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KR960007161B1 - 열교환기의 누수세관 밀폐용 플러그 결합체 및 이를 이용한 밀폐방법 - Google Patents

열교환기의 누수세관 밀폐용 플러그 결합체 및 이를 이용한 밀폐방법 Download PDF

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KR960007161B1
KR960007161B1 KR1019940005042A KR19940005042A KR960007161B1 KR 960007161 B1 KR960007161 B1 KR 960007161B1 KR 1019940005042 A KR1019940005042 A KR 1019940005042A KR 19940005042 A KR19940005042 A KR 19940005042A KR 960007161 B1 KR960007161 B1 KR 960007161B1
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KR
South Korea
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plug
explosion
heat exchanger
gunpowder
plugging
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심상환
강영도
Original Assignee
한국중공업주식회사
이수강
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Publication date
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Abstract

내용 없음.

Description

열교환기의 누수세관 밀폐용 플러그 결합체 및 이를 이용한 밀폐방법
제1도는 발전소 대형 열교환기류의 파손 누수세관의 개략도.
제2도는 발전소 대형 열교환기류의 파손 누수세관 부위(제1도의 A부위)의 확대도.
제3도는 원자력 증기발생기의 누수세관을 폭발 밀폐하기 위한 주변장치의 개략도.
제4도는 누수세관의 임시 접합용 폭발 플러그 장치의 구성단면도.
제5도는 누수세관의 영구 접합용 폭발 플러그 장치의 구성단면도.
제6도는 누수세관의 영구 접합용 폭발 플러그 장치의 폭발전 개략도.
제7도는 누수세관의 영구 접합용 폭발 플러그 장치의 폭발 후 접합단면도.
제8도는 임시 접합용 폭발 플러그의 폭발후 세관(1)과 플러그(11)의 접합 단면확대도.
제9도는 임시 접합용 폭발 플러그의 폭발후 세관(1)과 플러그(11)의 홈(15) 부위의 접합 단면 확대도.
제10도는 임시용 폭발 플러그의 폭발 접합후 시편번호별 내수압 상관도.
제11도는 임시용 폭발 플러그의 폭발 접합후 시편번호별 인발 하중상관도.
제12도는 임시용 폭발 플러그의 폭발 접합후 열충격 실험후의 시편번호별 인발 하중상관도.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
1 : 세관 1' : 세관의 파손부위
2 : 튜브시트 3 : 습분분리기
4 : 건조기 5 : 1차유체
6 : 2차유체 7 : 슬러지
10 : 플러그결합체 11 : 플러그
12 : 화약 13 : 완충제
14 : 암나사 15 : 오목홈
16 : 환형링 17 : 볼록형 돌출부
20 : 도폭선 21 : 소음상자
22 : 뇌관 23 : 도화선
24 : 원격제어조정장치 30 : 플러그와 세관의 접합부위
본 발명은 발전소, 정유공장 등의 대형 열교환기류 설비의 파손된 세관을 밀폐시키는데 적합한 플러그 결합체 및 이를 이용하여 열교환기의 파손된 누수세관을 밀폐시키는 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 플러그, 화약 및 완충제로 이루어진 플러그 결합체와 이를 누수세관내에 장착한 다음 화약의 폭발힘을 이용하여 파손되어 누수되는 세관을 밀폐(이하, 「플러깅이라 함)시키는 개선된 방법에 관한 것이다.
여기서 대형 열교환기라 함은 원자력 증기발생기, 보일러, 급수가열기, 냉각기, 응축기, 화학반응기 등을 말하며, 이런 설비의 내부는 열교환이 이루어지는 수백 내지 수천개의 금속재질이 직경이 작은 파이프나 튜브관(이하, 「세관」이라 함)으로 구성되어 있다.
