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문제 정의
- 7-8에 보이는 바와 같이 용접부 내벽면에서 인장 잔류응력이 작용하므로 응력부식균열의 발생 가능성이 크며 피로측면에서도 취약한 부위로 알려져 있다. 그러므로 본 연구 결과 고찰에서는 용접부 내면을 관심 부위로 선정하였고 용접중심선을 기준으로 응력이완 결과를 고찰하고자 한다.
가설 설정
- 용착 금속의 용입시 온도 경계조건은 초기 온도는 상온인 25℃로 가정하였고 용입 온도는 용착 금속의 용융온도인 1470℃로 가정하였다. 또한 Table 2에 나타낸 예열 및 후열처리 조건 등을 고려한 온도 경계 조건을 사용하였다.
제안 방법
- 본 연구에서는 유한요소법을 이용하여 원전 가압기의 분무노즐부위 용접부를 모델링하고, 열/탄소성 (thermal elasto-plastic)해석을 통하여 용접 잔류응력분포를 구하였다. 그리고 이러한 잔류응력분포를 가지는 모델에 기본적으로 세 가지의 다른 기계적 하중을 적용하여 잔류응력의 재분포를 구하였다.
- 그리고 이러한 잔류응력분포를 가지는 모델에 기본적으로 세 가지의 다른 기계적 하중을 적용하여 잔류응력의 재분포를 구하였다. 적용된 기계적 하중은 첫째, 수압시험 (hydrostatic test) 압력을 변화시켜 가하였고, 둘째는 노즐연결 배관의 끝단부위에 외부 인장하중을 변화시켜 가한 후의 잔류응력 변화량을 구하였다.
- 그리고 이러한 잔류응력분포를 가지는 모델에 기본적으로 세 가지의 다른 기계적 하중을 적용하여 잔류응력의 재분포를 구하였다. 적용된 기계적 하중은 첫째, 수압시험 (hydrostatic test) 압력을 변화시켜 가하였고, 둘째는 노즐연결 배관의 끝단부위에 외부 인장하중을 변화시켜 가한 후의 잔류응력 변화량을 구하였다. 마지막으로 현재 일부 원전 용접부에 응력부식균열의 방지방법으로 적용되는 방법인 기계적 응력개선방법(mechanical stress improvement process: MSIP)7) 에 의한 잔류응력 이완량을 유한요소 해석을 이용하여 구하고 이러한 결과를 초기 잔류응력과 비교하였다.
- 적용된 기계적 하중은 첫째, 수압시험 (hydrostatic test) 압력을 변화시켜 가하였고, 둘째는 노즐연결 배관의 끝단부위에 외부 인장하중을 변화시켜 가한 후의 잔류응력 변화량을 구하였다. 마지막으로 현재 일부 원전 용접부에 응력부식균열의 방지방법으로 적용되는 방법인 기계적 응력개선방법(mechanical stress improvement process: MSIP)7) 에 의한 잔류응력 이완량을 유한요소 해석을 이용하여 구하고 이러한 결과를 초기 잔류응력과 비교하였다. 잔류응력이 재분포된 유한요소 해석 결과 각 적용된 방법의 최적 조건을 찾을 수 있었으며 MSIP 방법이 효과적으로 사용될 수 있음을 확인하였다.
- 잔류응력 이완 모델에 앞서 먼저 용접 잔류응력 해석을 수행하였다. 잔류응력 해석 및 응력이완 해석에 사용된 모델은 동일하며 4절점, 축대칭 모델을 사용하였으며, 절점수는 1530개, 요소수는 1687개로 하였다.
- Table 1에는 본 해석에 사용된 주요 재질의 화학적 조성을 나타내고 있다. 해석의 순서는 각각 온도해석과 탄소성 응력해석을 순차적으로 수행하였다. 온도해석과 응력해석에 사용된 재료물성치는 온도에 따른 물성의 변화를 고려한 비선형해석을 수행하였다.
- 해석의 순서는 각각 온도해석과 탄소성 응력해석을 순차적으로 수행하였다. 온도해석과 응력해석에 사용된 재료물성치는 온도에 따른 물성의 변화를 고려한 비선형해석을 수행하였다. Fig.
