KR20010094507A - 다축 피로손상 지시기 - Google Patents

Abstract

(목적)

여러 가지 종류의 피로 하중이 복합적으로 작용하는 일반 구조물에서 주응력의 방향이 수시로 바뀐다는 역학적 특성을 고려하여 본 발명에서는 주응력 방향설정을 위한 예비평가 없이도 간편하게 부착하여 피로손상의 진행 정도를 실시간으로 감시할 수 있는 다축 피로손상 지시기를 개발하였다.

모재와 같은 재질로 만들어진 피로 퓨즈요소(fatigue fuse element)들은 모재와 같은 응력이력을 겪도록 모재에 접합되며 피로취약부위를 중심으로 부채꼴로 설치되어 임의의 주응력 방향 변화에 대해서도 모재의 피로손상 진행도를 기존의 단축 피로 감시장치보다 훨씬 실제에 가깝게 예측해 줄 수 있다.

종래의 단축 피로손상 지시기는 단축방향의 피로손상만을 나타내줄 수 있기 때문에 이의 적용을 위해서는 먼저 주응력 방향을 결정한 뒤 이 방향에 맞춰 설치해야 했다. 또한 종래의 기술은 일반 구조물에서 피로손상이 항상 최대 주응력 방향에서만 일어나는 것이 아니고 발생회수가 많으면 응력의 크기가 최대가 아닌 방향으로도 일어날 수 있다는 문제점이 있고, 또한 주응력 방향이 수시로 바뀌는 경우에도 그 적용에 한계가 있었다.

(구성)

다축 피로손상 지시기(multiaxial fatigue damage indicator)는 이와 같은 단축 피로감시장치의 한계성을 극복할 수 있는 장치로서 먼저 원주방향으로 인위적인 균열(artificial crack)이 가공된 퓨즈요소들을 일정한 간격으로 배치시킴으로써 임의 방향의 실제 피로손상을 육안검사 또는 실시간으로 원격감시할 수 있게 한다.

Description

다축 피로손상 지시기{Multiaxial Fatigue Damage Indicator}

(1)발명의 대상

본 발명은 다축 피로손상 지시기에 관한 것으로 더 상세하게는, 복합 피로하중을 받는 일반 구조물의 피로손상 진행정도를 감시할 수 있는 다축 피로손상 지시기이다.

(2)종래기술

피로하중을 받는 구조물의 실제 피로손상을 감시하기 위하여 지금까지 개발되었던 피로퓨즈는 먼저 주응력 방향을 결정한 뒤 그 방향으로 퓨즈를 부착함으로써 일축 방향의 피로손상 감시만이 가능했던 단축 피로 감시장치였다.

그러나 주응력의 방향은 일반적으로 하중의 종류에 따라 변하는 특성이 있고 또한 여러 가지 하중이 반복하여 작용할 때 피로손상에 발생회수가 관여하기 때문에 각 하중의 주응력들 중에서 실제 피로손상을 일으키는 방향은 항상 최대 주응력 방향과 일치하지 않고 발생횟수가 많으면 최대 주응력 방향이 아닌 곳에서 피로손상이 먼저 발생할 수 있기 때문에 단축 피로감시장치는 실제 피로손상을 과소평가할 수 있다는 것이다.

즉 종래의 기술은 실제 최종 피로 파단 발생시점의 예측 정확도가 떨어질 뿐만 아니라 피로 지시기 부착이전에 구조물의 주응력 발생 방향을 평가해야 하는 번거로움이 있었다.

본 발명의 목적은 복합 피로 하중이 작용하는 일반 구조물에 사전의 예비 평가없이 편리하게 부착하여 실제 구조물의 피로 파손을 가장 실제에 가깝게 예측할 수 있는 누적피로 감시장치를 개발하는데 있다. 이를 이용하면 구조물의 피로파손이 발생하기 전에 피로손상의 진행도를 육안검사 또는 원격 실시간 감시를 통하여구조물의 건전성을 확보할 수 있다.

도 1은 피로강도가 다른 부채꼴 3행의 피로 퓨즈요소들을 3단으로 배치한 다축 피로손상 지시기

도 2는 피로강도가 다른 부채꼴 2행의 피로 퓨즈요소들을 상하 방사방향으로 배치한 다축 피로손상 지시기

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

(1)(1') : 피로 퓨즈요소

(1)발명의 요점

일반적으로 다축의 반복 하중이 작용하는 구조물에서 주응력의 방향은 시간에 따라 수시로 변하게 된다. 대부분의 경우 주응력의 방향은 최대 교번응력(alternating stress)의 방향과 일치하기 때문에 퓨즈 요소(fuse elements)로 구성된 피로손상 지시기에서는 피로손상을 실제에 가깝게 예측하기 위해서는 수시로 변하는 주응력의 방향성을 고려하는 것이 필요하다. 또한 여러 가지 작용하중에서 어느 특정하중에서의 주응력 절대값이 크다고 하여도 그 하중의 발생회수가 매우 적다면 실제 구조물의 피로손상은 다른 방향으로 진행될 수 있는 것이 피로기구의 특성이다.

