KR101189918B1 - 재료 시험편의 분리형 변위 계측장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 재료 시험편의 분리형 변위계측장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 고온고압 수화학 환경에서 시험편의 표점거리(Gage length)에 대한 변형을 측정 제어하고 에지(Edge)부와 변위센서를 이용하여 피로시험을 수행하는 재료 시험편의 분리형 변위계측장치에 관한 것이다.

이를 위해 본 발명은 고온고압 수환경에서 시험편(1)의 표점거리에 대한 직접적인 변형량 계측을 위한 분리형 변위계측장치에 있어서, 상기 시험편(1)과 접촉하는 에지부재(2)와, 이 에지부재(2)에 장착되고 변위센서와 연결되는 변위센서 연결볼트(11)를 갖는 제 1 시험편 지지구(3), 상기 제 1 시험편 지지구(3)에 체결되면서 시험편(1)과 면접촉으로 장착되는 제 2 시험편 지지구(4) 및, 상기 에지부재(2)가 수평을 유지할 수 있도록 장력을 부여하는 스프링(5)과 스프링 블록(6) 및 스프링 에지볼트(7)로 구성된 장력 부여부(8)로 이루어진 구조로 되어 있다.

Description

재료 시험편의 분리형 변위 계측장치{Separated typed extensometer of specimen}

본 발명은 재료 시험편의 분리형 변위계측장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 고온고압 수화학 환경에서 시험편의 표점거리(Gage length)에 대한 변형을 측정 제어하고 에지(Edge)부와 변위센서를 이용하여 피로시험을 수행하는 재료 시험편의 분리형 변위계측장치에 관한 것이다.

주지된 바와 같이 산업설비를 구성하는 금속소재가 고온고압 환경에서 사용되는 경우가 증가하고 있으며, 원자력발전소를 포함한 대형 플랜트 설비에 사용되는 금속재료의 수명은 설비 건전성 평가의 중요한 인자이다. 특히 고온고압 환경에 노출되는 금속재료는 설비의 반복적인 가동 및 정지로 인한 열팽창과 열수축 현상과 같은 기계적인 피로의 영향과 환경인자들로 인한 환경피로의 영향을 복합적으로 받게 된다.

이러한 고온고압 환경에서의 저주기 피로현상은 금속재료의 특성을 열화시켜 플랜트 설계수명을 감소시키는 주된 원인이 된다.

금속의 저주기 환경피로 특성을 평가하기 위해서는 고온고압 수 환경에서 금 속 피로시험 편의 표점거리부의 변위를 정밀하게 측정하는 기술이 요구된다. 그러나 현재까지의 변위측정은 금속 피로시험 편의 표점거리부가 아닌 더미부에 두 개의 변위센서를 부착하여, 시험편의 변형에 따른 두 변위센서의 출력값 차이로서 변형률을 측정해 오고 있다.

이같이 표점거리부가 아닌 더미부에 변위센서를 부착하여 변형률을 측정하는 이유는 밀폐된 고온고압 환경에서 표점거리부의 손상이 없도록 변위센서를 고정하는 것이 구조적, 환경적으로 어렵기 때문이다.

특히 원자력발전소 운전환경을 모사하기 위한 환경 피로시험은 폐루프 순환 시스템과 오토클레이브를 사용하여 고온고압의 수처리 환경에서 실험을 수행하게 된다. 이로 인하여 시험편의 표점거리부에 대한 직접적인 변형량 계측이 곤란하게 되므로, 시편의 표점거리가 아닌 계측가능한 부위의 변형량을 간접적인 방법으로 계측하여 유한요소 해석법(Finite element method analysis)과 같은 변형량 보정방법을 사용하여 왔다.

하지만, 간접적 변형량 계측방법에서는 재료에서 발생되는 주기적 변형률 경화현상(Cyclic strain hardening effect)과 같은 실질적 효과를 모두 반영하였다고 보기는 힘들다.

한편, 종래에도 본 출원인이 대한민국 특허출원 제10-2008-101552호로 일체형 변위계측장치를 제안하였으나, 본 발명은 상기와 같은 종래 변위계측장치의 구조와 단점을 보완하도록 되어 있다.

