[보고서]원자력 수소 플랜트 등의 응용을 위한 수소환경 재료거동 평가 기술 개발

윤기봉

원자력 수소 플랜트 등의 응용을 위한 수소환경 재료거동 평가 기술 개발
Development of Mechanical Behavior Measurement Technique under Hydrogen Environment for Application to Nuclear Hydrogen Plant etc. 원문보기

보고서 정보
주관연구기관	중앙대학교 Chung Ang University
연구책임자	윤기봉
참여연구자	마영화 , 김성찬 , 이관주 , 원두일 , 우승균 , 이호준 , Nguyen Tuan Son , 박지혜 , 이주영 , 정성용 , Pham Van Duyet
보고서유형	2단계보고서
발행국가	대한민국
언어	한국어
발행년월	2012-11
과제시작연도	2011
주관부처	교육과학기술부 Ministry of Education and Science Technology(MEST)
등록번호	TRKO202100005370
과제고유번호	1345158236
사업명	원자력기술개발
DB 구축일자	2021-07-10
키워드	수소취화.수소손상.원자력수소.손상해석.균열진전.연성파괴.Hydrogen embrittlement.Hydrogen damage.Nuclear hydrogen.Damage analysis.Crack growth.Ductile failure.

초록 ▼

- 고온 수소 특성의 분석을 위한 기존 시스템 수정 및 재구축
- Inconel, 고압가스저장용기강에 대한 SP실험 및 수소 농도분석을 통한 상온 수소손상평가
- 온도 단계별 수소장입된 Hastelloy, Stainless에 대해 SP 시험을 수행하여 수소취화 강도특성 및 연성 저하 평가(유한요소해석을 위한 기초 데이터로 활용)
- 온도 단계별 수소장입된 Hastelloy, Stainless에 대해 정량적 수소농도분석을 수행
- Inconel, Hastelloy, Stainless에 대한 파괴인성 측정 및 평가(유한요소해석을 위한 기초데이터로 활용)
- 원자력 수소 응용설비 요소에 대한 운전환경을 고려한 국부 유동해석(CFD해석)
- CFD해석을 기반으로한 수소혼합물의 내부유동특성해석을 수행

(출처 : 보고서 요약서 3p)

Abstract ▼

Ⅳ. Result of study
○ Candidate materials for the nuclear hydrogen plant were surveyed.
○ High temperature hydrogen testing system was constructed.
○ Hydrogen damage assessment at room and high temperature was conducted.
○ Fracture toughness test was conducted.
○ CFD analysis consideri

목차 Contents

표지 ... 1
제 출 문 ... 2
보고서 요약서 ... 3
요 약 문 ... 4
SUMMARY ... 6
CONTENTS ... 7
목차 ... 9
제 1장 연구개발과제의 개요 ... 11
제 2장 국내외 기술개발 현황 ... 13
제 1절 국외 기술개발 현황 ... 13
제 2절 국내 기술개발 현황 ... 16
제 3절 세부 기술사항의 검토 분석 ... 17
1. 국외의 기술사항 ... 17
2. 국내의 기술사항 ... 19
제 3장 연구개발수행 내용 및 결과 ... 21
제 1절 고온 수소손상 평가시스템 구축 ... 21
1. 기존 상온 수소손상 평가 시험법의 개요 ... 21
2. 고온 수소손상 평가시스템 구성 ... 27
3. 고온 수소손상 평가시스템 구축 ... 31
제 2절 원자력 수소플랜트 후보재의 수소손상 평가 ... 32
1. Inconel 617 재료의 상온 수소손상 평가 ... 32
2. Hastelloy C-276 재료의 고온 수소손상 평가 ... 42
3. 고압가스 저장용기강의 수소손상 평가 ... 60
4. SUS316L 재료의 고온 수소손상 평가 ... 68
제 3절 수소혼합물 해석을 위한 유동모델 정립 ... 78
1. 수소혼합물 유동해석을 위한 실제기체모델(real gas model) ... 78
2. 수소배관유동의 격자독립성 평가 ... 79
3. 요드화 수소 분해반응의 해석 ... 81
제 4절 CFD 해석에서 표면데이터의 경계조건 추출법 및 유동-구조해석을 위한 CFD 결과의 인테페이스 구축 ... 86
1. 유동구조 정보교환 방식의 영향 ... 86
2. 유동구조 정보 교환시 복합열전달의 영향 ... 88
제 5절 CFD 해석에 기초한 배관내 국부손상부 유동평가 ... 91
제 6절 수소혼합물의 내부유동특성해석 ... 95
1. 배관내의 수소유동장 특성 ... 95
2. 벽면 열경계조건에 따른 유동형태 분석 ... 100
제 4장 목표달성도 및 관련분야에의 기여도 ... 102
제 5장 연구개발결과의 활용계획 ... 103
제 6장 연구개발과정에서 수집한 해외과학기술정보 ... 104
제 7장 참고문헌 ... 105
연구성과(연구마루 입력성과) ... 107
끝페이지 ... 116

