고밀도 폴리에틸렌 융착부에 대한 단기간 파손 평가법 개발 - 한계하중 적용 - Development of a Short-term Failure Assessment of High Density Polyethylene Pipe Welds - Application of the Limit Load Analysis -원문보기
최근 미국에서는 가동기간이 오래된 원전 매설배관에서 부식 및 침식에 의해 삼중수소 누설로 지하수가 오염되는 사례가 급증하고 있다. 따라서, 현재 원전 안전등급 매설배관으로 사용되고 있는 금속재료의 배관을 대신해서 부식 및 침식 등의 열화 손상에 대한 저항성이 우수한 고밀도 폴리에틸렌(HDPE) 배관을 ASME Code Class 3 안전계통 배관으로 사용하기 위한 연구가 수행되고 있다. 본 연구에서는 발전소 가동 중 매설배관에 가해질 수 있는 하중과 온도 범위를 바탕으로 HDPE 배관 융착부에 대한 인장 시험과 저속균열성장 (SCG) 시험을 수행하였다. 시험 결과로 얻은 SCG 시험편의 파단면을 분석하여 HDPE 재료의 파손 기구를 파악하였다. 이를 바탕으로 3D유한요소 해석을 이용하여 균열이 있는 HDPE 재료가 버틸 수 있는 한계하중에 대한 검증을 수행하였다.
최근 미국에서는 가동기간이 오래된 원전 매설배관에서 부식 및 침식에 의해 삼중수소 누설로 지하수가 오염되는 사례가 급증하고 있다. 따라서, 현재 원전 안전등급 매설배관으로 사용되고 있는 금속재료의 배관을 대신해서 부식 및 침식 등의 열화 손상에 대한 저항성이 우수한 고밀도 폴리에틸렌(HDPE) 배관을 ASME Code Class 3 안전계통 배관으로 사용하기 위한 연구가 수행되고 있다. 본 연구에서는 발전소 가동 중 매설배관에 가해질 수 있는 하중과 온도 범위를 바탕으로 HDPE 배관 융착부에 대한 인장 시험과 저속균열성장 (SCG) 시험을 수행하였다. 시험 결과로 얻은 SCG 시험편의 파단면을 분석하여 HDPE 재료의 파손 기구를 파악하였다. 이를 바탕으로 3D 유한요소 해석을 이용하여 균열이 있는 HDPE 재료가 버틸 수 있는 한계하중에 대한 검증을 수행하였다.
In the US, the number of cases of subterranean water contamination from tritium leaking through a damaged buried nuclear power plant pipe continues to increase, and the degradation of the buried metal piping is emerging as a major issue. A pipe blocked from corrosion and/or degradation can lead to l...
In the US, the number of cases of subterranean water contamination from tritium leaking through a damaged buried nuclear power plant pipe continues to increase, and the degradation of the buried metal piping is emerging as a major issue. A pipe blocked from corrosion and/or degradation can lead to loss of cooling capacity in safety-related piping resulting in critical issues related to the safety and integrity of nuclear power plant operation. The ASME Boiler and Pressure Vessel Codes Committee (BPVC) has recently approved Code Case N-755 that describes the requirements for the use of polyethylene (PE) pipe for the construction of Section III, Division 1 Class 3 buried piping systems for service water applications in nuclear power plants. This paper contains tensile and slow crack growth (SCG) test results for high-density polyethylene (HDPE) pipe welds under the environmental conditions of a nuclear power plant. Based on these tests, the fracture surface of the PENT specimen was analyzed, and the fracture mechanisms of each fracture area were determined. Finally, by using 3D finite element analysis, limit loads of HDPE related to premature failure were verified.
