KR100648341B1 - 결함 및 인장 잔류 응력 생성 방법 - Google Patents
결함 및 인장 잔류 응력 생성 방법 Download PDFInfo
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Abstract
다양한 종류의 시편 내에 자연 균열 및 잔류 응력에 대응하는 제어된 결함을 만드는 방법에 관한 것이다. 자연 균열과 동일한 결함은 비파괴검사(NDT) 과정에 자격 부여를 하는데 필요하다. 이 방법에서, 연속적이고 반복된 가열-냉각 사이클은 결함 및 잔류 응력을 만드는 데 사용된다. 가열 및 냉각 패턴의 형상, 가열 및 냉각의 시간 및 열 사이클 수는 얻어진 결함 및 잔류 응력을 제어하는데 사용된다. 결함은 초기 균열 또는 다른 핵생성기 없이 성장된다. 결함은 NDT 방법으로 얻은 신호와 또한 형태 면에서 자연 균열에 대응하고, 예를 들어 NDT 자격부여에 사용하기 적합하다.
Description
본 발명은 시편(test pieces) 내의 제어된 결함 및 잔류 응력을 생성하는 방법에 관한 것이다.
열 피로 크랙(thermal fatigue cracks)과 같은 결함은 작동 동안 다양한 부품 예를 들어, 핵발전 설비에서 나타날 수 있다. 비파괴검사(NDT) 과정은 규칙적 간격으로 실행되는 검사 동안 미리 정해진 밸브, 파이프, 파이프 연결부 등을 검사하는데 사용된다. 현장 상태하에서 실행된 검사에서는 실행 방법과 이들을 실행하는 검사원 사이의 부정확성이 늘 발생한다. 실제 것과 유사한 인위적으로 생성한 크랙을 갖는 시편은 NDT 과정과 검사기의 적격 실험을 위해 사용된다. 검사에 의한 명백한 결함의 규명 및 결합의 정의에 대해 설명하고 있는, 재료의 비파괴검사의 신뢰성에 관한 국제 PISC, I, II 및 III 논문은 적격 요건(qualification)을 규정하고 있다.
예를 들어, 적격 요건은 핵발전 설비의 검사를 필요로 한다. 핵발전 설비의 NDT 검사의 적격 요건에 대한 규정사항이 발포되어 있으며(미국에서, ASME Code Section XI, 유럽에서 NRWG 및 ENIQ), 이에 따라서, 시편, 과정 및 검사기에 적격 요건이 부여된다.
유럽의 적격 판단 과정에 따라서, 시편의 치수(지름, 벽 두께 등)는 검사될 실제 대상물에 대응해야 한다. 유사하게, 시편의 다른 성질, 예, 재질, 모양, 표면 품질, 제조 방법 및 용접 장소도 실제 설비 부품의 것에 대응해야 한다. 발생하는 결함의 개구, 형태, 형상, 크기, 위치 및 방위는 자연 결점에 충분히 가깝게 대응해야 한다. 적격판단 시편에서의 결함의 특성은 전체 적격판단 공정에 매우 중요하다. 자연 결함과 가능한 유사한 결함을 가진 시편은 해당 검사 과정의 필요한 정확도로 이런 결함을 검출해서 확인할 수 있게 보장할 것이다. 검사원 적격 시험은 검사기가 충분한 정확도로 관련 결함을 검출해서 확인할 수 있는지 결정한다.
현재, 시편에서 다양한 크랙 및 결함을 생성하기 위한 방법들이 알려져 있다. 이들 공지된 방법에서, 인공 크랙은 대개 용접에 의해 시편에 생성되고, 시편 내에 용접 균열이 만들어지거나 노치가 가공되어진다. 일본 특허 공보 JP 57-034439호는 판형태의 시편 표면에 크랙을 생성하는데 사용될 수 있는 방법이 공지되어 있다. 또 달리 일본 특허 공보 JP 58-055752호에는 인공 크랙을 제조하는 방법이 공지되어 있는데, 여기서 홀은 두 시편 사이의 결합부의 표면 내에 가공되며, 그후 이들 시편은 함께 결합되어진다. 다음으로, 일본 특허 공보 JP 8-219953호에는 시편 내에 그루브를 가공해서 이들을 모 재료의 것과 다른 음향 성질을 가진 재료로 채워넣어서 결함을 생성하기 위한 방법이 공지되어 있다. 어떠한 형상, 어떠한 장소, 그리고 어떠한 소망의 방위와 형상으로 시편 내의 결함을 생성하는 방법은 전혀 알려져 있지 않다. 자연 크랙과 유사한 크랙을 생성하는 것은 시편 적격 판단의 중심 과제 중 하나이다.
