[논문]수압시험 및 정상운전 하중을 고려한 원자로 배관 이종금속 맞대기 용접부 응력부식균열 성장 해석

이휘승; 허남수; 이승건; 박흥배; 이성호

doi:10.3795/ksme-a.2013.37.1.047

[국내논문] 수압시험 및 정상운전 하중을 고려한 원자로 배관 이종금속 맞대기 용접부 응력부식균열 성장 해석
Crack Growth Analysis due to PWSCC in Dissimilar Metal Butt Weld for Reactor Piping Considering Hydrostatic and Normal Operating Conditions 원문보기

大韓機械學會論文集. Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers. A. A, v.37 no.1, 2013년, pp.47 - 54

이휘승 (서울과학기술대학교 기계시스템디자인공학과) , 허남수 (서울과학기술대학교 기계시스템디자인공학과) , 이승건 , 박흥배 , 이성호 (한국수력원자력(주) 중앙연구원)

초록
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본 논문에서는 Alloy 82/182를 용접재로 이용한 원자로 배관 이종금속 맞대기 용접부(Dissimilar Metal Butt Weld)에서의 PWSCC에 의한 균열성장 거동을 평가하였다. 이를 위해 먼저 유한요소 응력해석을 수행하여 이종금속용접부에서의 응력분포를 결정하였으며, 이때 이종금속용접 및 동종금속용접에 의한 용접잔류응력 외에 수압시험과 정상운전 조건도 고려하여 기계적 하중에 의한 응력 재분배를 고려하였다. 최종적으로 이와 같이 구한 응력 분포를 바탕으로 PWSCC에 의한 축방향 및 원주방향 가상 균열의 균열성장 거동을 평가하여 PWSCC 균열 성장량을 계산하였다. 본 논문의 결과는 향후 PWSCC에 의한 원자로 배관 이종금속 맞대기 용접부의 균열성장 거동 예측에 적용될 수 있다.

Abstract ▼ AI-Helper

This study investigates the crack growth behavior due to primary water stress corrosion cracking (PWSCC) in the dissimilar metal butt weld of a reactor piping using Alloy 82/182. First, detailed finite element stress analyses were performed to predict the stress distribution of the dissimilar metal butt weld in which the hydrostatic and the normal operating loads as well as the weld residual stresses were considered to evaluate the stress redistribution due to mechanical loadings. Based on the stress distributions along the wall thickness of the dissimilar metal butt weld, the crack growth behavior of the postulated axial and circumferential cracks were predicted, from which the crack growth diagram due to PWSCC was proposed. The present results can be applied to predict the crack growth rate in the dissimilar metal butt weld of reactor piping due to PWSCC.

Keyword

AI 본문요약
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문제 정의

따라서 본 논문에서는 국내 가동 중인 원자력발전소의 원자로 배관 이종금속 맞대기 용접부를 대상으로 PWSCC에 의한 균열성장 거동을 평가하였다. 이를 위해 용접부에 발생하는 응력을 상세 유한요소해석을 이용하여 결정하였으며, 이때에는 용접잔류응력 외에 수압시험 및 정상운전하중과 같은 배관에 작용하는 기계적 하중도 고려하여 기계적 하중 조건에 따른 용접잔류응력 재분배 거동도 평가하였다.
본 논문에서는 수압시험과 정상운전 조건까지 고려하여 구한 최종 DMW 응력분포 결과를 바탕으로 PWSCC에 의한 균열성장 거동을 예측하였다. 이를 위해 ASME B&PV Code, Sec.
따라서 본 논문에서는 균열성장 선도를 작성하기 위해 모든 경우에 대해 균열성장이 발생하기 시작하는 임계 크기로 초기 균열깊이를 가정하였다. 이를 통해 만약 PWSCC에 의해 균열 성장이 발생한다면 신속하게 균열성장거동을 평가할 수 있도록 하였다. Fig.
본 논문에서는 Alloy 82/182를 용접재로 이용한 원자로 배관 이종금속 맞대기 용접부의 PWSCC에 의한 균열성장 거동을 평가하였다. 이를 위해 먼저 응력해석을 수행하여 두께 방향을 따른 DMW 의 응력분포를 결정하였다.