In the US, the number of cases of subterranean water contamination from tritium leaking through a damaged buried nuclear power plant pipe continues to increase, and the degradation of the buried metal piping is emerging as a major issue. A pipe blocked from corrosion and/or degradation can lead to loss of cooling capacity in safety-related piping resulting in critical issues related to the safety and integrity of nuclear power plant operation. The ASME Boiler and Pressure Vessel Codes Committee (BPVC) has recently approved Code Case N-755 that describes the requirements for the use of polyethylene (PE) pipe for the construction of Section III, Division 1 Class 3 buried piping systems for service water applications in nuclear power plants. This paper contains tensile and slow crack growth (SCG) test results for high-density polyethylene (HDPE) pipe welds under the environmental conditions of a nuclear power plant. Based on these tests, the fracture surface of the PENT specimen was analyzed, and the fracture mechanisms of each fracture area were determined. Finally, by using 3D finite element analysis, limit loads of HDPE related to premature failure were verified.
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문제 정의
HDPE 재료의 건전성 평가에서 중요한 부분을 차지하는 저속균열성장 저항성을 알아보기 위해서 시험을 수행하였다. ASTM F1473(10) 기준에 따라 저속균열성장 거동을 알아보는 PENT 시험을 진행하였다.
본 논문에서는 HDPE 재료의 단기간 건전성 평가법으로 한계하중을 적용하기 위한 기초 연구를 수행하였다. 모재에 대한 선행 연구를 기반으로 융착부 재료에 대한 한계하중 평가법의 적합성을 다각도로 분석하였다.
본 논문에서는 저속균열성장이 끝나는 시점에 남은 면적에서 발생하는 고속 파단에 초점을 두고 연구를 수행하였다. PENT 시험 절차에 의해서 일정한 하중을 가한 상태에서 시편을 관찰하면, 일정량의 저속균열성장 이후 남은 영역이 가해진 하중을 지지할 능력을 잃으면 고속 파단이 발생한다.
따라서 HDPE 배관의 건전성 평가를 수행하기 위해서는 융착부에 대한 평가가 필수적이다. 본 연구에서는 융착부에 대한 한계하중 평가법 사용 적합성을 중점적으로 분석하였다.
본 연구에서는 일정한 하중을 가하는 저속균열 성장 시험을 수행하여 균열성장이 끝나는 시점에 남은 면적에 대해서 연성 파괴가 일어나는 현상을 관찰하였다. 이러한 현상은 한계하중 평가법을 적용하기 적합한 파괴 형태이다.
이어진 장에서는 HDPE 재료의 인장 특성을 파악하고 한계하중의 적용 가능성을 논하였다. 또한 저속균열성장 시험의 파면을 분석하여 재료의 파괴 기구를 파악하였다.
제안 방법
100µm, 50µm, 20µm 으로 확대해서 미세섬유의 파단 형태를 확인하였다.
하지만 앞서 설명했듯이 고분자 재료는 항복강도에 대한 정의가 금속의 그것과는 다르기 때문에 인장 시험을 통해서 적합한 응력 값을 찾아야 한다. 3 장에서 다시 설명하겠지만, 본 연구에서는 저속균열성장 시험의 파단면을 분석하여 한계하중 평가에 적합한 응력 값을 정의하였다.
PENT 시편의 남은 면적에 대한 한계하중 거동을 모사하기 위해서 재료는 탄성-완전소성물성을 사용하였다. 3.2 장에서 연성 파괴의 파단면 분석을 통해서 얻은 결론을 바탕으로 연신 응력을 이용해서 한계해석을 수행하였다. 실제 응력-변형률 곡선은 Fig.
ASTM F1473 기준에 따라 시편의 중간에 날카로운 면도날을 이용해 0.2mm/min 의 속도로 두께 방향 노치(25% 또는 40%)와 너비 방향 양쪽 노치(각 1mm 깊이)를 내었다. 이후 시편을 걸고 일정한 크기의 하중을 가해서 노치에서부터 저속균열 성장이 발생하도록 하고 최종 파단까지 걸리는 시간을 얻었다.
