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SUMMARY

Contents

목차

제1장 연구개발과제의 개요 30

제1절 연구개발의 필요성 및 목적 30

제2절 연구개발의 목표 및 범위 31

제2장 국내외 기술개발 현황 33

제1절 해외 연구현황 33

1. 원전 운전환경에서의 피로 33

2. 환경피로의 영향 33

3. 환경피로 영향 신규 원전 설계 반영 34

제2절 국내 연구현황 34

제3절 현기술상태의 취약성 35

제4절 향후 기술수요 전망 38

1. 향후 기술개발 방향 38

2. 기술도입 가능성 38

제3장 연구개발 수행내용 및 결과 39

제1절 실험용 재료 제작 및 물성치 실험 39

1. 저주기 환경피로 실험용 CF8M 스테인리스강 재료 제작 39

2. 주조 CF8M 스테인리스강의 물성치 실험 39

제2절 실험 시편 설계 및 제작, 가속 인공열화 43

1. 시편의 설계 및 제작 43

2. 시편 인공 가속 열화 45

제3절 실험조건 및 전략 수립 47

1. 환경피로 실험조건 47

2. 실험전략 상세 수립 47

제4절 주기적 변형률 경화현상 50

1. 주기적 변형률 경화현상 개요 50

2. 주기적 변형률 경화현상을 반영한 실험 방법 52

제5절 환경피로 실험장치 설계변경 및 검교정 62

1. 실험운전용 소프트웨어 수정 보안 62

2. 고온 소형 Extensometer 개발 및 제작 62

3. 저주기 환경피로 실험장치 검교정 62

제6절 저주기 환경피로 실험 67

1. 저주기 환경피로 실험장치 67

가. 고온 고수압 순환 장치 67

나. 하중 인가 장치 67

다. 시편 체결부 72

라. 제어시스템 72

2. 실험방법 및 절차 72

3. 공기중 상온 저주기 피로실험 77

가. 실험조건 77

나. 공기중 상온 저주기 피로실험 결과 77

4. 공기중 고온 저주기 피로실험 101

가. 실험조건 101

나. 공기중 고온 저주기 피로실험 결과 101

5. Extensometer 신뢰성 검증 140

가. LVDT 변위센서 제어 검증 실험 140

(1) 실험조건 140

(2) 실험결과 140

나. Instron1362 모델을 사용한 검증 실험 154

(1) 실험조건 154

(2) 실험결과 158

6. 고온 고수압 저주기 환경피로 실험 168

가. 유한요소 해석법을 이용한 주기적 변형률 경화현상 보정 170

(1) 유한요소 해석방법 170

(2) 해석결과 정리 172

(3) 유한요소 해석 보정 결과 177

나. 변형률 경화 실험식을 반영한 환경피로 실험 190

(1) 변형률 경화현상 실험식 유도 194

(2) 실험식 검증 및 실험 제어 프로그램에 적용 202

(3) 실험식을 반영한 환경피로 실험 결과 206

7. 실험결과의 고찰 216

제7절 실험장치 안정화 및 기능보완 222

1. 실험 제어용 소프트웨어 수정 보안 222

2. 고온용 소용 Extensometer 제작 및 안정화 222

3. 장비 주요부품 고장, 수리 및 교체 222

제8절 저주기 환경피로 실험장치 추가 설계 228

1. 소형 복합 미소변위 측정 장치 228

2. 추가 환경피로 실험장치 설계 232

제4장 목표달성도 및 관련분야에의 기여도 235

제1절 연구개발 목표 달성도 235

1. 저주기 환경피로 실험용 CF8M 스테인레스강 재료 제작 및 물성치 실험 235

2. 환경피로 실험 시편 설계 및 제작, 장기가동 재료의 환경피로 실험을 위한 가속 인공열화 235

3. 환경피로 실험조건 및 실험 전략 상세 수립 235

4. 변형률 경화 현상 극복방안 연구 236

5. 기존의 저주기 환경피로 실험장치 설계 변경 및 검교정 236

6. 건전재 시편 공기중 상온 및 315℃, PWR 환경에서 저주기 피로실험 237

7. 예비실험을 통한 실험장치 안정화 및 기능보안 237

8. 저주기 환경피로 실험장치 추가 설계서 237

제2절 관련분야에의 기여도 238

제3절 논문 게제 및 발표 목록 239

제5장 연구개발결과의 활용계획 240

제1절 기술적 측면 240

제2절 경제적 측면 241

제3절 사회적 측면 241

제4절 추가연구의 필요성 242

