[논문]이종금속용접부 예방정비 방법에 따른 잔류응력 분포 고찰

송태광; 최영환; 박정순; 정해동; 오창영

doi:10.20466/kpvp.2011.7.4.001

문제 정의

즉, 보수 용접 및 각 예방정비 방법만을 고려하였다. 따라서 각 예방정비 방법의 정량적인 완화 효과보다는 정성적인 효과 및 그 원리를 중심으로 결과를 검토하였다.
본 논문에서는 현재 국내에서 이종금속용접부 예방정비 방법으로 사용하고 있거나, 향후 적용이 예상되는 덧씌우기 용접, MSIP 및 Inlay 용접을 대상으로 각방법이 이종금속용접부 잔류응력분포에 미치는 영향을 검토하였다. 이를 위해 국내 원전 가압기 밀림관 이종금속용접부를 대상으로 유한요소 해석을 수행하여 각 예방정비 방법이 잔류응력에 미치는 영향을 평가하였다.
본 연구에서는 국내 원전 가압기 밀림관 이종금속 용접부를 대상으로 PWSCC 예방정비 방법인 WOL, MSIP 및 Inlay 용접이 잔류응력 분포에 미치는 영향을 분석하였다. 이를 위해 밀림관 이종금속용접부 내면 보수용접을 가정하여 WOL, MSIP 및 Inlay 용접 수행에 대한 유한요소 해석을 수행하여 각 예방정비 방법이 이종금속용접부 잔류응력 분포에 미치는 영향을 분석하였다.
본 연구의 목적은 WOL, MSIP 및 Inlay 용접의 잔류응력 완화 효과를 비교/분석 하는 것이며, 각 예방 정비 방법에 대한 유한요소 해석 시 다음과 같은 가정을 하였다.
본 연구의 목적은 각 예방정비방법의 정성적인 효과를 비교/분석하는 것이기 때문에 경제적인 해석을 위해 이종금속용접 및 동종금속용접에 대한 시뮬레이션을 생략하였다. 즉, 보수 용접 및 각 예방정비 방법만을 고려하였다.

가설 설정

- 지그 끝단 (또는 하중 밴드의 끝단)은 용접부 중심으로부터 적어도 두께방향의 반 이상은 떨어져 있어야 한다.
그러나 본 연구의 목적은 예방정비 방법에 따른 잔류응력 완화 효과의 비교/분석이기 때문에 경제적인 해석을 위해 동종금속용접을 생략하고 보수적인 관점에서 이종금속용접부 내면에서 용접부 두께의 40% 깊이 및 원주방향 360° 길이의 보수용접을 가정하였다.
이는 보수용접 시 기존 용접부의 일부를 제거하면서 잔류응력이 재분배 및 완화 되었기 때문에 용접부 외면에서의 차이를 제외하면 잔류응력 분포가 유사하기 때문이다. 따라서 본 연구에서는 이종금속용접부에 의한 잔류응력을 고려하지 않았다.

