KR20020005568A - 결함 및 인장 잔류 응력 생성 방법 - Google Patents

Abstract

다양한 종류의 시편내에 자연 균열 및 잔류 응력에 대응하는 제어된 결함을 만드는 방법에 관한 것이다. 자연 균열과 동일한 결함은 비파괴검사(NDT) 과정에 자격 부여를 하는데 필요하다. 이 방법에서, 연속적이고 반복된 가열-냉각 사이클은 결함 및 잔류 응력을 만드는 데 사용된다. 가열 및 냉각 패턴의 형상, 가열 및 냉각의 시간 및 열 사이클 수는 얻어진 결함 및 잔류 응력을 제어하는데 사용된다. 결함은 초기 균열 또는 다른 핵생성기 없이 성장된다. 결함은 NDT 방법으로 얻은 신호와 또한 형태 면에서 자연 균열에 대응하고, 예를 들어 NDT 자격부여에 사용하기 적합하다.

Description

결함 및 인장 잔류 응력 생성 방법{A METHOD FOR PRODUCING DEFECTS AND TENSILE RESIDUAL STRESSES}

열 피로 크랙과 같은 결함은 작동 동안, 다양한 부품에서, 예를 들어 핵발전 설비에서 나타날 수 있다. 비파괴검사(NDT) 과정은 규칙적 간격으로 실행되는 검정 동안 미리정해진 밸브, 파이프, 파이프 연결부 등을 검사하는데 사용된다. 현장 상태하에서 실행된 검정에서는, 방법과 이들을 실행하는 검정원 양자에 의한 부정확성이 항상 발생한다. 실제 것과 유사한 인공적으로 발생한 크랙을 사용하는 시편은 NDT 과정과 검정기의 자격 부여를 위해서 사용된다. 결함의 검출 확인해서 분명한 결함이 나타나 있는 재료의 비파괴검사의 신뢰성의 국제 PISC, I, II 및 III 논문은 자격 조건(qualification)의 필요성을 설명하고 있다.

예를 들어, 자격은 핵발전 설비의 검정에 필요로 한다. 핵발전 설비의 NDT 검정의 자격 조건에 대한, 지시사항은 발포되어 있으며(미국에서, ASME Code Section XI, 유럽에서 NRWG 및 ENIQ), 이에 따라서, 시편, 과정 및 검정기에 자격이 부여되어진다.

유럽 자격부여 과정에 따라서, 시편의 치수(직경, 벽 두께 등)는 검정되어지는 실제 대상물에 대응해야 한다. 유사하게, 시편의 다른 성질, 예, 재질, 모양, 표면 품질, 제조 방법 및 용접의 장소는 또한 실제 설비 부품의 것에 대응해야 한다. 발생하는 결함의 개구, 형태, 형상, 크기, 위치 및 방위는 자연 결점에 충분히 가깝게 대응해야 한다. 자격 시편에서의 결함의 특성은 전체 자격 공정에 매우 중요하다. 자연 결함과 가능한 유사한 결함을 가진 시편은 해당 검정 과정이 필요한 정확성으로 이런 결함을 검출해서 확인할 수 있게 보장할 것이다. 검정원 자격 시험은 검정기가 충분한 정확도로 관련 결함을 검출해서 확인할 수 있는지 결정한다.

현재로, 시편에서의 다양한 크랙 및 결함을 생성하기 위한 방법들이 알려져 있다. 이들 공지된 방법에서, 인공 크랙은 대개 용접에 의해 시편에 넣어지고, 시편내에 용접 균열이 만들어지거나 노치가 가공되어진다. 일본 특허 공보 JP 57-034439호는 판형태의 피이스가 표면내에 크랙을 생성하는데 사용될 수 있는 방법을 공지한다. 또 달리 일본 특허 공보 JP 58-055752호는 인공 크랙을 제조하는 방법을 공지하는데, 여기서 홀은 두 피이스 사이의 결합부의 표면내에 가공되어지며, 그후 이들 피이스는 함께 결합되어진다. 다음으로 일본 특허 공보 JP 8-219953호는 피이스내에 그로브를 가공해서 이들을 모 재료의 것과 다른 음향 성질을 가진 재료로 채워넣어서 결함을 제작하기 위한 방법을 공지한다. 어떠한 형상, 어떠한 장소, 그리고 어떠한 소망의 방위와 형상으로 피이스내의 결함을 생성하기 위한 방법은 전혀 알려져 있지 않다. 자연 크랙과 유사한 크랙을 생성하는 것은 자격에서 중심 과제중 하나이다.