제6장 연구개발과정에서 수집한 해외과학기술정보 243

제7장 참고문헌 244

부록 245

부록 1. 주기적 변형률 경화 실험식을 반영한 저주기 환경피로 실험 절차서 246

목차 247

I. 서론 248

II. 저주기 환경피로 실험장치 249

1. 고온 고수압 순환 장치(Loop System) 249

2. 하중 인가 장치 251

3. 제어시스템 252

4. 시편체결부 254

III. 실험절차 255

1. 개요 255

2. 시험편 258

3. 공기중 상온 및 고온 저주기 피로실험 절차 258

(1) 가동전 검사 258

(2) 시험기 세팅 261

4. 변형률 경화현상 실험식 유도 263

5. 변형률 경화현상 실험식 검증 267

6. 고온 고수압 저주기 환경피로 실험 절차 269

(1) 가동전 검사 269

(2) 시험기 세팅 273

(3) 고온 고압수 순환 장치의 가동 277

7. 이상 점검 및 조치 284

IV. 예비실험 결과 및 고찰 286

부록 2. 계측기 검교정서(Instrument Calibration Certificates) 289

부록 3. Test Data 306

표 3-1. 주조 스테인리스강의 화학 성분 40

표 3-2. 주조 스테인리스강의 인장실험 결과 40

표 3-3. PWR 수처리 조건 48

표 3-4. 공기중 상온 LCF 실험조건 79

표 3-5. 공기중 상온 LCF 실험결과 79

표 3-6. 공기중 고온 LCF 실험조건 104

표 3-7. 공기중 고온 LCF 실험결과 104

표 3-8. LVDT 변위센서를 사용한 검증 실험조건 143

표 3-9. LVDT 변위센서를 이용한 저주기 피로 실험결과 143

표 3-10. Specifications of fatigue testing equipment 156

표 3-11. Instron 1362 모델을 사용한 LCF 실험결과 160

표 3-12. Instron 1362 모델을 사용한 LCF 실험결과 160

표 3-13. 실험조건 169

표 3-14. 표점거리 및 Strain Amplitude의 보정결과 176

표 3-15. FEM을 이용한 PWR 실험결과 178

표 3-16. 주기적 변형률 경화현상을 고려한 고온 고수압 실험조건 192

표 3-17. 수식검증 실험 결과 203

표 3-18. 실험식을 적용한 PWR 환경피로 실험 결과 207

표 3-19. 추가 장치의 설계 규격 233

그림 2-1. PWR 환경에서의 균열진전속도 실험 시스템 36

그림 2-2. PWR 환경에서의 저주기 환경피로 실험장비 37

그림 3-1. CF8M 주조 스테인리스강 41

그림 3-2. 인장응력-변형률 곡선, CF8M 42

그림 3-3. Configuration of specimen 44

그림 3-4. 가속열화를 위한 Furnace 및 시험편 46

그림 3-5. 환경피로 실험 절차 49

그림 3-6. Cyclic hardening 51

그림 3-7. 고온 고수압 실험 조건에서의 실험장치 55

그림 3-8. 주기적 변형률 경화를 고려한 실험절차 56

그림 3-9. Extensometer와 LVDT와의 변형률 상관관계(상온) 57

그림 3-10. Extensometer와 LVDT와의 변형률 상관관계(315℃) 57

그림 3-11. Extensometer의 변위 거동(공기중 315℃, △ε＝0.6%) 58

그림 3-12. LVDT의 변위 거동(공기중 315℃, △ε＝0.6%) 58

그림 3-13. 1단계 수식 유도(예, 공기중 315℃, △ε＝0.6%) 59

그림 3-14. 2단계 수식 유도(예, 공기중 315℃, △ε＝0.6%) 59

그림 3-15. 수식 적용 LVDT 제어 실험의 변위 거동(예, 공기중 315℃, △ε＝0.6%) 60

그림 3-16. 수정 보완한 제어프로그램의 수식입력화면 61

그림 3-17. 수정 보완한 제어 프로그램 64

그림 3-18. 고온 소형 extensometer 개발 65

그림 3-19. 검교정한 LOOP System의 압력계와 온도지시 조절계 66

그림 3-20. 이온수지 필터 및 각종 필터류의 교체 66

그림 3-21. 저주기 환경피로 시험장치 68

그림 3-22. Loop system 69

