KR20010103352A - 소형펀치-크리프 시험기 및 고온부재의 크리프 특성 평가방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 10×10×0.5tmm, φ6×0.5tmm의 크기를 갖는 미소시험편을 이용하여 고온 구조물(화력발전설비, 석유화학설비, 원자력설비 등)의 대표적인 재질열화 (Material Degradation)기구인 고온 크리프(Creep) 거동을 평가하기 위한 시험장치와 평가 방법에 관한 것이다. 즉, 고온 소형펀치(Small Punch; SP)지그, 가열로 장치(Furnace Device), 정하중 부하장치(Constant Loading Device), 미소변위 측정장치(Linear Variable Differential Transducer; LVDT), 냉각장치(Cooling Device), 제어장치(Control Device) 등으로 구성하는 것을 특징으로 하는 그리고 박판형 시험편을 소형펀치지그의 상부다이와 하부다이 사이에 고정시킨 후 시험편 상부에φ2.4mm의 세라믹 구를 놓고 이를 통하여 직접 부하하는 것을 특징으로 하는 소형펀치-크리프 시험장치와 미소시험편을 사용하여 고온 크리프 곡선, 초기 변형량, 정상상태의 크리프 속도, 하중지수, 크리프 파단수명, 크리프 수명소비율, 크리프 활성화에너지, 몬크만-그랜트(Monkman-Grant) 지수 등과 같은 고온설비용 내열재료의 크리프 특성을 평가하는 방법으로 구성되어 있다.
이러한 본 발명은 국내의 가혹한 고온 실기부재에 대한 대표적인 열화기구인 고온 크리프 특성을 매우 작은 미소시험편에 의해 준 비파괴적으로 평가 가능하며, 에너지 변환설비에 대한 현상태의 크리프 특성 평가에도 적용할 수 있다.
Description
본 발명은 미소시험편을 이용하여 현재 가동중인 고온 구조물(화력발전설비, 석유화학설비, 원자력설비 등)의 대표적인 재질열화(Material Degradation)기구인 고온 크리프(Creep) 거동을 준 비파괴적으로 평가하기 위해 개발된 시험장치와 평가 방법의 기술에 관한 것이다.
현재 국내에는 고온 구조물의 약 60%이상이 설계수명(10만시간)을 초과한 상태로 운전되고 있는데, 노후화된 이런 구조물은 가혹한 운전조건 등으로 인해 경년열화 현상을 나타낸다. 따라서, 이들에 대한 정확한 상태 진단과 수명평가는 구조물의 안전성 측면에서 매우 중요한 실정이다.
종래 고온 구조물의 수명평가(Life Assessment) 방법은 ①유한요소를 이용한 해석적인 방법과 ②간접적인 방법을 이용한 비파괴적인 방법 그리고 ③CVN 충격시험과 같은 파괴시험 방법이 있다. 이들 방법들은 각기 나름대로의 고유한 장점과 단점을 지니고 있으며, 국내·외의 수많은 연구기관에서 많은 관심과 함께 연구가 진행되고 있다. 위의 세 가지 접근방법 중 파괴적인 수명 평가 방법은 최종적인 기계구조물의 열화 및 수명을 평가·관리할 수 있다는 큰 장점을 갖고 있음에도 불구하고 실기부재에 적용하는 데에는 많은 문제점들을 갖고 있다. 그의 주요한 원인은 일반적인 재료실험 및 파괴 역학적 개념에 기초하여 재료의 물성치를 파악하기 위해서는 비교적 대형의 시험편을 필요로 하기 때문이다. 종래 고온부재에 사용되는 내열재료에 대한 크리프 특성 평가에는 일반적인 재료실험시 가장 널리 사용되는 단축 인장 시험편이 사용되기 때문에 실기부재에서 대형의 시험편을 그리고 다량의 시험재를 확보한다는 것은 거의 불가능하다.
