[논문]일체형 원자로 안전주입 노즐 이종금속 용접부에 대한 레이저 피닝 적용의 수치 해석적 연구

서중현; 김종성; 정명조; 류용호

doi:10.3795/ksme-a.2012.36.6.599

일체형 원자로 안전주입 노즐 이종금속 용접부에 대한 레이저 피닝 적용의 수치 해석적 연구
A Numerical Analysis on Application of Laser Peening to Dissimilar Metal Welds in a Safety Injection Nozzle of Integral Reactor 원문보기

大韓機械學會論文集. Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers. A. A, v.36 no.6, 2012년, pp.599 - 608

서중현 (순천대학교 기계공학과) , 김종성 (순천대학교 기계공학과) , 정명조 (한국원자력안전기술원) , 류용호 (한국원자력안전기술원)

초록
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일체형 원자로의 안전주입 노즐 이종금속 용접부의 잔류응력에 대한 레이저 피닝의 효과를 고찰하기 위해 상용 프로그램인 ABAQUS를 이용하여 implicit 동적 유한요소 해석을 통해 연구를 수행하였다. implicit 동적 유한요소 해석은 기존의 실험 결과와의 비교에 따르면 레이저 피닝을 통한 잔류응력 이완에 대해 타당하다고 확인된다. 한편 내부 보수용접이 수행된 이종금속 용접부에 대해 해석이 수행되며 그 결과는 축방향 및 원환 잔류응력 모두 내부 보수용접에 기인하여 노즐의 내표면에서 인장임을 나타낸다. 또한 용접 잔류응력 이완에 대한 최대 충격 압력, 압력 지속 시간, 스폿 직경 및 피닝 방향과 같은 여러 변수의 효과를 고찰하기 위해 변수 해석 또한 수행하였다. 결과적으로, 레이저 피닝은 내표면 근처 영역의 잔류응력을 주로 이완시키는 예방정비 효과가 있음을 확인하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

A numerical analysis has been performed through implicit dynamic finite element analysis using the commercial package, ABAQUS in order to investigate effect of laser peening on welding residual stress mitigation of dissimilar metal welds in a safety injection nozzle of integral reactor. The implicit dynamic finite element analysis are compared with the previous experimental results. By comparison, it is identified that the implicit dynamic finite element analysis is valid for residual stress mitigation via laser peening. Implicit static finite element residual stress analysis has been performed for the dissimilar metal welds subject to inner repair welding. The analysis results represent that both axial and hoop residual stresses are tensile on inner surface of safety injection nozzle due to inner repair welding. Also Parametric study has performed to investigate effect of laser peening variables such as maximum impact pressure, duration time of pressure, spot diameter and peening direction on the welding residual stress mitigation. As a result, it is found that laser peening has the preventive maintenance effect to mitigate mainly residual stresses of region near inner surface.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 해석에서는 내면 보수용접 잔류응력 해석을 우선적으로 수행한 후 레이저 피닝 방안 적용에 따른 잔류응력 해석을 수행하였다. 따라서 경계 조건은 내면 보수용접 및 레이저 피닝 방안 적용의 각 경우에 대해 제시하였다.
본 연구에서는 일체형 원자로의 안전주입 노즐이종금속 용접부의 용접 잔류응력에 대한 레이저 피닝의 효과를 고찰하기 위해 상용 프로그램인 ABAQUS⁽¹⁵⁾를 이용한 유한요소 해석을 통해 해석적 연구를 수행하였다. 레이저 피닝을 통한 잔류응력 완화에 대한 implicit 동적 유한요소 해석의 타당성을 검증하기 위해, 단일 레이저 펄스와 용접부가 없는 축대칭 모델에 대해 implicit 해석이 수행되며 해석 결과는 기존의 실험 결과와 비교하였다.
^(7,8)따라서 일체형 원자로 안전주입 노즐 이종금속 용접부에 내면 보수용접을 수행하여 인장 잔류응력이 높게 발생하게 된 경우에는 잔류응력을 이완시키기 위한 효율적인 수단의 적용이 필요하다. 인장 잔류응력이완 방법들로는 PWOL(pre-emptive weld overlay), 레이저 피닝(laser peening), MSIP(mechanical stress improvement process), 워터 제트 피닝(water jet peening), IHSI(induction heating stress improvement) 등이 있는데 공정시간이 짧고 열에너지 원이 필요 없으며 전체적인 소성변형과 미세조직 변화를 야기 시키지 않는 레이저 피닝을 본 연구의 예방정비 방안으로 삼고자 한다.

