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문제 정의
- 따라서 본 연구에서는 SA312 TP304L 스테인레 스강 재료에 대한 표준 시험편 시험 결과와 배관 에 대한 시험 결과를 비교하였다. 실제 배관의 LBB 해석 시에는 1T-CT 표준 시험편의 결과가 사용되지만 본 연구에서는 1T-CT 표준 시험편의 두께보다 작은 배관에서 직접 시험편을 채취하여 시험편을 가공하였으므로 0.
- 따라서 본 연구에서는 실 배관의 거동에 준한 탄소성 파괴역학적인 해석을 수행하기 위해서 기존의 표준 시험편을 이용한 해석 방법의 보수성 을 입증하고 실 배관 균열부의 거동을 정확하게 탄소성 파괴역학적인 해석에 반영하기 위한 기초 자료를 마련하고자 한다. 이를 위해 실배관에 대한 파괴저항 시험 및 J-Q 해석을 수행하여 표준 시험편으로 구한 파괴인성치의 보수성을 확인하고 추가적인 안전여유도를 확보하고자 한다.
제안 방법
- O, Dowd와 Shih«°)는 구속이 낮은 경우와 높은 경우에 있어서 균열 선단의 수직 응력의 차이가 항상 일정하다는 사실을 밝혀내고, 그 차이의 수정 계수(correction factor)로 Q-응력을 도입한 J-Q 해석법을 제안하였다. 0응력은 균열 선단에서의 3축 응력(triaxial stress) 상태를 나타내는 매개변 수로서, 균열 선단에서의 응력을 표현하면 다음과 같다.
- (1) 배관의 파괴 저항 시험을 위하여 4점 굽힘 시험 방법 및 직류전위차법을 사용하였다. SA312 TP304L 스테인레스 강 배관에 대한 파괴 저항 시험을 수행하여 실 배관에 대한 J-R 선도를 구 하였으며, 이를 통하여 본 연구에서 사용된 시험 방법 및 시험 장치의 유효성을 확인하였다.
- 또한 두께 방향으로는 4개의 요소를 사용하였다. a!W7\ 0.5인 경우에 대하여 유한요소해석을 수행하였으며, Fig. 10에 나타낸 바와 같이 변위 제어 (displacement control)를 통해 하중을 작용시켰다. 해석 결과로부터 식 (3) 을 이용하여 Q값을 계산하였다.
- 전체 요소수는 3, 568개이다. 균열 길이가 구속 상태에 미치는 영향을 평가하기 위해서 균열 길이가 전체 원주의 6.25%( 6/h=0.0625), 12.5%( 6/ji =0.125), 25% ( e/it=0.25), 그리고 40%(。/护=0.4)인 4가지 경우에 대해 유한요소해석을 수행하였다. 4점 굽힘법 을 이용하여 굽힘 하중이 작용하도록 해석을 수행하였다.
- 8에는 하중-하중선 변위 선도와 직류전 위차법으로 구한 균열 길이로부터 산출된 배관의 J-R 선도를 나타내었다. 균열 진전량의 산출을 위해 먼저 무차원 균열 길이와 무차원 전위차와의 관계식으로부터 균열 진전면에 투영시킨 균열 길 이를 산출한 후에 초기 균열 길이로부터 균열 진 전량을 계산하였다.
- 균열부를 20개의 적분 경로와 32개의 레이어 (layer)로 구성하였으며, 모든 경우에 소규모 변형 률 해석을 적용하였다. 또한 두께 방향으로는 4개의 요소를 사용하였다.
- 50암페어以) 용량의 직류 전원 공급기 (DC power supply)를 사용하여 배관 시험편에 504의 전류를 공급하였다. 균열이 진전함에 따라 4개의 채널(균열 양 선단부, 중앙 부, 참조부)을 통하여 전위차를 측정하였고 1步 저역 통과형 필터(low pass filter)를 사용하여 잡음을 제거한 후 선증폭기(pre-amplifier)를 사용하여 5,000배 증폭하였다. 시험기의 제어, 데이터 수집, 처리 및 결과 해석에는 A/D 변환기와 PC 를 사용하였다.
- 기존 표준 시험편과 실배관의 구속 상태를 비 교하기 위해 실배관 균열부의 구속 상태를 평가 하였다. 실배관 파괴인성시험에 사용된 배관과 동일한 크기의 배관에 대한 해석을 수행하였으며, 배관의 외경과 두께는 각각 168.
- 배관 시험 의 경우 양쪽 균열 선단에서의 균열 진전량이 서로 다르기 때문에 균열의 중앙부에서만 전위차를 측정할 경우에는 정확한 균열 진전량을 측정하기가 어렵다. 따라서 균열 선단 양 끝단에서 전위 차를 동시에 측정하여 균열 양 끝단에서의 균열 진전량을 측정하였다.
