에너지 관련 플랜트에 사용되는 배관은 플랜트의 성능이나 안전성유지에 있어서 중요한 설비의 일부이다. 본 연구에서는 고압탄소강 배관의 변형 및 파괴에 대한 음향방출 기초 자료를 얻기 위하여 압력용기용 배관재를 기계가공하여 인장시험편을 만든 후, 인장시험을 실시하여 항복, 소성변형 및 파괴에 이르기까지의 음향방출 신호를 분석하였다. 탄성영역, 최대인장강도 이전의 소성영역 및 최대인장강도 이후의 소성영역에서 검출된 음향방출의 시간-주파수 분석 결과는 탄성영역에서 항복영역까지는 비교적 낮은 저주파수 대역(250${\~}$350kHz)이 나타났으며, 소성영역에서는 저주파수뿐만 아니라 고주파수 대역(500kHz)도 나타났다. 인장시험 후, 이러한 각 영역의 구별이 가능하였던 원인은 항복영역에서의 전위의 이동, 집적에 따른 신호와 최대인장강도 이전의 소성영역에서의 전위들이 개재물이나 결정입계를 통과했을 때 나타나는 신호, 최대인장강도 이후에는 미소공동의 발생, 성장 및 합체에 의하여 나타나는 신호로 분류가 가능하였기 때문인 것으로 판단된다.
에너지 관련 플랜트에 사용되는 배관은 플랜트의 성능이나 안전성유지에 있어서 중요한 설비의 일부이다. 본 연구에서는 고압탄소강 배관의 변형 및 파괴에 대한 음향방출 기초 자료를 얻기 위하여 압력용기용 배관재를 기계가공하여 인장시험편을 만든 후, 인장시험을 실시하여 항복, 소성변형 및 파괴에 이르기까지의 음향방출 신호를 분석하였다. 탄성영역, 최대인장강도 이전의 소성영역 및 최대인장강도 이후의 소성영역에서 검출된 음향방출의 시간-주파수 분석 결과는 탄성영역에서 항복영역까지는 비교적 낮은 저주파수 대역(250${\~}$350kHz)이 나타났으며, 소성영역에서는 저주파수뿐만 아니라 고주파수 대역(500kHz)도 나타났다. 인장시험 후, 이러한 각 영역의 구별이 가능하였던 원인은 항복영역에서의 전위의 이동, 집적에 따른 신호와 최대인장강도 이전의 소성영역에서의 전위들이 개재물이나 결정입계를 통과했을 때 나타나는 신호, 최대인장강도 이후에는 미소공동의 발생, 성장 및 합체에 의하여 나타나는 신호로 분류가 가능하였기 때문인 것으로 판단된다.
This study is to look at the effect for deformation of carbon steel for high-presure pipe, on the AE signals produced by tensile test. Acoustic emission(AE) has been widely used in various fields because of its extreme sensitivity, dynamic detection ability and location of growing defects. We invest...
This study is to look at the effect for deformation of carbon steel for high-presure pipe, on the AE signals produced by tensile test. Acoustic emission(AE) has been widely used in various fields because of its extreme sensitivity, dynamic detection ability and location of growing defects. We investigated a relationship failure mode and AE signals by tensile test, From the tensile test, we could divide into four ranges of the failure modes of elastic range, yield range, plastic range before $\sigma$u, plastic range after $\sigma$u. And failure behaviors of elastic range, yield range, plastic range before $\sigma$u, plastic range after $\sigma$u could be evaluated in tensile test by AE counts, accumulation counts and time frequency analysis. It is expected to be basic data that can protect a risk according to tensile test and bending of pipe material for pressure vessel, as a real time test of AE.
This study is to look at the effect for deformation of carbon steel for high-presure pipe, on the AE signals produced by tensile test. Acoustic emission(AE) has been widely used in various fields because of its extreme sensitivity, dynamic detection ability and location of growing defects. We investigated a relationship failure mode and AE signals by tensile test, From the tensile test, we could divide into four ranges of the failure modes of elastic range, yield range, plastic range before $\sigma$u, plastic range after $\sigma$u. And failure behaviors of elastic range, yield range, plastic range before $\sigma$u, plastic range after $\sigma$u could be evaluated in tensile test by AE counts, accumulation counts and time frequency analysis. It is expected to be basic data that can protect a risk according to tensile test and bending of pipe material for pressure vessel, as a real time test of AE.
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문제 정의
따라서 본 연구에서는 고압탄소강 배관의 변형 및 파괴에 대한 음향방출 기초 자료를 얻기 위하여 압력용기용 배관재를 기계가공하여 인장시험편을 만든 후, 인장시험을 실시하여 항복, 소성변형 및 파괴에 이르기까지의 음향방출 신호를 분석하였다.
본 연구에서는 고압탄소강배관의 변형 및 파괴에 대한 음향방출의 기초적인 데이터 베이스를 작성하기 위하여, 배관재에서 작성한 인장시험에서 얻어진 음향방출을 분석하여 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
제안 방법
3. 실험 결과 및 고찰
고압탄소강배관에서 Fig. 1과 같은 인장시험편을 만든 후 인장시험시 나타나는 음향방출 신호를 분석하였다. 압력용기용 탄소강 배관재의 인장시험에서 시간에 따른 하중, 음향방출 count 및 누적 count를 Fig.
