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표제지

요약

목차

기호목록 15

제1장 서론 16

제2장 연구배경 18

2.1. 응력부식균열 18

2.2. 배관의 1차수응력부식균열 (PWSCC, Primary water stress corrosion crack) 20

제3장 배관재 SCC 제작 23

3.1. 시험 재료(STS 304) 23

3.2. SCC 제작 장치 구성 26

제4장 실험 계획 및 파라미터 제어 방법 29

4.1. 실험 구성 29

4.1.1. 다구치 실험계획법 29

4.1.2. 실험 구성 30

4.2. 파라미터 제어 방법 31

4.2.1. 압력 31

4.2.2. pH Concentration 35

4.2.3. 잔류인장응력 36

제5장 SCC 균열 성장 과정 54

5.1. Acoustic Emission Testing 54

5.2. 위치 분석 56

5.2.1. SCC장비의 전파속도 56

5.3. 음향방출시험법에 따른 단계별 SCC의 성장 과정 62

5.3.1. 1차 실험-SCC 63

5.3.2. 2차 실험-Pitting 68

5.3.3. 3차 실험-상온 Pitting 74

5.4. 파형분석 76

5.4.1. 공식 발생시 Waveform 77

5.4.2. 균열 발생시 Waveform 79

5.4.3. 공식 Waveform 특성 분석 81

5.5. 결과 분석 84

5.5.1. Pitting 및 Cracking의 위치분석 84

5.5.2. 단면 분석 89

제6장 실험결과 92

6.1. SCC 제작 실험 결과 92

6.2. 결과에 대한 통계분석 97

6.2.1. 다구치 분석 방법에 따른 SN비의 주효과도 97

6.2.2. 다중회귀분석에 따른 균열발생시간에 대한 회귀식 도출 99

제7장 결론 및 고찰 100

참고문헌 102

SUMMARY 105

List of Tables

Table. 1. Chemical composition of specimen 23

Table. 2. Mechanical properties of specimen 23

Table. 3. Welding condition 25

Table. 4. Welding experimental condition 25

Table. 5. Experiment composition 31

Table. 6. The stress equation caused by internal pressure 33

Table. 7. Maximum tensile stress variation of water 34

Table. 8. Maximum tensile stress variation in solution 35

Table. 9. pH concentration between theory and experiment 36

Table. 10. KHCM Spec. 46

Table. 11. Result of Strain gage 51

Table. 12. Waveform speed of STS 304 Pipe 58

Table. 13. Waveform speed of SCC production device 59

Table. 14. Waveform speed of SCC production device without gasket 60

Table. 15. Waveform speed of Plange 1 61

Table. 16. Waveform speed of Plange 2 62

Table. 18. Spec. of Sensor 76

Table. 18. Waveform of each experiment 76

Table. 19. Analysis of Peak Amplitude 84

Table. 20. Location analysis of Pitting experiment 85

Table. 21. Experiment result of SCC 93

Table. 22. Reaction of signal to noise ratio 98

Table. 23. Reaction to average 98

Table. 24. The analysis of variance 98

Table. 25. The analysis of variance 2 99

List of Figures

Fig. 1. Mechanism of stress corrosion cracking 18

Fig. 2. Nuclear Power Plant 22

Fig. 3. Yield strength variation of specimen with temperature 24

Fig. 4. Specimen for SCC fabrication 25

Fig. 5. Stress corrosion crack forming equipment 27

Fig. 6. Diagram of SCC forming equipment 28

Fig. 7. The variation of pressure with temperature 32

Fig. 8. The stress in thick walled pipes 33

Fig. 9. Maximum tensile stress caused by internal pressure (σtmax)(이미지참조) 34

Fig. 10. Residual stress distribution on welding plate 39

Fig. 11. Meshed Modeling 40

Fig. 12. Temperature gradient of Specimen 41

Fig. 13. Bilinear kinematic hardening table for STS 304 42

Fig. 14. Axial Residual Stress Distribution 43

Fig. 15. Hoop Residual Stress Distribution 43

Fig. 16. Hole-drilling theory and hole-drilling machine 44

Fig. 17. Sensing section and Composition of Welding strain gage 45

Fig. 18. Temperature compensation 47

Fig. 19. Schematic of strain gauge experimental 48

Fig. 20. Temperature and residual stress gradients at location of gage 49

Fig. 21. Specimen after 1 pass welding 50

Fig. 22. Result graph of Strain gage experiment 52

Fig. 23. Acoustic emission range 55

Fig. 24. Mechanism of acoustic emission 56

Fig. 25. Waveform speed of STS 304 pipe 57

