[논문]반복 응력-변형률 시험을 통한 반복하중 조건에서 원전 주요 구조재료의 변형거동 평가

김진원; 김종성; 권형도

doi:10.20466/kpvp.2017.13.1.075

제안 방법

일반적으로 재료의 종류와 시험온도에 따라 다소 차이가 있지만 금속 재료는 약 100 cycles 정도에서 반복 경화/연화 현상이 안정화되는 것으로 알려져 있다. ^(10,11)따라서, 여기서는 개별시편과 단일시편 시험에서 주어진 100 cycles에 해당하는 응력진폭을 이용하여 반복 응력-변형률 데이터를 얻었다. 만약, 100 cycles 이후에도 지속적으로 반복 연화에 의해 응력진폭이 감소하는 경우에는 반복 연화현상이 안정화되는 시점의 응력진폭을 이용하여 추가적인 반복 응력-변형률 데이터를 얻었다.
시험에 앞서 모든 시편은 평형부를 연마지로#1500까지 연마하여 기계가공에 따른 노치를 제거하였다. 개별시편을 이용한 일정 변형률진폭 조건의 시험에서는 반복하중의 진폭이 최대값 대비 20% 이상 감소하는 시점을 균열 발생 시점으로 정의하고 시험을 종료하였으며, 10,000 cycles까지 균열이 생성되지 않으면 시험을 종료하였다. 단일시편을 이용한 다단계 시험에서는 각 변형률진폭 별로 100 cycles 씩 반복하중을 가한 후 다음 단계 반복하중은 항상 변형률이 0%인 상태에서 시작되도록 하였다.
고온 시험에서는 시편의 양 끝단에 열전대를 용접하여 시편의 온도를 측정하였으며, 측정 온도가 설정 온도의 ±2˚C 이내에서 30분 이상 유지된 상태에서 시험을 시작하였다.
개별시편을 이용한 일정 변형률진폭 조건의 시험에서는 반복하중의 진폭이 최대값 대비 20% 이상 감소하는 시점을 균열 발생 시점으로 정의하고 시험을 종료하였으며, 10,000 cycles까지 균열이 생성되지 않으면 시험을 종료하였다. 단일시편을 이용한 다단계 시험에서는 각 변형률진폭 별로 100 cycles 씩 반복하중을 가한 후 다음 단계 반복하중은 항상 변형률이 0%인 상태에서 시작되도록 하였다. 일정 하중진폭 조건의 시험에서는 시험 재료에 관계없이 상온에서는 300 cycles, 316˚C에서는 1,000 cycle까지 반복하중을 가하면서 변형률의 변화를 측정하였다.
따라서, 본 논문에서는 원전의 주요 기기/설비에 사용되는 대표적인 구조재료인 스테인리스강과 저 합금강을 이용하여, 일정 변형률진폭 조건과 일정 하중진폭 조건에서 반복 응력-변형률 시험 (Cyclic Stress-Strain Test)을 상온 (RT)과 원전 운전온도인 316℃에서 수행하였다. 시험 결과로부터 이들 구조재료의 반복 강화/연화 (Cyclic Hardening/Softening) 거동, 반복 응력-변형률 (Cyclic Stress-Strain) 곡선,라체팅 (Ratcheting) 변형 특성 등을 파악하였다.
^(10,11)따라서, 여기서는 개별시편과 단일시편 시험에서 주어진 100 cycles에 해당하는 응력진폭을 이용하여 반복 응력-변형률 데이터를 얻었다. 만약, 100 cycles 이후에도 지속적으로 반복 연화에 의해 응력진폭이 감소하는 경우에는 반복 연화현상이 안정화되는 시점의 응력진폭을 이용하여 추가적인 반복 응력-변형률 데이터를 얻었다.
일정 변형률진폭 조건의 시험은 2가지 형태로 진행되었다. 먼저 각 변형률진폭 별로 개별시편 (Multi)을 이용하여 반복 응력-변형률 시험을 수행하였으며, 시험은 시편에서 균열이 발생될 때까지 진행되었다. 단, 10,000 cycles까지 균열이 생성되지 않는 경우에는 10,000 cycles에서 시험을 종료하였다.