2%나이탈용액으로 에칭하여 광학현미경 관찰을 하였다. 그리고 인장시험을 실시한 후의 파단면을 주사전자현미경(SEM)을 이용하여 관찰하였다.
시험 중 발생하는 음향방출 신호의 검출을 위한 음향방출센서로 1 MHz의 광대역 센서를 사용하였고, 음향방출 장비는 PAC사의 Mistras 2001을 사용하였다. 시험편에서 검줄한 미세한 음향방줄신호를 증폭 시기 위해서 100~1200 kHz 아날로그필터가 내장된 Pre-amp에서 40 dB 증폭시킨 후 Mistras 2001 Board 내부에 포함된 A/D변환기로 디지털 변환시킨 다음 최종적으로 시간-주파수 분석 프로그램을 사용하여 분석하였다. 이때 전기적 및 기계적 잡음 제거를 위해 Threshold를 40 db로 설정한 후 음향 방출 신호를 검출하였다⑹.
2에 나타낸다. 음향방출실험은 인장시험을 실시하면서 실시간적으로 음향방출 신호를 수신하였다. 시험 중 발생하는 음향방출 신호의 검출을 위한 음향방출센서로 1 MHz의 광대역 센서를 사용하였고, 음향방출 장비는 PAC사의 Mistras 2001을 사용하였다.
조직관찰용 시험편은 SiC 연마지를 이용하여 연마하였고, 0.3㎛ AI2O3로 최종적으로 경면연마한 후에 0.2%나이탈용액으로 에칭하여 광학현미경 관찰을 하였다. 그리고 인장시험을 실시한 후의 파단면을 주사전자현미경(SEM)을 이용하여 관찰하였다.
대상 데이터
본 연구에 사용된 재료는 직경 48.6 mm인 Schedule 80 SPPH38 고압탄소강배관(Carbon Steel Pipes for High Pressure Service; KS K-3564)이다. 기계적 성질 및 화학 조성은 각각 Table 1과 2에 나타낸다.
인장시험은 Fig. 1 과 같은 인장시험편으로 Instron사의 모델 4204 인장시험기를 사용하였고, Cross Head speed는 1 mm/min, 대기 중의 실온에서 실시하였다.
이론/모형
음향방출실험은 인장시험을 실시하면서 실시간적으로 음향방출 신호를 수신하였다. 시험 중 발생하는 음향방출 신호의 검출을 위한 음향방출센서로 1 MHz의 광대역 센서를 사용하였고, 음향방출 장비는 PAC사의 Mistras 2001을 사용하였다. 시험편에서 검줄한 미세한 음향방줄신호를 증폭 시기 위해서 100~1200 kHz 아날로그필터가 내장된 Pre-amp에서 40 dB 증폭시킨 후 Mistras 2001 Board 내부에 포함된 A/D변환기로 디지털 변환시킨 다음 최종적으로 시간-주파수 분석 프로그램을 사용하여 분석하였다.
성능/효과
1) 인장시험시 발생하는 탄성영역, 최대인장강도 이전의 소성영역 및 최대인장강도 이후의 소성영역을 음향방출 amplitude 및 각 영역의 중심 주파수 대역에 의하여 구분이 가능하였다.
2) 각 영역에서의 시간-주파수 분석 결과로 탄성 영역에서 항복영역까지는 비교적 낮은 저주파수 대역(250~350kHz)이 나타났으며, 소성영역에서는 저주파수뿐만 아니라 고주파수 대역 (500kHz)도 나타났다.
3) 인장시험 후, 이러한 각 영역의 구별이 가능하였던 원인은 항복영역에서의 전위의 이동, 집적에 따른 신호와 최대인장강도 이전의 소성영역에서의 전위들이 개재물이나 결정입계를 통과했을 때 나타나는 신호, 최대인장강도 이후에는 미소공동의 발생, 성장 및 합체에 의하여 나타나는 신호로 분류가 가능하였기 때문인 것으로 판단된다.
인장시험 초기의 탄성영역에서는 음향방출 count가 거의 검출되지 않았으며, 상항복점에서 하항복점까지의 항복영역에서 많은 음향방출 count가 검출되었다. 그리고 항복영역 이우소성변형영역에서도 많은 음향방출 count가 검출되었으나, 동일 시간에서 그 수가 항복영역보다는 적었다.
일반적인 탄소강의 조직을 나타내고 있다. 즉, 검은 부분은 퍼얼라이트, 흰 부분은 페라이트이며, 페라이트가 주를 이루고 있음을 관찰할 수 있었고, 약 20~30㎛의 결정립 크기를 나타내었다.
후속연구
4) 상기와 같은 결론을 통하여 실제 사용 중인 배관의 감육 정도에 따른 파괴기구 및 파괴강도를 해명함으로서 배관의 안전성을 확보할 수 있으리라 판단된다. 또한 음향방출실험을 통하여 배관의 파괴기구에 따른 음향방출거동 및 주파수 특성을 확보함으로서 이후에 일어날 수 있는 실제 사용 중인 배관의 사고에 대하여 비파괴적 안전성 평가를 위한 기초적인 데이터를 확보할 수 있었다.
확보할 수 있으리라 판단된다. 또한 음향방출실험을 통하여 배관의 파괴기구에 따른 음향방출거동 및 주파수 특성을 확보함으로서 이후에 일어날 수 있는 실제 사용 중인 배관의 사고에 대하여 비파괴적 안전성 평가를 위한 기초적인 데이터를 확보할 수 있었다.
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