인터뷰: 원자력 발전설비의 성능과 수명을 좌우하는 용접기술
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원자력 발전설비의 성능과 수명을 좌우하는 용접기술 두산중공업 기술연구원 신공정기술개발팀 수석 연구원 정인철 Doosan Heavy Industries & Construction Corporate R&D Institute Advanced Process development team Jung In-Chul |
1. 원자력 산업에 있어 용접의 역할 및 적용 분야는?
원자력 산업에서 가장 중요시되는 것은 안전과 신뢰성이다. 이것은 기기 제작 및 설치 시공에 이르는 전체 공정에서 요구되는 기본적인 품질 요건에 해당된다. 용접기술은 이러한 원전 기기의 품질과 직결되며, 특히 제작 과정에서 대략 50~60% 정도에 해당하는 용접공정은 철저한 검사를 통해 고도의 품질 요구 사양을 만족시키고 있다. 원자력 발전설비는 원자로를 중심으로 하여 증기를 발생시키는 1차 측과 발생된 증기를 이용하여 전기를 생산하는 2차 측으로 크게 구분한다. 1차 측의 주기기 설비는 방사능에 따른 안전성이 중요시되는 만큼 부식과 균열 등의 결함이 발생하지 않도록 압력용기 내부에 스테인리스 강 또는 인코넬 재질로 클래딩 용접한다. 2차 측의 터빈 발전기 설비는 합금강을 포함한 다양한 재질에 대한 용접 및 표면처리 공정이 요구된다. 각 용접공정은 품질의 재연성을 갖기 위해 특화된 자동화 용접시스템이 사용되고 있으며, 주로 적용되는 용접 프로세스는 GTAW 및 SAW 등 아크 용접이며, 전자빔 용접과 같은 특수 용접이 적용되기도 한다. 2. 원자력 산업에 있어 용접 산업의 시장 규모 및 전망은? 원자력 산업에 있어 용접 관련 산업의 시장 규모는 조선 산업 등 타 산업 분야에 비해 비교적 적은 수준이다. 용접장비에 있어서는 고품질이 요구되는 용접 공정에 사용되는 장비의 상당 부분을 해외로부터 수입하여 사용되고 있다. 특히 자동화 형태의 용접장비를 제작할 수 있는 국내업체는 매우 드물기 때문에, 원전기기 제작에 적용되는 이러한 특화된 용접장비는 고가의 설비로서 해외 전문업체로부터 도입하거나 국내에서 자체 개발하여 사용하고 있다. 원자력 산업에 사용되는 용접 장비는 많은 수량이 요구되지는 않으나 필수적으로 사용되어야 하는 용접장비가 많으므로 국내에 전문업체 육성이 필요하다. 예를 들어, 압력용기 및 대형 배관에 사용될 수 있는 후판 용접용 오피탈 용접장비는 자동화 용접의 급증으로 향후 많은 수요가 예상된다. 또한 용접 재료의 측면에서 보면 원전기기 제작에 사용되는 상당량의 용접 재료가 수입되고 있는 실정으로, 특히 인코넬 및 일부 스테인리스 강의 용접 재료는 대부분 해외로부터 구매하고 있다. 수요량은 많지 않으나 가격이 고가인 점과 품질 요건의 중요성으로 고려하면 국산화의 필요성이 있다. 세계적으로 향후 20년 동안 430기의 원전을 신규 발주할 예정이고, 우리나라가 이 중 20% 수주를 목표하고 있는 현 시점에서 원자력 산업과 관련된 용접 산업은 향후 상당히 큰 규모로 확대될 것으로 예상된다. 3. 원자력 산업에 있어 국내 용접의 기술 수준은? 원자력 분야에서 요구하는 용접기술은 조선 산업 및 일반 중공업 분야 등 타 산업 분야와는 약간의 차이가 있다. 그 이유는 무엇보다 방사능에 대한 안전성 강화로 용접부에 대해 높은 신뢰성이 요구되고 있기 때문이다. 특히 200㎜ 이상의 후판 용접이 많은 주기기의 경우에는 품질 안정성이 있는 자동 아크 용접을 기본으로 채택하고 있으며, 제품의 정밀도를 높이기 위해서는 고정밀 용접이 적용되기도 한다. 원자력 산업은 용접 장비 및 운용 인력이나 작업 조건 등 주위 환경이 달라지더라도 항상 일정한 수준의 품질 수준을 유지해야 하므로, 용접 품질의 재연성이 그 어느 산업 분야보다 중요시되고 있으며, 오랜 기간에 거쳐 많은 시험과 검증을 통해 신뢰할 수 있는 안정적인 용접 방법만을 적용하고 있다. 