- 배관 시험편은 먼저 기계 적 가공을 통하여 관통 균열을 삽입한 후 원주 방향으로 60。, 120。까지 4점 굽힘 시험용 지그를 사용하여 피로 예비 균열을 가공하였다. 또한 표 준 시험편은 배관 파괴저항 시험을 수행한 후 파 단된 배관으로부터 재료를 채취하여 가공하였다.
- 본 연구에서는 배 관의 파괴저 항 측정 을 위하여 4점 굽힘 시험 방법을 사용하였다. 시험에 사용된 재료시험기는 25톤 용량의 전기유압식 만능시험 기이 며, Fig.
- 따라서 본 연구에서는 SA312 TP304L 스테인레 스강 재료에 대한 표준 시험편 시험 결과와 배관 에 대한 시험 결과를 비교하였다. 실제 배관의 LBB 해석 시에는 1T-CT 표준 시험편의 결과가 사용되지만 본 연구에서는 1T-CT 표준 시험편의 두께보다 작은 배관에서 직접 시험편을 채취하여 시험편을 가공하였으므로 0.5T-CT 시험편의 결과와 배관 시험 결과를 비교하였다.
- HRRe 해당 지점에서 HRR식으로 계산되는 수직 응력값이다. 유한 변형률이 발생하는 영역(finite strain region)의 바깥 부분이고 균 열 진전의 특성을 대표할 수 있는 小)=2에 서의 값을 이용하여 0응력을 결정하였다.
- 따라서 본 연구에서는 실 배관의 거동에 준한 탄소성 파괴역학적인 해석을 수행하기 위해서 기존의 표준 시험편을 이용한 해석 방법의 보수성 을 입증하고 실 배관 균열부의 거동을 정확하게 탄소성 파괴역학적인 해석에 반영하기 위한 기초 자료를 마련하고자 한다. 이를 위해 실배관에 대한 파괴저항 시험 및 J-Q 해석을 수행하여 표준 시험편으로 구한 파괴인성치의 보수성을 확인하고 추가적인 안전여유도를 확보하고자 한다.
- 전기장 유한 요소 해석 결과를 종합하여 실제 배관 파괴인성 시험 시 균열 길이 측정을 위하여 사용할 무차원 전위차와 무차원 균열 길이와의 관계식을 다음과 같이 산출하였다.
- 파괴인성치 측정시험에 사용되는 높은 구속 상 태의 표준 시험편인 CT 시험편의 구속 상태를 정량적으로 분석하기 위해서 3차원 유한요소해석을 수행하였다.
- 하중과 하중선 변위의 측정은 시험기의 로드 셀과 LVDT를 사용하였고, 3개의 COD 게이지로 부터 균열 양 선단부와 중앙부에서의 CMOD(crack mouth opening displacement) 값을 즉정하였다. 또한 균열 길이 및 진전량의 측정을 위하여 직류전위차법을 사용하였다.
대상 데이터
- 또한 균열 길이 및 진전량의 측정을 위하여 직류전위차법을 사용하였다. 50암페어以) 용량의 직류 전원 공급기 (DC power supply)를 사용하여 배관 시험편에 504의 전류를 공급하였다. 균열이 진전함에 따라 4개의 채널(균열 양 선단부, 중앙 부, 참조부)을 통하여 전위차를 측정하였고 1步 저역 통과형 필터(low pass filter)를 사용하여 잡음을 제거한 후 선증폭기(pre-amplifier)를 사용하여 5,000배 증폭하였다.
- 본 연구에서 사용된 배관은 SA312 TP304L 스 테인리스강이며, Table 1에 재료물성치를 나타내었다. 인장시험으로부터 구한 항복강도와 인장강 도는 각각 269, 530MPa이다.
- 균열이 진전함에 따라 4개의 채널(균열 양 선단부, 중앙 부, 참조부)을 통하여 전위차를 측정하였고 1步 저역 통과형 필터(low pass filter)를 사용하여 잡음을 제거한 후 선증폭기(pre-amplifier)를 사용하여 5,000배 증폭하였다. 시험기의 제어, 데이터 수집, 처리 및 결과 해석에는 A/D 변환기와 PC 를 사용하였다. Fig.
- 본 연구에서는 배 관의 파괴저 항 측정 을 위하여 4점 굽힘 시험 방법을 사용하였다. 시험에 사용된 재료시험기는 25톤 용량의 전기유압식 만능시험 기이 며, Fig. 1에 보이는 바와 같이 4 점 굽힘 시험을 위하여 별도의 지그를 제작하였다. Fig.
- 기존 표준 시험편과 실배관의 구속 상태를 비 교하기 위해 실배관 균열부의 구속 상태를 평가 하였다. 실배관 파괴인성시험에 사용된 배관과 동일한 크기의 배관에 대한 해석을 수행하였으며, 배관의 외경과 두께는 각각 168.3mm(6.625in), 18.3mm(0.719in)이다. Fig.
