A Structural Analysis of Tsunami-proof Damper in Nuclear Power Plant

원자력 발전소에서 쓰나미 방지용 댐퍼에 대한 구조해석

Abstract

The purpose of this study is to research dampers, which are applied mainly to buildings adjacent to the coast, such as nuclear facilities, and used for ventilation and can safely protect lives and equipment in emergency situations. Comparing the equivalent stress for three models with hinge reinforcement and support reinforcement based on the early design model for Damper, in the Base model, the highest stress occurred in the part of hinge, especially in the centrally mounted hinge, and after reinforced the hinge, it was occurred in the rear support. For models reinforced hinges and supports, it is considered that reinforcement for stiffness will be required in the future as it entered within the range of allowable stress. For the safety factor distribution, the minimum safety ratio was sufficiently secured at least 1 and was high at the edge of the Damper frame and the Blade. As the hinge was reinforced, the safety factor distribution of Blade was increased, and it was verified that the safety factor was secured through the support reinforcement.

1. 서론

원자력 시설 및 건물의 외벽에 설치되어 평상시에는 환기창과 댐퍼의 기능을 수행하며 지진 또는 기상 이변으로 인한 해일 등 비상사태 발생 시 외부로부터 완벽히 차단하여 장비 및 인명을 보호함을 목적으로 한다.

쓰나미가 발생 할 경우 Machinery room 내부로 바닷물이 유입되어 기계적인 핵심장비 및 계통장비에 치명적인 결함을 야기 시킬 수 있으며 이로 인한 전력 중단 피해규모는 수치로 따질 수 없이 크며 이를 복구하기 위해서는 오랜 시간과 비용이 소모되어 사고 발생 전 예방하고 방지하는 것이 최우선이다.

한국에서 발생하는 해일은 주로 폭풍해일이지만, 드물게 지진해일이 나타나며 최근에는 지구온난화에 따른 해수면 상승의 위험이 지적되고 있으며 국내 연안 구조물을 전면 재점검이 강도되고 있는 추세이다[1,2].

일본과 근접한 우리나라는 지진해일을 비롯한 자연재해로부터 절대적인 안전지대라고 단정 지을 수 없으며, 만약 일본 서쪽연근해서 쓰나미 발생 시 2시간 이내로 동해 전 지역에 피해가 예상된다. 또한 철저한 대비책을 마련해 온 일본에 비해 자연재해에 대한 경각심이 부족한 우리나라는 재해 발생 시 더 큰 피해를 입을 가능성이 높다.

본 연구는 원자력 시설 등 주로 연한에 접한 각종 건축물에 적용되어 통기를 위한 용도로 사용하는 댐퍼에 관한 것으로서 평상시에는 일반적인 댐퍼 기능을 수행하고 지진이나 기상 이변으로 인한 해일 발생으로 정전 시 전력이 없이도 자동차단 상태로 전환되어 해일 등으로 인한 피해를 사전에 지연 또는 차단하여 인명 및 장비를 안전하게 보호할 수 있는 해일 차단용 댐퍼를 개발하는데 있다[3].

Fig. 1은 원자력 발전소의 건물에 설치되어 있는 댐퍼위치와 형상을 나타내고 있으며, 댐퍼는 공압식 작동기(Pneumatic actuator)에 의해 개폐가 가능하다.

Fig. 1 Damper position at nuclear plant

2. 구조해석 방법

본 연구는 쓰나미가 발생할 때 원자력발전소 건물에 설치된 Fig. 2와 같은 형태의 Damper에 받는 힘을 예측하는데 목적이 있다. 본 구조해석은 Damper의 Blade의 뒷면에 설치된 지지대가 보강된 모델로 요구압력 7bar일 경우 개선된 Damper의 구조건전성을 확인하는데 목적이 있다[4,5].

Fig. 2 3D modeling of damper

또한 Damper의 강도를 예측하기 위하여 유한요소해석 프로그램인 ANSYS W/B R14를 활용하여 구조해석을 수행하고 설계시 참고자료로 제시하고자 한다. 또한 Table 1은 댐퍼에 사용되는 재질인 STS 304에 대한 물성치를 나타내고 있다.

Table 1. Material properties

Damper의 모든 재료는 STS 304로 통상적으로 사용하는 구조용 스테인리스강이다.

STS 304는 탄소 0.08%이하, 규소 1%이하, 망간 2%이하, 니켈 8∼10.5%, 크롬 18∼20의 비율의 합금구조를 가지고 있으며, 탄소량이 적어 내식성과 용접성이 우수하기 때문에 본 연구에 적용되는 Damper의 생산소재로 아주 적합하다.

댐퍼에 대한 구조해석을 수행하기 위하여 유한요소모델을 생성하였다. 일반적으로 사용되는 솔리드 요소는 육면체(hexahedron), 오면체(pentahedron), 사면체(tetrahedron)의 세 가지 유형으로 나누어진다. 육면체나 오면체의 요소망을 쉽게 생성할 수 있는 형상이라면 비슷한 조밀도의 4면체 요소망 보다 육면체의 요소망이 보다 정확한 해를 효율적으로 제공해준다. 따라서 본 연구에서는 Damper에 대한 육면체 요소망을 생성하여 보다 정확한 해를 구하고자 하였다[6,7].

구조해석을 위한 유한요소는 모든 부품에 동일하게 솔리드요소(solid element)를 사용 하였으며 유한요소로 나눌 때 전체적으로 평균 요소 크기(element size)를 10 mm의 크기로 구성하여 Fig. 3과 같이 나타내었다.