실제로 우수한 기술을 새로 개발했다고 해도 그것이 충분히 신뢰할 수 있을 정도로 실증 시험과 공인된 검증을 받지 못했다면 제품에 적용이 전혀 불가하다. 국내의 원전기기 제작에 있어서 용접 품질은 타 경쟁사에 비해 상당한 수준을 갖고 있다. 그러나 생산공정의 효율성과 용접기술 고도화 측면에서 해외 경쟁업체를 능가하기 위해서는 더욱 많은 노력이 필요하다. 특히 원전기기의 수명 연장을 목표로 하고 있는 현 시점에서 제품 품질을 높이기 위한 지속적인 용접기술 개발은 원자력 산업의 성장 확대를 위해서는 필수적이라 할 수 있다. 4. 원자력 산업에 있어 향후 용접 기술의 개발 방향? 원자력 산업은 특수 산업 분야이기 때문에 앞서 언급했듯이 안전성이 가장 중요시되고 있으며, 이와 더불어 경제성도 같이 요구되고 있다. 따라서 건설 후 기본적으로 수십 년 이상의 장주기 운전이 가능해야 하는데, 앞으로는 60년 이상의 원전기기 수명이 요구되고 있다. 원전기기의 수명 연장과 관련하여 우선 고려해야 하는 점이 바로 용접기술이다. 용접부의 품질은 기기 전체의 성능 및 수명과 직결되어 있다. 실제로 기기 운전 중에 발생되는 다수의 품질적인 문제 요소가 용접부에 있음이 지적되고 있다. 따라서 향후에는 용접 효율을 향상시키고 품질을 더욱 높이는 방향으로 용접 기술이 개발되어 나갈 것으로 예상된다. 이것을 위해서는 우선적으로 용접 공정의 자동화 및 GTAW 등 고품질 용접의 확대 적용이 필요하다. 특화된 자동화 장비 중 일부는 당사에서 연구 개발을 통해 제작하여 적용하고 있으며, 앞으로 국내의 전문업체와 연계하여 이러한 기술 개발을 확대할 예정이다. 해외로부터 수입되고 있는 인코넬 등 고가의 용접재료에 대해서도 향후 시장 확대를 전제하면 국산화 개발이 필요할 것으로 생각된다. 이와 더불어 용접 품질에 대한 해석과 평가를 통해 용접부의 신뢰성을 파악하기 위한 기술 개발도 요구된다. 이 부분은 기기의 수명 연장을 하기 위한 검증에 해당하는 기술로서 오랜 기간과 전문 인력이 필요하다. 해외의 원자력 전문기관 및 관련 업체에서는 이 부분에 대해 많은 관심을 기울이고 있으며 국내에서도 학계 및 관련 연구기관과 연계하여 이러한 부분에 대해 연구 개발을 모색하고 있다. 5. 원자력 산업에 있어 용접 관련 국제 표준화 동향은? 국내 원자력발전소의 대부분은 미국의 가압경수형으로, 기본적으로 ASME 규격이 적용되었고, 그 중 일부로서 캐나다의 가압중수형과 프랑스 가압경수형은 각 해당 국가의 규격이 적용되었다. 따라서 원자력 산업과 관련된 용접의 국제 규격은 각 나라마다 노형에 따라 기본적으로 적용되는 규격이 다르다고 할 수 있겠다. 원자력 산업에 있어서 국제 표준화는 각국의 이해 관계와 상관된다. 최근 프랑스에서의 원자력발전소에 대한 적용 규격의 표준화 제안은 엄격히 말하면 자국의 원전 경쟁력을 높이기 위한 하나의 수단으로 볼 수 있다. 현재 국내의 원자력 발전설비의 용접 관련규격은 ASME를 근간으로 하는 KEPIC이 적용되고 있다. 그러나 실제로 원자력 설비의 안전성 제고를 위해 관련 기관의 판단에 따라 부가적으로 높은 수준의 용접 품질에 대한 검증도 함께 이루어지고 있다. 6. 원자력 산업과 관련한 국내 용접 산업의 당면 과제는? 국내 원자력 발전설비의 건설은 수십 년간 지속적으로 수행됨에 따라, 용접기술 측면에서 기기 제작과 시공에 대한 경험은 많이 축적되어 있다. 즉, 표준화된 용접절차서나 용접사 검정, 용접시공 관리 등은 상당히 체계적으로 이루어져 있다고 볼 수 있다. 그러나 해외 원전 수주에 있어서 경쟁 우위를 갖기 위해서는 아래와 같이 국내 용접 산업의 전반적인 기술적 향상이 필수적이다. 