[논문]원전 안전 3 등급 고밀도 폴리에틸렌 매설 배관 맞대기 열 융착부의 인장 피로특성 평가

김종성; 이영주; 오영진

doi:10.3795/ksme-a.2015.39.1.011

초록
AI-Helper

최근에 원자력 발전소 안전 3 등급 배관에 적용되고 있는 고밀도 폴리에틸렌 배관은 융착표면을가열한 후 축방향으로 가압하는 열 융착 공정을 이용하여 맞대기 융착되어진다. 이러한 열 융착공정은 맞대기 융착부에 비드 형상을 발생시킨다. 이러한 비드 형상의 응력집중에 기인하여 피로수명이 줄어들 수 있다. 따라서 피로거동에 미치는 맞대기 열 융착부 비드의 효과를 고찰하는 것이 필요하다. 본 연구에서는 응력 제어 조건 하의 인장 피로 시험과 유한요소 탄성응력 해석을 수행하여 맞대기 열 융착부의 인장 피로 거동을 고찰하였다. 고찰 결과, 중주기 및 고주기 피로 영역에선 피로수명에 미치는 비드의 영향이 미미한 반면 저주기 피로 영역에선 비드의 존재가 피로 수명을 감소시킴을 확인하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

High-density polyethylene (HDPE) piping, which has recently been applied to safety class III piping in nuclear power plants, can be butt-joined through the thermal fusion process, which heats two fused surfaces and then subject to axial pressure. The thermal fusion process generates bead shapes on t...

High-density polyethylene (HDPE) piping, which has recently been applied to safety class III piping in nuclear power plants, can be butt-joined through the thermal fusion process, which heats two fused surfaces and then subject to axial pressure. The thermal fusion process generates bead shapes on the butt fusion. The stress concentrations caused by the bead shapes may reduce the fatigue lifetime. Thus, investigating the effect of the thermal butt fusion beads on fatigue behavior is necessary. This study examined the fatigue behavior of thermal butt fusion via a tensile fatigue test under stress-controlled conditions using finite element elastic stress analysis. Based on the results, the presence of thermal butt fusion beads was confirmed to reduce the fatigue lifetime in the low-cycle fatigue region while having a negligible effect in the medium- and high-cycle fatigue regions.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

본 연구에서는 맞대기 열 융착부를 가진 시편과 모재 시편에 대해 응력 제어 조건 하에서 인장 피로실험을 수행하여 맞대기 열 융착부의 비드가 피로수명에 미치는 영향을 고찰하였다. 또한, 유한요소 탄성 응력해석을 수행하여 맞대기 열 융착부의 비드가 피로수명에 미치는 영향을 수행하였다.

제안 방법

2 에서 보이는 바와 같이 융착 비드 부에 균열과 같이 날카로운 노치(적색 원 안)가 존재하므로 피로하중 가진 주파수가 높아질수록 이러한 노치에 국부적인 응력집중으로 인한 발열현상이 발생하여 피로거동에 영향을 미칠 수 있다. 따라서 본 연구에서는 적외선 열화상 카메라를 이용하여 융착부를 갖는 피로인장 시편의 온도와 융착부 없는 모재 피로인장 시편의 온도를 피로시험 동안 측정 비교하였다. Fig.
본 연구에서는 맞대기 열 융착부를 가진 시편과 모재 시편에 대해 응력 제어 조건 하에서 인장 피로실험을 수행하여 맞대기 열 융착부의 비드가 피로수명에 미치는 영향을 고찰하였다. 또한, 유한요소 탄성 응력해석을 수행하여 맞대기 열 융착부의 비드가 피로수명에 미치는 영향을 수행하였다.
융착하는 동안 융착부 근처의 재료물성도 변화하고 잔류응력도 발생하나 본 연구에서는 맞대기 열 융착 비드 형상이 응력집중에 미치는 효과를 상세 유한요소 탄성 응력해석을 수행하여 피로측면에서 고찰하였다. 융착부의 물성 변화와 잔류응력이 피로거동에 미치는 영향은 광범위하고 세밀한 연구가 필요하므로 본 연구의 후속 연구로 수행할 예정이다.
하중 제어 조건 하에서 피로 실험을 수행하였다. 원전 안전 3 등급 HDPE 매설배관에 실제 작용하는 주된 1 차 하중인 운전압력의 특성을 고려하여 최대 하중에 대한 최소 하중의 비 R 은 0.

대상 데이터

HDPE 배관 전체적인 형상으로 피로실험을 수행하는 것은 대량의 자재와 대형 실험장비가 필요하여 비효율적이어서 ASTM D638-02a⁽⁹⁾에 제시된 형상에 따라 내외표면의 가공 없이 HDPE 배관으로부터 채취되었다. Fig.
본 연구의 실험에 사용된 HDPE 배관의 레진(resin) 은 대한유화의 HDPE PE100 P600 이 사용되었고 조성은 Table 1과 같다.⁽⁷⁾ 배관 제작시 투입되어 레진 물성 대비 배관 소재의 물성에 영향을 미치는 첨가물의 종류와 양은 정보 보안때 문에 배관제작사로부터 확보할 수 없었다. HDPE 배관의 외경과 두께는 각각 319.