가설 설정

일체형 원자로의 경우, 아직 구체적인 용접부 형상이 설계된 상태가 아니므로 기존의 상용 원전 1차측 기기 노즐의 이종금속 용접부를 참조하여 설계하였다. 각 부위별 재질로는 노즐은 SA508 Gr.3, Cl.1, 버터링과 버터링-안전단의 용접금속은 Alloy 52/152, 안전단은 SA182 F316, 클래딩과 안전단-배관의 용접금속은 ER308, 배관은 SA376 TP316이 사용된다고 가정하였다. 내면보수용접을 실시하지 않으면 노즐 내면에 인장 잔류응력이 크게 발생하지 않으므로 본 평가에서는 내면 보수용접을 수행하였다고 가정하였다.
내면 보수용접의 경우, 그루브 부위는 용접금속의 용착 동안에는 단열상태로 가정하였다. 한편 용접금속은 액상선 온도보다 높은 1500℃ 정도의 높은 온도로 용착된다고 가정하였다.
1, 버터링과 버터링-안전단의 용접금속은 Alloy 52/152, 안전단은 SA182 F316, 클래딩과 안전단-배관의 용접금속은 ER308, 배관은 SA376 TP316이 사용된다고 가정하였다. 내면보수용접을 실시하지 않으면 노즐 내면에 인장 잔류응력이 크게 발생하지 않으므로 본 평가에서는 내면 보수용접을 수행하였다고 가정하였다.
배관 끝단면은 배관 중심점과 x, y방향 (Fig. 5에 제시) 변위의 자유도를 연계시켰으며 x, y, z 방향 모멘트가 발생하지 않는다고 가정하였다. 원자로 압력용기 절단면은 y방향 변위를 구속시켰다.
레이저 피닝의 경우, 충격파가 작용하기 때문에 소성 거동에 대한 변형률 속도의 영향을 고려하였다. 오스테나이트 스테인리스 강과 니켈기 합금은 오스테나이트 스테인리스 강인 316L의 경향⁽²²⁾을, 저합금강은 저합금강인 YST-80의 경향⁽²³⁾을 따른다고 가정하였다.
한편 용접금속은 액상선 온도보다 높은 1500℃ 정도의 높은 온도로 용착된다고 가정하였다. 용착시 입열량은 용접시방서 상의 전압, 전류 값들을 식 (1), (2)에 대입하여 계산된 값이 용착시간 동안 작용한다고 가정하였다.
6은 레이저 피닝 적용시 작용하는 충격하중이 작용하는 경계조건을 제시하고 있다. 이러한 충격하중은 최대 압력 6GPa로 Fig. 7과 같이 작용하며 레이저 스폿 크기는 직경 2mm 정도로 가정하였다.(24,25)
내면 보수용접의 경우, 그루브 부위는 용접금속의 용착 동안에는 단열상태로 가정하였다. 한편 용접금속은 액상선 온도보다 높은 1500℃ 정도의 높은 온도로 용착된다고 가정하였다. 용착시 입열량은 용접시방서 상의 전압, 전류 값들을 식 (1), (2)에 대입하여 계산된 값이 용착시간 동안 작용한다고 가정하였다.

