KR100597337B1 - 원자로의 보조 급수 계통용 캐비테이팅 벤츄리 - Google Patents

원자로의 보조 급수 계통용 캐비테이팅 벤츄리 Download PDF

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Abstract

원자로의 보조 급수 계통용 캐비테이팅 벤츄리 구조가 개시된다.
본 발명에 따른 원자로의 보조 급수 계통용 캐비테이팅 벤츄리는 클램프가 접속되고 벤츄리 목 입구의 직경을 d라 할때 5d 내지 7d에서 선택된 직경의 후미단 직경을 가지는 클램프 접속부(50)와, 상기 클램프 접속부(50)에서 연장되고 5d 내지 7d에서 선택된 직경의 선단 직경과 d의 후미단 직경을 가지며 길이는 1.5d 내지 2.5d에서 선택된 입구부(52)와, 상기 입구부(52)에서 연장되고 벤츄리 목 입구 부분의 직경과 출구 부분의 직경이 동일하게 2d 내지 4d에 걸쳐 연장되어 형성되어 있는 벤츄리 목 부(54), 및 벤츄리 목 부(54)의 출구 부분에서 연장되어 유체의 진행방향에 대하여 중심축으로부터 3°내지 4°를 이루면서 내부 구경이 확대되고 그 길이는 9 d 내지 11 d에서 선택된 제1 확장부(56)와 상기 제1 확장부의 단부에서 연장되어 유체의 진행방향에 대하여 중심축으로부터 13°내지 18°를 이루면서 내부 구경이 확대되고 그 길이는 8d 내지 10d에서 선택된 제2 확장부(58)로 이루어진 디퓨저부를 구비하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 원자로의 보조 급수 계통용 캐비테이팅 벤츄리는 캐비테이션시 발생되는 진동을 줄여줌으로써 지속적인 진동 충격으로 인하여 발생될 수 있는 배관 손상 및 파단 사고를 예방할 수 있어 안정된 공정을 제공한다.
캐비테이팅 벤츄리, 진동, 원자로