- 다음과 같다. 가압기 헤드-노즐 용접부, 노즐 버터링(buttering)부분, 버터링-안전단(safe-end) 용접부, 및 안전단-배관 용접부를 각각 다중패스(multi-pass)용접으로 고려하였다.
- 온도구배가 심한 용접패스 용입 부분은 조밀한 요소를 사용하였고, 각 패스 용입은 사용 유한요소해석 패키지인 ABAQUS의 요소 생성 및 제거 기능(model change)9)을 사용하여 모델링 하였다. 온도 해석시 경계조건은 아래 (1)식과 Fig.
- 위의 온도분포 해석 결과를 이용하여 잔류응력 해석을 수행하였다. 잔류응력 해석시의 경계조건은 Fig.
- 잔류응력 해석시의 경계조건은 Fig. 2에 나타낸 바와 같이 헤드부의 끝단을 수직인 방향으로 좌표변환을 통하여 구속하고 배관부 끝단을 y방향으로 구속하였다.
- 있다. 첫 번째 방법은 구조물의 전체에 작용하는 인장 및 압축 하중을 가하여 잔류응력을 제거하는 방법으로, 본 해석에 사용한 방법 중 배관부 끝단에 인장하중을 작용하는 경우와 노즐 및 배관 부 내면 전체에 수압시험 압력의 압축 하중을 작용하는 경우를 들 수 있겠다. 두 번째의 경우는 MSIP 방법으로 용접부 주위로 압축 하중을 가하여 일정 크기의 소성변형을 유도하고 그 영향으로 인한 잔류응력의 이완 및 재분포를 유도하는 방법을 들 수 있다.
- 11에 개략적으로 보여주고 있으며, 크게 세 가지 경우로 나눌 수 있다. 첫째는 수압 시험 시 가해지는 초기 설정 압력(21.5 MPa)을 기준으로 각각 80, 100, 150, 200%로 변화시켜 하중을 가하였다. 둘째는 그림에 나타낸 것과 같이 배관부 끝단에 인장 하중을 가하였으며 적용하중의 변화량은 스테인리스 재질인 배관 용접부 모재(SA182-F316)의 항복응력을 기준으로 각각 60, 80, 90%의 하중을 가하였다.
- 5 MPa)을 기준으로 각각 80, 100, 150, 200%로 변화시켜 하중을 가하였다. 둘째는 그림에 나타낸 것과 같이 배관부 끝단에 인장 하중을 가하였으며 적용하중의 변화량은 스테인리스 재질인 배관 용접부 모재(SA182-F316)의 항복응력을 기준으로 각각 60, 80, 90%의 하중을 가하였다. 마지막으로 MSIP의하중 적용방법은 용접부를 중심으로 배관부쪽(MSIP-Up) 및 노즐 헤드부쪽(MSIP-Down)으로 나누어 하중을 가하였으며 하중 변화량은 마찬가지로 모재의 항복응력을 기준으로 하여 각각 50, 70, 90%의 하중을 적용하였다.
- 둘째는 그림에 나타낸 것과 같이 배관부 끝단에 인장 하중을 가하였으며 적용하중의 변화량은 스테인리스 재질인 배관 용접부 모재(SA182-F316)의 항복응력을 기준으로 각각 60, 80, 90%의 하중을 가하였다. 마지막으로 MSIP의하중 적용방법은 용접부를 중심으로 배관부쪽(MSIP-Up) 및 노즐 헤드부쪽(MSIP-Down)으로 나누어 하중을 가하였으며 하중 변화량은 마찬가지로 모재의 항복응력을 기준으로 하여 각각 50, 70, 90%의 하중을 적용하였다. 또한, 과도하중으로 인한 변형문제가 발생할 수있으므로 하중의 크기를 항복응력의 10, 30, 50%로 적게 하중을 가하는 대신에 용접부를 중심으로 배관부쪽과 노즐 헤드부쪽에 동시에 하중을 가하고 추가적으로 초기설정 정수압 시험 압력을 일정하게 동시에 가하는 경우의 잔류응력 재분포 결과도 해석하였으며 각 결과 값을 비교하였다.