그림 3-23. Configuration of loop system 69

그림 3-24. 하중 인가 장치 70

그림 3-25. 변위측정 장치 71

그림 3-26. Extensometer 73

그림 3-27. 제어 계통도 74

그림 3-28. 봉상 피로 시편 75

그림 3-29. 변형률 경화현상을 고려한 세부 실험 과정 76

그림 3-30. 공기중 상온실험 장비 세팅 80

그림 3-31. 최대인장하중 변화선도 81

그림 3-32. 공기중 상온 저주기 피로시험 결과 82

그림 3-33. 공기중 상온 △ε＝0.43% 실험 결과(Test No. 17) 83

그림 3-34. 공기중 상온 △ε＝0.61% 실험 결과(Test No. 28) 85

그림 3-35. 공기중 상온 △ε＝0.81% 실험 결과(Test No. 32) 87

그림 3-36. 공기중 상온 △ε＝0.94% 실험 결과(Test No. 30) 89

그림 3-37. 공기중 상온 △ε＝1.08% 실험 결과(Test No. 34) 91

그림 3-38. 공기중 상온 △ε＝1.20% 실험 결과(Test No. 35) 93

그림 3-39. 공기중 상온 △ε＝1.31% 실험 결과(Test No. 18) 94

그림 3-40. 공기중 상온 △ε＝1.80% 실험 결과(Test No. 29) 95

그림 3-41. 공기중 상온 △ε＝0.43% 실험 후 시편(Test No. 17) 97

그림 3-42. 공기중 상온 △ε＝1.31% 실험 후 시편(Test No. 18) 97

그림 3-43. 공기중 상온 △ε＝0.68% 실험 후 시편(Test No. 21) 98

그림 3-44. 공기중 상온 △ε＝0.94% 실험 후 시편(Test No. 30) 98

그림 3-45. 공기중 상온 △ε＝0.81% 실험 후 시편(Test No. 32) 99

그림 3-46. 공기중 상온 △ε＝1.08% 실험 후 시편(Test No. 34) 99

그림 3-47. 공기중 상온 △ε＝1.20% 실험 후 시편(Test No. 35) 100

그림 3-48. 공기중 고온실험 장비 세팅 103

그림 3-49. 최대인장하중 변화선도 105

그림 3-50. 공기중 고온 저주기 피로시험 결과 106

그림 3-51. 공기중 상온과 고온 저주기 피로시험 결과 비교 107

그림 3-52. 공기중 고온 △ε＝0.30% 실험 결과(Test No. 47) 108

그림 3-53. 공기중 고온 △ε＝0.55% 실험 결과(Test No. 2) 110

그림 3-54. 공기중 고온 △ε＝0.61% 실험 결과(Test No. 1) 112

그림 3-55. 공기중 고온 △ε＝0.69% 실험 결과(Test No. 12) 114

그림 3-56. 공기중 고온 △ε＝0.77% 실험 결과(Test No. 7) 116

그림 3-57. 공기중 고온 △ε＝0.82% 실험 결과(Test No. 19) 118

그림 3-58. 공기중 고온 △ε＝0.83% 실험 결과(Test No. 9) 120

그림 3-59. 공기중 고온 △ε＝0.88% 실험 결과(Test No. 6) 122

그림 3-60. 공기중 고온 △ε＝0.88% 실험 결과(Test No. 4) 124

그림 3-61. 공기중 고온 △ε＝0.95% 실험 결과(Test No. 8) 126

그림 3-62. 공기중 고온 △ε＝1.03% 실험 결과(Test No. 3) 127

그림 3-63. 공기중 고온 △ε＝1.25% 실험 결과(Test No. 5) 129

그림 3-64. 공기중 고온 △ε＝0.41% 실험 결과(Test No. 44) 131

그림 3-65. 공기중 고온 △ε＝0.61% 실험 종료후 시편(Test No. 1) 133

그림 3-66. 공기중 고온 △ε＝0.55% 실험 종료후 시편(Test No. 2) 133

그림 3-67. 공기중 고온 △ε＝1.03% 실험 종료후 시편(Test No. 3) 134

그림 3-68. 공기중 고온 △ε＝0.88% 실험 종료후 시편(Test No. 4) 134

그림 3-69. 공기중 고온 △ε＝1.25% 실험 종료후 시편(Test No. 5) 135

그림 3-70. 공기중 고온 △ε＝0.88% 실험 종료후 시편(Test No. 6) 135

그림 3-71. 공기중 고온 △ε＝0.77% 실험 종료후 시편(Test No. 7) 136

