LBB 평가를 위한 J-R 파괴인성시험 결과에 미치는 시편 형상과 측면 홈의 영향 Effects of Specimen Size and Side-groove on the Results of J-R Fracture Toughness Test for LBB Evaluation원문보기
본 논문에서는 파단전누설 평가를 위한 J-R 파괴인성시험에 미치는 시편 크기와 측면 홈의 영향을 분석하였다. 이를 위해서 SA508 Gr.1a 배관재에서 채취된 측면 홈이 가공되거나 가공되지 않은 크기가 다른 3종류의 CT 시편(12.7mm 두께의 1T-CT, 25.4mm 두께의 1T-CT, 25.4mm 두께의 2T-CT)을 이용하여 상온과 $316^{\circ}C$에서 J-R 시험을 수행하였다. 시험 결과, 시편 두께에 관계없이 측면 홈이 가공된 시편은 측면 홈이 없는 시편에 비해 낮은 J-R 곡선을 보였으며, 상온에 비해 $316^{\circ}C$에서 측면 홈의 영향이 더욱 뚜렷하였다. 상온에서는 시편의 두께가 감소하고 폭이 증가함에 따라 J-R 곡선이 약간씩 감소하는 경향을 보였으나, $316^{\circ}C$에서는 시편의 두께가 감소하고 폭이 증가됨에 따라 J-R 곡선이 증가하였다. 그러나 SA508 Gr.1a 배관재에서 전체적으로 시편의 폭과 두께에 따른 J-R 곡선의 변화는 크지 않았다.
본 논문에서는 파단전누설 평가를 위한 J-R 파괴인성시험에 미치는 시편 크기와 측면 홈의 영향을 분석하였다. 이를 위해서 SA508 Gr.1a 배관재에서 채취된 측면 홈이 가공되거나 가공되지 않은 크기가 다른 3종류의 CT 시편(12.7mm 두께의 1T-CT, 25.4mm 두께의 1T-CT, 25.4mm 두께의 2T-CT)을 이용하여 상온과 $316^{\circ}C$에서 J-R 시험을 수행하였다. 시험 결과, 시편 두께에 관계없이 측면 홈이 가공된 시편은 측면 홈이 없는 시편에 비해 낮은 J-R 곡선을 보였으며, 상온에 비해 $316^{\circ}C$에서 측면 홈의 영향이 더욱 뚜렷하였다. 상온에서는 시편의 두께가 감소하고 폭이 증가함에 따라 J-R 곡선이 약간씩 감소하는 경향을 보였으나, $316^{\circ}C$에서는 시편의 두께가 감소하고 폭이 증가됨에 따라 J-R 곡선이 증가하였다. 그러나 SA508 Gr.1a 배관재에서 전체적으로 시편의 폭과 두께에 따른 J-R 곡선의 변화는 크지 않았다.
In this study, the effects of specimen size and side-groove on the results of the J-R test for leak-before-break (LBB) evaluation were investigated. A series of J-R tests were conducted at both RT and $316^{\circ}C$, using three different sizes of compact tension (CT) specimens machined f...
In this study, the effects of specimen size and side-groove on the results of the J-R test for leak-before-break (LBB) evaluation were investigated. A series of J-R tests were conducted at both RT and $316^{\circ}C$, using three different sizes of compact tension (CT) specimens machined from SA508 Gr.1a piping material: 12.7 mm-thick 1T-CT, 25.4 mm-thick 1T-CT, and 25.4 mm-thick 2T-CT with and without side-groove. The results showed that side-grooving reduced the J-R curve for all specimens and the effect of side-grooving was more significant at $316^{\circ}C$ than at RT. As the thickness of the specimens decreased and the width of the specimens increased, the J-R curve slightly decreased at RT but it increased at $316^{\circ}C$. However, the variation in the J-R curve of SA508 Gr.1a with the thickness and width of CT specimen was insignificant.
In this study, the effects of specimen size and side-groove on the results of the J-R test for leak-before-break (LBB) evaluation were investigated. A series of J-R tests were conducted at both RT and $316^{\circ}C$, using three different sizes of compact tension (CT) specimens machined from SA508 Gr.1a piping material: 12.7 mm-thick 1T-CT, 25.4 mm-thick 1T-CT, and 25.4 mm-thick 2T-CT with and without side-groove. The results showed that side-grooving reduced the J-R curve for all specimens and the effect of side-grooving was more significant at $316^{\circ}C$ than at RT. As the thickness of the specimens decreased and the width of the specimens increased, the J-R curve slightly decreased at RT but it increased at $316^{\circ}C$. However, the variation in the J-R curve of SA508 Gr.1a with the thickness and width of CT specimen was insignificant.
