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문제 정의
- 본 연구에서는 실배관 균열부의 거동을 정확하게 탄소성 파괴역학적인 해석에 반영하기 위한 배관 파괴 저항 시험 시 직류전위차법을 이용하여 균열 길이를 산출하기 위한 방법을 제시하고자 한다. 이를 위해 유한 요소 해석을 통하여 무차원 균열 길이와 무차원 전위차와의 관계식을 산출하고 실 배관에 대한 파괴저항 시험을 수행하여 산출된 관계식의 효용성을 입증하였다.
제안 방법
- (1) 배관에 대한 파괴 저항 시험을 위하여 4점 굽힘 시험용 jig를 제작하였고 DCPD법을 이용한 배관 균열 길이 측정 시스템을 구성하였다.
- (2) 실제 배관에서의 균열 길이 측정을 위하여 유한 요소 해석을 통하여 전류 공급부의 위치를 결정하였으며, 타원형 균열 진전면 형상을 고려한 무차원 전위차와 무차원 균열 길이와의 관계식를 유한 요소 해석을 통해 제시하였다.
- 11에 나타낸 바와 같이 초기 균열 길이로부터 원주 방향 전체 균열 진전량을 계산하였다. 계산된 균열 진전량과 하중-하중선 변위 선도로부터 계산된 J-적분값을 바탕으로 Fig. 12와 같이 실 배관에 대한 파괴저항 곡선을 산출하였다.
- 균열 진전량의 산출을 위해 먼저 무차원 균열 길이와 무차원 전위차와의 관계식으로부터 균열 진전면에 투영시킨 원주 방향 전체 균열 길이를 산출한 후에 Fig. 11에 나타낸 바와 같이 초기 균열 길이로부터 원주 방향 전체 균열 진전량을 계산하였다. 계산된 균열 진전량과 하중-하중선 변위 선도로부터 계산된 J-적분값을 바탕으로 Fig.
- 전류의 크기는 측정되는 전압의 크기와 비례하므로 사용 가능한 최대 전류인 50A를 배관 시험편에 공급하였다. 균열이 진전함에 따라 4개의 전압 측정부(균열 양 선단부, 중앙부, 참조부)에서 전위차를 측정하였고 1Hz 저역 통과형 필터 (low pass filter)를 사용하여 잡음을 제거한 후 선증폭기를 사용하여 5,000배 증폭하였다. 시험기의 제어, 데이터 수집, 처리 및 결과 해석에는 A/D 변환기와 32비트 PC를 사용하였다.
- 배관 시험의 경우 양쪽균열 선단에서의 균열 진전량과 균열 성장 개시 시점이 서로 다르기 때문에 균열의 중앙부에서만 전위차를 측정할 경우에는 정확한 균열 길이 및 진전량을 측정하기가 어렵다. 따라서 Fig. 3에서 와 같이 균열 선단 양 끝단에서 전위차를 동시에 측정하여 균열 양 끝단에서의 균열 길이 및 진전량을 측정하였다.
- 정전류 공급부 위치에 따라서 측정되는 전위차의 값이 변화하게 되므로 실제 구조물이나 배관 파괴 저항 시험 시에 적용할 수 있는 최적의 위치를 찾아야 한다. 따라서 배관 양단 끝으로부터 균열쪽으로 정전류 공급부의 위치를 변화시켜가며 유한 요소 해석을 수행하였다.
- 나타난다. 따라서 재료에 관계없는 관계식을 얻기 위하여 재료물성치의 변화에 따른 전위차 해석을 수행하였다. 본 연구에서 사용된 재료인 SM45C 탄소강과 비저항 값이 다른 스테인리스강인 SA312 TP304L 재료의 물성치를 선택하여 그 결과를 비교하였다.
- 먼저 실제 배관 파괴 저항 시험에 사용할 배관에 대한 3차원 유한 요소 해석 모델을 구성하였다. Fig.
- 따라서 재료에 관계없는 관계식을 얻기 위하여 재료물성치의 변화에 따른 전위차 해석을 수행하였다. 본 연구에서 사용된 재료인 SM45C 탄소강과 비저항 값이 다른 스테인리스강인 SA312 TP304L 재료의 물성치를 선택하여 그 결과를 비교하였다.
- 산출된 무차원 균열 길이와 무차원 전위차 관계식을 검증하기 위하여 실배관 시험편에 대한 파괴 저항 시험을 수행하였다.
- 시험에 사용된 배관에 원주 방향 관통 균열의 가공하기 위해 4점 굽힘 방법을 사용하였다. 따라서 배관의 바깥쪽부터 균열이 성장하게 되므로, 배관의 원주 방향과 평행하게 성장하는 것이 아니라 타원형의 진전면을 따라 성장하게 된다.
- 앞의 해석 결과 정해진 전류 공급부의 위치와 타원형 균열 선단면의 형상에 대한 전기장 유한요소 해석을 수행하여 균열 중심선에서 측정된 전위차를 기준으로 무차원 전위차와 무차원 균열 길이에 대하여 다음의 (.1)식과 같은 관계를 산출하였다.
- 한다. 이를 위해 유한 요소 해석을 통하여 무차원 균열 길이와 무차원 전위차와의 관계식을 산출하고 실 배관에 대한 파괴저항 시험을 수행하여 산출된 관계식의 효용성을 입증하였다.
