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문제 정의
- 따라서 본 연구의 목적은 고온 S-CO2 환경이 후보재료인 오스테나이트계 합금의 기계적 물성에 미치는 영향을 평가하는데 있다. 이를 위하여 5가지 후보재료들을 S-CO2 환경에 일정시간 노출시킨 후 부식특성을 평가하고 인장실험을 수행하여 기계적 성질 변화를 평가하였다.
제안 방법
- 본 절에서는 고온 S-CO2 환경에 의해 인장특성 변화가 가장 크게 나타난 316H 와 800HT 의 650℃ S-CO2 환경에서의 미세조직 변화를 표면 산화물과 탄화현상을 중심으로 분석하였다. 316H 의 경우, 표면 산화막의 두께는 800HT 에 비해 컸으나 반면에 내부 탄화는 800HT 에 비해 미미하게 나타났다.
- 부식실험용 쿠폰시편과 인장 시험용 미소인장 시편을 시험재료별로 2 개씩(총 10 개) S-CO2 부식 실험장비에 설치하였다(Fig. 2). 시험편간의 접촉을 방지하기 위해 Fig.
- 시험편들은 550℃ 및 650℃, 20 MPa 환경에서 250 시간 노출시킨 후 계통 내에서 냉각하였다. 시험 종료 후, 부식시험편을 꺼내어 무게 변화를 측정하고, 절단하여 미세조직 분석을 수행하였다. 인장시험편은 ASTM E08/E8M-13a 절차를 따라 3.
- 이를 위하여 5가지 후보재료들을 S-CO2 환경에 일정시간 노출시킨 후 부식특성을 평가하고 인장실험을 수행하여 기계적 성질 변화를 평가하였다. 아울러 고온 S-CO2 환경에 노출됨에 따라 발생하는 미세조직의 변화를 관찰하고 기계적 특성과의 연관성을 분석하였다.
- 오토클레이브는 고온 강도와 부식저항성이 뛰어난 Inconel 625 로 제작되었으며, 3 개의 열전대가 일정한 간격을 두고 배치되어 실험온도 ±2℃ 범위에서 제어되었다. 오토클레이브를 거친 S-CO2는 열 교환기(Heat exchanger)와 역압력조절기(Back Pressure Regulator, BPR)를 지나면서 상온 및 상압 상태로 바뀐 뒤 가스분석기에서 성분분석이 수행되었다.
- 환경이 후보재료인 오스테나이트계 합금의 기계적 물성에 미치는 영향을 평가하는데 있다. 이를 위하여 5가지 후보재료들을 S-CO2 환경에 일정시간 노출시킨 후 부식특성을 평가하고 인장실험을 수행하여 기계적 성질 변화를 평가하였다. 아울러 고온 S-CO2 환경에 노출됨에 따라 발생하는 미세조직의 변화를 관찰하고 기계적 특성과의 연관성을 분석하였다.
- 시험 종료 후, 부식시험편을 꺼내어 무게 변화를 측정하고, 절단하여 미세조직 분석을 수행하였다. 인장시험편은 ASTM E08/E8M-13a 절차를 따라 3.33E-4/sec의 cross-head 속도로 상온 인장특성을 평가하였다.
- 제 4 세대 원전인 소듐냉각고속로(SFR)에 S-CO2발전 싸이클의 적용성을 평가하기 위해 후보재료들의 부식특성과 인장특성의 변화를 실험적으로 평가하였다. 후보재료인 오스테니틱 스테인리스강과 Inconel 800HT 을 S-CO2 환경(550 및 650℃ 200 bar)에서 250 시간 노출시킨 후 부식특성과 인장 특성의 변화를 평가하고 미세조직을 분석하여 다음과 같은 결론을 얻었다:
대상 데이터
- 시험에 사용된 재료들은 우수한 고온 강도를 나타내는 오스테니틱 스테인리스강(310S, 316H, 316LN, 347H), 그리고 고온 환경에 적합한 Fe-Ni-Cr 합금인 800HT 이다. 각 재료의 화학조성은 Table 1 과 같다.
- 오토클레이브는 고온 강도와 부식저항성이 뛰어난 Inconel 625 로 제작되었으며, 3 개의 열전대가 일정한 간격을 두고 배치되어 실험온도 ±2℃ 범위에서 제어되었다.
