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1. 서론

원자력발전소에 설치된 배관은 난류, 와류, 압력맥동, 유체공동 및 유체증발 등 유체의 불안정 현상에 기인한 진동으로 인하여 반복응력이 발생하며, 이러한 반복응력은 주로 응력이 집중되는 배관 접합부 등의 손상 또는 국부적인 피로파괴를 유발할 수 있다(Seok, 2008). 일반적으로 배관의 진동을 저감하기 위하여 지지대(support) 또는 행어(hanger)를 이용한 배관지지를 사용한다. 배관지지 방식으로는 배관시스템의 강성을 크게 하여 진동을 저감하는 강체 지지대(rigid support)가 있으나, 고온의 유체가 이동하는 배관의 경우 온도의 팽창으로 인한 열응력의 발생을 억제하기 위하여 큰 유연성이 필요하므로 다른 형태의 지지대가 필요하다(Jeon et al., 2011a).

방진기(piping support device)는 온도변위를 완전히 흡수하면서 정상상태 또는 일시적 진동으로 발생하는 동적하증을 지지하는 지지대이다. 특히, 방진기는 동하중이 작용하지 않는 정상운전 시 계통에 어떠한 부가적인 힘을 작용하지 않도록 해야 한다. 이러한 방진기는 기계식(mechanical type)과 유압식(hydraulic type)으로 분류할 수 있으며, 배관, 원자로 냉각재 펌프 및 증기발생기에 설치된다.(Cho, 2015). 현재 국내 원전은 총 24개 호기가 운영 중이며, 이중 최근 상업운전을 시작한 신월성 2호기를 제외한 23개에 설치된 총 방진기 수량은 유압식 방진기 1,623개와 기계식 방진기 6,702개를 포함한 8,325개이다(Cho, 2015). 그러나 현재 사용 중인 방진기는 미국, 프랑스, 독일 등에서 개발된 해외 수입품으로 관련 기술 개발을 통한 국산화가 필요한 상황이다.

이 연구에서는 마찰진자 원리를 이용하여 최근 개발된 방진기의 진동저감성능을 제시하였다. 방진기의 진동저감성능은 수치해석 및 진동대 실험을 통하여 수행하였으며, 수치해석을 이용한 검토는 MIDAS Civil 프로그램을 이용하였다. 진동저감성능 검토는 유체의 불안정현상, 온도 등으로 인한 진동보다 지진에 대한 설계 시 과도한 여유도가 반영되는 것을 감안하여 지진파를 이용하여 수행하였다(Cheung et al., 2013). 검토에 사용된 지진파는 인공지진파, El centro 및 James RD이다.

2. 마찰진자형 방진기의 개요

진자 원리를 이용한 복원력과 미끄럼작용을 통한 감쇠기능을 갖춘 마찰진자받침(friction pendulum bearing)은 구조물의 고유주기를 증가시켜 지진력을 감소시킬 수 있어 면진받침으로 사용되어 왔다(Naeim and Kelly, 1999). 미끄럼면의 형상과 구조물의 중량을 이용하여 복원력을 발생시키는 마찰진자받침과 달리 마찰진자형 방진기(Fig. 1)는 구조물의 중량 대신 환경적 요소에 의한 영향이 작고 큰 강성을 제공할 수 있는 폴리우레탄 스프링을 적용하여 개발되었다(Lee et al., 2015; Yoo et al., 2016).

Fig. 1

Layout of a Friction Pendulum Damper.

Fig. 2는 마찰진자원리의 개념도이다. 방진기의 기본 거동방정식은 마찰진자와 거동 시 발생하는 진자의 높이 차이에 따른 스프링의 추가 압축현상을 고려하여 다음과 같이 도출될 수 있다(Lee et al., 2015).

Fig. 2

Behavior of a Friction Pendulum System.

여기서, R₁과R₂는 각각 상부 및 하부곡률, k₁과k₂는 각각 상부 및 하부강성, N은 수직하중, P는 수평하중을 나타낸다.

Fig. 3은 마찰진자형 방진기의 하중이력곡선이다(Lee et al., 2015). 마찰진자형 방진기는 세부적으로 마찰진자요소, 압축고정요소, 연결요소 및 연직하중을 제공하는 스프링요소의 4가지 요소로 구성되어 있으며, 단순한 구조로 유지보수가 간편하고 스프링요소의 압축량 조절이 가능하여 설계의 유연성이 있으며 내구성이 높은 장점이 있다.

Fig. 3

Load-Displacement Behavior of a Friction Pendulum Piping Support Device.

