KR101083183B1 - 원자력 발전소의 고온고압환경에서 사용된 히터 슬리브 노즐 관통관에 발생되는 응력부식균열에 대한 비파괴 검사의 성능 검증용 시편 제조방법 - Google Patents

원자력 발전소의 고온고압환경에서 사용된 히터 슬리브 노즐 관통관에 발생되는 응력부식균열에 대한 비파괴 검사의 성능 검증용 시편 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 원전 운전중 발생하는 Alloy 600 모재와 Alloy 182 용접부 응력부식균열의 형상을 최대한 가깝게 모사할 수 있는 시편을 제조하는 방법에 관한 것이다.
시편을 용접하는 단계에서는 Alloy 600 모재와 Alloy 182 용접봉을 준비하고, 시편의 중앙부위를 V형태로 가공, 용접 및 재가공을 실시한 후, 최종 규격 확인 및 방사선 투과 검사를 통해 용접성능을 검증한다. 두번째 단계인 예민화 열처리 단계는, 시편의 내식성을 떨어뜨려 응력부식균열 발생이 잘 되도록 하는 것을 목적으로 하는 단계로, 시편의 화학 조성에 따라 정해진 조건으로 예민화 열처리를 실시하고, 열처리 정도를 확인하기 위한 분석시험을 수행한다. 세번째 단계인 하중 조건을 확립하는 단계에서는 시편에 인장력을 가하고 응력 분포 예측을 통해 적절한 하중값을 선택한다. 네번째 단계인 시편 페인팅 및 프로브(probe) 설치 단계에서는, 시편의 원하는 위치에 균열을 생성하기 위하여 시편이 산화성 용액에 국부노출될 수 있도록 페인팅 작업을 실시하고, 시편 표면에 프로브 및 용액 주입용 윈도우(window)를 장착한다. 다섯번째 단계인 응력부식균열 생성 단계에서는, 시편에 산화성 용액을 주입하고, 세번째 단계에서 선택된 하중을 가하는 동시에, 응력부식균열의 형상을 진단함으로써 하중의 세기를 조절하여 원하는 균열의 크기를 생성하는 단계를 포함한다. 또한 본 발명에 따른 방법은 시편에 인장응력을 가하기 위해 상기 4점 굽힘 하중법을 사용한다.
4점 굽힘 하중법, 응력부식균열, 시편

Description

원자력 발전소의 고온고압환경에서 사용된 히터 슬리브 노즐 관통관에 발생되는 응력부식균열에 대한 비파괴 검사의 성능 검증용 시편 제조방법 {Mehtod to manufacture mockup specimen for performance validation of nondestructive test about stress corrosion crack originated from PWR pressurizer heater sleeve nozzle in high temperature and pressure}
원자력 발전소의 고온고압환경에서 사용된 히터 슬리브 노즐 관통관에 발생되는 응력부식균열에 대한 비파괴 검사의 성능 검증용 시편 제조 방법에 관한 것이다.
통상적으로, 원전의 관통관과 이종금속(異種金屬) 용접부에는 우수한 내식성(耐蝕性)과 기계적 특성을 갖는 Alloy 600 및 Alloy 82/182 합금이 사용되고 있으나, 원전을 가동함에 따라 Alloy 600 모재 및 용접부에 응력부식균열이 발생할 위험이 있다. 실제로, 2000년 V.C. Summer 원자로 출구 노즐 용접부의 누설, 2002년 Davis-Besse 원전 제어봉 관통관의 누설 및 상부 헤드의 붕산 부식과 같은 사고 가 발생하였다.
이에 따라 원전에서 주기적인 비파괴검사를 통한 예방정비 및 건전성 평가를 실시하는 것이 필수적이며, 비파괴검사의 정확성과 신뢰도가 확보될 때 원전의 건전성을 달성할 수 있다. 이 비파괴검사를 위하여 원전 운전중 발생하는 응력부식균열의 형상을 최대한 가깝게 모사할 수 있는 시편이 필요하다.
