KR100834494B1 - 용접을 갖는 기다란 핵 연료 요소 시료의 관형 영역에 있는 단부 캡의 용접부에 대해 인장력 검사를 수행하기 위한 방법 및 축 방향 길이를 갖는 기다란 핵 연료 요소 시료에 있는 단부 캡의 용접부에 파손을 일으키도록 인장력 검사를 수행하기 위한 장치 - Google Patents

Abstract

관형 부재의 원주형 용접을 검사하기 위한 인장력 검사 장치 및 방법으로서, 여기서 상기 용접의 관 영역은 맨드럴에 의해 완전히 지지되고, 그 인장력 검사 파지수단(grips)들 사이는 매우 작은 거리의 틈이 있은 채로 관형 시료는 그 시료의 길이방향을 따라 그 용접 양측면에서 파지된다. 만약 상기 용접에 어떠한 비-결합 결함이 존재한다면, 그것들은 잘 결합된 영역의 그것에 대해 다른 배향을 가지고 메사 또는 홈 모양으로서 용접 균열면에 의해 포획된다.

Description

용접을 갖는 기다란 핵 연료 요소 시료의 관형 영역에 있는 단부 캡의 용접부에 대해 인장력 검사를 수행하기 위한 방법 및 축 방향 길이를 갖는 기다란 핵 연료 요소 시료에 있는 단부 캡의 용접부에 파손을 일으키도록 인장력 검사를 수행하기 위한 장치{A METHOD FOR TENSILE TESTING AN END CAP WELD IN A TUBE REGION OF AN ELONGATED NUCLEAR FUEL ELEMENT SPECIMEN HAVING A WELD AND AN APPARATUS FOR CONDUCTING A TENSILE TEST TO INITIATE FAILURE IN AN END CAP WELD IN AN ELONGATED NUCLEAR FUEL ELEMENT SPECIMEN HAVING AN AXIAL DIMENSION}

도 1은 피복 관(cladding tube)과 단부 캡(end cap)의 경계면을 보여주는 핵 연료 요소 용접의 균열면에 대한 도식적인 개략도.

도 2는 잘 결합된 영역을 드러내도록 수행된 인장력 검사 후의 연료 요소 피복과 단부 캡에 대한 사시도.

*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*

10 : 연료 요소 피복 12 : 단부 캡

14 : 홈(void) 16 : 메사(mesa)

20 : 맨드럴(mandrel) 22 : 파지기(gripper)

본 발명은 일반적으로는 용접 접합의 금속학적 검사에 관한 것이며, 더 상세하게는, 관형 용접 접합을 평가하기 위한 파괴 인장력 검사에 관한 것이다.

조립 라인과 같이 동일한 조건하에서 다수의 여러가지 용접이 응용되는 곳에서는, 그 용접의 품질을 검사하기 위하여 주기적으로 샘플을 취하는 것이 바람직하 다. 이러한 목적을 위하여 과거에 본 기술분야에서는 방사선 및 초음파 비파괴 기술이 채용되어왔다. 용접의 완전성이 응용장치에 대해 중요한 곳에서는, 특히 안전성 고려가 관련되어 있는 곳에서는, 금속학적 결합의 완전성을 입증하기 위하여 주기적인 샘플에 대해 더욱 정확한 검사가 수행되는 것이 바람직하다. 단부 캡에 용접되는 관형 피복(tubular cladding)으로부터 형성되는 핵 연료 봉의 제조에서의 경우가 그러한 경우이다. 핵 연료 봉의 경우에, 용접을 검사하기 위해 인장력 균열 검사를 수행하는 것이 실용적이지 않았는데, 왜냐하면 용접의 마이크로구조가 피복보다 더 큰 강도를 가지기 때문이다. 결과적으로, 비-지지형 피복 관 용접 시료의 인장력 균열은 항상 용접에서 멀리 떨어진 관 영역에 존재한다. 그러한 균열 위치는 균열면 상에서 용접의 비-결합 영역(만약 그것들이 존재한다면)을 포획하는 것이 불가능하다. 용접내에 파손을 유도하기 위하여 관의 외부 표면 상의 용접 결합 라인에 새김눈(notch)을 도입하는 것은 성가시고 또한 균열을 용접 영역 내로 항상 일관되게 국소화시키지도 않는다. 그러한 이유 때문에, 현재의 실무는 전체 원주가 아니라 용접의 단일 단면에 대한 용접 결합 데이터를 제공하는 용접 결합의 금속조직학적 평가를 채용하는 것이다. 용접 시료에 대한 금속조직학적(metallographic) 조사에는 시료 절단, 연마, 산성 에칭 및 산성 폐기물의 처리가 관련된다. 금속조직학적 평가를 위한 단계에는 매우 큰 노력과, 비용 및 시간이 요구된다.

