KR101098435B1 - 금속 구조물의 소진된 피로수명 복원 및 연장방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 금속구조물의 소진된 피로수명 복원 및 연장방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 금속 구조물 및 설비가 피로 환경에서 사용시 시간이 경과함에 따라 발생되는 피로수명을 측정한 후 초음파 피닝 공정을 이용하여 소진된 피로수명을 연장시킴으로써, 사용중인 금속 구조물 설비의 피로 건전성을 확보할 수 있도록 한 금속 구조물의 소진된 피로수명 복원 및 연장방법에 관한 것이다.

피로수명, 복원, 연장, 초음파 피닝

Description

금속 구조물의 소진된 피로수명 복원 및 연장방법{Method for restoring the reduced fatigue life of the metal structure}

본 발명은 금속구조물의 소진된 피로수명 복원 및 연장방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 금속 구조물 및 설비가 피로 환경에서 사용시 시간이 경과함에 따라 발생되는 피로수명을 측정한 후 초음파 피닝 공정을 이용하여 소진된 피로수명을 연장시킴으로써, 사용중인 금속 구조물 설비의 피로 건전성을 확보할 수 있도록 한 금속 구조물의 소진된 피로수명 복원 및 연장방법에 관한 것이다.

일반적으로 피로 환경에서 사용되는 설비(반복하중을 받고 있는 환경에서 사용되고 있는 발전설비 및 부품과 대형 배관과 같은 산업플랜트에서 사용되는 철 구조물, 교량 등)는 시공 및 건설시 고유피로 수명이 있으며, 시간이 경과함에 따라 피로 수명은 감소한다. 이러한 피로수명은 정상조건에서도 감소하지만, 사용 중에 예상하지 못했던 기계적 열적 하중에 의해 예상수명보다 수명이 빨리 소진될 수 있다.

따라서, 기술자들은 하중적재 부재로 고려되거나, 사용되는 어떤 재료가 반 복적이거나 순환적인 응력하중을 받을 경우, 재료들의 피로강도와 수명을 예측할 수 있어야 한다. 그 이유는 구조물에 반복적으로 가해지는 응력은 결국 그 구조물의 재료파괴를 야기하게 되기 때문이다.

이에 따라, 최근의 기술자들은 구조물 피로손상의 현재 상태를 더 정확히 알아내고, 남아있는 수명을 더 정확하게 예측하기 위해 구조물 재료의 피로수명을 광범위하게 연구해 왔다.

이러한 연구로부터 기술자들은 구조물들을 이루는 재료들은 극한 응력을 받았을 시보다 낮은 강도의 응력을 반복적으로 받게 되면 그 구조물의 피로 파괴를 야기하게 된다는 사실과, 주어진 구조물의 사용기간이 가해진 힘에 반비례한다는 사실을 밝혀냈다. 다시 말해 가해지는 힘의 강도가 높을수록 구조물 재료의 수명은 단축됨을 알 수 있게 되었다.

이에 따라, 적재 구조물이 반복적인 하중을 받게 될 때 건축설계 기술자들은 그 힘의 영향을 감지하여 구조물의 남은 수명을 결정함으로써 파괴 발생 이전에 파손될 요소를 제거하거나 적절한 대처를 행하였다.

그러나, 현재 구조물의 소진된 피로수명에 대한 대처 방법은 소진된 피로수명을 연장시키기 보다는 피로수명이 소진된 구조물을 교체하거나, 보강재 설치를 통한 설비 안전성을 보완하는 등 수동적인 대응을 취하고 있으며, 많은 비용과 시간을 투자해야 하는 단점이 있다.

즉, 종래의 피로수명을 연장하는 방법은 대부분 시공 및 제작시 구성 소재에 특정 처리를 부과하거나, 피로수명이 소진된 부품을 교환 또는 보강하는 작업을 행하는 등 일정시간 사용 및 운전된 설비의 피로수명 연장에 대한 기술은 거의 개발되고 있지 않은 실정이다.

