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문제 정의
- 본 논문에 원전의 용접부위에 대한 잔류응력 측정 기술에 관한 연구현안을 정리하였으며 최근 전력연구원에서 수행한 연구 내용을 소개하였다.
- 잔류응력 측정 관련한 주요 현안과 최근에 수행하였던 연구 내용 및 결과를 소개하였다. 본 논문을 통해 도출된 주요 결론은 다음과 같다.
제안 방법
- 17, 18과 같다. Fig. 17과 같이 노즐 외면 5지점과 내면 3지점을 구멍뚫기법으로 측정한 후, Fig. 18과 같이 노즐의 내면과 외면에 스트레인게이지를 설치한 상태에서 블록을 절단해가면서 변형율을 측정함으로써 두께내부의 잔류응력을 측정하였다. 측정결과를 유한요소해석 결과와 함께 Fig.
- Fig. 3과 같이 가공된 반원 홈시편 양단에 압축하중을 작용시킨 후 잔류응력 측정을 시도하였다. 재료는 TP316L 스테인리스강과 SA508 Gr.
- 9, 10, 11에 나타내었다. 구멍뚫기법은 스트레인 게이지 로제트의 크기 때문에 측정 간격을 30mm 간격으로 하였으며 X-ray 회절법과 계장압입법은 10mm 간격으로 측정하였다. 전체적인 경향은 측정방법에 관계없이 유사한 경향을 나타내었고 절대적인 값은 X-ray 회절법에 의한 값이 가장 크게 측정되었다.
- 시편에 가해지는 압축하중의 크기는 홈 중심에서 측정된 축방향 변형률이 유한요소 해석결과에서 1.0 mm의 압축변위가 시편에 가해질 때의 축방향 변형률과 일치하는 하중의 크기를 적용하였다. 이에 해당하는 하중이 SA508 Gr.
- 실험시편으로서 원자력발전소 배관재료로 사용되는 TP304 재료를 선택하였으며 Fig. 6과 같이 평판 표면에 One-pass 용접을 수행한 후 도시된 선을 따라 잔류응력을 측정하였다. 평판은 냉간압연상태 로서 시편의 크기는 180(l)×120(w)×16.
- 원자력발전소 가압기 노즐 용접에 사용되고 있는 SA508과 F316L 및 Alloy 82/182 재료를 사용하여 평판 맞대기 용접시편을 제작하고 잔류응력에 대한 측정과 해석을 수행하였다. 측정은 구멍뚫기법에 의해서만 수행되었다(11).
- 원자력발전소 실제 가압기와 동일한 형상과 재질로서 시편을 제작하고 그에 대한 잔류응력측정과 해석을 수행하였다. 사용된 재료 및 시편의 형상은 각각 Table 1 및 Fig.
대상 데이터
- 재료는 TP316L 스테인리스강과 SA508 Gr. 3 저합금강을 각각 사용하였다.
- 3는 6300kgf이고 TP316L은 3650kgf이었다. 재료별로 3개의 시편을 사용하였다. 잔류응력측정은 X-ray회절법을 사용하였으며 측정 결과를 유한요소해석결과와 함께 Fig.
- 평판은 냉간압연상태 로서 시편의 크기는 180(l)×120(w)×16.1(t)mm, 용접길이는 60mm, 용접폭은 약 10mm이었다.
이론/모형
- 측정은 구멍뚫기법과 절단법을 사용하였다. 외면과 내면에 대한 측정은 구멍뚫기법을, 두께내부에 대한 측정은 절단법 (BRSL : Block removal and splitting layer)을 사용하였다. 각각에 대한 스트레인게이지 부착위치는 Fig.
- 1(t)mm, 용접길이는 60mm, 용접폭은 약 10mm이었다. 용접방법은 가스텅스텐아크용접(GTAW)을 사용 하였다9,10).
- 측정은 구멍뚫기법(Hole Drilling Method: HRD), X-ray 회절법(X-ray Diffraction: XRD), 계장압입법(Instrumentation Indentation Technique: IIT)의 3가지 방법을 사용하였다. 용접전 잔류응력상태를 구멍뚫기법과 X-ray 회절법으로 측정하였으며 결과는 각각 Fig. 7, 8과 같았다.
- 재료별로 3개의 시편을 사용하였다. 잔류응력측정은 X-ray회절법을 사용하였으며 측정 결과를 유한요소해석결과와 함께 Fig. 4, 5에 나타내었다8).
- 측정은 구멍뚫기법(Hole Drilling Method: HRD), X-ray 회절법(X-ray Diffraction: XRD), 계장압입법(Instrumentation Indentation Technique: IIT)의 3가지 방법을 사용하였다. 용접전 잔류응력상태를 구멍뚫기법과 X-ray 회절법으로 측정하였으며 결과는 각각 Fig.
- 측정은 구멍뚫기법과 절단법을 사용하였다. 외면과 내면에 대한 측정은 구멍뚫기법을, 두께내부에 대한 측정은 절단법 (BRSL : Block removal and splitting layer)을 사용하였다.
성능/효과
- 1. 재료가 가지고 있는 잔류응력은 재료의 생성과정에서 사용에 이르기까지 수많은 과정을 통해 누적된 것이므로 측정결과를 절삭가공 또는 용접과 같은 단일 공정의 해석결과와 비교할 때는 편차가 발생할 수 있음을 유의해야 한다.
- 2. 용접에 의한 잔류응력은 용접중심부, 용접경계부 및 모재부에 이르기까지 응력의 변화가 매우 크므로 잔류응력 측정시에는 측정방법별 특성을 고려하여 적절한 측정방법을 선택하여야 한다. 구멍뚫기법으로 측정할 수 있는 최소간격은 스트레인게이지 직경에 의존하며 약 20mm 정도이다.
- 3. 구멍뚫기법과 계장압입법에 비해서 엑스선회절법은 금속표면 투과깊이가 약 20µm 정도로 매우 얕으므로 재료표면상태 및 재료의 결정입자크기에 매우 민감하다.
- 4. 표면용접평판시편, 이종평판 맞대기용접 시편 및 이종노즐 맞대기용접 시편 모두 용접부 외곽표면에는 높은 인장잔류응력이 형성되는 것으로 확인되었다.
- 5. 이종금속 노즐 맞대기용접시편에서는 용접부 주변에서 내면에는 압축원환잔류응력이 형성되고 외면에는 인장원환잔류응력이 형성됨이 확인되었다.
- 6. 측정 및 유한요소해석에 불확실성이 있음에도 불구하고 대체적으로 경향 및 크기가 일치하는 것이 확인되었다.
- 5mm 깊이에서는 거의 ‘0’에 근접하였다. X-ray 회절법으로 측정된 값은 표면에서 압연방향이 -352.9MPa, 압연수직방향이 -365.5MPa이고 0.15 mm 부근에서는 각각 -215MPa, -165MPa이었다.
- 구멍뚫기법은 스트레인 게이지 로제트의 크기 때문에 측정 간격을 30mm 간격으로 하였으며 X-ray 회절법과 계장압입법은 10mm 간격으로 측정하였다. 전체적인 경향은 측정방법에 관계없이 유사한 경향을 나타내었고 절대적인 값은 X-ray 회절법에 의한 값이 가장 크게 측정되었다. 구멍뚫기법과 계장압입법은 비교적 비슷한 값을 나타내었다.
- 12에 나타내었다. 측정값과 해석값이 비교적 잘 일치하였다.
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