KR20090055915A

KR20090055915A - 헬륨 분위기용 일정-하중 크리프 시험 장치

Info

Publication number: KR20090055915A
Application number: KR1020070122791A
Authority: KR
Inventors: 김우곤; 윤송남; 류우석; 김용완; 장종화
Original assignee: 한국원자력연구원; 한국수력원자력 주식회사
Priority date: 2007-11-29
Filing date: 2007-11-29
Publication date: 2009-06-03
Also published as: KR100916332B1

Abstract

본 발명은 수소생산 초고온 가스로에 사용되는 고온 구조물에 대하여 동일한 헬륨 분위기와 사용온도에서 일정-하중을 부과하여 장시간 크리프 손상 영향을 평가하기 위한 크리프 시험 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 시험편을 밀폐시키는 석영관과 가열을 위한 전기로가 일체화된 이동식 구조로 구성되어 풀로드에 시험편을 용이하게 탈·부착할 수 있고, 시험편의 미소 변형을 탄성 변형에 의해 수용할 수 있는 금속 벨로우즈가 석영관과 풀로드 사이에 구비되어 시험편에 가해질 수 있는 하중의 변동을 방지하며, 구조적으로 취약한 석영관 양단을 효율적으로 냉각시킬 수 있는 구조로 구성되어 고온 가열에 따른 열응력에 의해 석영관이 파손되는 것을 방지할 수 있는 헬륨 분위기용 일정-하중 크리프 시험 장치에 관한 것이다.

본 발명에 따른 헬륨 분위기용 일정-하중 크리프 시험 장치는, 중앙부에 시험편을 고정시키는 시험편 홀더가 구비되어 있는 풀로드와; 내부에 상기 풀로드를 관통시키도록 구비되는 석영관과; 상기 석영관의 외벽 둘레에 상기 석영관과 일체로 결합되도록 구성되는 전기로와; 상기 전기로를 상하로 이동시키는 전기로 이동수단과; 상기 풀로드와 연결되어 상기 풀로드의 시험편 홀더에 고정된 시험편에 하중을 부과하는 부하장치와; 상기 풀로드와 직렬로 연결되어 상기 부하장치로부터 시험편에 가해지는 하중을 감지하는 로드셀과; 시험편의 크리프 거동에 따른 상기 풀로드의 미소 변위를 감지하는 미소변위측정기와; 상기 석영관 내로 헬륨가스를 주입하는 가스공급장치; 및 상기 크리프 시험 장치를 구성하는 각 장치들을 제어하는 제어부;를 포함하여 구성되는 점을 특징으로 한다.

초고온 가스로, 크리프 시험, 헬륨 분위기, 전기로, 석영관, 이동식, 냉각

Description

헬륨 분위기용 일정-하중 크리프 시험 장치{An apparatus for constant load creep test under helium environment}

초고온가스로(very high temperature gas cooled reactor)는 원자력 발전을 통해 얻어지는 고온의 열로 물을 직접 분해하여 수소를 생산함으로써 비교적 저렴한 비용으로도 다량의 수소에너지를 효율적으로 얻을 수 있는 원자로로서, 현재 상 용화를 목표로 관련 기술에 대한 활발한 연구·개발이 이루어지고 있다.

이러한 초고온가스로는 냉각재로 헬륨(He)을 사용하고 작동 온도가 약 950 ℃에 달하기 때문에, 열교환기 등을 구성하는 주요 구조물들에 대한 설계에 있어서 헬륨 분위기의 고온 가동 환경을 고려한 재료의 크리프 시험 평가가 필수적으로 요구되고 있다.

종래의 일반적인 크리프 시험기는 진공 챔버 없이 대기 중의 가열로 내에서 시험편을 장착하고, 장착된 시험편을 가열하면서 일정 하중을 부과하여 크리프 거동을 시험하는 비교적 단순한 구조로 되어 있다. 그러나, 종래의 크리프 시험기는 시험편이 대기 중에 노출된 상태에서 크리프 시험을 수행하기 때문에 초고온가스로에서와 같은 헬륨 분위기의 고온 가동 환경을 재현할 수 없어 정확한 시험 결과를 얻을 수 없다는 문제점이 있다.

이러한 문제점을 해결하기 위한 종래의 크리프 시험 장치가 대한민국 등록특허공보 제 0374697호(발명의 명칭:소형펀치-크리프 시험기 및 고온부재의 크리프 특성 평가방법)에 기재되어 있다. 상기 소형펀치-크리프 시험 장치는 시험편을 고정하는 소형펀치지그의 주위를 둘러싸는 밀폐식 스테인리스 관과 그 주위를 가열시키는 시험편 가열로를 일체형으로 구비하여, 스테인리스 관 내로 불활성가스를 주입하고 시험편 가열로의 온도를 올려 시험편을 가열하는 방식으로 크리프 시험을 할 수 있도록 구성되어 있다.

