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문제 정의
- 본 논문에서는 다양한 결함 형상과 위치를 고려한 감육 곡관 시편을 이용하여 파열시험을 수행하였다. 파열시험 결과로부터 손상압력에 미치는 감육결함의 형상과 위치에 따른 영향을 살펴보았다.
- 4는 파열시험 후 손상된 시편을 보여주는 것으로 대부분의 시편은 결함부에서 부풀어 오른 후 축 방향의 균열이 발생하였다. 본 연구에서는 시험 결과로부터 감육 곡 관의 손상압력에 미치는 결함 형상과 위치에 따른 영향을 살펴보았다.
- 여기서는 기존의 감 육 곡관에 대한 손상압력평가 모델의 신뢰성을 확인하기 위해서, 기존의 손상압력 평가 모델과 파열시험에서 주어진 손상압력 데이터를 비교하여 살펴보았다.
제안 방법
- 초기 5 MPa 까지는 가압속도를 높이 기 위해 수동펌프와 자동 고압 펌프를 동시에 가동하고, 그 이상에서는 고압 펌프만을 이용하여 손상 발생 시까지 가압하였다. 가압 속도를 일정하게 유지하기 위해서 내압의 크기에 따라 유량을 조절하여 약 IMPa/min의 가압 속도를 유지하였다.
- 시편은 수압을 이용하여 가압하였으며, 가압장치는 수동 펌프와 자동 고압 펌프로 구성된다. 가압 시 두 장치를 동시에 가동하거나, 자동 고압 펌프만을 가동하여 가압할 수 있도록 설계되었다. 여기서 사용된 고압 펌프의 최대 허용 운전압력은 40MI& 이다.
- 감육결함은 곡 관의 내호면 또는 외호면 중심에 가공되었으며, 원주방향과 길이 방향 모두 원형이 되도록 설계하였다. 구매된 상태에서 곡관의 외경과 길이, 그리고 곡률반경 등이 일정하지 않기 때문에 감육결함의 가공에 앞서 곡관의 외부를밀링 가공하여 일정한 외경 (D°= 113.
- 4 mm)과 길이, 그리고 반경이 되도록 하였다. 감육결함은 일정하게 가공된 외경을 기준으로 곡관 내부에 가공됨으로써, 결함부에서 일정한 형상과 두께가 되도록 하였다. 결함 가공이 완료된 곡관의 양단에 직관을 용접하고, 직관의 끝단에는 플랜지를 용접하여 내압을 지탱할 수 있도록 하였다.
- 감육결함은 일정하게 가공된 외경을 기준으로 곡관 내부에 가공됨으로써, 결함부에서 일정한 형상과 두께가 되도록 하였다. 결함 가공이 완료된 곡관의 양단에 직관을 용접하고, 직관의 끝단에는 플랜지를 용접하여 내압을 지탱할 수 있도록 하였다.
- 설계하였다. 구매된 상태에서 곡관의 외경과 길이, 그리고 곡률반경 등이 일정하지 않기 때문에 감육결함의 가공에 앞서 곡관의 외부를밀링 가공하여 일정한 외경 (D°= 113.4 mm)과 길이, 그리고 반경이 되도록 하였다. 감육결함은 일정하게 가공된 외경을 기준으로 곡관 내부에 가공됨으로써, 결함부에서 일정한 형상과 두께가 되도록 하였다.
- 10은 파열시험을 통해 확보된 감육 곡 관의 손상압력 데이터를 기존의 손상압력 평가 모델과 비교하여 나타낸 것이다. 그림에서 알 수 있는 것과 같이 감 육 곡관에 대한 기존의 평가 모델은 전체적으로 감육 곡관에 대한 손상압력을 보수적으로 평가하였다. 특히, 두 모델 모두 내호면 결함을 갖는 곡 관의 손상압력 예측에서 큰 보수성을 보였다.
- 따라서, 본 연구에서는 다양한 결함 길이, 깊이, 원주방향 폭의 감육결함을 곡 관의 내호면(intrados) 또는 외호면 (extrados)에 가공한 실 배관 시편을 이용하여 파열시험을 수행하였다. 이들 결과로부터 곡관의 손상압력에 미치는 감육결함의 형상과 위치에 대한 영향을 파악하였다.
