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초록
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본 논문에서는 원통형 쉘에 부착된 노즐의 구조 건전성평가를 수행하고 그 결과를 비교하기 위해 2차원(2D)과 3차원(3D) 해석이 수행되었다. 현재 원자력 발전소에서 사용되는 3개의 노즐을 구조 건전성평가를 위해 선정하였고, 각각 노즐은 내부압력, 온도변화 및 외부하중을 받는다. 내부압력에 대한 2D 해석은 1.5이상의 계수 값을 이용하거나 응력집중 계수를 적용하여야 하고, 온도변화에 대한 2D와 3D 해석결과는 피복재의 유무와 상관없이 서로 거의 비슷하며, 외부하중에 대한 WRC Bulletin 297에 의한 해석결과는 3D 해석결과보다 더 보수적임을 확인할 수 있었다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

In this paper, the two-dimensional(2D) and three-dimensional(3D) analyses have been performed in order to evaluate the structural integrities and compare 2D and 3D results for nozzles attached to cylindrical shells. Three nozzles, which are currently used in the nuclear power plant, are chosen to ev...

주제어

AI 본문요약
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제안 방법

  • 2D 내부압력에 의한 구조해석은 Fig. 5와 같이 축대칭 모델로 구현하였고, 원통형 쉘의 거동을 실제와 동일하게 고려하기 위해 두 하중단계로 구분하여 해석을 각각 수행하였다.
  • 895MPa)을 적용하였다. 2D 해석은 Z축을 고려할 수 없으므로 노즐의 축방향 끝단에만 Blow-off Load를 적용하였고, 원주방향의 변위를 대칭구속하였다.
  • 3D 내부압력에 의한 구조해석은 Fig. 4와 같이 노즐의 1/4 형상으로 모델을 구현하였고, 압력용기의 내부에 압력 1,000psi(6.895MPa)을 적용하였다. 실제 압력용기의 경우 축방향으로 밀폐되어 있기 때문에 내부압력에 의해 축방향으로 하중이 작용한다.
  • Table 3의 피복재 재료 물성치는 2.2항에서 설명한 바와 같이 열해석 시에만 고려되므로 탄성계수(modulus of elasticity)와 열팽창계수(thermal expansion)는 필요하지 않으며, 두 재료의 밀도(density)와 푸아송비(Poisson’s ratio)는 온도와 무관하게 각각 1.0lb/ft3(16.02kg/m3)과 0.3으로 적용하였다.
  • 각 응력강도 값은 CUT별로 선형화된 응력강도로 막응력강도(membrane stress intensity), 막응력강도+굽힘응력강도(bending stress intensity) 및 합응력강도(total stress intensity)로 표현하였다. 단, 외부하중에 의한 최대응력강도는 노즐의 전 둘레에 걸쳐 불규칙적으로 응력이 분포하기 때문에 길이방향 및 가로방향 면에서 최대응력강도가 발생하지 않을 수 있다.
  • 이를 Blow-off Load라 하며, 이 하중은 응력변화에 영향을 미치므로 식 (1)을 이용하여 노즐과 쉘의 축방향 끝단에 각각 적용하였다. 구속조건으로 쉘의 길이방향의 면(longitudinal plane), 가로방향의 면(transverse plane) 및 원주방향의 면에 대해 변위를 대칭구속하였다.
  • 기존에는 원통형 쉘에 부착된 노즐의 건전성 평가를 위해서 내부압력과 외부하중을 개별적으로 평가하였으나, 본 논문에서는 열하중을 포함하여 종합적인 평가를 수행하였고, 평가를 위해 운전 중인 원자로용기 3개의 노즐을 이용하였다. 내부압력 평가는 2D 모델에 내부반경의 확장계수 1.
  • 내부압력, 온도변화 및 외부하중 조건을 종합적으로 고려해보면 응력강도는 쉘과 노즐의 교차부분에서 더 크게 나타나므로, 이 교차부분을 구조 건전성평가 부위로 선정하였다.
  • 6과 같이 노즐을 전체 모델링하였다. 노즐의 끝단 중심에 있는 마스터 절점에 6가지 하중 Fx, Fy, Fz, Mx, My, Mz[1,000lbs or 1,000 lbs-inches(4.448kN or 112.985kN-m)]를 적용하였고, 이 하중은 동적하중으로 양방향(+, 또는 -)으로 작용한다. 따라서 방향성에 따른 하중조합 경우의 수, 64가지 조합을 모두 고려하였고 그 중 가장 응력강도가 큰 값을 선정하여 결과를 비교하였다.
  • 단, 외부하중에 의한 최대응력강도는 노즐의 전 둘레에 걸쳐 불규칙적으로 응력이 분포하기 때문에 길이방향 및 가로방향 면에서 최대응력강도가 발생하지 않을 수 있다. 따라서 노즐의 전 둘레를 고려하여 최대응력강도를 산출하였다.