반복하중 조건에서 안정화된 재료의 응력-변형률 특성을 파악하기 위해서, 각 변형률진폭 조건에서 반복 경화/연화 현상이 안정화된 응력진폭 데이터로부터 반복 응력-변형률 거동을 파악하였다. 일반적으로 재료의 종류와 시험온도에 따라 다소 차이가 있지만 금속 재료는 약 100 cycles 정도에서 반복 경화/연화 현상이 안정화되는 것으로 알려져 있다.
5mm인 신률게이지 (Extensometer)를 이용하여 측정되었으며, 일정 변형률진폭 조건의 시험에서는 변형률을 시험기 제어를 위한 입력 신호로 적용되었다. 상온 시험에서는 시편에 신률게이지를 거치하여 직접 변형률을 측정하였으며, 고온 시험에서는 시편의 양쪽 어깨부에 거치대를 설치하여고온로 밖에서 변형률을 측정하였다. 시편의 평형부와 어깨부에서 측정되는 변형률의 차이는 유한요소해석을 통해 보정되었다.
상온과 316˚C 조건에서 SA312 TP316 스테인리스강 배관재의 라체팅 변형 거동을 파악하기 위해서,일정 하중진폭 조건에서 반복 응력-변형률 시험을 수행하였다. Fig.
시험에는 100kN 용량의 로드셀과 고온로가 부착된 유압식 만능시험기가 사용되었다. 시편의 변형률은 게이지 길이가 12.5mm인 신률게이지 (Extensometer)를 이용하여 측정되었으며, 일정 변형률진폭 조건의 시험에서는 변형률을 시험기 제어를 위한 입력 신호로 적용되었다. 상온 시험에서는 시편에 신률게이지를 거치하여 직접 변형률을 측정하였으며, 고온 시험에서는 시편의 양쪽 어깨부에 거치대를 설치하여고온로 밖에서 변형률을 측정하였다.
따라서, 본 논문에서는 원전의 주요 기기/설비에 사용되는 대표적인 구조재료인 스테인리스강과 저 합금강을 이용하여, 일정 변형률진폭 조건과 일정 하중진폭 조건에서 반복 응력-변형률 시험 (Cyclic Stress-Strain Test)을 상온 (RT)과 원전 운전온도인 316℃에서 수행하였다. 시험 결과로부터 이들 구조재료의 반복 강화/연화 (Cyclic Hardening/Softening) 거동, 반복 응력-변형률 (Cyclic Stress-Strain) 곡선,라체팅 (Ratcheting) 변형 특성 등을 파악하였다.
시험은 상온과 원전 운전온도인 316˚C에서 준정적 변형률속도 (∊=∼ 10-4s-1)로 진행되었다.
원전 주요 구조재료의 반복 경화/연화거동, 반복 응력-변형률 곡선, 그리고 라체팅 변형 특성을 파악하기 위해서, 일정 변형률진폭 (Constant Strain Amplitude) 조건과 일정 하중진폭 (Constant Load Amplitude) 조건에서 반복 응력-변형률 시험이 수행되었다. 시험은 상온과 원전 운전온도인 316˚C에서 준정적 변형률속도 (∊=∼ 10^-4s^-1)로 진행되었다.
단일시편을 이용한 다단계 시험에서는 각 변형률진폭 별로 100 cycles 씩 반복하중을 가한 후 다음 단계 반복하중은 항상 변형률이 0%인 상태에서 시작되도록 하였다. 일정 하중진폭 조건의 시험에서는 시험 재료에 관계없이 상온에서는 300 cycles, 316˚C에서는 1,000 cycle까지 반복하중을 가하면서 변형률의 변화를 측정하였다.
추가적으로 1개의 단일시편 (Single)을 이용하여 100 cycles 씩 변형률진폭을 증가 (0.4% (100 cycles) → 0.8%(100 cycles) → 1.2% (100 cycles))시키며 다단계로 반복 응력-변형률 시험을 수행하였다.