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문제 정의
따라서, 본 논문에서는 LBB 개념이 적용되고 있는 국내 원전 배관의 J-R 파괴인성시험 결과에 미치는 시편 폭과 두께 그리고 측면 홈의 영향이 어느 정도인지 측면 홈이 가공된 25.4 mm 두께의 1T-CT 시편을 기준으로 살펴보고자 한다. 이를 위해서 국내 원전의 배관에 사용되는 SA508 Gr.
본 논문에서는 LBB 개념이 적용되고 있는 국내 원전 배관의 J-R 파괴인성시험에 미치는 시편 크기와 측면 홈의 영향을 파악하기 위해서, 국내 원전에 사용되는 SA508 Gr.1a 배관재를 대상으로 다양한 형상의 시편을 가공하여 상온과 316ºC에서 J-R 파괴인성시험을 수행하였다.
여기서는 원전 운전온도인 316ºC에서 시험된 J-R 곡선을 기초로 LBB 평가에 미치는 시편 형상과 측면 홈의 가공 여부에 따른 영향을 간단히 검토하였다.
가설 설정
배관 설계시 LBB 개념을 적용하기 위해서는 누설감시장치가 감지할 수 있는 충분한 양의 누설을 허용할 수 있는 크기의 관통균열이 배관에 존재하는 것으로 가정하고, 이 관통균열이 정상 운전 뿐 아니라 지진하중 조건에서 불안정 파괴 되지 않는다는 것을 파괴역학적으로 입증하여야 한다.(1~3) 이러한 LBB 평가를 위해서는 대상 배관 재료에 대한 응력-변형률 곡선과 J-R 곡선이 필요하며, 이들 재료물성치는 LBB 평가 결과에 직접적으로 영향을 미친다.
제안 방법
J-R 파괴인성시험에 앞서 SA508 Gr.1a 배관재에 대한 기본적인 기계적물성치를 파악하기 위해 상온과 316ºC에서 인장시험을 수행하였다.
SA508 Gr.1a 배관재의 J-R 파괴인성에 미치는 시편 두께의 영향을 살펴보기 위해서, 두께가 25.4 mm와 12.7 mm인 1T-CT 시편에서 구한 J-R곡선을 비교하였다. Figs.
본 연구에서는 측면 홈이 가공된 25.4 mm 두께의 1T-CT 시편과 12.7 mm 두께의 1T-CT 시편, 25.4 mm 두께의 2T-CT 시편, 그리고 측면 홈이 가공되지 않은 25.4 mm와 12.7 mm 두께의 1T-CT 시편에 대한 J-R 파괴인성시험을 상온과 316ºC에서 수행하였다.
1a 배관재를 대상으로 다양한 형상의 시편을 가공하여 상온과 원전 운전온도인 316ºC에서 J-R 파괴인성시험을 수행하였다. 시험 결과로부터 J-R 곡선에 미치는 시편 크기와 측면 홈의 영향을 살펴보고, LBB 평가에 미치는 영향을 분석하였다.
이를 위해서 국내 원전의 배관에 사용되는 SA508 Gr.1a 배관재를 대상으로 다양한 형상의 시편을 가공하여 상온과 원전 운전온도인 316ºC에서 J-R 파괴인성시험을 수행하였다.
을 적용하여 균열길이를 계산하였다. 최종적으로 시편을 파단하여 측정한 초기 균열길이(ao)와 최종 균열길이(af)를 이용하여 균열길이를 보정하였다.
59가 되도록 하였다. 한편, J-R 파괴인성시험에 앞서 배관 재료의 기계적물성치를 파악하고 J-R 시험 결과를 분석하기 위해서, 동일한 배관에서 시편을 채취하여 인장시험을 수행하였다. 시험에는 ASTM E8-09(7)의 기준에 따라 설계된 직경이 5.
4 mm 시편보다 높은 J-R 곡선을 보였다. 한편, 동일한 두께를 갖는 시편에서 시편 폭에 따른 파괴인성의 차이를 보기 위해서, 측면 홈이 가공된 두께가 25.4mm인 1T-CT(W=50.8 mm) 시편과 2T-CT(W=101.6 mm) 시편의 J-R 곡선을 비교하였다. Fig.
대상 데이터
9 mm/min)로 수행되었다. J-R 시험에는 전기로와 100 kN의 동적 로드셀이 부착된 유압식 만능시험기가 사용 되었으며, 시편의 하중선 변위는 게이지 길이가 6.0 mm인 고온용 COD 게이지를 이용하여 측정하였다. 본 시험에서는 직류전위차(d-c potential drop, d-c PD)법을 적용하여 균열진전길이를 측정하였다.