인장 잔류 응력의 상태를 만들기 위한 방법은 또한 미국 특허 제 5,013,370 호에 또한 알려져 있으며, 여기서 인장 잔류 응력은 시편의 한 표면을 냉각하고 반대 표면을 국부적으로 가열함으로써 시편 내에서 일어난다. 상술한 특허에 공지된 발명은 다루어질 시편 또는 대상물이 인장 잔류 응력의 상태가 일어날 수 있는 적어도 하나의 응력-없는 부분을 가지는 것을 필요로 한다. 열은 이 영역으로 안내되고, 인장 잔류 응력이 한 영역 이상의 여러 영역으로 생성된다면, 이들 영역들의 각각의 초기 상태는 응력이 없어야 한다.
이들 특허를 참고하면, 시편의 양 측면은 가열되고 냉각된다. 이런 장치는 처리될 영역 내의 인장 응력이 제어되지 않은 상태를 유발한다. 이 특허에 따라서, 크랙은 예를 들어, 고온에서 비등(boiling) 염화망간 용액, 과산화수소수와 같은 공격적인 크랙 촉진 환경에 의해서 인장 응력이 발생된 필드 내에서 발생될 수 있다.
미국 특허 제 5,013,370 호에 따른 발명과 달리, 본 발명은 별도의 환경 조건 또는 응력 상태 조건 없이, 원하고 제어된 크랙 또는 제어된 잔류 응력 상태(인장 또는 압축이든지)를 만드는데 사용될 수 있다. 본 발명에서, 가열/냉각은 시편의 다른 측면에서 행하지 않고, 시편의 크기 및 형상에 관한 요구 조건은 없다. 추가로, 초기 상태에서 시편 내의 잔류 응력 상태에 관한 요구 조건은 없다.
본 발명의 전술한 장점과 효과 및 다른 장점과 효과는 첨부 청구범위에 기재된 방법에 의해 달성된다.
본 발명의 기본 개념은 처리될 시편을 반복적으로 교대로 가열 및 냉각, 즉 열 피로를 받게 하는 것이며, 그 결과로 자연 균열과 동일한 크랙 또는 바람직하게 제어된 상태의 잔류 응력을 만드는 것이다.
일반적으로, 상술한 공보에 기재된 방법에 의해서 생성된 크랙이 자연 균열에 대응하지 못한다고 말할 수 있으며, 자연 균열은 적격 판단용 시편을 제조할 때 분명한 결함이다. 현재로, 크랙은 시편에 크랙을 포함하는 개별 시편을 용접하든지 시편으로 고온 크랙을 용접하든지, 또는 간단히 시편 내에 노치를 가공함으로써 적격 판단 시편 내에 생성된다. 용접에 의해 생성된 크랙은 자연적이고 작동시 크랙을 가지는 실제 시편으로부터 취하거나 개별 시편으로 인공적으로 생성될 수 있다. 생성된 크랙이 어떻게 방위되든지에 무관하게, 생성될 때 생긴 용접은 재료 내에 남아 있을 것이다. 고온 크랙은 시편 내에 좁은 그루브를 가공하고 용접부에 소망의 방향으로 크랙이 일어나는 매개변수를 사용해서 용접함으로써 만들어진다. 이들 방법으로부터 생기는 시편 내의 용접된 결합부는 NDT 검사 방법에 의해 쉽게 검출될 수 있다. 폭과 프로그레이션(progression)과 같은 가공된 노치의 특성은 자연 균열의 것에 대응하지 않는다.