이런 열교환기의 세관의 내부와 외부는 서로 다른 온도와 유체가 통과함으로써 열적인 교환이 이루어지는데 장기간(보통 수년 이상) 사용하면 여러가지 원인으로 세관이 파손되는 경우가 종종 발생한다. 이런 파손세관은 세관의 내부와 외부의 유체가 혼합하지 않도록 파손 즉시 파손세관의 양쪽 끝의 출입구를 밀폐하여야 한다. 왜냐하면, 열교환기의 세관의 내ㆍ외부의 유체가 혼합되면, 방사선물질 누출, 열효율 저하, 주변기기의 부식파손 등의 심각한 문제가 발생하기 때문이다. 특히 원자력 증기발생기의 경우에는 방사선물질을 함유한 1차측의 유체가 터빈을 회전시키는 순수한 2차측의 물을 오염시킴으로써 방사선물질의 배출원인이 되며, 보일러, 응축기, 화학반응기 등과 원하지 않는 화합물이나 해수 등이 누수되어, 계통내에 흘러들어감으로써 관련설비의 부식 파손, 유독물질 배출, 열효율 저하 등의 악영향을 미치게 된다.
따라서, 파손된 세관은 신속히 플러깅 되어야 하는 데, 종래의 플러깅 기술로서는 일반 아크 용접방법의 플러깅이거나, 기계적 확관에 의한 소성변형 플러깅, 수압 확관에 의한 소성변형 플러깅, 나사조임방법에 의한 플러깅 등의 방법이 개발되어 있지만, 이러한 방법들은 작업환경이 청정된 구역에서만 가능한 기술이며, 또한 플러깅을 신속히 실시할 수 없는 결점이 있었다.
그러나 플러깅의 실시는 방사선 오염구역이거나 유독물질, 고온, 시야제한 등의 악조건에서 신속히 실시하되 품질보증이 가능하여야 한다.
종래의 기술중에 신속히 플러깅할 수 있는 기술로서는 미국특허 제3,919,940호, 영국 특허 제1,380,964호 및 일본공개특허 소56-134,092호 등이 있으며, 이들은 폭발접합용 플러그 및 이를 이용하여 신속히 플러깅할 수 있는 방법에 관한 것들이다. 그러나, 이들의 기술은 폭발용접이 됨으로써 향후 세관의 보수(특히 슬리빙)작업 필요시 접합된 플러그를 제거할 수 없는 영구적인 플러깅 방법일 뿐만 아니라, 폭발용접이 가능하도록 상당량의 화약과 뇌관을 폭발 플러그 안에 장착함으로써, 영구적으로 사용 가능한 플러깅은 되지만 주변의 튜브시트 홀의 직경이 작아지고 건전한 세관의 용접부위가 폭발진동으로 파손되는 결점이 있었다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 최적 화약량의 사용, 뇌관의 플러그 외부배치, 플러그 외주면의 홈 및 돌출부의 형상과 치수의 조절 및 플러그 외주면의 재료 특성을 상호 종합함으로써 열교환기의 누수세관을 효율적으로 신속하게 밀폐할 수 있는 새로운 플러그 결합체 및 이를 이용한 누수세관의 밀폐방법을 제공하는 데 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징은 향후 폭발된 플러그를 제거할 필요성이 없는 영구용 플러그와 향후 폭발된 플러그를 제거할 필요성이 있는 임시용 플러그를 크게 두가지로 나누어 제공하는 것으로서, 본 발명에서는 원통형 플러그의 외주면에 임시 접합용 또는 영구 접합용에 따라 깊이 또는 높이 0.25~0.45mm의 오목홈(Groove) 또는 볼록형 돌출부를 원하는 밀착도에 대하여 적정수로 형성함으로써 폭발 플러그의 요구되는 내수압을 얻을 수 있고, 임시용 플러그의 경우는 슬리빙 필요시 접합된 플러그를 쉽게 제거할 수 있는 특성이 있다.
