터에서 심각하고도 연속적인 변화가 5월 11일 2시간 동안에 감지되었다.

그림 13-28 전동기 하부에서의 1× 벡터의 진폭 및 위상각 대 시간 Plot (5월 1일)

그림 13-29 전동기 하부에서의 2× 벡터의 진폭 및 위상각 대 시간 Plot (5월 1일)

그림 13-30 펌프 커플링에서의 1× 벡터의 진폭 및 위상각 대 시간 Plot (5월 1일)

그림 13-31 펌프 커플링에서의 2× 벡터의 진폭 및 위상각 대 시간 Plot (5월 1일)

정상상태의 반경 방향 힘이 존재하면 균열은 축에 2 가지 영향을 미칠 것이다. 첫째 균열이 로터의 휨을 야기하는데 이는 1× 응답 변화로 나타난다. 둘째는 축의 강성을 비대칭적으로 만들고 이는 2× 응답 변화로 나타난다.

2× 성분은 각 축이 회전하는 동안 정상 운전상태의 반경방향 힘의 방향으로 축의 강성이 현저하게 2번 변화할 때 발생된다. 강성이 강한 단면이 반경 방향 힘 쪽으로 향할 때 축은 덜 휘고 강성이 약한 단면이 반경방향 힘 쪽으로 향할 때 축은 더 휜다.

그러므로 Bode Plot상에 정상적인 허용영역(Acceptance Region) 값을 설정하기 위해서 연속적으로 1×, 2× 진동의 정상 운전상태 벡터를 감시하는 것이 필요하다. 게다가 경보 기능은 진폭과 위상각이 정상적인 허용영역 바깥쪽으로 벗어나는 것을 사용자에게 경보해 주기 위해 필요하다. 1×든 2× 벡터든 설정된 허용영역 바깥쪽으로 움직일 때는 그 이상상태의 진단이 필요하게 된다. 1×, 2× 벡터(그림 13-28~13-31)의 연속적인 변화는 축 균열의 존재를 알리는 중요한 열쇠다.

다음 표는 5월 1일부터 5월 11일 까지 진폭의 상대적인 변화이다.

1 May Location Unfiltered
mils pp(㎛)
1× Filtered
mils pp(㎛)
2× Filtered
mils pp(㎛)

UMB Y 5.69(144 ㎛)
LMB Y 13.41(341 ㎛)
LMB X 9.69(246 ㎛)
PCH Y 17.52(445 ㎛)
PCH X 16.92(430 ㎛)

2.48(63 ㎛) at 259˚
3.52(89 ㎛) at 125˚
3.05(77 ㎛) at 67˚
14.07(357 ㎛) at 323˚
11.75(298 ㎛) at 199˚

0.36(9 ㎛) at 238˚
2.19(56 ㎛) at 273˚
2.10(53 ㎛) at 175˚
0.62(16 ㎛) at 157˚
0.51(13 ㎛) at 16˚

11 May Location Unfiltered
mils pp (㎛)
1× Filtered
mils pp (㎛)
2× Filtered
mils pp (㎛)

UMB Y 7.77(197 ㎛)
LMB Y 21.21(539 ㎛)
LMB X 24.06(611 ㎛)
PCH Y 31.50(800 ㎛)
PCH X 30.60(777 ㎛)

5.04(128 ㎛) at 244˚
17.91(455 ㎛) at 130˚
19.64(499 ㎛) at 74˚
29.00(737 ㎛) at 49˚
28.20(716 ㎛) at 284˚

0.36(9 ㎛) at 238˚
4.31(109 ㎛) at 246˚
5.20(132 ㎛) at 198˚
6.10(155 ㎛) at 209˚
5.10(130 ㎛) at 42˚

 

이 데이터의 Orbit/Timebase에 관한 사항은 그림 13-22~13-27을 참조

 

2.4 起動 데이터 (Startup Data)

5월 1일 수집한 기동 자료는 로터 시스템의 첫 번째 공진이 1360 cpm에서 발생하였고 추가로 2450, 3550 그리고 6550 cpm에서도 관찰되었다. 공진은 기동 기간 동안 1×, 2× 그리고 5× 진동 응답을 관찰함으로써 입증되었다. 그림 13-32는 2× 응답을 그림 13-33은 펌프 커플링에서 5× 응답을 나타내고 있다. 로터 공진이 어떤 주파수에서 관찰되는지 2×, 5× 성분의 공진 응답이 51 ㎛ p-p을 초과하고 어떤 경우에는 102 ㎛을 초과할 때 공진 응답은 모두 중요하다.

그림 13-32 전동기 상부에서의 2× 진동진폭 및 위상각 (5월 1일)

그림 13-33 펌프 커플링에서의 5× 진동 (5월 1일)

 

2.5 結論 (Conclusions)

로터의 과도 운전상태 응답은 공진 주파수를 구하기 위해서 기록되어야 한다. 공진 주파수의 감소는 시스템 강성의 감소 및 축 균열의 가능성을 나타낸다.

#B 펌프의 기동 데이터는 현저한 2×, 5× 성분의 공진 상태를 나타낸다. #B 펌프의 과도 운전상태의 2×, 5× 성분은 5월 1일 기동시 균열로 인한 축 강성 감소가 직접적인 결과이다.

축 균열에 대해 로터 시스템을 적절히 감시하기 위하여 전체 진동, 1× 진폭, 1× 위상각, 2× 진폭, 2× 위상각 데이터들 중의 하나 또는 결합된 데이터들이 경보를 울려줄 수 있도록 연속적으로 감시하고 진동 추이를 관리하는 것이 필요하다. Grand Gulf에서 이 데이터들에 대한 경향이 감시되었다면 양쪽 펌프 커플링의 Proximity Probe에서 측정된 이 다섯 가지의 데이터들이 5월 11일에 경보를 발생했을 것이다.

1989년 5월 2일부터 11일까지 정상 운전상태 응답에서의 변화는 로터 시스템에서 횡 방향 균열의 존재를 명백히 나타낸다. 5월 11일 펌프 커플링에서 약 76˚의 위상각 변동과 더불어 1× 진폭은 5월 2일의 값보다 35% 증가했다. 또한 펌프 커플링에서 Y와 X Probe의 2× 위상각이 각각 52˚와 37˚ 변동과 더불어 2× 진폭이 300 내지 400% 증가하는 2× 응답의 심각한 변화가 주목된다. 5월 11일 1792 rpm에서 펌프가 운전되었을 때 1× 진폭은 추가로 67% 증가했고 2× 진폭은 20% 증가했다. 2시간 후 펌프 커플링에서 전체 진폭은 약 813 ㎛ p-p로 나타났다.

 

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