이론/모형

8 은 HDPE 배관 맞대기 열 융착부의 기하학적 형상을 상세히 조사하기 위한 3D scanning 작업을 보여주고 있다. NextEngine 시스템⁽¹³⁾을 이용하였다. Fig.
따라서 안전 3 등급 매설 HDPE 배관에 대해서는 국부적인 응력이 아니라 전체 두께에 걸친 피로균열 성장을 지배하는 막응력(membrane stress), 굽힘응력(bending stress) 및 구조응력(structural stress, 막+굽힘응력)을 도출하여야 한다. 본 연구에서는 유한요소 크기와 특성에 둔감한 구조응력 σ_s를 도출하는 구조응력 개념⁽¹⁷⁾을 도입하였다. 다음과 같이 힘평형 조건과 모멘트 평형 조건에 의해 각각 막응력 σ_m과 굽힘응력 σ_b가 계산된다.
상용 유한요소 프로그램인 ABAQUS⁽¹⁴⁾를 이용하여 유한요소 탄성 응력 해석을 수행하였다. 탄계수와 푸아송 비는 각각 1200MPa 과 0.

성능/효과

(1) 20,000cycles 이하의 저주기 피로 영역에서는 맞대기 열 융착부를 가진 시편의 피로수명이 모재 시편의 피로수명보다 동일 응력진폭 하에서 짧음.
(2) 20,000cycles 이상의 중고주기 피로 영역에서는 맞대기 열 융착부의 존재 여부에 무관하게 유사한 피로수명을 나타냄.
(3) 응력증대계수는 전 주기에 걸쳐 약 1 근방의 값을 가지는데 피로 수명 싸이클이 감소할수록 감소하여 30,000cycles 정도 이상에서는 1의 값을 가지는데 이러한 중주기 피로영역 이상에서의 피로거동은 유한요소 탄성 응력 해석을 통해 도출된 응력확대계수 값으로부터 타당함을 확인.
(4) 피로 하중 동안 융착부 비드의 존재로 인한 시편 온도의 변화는 미미하므로 융착부 비드 존재로 인한 온도 변화가 피로거동에 미치는 영향은 미미할 것으로 판단됨.

후속연구

융착하는 동안 융착부 근처의 재료물성도 변화하고 잔류응력도 발생하나 본 연구에서는 맞대기 열 융착 비드 형상이 응력집중에 미치는 효과를 상세 유한요소 탄성 응력해석을 수행하여 피로측면에서 고찰하였다. 융착부의 물성 변화와 잔류응력이 피로거동에 미치는 영향은 광범위하고 세밀한 연구가 필요하므로 본 연구의 후속 연구로 수행할 예정이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	원자력 발전소에서 사용되는 고밀도 폴리에틸렌 배관은 어떻게 융착면과 접합되는가?	최근에 HDPE(high density polyethylene) 재질은 우수한 부식 저항성, 저렴한 재료/설치 비용 등의 이유로 원자력발전소 안전 3등급 매설배관에 적용되고 있다.(1) 이러한 HDPE 배관은 열판을 이용한 융착면 가열이후 유압 또는 수동식 하중인가장치로 압착하는 맞대기 열 융착 공정을 통해 영구적으로 접합된다. 이러한 열 융착 공정 동안, 융착부는 응력집중을 야기시키는 비드(bead)를 발생시킨다.
	HDPE의 장점은?	최근에 HDPE(high density polyethylene) 재질은 우수한 부식 저항성, 저렴한 재료/설치 비용 등의 이유로 원자력발전소 안전 3등급 매설배관에 적용되고 있다.(1) 이러한 HDPE 배관은 열판을 이용한 융착면 가열이후 유압 또는 수동식 하중인가장치로 압착하는 맞대기 열 융착 공정을 통해 영구적으로 접합된다.
	HDPE은 어디에 적용되는가?	최근에 HDPE(high density polyethylene) 재질은 우수한 부식 저항성, 저렴한 재료/설치 비용 등의 이유로 원자력발전소 안전 3등급 매설배관에 적용되고 있다.(1) 이러한 HDPE 배관은 열판을 이용한 융착면 가열이후 유압 또는 수동식 하중인가장치로 압착하는 맞대기 열 융착 공정을 통해 영구적으로 접합된다.

참고문헌 (17)

http://www.plasticpipe.org/pdf/hdpe-pipe-used-in-nuclearpower-industy.pdf
Bucknall, C.B. and Dumpleton, P., 1987, "Effects of Loading History on Fatigue Crack Growth in High Density Polyethylene and Toughened Poly(Methy Methacrylate), Polymer Engineering & Science, Vol.27, Issue 2, pp.110-115.