첫째로 원전기기의 제작 및 시공에 필요한 경험 있는 엔지니어와 숙련된 기능 인력 및 용접 오퍼레이터가 부족하다는 사실이다. 용접기술은 다양한 분야의 복합 기술이 요구되므로 대부분 현업을 통해 시행착오를 거쳐 기술을 배우고 있다. 또한 전문화된 용접시스템을 운영하는 오퍼레이터는 몇 년간의 숙련 기간을 거쳐야 무결함의 용접부를 얻을 수 있을 정도로 많은 시간이 요구된다. 이러한 부분은 학계와 산업계에서 보다 관심을 갖고 해결해야 할 사안으로 판단된다. 둘째는 특화된 용접시스템을 제작할 수 있는 제작업체와 전문인력의 부재이다. 점차적으로 원전의 효율 향상과 장수명화가 요구됨에 따라 고품질의 용접 시공이 요구되고 있다. 이에 대응하기 위해서는 자동화 개념의 용접시스템이 필수적으로 요구된다. 이러한 용접시스템은 해외로부터 주로 도입되고 있으나 가격이 매우 고가인 점, 유지 보수의 어려움 등의 문제점을 갖고 있다. 최근 핵심 용접공정에 대해서는 자체 개발을 통해 자동화 용접시스템을 개발하고 있으나, 아직은 해외 경쟁사에 비해 미흡한 실정이다. 실제로 이러한 용접시스템은 경우에 따라 1~2대만 필요할 정도로 국내 수요량이 많지 않으므로 제작업체로서는 이득이 적어 개발에 소극적인 면이 있으며 이에 대해서는 다각도로 해결 방안을 모색할 필요가 있다. 셋째로는 용접재료의 국산화에 관한 부분이다. 특히 해외로부터 수입되는 클래딩용 스테인리스 강이나 인코넬 재료는 상당히 고가일 뿐 아니라 용접부에 대한 품질도 용접재료의 성능에 좌우된다. 국내 업체에서는 수입되고 있는 용접재료에 대해 부분적으로 국산화를 검토하고 있으나 수요량이 적음에 따라 적극적인 개발은 이루어지지 않고 있다. 그러나 해외 원전 수주가 확대되고 차세대 원전 개발이 본격화되면 이러한 고가의 용접재료에 대한 수요가 급증할 것으로 예상된다. 넷째는 장수명화 용접기술의 연구 개발의 시급성이다. 주지한 바와 같이 원자력 발전설비의 수명 연장은 전 세계적인 대세이다. 이를 위해서는 고품질의 용접기술과 용접부 평가기술이 필요하며, 해외의 경쟁업체는 이 부분에 대한 연구개발을 지속적으로 수행하고 있다. 원자력 산업의 특성상 이러한 기술 개발은 국내 관련기관이 공동으로 추진되어야 하며 많은 실증 시험을 통해 충분한 검증이 요구된다. 특히 해외 원전사업을 확대하기 위해서는 이러한 용접 품질의 고도화는 필수적이라 할 수 있다. 7. 국내 용접 관련 산업의 발전을 위한 정부 정책 및 육성 방안은? 용접기술은 원자력 발전설비의 성능과 수명을 좌우하는 원천적인 바탕에 해당한다. 대외 경쟁력 있는 원자력 산업을 육성하기 위해서는 설계, 제작 및 시공에 이르는 전반적인 기술적 역량을 갖추어야 함은 분명한 사실이다. 여기서 제작 부분을 살펴보면 전체 공정의 절반 이상이 용접으로 이루어지고 있음에 따라 용접기술이 경쟁력 제고에 절대적인 영향을 미친다. 이러한 용접 품질은 용접 시스템의 성능, 숙련된 인력, 용접재료의 품질 등에 의존하고 있기 때문에 보다 적극적인 정책적인 지원이 필요한 것으로 보인다. 원자력 발전설비는 산업특성 면에서 보수성을 갖고 있으며, 따라서 용접기술도 기존의 검증된 기술을 위주로 하여 적용되어 왔다. 그러나 기기의 사용 과정에서 나타나고 있는 용접부 부식 결함 등을 방지하기 위해서는 고성능 재료와 더 높은 수준의 용접기술이 요구되고 있다. 이러한 용접기술은 기능에 의존하는 기존의 용접방식으로는 적용이 불가능하며, 특화된 용접시스템의 개발이 필요하다. 또한, 용접부에 대한 정량적인 평가를 통해 원전기기의 수명 예측이 필요하며, 이것은 적극적인 정책 지원과 국내 관련 기관의 공동 연구개발을 통해서 이루어질 수 있다. ■ 문의처: 두산중공업 기술연구원 ☎ 055-278-6520 |
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