인장 잔류 응력의 상태를 만들기 위한 방법은 또한 미국 특허 제 5,013,370 호에 또한 알려져 있으며, 여기서 인장 잔류 응력은 피이스의 한 표면을 냉각하고 반대 표면을 국부적으로 가열함으로써 시편내에서 일어난다. 상술한 특허에 공지된 발명은 다루어질 시편 또는 대상물이 인장 잔류 응력의 상태가 일어날 수 있는 적어도 하나의 응력-없는 부분을 가지는 것을 필요로 한다. 열은 이 영역으로 안내되고, 인장 잔류 응력이 한 영역 이상의 여러 영역으로 생성지어진다면, 이들 영역들의 각각의 초기 상태는 응력이 없어야 한다.

이들 특허를 참고하면, 피이스의 양 측면은 가열되고 냉각된다. 이런 장치는 처리되는 영역내의 인장 응력의 제어되지 않은 상태를 유발한다. 이 특허에 따라서, 크랙은 예를 들어, 고온에서 볼링 염화망간 용액, 과산화수소수와 같은 공격적인 크랙 촉진 환경에 의해서 인장 응력이 발생된 필드내에서 발생될 수 있다.

미국 특허 제 5,013,370 호에 따른 발명과 달리, 본 발명은 별도의 환경 조건 또는 응력 상태 조건 없이, 원하고 제어된 크랙 또는 제어된 잔류 응력 상태(인장 또는 압축이든지)를 만드는데 사용될 수 있다. 본 발명에서, 가열/냉각은 피이스의 다른 측면에서 행하지 않고, 피이스의 크기 및 형상에 관한 요구 조건은 없다. 추가로, 초기 상태에서 시편내의 잔류 응력 상태에 관한 요구 조건은 없다.

본 발명은 시편(test pieces)내의 제어된 결함 및 잔류 응력을 생성하는 방법에 관한 것이다.

도 1은 도면에는 가열 및 냉각 장치를 도시한 사시도.

본 발명의 상술 및 다른 장점과 효과는 첨부 청구범위에 기재된 방법에 의해 달성된다.

본 발명의 기본 개념은 처리되어지는 피이스를 반복적으로 교대로 가열 및냉각하는 것이며, 즉 열 피로를 받게 하는 것이며, 그 결과로 자연 균열과 동일한 크랙 또는 소망의 제어된 상태의 잔류 응력을 만든다.

일반적으로, 상술한 공보에 기재된 방법에 의해서 일어난 크랙이 자연 균열에 대응하지 못한다고 말할 수 있으며, 자연 균열은 자격용 시편을 제조할 때 분명한 결함이다. 현재로, 크랙은 시편에 크랙을 포함하는 개별 피이스를 용접하든지 또는 시편으로 고온 크랙을 용접하든지 또는 간단히 시편내에 노치를 가공함으로써 자격 시편내에서 생성된다. 용접에 의해 넣어진 크랙은 자연적이고 작동시 크랙을 가지는 실제 피이스로부터 취하거나 개별 시편으로 인공적으로 생성될 수 있다. 넣어지는 크랙이 어떻게 방위되든지, 넣어질 때 생긴 용접은 재료내에 남아 있을 것이다. 고온 크랙은 시편내에 좁은 그로브를 가공함으로써 그리고 나서 용접부에 소망의 방향으로 크랙이 일어나는 매개변수를 사용해서 용접함으로써 만들어진다. 이들 방법으로부터 생기는 시편내의 용접된 결합부는 NDT 검정 방법에 의해 쉽게 검출될 수 있다. 폭과 프로그레이션(progression)과 같은 가공된 노치의 특성은 자연 균열의 것에 대응하지 않는다.