제안 방법

를 적용하여 내부 보수용접 이후 잔류응력 분포를 도출한다. ABAQUS를 이용, 열전도 기반 온도해석 및 implicit한 축대칭 이차원 탄소성 유한요소 응력해석을 수행한다. 내면보수용접은 정적 해석을 수행하였으며 레이저 피닝은 동적 해석을 수행하였다.
II, Part D,(17) 기존의 연구자료(18~20) 및 재료공급자가 제공한 값(21)을 사용하였고 밀도는 온도에 무관하게 일정하게 설정하였으며 (F316은 7.71×10-6 kg/mm3, TP316은 7.97×10-6 kg/mm3, ER308은 8.01×10-6 kg/mm3, Alloy 52/152는 8.47×10-6 kg/mm3, SA508 Gr.3, Cl.1은 7.83×10-6 kg/mm3) 온도에 따른 밀도의 변화는 온도에 따른 비열 변화에 반영하였다.
ABAQUS를 이용, 열전도 기반 온도해석 및 implicit한 축대칭 이차원 탄소성 유한요소 응력해석을 수행한다. 내면보수용접은 정적 해석을 수행하였으며 레이저 피닝은 동적 해석을 수행하였다.
레이저 피닝을 통한 잔류응력 완화에 대한 implicit 동적 유한요소 해석의 타당성을 검증하기 위해, 단일 레이저 펄스와 용접부가 없는 축대칭 모델에 대해 implicit 해석이 수행되며 해석 결과는 기존의 실험 결과와 비교하였다. 또한 내부 보수용접이 수행된 이종금속 용접부에 대해 implicit 정적 유한요소 잔류응력 해석을 수행하였다. 최종적으로 용접 잔류응력 이완에 대한 최대 충격 압력, 압력 지속 시간, 스폿 직경 및 피닝 방향과 같은 레이저 피닝 변수의 효과를 고찰하기 위해 해당 변수에 대한 해석을 수행하였다.
29 사용). 또한 탄성-완전 소성 거동을 사용하였다.
를 이용한 유한요소 해석을 통해 해석적 연구를 수행하였다. 레이저 피닝을 통한 잔류응력 완화에 대한 implicit 동적 유한요소 해석의 타당성을 검증하기 위해, 단일 레이저 펄스와 용접부가 없는 축대칭 모델에 대해 implicit 해석이 수행되며 해석 결과는 기존의 실험 결과와 비교하였다. 또한 내부 보수용접이 수행된 이종금속 용접부에 대해 implicit 정적 유한요소 잔류응력 해석을 수행하였다.
사용한 유한요소는 CAX4R(4-node bilinear axisymmetric quadrilateral, reduced integration, hourglass control)와 CINAX4(4-node linear axisym- metric one-way infinite quadrilateral)로서 절점 수와 요소 수는 각각 91,202개와 90,600개다. 모든 요소를 CAX4R로만 구성하여 해석하면 막대한 계산시간이 소요되므로 효율적인 해석을 위해 CAX4R과 CINAX4를 혼용하였다. ABAQUS를 이용하여 Implicit 동적 유한요소 해석을 수행하였다.
본 해석에서는 내면 보수용접 잔류응력 해석을 우선적으로 수행한 후 레이저 피닝 방안 적용에 따른 잔류응력 해석을 수행하였다. 따라서 경계 조건은 내면 보수용접 및 레이저 피닝 방안 적용의 각 경우에 대해 제시하였다.
용접 구조물의 사용중 적합성 평가를 위한 잔류응력 해석절차⁽⁹⁾를 적용하여 내부 보수용접 이후 잔류응력 분포를 도출한다. ABAQUS를 이용, 열전도 기반 온도해석 및 implicit한 축대칭 이차원 탄소성 유한요소 응력해석을 수행한다.
일체형 원자로 안전주입 노즐 이종금속 용접부의 용접 잔류응력 이완에 대한 레이저 피닝의 효과와 레이저 피닝 변수의 영향을 implicit 동적 유한요소해석을 통해 고찰한 결과, 다음과 같은 결론을 얻었다.
또한 내부 보수용접이 수행된 이종금속 용접부에 대해 implicit 정적 유한요소 잔류응력 해석을 수행하였다. 최종적으로 용접 잔류응력 이완에 대한 최대 충격 압력, 압력 지속 시간, 스폿 직경 및 피닝 방향과 같은 레이저 피닝 변수의 효과를 고찰하기 위해 해당 변수에 대한 해석을 수행하였다.

대상 데이터

Fig. 5는 본 연구의 해석 대상인 일체형 원자로 안전주입 노즐 이종금속 용접부의 형상을 제시하고 있다. 일체형 원자로의 경우, 아직 구체적인 용접부 형상이 설계된 상태가 아니므로 기존의 상용 원전 1차측 기기 노즐의 이종금속 용접부를 참조하여 설계하였다.
3은 유한요소 모델을 제시하고 있다. 사용한 유한요소는 CAX4R(4-node bilinear axisymmetric quadrilateral, reduced integration, hourglass control)와 CINAX4(4-node linear axisym- metric one-way infinite quadrilateral)로서 절점 수와 요소 수는 각각 91,202개와 90,600개다. 모든 요소를 CAX4R로만 구성하여 해석하면 막대한 계산시간이 소요되므로 효율적인 해석을 위해 CAX4R과 CINAX4를 혼용하였다.