상기와 같은 문제점 및 배경으로부터 본 발명은 10×10×0.5tmm, φ6×0.5tmm의 크기를 갖는 미소시험편(1)을 사용하는 소형펀치(Small Punch; SP) 시험을 이용하여 지금까지 적용되지 않은 고온 구조부재의 대표적인 열화기구인 고온 크리프(Creep) 특성을 평가하는 새로운 크리프 시험장치(이하 소형펀치-크리프 시험기 또는 소형펀치-크리프 시험장치 라고 함) 개발과 평가 방법을 제공하고자 한다.
이와 같은 기술은 현장 실기부재에서 설계응력에 영향을 주지 않는 범위에서 미소시험편을 얻을 수 있을 경우에, 구조물 수명 평가분야에서 가장 정확하게 고온부재의 크리프 특성을 평가할 수 있는 매우 유용한 시험방법일 것이다.
도 1은 본 발명에서 개발한 소형펀치-크리프 시험장치의 개략도,
도 2는 본 발명의 실시 예에 사용된 미소시험편의 체결 부위에 대한 상세 개략도,
도 3은 온도 550℃에서 얻은 소형펀치-크리프 곡선 거동을 나타낸 그래프 도,
도 4는 온도 575℃에서 얻은 소형펀치-크리프 곡선 거동을 나타낸 그래프 도,
도 5는 온도 600℃에서 얻은 소형펀치-크리프 곡선 거동을 나타낸 그래프 도,
도 6은 온도 550℃에서 얻은 소형펀치-크리프 초기변위 거동을 나타낸 그래프 도,
도 7은 하중과 크리프 수명소비율의 관계선도를 나타낸 그래프 도,
도 8은 하중과 정상상태 크리프 속도의 관계를 나타낸 그래프 도,
도 9는 하중과 크리프 파단시간의 관계를 나타낸 그래프 도,
도 10은 시험온도 550℃에서 얻은 소형펀치-크리프 시험결과를 이용하여 크리프 활성화 에너지 거동을 나타낸 그래프 도,
도 11은 다양한 하중 및 온도조건에서 얻은 소형펀치-크리프 시험결과를 이용하여 몬크만-그랜트 관계를 나타낸 그래프 도 이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
1 : 시험편 2 : 소형펀치지그의 상부다이
3 : 소형펀치지그의 하부다이 4 : 가열로
5 : 진공펌프 6 : 불활성가스(Ar) 용기
7 : 냉각수 8 : 냉각수 순환펌프
9 : 정하중 부하장치 10 : 엘리베이터(Elevator) 장치
11 : 리미트 스위치 12 : 시험편 온도센서
13 : 가열로 온도센서 14 : 미소변위 측정장치
15 : 제어장치 16 : 데이터 획득 시스템
17 : 세라믹 구 18 : 펀처
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 먼저 소형펀치-크리프 시험장치를 자체 설계하여 제작 구성한다. 그리고 고온 부재의 대표적인 내열재료로부터 얻은 박판 두께를 갖는 미소시험편을 이용한 소형펀치-크리프 시험장치를 사용하여 고온 크리프 환경하에서 크리프 특성 평가방법을 제공한다.
도 1은 본 발명에서 개발한 소형펀치-크리프 시험장치의 전체적인 개략도를, 도 2는 시험편의 체결부위에 대한 상세 개략도를 나타낸 것이다.
이하, 본 발명에서 제안하고자 하는 소형펀치-크리프 시험장치의 구성과 크리프 특성 평가방법의 공정을 보다 상세하게 설명한다.
