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[투데이에너지 신일영 기자] 한국원자력산업협회가 지원하는 원전기업역량강화(재도약) 지원사업 등에 힘입어 세이프텍㈜이 개발한, 운전온도가 550℃에 이르는 발전소의 보일러 튜브 및 주증기 배관과 같은 고온고압 설비의 재질 열화 진단에 활용이 가능한 SAUT(Safety Assessment by Ultrasonic Technology) 기술은, 수소를 저장하거나 운반하는 금속 용기의 취화(Brittleness) 상태를 진단하는 데 활용이 가능하고, 800℃ 수준에서 개질 수소를 생산하는 리포머 설비의 크리프 손상(Creep Damage)의 진단에도 활용할 수 있다.

세이프텍㈜(대표이사 이성식)은 2004년 설립된 비파괴검사 및 설비진단 전문업체로 한국원자력연구원으로부터 기술 이전을 받아 상용화에 성공한 감마스캔 기술을 활용해 국내 최초로 증류탑(Column 혹은 Tower)의 내부에서 발생하는 공정 트러블을 운전 중에 진단할 수 있게 했으며, 초음파검사 자동 크롤러와 장대 UT를 개발해 족장 설치 없이 원격 조종으로 설비의 손상 탐지가 가능하게 해 중화학 플랜트 현장에서 검사자의 안전을 확보하면서 고객의 원가 절감에도 도움을 주고 있다.

특히, 최근 3D 기피 풍조와 안전사고 발생 시 위험의 외주화에 대한 사회적 비판이 갈수록 거세지고 중대재해법으로 법적 책임까지 과중해지고 있으므로 검사자가 고소 및 밀폐 공간 등의 위험 설비에 직접 접근하는 대신 원격에서 혹은 사물 인터넷 기반으로 설비 상태를 감시하고 관리할 수 있도록, 초음파 센서 기반의 손상 모니터링 시스템(상표명: 콜키퍼)을 개발하여 특허를 출원했다.

등록된 특허는 초음파 센서 기반으로 고온설비의 두께 변화와 코팅의 박리 감시 및 FEM 개념 기반으로 설비의 구조적 안전진단이 가능하며, 16채널 Multiplex 보드 기반으로 16개소에서 부식 모니터링이 가능하다. 무엇보다 초음파 압전 소자의 큐리 온도가 430℃이므로 고온의 설비에도 설치 가능하며, 무선 통신 모듈 탑재로 4G 및 5G 통신망의 사용이 가능하고 배터리와 자석 지그 기반으로 현장에서의 이동 설치를 쉽게 했다.

외산 제품과 비교하면, 자체 개발한 내구성이 뛰어난 멀티 압전체 기반의 초음파 센서를 활용하므로 국부 부식과 균열 검출도 가능하다. 무엇보다 현장에서 설비 소재의 탄성계수 측정이 가능하므로 장시간 고온에 노출된 설비의 재질 열화(thermal aging 및 creep damage) 진단을 가능하게 한 것은 획기적인 성과다.

향후 운전온도가 대략 350~750℃에 이르는 SMR이 상용화되는 시기가 온다면, 고온 열화(thermal aging)와 크리프 손상(creep damage)을 정확히 진단함으로써 설비 손상 상태를 파악하고 수리 및 교체 주기를 예지적으로 결정할 수 있는 비파괴 측정 및 진단의 방법으로서 SAUT의 활용이 예상된다.

이성식 대표는 11월 12-14일 전북대에서 개최된 한국비파괴검사학회의 추계학술대회에 참가해 “고온고압 설비의 안전 확보를 위한 초음파 진단 기술, SAUT 적용 사례”를 소개하는 논문을 발표하고 향후 국내외 표준 규격 제정을 위해 학회와 공동 노력을 할 것을 논의했다.

발표 논문 ‘고온고압 설비의 안전 확보를 위한 초음파 진단 기술, SAUT 적용 사례’의 주요 내용을 소개하면 다음과 같다.

