3. RCP 진동 진단

Diagnosis of Problems on a Reactor Coolant Pump

 

이번 사례에서는 ADRE 3가 보유한 데이터 수집 및 표시(Display)기능을 이용하여 제작자의 문제 해결 부서가 문제를 처리해 가는 과정에 초점을 두고 있다. 이번 사례에서 특이하다고 할 만한 것은 문제를 해결하는 과정에서 이 장비를 미국에서 유럽으로 다시 유럽에서 미국으로 휴대하고 다녔다는 것이다. 즉, 이 장비는 높은 휴대성과 견고한 구조로 만들었기에 그러한 여행에도 이상적인 동반자가 된다.

다음은 유럽에서 가동중인 원자력 발전소의 한 가압 경수로 냉각수 펌프에서 발생한 문제에 대하여 보고한 내용이다. 그 펌프는 진동에 문제를 일으키고 있어 그곳의 근무자들이 Westinghouse(WH)에 도움을 청하게 되었다.

RCP는 수직으로 설치되어 있으며 1차측 냉각수를 원자로에서 증기 발생기로 순환시키는 역할을 하며 원심 펌프로써 1480 rpm/7000 HP의 전동기에 의해 구동되고 288℃/100 m의 수두에서 약 94,000 gpm의 냉각수를 순환시킨다. 전동기와 펌프간은 견고하게 연결되어 있는데 그 이유는 반경 방향 베어링 3개(2개는 유윤활 Pivot Pad형 전동기 베어링이고 1개는 L/D=1인 대형 수윤활 평면 저널 베어링)만으로 전동기와 펌프를 감당하고 있는 구조이기 때문이다. 펌프 베어링의 경우 Seal/Bearing부에 냉각수를 공급하고 있고 베어링 하부에 열 차폐용 열 교환기가 있어 그 내부 유체에 비해 낮은 온도를 유지하고 있다. 냉각수는 케이싱 하부에서 유입되어 접선 방향의 출구를 지나 배출된다. 반경방향 베어링들에 정적부하를 주기 위해 임펠러에 907~1361 ㎏의 반경방향 부하가 걸리도록(유체 온도에 따라 다름) 수력학적으로 설계되어 있다. 그림 13-34은 개략적인 배치도를 나타낸 것이다.

이 펌프에는 WH사가 RCP에 널리 사용하는 가장 일반적인 형태의 진동 감시 장치가 설치되어 있다. 배전반 모니터에는 2개의 Proximity Probe(펌프 커플링부에 설치)와 1개의 Keyphasor Probe 및 2개의 속도 센서에서 나오는 신호를 받는다. 변위 센서와 위상 변환기는 커플링을 바라보는 형태로 Seal Housing의 상부에 설치되어 있다. 속도 센서는 Motor Frame의 하부에 설치되어 있다. 그림 13-34를 보면 펌프측 수윤활 베어링과 전동기측 하부 베어링의 중간쯤에 Proximity Probe가 설치되어 있음을 알 것이다.

그림 13-34 원자로 냉각수 펌프

배전반 모니터에 나타난 신호를 볼 때 3개의 펌프 중 1대에서 전체 진동 크기가 150 ㎛ 범위 이상을 왔다갔다하고 있었으며 경보값인 254 ㎛ p-p을 넘고 있었다. 진동이 한번 등락하는데 소요되는 시간은 1~2분 정도였다. WH 기술자는 ADRE 3를 설치하여 진동 신호를 수집하고 아울러 고진동의 원인을 파악하는데 도움을 줄 다음과 같은 관련 사항을 기록하였다.

∙ 문제의 발생은 1988년 4월말 100% 전 출력 운전 중 예기치 않게 시작되었다.

∙ #1 Seal(펌프 베어링 바로 위에 설치되어 있음)로 부터의 Leak-off량이 맥동하는 시기는 진동 등락 현상 발생 시기와 일치하였다.

∙ 진동 크기 및 진동 등락 발생 시기는 열차폐벽에 흐르는 냉각수의 양이나 온도 또는 Seal 분무수의 양이나 온도와는 상관관계가 없었다.

∙ 처음에는 진동이 높지 않았으며 고진동의 발생과 소멸이 무작위적이었다. 그러나 고진동이 발생할 때마다 그 지속시간이 길어지는 듯 하였다.