표/그림 (98)

표 Equipment used in Sandia National Lab. [Brain Somerday etc. ´Technical reference on hydrogen compatibility of materials : Austenitic stainless steels type 304 & 304L´, 2005] (a) case to protect the pressure vessel (b) the pressure vessel equipped with specimen (c) specimen inside the pressure vessel
표 Tensile testing system for measuring mechanical properties of materials under high pressure hydrogen gas environment in AIST [Seiji Fukuyama etc.
$Various high-pressure hydrogen fatigue testing machines and vessels, high-resolution microscopes and precise meaurement instruments in Kyushu University (a)100MPa Hydrogen Fatigue Testing Machine (b)100MPa Hydrogen Gas Vessel (c)Blister Testing Machine for Rubber (d)Secondary Ion Mass Spectrometry (e)Thermal Desorption Spectrometry (TDS) (f)Thermal Field Emission Scanning Electron Microscope with Electron Backscatter Diffraction Analyzer$ 표 Various high-pressure hydrogen fatigue testing machines and vessels, high-resolution microscopes and precise meaurement instruments in Kyushu University (a)100MPa Hydrogen Fatigue Testing Machine (b)100MPa Hydrogen Gas Vessel (c)Blister Testing Machine for Rubber (d)Secondary Ion Mass Spectrometry (e)Thermal Desorption Spectrometry (TDS) (f)Thermal Field Emission Scanning Electron Microscope with Electron Backscatter Diffraction Analyzer
표 Establishment of mechanical property measurement system under 120 MPa hydrogen gas
표 Comparison between methods of assessing hydrogen damage
표 Current status of the data possessed by foreign major research institutes
표 Electro-chemical charging method
표 Electro-chemical Hydrogen Charging system
표 Small Punch test (MTS 810, Zig)
표 Zig for SP Test(D=10mm, t=0.5mm, a=4mm, d=2.38mm)
표 ELTRA OH-900(Left : Furnace / Right : Graphite crucible)
표 ELTRA OH-900 flow diagram
표 Composition of experimental system for high temperature hydrogen damage assessment
표 Structural drawing of experimental system for high temperature hydrogen damage assessment
표 Photo of fume hood
표 Photo of high temperature circulation bath
표 Photo of potentiastat V3 MC equipment with double slots
표 Chemical composition of Inconel Alloy 617
표 Shape of specimen
표 Conditions of hydrogen charging for Inconel alloy 617
표 Results of the small punch load-displacement curve according to hydrogen charging time
표 Variation of maximum punch load according to charging time
$Variation of fracture displacement according to charging time$ 표 Variation of fracture displacement according to charging time
표 Results of hydrogen concentration analysis
표 Variation of hydrogen concentration according to charging time
$SEM images of specimen surface and its fracture surface after the small punch test for the as-received material (a) 82X (b) 217X (c) 883X (d) 1680X$ 표 SEM images of specimen surface and its fracture surface after the small punch test for the as-received material (a) 82X (b) 217X (c) 883X (d) 1680X
$SEM images of specimen surface and its fracture surface after the small punch test for the hydrogen charged specimen (25 hours) (a) 66 (b) 145X (c) 508X (d) 949X$ 표 SEM images of specimen surface and its fracture surface after the small punch test for the hydrogen charged specimen (25 hours) (a) 66 (b) 145X (c) 508X (d) 949X
$SEM images of specimen surface and its fracture surface after the small punch test for the hydrogen charged specimen (48 hours) (a) 61X (b) 169X (c) 208X (d) 541X (e) 920X (f) 1340X$ 표 SEM images of specimen surface and its fracture surface after the small punch test for the hydrogen charged specimen (48 hours) (a) 61X (b) 169X (c) 208X (d) 541X (e) 920X (f) 1340X
$SEM images of specimen surface and its fracture surface after the small punch test for the hydrogen charged specimen (96 hours) (a) 58X (b) 164X (c) 1200X (d) 2860X$ 표 SEM images of specimen surface and its fracture surface after the small punch test for the hydrogen charged specimen (96 hours) (a) 58X (b) 164X (c) 1200X (d) 2860X
