본 연구에서는 감육결함이 가공된 실배관 곡관 시편을 대상으로 10 MPa의 내압과 반복 굽힘하중 조건에서 피로 시험을 수행하였다. 시험에는 감육결함이 곡관의 외호부와 내호부에 존재하는 경우를 고려하였으며, 반복 하중으로는 완전 역방향의 변위제어 형태로 작용되는 In-plane 상의 굽힘하중이 고려되었다. 실험 결과, 감육결함이 곡관의 외호부에 존재하는 경우에는 결함부가 아닌 곡관의 측면에서 축방향 균열이 생성되었다. 또한, ASME Sec.III의 설계 피로곡선에서 예측된 건전 곡관의 피로수명보다 긴 피로수명을 보였으며, 피로수명이 결함 길이에 크게 영향을 받지 않았다. 반면, 결함이 내호부에 존재하는 곡관은 내호부에서 원주방향 균열이 발생하였으며, 피로수명은 ASME Sec.III의 설계 피로곡선에서 예측한 건전 곡관의 피로수명보다 짧은 값을 보였다. 또한, 내호부 감육 곡관의 피로수명은 결함 길이가 감소함에 따라 뚜렷이 감소하였다.
본 연구에서는 감육결함이 가공된 실배관 곡관 시편을 대상으로 10 MPa의 내압과 반복 굽힘하중 조건에서 피로 시험을 수행하였다. 시험에는 감육결함이 곡관의 외호부와 내호부에 존재하는 경우를 고려하였으며, 반복 하중으로는 완전 역방향의 변위제어 형태로 작용되는 In-plane 상의 굽힘하중이 고려되었다. 실험 결과, 감육결함이 곡관의 외호부에 존재하는 경우에는 결함부가 아닌 곡관의 측면에서 축방향 균열이 생성되었다. 또한, ASME Sec.III의 설계 피로곡선에서 예측된 건전 곡관의 피로수명보다 긴 피로수명을 보였으며, 피로수명이 결함 길이에 크게 영향을 받지 않았다. 반면, 결함이 내호부에 존재하는 곡관은 내호부에서 원주방향 균열이 발생하였으며, 피로수명은 ASME Sec.III의 설계 피로곡선에서 예측한 건전 곡관의 피로수명보다 짧은 값을 보였다. 또한, 내호부 감육 곡관의 피로수명은 결함 길이가 감소함에 따라 뚜렷이 감소하였다.
In this study, fatigue tests were carried out using real-scale pipe bend specimens with wall-thinning defects under a cyclic bending load together with a constant internal pressure of 10 MPa. The wall-thinning defect was located at the extrados and the intrados of the pipe bend specimens. A fully re...
In this study, fatigue tests were carried out using real-scale pipe bend specimens with wall-thinning defects under a cyclic bending load together with a constant internal pressure of 10 MPa. The wall-thinning defect was located at the extrados and the intrados of the pipe bend specimens. A fully reversed cyclic in-plane bending displacement was applied to the specimens. For the pipe bends with wall thinning at the extrados, an axial crack occurred at the crown of the pipe bend rather than at the extrados where the defect was located. In addition, the fatigue life was longer than that of a sound pipe bend predicted from the design fatigue curve in ASME Sec.III, and it was less dependent on the axial length of the wall-thinning defect. For the pipe bends with wall thinning at the intrados, a circumferential crack occurred at the intrados. In this case, the fatigue life was much shorter than that of a sound pipe bend predicted from the design fatigue curve, and it clearly decreased with decreasing axial length of the wall-thinning defect.
In this study, fatigue tests were carried out using real-scale pipe bend specimens with wall-thinning defects under a cyclic bending load together with a constant internal pressure of 10 MPa. The wall-thinning defect was located at the extrados and the intrados of the pipe bend specimens. A fully reversed cyclic in-plane bending displacement was applied to the specimens. For the pipe bends with wall thinning at the extrados, an axial crack occurred at the crown of the pipe bend rather than at the extrados where the defect was located. In addition, the fatigue life was longer than that of a sound pipe bend predicted from the design fatigue curve in ASME Sec.III, and it was less dependent on the axial length of the wall-thinning defect. For the pipe bends with wall thinning at the intrados, a circumferential crack occurred at the intrados. In this case, the fatigue life was much shorter than that of a sound pipe bend predicted from the design fatigue curve, and it clearly decreased with decreasing axial length of the wall-thinning defect.
