원전 케이블 열화상태 진단 무선 로봇의 개발과 구성
Nuclear power cable deterioration
diagnosis Wireless Robot
앞선 지면에서 원전 케이블 열화상태 진단 무선 로봇의 개략적인 특징과 용도 등 로봇에 대한 소개한 바 있다.
이에 본 지면에서는 본 로봇의 개발과정과 구성을 보다 구체적으로 살펴봤다.
1. 케이블 무선 압입시험 로봇의 개발 배경
가. 원전 케이블의 상태감시 방법
원전 케이블 내환경 검증 시험 규격인 IEEE Std 383과 NRC Regulatory Guide 1.211 등 여러 규격 및 보고서에서 원전 케이블의 상태감시를 주기적으로 수행해야 한다고 명시되어 있다. 특히 NRC Draft Regulatory Guide DG-1240에는 원전 케이블의 상태감시 방법에 대해 자세히 기술되어 있다. 이 지침에서는 상태감시 방법에서 케이블의 열화정도를 판단하는 지표는 측정 가능하여야 하고, 열화가 진행됨에 따라 일정한 경향을 가져야 하며, 또한 비파괴적이면서도 측정환경에 영향을 받지 않는 재현성이 높아야 한다고 권고하고 있다. 케이블 자켓의 경화도를 측정하는 압입시험법은 케이블이 열화되면 될수록 경화되는 특성을 이용하여 케이블의 상태감시를 하는 방법으로 비파괴적이고 측정시간이 짧으며 측정 장비의 크기도 작아 널리 사용되고 있다.
나. 기존 압입시험 장비의 문제점
압입시험 장비는 그림 1(a)와 같이 1991년 미국 EPRI에서 처음 개발되었다. 국내에서는 2001년 한전 전력연구원에서 그림 1(b)와 같이 PDA가 장착된 권총모양의 압입시험 장비를 개발하였다. 기존의 압입시험는 재현성이 낮고, 시험 데이터의 편차가 크다는 단점을 가지고 있다. 이는 크게 시험자에 의한 원인과 케이블 시편의 불규칙성에 의한 원인, 시험 중 오류 의한 원인으로 설명될 수 있다. 또한 이 압입시험 장비는 시험자가 직접 가지고 시험을 수행해야하기 때문에 가혹한 지역이라든지 사람이 장비를 들고 움직이기 힘든 지역에서는 시험이 불가능하다. 먼저 시험자에 의한 원인을 살펴보면, 기존의 장비는 시험자가 케이블 압입시험 시마다 케이블을 클램핑하기 때문에 시험 때마다 클램핑 자세 또는 각도가 달라질 수 있어 탐침이 케이블 표면을 누르는 각도가 중요한 압입 시험에서는 그 시험 결과의 정확성이 낮아질 수 있다. 따라서 시험자의 숙련도에 따라 시험결과가 달라질 수 있다.
두 번째로 케이블 시편의 불규칙에 의해 압입시험 결과의 편차가 커질 수 있다. 그림 2(a)와 같이 케이블의 표면은 확대해서 보면 평탄하지 않고 약간의 굴곡이 있다. 압입 탐침이 누르는 케이블 표면 위치에 따라 약간의 편차가 발생할 수 있다. 또한, 대부분의 케이블은 다중코어로 구성되어 있다. 본 압입시험은 자켓의 경화도를 측정하는 시험이기 때문에 그림 2(b)와 같이 코어가 바로 밑에 있는 부분과 없는 부분의 압입시험 결과가 다르게 나타날 수 있다.
마지막으로, 시험 중 측정오류로 인하여 시험 결과의 편차가 커질 수 있다. 정상적인 시험 데이터는 그림 3(a)와 같이 압입깊이가 길어짐에 따라 가압되는 힘의 크기가 커져야 하지만, 비정상 시험 데이터는 그림 3(b)와 같이 압입깊이가 길어짐에 따라 가압되는 힘의 크기가 작아지는 구간이 생기게 된다. 이런 비정상 시험 데이터는 정상 데이터보다 더 작은 모듈러스값을 나타나게 되고, 이는 시험결과의 정확성을 떨어뜨리게 된다. 이러한 기존 압입 시험 장비의 문제점을 해결하기 위해서는 항상 같은 힘과 같은 각도로 클램핑할 수 있도록 자동화된 클램핑 장치가 필요하다. 또한 케이블 시편의 불규칙으로 인해 큰 편차가 발생하므로, 되도록 많은 시험 데이터를 생산하여 대푯값을 선정하는 것이 정확성을 높이는 방법이 될 수 있다. 또한 가혹한 지역이라든지 사람이 움직이기 힘든 지역에서 시험이 가능하게끔 압입 시험 장비가 스스로 움직여 시험을 수행할 수 있도록 완전 자동화되고, 무선통신을 이용하여 전원선이나 통신선이 필요 없는 장비 개발이 필요하다.