본 발명에서는 피로손상이 시간에 따라 변하는 주응력 방향과 발생회수의 함수라는 특성에 기초하여 구조물의 취약부위에서 모든 방향으로 피로손상을 감시할 수 있는 다축 피로손상 지시기를 개발하였다.

구조물 취약부위의 중심이 도 1에서 위치 10이라고 할 때 모재와 같은 재질로 제작된 피로 퓨즈요소(1)(1')들을 도 1에서와 같이 원주방향을 따라 부채꼴로 배치시킨다. 여기서 위치 11에서 시작되는 첫번째 행의 피로 퓨즈요소에는 모두 모재의 피로수명이 N_f일때 제작자가 원하는 수명비율(예: 0.1N_f)에서 파단이 되도록가장 깊은 인위적 균열을 가한다. 위치 12에서 시작되는 두 번째 행의 피로 퓨즈요소들에는 조금 더 긴 수명 비율(예: 0.3 N_f)에서 파단이 일어나도록 더 짧은 균열을 낸다. 같은 방법으로 위치 13에서 시작되는 세 번째 행의 피로 퓨즈요소들에도 앞의 두 행에서보다 조금 더 긴 피로수명 비율(예: 0.5N_f)에서 파단이 발생하도록 균열이 가공된 퓨즈요소를 일정한 간격으로 배치시킨다. 피로 퓨즈요소에는 평면 변형률 상태의 모우드 I 균열성장이 일어나도록 피로 퓨즈요소 두께의 20%를 사이드 그루브(side-groove) 가공한다.

11,12,13으로 이어지는 피로 퓨즈요소 행의 수는 원하는 정밀도 만큼 추가하여 제작 및 설치할 수 있다. 예를 들어 보다 높은 정밀도를 원할 경우 다섯 행의 피로 퓨즈요소를 0.1N_f, 0.2N_f,0.3N_f,0.5N_f,0.7N_f로 배치시킬 수 있다. 또한 각 행에서의 피로 퓨즈요소도 원하는 정밀도만큼 배치간격을 조절할 수가 있다. 도 1에서는 퓨즈요소를 15°간격으로 배치시켰지만 이 간격을 증가 또는 감소시켜 배치할 수 있다.

각 피로퓨즈요소는 별도로 가공하여 어셈블링 프레임에 용접함으로써 피로손상 지시기는 일체가 된다.

피로손상 지시기는 에폭시레진(epoxy resin) 등의 접착제를 이용하여 모재에 부착하며 고온 구조물에는 고온용 접착제를 이용하여 부착한다. 각 퓨즈요소는 모재와 거의 같은 응력 및 손상 이력을 겪도록 접착해야 하며 특히 균열부위는 접착제 효과를 배제시키기 위하여 모재에 접착시키지 않는다.

원격 감시를 위하여 피로손상 지시기는 전위 위상차를 이용하여 퓨즈요소내 균열 진전을 감지하는 감시시스템에 연결 될 수 있다. 또한 현장에서의 육안검사 용도로도 사용될 수 있다.

다축 피로손상 지시기는 구조물의 크기에 맞춰 크기를 조절할 수 있다. 대형 구조물에는 비교적 큰 피로손상 지시기의 사용이 용이하지만 재료 또는 기하학적 불연속성으로 인해 응력집중이 일어나는 부분에는 정밀하게 가공한 소형 피로손상 지시기를 사용한다.

(2) 실시 예

본 발명의 다축 피로손상 지시기는 모재와 같은 재료로 만들어진 많은 피로 퓨즈 요소(1)(2')들을 어셈블링 프레임에 용접하여 전체를 제작한다. 현장 육안 감시를 위해서는 다축 피로손상 지시기를 취약부위에 단순히 부착하면 되고, 원격 피로감시를 위해서는 온라인으로 각 퓨즈 요소의 균열 진전거동을 감시할 수 있다.

다축 피로손상 지시기는 원전에서 복잡한 피로하중을 받는 압력용기 또는 배관 구조물의 용접부 등 취약 부위에 부착하여 구조물의 피로손상 진행상황을 쉽게 파악할 수 있게 한다.

고온구조물의 열 피로 감시를 위해서는 고온용 접착제를 이용한다.

(3)발명의 변형 예 (응용 예)

도 2는 다축 피로손상 지시기의 변형 예이다. 취약부위가 도 2에서 14부분일 때 도 1과 같은 방법으로 퓨즈요소를 원주방향으로 설치하되 도 1과의 차이점은두 번째 행의 퓨즈요소들을 아래로 내려 완전한 하나의 방사형 감시장치를 만든다는 것이다. 따라서 위치 15에서 반시계 방향으로 돌아가는 위쪽 퓨즈 요소들의 균열길이는 모재 피로수명보다 조기에 (예: 0.1N_f) 파단되고 위치 16에서 시작하여 역시 반시계방향으로 돌아가는 아래쪽 퓨즈 요소들은 위쪽보다 나중 (예: 0.5N_f)에 파단되도록 제작한다.

