원자력발전소의 이종용접부에서 일차응력부식균열이 발생하고 있으며 용접부의 잔류응력이 균열발생 및 성장에 기여할 수 있다. 용접부의 잔류응력은 기본적으로 용접에 의해 형성되지만 기계가공에 의해 표면잔류 응력상태가 변화할 수 있다. 본 논문에서는 기계가공이 원전재료인 SA508과 오스테나이트 스테인리스강에 표면잔류응력에 미치는 영향을 평가하였다. 이를 위해 SA508, TP304, F316L 재료를 연마, 연삭, 방전가공으로 가공한 후 표면에 형성되는 잔류응력을 측정하였다. 측정방법은 구멍뚫기법과 엑스선회절법을 사용하였다. 기계가공방법에 따라 각 재료에 미치는 잔류응력의 크기 및 방향, 잔류응력이 형성되는 깊이 등의 특성을 확인하였다.
원자력발전소의 이종용접부에서 일차응력부식균열이 발생하고 있으며 용접부의 잔류응력이 균열발생 및 성장에 기여할 수 있다. 용접부의 잔류응력은 기본적으로 용접에 의해 형성되지만 기계가공에 의해 표면잔류 응력상태가 변화할 수 있다. 본 논문에서는 기계가공이 원전재료인 SA508과 오스테나이트 스테인리스강에 표면잔류응력에 미치는 영향을 평가하였다. 이를 위해 SA508, TP304, F316L 재료를 연마, 연삭, 방전가공으로 가공한 후 표면에 형성되는 잔류응력을 측정하였다. 측정방법은 구멍뚫기법과 엑스선회절법을 사용하였다. 기계가공방법에 따라 각 재료에 미치는 잔류응력의 크기 및 방향, 잔류응력이 형성되는 깊이 등의 특성을 확인하였다.
Primary water stress corrosion cracking has occurred in dissimilar weld areas in nuclear power plants. Residual stress is a driving force in the crack. Residual stress may be generated by weld or surface machining. Residual stress due to surface machining depends on the machining method, e.g., milli...
Primary water stress corrosion cracking has occurred in dissimilar weld areas in nuclear power plants. Residual stress is a driving force in the crack. Residual stress may be generated by weld or surface machining. Residual stress due to surface machining depends on the machining method, e.g., milling, grinding, or EDM. The stress is usually distributed on or near the surface of the material. We present the measured residual stress for machining on SA 508 and austenitic stainless steels such as TP304 and F316. The residual stress can be tensile or compressive depending on the machining method. The depth and the magnitude of the residual stress depend on the material and the machining method.
Primary water stress corrosion cracking has occurred in dissimilar weld areas in nuclear power plants. Residual stress is a driving force in the crack. Residual stress may be generated by weld or surface machining. Residual stress due to surface machining depends on the machining method, e.g., milling, grinding, or EDM. The stress is usually distributed on or near the surface of the material. We present the measured residual stress for machining on SA 508 and austenitic stainless steels such as TP304 and F316. The residual stress can be tensile or compressive depending on the machining method. The depth and the magnitude of the residual stress depend on the material and the machining method.
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문제 정의
본 연구는 용접모형의 잔류응력해석 및 측정연구과정에서 해석값과 측정값 사이에 편차가 발생하는 것을 발견하고 그 원인을 규명하기 위한 작업의 일환으로 수행되었으며 본 논문에서는 용접 후 표면처리를 위한 기계가공과정에서 발생하는 응력과 일차수응력부식균열 생성간의 상관관계를 고찰하였다. 이를 위해 원자력발전소의 노즐 및 배관재료로 사용되는 SA508 탄소강과 TP304, F316L 오스테나이트 스테인리스강으로 시편을 제작하고 밀링(milling), 연마(grinding), 방전가공(EDM: electric discharge machining)의 다른 기계가공작업을 부가하여 각각의 기계가공이 재료표면에 부가하는 잔류응력을 측정하였다.