2. 케이블 무선 압입시험 로봇의 개발
가. 전체 시스템의 구성
전체 시스템은 크게 케이블 열화진단 무선 로봇과 원격제어장치로 구성되어 있다. 로봇은 압입시험부, 전후이동부, 케이블 클램핑부로 구성된 기계장치부와 제어회로부, 전원부로 구성된 제어장치부로 구성되어 있으며, 로봇과 원격제어장치는 근거리 무선통신의 일종인 Bluetooth로 상호통신하게 되어 있다. 로봇은 케이블 위를 스스로 이동하여야 하기 때문에 소형화, 경량화에 초점을 두어 설계하였고, 원격제어장치는 상황에 따라 노트북과 스마트폰을 사용할 수 있도록 하였다. 로봇은 그림 4와 같이 원전에 설치된 케이블 트레이에 있는 케이블 위에 장착할 수 있으며 케이블을 따라 스스로 이동하여 열화상태를 진단할 수 있다.
나. 압입시험 방법
압입시험법은 압입 탐침으로 케이블의 표면을 눌러 경화도를 측정하는 방법이다. 그림 5와 같이 로봇은 내장된 압입 탐침으로 고정된 케이블 표면을 눌러 가해지는 힘과 압입 깊이를 측정하고 가해지는 힘을 압입깊이로 나눈 값인 모듈러스값을 계산할 수 있다.
같은 힘으로 눌렀을 경우 압입깊이가 작으면 케이블 표면이 딱딱하다는 의미이므로, 모듈러스값이 클수록 케이블 표면의 경화도가 높다고 할 수 있다. 폴리머 재질로 구성된 케이블 자켓은 시간이 지나면 지날수록 산화반응과 같은 노화현상 때문에 경화되는 경향을 보이므로, 반대로 경화도가 높게 측정된 케이블인 경우 노화가 많이 진행되었다고 판단할 수 있다.
▲ 그림 5. 압입시험 방법
다. 기계장치부 구성 
압입시험부는 로봇의 중앙에 위치해 있으며, 그림 6(a)와 같이 DC 서보모터의 구동력으로 미니 스퍼기어를 회전시키고 종동축의 스퍼기어에 스크루를 축으로 회전시켜 스크루에 연결된 너트 피스톤을 상하로 이동시킨다. 너트 피스톤은 끝단에 위치한 압입탐침에 변위를 주어 케이블 표면을 누를 수 있게 하였다. 또한 탐침이 케이블 표면에 닿기 전에 스프링이 달린 노루발형태의 지지대가 먼저 케이블 표면을 눌러주어, 압입시험 시 압입하는 지역을 고정해 케이블 또는 탐침이 흔들리지 않도록 제작하였다. 탐침의 윗부분은 Force 센서 장착을 통해 실시간으로 가해지는 힘을 측정할 수 있도록 제작하였고, DC 서보모터의 회전수를 변환하여 탐침이 이동한 거리를 계산해냈다. 전후이동부는 그림 6(b)와 같이 로봇 전면부에 있는 두 개의 Viton 재질의 오링이 장착된 바퀴를 구동하여 로봇이 케이블 위를 이동하도록 하는 부분이다. 로봇 후면에 보조바퀴를 두어 로봇이 이동할 때 좌우로 흔들리지 않도록 하였다.
또한 로봇에는 중력을 이용한 기울기 센서가 내장되어 있어 실시간으로 로봇의 기울임 정도를 측정하고 좌우 2개 구동 모터의 회전속도 조절을 통해 로봇이 기울어지지 않고 앞으로 이동할 수 있도록 설계했다. 구동바퀴 및 구동 모터는 케이블 압입 시험 로봇이 이동하는 방향과 수평으로 설치했고, 두 개의 구동 바퀴는 모두 케이블 위에 위치할 수 있도록 충분히 가깝게 설치하였다. 케이블 클램핑부는 케이블 위를 이동 시 및 압입 시험 시, 로봇이 케이블 위에 고정될 수 있도록 하는 장치로, 압입시험부와 동일 축 선상에 위치하며 그림 6(c)와 같이 압입시험하는 부분 뒷면에 V 블록 형태로 밀착되도록 하였다.
