[논문]자긴가공된 압력용기의 잔류응력 평가 및 피로수명 예측

송경진; 김은겸; 고승기

doi:10.3795/ksme-a.2017.41.9.845

자긴가공된 압력용기의 잔류응력 평가 및 피로수명 예측
Residual Stress Estimation and Fatigue Life Prediction of an Autofrettaged Pressure Vessel 원문보기

大韓機械學會論文集. Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers. A. A, v.41 no.9, 2017년, pp.845 - 851

송경진 (군산대학교 기계융합시스템공학부) , 김은겸 (군산대학교 기계융합시스템공학부) , 고승기 (군산대학교 기계융합시스템공학부)

초록
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외경에 홈이 존재하는 자긴가공된 압력용기의 피로 파손은 외경 홈에서의 피로균열 발생과 전파에 의해 발생한다. 자긴가공된 압력용기의 피로수명을 예측하기 위하여 유한요소법을 이용하여 자긴가공에 의한 잔류응력해석을 수행하였으며, 피로시험을 통하여 재료의 피로특성을 구하였다. 압력용기의 수명은 압력용기 외경 홈 모서리에서 응력 및 변형률 집중에 의한 피로균열의 생성수명과 전파수명의 합으로 총 수명이 계산되었다. 본 연구에서 80 % 자긴도의 압력용기가 424 MPa의 반복적인 내압을 받을 때 압력용기의 수명은 2,598 사이클로 예측되었다.

Abstract ▼ AI-Helper

Fatigue failure of an autofrettaged pressure vessel with a groove at the outside surface occurs owing to the fatigue crack initiation and propagation at the groove root. In order to predict the fatigue life of the autofrettaged pressure vessel, residual stresses in the autofrettaged pressure vessel were evaluated using the finite element method, and the fatigue properties of the pressure vessel steel were obtained from the fatigue tests. Fatigue life of a pressure vessel obtained through summation of the crack initiation and propagation lives was calculated to be 2,598 cycles for an 80% autofrettaged pressure vessel subjected to a pulsating internal pressure of 424 MPa.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 228 MPa, 324 MPa, 424 MPa의 다양한 내압을 반복적으로 받으며 외경에 홈(groove)을 지니고 있는 자긴가공된 압력용기의 피로수명을 평가하기 위하여 유한요소법을 이용한 응력해석과 피로시험 그리고 수명예측을 수행하였다.

제안 방법

(1) 자긴가공 하중과 반복적인 내압에 의한 압력용기에 발생하는 응력분포해석을 위하여 탄소성 유한요소 응력해석이 수행되었다. 압력용기 외경에 위치한 홈 모서리 선단에서 응력집중현상으로 매우 큰 크기의 인장 자긴가공 잔류응력과 반복적인 내압에 의한 인장 응력이 발생하여 피로균열 발생 및 전파에 의한 파단이 예상되었다.
단순인장시험을 위하여 Fig. 6과 같은 형상의 인장시편을 사용하여 변위제어상태에서 표점거리가 12.5mm인 신장계를 부착하여 0.25mm/min의 변위속도로 인장하였다. 단순인장시험으로 통해 얻어진 기계적 특성은 Table 3 과 같다.
압력용기의 파괴거동은 압력용기 내경에 존재하는 균열이 반복적인 내압에 의하여 진전하여 임계균열길이에 도달했을 때 파단하는 경우와 압력용기 외경에 홈과 같은 기하학적 불연속형상이 있을 때 홈에서 응력집중에 의하여 균열이 발생하고 진전하여 파단에 이른다. 따라서 반복하중에 의한 국부응력과 국부변형률의 응답거동을 나타내는 저주기 피로시험이 수행되었다.
측정 잔류응력의 절대적 크기는 내경과 외경에서 유한요소해석 결과보다 더 크게 얻어졌으나 유사한 경향성을 나타내면서 내경 부위에서는 압축잔류응력, 외경 부위에서는 인장잔류응력이 각각 얻어졌다. 압력용기의 탄소성반경은 약 53mm로서 자긴도는 약 75~85% 범위에 있는 것으로 예측하며, 본 연구에서는 자긴도를 지닌 압력용기로 가정하여 80% 응력해석 및 수명평가를 수행하였다.
자긴가공에 의하여 압력용기에 유도된 잔류응력을 측정하기 위하여 압력용기 부위에서 실제시편을 채취한 후 X선 회절기(XRD)를 이용하여 잔류응력을 측정하였다. 측정은 압력용기의 내경으로부터 외경까지 반경방향으로 진행하면서 접선방향성분의 잔류응력을 측정하였다.
잔류응력장은 열하중을 부과하여 얻어지는 열응력해석으로부터 계산할 수 있다 본 연구에서도 다음의 관계로부터 얻어지는 내경과 탄소성반경에서의 온도를 계산하여 열하중을 부과함으로써 얻어지는 열응력으로부터 자긴가공 잔류응력을 해석하였다.
저주기 피로시험은 인장시편과 동일한 형상의 시편을 사용하여 수행되었다 변형률 제어상태에서 변형률비 (R= ∊_min/∊_max)를 -1 로 하였으며 시편에 반복적인 인장-압축 변형을 작용하였으며 시편에 작용하는 변형률 속도를 유지하기 위해서 삼각파 형태로 설정하여 모든 시편에 0.01/sec로 일정하게 유지하였다.
자긴가공에 의하여 압력용기에 유도된 잔류응력을 측정하기 위하여 압력용기 부위에서 실제시편을 채취한 후 X선 회절기(XRD)를 이용하여 잔류응력을 측정하였다. 측정은 압력용기의 내경으로부터 외경까지 반경방향으로 진행하면서 접선방향성분의 잔류응력을 측정하였다. 접선방향잔류응력은 Fig.