  • 985kN-m)]를 적용하였고, 이 하중은 동적하중으로 양방향(+, 또는 -)으로 작용한다. 따라서 방향성에 따른 하중조합 경우의 수, 64가지 조합을 모두 고려하였고 그 중 가장 응력강도가 큰 값을 선정하여 결과를 비교하였다. 반면, 2D 해석은 모델에 6가지 하중을 모두 적용할 수 없으므로 노즐해석에 널리 사용되는 WRC Bulletin 297을 활용하였다.
  • 본 논문에서 3D 해석은 실제와 동일한 치수 및 경계조건을 고려하여 해석하였고, 2D 해석은 압력용기의 내부반경을 1.5배 및 2배를 증가시켜 압력 및 온도변화에 의한 구조해석 및 열해석을 수행하였다. 압력에 의한 구조해석 시에는 Timoshenko(1959)가 제시한 쉘 변형에 대한 Second Harmonic Edge Load 개념을 추가로 적용함으로써, 실제 원통형 쉘에서 일어나는 거동이 고려되도록 하였다.
  • 외부하중에 의한 응력강도는 쉘과 노즐의 교차점을 기준으로 용기 또는 노즐로 구분되며, 그에 따라 응력강도를 평가하는 방법이 달라진다. 본 연구에서는 두 평가방법을 모두 고려하였다.
  • 5배 및 2배를 증가시켜 압력 및 온도변화에 의한 구조해석 및 열해석을 수행하였다. 압력에 의한 구조해석 시에는 Timoshenko(1959)가 제시한 쉘 변형에 대한 Second Harmonic Edge Load 개념을 추가로 적용함으로써, 실제 원통형 쉘에서 일어나는 거동이 고려되도록 하였다. 압력용기의 내부 표면에 부식을 예방하기 위해 사용되는 피복재는 ASME Code, Section Ⅲ, NB-3122 Cladding에 대한 요건에 따라 구조적 강도를 고려하지 않으므로, 피복재를 제거한 상태로 구조해석을 수행하였다.
  • 압력용기에 부착된 3개의 노즐에 대해 내부압력, 온도변화 및 외부하중을 받는 조건하에서 열해석 및 구조해석을 실시하였고, 3D 해석과 2D 해석의 차이를 비교하였다.
  • 압력용기에 작용하는 내부압력, 온도변화 및 외부하중에 따라 발생하는 응력성분을 구별하기 위해 3가지 하중조건을 동시에 적용하지 않고 각각 나누어 적용하였다. 2D 해석은 일반적으로 노즐의 축방향을 기준으로 모델링하여 축대칭으로 해석하기 때문에 실제 압력용기의 형상인 원통 형상으로 고려되지 않고 구 형상으로 고려된다.
  • 압력에 의한 구조해석 시에는 Timoshenko(1959)가 제시한 쉘 변형에 대한 Second Harmonic Edge Load 개념을 추가로 적용함으로써, 실제 원통형 쉘에서 일어나는 거동이 고려되도록 하였다. 압력용기의 내부 표면에 부식을 예방하기 위해 사용되는 피복재는 ASME Code, Section Ⅲ, NB-3122 Cladding에 대한 요건에 따라 구조적 강도를 고려하지 않으므로, 피복재를 제거한 상태로 구조해석을 수행하였다. 열해석 시에는 피복재와 압력용기의 재료가 서로 상이하여 온도변화에 미치는 영향을 확인하기 위해 피복재를 고려한 경우와 그렇지 않은 경우를 구분하여 평가하였다.
  • 앞서 언급한 사항을 고려하여 본 논문에서는 3D와 2D 해석 모두 Fig. 7의 ②에서 표시한 바와 같이 길이방향 및 가로방향의 면을 기준으로 “First CUT”에서 “Last CUT”까지 요소의 방향과 일관되게 CUT을 지정하였고, 그에 따른 국부 좌표계를 설정하여 각 절점에 대해 응력강도를 산출하였다.
  • 총 해석시간은 6시간을 기준으로 하였다. 열해석 결과를 이용하여 구조해석을 수행할 때는 피복재를 제거한 후, 2.4항의 내부압력 해석과 동일한 구속조건을 적용하였다.
  • 압력용기의 내부 표면에 부식을 예방하기 위해 사용되는 피복재는 ASME Code, Section Ⅲ, NB-3122 Cladding에 대한 요건에 따라 구조적 강도를 고려하지 않으므로, 피복재를 제거한 상태로 구조해석을 수행하였다. 열해석 시에는 피복재와 압력용기의 재료가 서로 상이하여 온도변화에 미치는 영향을 확인하기 위해 피복재를 고려한 경우와 그렇지 않은 경우를 구분하여 평가하였다.
  • 노즐은 완전용입용접 및 부분용입용접을 이용하여 압력용기에 부착되는데 응력집중 및 응력부식균열 등에 의하여 구조 건전성을 저하시키는 요인이 된다. 원통형 쉘에 부착된 노즐의 건전성을 평가하기 위해서는 3차원(3D) 모델을 이용하여 평가해야 하나, 초기 기술 규격 및 기준이 설립될 당시 전산 하드웨어의 성능 및 기술력 부족으로 대부분의 해석 기준 및 방식은 2차원(2D) 모델을 이용한 평가방법을 사용하였다. 원통형 쉘에 작용하는 원주응력과 축응력의 평균응력과 구형 쉘에 작용하는 원주응력과 축응력의 평균응력비가 1.
  • 1의 형상을 동일하게 사용하였다. 피복재의 유무에 따라 쉘과 노즐의 내면 또는 피복재 내면에 Heat-up 조건으로 온도[70℉~565℉(21.1℃~296.1℃)]를 시간에 따라 증가하도록 적용하였으며, 온도 증가율은 100℉/hr(55.6℃/hr)이다. 총 해석시간은 6시간을 기준으로 하였다.