클램핑부에서 케이블에 닿는 부분은 압입 시험할 때 마찰력이 작용하고, 로봇 이동 시에는 마찰력이 생기지 않도록 볼 스크루를 장착하였다. 클램핑 부의 V 블록은 모터 2개를 사용하여 좌우에서 같은 힘으로 구동하기 때문에 상하로 이동할 수 있다.
또한 로봇을 케이블에 장착하기 용이하도록 V블록 한쪽이 열리도록 하고, 장착이 완료되면 다시 닫혀 고정되도록 설계하였다.
라. 제어장치부 구성
제어장치부는 그림 7과 같이 메인 컨트롤러, 모터구동 드라이버, Bluetooth 무선 통신부, 전원 배터리부로 나누어져 있다. 제어회로는 3장의 PCB로 나누어져 있으며, 3층으로 쌓아 공간을 줄였다. 메인 컨트롤러는 DSP를, 모터제어는 PWM제어방식을 사용하였다.
배터리는 7.4V 1900mAh 용량으로 로봇 뒤쪽에 장착함으로써 탈부착을 용이하게 하였으며, 변압회로를 사용해 사용처에 따라 변압을 통해 전원을 공급하였다. Bluetooth 모듈은 2.0 버전의 2.4GHz ISM band의 주파수 대역을 가진 모듈을 사용하였다.
마. 케이블 열화 상태 진단 알고리즘 
개발된 로봇을 이용하여 케이블의 열화상태를 진단하기 위해서 한수원 중앙연구원은 케이블 열화상태 진단 알고리즘을 개발·적용하였다. 먼저 로봇을 열화평가 대상 케이블에 장착한 후 압입시험을 통해 시험 데이터를 취득한다. 시험 중 생길 수 있는 측정 오류로 인한 시험결과의 편차를 줄이기 위해 측정이상점 자가진단 알고리즘을 적용하여 시험 데이터의 정상여부를 판단한다. 측정이상점 자가진단 알고리즘은 케이블 표면에 가해지는 힘과 압입깊이의 관계가 선형특성을 보인다는 점을 이용하였고, 알고리즘을 통해 계산된 값이 정해진 허용기준값을 넘는 데이터를 비정상데이터로 판단하였다. 만약 데이터가 비정상데이터라면 데이터를 폐기한 후 재측정을 시도하고 정상 데이터라고 판단되면 모듈러스값을 계산하여 저장한다. 이러한 과정을 20회 이상 수행하고, 통계기법을 통해 모듈러스 결과값의 대푯값을 선정한다. 최종적으로, 모듈러스 대푯값을 미리 구축된 케이블 고유의 데이터베이스와 비교하여 대상 케이블의 열화 상태를 평가한다. 케이블의 재질 및 종류에 따라 고유의 경화도 값이 다르기 때문에 열화상태 진단을 위한 데이터베이스는 케이블에 따라 다르다. 따라서 원자력발전소 현장에 설치된 케이블의 열화상태를 진단하기 위해서는 진단 대상 케이블과 같은 재질의 케이블을 가속노화한 후 케이블의 모듈러스값을 측정한 데이터베이스를 구축하여야 한다.
3. 결론
원전에 설치된 안전성관
련 케이블의 상태감시를 위해 비파괴적인 압입시험법이 각광을 받고 있으나, 기존 수동형 장비들은 압입시험 결과의 정확성이 떨어지고, 가혹한 환경이나 사람이 접근할 수 없는 지역의 케이블의 상태감시가 어렵다는 단점이 있다. 이를 보완하기 위해 무선통신을 이용한 케이블 열화상태 진단 무선 로봇을 개발하게 되었다. 이 로봇은 케이블 여러 지점을 스스로 이동하여 자동으로 압입시험을 함으로써, 단시간에 많은 데이터를 생산 후 통계기법을 통해 대푯값을 선정하는 작업을 거쳐 정확도를 높일 수 있으며, 통신선 및 전원선의 필요 없이 무선 통신과 배터리를 사용하여 사람이 미치지 못하는 곳의 케이블을 시험할 수 있다.
이 로봇을 사용해 케이블의 주기적인 열화상태를 진단하면 조기 노화된 케이블을 적기에 교체할 수 있다. 또한 케이블의 수명만료 시점에 열화상태를 진단하였을 때, 발전소 설계 당시의 예상치보다 덜 열화되었다면 케이블의 사용수명도 연장할 수도 있다. 향후 한수원 중앙연구원이 개발한 케이블 열화상태 진단 무선 로봇은 국내 및 해외원전에 설치된 케이블의 상태감시에 사용될 예정이다.
한국수력원자력(주) 중앙연구원 www.khnp.co.kr
