[논문]이봉분포 마스터커브를 이용한 SA508 Gr. 3 원자로용기강의 파괴인성 평가

김종민; 김민철; 이봉상

doi:10.20466/kpvp.2017.13.2.060

이봉분포 마스터커브를 이용한 SA508 Gr. 3 원자로용기강의 파괴인성 평가
Evaluation of Fracture Toughness for SA508 Gr. 3 Reactor Pressure Vessel Steel Using Bimodal Master Curve Approach 원문보기

한국압력기기공학회 논문집 = Transactions of the Korean Society of Pressure Vessels and Piping, v.13 no.2, 2017년, pp.60 - 66

김종민 (한국원자력연구원 원자력재료연구부) , 김민철 (한국원자력연구원 원자력재료연구부) , 이봉상 (한국원자력연구원 원자력재료연구부)

Abstract ▼ AI-Helper

The standard master curve (MC) approach has the major limitation because it is only applicable to homogeneous datasets. In nature, materials are macroscopically inhomogeneous and involve scatter of fracture toughness data due to various deterministic material inhomogeneity and random inhomogeneity. RPV(reactor pressure vessel) steel has different fracture toughness with varying distance from the inner surface of the wall due to cooling rate in manufacturing process; deterministic inhomogeneity. On the other hand, reference temperature, $T_0$, used in the evaluation of fracture toughness is acting as a random parameter in the evaluation of welding region; random inhomogeneity. In the present paper, four regions, the surface, 1/8T, 1/4T and 1/2T, were considered for fracture toughness specimens of KSNP (Korean Standard Nuclear Plant) SA508 Gr. 3 steel to investigate deterministic material inhomogeneity and random inhomogeneity. Fracture toughness tests were carried out for four regions and three test temperatures in the transition region. Fracture toughness evaluation was performed using the bimodal master curve (BMC) approach which is applicable to the inhomogeneous material. The results of the bimodal master curve analyses were compared with that of conventional master curve analyses. As a result, the bimodal master approach considering inhomogeneous materials provides better description of scatter in fracture toughness data than conventional master curve analysis. However, the difference in the $T_0$ determined by two master curve approaches was insignificant.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

서론에서 언급한 바와 같이, 용접부와 같이 비균질성이 크게 나타나는 재료들이 이에 해당하며, 제조 과정시 전 영역에서 이상적으로 균질한 미세조직을 나타낼 수 없기 때문에 비균질성을 나타낼 가능성이 있다. 본 연구에서는 이러한 비균질성에 연구 초점을 두었다.

가설 설정

그러나 1/8T지점과 표면에서의 값들 중 약 15%는 95% 상한곡선을 넘어섰으며, 이는 재료의 랜덤 불균질성이 존재함을 의미하는 것으로 판단할 수 있었다. 이봉분포 마스터커브 방법의 적용성 평가에서는 시편 채취 위치에 기인한 결정론적인 불균질성을 임의의 불균질성으로 가정하여 평가를 수행하였다. 그 결과, 이봉분포 마스터커브 방법을 적용하면 기존 마스터커브방법보다 파괴인성값의 넓은 산포를 효과적으로 표현할 수 있음을 확인하였다.

제안 방법

본 논문에서는 국내 원자로용기강 SA508 Gr. 3 단조재를 대상으로 기존 마스터커브 접근법과 이봉분포 마스터커브를 적용하여 특성분석을 수행하였다. 파괴인성 시험은 DBTT(Ductile-Brittle Transition Temperature) 영역에서 수행되었으며, 파괴인성 시편을 표면, 1/8T, 1/4T, 1/2T지점에서 추출하였다.
본 연구에서는 국내 원자력발전소 원자로용기에 사용된 SA508 Gr. 3강을 대상으로 표면, 1/8T, 1/4T, 1/2T 등 4개 영역에서 수행한 파괴인성 시험 결과를 통해 결정론적 재료 불균질성의 영향과 이봉분포 마스터커브 방법의 적용성을 평가하였다. 기존 마스터커브방법을 이용하여 결정된 T₀값은 예상대로 표면에서의 높은 냉각속도로 인하여 낮은 값을 보였다.
파괴인성 시험은 DBTT(Ductile-Brittle Transition Temperature) 영역에서 수행되었으며, 파괴인성 시편을 표면, 1/8T, 1/4T, 1/2T지점에서 추출하였다. 결정론적 재료 불균질성(deterministic inhomogeneity)은 기존의 마스터커브 방식으로 평가하고, 랜덤 불균질성(random inhomogeneity)은 이봉분포 마스터커브로 평가하였다.
결정론적 재료의 불균질성을 살펴보기 위해 시편 채취 위치에 따라 K_JC 값을 도출하였다. 그림 3은 모재의 시편채취 위치에 따른 기존 마스터커브 방법에 의한 참조온도 T₀를 나타낸 것이다.
그러나, 기존의 마스터커브 방법은 앞서 기술한 바와 같이 단일분포만을 사용하게 되어 상한곡선 이상의 값들은 포함하게 되나 하한곡선 아래에 존재하는 낮은 K_JC 값들의 개수가 늘어나게 된다. 따라서, 다음 장에서는 상한/하한을 벗어나는 데이터들을 단일영역에서 나타나는 랜덤 불균질성으로 취급하고, 데이터의 산포를 두개의 확률분포를 이용한 통계적인방법으로 처리할 수 있는 이봉분포 마스터커브 방법을 적용하여 파괴인성 평가를 수행한 결과를 기술하였다.
3 단조재를 대상으로 기존 마스터커브 접근법과 이봉분포 마스터커브를 적용하여 특성분석을 수행하였다. 파괴인성 시험은 DBTT(Ductile-Brittle Transition Temperature) 영역에서 수행되었으며, 파괴인성 시편을 표면, 1/8T, 1/4T, 1/2T지점에서 추출하였다. 결정론적 재료 불균질성(deterministic inhomogeneity)은 기존의 마스터커브 방식으로 평가하고, 랜덤 불균질성(random inhomogeneity)은 이봉분포 마스터커브로 평가하였다.