J-R 파괴인성시험에는 두께(B)와 폭(W)이 각각 25.4 mm와 50.8 mm인 1T-CT 시편, 12.7 mm와 50.8 mm인 1T-CT 시편, 그리고 25.4 mm와 101.6 mm인 2T-CT 시편이 사용되었다. 대부분의 시편은 양쪽 측면에 두께의 10% 깊이를 갖는 V-형홈(60º)이 가공되었으며(Fig.
1a 저합금강 배관재가 사용되었다. SA508 Gr.1a 배관재는 단조를 통해 외경이 1075.4 mm, 두께가 102.6 mm인 배관으로 제작되어 쾐칭 후 템퍼링 열처리된 것으로 화학조성은 Table 1에 나타낸 것과 같다.
시편 가공에는 한국표준형 원전의 주냉각재 배관으로 사용되고 있는 SA508 Gr.1a 저합금강 배관재가 사용되었다. SA508 Gr.
한편, J-R 파괴인성시험에 앞서 배관 재료의 기계적물성치를 파악하고 J-R 시험 결과를 분석하기 위해서, 동일한 배관에서 시편을 채취하여 인장시험을 수행하였다. 시험에는 ASTM E8-09(7)의 기준에 따라 설계된 직경이 5.0 mm이고 게이지 길이가 25.0 mm인 봉상시편이 사용되었다.
)로 수행되었다. 인장시험에는 전기로와 50 kN의 로드셀이 부착된 모터구동형 기계식 만능시험기가 사용되었으며, 변형률은 게이지 길이가 25 mm인 고온용 신률계를 이용하여 측정하였다.
데이터처리
7 mm 두께의 1T-CT 시편에 대한 J-R 파괴인성시험을 상온과 316ºC에서 수행하였다. 시험 결과로부터 각 시편에 대한 하중-하중선변위 데이터와 d-c PD 데이터를 얻고 이를 이용하여 J-R 곡선을 구했다. Fig.
이론/모형
1(a) 참조), 일부 시편은 측면 홈이 가공되지 않은 상태로 시험되었다. 모든 시편은 ASTM E1820-09(6)의 기준에 따라 예비피로균열을 생성하였으며, 시편의 두께와 폭에 관계없이 예비피로균열 생성 후 균열의 초기길이는 ao/ W = 0.59가 되도록 하였다. 한편, J-R 파괴인성시험에 앞서 배관 재료의 기계적물성치를 파악하고 J-R 시험 결과를 분석하기 위해서, 동일한 배관에서 시편을 채취하여 인장시험을 수행하였다.
0 mm인 고온용 COD 게이지를 이용하여 측정하였다. 본 시험에서는 직류전위차(d-c potential drop, d-c PD)법을 적용하여 균열진전길이를 측정하였다. d-c PD 방법은 Fig.
측정된 d-c PD 데이터로부터 균열진전길이를 구하기 위해 다양한 방법이 적용될 수 있는데,(8~10) 여기서는 식 (1)의 Johnson식(10)을 적용하여 균열길이를 계산하였다. 최종적으로 시편을 파단하여 측정한 초기 균열길이(a
성능/효과
(1) SA508 Gr.1a 배관재의 경우, 시험온도와 시편 두께에 관계없이 측면 홈을 가공하지 않은 CT 시편이 측면 홈을 가공한 CT 시편에 비해 항상 높은 J-R 곡선을 보였다. 측면 홈의 가공 여부에 따른 J-R 곡선의 차이는 상온에 비해 316ºC에서 더욱 뚜렷하였다.
실제 배관 관통균열의 파괴거동은 측면 홈을 가공하지 않은 시편의 파괴거동과 유사한 것으로 알려져 있다.(1) 따라서, SA508 Gr.1a 배관재의 LBB 평가 에서 측면 홈이 가공된 시편의 J-R 곡선을 적용 하는 것은 관통균열의 안정성 평가의 보수성을 뚜렷이 증가시킨다는 것을 확인할 수 있다. 한편, 316ºC에서 25.
(2) 상온에서는 시편의 두께가 감소하고 폭이 증가함에 따라 J-R 곡선이 유사하거나 약간씩 감소하는 경향을 보였으나, 316ºC에서는 시편의 두께가 감소하고 폭이 증가됨에 따라 J-R 곡선이 증가하였다. 그러나 SA508 Gr.
Seok 등(15)의 시험 결과에 의하면 J-R 파괴인성에 미치는 시편 형상에 따른 구속효과는 재료에 따라 다른 것을 알 수 있다. SA515 Gr.60 강은 두께가 25.4 mm와 50.8 mm인 측면 홈이 가공된 2T-CT 시편에 비해 두께가 12.7 mm인 측면 홈이 가공된 2T-CT 시편이 더 낮은 J-R 곡선을 보였으며, 연성과 파괴인성이 높은 TP304 스테인리스강은 측면 홈의 가공 유무에도 관계없이 거의 유사한 J-R 곡선을 보였다.(15)
1a 배관재의 공칭응력-공칭변형률 곡선을 나타낸 것이다. 동일한 시험 조건 에서 시편 사이에 연신률의 편차는 있었으나, 항복 응력(Yield stress, YS)과 인장응력(Ultimate tensile stress, UTS)은 거의 편차를 보이지 않았다. Fig.
