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문제 정의
- 본 연구에서는 케비테이션 초음파 진동 장치와 충격하중 측정 시스템을 사용하여 현재 원자력 발전소에서 해수 펌프 임펠러의 재료로 사용 중인 8.8Al-bronze, STS316, SR50A 그리고 화염급냉 공정 (flame quenching process)에 의해 표면 개질된 8.8Al-bronze합금에서 케비테이션 침식시간에 따른 재료의 손실량을 통해 각 재료별 잠복기와 MDPR (mean depth of penetration rate, μm/h)을 결정하였고, 케비테이션 기포붕괴 시 각각의 재료에서 진폭변화에 따른 충격하중 및 충격횟수를 정량적으로 측정하고자 하였다. 또한 각 재료에서의 케비테이션 손상에 관한 피로분석을 위해 케비테이션 시험 조건에 따른 충격하중의 개수 및 잠복기와 MDPR 을 이용하였으며, 피로손상 누적법칙 (Miner's law) 에 기초를 둔 Mori 등8)의 연구와 유사한 방법으로 수행되었다.
- 본 절에서는 8.8Al-bronze, FQ900, STS316, SR50A 의 재료에 대해 잠복기에서의 충격하중의 세기와 잠복기가 끝나는 지점까지의 충격횟수를 측정하였고, Miner's law를 이용하여 여러 충격하중 하에서 각 재료의 피로파괴 수명을 측정하고자 하였다.
제안 방법
- 따라서 본 연구에서는 여러 레벨의 충격하중을 3구간으로 나누어 각 구간의 평균 충격하중에 대한 충격횟수로 정리하였다. 예를 들어, 표 2에 나타낸 바와 같이 8.
- 41 mm이었다. 또한케비테이션 기포붕괴 시 충격펄스에 의한 신호처리 및 정확한 데이터 획득을 위해 하이패스필터(high pass filter), 피크홀더 (peak holder), 아날로그/디지털 (A/D) 변환기와 대기억 용량의 컴퓨터로 구성되어있는 케비테이션 충격하중측정장치 (cavitation impact load analyser)를 사용하였다. 케비테이션 기포 붕괴 시 충격펄스 검출시편은 길이 21 mm, 직경 3mm 인 봉(bar)의 형태로 압전센서 표면과 정밀하게 밀착 시켜 고정하였다.
- 정상 상태 구간의 기울기는 침식속도(erosion rate)를 의미하며 MDPR로부터 결정되었다. 보는 바와 같이 잠복기 4의 경우 잠복구간과 정상상태의 구간을 선형화(linear fit)한 후 만나는 지점으로부터 결정하였고, MDPRe 정상상태 구간의 선형성 (linearity)으로부터 결정하였다. 각 재료에 대한 잠복기 t; 및 MDPR의 측정결과, 화염급냉 처리된 FQ900의 경우 8.
- 원자력발전소등의 해수 임펠러 재료로서 이용되고 있는 8.8Al-bronze, STS316, SR50A 그리고 화염급냉 처리에 의해 표면 개질된 8.8 Al-bronze합금에 대해 케비테이션 침식실험 및 기포붕괴 시 재료에 가해진 충격하중을 정량적으로 측정하였다.
- 이를 위해 강구의 위치에너지 변화를 이용한 강구 낙하시험을 실시하여 강구의 위치에너지에 따른 충격펄스의 크기를 측정하였다. 그림 1에서 보는 바와 같이 강구 낙하시험 결과 각 재료별 충격하중(F)과 출력전압(V)과의 관계를 구하였고 선형관계 (F=AV, A: 재료상수)를 잘 만족하고 있음을 확인하였으며, 얻어진 재료상수 A는 8.
- 8Al-bronze합금復。900)戚“)등 4종류의 재질이었다. 침식시편의 크기는 10X10X 10mn?이었고, 시편 표면은 0.3 μm 알루미나 분말까지 미세 연마하였으며, 침식에 의한 재료손상을 평가하기 위하여 0.1 mg까지 측정 가능한 미세저울을 사용하여 케비테이션 시간에 따른 시편의 무게 감량을 측정하였다. 각 시편의 화학적 조성과 기계적 특성을 표 1에 나타내었다.
- 케비테이션 침식 거동은 전형적으로 재료손실이 거의 없고 소성변형만이 발생되는 잠복기를 거쳐 재료손실이 일정한 기울기를 가지고 발생하는 정상상태 구간으로 진행되는데, 이러한 두 단계는 모두 여러 크기의 충격하중과 충격횟수의 관계에 따라 피로파괴로서 분석되었다. 잠복구간에서는 일정한 충격하중c旳하에서 잠복기가 끝나는 지점까지의 기포의 충격 횟수(기를 측정하였고, 정상상태 구간에서는 일정한 충격하중 (F) 과 함께 MDP(mean depth of penetration) 가 l|im씩 증가하는데 필요한 충격횟수(7W)를 측정하였다. 그림 3은 케비테이션 진폭 50μ이시 각각의 재료에서 케비테이션 노출시간에 따른 하중별 기포 충격의 누적개수변화를 나타낸다.