- 파열시험 결과로부터 손상압력에 미치는 감육결함의 형상과 위치에 따른 영향을 살펴보았다. 또한, 손상압력 데이터를 기존의 손상압력 평가 모델과 비교함으로써 기존의 손상압력평가 모델의 신뢰성을 확인하였다. 이를 통해 다음과 같은 결론을 얻었다.
- 이들 결과로부터 곡관의 손상압력에 미치는 감육결함의 형상과 위치에 대한 영향을 파악하였다. 또한, 이들 결과를 기존의 감육곡관 손상압력 평가 모델과 비교함으로써, 기존의 감 육 곡관 손상압력평가 모델에 대한 신뢰성을 확인하였다.
- 2에 나타낸 것과 같이 시편을 장착하기 위한 시험대 (Test bed), 가압장치, 그리고 데이터 취득 장치로 구성된다. 시험대는 시편의 양 끝단을 힌지 형태로 고정할 수 있도록 설계되었으며, 한쪽 끝단의 힌지는 고정되어 있으며 다른 쪽 힌지는 가압에 따른 시편의 변형을 허용할 수 있도록 미끌림이가능하게 설계되었다. 시편은 수압을 이용하여 가압하였으며, 가압장치는 수동 펌프와 자동 고압 펌프로 구성된다.
- 이들 결과로부터 곡관의 손상압력에 미치는 감육결함의 형상과 위치에 대한 영향을 파악하였다. 또한, 이들 결과를 기존의 감육곡관 손상압력 평가 모델과 비교함으로써, 기존의 감 육 곡관 손상압력평가 모델에 대한 신뢰성을 확인하였다.
- 제작이 완료된 시편의 곡관부에 원주방향과 길이 방향으로 일정한 간격의 격자를 그리고, 가공된 결함의 형상 및 두께를 확인하기 위해 각 격자점에서 초음파 두께 측정 장비를 이용하여 두께를 측정하였다. 두께 측정이 완료된 시편은 변형률 게이지 부착을 위해 표면을 연마하고, 연마 후 결함부의 두께를 다시 측정하여 연마에 의한 두께 감소를 확인하였다.
- 데이터 취득 장치는 Data Logger와 데이터 취득 프로그램이 설치된 PC로 구성되며, 가압하는 동안 시편에 부착된 게이지로부터 결함부의 변형률, 내압, 시편 끝단의 변위 등을 초당 1회씩 취득할 수 있다. 추가적으로 2대의 비디오카메라를 설치하여 가압에 의한 결함부의 변형과 손상 발생 등 전체시험 과정을 관찰하고 기록할 수 있돌고 하였다. Fig.
- 파열시험 결과로부터 손상압력에 미치는 감육결함의 형상과 위치에 따른 영향을 살펴보았다. 또한, 손상압력 데이터를 기존의 손상압력 평가 모델과 비교함으로써 기존의 손상압력평가 모델의 신뢰성을 확인하였다.
대상 데이터
- 시험 결과에서 손상압력에 미치는 감육결함의길이, 원주방향 폭, 깊이, 그리고 위치 등에 대한영향을 확인하기 위해서, 총 18종류의 19개 시편이 시험에 사용되었다. Table2는 각 시편의 결함 형상과 위치를 나타낸 것이다.
- Table 1은 시험에 사용된 곡관의 인장 물성치를 정리한 것으로, 실제 곡 관의 내호면과 외 호면에서 원주방향으로 채취한 시편을 이용하여 시험한 결과이다. 인장시험에는 직경이 2mm이고 게이지 길이가 12mm인 봉상시 편이 사용되었으며, 각 위치별로 3회씩 시험을 수행하였다. Table 1에서 알 수 있는 것과 같이 곡관부에서 위치에 따른 기계적 물성치의 편차는 거의 없었으며, 이는 고온 포밍을 통해곡관을 제조하였기 때문으로 판단된다.
- 파열시험에는 Fig. 1과 같이 양단에 일정 길이의 직관을 연결한 곡관 시편이 이용되었다. 곡관 재료는 ASTM A234 WPB이고, 연결 직관은 ASTM A106 Gr.
성능/효과
- (1) 감 육 곡관에서 손상압력은 결함 길이에 따라 지수 함수적으로, 결함 깊이에 따라 거의 선형적으로 변화하는 경향을 보였으며, 이러한 경향은 감육 직관에서와 일치한다. 반면, 곡관에서감육결함의 원주방향 폭에 따른 손상압력의 변화 경향은 직관에서와 달리 뚜렷한 감소를 보였다.