가설 설정

특히 “안전단/DMW 경계” 쪽에 대해 균열성장량을 계산하는 경우에는 경사진 ①번 경로를 따른 응력성분(축방향 균열인 경우 원주방향 응력, 원주방향 균열인 경우 축방향 응력)이 모두 균열성장에 기여한다고 가정하여 보수적으로 평가 하였다.
10에 나타낸 바와 같이 응력확대계수가 내벽 근처에서 음의 값을 보이기에 만약 초기 균열깊이(a/t) 값이 너무 작으면 균열이 성장되지 않는다. 따라서 본 논문에서는 균열성장 선도를 작성하기 위해 모든 경우에 대해 균열성장이 발생하기 시작하는 임계 크기로 초기 균열깊이를 가정하였다. 이를 통해 만약 PWSCC에 의해 균열 성장이 발생한다면 신속하게 균열성장거동을 평가할 수 있도록 하였다.

제안 방법

그리고 최종적으로 이와 같이 결정된 응력 결과를 이용하여 균열성장 해석을 수행하여 허용균열 크기와 비교하여 보수 혹은 재가동 여부를 평가하게 된다. 이를 위해서는 신속하게 균열성장 거동을 평가할 수 있는 체계를 개발하는 것이 매우 중요하다.
따라서 본 논문에서는 국내 가동 중인 원자력발전소의 원자로 배관 이종금속 맞대기 용접부를 대상으로 PWSCC에 의한 균열성장 거동을 평가하였다. 이를 위해 용접부에 발생하는 응력을 상세 유한요소해석을 이용하여 결정하였으며, 이때에는 용접잔류응력 외에 수압시험 및 정상운전하중과 같은 배관에 작용하는 기계적 하중도 고려하여 기계적 하중 조건에 따른 용접잔류응력 재분배 거동도 평가하였다. 또한 결정된 최종 배관 용접부 응력을 기반으로 PWSCC에 의한 시간에 따른 균열 성장 거동 평가를 수행하였다.
이를 위해 용접부에 발생하는 응력을 상세 유한요소해석을 이용하여 결정하였으며, 이때에는 용접잔류응력 외에 수압시험 및 정상운전하중과 같은 배관에 작용하는 기계적 하중도 고려하여 기계적 하중 조건에 따른 용접잔류응력 재분배 거동도 평가하였다. 또한 결정된 최종 배관 용접부 응력을 기반으로 PWSCC에 의한 시간에 따른 균열 성장 거동 평가를 수행하였다. 특히 이때에는 같은 DMW 위치 내에서 경로에 따른 상대적인 PWSCC 위험도를 평가하였다.
또한 결정된 최종 배관 용접부 응력을 기반으로 PWSCC에 의한 시간에 따른 균열 성장 거동 평가를 수행하였다. 특히 이때에는 같은 DMW 위치 내에서 경로에 따른 상대적인 PWSCC 위험도를 평가하였다. 해석 시에는 구조물 형상에 의한 영향을 고려하기 위해 두 가지의 노즐-배관 맞대기 용접부 형상을 고려하였다.
DMW 위치에 따른 균열성장거동을 평가하기 위해서 Fig. 3에 나타낸 바와 같이 유한요소해석 결과를 바탕으로 DMW내의 3개의 경로를 따라 두께 방향 응력 분포를 도출하였다(①: 안전단/DMW 경계(safe-end side), ②: DMW 중앙(DMW center), ③: DMW/노즐 경계(nozzle side)).
전체 해석 과정은 3단계로 수행되었는데, 먼저 DMW와 SMW에 의한 용접잔류응력을 구하고, 이어서 Table 2에 주어진 수압시험과 정상운전 조건을 고려하여 이에 의한 응력 재분배를 고려한 최종 용접부 응력분포를 결정하였다.
4.1절에 기술한 바와 같이 세 가지 두께 방향 경로에 대해 응력분포를 평가한 결과 “DMW/노즐 경계 (Fig. 3의 ③번 경로)” 쪽이 다른 두 경로에 비해 균열성장량이 작을 것으로 예측되어 이 경로를 제외한 나머지 두 경로에 대해 균열성장량을 평가하였다.
A와 App. C에 입각하여 탄성응력확대계수(K) 및 PWSCC에 의한 균열성장 해석을 수행하였다.⁽⁶⁾
또한 ASME B&PV Code, Sec. XI에서는 최대허용 균열깊이로 두께(t)의 75%를 규정하고 있기에 이 한계값까지만 균열성장량을 평가하였으며, 균열 형상비(a/l, l=균열길이의 1/2)로는 1/2과 1/6을 설정하여 평가를 수행하였다.
이 경우에도 전술한 바와 같이 DMW 의 세 가지 경로 가운데 균열성장량이 상대적으로클 것으로 예상된 “DMW 중앙”과 “안전단/DMW 경계”에 대해서만 평가하였다.
본 논문에서는 Alloy 82/182를 용접재로 이용한 원자로 배관 이종금속 맞대기 용접부의 PWSCC에 의한 균열성장 거동을 평가하였다. 이를 위해 먼저 응력해석을 수행하여 두께 방향을 따른 DMW 의 응력분포를 결정하였다. 이때에는 DMW 및 SMW에 의한 용접잔류응력뿐만 아니라 수압시험 및 정상운전 조건까지 고려하여 기계적 하중에 의한 응력 재분배까지 고려하여 최종 배관 응력분포를 결정하였다.
이를 위해 먼저 응력해석을 수행하여 두께 방향을 따른 DMW 의 응력분포를 결정하였다. 이때에는 DMW 및 SMW에 의한 용접잔류응력뿐만 아니라 수압시험 및 정상운전 조건까지 고려하여 기계적 하중에 의한 응력 재분배까지 고려하여 최종 배관 응력분포를 결정하였다. 본 논문에서 얻은 주요 결론은 다음과 같다.
(2) DMW에서 세 가지 경로를 따른 두께 방향 응력 분포를 평가한 결과 “DMW 중앙” 및 “안전단/DMW 경계”에서 PWSCC에 의한 균열성장이 클 것으로 예측되었다. (3) 수압시험 및 정상운전 조건까지 고려된 DMW부의 최종 두께 방향 응력분포를 바탕으로 PWSCC에 의한 균열성장량을 평가하였으며 초기균열형상비(a/l)로 1/2인 경우와 1/6인 경우 2가지를 고려하였다. 대부분의 경우에서 두께방향을 따라 압축응력의 영향이 지배적이기에 초기 균열깊이가 너무 작으면 균열성장이 발생하지 않는 것으로 평가되었다.