대상 데이터

  • Fig. 3과 같이 압력용기 및 노즐은 SA-508, Grade 3, Class 1, 그리고 압력용기의 내부 피복재는 SA-240, Type 304 재료를 사용하였으며, ASME Code, Section Ⅱ, Part D에서 제시하는 온도에 따른 물성치를 Table 2 및 3과 같이 사용하였다.
  • 해석 모델은 Fig. 1과 같이 내부반경이 113.2˝(2,875 mm)이고, 두께가 7˝(178mm)인 압력용기에 완전용입용접으로 부착된 3개 노즐(공칭 직경 6˝(150mm), 12˝(300mm) 및 30˝(750mm))을 대상으로 선정하였다. 각 노즐의 상세치수는 Fig.

데이터처리

  • 기존에는 원통형 쉘에 부착된 노즐의 건전성 평가를 위해서 내부압력과 외부하중을 개별적으로 평가하였으나, 본 논문에서는 열하중을 포함하여 종합적인 평가를 수행하였고, 평가를 위해 운전 중인 원자로용기 3개의 노즐을 이용하였다. 내부압력 평가는 2D 모델에 내부반경의 확장계수 1.5와 2.0을 적용한 경우 및 Second Harmonic Edge Load를 적용한 경우와 적용하지 않은 경우를 3D 해석방법과 비교하였고, 열하중 평가도 내부반경의 확장계수 1.5와 2.0을 적용한 경우 및 피복재를 적용한 경우와 적용하지 않은 경우에 대해 2D와 3D 해석결과를 비교하였으며, 외부하중 평가는 원통형 쉘에 부착된 3D 노즐과 WRC Bulletin 297과 비교하였다.
  • 175mm)이다. 해석 프로그램으로 ANSYS 15.0을 사용하였고, 3D 구조해석 및 열해석은 각각 SOLID 186과 SOLID90의 20-절점 요소를 사용하였으며, 2D 구조해석 및 열해석은 PLANE183과 PLANE 77의 8-절점 요소를 사용하였다. 단, 2D 내부압력에 의한 구조해석의 경우, Second Harmonic Edge Load를 적용하기 위해 비선형 하중을 적용할 수 있는 PLANE83의 8-절점 요소를 사용하였다.

