KR100483823B1

KR100483823B1 - 피로균열이 내재된 시험편의 제조방법

Info

Publication number: KR100483823B1
Application number: KR10-2002-0072759A
Authority: KR
Inventors: 홍재근; 송상우; 양주용; 박반욱
Original assignee: 한국기계연구원
Priority date: 2002-11-21
Filing date: 2002-11-21
Publication date: 2005-04-20
Also published as: KR20040044658A

Abstract

본 발명은 피로균열(fatigue crack)이 내재된 시험편의 제조에 관한 것으로, 그 목적은 용접 열영향부에 발생되는 실제 피로균열을 모사하기 위한 시험편을 제공함에 있다.

본 발명에 따른 시험편의 제조방법은, 몸체(21)의 한쪽 단면으로부터 연장된 바(22)를 구비한 피로시험편(20a)을 준비한 후, 몸체(21)와 바(22)가 접합하는 둘레에 방전가공을 통해 노치(notch)를 형성하고, 상기 피로시험편(20a)에 인장피로하중을 가하여 상기 피로시험편(20a)을 파단시킨 다음, 그 파단면쪽에 다른 몸체(27)를 접촉한 상태에서 다른 몸체(27)를 접합용접하여 피로균열을 내재시킨다.

이러한 본 발명에 따라 제조되는 피로균열 시험편은, 결함 크기 및 위치에 대하여 약 95% 이상의 신뢰도를 가지고 있어, 특히 원전기기의 배관에 대한 기량검증(performance demonstration)에 매우 유용하다.

Description

피로균열이 내재된 시험편의 제조방법{Manufacturing Method of Welded Specimen with Internal Fatigue Cracks}

본 발명은 피로균열(fatigue crack)이 내재된 시험편의 제조에 관한 것으로, 보다 상세하게는 용접 열영향부에 발생되는 실제 피로균열을 모사하기 위한 시험편의 제조방법에 관한 것이다.

기존의 원자력발전소의 비파괴검사에 있어 결함의 탐지능력에 대한 실증은 기계가공법을 사용한 시험편을 사용하여 왔다. 그러나, 실제 결함의 탐지능력에 많은 의구심이 발생하여 현재는 실제 결함을 모사한 결함 시험편을 사용하여 기량검증(performance demonstration)을 하도록 요구되고 있다. 지금까지 알려진 결함 시험편의 제조방법은 크게 다음의 3가지로 구분된다.

먼저, 원위치삽입법(In-situ implant)은 열피로 또는 기계적 피로결함의 제조에 사용되고 있다. 이 방법은 결함이 모재에서 발생하기 때문에 초음파빔이 용접부를 지나지 않고 직접 결함에 도달한다는 장점이 있어 초음파빔이 용접부에 의하여 왜곡되지 않는다. 또한, 결함을 시험편에 삽입(implant)하기 전에, 결함의 크기와 결함면에 대한 정보를 얻을 수 있어 보다 정확한 결함에 대한 정보를 얻을 수 있다. 우선, 결함생성위치에 바(bar)를 가공하여 인장력을 가한 상태에서 가열/냉각을 반복하여 열피로(thermal fatigue) 조건을 만든다. 원하는 결함의 표면조도를 얻기 위하여 인가되는 하중의 사이클(cycle) 수를 조절하여 피로균열이 열영향부에 완전히 성장하게 한 후, 결함의 위치 및 크기에 대한 물리적인 정보를 얻는다. 그리고, 원하는 크기로 가공한 후 접합용접(seal welding)을 수행하고, 용접개선면은 용접절차에 따라 용접을 수행하여 시험편을 완성한다.

쿠폰삽입법(Coupon implant)은, 작은 쿠폰에 원하는 결함을 생성시켜 시험편 모형에 쿠폰을 삽입하는 방법으로, 탄소강 용기, 노즐 등에 결함을 삽입할 때 자주 사용되는 방법이다. 제조방법은 간단하지만, 정확한 결함치수를 알 수 없고, 쿠폰이 용접금속으로 둘러싸여 있어 초음파빔이 용접부를 지나는 단점을 가지고 있다.

용접응고법(Weld-solidification)은, 용착금속 내에 결함을 제조할 때 사용되며, 원하는 부위의 화학조성을 다르게 하여 용융된 용접부를 요염(contamination)시켜 결함을 발생시킨다. 이 방법은 결함표면의 사진을 얻을 수 없고, 방향, 크기, 결함의 범위에 대한 정확한 정보를 얻을 수 없는 단점이 있다.