- 전기장 유한 요소 해석 결과를 종합하여 실제배관 파괴저항 시험 시 균열 길이 측정을 위하여 사용할 무차원 전위차와 무차원 균열 길이와의 관계식을 산출하였다.
- 6에는 전류 입력 위치에 따라 측정된 전압의 변화에 대한 해석 결과를 나타내었다. 전압 측정 위치를 고려하여 균열면과 균열면에서 10mm 떨어진 지점에서의 전압값의 변화를 살펴보았다.
- 직접 시험편에 모멘트를 가하는 방법의 경우에는 2개의 유압 액추에이터(actuator)를 사용해야 하는 문제점이 있으므로, 본 연구에서는 배관의 파괴 저항 곡선을 산출하기 위하여 4점 굽힘 시험 방법을 사용하였다.
- opening displacement) 값을 측정하였다. 파괴저항 시험은 변위 제어 방식으로 수행되었으며 시험기의 제어와 신호의 처리는 PC를 통하여 수행되었다.
- 하중과 하중선 변위의 측정은 시험기의 로드셀과 LVDT를 사용하였고, 3개의 COD 게이지로부터 균열 양 선단부와 중앙부에서의 CMOD(crack mouth opening displacement) 값을 측정하였다. 파괴저항 시험은 변위 제어 방식으로 수행되었으며 시험기의 제어와 신호의 처리는 PC를 통하여 수행되었다.
대상 데이터
- 본 연구에서 사용된 시험편은 SM45C 탄소 강배관이며, Table 1에 배관 시험편의 치수 및 피로예비 균열 길이 등을 나타내었다. Fig.
- 균열이 진전함에 따라 4개의 전압 측정부(균열 양 선단부, 중앙부, 참조부)에서 전위차를 측정하였고 1Hz 저역 통과형 필터 (low pass filter)를 사용하여 잡음을 제거한 후 선증폭기를 사용하여 5,000배 증폭하였다. 시험기의 제어, 데이터 수집, 처리 및 결과 해석에는 A/D 변환기와 32비트 PC를 사용하였다.
- 시험에 사용된 재료시험기는 25톤 용량의 전기유압식 만능시험기이며, Fig. 1에 보이는 바와 같이 4점 굽힘 시험을 위하여 별도의 지그를 제작하였다. Fig.
- 직류전위차 시스템은 정전류를 공급하기 위한 50암페어(A) 용량의 직류 전원 공급기(DC power s叩ply)를 사용하였다. 전류의 크기는 측정되는 전압의 크기와 비례하므로 사용 가능한 최대 전류인 50A를 배관 시험편에 공급하였다.
이론/모형
- 본 시험에서는 전기장 유한 요소 해석 방법을 이용하여 관계식을 유도하였다.
- 본 연구에서는 균열 길이 및 진전량의 측정을 위하여 Fig. 2에 보이는 바와 같이 직류전위차법을 사용하였다’ 전류 공급부와 전압측정부의 위치를 Fig. 3에 나타내었다. 배관 시험의 경우 양쪽균열 선단에서의 균열 진전량과 균열 성장 개시 시점이 서로 다르기 때문에 균열의 중앙부에서만 전위차를 측정할 경우에는 정확한 균열 길이 및 진전량을 측정하기가 어렵다.
성능/효과
- (3) 배관 파괴 저항 시험을 수행하여 배관에 대한 J-R 선도를 구하였으며 산출된 무차원 전위차와 무차원 균열 길이와의 관계식의 효용성을 입증하였다.
- (4) 실제 배관에서의 균열 진전은 원주 방향과 평행하지 않으므로 이에 대한 보정이 필요하며, 균열 진전 방향을 고려하여 계산된 균열 진전량을 보정한 결과 균열 길이 및 균열 진전량 모두 실제 시험 결과와 5% 정도의 오차로 잘 일치하였다.
- 13에 보이는 바와 같은 균열 진전 방향을 고려하여 무차원 균열 길이와 무차원 전위차와의 관계식으로부터 계산된 균열 길이를 보정한 결과를 Table 2에 나타내었다. Table 2에서 보는 바와 같이 초기 균열 길이, 최종 균열 길이, 균열 진전량 모두에서 수정된 계산 값이 실제 배관 원주에서 측정된 값과 5% 이내의 오차로 비교적 정확하게 일치하였다.
- 해석 결과 Fig. 9에서 보는 바와 같이 균열면의 형상이 타원형인 경우 같은 무차원 균열 길이에 대하여 작은 무차원 전위차 값을 갖는 것으로 나타났다. 균열이 진전할수록 균열 진전면의 형상이 직선과 가까워지므로 균열 진전면을 직선으로 가정한 결과와 비슷하게 나타났다.
후속연구
- (2) 또한 시험편의 기하학적인 형상 및 가공 방향에 따라서도 변화하는 것으로 알려져 있다.。D 따라서 앞서 언급한 바와 같이 배관 건전성 평가법의 타당성을 입증하고, 실배관의 거동을 정확하게 모사하여 추가적인 LBB 안전여유도를 확보하기 위해서는 실배관을 이용한 배관 파괴저항 시험을 수행해야한다.
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