본 발명의 다른 특징은 플러그의 전단부가 반원형의 곡선으로 형성되어 있다는 것이다. 이것은 파손세관의 내면에는 용접부의 돌출부, 편마모, 슬러지 등이 존재하므로 플러그 장착시 어려움이 있으므로 플러그의 전단부를 반원형의 곡선으로 형성함으로써 작업을 원활히 수행 할 수 있게 하기 위한 것이다.
본 발명의 또 다른 특징은 뇌관이 플러그로부터 격리된 외부에 배치되고, 플러그 내에는 플러그 내부의 전단부에 일정공간이 남도록 화약과 완충제가 장착되어 있다는 것이다. 이와 같이, 뇌관을 플러그 안에 장착하는 대신 플러그로부터 격리된 외부에 뇌관을 배치하고, 이 뇌관을 도폭선으로 플러그내의 화약과 연결하며, 플러그 내는 최적량의 화약과 완충제만으로 구성하되, 폭발접합시 폭발력의 완충작용을 할 수 있도록 플러그 내부 완충제의 상단부에 일정의 빈공간이 남도록 구성함으로써 폭발접합시 주변의 튜브시트 홀이나, 건전한 세관의 용접부위에 나쁜 영향을 미치지 않을 뿐 아니라 플러그 결합체의 구성이 간단함으로써 방사선 오염구역, 유독 물질, 고온, 시야제한 등의 작업환경이 나쁜 조건에서도 플러깅 실시가 용이하며, 고온(250~430℃) 사용중에는 폭발 플러그의 내부응력이 해소되면서 세관과 더욱 밀착되기 때문에 내수압 한도가 증가하는 특성을 얻을 수 있다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 상세하게 설명한다.
제1도는 발전소 대형 열교환기의 일종인 원자력 증기발생기의 파손되어 누수되는 세관부위의 개략도이며, 제2도는 원자력 증기발생기의 파손세관 부위의 확대도이다.
원자력 증기발생기의 튜브시트(2) 홀에 장착된 수천개의 세관(1)들이 장기간(보통 수년 이상)을 사용중 슬러지(7) 등의 침식에 의하여 부식, 파손되거나 기타 여러가지 원인으로 파손되어 누수되면, 세관의 안쪽으로 흐르는 1차 유체(방사선 물질 함유)(5)가 세관(1) 외부의 2차 유체(터빈을 회전시키는 순수한 물)(6)를 오염시키므로 이를 방지하기 위하여 세관의 양쪽 끝을 폐쇄하는 플러깅이 필요하다.
제3도는 원자력증기발생기의 파손된 세관을 플러깅하기 위한 폭발 플러그와 그 주변 장치의 개략도이다.
플러그 결합체(10)는 튜브시트(2)홀의 누수세관((1)의 안에 장착되고, 플러그(11) 내의 중심부의 화약(12)은 플러그(11) 외부의 별도의 소음상자(21) 내부에 있는 공업용 또는 전기뇌관(22)과 도폭선(20)으로 연결된다.
제3도 내지 제8도에서 플러그의 결합체(10)를 이루는 원통형의 플러그(11)는 전단부는 반원형으로 닫혀있고, 후단부는 개방되어 있는 구조로서, 보통 완전 소둔한 인코넬 600 또는 인코넬 690 재질로 이루어지지만 사용되는 부식환경에 따라 티타늄합금, 스텐레스 합금 등이 사용되며, 플러그(11)의 외경은 누수세관(1)의 내경보다 0.25~0.44mm 작으며, 플러그(11)의 두께는 1.05~2.15mm인 것이 바람직하다.
플러그(11)내의 중심부에 길이방향으로 장착되는 원봉형 화약(12)의 성분은 암모늄 니트라이트(AN), 펜트리트(PETN), 헥소겐(HMX), 사이크로 디메틸 에미트 리니트라민(RDX) 등의 화약으로서 폭발 플러그의 결합체(10)가 요구하는 사용수압에 따라, 화약량을 변화시킬 수 있는 데, 본 발명에서의 화약(12)의 사용량의 범위는 3.2~8.5g/m이다.