지금 개발된 방법은 형상 또는 치수에 상관없이, 시편 내의 어떠한 위치에서도 자연 것과 유사한 크랙을 유연하게 제조하는데 사용될 수 있다. 크랙은 시편의 표면에 바로 핵생성된다. 크랙 개시제(가공된 노치 등)가 필요 없다. 크랙은 NDT 방법에 의해 검출가능한 마이크로-구조 또는 다른 변경을 받는 재료 없이 시편의 표면 내에서 성장된다. 이것은 큰 장점이 되며, 그 이유는 이식 또는 용접된 크랙이 사용될 때, 검사기는 시편 내의 용접된 심(seam)을 알려 줄 수 있으며, 동일한 영역 내에서 크랙을 위해 더 철저한 서치를 하도록 주의를 해야 되기 때문이다. 또한, 상기 방법에 의해 개발된 방법에 의해 생성된 크랙은 자연 크랙에 잘 대응하며, 크랙의 전파 및 분기와 크랙 팁의 반경은 모두 다 예를 들어 초음파 검사로 수신된 신호 및 이들의 평가에 영향을 준다.
지금 개발된 방법은 열 피로의 현상과 이것의 새로운 적용분야에 근거한 것이다. 이를 테면 열 피로 현상은 특히 고온에서 사용된 재료에 대해서 오래전에 알려져 왔다. 열 피로 내에서 가열 및 냉각의 급격한 사이클은 가파른 온도 구배를 야기해서 시편을 변동시켜서, 재료의 열 팽창 계수에 의존하는 응력과 변형 사이클을 만들어서, 최종적으로 피로 손상을 야기한다.
지금 개발된 방법을 사용해서 생성된 크랙은 NDT 과정에서 적격판단을 위해 사용된 시편에 사용하기 적합하다. 크랙은 아래의 요구조건에 따라서 제조될 수 있다.
- 크랙의 형태(morphology)는 NDT 과정에 의해 검사될 때 진성 크랙의 것과 유사하게 되도록, 응답하기 위한 자연 크랙에 충분히 대응한다.
- 상기 방법은 개별 크랙과 크랙 네트워크를 생성하는데 사용될 수 있다.
- 개별 크랙의 방위는 변경될 수 있다.
- 크랙은 시편의 재료의 두께에 의해 영향을 받지 않는 다른 크기와 형상으로 만들 수 있다.
- 테스트 후 시편을 파괴할 의도가 없다면, 생성될 크랙의 크기는 피로 사이클링 동안 또는 피로 매개변수를 근거로 계산될 수 있다.
- 가열 및 냉각 패턴은 소망의 방향으로 크랙이 성장하도록 변경될 수 있다.
이후, 본 발명의 작동에 대해 첨부 도면을 근거로 한다.
도 1은 가열 및 냉각 장치와 등온선을 도시하는 사시도이다.
도 1에서, 강제 냉각기(액체 또는 가스 냉각이든지)가 도면부호 1로, 가열기가 도면부호 2로 가열 패턴(등온선)이 도면부호 3으로 표시되어 있다.
도면에 따른 장치는 가열기(2)가 소망의 온도까지 표면을 가열하는데 사용되도록 작동한다. 가열 후 표면은 냉각기(2)에 의해 저온으로 냉각된다. 가열 동안, 가열 출력 및 시간에 의존하는 가열 패턴(3)은 발생된 결함의 방위에 영향을 주는 패턴을 야기한다.
본 발명의 작동은 아래의 예의 도움으로 설명되어 있다.
예 1
단일 크랙 또는 몇 개의 개별 평행한 크랙은 핵발전 설비 내에 사용된 것에 대응하는 파이프 내에 생성된 것으로 간주한다. 가열 패턴은 파이프의 원주 둘레에 보다 긴 치수를 갖는 형상이다. 이것은 크랙이 파이프의 축선 방향으로 성장하도록 한다. 가열 및 냉각 사이클은 모두 30초 동안 지속된다. 시험 동안, 최대 온도는 약 700℃이고 최소 온도는 약 10℃이다. 강제 냉각은 가열 패턴이 열 유도에 의해서 퍼져나가지 못하게 하기 위해서 사용된다. 강제 냉각시, 냉수는 연속적으로 가열 영역의 양 측면으로 안내되며, 또한 가열 사이클 동안도 안내된다.
