[보고서]사용후핵연료 저장 및 수송을 위한 오스테나이트계 캐니스터의 장기구조건전성평가를 위한 결함 안정성 및 응력부식균열 평가 기법

김윤재

보고서 정보

주관연구기관

고려대학교
Korea University

연구책임자

김윤재

보고서유형

최종보고서

발행국가

대한민국

언어

한국어

발행년월

2019-10

과제시작연도

2018

주관부처

과학기술정보통신부
Ministry of Science and ICT

등록번호

TRKO202000003674

과제고유번호

1711077978

사업명

원자력기술개발사업(R&D)

DB 구축일자

2020-07-29

키워드

스테인레스 캐니스터.결함평가.용접잔류응력.응력부식균열.장기 구조건전성.Stainless steel canister.Flaw assessment.Welding residual stress.Stress corrosion cracking.Long-term structural integrity.

표 Schematic illlustraion of multipurpose canister (Graphic Courtesy of Holtec International, Inc.)
표 Pit-to-Crack 발생 과정
표 균열 성장 속도와 응력확대계수 사이의 관계
표 (a) Bolt-loaded C(T) specimen과 기능성 볼트, 소금 Cradle, (b) 염화환경 조성을 위한 챔버 및 시편
표 기능성 볼트에서 측정한 하중 이력
표 (a) 실험 후 C(T) 파면, (b) 시편 사이드에 발생한 피팅
표 기술 교환을 통한 부식 환경 개선
표 (a) 개발 실험기의 구성 부품 (b) 개발 실험기의 염화 환경 조성
표 STS304 재료의 화학적 조성 및 중량비
표 C(T) 시편의 형상 및 치수
표 인공해수염의 화학적 조성비
표 하중값, (a) 1번째 실험, (b)2번째 실험, (c)3번째 실험, (d)4번째 실험
표 CISCC 실험 수행 시간 및 하중값
표 광학 현미경을 이용하여 촬영한 C(T) 시편 파면 및 CISCC 지역, (a) 시편 1, 2, (b)시편 3, 4, (c) 시편 10, 11
표 주사 전자 현미경으로 촬영한 C(T) 시편 표면의 염화물 침투 (a) 마운팅 위 수직으로 절단한 C(T) 시편, (b) Precrack, (c) CISCC, (d) 리가먼트
표 균열 성장량
표 CISCC 실험 기반 응력확대계수 및 균열성장속도 계산
표 각 연구 기관의 CISCC 실험 결과를 기반으로 표기한 균열 성장 속도와 응력확대계수의 관계
표 CISCC 성장 속도 모델의 기관별 변수
표 다양한 온도에서 수행된 결과 기반 개발된 CISCC 성장 속도 모델
표 CISCC 실험 결과 및 성장 속도 모델을 반영한 균열 성장 속도와 응력확대계수 사이 관계
표 Mock-up 캐니스터의 구성도 및 형상
표 Mock-up 캐니스터 실험의 용접절차
표 Mock-up 캐니스터 실험의 용접변수
표 incremental Deep-Hole Drilling 의 (a) 모식도와 (b) 용접잔류응력 측정 사진
표 Mock-up 캐니스터의 용접부에 대한 잔류응력 측정결과 (a) 축방향 용접부-용접 중앙선(Weld Center-line) (b) 축방향 용접부–열영향부(HAZ) (b) 원주방향 용접부-용접 중앙선(Weld Center-line) (d) 원주방향 용접부–열영향부(HAZ) (e)용접 중앙선으로부터의 거리에 대한 두께 평균 후프 용접잔류응력 측정결과
표 Mock-up 캐니스터 용접모사를 위한 유한요소 망
표 “Model Change” 옵션을 이용한 비드 생성과 아크가우징(Arc-gouging) 방법
표 열전달해석 – 응력해석 분리 해석 도식도