[소형펀치-크리프 시험장치의 구성]
고온고압 설비부재의 크리프 특성을 평가하는 소형펀치-크리프 시험장치에 있어서,
① 본체의 상부에 위치하며 시험편(1)을 고정하는 소형펀치지그의 상부다이(2) 및 하부다이(3)와
② 상기 소형펀치지그(2, 3)의 주위를 둘러싸고 밀폐 가능한 시험편 가열로 (4)와
③ 상기 가열로(4)에 관으로 연결된 진공펌프(5)와 시험편의 고온 산화를 방지하기 위한 불활성가스(Ar) 용기(6)와
④ 상기 가열로(4) 하부의 시험장치 보호를 위해 관으로 연결된 냉각수(7) 및 냉각수 순환펌프(8)와
⑤ 본체의 하부에 위치하며 상기 소형펀치지그의 상부다이(2)와 하부다이(3)사이에 고정된 시험편(1)에 직접 하중을 부여하는 정하중 부하장치(9)와
⑥ 상기 정하중 부하장치를 구동하는 엘리베이터(Elevator) 장치(10)와
⑦ 상기 정하중 부하장치를 시험편의 파괴와 함께 자동적으로 멈출 수 있게 하는 리미트 스위치(11)와
⑧ 상기 시험편의 온도를 감지하는 온도센서(12)와
⑨ 상기 가열로의 온도를 감지하는 온도센서(13)와
⑩ 상기 소형펀치지그(2, 3)의 시험편(1)에 연결된 미소변위 측정장치(14)와
⑪ 상기 온도와 미소변위 그리고 크리프 시험시간을 측정 및 조정하고, 디스플레이(Display)하는 제어장치(15)와
⑫ 상기 온도와 미소변위 그리고 크리프 시험시간 등의 데이터를 실시간적으로 획득 처리하는 데이터 획득 시스템(Data Acquisition System; DAS)(16)으로
구성된 것을 특징으로 하는 소형펀치-크리프 시험장치
[소형펀치-크리프 시험장치중 시험편 체결부위에 대한 지그장치 구성]
상기 소형펀치지그는
① 시험편(1)을 올려놓을 수 있는 일정 크기의 공간을 가진 하부다이(3)와
② 상기 하부다이 위에 위치한 일정 크기를 가진 상부다이(2)와
③ 상기 상부다이(2)의 구멍을 통해 시험편 상부에 세라믹 구(17)가 위치하고
④ 상기 세라믹 구(17)의 상부를 누르는 펀처(18)로
구성됨을 특징으로 하는 소형펀치-크리프 시험지그
[소형펀치-크리프 시험장치를 이용한 크리프 특성 평가 방법]
① 소형펀치 시험지그의 하부다이(3)에 10×10×0.5tmm 혹은 φ6×0.5tmm의 크기를 갖는 박판형 시험편(1)을 놓고 그 위에 상부다이(2)를 놓고 상부다이의 구멍에 세라믹 구(17)를 설치하고, 그 위에 펀처(18)를 장착하는 공정과
② 가열로(4)를 밀폐하는 공정과
③ 진공펌프(5)로 가열로 내를 진공으로 하고 불활성가스(Ar)를 불어넣는 공정과
④ 일정 크리프 시험온도로 가열로(4)의 온도를 올리는 공정과
⑤ 그와 동시에 일정크기의 하중을 펀처(18)를 통해 시험편(1)에 부여하는 공정과
⑥ 미소변위 측정장치(14)를 통해 시험편의 미소변위를 측정하는 공정과
⑦ 상기 측정된 미소변위 량을 이용하여 정상상태의 소형펀치-크리프 속도,하중지수, 크리프 파단수명, 크리프 수명소비율, 크리프 활성화에너지, 몬크만-그랜트(Monkman-Grant) 지수 등과 같은 고온설비용 내열재료의 크리프 특성을 평가하는 공정으로
이루어진 것을 특징으로 하는 소형펀치-크리프 특성 평가 방법
이하에서는 상기의 소형펀치 크리프 시험장치와 시험평가 방법을 이용한 실시 예와 관련하여 본 발명을 보다 상세하게 설명한다.
본 예에 사용된 재료는 현재 화력발전소 및 석유화학설비에서 가장 널리 사용되는 내열재료인 2.25Cr-1Mo(STBA24)강 이며, 화학적 성분은 아래 표 1과 같다.