대상 데이터

본 논문에서는 국내 가동중인 원자력발전소의 원자로 배관 이종금속 맞대기 용접부 중 원자로 입구 노즐(inlet nozzle)과 안전주입 노즐(safetyinjection nozzle)을 대상으로 해석을 수행하였으며, 대략적인 형상을 Fig. 1에 나타내었다. Fig.
본 논문에서는 범용 유한요소해석 프로그램인 ABAQUS (10)를 사용하여 응력 해석을 수행하였으며, 2차원 축대칭 모델을 적용하였다. 해석 시 적용된 요소는 4절점 축대칭 요소(4-node axisymmetric element, DCAX4 for temperature analysis and CAX4 for stress analysis in ABAQUS element library)이다. Fig.

이론/모형

본 논문에서는 범용 유한요소해석 프로그램인 ABAQUS (10)를 사용하여 응력 해석을 수행하였으며, 2차원 축대칭 모델을 적용하였다. 해석 시 적용된 요소는 4절점 축대칭 요소(4-node axisymmetric element, DCAX4 for temperature analysis and CAX4 for stress analysis in ABAQUS element library)이다.

성능/효과

그러나 정상운전 조건을 추가로 고려하면 전반적으로 응력 재분배가 크게 발생하여 배관 내면에서의 응력분포가 크게 변화하였다. 특히 PWSCC 측면에서 중요한 DMW에서는 응력값이 감소하였으며 축방향 응력의 경우에 효과가 큰 것으로 나타났다. 이는 정상운전 조건 온도에서의 재료 강도가 수압시험 온도에서의 강도에 비해 작기 때문에 정상운전 조건에서 특히 응력 재분배 효과가 큰 것으로 생각된다.
이는 정상운전 조건 온도에서의 재료 강도가 수압시험 온도에서의 강도에 비해 작기 때문에 정상운전 조건에서 특히 응력 재분배 효과가 큰 것으로 생각된다. 또한 원주방향 응력 성분의 경우는 압축응력이 발생하여 PWSCC에 의한 균열 발생 가능성이 작은 것으로 나타났으며, 축방향 응력 성분의 경우에는 인장응력이 나타났으나 정상운전 조건까지 고려할 경우에는 인장응력값이 크게 감소하여 정상운전조건에 의해 PWSCC에 의한 균열 발생 가능성이 감소하는 것으로 나타났다.
6에 나타난 바와 같이 벽두께 방향을 따른 응력분포의 경우에도 수압시험은 용접잔류응력의 재분배에 영향을 미치지 않았으나 정상운전 조건을 고려하면 DMW의 두께 방향 응력 분포가 크게 변화하였다. 특히 그 영향은 축방향 응력 분포에서 크게 나타났으며 PWSCC 측면에서 중요한 배관 내면에서의 축방향 응력이 정상운전 조건에 의해 크게 감소 하는 것으로 나타났다(Fig. 6 참고).
따라서 축방향 응력의 경우는 “DMW/노즐 경계” 쪽의 내면 인장응력 영역이 작기에 역시 상대적으로 다른 경로에 비해 PWSCC 균열성장량이 더 적을 것으로 예상되었다.
즉, 이경우도 “DMW/노즐 경계” 쪽의 압축 영역이 더 크기에 PWSCC에 의한 균열성장량이 다른 경로보다 작을 것으로 예측되었다.
(c)에 나타난 축방향 응력의 경우도 전반적인 응력 분포는 비슷하였으나 내면에서 인장응력의 크기가 “DMW 중앙”이 “DMW/노즐 경계”보다 큰 것으로 나타나 “DMW/노즐 경계” 쪽의 균열성장량이 더 적을 것으로 예상되었다.