그러나, 이와 같은 밀폐식 크리프 시험 장치는 앞서 설명한 일반적인 크리프 시험기에 불활성가스 분위기 유지 기능을 위한 진공장치, 냉각장치 및 가스 공급 장치가 추가된 구조를 가지고 있기 때문에 전체적인 장치의 구조가 복잡해지고, 스테인레스 관 내의 좁은 공간에 시험편을 탈·부착하려면 시험편 장착 부위가 외부로 개방되도록 가열로 및 스테인레스 관을 일부 해체하는 번거로운 작업이 요구되며, 개방된 공간 자체도 매우 협소하므로 시험편의 탈·부착 작업을 수행하기가 난해하다는 문제점이 있다.

본 발명은 상기한 종래 기술에 따른 크리프 시험 장치의 문제점을 해결하기 위한 것이다. 즉, 본 발명의 목적은, 시험편을 밀폐시키는 석영관과 가열을 위한 전기로가 일체화된 이동식 구조로 구성되어 시험편의 탈·부착을 용이하게 하고, 석영관과 풀로드 사이에 구비되는 금속 벨로우즈의 탄성 변형을 통해 시험중 시험편의 미소 변형을 수용하도록 하여 시험편에 가해질 수 있는 하중의 변동을 방지함으로써, 크리프 시험을 보다 용이하고 정확하게 수행할 수 있는 크리프 시험 장치를 제공하는 데에 있다.

또한, 석영관 챔버 내에 고온산화 저항성이 좋은 재질의 방열판을 설치하여 복사열로 인한 급격한 열의 이동을 방지하고, 석영관의 양단을 전기로의 상하 외부까지 충분히 길게 노출시키며, 석영관의 양단부에 냉각 자켓을 설치하는 동시에, 풀로드 내부에 형성된 냉각수통로를 통해 냉각수를 순환시킴으로써, 고온 가열에 따른 열응력에 의해 석영관 양단이 파손되는 것을 방지하여 장비 교체에 따른 비용을 절감하고 재시험에 따른 시간 및 비용 손실을 예방하는 데에 또다른 목적이 있다.

상기의 목적을 달성하기 위한 기술적 사상으로서의 본 발명은, 중앙부에 시험편을 고정시키는 시험편 홀더가 구비되어 있는 풀로드와; 내부에 상기 풀로드를 관통시키도록 구비되는 석영관과; 상기 석영관의 외벽 둘레에 상기 석영관과 일체 로 결합되도록 구성되는 전기로와; 상기 전기로를 상하로 이동시키는 전기로 이동수단과; 상기 풀로드와 연결되어 상기 풀로드의 시험편 홀더에 고정된 시험편에 하중을 부과하는 부하장치와; 상기 풀로드와 직렬로 연결되어 상기 부하장치로부터 시험편에 가해지는 하중을 감지하는 로드셀과; 시험편의 크리프 거동에 따른 상기 풀로드의 미소 변위를 감지하는 미소변위측정기와; 상기 석영관 내로 헬륨가스를 주입하는 가스공급장치; 및 상기 크리프 시험 장치를 구성하는 각 장치들을 제어하는 제어부;를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 헬륨 분위기용 일정-하중 크리프 시험 장치를 제공한다.

본 발명에 따른 크리프 시험 장치는 전기로와 석영관 일체를 이동식 구조로 구비하여 석영관 외부로 노출된 시험편 홀더에 시험편을 용이하게 탈·부착할 수 있어, 작업 시간을 단축시키고 장치를 소형화하여 비용을 절감할 수 있는 효과가 있다.

또한, 본 발명은 시험 중 시험편의 미소 변형을 금속 벨로우즈 자체의 탄성 변형만으로 수용할 수 있도록 하여 시험편에 가해질 수 있는 하중의 변동을 방지하고 정확한 실험 결과를 얻을 수 있는 효과도 있다.

또한, 본 발명은 구조적으로 취약한 석영관 양단을 효율적으로 냉각시켜 석영관이 열응력에 의해 파손되는 것을 방지함으로써, 보다 안전하고 정확한 시험을 수행하고 장치 교체에 따른 비용 손실을 절감할 수 있는 효과가 있다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부 도면에 의거하여 상세하게 설명하기로 한다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 헬륨 분위기용 일정-하중 크리프 시험 장치의 구성을 나타내는 개략도이고, 도 2는 도 1에 도시된 크리프 시험 장치의 주요부에 대한 상세도이다.

도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 헬륨 분위기용 일정-하중 크리프 시험 장치는, 중앙부에 시험편(5)을 고정시키는 시험편 홀더(150)가 구비되어 있는 풀로드(pull rod; 100)와, 내부에 풀로드(100)를 관통시키도록 구비되는 석영관(quartz tube; 20)과, 석영관(20)의 외벽 둘레에 석영관(20)과 일체로 결합되도록 구성되는 전기로(furnace; 30)와, 전기로(30)를 상하로 이동시키는 전기로 이동수단(35)과, 풀로드(100)에 연결되어 풀로드(100)의 시험편 홀더에 고정된 시험편(5)에 일정 하중을 부과하는 부하장치(70)와, 풀로드(100)와 직렬로 연결되어 부하장치(70)로부터 시험편(5)에 가해지는 하중을 감지하는 로드셀(load cell; 31)과, 시험편(5)에 부착되어 시험편(5)의 온도를 감지하는 열전대(thermocouple; 91)와, 시험편(5)의 크리프 거동에 따른 풀로드(100)의 미소 변위를 감지하는 미소변위측정기(80)를 포함하여 구성된다.