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문제 정의
본 연구에서는 곡관부에 감육결함이 가공된 실배관 곡관 시편을 대상으로 원전 배관의 운전하중을 고려한 내압과 반복 굽힘하중 조건에서 피로손상 실험을 수행하고, 곡관의 피로손상 거동에 미치는 감육결함의 영향을 살펴보았다. 특히, 본 실험에서 곡관의 외호부와 내호부에 축방향 길이가 다른 감육결함을 고려함으로써, 감육 곡관의 피로손상에 미치는 결함 위치와 길이에 대한 영향을 살펴보았다.
또한, 반복 굽힘에 따른 결함부에서 변형률 변화도 적절히 측정되고 있다. 이들 데이터를 바탕으로 감육 곡관에 대한 피로손상 거동을 살펴보았다.
본 연구에서는 곡관부에 감육결함이 가공된 실배관 곡관 시편을 대상으로 원전 배관의 운전하중을 고려한 내압과 반복 굽힘하중 조건에서 피로손상 실험을 수행하고, 곡관의 피로손상 거동에 미치는 감육결함의 영향을 살펴보았다. 특히, 본 실험에서 곡관의 외호부와 내호부에 축방향 길이가 다른 감육결함을 고려함으로써, 감육 곡관의 피로손상에 미치는 결함 위치와 길이에 대한 영향을 살펴보았다.
가설 설정
)의2배에 해당하는 응력이다. 여기서는 피로 시험에 적용할 반복 변위의 크기를 결정하기 위해서 Sa를 620 MPa로 가정하였다. 곡관 재료의 허용응력 세기 (Sm)가 137.
제안 방법
곡관 내면에 감육결함을 가공하기에 앞서 곡관 자체의 형상 차이로 인한 가공 오차를 최소화하기 위해, 곡관의 외면을 가공하여 외경과 곡률반경이 일정한 값을 갖도록 하였다. 가공 후 곡관의 외경 (Do)과 곡률반경 (Rb)은 각각 72.
6 mm가 되었다. 곡관 내면에 결함을 가공한 후 초음파 두께측정기를 이용하여 두께를 측정함으로써 결함부에 대한 가공 신뢰성을 확인하였다. Table 2는 실험에 사용된 각 시편의 결함 형상과 시험 조건을 정리한 것이다.
고압의 저장용기와 압력 조절밸브는 반복 굽힘하중이 작용되는 동안 결함부에서 변형이 발생할지라도 시편에 일정한 압력이 작용될 수 있도록 하기 위해 설치되었다. 데이터 취득 장치는데이터 로거와 PC로 구성되며, 시험이 진행되는 동안 내압, 변형률, 그리고 시편에 작용되는 하중과 변위를 측정하였다. 추가적으로 결함부에서 변형과 손상을 감시하기 위한 비디오카메라가 설치되었다.
반복 굽힘하중 조건에서 감육부의 손상 특성을 파악하기 위해서, 피로 시험 과정에 측정된 결함부의 변형률을 살펴보았다. 곡관의 외호부에 감육결함이 존재하는 경우에는 피로손상이 곡관의 측면에서 발생함에 따라 피로 손상과 결함부의 변형 거동 사이에 상관관계가 없을 것으로 판단되었다.
7 kN이다. 반복 굽힘하중의 진폭에 해당하는 변위를 구하기 위해서, 먼저 탄성 유한요소해석을 수행하여 결함이 없는 건전 곡관에 대한 하중-변위 곡선을 구했다. Fig.
본 논문에서는 외호부와 내호부에 감육결함이 가공된 실배관 곡관 시편을 이용하여 10 MPa의 내압과 In-plane 상의 변위제어 굽힘하중 조건에서 피로시험을 수행하였다. 시험 결과로부터 다음의 결론을 도출하였다.
앞서 설명한 바와 같이 일정한 크기의 내압과 변위제어 형태의 반복 굽힘 조건에서 감육 곡관에 대한 피로 시험이 수행되었다. 따라서, Fig.