본 발명은 상술한 바와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 피로 환경에서 작동, 운전, 사용되어 피로 수명이 일부 및 상당히 소진된 철강 구조물의 소진된 피로수명을 단시간에 연장 및 복원시킬 수 있도록 구조물에 엑스선회절장비를 이용한 피닝 전후 효과를 측정하고, 초음파 피닝 적용으로 표면 특성을 부과하여 소진된 피로수명의 복원 및 연장시킬 수 있도록 한 금속 구조물의 소진된 피로수명 복원 및 연장방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

본 발명의 목적 및 장점들은 이하 더욱 상세히 설명될 것이며, 실시예에 의해 더욱 구체화될 것이다. 또한 본 발명의 목적 및 장점들은 청구범위에 나타난 수단 및 이들의 조합에 의해 실현될 수 있다.

상술한 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 금속 구조물의 피로수명 복원 및 연장방법에 있어서, 금속 구조물의 피로수명을 측정하기 위해 상기 금속 구조물의 표면을 편평하게 연마하는 표면 준비단계와, 상기 편평하게 연마된 금속 구조물에 엑스선을 쬐어 응력을 측정하는 응력 측정단계와, 상기 응력 측정단계를 통해 알 수 있게 된 피로 손상 부위와 주변에 초음파에 의해 진동되는 진동판을 구비한 후 이 진동판 위에 강철 구슬을 위치시킨 다음 초음파를 보내어 진동판을 진동시킴으로써, 상기 강철 구슬이 금속 구조물의 표면과 충돌되어 표면에 압축응력이 형성되 도록 하는 초음파 피닝 공정단계와, 상기 초음파 피닝 공정단계를 통해 금속 구조물의 피로수명이 복원된 상태를 확인하도록 하는 것으로, 처음 응력 측정한 위치에서 동일한 조건으로 잔류응력을 측정하여 구조물의 피로수명을 확인할 수 있도록 한 응력 측정 및 피닝 효과 확인단계를 포함하는 금속 구조물의 소진된 피로수명 복원 및 연장방법을 제공한다.

또한 본 발명에 있어서, 상기 표준 준비단계는 전해 연마를 통해 금속 구조물의 표면을 부드럽고 편평하게 한 것을 특징으로 한다.

또한 본 발명에 있어서, 상기 응력 측정단계는 상기 금속 구조물의 정확한 측정 및 통계학적 처리를 위해 적어도 7번 이상 측정하는 것을 특징으로 한다.

따라서, 본 발명에 따른 금속 구조물의 소진된 피로수명 복원 및 연장방법은 피로 환경에서 작동, 운전, 사용되어 피로 수명이 일부 및 상당히 소진된 철강 구조물의 소진된 피로수명을 초음파 피닝을 통해 단시간에 연장 및 복원시킬 수 있어 피로수명이 소진된 구조물을 교체하거나 보강재를 시공하는 등의 작업을 행하지 않아도 됨으로써, 경제성이 향상되는 장점이 있다.

또한, 보강재 및 부하의 감소 없이 짧은 시간에 효과적으로 구조물의 피로수명을 연장시킬 수 있는 동시에 사용중인 금속 구조물의 피로 건전성을 확보할 수 있는 장점이 있다.

이하 본 발명에 따른 금속 구조물의 소진된 피로수명 복원 및 연장방법의 구성 및 작용효과를 바람직한 실시예와 첨부된 도면을 참조로 더욱 상세히 설명하기로 한다.

도 1 은 본 발명에 따른 금속 구조물의 소진된 피로수명 복원 및 방법의 공정순서를 개략적으로 나타낸 흐름도이고, 도 2 는 본 발명에 따른 금속 구조물의 소진된 피로수명 복원 및 방법에 사용된 초음파 피닝 전후의 피로 특성을 개략적으로 나타낸 그래프이다.