또한, 석영관(20) 및 전기로(30)의 주위에는 석영관(20) 내로 헬륨가스를 주입하는 가스공급장치(200)와, 석영관(20)과 연결되어 석영관(20)으로부터 배출되는 헬륨가스의 유동을 확인하기 위한 기포발생장치(300)와, 석영관(20)과 연결되어 석영관(20) 내부의 공기를 배출시켜 진공상태로 만들어 주는 진공펌프(400)와, 상기 각 장치를 제어하는 제어부(500)와, 제어부(500)에 연결되어 수집된 시험 데이터를 저장하고 사용자에게 입·출력 인터페이스를 제공하는 사용자단말(510)이 구비된다.

풀로드(100)는 수직선 상에 일렬로 구비되는 상부 풀로드(110) 및 하부 풀로드(120)로 구성되는데, 상부 풀로드(110) 및 하부 풀로드(120)의 서로 대향하는 단부에는 각각 봉상 시험편(5)을 고정시키기 위한 시험편 홀더(150)가 구비된다. 상부 및 하부 풀로드(120)의 시험편 홀더(150)에는 통상 직경 6mm, 게이지 길이 30mm 정도의 소형 시험편(5)의 양단에 형성된 물림부가 각각 체결되며, 부하장치(70)로부터 가해지는 부하를 통해 시험편(5)에 일정한 인장력이 부과되어 크리프 시험을 수행하게 된다. 여기서, 상부 및 하부 풀로드(120)에 구비된 시험편 홀더(150)에 대한 상세한 구조는 후술하여 설명하기로 한다.

부하장치(70)는 상부 풀로드(110)의 상단과 연결되는 레버기구(미도시)와, 레버기구에 연결되어 레버비에 따른 간접적인 일정 하중을 상부 풀로드(110) 측에 부과하는 무게추(미도시)를 포함하여 구성되는데, 상부 풀로드(110) 상단과 부하장치(70) 사이에 로드셀(31)을 직렬로 연결시키고 로드셀(31)로부터 출력되는 하중치에 따라 부하장치(70)의 부하를 조절하여 정확한 목표 하중 값을 시험편(5)에 인가함으로써, 레버비에 의한 하중 부과 방식에 따라 발생할 수 있는 오차를 줄일 수 있다. 여기서, 로드셀(31)은 수소생산 초고온 가스로에 사용될 고온 구조물에 대한 크리프 시험시에 요구되는 실제 시험 하중을 정밀하게 측정할 수 있도록 200 kg용 로드셀을 사용하는 것이 바람직하다.

하부 풀로드(120)의 하단에는 드로우헤드 모터(draw head motor; 71)가 연결되어 부하장치(70)에 의해 일정 하중이 부과되는 상태에서 드로우헤드 모터(71)의 구동을 통해 하부 풀로드(120)를 잡아당겨 상부 풀로드(110)와 연결된 레버기구의 평형을 맞춰주게 된다.

전기로(30)는 내부에 중공부가 형성되어 있고 중공부를 지나 몸체의 상하를 관통하는 석영관(20)과 일체로 구성되어, 인가되는 전력에 의해 중공부 내에 위치하는 석영관(20) 부위를 가열시키게 된다.

전기로 이동수단(35)은 전기로(30)의 상하 이동을 안내하는 가이드봉(36)과, 전기로(30)에 체결되어 전기로(30)를 상하로 이동시키는 체인(37)을 포함하여 구성된다. 체인(37)은 한 쌍으로 구성되어 각 체인(37)의 일단이 전기로(30)의 상면에 각각 체결되고, 타단은 견인수단(미도시)에 연결되어 견인수단에 의해 체인(37)을 당겨주거나 풀어줌으로써 전기로(30)를 가이드봉(36)을 따라 상하로 이동시킬수 있다. 이때 전기로(30)와 일체로 구비되어 있는 석영관(20) 역시 가이드봉(36)을 따라 상하로 이동되는데, 석영관(20)의 하단이 상부 풀로드(110)와 하부 풀로드(120)의 사이를 지나도록 체인(37)을 당겨주게 되면, 석영관(20) 외부로 노출된 상부 풀로드(110) 및 하부 풀로드(120)의 시험편 홀더(150)에 새로 시험할 시험편(5)을 장착하거나 시험이 완료된 시험편(5)을 장착 상태에서 탈거하는 작업을 용이하게 수행할 수 있다.