Alloy 600 모재 및 용접부에서 발생하는 응력부식균열은 결정립계(結晶粒界, grain boundary)를 따라 가지를 치면서 성장하고, 틈새가 매우 치밀하게 밀착되며 주위에 산화물이 퇴적되는 특성을 나타내기 때문에 비파괴검사로 탐지하기 어렵다. 그리고 종래 기술에서 균열을 모사하기 위하여 방전가공 노치 또는 열피로 방법을 사용하였으나, 방전가공한 노치의 입구는 균열에 비하여 지나치게 크기 때문에 비파괴검사 성능 검증용으로 적합하지 않다. 또한, 열피로 방법으로 제조한 결함의 형상은 반듯하고, 깨끗하며 균열 틈새가 치밀하지 않아서 비파괴검사에서 쉽게 탐지할 수 있기 때문에 비파괴검사 성능을 정확하게 모사하기 어려울 뿐만 아니라, 고가의 대형 고온 고압 설비가 필요하고 시편 생산에 많은 시간이 소요되며 입계(粒界) 균열을 만들기 어렵고 균열 형상을 제어하기 어렵다는 단점이 있다.
전술된 바와 같이, 원전의 고온 고압 환경에서 사용되는 Alloy 600 모재 및 Alloy 182 이종금속 용접부에 발생하는 응력부식균열은 인간과 환경에 치명적인 사고로 연결될 수 있기 때문에, 이러한 응력부식균열의 형상을 보다 가깝게 모사할 수 있는 시편 제조는 비파괴검사를 통한 원전의 건전성 달성을 위해 반드시 필요하다.
이에 본 발명은 종래 기술에 따른 시편 제조 방법에서 나타난 문제점을 해결하기 위해, 고온 응력부식균열 특성과 유사한 균열을 형성할 수 있는 시편을 제조하는 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명에 따른 시편 제조 방법은 예민화 열처리 시편을 페인팅(painting)하고 산화성 용액에 국부 노출시킨 후, 정하중을 인가하여 시편에 응력부식균열을 형성하는 방법과, 응력부식균열의 형상을 진단 및 제어하기 위해 직류전위차법(DCPD)을 사용하는 방법을 포함한다.
또한, 본 발명에 따른 시편 제조 방법으로 제조된 시편은 균열이 결정립계를 따라 성장한다는 특징이 있으며, 모재 및 용접부 균열에 공통적으로 적용할 수 있다. 또한 재료의 소성 변형이 작아 비파괴 검사 성능에 영향이 없으며, 제조 중에 균열 형상을 모니터링 할 수 있어서 최종 균열 크기를 제어하는 것이 가능하다.
이상, 본 발명에 따른 방법을 적용하여 비파괴검사의 성능 검증용 시편을 제조함으로써, 상온 대기압 환경에서 고온 응력부식균열과 유사한 균열을 제조할 수 있으며, 균열의 최종 크기를 제어함으로써 원하는 크기의 균열을 확보하는 것이 가능하다.
이제, 본 발명은 첨부도면을 참조로 하여 더욱 상세하게 설명될 것이다.
본 발명은 가압경수로 가압기 히터 슬리브 노즐 시편(Alloy 600 모재 및 Alloy 182 이종금속 용접부)을 대상으로 한다. 이 시편의 외경은 29.46㎜, 내경은 22.86㎜, 두께는 3.30㎜ 이다. Alloy 600 모재에서 응력부식균열은 약 300℃의 고온과 높은 응력조건에서 매우 천천히 생성되어 성장하므로 이를 재현하는 것은 용이하지 않다. 본 발명에서는 상온 대기압 환경에서 결정립계의 응력부식균열 생성을 촉진하기 위하여 예민화 열처리(sensitiztion heat treatment) 조건을 확립하여 시편을 미리 열처리한다. Alloy 600 모재에 대한 열처리 조건은 종래 기술에 알려져 있으나, 용접재에 대한 예민화 열처리 조건은 본 발명을 통하여 창출된 것이다.
종래 기술에서 응력부식균열을 발생시키기 위하여 덴트 하중 방법을 사용하여 시편에 인장응력을 가했다. 이 방법은 관의 두께가 약 1㎜ 정도인 얇은 증기 발생기 전열관에는 효과적이지만 관의 두께가 약 3㎜ 이상인 경우에는 국부적인 소성 변형이 발생하기 때문에 부적합하기 때문에 본 발명에서는 4점 굽힘 하중법을 사용하여 인장응력을 가한다. 도 2는 용접되기 전의 Alloy 600 모재(1)와 용접된 시편(10)을 도시하며 4점 굽힘 하중법을 적용하여 시편(10)의 정해진 위치(A, B, C, D)에 응력이 가해지는 것을 도시한다. 바람직하기로, 응력이 가해지는 위치들 간의 위치는 도 2에 도시된 것과 같이 각각 40㎜, 80㎜, 40㎜의 간격을 갖는다.