(1) 응력해석 결과, 수압시험 조건은 용접잔류응력 재분배에 크게 영향을 미치지 않았으나 정상운전조건을 고려하면 응력 재분배가 크게 나타났으며 이는 정상운전조건 온도에서의 재료 강도가 수압시험 조건에 비해 작기 때문에 정상운전 조건에서 응력 재분배 효과가 큰 것으로 생각된다. 특히 PWSCC 측면에서 중요한 DMW에서 응력이 정상운전조건에 의해 크게 감소되었다.
(2) DMW에서 세 가지 경로를 따른 두께 방향 응력 분포를 평가한 결과 “DMW 중앙” 및 “안전단/DMW 경계”에서 PWSCC에 의한 균열성장이 클 것으로 예측되었다. (3) 수압시험 및 정상운전 조건까지 고려된 DMW부의 최종 두께 방향 응력분포를 바탕으로 PWSCC에 의한 균열성장량을 평가하였으며 초기균열형상비(a/l)로 1/2인 경우와 1/6인 경우 2가지를 고려하였다.

후속연구

(4) PWSCC에 의한 균열성장이 발생하는 임계 초기 균열깊이를 가정하여 PWSCC에 의한 균열성장량 선도를 작성하였으며 본 선도는 원자로 배관이 종금속 맞대기 용접부의 PWSCC 균열성장 거동평가에 활용할 수 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	강화가동중검사 결과로 PWSCC에 의한 균열이 발견 시, 해야하는 일은?	만약 강화가동중검사 결과로 PWSCC에 의한 균열이 발견된다면 ASME Boiler and Pressure Vessel Code (ASME B&PV Code), Section XI(6)에 따라 균열 건전성평가를 수행하여 보수 또는 다음 주기까지의 재가동 여부를 결정해야 한다.
	PWSCC에 의한 균열은 어디에 발생되었는가?	지난 2000년 이후 세계 각국에서 운전중인 가압경수로형 원자력발전소의 Alloy 82/182 이종금속용접부(Dissimilar Metal Weld, DMW)에서 일차수응력부식균열(Primary Water Stress Corrosion Cracking, PWSCC)에 의한 균열 발생 사례(1)가 수 차례 보고되었다. PWSCC에 의한 균열은 원자로압력용기 관통노즐, 원자로압력용기 입/출구 노즐 맞대기 용접부, 가압기 노즐 등 Alloy 82/182가 적용된 다수의 DMW에서 발생하였다. 이에 따라 미국, 한국을 비롯한 세계 각국의 원자력 산업계에서는 오버레이 용접 등을 이용하여 Alloy 82/182 DMW에 대한 예방 정비(2~5)를 수행하거나, 강화가동중검사를 통해 PWSCC에 의한 손상을 사전에 예방하고 있다.
	균열 건전성평가를 위해서는 용접잔류응력과 기계적 하중을 모두 고려하여야 하는 이유는?	그러나 DMW에는 용접 과정 동안 발생하는 용접잔류응력 외에 시험 하중, 운전 하중과 같은 기계적 하중에 의한 응력도 발생하게 된다. 따라서 균열 건전성평가를 위해서는 용접잔류응력과 기계적 하중을 모두 고려하여야 한다.

참고문헌 (12)

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상세보기
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원문보기 상세보기
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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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