본 발명은 피로 환경에서 사용, 운전되고 있는 금속 구조물의 소진된 피로 수명으로 인해 설비의 사용기간이 제약을 받는 데 있어, 초음파 피닝 공정을 이용하여 구조물의 피로수명을 복원 및 연장시킬 수 있도록 한 방법을 제공하는데 그 특징이 있는 것으로, 설비의 현재 응력 상태 평가를 위한 표면 준비단계와, 응력 측정단계와, 초음파 피닝 공정단계, 그리고 최종적으로 응력 측정 및 피닝 효과를 확인하는 응력 측정 및 피닝 효과 확인단계를 포함한다.

표면 준비단계는 금속 구조물의 피로수명을 정밀하게 측정하기 위한 것으로, 피로수명 평가 장비인 엑스선 회절을 이용하기 때문에 표면이 부드럽고 편평해야 정확한 상태를 알 수 있으므로, 전해 연마를 이용하여 얻을 수 있는 수준까지 표면이 준비되어야 한다.

여기서, 상기 표면 준비단계에서 표면을 부드럽게 하는 전해 연마는 연마하려는 금속을 양극으로 하고 전해액 속에서 전해하여 금속 표면을 연마하는 것으로, 전기분해할 때 양극의 금속 표면에 미세한 볼록 부분이 다른 표면 부분에 비해 선택적으로 용해하는 것을 이용한 금속 연마법이다.

응력 측정단계는 대상 설비에 따라 적당한 엑스선 등을 사용하여 금속 구조물의 응력을 측정하는 것으로, 엑스선을 구조물에 쪼이면 내부에 규칙적으로 배열된 원자에 의해 엑스선이 산란하여 상을 만듦으로써, 구조물의 응력을 측정할 수 있도록 한 것이다. 이때, 상기 응력 측정단계는 구조물의 정확한 측정 및 통계학적 처리를 위해 최소 7번 이상 측정한다.

초음파 피닝 공정단계는 초음파를 이용하여 강한 재질의 구나 핀, 볼을 표면에 가하여 피로 손상 부위와 주변을 균일한 잔류압축응력이 형성되도록 하는 것으로, 상기 응력 측정단계를 통해 알 수 있게 된 피로 손상 부위와 주변에 초음파에 의해 진동되는 진동판을 구비한 후 이 진동판 위에 강철 구슬 등을 위치시킨 다음 초음파를 보내어 진동판을 진동시키는 방법으로 강철 구슬 등을 금속 구조물의 표면에 충돌시켜 표면처리를 행함으로써, 표면에 압축응력이 형성되도록 한다.

마지막으로, 응력 측정 및 피닝 효과 확인단계는 초음파 피닝 공정단계를 통해 금속 구조물의 피로수명이 복원된 상태를 확인하도록 하는 것으로, 처음 응력 측정한 위치에서 동일한 조건으로 잔류응력을 측정하여 구조물의 피로수명을 확인할 수 있도록 한 것이다.

따라서, 본 발명에 따른 금속 구조물의 소진된 피로수명 복원 및 연장방법을 통해 피로수명이 소진된 금속 구조물의 피로수명을 복원하여 안전성을 확보하는 동시에 금속 구조물의 수명을 늘릴 수 있는 장점이 있다.

이하, 본 발명에 대한 기술적 근거를 위해 실시 예를 첨부하였다. 실험은 먼저 신재에 대해 초음파 피닝 전후의 피로 수명효과를 회전굽힘 피로시험을 통해 평가하였다.

첨부된 도 2 에 도시된 바와 같이, 피로하중 조건에서 초음파 피닝을 한 경우 파단에 이르는 싸이클의 수가 모든 하중에서 증가한 것을 볼 수 있다. 이러한 경향은 상대적으로 하중에 낮은 조건에서 피닝의 효과가 확연히 나타나는 것을 알 수 있었으며, 피로한을 나타내는 하중이 피닝 후에 상당량 증가한 것을 알 수 있었다.