이와 같이 본 발명에서는 수직형 크리프 시험기에서 주로 채용하는 전기로를 종래의 고정식이 아닌 이동식 구조로 구성함으로써, 석영관(20)과 일체로 구비된 전기로(30)를 들어올려 석영관(20) 외부로 노출된 풀로드(100)의 시험편 홀더(150)에 시험편(5)을 탈·부착할 수 있으며, 시험편 홀더(150) 부근의 공간을 개방시키기 위해 전기로(30)와 석영관(20)을 일부 해체할 필요 없이 비교적 넓은 공간에서 시험편 탈·부착 작업을 용이하게 수행할 수 있다.

석영관(20)은 내열성 및 내산성이 뛰어난 석영 재질로 제조된 관으로서, 전기로(30)의 내부를 상하로 관통하여 전기로(30)와 일체로 구비되는데, 크리프 시험시에 전기로(30)에 의해 석영관(20) 내에 위치한 시험편(5)이 약 950 ℃의 고온으로 가열되는 과정에서 석영관(20) 역시 가열되어 구조적으로 가장 취약한 양단부가 열응력에 의해 파괴되기 쉽다.

따라서, 석영관(20)의 상단 및 하단이 적어도 석영관(20) 직경의 1~2배 만큼 전기로(30)의 외부로 노출되도록 석영관(20)의 길이를 설계하여 전기로(30)와 일체로 결합하고, 전기로(30) 외부로 노출된 석영관(20)의 상단부 및 하단부에는 각 단부를 둘러싸는 상부 및 하부 냉각자켓(51, 52)을 구비하여, 전기로(30) 가동시에 석영관(20)의 양단부를 냉각수를 이용하여 충분히 냉각시키는 것이 바람직하다.

또한, 석영관(20) 내부를 관통하는 풀로드(100)의 양단부 내부에는 풀로드(100)의 중심부 방향으로 적절한 길이의 냉각수통로(131, 132)가 형성되도록 하여 크리프 시험 도중 냉각수통로(131, 132)를 통해 냉각수를 순환시킴으로써, 고온으로 가열되는 시험편 홀더(150) 부위로부터 풀로드(100)의 양단 방향으로 전해지는 전도열을 줄여주는 동시에 석영관(20)의 양단부와 인접한 풀로드(100)의 양단부를 충분히 냉각시키도록 하여 석영관(20)의 양단부 측으로의 열전달을 최소화시키 게 된다. 여기서, 냉각수통로(131, 132)를 통한 냉각수 순환 구조에 대해서는 후술하여 상세히 설명하기로 한다.

더불어, 석영관(20)의 내부에는 고온산화 저항성이 좋은 하스텔로이-X(Hastelloy-X) 재질의 차폐판(95)을 석영관(20) 중심부로부터 상부와 하부에 각각 설치하여 크리프 시험시 가장 고열에 도달하게 되는 석영관(20) 중심부로부터 석영관(20) 양단부로 전달되는 복사열의 급격한 이동을 방지해 줄 수 있다. 여기서, 차폐판(95)은 중앙부에 풀로드(100)를 관통시키기 위한 구멍이 형성되어 있는 환형판으로 구성되며, 상부 방향으로 전달되는 복사열이 하부 방향으로의 복사열보다 더 큰 점을 고려하여 석영관(20) 중심부로부터 상부에 설치되는 차폐판(95)의 개수를 하부에 설치되는 개수보다 더 많게 구비하는 것이 바람직하다(본 실시예에서는 상부의 차폐판을 3개, 하부의 차폐판을 1개로 구성하였음). 한편, 차폐판(95)의 외경을 석영관(20) 내경보다 약간 작게 하고, 차폐판(95)의 내경을 풀로드(100)의 외경과 거의 동일한 치수가 되도록 가공하여 차폐판(95)을 풀로드(100)에 끼워맞춰 고정되도록 설치할 수도 있다.

하부 냉각자켓(52)의 하부에는 다수의 단자가 형성되어 있는 단자부(60)가 구비되는데, 단자부(60)에 형성되는 단자들로는 시험편(5)에 부착되어 있는 열전대(91)와 제어부(500)를 연결해주기 위한 온도출력단자와, 가스공급장치(200)로부터 석영관(20) 내부로 헬륨가스를 공급받기 위한 가스주입단자와, 석영관(20) 내부로부터 기포발생장치(300) 측으로 헬륨가스를 배출시키기 위한 가스배출단자 및 진공펌프(400)에 연결되어 석영관(20) 내부의 공기를 배출시키기 위한 진공단자 등이 있다. 단자부(60)의 하부는 별도의 지지대(93)에 볼트 등의 체결 장치에 의해 고정된다.

하부 냉각자켓(52)과 단자부(60) 사이에는 하부 냉각자켓(52)을 단자부(60) 상에 체결 및 고정시키기 위한 클램프(92)가 설치되며, 각 냉각자켓(51, 52)과 석영관(20)의 결합부위와, 단자부(60)와 풀로드(100) 사이에는 다수의 오링(O-Ring; 97, 99)이 체결되어 석영관(20) 내부를 외부로부터 밀폐시켜 기밀을 유지해 준다.