대상 데이터

시험에는 원자로용기의 노즐재와 원전 1차측 배관 재로 사용되고 있는 SA508 Gr.3 Cl.1 저합금강과SA312 TP316 스테인리스강이 사용되었다. Table 1과 Table 2는 시험에 사용된 2종류 재료의 화학조성과 상온의 기계적물성치를 정리한 것이다.
Fig. 1에 나타낸 바와 같이 시편은 평형부 길이 (l)가 13mm (게이지 길이 12.5mm)이고 직경 (φ)이 6mm인 봉상이다.
2% (100 cycles))시키며 다단계로 반복 응력-변형률 시험을 수행하였다. 단일시편을 이용한 다단계 시험에서는 각 변형률진폭 별로 100 cycles까지의 응력진폭 데이터를 확보하였다.
시험에 앞서 모든 시편은 평형부를 연마지로#1500까지 연마하여 기계가공에 따른 노치를 제거하였다. 개별시편을 이용한 일정 변형률진폭 조건의 시험에서는 반복하중의 진폭이 최대값 대비 20% 이상 감소하는 시점을 균열 발생 시점으로 정의하고 시험을 종료하였으며, 10,000 cycles까지 균열이 생성되지 않으면 시험을 종료하였다.
시험에는 100kN 용량의 로드셀과 고온로가 부착된 유압식 만능시험기가 사용되었다. 시편의 변형률은 게이지 길이가 12.

이론/모형

반복 응력-변형률 시험에 사용된 시편은 ASTME606-12⁽⁸⁾ 기준에 따라 설계되었다. Fig.