플러그(11) 내부의 화약(12)은 도폭선(20), 뇌관(22), 도화선(23)의 순서로 연결되며 도화선을 점화하여 화약을 폭발시켜 플러그(11)와 파손된 누수세관(1)을 접합시킨다.
화약(12)을 둘러싸고 있는 원통형 완충제(13)는 플러그(11)와 화약(12) 사이에서 완충역할을 하는 중요한 구성체로서, 연신율이 400~1200%인 저밀도 연성 폴리에틸렌 수지의 재질로 되어 있고, 플러그(11) 내부의 완충제(13) 상단부에 일정간격이 유지되도록 장착된다. 완충제(13)는 화약(12)의 폭발시에 순간적인 힘을 플러그(11)에 전달함으로써 플러그의 외주면과 누수세관(1) 내면의 틈새를 없애는 역할뿐만 아니라 폭발 잔류물질은 흡수하므로 폭발후 완충제(13)의 제고와 동시에 플러그(11)를 깨끗하게 하는 역할을 한다.
본 발명의 제4도는 임시 접합용 플러그의 결합체(10)를 나타낸 것으로서, 플러그(11)의 전단부의 내면에 암나사(14)가 형성되어 있으며, 플러그(11) 외부면의 홈(15)은 오목한 형태로 깊이 0.25~0.45mm로 2~6개 형성되어 있다. 또한 플러그(11) 외주면의 오목형 홈(15) 안에는 직경 0.28~0.52mm 의 금과 니켈 합금의 내부식 재질로 된 환형 링(16)이 4개 내지 5개 포함될 수 있는데, 이러한 환형링은 폭발접합후 기밀을 유지하면서 윤활작용을 하는 것이 특징이다. 본 발명에서 환형링(16)의 재질로는 금 84~95중량%와 니켈 5~16중량%의 합금이 사용되는 것이 가장 바람직하다.
제5도의 영구 접합용 폭발 플러그는 플러그(11)의 외주면에 볼록형의 돌출부(17)가 높이 0.25~0.45mm로 2∼6개 형성되어 있어, 하기의 실시예 2에서 나타난 바와 같이 폭발 접합후 플러그의 허용내수압이 높을 뿐 아니라, 플러그의 인발하중도 매우 높음으로써 플러그 인발이 곤란하므로 파손된 누수세관(1)을 영구히 밀폐할 수 있다. 또한 영구 접합용 폭발 플러그의 열충격 모의 실험의 결과, 열충격후 오히려 내수압과 인발하중이 증가하는 현상을 나타냄으로써 사용중의 폭발 플러그의 누수현상이 없다는 것이 본 발명의 영구 접합용 폭발 플러그의 특징이다.
제4도의 임시 정합용 폭발 플러그와 제5도의 영구 접합용 폭발 플러그를 비교하면 내수압 성능, 내부식 특성, 기계적 강도는 동일하지만, 임시용 플러그의 경우 플러그(11) 전단부의 내면에 암나사(14)가 형성되어 있는데, 이것을 플러그제거 필요시 플러그(11)의 암나사(14) 피치에 맞는 숫나사의 봉을 하부로부터 삽입, 회전하여 플러그(11)와 결합시킨 후, 하부로부터 별도의 유압시스템을 이용하여 플러그(11)를 쉽게 제거할 수 있도록 하기 위한 것이다. 또한 임시접합용 플러그의 외주면의 홈(Groove)(15)은 영구 접합용 플러그와 반대로 오목형이어서, 폭발접합후 플러그(11)의 제거필요시 그 제거가 용이하며, 오목홈(15)속에는 사용중에서 기밀을 유지하면서, 플러그 제거시 윤활 작용을 하는 금과 니켈의 합금으로 된 환형링(16)이 포함될 수 있다는것이 영구용 플러그와는 다른 구성이다.