즉, 이는 일정시간이 지난 후에 피로 파괴가 일어난 신재에 대해 초음파 피닝 처리를 하면 피로 파괴가 발생하지 않고 피로 하중조건에서 계속 견딜 수 있다는 것을 의미하는 것으로, 신재에 대한 초음파 피닝처리는 피로수명 향상에 효과가 있음을 나타내는 것이다.

구체적으로, 피로수명이 어느 정도 소진된 소재에 대해 초음파 피닝 처리를 하여 그 효과를 알아보고자 다음과 같이 실험을 실시하였다. 먼저 피로수명을 알고 있는 실험조건에서 원래 피로수명의 25%, 50%, 75%를 소진 시킨 후 피로 시험을 중단하였다.

이후, 피로수명을 소진시킨 시편 각각에 초음파 피닝을 적용한 후 동일한 피로 시험 조건에서 피로시험을 하였다. 결과는 75%의 피로수명이 소진된 시편에서도 피로수명이 신재에 대해 초음파 피닝 처리한 수준까지 복원 및 연장된 결과를 얻게 되었다. 이러한 실시예가 의미하는 것은 피로수명이 상당히 소진된 후에도 초음파 피닝 처리를 통해 단시간에 효과적으로 피로수명이 복원 및 연장이 가능하다는 것을 알 수 있다.

지금까지, 본 발명의 실시예를 기준으로 상세히 설명하였으나, 본 발명의 권리범위는 이에 한정되지 않으며, 본 발명의 실시 예와 실질적인 균등범위까지 포함된다 할 것이다.

또한, 상기 설명에 도시되어 있는 바와 같이, 본 발명에 따른 금속 구조물의 소진된 피로수명 복원 및 연장방법의 기술은 매우 단순하나, 그 기술적 효과는 매우 크다는 점에서도 본 발명의 기술적 장점은 매우 명확하다 할 것이다.

도 1 은 본 발명에 따른 금속 구조물의 소진된 피로수명 복원 및 연장방법의 공정순서를 개략적으로 나타낸 흐름도; 및

도 2 는 본 발명에 따른 금속 구조물의 소진된 피로수명 복원 및 연장방법에 사용된 초음파 피닝 전후의 피로 특성을 개략적으로 나타낸 그래프이다.

Claims (3)

1. 금속 구조물의 피로수명 복원 및 연장방법에 있어서,

   금속 구조물의 피로수명을 측정하기 위해 상기 금속 구조물의 표면을 편평하게 연마하는 표면 준비단계와;

   상기 편평하게 연마된 금속 구조물에 엑스선을 쬐어 응력을 측정하는 응력 측정단계와;

   상기 응력 측정단계를 통해 알 수 있게 된 피로 손상 부위와 주변에 초음파에 의해 진동되는 진동판을 구비한 후 이 진동판 위에 강철 구슬을 위치시킨 다음 초음파를 보내어 진동판을 진동시킴으로써, 상기 강철 구슬이 금속 구조물의 표면과 충돌되어 표면에 압축응력이 형성되도록 하는 초음파 피닝 공정단계와;

   상기 초음파 피닝 공정단계를 통해 금속 구조물의 피로수명이 복원된 상태를 확인하도록 하는 것으로, 처음 응력 측정한 위치에서 동일한 조건으로 잔류응력을 측정하여 구조물의 피로수명을 확인할 수 있도록 한 응력 측정 및 피닝 효과 확인단계를 포함하는 금속 구조물의 소진된 피로수명 복원 및 연장방법.
2. 청구항 1에 있어서, 상기 표면 준비단계는 전해 연마를 통해 금속 구조물의 표면을 부드럽고 편평하게 한 것을 특징으로 하는 금속 구조물의 소진된 피로수명 복원 및 연장방법.
3. 청구항 1에 있어서, 상기 응력 측정단계는 상기 금속 구조물의 정확한 측정 및 통계학적 처리를 위해 적어도 7번 이상 측정하는 것을 특징으로 하는 금속 구조물의 소진된 피로수명 복원 및 연장방법.

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