따라서, 본 발명의 목적은, 용접 내에 잘 결합된 영역과 비결합된 영역이 뚜렷게 대조되는 관형 부재에 대하여 용접의 금속학적 구조에 대한 더 빠르고 비용이 덜드는 조사를 제공하는 방법 및 장치를 제공하는 것이다. 본 발명의 다른 목적은 전체 용접 원주를 조사하는 그러한 장치 및 방법을 제공하는 것이다.

상기 및 다른 목적들은, 원주형 용접 내에 파손을 유도하는 관형 부재를 위한 인장력 검사를 제공하는 본 발명의 방법 및 장치에 의해서 달성된다. 용접의 일측면 상에 직접 접해있는 관 영역은 맨드럴에 의해 완전히 지지되고 시료는 관의 길이방향 축을 따라 용접의 각 측면상에서 파지된다. 바람직한 실시예에서, 상기 용접의 일측면 상에서 관 영역을 지지하는 맨드럴과 용접의 타측면 상에서 시료를 지지하는 파지 메커니즘 사이에는 매우 작은 거리의 틈이 유지된다. 용접 내의 파손을 유도하기 위해 관의 길이방향 축을 따라 용접에서 멀어지는 방향으로 인장력 파지수단의 하나 또는 양쪽에 힘(24)이 힘(24)을 인가하기 위한 수단에 의해 작용된다. 만약 용접 내에 어떠한 비-결합 결함이 존재한다면, 그것들은 잘 결합된 영역의 균열에서의 그것과는 다른 배향을 가진 메사 또는 홈 모양으로서 용접 균열면에 포획된다. 잘 결합된 영역에 대한 균열면의 배향(균열 영역의 균열면이 존재하는 방향)은 인장력 축에 대해 대략 45°이며, 한편 비-결합 영역의 균열 배향은 인장력 축에 대해 대략 수직이다. 비-결합도(degree of non-bonding)는 입체현미경하에서 균열면의 조사(26)에 의해 밝혀지는 바와 같은 뚜렷한 비-결합 모양들을 보여주는 균열면 면적의 면적 비율로부터 계산된다. 본 발명의 인장력 검사는 전체 용접 원주에 걸쳐서 용접 결합을 평가하며, 신속하게 그리고 금속조직학적 조사를 수행하는데 요구되는 것보다 더 적은 노력으로 생산 용접 평가 시료에 대하여 용접 결합 결과를 제공한다.

본 발명의 상기 및 다른 양상들은 이후로 설명되는 바람직한 실시예에 대한 상세한 설명으로부터 첨부된 도면을 참조하여 더욱 완전히 이해될 것이다.