지금 개발된 방법은 형상 또는 치수에 상관없이, 시편내의 어떠한 위치에서도 자연 것과 유사한 크랙을 유동성 있게 제조하는데 사용될 수 있다. 크랙은 시편의 표면에 바로 핵생성된다. 크랙 개시제(가공된 노치 등)가 필요 없다. 크랙은 NDT 방법에 의해 검출가능한 마이크로-구조 또는 다른 변경을 받는 재료 없이 시편의 표면내에서 성장된다. 이것은 큰 장점이 되며, 그 이유는 이식 또는 용접된 크랙이 사용될 때, 검정기는 시편내의 용접된 심(seam)을 알려 줄 수 있으며, 동일한영역내에서 크랙을 위해 더 철저한 서치를 하도록 주의를 해야 되기 때문이다. 또한 상기 방법에 의해 개발되어진 방법에 의해 생성된 크랙은 자연 크랙에 잘 대응하며, 크랙의 전파 및 분기와 크랙 팁의 반경은 모두 다 예를 들어 초음파 검정으로 수신된 신호 및 이들의 평가에 영향을 준다.

지금 개발된 방법은 열 피로의 현상과 이것의 새로운 적용분야에 근거한 것이다. 이를 테면 열 피로 현상은 특히 고온에서 사용된 재료에 대해서 오래 전에 알려져 왔다. 열 피로내에서 가열 및 냉각의 급격한 사이클은 가파른 온도 구배를 야기해서 시편을 변동시켜서, 재료의 열 팽창 계수에 의존하는 응력과 변형 사이클을 만들어서, 최종적으로 피로 손상을 야기한다.

지금 개발된 방법을 사용해서 제작된 크랙은 NDT 과정에서 자격 부여를 위해서 사용된 시편에 사용하기 적합하다. 크랙은 아래의 요구조건에 따라서 제조될 수 있다.

- 크랙의 형태(morphology)는 NDT 과정에 의해 검정될 때 자연 크랙의 것과 유사한 응답을 가진 자연 크랙에 충분히 대응한다.

- 방법은 개별 크랙과 크랙 네트워크를 제작하는데 사용될 수 있다.

- 개별 크랙의 방위는 변경될 수 있다.

- 크랙은 피이스의 재료의 두께에 의해 영향을 받지 않은 다른 크기와 형상으로 만들 수 있다.

- 자격 부여 테스트 후 시편을 파괴할 의도가 없다면, 제작되어질 크랙의 크기는 피로 사이클링 동안 또는 피로 매개변수의 근거로 계산될 수 있다.

- 가열 및 냉각 패턴은 소망의 방향으로 크랙이 성장하도록 변경될 수 있다.

다음으로, 본 발명의 작동에 대해서 첨부 도면을 근거로 설명되어 있다.

도 1에서, 강제 냉각(액체 또는 가스 냉각 이든지) 장치가 도면부호 1로, 가열 장치가 도면부호 2로 가열 패턴(등온선)이 도면부호 3으로 표시되어 있다.

도면에 따른 장치는 가열기(2)가 소망의 온도까지 표면을 가열하는데 사용되도록 작동한다. 가열 후 표면은 냉각기(2)에 의해 저온으로 냉각된다. 가열 동안, 가열 출력 및 시간에 의존하는 가열 패턴(3)은 발생된 결함의 방위에 영향을 주는 패턴을 야기한다.

본 발명의 작동은 아래의 예의 도움으로 설명되어 있다.

예 1

단일 크랙 또는 몇 개의 개별 평행한 크랙은 핵발전 설비내에 사용된 것에 대응하는 파이프내에서 발생되어진 것으로 생각한다. 가열 패턴은 파이프의 원주 둘레에 보다 긴 치수를 가진 형상을 한다. 이것은 크랙이 파이프의 축선 방향으로 성장하도록 한다. 가열 및 냉각 사이클은 모두 30초 동안 지속된다. 시험 동안, 최대 온도는 약 700℃이고 최소 온도는 약 10℃이다. 강제 냉각은 가열 패턴이 열 유도에 의해서 펴져나가지 못하게 하기 위해서 사용된다. 강제 냉각시, 냉수는 연속적으로 가열 영역의 양 측면으로 안내되며, 또한 가열 사이클 동안도 안내된다.