표 파괴인성 측정 결과
표 Chemical composition of Hastelloy C-276
표 Change of Max. Load and Max. deformation (1단계)
표 Change of Max. Load and Max. deformation (2단계)
표 Change of Max. Load and Max. Deformation according to temperature; (a) Max. Load, (b) Max. Deformation
표 Hydrogen concentration analysis results
표 Hydrogen concentration analysis results
표 Hydrogen concentration analysis results according to temperature
표 SEM Micrograph of charged specimen surface (at Room temp.)
표 SEM Micrograph of charged specimen surface (at 40℃)
표 SEM Micrograph of charged specimen surface (at 50℃)
표 SEM Micrograph of charged specimen surface (at 70℃)
표 SEM Micrograph of charged specimen surface (at 80℃)
표 SEM Micrograph of charged specimen surface (at 90℃)
표 인장시편 형상
표 유도가열방식의 온도제어
표 Hastelloy C-276의 인장시험결과 (a) Room Temperature (b) 80
표 Chemical composition of 34CrMo4 steel used in this study (w.t. %)
표 Values of mechanical strength in metal liner before and after heat treatment
표 Punch load vs. displacement curves measured from small punch test for hydrogen charged specimens at several stages
표 Punch load vs. displacement curve measured from small punch test in typical ductile material
표 Comparison of hydrogen concentration change with charging time for specimens before and after heat treatment
$SEM image of fracture surface after small punch testing for the specimen before heat treatment (Charging time: 10 hours)$ 표 SEM image of fracture surface after small punch testing for the specimen before heat treatment (Charging time: 10 hours)
$SEM image of fracture surface after small punch testing for the specimen after heat treatment (Charging time: 10 hours)$ 표 SEM image of fracture surface after small punch testing for the specimen after heat treatment (Charging time: 10 hours)
표 Investigation of cross-section after 10 hrs hydrogen charging for the specimen before heat treatment
표 Chemical composition of SUS316L
표 Change of Max. Load and Max. deformation
표 Change of Max. Load and Max. Deformation according to temperature; (a) Max. Load, (b) Max. Deformation
표 Hydrogen concentration analysis results
표 Hydrogen concentration analysis results according to temperature
표 SEM Micrograph of charged specimen surface (Room Temp.)
표 SEM Micrograph of charged specimen surface (50℃.)
표 SEM Micrograph of charged specimen surface (80℃.)
표 SUS316L의 인장시험결과 (a) Room Temperature (b) 80℃
표 압력상승부에서 이상기체모델과 실제기체모델의 온도장 해석결과
표 기체모델에 따른 배관부 온도비교
표 격자해상지수에 따른 유동특성비교
표 HI 분해반응에 적용된 상수
표 요드화수소 분해과정의 온도에 따른 반응상수 영향
표 요드화 수소반응을 위한 plug flow reactor
표 온도에 따른 plug flow reactor 내의 요오드화 수소 농도분포
표 온도에 따른 plug flow reactor내의 수소농도 분포
표 온도변화에 따른 요드화수소의 변환정도비교
표 유동-구조 해석방식의 비교
표 유동격자와 구조격자의 연결
표 90도 곡관경계면에서의 압력분포와 구조해석 결과의 변위량
표 일방향 해석과 양방향 해석에 따른 최대 최소 응력값 비교
표 복합열전달을 여부에 따른 고체내부의 열응력해석결과
표 복합열전달 고려여부에 따른 경계에서의 온도 및 압력의 최대 및 최소 값 비교
표 복합열전달 고려여부에 따른 구조물의 응력 분포비교
표 경계값의 추출방법에 따른 구조해석결과의 응력값 비교
표 배관내 길이방향으로의 표면균열의 치수
표 손상부 유동-구조해석을 위한 격자
표 국부손상부에서의 유동특성
표 유체고체 경계에서 국부 손상부 온도 및 압력분포
표 국부손상부에서의 온도분포
표 배관 손상부에서의 응력분포와 변형율 분포
표 부력항의 고려에 따른 Tee 입출구에서의 속도분포 비교(XH2O,in=10%)
표 부력항의 고려에 따른 Tee 입출구에서의 수소농도 비교(XH2O,in=10%)
표 부력항을 무시한 경우의 속도장와 수소혼합물의 농도장 (X =H2O,in10%)
표 부력항이 고려된 경우의 속도장과 수소혼합물의 농도장 (XH2O,in =10%)
표 유입속도에 따른 Tee 입출구에서의 속도분포 비교 (XH2O,in=10%)
표 부력항을 무시한 경우의 속도장와 수소혼합물의 농도장 (XH2O,in = 10%, Vin=5 m/s)
표 부력항을 고려한 경우의 속도장와 수소혼합물의 농도장 (XH2O,in = 10%, Vin=5 m/s)
표 입구속도에 따른 수소질량유량의 비율
표 유체-고체 경계면에서의 수소농도
표 외부 벽면의 열적조건에 따른 수소내부 열유동장 분포
표 벽면 경계조건에 따른 곡관부 통과 이후의 관내 수소농도분포
표 곡관부 통과이후 단면에서의 유동형태

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과제수행기간(LeadAgency) :	-
연구목표(Goal) :	-
연구내용(Abstract) :	-
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