[논문]보수용접부 폭에 따른 용접잔류응력의 변화 및 재분배 거동 평가

박치용; 이휘승; 허남수

doi:10.3795/ksme-a.2014.38.2.177

보수용접부 폭에 따른 용접잔류응력의 변화 및 재분배 거동 평가
Investigation into Variations of Welding Residual Stresses and Redistribution Behaviors for Different Repair Welding Widths 원문보기

大韓機械學會論文集. Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers. A. A, v.38 no.2, 2014년, pp.177 - 184

박치용 (한국수력원자력(주) 중앙연구원) , 이휘승 (서울과학기술대학교 기계시스템디자인공학과) , 허남수 (서울과학기술대학교 기계시스템디자인공학과)

초록
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본 논문에서는 보수용접부 폭 변화에 따른 이종금속 맞대기 용접부(Dissimilar metal butt weld) 용접잔류응력의 분포 및 동종금속용접/기계적 하중에 의한 재분배 거동을 평가하였다. 이를 위해 5가지 다른 보수용접부 폭을 고려한 상세 2차원 유한요소 열해석 및 응력해석을 수행하였다. 유한요소해석 결과를 바탕으로 보수용접에 의한 용접잔류응력 분포를 평가하였으며, 동종금속용접 및 기계적 하중에 의한 응력 재분배 특성을 평가하였다. 보수용접에 의해 배관 내면에서는 큰 인장 용접잔류응력이 축방향과 원주방향에 대해 발생하는 것으로 나타났으며 보수용접부 폭이 특정값 이상이 되면 용접잔류응력 분포가 변하는 것으로 나타났다. 그러나 동종금속용접과 기계적 하중을 고려하면 인장잔류응력값이 크게 감소하였으며 그 경향은 보수용접부 폭에 무관한 것으로 나타났다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this study, we investigated the variations in welding residual stresses in dissimilar metal butt weld due to width of repair welding and re-distribution behaviors resulting from similar metal welding (SMW) and mechanical loading. To this end, detailed two-dimensional axi-symmetric finite element (FE) analyses were performed considering five different repair welding widths. Based on the FE results, we first evaluated the welding residual stress distributions in repair welding. We then investigated the re-distribution behaviors of the residual stresses due to SMW and mechanical loads. It is revealed that large tensile welding residual stresses take place in the inner surface and that its distribution is affected, provided repair welding width is larger than certain value. The welding residual stresses resulting from repair welding are remarkably reduced due to SMW and mechanical loading, regardless of the width of the repair welding.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

따라서 본 논문에서는 국내 가동 중인 원자력발전소의 원자로 배관 이종금속 맞대기 용접부를 대상으로 유한요소해석을 수행하여 보수용접부의 폭 변화가 이종금속 맞대기 용접부의 용접잔류응력 분포 거동에 미치는 영향을 평가하였다. 이를 위해 5가지의 보수용접부 폭을 고려하였으며, 특히 추가적인 동종금속용접(Similar Metal Weld, SMW)과 기계적 하중(수압시험 및 정상운전하중)이 보수용접에 의해 발생한 과도한 인장 용접잔류응력의 재분배 거동에 미치는 영향을 평가하여 PWSCC에 의한 균열 성장량 평가 시 실제 운전 조건을 반영한 실제 건전성 평가가 수행될 수 있도록 하였다.
본 논문에서는 원자로 배관 이종금속 맞대기 용접부에서 보수용접부 폭이 용접잔류응력 분포에 미치는 영향을 상세 유한요소해석을 통해 평가하였다. 이를 위해 5가지의 다른 보수용접부 폭을 고려하였다.

가설 설정

해석 시 적용된 요소는 4절점 축대칭 요소(4-nodes axisymmetric element, DCAX4 for temperature analysis and CAX4 for stress analysis in ABAQUS element library)이다. 즉, 2차원 축대칭 해석을 수행했기에 보수용접은 배관의 전체 원주에 대해 수행된 것으로 가정하였다. Fig.