본 발명 제9도의 임시 접합용 폭발 플러그의 폭발후의 확대 사진에서와 같이, 세관(1)과 플러그(11) 사이의 환형링(16)은 폭발시 소성변형되어 세관(1)의 내면에 밀착하여 밀봉효과를 나타냄으로써 열충격 상황의 사용 중에도 오히려 플러그의 내수압 성능을 향상시킬 뿐 아니라, 플러그의 제거시 세관(1)과 플러그(11) 사이에서 윤활작용을 함으로써 플러그(11)를 쉽게 제거할 수 있게 한다.
제10도 내지 제12도에 나타난 바와 같이 임시 접합용 폭발 플러그도 영구 접합용 폭발 플러그와 동일하게 열충격 모의 실험결과 오히려 내수압과 인발하중이 증가하는 현상을 나타냄으로써, 사용중의 폭발 플러그의 누수 현상이 없는 것이 본 발명의 폭발 플러그의 특징이다.
이하, 실시예를 통하여 본 발명을 상세하게 설명한다.
[실시예 1]
원자력발전소 증기발생기의 직경 19.05mm, 두께 1.05mm인 인코넬 600 재질의 파손된 세관(1)에 대하여, 인코넬 690 재질의 외경 16.35mm, 두께 1.80mm이고, 화약(12)으로 핵소겐 5.3g/m과 저밀도 연성 폴리에틸렌수지의 완충제(13)로 된 제4도의 임시 접합용 플러그 결합체(10)로 폭발플러깅의 모의실험을 하였다.
그 결과는 파손세관 내부의 이물질 존재, 화약량의 오차, 본 발명 플러그의 가공오차 및 해당세관의 내부직경의 불균일 등에 의하여 시편별로 다수의 차이는 있었으나, 제10도와 같이 내수압강도는 320kg/㎠ 이상이었고, 제11도와 같이 인발하중은 2,300kg 이상이었다.
보통의 원자력 증기발생기의 운전수압이 최대 176kg/㎠ 이하이고, 최신형 발전소의 고압급수 가열기의 운전허용 수압이 280kg/㎠인 것을 고려하면, 본 발명의 임시접합용 플러그의 허용 내수압 320kg/㎠은 원자력 증기발생기의 최대허용수압의 2.5배정도이고, 본 발명의 임시접합용 플러그의 허용 인발하중 2,300kg은 핵증기 발생기의 허용 인발하중 450kg의 5배 이상이다.
또한 상온~430℃의 100사이클의 역충격 실험후의 인발하중은 제12도에 나타난 바와 같이 4,200kg으로 오히려 상승함으로써 폭발 플러깅 후 사용중에는 누수에 대한 내수압 성능이 오히려 상승함을 알 수 있었다.
[실시예 2]
화력발전소 고압 급수가열기의 직경 15.87mm , 두께 2.10mm인 스텐레스 304 재질의 파손된 누수세관(1)에 대하여, 인코넬 600 재질의 외경 11.25mm, 두께 1.85mm이고, 화약(12)으로 펜트리트 3.6g/m와 저밀도 연성 폴리에틸렌 완충제(13)로 된 제5도의 영구 접합용 플러그 결합체(10)로 폭발 플러깅의 모의 실험을 한 결과는 내수압강도 450kg/㎠ 이상, 인발하중 2,600kg 이상으로 충분히 만족하였으며, 상온~460℃의 100 사이클의 열충격 실험후의 내수압은 480kg/㎠, 인발하중은 3,400kg으로 오히려 상승하였다.