소형펀치-크리프시험에 사용되는 미소시험편(1)의 크기는 10×10×0.5tmm 혹은 φ6×0.5tmm으로 제작한다. 고온 크리프 시험온도는 550℃∼600℃로 하며, 가열로(4)의 오차범위는 약 ±1℃ 범위로 제어한다. 정하중 부하장치(9)에 의한 하중범위는 40kg∼100kg으로 한다. 시험도중 시험편의 중앙변위(Central Displacement;δ)는 미소변위 측정장치(14)를 이용하여 최소 0.001mm까지 정밀 계측한다. 또한 시험중 미소시험편의 고온 산화에 따른 시험결과의 오차를 제거하기 위해 불활성가스 용기(6)의 공급장치를 이용한 아르곤(Ar) 분위기에서 크리프 시험을 실시한다. 초기변위량(Initial Displacement;δ 0 )은 하중을 부하한 후 1분이 경과되었을 때의변위 값으로 정의한다.
본 발명에서는 이상과 같이 자체적으로 설계 제작한 소형펀치-크리프 시험장치와 미소시험편을 이용한 소형펀치-크리프 시험에 의한 고온 부재의 크리프 특성 평가방법을 제안하고자 한다.
<실시예 1>
도 3, 도 4 그리고 도 5는 2.25Cr-1Mo강의 모재를 대상으로 550℃, 575℃ 그리고 600℃의 고온환경에서 소형펀치-크리프 시험장치를 사용하여 얻은 중앙변위(δ)대 시간(t)과의 대표적인 크리프 곡선 거동을 나타낸 결과이다.
소형펀치-크리프 곡선의 전체적인 변형거동은 작용하중 및 시험온도에 따라 뚜렷하게 변화되고 있음을 알 수 있다. 즉, 시험하중이 증가함에 따라 종래 단축 크리프 시험결과와 같이 크리프 파단수명이 감소함을 관찰할 수 있다. 또한 전체적으로 볼 때 소형펀치-크리프 곡선 거동은 종래 단축 인장 크리프 곡선의 변형거동과 같이 1차 천이 크리프 거동(Transient Creep Behavior)과 2차 정상 상태 크리프 거동(Steady State Creep Behavior) 그리고 3차 가속 크리프 거동(Accelerative Creep Behavior)을 명확히 보이고 있다. 그리고 동일 시험하중에서 시험온도가 증가됨에 따라 정상 상태의 2차 크리프 거동은 감소되고 있음을 관찰할 수 있다.
<실시예 2>
도 6은 단축 크리프 시험의 초기 변형율에 대응하는 소형펀치-크리프의 초기변위(δ 0 )를 부하조건에 따라 살펴본 그림으로 부하하중이 증가함에 따라 초기변위는 증가하고 있음을 알 수 있어, 단축 크리프 시험거동과 같음을 알 수 있다.
<실시예 3>
도 7은 크리프 변위(Creep Displacement;δ c )와 크리프 수명소비율(Creep Life Fraction;t/t r )과의 상관곡선의 한 예로써 하중크기가 증가함에 따라 크리프 변형량은 감소함을 알 수 있다. 여기서δ c 는 크리프 중앙변위(δ)에서 크리프 초기변위(δ 0 )를 뺀 값이다. 곡선 거동을 볼 때 모든 하중조건에서 뚜렷한 3단계의 크리프 거동을 보이고 있으며, 하중이 감소함에 따라 2단계의 정상상태 크리프 변형거동이 증가함을 관찰할 수 있다.
<실시예 4>
도 8은 크리프 하중과 정상상태의 크리프 속도(Steady State Creep Rate;)와의 관계를 나타낸 그림으로 하중이 증가함에 따라 크리프 속도가 증가함을 관찰할 수 있으며, 동일 하중에서 시험온도가 증가함에 따라 정상 상태의 크리프 속도는 증가하고 있어, 종래 단축 인장 크리프 시험기를 이용하여 얻어지는 시험결과와 같은 뚜렷한 크리프 특성을 보이고 있다.
일반적으로 단축 크리프 시험에서 정상상태의 크리프 속도()와 부하 외력과의 관계는 다음과 같은 파워 로우 타입(Power Law Type)의 관계식으로 설명된다. 여기서, A는 재료상수,σ는 작용응력,n은 응력지수이다.
이때 응력의 지수 n은 크리프 특성을 대변하는 인자로서 시험온도가 증가함에 따라 그 값은 감소하는데, 소형펀치-크리프 시험에서는 파워 로우 타입(PowerLaw Type)의 결과 식을 다음과 같은 식으로 표현할 수가 있다.