이에 본 발명은 상기와 같은 종래 문제점을 해결하기 위해 발명된 것으로, 밀폐된 고온고압의 수화학 환경에서 시험편의 표점거리의 변형을 직접적으로 측정하기 위한 시험편의 표점거리부에 장착이 가능하며, 이 시험편의 물리적 손상을 극소화하면서 구조적으로 안정되어 장기간 사용이 가능한 재료 시험편의 분리형 변위계측장치를 제공함에 그 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은 고온고압 수환경에서 시험편 표점거리에 대한 직접적인 변형량 계측을 위한 분리형 변위계측장치에 있어서, 상기 시험편과 접촉하는 에지부재와, 이 에지부재에 장착되고 변위센서(12)와 연결되는 제 1 시험편 지지구, 상기 제 1 시험편 지지구에 체결되면서 시험편과 면접촉으로 장착되는 제 2 시험편 지지구 및, 상기 에지부재가 수평을 유지할 수 있도록 장력을 부여하는 스프링과 스프링 블록 및 스프링 지지볼트로 구성된 장력 부여부로 이루어져 있다.

본 발명에서는 더욱 실사에 근접한 실험환경을 모사하기 위하여 고온고압 환경에서 시편의 표점거리부의 변위를 직접 측정할 수 있는 분리형 변위계측장치를 개발하였다. 이 장치는 고온고압 환경에서의 다양한 재료실험에 적용 가능하며 기존의 간접적 변형량 계측시스템을 대체하고 보다 정밀한 실험데이터를 얻는데 크게 기여할 것으로 기대된다.

본 발명의 효과를 정리하면 다음과 같다.

첫째, 고온고압 수 환경에서 표점거리부의 직접적 변형계측이 가능해지므로 기존 간접적 변형계측법에서 발생하였던 주기적 변형률 경화현상의 영향을 제거하였다.

둘째, 유한요소 해석방법과 같은 변형량 보정과정이 요구되지 않으며, 시뮬레이션의 불확실성을 배제할 수 있게 되었다.

셋째, 기존 개발한 일체형 변위계측장치에 비해 소형, 경량화되어 시험편의 손상이 극소화되었다.

넷째, 시험편의 변형을 통하여 표점거리부에 변형이 발생되더라도, 연결기구의 에지부재가 초기 접촉면을 유지함으로써, 고온고압 수 환경에서 정밀한 변위측정 및 제어가 가능하다.

다섯째, 오토클레이브와 같은 밀폐된 공간에서의 다양한 재료실험에 광범위하게 활용이 가능하다.

이하, 본 발명을 첨부된 예시도면에 의거 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명에 따른 재료 시험편의 분리형 변위계측장치의 분해도이고, 도 2는 본 발명의 변위계측장치에 재료 피로시험 편과 변위센서가 장착된 상태를 보여주는 사시도이며, 도 3은 도 2의 Ⅰ-Ⅰ선 절개 사시도이다.

본 발명은 고온고압 수환경에서 운전되는 설비의 금속소재 변위를 측정하기 위한 것으로, 시험편(1)의 표점거리부 변형량 변화를 직접적으로 측정할 수 있도록 되어 있다.

즉, 본 발명은 도 1 내지 도 3에 도시된 바와 같이 고온고압 수환경에서 시험편(1)의 표점거리에 대한 직접적인 변형량 계측을 위한 분리형 변위계측장치에 있어서, 상기 시험편(1)과 접촉하는 에지부재(2)와, 이 에지부재(2)에 장착되고 변위센서와 연결되는 변위센서 연결볼트(11)를 갖는 제 1 시험편 지지구(3), 상기 제 1 시험편 지지구(3)에 체결되면서 시험편(1)과 면접촉으로 장착되는 제 2 시험편 지지구(4) 및, 상기 에지부재(2)가 수평을 유지할 수 있도록 장력을 부여하는 스프링(5)과 스프링 블록(6) 및 스프링 에지볼트(7)로 구성된 장력 부여부(8)로 이루어져 있다.

여기서 상기 에지부재(2)는 ㄱ 형상을 갖도록 되어 있으면서 에지 고정덮개(9)와 에지 고정덮개 볼트(10)로 제 1 시험편 지지구(3)에 고정됨에 따라 시험편(1)의 표점거리를 유지함과 동시에 이 시험편(1)의 단면적에 의해 변형된 표점거리를 자유롭게 계측할 수 있다.