- 진행되었다. 침식시험을 위해서 주파수 20 kHz의 초음파 진동 장치 (ultrasonic vibratory device)를 사용하였고, 중격하중을 조절하기 위하여 초음파 발진부에 부착 되어 있는 진동 혼(horn)의 진폭을 35 呻, 45 |im, 50μ이으로 변화시켰다. 침식시험은 200061? 크기의 수조안에서 이루어졌고, 시편표면과 진동 혼에 부착된 팁(tip)과의 거리는 1mm로 일정하게 유지시켰다.
- 또한 케비테이션 진폭변화에 따른 충격하중 측정결과, 충격하중이 작은 기포들에 비해 큰 기포들의 개수가 현저히 적었고, 진폭이 증가할수록 하중변화에 따라 붕괴되는기포들의 개수가 증가하였다. 케비테이션 손상에 관한 피로분석은 각각의 재료에서 진폭변화에 따른 충격하중의 분포와 잠복기 및 MDPR을 결정함으로써 수행되었고, 피로손상 누적법칙 (Miner's law)을 이용하여 여러 충격하중 하에서 각 재료의 피로 파괴 수명을 고찰하였다. 잠복기에서의 F-N 관계(尸・ 7V=constant)를 결정하였고, 그 결과 지수 b는 8.
대상 데이터
- 침식시험은 200061? 크기의 수조안에서 이루어졌고, 시편표면과 진동 혼에 부착된 팁(tip)과의 거리는 1mm로 일정하게 유지시켰다. 진동 혼에 부착된 팁의 경우, 직경은 16 mm 이었고, 일반 강에 비해 케비테이션 침식 저항성이 약 6배 정도 우수하고 진동 혼과 동일재료인 Ti 합금을 사용하였다. 또한 정기적으로 시험수를 교체함으로서 팁으로부터 떨어져 나온 고체입자에 의한 시편의 손상을 최소화하였고, 시험수의 온도를 25 土 1℃로 일정하게 유지하였다.
- 평가할 수 있다. 충격펄스의 측정을 위하여 본 연구에서는 공명주파수 5 MHz의 압전센서 (piezoelectric) 를 이용하였고, 압전세라믹은 PZT(PbTiO3, PbZrO3) 로서 직경 6.35mm, 두께는 0.41 mm이었다. 또한케비테이션 기포붕괴 시 충격펄스에 의한 신호처리 및 정확한 데이터 획득을 위해 하이패스필터(high pass filter), 피크홀더 (peak holder), 아날로그/디지털 (A/D) 변환기와 대기억 용량의 컴퓨터로 구성되어있는 케비테이션 충격하중측정장치 (cavitation impact load analyser)를 사용하였다.
이론/모형
- 8Al-bronze합금에서 케비테이션 침식시간에 따른 재료의 손실량을 통해 각 재료별 잠복기와 MDPR (mean depth of penetration rate, μm/h)을 결정하였고, 케비테이션 기포붕괴 시 각각의 재료에서 진폭변화에 따른 충격하중 및 충격횟수를 정량적으로 측정하고자 하였다. 또한 각 재료에서의 케비테이션 손상에 관한 피로분석을 위해 케비테이션 시험 조건에 따른 충격하중의 개수 및 잠복기와 MDPR 을 이용하였으며, 피로손상 누적법칙 (Miner's law) 에 기초를 둔 Mori 등8)의 연구와 유사한 방법으로 수행되었다.
- 본 연구에 적용된 케비테이션 침식장비 및 실험조건은 ASTM G32-92, )의 기준에 의해 진행되었다. 침식시험을 위해서 주파수 20 kHz의 초음파 진동 장치 (ultrasonic vibratory device)를 사용하였고, 중격하중을 조절하기 위하여 초음파 발진부에 부착 되어 있는 진동 혼(horn)의 진폭을 35 呻, 45 |im, 50μ이으로 변화시켰다.
성능/효과
- 보는 바와 같이 잠복기 4의 경우 잠복구간과 정상상태의 구간을 선형화(linear fit)한 후 만나는 지점으로부터 결정하였고, MDPRe 정상상태 구간의 선형성 (linearity)으로부터 결정하였다. 각 재료에 대한 잠복기 t; 및 MDPR의 측정결과, 화염급냉 처리된 FQ900의 경우 8.8Al-bronze합금에 비해 침식저항성이 현저히 향상되었음을 볼 수가 있었고, 침식저항성은 STS316 < 8.8Al-bronze < SR50A < FQ900^ 순으로 나타났는데, 이는 FQ900합금이 다른 재료들에 비해 케비테이션 기포붕괴 시 경험하는 충격하중이 작았음을 의미한다. 각 구간에서 결정된 진폭별 각 재료의 잠복기 f, 및 MDPR을 표 2에 요약하였다.
- 그림 3은 케비테이션 진폭 50μ이시 각각의 재료에서 케비테이션 노출시간에 따른 하중별 기포 충격의 누적개수변화를 나타낸다. 각각의 재료에 서기 포들은 진폭 및 충격하중에 따라 각각 3구간으로 나누었으며, 각 구간에서의 평균충격하중에 대한 기포들의 충격횟수를 구하였고, 기포들의 충격횟수는 케비테이션 시간에 따라 직선적으로 증가함을 나타내었다. 각 구간에서 단위시간당 충격하중의 발생 개수 "'은 직선의 기울기로부터 측정되었으며, 그 결과를 표 2에 나타내었다.
