[논문]냉간 굽힘 가공된 곡관의 인장물성치 예측

김진원; 이미연; 이사용

doi:10.3795/ksme-a.2012.36.9.1059

냉간 굽힘 가공된 곡관의 인장물성치 예측
Estimation of Tensile Properties of Pipe Bends Manufactured by Cold-Bending 원문보기

大韓機械學會論文集. Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers. A. A, v.36 no.9, 2012년, pp.1059 - 1064

김진원 (조선대학교 원자력공학과) , 이미연 (조선대학교 원자력공학과) , 이사용 (조선대학교 원자력공학과)

초록
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본 연구에서는 냉간 굽힘 후 잔류응력 제거 열처리된 곡관에서 기계적물성치를 파악하기 위해서, 냉간 굽힘과 잔류응력 제거 열처리를 모사한 모사시편을 이용하여 인장시험을 수행하였다. 시험 결과로부터 냉간 가공 후 잔류응력 제거 열처리를 수행할지라도 재료의 강도는 냉간 가공 전에 비해 증가하고 연성은 감소되는 것을 확인하였다. 또한, 강도 증가와 연성 감소는 냉간 가공시 적용된 변형률이 클수록 심화되었다. 따라서, 냉간 굽힘시 변형이 크게 발생하는 곡관의 외호부와 내호부는 직관에 비해 강도는 높고 연성은 낮을 것으로 예측되며, 곡관의 측면은 굽힘 가공 전의 직관과 유사한 기계적물성치를 보일 것으로 예측되었다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this study, tensile tests were performed on specimens that simulated the cold-bending and heat-treatment of pipe bends to understand the mechanical properties of pipe bends manufactured by cold-bending followed by heat-treatment for relieving residual stress. The strength and ductility of cold-worked materials were respectively found to be higher and lower than those of the parent material although heat-treatment was carried out to relieve residual stress. In addition, the increase in strength and decrease in ductility were proportional to the applied strain levels for cold-working. It was thus inferred that the intrados and extrados regions of pipe bends that were cold-bended and heat-treated show higher strength and lower ductility compared to the parent straight pipe and that the mechanical properties at the crown region are nearly the same as those of the parent straight pipe.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 CANDU형 원전의 피더관과 같이 직관을 냉간 굽힘 후 잔류응력 제거 열처리한 곡관부의 기계적물성치를 파악하기 위해서, 냉각 굽힘과 열처리를 모사한 시편을 가공하여 인장시험을 수행하였다. 인장시험 결과로부터 직관을 냉간 굽힘 후 잔류응력 제거 열처리하여 제작한 곡관부에서 예상되는 기계적물성치의 변화 정도와 곡관부에서 위치에 따른 기계적물성치의 편차를 정량적으로 살펴보았다.
본 연구에서는 직관을 냉간 굽힘 후 잔류응력 제거 열처리하여 제작된 곡관부의 기계적물성치를 예측하기 위해서, 냉각 굽힘과 열처리를 모사한 시편을 가공하여 인장시험을 수행하였다. 시험 결과로부터 다음과 같은 결론을 얻었다.

가설 설정

4 mm인 것으로 가정하였다. 굽힘 가공시 곡관의 중심축 (Fig. 2에서 e 위치)을 중심으로 외호부 영역은 인장, 내호부 영역은 압축 형태의 변형이 대칭적으로 발생하는 것을 가정하였다. 또한, 굽힘 가공시 배관의 원주방향과 반경방향 변형은 발생하지 않는 것으로 가정하였다.
모사시편을 설계하기 위해서 CANDU 피더관을 대상으로 냉간 굽힘시 곡관부에서 발생될 수 있는 변형률을 간단한 방법으로 계산하였다. 냉간 굽힘에 따른 변형률 평가를 위해서, 먼저 직경이 2.5inch, Sch.80인 직관 (D_o = 73.0 mm, t = 7.0 mm)을 굽힘 가공하는 것으로 가정하였으며 굽힘 후 곡관의 곡률 반경 (R_b)이 96.4 mm인 것으로 가정하였다. 굽힘 가공시 곡관의 중심축 (Fig.
2에서 e 위치)을 중심으로 외호부 영역은 인장, 내호부 영역은 압축 형태의 변형이 대칭적으로 발생하는 것을 가정하였다. 또한, 굽힘 가공시 배관의 원주방향과 반경방향 변형은 발생하지 않는 것으로 가정하였다. 즉, 직관을 냉간 굽힘하여 곡관을 제작할 때, 길이방향으로만 변형이 발생하는 것으로 가정하였다.
또한, 굽힘 가공시 배관의 원주방향과 반경방향 변형은 발생하지 않는 것으로 가정하였다. 즉, 직관을 냉간 굽힘하여 곡관을 제작할 때, 길이방향으로만 변형이 발생하는 것으로 가정하였다. 따라서, 굽힘 가공에 따른 곡관부의 등가 변형률 (∊_eq)은 식 (1)과 같이 길이방향 변형률 (∊₁)만의 함수로 정리될 수 있다.