그리고 상기 제 2 시험편 지지구(4)는 시험편(1)을 제 1 시험편(3)과 함께 맞은편에서 견고하게 잡아주도록 되어 있다.

한편, 상기 장력 부여부(8)는 시험편(1)과 에지부재(2)의 접촉점이 평행한 힘을 유지할 수 있도록 스프링(5)과 이 스프링(5)의 이탈을 방지하는 스프링 블록(6) 및 이 스프링 블록(6)을 지탱해 주는 스프링 볼트(7)로 이루어져 있다.

이와 같은 본 발명에 따른 재료 시험편의 분리형 변위계측장치에 의한 작동예를 설명한다.

상기 에지부재(2)가 제 1 시험편 지지구(3)에 장착되며 이 에지부재(2)를 에지 고정덮개(9)와 에지 고정덮개 볼트(10)로 고정한다.

이어 스프링 블록(6)과 제 2 시험편 지지구(4)가 맞닿게 되고 스프링(5)이 스프링 블럭(6)과 제 2 시험편 지지구(4) 사이에 장착된다.

상기 스프링 지지볼트(7)가 시험편(1)을 구속하는 제 1 시험편 지지구(3)와 제 2 시험편 지지구(4)를 견고하게 연결하고, 이 제 1 시험편 지지구(3)의 끝단에 설치된 변위센서 연결볼트(11)를 매개로 변위센서(12)와 연결한다.

이 같이 제 1 시험편 지지구(3)에 장착된 에지부재(2)가 시험편(1) 표점지지부의 양 끝단에 맞닿으면, 이 시험편(1) 기준으로 반대편에서 제 2 시험편 지지구(4)와 스프링(5), 스프링 블록(6), 스프링 지지볼트(7)가 순서대로 장착되어 금속피로 시험편(1)을 견고하게 구속시킨다.

도 1은 본 발명에 따른 재료 시험편의 분리형 변위계측장치의 분해도,

도 2는 본 발명에 따른 변위계측장치에 금속 피로시험 편과 변위센서가 장착된 상태를 보여주는 도면,

도 3은 도 2의 Ⅰ-Ⅰ선 단면을 보여주는 도면이다.

- 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 -

1 : 시험편, 2 : 에지(Edge),

3 : 제 1 스프링 지지구, 4 : 제 2 시험편 지지구,

5 : 스프링, 6 : 스프링 블록,

7 : 스프링 지지볼트, 8 : 장력 부여부,

9 : 에지 고정덮개, 10 : 에지 고정덮개 볼트,

11 : 변위센서 연결볼트, 12 : 변위센서.

Claims (5)

1. 고온고압 수환경에서 시험편(1)의 표점거리에 대한 직접적인 변형량 계측을 위한 분리형 변위계측장치에 있어서,

   상기 시험편(1)과 일 단이 접촉하는 에지부재(2);

   일 단부에는 홈이 형성되고 타 단부는 변위센서와 연결되며, 상기 홈에 상기 에지부재(2)의 일단이 노출되도록 상기 에지부재(2)를 수용하는 제 1 시험편 지지구(3);

   상기 제 1 시험편 지지구(3)의 홈에 대향하는 홈이 형성되어, 상기 제 1 시험편 지지구(3)와 함께 상기 시험편(1)을 수용할 관통홀을 형성하는 제 2 시험편 지지구(4);

   스프링(5)과; 상기 스프링(5)을 지지하는 스프링 블록(6)과; 상기 스프링 블록(6)과 제2 시험편 지지구(4)를 관통하여 상기 제1 시험편 지지구(3)에 체결됨으로써 상기 스프링(5)에 의한 장력을 상기 제2 시험편 지지구(4)에 제공하는 스프링 에지볼트(7)를 포함하여, 상기 시험편(1)과 에지부재(2)의 접촉을 유지하는 장력 부여부(8);

   상기 제 1 시험편 지지구(3)에 수용된 에지부재(2)를 덮는 에지 고정덮개(9); 및

   상기 에지 고정덮개(9)를 관통하여 상기 제 1 시험편 지지구(3)에 나사결합됨으로써 상기 에지부재(2)를 고정하는 에지 고정덮개 볼트(10)를 포함하는 것을 특징으로 하는 재료 시험편의 분리형 변위계측장치.
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