[논문]증기발생기 세관의 파괴저항 특성 측정에 관한 연구

장윤석; 허남수; 안민용; 황성식; 김정수; 김영진

doi:10.3795/ksme-a.2006.30.4.420

증기발생기 세관의 파괴저항 특성 측정에 관한 연구
A Study on the Measurement of Fracture Resistance Characteristics for Steam Generator Tubes 원문보기

大韓機械學會論文集. Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers. A. A, v.30 no.4 = no.247, 2006년, pp.420 - 427

장윤석 (성균관대학교 기계공학부) , 허남수 (성균관대학교 기계공학부) , 안민용 (성균관대학교 기계공학부) , 황성식 (한국원자력연구소) , 김정수 (한국원자력연구소) , 김영진 (성균관대학교 기계공학부)

Abstract ▼ AI-Helper

The structural and leakage integrity of steam generator tubes should be sustained against all postulated loads even if a crack is present. During the past three decades, most of the efforts with respect to integrity evaluation of steam generator tubes have been focused on limit load solutions but, recently, the applicability of elastic-plastic fracture mechanics was examined cautiously due to its effectiveness. The purpose of this paper is to introduce a testing method to estimate fracture resistance characteristics of steam generator tubes with a through-wall crack. Due to limited thickness and diameter, inevitably, the steam generator tubes themselves were tested instead of standard specimen or alternative ones. Also, a series of three dimensional elastic-plastic finite element analyses were carried out to derive closed-form estimation equations with respect to J-integral and crack extension for direct current potential drop method. Since the effectiveness of $J_{IC}$ as well as J-R curves was proven through comparison with those of standard specimens taken from pipes, it is believed that the proposed scheme can be utilized as an efficient tool for integrity evaluation of cracked steam generator tubes.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

있으므로 이를 이용하여 식 (2)와 (4)에 나타낸 탄성 J-적분을 구할 수 있다. 그러나 본 연구에서는 손상 세관에 대한 보다 정확한 K-계산식을 유한요소해석 결과를 기반으로 제시하였다. 먼저 손상 세관의 X-계산식은 다음과 같이 표현된다.
본 논문에서는 원주방향 관통균열이 존재하는 증기발생기 세관의 탄소성 파괴역학 평가에 필요한 파괴저항 특성 측정법과 결과를 제시하였으며, 이를 통해 다음과 같은 결론을 얻었다.
본 논문의 목적은 관통균열이 존재하는 증기발생기 세관의 탄소성 파괴역학 평가에 필요한 파괴저항 특성 측정법을 실제 세관 시편을 기반으로 제시하고, 파괴저항시험을 수행하여 세관의 파괴저항곡선을 구하는 것이다. 이와 같은 세관 시편은 기존의 표준 시편과 달리 부수적인 기계적 가공이 필요 없기 때문에 제작이 용이하고 세관 균열부의 파괴거동도 정확하게 평가할 수 있다는 장점이 있다.
본 연구에서는 직류전위차(direct current potential drop;DCPD)법을 이용하여 균열 진전량을 결정하였으며, 본 절에서는 유한요소해석을 기반으로 앞서기술한 균열 세관에 대한 파괴인성 측정법을 제시하였다.
관계식을 결정하여야 한다. 이를 위해 본 논문에서는 3차원 유한요소 전기장 해석을 수행하여 DCPD법을 이용한 손상 세관의 균열 길이 계산식을 제시하였다.