이때 하중지수(n)의 거동을 살펴본 결과, 550℃, 575℃ 그리고 600℃에서 각각 14.65, 13.27 그리고 11.73을 나타내어, 시험온도 증가에 따라 하중지수가 감소함을 보이고 있다. 이와 같이 하중지수 값이 감소되는 이유는 온도가 증가함에 따라 시험편의 전위밀도가 감소하고, 이에 따라 하중의 감소 효과가 높아지기 때문으로 사료된다. 이 같은 결과는 단축 크리프 시험기를 이용한 실험결과와 전반적으로 같은 거동이므로 소형펀치-크리프 시험기 및 미소시험편을 이용한 크리프 평가방법에 대한 유효성을 확인할 수 있다.
<실시예 5>
도 9는 종래 크리프 특성 평가에 널리 사용되는 하중과 크리프 파단수명 (Creep Rupture Life;t r )의 관계를 나타낸 결과이다. 그림에서 크리프 파단수명은 하중이 증가할수록 직선적으로 감소하고 있으며, 온도가 상승함에 따라 그 감소율은 증가하고 있어 단축 크리프 시험결과와 같은 거동을 보이고 있다. 본 연구에서 얻은 크리프 하중과 크리프 수명의 관계식은 다음과 같이 단축 크리프 시험과 같이 파워 로우 타입(Power Law Type)의 관계식으로 표현 가능함을 알 수 있다.
<실시예 6>
도 10은 소형펀치-크리프 시험에서의 크리프 활성화에너지에 대한 그림으로, 종래 크리프 활성화에너지는 정상상태의 크리프 속도와 시험온도의 역수(1/T)와의 관계선도에서 구할 수 있고, 그 값은 부하 외력이 증가할수록 감소한다고 알려져 있다. 시험결과, 부하 외력이 65kg에서는 486.35kJ/mol, 그리고 60kg에서는 605.7 kJ/mol을 보여 종래 단축 크리프 시험결과 거동과 같음을 알 수 있어, 소형펀치-크리프 시험에 의한 크리프 특성 평가가 가능함을 알 수가 있다.
<실시예 7>
도 11은 종래, 크리프 변형기구를 정립할 때 널리 사용되는 몬크만-그랜 트(Monkman-Grant) 관계에 대해 소형펀치-크리프 시험기로부터 얻은 시험 결과이다. 일반적으로 단축 크리프 시험에서 몬크만-그랜트(Monkman-Grant) 관계는 아래식과 같이 표현 가능하며, 여기서 m과 C는 상수이다.
이때 지수 m은 일반적으로 1에 수렴한다고 알려져 있다. 소형펀치 시험의 경우에 변형률(ε)은 종래 보고된 등가파괴변형률(ε qf )로 정리가 가능하며 다음과 같은 관계가 있다.
여기서,δ: 시험편 중앙 변위,t 0 : 시험편 초기두께(0.5mm)이다.
시험결과, 소형펀치-크리프 시험에서의 몬크만-그랜트(Monkman-Grant) 관계는 다음과 같은 식으로 표현되었으며, 이때 등가파괴변형률 속도()는 소형펀치-크리프 변형률 곡선에서 정상상태의 변형률 속도이다.
윗 식에서 지수 m은 1.051임을 알 수 있다. 이 같은 결과는 종래 2.25Cr-1Mo 강의 몬크만-그랜트(Monkman-Grant) 관계 선도의 지수 값이 0.98임을 볼 때, 소형펀치-크리프 시험방법의 유효성을 정량적으로 설명하는 중요한 결과이다.
본 발명에서 얻은 이상과 같은 실험결과들 즉, 크리프 곡선거동, 하중과 시험온도에 따른 정상상태의 크리프 속도 ()와 크리프 파단수명(t r ) 그리고 하중지수(n)와 초기변형(δ 0 ) 거동, 부하별 크리프 활성화 에너지 거동, 몬크만-그랜트 (Monkman-Grant) 관계 등의 결과로부터 미소시험편을 이용한 소형펀치-크리프 시험기 및 평가법은 고온부재의 크리프 특성 평가를 위한 새로운 시험장치 및 평가방법으로 적용 가능함을 알 수 있다.