제안 방법

DMW 중앙에서 두께를 따른 응력분포의 경우는 균열 성장량 평가 측면에서 중요하며 또한 SMW에서 상대적으로 멀리 떨어져 있기에 각각 공정에 의한 영향을 따로 평가하였다. 먼저 Fig.
실제 용접 공정을 고려하여 해석을 수행하였으며 가장 먼저 DMW 공정을 유한요소해석으로 모사하고 보수용접 공정을 이어서 모사하였다. 그 후 SMW 공정을 모사하고 수압시험 조건과 정상 운전 조건을 고려하였다. Fig.
이를 위해 5가지의 보수용접부 폭을 고려하였으며, 특히 추가적인 동종금속용접(Similar Metal Weld, SMW)과 기계적 하중(수압시험 및 정상운전하중)이 보수용접에 의해 발생한 과도한 인장 용접잔류응력의 재분배 거동에 미치는 영향을 평가하여 PWSCC에 의한 균열 성장량 평가 시 실제 운전 조건을 반영한 실제 건전성 평가가 수행될 수 있도록 하였다. 그리고 보수용접부 폭에 따른 재분배 거동의 차이도 평가하였다.
3은 DMW 보수용접부 유한요소망을 보다 상세하게 나타낸 것으로 전술한 바와 같이 보수용접부 폭의 영향을 고려하기 위해 5가지 보수용접부 폭을 고려하였다. 기존 DMW 내면에서의 용접 그루브(Groove) 폭을 W로 정의하여(Fig. 1 참고) W, 1.5W, 2W, 3W 그리고 5W인 경우를 고려하였다. 뿐만 아니라 보수용접부의 깊이도 내면으로부터 배관 두께의 10%, 30% 그리고 80%의 3가지 경우를 고려하였다.
보수용접부의 용접재 역시 DMW와 동일하게 Alloys 82/182를 사용하였다. 보수용접부 폭이 1.5W 이상인 경우부터는 보수용접 공정 모사를 위한 비드 제거 시 안전단(Safe-end), 버터링(buttering), 클래딩, 그리고 노즐 쪽 재료도 일부 제거되게 되는데 이후 보수용접 시에는 해당 부위의 원재료가 실제와 동일하게 용접재인 Alloys 82/182로 변경되도록 설정하여 보수용접 공정을 모사하였다.
Table 1은 부분별 재료를 정리하여 나타낸 것이다. 보수용접에 의해 생성된 용접잔류응력의 재분배 특성 평가를 위한 기계적 하중으로 수압시험 압력과 정상운전 중 운전 압력을 고려하였다.
보수용접은 보수용접부에 해당되는 부위의 유한요소망를 제거한 후, 보수용접 시 생성되는 신규 비드가 보수용접부 안쪽부터 재생성 되도록 수행하였다. 보수용접부의 용접재 역시 DMW와 동일하게 Alloys 82/182를 사용하였다.
이를 위해 5가지의 다른 보수용접부 폭을 고려하였다. 뿐만 아니라 SMW와 기계적 하중(수압시험 및 정상운전조건)이 보수용접에 의해 생성된 용접잔류응력의 재분배 거동에 미치는 영향도 평가하였다. 이를 통해 얻은 주요 결론은 다음과 같다.
5W, 2W, 3W 그리고 5W인 경우를 고려하였다. 뿐만 아니라 보수용접부의 깊이도 내면으로부터 배관 두께의 10%, 30% 그리고 80%의 3가지 경우를 고려하였다.
실제 용접 공정을 고려하여 해석을 수행하였으며 가장 먼저 DMW 공정을 유한요소해석으로 모사하고 보수용접 공정을 이어서 모사하였다. 그 후 SMW 공정을 모사하고 수압시험 조건과 정상 운전 조건을 고려하였다.
본 논문에서는 원자로 배관 이종금속 맞대기 용접부에서 보수용접부 폭이 용접잔류응력 분포에 미치는 영향을 상세 유한요소해석을 통해 평가하였다. 이를 위해 5가지의 다른 보수용접부 폭을 고려하였다. 뿐만 아니라 SMW와 기계적 하중(수압시험 및 정상운전조건)이 보수용접에 의해 생성된 용접잔류응력의 재분배 거동에 미치는 영향도 평가하였다.
따라서 본 논문에서는 국내 가동 중인 원자력발전소의 원자로 배관 이종금속 맞대기 용접부를 대상으로 유한요소해석을 수행하여 보수용접부의 폭 변화가 이종금속 맞대기 용접부의 용접잔류응력 분포 거동에 미치는 영향을 평가하였다. 이를 위해 5가지의 보수용접부 폭을 고려하였으며, 특히 추가적인 동종금속용접(Similar Metal Weld, SMW)과 기계적 하중(수압시험 및 정상운전하중)이 보수용접에 의해 발생한 과도한 인장 용접잔류응력의 재분배 거동에 미치는 영향을 평가하여 PWSCC에 의한 균열 성장량 평가 시 실제 운전 조건을 반영한 실제 건전성 평가가 수행될 수 있도록 하였다. 그리고 보수용접부 폭에 따른 재분배 거동의 차이도 평가하였다.
즉, 새로 생성되는 용접 비드가 용융점 이상 온도인 1700°C로 새로이 융착되도록 하였다.