제안 방법

또한고배율 사진기를 보조 균열길이 측정 장비로 활용하였다.''2)시험기는 변위제어(displacement control)방식으로 제어하였으며, 데이터 및 영상 처리는 PC 및 A/D 변환기를 통해 실시간으로 수행하였다.
(1) 인장하중 상태의 원주방향 관통균열 세관을이 용한 파괴저 항시 험법을 3차원 유한요소해석을 기반으로 새롭게 제시하였다.
(2) 본 논문에서 제시된 파괴저항시험법을 바탕으로 실제 세관 시편을 이용한 파괴저항시험을 수행하였으며, 얻어진 결과를 타 기관에서 기 수행한 결과와 비교하였다. 시험 조건과 시편 형상의 차이 등을 고려하면 본 논문에서 새롭게 얻어진 세관의 파괴저항곡선은 타당한 것으로 생각된다.
3차원 균열 해석의 경우는 丿-적분값이 두께 방향으로 변하게 되는데 본 논문에서는 두께에 대해 J-적분값을 평균하여 실험보정계수를 결정하였으며, 두께에 대한 평균 丿-적분값이 실제 실험 결과와 잘 일치하는 것으로 알려져 있다. 이와 같이 구한 .
8은 손상 세관의 파괴저항시험을 위해 제작한 시편 고정기구(jig)의 대략적인 형상과 실험 중촬영한 시험장치의 전반적인 구성을 나타낸 것이며, 파괴저항시험에는 灿kN 용량의 전기유압식만능시험기 (INSTRON 4505)가 사용되었다. DCPD 측정단자는 시편에 직접 용접되었으며, 24의 입력전류를 사용하여 균열 진전량을 결정하였다. 또한고배율 사진기를 보조 균열길이 측정 장비로 활용하였다.
형상과 하중의 대칭성을 고려하여 1/2만을 모델링하였고, 입력 전류는 시험 조건과 동일하게 2』의 전류를 작용시켰다. 기준 전압(丫减은 균열이 없는 시편에서의 전위차로 하였으며, 균열 길이(西를 0~0.9로 변화시키며 해석을 수행하였다.
2mm 오프셋선(offset line)의 교점으로 구하였다. 단, 둔화직선 결정시시园법에 제시된 丿=2神와 더불어 고인성 재료에 사용 가능한 것으로 알려져 있는 丿=4砂를 모두 사용하여 Jic 값을 결정하였다. Jic 결정 시에도 Tabled 나타낸 세관의 인장 특성을 사용하였다.
DCPD 측정단자는 시편에 직접 용접되었으며, 24의 입력전류를 사용하여 균열 진전량을 결정하였다. 또한고배율 사진기를 보조 균열길이 측정 장비로 활용하였다.''2)시험기는 변위제어(displacement control)방식으로 제어하였으며, 데이터 및 영상 처리는 PC 및 A/D 변환기를 통해 실시간으로 수행하였다.
수행하였다. 먼저 변위제어 방식으로 인장 하중을 작용시킨 후, 하중 증가에 따른 하중-하중선 변위 선도를 작성하였다. 이를 토대로 식 (1)~식 (7)에 따라 丿-적분값을 계산하였으며, 측정한 전위차를 토대로 식 (8)을 이용하여 균열 진전량을 결정하였다.
9는 DCPD법과 고배율 사진기를 사용하여 측정한 균열길이를 비교한 것으로, 경향은 유사하지만 고배율 사진기로 구한 균열길이가 다소 작고 균열진전량이 증가함에 따라 그 차이가 증가하였다. 본 연구에서는 사진기 이용시 시편의 단면이 원형으로 유지된다는 가정하에 평면영상으로부터 균열길이를 계산하는 단순한 방식을 채택하였기 때문에 유한요소 해석결과를 사용한 DCPD법으로 구한 균열길이가 보다 정확하며, 이를 파괴저항 특성 결정에 사용하였다.
손상 세관의 탄성 적분과 실험보정계수를 정의하기 위해 3차원 탄성 및 탄소성 유한요소 해석을 수행하였다. Fig.
실험이 수행되는 동안 하중, 하중선 변위, 균열길이 데이터를 측정하였으며, 측정 데이터와 본논문에서 제시한 세관 파괴저항곡선 측정법을 이용하여 증기발생기 세관의 파괴저항곡선을 산출하였다.
앞서 언급한 바와 같이 원주방향 관통균열이 존재하는 증기발생기 세관에 대해 9개의 파괴저항실험을 수행하였다. 먼저 변위제어 방식으로 인장 하중을 작용시킨 후, 하중 증가에 따른 하중-하중선 변위 선도를 작성하였다.
사용된 요소의 수는 1, 440개이며, 소규모 변형률 해석(small strain analysis)을 적용하였다. 유한요소해석 시 세관의 균열 길이는 00=0.2, 0.4, 0.6의 세 가지 경우를 고려하였다.
증기발생기 세관에 작용하는 주된 하중은 내압이므로 본 논문에서는 세관의 파괴인성 측정법 제시를 위해 Fig. 1에 나타낸 바와 같은 인장하중이작용하는 원주방향 관통균열 세관을 고려하였다. 이 경우에 대해 식 (1)~식 (3)을 다시 정리하면 다음과 같이 표현된다.
이를 토대로 식 (1)~식 (7)에 따라 丿-적분값을 계산하였으며, 측정한 전위차를 토대로 식 (8)을 이용하여 균열 진전량을 결정하였다. 최종적으로 적분값과 균열 진전량의 관계를 이용하여 파괴저항곡선을 작성하였으며 다음과 같은 멱급수(power law) 형태로 곡선 적합하여 상수 G과 C₂를 결정하였다.
2는 본 논문에서 구성한 대표적인 유한요소모델을 나타낸 것으로, 유한요소 해석에는 범용 유한요소해석 프로그램인 ABAQUS(11)를 사용하였다. 해석 대상의 대칭성을 고려하여 전체의 1/4만을 모델링하였으며, 20절점 등계수 사각주요소(C₃D20R in ABAQUS element library)를 사용하였다. 사용된 요소의 수는 1, 440개이며, 소규모 변형률 해석(small strain analysis)을 적용하였다.