상기와 같은 본 발명에 의해 즉, 미소시험편을 이용한 소형펀치-크리프 시험장치와 평가방법은 고온부재의 크리프 특성을 평가 가능하게 한다. 또한 이같은 발명은 국내의 가혹한 실기부재에 대한 대표적인 열화기구인 고온 크리프 특성을 구조물의 건전성에 악영향을 주지 않는 범위 내에서 준 비파괴적으로 평가 가능하며, 에너지 변환설비에 대한 현상태의 크리프 특성을 평가할 수 있다.
Claims (3)
- 고온고압 설비부재의 크리프 특성을 평가하는 소형펀치-크리프 시험장치에 있어서,① 본체의 상부에 위치하며 시험편을 고정하는 소형펀치지그의 상부다이 및 하부다이와② 상기 소형펀치지그의 주위를 둘러싸고 밀폐 가능한 시험편 가열로와③ 상기 가열로에 관으로 연결된 진공펌프와 시험편의 고온 산화를 방지하기 위한 불활성가스(Ar) 용기와④ 상기 가열로 하부의 시험장치 보호를 위해 관으로 연결된 냉각수 및 냉각수 순환펌프와⑤ 본체의 하부에 위치하며 상기 소형펀치지그의 상부다이와 하부다이 사이에 고정된 시험편에 직접 하중을 부여하는 정하중 부하장치와⑥ 상기 정하중 부하장치를 구동하는 엘리베이터(Elevator) 장치와⑦ 상기 정하중 부하장치를 시험편의 파괴와 함께 자동적으로 멈출 수 있게 하는 리미트 스위치와⑧ 상기 시험편의 온도를 감지하는 온도센서와⑨ 상기 가열로의 온도를 감지하는 온도센서와⑩ 상기 소형펀치지그의 시험편에 연결된 미소변위 측정장치와⑪ 상기 온도와 미소변위 그리고 크리프 시험시간을 측정 및 조정하고, 디스플레이(Display)하는 제어장치와⑫ 상기 온도와 미소변위 그리고 크리프 시험시간 등의 데이터를 실시간적으로 획득 처리하는 데이터 획득 시스템(Data Acquisition System; DAS)으로구성된 것을 특징으로 하는 소형펀치-크리프 시험장치
- 청구항 1항에 있어서,① 상기 소형펀치지그는 시험편을 올려놓을 수 있는 일정 크기의 공간을 가진 하부다이와② 상기 하부다이 위에 위치한 일정 크기를 가진 상부다이와③ 상기 상부다이의 구멍을 통해 시험편 상부에 세라믹 구가 위치하고④ 상기 세라믹 구의 상부를 누르는 펀처로구성됨을 특징으로 하는 소형펀치-크리프 시험지그
- ① 소형펀치지그의 하부다이에 10×10×0.5tmm 혹은 φ6×0.5tmm의 크기를 갖는 박판형 시험편을 놓고 그 위에 상부다이를 놓고 상부다이의 구멍에 세라믹 구를 설치하고 그 위에 펀처를 장착하는 공정과② 가열로를 밀폐하는 공정과③ 진공펌프로 가열로 내를 진공으로 하고 불활성가스(Ar)를 불어넣는 공정과④ 일정 크리프 시험온도로 가열로의 온도를 올리는 공정과⑤ 그와 동시에 일정크기의 하중을 펀처를 통해 시험편에 부여하는 공정과⑥ 미소변위 측정장치를 통해 시험편의 미소변위를 측정하는 공정과⑦ 상기 측정된 미소변위 량을 이용하여 정상상태의 크리프 속도, 하중지수, 크리프 파단수명, 크리프 수명소비율, 크리프 활성화에너지, 몬크만-그랜트 (Monkman-Grant) 지수 등과 같은 고온설비용 내열재료의 크리프 특성을 평가하는 공정으로이루어진 것을 특징으로 하는 소형펀치-크리프 특성 평가 방법
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