제안 방법

곡관 상태에서 호의 길이는 곡관의 원주방향 위치에 따라 차이를 보이므로, 여기서는 Fig. 2(a)에 나타낸 것과 같이 원주방향으로 22.5°씩 등분하고 각 위치별로 호의 길이를 구하여 등가 변형률을 계산하였다.
냉간 가공되지 않은 시편 (As-received, AR)과 일정한 크기의 변형률로 냉간 가공된 시편, 그리고 변형 후 잔류응력 제거를 위해 열처리된 시편으로 구분하여 인장시험을 수행하였다. 구체적인 시편 조건은 Table 1에 정리된 바와 같다.
등가 변형률 계산에는 CANDU 피더관에 존재하는 곡관의 다양한 굽힘각 (β)을 고려하였다.
모사시편을 설계하기 위해서 CANDU 피더관을 대상으로 냉간 굽힘시 곡관부에서 발생될 수 있는 변형률을 간단한 방법으로 계산하였다. 냉간 굽힘에 따른 변형률 평가를 위해서, 먼저 직경이 2.
앞서 계산된 등가 변형률을 바탕으로 인장시편 형태의 모사시편을 설계·가공하였다. 상온에서 시편에 일정한 크기의 인장변형을 가함으로써 냉간 굽힘에 의한 냉간 가공을 모사하였다. 시편은 피더관과 동일한 재료인 ASTM A106 Gr.
B는 약 15 ∼ 17 %의 변형률에서 네킹이 발생하므로, 여기서는 냉간 가공을 위해 최대 15 %의 변형률을 시편에 적용하였다. 시편은 봉상으로 가공되었으며, 시편의 초기 형상은 냉간 가공시 시편에 가해질 변형률에 따라 약간씩 다르게 설계하였다. Fig.
6 × 10^-4/s)에서 각 조건 별로 3 회씩 수행되었다. 시험에는 1 ton 로드 셀이 부착된 기계식 만능시험기가 사용되었으며, 게이지 길이가 25 mm인 신율계를 사용하여 변형률을 측정하였다.
시험은 상온의 준정적 하중속도 (2.6 × 10-4/s)에서 각 조건 별로 3 회씩 수행되었다.
앞서 계산된 등가 변형률을 바탕으로 인장시편 형태의 모사시편을 설계·가공하였다.
본 연구에서는 CANDU형 원전의 피더관과 같이 직관을 냉간 굽힘 후 잔류응력 제거 열처리한 곡관부의 기계적물성치를 파악하기 위해서, 냉각 굽힘과 열처리를 모사한 시편을 가공하여 인장시험을 수행하였다. 인장시험 결과로부터 직관을 냉간 굽힘 후 잔류응력 제거 열처리하여 제작한 곡관부에서 예상되는 기계적물성치의 변화 정도와 곡관부에서 위치에 따른 기계적물성치의 편차를 정량적으로 살펴보았다.