본 발명의 효과를 살펴보면, 종래의 플러깅 작업은 전처리 공정으로 플러그와 튜브의 밀착효과를 높이기 위하여 불순물, 산화물 등을 반드시 제거하여야 하므로, 플러깅하려는 파손튜브의 내면을 연마 드릴, 스텐레스 부러시, 면 부러시 등의 순서로 튜브의 내면을 깨끗이 하여야 하는 번거로움이 있었으나, 본 발명은 면 부러시 등으로 튜브 내면을 간단히 청정하더라도 제8도의 접합 단면의 확대 사진에서와 같이 산화물이 쉽게 제거되는 특징이 있음으로 방사선 분위기 등의 나쁜 환경에서는 플러깅 작업시의 전처리공정을 생략하거나 간단히 하더라도 플러그와 세관의 밀착효과를 높일 수 있고, 플러그 결합체의 구성이 간단하여 작업환경이 나쁜조건에서도 플러깅 실시가 용이하다.
또한, 본 발명에 의하면 주변의 튜브시트홀이나 건전한 세관의 용접부위에 나쁜 영향을 미치지 않을 뿐 아니라, 폭발플러깅 후에는 누수에 대한 내수압성능이 매우 우수하며, 임시용 플러그의 경우에는 접합된 플러그를 쉽게 제거할 수 있는 장점이 있다.

Claims (7)

  1. 전단부는 반원형으로 닫혀있고 후단부는 개방되어 있으며, 외주면을 따라 오목홈(15) 또는 볼록형 돌출부(17)가 형성되어 있는 원통형의 플러그(11)와, 상기 플러그(11) 내의 중심부에 길이방향으로 삽입되어 있는 원봉형의 화약(12)과, 상기 플러그(11)내에서 화약(12) 주변을 둘러싸고 있으며, 플러그(11) 내의 전단부에 일정공간이 남도록 장착된 원통형의 완충제(13)로 이루어짐을 특징으로 하는 플러그 결합체.
  2. 제1항에 있어서, 플러그(11)는 완전 소둔한 인코넬 600, 인코넬 690, 티타늄 합금 또는 스텐레스 합금의 재질로 이루어지고 플러그(11)의 외경은 열교환기의 누수세관(1)의 내경보다 0.25~0.44mm 작으며, 플러그(11)의 두께는 1.05~2.15mm인 것을 특징으로 하는 플러그 결합체.
  3. 제1항에 있어서, 플러그(11) 전단부의 내면에 암나사(14)가 형성되어 있고, 플러그(11) 외주면에는 깊이 0.25~0.45mm인 오목홈(15)이 2~6개 형성되어 있으며, 오목홈((15)속에 금과 니켈의 합금으로 된 직경 0.28~0.52mm의 환형링(16)이 4~5개 포함되어 있는 것을 특징으로 하는 플러그 결합체.
  4. 제3항에 있어서, 오목홈(15)속에 위치하는 환형링(16)은 금 84~95중량%와 니켈 5~16중량%의 합금으로 이루어진 것임을 특징으로 하는 플러그 결합체.
  5. 제1항에 있어서, 플러그(11)의 외주면에 높이 0.25~0.45mm인 볼록형 돌출부(17)가 2~6개 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 플러그 결합체.
  6. 제1항에 있어서, 플러그(11) 내의 중심부의 화약(12)은 암모늄니트라이트(AN), 펜트리트(PETN), 헥소겐(HMX) 또는 사이크로 디메틸 에미트 리니트라민(RDX)이고, 화약량의 범위는 3.2~8.5g/m 인 것을 특징으로 하는 플러그 결합체.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 따른 플러그 결합체(10)를 대형 열교환기의 튜브시트(2) 홀의 누수세관(1)의 단부내에 장착한 후, 플러그(11)내의 중심부의 화약(12)을 플러그로부터 격리된 뇌관(22)과 도폭선(20)으로 연결한 다음 뇌관(22)에 연결된 도화선(23)을 점화하여 화약(12)을 폭발시켜 플러그(11)와 누수세관(1)을 접합시킴을 특징으로 하는 열교환기의 누수세관의 밀폐방법.
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