Fig. 3 Finite element model

Damper에서 쓰나미의 영향을 받는 부분이 전면부에 대해 수직압력이 0.7MPa(7bar)의 하중이 작용하는 것으로 Fig. 4와 같이 설정하였다. Damper 상-하부면은 Z방향으로만 구속하였고, 후면 테두리부분에 X, Y변위구속을 설정하였다. 따라서 Damper는 상하부면과 후면이 고정되는 것과 같은 구속조건이 설정된다.

Fig. 4 Load conditions at damper

3. 구조해석 결과 및 고찰

Fig. 5는 각 방향에서 바라보았을 때의 등가응력분포를 나타내고 있다. 등가응력이 최고 값을 갖는 부분은 (a)의 그림에서 보는 것과 같이 힌지부분에서 발생하는 것을 확인할 수 있었다. Blade가 설치되어 지지되는 가운데 힌지부분에서 가장 높은 응력이 발생하였는데 이 부분에서 집중응력이 발생한 것으로 판단된다. 또한 케이스를 지지하고 있는 지지대의 교차점에서도 다소 높은 응력이 발생하는 것으로 나타났다.

Fig. 5 Results of equivalent stress

Fig. 6은 안전율 분포를 나타낸 것이다. Damper에 미치는 응력분포에 대해 안전율로 나타내며 확인한 결과 안전율이 0.2이하로 나타남을 확인할 수 있었고, 전반적으로 가운데 부분에 설치된 힌지쪽에서 취약한 것을 확인할 수 있었다. 또한 후면부의 지지대 부분에서 안전율 1이하로 확인됨에 따라 설계변경이 이루어져야 될 것으로 판단된다.

Fig. 6 Results of safety factor

최초 설계된 Damper에 대한 구조해석을 수행한 결과 힌지부분에서 집중응력이 발생하여 안전율이 아주 낮게 평가됨에 따라 힌지에 대한 보강이 Fig. 7과 같이 이루어졌다. 힌지부분의 두께를 Base 모델의 경우 6mm에서 8mm로 2mm 보강시킴에 따라 전체길이가 4mm 증가되었다. 따라서 힌지부분에 대한 보강을 통해 구조해석 결과를 판단하기로 하였다.

Fig. 7 Comparison of hinge intension

Fig. 8은 힌지 보강모델에 대한 등가응력 분포를 나타내고 있다. Base모델에 비해 힌지부분에서 응력분포가 충분히 낮게 나타난 반면에 Damper 후면부에 설치된 지지대 부분에서 응력이 가장 높게 나타났다. 특히 상-하부와 중앙부분에서 가장 높게 나타났으며, 허용응력을 초과함을 확인할 수 있었다.

Fig. 8 Results of equivalent stress at hinge intension model

Fig. 9은 안전율에 대한 분포를 나타낸 것이며, Damper 전면부에서는 안전율이 높게 나와 구조적으로 안전함을 확인할 수 있었다.

Fig. 9 Results of safety factor

후면부에서는 Blade는 안전율이 확보된 반면 Fig. 9의 결과에서 전술한바와 같이 지지대에서 안전율이 0.5정도 나타남에 따라 추후 이 부분에 대한 설계변경이 요구되고, 이에 대한 대책이 필요할 것으로 판단된다.

Base 모델과 힌지모강 모델에 대한 구조해석을 수행한 결과 Damper 후면부 Blade사이에 설치되어 있는 지지대에서 응력이 가장 높게 나와 안전율이 확보되지 못함에 따라 지지대의 두께를 Fig. 10과 같이 10mm에서 20mm로 증가시켜 지지대에 대한 보강을 통해 구조해석을 수행하였다.

Fig. 10 Comparison of support panel intension

Fig. 11은 지지대를 보강한 모델에 대한 응력분포를 나타내고 있다. Damper 후면부에서 응력이 가장 높게 나타났고, 앞서 기술한 모델과 동일하게 Blade 사이에 설치되어 있는 지지대에서 응력이 가장 높게 나타남을 확인할 수 있었다. 그러나 최대 응력 값이 201MPa로 허용응력 215MPa에 미치지 못함에 따라 지지대의 보강으로 인해 약 183MPa의 응력을 감소시킬 수 있었다.

Fig. 11 Results of equivalent stress at hinge and support panel intension model

Fig. 12는 지지대 보강모델에 대한 안전율을 나타나내고 있다. 지지대 부분에서 안전율이 이전 모델에 비해 많이 확보된 것을 확인할 수 있었다. 최소 1이상의 안전율을 확보하였지만 전반적으로 아주 만족할 만한 구조를 가지고 있는 것은 아니었다. 따라서 추후 지지대에 대한 보강이 충분히 이루어져야 Blade에서 받는 압력을 충분히 견딜 수 있을 것으로 사료된다.

Fig. 12 Results of safety factor at hinge and support panel intension model

4. 결론

Damper에 대한 설계 초반 모델을 기준으로 힌지보강과 지지대 보강한 3가지 모델에 대한 등가응력을 비교하면 Base모델에서는 힌지부분 특히 중앙에 설치된 힌지에서 가장 높은 응력이 발생하였고, 힌지를 보강한 후에는 후면부 지지대에서 가장 높은 응력이 발생하였다. 힌지와 지지대를 보강한 모델의 경우 허용응력 범위 내에 들어와 추후 강성에 대한 보강이 필요할 것으로 판단된다.

안전율 분포의 경우 최소 안전율은 1 이상을 충분히 확보하였으며, Damper 프레임 가장자리 부분과 Blade 가장자리 부분에서 높게 나타났다. 힌지를 보강하면서 Blade의 안전율 분포가 증가하였고, 지지대 보강을 통해 안전율이 확보됨을 확인할 수 있었다.

후기

이 논문은 2019년도 부산가톨릭대학교 교내연구비에 의하여 연구되었음.