그러나 차이는 크지 않았다. 따라서, SA508 Gr.1a 배관재의 경우에 12.7mm, 1T-CT 시편이나 25.4 mm, 2T-CT 시편에 비해 25.4mm, 1T-CT 시편에서 주어진 J-R 곡선을 LBB 평가에 적용하는 것이 보수성인 LBB 평가 결과를 줄 것으로 판단된다. 그러나, 그 영향은 매우 미미할 것으로 분석된다.
따라서, 본 시험 결과에서 전체적으로 시편의 폭과 두께에 따른 J-R 곡선의 변화가 크지 않은 것은 SA508 Gr.1a 배관재의 높은 연성과 파괴인 성에 기인하는 것으로 판단된다. 즉, Seok 등(15)의 시험 결과에서 알 수 있듯이 연성과 파괴인성이 큰 재료에서는 균열진전에 앞서 시편에서 변형이 크게 발생하므로, 시편의 두께와 폭에 따른 구속 효과의 차이가 파괴거동에 영향을 크게 미치지 못하는 것으로 판단된다.
또한, 네킹 발생까지의 균일연신률(Uniform elongation, UE)은 온도에 관계없이 거의 유사한 값을 보였으나, 총연신률(Total elongation, TE)과 단면 수축률(Reduction of area, RA)은 상온에 비해 316ºC 에서 뚜렷이 낮은 값을 보였다.
후속연구
본 시험 결과에서도 상온에 비해 연성과 파괴인성이 낮은 316ºC에서 J-R 곡선에 미치는 시편 형상의 영향이 더 뚜렷한 것은 이러한 설명을 뒷받침해주고 있다. 그러나, 상온에서 시편의 폭이 증가하고 두께가 감소함에 따라 J-R 곡선이 약간씩 감소하는 것은 현재 명확히 설명하기 어려우며 이를 위한 추가적인 분석이 필요하다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
고에너지 배관 설계시 LBB 개념의 적용으로부터 배관의 양단파단 가정을 배제함으로써 어떤 이득을 가져올 수 있는가?
원자력발전소(이하, 원전)의 고에너지 배관 설계에는 파단전누설(Leak-Before-Break, LBB) 개념이 적용되고 있으며, LBB 개념의 적용은 설계시 배관의 양단파단 가정을 배제할 수 있다.(1~3) 고에너지 배관 설계시 양단파단 가정의 배제는 원자로 노심과 주요 기기의 설계에서 유체 방출에 따른 동적 하중을 제거할 수 있기 때문에 원전의 건설과 운영 측면에서 많은 경제적 이득을 주는 것으로 알려져 있다.(2,3)
LBB 평가를 위해 필수적인 것은?
배관 설계시 LBB 개념을 적용하기 위해서는 누설감시장치가 감지할 수 있는 충분한 양의 누설을 허용할 수 있는 크기의 관통균열이 배관에 존재하는 것으로 가정하고, 이 관통균열이 정상 운전 뿐 아니라 지진하중 조건에서 불안정 파괴 되지 않는다는 것을 파괴역학적으로 입증하여야 한다.(1~3) 이러한 LBB 평가를 위해서는 대상 배관 재료에 대한 응력-변형률 곡선과 J-R 곡선이 필요하며, 이들 재료물성치는 LBB 평가 결과에 직접적으로 영향을 미친다.(2,3) LBB 평가 방법과 절차를 제시하고 있는 NUREG-1061 보고서(3)에서는 LBB 평가에 적용될 응력-변형률 곡선과 J-R 곡선을 얻기 위한 시험 조건과 방법을 상세하게 제시 하고 있다.
배관 설계시 LBB 개념을 적용하기 위해서는 어떤 것들이 입증되어야 하는가?
배관 설계시 LBB 개념을 적용하기 위해서는 누설감시장치가 감지할 수 있는 충분한 양의 누설을 허용할 수 있는 크기의 관통균열이 배관에 존재하는 것으로 가정하고, 이 관통균열이 정상 운전 뿐 아니라 지진하중 조건에서 불안정 파괴 되지 않는다는 것을 파괴역학적으로 입증하여야 한다.(1~3) 이러한 LBB 평가를 위해서는 대상 배관 재료에 대한 응력-변형률 곡선과 J-R 곡선이 필요하며, 이들 재료물성치는 LBB 평가 결과에 직접적으로 영향을 미친다.
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