제안 방법

WOL 적용 후 가압기 노즐이 반복하중에 대해 소성변형을 보이지 않음을 증명하기 위해 상온 조건에서 운전조건으로의 4차례의 반복하중에 대한 소성안정해석을 수행한 선행 연구 결과 노즐은 소성변형을 보이지 않았기 때문에 소성안정해석을 생략하였다⁷⁾. 그리고 수압시험 역시 가압기 노즐과 같이 반경/두께비가 5 이하인 노즐에서는 그 영향이 미미하기 때문에 수압시험에 대한 유한요소 해석을 생략하였다^7,12,26).
냉각 시간은 최대 층간온도(Maximum inter-pass temperature)인 170℃를 넘지 않게 설정하였으며 자연 대류 조건(h＝10W/m2K)을 적용하였다.
따라서 유한요소 해석 시 용융선으로부터 2.5mm 에서 최고온도가 850℃가 되도록 입열량을 제어하였으며 이 때, ABAQUS에서 제공하는 “UVARM”기능을 통해 이를 확인하였다.
5는 본 연구에서 고려한 유한요소 망을 나타낸다. 보수용접부는 40% 깊이에 대해 실제 비드 면적(18 mm²)을 고려하여 20개의 비드로 모델링하였다. Overlay 용접 시 WOL의 두께 및 길이는 3.
이를 위해 밀림관 이종금속용접부 내면 보수용접을 가정하여 WOL, MSIP 및 Inlay 용접 수행에 대한 유한요소 해석을 수행하여 각 예방정비 방법이 이종금속용접부 잔류응력 분포에 미치는 영향을 분석하였다. 본 연구는 각 예방정비 방법이 이종금속용접부 잔류응력 분포에 미치는 정성적인 영향을 분석/비교하는 것이기 때문에 경제적인 해석을 위해 이종금속용접 및 동종금속용접에 대한 시뮬레이션은 생략하였으며, 따라서 보수 용접 및 각 예방정비 방법만을 고려하였다. 본 연구의 결과는 다음과 같다.
유한요소 해석 시 일련의 비드는 ABAQUS에서 제공하는 요소 재 생성 기술(model change option)을 통해 구현하였다. 용접에 의한 열해석은 잠열을 고려해야 하므로 잠열 계산에 정확한 1차 요소를 사용하였으며^26,27), 체적 플럭스를 통해 입열을 가하였다. 입열 시간 및 입열량은 용접절차시방서(WPS, Welding Procedure Specification)를 통해 산출하였다.
응력 해석 시 재 용융에 따른 응력풀림효과(Annealing effet)는 ABAQUS에서 제공하는 “Anneal Temperature”옵션을 통해 구현하였다.
9에서 “심벌＋실선”은 보수 용접된 이종금속 용접부에 MSIP를 수행 하였을 때, 축 방향 및 원주 방향으로 발생하는 잔류응력 분포를 나타낸다. 이 때, 배관에는 원주방향으로 배관 직경의 0.2%, 1.0% 및 2.0%에 해당하는 영구변형을 가하였다. 그림에서와
절에서 언급한 바와 같이 지그는 이종금속용접부의 중심에서 배관 두께의 2∼12배 만큼 떨어져야 하며, 지그 끝단에서 이종금속용접부 중심까지의 거리가 최소 배관 두께의 반 이상이야 한다. 이 조건을 만족하기 위해서는 지그 폭이 동종금속용접부를 포함하므로 Fig. 6과 같이 동종금속용접부 양쪽으로 밴드를 설계하였으며⁹⁾, 지그 폭은 배관 두께의 1.9배로 설정하였다.
본 논문에서는 현재 국내에서 이종금속용접부 예방정비 방법으로 사용하고 있거나, 향후 적용이 예상되는 덧씌우기 용접, MSIP 및 Inlay 용접을 대상으로 각방법이 이종금속용접부 잔류응력분포에 미치는 영향을 검토하였다. 이를 위해 국내 원전 가압기 밀림관 이종금속용접부를 대상으로 유한요소 해석을 수행하여 각 예방정비 방법이 잔류응력에 미치는 영향을 평가하였다.
본 연구에서는 국내 원전 가압기 밀림관 이종금속 용접부를 대상으로 PWSCC 예방정비 방법인 WOL, MSIP 및 Inlay 용접이 잔류응력 분포에 미치는 영향을 분석하였다. 이를 위해 밀림관 이종금속용접부 내면 보수용접을 가정하여 WOL, MSIP 및 Inlay 용접 수행에 대한 유한요소 해석을 수행하여 각 예방정비 방법이 이종금속용접부 잔류응력 분포에 미치는 영향을 분석하였다. 본 연구는 각 예방정비 방법이 이종금속용접부 잔류응력 분포에 미치는 정성적인 영향을 분석/비교하는 것이기 때문에 경제적인 해석을 위해 이종금속용접 및 동종금속용접에 대한 시뮬레이션은 생략하였으며, 따라서 보수 용접 및 각 예방정비 방법만을 고려하였다.
용접에 의한 열해석은 잠열을 고려해야 하므로 잠열 계산에 정확한 1차 요소를 사용하였으며^26,27), 체적 플럭스를 통해 입열을 가하였다. 입열 시간 및 입열량은 용접절차시방서(WPS, Welding Procedure Specification)를 통해 산출하였다. 냉각 시간은 최대 층간온도(Maximum inter-pass temperature)인 170℃를 넘지 않게 설정하였으며 자연 대류 조건(h＝10W/m²K)을 적용하였다.
본 연구의 목적은 각 예방정비방법의 정성적인 효과를 비교/분석하는 것이기 때문에 경제적인 해석을 위해 이종금속용접 및 동종금속용접에 대한 시뮬레이션을 생략하였다. 즉, 보수 용접 및 각 예방정비 방법만을 고려하였다. 따라서 각 예방정비 방법의 정량적인 완화 효과보다는 정성적인 효과 및 그 원리를 중심으로 결과를 검토하였다.