PENT 시험의 특성을 이용하여 저속균열성장이 끝나는 시점에 남은 면적에서 발생하는 연성 파괴에 초점을 두고 연구를 수행하였다. 한계하중은 구조물이 견딜 수 있는 최대 지지 하중을 의미하고, 연성 파괴가 발생할 때의 하중 값과 같다.
PW-1 과 PW-2 는 초기 노치 길이가 두께의 25%와 40%로 다르지만, 가해준 하중이 같다. PW-3 과 PW-4 는 PW-2 와 같은 노치길이에 3.5MPa, 4.1MPa로 증가된 하중을 가하였다.
5%정도로 작은 차이를 보임을 확인할 수 있다. PW-3 과 PW-4는 정하중을 3.5MPa, 4.1MPa 로 증가된 하중을 가하여 해석을 수행하였다.
대표로 PW-1 시편에 대해서 파단면을 주사 전자 현미경(scanning electron microscope; SEM)을 통해서 자세히 관찰하였으며, SEM 이미지를 Fig. 7 에 나타내었다. 그 결과 초기 노치에서 저속균열성장에 의해서 3mm 정도의 균열이 진전하였고, 파단면이 영역에 따라서 차이가 있다는 것을 확인하였다.
일반적으로 안전등급 3 계통 배관의 경우 운전온도가 최고 80℃ 정도까지 올라가는 것으로 알려져 있다. 따라서 배관의 운전 온도를 고려하여 상온, 40℃, 60℃ 및 80 ℃에서 인장 특성의 변화를 확인하였다. 시험 속도는 ASTM 기준에 따라 시편의 형상에 해당하는 변형률 속도인 50mm/min 으로 결정하였다.
따라서 연성 파괴는 저온 연신 구간의 응력에 해당하는 연신 응력(σd)과 연관이 있음을 유추할 수 있으며, 이 사실을 이용해서 다음 장에서 한계해석을 수행하였다.
이어진 장에서는 HDPE 재료의 인장 특성을 파악하고 한계하중의 적용 가능성을 논하였다. 또한 저속균열성장 시험의 파면을 분석하여 재료의 파괴 기구를 파악하였다. 마지막으로 3 차원 유한요소해석을 이용하여 한계해석(limit analysis)을 수행하고 시험 결과와 비교 분석하였다.
본 논문에서는 HDPE 재료의 단기간 건전성 평가법으로 한계하중을 적용하기 위한 기초 연구를 수행하였다. 모재에 대한 선행 연구를 기반으로 융착부 재료에 대한 한계하중 평가법의 적합성을 다각도로 분석하였다.
재료의 특성과 인장 시험기의 규모 등을 고려하여 Type-IV형태의 시편으로 가공하였다. 시편은 배관의 길이 방향으로 직접 추출하였으며, 모재와 융착부 모두 시편을 제작하여 시험을 진행하였다. 일반적으로 안전등급 3 계통 배관의 경우 운전온도가 최고 80℃ 정도까지 올라가는 것으로 알려져 있다.
취성 파괴(A)의 경우 비교적 매끈한 파단면을 보이고, 미세섬유를 보면 매우 짧은 연신 이후 파단이 발생하였음을 확인할수 있었다. 연성 파괴(C)의 파단면은 매우 거친 표면을 보이고, 길게 연신이 발생한 이후 파단이 발생한 미세섬유를 관찰하였다. 취성-연성 전이 영역(B)에서는 취성과 연성 파단면의 중간적인 특성을 띈다.
9 의 검은 점선과 같지만, 해석에 사용한 탄성-완전소성 물성은 빨간 선과 같다. 연신 응력을 한계하중에 대응하는 응력으로 설정하여 재료 물성으로 입력하였다. 항복 응력과 저온 연신 이후의 변형률 경화에 의한 응력 상승은 해석에서 배제하였으며, 이로써 보수적인 예측이 가능하다.