상부 냉각자켓(51) 상부에는 상부 냉각자켓(51) 및 풀로드(100)와 각각 체결되어 크리프 시험시에 시간 경과에 따른 시험편(5)의 미소 변형률을 수용할 수 있는 금속 벨로우즈(metal bellows; 40)가 구비된다. 여기서, 금속 벨로우즈(40)와 풀로드(100)의 체결 부위에는 오링(98)을 구비하여 석영관(20)을 외부로부터 밀폐시키게 된다.

따라서, 크리프 시험을 시작하기 전 또는 완료 이후에는 클램프(92)를 풀어주고 금속 벨로우즈(40)와 풀로드(100) 사이에 체결된 오링(98)을 분리시켜 전기로(30) 및 석영관(20)과 함께 석영관(20)에 결합된 냉각자켓(51, 52) 일체가 자유롭게 상하 이동 가능한 상태로 만들어 주면, 석영관(20)의 상승에 따라 석영관(20) 외부로 노출된 시험편 홀더(150)에서 시험편(5)을 탈거하거나 시험편 홀더(150)에 시험편(5)을 용이하게 장착할 수 있다.

크리프 시험이 진행되는 동안 일정 하중이 인가되는 시험편(5)은 시간이 경과함에 따라 크리프 변형이 발생하게 되는데, 이 때 시험편(5)의 미소 변형에 따라 상부 풀로드(110)가 상승하면서 상부 풀로드(110)와 연결된 레버기구가 기울어지게 된다. 그러나, 풀로드(100)에는 석영관(20)의 밀폐를 위한 오링들(97, 98)이 체결되어 있으므로 오링들(97, 98)로부터 풀로드(100)에 가해지는 마찰력으로 인해 시험편(5)에 부과되는 하중에 변동이 생길 수 있다. 또한, 시험편(5)의 미소 변형에 따라 미소 변위가 발생하면 드로우헤드 모터(71)가 자동적으로 작동되어 하부 풀로드(120)를 당겨주어서 상부 풀로드(110)에 연결된 레버기구의 평형을 맞춰주게 되는데, 이 때 풀로드(100)에 체결된 오링들(97, 98)에 의한 마찰력으로 인해 시험편(5)에 부과되는 하중에 변동이 생길 수 있다.

따라서, 본 발명에서는 금속 벨로우즈(40)의 설치를 통해 크리프 시험 중 시간 경과에 따른 시험편(5)의 미소 변형을 금속 벨로우즈(40) 자체의 탄성변형으로 수용할 수 있도록 구성하여, 시험편(5)의 미소 변형시 금속 벨로우즈(40)가 탄성에 의해 늘어나고, 드로우헤드 모터(71)에 의해 풀로드(100)가 아래로 당겨질 때는 탄성에 의해 다시 원상태로 수축되도록 함으로써, 시험편(5) 미소 변형에 따른 풀로드(100)의 미소 변위에 마찰력이 발생하지 않도록 하여 시험편(5)의 크리프 거동에 영향이 없도록 하는 동시에 드로우헤드 모터(71)를 당겨주는 과정에서 발생할 수 있는 하중의 변동을 방지할 수 있다.

가스공급장치(200)는 헬륨가스가 저장되어 있는 가스용기(210)와, 가스용기(210)와 단자부(60)의 가스주입단자를 연결하는 가스라인(230) 및 가스라인(230) 상에 구비되어 헬륨가스의 유량을 단속하는 가스밸브(220)로 구성되는데, 가스라인(230) 상에는 레귤레이터(regulator; 미도시)와 유량계(미도시)를 구비하여 일정량의 헬륨가스가 석영관(20) 내로 주입되도록 헬륨가스의 유량을 제어하는 것이 바 람직하다.

기포발생장치(300)는 단자부(60)의 가스배출단자와 연결되어 있고 내부가 비어있는 보조용기(310)와, 보조용기(310)와 연결되어 석영관(20)으로부터 배출되는 헬륨가스의 흐름을 확인할 수 있도록 물이 채워져 있는 기포용기(bubble vessel; 320)로 구성되어, 초기 시험 시 진공펌프(400)와 연결된 밸브의 오작동으로 인해 기포용기(320)의 물이 석영관(20) 내로 역류하는 것을 방지할 수 있다.

제어부(500)는 로드셀(31), 열전대(91)로부터 출력되는 검출신호를 수신하며, 부하장치(70)와 드로우헤드 모터(71) 및 전기로(30)의 동작을 자동제어하고, 시험편(5)의 미소변위에 대한 신호를 미소변위측정기(80)로부터 수신하여 사용자단말(510)로 전달해준다.

사용자단말(510)은 시험 개시전에 사용자로부터 시험 관련 데이터를 입력받고, 시험시에는 제어부(500)로부터 시험편(5)의 미소변위 정보를 수신하여 크리프 변형률을 산출하고 이 값을 연속적으로 저장해 둠으로써, 시험 완료 후에 시간 경과에 따른 시험편(5)의 크리프 변형률 변화 등과 같은 시험 결과를 그래프 형태로 디스플레이해준다.

도 3은 도 2에 도시된 시험편 홀더의 구조를 나타내는 사시도이다.