대상 데이터

이 포함된 밀림관 노즐의 단면도를 나타낸다. WOL은 PWSCC에 대한 저항성이 큰 Alloy 690계열의 용접재료인 Alloy 52/152 재료가 사용된다.
그러나 최근 이종금속용접부에서 발생한 일련의 균열 사고에서 알 수 있듯이 Alloy 600계열 재료는 PWSCC 에 민감한 것으로 밝혀졌다. 따라서 WOL 및 Inlay 용접에 사용될 재료는 Alloy 600재료에 C_r 함량을 높여 PWSCC에 대한 저항성을 높인 Alloy 690계열 재료 (Alloy 52/152)가 사용된다. Alloy 52M은 Alloy 52 용접재에서 발생하는 고온균열에 대한 저항성을 높이기 위해 개발된 재료이다.
Table 2에서와 같이 밀림관 노즐은 저합금강(low alloy steel), 스테인레스강 (stainless steel) 및 다양한 용접재가 사용된다. 버터링 및 이종금속용접부에 쓰이는 Alloy 82/182는 니켈기 합금(Ni-based alloy)인 Alloy 600에 대한 용접재료로서 용접성 및 인성이 높아 설계 당시 사용되었다. 그러나 최근 이종금속용접부에서 발생한 일련의 균열 사고에서 알 수 있듯이 Alloy 600계열 재료는 PWSCC 에 민감한 것으로 밝혀졌다.
재료 물성은 문헌^15-17), 설계 코드¹⁸⁾ 및 제작사의 실험값¹⁹⁾ 등을 통해 확보하였다.

이론/모형

본 연구에서는 잔류응력 해석을 위해 상용 유한요소해석 프로그램인 ABAQUS를 사용하였다. 유한요소 해석 시 일련의 비드는 ABAQUS에서 제공하는 요소 재 생성 기술(model change option)을 통해 구현하였다.
본 연구에서는 잔류응력 해석을 위해 상용 유한요소해석 프로그램인 ABAQUS를 사용하였다. 유한요소 해석 시 일련의 비드는 ABAQUS에서 제공하는 요소 재 생성 기술(model change option)을 통해 구현하였다. 용접에 의한 열해석은 잠열을 고려해야 하므로 잠열 계산에 정확한 1차 요소를 사용하였으며^26,27), 체적 플럭스를 통해 입열을 가하였다.
재료 거동은 증분소성이론(incremental plasticity theory)을 따르며 바우싱거효과(Bauchinger’s effect)를 고려하기 위해 비선형 이동성 경화 모델(non-linear kinematic hardening model)을 사용하였다16,28).