- 마지막으로 MSIP의하중 적용방법은 용접부를 중심으로 배관부쪽(MSIP-Up) 및 노즐 헤드부쪽(MSIP-Down)으로 나누어 하중을 가하였으며 하중 변화량은 마찬가지로 모재의 항복응력을 기준으로 하여 각각 50, 70, 90%의 하중을 적용하였다. 또한, 과도하중으로 인한 변형문제가 발생할 수있으므로 하중의 크기를 항복응력의 10, 30, 50%로 적게 하중을 가하는 대신에 용접부를 중심으로 배관부쪽과 노즐 헤드부쪽에 동시에 하중을 가하고 추가적으로 초기설정 정수압 시험 압력을 일정하게 동시에 가하는 경우의 잔류응력 재분포 결과도 해석하였으며 각 결과 값을 비교하였다.
- 전 장에서 전술한 각 응력 이완 적용방법들에 대해 유한요소 모델을 구성하고 각 하중형태에 대해 탄소성해석을 통하여 최종 잔류응력을 계산하였다. 해석시 초기 조건은 용접 후 잔류응력이 존재하는 응력장을 이용하였고 경계조건은 잔류응력 해석에 적용한 조건과 동일한 구속조건을 사용하였다.
- 유한요소법을 이용하여 수행하였다. 잔류응력 이완을 위한 기계적 하중은 정수압 압력, 배관부 끝단의 인장 하중, 그리고 용접부 주위에 하중을 가하여 용접부의 응력이완을 얻는 MSIP 방법을 각각 적용하였다. 기계적 하중 적용 결과에 따른 잔류응력 이완 및 재분포 결과는 다음과 같이 정리할 수 있었다.
- 통하여 최종 잔류응력을 계산하였다. 해석시 초기 조건은 용접 후 잔류응력이 존재하는 응력장을 이용하였고 경계조건은 잔류응력 해석에 적용한 조건과 동일한 구속조건을 사용하였다. 각 하중 작용 방법에 따른 잔류응력 재분포 결과는 다음과 같다.
대상 데이터
- 잔류응력 이완 모델에 앞서 먼저 용접 잔류응력 해석을 수행하였다. 잔류응력 해석 및 응력이완 해석에 사용된 모델은 동일하며 4절점, 축대칭 모델을 사용하였으며, 절점수는 1530개, 요소수는 1687개로 하였다. Fig.
이론/모형
- 용접에 의해 발생하는 잔류응력 해석에 사용된 모델은 한국표준형원전(KSNP)에 사용되는 가압기 분무노즐 부위로 선택하였다. 해석 대상으로 선정된 노즐 부위는 이종재 용접부라는 미세조직/구조적인 취약성을 가지며 피로와 SCC에 취약한 부위로 알려져 있다.
- 본 연구에서는 원자로 출구 노즐 용접부의 용접 잔류응력 해석과 기계적 하중에 의한 잔류응력 재분포 과정을 유한요소법을 이용하여 수행하였다. 잔류응력 이완을 위한 기계적 하중은 정수압 압력, 배관부 끝단의 인장 하중, 그리고 용접부 주위에 하중을 가하여 용접부의 응력이완을 얻는 MSIP 방법을 각각 적용하였다.
- 온도 분포해석에서는 해석시간 및 효과적인 계산을 위하여 Lumped pass 모델8)을 사용하였다. 온도구배가 심한 용접패스 용입 부분은 조밀한 요소를 사용하였고, 각 패스 용입은 사용 유한요소해석 패키지인 ABAQUS의 요소 생성 및 제거 기능(model change)9)을 사용하여 모델링 하였다.
성능/효과
- 마지막으로 현재 일부 원전 용접부에 응력부식균열의 방지방법으로 적용되는 방법인 기계적 응력개선방법(mechanical stress improvement process: MSIP)7) 에 의한 잔류응력 이완량을 유한요소 해석을 이용하여 구하고 이러한 결과를 초기 잔류응력과 비교하였다. 잔류응력이 재분포된 유한요소 해석 결과 각 적용된 방법의 최적 조건을 찾을 수 있었으며 MSIP 방법이 효과적으로 사용될 수 있음을 확인하였다.