 

3.1 初期 資料 取得 및 檢討 (Initial Data Acquisition and Review)

WH기술자는 108 DAIU를 사용하여 전부하에서의 정상상태 자료를 수집하고, Bode', 축 중심선 및 Spectrum Plot들은 ADRE 3 소프트웨어를 이용하여 그렸다. 변위 센서에서 취한 데이터로부터 APHT Plot를 보면 진동은 등락을 반복하고 있으며 이에 비해 위상의 변화는 상대적으로 미소하게 나타났다 (그림 13-35). 스펙트럼 Plot (그림 13-39)을 보아도 진동은 등락을 거듭하고 있음을 보이고 있고, 또한 차동기 성분 및 조화 주파수들도 보이지만 진동이 등락하는 사이의 어느 특정 시간에서만 보이고 있다.

그림 13-35 APHT Plot [Ch. 1(X, 실선) 및 2(Y, 점선)]

그림 13-36 APHT Plot [Ch. 3(X, 실선) 및 4(Y, 점선)]

그림 13-37 축 중심선도(Ch. 1)

그림 13-38 축 중심선도(Ch. 2)

그림 13-39 Waterfall Plot (Ch. 2)

다른 그림들에서도 많은 사실을 알 수 있는데 정상 상태에서 축이 베어링 간극 내에서 반경 방향으로 움직이고 있음을 축 중심선 Plot(그림 13-40)에서 알 수 있다. 보다 중요한 사실은 축의 거동이 축의 회전 방향과는 반대인 시계방향 세차운동을 일으키고 있었다는 것이다. Motor Frame에 설치된 속도센서로부터는 문제 해결에 필요한 정보를 거의 얻을 수가 없었다.

그림 13-40 축 중심선도(Ch. 1 및 2)

그림 13-41 진동파형 [Ch. 1(X, 실선) 및 2(Y, 점선)]

축 중심선이 역방향 세차운동을 하는 것으로 보아 Rub 상태가 아닌가 의심되었다. 비정상적인 형태의 차동기 성분들이 그런 가능성을 암시하고 있었다. 그러나 Keyphasor의 신호가 그리 불안하지 않고 진동값이 천천히 변하는 등의 모습은 Rub에서 보이는 일반적인 형태는 아니었다. 그렇다고 Rub가 없다고 하는 것은 아니다. WH기술자는 이러한 형태의 거동을 “Lubricated Dry Rub"로 비유하였다. 완전한 Dry Rub 상태라면 아주 높은 속도에서 역방향 세차운동을 하며 통상 급히 기계를 파손시킨다. 이러한 거동은 주로 축이 정방향 회전을 하며 축을 서서히 역방향 세차운동을 하게 하는 Rub에 의한 작은 비틀림 저항을 가진다.

현장에서 운전자 및 엔지니어들이 모여 그런 거동을 유발할 만한 다른 가능성에 대하여 토의를 하였고 이에는 전동기의 전기적 상평형 문제정도가 대두되었다. 하지만 최근 정비시 어떤 문제점들을 발견한 바 없어 분명한 불평형은 없었다. 따라서 현재의 문제를 설명할 수 있는 1차적인 가정으로는 역시 Rub가 우세하였다. ADRE 3의 데이터도 이러한 가정을 뒷받침하고 있었다.

 

3.2 첫 번째 問題 解決 試圖 (First Attempted Problem Correction)

데이터를 수집하는 동안에도 발전소는 100% 부하 운전중이어서 모든 RCP를 운전해야 했기에 즉각적인 수정 작업을 할 수가 없었다. WH 기술자는 차기 정지시에 하부 전동기 베어링부의 Labyrinth Seal에 Rub가 있는지 검사해보자고 권하였다. 그 펌프는 진동값이 정지 제한값보다 낮으며 상태가 안정적이고 반복적이었기 때문에 현재상태로 연속 운전할 수 있었다.

다른 모든 관찰 사항들이 진동 데이터와 어떻게 일치하는가를 설명하기 위하여 WH 기술자는 진동의 등락, 축의 느린 세차 운동 및 Seal 유량의 맥동간의 상관관계에 대하여 기초로써 ADRE 3의 데이터를 제시하였다(자세한 사항은 3. 5항 참조).