본 발명에 따른 장치 및 방법은 바람직한 실시예인, 도 1에 예시된 연료 요소 피복(fuel element cladding)(10) 및 그것의 단부 캡(12) 사이의 용접이 파괴적인 인장력 검사에 사용되는 예를 통해 설명된다. 연료 요소는 일반적으로 낮은 중성자 포획 단면을 가지는 물질 예컨대 지르칼로이(Zircaloy)로 만들어진 중공관(hollow tube)이다. 상기 중공관은 부분적으로 농축된 이산화우라늄(Uranium Dioxide) 연료 팰릿(pellet)의 직열 배열을 수용한다. 상기 팰릿은 상기 연료 요소 피복 내에 주어진 높이로 쌓이며, 나머지 영역은 원자로 작동중 생성되는 융합 기체들의 수집을 위한 고압공간(plenum)을 형성한다. 상기 고압공간은 단부 캡(12)에 의해 밀봉되는데, 단부 캡은 상기 피복(10)과의 경계면에서 용접된다. 이 실시예에서, 이 목적을 위해 자기력 용접 프로세스가 사용된다. 융합 기체들이 원자로 냉각제 내로 누출되지 않도록 보증하기 위해 높은 완전성을 갖는 용접이 필요하다. 본 발명은 동일한 조건하에서 수행된 생산 용접이 해당 완전성을 유지할 것이라는 것을 보증하기 위하여 생산 라인으로부터 취한 샘플들을 파괴적으로 검사하는 인장력 검사를 제공한다.

본 발명에 따라서, 맨드럴(20)이 단부 캡(도 1에는 미도시됨)을 거의 접촉할 쯤에 이르는 깊이에까지 피복(10) 내로 삽입된다. 이렇게 장착된 맨드럴(20)은, 용접의 바로 아래부분의 내측 피복 벽을 파지하고 지지한다. 상기 단부 캡도 또한 파지 메커니즘(22)에 의해 용접의 타 측면 상에서 파지되고, 용접이 파손될 때까지 용접으로부터 멀어지는 반대방향으로 그리고 관형 피복의 축에 평행하게 각 파지 메커니즘(20 및/또는 22)에 힘(24)이 힘(24)을 인가하기 위한 수단에 의해 가해진다. 만약 단부 캡(12)이 충분히 크다면, 파지 메커니즘(22)은 도 1에 보여진 바와 같이 단부 캡의 외측에 접촉될 수 있다. 그러나, 만약 단부 캡이 파지하기에 충분히 큰 표면을 가지지 않으면, 단부 캡에 구멍이 뚫려질 수 있고, 그 구멍에 나사산을 낼 수 있고 그리고 보상적인 나사산을 가진 파지수단(22)이 그 단부 캡 내로 관통되어 도 2에 보여진 바와 같이 맨드럴 위치에 거의 접촉될 때까지 다가가도록 할 수 있다. 비록 도 1에 예시된 실시예에서는 요구되지 않지만, 바람직하게는 관의 길이방향 크기를 따라 매우 작은 거리의 틈이, 파지수단들(20 및 22) 사이에 유지되고 한편 각 파지수단은 용접의 둘 중 한 측면 상에 위치한다.

단부 캡을 접하며 관 영역 내에 꽉찬 지지 맨드럴을 가지는 용접 시료와, 연료 요소의 길이방향 길이를 따라 최소의 파지 틈을 가진 결합 라인의 양 측면상에서 상기 시료를 적절하게 파지하는 것은, 일관되게 용접내에 파손을 유도한다. 이것은 용접내의 파손이 얻어진 406회의 용접 인장력 검사(지르칼로이-4 가압수형 원자로 연료봉 용접에 대한 259회의 검사 및 지르칼로이-2 비등수형 원자로 연료봉 용접에 대한 147회의 검사)에 의해 입증되었다. 이들 인장력 검사들에 대하여 측정된 용접 결합도(degree of weld bonding)는 동일 조건하에서 제조된 비교할만한 수의 용접 시료에 대한 금속조직학에 의해 측정된 용접 결합도와 매우 밀접하게 상관되어 있었다.