성능/효과

PWR에는 1993년 최초로 적용되었으며¹³⁾, 국내 원전의 경우에도 2009년 고리 1호기 가압기 노즐에 최초 적용된 이후 확대 적용 중이다. WOL은¹⁾ 두께 보강을 통해 배관의 기계적 강성을 보강하고,²⁾ PWSCC에 대한 민감도가 낮은 재료(Alloy 690계열)를 사용하여 기존 이종금속용접부 완전 관통 균열 시 PWSCC에 대한 추가 균열 진전을 억제하며,³⁾ 이종 금속용접부 내면에 압축 잔류응력을 야기하여 균열 성장 및 발생을 억제하는 효과가 있다. 그러나 WOL 수행에는 비용 및 시간이 많이 소요되므로 고온관 및 저온관 노즐과 같은 대구경 배관에 대해서는 적용이 어려우며, 이로 인해 국내 원전에서도 가압기 밀림관, 안전/방출 및 분무노즐 이종금속용접부에만 적용되고 있다.
. 대부분의 기존 연구 결과는 안전단 없이 노즐 및 배관이 이종금속용접으로 연결되어 있으므로 같은 형상을 모사하여 잔류응력해석을 수행하였으며 그 결과 잘 일치함을 확인할 수 있었다.
따라서 MSIP는 배관 내면에서 50% 이하 범위에 대해 효과적인 예방정비 방법이다. 유한요소 해석 결과 1.0%의 원주방향 변형량에서 MSIP의 효과가 포화 (saturation)되는 것을 확인할 수 있었다.

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	WOL방법이란 무엇인가?	대표적인 예방정비 방법에는 덧씌우기 용접(WOL, Weld overlay), 기계적응력개선법(MSIP, Mechanical Stress Improvement Procedure), Inlay/Onlay 용접, Laser shock peening, Water jet peening 및 고주파가열잔류 응력개선법(IHSI, Induction Heating Stress Improvement) 등이 있으며, 현재 국내 원전에는 WOL 만이 적용되고 있다. WOL은 이종금속용접부 배관의 강성을 보강 하고, 이종금속용접부 내면에 압축잔류응력을 가하여 PWSCC 발생을 예방하는 방법으로서 신뢰성이 높아 국내외적으로 널리 적용되고 있다13). MSIP 및 Inlay 용접은 아직 국내에서 적용은 되지 않았지만 미국 및일본에서 검증 및 적용 되었다8-9).
	Laser shock peening 및 water jet peeing 방법의 한계점은 무엇인가?	Laser shock peening 및 water jet peeing 은 표면 처리 기술이므로 이종금속용접배관의 형상 변형과 야금학적 조직 변화 없이 이종금속용접부 표면에 압축응력을 발생시킬 수 있다. 그러나 잔류응력 완화 효과가 표면에 한정되고, 장비 개발 및 제어에 비용 부담이 크며 고도의 기술이 필요하므로 MSIP, Inlay 용접과 비교하여 국내 원전에 적용될 가능성이 현재로서는 낮다. IHSI 방법은 일본에서 개발 및 적용 되었으나14) IHSI를 적용한 용접부에서 균열이 발생한 사례가 있어 US NRC의 승인을 받지 못한 상태이며, PWR에 적용된 사례는 지금까지 없다.
	대표적인 예방정비 방법에는 어떠한 것들이 있는가?	대표적인 예방정비 방법에는 덧씌우기 용접(WOL, Weld overlay), 기계적응력개선법(MSIP, Mechanical Stress Improvement Procedure), Inlay/Onlay 용접, Laser shock peening, Water jet peening 및 고주파가열잔류 응력개선법(IHSI, Induction Heating Stress Improvement) 등이 있으며, 현재 국내 원전에는 WOL 만이 적용되고 있다. WOL은 이종금속용접부 배관의 강성을 보강 하고, 이종금속용접부 내면에 압축잔류응력을 가하여 PWSCC 발생을 예방하는 방법으로서 신뢰성이 높아 국내외적으로 널리 적용되고 있다13).

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