화력발전소 고온고압 설비의 안전 확보를 위한 SAUT 적용

보일러 튜브와 주 증기 배관과 같은 고온 고압의 관형 압력 용기에서는 내부에 작용하는 주응력이 재료의 항복 강도와 같아질 때 파괴(소성변형)가 일어난다. 내압에 의한 세 방향의 주응력만 고려한다면 Hoop 응력이 가장 크게 작용하므로 일반적으로 관은 길이 방향으로 변형되고 터지게 된다.

동일 외경의 관에서 작용 압력이 같다면, 관의 두께가 얇아질수록 Hoop 응력은 증가하는데 만약에 관에 균열과 같은 불연속부가 존재한다면 항복이 예상되는 임계 두께에 도달하기도 전에 그 불연속부에서 파괴가 일어나게 된다.

이러한 이유로 중화학 플랜트에서는 주기적인 정비를 통해 두께 측정과 균열 등의 불연속부를 탐지하는 비파괴검사 과업을 진행하고 있다. 그러나 만약에 고온에 장시간 노출됨으로써 관 재료 자체의 기계적 강성이 저하되어 있다면, 정상적인 기계적 물성 조건에서 예상됐던 임계 두께보다 더 두꺼운 두께에서 소성변형이 발생하게 된다. 이러한 배경으로 플랜트 현장에서는 재질의 열화 수준을 확인하기 위해 금속표면복제법(레프리카)과 경도시험 혹은 계장화압입시험 등을 시행해오고 있다.

그렇지만 이들 시험법의 문제는 금속 설비의 표면 정보에 제한된다는 것이 단점이며, 많이 활용되는 레프리카의 경우, 검사자의 기량에 따라 결과가 크게 좌우되고 정성적 평가로 귀결돼 설비 관리자들은 의사결정에 늘 혼란을 겪게 된다.

이러한 혼란은 대개는 기계적 물성이 어떤 수준으로 저하됐는지를 정량적으로 알지 못하는 데서 비롯된 것이다. 계장화압입시험의 경우 비록 표면 정보에 제한되기는 하나 항복 강도와 인장강도를 정량적으로 측정 가능하다는 점에서는 탁월하지만, 장비가 워낙 고가라서 현장에서 쉽게 활용하지 못하는 단점이 있다.

여기서 소개하는 현장의 실제 사례는, 화력발전소에서 재질의 열화(thermal aging)를 진단하기 위해 금속표면복제법을 적용했지만, 전체 설비의 건전성(Integrity) 판단은 설비의 두께와 재료의 기계적 물성 변화가 함께 고려돼야 함에도 미시적인 금속 조직의 변화에만 집중함으로써 사실상 설비의 리스크 관리에 실패한 경우다.

아래의 금속 광학 현미경 조직을 보면, 8F 튜브와 비교해 8.5F 튜브에서 고온 노출로 인해서 펄라이트가 분해되는 등 재질 열화(Thermal Aging)가 더 진행됐다.

그러나 내압에 의한 응력이 8.5F 튜브에 비교해 8F 튜브에서 1.33배 더 크게 작용한 결과 튜브의 파괴가 8F에서 발생했다. 레프리카에 의한 미세조직 관찰만으로는 설비 관리자에게 교체 주기 판단에도 오판을 초래할 수도 있는 이러한 결과는 초음파 기술 기반으로 설비의 두께와 탄성계수 측정, 그리고 이에 기초한 설계 시의 안전계수(S=3) 대비 현재의 안전계수, Sd의 비교를 통해서 극복할 수 있다.

두께 감소와 재질 열화로 인한 안전계수, Sd가 낮을수록 설비의 파괴 가능성은 커지는데 파괴가 일어난 8F에서 Sd는 1.34까지 저하돼 있었다.

세이프텍이 제안하는 SAUT는 초음파가 설비 두께 내부를 왕복하기 때문에 표면이 아니라 소재 내부의 물성 상태를 반영한다. 따라서 SAUT를 적용하면, 설계 및 제작 시의 두께와 탄성계수 및 안전계수와 대비할 수 있으므로 현재 가동 중 설비의 구조적 건전성 여부를 쉽게 판단할 수 있다.

출처 : 투데이에너지(https://www.todayenergy.kr/)