- 4점 굽힘법 을 이용하여 굽힘 하중이 작용하도록 해석을 수행하였다. 재료물성치로는 표준 시편과 동일한 SA312 TP304 스테인리스강의 값을 사용하였다.
- 해석 모델의 대칭성을 고려하여 전체의 1/2만을 모 델링 하였다. 해석에는 20절점 등계수요소(20-nodes isoparametric brick reduced integration element)를 사용하였으며, 전체 요소수는 3, 364개 이다. 유한요소해석에는 범용 유한요소해석 프로 그램인 ABAQUS(")를 사용하였다.
이론/모형
- 해석에는 20절점 등계수요소(20-nodes isoparametric brick reduced integration element)를 사용하였으며, 전체 요소수는 3, 364개 이다. 유한요소해석에는 범용 유한요소해석 프로 그램인 ABAQUS(")를 사용하였다.
- (1) 배관의 파괴 저항 시험을 위하여 4점 굽힘 시험 방법 및 직류전위차법을 사용하였다. SA312 TP304L 스테인레스 강 배관에 대한 파괴 저항 시험을 수행하여 실 배관에 대한 J-R 선도를 구 하였으며, 이를 통하여 본 연구에서 사용된 시험 방법 및 시험 장치의 유효성을 확인하였다.
- 하중과 하중선 변위의 측정은 시험기의 로드 셀과 LVDT를 사용하였고, 3개의 COD 게이지로 부터 균열 양 선단부와 중앙부에서의 CMOD(crack mouth opening displacement) 값을 즉정하였다. 또한 균열 길이 및 진전량의 측정을 위하여 직류전위차법을 사용하였다. 50암페어以) 용량의 직류 전원 공급기 (DC power supply)를 사용하여 배관 시험편에 504의 전류를 공급하였다.
- 직류전위차법을 이용하여 측정된 전위차를 균 열 길이로 변환하기 위해서는 무차원 전위차와 무차원 균열 길이와의 관계식을 구해야 한다. 본 시험에서는 전기장 유한 요소 해석 방법을 이용하여 관계식을 유도하였다叩
성능/효과
- (2) 배관과 표준 시험편에 대한 파괴저항 곡선 을 비교해 본 결과, 표준 시험편의 J-R 곡선이 배 관 시험편에 비해 낮게 나타났다. 따라서 표준 시험편을 통한 LBB 해석의 보수성을 입증하였으 며 탄소성 파괴역학적인 해석의 추가적인 안전여 유도를 확인할 수 있었다.
- (3) 표준시험편과 실배관에 대하여 J-Q 해석법 을 이용하여 구속 상태 해석을 수행하였으며, 표 준 시험편을 이용한 파괴역학적인 해석은 실배관 의 파괴 거동을 매우 보수적으로 평가할 수 있음을 입증하였다.
- 5T-CT 표준 시험편의 결과를 나타내었다. 0.5T-CT 시험편의 경우에는 균열 진전량이 배관 시험편에 비해 작기 때문에 시험 결과를 표준 시험법에 따라 곡선 적합한 결과를 나타내었다. Fig.
- (2) 배관과 표준 시험편에 대한 파괴저항 곡선 을 비교해 본 결과, 표준 시험편의 J-R 곡선이 배 관 시험편에 비해 낮게 나타났다. 따라서 표준 시험편을 통한 LBB 해석의 보수성을 입증하였으 며 탄소성 파괴역학적인 해석의 추가적인 안전여 유도를 확인할 수 있었다.
- 이는 높은 구 속 상태의 표준 시편으로 구한 丿-적분값이 실배 관의 균열 선단의 응력장을 과대 예측할 수 있음을 의미한다. 따라서 표준 시험편의 결과를 이용한 파괴역학적 해석은 실배관의 파괴 거동을 매우 보수적으로 평가할 수 있음을 입증하였다.
- 5에 나타내었다. 시험에 사용된 재료가 연성 이 매우 좋은 재료이므로 균열 선단의 둔화로 인한 균열 진전량이 상당히 크게 나타났다.
후속연구
- 그러나 기존의 표준 시험편은 실 배 관의 파괴 거동을 매우 보수적으로 평가하는 것으로 알려져 있으며 표준 시험편을 이용한 LBB 평가 결과도 매우 보수적이다叩 또한 시험편의 기하학적인 형상 및 가공 방향에 따라서도 변화 하는 것으로 알려져 있다.&分 따라서 앞서 언급한 바와 같이 배관 건전성 평가법의 타당성을 입증 하고, 실 배관의 거동을 정확하게 모사하여 추가 적인 LBB 안전여유도를 확보하기 위해서는 실 배관을 이용한 배관 파괴인성시험을 수행해야 한다.
- 현재의 원자력 발전소 배관 계통의 LBB 설계 에서는 표준 시험편으로 구한 J-R 선도를 사용하 므로 이를 실 배관 시험으로 구한 결과와 비교하여 보수성을 입증한다면 추가적인 안전여유도를 확인할 수 있을 것이다.
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