대상 데이터

1은 본 논문에서 고려된 국내 원자력발전소의 원자로 입구 노즐 이종금속 맞대기 용접부 형상을 대략적으로 나타낸 것이다. 배관의 두께는 84.14 mm이며 배관 내면에서의 DMW 폭은 6.35 mm이다. 또한 배관 내면에서의 SMW 폭은 6.
보수용접은 보수용접부에 해당되는 부위의 유한요소망를 제거한 후, 보수용접 시 생성되는 신규 비드가 보수용접부 안쪽부터 재생성 되도록 수행하였다. 보수용접부의 용접재 역시 DMW와 동일하게 Alloys 82/182를 사용하였다. 보수용접부 폭이 1.
유한요소해석 시에는 2차원 축대칭 모델을 적용하였다. 해석 시 적용된 요소는 4절점 축대칭 요소(4-nodes axisymmetric element, DCAX4 for temperature analysis and CAX4 for stress analysis in ABAQUS element library)이다. 즉, 2차원 축대칭 해석을 수행했기에 보수용접은 배관의 전체 원주에 대해 수행된 것으로 가정하였다.

데이터처리

본 논문에서는 범용 유한요소해석 프로그램인 ABAQUS⁽⁸⁾를 사용하여 유한요소 용접공정 해석 및 기계적 응력 해석을 수행하였다. 유한요소해석 시에는 2차원 축대칭 모델을 적용하였다.

이론/모형

를 사용하여 유한요소 용접공정 해석 및 기계적 응력 해석을 수행하였다. 유한요소해석 시에는 2차원 축대칭 모델을 적용하였다. 해석 시 적용된 요소는 4절점 축대칭 요소(4-nodes axisymmetric element, DCAX4 for temperature analysis and CAX4 for stress analysis in ABAQUS element library)이다.

성능/효과

(1) 보수용접부 폭이 W~3W인 경우에는 그 폭이 배관 내면 응력 분포에 미치는 영향이 미미하였으나 5W인 경우에는 비교적 큰 영향을 미쳤다.
(2) DMW 중앙에서 두께를 따른 축방향 응력분포의 경우 보수용접에 의해 내면에서 큰 인장 용접잔류응력이 나타났으며 그 값은 보수용접부 폭이 5W인 경우가 가장 컸으며 W~3W의 경우에는 그 차이가 미미하였다.
(3) 보수용접으로 생성된 DMW 중앙 내면의 축 방향 응력이 SMW에 의해 감소하기는 하지만 여전히 인장상태를 유지하며, 기계적 하중까지 고려하면 5W의 경우를 제외하고 모두 압축상태로 변하였다.
(4) 보수용접으로 생성된 DMW 중앙 내면의 원주방향 응력은 보수용접부 폭에 관계없이 SMW 와 기계적 하중에 의해 비슷한 수준으로 감소하였으나 인장상태를 유지하였다.
8~Fig. 10의 결과로부터 최종적으로 기계적 하중까지 고려하면 보수용접에 의해 생성된 큰 축방향 인장 용접잔류응력이 재분배되어 압축응력 상태로 변하거나 혹은 그 값이 크게 감소하므로(보수용접부 폭이 큰 경우) 만약 PWSCC에 의한 배관 이종금속 맞대기 용접부 균열 성장량 평가 시 보수용접에 의한 용접잔류응력 만을 고려하여 균열 성장량을 평가하면 실제 운전 조건에서 균열 성장량이 지나치게 과대 평가될 수 있음을 유추할 수 있다.
그리고 이러한 경향은 보수용접부 깊이에 무관한 것으로 나타났다. 그러나 Fig. 5에 나타난 바와 같이 SMW와 수압시험 및 정상운전하중과 같은 기계적 하중이 작용하면 보수용접에 의해 발생한 용접잔류응력이 재분배되어 전반적으로 보수용접에 의해 생성된 인장 용접잔류응력값이 크게 감소하였으며 특히 보수용접에 의한 인장 용접잔류응력이 나타나는 영역이 매우 컸던 5W인 경우도 다른 경우와 유사한 수준으로 그 값이 크게 감소하였으며 인장 용접잔류응력이 나타나는 영역도 크게 감소하였다.
8에 나타낸 바와 같이 보수용접에 의한 축방향 용접잔류응력은 자기평형성(Self-equilibrium) 조건을 만족하였다. 그리고 모든 경우에 있어 배관 내면에서 약 200 MPa 이상의 인장 용접잔류응력이 보수용접에 의해 생성되는 것으로 나타났다. 보수용접 깊이(Fig.
6(c))는 그 변화가 다른 경우에 비해 컸다. 또한 모든 경우에 있어 DMW 영역에서의 최대 응력값은 크게 변화가 없는 것으로 나타났으나 최대 인장응력값이 나타나는 영역은 보수용접부 폭만큼 넓어졌다. SMW, 수압시험, 그리고 정상운전조건을 고려한 경우(Fig.
비록 SMW 공정에 의해 내면에서의 응력이 감소하기는 하지만 대부분 인장응력 상태를 유지하고 있으며 내면에서의 응력감소에 따른 자기평형성 유지를 위해 외면에서는 응력값이 증가하였다. 최종적으로 Fig. 10에 나타낸 바와 같이 수압시험과 정상운전하중을 고려하면 기계적 하중에 의해 재분배되어 내면에서 대부분의 경우에 대해 압축응력으로 변하는 것으로 나타났다. 그러나 5W의 경우에는 그 값이 크게 감소하기는 하지만 약 30 MPa 정도로 인장응력 상태를 유지하는 것으로 나타났다.
그리고 내면에서의 최종 응력값은 폭이 5W인 경우가 가장 컸다. 축방향 응력과 달리 원주방향 응력은 기계적 하중에 의해 최종적으로 재분배되어도 여전히 매우 큰 인장응력을 유지하고 있는 것으로 나타났다. 그러나 이 경우에도 응력 재분배를 고려하지 않고 보수용접에 의한 용접잔류응력만을 고려하여 PWSCC에 의한 축방향 균열 성장량을 예측하면 균열 성장량이 크게 예측될 것을 유추할 수 있다.