Fig. 26 STS 304 Pipe 57

Fig. 27. Waveform speed of SCC production device 58

Fig. 28. Actual SCC Production device 59

Fig. 29. Waveform speed of Plange 1 60

Fig. 30. Waveform speed of Plange 2 61

Fig. 31. Temp-pressure graph of first experiment 63

Fig. 32. Cumulative Counts of first experiment 64

Fig. 33. Location of crack 64

Fig. 34-A crack of inner surface 65

Fig. 34-B crack of inner surface 65

Fig. 35. Comparision of peak freq. region by 1st experiment 67

Fig. 36. Cumulative Counts of second experiment 68

Fig. 37. Specimen surface before and after the second experiment 70

Fig. 38. Result of penetrant testing 71

Fig. 39. Pitting of inner surface 72

Fig. 40. Comparision of Peak Freq. region by 2nd experiment 73

Fig. 41. Comparision of Peak Freq. 74

Fig. 42. Pitting forming equipment at 3rd experiment 75

Fig. 43. Counts of third experiment 75

Fig. 44. Waveform type at region 1 of second experiment 77

Fig. 45. Waveform type at region 2 of second experiment 78

Fig. 46. Waveform type of third experiment 79

Fig. 47. Waveform type at Region 3 of first experiment 80

Fig. 48. Waveforms of different type of AE Signals 81

Fig. 49. All pitting waveform 82

Fig. 50. Amplitude-Simple time Graph 83

Fig. 51. Location analysis schematic 1 86

Fig. 52. Waveform Reach of each sensor 86

Fig. 53. Pitting and Cracking data 89

Fig. 54. Pitting type of ASTM G46 90

Fig. 55. Pitting surface of 2nd experiment 91

Fig. 56. All specimen after experiment 92

Fig. 57. Experiment Data of 130 bart 94

Fig. 58. Experiment Data of 150 bart 95

Fig. 59. Experiment Data of 170 bart 96

Fig. 60. The main effect of signal to noise ratio 97

초록보기

국내 원자력 발전소는 1978년에 처음 세워진 이래로 30여년이 지난 2011년 현재 19개의 발전소가 운전 중이며 현재 국내 총 전력의 약 40%를 담당 하고, 그 비중이 점점 증가하고 있다. 그러나 원자력 발전은 특성상 사고 발생시 인명과 경제에 대한 중대한 손실을 가져 올 뿐 아니라, 이에 수반되는 사회적 충격도 매우 크다. 따라서 원자력 설비의 가동년수가 증가함에 따라 노후화 관리를 비롯한 종합적이 안전성 확인이 요구 되고 있다. 원자력 발전 소에서 발생하는 균열은 크게 응력 부식 균열(Stress Corrosion Cracking, SCC)과 열피로균열(Thermal Fatigue Cracking)이다. 특히 응력부식균열은 인장 응력을 받고 있는 금속 구조물이 특정분위기에 노출되었을 때 일어나는 파괴로, 균열의 시작과 성장을 관찰하기 어렵고, 특히 우수한 표면보호피막을 형성하는 금속 구조물에서 예고 없이 일어나기 때문에 안정성에 심각한 위협을 주고 있다. 특히 2002년도에 국내의 울진 4호기에서 발생한 전열관 판단사고(SGTR, Inconel 600)는 원자로 냉각수가 2차 측으로 누설된 사고로, 그 주요원인이 SCC인 것으로 조사되었다. 하지만 현재까지 응력부식 균열에 대한 많은 연구가 진행되었으나, 아직도 많은 합금의 SCC 발생과 성장에 대한 기구는 규명되지 않고 있다. 실제로 내식 재료 중에 가장 많이 사용되는 스테인리스강의 SCC 기구로 슬립융해(slip dissolution)모델, 피막 파괴 모델, tunnel model, absorption model 그리고 수소취성 등 다양한 이론과 모델이 제시 되고 있다. 이는 응력부식균열 성장시 미세한 균열 내부에서 일어나는 전기 화학반응에 대한 관찰이 어렵고 화학반응이 균열 선단 근처의 복잡한 응력분포 등과 복합되어 균열이 성장하기 때문이다.

이에 본 논문에서는 실제 원전에서 발견되는 균열 발생조건과 유사한 환경조건에서 응력부식균열 시험편을 제작하였다. 시험 재료는 원자력 발전소 Reactor Coolant System의 배관재로 사용되는 오스테나이트계 STS 304를 사용하였다. SCC 제작의 파라미터로 가열시 발생하는 압력, 부식액, 잔류인 장응력을 선정하였다. 압력은 제어프로그램 중 하나인 Labview를 활용하여 온도를 통해 제어하였으며 실험에서는 130bar, 150bar 170bar가 사용되었다. 부식액은NaOH와 Na₂SO₄의 혼합액으로 이론적으로 계산하고, 실험값과 비교하였다. 실험에는 pH 12.5, 13.0, 13.5 가 사용되었다. 잔류인장응력은 배관재에 Tig 용접으로 진행하였으며, 동시에 용접용 스트레인 게이지를 부착 하여 이때 발생하는 잔류응력을 측정하였다. 실험은 다구치 실험계획법에 따라 다양한 조건에서 총 9회 실시하였다. 또한 비파괴검사방법 중 하나인 음향방출시험방법(Acoustic Emission Testing)을 사용하여 SCC의 성장과정 을 확인하고, 이를 활용하여 초기균열 발생시점을 확인하였다.

최종적으로 획득한 다양한 실험 조건과 균열발생 시간을 다구치 실험방 법으로 분석하여 각 파라미터의 주효과도를 확인하고, 분산분석을 이용하여 각 파라미터의 기여량과 회귀식을 확인할 수 있었다. 이 회귀식은 SCC의 시험편 제작 및 방지 대책을 마련하는데 유용하게 사용될 것으로 판단된다.

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