그림 3-72. 공기중 고온 △ε＝0.95% 실험 종료후 시편(Test No. 8) 136

그림 3-73. 공기중 고온 △ε＝0.83% 실험 종료후 시편(Test No. 9) 137

그림 3-74. 공기중 고온 △ε＝0.69% 실험 종료후 시편(Test No. 12) 137

그림 3-75. 공기중 고온 △ε＝0.82% 실험 종료후 시편(Test No. 19) 138

그림 3-76. 공기중 고온 △ε＝0.41% 실험 종료후 시편(Test No. 44) 138

그림 3-77. 공기중 고온 △ε＝0.30% 실험 종료후 시편(Test No. 47) 139

그림 3-78. 내장형 LVDT 변위센서 142

그림 3-79. 상온에서의 extensometer와 LVDT제어 실험결과 비교 144

그림 3-80. 고온에서의 extensometer와 LVDT제어 실험결과 비교 145

그림 3-81. 공기중 상온 △ε＝0.88% 실험 결과(Test No. 27) 146

그림 3-82. 공기중 고온 △ε＝0.49% 실험 결과(Test No. 10) 148

그림 3-83. 공기중 고온 △ε＝0.78% 실험 결과(Test No. 13) 149

그림 3-84. 공기중 고온 △ε＝0.77% 실험 결과(Test No. 14) 150

그림 3-85. 공기중 고온 △ε＝0.88% 실험 종료후 시편(Test No. 27) 152

그림 3-86. 공기중 고온 △ε＝0.49% 실험 종료후 시편(Test No. 10) 152

그림 3-87. 공기중 고온 △ε＝0.78% 실험 종료후 시편(Test No. 13) 153

그림 3-88. 공기중 고온 △ε＝0.77% 실험 종료후 시편(Test No. 14) 153

그림 3-89. 시험편(Instron1362) 155

그림 3-90. Test Machine(INSTRON 1362) 157

그림 3-91. Schenlatic drawing of test machine 157

그림 3-92. Instron 1362 모델을 이용한 공기중 저주기 피로시험 결과 161

그림 3-93. 공기중 상온 저주기 피로시험 결과 비교(Instron 1362) 162

그림 3-94. 공기중 고온 저주기 피로시험 결과(Instron 1362) 163

그림 3-95. 공기중 고온 △ε＝0.4% 실험 종료후 시편(Test No. 36) 164

그림 3-96. 공기중 고온 △ε＝0.6% 실험 종료후 시편(Test No. 37) 164

그림 3-97. 공기중 고온 △ε＝0.8% 실험 종료후 시편(Test No. 38) 165

그림 3-98. 공기중 상온 △ε＝1.0% 실험 종료후 시편(Test No. 39) 165

그림 3-99. 공기중 상온 △ε＝0.8% 실험 종료후 시편(Test No. 40) 166

그림 3-100. 공기중 상온 △ε＝0.6% 실험 종료후 시편(Test No. 41) 166

그림 3-101. 공기중 상온 △ε＝0.4% 실험 종료후 시편(Test No. 42) 167

그림 3-102. 공기중 상온 △ε＝0.2% 실험 종료후 시편(Test No. 43) 167

그림 3-103. 시험편의 Mesh Generation 171

그림 3-104. 시험편의 경계조건과 하중조건 171

그림 3-105. 응력분포 해석 결과 173

그림 3-106. 변위량 분포 해석 결과 174

그림 3-107. 표점거리와 측정부 변위와의 상관관계 175

그림 3-108. 최대인장하중 변화선도 179

그림 3-109. FEM을 이용한 PWR 저주기 피로시험 결과 보정 180

그림 3-110. FEM을 이용한 PWR 저주기 피로시험 결과 비교 181

그림 3-111. FEM을 이용한 PWR, △ε＝0.4% 실험 결과(Test No. 24) 182

그림 3-112. FEM을 이용한 PWR, △ε＝0.6% 실험 결과(Test No. 23) 183

그림 3-113. FEM을 이용한 PWR, △ε＝0.8% 실험 결과(Test No. 25) 184

그림 3-114. FEM을 이용한 PWR, △ε＝1.0% 실험 결과(Test No. 26) 185

그림 3-115. FEM을 이용한 PWR, △ε＝0.3% 실험 결과(Test No. 52) 186