1988년 7월에 잠시 정지 작업기간이 있자 전동기의 하부 베어링과 Labyrinth Seal을 검사하였다. 시간이 많이 소요되는 분해 점검을 할 수 없어 직접적으로 확인할 수는 없었으나 문제의 Labyrinth는 Rubbing 되지 않았고 Labyrinth의 중심도 베어링의 중심과 잘 일치하는 것으로 보였다. 베어링에서는 7개의 Shoe중 1개의 간극이 권장치인 0.15~0.2 ㎜를 넘는 0.4 ㎜이었으나 이로 인하여 어떻게 Labyrinth가 Rubbing이 될 수 있으며 위에서 언급한 문제들이 생기는지 완전하게 설명하기에는 충분하지 않았다. Shoe를 교체하고 나서 전동기와 펌프 베어링간의 Alignment를 점검한 결과 허용치 내에 있음을 알았다.

 

3.3 두 번째 데이터 取得 및 檢討 (Second Data Acquisition Survey and Review)

냉각수 가열을 위해 펌프를 가동하자 마자 진동이 등락하는 현상이 다시 일어났다. 그러나 최초에 문제가 시작되었을 때와 마찬가지로 정상 운전중 짧은 기간이지만 등락 현상이 있었다.

WH 기술자는 정상운전 중에는 그 발전소에 있어 본 적이 없어 나중에 감시 장치의 기록계 출력 단자로부터 취한 표준 기록으로 이런 현상을 입증하였다. 그는 그 발전소가 다시 도움을 청해오자 진동 데이터를 좀더 수집하기 위해 ADRE 3을 가지고 갔다. 따라서 보다 나은 문제점의 규명을 위하여 펌프의 기동과 정지 때의 진동신호를 연구할 수 있었다.

축 중심선도를 검토한 결과 전기적인 원인으로 발생했을 가능성은 완전히 배제하게 되었다. 전자기적인 중심과 회전자의 기계적 중심이 서로 상당히 틀릴 경우 펌프의 전원을 차단시키면 축 중심선이 갑작스런 변화를 보이는데 이번 기동/정지시의 데이터에는 그런 변화가 없었던 것이다. 전동기 프레임에도 진동 점검을 실시하였지만 다른 기계적 문제점이 진동 감시를 하지 않고 있는 전동기 상부에 존재할 것이라는 가능성을 배제한다면 어떤 이상한 점을 나타내지 않았다.

새로 수집한 정보로써 Rub라는 가설을 단언하게 되었고 Seal 유량의 맥동 및 진동 등락 현상과 축 중심선의 위치가 관계 있다는 설명을 확증하게 되었다. 그림 13-42, 13-43, 13-44, 13-45는 ADRE 3로 2회의 정지시 데이터를 취한 것인데 마치 서로 다른 2대의 기계에서 수집한 것처럼 보인다. 이들 그림과 축 중심선들과의 상호관계를 보면 2회의 Coastdown은 축 중심선의 위치가 최대로 떨어진 지점에서 시작되었음을 알 수 있고 이때의 진동진폭은 거의 최대치에 있었다. 이러한 데이터로 보아 Dynamic Bearing의 상수들의 변화가 진동 진폭의 등락을 초래하였다는 것이 더욱 분명하였다.

역방향 세차 Orbit의 크기와 펌프 및 전동기에서의 베어링 간극을 검토한 결과 WH기술자는 펌프 축과 베어링 내면간의 Rub라는 가설과 일치하는 가능성 있는 손상 모드가 오직 하나 있다고 결론 지었다. 이러한 설명에 대한 단 한가지 문제점은 이러한 사례가 전에는 한 번도 없었다는 것이다. 베어링이 어떻게 고착될 수 있었는지 확신을 가지고 있는 사람은 하나도 없었다. 베어링은 0.076~0.2 ㎜정도의 반경 방향 간극을 가지고 있었다. Rub(이젠 Rub가 있다는 것은 기정사실화 되었다) 발생원으로의 이러한 설명을 받아들일 수밖에 없는 가장 큰 이유중 하나는 다른 가능성 있는 설명들은 펌프에서 나온 데이터로는 뒷받침되지 않았다는 것이다.

그러나 전력을 계속적으로 생산해야 했기에 펌프를 정지시켜 베어링을 확인해 볼 수는 없었다. 진동 크기가 안정적이어서 차기 정지시인 1989년 4월까지 계속 운전하기로 결정하였다.