만약 용접내에 어떠한 비-결합 결함들이 존재한다면, 그것들은 잘 결합된 영역의 균열의 그것과는 다른 배향을 가진 메사(도 1에서 도면부호 16으로 참조됨) 또는 홈(도 1에서 도면부호 14로 참조됨) 모양으로서 용접 균열면에 의해 포획된다. 잘 결합된 영역(18)에 대한 균열면 배향은 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이 인장력 축에 대해 대략 45°이다. 대조적으로, 비-결합 영역의 균열 배향은 도 1에 도시된 바와 같이 인장력 축에 대해 대략 수직이다. 비-결합도는 입체현미경하에서 균열면의 조사에 의해 나타나는 바와 같은 뚜렷한 비-결합형 모양을 보여주는 균열면 면적의 면적 비율로부터 계산된다. 결합 영역 균열면은, 위에서 언급한 바와 같이, 인장력 축에 대해 대략 45°인 배향을 가진 입자가 굵고 무딘(grainy dull) 외관을 가진다. 균열면의 비-결합 영역은, 관 단부/단부 캡의 기계절단된(machined) 용접 예비면이거나 또는 용접과정 중 가열된 녹은 물질이 고형화되었지만 다른 교합될 표면에 결합되지는 않은 것 중 어느 하나의 광택있는(shiny) 외관을 가진다. 비-결합 영역의 배향은 인장력 축 배향, 즉 최대 전단응력(shear stress) 평면에 대해 45°와는 크게 다르다.

따라서, 본 발명의 방법 및 장치는, 용접 원주상에 국소적인 위치의 특정 단면 내의 결합을 평가하는 금속조직학적 기술과 비교해서 전체 용접 원주에 걸쳐서 용접 결합을 평가하는 인장력 검사를 제공한다. 본 발명의 인장력 검사는 신속하게 그리고 금속조직학적 기술에 비하여 더 적은 노력과 비용으로 생산 용접 평가 시료에 대하여 용접 결합 결과를 제공하여, 산성 폐기물을 발생시키지 않는다.

지금까지 본 발명의 특정 실시예들이 상세하게 설명되었지만, 본 개시의 전 체적인 가르침에 비추어 본 기술분야의 통상의 지식을 가진 자라면 여러 가지 변경 및 수정이 가능할 것이다. 따라서, 개시된 특정한 실시예들은 단지 예시적인 것으로 의도되었으며 첨부된 특허청구범위의 전 범위 및 그것의 모든 등가범위에 의해 주어지는 본 발명의 범위를 제한하려는 것은 아니다.

Claims (14)

1. 용접부를 갖는 기다란 핵 연료 요소 시료의 관형 영역에 있는 단부 캡의 용접부에 대해 인장력 검사를 수행하기 위한 방법으로서:

   a. 용접부에 근접한 관형 영역에 있는 용접부의 일측면 상에서 시료를 맨드럴로 파지하는 단계와;

   b. 연료 요소 시료의 길이방향을 따라 최소의 파지 틈이 있게 시료의 길이방향 길이를 따라 용접부의 타측면 상에서 시료를 파지 메커니즘으로 파지하는 단계와;

   c. 용접부로부터 멀어지는 축 방향으로 힘을 가하여 시료에 인장 파손(tensile failure)를 야기하는 단계와;

   d. 단계 c에서 수행된 인장 파손으로부터 용접부 내에 비-결합된 영역의 결함 특성이 있는지를 파악하기 위해 용접면에 생성된 용접 균열면을 관찰하는 단계;

   를 포함하는,

   용접부를 갖는 기다란 핵 연료 요소 시료의 관형 영역에 있는 단부 캡의 용접부에 대해 인장력 검사를 수행하기 위한 방법.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 관찰 단계는 용접 균열면 상에 있는 용접 영역의 결함으로부터 단계 c에서 수행된 인장 파손에 의해 야기된 잘 결합된 영역에 있는 균열 영역의 균열면이 존재하는 방향과는 다른 방향을 가진 균열 영역의 균열면을 갖는 메사(mesa)와 홈(void)을 식별하는 단계를 포함하고, 상기 잘 결합된 영역에 있는 균열 영역의 균열면이 존재하는 방향은 인장력(24) 축에 대해 45°인,