앞서 언급한 바와 같이, 상부 풀로드(110) 및 하부 풀로드(120)의 서로 대향하는 단부에는 각각 봉상 시험편(5)을 고정시키기 위한 시험편 홀더(150)가 구비되는데, 일반적인 수직형 크리프 시험기에서는 나사 체결방식으로 시험편(5)을 고정 시키는 데에 반해 본 발명에서는 끼워맞춤식으로 시험편(5)을 용이하게 고정시킬 수 있는 구조로 구성된다.

본 실시예에 따른 시험편 홀더(150)는, 도 3에 도시된 바와 같이, 내부에 중공부(159)가 형성되어 있고, 시험편이 삽입되는 일측면에는, 시험편(5)을 삽입시킬 수 있는 삽입구(151)와, 삽입구(151)를 통해 삽입된 시험편(5)을 안착시키기 위한 단턱부(153)가 형성되어 있는 장착구(152)가 중공부(159)까지 관통되도록 형성되어 있다. 이와 같이 구성된 시험편 홀더(150)에 시험편(5)을 장착하기 위해서는 먼저 시험편 홀더(150)의 삽입구(151) 내로 시험편(5)을 삽입하고, 삽입된 시험편(5)을 장착구(152) 방향으로 수평 이동시킨 후 삽입 방향과 반대방향으로 시험편(5)을 잡아당겨주면, 시험편(5)의 물림부(5a)가 장착구(152)의 단턱부(153)에 끼워 맞춰지면서 안정적인 체결이 이루어게 되며, 이와 같은 삽입 과정은 상부 풀로드(110)에 구비된 시험편 홀더와 하부 풀로드(120)에 구비된 시험편 홀더 모두 동일하게 적용된다.

종래의 크리프 시험기에서는 소형 시험편(5)을 상부 풀로드(110)에 나사체결한 후 하부 풀로드(120)를 다시 시험편(5)에 나사체결하는 작업이 좁은 공간에서 이루어지기 때문에 시험편(5) 장착이 매우 번거롭고 어려운 반면에, 본 발명에서는 시험편(5)을 상·하부 풀로드(120)의 시험편 홀더(150)에 각각 끼워맞추는 방식으로 시험편(5)을 용이하게 장착할 수 있다.

이하, 상부 풀로드(110) 및 하부 풀로드(120) 측의 냉각수 순환 구조에 대하 여 설명하기로 한다.

도 4는 상부 풀로드 측의 냉각수 순환 구조를 나타내는 도면이고, 도 5는 하부 풀로드 측의 냉각수 순환 구조를 나타내는 도면이다.

상부 풀로드(110)의 경우에는, 도 4에 도시된 바와 같이, 석영관(20)의 상단을 둘러싸도록 구비되는 상부 냉각자켓(51)의 상·하부에 각각 냉각수 유입구(163, 161) 및 유출구(164, 162)가 형성되어 있고, 금속 벨로우즈(40)와 상부 풀로드(110)의 결합 부위와 상부 풀로드(110)의 상단부에도 각각 냉각수 유입구(165, 167)가 및 유출구(166, 168)가가 형성되어 있으며, 상부 풀로드(110)의 상단부에 형성된 냉각수 유입구(167) 및 유출구(168)는 상부 풀로드(110)의 내부에 상단부로부터 하부 방향으로 형성되어 있는 냉각수통로(131)와 연결되어 있다.

상부 풀로드(110) 측에서의 냉각수 순환 과정을 살펴보면, 먼저 상부 냉각자켓(51)의 하부로 유입된 냉각수는 상부 냉각자켓(51)의 내부를 순환하면서 상부 냉각자켓(51)과 결합되는 석영관(20)의 상단부를 냉각시킨 후 외부로 배출되며, 다시 상부 냉각자켓(51)의 상부로 유입되어 상부 풀로드(110)의 상부 냉각자켓(51)과의 결합 부위를 냉각시킨 후 배출된다. 이어서 냉각수는 금속 벨로우즈(40)와 상부 풀로드(110)의 결합 부위에 형성된 냉각수 유입구(165)로 유입되어 해당 부위의 상부 풀로드(110) 둘레를 순환하며 상부 풀로드(110)를 냉각시키고, 이어서 상부 풀로드(110)의 상단부에 형성된 냉각수 유입구(167)로 유입되어 상부 풀로드(110)의 냉각수통로(131)를 따라 상부 풀로드(110)의 길이 방향으로 순환하면서 상부 풀로드(110)의 석영관(20) 윗부분을 충분히 냉각시키고 배출된다. 배출된 냉각수는 다 시 상부 냉각자켓(51)의 하부로 유입되어 위의 과정을 반복한다.

한편, 하부 풀로드(120)의 경우에는, 도 5에 도시된 바와 같이, 석영관(20)의 하단을 둘러싸도록 구비되는 하부 냉각자켓(52)과 하부 풀로드(120)의 하단부에 각각 냉각수 유입구(175, 171) 및 유출구(176, 172)가 형성되어 있고, 하부 냉각자켓(52)의 하부에 구비되는 단자부(60)에 냉각수 유입 단자(173) 및 유출 단자(174)가 형성되어 있으며, 하부 풀로드(120)의 하단부에 형성된 냉각수 유입구(171) 및 유출구(172)는 하부 풀로드(120)의 내부에 하단부로부터 상부 방향으로 형성되어 있는 냉각수통로(132)와 연결되어 있다.