(4)법적해석

본 발명은 상술한 특정한 바람직한 실시예와 변형예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 설계변경적 실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 청구범위 기재의 범위내에 있게 된다.

종래의 단축 피로손상 지시기는 일방향의 피로손상 감시만이 가능하고 또한 주응력 방향이 바뀌는 일반 구조물에서도 최대 피로누적 방향을 한 방향으로 고정시킴으로써 실제 피로손상을 과소평가할 수 있었다.

본 발명의 다축 피로손상 지시기는 피로 퓨즈요소의 배치간격을 줄일 경우 모든 방향의 피로 감시가 가능하다.

이와 같이 실제에 가장 가깝게 피로손상의 진행상황을 파악함으로써 복잡한피로응력을 받는 원자력 압력용기, 배관 및 일반 산업 구조물의 검사 시기를 최적화하고 또한 유지 보수 비용을 줄임으로써 경제성을 혁신적으로 개선시키고 또한 이들 구조물의 구조적 건전성을 향상시킬 수 있다.

Claims (6)

1. 구조물 취약부위에 대하여,

   취약부위를 중심으로 모든 주응력 방향을 포함하도록 피로 퓨즈요소(1)(1')들을 부채꼴로 배치하여, 피로수명의 일정한 비율에서 각 피로 퓨즈 요소(1)(1')들이 순차적으로 파단되어 피로손상의 진행을 육안 또는 실시간으로 감시할 수 있도록 퓨즈요소들을 배치시킨 구조를 특징으로 하는 다축 피로손상 지시기.
2. 구조물 취약부위에 대하여,

   동일한 피로수명을 갖는 피로 퓨즈요소(1)(1')들을 180°내에 배치시키고, 이와 같이 배치된 퓨즈요소들을 2행 이상 복수 배치함으로써 순차적 파단(예:0.5N_f,0.1N_f)을 유도하여 피로손상의 진행도를 감시할 수 있게 배치한 구조를 특징으로 하는 다축 피로손상 지시기.
3. 제 1항에 있어서,

   취약부위의 중심이 위치 10이라고 할 때 모재와 같은 재질로 제작된 퓨즈 요소들을 원주방향을 따라 부채꼴로 배치시키되 여기서 위치 11에서 시작되는 첫번째행의 피로 퓨즈요소(1)(1')에는 모두 모재의 피로수명이 N_f일때 원하는 수명비율(예: 0.1N_f)에서 파단이 되도록 가장 깊은 균열을 가공하고, 위치 12에서 시작되는 두 번째 행의 피로 퓨즈요소(10(1')들에는 조금 더 긴 수명 비율(예: 0.3 N_f)에서 파단이 일어나도록 더 짧은 균열을 가공하며, 위치 13에서 시작되는 세 번째 행의 피로 퓨즈요소(1)(1')들에도 앞의 두 행에서보다 조금 더 긴 피로수명 비율(예: 0.5N_f)에서 파단이 발생하도록 균열을 가공하고, 모든 균열부위는 모우드 I의 진행방향으로 20% 측면 홈(side-groove)을 가공한 퓨즈요소들을 일정한 간격으로 배치시킨 것을 특징으로 하는 다축 피로손상 지시기.
4. 제 1항에 있어서,

   상기 위치 11,12,13으로 이어지는 피로 퓨즈요소(1)(1')는 원하는 정밀도만큼 행의 수를 추가할 수 있고, 또한 각 행에서의 퓨즈요소의 배치간격도 조절할 수 있으며 구조물의 크기에 맞춰 크게 또는 작게 제작이 가능한 것을 특징으로 하는 다축 피로손상 지시기.
5. 제 1항에 있어서,

   각 피로 퓨즈요소(1)(1')는 별도로 가공하여 퓨즈요소의 테두리를 형성하는어셈블링 프레임에 용접함으로써 피로손상 지시기를 일체로 구성하며, 각 퓨즈요소는 에폭시레진(epoxy resin) 등의 접착제를 이용하여 모재에 부착하고 고온 구조물에는 고온용 접착제를 이용하여 부착하며, 각 퓨즈요소(1)(1')는 모재와 같은 응력 및 손상 이력을 겪도록 접착한 것을 특징으로 하는 다축 피로손상 지시기.
6. 제 2항에 있어서,

   180°로 배치된 피로 퓨즈(1)(1')의 아래 방향으로 피로수명이 다른 피로 퓨즈요소(1)(1')를 배치시킴으로써 결과적으로 방사형 피로 퓨즈요소 형태를 보여주어 동일한 개념으로 피로손상을 감시 할 수 있도록 배치시킨 구조를 특징으로 하는 다축 피로손상 지시기.