성능/효과

Fig. 7(a)에서 알 수 있는 바와 같이 상온에서 300 cycles의 반복하중이 작용되는 동안 0.3% 정도의 변형률이 누적되었으며, 반복하중이 작용됨에 따라 변형률의 진폭이 서서히 감소하는 경향을 보였다. 316˚C에서는 앞서 SA312 TP316 스테인리스강 배관재와 유사하게 1,000 cycles까지 반복하중이 작용되었음에도 불구하고 누적 변형률의 증가는 무시할 정도였으며, 반복하중에 따른 변형률진폭의 변화도 거의 없었다(Fig.
(b)에 나타낸 것과 같이 σmax = 0.85 × TS에 해당하는 최대하중이 1,000 cycles 작용되었음에도 불구하고 누적 변형률의 증가는 무시할 정도였으며, 반복하중에 따른 변형률진폭의 변화도 거의 관찰되지 않았다.
1) SA312 TP316 스테인리스강 배관재는 반복하중이 작용됨에 따라 반복 경화/연화 현상에 의한 응력 진폭의 증가와 감소가 뚜렷하게 관찰되었다. 반복 경화/연화 현상은 변형률진폭이 클수록 더욱 뚜렷하였으며, 상온에 비해 316˚C에서 반복 경화/연화에 의한 응력진폭의 변화가 더욱 크게 관찰되었다.
2) 시험 온도에 관계없이 SA312 TP316 스테인리스강 배관재는 단일하중에 비해 반복하중 조건에서 뚜렷이 높은 응력-변형률 거동을 보였으며, 반복 응력-변형률 거동은 TP316NG 스테인리스강에 대한 기존의 반복 응력-변형률 곡선식과 거의 일치하는 것을 확인하였다.
316˚C에서도 변형률진폭의 크기에 따라 다소 차이가 있으나, 전체적으로 반복하중 초기에는 cycle 수가 증가함에 따라 응력진폭이 증가하고 이후부터 응력진폭이 감소하는 경향을 보였다 (Fig. 2(b)).
5) 재료 종류에 관계없이 상온과 316˚C에서 모두 인장강도의 85%에 해당하는 최대하중을 갖는 하중 비가 R =-0.1인 일정 하중진폭의 반복하중 조건에서 라체팅 변형이 발생하지 않았다.
따라서, SA508 Gr.3 Cl.1 저합금강 노즐 재의 경우에도 상온과 원전 운전온도에서 모두 인장강도의 85%에 해당하는 최대하중을 갖는 R = -0.1인 반복하중이 작용될지라도 라체팅 변형은 발생하지 않는 것으로 확인되었다.
∊α=0.8%와 ∊α=1.2%에서는 각각 50 cycles과 30 cycles까지 반복 경화에 의한 응력진폭의 뚜렷한 증가가 나타나고, 이후 최종 파단이 발생할 때까지 지속적으로 반복 연화에 의한 응력진폭의 감소가 나타났다.
4(a)에서 알 수 있는 바와 같이 반복 응력-변형률 데이터는 단일하중 조건의 응력변형률 곡선에 비해 훨씬 높은 응력을 보였다. 기존의 반복 응력-변형률 곡선식과 비교하면, 본 시험에서 주어진 SA312 TP316 스테인리스강 배관재의 반복 응력-변형률 거동은 TP316NG 스테인리스강의 반복 응력-변형률 곡선과 거의 일치하는 것을 알 수 있다. 원전 운전온도인 316˚C에서도 단일하중 조건에 비해 반복하중 조건에서 뚜렷이 높은 응력-변형률 거동을 보였다 (Fig.
85 × TS에 해당하는 최대하중이 1,000 cycles 작용되었음에도 불구하고 누적 변형률의 증가는 무시할 정도였으며, 반복하중에 따른 변형률진폭의 변화도 거의 관찰되지 않았다. 따라서, SA312 TP316 스테인리스강 배관재는 상온뿐 아니라 316˚C에서도 시험에 적용된 하중 조건에서는 라체팅 변형이 발생하지 않는 것으로 확인되었다.
2%)에는 cycle 수가 증가함에 따라 응력진폭이 약간씩 감소하다 50 cycles 이후부터 다시 증가하는 2차 경화 현상 (Secondary Hardening)을 보였다. 따라서, 상온에서 SA312 TP316 스테인리스강 배관재는 전체적으로 반복 경화 후 연화 현상이 나타났으며,반복 경화/연화 현상은 작용되는 변형률진폭이 클수록 뚜렷하였다. 또한, 초기 반복 경화 이후의 연화 거동은 변형률진폭의 크기에 따라 차이를 보였다.
