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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

大韓機械學會論文集. Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers. A. A, v.39 no.4, 2015년, pp.405 - 413  

류호완 (고려대학교 기계공학부) ,  한재준 (고려대학교 기계공학부) ,  김윤재 (고려대학교 기계공학부) ,  김종성 (순천대학교 기계우주항공공학부) ,  김정현 (한국과학기술원 원자력 및 양자공학과) ,  장창희 (한국과학기술원 원자력 및 양자공학과)

초록
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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.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

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...

주제어

AI 본문요약
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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.
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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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참고문헌 (10)

  1. Haddad, A.N., 2013, ASME Code Development Roadmap for HDPE Pipe in Nuclear Service, ASME STP-NU-057, ASME Standards Technology, LLC, New York, USA. 

  2. ASME Boiler and Pressure Vessel Code Case N-755-1, 2011, Use of Polyethylene (PE) Class 3 Plastic Pipe Section III, Division I and Section XI, The American Society of Mechanical Engineers, New York, USA. 

  3. Shim, D.-J., Krishnaswamy, P. and Focht, E., 2009, Comparison of Parent and Butt Fusion Material Properties of High Density Polyethylene, In: ASME 2009 Pressure Vessels and Piping Conference, Baltimore, Maryland, USA pp. 1301-1308. 

  4. Kalyanam, S., Shim, D.-J., Krishnaswamy, P. and Hioe, Y., 2011, Slow Crack Growth Resistance of Parent and Joint Materials from PE4710 Piping for Safety-Related Nuclear Power Plant Piping, In: ASME 2011 Pressure Vessels and Piping Conference, Prague, Czech Republic pp. 919-926. 

  5. ASTM D3350-02a, 2002, Standard Specification for Polyethylene Plastics Pipe and Fittings Materials, Annual Book of ASTM Standards, ASTM International, West Conshohocken, PA. 

  6. Ryu, H.W., Han, J.J., Kim, Y.J., Kim, J.S., Oh, Y.J., Lee, S.G. and Park, H.B., 2012, "Development of Short-term Failure Assessment for High Density Polyethylene Piping Material," Proc. of KSME conf., pp. 1902-1903. 

  7. Schultz, J.M., 1974, Polymer Material Science, Prentice-Hall, Englewood Cliffs, N.J. 

  8. R6, 2010, Assessment of the Integrity of Structures Containing Defects, British Energy Generation Limited, Rev. 4. 

  9. ASTM D638-10, 2010, Standard Test Method for Tensile Properties of Plastics, Annual Book of ASTM Standards, ASTM International, West Conshohocken, PA. 

  10. ASTM D1473-13, 2013, Standard Test Method for Notch Tensile Test to Measure the Resistance to Slow Crack Growth of Polyethylene Pipes and Resins, Annual Book of ASTM Standards, ASTM International, West Conshohocken, PA. 

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