우선 HDPE 융착부 재료에 대한 인장 특성을 분석하고 각 구간별 미세결정과 고분자 구조의 변화를 자세히 파악하였다. 직접 시험을 통해서 온도에 따른 인장 특성을 파악하고, 저온균열성장 시편의 파단면을 분석함으로써 연성 파괴에 대응하는 응력 값을 도출하였다.
본 논문에서 한계하중 해의 검증을 위해서 사용한 PENT 시편의 경우 3방향에 노치가 존재하는 형태를 보인다. 이와 정확히 똑같은 형상에 대한 해가 존재하지 않기 때문에 비슷한 SEN(T) 시편의 해를 이용하여 시험 결과와 비교, 분석을 수행하였다. R6 코드에서 제시하는 양 끝단이 고정된 그립인 경우에 SEN(T)시편 한계하중 해는 다음의 식 (1), (2)와 같으며 관련된 시편형상과 변수가 Fig.
의 절차에 따라 온도에 따른 인장 시험을 수행하였다. 재료의 특성과 인장 시험기의 규모 등을 고려하여 Type-IV형태의 시편으로 가공하였다. 시편은 배관의 길이 방향으로 직접 추출하였으며, 모재와 융착부 모두 시편을 제작하여 시험을 진행하였다.
우선 HDPE 융착부 재료에 대한 인장 특성을 분석하고 각 구간별 미세결정과 고분자 구조의 변화를 자세히 파악하였다. 직접 시험을 통해서 온도에 따른 인장 특성을 파악하고, 저온균열성장 시편의 파단면을 분석함으로써 연성 파괴에 대응하는 응력 값을 도출하였다.
대상 데이터
(3,4) 연구에 사용된 재료는 PE4710 등급이며, ASTM D3350 기준(5) 에 따르면 445474C 로 분류된다.
45 를 해석에 입력하였다. PENT 시편의 남은 면적에 대한 한계하중 거동을 모사하기 위해서 재료는 탄성-완전소성물성을 사용하였다. 3.
이후 시편을 걸고 일정한 크기의 하중을 가해서 노치에서부터 저속균열 성장이 발생하도록 하고 최종 파단까지 걸리는 시간을 얻었다. 앞서 설명했듯이, 사용한 재료는 PE4710 Cell Classification 445474C 로 PENT 시험 요건은 80℃의 온도에서 2.4 MPa 의 정하중을 준 상태로 500 시간 동안 파단이 일어나지 않아야 한다.
13-4를 이용하여 해석을 수행하였다. 요소에서는 프로그램에서 제공하는 3 차원 저감적분요소(C3D20R)를 사용하였으며, 요소의 개수는 약 22000 개이다. 영계수 E=83.
데이터처리
또한 저속균열성장 시험의 파면을 분석하여 재료의 파괴 기구를 파악하였다. 마지막으로 3 차원 유한요소해석을 이용하여 한계해석(limit analysis)을 수행하고 시험 결과와 비교 분석하였다.
상용 유한요소해석 소프트웨어인 ABAQUS v6.13-4를 이용하여 해석을 수행하였다. 요소에서는 프로그램에서 제공하는 3 차원 저감적분요소(C3D20R)를 사용하였으며, 요소의 개수는 약 22000 개이다.
이론/모형
HDPE 재료의 건전성 평가에서 중요한 부분을 차지하는 저속균열성장 저항성을 알아보기 위해서 시험을 수행하였다. ASTM F1473(10) 기준에 따라 저속균열성장 거동을 알아보는 PENT 시험을 진행하였다. 시편의 형상 및 치수 정보를 Fig.
HDPE 재료의 융착부 인장 특성을 파악하기 위해서 표준 시험법인 ASTM D638(9)의 절차에 따라 온도에 따른 인장 시험을 수행하였다. 재료의 특성과 인장 시험기의 규모 등을 고려하여 Type-IV형태의 시편으로 가공하였다.