표 Type 304 재료의 온도별 변형률-응력 선도
표 입열시간 계산을 위한 실제 용접 과정 모식도
표 실험 용접부 단면 열영향부와 유한요소 모델의 열영향부 비교
표 실험에서 측정된 Inter-pass 온도와 유한요소 모델의 Inter-pass 온도 비교
표 원주방향 용접해석을 위한 경계조건
표 원주방향 용접해석 결과 (a) 용접 중앙선 (b) 열영향부
표 축방향 용접해석을 위한 경계조건
표 축방향 용접해석 결과 (a) 용접 중앙선 (b) 열영향부
표 캐니스터 용접해석에서 나타나는 큰 변형효과
표 제안된 2차원 축방향 용접 해석을 위한 경계조건
표 수정된 축방향 용접해석 결과 (a) 용접 중앙선 (b) 용접 중앙선으로부터의 거리에 따른 후프응력
표 축방향 균열이 있는 캐니스터의 형상과 균열형상 도식도
표 유한요소 해석 케이스 : 축방향 균열
표 축방향 균열이 있는 캐니스터의 유한요소망 (a) 관통균열 (b) 표면균열
표 유한요소해석 결과와 API-FFS 579 코드의 응력확대계수 형상변수 비교 (a) 관통균열 (b) 표면균열
표 관통균열에 대한 유한요소해석 결과와 J 예측식 비교 (a) c/t=1, Tresca 항복기준 (b) c/t=8, Tresca 항복기준 (c) c/t=1, Mises 항복기준 (d) c/t=8, Mises 항복기준
표 외부표면균열에 대한 유한요소해석 결과와 J 예측식 비교 (c/t=1) (a) a/t=0.3 Tresca 항복기준 (b) a/t=0.7 Tresca 항복기준 (c) a/t=0.3 Mises 항복기준 (d) a/t=0.7 Mises 항복기준
표 외부표면균열에 대한 유한요소해석 결과와 J 예측식 비교 (c/t=8) (a) a/t=0.3 Tresca 항복기준 (b) a/t=0.7 Tresca 항복기준 (c) a/t=0.3 Mises 항복기준 (d) a/t=0.7 Mises 항복기준
표 원주방향 균열이 있는 캐니스터의 형상과 균열형상 도식도
표 유한요소 해석 케이스 : 원주방향 균열
표 원주방향 균열이 있는 캐니스터의 유한요소망 (a) 관통균열 (b) 표면균열
표 유한요소해석 결과와 API-FFS 579 코드의 관통균열에 대한 응력확대계수 형상변수 비교 (a) 내부 (b) 외부
표 유한요소해석 결과와 J 예측식 (기존방법) 비교 (a) 관통균열(θ/π=0.16), pnom=NL (b) 표면균열(θ/π=0.32, a/t=0.5), pnom=NL (c) 관통균열(θ/π=0.16), pnom=NOR (b) 표면균열(θ/π=0.32, a/t=0.5), pnom=NOR
표 유한요소해석 결과와 J 예측식 (NOR 방법(식 3.1.18)) 비교 : r/t=3∼10 (a) 표면균열(θ/π=0.08, a/t=0.5), pnom=NOR (b) 표면균열(θ/π=0.32, a/t=0.5), pnom=NOR (c) 표면균열(θ/π=0.16, a/t=0.3), pnom=NOR (b) 표면균열(θ/π=0.16, a/t=0.7), pnom=NOR
표 유한요소해석 결과와 J 예측식 (NOR 방법(식 3.1.18)) 비교 : r/t=10∼70 (a) 표면균열(θ/π=0.08, a/t=0.3), pnom=NOR (b) 표면균열(θ/π=0.08, a/t=0.5), pnom=NOR (c) 표면균열(θ/π=0.08, a/t=0.7), pnom=NOR (b) 관통균열(θ/π=0.08, a/t=1.0), pnom=NOR
표 최적 정규화하중을 위한 보정계수 g 의 a/t에 대한 그래프