대상 데이터

3 이다. 그림 1은 시험에 사용된 원자로용기 블록을 나타낸 것으로 내면에서부터 중앙부까지 표면, 1/8T, 1/4T, 1/2T지점을 절단하여 T-L 방향의 파괴인성 시편을 준비하였다. 파괴인성 시험은 PCVN (Pre-cracked Charpy V-Notch) 3 점 굽힘 시험편(10mm × 10 mm × 55 mm)을 사용하였으며, -150 ~ -80˚C의 온도에서 수행되었다.
본 연구에 사용된 재료는 국내 원자로용기강 SA508 Gr. 3 이다.
파괴인성 시험은 PCVN (Pre-cracked Charpy V-Notch) 3 점 굽힘 시험편(10mm × 10 mm × 55 mm)을 사용하였으며, -150 ~ -80˚C의 온도에서 수행되었다.

성능/효과

표 1 은 ASTM E1921 기존 마스터커브 방법에 따라 표면에서 1/2T까지의 평가 결과를 요약한 것이다. 1/8T지점과 표면에서의 K_JC값들 중 약 15% 이상의 시편에서 95% 허용신뢰도를 벗어났다. 반면, 1/4T, 1/2T 지점등 중앙부에 근접한 시편의 경우, 대부분의 K_JC 값이 5%, 95%영역 내에 대부분 존재하였다.
이봉분포 마스터커브 방법의 적용성 평가에서는 시편 채취 위치에 기인한 결정론적인 불균질성을 임의의 불균질성으로 가정하여 평가를 수행하였다. 그 결과, 이봉분포 마스터커브 방법을 적용하면 기존 마스터커브방법보다 파괴인성값의 넓은 산포를 효과적으로 표현할 수 있음을 확인하였다.
기존 마스터커브방법을 이용하여 결정된 T₀값은 예상대로 표면에서의 높은 냉각속도로 인하여 낮은 값을 보였다. 그러나 1/8T지점과 표면에서의 값들 중 약 15%는 95% 상한곡선을 넘어섰으며, 이는 재료의 랜덤 불균질성이 존재함을 의미하는 것으로 판단할 수 있었다. 이봉분포 마스터커브 방법의 적용성 평가에서는 시편 채취 위치에 기인한 결정론적인 불균질성을 임의의 불균질성으로 가정하여 평가를 수행하였다.
62, K₀₁=69 MPa #, K₀₂=130 MPa # 으로 결정되었다. 다중온도 해석에서는 표 1과 같이 기존 마스터커브 방법을 이용한 분석 결과로부터 표 면에서 1/2T지점까지의 T₀온도의 각 중간값에 해당하는 -100˚C, -110˚C, -120˚C의 온도가 사용되었다. 이 온도는 예상되는 참조온도를 결정할 수 있는 시험온도 범위에 해당한다.
3˚C 였다. 두가지 마스터커브방법에 의한 결과를 비교하면, T₀값의 차이는 미미하였으나, 분산에서 차이가 나타났음을 확인할 수 있다. 전반적으로, 붉은 점선으로 표시된 이봉분포 마스터커브의 5%, 95% 한계곡선은 기존의 마스터커브 방법보다 더 넓은 영역을 나타내고 있다.
그림 4는 표면 영역에서의 측정된 K_JC 값들과 마스터커브를 나타낸 것으로 표면 위치에서의 K_JC 값들이 높은 산포를 보이고 있다. 본 연구에서 시행된 시험횟수가 통계적인 분석을 수행하기에 불충분하다 하더라도 통상 마스터커브를 얻기 위해 요구되는 시험 횟수보다는 충분히 많이 때문에, 재료의 결정론적인 불균질성이 아닌 랜덤 불균질성이 일부 나타나고 있음을 확인할 수 있다.
실험결과의 Weibull기울기가 Wallin의 마스터커브에서 사용되는 기울기값 “4” 와는 많은 차이를 보였다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	SINTAP lower tail 분석 절차와 BMC, RIMC와 같은 향상된 마스터 커브 접근법은 어떤 사람에 의해 연구가 수행되었는가?	SINTAP lower tail 분석 방법은 불균일강재의 보수적 하한곡선을 제시하고, 이봉분포 마스터커브는 용접 열영향부(HAZ, Heat Affected Zone)의 데이터 분균질성을 설명하는 데 매우 효율적으로 알려져 있으며, 랜덤 불균질성 마스터커브는 동일한재질의 다른 heat로 구성된 데이터 집합에 적용될 수 있어 본질적으로 거시적 비균질 재료로 구성된 데이터 세트에 적용할 수 있다. 이러한 향상된 마스터 커브 접근법을 이용한 연구들은 Sokolov (6), Viehrig (7),Choi(8) 등에 의해 수행된 바 있다. Sokolov는 WWER-440원자로 압력 용기용 강재에 SINTAP 절차를 적용하였으며, Viehrig는 F82H 강재를 이봉분포 마스터커브와 랜덤 불균질성 마스터커브 방법을 사용하여 파괴인성 특성분석을 수행하였다.