   용접부를 갖는 기다란 핵 연료 요소 시료의 관형 영역에 있는 단부 캡의 용접부에 대해 인장력 검사를 하기 위한 방법.
3. 제 1 항에 있어서,

   결함을 보여주는 용접 균열면의 면적 비율로부터 비-결합도를 계산하는 단계를 포함하는,

   용접부를 갖는 기다란 핵 연료 요소 시료의 관형 영역에 있는 단부 캡의 용접부에 대해 인장력 검사를 하기 위한 방법.
4. 제 1 항에 있어서,

   상기 관찰 단계는 전체 용접부의 원주에 대해 수행되는,

   용접부를 갖는 기다란 핵 연료 요소 시료의 관형 영역에 있는 단부 캡의 용접부에 대해 인장력 검사를 하기 위한 방법.
5. 축 방향 길이를 갖는 기다란 핵 연료 요소 시료에 있는 단부 캡의 용접부에 파손을 일으키도록 인장력 검사를 수행하기 위한 장치로서,

   a. 용접부와 인접한 용접부의 일측 상에서 시료의 관형 영역을 지지하기 위한 맨드럴과;

   b. 용접부와 인접한 용접부의 타측 상에서 시료를 파지하기 위한 파지 메커니즘과;

   c. 비-결합된 결함을 검출하기 위해 관형 영역에 인장 균열(tensile fracture)을 야기하도록 용접부에서 멀어지는 방향으로 맨드럴이나 파지 메커니즘에 인장력(24)을 인가하기 위한 수단으로서, 상기 결함은 용접 균열면으로부터 직접적으로 관찰할 수 있는, 맨드럴이나 파지 메커니즘에 인장력(24)을 인가하기 위한 수단과;

   d. 결함을 정량화하기 위해 비-결합을 보여주는 균열면 영역의 면적 비율로부터 비-결합도를 계산하기 위한 수단(26);

   을 포함하는,

   축 방향 길이를 갖는 기다란 핵 연료 요소 시료에 있는 단부 캡의 용접부에 파손을 일으키도록 인장력 검사를 수행하기 위한 장치.
6. 축 방향 길이를 갖는 기다란 핵 연료 요소 시료에 있는 단부 캡의 용접부에 파손을 일으키도록 인장력 검사를 수행하기 위한 장치로서,

   a. 용접부와 인접한 용접부의 일측면 상에서 시료의 관형 영역을 지지하기 위한 맨드럴과;

   b. 용접부와 인접한 용접부의 타측면 상에서 시료를 파지하기 위한 파지 메커니즘으로서, 용접부의 타측면 상에 있는 시료 부분은 내부에 나사산이 형성되고 시료를 파지하기 위한 파지 메커니즘은 용접부의 타측면 상에서 이 시료 부분 상에 있는 나사산과 상보적인 원주의 적어도 일부분 둘레에 형성된 나사산을 갖는, 시료를 파지하기 위한 파지 메커니즘과;

   c. 비-결합된 결함을 검출하기 위해 튜브 영역에 인장력 파손을 야기하는 인장력(24)을 인가하기 위한 수단으로서, 상기 결함은 용접 균열면으로부터 직접적으로 관찰할 수 있는, 튜브 영역에 인장력 파손을 야기하는 인장력(24)을 인가하기 위한 수단;

   을 포함하는,

   축 방향 길이를 갖는 기다란 핵 연료 요소 시료에 있는 단부 캡의 용접부에 파손을 일으키도록 인장력 검사를 수행하기 위한 장치.
7. 제 6 항에 있어서,

   용접부의 타측면 상에 있는 시료 부분은 관형 시료에 대한 단부 캡인,

   축 방향 길이를 갖는 기다란 핵 연료 요소 시료에 있는 단부 캡의 용접부에 파손을 일으키도록 인장력 검사를 수행하기 위한 장치.
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