제안 방법
오스테나이트 F316L 스테인리스강은 원자력발전소 가압기 노즐의 안전단 및 배관재료로 사용된다. 3 개의 F316L 시편을 방전가공으로 40 mm x 40 mm x 10 mm 로 1 차 가공한 후, 다시 밀링, 연마, 방전가공으로 각각 3 mm 를 추가 가공하여 표면에서의 잔류응력을 측정하였다. 잔류응력측정은 엑스선회절법을 이용하였고 측정장비는 RIGAKU 사의 MSF-3M 를 사용하였다.
구멍뚫기법으로는 2 mm 깊이까지 천공한 상태로 약 0.25 mm 깊이마다 데이터를 취득하였고 엑스선회절식은 0.25 mm 깊이까지 50 μm 깊이씩 전해연마를 수행하면서 데이터를 취득하였다.
원자력발전소 배관재료인 TP304 오스테나이트 스테인리스강을 냉간압연한 판재를 180 mm x 120 mm x 16.1 mm 로 절단한 시편에 대해서 구멍뚫기법, 엑스선회절법, 계장압입법의 세 가지 방법으로 표면잔류응력을 측정하였다. 구멍뚫기법으로는 SA508 의 경우와 동일하게 Vishay 사의 RS200 천공 장비와 엔드밀을 사용하였고 스트레인게이지는 MM 사의 CEA-06-062UL-120 을 사용하였다.
원자력발전소의 압력용기재료인 SA508 강 시편 3 개를 Fig. 1, 2 와 같이 100 mm x 100 mm x 10 mm 로 제작하여 밀링(M), 연마(G), 방전가공(E)을 수행하고 가공 전후의 잔류응력을 측정하였다. 측정은 Vishay 사의 RS200 천공장비와 엔드밀을 사용하였고 스트레인게이지는 MM 사의 CEA-06-062UL120 을 사용하였다.
원자력발전소의 압력용기재료인 SA508 탄소강과 노즐안전단 및 배관재료인 TP304, F316L 스테인리스강의 기계가공에 의한 표면잔류응력을 측정하였고 다음과 같은 결과를 얻을 수 있었다.
본 연구는 용접모형의 잔류응력해석 및 측정연구과정에서 해석값과 측정값 사이에 편차가 발생하는 것을 발견하고 그 원인을 규명하기 위한 작업의 일환으로 수행되었으며 본 논문에서는 용접 후 표면처리를 위한 기계가공과정에서 발생하는 응력과 일차수응력부식균열 생성간의 상관관계를 고찰하였다. 이를 위해 원자력발전소의 노즐 및 배관재료로 사용되는 SA508 탄소강과 TP304, F316L 오스테나이트 스테인리스강으로 시편을 제작하고 밀링(milling), 연마(grinding), 방전가공(EDM: electric discharge machining)의 다른 기계가공작업을 부가하여 각각의 기계가공이 재료표면에 부가하는 잔류응력을 측정하였다.
대상 데이터
06 mm 이었고 시편당 3 지점을 측정하였다. 각 시편은 스트레인 게이지 부착을 위하여 시편표면에 핸드폴리셔와 사포를 이용하여 Gr.400, Gr.600, Gr.1000 의 순서로 표면처리되었다. 기계가공조건은 Table 1 에, 측정 결과는 Table 2 와 Table 3 에 나타내었다.
1 mm 로 절단한 시편에 대해서 구멍뚫기법, 엑스선회절법, 계장압입법의 세 가지 방법으로 표면잔류응력을 측정하였다. 구멍뚫기법으로는 SA508 의 경우와 동일하게 Vishay 사의 RS200 천공 장비와 엔드밀을 사용하였고 스트레인게이지는 MM 사의 CEA-06-062UL-120 을 사용하였다. 엑스선회절식 잔류응력 측정장비는 Stresstech 사의 XSTRESS 3000 을, Target 은 망간을 사용하였다.