성능/효과
- (1) 실험에 사용된 모든 후보재료는 550℃ SCO2 환경에서 250 시간 노출시킨 후에도 인장특성은 as-received 상태와 거의 유사하게 나타났다.
- (2) 650℃ S-CO2 환경에 노출된 경우 316H, 347H, 그리고 800HT 에서는 hardening 이 나타났다. 특히 316H 와 800HT 의 경우 연신율이 크게 감소했다.
- cycle 에 대한 관심이 커진 이유는 다음과 같은 장점들 때문이다:1) 기존 증기 Rankine 싸이클의 경우 사고시 예상되는 액체나트륨과 증기 사이의 폭발적인 반응의 가능성을 제거하고, 2) 낮은 임계압력을 필요로 하는 CO2의 특성을 이용한 간소화된 시스템 구성 및 높은 효율 구현이 가능하다.(4,5) 이러한 장점을 구현하기 위해 고온 S-CO2 환경에서 구조재료들의 거동을 파악할 필요가 있다.
- 550℃ S-CO2 환경에서 250 시간 노출시킨 시험 편의 표면 산화막은 5 가지 실험재료 모두에서 as-received 상태와 거의 유사하게 나타났다. 생성된 표면 산화물은 그 두께가 매우 얇아 분석될 수 없었고, 의미 있는 양의 carburization 현상 또한 관찰되지 않았다.
- 347H 의 경우 대부분 매우 얇은 dual 산화막을 보였으나 두껍고 비균일한 산화막이 표면 곳곳에 생성되었다. 모든 시험 재료에서 모재 바로 위에는 Cr-rich 산화막이 형성되었으며, 최상부에는 모재의 Cr 함량에 따라 철산화물 혹은 크롬산화물이 관찰되었다. 대부분의 시험편에서 탄화는 거의 발견되지 않았으나 800HT 의 경우, 표면 산화막 하부에 많은 양의 탄화물이 관찰 되었다.
- 환경에서 250 시간 노출시킨 시험 편의 표면 산화막은 5 가지 실험재료 모두에서 as-received 상태와 거의 유사하게 나타났다. 생성된 표면 산화물은 그 두께가 매우 얇아 분석될 수 없었고, 의미 있는 양의 carburization 현상 또한 관찰되지 않았다. 이는 오스테니틱 스테인리스강의 S-CO2 환경 온도 650℃ 이하에서 400 시간보다 적은 노출시간에서는 뚜렷한 변화가 없었다는 최근 Sridharan 등(10)의 최근 연구결과와 일관성 있는 결과이다.
- 이는 Cao 등이 650℃, 20 MPa S-CO2 환경 산화 실험 결과 316SS(본 실험의 316H 와 비슷한 조성)의 무게증감 결과가 다른 재료들에 비해 뚜렷하게 보인 것과(9) 일치하는 결과이다. 이에 비해 높은 Cr 함량을 가진 800HT 및 310S 는 다른 오스테니틱 스테인리스강들 보다 우수한 산화 저항성을 보였다.
- 316LN 의 경우 S-CO2 환경에 노출된 조건에서도 as-received 조건과 거의 유사한 연신율을 보였다. 즉, 316H 와 800HT 를 제외한 다른 나머지 실험재료들의 경우 부식실험 전후 인장 특성의 차이가 작고 일정한 경향성이 없는 것으로 나타났다.
후속연구
- 본 연구는 고온 S-CO2 환경에서 250 시간 노출된 시험편에 대한 평가 및 분석 결과이며 고온 S-CO2 환경이 후보재료의 장기건전성에 미치는 영향을 보다 명확히 평가하기 위해서는 좀더 장기간의 실험이 필요한 것으로 생각된다.
- 대부분의 시험편에서 탄화는 거의 발견되지 않았으나 800HT 의 경우, 표면 산화막 하부에 많은 양의 탄화물이 관찰 되었다. 시험 재료들의 S-CO2 환경에서 부식 특성을 정량화 하기 위해서는 좀 더 장기간의 부식시험이 필요할 것으로 보인다.
- 나아가 이러한 탄화물의 생성이 연신율 저하에 어느 정도 기여하였을 것으로 생각된다. 하지만 보다 정확한 분석을 위해 보다 장기간의 S-CO2 환경에서의 실험이 수행되어야 할 것으로 보인다.
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