미하마 발전소 3호기 배관 파손(2004년): 오리피스 하류의 감육

2004년 8월 9일, 간사이전력 미하마 발전소 3호기에서 터빈 건물의 2차계 복수 배관이 파열되었고, 뿜어져 나온 고온의 증기와 물을 뒤집어써 근처에서 작업하던 5명이 사망하고 6명이 부상했습니다. 파열된 곳은 유량계 오리피스의 하류로, 탄소강 배관의 두께가 침식 부식에 의해 원래의 10 mm에서 가장 얇은 곳은 0.4 mm까지 줄어 있었습니다. 이곳은 두께를 측정하는 점검 목록에서 처음부터 누락되어 있었습니다.

무슨 일이 있었나

일시

2004년 8월 9일 15시 28분경

장소

간사이전력 미하마 발전소 3호기 터빈 건물(일본)

배관

2차계 복수 배관(제4 저압 급수 가열기에서 탈기기로 향하는 A 계통)의 유량계 오리피스 하류. 탄소강(SB42), 외경 558.8 mm, 공칭 두께 10 mm

운전 상태

약 140℃, 0.93 MPa, 유량 1,700 m³/h(설계 조건은 195℃, 1.27 MPa)

두께

파손부의 최소 0.4 mm(기술 기준상의 필요 두께는 4.7 mm)

피해

5명 사망, 6명 부상

조사

일본 원자력안전·보안원 “간사이전력 주식회사 미하마 발전소 3호기 2차계 배관 파손 사고에 대하여(최종 보고서)” 2005년 3월 30일

사고 경과와 조사 결론

사고는 제21회 정기 검사 준비 기간 중에 일어났으며, 건물 안에서는 모두 105명이 작업 등을 하고 있었습니다. 파열된 배관 부근에서 작업하던 사람들이 뿜어져 나온 증기와 고온의 물을 뒤집어썼습니다. 원자로는 2차계의 누설을 받아 자동 정지했습니다.

파손부에서는 축 방향으로 약 515 mm, 원주 방향으로 약 930 mm에 걸쳐 파열되어 벌어진 부분이 발견되었습니다. 균열은 먼저 축 방향으로 진전하고 그 뒤 원주 방향으로 진전한 것으로 여겨집니다. 미국 원자력규제위원회(NRC)의 정보 통지에 따르면, 같은 부위의 B 계통 배관의 두께는 1.8 mm였습니다.

재료 측면에서 본 원인의 연쇄

최종 보고서는 배관의 두께가 이른바 침식 부식(에로전·코로전)에 의해 운전과 함께 서서히 줄어 강도가 부족해져 파열되었다고 결론지었습니다. 오리피스에서 흐름이 좁아져, 그 하류의 배관 벽은 흐트러진 흐름에 노출되어 있었습니다. 원자력 분야에서는 이 현상을 유동 가속 부식(FAC)이라고도 부릅니다. NRC는 파손부 내면에 물고기 비늘 같은 무늬가 있었고 배관 바닥은 원래 두께를 유지하고 있었다는 점을 유동 가속 부식의 특징이라고 했습니다.

유동 가속 부식은 탄소강 표면의 산화철이 흐르는 물에 녹아 나와 흐트러진 흐름에 의해 운반되면서 진행되는 부식입니다. 영국의 부식 학회(Institute of Corrosion)에 게재된 강연 자료에 따르면, 감육 속도는 온도에 대해 산 모양으로 변하고(단상의 물 흐름에서는 약 140~160℃에서 최대), pH가 낮을수록 빠르며, 강의 Cr 함량이 늘면 느려집니다.

파손부는 1990년에 미쓰비시 중공업이 PWR 관리 지침에 따른 점검 대상 목록을 만들 때부터 이미 기재에서 누락되어 있었습니다. 그 때문에 사용 한계를 넘어 감육이 진행되고 있다는 것을 알아차리지 못했습니다. 등록 누락은 미하마 3호기에서 3곳, 간사이전력의 11기에서 42곳 있었습니다. 원자력 백서는 근본 원인을 간사이전력·미쓰비시 중공업·니혼 암(Nihon Arm)의 3자가 관여하는 2차계 주요 배관의 감육 관리 실수로, 관리가 필요한 곳이 당초 관리 목록에서 빠져 사고 때까지 바로잡히지 않은 것이라고 했습니다.

어떤 단서로 원인을 알았나

• 파손부의 두께가 국부적으로 0.4 mm까지 줄어 있었다 파단부의 변형: 깨지기 전에 살이 줄어 있었다(감육·마모)
• 내면에 물고기 비늘 같은 무늬가 있었다(NRC) 파면·균열의 모습: 내면이 비늘 모양·귤껍질 모양으로 패여 얇아져…
• 오리피스의 하류에서 흐름이 흐트러져 있었다 주위 환경: 빠른 흐름·액적·입자를 포함한 흐름
• 배관은 탄소강이었다 재료: 일반 탄소강·저합금강
• 약 140℃의 물이 흐르고 있었다 사용 온도: 중간(약 60~300℃. 열수·증기 배관 등)
• 1976년부터 운전하고 있었다 파손까지의 기간: 수 년 이상

이 사례의 단서로 진단 가이드 열기

이 단서로 진단 가이드를 열면 유동에 의한 감육이 최상위가 됩니다.

관련 파손 형태: 유동에 의한 감육(침식 부식)

이후 바뀐 설계·규정·검사

• 가압수형 발전소의 배관 감육을 관리하는 지침(PWR 관리 지침)이 재검토되어 관리 방법이 명확해졌습니다.
• 일본 정부는 일본기계학회(JSME)에 배관 두께 관리 규격의 제정을 요구하고, 규격을 안전 규제의 판단 기준으로 조기에 활용하기로 했습니다. 일본기계학회는 “배관 감육 관리에 관한 규격(JSME S CA1-2005)”을, 2006년에는 가압수형·비등수형 발전소의 배관 감육 관리에 관한 기술 규격(JSME S NG1-2006, JSME S NH1-2006)을 발행했습니다.
• 전기사업법 시행규칙이 개정되어 정기 사업자 검사의 대상과 방법이 명확해졌습니다.
• 사업자는 경영 방침의 침투, 조직 재검토 등의 재발 방지책을 취했고, 제조사는 등록 누락 대책과 품질 보증 체계를 개선했습니다.

배울 점

• 감육은 국부적이어서 예측하기 어려운 손상입니다. 오리피스나 T 이음의 하류 등 흐름이 흐트러지는 곳을 우선하여 측정합니다.
• 점검 대상을 빠짐없이 등록하고, 목록의 누락을 찾아 바로잡는 체계가 필요합니다. 최초의 누락이 사고 때까지 십수 년에 걸쳐 바로잡히지 않았습니다.
• 유동 가속 부식은 강에 약간의 Cr이 포함되기만 해도 느려집니다. 배관을 교체할 때는 재료를 다시 선택할 기회가 됩니다.
• 같은 손상은 화력 발전소나 석유 화학 플랜트에서도 일어나므로, 업계를 넘나드는 대책이 요구됩니다.