구멍뚫기법으로는 SA508 의 경우와 동일하게 Vishay 사의 RS200 천공 장비와 엔드밀을 사용하였고 스트레인게이지는 MM 사의 CEA-06-062UL-120 을 사용하였다. 엑스선회절식 잔류응력 측정장비는 Stresstech 사의 XSTRESS 3000 을, Target 은 망간을 사용하였다. 계장압입법 잔류응력측정장비는 프론틱스사의 AIS 3000 을 사용하였다.
1, 2 와 같이 100 mm x 100 mm x 10 mm 로 제작하여 밀링(M), 연마(G), 방전가공(E)을 수행하고 가공 전후의 잔류응력을 측정하였다. 측정은 Vishay 사의 RS200 천공장비와 엔드밀을 사용하였고 스트레인게이지는 MM 사의 CEA-06-062UL120 을 사용하였다. 천공깊이는 2.
이론/모형
3 개의 F316L 시편을 방전가공으로 40 mm x 40 mm x 10 mm 로 1 차 가공한 후, 다시 밀링, 연마, 방전가공으로 각각 3 mm 를 추가 가공하여 표면에서의 잔류응력을 측정하였다. 잔류응력측정은 엑스선회절법을 이용하였고 측정장비는 RIGAKU 사의 MSF-3M 를 사용하였다. Target 은 Cr-Kβ 을 사용하였다.
성능/효과
(1) SA508 을 일반적인 밀링, 연마, 방전가공으로 가공할 경우 잔류응력이 작용하는 깊이는 0.5 mm 이내이고 0.25 mm 이후의 잔류응력은 무시할 수 있는 수준이다. 연마가 가장 큰 잔류응력을 부가하였고 그 크기는 -100~100 MPa 정도이다.
(3) F316L 스테인리스강을 일반적인 밀링, 연마, 방전가공으로 가공할 경우 잔류응력이 작용하는 깊이는 0.3 mm 이내이다. SA508 의 경우와 동일하게 잔류응력이 작용하는 깊이는 연마, 밀링, 방전가공순이다.
(5) 기계가공에 의한 잔류응력만으로는 재료에 균열이 생성되지 않겠지만, 용접잔류응력과 같은 인장응력이 작용하고 있는 상태에서는 기계가공에 의해 인장잔류응력값이 추가되므로 균열생성에 영향을 줄 수 있는 것으로 판단된다.
25 mm 깊이에서의 측정값을 나타내었다. 밀링과 방전가공의 경우는 0.25 mm 지점의 잔류응력은 거의 무시할 수 있는 수준이며 연마의 경우에는 현저히 감소한 것이 관찰되었다. 연마의 경우도 0.
전해연마로 약 25 μm 씩 표면을 제거하면서 내면의 잔류응력을 측정한 결과 방전가공의 경우는 약 0.05 mm 지점에서 잔류응력이 거의 사라졌으며 밀링의 경우는 약 0.15 mm 깊이에서, 연마의 경우는 약 0.3 mm 지점에서 잔류응력이 사라지는 것으로 측정되었다.
측정값에 의하면 압연된 오스테나이트 TP304 스테인리스강에는 표면에서 구멍뚫기법에 의하면 약 -100 MPa 의 압축응력이, 엑스선회절법에 의하면 약 -400 MPa 의 압축응력이, 압입법에 의하면 약 -30 MPa 의 압축응력이 부가됨을 알 수 있다. 잔류응력이 미치는 깊이는 약 0.
후속연구
(4) 엑스선 회절법에 의해 측정된 TP304 및 F316L 스테인리스강의 잔류응력값은 표면에서 항복강도를 초과하는 높은값이 지시되었는 바, 과연 20 μm 이내의 표층에서는 그런 높은 잔류응력이 존재할 수 있는지 추가 검토가 필요하다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
인장응력을 발생시키는 주요 인자는?