후속연구

그러나 이 경우에도 응력 재분배를 고려하지 않고 보수용접에 의한 용접잔류응력만을 고려하여 PWSCC에 의한 축방향 균열 성장량을 예측하면 균열 성장량이 크게 예측될 것을 유추할 수 있다. 이상의 결과를 모두 종합하면 보수용접이 수행된 배관 이종금속 맞대기 용접부의 경우에는 원주방향 균열에 비해 축방향 균열이 더 중요하게 고려되어야 할 것으로 생각된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	이종금속용접은 무엇을 위해 수행되는가?	이에 따라 용접잔류 응력은 원자력기기의 건전성과 관련하여 주요하게 다뤄지는 하중 인자 가운데 하나이다. 특히 저합금강(Low alloy steel)으로 제작된 기기와 스테인리스강(Stainless steel)으로 제작된 배관의 연결을 위해서 많은 이종금속용접(Dissimilar Metal Weld, DMW)이 수행되며 이 가운데 용접재로 Alloys 82/182 합금을 사용한 경우에는 용접부에서 발생하는 인장 용접잔류응력과 배관 내부를 흐르는 1차 원자로 냉각수(Primary reactor coolant), 그리고 재료 자체의 부식 민감성의 상호 작용으로 인해 1차수 응력부식균열(Primary Water Stress Corrosion Cracking, PWSCC) 현상이 다수 발생한 바 있다.(1)
	용접제로 Alloys 82/182 합금을 사용한 경우 1차수 응력부식균열 현상이 다수 발생하는 이유는 무엇인가?	이에 따라 용접잔류 응력은 원자력기기의 건전성과 관련하여 주요하게 다뤄지는 하중 인자 가운데 하나이다. 특히 저합금강(Low alloy steel)으로 제작된 기기와 스테인리스강(Stainless steel)으로 제작된 배관의 연결을 위해서 많은 이종금속용접(Dissimilar Metal Weld, DMW)이 수행되며 이 가운데 용접재로 Alloys 82/182 합금을 사용한 경우에는 용접부에서 발생하는 인장 용접잔류응력과 배관 내부를 흐르는 1차 원자로 냉각수(Primary reactor coolant), 그리고 재료 자체의 부식 민감성의 상호 작용으로 인해 1차수 응력부식균열(Primary Water Stress Corrosion Cracking, PWSCC) 현상이 다수 발생한 바 있다.(1)
	실제 원자력기기는 복잡한 용접이력을 경험하기에 정확하게 보수용접부의 용접잔류응력을 예측하기 어려움에 따라 어떤 요인들이 평가되었는가?	그러나 용접부에서 발견된 결함 형상에 따라 보수용접부의 폭, 깊이 등의 형상 변수들이 다양하게 변할 뿐만 아니라 실제 원자력기기는 복잡한 용접이력을 경험하기에 정확하게 보수용접부의 용접잔류응력을 예측하는 것은 어렵다. 이에 따라 가압기 안전/방출 노즐 DMW 등에 대해 보수용접 깊이, 보수용접 시작위치 등이 보수용접에 의한 용접잔류 응력에 미치는 영향 등이 평가된 바 있다.(2,3) 또한 Dong 등(4)과 Elcoate 등(5)은 비록 DMW는 아니지만 단일 재료로 제작된 배관 맞대기 외면(outer surface) 보수용접부에 대해 보수용접부의 원주방향 길이가 잔류응력 분포에 미치는 영향을 평가한 바 있으며, Zhang 등(6)은 배관 맞대기 용접부 DMW에서 배관 외면에 부분적으로 작게 보수용접을 수행하면 이에 의한 응력 변화가 거의 없을 수 있음을 보인 바도 있다.

참고문헌 (14)

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상세보기
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상세보기
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저자의 다른 논문 :

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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