피로 시험은 일정한 크기의 내압과 함께 반복 굽힘하중 조건에서 수행되었다. 내압의 크기는 CANDU형 원전의 1차측 운전 압력과 PWR형 원전의 2차측 운전압력을 고려하여 10 MPa로 결정 하였다.
시편에는 결함부와 결함 반대쪽 그리고 곡관측면에 변형률 게이지가 부착되었다. 피로 시험을 위해 시편과 고압 저장용기는 물을 주입하여 10 MPa까지 먼저 가압하였으며, 10 MPa의 압력이 유지된 상태에서 인장시험기를 작동하여 시편에 반복 굽힘하중을 작용시켰다. 반복 굽힘하중은 0.
대상 데이터
4에 나타낸 것과 같이 피로 시험 장치는 굽힘 장치, 가압 장치, 그리고 데이터 취득 장치로 구성되었다. 굽힘 장치로는 투명 방호막이 설치된 유압식 인장시험기가 사용되었다. 수압을 이용하여 시편을 가압함에 따라 가압 장치는 고압 펌프, 고압 저장용기, 그리고 압력 조절밸브로 구성되 었다.
피로 시험에는 Fig. 1에 나타낸 것과 같이 감육 결함이 가공된 90도 곡관의 양 끝에 직관이 연결된 곡관 시편이 사용되었다. 결함은 곡관의 외호 부와 내호부 중심에 각각 가공되었으며, 결함의 형상은 Fig.
성능/효과
(1) 곡관의 외호부에 깊이가 d/t=0.8인 감육결함이 존재하는 경우에는 건전 곡관과 같이 곡관의 측면에서 축방향 균열이 생성되었다. 반면, 동일한 감육결함이 내호부에 존재하는 경우에는 결함 부에서 원주방향 균열이 생성되었다.
(3) 감육결함이 곡관의 외호부에 존재하는 경우에는 피로수명에 미치는 축방향 결함 길이의 영향이 거의 없지만, 곡관의 내호부에 감육결함이 존재하는 경우에는 축방향 결함 길이가 감소함에 따라 피로수명이 뚜렷이 감소하였다.
(4) 감육 결함부에서 반복 굽힘하중에 의해 라체팅이 발생하는 경우에는 결함부의 피로손상 특성이 변형률 진폭보다 누적 변형률의 크기에 의해 지배되었다.
(2) ASME Sec.III의 설계 피로곡선을 기초로 설계된 곡관은 외호부에 깊이가 d/t=0.8인 감육결함이 존재할지라도 피로손상에 대한 안전여유도가 있지만, 내호부에 존재하는 경우에는 결함 깊이에 따라 차이가 있으나 피로손상에 대한 안전여유도가 충분하지 못한 것으로 파악되었다.
따라서, ASME Sec.III의 설계 피로곡선을 기초로 설계된 배관 계통의 곡관은 외호부에 감육결함이 존재할지라도 피로 손상에 대한 안전여유도가 있으나, 내호부에 감육결함이 존재하는 경우에는 피로손상에 대한 안전여유도가 충분하지 못하다는 것을 알 수 있다.
Table 1은 인장시험을 통해 파악된 곡관의 인장물성치를 정리한 것이다. 곡관의 외호부와 내호부에서 모두 원주방향의 강도와 연성이 축방향에 비해 낮았으며, 외호부가 내호부에 비해 강도는 높고 연성은 낮은 경향을 보였다.
5)의 피로수명은 177 cycle로 평가되었다. 따라서, 곡관에서 감육결함의 위치에 따라 피로수명은 큰 차이를 보였으며, 곡관의 외호부에 비해 내호부에 감육결함이 존재할 때 곡관의 피로수명은 크게 감소하였다.
반복 굽힘하중이 작용됨에 따라 모든 변형률이 주기적으로 변화하고 있으며, 결함 길이에 관계없이 결함부의 원주방향 변형률이 가장 큰 진폭을 보였다. 또한, 반복하중이 작용됨에 따라 결함부에서 축방향 변형률은 지속적으로 증가하고, 원주방향 변형률은 지속적으로 감소하였다. 이것은 시편에 일정한 크기의 변위가 반복적으로 작용될 때 결함부에서 국부적으로 라체팅에 의해 변형이 누적되고 있다는 것을 보여주는 것이다.