내면은 고온의 원자로냉각재에 접촉되어 있어서 환경적으로 대기에 접촉되어 있는 외부 표면에 비해서 균열발생민감도가 높다고 할 수 있다. 또한 균열이 생성하기 위해서는 인장응력이 존재해야 하는데 내압과 용접잔류응력이 인장응력을 발생시키는 주요 인자이다. 내압은 설계조건으로서 설계와 제작에 반영되어 있으나 용접잔류응력은 용접의 복잡한 현상 때문에 정확한 해석이 쉽지 않아 이에 대한 연구가 활발하게 진행되고 있다.
탄소강과 스테인리스강을 용접하면 용접부 및 용접부 주변에 재료불일치에 의한 미세조직의 변화 및 잔류응력이 발생하게 되는 이유는?
원자력발전소의 원자로냉각재계통에는 탄소강과 스테인리스강이 상호 용접되어 있는 용접부가 많다. 탄소강과 스테인리스강은 항복강도, 열전도도, 열팽창계수 등 재료물성이 다르기 때문에 이 두 금속을 용접하면 용접부 및 용접부 주변에 재료불일치에 의한 미세조직의 변화 및 잔류응력이 발생하게 된다. 최근 이들 이종금속용접부에서 일차수 응력부식균열이 발생하고 있다.
원자력발전소의 압력용기재료인 SA508 탄소강과 노즐안전단 및 배관재료인 TP304, F316L 스테인리스강의 기계가공에 의한 표면잔류응력을 측정한 결과로 얻어진 결론은?
(1) SA508 을 일반적인 밀링, 연마, 방전가공으로 가공할 경우 잔류응력이 작용하는 깊이는 0.5 mm 이내이고 0.25 mm 이후의 잔류응력은 무시할 수 있는 수준이다. 연마가 가장 큰 잔류응력을 부가하였고 그 크기는 -100~100 MPa 정도이다.
(2) TP304 스테인리스강을 냉간압연할 경우 재료에는 압축잔류응력이 작용하며 압축응력이 작용하는 깊이는 약 0.5 mm 정도이다.
(3) F316L 스테인리스강을 일반적인 밀링, 연마, 방전가공으로 가공할 경우 잔류응력이 작용하는 깊이는 0.3 mm 이내이다. SA508 의 경우와 동일하게 잔류응력이 작용하는 깊이는 연마, 밀링, 방전가공순이다.
(4) 엑스선 회절법에 의해 측정된 TP304 및 F316L 스테인리스강의 잔류응력값은 표면에서 항복강도를 초과하는 높은값이 지시되었는 바, 과연 20 μm 이내의 표층에서는 그런 높은 잔류응력이 존재할 수 있는지 추가 검토가 필요하다.
(5) 기계가공에 의한 잔류응력만으로는 재료에 균열이 생성되지 않겠지만, 용접잔류응력과 같은 인장응력이 작용하고 있는 상태에서는 기계가공에 의해 인장잔류응력값이 추가되므로 균열생성에 영향을 줄 수 있는 것으로 판단된다.
참고문헌 (7)
Lee, K.S., Kim, T.R., Park, J.H., Kim, M.W. and Cho, S.Y., 2009, “3-D Characteristics of the Residual Stress in the Plate Butt Weld Between SA508 and F316L SS,” Trans. of the KSME A Vol. 33, No. 4, pp. 401-409.
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Song, T.K., Bae, H.Y., Chun, Y.B., Oh, C.Y., Kim, Y.J., Lee, K.S. and Park, C.Y., 2008, “Estimation of Residual Stress Distribution for Pressurizer Nozzle of Kori Nuclear Power Plant Considering Safe End,” Transactions of the KSME A Vol. 32, No. 8, pp. 668-677.
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Song, T.K., Bae, H.Y., Kim, Y.J., Lee, K.S. and Park, C.Y., 2009, “Sensitivity Analysis of Finite Element Method for Estimating Residual Stress of Dissimilar Metal Multi-Pass Weldment in Nuclear Power Plant,” Transactions of the KSME A Vol. 32, No. 9, pp. 770-781.
Lu, J., 1996, “Handbook of Measurement of Residual Stress,” The Fairmount Press Inc.
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