상세보기
Scavuzzo, R.J., Cakmak, M., Srivatsan, T.S., Widera, G.E.O., Zhao, L., Chen, H., Hu, P. and Lam, P.C., 1999, Plastic Pipe-Burst and Fatigue Testing of PVC and HDPE Pipe, Welding Research Council.
Khelif, R., Chateauneuf, A. and Chaoui, K., 2008, "Statistical Analysis of HDPE Fatigue Lifetime," Meccanica, Vol.43, pp.567-576.

상세보기
EPRI, 2007, Fatigue and Capacity Testing of High-Density Polyethylene Pipe and Pipe Components Fabricated from PE4710, TR-1015062.
EPRI, 2010, Stress Intensification and Flexibility Factors of High Density Polyethylene Pipe Fittings, TR-1020439, Vol.1.
Korea Petrochemical Industry Company, Ltd., 2011, Product Analysis Report for PE100 P600.
ASME Boiler and Pressure Vessel Committee, 2011, ASME B&PV Code Case N-755-1: Use of Polyethylene (PE) Class 3 Plastic Pipe, Section III, Division I and Section XI, ASME.
ASTM, 2003, Standard Test Method for Tensile Properties of Plastics, ASTM D638-02a, ASME International.
MTS, 2010, Manuals for MTS Landmark 100kN Dynamic Material Testing System.
http://www.flir.com/cs/apac/kr/view/?id41437
Markl, A.R.C and Louisville, K.Y., 1952, "Fatigue Tests of Piping Components," Trans. of the ASME, April, pp.287-303.
http://www.nextengine.com/products/scanner/specs
Dassault Systems, Simulia, User's Manuals for ABAQUS, Ver.6.12, 2012.
www.springer.com, 3.3. Polymers, 9783540443766-c3[1].pdf.
Rao, K.R., 2012, Companion Guide to the ASME Boiler and Pressure Vessel and Piping Codes, Fourth Edition, Volumes 1&2, ASME International.
Kim, J.S., Jin, T.E., Hong, J.K. and Dong, P., 2003, "Finite Element Analysis and Development of Interim Consolidated S-N Curve for Fatigue Design of Welded Structure," Trans. Korean Soc. Mech. Eng. A, Vol.27, No.5, pp.724-733.

원문보기 상세보기

이 논문을 인용한 문헌

저자의 다른 논문 :

LOADING...

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증

원전 안전 3 등급 고밀도 폴리에틸렌 매설 배관 맞대기 열 융착부의 인장 피로특성 평가
Study on Tensile Fatigue Behavior of Thermal Butt Fusion in Safety Class III High-Density Polyethylene Buried Piping in Nuclear Power Plants 원문보기

초록
AI-Helper

Abstract ▼ AI-Helper

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

문제 정의

제안 방법

대상 데이터

이론/모형

성능/효과

후속연구

질의응답

참고문헌 (17)

이 논문을 인용한 문헌

저자의 다른 논문 :

연구과제 타임라인

관련 콘텐츠

원문 보기

원문 URL 링크

연관된 기능

이 논문과 함께 이용한 콘텐츠

AI-Helper ※ AI-Helper는 오픈소스 모델을 사용합니다.

선택된 텍스트

연합인증

원전 안전 3 등급 고밀도 폴리에틸렌 매설 배관 맞대기 열 융착부의 인장 피로특성 평가 Study on Tensile Fatigue Behavior of Thermal Butt Fusion in Safety Class III High-Density Polyethylene Buried Piping in Nuclear Power Plants 원문보기

초록 용어보기논문에서 용어와 풀이말을 자동 추출한 결과로, 시범 서비스 중입니다. AI-Helper

Abstract ▼ AI-Helper

주제어

AI 본문요약 엑셀 다운로드 AI-Helper

문제 정의

제안 방법

대상 데이터

이론/모형

성능/효과

후속연구

질의응답

참고문헌 (17)

이 논문을 인용한 문헌

저자의 다른 논문 :

오영진 (12)

연구과제 타임라인

전체(0) 논문(0) 특허(0) 보고서(0)

전체(0) 논문(0) 특허(0) 보고서(0)

관련 콘텐츠

원문 보기

원문 URL 링크

연관된 기능

이 논문과 함께 이용한 콘텐츠

AI-Helper ※ AI-Helper는 오픈소스 모델을 사용합니다.

선택된 텍스트

원전 안전 3 등급 고밀도 폴리에틸렌 매설 배관 맞대기 열 융착부의 인장 피로특성 평가
Study on Tensile Fatigue Behavior of Thermal Butt Fusion in Safety Class III High-Density Polyethylene Buried Piping in Nuclear Power Plants 원문보기

초록
AI-Helper

AI 본문요약
AI-Helper