	기존 마스터커브 (MC) 방법은 어디에 적용되어 사용되고 있는가?	기존 마스터커브 (MC) 방법은 Wallin(1,2)에 의해제안되어 ASTM E1921(3)에 적용되어 널리 사용되고 있다. 마스터커브 접근방식은 페라이트계 및 강화페라이트-마르텐사이트 강을 포함한 bcc 구조의 재료에 대해 거시적으로 균일한 강재의 취성파괴거동을 예측하는 데 사용된다.
	마스터커브 접근방식은 어떻게 사용되는가?	기존 마스터커브 (MC) 방법은 Wallin(1,2)에 의해제안되어 ASTM E1921(3)에 적용되어 널리 사용되고 있다. 마스터커브 접근방식은 페라이트계 및 강화페라이트-마르텐사이트 강을 포함한 bcc 구조의 재료에 대해 거시적으로 균일한 강재의 취성파괴거동을 예측하는 데 사용된다. 그러나 현실 재료들은 샘플의 시편 채취 위치와 제조 공정중 자연적인 원인에 의해 불균질성을 갖게 되며 파괴시 벽계파괴로 이행되는 연성 찢김의 불확실성으로 데이터의 산포를 갖게 된다.

참고문헌 (8)

Wallin, K., 1984, "The Scatter in $K_{IC}$ -Results," Engineering Fracture Mechanics, Vol. 19, No. 6, pp. 1085-1093.

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Wallin, K., 1999, "The Master Curve: A New Method for Brittle Fracture," International Journal of Materials, Vol. 12, pp. 342-354.
ASTM Standard E 1921-10, 2010, "Standard Test Method for Determination of the Reference Temperature, T0, for Ferritic Steels in the Transition Range," ASTM International.
SINTAP, 1999, "Structural Integrity Assessment Procedures for European Industry," Project BE95-1426. Final Procedure, British Steel Report, Rotherham.
Wallin, K., Nevasmaa, P., Laukkanen, A. and Planman, T., 2004, "Master Curve Analysis of Inhomogeneous Ferritic Steels," Engineering Fracture Mechanics, Vol. 71, pp. 2329-2346.

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Sokolov, M. A. and Tanigawa , H., 2007, "Application of the Master Curve to Inhomogeneous Ferritic/Martensitic Steel," Journal of Nuclear Materials, Vol. 367, pp. 587-592.

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Viehrig, H. W., Scibetta, M. and Wallin, K., 2006, "Application of Advanced Master Curve Approaches on WWER-440 Reactor Pressure Vessel Steels," International Journal of Pressure Vessels and Piping, Vol. 83, pp. 584-592.

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Choi, S. B., Choi, S., Choi, J. B., Chang, Y. S., Kim, M. C. and Lee, B. S., 2012, "Enhancement of Master Curve Methods for Inhomogeneous Material," Journal of Mechanical Science and Technology, Vol. 26, No. 9, pp. 2727-2734.

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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