따라서 배관의 운전 온도를 고려하여 상온, 40℃, 60℃ 및 80 ℃에서 인장 특성의 변화를 확인하였다. 시험 속도는 ASTM 기준에 따라 시편의 형상에 해당하는 변형률 속도인 50mm/min 으로 결정하였다.
성능/효과
7 에 나타내었다. 그 결과 초기 노치에서 저속균열성장에 의해서 3mm 정도의 균열이 진전하였고, 파단면이 영역에 따라서 차이가 있다는 것을 확인하였다. 초기 저속균열성장이 발생하는 A 영역의 경우 취성 파괴의 파단면 특성을 보이고, 단기간 파단이 발생하는 C 영역의 경우 연성 파괴의 파단면을 보인다.
이와 같은 조건에서 모재와 융착부에 대한 PENT 시험을 수행한 결과 대부분의 시편이 500시간을 넘어 1000 시간 이상의 수명을 얻었다. 본 연구에서 실험한 재료가 저속균열성장에 대한 저항성이 우수하다는 것을 확인할 수 있었다. 하지만 융착부의 경우 몇몇 시편이 1000 시간 이전에 파단이 발생하는 경우가 있었다.
시험 결과를 보면 온도가 올라갈수록 항복 응력(σy)과 연신 응력(σd)의 차이가 줄어드는 것을 확인할 수 있다.
PW-1 과 PW-2 는 초기 노치 길이가 두께의 25%와 40%로 다르지만, 하중이 같기 때문에 비슷한 파단 균열 길이 af를 가져야 한다. 실험 결과를 보면 균열 길이가 2.5%정도로 작은 차이를 보임을 확인할 수 있다. PW-3 과 PW-4는 정하중을 3.
11에 그래프로 나타내었다. 이론해와 유한요소 해석 결과가 실제 시험 결과와 잘 일치하는 것을 확인하였으며 연신 응력(σd)을 이용한 한계하중의 사용이 적합하다고 판단된다.
파단면 분석을 통해서 연성 파괴는 미세섬유의 하중방향 연신과 관련이 있음을 확인하였다. 이는 인장 시험 결과와 비교했을 때, 네킹에서 구결정이 회전하고 이후 저온 연신 동안에 미세섬유들이 배향하는 특성과 유사하다.
이는 연성 파괴에 해당하는 파단면의 넓이를 계산하는데 생기는 오류 때문이다. 하중을 증가시키고 파단면을 관찰한 결과, 저속균열성장에 해당하는 취성 파괴 영역에서도 거친 면을 확인할 수 있었다. 즉 하중이 커짐에 따라 파단면의 미세섬유가 길게 늘어나게 되고, 반-취성 파단면과 연성 파단면의 구분이 어려워 지게 된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
연성 파괴란 무엇인가
구조물에 높은 하중이 가해져서 비교적 단시간에 재료가 변형되어 파단이 발생하는 것을 연성 파괴라고 한다. 이 연성 파괴는 재료의 인장 특성과 연관이 있으며, 재료의 항복강도와 직접적으로 대응한다.
한계하중이란 어떠한 하중인가
한계하중이란 연성 파괴를 정량화 할 수 있는 평가지표로서 구조물이 지지할 수 있는 최대하중을 의미한다. 높은 연성을 가지는 재료의 경우 균열에 의한 응력 집중이 발생하더라도 높은 파괴인성으로 인해서 균열이 진전하지 않는다.
고밀도 폴리에틸렌 배곤을 사용하기 위한 연구가 진행된 배경은 무엇인가
최근 미국 등 해외 원전에서 매설배관 열화와 그에 따른 냉각수 누설로 인한 지하수 오염 문제가 증가하고 있다. 따라서 현재 사용되고 있는 금속 소재를 대신하여 내부식성, 내침식성 등의 열화 저항성이 우수한 고밀도 폴리에틸렌(HDPE) 배관을 사용하기 위한 연구가 진행되고 있다.
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