Description

원자로의 보조 급수 계통용 캐비테이팅 벤츄리{Cavitating venturi for supplemetary water supplying line of nuclear reactor}
도 1은 일반적인 보조 급수 계통의 구조를 간략히 나타낸 구성도,
도 2는 캐비테이팅 벤츄리의 개념을 설명하기 위한 단면도,
도 3 및 도 4는 종래의 캐비테이팅 벤츄리의 구조를 설명하기 위한 단면도, 및
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 캐비테이팅 벤츄리의 구조를 나타낸 단면도.
본 발명은 캐비테이팅 벤츄리의 구조에 관한 것으로, 특히 원자로의 보조 급수 계통용 캐비테이팅 벤츄리의 벤츄리 목 구조에 관한 것이다.
도 1에는 일반적인 보조 급수 계통의 구조를 간략히 나타내었다. 도 1을 참조하면, 원자로의 일반적인 급수 계통은 증기발생기로 급수되는 주급수 라인과 보조 급수 라인을 가지게 된다. 보조 급수 라인 계통(10)은 예기치 못한 문제가 발생하는 경우에 대비하여 운용한다. 하지만, 증기발생기(12)의 손상등으로 주증기 압력이 대기압으로 감압되었을 경우와 같이 증기발생기(12)측의 압력이 급격히 저하되면 저장탱크(102)로부터 급수된 물을 보조 펌프(104)로 공급할 때 압력의 차이가 너무 심하여 유량이 지나치게 빠르게 증기발생기로 유입되고 그로 인하여 과도한 보조 급수 유량이 발생하고 격납 용기의 과압(M/E) 및 RCS(Reactor Coolant System) 계통의 과냉각이 발생한다. 이러한 문제점을 해결하기 위하여 증기발생기 전단에 캐비테이팅 벤츄리(106: cavitating venturi)를 설치하여 유량을 일정하게 한다.
도 2에는 캐비테이팅 벤츄리의 개념을 설명하기 위하여 캐비테이팅 벤츄리의 구조를 단면도로써 나타내었다. 도 2를 참조하면, 케비테이팅 벤츄리(106)의 입구측의 압력을 P1이라 하고 출구측의 압력을 P2라고 하였을 때, 입구측의 압력과 출구측의 압력의 차이, 즉, P1 - P2가 10% ~ 15% 이상이 되는 경우에도 입구/출구 압력에 관계없이 벤츄리 유량이 어느 정도 일정한 유량을 유지하는 것을 목적으로 한다.
이와 같은 케비테이팅 벤츄리의 작용 원리를 설명한다. 벤츄리의 목 부분에서 유체의 속도가 급격히 증가하고 순간적으로 동압이 증가함에 따른 정압의 감소가 발생하여 벤츄리 목을 지난 디퓨저(diffuser)에서 기포가 생성되어 유체의 흐름을 방해하는 현상을 유발하게 되는 것이다.
도 3 및 도 4에는 종래의 캐비테이팅 벤츄리의 구조를 단면도로써 나타내었다. 도 3 및 도 4를 참조하면, 종래의 캐비테이팅 벤츄리는 벤츄리 목 전단의 입구 부분이 급격히 좁아졌다가 벤츄리 목 부분의 직경이 차츰 넓어지는 구조로 이루어진다. 하지만, 이러한 종래의 캐비테이팅 벤츄리는 디퓨저 후단의 배관 부분과 증기발생기에서 기포가 소멸되는 과정에서 배관 및 증기발생기내에서 과도한 수격 현상이 발생하여 진동이 발생하여, ASME(미국기계학회: American Society of Mechanical Engineers) 코드에 따른 기준중에서 배관 진동에 관한 제한요건을 설정한 OM-S/G-2000 3.2.1.2(b) 기준의 2 배 이상을 나타낸다는 문제점이 있다. 또한, 경우에 따라서는 지속적인 진동 충격으로 인하여 배관이 손상되어 파단되는 사고가 발생할 수 있다.
본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 진동의 발생을 현저히 줄인 캐비테이팅 벤츄리를 제공하는 것이다.
상기 기술적 과제를 이루기 위한 본 발명에 따른 원자로의 보조 급수 계통용 캐비테이팅 벤츄리는,
클램프가 접속되고 벤츄리 목 입구의 직경을 d라 할때 5d 내지 7d에서 선택된 직경의 후미단 직경을 가지는 클램프 접속부(50);
상기 클램프 접속부(50)에서 연장되고 5d 내지 7d에서 선택된 직경의 선단 직경과 d의 후미단 직경을 가지며 길이는 1.5d 내지 2.5d에서 선택된 입구부(52);
상기 입구부(52)에서 연장되고 벤츄리 목 입구 부분의 직경과 출구 부분의 직경이 동일하게 2d 내지 4d에 걸쳐 연장되어 형성되어 있는 벤츄리 목 부(54); 및
벤츄리 목 부(54)의 출구 부분에서 연장되어 유체의 진행방향에 대하여 중심축으로부터 3°내지 4°를 이루면서 내부 구경이 확대되고 그 길이는 9 d 내지 11 d에서 선택된 제1 확장부(56)와, 상기 제1 확장부의 단부에서 연장되어 유체의 진행방향에 대하여 중심축으로부터 13°내지 18°를 이루면서 내부 구경이 확대되고 그 길이는 8d 내지 10d에서 선택된 제2 확장부(58)로 이루어진 디퓨저부;를 구비하는 것을 특징으로 한다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 보다 상세히 설명하기로 한다.
도 5에는 본 발명의 실시예에 따른 캐비테이팅 벤츄리의 구조를 단면도로써 나타내었다. 도 5를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 캐비테이팅 벤츄리는,
클램프가 접속되고 벤츄리 목 입구의 직경을 d라 할때 5d 내지 7d에서 선택된 직경의 후미단 직경을 가지는 클램프 접속부(50);
상기 클램프 접속부(50)에서 연장되고 5d 내지 7d에서 선택된 직경의 선단 직경과 d의 후미단 직경을 가지며 길이는 1.5d 내지 2.5d에서 선택된 입구부(52);
상기 입구부(52)에서 연장되고 벤츄리 목 입구 부분의 직경과 출구 부분의 직경이 동일하게 2d 내지 4d에 걸쳐 연장되어 형성되어 있는 벤츄리 목 부(54); 및
벤츄리 목 부(54)의 출구 부분에서 연장되어 유체의 진행방향에 대하여 중심축으로부터 3°내지 4°를 이루면서 내부 구경이 확대되고 그 길이는 9 d 내지 11 d에서 선택된 제1 확장부(56)와, 상기 제1 확장부(56)의 단부에서 연장되어 유체의 진행방향에 대하여 중심축으로부터 13°내지 18°를 이루면서 내부 구경이 확대되고 그 길이는 8d 내지 10d에서 선택된 제2 확장부(58)로 이루어진 디퓨저부;를 구비한다. 도면상에서는 제1 확장부(56)에서 중심축으로부터 내부 구경이 확대되는 각도는 θ1으로 참조하였고, 제2 확장부(58)에서는 θ2로 참조하였다.