3. 수치해석을 이용한 진동저감특성 검토

마찰진자형 방진기의 진동저감성능은 수치해석을 이용하여 일차 검토하였다. 배관시스템 모델은 기존 연구 결과(Jeon et al., 2011b; Kim et al., 2012)를 참고하여 Fig. 4와 같이 작성하였다. 해석은 방진기 설치 전 · 후에 대하여 실시하였으며, 진동저감성능은 지진하중입력을 통하여 검토하였다(Fig. 5). 지진하중은 0.5g 크기의 인공지진파와 El Centro 및 James RD 지진파를 이용하였다. 인공지진파는 지진파 생성 프로그램인 Simqke를 사용하여 생성하였다. Fig. 4는 배관시스템의 지지, 진동측정 및 방진기 적용 위치와 구속조건이다. 방진기는 N1 및 N2 위치에 설치한 것으로 가정하였다. 배관의 재질은 일반구조용 탄소강, 직경은 115mm로 가정하였다. 참고로 지진하중은 x 및 y 방향으로 적용하였다. 수치해석 프로그램은 Midas를 사용하였고, 비선형 경계조건 중 Hysteretic system을 적용하였다. 입력 변수로는 장치의 일차강성을 표현하는 강성(K=500N/mm)값과 항복 강도(F_y=100N), 이차강성의 기울기를 일차강성의 비로 나타내는 r(0.02)값과 하중-변위 이력곡선의 형상을 결정하는 형상계수를 입력하였고, 감쇠비는 2%로 적용하였다.

Fig. 4

Analysis Model for the Piping System.

Fig. 5

Input Earthquake Signals.

Fig. 6에서 8은 N1, N2 위치에서 방진기 설치 전·후 가속도-시간이력 비교 결과이다. 그림에서 방진기 설치 후 진동이 큰 폭으로 감소하는 것을 확인할 수 있다.

Fig. 6

Time History of Acceleration Response (Artificial Earthquake).

Fig. 8

Time History of Acceleration Response (James RD).

Fig. 7

Time History of Acceleration Response (El Centro).

Fig. 9에서 11은 N1, N2에서 방진기 부착 전·후 가속도 응답스펙트럼 비교 결과이다. 해석결과, 각 지진파에 대해 방진기 부착 전 10Hz 부근에서 첨두값을 나타내던 응답이 방진기 부착 후 감소함을 확인할 수 있다.

Fig. 9

Analytical Acceleration Response Spectra (Artificial Earthquake).

Fig. 10

Analytical Acceleration Response Spectra (El Centro).

Fig. 11

Analytical Acceleration Response Spectra (James RD).

해석을 통한 방진기의 진동저감효과는 Table 1에 나타내었다. RMS값의 저감율은 61.1%~83.7%, 최대값의 저감율은 26.3%~74.5%로 산출되었다.

Table 1

Vibration Reduction Rate in Analysis.

4. 진동대실험을 이용한 진동저감특성 검토

마찰진자형 방진기의 진동저감특성을 진동대실험을 통하여 검토하였다. 배관시스템은 기존 연구(Ochiai, 2013)를 참고하여 설계하였으며, 방진기의 진동저감성능 검증 목적을 위하여 간략한 구조로 채택하였다. 배관시스템은 Fig. 12의 (a), (b)와 같이 초록색 원으로 표시된 위치는 변위를 모두 구속하였고, 빨간색 원은 수직방향(z)의 변위만을 구속하였다. 배관은 구조용 탄소강 재질로 직경 115mm이며, 총 중량은 89.6kg이다. 실험장비는 100ton의 수직하중을

Fig. 12

Experimental Setup for the Piping System.

지지할 수 있는 진동대, 용량 200kN 액추에이터(±150mm stroke, 최대속도 100mm/sec) 및 가속도계로 구성하였다. 가속도계는 Fig. 12(c)의 P1 및 P2 지점, 방진기는 P2 지점에 x방향으로 설치하였다. 참고로 실험은 해석과 같이 인공지진파, El Centro 및 James RD 지진파를 x방향으로 0.3g 및 0.5g의 크기로 가진하였다.

Fig. 13에서 15은 실험결과에 대한 진동측정 위치 P1, P2에서 방진기 부착 전·후 가속도-시간이력 비교 그래프이다. 그림에서 방진기 설치 후 진동이 상당량 감소하는 것을 확인할 수 있다.

Fig. 13

Experimental Acceleration Time History (Artificial Earthquake).

Fig. 15

Experimental Acceleration Time History (James RD).

Fig. 14

Experimental Acceleration Time History (El Centro).

Fig. 16에서 18은 P1 및 P2에서 방진기 부착 전·후 가속도 응답스펙트럼의 비교 결과이다. 실험결과, 각 지진파에 대한

Fig. 16

Experimental Acceleration Response Spectra (Artificial Earthquake).

Fig. 18

Experimental Acceleration Response Spectra (James RD).

Fig. 17

Experimental Acceleration Response Spectra (El Centro).

방진기 부착 후 진동저감효과는 20Hz 이하 대역에서 크게 나타났다.

실험을 통한 방진기의 진동저감효과는 Table 2에 나타내었다. RMS값의 저감율은 44.3 ~ 90.4%, 최대값의 저감율은 20.3 ~ 88.4%로 산출되었다.

Table 2

Vibration Reduction Rate in Test.

5. 결론

이 논문에서는 최근 개발된 마찰진자형 방진기의 진동저감특성 분석을 위하여 방진기 설치 전·후 배관에 대한 유한요소해석 및 진동대 실험을 수행하여 동특성분석을 실시하고, 진동저감효과를 분석하였다. 해석 및 실험 결과 다음과 같은 결론을 도출하였다.

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