표 유한요소해석 결과와 J 예측식 (NOR‘ 방법(식 3.1.19)) 비교 : 인장하중 (a) 표면균열(θ/π=0.08, a/t=0.5), pnom=NOR‘ (b) 관통균열(θ/π=0.08, a/t=1.0), pnom=NOR‘ (c) 표면균열(θ/π=0.16, a/t=0.3), pnom=NOR‘ (d) 표면균열(θ/π=0.16, a/t=0.7), pnom=NOR‘ (e) 표면균열(θ/π=0.32, a/t=0.5), pnom=NOR‘ (f) 관통균열(θ/π=0.32, a/t=1.0), pnom=NOR‘
표 유한요소해석 결과와 J 예측식 (MOR‘ 방법(식 3.1.19)) 비교 : 모멘트하중 (a) 표면균열(θ/π=0.08, a/t=0.5), pnom=MOR‘ (b) 관통균열(θ/π=0.08, a/t=1.0), pnom=MOR‘ (c) 표면균열(θ/π=0.16, a/t=0.3), pnom=MOR‘ (d) 표면균열(θ/π=0.16, a/t=0.7), pnom=MOR‘ (e) 표면균열(θ/π=0.32, a/t=0.5), pnom=MOR‘ (f) 관통균열(θ/π=0.32, a/t=1.0), pnom=MOR‘
표 유한요소 해석에 사용된 캐니스터의 격자
표 Initial stress method 를 이용한 잔류응력 생성 절차 예시 – 원주방향 용접의 축방향 잔류응력 (a) 첫 번째 Iteration (b) 두 번째 Iteration (c) 여덟 번째 Iteration (d) 최종 결과
표 원주방향 용접부의 원주방향 잔류응력 분포 비교 (a) Initail stress method 결과 (b) SNL 실험 결과
표 유한요소 해석에 부가한 용접 잔류응력 분포
표 유한요소 해석을 통한 API-FFS 579 코드 잔류응력 K 계산 결과 확인
표 유한요소 해석을 통한 J-integral 예측 방법별 계산 결과 비교
표 원주방향 균열을 가진 파이프 개략도 (a) 인장하중 방향 (b) 단면도 및 균열 형상
표 열하중을 위한 온도구배 (a) 반경방향 온도구배 (b) 단면 온도구배
표 2차 하중이 작으며 Vo,max=1 인 경우에 대한 V-factor 예측식, V(2) , 유한요소 검증
표 2차 하중이 작으며 Vo,max>1 인 경우에 대한 V-factor 예측식, V(4) , 유한요소 검증
표 2차 하중이 크며 Z≤3 인 경우에 대한 V-factor 예측식, V(2) , 유한요소 검증
표 2차 하중이 크며 Z>3 인 경우에 대한 V-factor 예측식, V(3) , 유한요소 검증
표 V-factor 접근법을 이용한 잔류응력 고려 복합하중 하 캐니스터의 J 예측 결과 (a) 축방향 균열 c/a=1 (a) 축방향 균열 c/a=4
표 일반적인 type 304 스테인리스강의 진응력, 공칭응력-변형률 선도
표 파선평가선도를 이용한 균열 평가 방법
표 파손평가선도를 이용한 하중 마진 평가 방법
표 파손평가선도를 이용한 임계균열크기 계산
표 용접잔류응력 4차 다항식 계수
표 HI-STORM 캐니스터 모델에 대한 표면균열의 임계균열길이 계산 및 비교 결과
표 용접잔류응력 여부에 따른 임계균열길이의 변화
표 2017년 ASME Pressure Vessels and Piping Conference 세션 구성 및 발표
표 2018년 ASME Pressure Vessels and Piping Conference 공동 세션 구성 및 발표
표 2019년 ASME Pressure Vessels and Piping Conference 공동 세션 구성 및 발표
표 CISCC 실험기 설계 관련 SRNL-KU 기술 이전
표 실을 이용한 염화 환경 조성 방법을 통한 실험기 개선 아이디어 공유
표 개발한 CISCC 실험 평가법에 대한 특허출원서
표 특허출원서 내에 기입된 개발 CISCC 실험기의 구체적 도면
표 해외 저널에 투고된 개발 CISCC 실험기를 이용한 평가 방법을 기술한 논문

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