사이클의 전체 수는 6500이고, 가열과 냉각 모두는 한 사이클내에 포함되어 있다. 이런 사이클 수에서, 3축 방위된 크랙은 시편내에서 핵생성된 마이크로 크랙으로부터 성장한다.

본 발명에 따른 방법은 모 재질내에 단일 크랙 또는 다중 크랙을 형성하는데 사용된다.

예 2

본 방법은 파이프내의 용접 심내의 하나의 크랙 또는 다중 크랙을 제작하는데 사용된다. 크랙은 파이프의 내면내에 제작된다.

가열 패턴은 용접부의 루트 패스(root pass)를 거쳐서 연장되는 방식으로 형상져 있으며, 이것의 중앙 점은 루트 패스에 가깝게 있다. 측정 동안, 700℃의 온도는 6초의 가열 시간이 사용될 때 성취된다. 냉각 시간은 10초이다. 전체 17803 사이클은 시험 동안 이루어진다. 잘된 시험이 이루어져, 용접부의 양 측면상에 크랙이 형성되어 있음을 설명한다. 상술한 크랙 외에, 루트 패스를 거쳐서 연장하지 않은 단일 크랙은 용접부에 횡방향으로 성장되어진다.

본 방법은 자연 균열의 것에 대응하는 성질을 가진 크랙을 제작하는데 사용되며, 그러므로 자격 부여 시편내에 사용될 수 있다. 본 발명은 열 피로에 특별한 크랙의 네트워크 및 단일 크랙 양자 모두를 성장시키는데 사용될 수 있다. 제작된 크랙의 초음파 검정은 검정 과정에서의 크랙의 성질(cracks' challenge)이 실제에 대응하는 것으로 나타난다.

본 방법은 상술한 예에서 기술한 방법으로 사용되어진다. 추가로 본 발명은또한 시편의 잔류 응력을 생성하는데 적용될 수 있다. 잔류 응력은 또한 영구 잔류 응력 상태가 시편내에서 발생하게 될 때, 시편의 소망의 영역상의 열적 사이클에 의해 생성된다. 사이클링 동안 잔류 응력 상태의 변화는 사용된 가열 및 냉각 매개 변수에 의존한다.

본 발명은 상술한 설명 및 예들에 제한되지 않고, 첨부의 청구범위와 상술한 본 발명의 정신내에서 변경될 수 있음을 알아주기 바란다.

Claims (6)

1. 시편내에 인공 결함 및/또는 잔류 응력을 생성하기 위한 방법에 있어서,

   대상물을 교대로 가열 및 냉각하여 결함 및/또는 잔류 응력을 발생하는 것을 특징으로 하는 방법.
2. 제 1항에 있어서, 상기 결함 및/또는 잔류 응력을 가열 및/또는 냉각 패턴의 형상을 형성함으로써 소망의 형태로 발생하는 것을 특징으로 하는 방법.
3. 제 2항에 있어서, 상기 가열 패턴의 형상을 소망의 패턴의 영역 외측의 상기 시편을 냉각함으로써 제어하는 것을 특징으로 하는 방법.
4. 제 1항에 있어서, 가열 및 냉각 사이클의 연속적인 반복된 교대의 충분한 수를 열 피로 손상을 달성하는데 사용하는 것을 특징으로 하는 방법.
5. 제 1항에 있어서, 상기 결함을 초기 균열 또는 다른 핵생성기 없이 성장하는 것을 특징으로 하는 방법.
6. 제 1항에 있어서, 제작된 결함 및 잔류 응력의 크기를 가열 및 냉각 출력, 가열 및 냉각의 시간 및 열 사이클 수에 의해 제어하는 것을 특징으로 하는 방법.