- 용접부 주위 일정거리에서 하중을 가하여 모재에 영구변형을 유도하여 용접부의 잔류응력 재분포를 유도하는 방법인 MSIP 하중을 몇 가지 형태로 변화시켜 작용한 결과 각각 다른 응력 이완 형태를 얻을 수 있었다. 먼저 용접부를 중심으로 노즐 헤드부에 하중을 작용한 MSIP-Down의 경우 잔류응력 이완 결과는 Fig.
- 그림에 나타낸 것과 같이 항복응력에 비례한 작용 하중의 크기가 증가함에 따라 원환응력과 축응력 모두 응력의 크기는 감소하며, 축방향 응력은 항복응력의 70%를 가해주어도 내벽에서 압축잔류응력을 얻을 수 있음을 알 수 있다. 원환응력은 작용 하중의 크기 증가에 거의 선형적으로 비례하여 응력이 감소하였고 항복응력의 70%이상을 작용하면 내벽에 압축잔류응력을 유도할 수 있었다. 이러한 압축잔류응력의 발생은 작용 하중의 크기가 작용면에 영구 소성변형을 유도할 수 있음을 의미한다.
- 15에는 용접부를 중심으로 배관쪽에 하중을 작용한 경우(MSIP-Up)의 응력 이완결과를 나타내고 있다. 원환응력은 항복응력의 50% 크기의 하중 작용으로도 압축 잔류응력을 얻을 수 있었으며 MSIP-Down의 결과보다 높은 응력 이완 결과를 보였다. 그러나 축방향 응력의경우 잔류응력 재분포 결과는 MSIP-Down결과와 큰 차이가 없음을 나타내고 있다.
- 16과 같다. 원환응력과 축방향 응력 모두 하중이 증가함에 따라 인장 잔류응력의 크기는 감소하였다. 이러한 복합하중 작용 결과를 Fig.
- 1) 기계적 잔류응력 이완 방법에 의한 응력 이완량의 크기는 전반적으로 작용하중의 크기에 비례하여 증가하였다. 또한 작용하중의 크기와 상관없이 본 해석에서 적용한 각 하중적용 방법의 변화에 의해서도 영향을 받는다.
- 2) 수압 시험 압력의 경우는 규정된 초기 작용 하중은 잔류응력의 이완에 큰 영향을 미치지 않았다.
- 3) 배관부 끝단에 작용하는 인장 하중 경우 잔류응력 이완은 모재 항복응력의 80% 이상의 크기를 가하면 내벽에서 인장 원환응력이 압축응력으로 변화하였으나 기존 배관 용접부에 하중을 가하는 절차상의 어려움으로 인하여 현장 적용이 어려운 점이 있다.
- 4) 본 해석에서 적용한 응력이완 하중 방법 중 MSIP를 사용한 방법이 가장 큰 응력이완 결과를 얻을수 있었으며 그 중에서도 배관부쪽(MSIP-Up)에 하중을 작용한 경우가 가장 큰 효과를 얻었다.
- 5) MSIP-Up 하중과 수압시험 압력을 동시에 작용한 경우, 내벽에서의 축방향 응력은 하중의 조합에 따라 하중의 크기에 선형증가하지 않고 일정크기 이상에서는 크게 증가하지 않는 경향을 나타내었다.
후속연구
- 또한 작용하중이 항복응력의 80%이상이 되면 내벽에서의 인장 잔류응력은 압축으로 변화함을 알 수 있다. 이러한 효과는 초기의 잔류응력상태에 하중이 가해지면서 응력의 합이 항복을 초과하여 소성을 일으킨 결과이며 피로 측면에서 우호적인 결과를 얻을 수 있을 것으로 생각된다. 그러나 이러한 방법은 용접공정이 완료되어 배관의 배치가 모두 이루어진 상태의 실제 현장에서는 하중을 가하는 방법상 적용이 어려운 문제점이 있다.
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