그림 3-116. FEM을 이용한 PWR, △ε＝0.3% 실험 종료 후 시편(Test No. 52) 187

그림 3-117. FEM을 이용한 PWR, △ε＝0.4% 실험 종료 후 시편(Test No. 24) 187

그림 3-118. FEM을 이용한 PWR, △ε＝0.6% 실험 종료 후 시편(Test No. 23) 188

그림 3-119. FEM을 이용한 PWR, △ε＝0.8% 실험 종료 후 시편(Test No. 25) 188

그림 3-120. FEM을 이용한 PWR, △ε＝0.8% 실험 종료 후 시편(Test No. 26) 189

그림 3-121. 고온 고수압 실험 autoclave 191

그림 3-122. Extensometer와 LVDT와의 변형률 상관관계(상온) 193

그림 3-123. Extensometer와 LVDT와의 변형률 상관관계(315℃) 193

그림 3-124. 고온 실험시 Extensometer의 변위 거동(strain amplitude, 0.4%) 195

그림 3-125. 고온 실험시 LVDT의 변위 거동(strain amplitude, 0.4%) 195

그림 3-126. LVDT 변위거동의 수식 유도 Step 1(strain amplitude, 0.4%) 196

그림 3-127. LVDT 변위거동의 수식 유도 Step 2(strain amplitude, 0.4%) 196

그림 3-128. 고온 실험시 Extensometer의 변위 거동(strain amplitude, 0.6%) 198

그림 3-129. 고온 실험시 LVDT의 변위 거동(strain amplitude, 0.6%) 198

그림 3-130. LVDT 변위거동의 수식 유도 STEP 1(strain amplitude, 0.6%) 199

그림 3-131. LVDT 변위거동의 수식 유도 STEP 2(strain amplitude, 0.6%) 199

그림 3-132. 고온 실험시 Extensometer의 변위 거동(strain amplitude, 0.8%) 200

그림 3-133. 고온 실험시 LVDT의 변위 거동(strain amplitude, 0.8%) 200

그림 3-134. LVDT 변위거동의 수식 유도 Step 1(strain amplitude, 0.8%) 201

그림 3-135. LVDT 변위거동의 수식 유도 Step 2(strain amplitude, 0.8%) 201

그림 3-136. 수식을 사용한 LVDT 제어 고온실험의 LVDT 변위 거동 204

그림 3-137. 제어 프로그램의 실험식 입력창 205

그림 3-138. 최대인장하중 변화선도 208

그림 3-139. 실험식을 적용한 PWR 저주기 피로시험 결과 209

그림 3-140. FEM 변형률 경화 보정과 실험식 보정 결과의 비교 210

그림 3-141. 유도수식을 이용한 PWR, △ε＝0.4% 실험 결과(Test No. 51) 211

그림 3-142. 유도수식을 이용한 PWR, △ε＝0.6% 실험 결과(Test No. 20) 212

그림 3-143. 유도수식을 이용한 PWR, △ε＝0.8% 실험 결과(Test No. 22) 213

그림 3-144. 유도수식을 이용한 PWR, △ε＝0.4% 실험 종료 후 시편(Test No. 51) 214

그림 3-145. 유도수식을 이용한 PWR, △ε＝0.6% 실험 종료 후 시편(Test No. 20) 214

그림 3-146. 유도수식을 이용한 PWR, △ε＝0.8% 실험 종료 후 시편(Test No. 22) 215

그림 3-147. 저주기 환경피로 실험결과 비교 218

그림 3-148. △ε＝0.4%에서의 각 실험조건별 결과 비교 219

그림 3-149. △ε＝0.6%에서의 각 실험조건별 결과 비교 220

그림 3-150. △ε＝0.8%에서의 각 실험조건별 결과 비교 221

그림 3-151. 저주기 환경피로 실험장치의 고장 224

그림 3-152. 고온 heater의 고장 225

그림 3-153. UPS 축전지 226

그림 3-154. Harmonic drive와 motor 227

그림 3-155. 고온 고수압 Autoclave내 복합 매소변위 측정장치 설계도 229

그림 3-156. 복합 미소변위 측정 장치 231

그림 3-157. 추가 저주기 환경피로 실험장비 설계 234