성능/효과

(1) 잔류응력 제거 열처리를 수행하는 경우에 냉간 가공에 의해 증가된 강도와 감소된 연성이 회복되었다. 그러나, 냉간 가공 이전에 비해 여전히 높은 강도와 낮은 연성을 보였다.
(2) 냉간 가공 후 잔류응력 제거 열처리된 시편에서 강도와 연성의 변화는 냉간 가공시 적용된 변형률 크기에 거의 비례하였다.
(3) 잔류응력 제거를 위해 30분 이상 열처리된 경우에는 열처리 시간에 관계없이 기계적물성치의 회복 정도가 거의 유사하였다.
(4) 냉간 굽힘 후 열처리된 피더관 곡관의 외호 부와 내호부는 직관에 비해 높은 강도와 낮은 연성을 보이며, 곡관의 측면은 직관과 유사한 기계 적물성치를 보일 것으로 예측되었다.
(6) 냉간 굽힘에 따른 곡관부의 잔류응력 평가를 위해 수행된 연구 결과에 의하면, 굽힘 가공에 따른 길이방향 변형률은 –42 ∼ 34 %, 원주방향 변형률은 –25 ∼ 13 %인 것으로 계산되었다.
⁽⁶⁾냉간 굽힘에 따른 곡관부의 잔류응력 평가를 위해 수행된 연구 결과에 의하면, 굽힘 가공에 따른 길이방향 변형률은 –42 ∼ 34 %, 원주방향 변형률은 –25 ∼ 13 %인 것으로 계산되었다. (6) 여기서 주어진 길이 방향 변형률과 원주방향 변형률을 각각 34 %와 13 %로 가정하여 곡관의 외호부에서 등가 변형률을 계산하면 19.4 %로 주어진다. 따라서, 본 연구에서 간단히 계산된 등가 변형률이 실제 곡관에서의 변형률과 정확히 일치하지는 않지만, 어느 정도 타당한 계산 결과를 보이는 것을 알 수 있다.
5는 모사시편에 대한 인장시험 결과로부터 주어진 항복강도와 인장강도를 시편 조건에 따라 나타낸 것이다. 그림에서 알 수 있는 것과 같이 5 %, 10 %, 15 % 냉간 가공된 경우에 변형 전에 비해 항복강도는 각각 67 %, 100 %, 116 %까지 증가하였으며, 인장강도는 약 14 %, 24 %, 30 % 정도 증가하였다. 또한, Fig.
4는 5 %, 10 %, 15 %씩 냉간 가공된 시편과 냉간 가공 후 잔류응력 제거 열처리를 수행한 시편에 대한 인장시험 결과로 주어진 공칭응력-공칭변형률 곡선을 냉간 가공되지 않은 시편(AR 시편)의 공칭응력-공칭변형률 곡선과 함께 나타낸 것이다. 냉간 가공된 경우 시편에 가해진 변형률이 증가함에 따라 공칭응력-공칭변형률 곡선에서 전체적으로 강도는 증가하고 연성은 감소하는 경향을 보였다(Fig. 4(a)).
또한, 냉간 가공에 적용된 변형률이 증가함에 따라 재료의 가공경화 능력과 균일 연신율이 급격히 감소하였다. 따라서, 10 % 이상 냉간 가공된 경우에는 공칭응력-공칭변형률 곡선에서 가공경화 현상이 거의 나타나지 않았으며, 심지어 15 % 냉간 가공된 시편에서는 소성변형이 시작됨과 동시에 네킹이 발생하였다.
따라서, 냉간 가공 후 잔류응력 제거 열처리된 시편의 항복강도는 냉간 가공 전 AR 시편과 비교하여 30 ∼ 60 % 정도 증가되었으며, 인장강 도는 7 ∼ 18 % 정도 증가하였다.
4 %로 주어진다. 따라서, 본 연구에서 간단히 계산된 등가 변형률이 실제 곡관에서의 변형률과 정확히 일치하지는 않지만, 어느 정도 타당한 계산 결과를 보이는 것을 알 수 있다. 따라서, 이들 결과를 이용하여 모사시편을 설계할 수 있을 것으로 판단된다.
그러나, 강도 증가와 연성 감소 정도가 냉간 가공된 상태에 비해 약화되었지만, AR 시편과 비교하면 여전히 높은 강도와 낮은 연성을 보였다. 따라서, 잔류응력 제거 열처리를 통해 냉간 가공된 시편의 변형 거동이 어느 정도 회복되지만, 냉간 가공 이전 상태로 완전히 회복되지는 않는 것을 알 수 있다.
그림에서 알 수 있는 것과 같이 5 %, 10 %, 15 % 냉간 가공된 경우에 변형 전에 비해 항복강도는 각각 67 %, 100 %, 116 %까지 증가하였으며, 인장강도는 약 14 %, 24 %, 30 % 정도 증가하였다. 또한, Fig. 6에 나타낸 것과 같이 총 연신율은 냉간 가공에 적용한 변형률에 따라 변형 전 값의 70 %, 50 %, 30 % 수준으로 감소하였으며, 균일 연신율은 변형 전 값의 40 %, 20 %, 0 % 수준까지 감소하였다. 따라서, 냉간 가공에 의해 ASTM A106 Gr.
강도와 연성의 변화로부터 판단하면, 곡관부의 인성 역시 직관에 비해 낮을 것으로 예상된다. 또한, 곡관부에서 기계적물성치는 원주방향 위치에 따라 차이를 보이며, 굽힘 가공시 변형이 크게 발생하는 곡관의 외호부와 내호부가 직관에 비해 뚜렷이 높은 강도와 낮은 연성을 보일 것으로 예측되고, 곡관의 측면은 직관과 거의 유사한 기계적물성치를 보일 것으로 예측되었다. 또한, 만약 곡관이 굽힘 가공 후 잔류응력 제거 열처리를 수행하지 않았다면, 잔류응력 제거 열처리된 곡관부에 비해 강도 증가와 연성 감소가 2 배 이상일 것으로 판단되며, 곡관부에서 위치에 따른 기계적물성 치의 편차도 2 배 이상일 것으로 예측된다.