데이터처리

압력용기에 작용하는 내압이 228, 324, 424MPa 경우, 식 (1) 을 이용하여 얻어진 이론적 응력분포와 ABAQUS 유한요소해석 프로그램을 이용하여 얻어진 응력분포를 비교하였다. Fig.

이론/모형

압력용기 외경균열 진전에 의한 압력용기수명,N_P는 다음의 의 균열진전속도식 을 Paris (R=0.5)이용하여 얻어질 수 있다.⁽¹⁰⁾

성능/효과

(2) X-선 회절법을 이용하여 측정된 압력용기 잔류응력은 외경 홈의 존재 여부에 따라 차이가 있었으며, 약 80%의 자긴도를 지닌 압력용기에서의 이론적인 잔류응력분포와 매우 유사하게 나타났다.
(3) 유한요소 응력해석으로부터 반복적인 내압에 의하여 압력용기 외경 홈에서 국부적인 소성 변형이 발생함을 확인하였으며, 80% 자긴도의 압력용기가 424MPa의 반복적인 내압을 받을 때 2,598사이클의 피로수명이 얻어졌다.
측정 잔류응력의 절대적 크기는 내경과 외경에서 유한요소해석 결과보다 더 크게 얻어졌으나 유사한 경향성을 나타내면서 내경 부위에서는 압축잔류응력, 외경 부위에서는 인장잔류응력이 각각 얻어졌다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	자긴가공은 무엇인가?	반복적인 높은 내압에 의하여 실린더 내벽에 발생하는 큰 인장접선응력을 누그러뜨려 실린더 내벽에서의 탄성강도를 증가시킴으로써 균열 발생 및 진전 파손을 방지하기 위하여 자긴가공 방법이 사용된다.(1,2) 자긴가공은 매우 높은 내압을 제거할 때 발생되는 두께에 따라 불균일한 탄성회복정도에 의해 내벽에 큰 압축잔류응력을 유도하는 방법이다.(7~9) Fig.
	내경부근에서 압축잔류응력을 유도하는 자긴가공이 수행되는 이유는 무엇인가?	내압을 받는 압력용기의 내경에서 최대인장접선응력이 발생하므로 일반적으로 내경에서 균열이 형성 된다 이러한 압력용기의 내경에서 발생하는 큰 인장접선응력에 대응하기 위해서 내경부근에서 압축잔류응력을 유도하는 자긴가공이 수행된다.(2) 이처럼 내경에서의 접선방향 압축잔류응력은 반복적인 내압을 받는 압력용기의 내경에서 균열의 형성 및 전파를 지연시키는 역할을 하게 된다.
	접선방향 압축잔류응력은 균열의 형성 및 전파를 지연시키는 역할을 하는데 기하학적불연속이 존재할 경우 발생할 수 있는 문제점은 무엇인가?	그러나 압력용기의 외경에 노치나 균열 등과 같은 기하학적불연속이 존재할 경우, 자긴가공에 의하여 외경에 발생하는 인장잔류응력은 반복적인내압에 의하여 발생되는 인장응력과 동시에 작용하게 되므로 불연속부에서 응력이 집중되어 피로균열의 생성과 전파를 촉진시킴으로써 압력용기의 피로수명이 감소되는 문제점이 발생하게 된다.(5)

참고문헌 (13)

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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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