표 1에는 벤츄리 목 부(54)의 동일 직경을 유지한 길이에 따른 진동 발생의 기준 합격여부를 나타내었다. 진동의 판정 기준은 ASME(미국기계학회: American Society of Mechanical Engineers) 코드에 따른 기준중에서 배관 진동에 관한 제한요건을 설정한 OM-S/G-2000 3.2.1.2(b) 기준에 의하여 판단하였다.
위 기준과 측정 방법을 보다 명확히 설명한다. ASME OM-S/G-2000의 제3장에서는 원전 플랜트 배관 시스템(Nuclear Power Plant Piping Systems)에 대한 동작전 및 초기 시운전시 진동 시험 요건(Requirements for Preoperational and Initial Start-up Vibration Testing)에 대하여 규정하고 있으며, 제3장 부록 A에서는 장비 설치 및 측정 가이드 라인을 설명하고 있다.
본 발명에 따른 캐비테이팅 벤츄리에 대한 진동 측정을 위해서는 제3장(Part 3)의 35쪽 표 2에서 예시하고 있는 진동 모니터링 시스템(Vibration Monitoring System: VMS) 최소 요건 사양에 따라 변위(displacement)를 측정하였고, 부록 A에서 A2.1.3에서 제시하고 있는 변위 트랜스듀서(Displacement Transducer)를 사용하여 측정하였다. 측정 조건은 주파수 0.5 ㎐ ∼ 20 ㎐ 범위에 대하여 전체 스케일 영역을 120 mils로 한 상태에서 예시하고 있는 허용 조건(Acceptance Criteria) 100 mils보다 까다로운 50 mils을 기준값으로 정하고, 이 기준치 이내를 만족하였으면 "合", 기준치를 초과한 경우에는 "不"로 표시하고, 기준치 이내를 만족하면 기준에 합격한 것으로, 기준치를 초과하면 기준에 불합격한 것으로 평가하였다.
표 1을 참조하면, 2d 내지 4d에 대해서는 진동 발생의 기준에 합격하였다. 3.4d와 5.2d에 대해서는 제1 확장부(56)와 제2 확장부(58)의 조건에 따라 합격 또는 불합격되는 경우가 있어 불합격으로 표시하였다.
길이 0.5d 1.0d 1.5d 2.0d 3.0d 3.5d 4.0d 4.5d 5.0d
합격여부 (진동) 不 不 不 合 合 合 合 不 不
표 2에는 각각 제1 확장부(56)와 제2 확장부(58)의 조건에 따른 진동 발생의 합격 여부를 나타내었다.
각도 길이 1.5° 2° 2.5° 3° 3.5° 4° 4.5° 5°
6d (不) (不) 不 不 不 不 不 不
7d (不) (不) 不 不 不 不 不 不
8d (不) (不) 不 不 不 不 不 不
9d (不) (不) 不 合 合 合 不 不
10d (不) (不) 合 合 合 合 合 不
11d (不) (不) 合 合 合 合 合 不
12d (不) (不) (不) 不 不 不 不 不
13d (不) (不) (不) 不 不 不 不 不
14d (不) (不) (不) (不) 不 不 不 不
표 2를 참조하면, 제1 확장부(56)의 각도가 2.5°와 4.5°인 경우에도 길이 10d와 11d에서 진동 발생의 기준에 합격하였으나 제2 확장부(58)의 조건에 따라 불합격되는 경우가 있었다. 따라서, 제1 확장부(56)의 각도는 3°내지 4°이고, 길이는 9d 내지 11d에서 진동 발생의 기준에 합격한 것으로 판정하였다. 여기서, '(不)'은 진동의 기준은 합격 수준이나 캐비테이션의 불충분으로 인한 유량 제어가 불충분한 것을 나타낸다.
각도 길이 11.5° 12° 12.5° 13° 15° 18° 18.5° 18° 18.5°
4d (不) (不) (不) 不 不 不 不 不 不
5d (不) (不) (不) 不 不 不 不 不 不
6d (不) (不) (不) 不 不 不 不 不 不
7d (不) (不) (不) 不 不 不 不 不 不
8d (不) (不) 合 合 合 合 不 不 不
9d (不) (不) 合 合 合 合 不 不 不
10d (不) (不) 合 合 合 合 不 不 不
11d (不) (不) 合 合 合 合 合 不 不
12d (不) (不) 合 合 合 合 合 不 不
표 3을 참조하면, 제2 확장부(58)의 각도는 13°내지 18°이고, 길이는 8d 내지 10d에서 진동 발생의 기준에 합격한 것으로 판정하였다. 각도가 12.5°인 경우에는 길이 8d내지 12d에서 진동 발생의 기준에 합격하였으나 제1 확장부(56)의 조건에 따라 불합격되는 경우가 있다. 또한, 각도가 13°내지 18°이면서 길이가 11d 및 12d에서도 진동 발생의 기준에 합격하였으나 제1 확장부(56)의 조건에 따라 불합격되는 경우가 있어 제외하였다. 여기서, (不)은 진동의 기준은 합격 수준이나 캐비테이션의 불충분으로 인한 유량 제어가 불충분한 것을 나타낸다.
한편, 클램프 접속부(50)는 5d 미만이면 유입수의 흐름이 부족한 경우가 발생할 수 있고 7d 이상이면 입구측 수압이 증가하여 진동 발생이 급증하는 경향을 나타낸 바, 5d 내지 7d에서 선택된 직경의 후미단 직경을 가지는 것이 바람직하다. 또한, 입구부(50)는 상기 클램프 접속부(50)에서 연장되므로 5d 내지 7d에서 선택된 직경의 선단 직경과 d의 후미단 직경을 가지게 되며, 길이는 1.5d 미만이면 유속의 급격한 변화로 진동이 급증하고 2.5d 초과하면 유속 변화의 불충분으로 캐비테이션이 불충분한 바, 1.5d 내지 2.5d에서 선택되는 것이 바람직하다.
배관 진동을 비교 분석한 결과에 따르면, 종래의 캐비테이팅 벤츄리는 ASME 코드에 따른 기준중에서 배관 진동에 관한 제한요건을 설정한 OM-S/G-2000 3.2.1.2(b) 기준의 2 배 이상을 나타내는 문제점이 있는데 반하여, 상기와 같은 본원 발명에 따른 원자로의 보조 급수 계통용 캐비테이팅 벤츄리는 상기 기준을 만족하여 배관의 진동이 현저히 개선된 것으로 나타났다. 이로써, 지속적인 진동 충격으로 인한 배관이 손상 및 파단 사고를 예방할 수 있어 안정된 공정을 제공한다.
상술한 바와 같이 본 발명에 따른 원자로의 보조 급수 계통용 캐비테이팅 벤츄리는 캐비테이션시 발생되는 진동을 줄여줌으로써 지속적인 진동 충격으로 인하 여 발생될 수 있는 배관 손상 및 파단 사고를 예방할 수 있어 안정된 공정을 제공한다.