4(a)). 또한, 냉간 가공에 적용된 변형률이 증가함에 따라 재료의 가공경화 능력과 균일 연신율이 급격히 감소하였다. 따라서, 10 % 이상 냉간 가공된 경우에는 공칭응력-공칭변형률 곡선에서 가공경화 현상이 거의 나타나지 않았으며, 심지어 15 % 냉간 가공된 시편에서는 소성변형이 시작됨과 동시에 네킹이 발생하였다.
또한, 잔류응력 제거 열처리된 시편의 총 연신율은 냉간 가공 전 AR 시편의 70 ∼ 90 % 수준이었으며, 균일 연신 율은 냉간 가공 전 값의 50 ∼ 80 % 수준을 보였다.
모사시편을 이용한 인장시험 결과로부터 냉간 굽힘 후 잔류응력 제거 열처리된 CANDU 피더관 곡관부의 기계적물성치를 예측해 보면, 전체적으로 곡관부의 강도는 직관보다 높고 연성은 직관보다 낮을 것으로 예상되었다. 특히, 항복강도의 증가(약 60 % 이상)와 균일 연신율의 감소(약 50 % 이상)가 뚜렷할 것으로 예측된다.
또한, 잔류응력 제거 열처리된 시편의 총 연신율은 냉간 가공 전 AR 시편의 70 ∼ 90 % 수준이었으며, 균일 연신 율은 냉간 가공 전 값의 50 ∼ 80 % 수준을 보였다. 잔류응력 제거 열처리를 통한 기계적물성치의 회복 정도는 냉간 가공시 시편에 가해진 변형률 크기에 관계없이 유사하였으며, 열처리 후 기계적물성치의 변화 정도는 냉간 가공시 적용된 변형률에 비례하여 증가하였다. 또한, 잔류응력 제거 열처리에 의한 기계적물성치의 회복 정도는 열처리 시간에 관계없이 거의 유사하였다.
전체적으로 굽힘 가공에 따른 곡관부의 등가 변형률은 약 0 ∼ 23 %의 범위로 평가되었으며, 이들 변형률은 곡관의 굽힘각에 관계없이 모두 같은 값을 보였다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	피더관의 곡관부의 제작 방법은 무엇인가?	표준형 곡관은 일반적으로 열간 성형 (Hot forming) 또는 열간 단조 (Hot forging) 방법으로 제작되며, 직관과 용접되어 배관 계통을 구성한다. 그러나, 피더관은 소구경이고 곡관부가 다양한 굽힘각을 갖기 때문에, 피더관의 곡관부는 표준형 곡관 대신 직관과 일체형으로 냉간 굽힘 후 잔류응력 제거 열처리하여 제작한다.(1,2) 따라서, 이와 같이 제작된 곡관은 임의의 굽힘각으로 제작이 가능하고 용접이 불필요한 장점이 있다.
	직관과 일체형으로 냉간 굽힘 후 잔류응력 제거 열처리하여 제작된 곡관의 장단점은 무엇인가?	그러나, 피더관은 소구경이고 곡관부가 다양한 굽힘각을 갖기 때문에, 피더관의 곡관부는 표준형 곡관 대신 직관과 일체형으로 냉간 굽힘 후 잔류응력 제거 열처리하여 제작한다.(1,2) 따라서, 이와 같이 제작된 곡관은 임의의 굽힘각으로 제작이 가능하고 용접이 불필요한 장점이 있다. 그러나, 냉간 가공은 재료의 기계적 성질을 변화시키므로, 냉간 굽힘된 피더관의 곡관부는 열간 성형 또는 열간 단조된 표준 곡관에 비해 기계적물성치의 불균일성이 클 것으로 예상된다. 또한, 직관과도 기계적물성치의 차이가 클 것으로 예상된다.(3)
	CANDU형 원전의 피더관이란 무엇인가?	원자력발전소(이하 원전)는 수많은 배관들로 구성되어 있으며, 이들 배관에는 다양한 형태의 곡관이 사용되고 있다. 특히, CANDU형 원전의 피더관은 380 개의 핵연료 채널에 연결되어 핵연료에 냉각재를 공급하고 가열된 냉각재를 1차측 열수송계통 헤더로 이송하는 직경이 1.5 ∼ 2.5inch 인 소구경 배관으로, 각 피더관에는 Fig. 1에서 나타낸 것과 같이 다양한 굽힘각의 곡관들이 설치 되어 있다.

참고문헌 (8)

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상세보기
Jang, Y.S., Kim, S.H., Chang, H.S., Lee, S.M., Choi, J.B., Kim, Y.J. and Choi, Y.H., 2008, "Fluid Effects on Structural Integrity of Pipes with an Orifice and Elbows with a Wall-Thinned Part," J. of Loss Prev. in the Proc. Industries, pp. 1-6.
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Diter, G.E., 1988, Mechanical Metallugy, SI Metric Ed., McGraw-Hill

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

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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