이론/모형

모든 요소를 CAX4R로만 구성하여 해석하면 막대한 계산시간이 소요되므로 효율적인 해석을 위해 CAX4R과 CINAX4를 혼용하였다. ABAQUS를 이용하여 Implicit 동적 유한요소 해석을 수행하였다. ABAQUS의 경우 수치적 감쇄 제어 변수(numerical damping control parameter) α의 값은 -0.

성능/효과

(1) 레이저 피닝은 주로 내표면 근처 영역의 잔류응력만을 저감시키는 예방정비 효과가 있다.
(2) 최대 충격압력이 증가할수록 내표면에서의 이완효과는 증가하다가 감소하며 이완이 발생하는 영역의 깊이는 증가한다.
(3) 충격압력 지속시간이 증가할수록 내표면에서의 이완효과는 증가하며 이완이 발생하는 영역의 깊이도 증가한다.
(4) 레이저 스폿 직경은 최대 충격 압력과 충격 압력 지속시간에 비해 상대적으로 미미한 영향을 준다.
(5) 레이저 피닝 방향이 잔류응력 이완정도에 미치는 영향은 미미하다.
실험 결과와 비교 시 실험 결과와 합리적으로 잘 일치함을 알 수 있다. 따라서 implicit 동적 유한요소 해석은 레이저 피닝을 통한 잔류응력 이완을 신뢰성있게 모사할 수 있다고 확인되었다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	Alloy 690 계열 니켈기 합금의 장점은 무엇인가?	(1) 이러한 다수의 노즐 중 몇몇 노즐은 저합금강-Alloy 690 계열 니켈기 합금-오스테나이트 스테인리스 강의 조합으로 구성된 이종금속 용접부가 위치하게 된다. Alloy 690 계열 니켈기 합금은 Alloy 600 계열보다 응력부식균열(PWSCC: primary water stress corrosion cracking)에 대한 저항성이 우수한 합금으로 아직까지 응력부식균열이 발생된 사례가 보고된 바 없다.(2) 이러한 이종금속 용접부는 예민화 현상 때문에 일반적으로 용접 후열처리를 수행하지 않으므로 인장 잔류응력이 높게 잔류하게 된다.
	보수용접은 특정 부위의 잔류응력이 큰 폭으로 상승할 수 있는데, 이는 어떠한 문제를 일으키는가?	보수용접 경우에 따라서는 특정 부위의 잔류응력이 큰 폭으로 상승할 수 있다.(5,6) 이러한 높은 인장 잔류응력은 피로수명을 단축시킬 뿐만 아니라 균열 발생 시 균열 진전 구동력의 주요 인자로 작용하게 된다.(7,8) 따라서 일체형 원자로 안전주입 노즐 이종금속 용접부에 내면 보수용접을 수행하여 인장 잔류응력이 높게 발생하게 된 경우에는 잔류응력을 이완시키기 위한 효율적인 수단의 적용이 필요하다.
	인장 잔류응력이완 방법은 무엇이 있는가?	(7,8) 따라서 일체형 원자로 안전주입 노즐 이종금속 용접부에 내면 보수용접을 수행하여 인장 잔류응력이 높게 발생하게 된 경우에는 잔류응력을 이완시키기 위한 효율적인 수단의 적용이 필요하다. 인장 잔류응력이완 방법들로는 PWOL(pre-emptive weld overlay), 레이저 피닝(laser peening), MSIP(mechanical stress improvement process), 워터 제트 피닝(water jet peening), IHSI(induction heating stress improvement) 등이 있는데 공정시간이 짧고 열에너지 원이 필요 없으며 전체적인 소성변형과 미세조직 변화를 야기 시키지 않는 레이저 피닝을 본 연구의 예방정비 방안으로 삼고자 한다.

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표제어: PCR

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용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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