본 발명은 기존의 기량검증에서 발생되는 단점을 해결하고자 제안된 것으로, 그 목적은 발생된 피로결함이 원하는 위치에 설계된 크기대로 열영향부에 내재되도록 시험편을 제조하는 방법을 제공함에 있다.

상기 목적 달성을 위한 본 발명은, 시험편의 제조방법에 있어서, 몸체의 한쪽 단면으로부터 연장된 바를 구비한 피로시험편을 준비하는 단계; 준비된 피로시험편의 몸체와 바가 접합하는 둘레에 노치(notch)를 형성하는 단계; 상기 피로시험편의 몸체와 바가 분리되도록 인장피로하중을 가하여 상기 피로시험편을 파단하는 단계; 및 상기 바가 분리되어 형성된 피로시험편의 파단면쪽에 다른 몸체를 접촉한 상태에서 피로시험편과 다른 몸체를 접합용접하는 단계;를 포함하여 구성되는 피로균열이 내재된 시험편의 제조방법에 관한 것이다.

이하, 본 발명을 도면을 통하여 상세히 설명한다.

도1a 내지 도1b는 본 발명에 따른 시험편의 제조공정의 일례를 보이는 도면이다.

본 발명의 시험편을 제조하기 위해서는, 먼저 도1a에 도시된 바와 같은 피로시험편(10a)을 준비할 필요가 있다. 상기 피로시험편(10a)은, 몸체(11)와, 상기 몸체(11)의 한쪽 단면(11a)으로부터 연장된 바(12)로 구성된다. 상기 피로시험편(10a)의 몸체(11)와 바(12)는 인장피로시험시 시험편을 고정할 수 있는 구멍(13, 14)을 하나씩 갖는다.

상기 피로시험편(10a)의 몸체(11)나 바(12)의 크기는 특별히 제한하지는 않으나, 몸체(11)의 한쪽 단면(11a)과 접하는 바(11)의 접합면의 크기를 조절함으로써, 향후 열영향부에 내재되는 피로균열의 크기를 제어할 수 있다. 특히, 본 발명에서는 상기 피로시험편(10a)을 인장피로시험을 통해 파단면을 형성할 때, 피로시험편(10a)의 파단면이 평면파괴를 얻으려면, 도2에 도시된 바와 같이, 접합면의 길이(ℓ)와 깊이(a)를 적어도 2:1 이상으로 설계하여 피로시험편(10a)을 제작하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 피로시험편(10a)은 몸체(11)의 한쪽 단면(11a)이 경사져 있는데, 바람직하게는 약 30~ 70°의 범위, 가장 바람직하게는 약 60°로 하는 것이다.

그 다음, 상기 준비된 피로시험편(10a)은, 몸체(11)와 바(12)가 접합한 접합면의 둘레에 노치를 형성한다. 노치가공은 피로시험편(10a)을 방전가공을 함으로써 피로시험편(10a)에 노치를 삽입할 수 있다. 상기 노치는, 피로시험편(10a)의 몸체(11)와 바(12)가 접하는 둘레 중 적어도 하나의 변에 삽입하는 것이 바람직하다. 또한, 상기 노치의 깊이(n)는 도2b에 도시된 바와 같이, 2mm 이하로 가공하는 것이 바람직하다. 가장 바람직하게는 노치의 깊이(n)를 약 2mm로 하는 것이다.

이러한 조건에서 노치가 형성되는 피로시험편(10a)은, 인장피로시험할 때 평면파괴되어 파단면을 제어할 수 있게 된다.

그 다음, 상기 노치가 형성된 피로시험편(10a)은, 인장피로하중을 가하여 도1b에 도시된 바와 같이, 상기 피로시험편(10)의 몸체(11)와 바(12)가 분리시킴으로써 상기 피로시험편(10)을 파단한다. 이때, 인장피로하중을 조절하여 피로시험편에 원하는 피로결함 파단면을 갖도록 할 수 있다. 이를 위해, 상기 인장피로하중은 인장과 압축을 반복하여 행하는데, 바람직하게는, 인장피로하중은 피로시험편 소재의 항복강도보다 적은 반복적인 하중을 최소한 2회 이상 가하는 것이다. 예컨대, 인장피로하중조건은 4~ 50Hz주파수 사인파로 하고, 응력비(R)는 0.1~ 0.2, 하중은 소재의 항복강도보다 적은 3가지의 하중에서 각각 약 150,000~ 250,000사이클을 가하는 것이다.