그림 13-42 1차 정지시의 축 중심선도

그림 13-43 1차 정지시의 Cascade Plot

그림 13-44 2차 정지시의 축 중심선도

그림 13-45 2차 정지시의 Cascade Plot

 

3.4 세 번째 데이터 取得 및 檢討 (Third Data Acquisition Survey and Review)

차기 정비 시기가 가까워지자 그 펌프는 문제점과 전혀 관련이 없지만 일반적으로 펌프에서 관심이 되는 진동상승의 문제점이 발생했다. 또한 진동값도 서서히 상승하는 경향이 있었고 때로는 거의 정지 제한값까지 치솟는 경우도 생겼다. 다행히 이 제한값까지 도달하지는 않았다. 이 새로운 문제들을 다루고 1988년 8월~1989년 4월 사이에 다른 변화는 없었는지 알아보기 위해 WH기술자는 ADRE 3을 유럽으로 재차 가지고 갔다.

진동 진폭은 지난번 보다 조금 더 큰 범위로 등락하고 있었다. 축 중심선의 역방향 세차 주기는 조금 줄었다. 차동기 주파수들( 및 조화주파수)도 선형 주파수 및 Waterfall Plot상에서 거의 보이지 않게 되었다. Unfiltered Shaft Orbit을 보면 진동 진폭의 증가와 함께 보다 전형적인 Impact-Rebound형의 Orbit(그림 13-46 및 13-47)으로 진전되었다. 또한 Filtered Orbit을 보면 전에도 그랬듯이 심한 타원형(그림 13-48 및 13-49)인데 이는 어느 한쪽 방향으로의 움직임이 제한 받고 있음을 나타내는 것이다. 한 Waterfall Plot(그림 13-50)을 보면 1× 성분과 그 크기의 변화를 같이 하고 있는 2× 성분이 있음을 알 수 있다. 최근 다른 발전소의 RCP의 축 균열 사례가 있어서 염려가 되었는데 여기의 2× 성분은 안정적이며 지난번 검사시보다 아주 조금 커졌을 뿐이어서 축균열 가능성에 대한 검토를 할 필요는 없었다.

몇몇 사람들은 축균열 가능성으로 걱정하고 있었지만 더 많은 데이터로 인해 이러한 Rub에 대한 가설이 강화 되었고 발전소는 차기정비 시까지 계속 운전하게 되었다. 펌프는 4월부터 5월까지 잠시 정상적이었다가 정지전에 통상적인 Rub Mode로 되돌아 왔다.

그림 13-46 Impact-Rebound형의 Unfiltered Orbit (23:09:10~23:11:30) 

그림 13-47 Impact-Rebound형의 Unfiltered Orbit (23:11:50~23:14:10)

그림 13-48 Filtered Elliptical Orbit (23:09:01~23:11:21) 

그림 13-49 Filtered Elliptical Orbit (23:11:41~23:14:01)

그림 13-50 Waterfall Plot

드디어 발전소를 정지하고 펌프 베어링을 검사하게 되었다. 그런데 뜨거운 Barrier Housing에서 베어링/Housing 전체를 뽑아내는 것은 대단히 어려웠다. 결국 그 부분을 뽑아내려고 새로운 기법(액화질소를 이용함)을 사용해야만 했다. 여기서의 결론은 뜨거운 Barrier Housing이 베어링 Housing을 꽉 잡아서 0.076~0.2 ㎜인 베어링 Housing 틈새를 더욱 죄었다는 것이다. 따라서 베어링이 자유롭게 Pivoting될 수 없어 그 끝단부에서 예상해 왔던 대로 심하게 Rubbing을 일으켰던 것이다. 가장 손쉬운 정비 방법은 펌프내부 부속품을 예비품으로 교체하고 빼낸 부품중 사용 가능한 것은 추후 사용토록 하는 것이었다.

RCP를 수리하고 발전소를 재기동하였는데 문제가 없었다. 단지 진동치를 원하는 수준까지 저감시키기 위한 의례적인 발란싱만 했을 뿐이다.