4점 굽힘 하중법을 사용하여 인장응력을 가하기 위하여, 재료의 열처리에 따른 물성 변화를 측정하고, 유한요소해석(Finite element analysis)을 통해 시편(10)에 소성변형이 일어나지 않는 최적의 하중조건을 계산하고 적용한다. 도 3은 4점 굽힘 하중법과 유한요소해석을 통해 얻어진, 중심에서의 거리에 대한 응력값을 나타낸 도표이고, 아래 표 1은 Alloy 600 모재(1) 및 Alloy 182 시편(10)의 응력부식균열 생성 시험 결과값이다.
응력부식균열 생성 시험 결과
재료 균열위치 예민화조건 인가하중[kN] 균열길이,
측정치
[㎜]		 균열길이,
DCPD
[㎜]		 균열최대깊이,
측정치
[%]		 균열최대깊이,
DCPD
[%]
Alloy 600 외벽 700℃/5h 17.5 5.88 8 72 48
내벽 700℃/5h 17.5 6.65 9 57 46
Alloy 182 외벽 620℃/24h 10.0 5.28 11 83 68
내벽 620℃/24h 10.0 7.73 10 90 67
상온 입계균열 부식환경을 만들기 위한 산화성 용액으로는 소듐 테트라치오네이트(sodium tetrathionate, Na2O6S4-2H2O)를 사용하는데, 시편(10)의 표면에 페인팅 또는 코팅을 하여 산화성 용액에 국부적으로 노출시킴으로써 원하는 위치에 균열이 생성될 수 있도록 한다. 내벽의 경우, 붓을 통한 페인팅이 어려우므로 테이핑을 하거나 메스로 스크레치를 내는 방법도 사용 가능하다.
그리고 생성된 균열의 크기를 실시간으로 확인하고 최종 균열 크기를 제어하기 위하여 직류전위차법(DCPD)을 적용하였다. 직류전위차법(DCPD)은 용액에 부분 노출되도록 페인팅된 시편에 생성되는 균열의 형상을 진단하고 제어하기 위한 방법으로, 시편의 부분 노출 부위 상하에 배열된 프로브를 장착하여 실시간으로 균열의 생성과 진전 상태를 진단, 제어하는 방법이다.
본 발명에 따른 시편(10)의 제조방법은 아래에서 단계별로 설명할 것이다.(도 1 참조)
단계 100
실험용 시편(10)을 제공하는 단계이다. 이 단계에서는 Alloy 600 모재(1)와 Alloy 182 용접봉을 준비하고, 시편(10)의 중앙부위를 V형태로 가공, 용접 및 재가공을 실시한 후, 최종 규격 확인 및 방사선 투과 검사를 통해 용접성능을 검증한다.
단계 200
예민화 열처리 단계이다. 이 단계는 시편(10)의 내식성을 떨어뜨려 응력부식균열 발생이 잘 되도록 하는 것이 목적이다. 시편(10)의 재료 조성을 고려하여 예민화 열처리를 실시하고, 열처리 정도를 확인하기 위해 모디파이드 휴이(Modified Huey) 시험, 디엘-이피알(DL-EPR) 시험, 미세조직 분석시험 등을 수행한다. 바람직하기로, 시편(10)의 잔류응력 제거를 위해 용체화 열처리를 실시할 수 있다.
선택가능하기로, 외벽 균열 생성 실험의 경우 직류전위차법(DCPD)을 이용한 균열 생성 및 성장진단 이외에, 주행현미경(traveling microscope)을 이용한 광학 진단법을 동시에 이용하므로, 단계(200)의 예민화 열처리 단계 전에 시편 표면을 연마(polishing)한다.
예컨대, 연마는 SiC 페이퍼(paper)를 이용하여 2000번까지 단계적으로 수행한다. 이때 편의를 위해서 시편 전체가 아닌, 균열 관측 부위만을 대상으로 수행해도 무방하다.