이론/모형

  • 단, 2D 내부압력에 의한 구조해석의 경우, Second Harmonic Edge Load를 적용하기 위해 비선형 하중을 적용할 수 있는 PLANE83의 8-절점 요소를 사용하였다.
  • 두 번째 단계에서는 Second Harmonic Edge Load만 식 (2a) 및 (2b)와 같이 계산하여 쉘의 원주방향 끝단에 적용하여 해석하였다.
  • 단, 2D 내부압력에 의한 구조해석의 경우, Second Harmonic Edge Load를 적용하기 위해 비선형 하중을 적용할 수 있는 PLANE83의 8-절점 요소를 사용하였다. 또한, 외부 하중에 의한 구조해석 시 일반적으로 배관하중이 노즐 끝단의 중심점을 기준으로 생산되므로 중심점에서 발생하는 하중을 노즐 끝단면의 절점들로 전달하기 위해 MASS21 요소를 이용하였다.
  • 따라서 방향성에 따른 하중조합 경우의 수, 64가지 조합을 모두 고려하였고 그 중 가장 응력강도가 큰 값을 선정하여 결과를 비교하였다. 반면, 2D 해석은 모델에 6가지 하중을 모두 적용할 수 없으므로 노즐해석에 널리 사용되는 WRC Bulletin 297을 활용하였다. 외부하중에 의한 응력강도는 쉘과 노즐의 교차점을 기준으로 용기 또는 노즐로 구분되며, 그에 따라 응력강도를 평가하는 방법이 달라진다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
노즐이 압력 용기에 부착될 때 구조 건전성을 저하 시키는 요인이 발생하는 이유는 무엇인가? 노즐은 완전용입용접 및 부분용입용접을 이용하여 압력용기에 부착되는데 응력집중 및 응력부식균열 등에 의하여 구조 건전성을 저하시키는 요인이 된다. 원통형 쉘에 부착된 노즐의 건전성을 평가하기 위해서는 3차원(3D) 모델을 이용하여 평가해야 하나, 초기 기술 규격 및 기준이 설립될 당시 전산 하드웨어의 성능 및 기술력 부족으로 대부분의 해석 기준 및 방식은 2차원(2D) 모델을 이용한 평가방법을 사용하였다.
원자로용기에 많은 노즐이 부착되는 이유는 무엇인가? 원자력 발전소의 주요기기 중 하나인 원자로용기는 원통형 쉘로 제작되며 유로형성 및 노내계측을 위해 많은 노즐이 부착된다. 원자로용기의 유로형성을 위한 입구노즐과 출구노즐은 용기 측면 쉘에 용접된다.
3D 해석을 수행하여 구조 건전성 평가를 수행해야 하는 이유는 무엇인가? 열응력의 특성상 구조물을 구속하지 않으면 큰 응력이 발생하지 않기 때문에 타 해석과 달리 실제 과도조건을 적용했음에도 불구하고 응력강도가 낮게 산출되었다. 열응력은 주로 피로해석에 영향을 많이 미치기 때문에 합응력강도가 크게 작용해야 보수적으로 설계할 수 있다. 따라서 3D 해석의 합응력강도가 2D 해석보다 크게 발생하므로 3D 해석을 수행하여 구조 건전성 평가를 수행할 것을 추천한다.
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참고문헌 (10)

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  3. Sommerville, D., Walter, M. (2011) An Investigation into the Effects of Modelling Cylindrical Nozzle to Cylindrical Vessel Intersections Using 2D Axisymmetric Finite Element Models and a Preposed Method for Correcting the Results, Proceedings of the ASME 2011 Pressure Vessels & Piping Division Conference, PVP2011-57001, Baltimore. 

  4. Lee, H.S., Ha, C.H., Park, T.J. (2011) Finite Element Analysis for Nozzle with External Loads, Proceedings of the ASME 2011 Pressure Vessels & Piping Division Conference, PVP2011-57407, Baltimore. 

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  6. Conway, L.E., Harkness, A.W. (2013) Instrumentation and Control Penetration Flange for Pressurized Water Reactor, United States Patent Application Publication US 2013/0287157 A1. 

  7. Walter, M.C., Sommerville, D.V. (2010) Nozzle Blend Radius Peak Stress Correction Factors For 2-D Axisymmetric Finite Element Models, Proceedings of the ASME 2010 Pressure Vessels & Piping Division / K-PVP Conference, PVP2010-25104, Washington. 

  8. Johnson, R.E., Anderson, P.L., Han, S.B. (1989) A Comparison of Finite Element Methods for Determining Stress Industrial in Reactor Vessel Nozzles, Proceedings of the 4th KAIF/KNS Annual Conference, Korea Atomic Industrial Forum, Inc.. 

  9. Timoshenko, S.P., Krieger, S.W. (1959) Theory of Plates and Shells, McGraw-Hill Book Company, second edition, Singapore, p.580. 

  10. Lee, Y.J., Kim, J.M., Kim, H.M., Lee, D.H., Chung, C.K. (2014) Structural Integrity Evaluation of Reactor Pressure Vessel Bottom Head without Penetration Nozzles in Core Melting Accident, J. Comput. Struct. Eng. Inst. Korea, 27(3), pp.191-198. 

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