그 다음, 파단면이 형성된 피로시험편(10a)은 도1c에 도시된 바와 같이, 파단면쪽에 다른 몸체(17)를 접촉한 상태에서 접합용접을 행한다. 이 접합용접과정에서는 초기에 설계된 길이와 깊이를 가지는 피로균열을 서로 기밀용접하여 피로균열을 모재에 접합시킨다. 상기 접합용접은 기밀용접을 실시하여 두개의 파면을 접합한 후, 용접개선면을 가공하고 시험편을 완성하기 위해 최종 용접을 실시한다. 예컨대, 초층은 가스텅스텐아크용접(GTAW)으로 하고, 본용접은 플럭스 코어드 아크용접(FCAW)으로 자동 용접할 수 있다.

이렇게 하면 피로균열을 용접 열영향부를 비롯하여 표면에서 원하는 위치에 생성시킬 수 있을 수 있다.또한, 파단부를 인공적으로 부식시켜 용접하면 부식이 발생된 피로균열의 특성을 얻을 수 있다. 또한, 피로시험편(10a)의 몸체(11)로부터 연장되는 바(12)의 갯수를 제한함으로써, 시험편 내의 피로균열 갯수를 조절할 수 있다.

한편, 본 발명의 시험편은 일반 평판은 물론 파이프 등 배관 소재에 보다 적합하게 이용할 수 있다.

도3은 본 발명에 따른 배관용 시험편을 제조하기 위하여 사용되는 피로시험편의 일례를 보이고 있다. 상기 피로시험편(20a)은, 도3a에 도시된 바와 같이, 배관으로부터 채취된 반원 형상의 몸체(21)와, 상기 몸체(21)의 한쪽 단면(21a)으로부터 연장된 바(22)로 구성된다. 또한, 상기 피로시험편(20a)의 몸체(21)와 바(22)도 평판 시험편과 마찬가지로 인장피로시험시 시험편을 고정할 수 있는 구멍(23, 24)을 하나씩 갖는다.

상기 준비된 피로시험편(20a)은, 평판 시험편과 마찬가지로 몸체(21)와 바(22)가 접합한 접합면의 둘레에 방전가공을 통하여 노치를 형성한 다음, 화살표 방향과 같이 인장피로하중을 가하여 몸체(21)와 바(22)를 분리시킴으로써 상기 피로시험편(20)을 파단한다.

그 다음, 파단면이 형성된 피로시험편(20a)은 도3b에 도시된 바와 같이, 파단면쪽에 다른 몸체(27)를 접촉한 상태에서 접합용접을 행하면 피로균열을 내재시킬 수 있다. 특히, 배관의 경우 피로결함이 배관의 안쪽 표면에 완전히 열려 있게 하려면, 피로균열의 최종파단부, 즉 배관의 안쪽 표면부위는 기밀용접시 용접을 수행하지 않거나, 배관의 안쪽 표면도 기밀용접을 수행한 후, 배관 내부를 기계가공하여 용접에 의한 용입 깊이 이상을 가공하여 피로균열이 배관의 내부에 열려있도록 할 수 있다.

도4는 본 발명에 따른 배관용 시험편 제조를 위한 피로시험편의 다른 예를 보이고 있다. 도4에 도시된 바와 같이, 본 발명에서는, 피로시험편(30a)의 몸체(31)로부터 연장되는 바(32, 36)의 갯수를 제한함으로써, 시험편 내의 피로균열 갯수를 조절할 수 있다.

이하, 본 발명을 실시예를 통하여 구체적으로 설명한다.

[실시예]

원전의 주증기 배관(main steam system piping) 및 급수라인에 사용되는 재질인 SA-106 Gr. B 탄소강관(6˝Sch160, t: 18.24mm, 항복강도 28.5Kg/㎟)을 사용하여, 도4와 같은 피로시험편을 준비하였다.

상기 피로시험편은, 표1과 같이 몸체와 바가 접하는 접합면의 길이(ℓ)를 18mm, 깊이(a)를 4~ 8mm로 4종류로 설계하였으며, 균열발생이 예상되는 접합부에 방전가공을 통해 노치를 형성하였다. 이때, 노치를 피로시험편에 수직으로 가공하면, 피로결함은 두께방향에 수직에 가깝게 성장하고, 노치를 60°로 가공하면 용접개선면의 각도와 비슷한 각도를 갖는 파면을 형성할 수 있다.