- 이를 위해 강구의 위치에너지 변화를 이용한 강구 낙하시험을 실시하여 강구의 위치에너지에 따른 충격펄스의 크기를 측정하였다. 그림 1에서 보는 바와 같이 강구 낙하시험 결과 각 재료별 충격하중(F)과 출력전압(V)과의 관계를 구하였고 선형관계 (F=AV, A: 재료상수)를 잘 만족하고 있음을 확인하였으며, 얻어진 재료상수 A는 8.8Al-bronze, FQ900, STS316, SR50A합금이 각각 약 5.08, 3.51, 6.35, 11.87로 결정되었다. 케비테이션 진동에 의해 측정된 중격펄스는 이러한 강구 낙하시험에 의해 얻어진 충격펄스의 크기와 비교 보정함으로써 최종적인 케비테이션 충격하중으로 정량화 되었다.
- 72X 10。를 얻을 수 있었다. 또한 M는 진폭이 50 μm일 때의 결과로부터 위와 같은 방법으로 계산하여 M (1.85X105)를 얻을 수 있었고, 陽 M, M를 각각의 평균 충격하중에 대하여 log-log 스케일로 도식화하면 잠복기에서의 F-N 관계를 얻을 수 있다. 8.
- 진동 혼에 부착된 팁의 경우, 직경은 16 mm 이었고, 일반 강에 비해 케비테이션 침식 저항성이 약 6배 정도 우수하고 진동 혼과 동일재료인 Ti 합금을 사용하였다. 또한 정기적으로 시험수를 교체함으로서 팁으로부터 떨어져 나온 고체입자에 의한 시편의 손상을 최소화하였고, 시험수의 온도를 25 土 1℃로 일정하게 유지하였다. 침식실험에 이용된 재료는 현재 해수 펌프 임펠러의 재료로 사용되고 있는 8.
- 현저히 향상되었다. 또한 케비테이션 진폭변화에 따른 충격하중 측정결과, 충격하중이 작은 기포들에 비해 큰 기포들의 개수가 현저히 적었고, 진폭이 증가할수록 하중변화에 따라 붕괴되는기포들의 개수가 증가하였다. 케비테이션 손상에 관한 피로분석은 각각의 재료에서 진폭변화에 따른 충격하중의 분포와 잠복기 및 MDPR을 결정함으로써 수행되었고, 피로손상 누적법칙 (Miner's law)을 이용하여 여러 충격하중 하에서 각 재료의 피로 파괴 수명을 고찰하였다.
- 케비테이션 손상에 관한 피로분석은 각각의 재료에서 진폭변화에 따른 충격하중의 분포와 잠복기 및 MDPR을 결정함으로써 수행되었고, 피로손상 누적법칙 (Miner's law)을 이용하여 여러 충격하중 하에서 각 재료의 피로 파괴 수명을 고찰하였다. 잠복기에서의 F-N 관계(尸・ 7V=constant)를 결정하였고, 그 결과 지수 b는 8.8A1-bronze, FQ900, STS316, SR50A합금에서 각각 약 5.62, 4.16, 6.25 그리고 8.1 로 나타났다. 정상 상태 구간에서의 F-N' 관계는 일정한 충격하중(F)과 함께 MDP가 1 μ이씩 증가하는데 필요한 충격횟수(M) 와의 관계를 통해 얻을 수 있었고, 결정된 지수 b 는 8.
- 8Al-bronze합금, FQ900, STS316, SR50 A에서 진폭변화에 따라 1분 동안 측정된 기포들의 충격하중 누적분포를 보여준다. 전반적으로 충격하중이 작은 기포들에 비해 충격하중이 큰 기포들의 개수가 현저히 적음을 볼 수가 있고, 케비테이션 진폭이 증가할수록 하중변화에 따라 붕괴되는 기포들의 개수가 증가하는 것으로 나타났다.
- 1 로 나타났다. 정상 상태 구간에서의 F-N' 관계는 일정한 충격하중(F)과 함께 MDP가 1 μ이씩 증가하는데 필요한 충격횟수(M) 와의 관계를 통해 얻을 수 있었고, 결정된 지수 b 는 8.8Al-bronze, FQ900, STS316, SR 50A 합금에서 각각 약 6.32, 5, 7.14, 7.76으로 나타났다.
- 케비테이션 침식실험 결과, 각 재료에 대한 잠복기 L 및 MDPR을 결정하였고, 화염급냉 처리에 의해 표면 개질된 FQ900의 경우 타 재료에 비해 침식 저항성이 현저히 향상되었다. 또한 케비테이션 진폭변화에 따른 충격하중 측정결과, 충격하중이 작은 기포들에 비해 큰 기포들의 개수가 현저히 적었고, 진폭이 증가할수록 하중변화에 따라 붕괴되는기포들의 개수가 증가하였다.
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