하부 풀로드(120) 측에서의 냉각수 순환 과정을 살펴보면, 하부 풀로드(120)의 하단부에 형성된 냉각수 유입구(171)로 유입되어 하부 풀로드(120)의 냉각수통로(132)를 따라 하부 풀로드(120)의 길이 방향으로 왕복하면서 하부 풀로드(120)의 하단부를 냉각시키고, 이어서 단자부(60) 내부와 하부 냉각자켓(52) 내부를 순서대로 거쳐 배출되며, 다시 하부 풀로드(120)의 하단부에 형성된 냉각수 유입구(171)로 유입되어 위의 과정을 반복한다.

이상과 같은 냉각 과정을 통해 크리프 시험 도중 고온으로 가열되는 시험편 홀더(150) 부위로부터 풀로드(100)의 양단 방향으로 전해지는 열을 차단시키는 동시에 석영관(20)의 끝단부로 전달되는 열을 최소화시킬 수 있다. 특히 하부보다는 상부 방향으로 더 많이 전달되는 복사열을 고려하여 상부 냉각자켓(51)의 내부를 두 차례 냉각수로 순환시킴으로써 냉각 효율을 보다 높일 수 있다.

도 6은 도 1에 도시된 크리프 시험 장치를 이용하여 얻어진 시험 결과 그래프로서, 고온 열교환기의 재료로 많이 사용되는 슈퍼알로이(A617) 재질의 시험편을 순수 헬륨 분위기(99.9995%)에서 950℃의 온도로 가열한 상태에서 35Mpa의 하중을 부과한 크리프 시험 결과를 나타내고 있다.

도 6에 나타난 크리프 변형률 그래프를 살펴보면, 초기의 제1 크리프 구간(i)과, 일정한 기울기를 보이는 제2 크리프 구간(ii) 및 급격한 기울기를 보이다 파단점에 이르는 제3 크리프 구간(iii)이 잘 나타나 있는 전형적인 크리프 변형률 선도를 보여주고 있다.

이상에서 기술한 본 발명의 일실시예에 따른 크리프 시험 장치를 이용한 크리프 시험 절차를 설명하면 다음과 같다.

먼저, 체인(37)을 당겨 전기로(30) 및 석영관(20) 일체를 상부로 이동시키고, 석영관(20) 외부로 노출된 시험편 홀더(150)에 시험편(5)을 체결한다.

이어서 시험편 홀더(150)에 열전대(91)를 부착시킨 후 체인(37)을 내려 전기로(30) 및 석영관(20) 일체를 하부로 이동시켜 시험편(5)의 석영관(20)의 내부 중앙에 위치하도록 한 상태에서 클램프(92)를 체결하여 장치를 고정시킨다.

이후, 진공펌프(400)로 석영관(20) 내부로부터 공기를 배기시킨 후 다시 헬륨을 주입하는 방식을 3~4회 반복하여 석영관(20) 내부를 불순물이 없는 순수 헬륨 분위기로 만든다.

이어서, 석영관(20) 내에 일정한 유량의 헬륨가스를 주입하면서 기포발생장 치(300)를 통해 헬륨가스의 흐름을 확인한다.

이후, 냉각수 밸브를 개방하고, 전기로(30)를 가동하여 목표 온도까지 시험편(5)을 가열한 후 1시간 동안 유지시키면서 시험편(5)의 온도를 안정화시킨다.

시험편(5)의 온도가 목표 온도로 안정화되면, 제어부(500) 및 사용자단말(510)의 전원을 켜고 시험 프로그램을 실행시켜 재질, 온도, 시험하중 등 각종 시험 관련 정보를 입력하고, 부하장치(70)에서 발생시킬 레버비에 따른 하중을 계산하여 시험편(5)에 하중을 부과한다.

이어서, 로드셀(31)의 출력 신호를 확인하여 실하중값이 목표 하중과 일치하게 되면 사용자단말(510)에 시험 결과를 기록하기 시작하며, 시험 완료 후 사용자단말(510)에 출력되는 시험 결과 데이터를 검토한다.

이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백하다 할 것이다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 헬륨 분위기용 일정-하중 크리프 시험 장치의 구성을 나타내는 개략도.

도 2는 도 1에 도시된 크리프 시험 장치의 주요부에 대한 상세도.

도 3은 도 2에 도시된 시험편 홀더의 구조를 나타내는 사시도.

도 4는 상부 풀로드 측의 냉각수 순환 구조를 나타내는 도면.

도 5는 하부 풀로드 측의 냉각수 순환 구조를 나타내는 도면.