Claims (1)

  1. 클램프가 접속되고 벤츄리 목 입구의 직경을 d라 할때 5d 내지 7d에서 선택된 직경의 후미단 직경을 가지는 클램프 접속부(50);
    상기 클램프 접속부(50)에서 연장되고 5d 내지 7d에서 선택된 직경의 선단 직경과 d의 후미단 직경을 가지며 길이는 1.5d 내지 2.5d에서 선택된 입구부(52);
    상기 입구부(52)에서 연장되고 벤츄리 목 입구 부분의 직경과 출구 부분의 직경이 동일하게 2d 내지 4d에 걸쳐 연장되어 형성되어 있는 벤츄리 목 부(54); 및
    벤츄리 목 부(54)의 출구 부분에서 연장되어 유체의 진행방향에 대하여 중심축으로부터 3°내지 4°를 이루면서 내부 구경이 확대되고 그 길이는 9 d 내지 11 d에서 선택된 제1 확장부(56)와, 상기 제1 확장부(56)의 단부에서 연장되어 유체의 진행방향에 대하여 중심축으로부터 13°내지 18°를 이루면서 내부 구경이 확대되고 그 길이는 8d 내지 10d에서 선택된 제2 확장부(58)로 이루어진 디퓨저부;를 구비하는 것을 특징으로 하는 원자로의 보조 급수 계통용 캐비테이팅 벤츄리.
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