단계 300
단계(300)에서는 시편에 하중 조건을 형성하는 단계이다. 바람직하기로, 이 단계에서는 4점 굽힘 하중법에 따라 시편(10)에 인장력을 가하고, 응력 분포 예측을 통해 필요한 하중값을 제공한다.(도 2 참조)
단계 400
시편(10)의 선처리 단계로, 더욱 구체적으로는 페인팅 및 프로브(probe) 설치 단계이다. 이 단계에서는 시편(10)의 원하는 위치에 균열을 생성하기 위해서 시편(10)이 용액에 국부노출될 수 있도록 페인팅 작업을 실시한다. 이 작업에는 마이크로쉴드(Micro-shield) 페인트를 사용하는데, 외벽의 경우 붓으로 작업하고, 내벽의 경우 붓을 사용하여 페인팅 작업이 불가능 하기에 균열이 형성될 위치에 테이핑 한 후 마이크로쉴드 페인트에 담그거고 용액이 마른 후에 테이핑을 제거한다. 만약 테이핑이 어려우면 시편 전체를 페인트에 담근 후 균열 생성 위치에 스크래치를 내기도 한다.
그런 다음에, 이 단계에서는 시편 표면에 프로브 및 용액주입용 윈도우(window)를 장착한다. 바람직하게, 프로브(probe)는 스프링을 구비하여 프로브로 인한 시편 손상을 방지하고, 용액 주입용 윈도우는 시편의 정 중앙에 위치시킨다. 바람직하기로, 내벽에는 프로브를 각각 설치하는 것이 불가능하므로 프로브 집합체를 시편 내부로 밀어넣어 사용하는 것도 가능하다.
단계 500
단계(500)에서는 시편에 균열을 생성하는 단계이다. 이 단계에서는 시편(10)에 윈도우를 매개로 하여 산화성 용액을 주입하고, 단계(300)에서 충분히 정확하게 선택된 하중을 가하는 동시에, 직류전위차법 및 광학 진단법을 통해 응력부식균열의 형상을 진단한다. 균열의 진행에 따라 하중의 세기를 조절하여 원하는 균열의 크기를 생성할 수 있다.
본 발명에 따른 응력부식균열 모사 시편(10) 제조방법은 아래의 첨부도면을 참조하여 기술된 실시예에만 국한되지 않으며, 아래의 청구범위의 정신을 벗어나지 않고 변형 및 변경이 가능하다.
도 1은 본 발명에 따른 응력부식균열 모사 시편 제조 절차도를 도시한다.
도 2는 시편(10) 모델에 4점 굽힘 하중법을 적용하는 방법을 도시한다.
도 3은 4점 굽힘 하중법과 유한요소해석을 통해 얻어진, 중심에서의 거리에 대한 응력값을 나타낸 도표이다.

Claims (4)

  1. 원전 운전중 발생하는 Alloy 600 모재와 Alloy 182 용접부 응력부식균열의 형상을 모사할 수 있는 시편(10)을 제조하는 방법에 있어서,
    실험용 시편을 제공하는 단계(100)와;
    상기 시편(10)의 내식성을 떨어뜨려 응력부식균열의 생성을 촉진시키는 예민화 열처리 단계(200);
    4점 굽힘 하중법을 통해 상기 시편(10)에 인장력을 가하고 응력 분포 예측을 통해 하중값을 선택하는, 하중 조건을 형성하는 단계(300);
    균열생성 위치를 제외한 상기 시편(10) 부위에 페인팅 작업을 실시하는 상기 시편(10)의 선처리 단계(400); 및
    상기 시편(10)에 산화성 용액과 접촉시켜 소성변형 없이 상기 단계(300)에서 예측된 하중을 가하는 상기 시편(10)의 균열 생성 단계(500);를 포함하는 것을 특징으로 하는 원자력 발전소의 고온고압환경에서 사용된 히터 슬리브 노즐 관통관에 발생되는 응력부식균열에 대한 비파괴 검사의 성능 검증용 시편(10) 제조방법.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 단계(200) 전에 상기 시편(10)에 연마 과정을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 시편(10) 제조방법.
  3. 제 1항에 있어서, 상기 단계(500)의 산화성 용액은 소듐 테트라치오네이트(sodium tetrathionate, Na2O6S4-2H2O)로 되어 있는 것을 특징으로 하는 시편(10) 제조방법.
  4. 제 1항에 있어서, 상기 시편(10)의 응력부식균열 형상을 진단 및 제어하기 위해 직류전위차법(DCPD)을 사용하는 것을 특징으로 하는 시편(10) 제조방법.
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