또한, 반복 경화/연화 현상이 안정화된 상태에서 반복 응력-변형률 거동은 TP316NG 스테인리스강의 반복 응력-변형률 곡선식을 따르는 것으로 확인되었다. 따라서, 설계기준초과지진 조건에서 SA312 TP316 스테인리스강 배관의 거동을 해석적으로 평가할 때, 단일하중 조건에서 주어진 응력-변형률 거동을 적용하는 것은 지나치게 보수적인 결과를 줄 것으로 판단된다. 반면, 식(2)과 (5)의 TP316NG 스테인리스강에 대한 반복 응력-변형률 곡선식을 적용함으로써 반복하중 조건에서 SA312 TP316 스테인리스강 배관재의 응력-변형률 거동을 적절히 반영할 수 있을 것으로 사료된다.
이들 결과로부터 SA312 TP316 스테인리스강 배관재는 시험 온도에 관계없이 반복하중 조건에서는 단일하중 조건에 비해 훨씬 높은 응력-변형률 거동을 보이는 것을 알 수 있다. 또한, 반복 경화/연화 현상이 안정화된 상태에서 반복 응력-변형률 거동은 TP316NG 스테인리스강의 반복 응력-변형률 곡선식을 따르는 것으로 확인되었다. 따라서, 설계기준초과지진 조건에서 SA312 TP316 스테인리스강 배관의 거동을 해석적으로 평가할 때, 단일하중 조건에서 주어진 응력-변형률 거동을 적용하는 것은 지나치게 보수적인 결과를 줄 것으로 판단된다.
에 의하면 상온에서 저합금강은 반복하중과 단일하중 조건에서 거의 유사한 응력-변형률 거동을 보였으며, 원전 운전온도에서는 단일하중에 비해 반복하중 조건에서 높은 응력-변형률 거동을 보였다. 또한, 원전 운전온도에서 저합금강의반복 응력-변형률 거동은 변형률속도에 영향을 받았다. 따라서, 본 시험에 사용된 SA508 Gr.
1) SA312 TP316 스테인리스강 배관재는 반복하중이 작용됨에 따라 반복 경화/연화 현상에 의한 응력 진폭의 증가와 감소가 뚜렷하게 관찰되었다. 반복 경화/연화 현상은 변형률진폭이 클수록 더욱 뚜렷하였으며, 상온에 비해 316˚C에서 반복 경화/연화에 의한 응력진폭의 변화가 더욱 크게 관찰되었다.
변형률진폭이 작은 경우 (∊α = 0.4%)에는 10,000cycle까지 반복 연화에 의해 응력진폭이 지속적으로 감소하였으나, ∊α = 0.8%에서는 응력진폭이 감소하다 약 200 cycles부터 반복 연화 현상이 안정화되어 최종 손상이 발생할 때까지 거의 일정한 응력진폭을 보였다.
시험에 적용된 반복하중의 최대값 (Pmax)은 각 재료별로 인장강도 (TS)의 85% (σmax = 0.85 × TS)에 해당하는 하중으로 설정되었으며, 반복하중의 하중비(R = Pmin/Pmax)는 R =-0.1이다.
기존의 반복 응력-변형률 곡선식과 비교하면, 본 시험에서 주어진 SA312 TP316 스테인리스강 배관재의 반복 응력-변형률 거동은 TP316NG 스테인리스강의 반복 응력-변형률 곡선과 거의 일치하는 것을 알 수 있다. 원전 운전온도인 316˚C에서도 단일하중 조건에 비해 반복하중 조건에서 뚜렷이 높은 응력-변형률 거동을 보였다 (Fig. 4(b)).
이들 결과로부터 SA312 TP316 스테인리스강 배관재는 시험 온도에 관계없이 반복하중 조건에서는 단일하중 조건에 비해 훨씬 높은 응력-변형률 거동을 보이는 것을 알 수 있다. 또한, 반복 경화/연화 현상이 안정화된 상태에서 반복 응력-변형률 거동은 TP316NG 스테인리스강의 반복 응력-변형률 곡선식을 따르는 것으로 확인되었다.
그러나, 반복하중이 작용됨에 따라 변형률의 진폭은 서서히 감소하는 경향을 보였다. 즉, 상온에서 SA312 TP316 스테인리스강 배관재는 주어진 반복 하중조건에서 라체팅 변형이 발생하지 않고 Shakedown되는 것으로 확인되었다. 316˚C에서는 Fig.
즉, 약 5∼6 cycles까지는 응력진폭이 증가하고, 이후부터 최종손상 시점까지 지속적으로 반복 연화에 의해 응력진폭의 감소가 나타났다.