도 6은 도 1에 도시된 크리프 시험 장치를 이용하여 얻어진 시험 결과 그래프.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

5 : 시험편 20 : 석영관

30 : 전기로 31 : 로드셀

35 : 전기로 이동수단 36 : 가이드봉

37 : 체인 40 : 금속 벨로우즈

51, 52 : 냉각자켓 60 : 단자부

70 : 부하장치 71 : 드로우헤드 모터

80 : 미소변위측정기 91 : 열전대

92 : 클램프 93 : 지지대

95 : 차폐판 97, 98, 99 : 오링

100 : 풀로드 131, 132 : 냉각수통로

150 : 시험편 홀더 200 : 가스공급장치

300 : 기포발생장치 310 : 보조용기

320 : 기포용기 400 : 진공펌프

500 : 제어부 510 : 사용자단말

161, 163, 165, 167, 171, 175 : 냉각수 유입구

162, 164, 166, 168, 172, 176 : 냉각수 유출구

Claims

중앙부에 시험편(5)을 고정시키는 시험편 홀더(150)가 구비되어 있는 풀로드(100)와;

내부에 상기 풀로드(100)를 관통시키도록 구비되는 석영관(20)과;

상기 석영관(20)의 외벽 둘레에 상기 석영관(20)과 일체로 결합되도록 구성되는 전기로(30)와;

상기 전기로(30)를 상하로 이동시키는 전기로 이동수단(35)과;

상기 풀로드(100)와 연결되어 상기 풀로드(100)의 시험편 홀더(150)에 고정된 시험편(5)에 하중을 부과하는 부하장치(70)와;

상기 풀로드(100)와 직렬로 연결되어 상기 부하장치(70)로부터 시험편(5)에 가해지는 하중을 감지하는 로드셀(31)과;

시험편(5)의 크리프 거동에 따른 상기 풀로드(100)의 미소 변위를 감지하는 미소변위측정기(80)와;

상기 석영관(20) 내로 헬륨가스를 주입하는 가스공급장치(200); 및

상기 크리프 시험 장치를 구성하는 각 장치들을 제어하는 제어부(500);

를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 헬륨 분위기용 일정-하중 크리프 시험 장치.
제 1항에 있어서,

상기 전기로 이동수단(35)은,

상기 전기로(30)의 상하 이동을 안내하는 가이드봉(36)과;

상기 전기로(30)에 체결되어 상기 전기로(30)를 상하로 이동시키는 체인(37)을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 헬륨 분위기용 일정-하중 크리프 시험 장치.
제 1항에 있어서,

상기 크리프 시험 장치는,

상기 제어부(500)에 연결되어 수집된 시험 데이터를 저장하고, 사용자에게 입·출력 인터페이스를 제공하는 사용자단말(510)을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 헬륨 분위기용 일정-하중 크리프 시험 장치.
제 1항에 있어서,

상기 크리프 시험 장치는,

상기 석영관(20)과 연결되어 있고 내부가 비어있는 보조용기(310)와, 상기 보조용기(310)와 연결되어 상기 석영관(20)으로부터 배출되는 헬륨가스의 흐름을 확인할 수 있도록 물이 채워져 있는 기포용기(320)를 포함하는 기포발생장치(300)를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 헬륨 분위기용 일정-하중 크리프 시험 장치.
제 1항에 있어서,

상기 석영관(20)은,

상단 및 하단이 상기 전기로(30)의 외부로 적어도 상기 석영관(20) 직경의 1~2배 만큼 노출되도록 구성되는 것을 특징으로 하는 헬륨 분위기용 일정-하중 크리프 시험 장치.
제 5항에 있어서,

상기 전기로(30) 외부로 노출된 상기 석영관(20)의 상단부 및 하단부에는 상기 각 단부를 둘러싸는 상부 및 하부 냉각자켓(51, 52)이 구비되어, 상기 상부 및 하부 냉각자켓(51, 52) 내부로 각각 냉각수가 순환되는 것을 특징으로 하는 헬륨 분위기용 일정-하중 크리프 시험 장치.
제 6항에 있어서,

상기 상부 냉각자켓(51)의 상부에는,

하단이 상기 상부 냉각자켓(51)과 체결되고, 상단은 상기 풀로드(100)와 체결되는 금속 벨로우즈(40)가 구비되는 것을 특징으로 하는 헬륨 분위기용 일정-하중 크리프 시험 장치.
제 1항에 있어서,

상기 석영관(20)의 내부에는,

상기 석영관(20) 중심부로부터 상부와 하부에 각각 위치하도록 차폐판(95)이 설치되는 것을 특징으로 하는 헬륨 분위기용 일정-하중 크리프 시험 장치.
제 1항에 있어서,

상기 시험편 홀더(150)는,

내부에 중공부(159)가 형성되어 있고,

시험편이 삽입되는 일측면에는, 시험편(5)을 삽입시킬 수 있는 삽입구(151)와, 상기 삽입구(151)를 통해 삽입된 시험편(5)을 안착시키기 위한 단턱부(153)가 형성되어 있는 장착구(152)가 상기 중공부(159)까지 관통되도록 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 헬륨 분위기용 일정-하중 크리프 시험 장치.