구분	바의 접합면 크기(mm)		노치 위치 및 깊이(mm)
구분	길이(ℓ)	깊이(a)	A	B	C	D
발명재1	18	5	3	3	3	2
발명재2	18	4	5	3	3	0
발명재3	18	8	0	0	0	3
발명재4	18	6	2	2	2	3

상기 표1에서 노치의 위치 A, B, C, D는 각각 도2c에 도시된 바의 파단면의 둘레를 가리키며, 노치의 깊이가 0인 경우는 방전가공을 행하지 않은 경우이다.

이렇게 준비된 4종류의 피로시험편에 인장피로하중을 가하여 피로시험편을 파단시켰다. 이때, 인장피로하중조건은 주파수 5Hz 사인파, 응력비(R) 0.1로 21/15/9Kg/㎟(배관 소재의 항복강도의 약 70%/50%/30%에 해당)에서 각각 200,000 사이클을 가하여 피로균열을 형성시켰다. 이러한 피로균열부위를 완전히 파단시킨 후, 피로균열의 길이와 깊이를 실측하고, 각 피로시험편의 노치가공에 따른 파단면 양상을 도5에 나타내었다.

도5는 노치의 가공조건에 따른 각 피로시험편의 파단면에 대한 조직사진으로서, 도5a는 광학현미경사진이고, 도5b는 주사전자현미경사진이다. 도5에 도시된 바와 같이, 발명재(1, 2, 4)는 균열의 성장이 상부에서 하부로 진전하며 연성파괴의 양상을 보였으며, 평면변형파괴를 나타내었다. 반면 발명재(3)의 경우는 균열의 성장이 양쪽 옆에서 성장하며 혼합파괴양식을 나타내었다.

이렇게 피로균열부위가 완전히 파단된 피로시험편을 GTAW에 의해 전류 150A, 전압 10V의 조건에서 용입깊이를 2mm 이내로 조절하여 기밀용접함으로써, 파단부위를 접합시켰다. 이후, 용접이 가능하도록 최종용접공정을 위한 기계가공을 실시하였다. 최종용접은, 초층을 200A, 12V의 GTA 용접을 실시하고, 나머지 용접부는 250A, 24V의 FCA 용접을 실시하여 시험편을 완성하였다.

상기 완성된 피로균열 시험편을 도6에 나타내었으며, 또한 발명재1에 대한 시험편에 대한 방사선투과시험을 행하고, 그 사진을 도7에 나타내었다.

도7에서 알 수 있는 바와 같이, 상기한 용접조건에 따라 용접한 결과, 피로파괴단면이 용접에 의해 손상되지 않았고 다른 용접결함이 없었으며, 또한 피로결함이 원하는 위치에 형성된 것을 확인할 수 있었다.

한편, 이와 같이 완성된 각 피로균열 시험편을 초음파탐상검사를 행하여, 각각의 피로균열의 길이 및 깊이를 측정하여, 표2와 같이 실측한 결과와 비교하였다. 이때, 피로결함의 크기 측정은 대비시험편(reference block)을 제작하여 6dB drop법으로 하였다.

구분	결함의 실제 크기(mm)		UT 측정값(mm)		오차(mm)
	길이	깊이	길이	깊이	길이	깊이
발명재1	18	5	16.2	5.5	-1.8	+0.5
발명재2	18	4	16.1	4.8	-1.9	+0.8
발명재3	18	8	17.5	7.1	-0.5	-0.9
발명재4	18	6	16.0	6.2	-2.0	+0.2

상기 표2에 나타난 바와 같이, 본 발명에 따른 피로균열 시험편은, 실제 측정된 결함의 크기에 비교해 볼 때, 결함의 길이 및 깊이는 각각 2mm, 1mm 이내의 오차를 가지고 있었다. 따라서, 본 발명에 따른 피로균열 시험편은, 결함 크기 및 위치에 대하여 약 95% 이상의 신뢰도를 가지고 있음을 알 수 있다.