대상 데이터

09m«인 Alloy 600 세관 시 편을 사용하였으며, 기계적 가공을 통하여 초기 원주방향 관통 노치를 삽입하였다. 균열 길이(物)가 0.35, 0.40 그리고 0.45인 경우에 대해 각 3개씩 총 9개의 원주방향 관통균열이 존재하는 시편을 제작하였다. 해당 세관의 기계적 특성은 3개의 인장시험 결과를 평균하여 구하였다(Table 1 참고).
본 논문에서 고려된 재질은 Alloy 600으로, 주요 인장 특성을 Table 1에 정리하여 나타내었으며 Fig. 3에 응력-변형률 곡선을 나타내었다. 탄소성 유한요소해석 시에는 ABAQUS 프로그램의 증분 소성(incremental plasticity) 이론을 적용하여 Fig.
본 논문에서는 평균반경 및 두께가 각각 8.98初n와 1.09m«인 Alloy 600 세관 시 편을 사용하였으며, 기계적 가공을 통하여 초기 원주방향 관통 노치를 삽입하였다. 균열 길이(物)가 0.
해석 대상의 대칭성을 고려하여 전체의 1/4만을 모델링하였으며, 20절점 등계수 사각주요소(C₃D20R in ABAQUS element library)를 사용하였다. 사용된 요소의 수는 1, 440개이며, 소규모 변형률 해석(small strain analysis)을 적용하였다. 유한요소해석 시 세관의 균열 길이는 00=0.
재료물성치는 세관에 적합한 실험보정계수를 제시하기 위해 실제 세관의 인장 물성치를 사용하였다. 본 논문에서 고려된 재질은 Alloy 600으로, 주요 인장 특성을 Table 1에 정리하여 나타내었으며 Fig.

데이터처리

45인 경우에 대해 각 3개씩 총 9개의 원주방향 관통균열이 존재하는 시편을 제작하였다. 해당 세관의 기계적 특성은 3개의 인장시험 결과를 평균하여 구하였다(Table 1 참고). 파괴저항실험시 균열 진전량은 본 연구에서 제시한 DCPD법과고배율 카메라를 이용하여 동시에 측정하였다.

이론/모형

수행하였다. Fig. 2는 본 논문에서 구성한 대표적인 유한요소모델을 나타낸 것으로, 유한요소 해석에는 범용 유한요소해석 프로그램인 ABAQUS(11)를 사용하였다. 해석 대상의 대칭성을 고려하여 전체의 1/4만을 모델링하였으며, 20절점 등계수 사각주요소(C₃D20R in ABAQUS element library)를 사용하였다.
J-적분값은 ABAQUS 프로그램의 영역적분법 (domain integral)을 이용하여 직접 구할 수 있다.
3에 응력-변형률 곡선을 나타내었다. 탄소성 유한요소해석 시에는 ABAQUS 프로그램의 증분 소성(incremental plasticity) 이론을 적용하여 Fig. 3에 나타낸 응력-변형률 곡선을 직접 입력조건으로 사용하였다.
해당 세관의 기계적 특성은 3개의 인장시험 결과를 평균하여 구하였다(Table 1 참고). 파괴저항실험시 균열 진전량은 본 연구에서 제시한 DCPD법과고배율 카메라를 이용하여 동시에 측정하였다.

성능/효과

10은 파괴저항곡선과 2가지 JIC 결정과정을 도식적으로 나타낸 것이다. 동일 조건에서 수행된 실험결과 는서로 유사한 결과를 보여주고 있으나, 무차원 균열길이가 증가함에 따라 파괴저항곡선이 낮아지는 구속효과를 확인할 수 있었다.
결과와 비교하였다. 시험 조건과 시편 형상의 차이 등을 고려하면 본 논문에서 새롭게 얻어진 세관의 파괴저항곡선은 타당한 것으로 생각된다.

후속연구

(3) 본 논문에서 제시한 실제 세관 시편을 이용하면 실제 세관 균열부의 구속 효과를 고려하여 정확하게 균열 거동을 평가할 수 있으며, 시편 제작을 위한 추가적인 기계적 가공이 필요 없다는 장점이 있다. 따라서 균열 길이의 변화에 따른 구속효과 및 최적의 JIC 값 결정을 위한 추가적인 분석이 이루어진다면, 탄소성 파괴역학 평가에 유용하게 사용될 수 있을 것으로 생각된다.
56。(决'로 본 논문의 조건과 상이하기 때문에 발생한 것으로 판단된다. 따라서 간접적이기는 하나 실험결과의 타당성을 확인하였으며, 제안된 파괴거동 측정법은 증기발생기 세관의 탄소성 파괴역학 평가를 위해 유용하게 사용될 수 있을 것으로 판단된다.
있다. 따라서 균열 길이의 변화에 따른 구속효과 및 최적의 JIC 값 결정을 위한 추가적인 분석이 이루어진다면, 탄소성 파괴역학 평가에 유용하게 사용될 수 있을 것으로 생각된다.

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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