후속연구

1 저합금강 노즐에 대한 설계기준초과지진 조건의 거동을 해석적으로 평가할 때, 재료의 반복 응력-변형률 거동으로 식(7)의 응력-변형률 곡선식을 적용할 수 있을 것으로 판단된다. 또한, 단일하중 조건과 반복하중 조건에서 응력-변형률 거동의 차이가 크지 않으므로, 단일하중에서 주어진 응력-변형률 곡선을 평가에 적용할지라도 적절한 수준의 보수성을 가지고 반복하중 조건에서 노즐의 거동을 예측할 수 있을 것으로 판단된다. 그러나, 상온에서는 단일하중에서 주어진 응력-변형률 곡선을 해석적 평가에 적용하는 것은 반복하중 조건에서 노즐의 거동을 비보 수적으로 평가할 수 있다.

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	선형탄성해석 기반의 설계코드로 원전 기기 및 설비를 평가할 경우, 재료의 물성은 평가 결과에 어떠한 영항을 미치는가?	일반적으로 안전정지지진 (Safe Shutdown Earthquake,SSE)과 같은 설계기준지진 조건에서 원전 기기/설비의 거동은 선형탄성해석 기반의 설계코드(5)에 따라 평가된다. 따라서, 평가 결과에 미치는 재료물성의 영향은 미미하다. 그러나, 설계기준초과지진 조건에서는 기기/설비가 소성변형 거동을 보이므로, 평가 시 변형속도와 반복하중과 같이 작용하중의 형태에 따라 크게 영향을 받는 재료의 탄소성 변형 거동을 고려해야 한다.
	원전의 주요 기기/설비에 사용되는 대표적인 구조재료는 무엇인가?	따라서, 본 논문에서는 원전의 주요 기기/설비에 사용되는 대표적인 구조재료인 스테인리스강과 저 합금강을 이용하여, 일정 변형률진폭 조건과 일정 하중진폭 조건에서 반복 응력-변형률 시험 (Cyclic Stress-Strain Test)을 상온 (RT)과 원전 운전온도인 316˚C에서 수행하였다. 시험 결과로부터 이들 구조재료의 반복 강화/연화 (Cyclic Hardening/Softening) 거동, 반복 응력-변형률 (Cyclic Stress-Strain) 곡선,라체팅 (Ratcheting) 변형 특성 등을 파악하였다.
	설계기준지진 조건에서 원전 기기/설비의 거동은 어떠한 기준에 따라 평가되는가?	일반적으로 안전정지지진 (Safe Shutdown Earthquake,SSE)과 같은 설계기준지진 조건에서 원전 기기/설비의 거동은 선형탄성해석 기반의 설계코드(5)에 따라 평가된다. 따라서, 평가 결과에 미치는 재료물성의 영향은 미미하다.

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증

반복 응력-변형률 시험을 통한 반복하중 조건에서 원전 주요 구조재료의 변형거동 평가
Evaluation of Deformation Behavior of Nuclear Structural Materials under Cyclic Loading Conditions via Cyclic Stress-Strain Test 원문보기

Abstract ▼ AI-Helper

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

제안 방법

대상 데이터

이론/모형

성능/효과

후속연구

질의응답

참고문헌 (13)

이 논문을 인용한 문헌

저자의 다른 논문 :

관련 콘텐츠

원문 보기

원문 URL 링크

오픈액세스(OA) 유형

연관된 기능

이 논문과 함께 이용한 콘텐츠

AI-Helper ※ AI-Helper는 오픈소스 모델을 사용합니다.

선택된 텍스트

연합인증

반복 응력-변형률 시험을 통한 반복하중 조건에서 원전 주요 구조재료의 변형거동 평가 Evaluation of Deformation Behavior of Nuclear Structural Materials under Cyclic Loading Conditions via Cyclic Stress-Strain Test 원문보기

Abstract ▼ AI-Helper

주제어

AI 본문요약 엑셀 다운로드 AI-Helper

제안 방법

대상 데이터

이론/모형

성능/효과

후속연구

질의응답

참고문헌 (13)

이 논문을 인용한 문헌

저자의 다른 논문 :

김진원 (65)

관련 콘텐츠

원문 보기

원문 URL 링크

오픈액세스(OA) 유형

연관된 기능

이 논문과 함께 이용한 콘텐츠

AI-Helper ※ AI-Helper는 오픈소스 모델을 사용합니다.

선택된 텍스트

반복 응력-변형률 시험을 통한 반복하중 조건에서 원전 주요 구조재료의 변형거동 평가
Evaluation of Deformation Behavior of Nuclear Structural Materials under Cyclic Loading Conditions via Cyclic Stress-Strain Test 원문보기

AI 본문요약
AI-Helper