[논문]저온환경에서 압력 구조용 강의 피로균열특성

최용범; 박원조; 이광영; 허선철; 김정호

저온환경에서 압력 구조용 강의 피로균열특성
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최용범 (경상대학교 대학원 정밀기계공학과) , 박원조 (경상대학교 수송기계공학부) , 이광영 (경상대학교 수송기계공학부) , 허선철 (경상대학교 수송기계공학부) , 김정호 (동의대학교 산업기술연구소)

Low temperature fatigue crack propagation ratio and characteristics of the pressure structural steel which is used for the low temperature pressure vessels. Fatigue crack properties was studied at room temperature of $25^{\circ}C$ and low temperature ranges $-60^{\circ}C,\; -80^{\circ}C \;and\; -100^{\circ}C$ with stress ratio of R=0.05, 0.1, 0.3 in the logarithmic relationship between the fatigue crack propagation rate (da/dN) and stress intensity factor $\DeltaK$, in low temperature case the relationship was extend to the range of low crack propagation rate. The fractured specimens were examined by SEM tested. That results showed specimen failed at low temperature exhibit the quasi-cleavage fracture formation, however, considerable ductility proceed final fracture.

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문제 정의

따라서 저온환경에서 사용되고 있는 저온압력 용기, LNG용 탱크 및 저장용 탱크 등 실제 구조물들의 저온피로균열진전 특성 등을 연구하여 수명 및 안정성과 신뢰성을 확보하여 파괴 역학적 관점을 기초로 하여 피로강도설계에 필요한 개념 도입이 대단히 중요하다본 연구에서는 저온 압력용기, 저장용 탱크, 원자로 냉각제 배관 및 탑조류 등에 사용되는 SA516/70 강에 대하여 저온피로균열진전 특성을 실험적 해석으로 규명하여 저온환경에서 피로균열 진전속도에 미치는 응력비의 영향을 고찰하였다. 또한 재료의 파면해석 을 통한 온도영향에 따른 피로 균열 피로 균열 진전의 메커니즘을 고찰하였다.

제안 방법

온도 편차는 士1℃로 유지하였으며, 하중 파형은 정현파를 선택하였다. 또한 응력비 R=0.05, 0.1, 0.3 주파수 20Hz, 실험온도는 25°C, -60°C, -80°C, -10 0°C로 하였다. 실험하중은 P=10.
응력비의 영향을 고찰하였다. 또한 재료의 파면해석 을 통한 온도영향에 따른 피로 균열 피로 균열 진전의 메커니즘을 고찰하였다.
실험 중 액체질소의 감소에 따른 액체 질소의 유입을 정상적으로 하여, 실험온도 유지를 위하여 전자석 밸브가 자동으로 작동되어 온도 분위기에 따라 자동으로 유입구를 개폐하도록 하였다. 온도 편차는 士1℃로 유지하였으며, 하중 파형은 정현파를 선택하였다.
원자로구조 용재인 SA516/70 강에 대한 저온의 영향을 검토하기 위한 일정하중진폭 피로 균열진전실험을 시행하여 균열진전속도에 미치는 응력비의 영향 및 온도에 관한 연구결과 다음과 같은 결론을 얻었다.
유압 서보식 피로 시험기에 챔버를 부착하여 액체질소 용기의 압력이 0.5 kg/mm² 이 되도록 유지하여 액체질소를 챔버 내로 유입시켜 저온 환경을조성하였다.

대상 데이터

본 실험에 사용한 시험기는 MTS lOtoiy 용량, 컴퓨터 제어 유압 서보식 피로시험기이며, 파괴역학 파라미터인 ΔK는 시험기에 장착된 컴퓨터를 이용하여 산출하였다.
시험 재료는 용접성, 절삭성 및 가공성이 양호한 SA516/70 압력용기용 재료이며, Table 1은 화학적 성분을 나타내었으며, Table 2는 기계적 성질을 나타내었다.

이론/모형

Fig. 1 은 본 연구에 사용된 시험편 형상과 치수를 나타낸 것으로써 시험편 채취방향은 L-T 방향으로 하였으며, 슬로터 가공은 와이어 커트를 사용하여 ASTM E647-95a 의 규정에 따라 가공하였다 s
2 kN으로 일정하게 하였으며, 시험 전 25°C에서 3mm 예비 크랙을 삽입하였다. 그리고 크랙길이는 COD게이지를 이용한 컴플라이언스 법으로 측정하고 피로 균열진전시험은 ASTM E647-95a규정에 따라 일정 진폭 하중 하에서 수행하였다⑶

성능/효과

1. 상온에서의 응력비의 영향은 거의 없었으나 극저온으로 내려갈수록 응력비 0.05일 때 응력비 0.3에 비해 온도의 영향을 많이 받았으며 -100°C 에서 응력비의 영향을 가장 많이 받았다.
2. 피로균열진전속도는 상온에 비해 저온으로 내려 갈수록 낮게 나타났으며, -100°C 에서 피로 균열진전속도가 가장 낮게 나타났다.
3. 동일한에서 피로 균열진전속도는 저온의 경우가 상온보다 응력비에 관계없이 낮게 나타났으며, 이는 저온 강도와 인성의 증가로 저온 파괴인성에 크게 영향을 주는 것으로 생각된다.
4. 상온 25°C의 경우 파면에 스트라이에이션이 관찰되 었으며, 극저온으로 갈수록 스트라이에이션이 부분적으로 관찰되었으나 전체적으로의 벽계면을 관찰할 수 있었다.
피로균열진전 구동력은 외부 응력과 내부인장 잔류응력의 합이 되어 피로 균열 진전을 방해하는 작용을 하게 된다. 또한 높은 ΔK 영역에서는 웅력비의 영향이 거의 보이지 않았으며, 응력비가 높을수록 부하과정에 발생되는 인장 소성 역내에 발생하는 압축잔류웅력이 낮아지기 때문에 응력비가 높을수록 진전속도가 빠르게 나타났음을 알 수 있다.
5는 -80°C, -100°C에서 da/dN-zJ K 관계를 나타내었다. 실험분위기 온도가 극저온으로 이동함에 따라 AK는 고 영역으로 이동되어 지는 경향이 상온에 비하여 현저하게 나타났으며, 동일 AK를 기준으로 하한계영역과 저 12영역에서 피로 균열진전속도를 고찰하여 보아도 유사한 경향이 나타남을 알 수 있다. 따라서 온도저하에 따른 피로 균열 진전에 대한 저항력이 증가됨을 알 수 있 다 .
6은 동일한 ΔK영역에서 da/dN과 R의 관계를 명확하게 하기 위하여 동일한 ΔK에서의 da/dN와 R에 대하여 나타낸 선도이다. 여기에 서동 일한 응력확대계수 범위 에서의 저온 피로 균열진전속도 da/dN는 응력비 R이 성장함에 따라 증가하고, AK가 높아짐에 따라 응력비의 영향이 감소하였으며, 특히, 응력비 R=0.05, 0.1 및 0.3 에서 AK=26MPa-m°3일 때 da/dN가 크게 증가되는 현상을 보이고 있다. 이와같이 동일한 AK 영역에서 da/dN은 온도저하에 따라 감소하는 현상은 저온 취성에 따른 가속이 생긴다고 생각되며, 응력비 상승에 따라서 저온의 영향을 크게 받는 것으로 알 수 있으며, 이런 현상은 Ohta(1) Vosikvosky(11),Murakami(12)등의 결과와 유사한 경향을 보이고 있음을 알 수 있다.

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