오히려 결함 길이가 짧을수록 곡관부의 강성이 증가하기 때문에 결함 길이가 짧은 시편이 긴 시편보다 약간 긴 피로수명을 보이는 것으로 판단된다. 반면, 감육결함이 내호부에 존재하는 곡관에서는 결함길이가 짧은 In8 시편이 In6 시편보다 약 60 %정도 짧은 피로수명을 보였다. 내호부에 결함이 존재하는 경우에는 피로손상이 감육부에서 발생하므로, 결함부에서 변형률 집중이 피로손상에 직접적으로 영향을 미칠 수 있다.
9는 내호부에 감육결함이 존재하는 곡관의 결함부에서 측정된 축방향과 원주방향 변형 률을 곡관의 측면에서 측정된 원주방향 변형률과 함께 나타낸 것이다. 반복 굽힘하중이 작용됨에 따라 모든 변형률이 주기적으로 변화하고 있으며, 결함 길이에 관계없이 결함부의 원주방향 변형률이 가장 큰 진폭을 보였다. 또한, 반복하중이 작용됨에 따라 결함부에서 축방향 변형률은 지속적으로 증가하고, 원주방향 변형률은 지속적으로 감소하였다.
외호부 감육 곡관의 피로수명은 설계 피로곡선에서 예측된 건전 곡관의 피로수명 (790 cycle) 보다 6 ∼ 8배 긴 반면, 내호부에 감육결함이 존재하는 곡관은 설계 피로곡선에서 예측된 건전 곡관의 피로수명에 비해 훨씬 짧은 피로수명을 보였다.
이들 결과를 종합하여 살펴보면, 외호부에 감육결함이 존재하는 곡관은 작용되는 반복 굽힘하 중과 내압의 크기에 관계없이 결함 깊이가 d/t =0.8까지 건전 곡관과 유사한 손상모드를 보인다. 즉, 곡관의 측면에서 축방향 균열이 생성된다.
감육 곡관 시편에서 최종 파단이 발생하여 내압이 급감할 때까지 시편에서 일정한 내압이 유지되고 있으며, 변위 제어에 의한 반복 굽힘하중이 시편에 적절히 작용되고 있는 것을 알 수 있다. 즉, 일정한 변위가 반복적으로 작용됨에 따라 시편에 작용되는 하중의 진폭이 약간씩 감소하는 거동을 보였다. 또한, 반복 굽힘에 따른 결함부에서 변형률 변화도 적절히 측정되고 있다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
배관계통에서 곡관부가 결함 발생에 취약한 특성을 갖는 이유는 무엇인가?
(1) 그러나, 다른 한편 배관계통에서 곡관부는 결함 발생에 취약한 특성을 갖는다. 왜냐하면, 구조적으로 곡관부는 응력이 집중되므로 피로에 의한 균열 발생 가능성이 높다. 또한, CANDU형 원전과 가압경수로 (PWR, Pressurized Water Reactor)형 원전의 2차측과 같이 배관계통이 탄소강인 경우에는 곡관부에서 유동가속부식 (FAC, Flow Accelerated Corrosion)에 의한 감육결함의 발생 가능성이 높다.
원자력발전소를 구성하는 배관의 역할은 무엇인가?
원자력발전소 (이하, 원전)는 다양한 종류의 배관으로 구성되어 있으며, 이들 배관은 각종 기기에 연결되어 고에너지의 유체를 이송하는 역할을 한다. 이들 배관계통에는 다양한 형태의 곡관들이 적용되고 있다.
곡관의 역할은 무엇인가?
이들 배관계통에는 다양한 형태의 곡관들이 적용되고 있다. 곡관은 발전소 건물 내에서 배관의 배치를 쉽게 할 뿐만 아니라, 열팽창에 의해 발생되는 변위제어 형태의 하중을 흡수하고 지진과 같은 과도한 외력이 작용될 때 국부적인 소성변형을 통해 에너지를 흡수함으로써 배관계 통을 보호하는 역할을 한다.(1) 그러나, 다른 한편 배관계통에서 곡관부는 결함 발생에 취약한 특성을 갖는다.
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