현재, 미국 및 유럽은 2000년도부터 원전기기에 예상되는 실제 결함을 실현한 모의시편을 사용하여 원전기기에 적용되는 비파괴검사의 결함 탐지능력을 검증하도록 기량검증을 제도화하여 적용하였고, 우리나라도 2003년부터 UT기량검증이 적용될 예정이다. 그러나, 현재 국내에서 추진중인 원자력발전소에 대한 기량검증시스템은 초음파탐상검사 기량검증에 필요한 시험편을 전량 수입할 예정에 있다. 예컨대, 현재 원전기기의 배관에 대한 기량검증용 시험편은 개당 $4000~ 20,000 정도인 점을 감안할 때, 본 발명에 따른 피로균열 시험편은 매우 경제적일 것이다.

특히, 본 발명에 의하여 제조된 피로균열 시험편은, 크기 및 위치에 대한 95% 이상의 신뢰도를 가지는 초음파탐상검사용 시험편으로, 일반산업체, 특히 원자력발전소의 비파괴검사원의 기량검증에 사용할 수 있는 매우 유용한 효과가 있다.

도1a 내지 도1c는 본 발명에 따른 시험편의 제조공정을 설명하기 위한 모식도이다.

도2a는 도1a의 평면도이고, 도2b는 도1a의 측면도이며, 도2c는 도1a의 파단면이다.

도3a는 본 발명에 따른 배관용 시험편의 제조를 위한 피로시험편의 사시도이고, 도3b는 배관용 시험편의 단면도이다.

도4는 본 발명에 따른 배관용 시험편의 제조를 위한 다른 피로시험편의 사시도이다.

도5는 본 발명에 따른 피로시험편의 파단면에 대한 사진으로서, 도5a는 광학현미경 사진이고, 도5b는 주사전자현미경 사진이다.

도6은 본 발명에 따른 피로균열 시험편에 대한 사진이다.

도7은 도6의 시험편에 대한 초음파탐상결과 사진이다.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *

10 ............... 시험편, 10a, 20a, 30a ..... 피로시험편

11, 17, 21, 31 ...몸체 12, 22, 32, 36 .... 바

Claims

시험편의 제조방법에 있어서,

몸체(11)의 한쪽 단면으로부터 연장된 바(12)를 구비한 피로시험편(10a)을 준비하는 단계;

준비된 피로시험편(10a)의 몸체(11)와 바(12)가 접합하는 둘레에 노치를 형성하는 단계;

상기 피로시험편(10a)의 몸체(11)와 바(12)가 분리되도록 인장피로하중을 가하여 상기 피로시험편(10a)을 파단하는 단계; 및

상기 바(12)가 분리되어 형성된 피로시험편(10a)의 파단면쪽에 다른 몸체(17)를 접촉한 상태에서 다른 몸체(17)를 접합용접하는 단계;를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 피로균열이 내재된 시험편의 제조방법.
제1항에 있어서,

상기 노치는 몸체(11)와 바(12)가 접촉하는 둘레의 적어도 한쪽변에 형성되는 것을 특징으로 하는 피로균열이 내재된 시험편의 제조방법.
제1항에 있어서,

상기 노치는 2mm 이하의 깊이가 되도록 방전가공하는 것을 특징으로 하는 피로균열이 내재된 시험편의 제조방법.
제1항에 있어서,

상기 바(12)가 분리되어 형성된 피로시험편(10)은, 그 파단면의 길이(l)와 깊이(a)의 비가 2:1 이상이 되도록 바(12)를 가공하는 것을 특징으로 하는 피로균열이 내재된 시험편의 제조방법.
제1항에 있어서,

상기 피로시험편(10)은, 적어도 2개 이상의 바(12)를 갖는 것을 특징으로 하는 피로균열이 내재된 시험편의 제조방법.
제1항에 있어서,

상기 몸체는 반원 형상의 배관(21)임을 특징으로 하는 피로균열이 내재된 시험편의 제조방법.
제1항에 있어서,

상기 인장피로하중은 상기 몸체의 항복강도보다 적은 적어도 2회 이상의 하중을 가한 상태에서 인장과 압축을 반복하는 것을 특징으로 하는 피로균열이 내재된 시험편의 제조방법.
제7항에 있어서,

상기 인장피로하중은 4~ 50Hz주파수 사인파로 하고, 응력비(R)는 0.1~ 0.2로 하여, 몸체의 항복강도보다 적은 적어도 2회 이상의 하중에서 각각 150,000~ 250,000사이클을 가하는 것을 특징으로 하는 피로균열이 내재된 시험편의 제조방법.