사이클의 전체 수는 6500이고, 가열과 냉각 모두는 한 사이클내에 포함되어 있다. 이런 사이클 수에서, 3축 방위된 크랙이 시편 내에서 핵생성된 마이크로 크랙으로부터 성장한다.
본 발명에 따른 방법은 모 재질 내에 단일 크랙 또는 다중 크랙을 형성하는데 사용된다.
예 2
본 방법은 파이프 내의 용접 시(welded seam)내의 하나의 크랙 또는 다중 크랙을 생성하는데 사용된다. 크랙은 파이프의 내면 내에 생성된다.
가열 패턴은 용접부의 루트 패스(root pass)를 거쳐서 연장되는 방식으로 형성되어 있으며, 이것의 중앙 점은 루트 패스에 가깝게 있다. 측정 동안, 700℃의 온도는 6초의 가열 시간이 사용될 때 달성된다. 냉각 시간은 10초이다. 전체 17803 사이클이 시험 동안 실시되었다. 양호한 시험이 이루어져, 용접부의 양 측면 상에 크랙이 형성되었다. 상술한 크랙 외에, 루트 패스를 거쳐서 연장하지 않은 단일 크랙은 용접부에 횡방향으로 성장된다.
본 방법은 자연 균열의 것에 대응하는 성질을 가진 크랙을 생성하는데 사용되므로 적격 판단 시편에 사용될 수 있다. 본 발명은 열 피로에 특별한 크랙의 네트워크 및 단일 크랙 양자 모두를 성장시키는데 사용될 수 있다. 생성된 크랙의 초음파 검사에 의해 검사 과정에서의 크랙의 성질(cracks' challenge)이 실제에 대응하는 것으로 나타났다.
본 방법은 상술한 예에서 기술한 방법으로 사용된다. 추가로 본 발명은 또한 시편의 잔류 응력을 생성하는데 적용될 수 있다. 잔류 응력은 또한 영구 잔류 응력 상태가 시편 내에서 발생하게 될 때, 시편의 소망의 영역 상의 열적 사이클에 의해 생성된다. 사이클링 동안 잔류 응력 상태의 변화는 사용된 가열 및 냉각 매개 변수에 의존한다.
본 발명은 상술한 설명 및 예들에 제한되지 않고, 첨부의 청구범위와 상술한 본 발명의 정신 내에서 변경될 수 있다고 이해해야 한다.
Claims (6)
- 시편 내에 인공 결함과 잔류 응력 중 어느 하나 이상을 생성하기 위한 방법에 있어서,시험 대상물의 동일한 측면 상에서, 대상물을 교대로 가열 및 냉각하여 결함과 잔류 응력 중 어느 하나 이상을 발생시키는 것을 특징으로 하는,결함과 잔류 응력 생성 방법.
- 제 1 항에 있어서,가열 패턴과 냉각 패턴 중 어느 하나 이상의 형상을 형성함으로써, 상기 결함과 잔류 응력 중 어느 하나 이상이 발생하는 것을 특징으로 하는,결함과 잔류 응력 생성 방법.
- 제 2 항에 있어서,희망하는 패턴의 영역 외측에서 시편을 냉각함으로써, 상기 가열 패턴의 형상이 제어되는 것을 특징으로 하는,결함과 잔류 응력 생성 방법.
- 제 1 항에 있어서,교대로 이루어지는 가열 및 냉각 사이클을 연속적으로 반복함으로써 열 피로 손상이 달성되는 것을 특징으로 하는,결함과 잔류 응력 생성 방법.
- 제 1 항에 있어서,상기 결함은 초기 균열 또는 다른 핵생성기 없이 성장하는 것을 특징으로 하는,결함과 잔류 응력 생성 방법.
- 제 1 항에 있어서,상기 생성된 결함 및 잔류 응력의 크기는 가열 및 냉각 출력, 가열 및 냉각의 시간 및 열 사이클 수에 의해 제어되는 것을 특징으로 하는,결함과 잔류 응력 생성 방법.
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