그 발전소의 RCP들은 Proximity Probe와 전동기 프레임에 설치된 진동 변환기에 의해 연속적인 감시가 이루어지고 있었다. 감시 장치는 배전반에 진동값을 연속적으로 보여주었다. 진동값을 배전반에서 계속 확인할 수 있음으로써 RCP에 문제가 있더라도 정지가 필요한 시점까지는 계속 운전할 수 있다. 이러한 감시 장치가 없으면 RCP의 상태나 문제의 진전을 알 도리가 없는 것이다. 이러한 진동 감시장치와 진단용 장비를 적절히 활용함으로써 이 펌프를 계속 운전해도 되겠다는 결정이 가능한 것이다.

이러한 사례로 볼 때 X, Y Proximity Probe Transducer를 설치하는 것이 이익이 된다는 것은 자명해진다. 2×와 3× 뿐만 아니라 차동기 주파수 성분들의 변화는 전형적으로 문제가 있음을 나타낸다. 그러나 일반적으로 그 문제의 원인까지 알려주지는 못하는 것이 보통이다. 이번 사례에서 축 중심선도(X, Y Probe에서 수집한 Gap Data)를 표현할 수 있어서 정상 상태에서의 축이 반경 방향으로 움직이고 있음을 즉각적으로 알 수 있었다. 또 Proximity Probe에서 취한 Orbit Plot을 보면 축이 무엇인가를 치고 있다는 것을 알 수 있었고 나아가 Rub 가능성도 확인할 수 있었다. 분명한 사실은 적절한 감시 장치가 설치된 기계에서는 기계의 상태를 알 수 있는 정확한 정보를 받아볼 수 있다는 것이다. 이러한 정보는 어떤 문제를 해결하고자 할 때 불확실한 많은 사실들을 일단 배제시킬 수 있게 해준다. 만약 전동기 베어링에도 X, Y Proximity Probe를 설치하였더라면 이 Probe의 신호로부터 전동기 베어링이나 그 근처에서는 Rubbing이 없음을 확인할 수 있었을 것이고 따라서 문제의 원인을 보다 빨리 알아낼 수 있었을 것이다.

 

3.5 RCP에 發生한 問題들의 相互關係 (How the RCP's Problems Related to Each Other)

ADRE 3 시스템만으로는 이런 류의 문제들을 해결할 수는 없다. 그러나 데이터의 수집 기술과 사용자가 원하는 형태의 그림 또는 숫자로 표시함으로써 진동 진단자로 하여금 데이터를 마음껏 가공하여 사용할 수 있게 하였다. WH기술자는 지난날에는 약간의 데이터를 얻기 위해 많은 시간을 소비하였지만 이제는 그가 필요로 하는 모든 데이터를 가질 수 있다고 말했다. 그는 이제 다만 어느 그림이 문제점을 가장 잘 표현하고 있는지에만 시간을 쓰면 되는 것이다.

베어링 Dynamic Spring/Damping Constants측면에서 보면 진동 등락 현상과 축의 역방향 세차 운동은 서로 연관을 가지고 있다. WH의 모든 RCP는 유체 베어링을 사용한다. 따라서 베어링 상수는 베어링 내에서의 축의 편심에 크게 영향을 받는다. 축이 펌프 커플링에서 50 ㎛정도 움직이면 그 양은 알 수 없지만 모든 베어링에서도 움직이고 있을 것이 틀림없다. 회전축에 고정된 불평형량이 존재하면 이에 해당하는 운전속도 주파수의 진동진폭 변화만큼 베어링 상수의 변화에 대하여 축이 응답한다. 이것이 바로 데이터가 보여주는 내용이다.

Seal의 Leak-off량이 맥동하는 것은 #1 Seal의 유체역학적 특성 때문이다. 이는 Seal Ring과 Seal Runner의 중심의 상대적 변화에 따라 Leak-off 비율 변화만큼 응답한다. Runner(펌프 베어링의 바로 상부)는 축에 부착되어 있고 Seal Ring은 정지체인 Seal Housing에 반경 방향으로 또 축방향으로 Floating 하도록 고정되어 있다. 따라서 Seal Leak-off량은 축 중심선의 세차운동에 영향을 받아 맥동하게 된다. 축의 세차운동이 매우 저속이어서 Seal Leak-off 유량 측정은 이러한 변화 상황을 감지할 수가 있다. 축 회전 주파수에서의 진동은 너무 빨리 발생하여 Leak-off 유량 측정을 할 수가 없다. 그러므로 이 Seal의 설계상 Leak-off량에 미치는 축 진동의 영향은 거의 없다.

 

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