- (2) 감육결함의 형상이 동일한 경우에는 감육결함이 곡관의 외 호면보다 내 호면에 존재할 때 낮은 손상압력을 보였다.
- (3) 기존의 감 육 곡관 손상압력 평가 모델은 모든 조건에서 파열시험 결과를 보수적으로 예측하였으며, 특히 내호면 감육 곡관에서 큰 보수성을 보였다.
- (4) Li의 모델에 비해 Kim의 모델이 상대적으로 정확하게 감 육 곡 관의 손상압력을 예측하였으나, 원주방향 결함 폭에 대한 영향은 적절히 예측하지 못하는 한계를 보였다.
- 그림에서 알 수 있는 것과 같이 실제 결함 길이를 적용하여 손상압력을 비교한 결과, 외 호면에 비해 내호면 결함을 갖는 곡관이 낮은 손상압력을 보였다. 따라서, 감육결함의 형상이 동일하다면, 감육결함이 곡 관의 외 호면보다 내호면에 존재할 때 낮은 손상압력을 보이는 것을 파열시험 결과에서 확인할 수 있었다.
- 그림에서 알 수 있는 것과 같이 결함의 위치에 관계없이 원주 방향 결함 폭이 증가함에 따라 손상압력이 감소하였다. 원주 방향 폭이 0/lt =0.125에서 0.5로 증가함에 따라 손상압력이 약 20% 정도 감소하였으며, 그 이상에서는 손상압력의 변화가 크지 않았다.
- 있는 것과 같이 결함의 위치에 관계없이 결함 길이가 짧아질수록 손상압력이 지수 함수적으로 증가하며, 결함의 등가 길이가 L/D°=1.5에서 0.5로 짧아짐에 따라 손상압력이 내호면 결함의 경우 약 51 %, 외호면 결함의 경우 약 25% 정도 증가하였다. 결함의 등가 길이가 L/D° = 0.
- 특히, 두 모델 모두 내호면 결함을 갖는 곡 관의 손상압력 예측에서 큰 보수성을 보였다. 전체적으로 Kim의 모델이 Li의 모델에 비해 상대적으로 손상압력을 정확하게 예측하였으며, 외호면 결함의 경우에는 모든 결함 형상에서 파열시험 결과와 최대 30 % 이내의 데이터 편차를 보였다. 또한, Kim의 모델은 결함의 길이와 깊이에 따른 손상압력의 변화 경향을 적절히 예측하고 있는 것을 알 수 있다.
- 그림에서 알 수 있는 것과 같이 감 육 곡관에 대한 기존의 평가 모델은 전체적으로 감육 곡관에 대한 손상압력을 보수적으로 평가하였다. 특히, 두 모델 모두 내호면 결함을 갖는 곡 관의 손상압력 예측에서 큰 보수성을 보였다. 전체적으로 Kim의 모델이 Li의 모델에 비해 상대적으로 손상압력을 정확하게 예측하였으며, 외호면 결함의 경우에는 모든 결함 형상에서 파열시험 결과와 최대 30 % 이내의 데이터 편차를 보였다.
후속연구
- (5) 따라서, 감육곡관에 대한 신뢰성 있는 손상압력 평가모델의 개발이 필요하며, 본 연구의 파열시험 결과는 이들 모델의 개발과 검증에 유용하게 활용될 수 있을 것이다.
- 이들 연구에서는 감 육 곡관에 대한 손상압력 평가 모델을 제시하였으나, 감 육 곡관에 대한 손상압력 시험 데이터의 부재로 인해 모델의 신뢰성을 검증하지 못하고 있는 실정이다. 원전 배관에 작용하는 가장 기본적인 하중이 내압이고 실제 대부분의 감 육 배관이 파열에 의해 손상되는 것을 고려할 때, 감 육 배관에 대한 건전성 확보를 위해서는 신뢰성 있는 손상압력 평가 모델의 개발과 이를 검증하기 위한 실험 데이터의 확보가 필요하다.
- 이들 결과로부터 감 육 곡관에 대한 손상압력을 보다 정확하게 평가하기 위해서는 기존 감육 곡관 손상압력 평가 모델의 개선이 필요하다는 알것을 알 수 있다.
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