KR20100104928A - Method of preventing initiation of primary water stress corrosion cracking of ni-base alloy for nuclear power plant - Google Patents

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Abstract

PURPOSE: A method of preventing the initiation of primary water stress corrosion cracking of Ni-base alloy structural components in a nuclear power plant is provided to prevent additional contraction because the regularization of Ni-base alloy is completed before exposure to the operating environment of the nuclear power plant. CONSTITUTION: A method of preventing the initiation of primary water stress corrosion cracking of Ni-base alloy structural components in a nuclear power plant comprises a step of maintaining Ni-base alloy at 400~520°C for 0.5~200 hours for regularization, wherein the Ni-base alloy comprises Alloy 600, Alloy 690, Weld 182, Weld 82, Weld 152, Weld 52, and Weld 52M.

Description

니켈-베이스 합금 원전 구조재의 1차 계통수 응력 부식 균열 개시 방지 방법{Method of Preventing Initiation of Primary Water Stress Corrosion Cracking of Ni-base Alloy for Nuclear Power Plant}Method of Preventing Initiation of Primary Water Stress Corrosion Cracking of Ni-base Alloy for Nuclear Power Plant

본 발명은 원자로를 구성하는 니켈-베이스 합금의 부품과 상기 부품을 연결하는 용접 재료인 니켈-베이스 합금의 원전 1차수 응력부식균열 (primary water stress corrosion cracking, 이하, PWSCC) 개시 방지방법에 관한 것으로, 더 상세하게는 원자로의 부품으로 사용되는 Alloy 600 및 그 용접 금속 Weld 182/82/132, Alloy 690 및 그 용접 금속 Weld 152/52/52M의 니켈 베이스 합금을 원전 1차수 환경에 노출시키기 전에 규칙화 열처리로 규칙화를 완성시킨 후, 원전 1차수의 환경에 노출시켜 원자로 정상 가동 상태에서는 규칙화에 의한 추가적인 결정의 수축이 일어나지 않도록 하여 PWSCC가 발생되지 않도록 하는 니켈-베이스 합금 원전 구조재의 1차 계통수 응력 부식 균열 개시 방지방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method for preventing the initiation of primary water stress corrosion cracking (PWSCC) of a nickel-base alloy constituting a nuclear reactor and a nickel-base alloy which is a welding material connecting the parts. In more detail, the nickel base alloys of Alloy 600 and its weld metal Weld 182/82/132, Alloy 690 and its weld metal Weld 152/52 / 52M, which are used as part of nuclear reactors, are to be subjected to After completion of the regularization by heat treatment, the primary structure of the nickel-base alloy nuclear power plant structure which is exposed to the environment of the first nuclear power plant to prevent PWSCC from occurring due to the shrinkage of additional crystals due to regularization in the normal operation of the nuclear reactor. It relates to a method for preventing systematic stress corrosion cracking initiation.

Alloy 600은 원자로 증기발생기(steam generator) tube, CRDM (control rod driving mechanism) nozzle, BMI (bottom mounted instrumentation) nozzle 등의 여러 구조 재료로 사용되고, 이 Alloy 600 및 스테인리스강을 포함한 다른 금속의 용접에는 Weld 182/82/132 용접 금속이 사용되며, 이들 용접 부위를 이종 금속 용접부라고 한다. 이들 재료는 PWSCC (primary water stress corrosion cracking) 기구에 의한 손상으로 관통 균열이 형성되고 원자로 1차 냉각수 누설을 일으킨 바 있다. 이 손상 기구는 1970년대까지는 실험적으로 잘 재현되지 않아, 현재 전 세계에서 가동 중인 상용 원자로가 설계될 때에는 이 손상에 대한 대비책이 반영되지 않았다. Alloy 600 is used in many structural materials, such as reactor steam generator tubes, CRDM (control rod driving mechanism) nozzles, and bottom mounted instrumentation (BMI) nozzles. Weld is used for welding other metals, including Alloy 600 and stainless steel. 182/82/132 weld metals are used, and these welds are called dissimilar metal welds. These materials have been through cracks due to damage caused by PWSCC (primary water stress corrosion cracking) mechanisms and have caused primary reactor coolant leakage. The damage mechanism was not well reproduced experimentally until the 1970s, and no countermeasures against this damage were taken into account when designing commercial reactors currently in operation around the world.

따라서 이 손상 기구로 인하여 원자로 1차 냉각수가 누설되어도 즉각적인 탐지가 불가능한 상황이므로 최근 원자로 설계에 사용한 LBB (leak before break) 개념의 유효성에 대한 의문을 제기하고 있다. 이 손상이 중요한 이유는 원자로의 1차 측 경계 부위에 채택된 이종 금속 용접부의 PWSCC 손상으로 방사성 물질이 원자로 외부로 유출되는 문제를 유발한다는 것이다. Therefore, due to this damage mechanism, it is impossible to detect the primary reactor coolant immediately, which raises the question of the effectiveness of the LBB (leak before break) concept used in the recent reactor design. The reason this damage is important is that PWSCC damage of dissimilar metal welds adopted at the primary side boundary of the reactor causes radioactive material to leak out of the reactor.

상기 PWSCC 현상은 저 부식성 수질로 알려진 원전 1차 계통수에서 입계 응력 부식 균열 (intergranular stress corrosion type, IGSCC) 형태로 발생하는 것이 특이하다. 상기 PWSCC 현상은 1차 계통수에서 발생한다는 것을 제외하고는 다른 SCC 현상과 유사하게 응력이 높아지면 전파 속도가 빨라진다. 즉, 응력은 PWSCC의 구동력이다. 실제로 PWSCC가 발생한 원전 부품의 설계 응력은 PWSCC를 재현하기 위하여 필요한 응력의 1/4 이하이다. 그럼에도 불구하고 PWSCC가 발생하므로 PWSCC가 발생한 부위에는 잔류응력이 작용했으며, 이와 동시에 산화(oxidation)나 양극 용해(anodic dissolution)가 일어났기 때문이라고 추정되어 왔다.The PWSCC phenomenon is peculiar to occur in the form of intergranular stress corrosion type (IGSCC) in the primary plant water known as low corrosive water quality. The PWSCC phenomenon is similar to other SCC phenomenon except that the PWSCC phenomenon occurs in the first branched tree, and as the stress increases, the propagation speed increases. In other words, the stress is the driving force of the PWSCC. In fact, the design stress of the nuclear power plant component in which the PWSCC is generated is less than 1/4 of the stress required to reproduce the PWSCC. Nevertheless, since PWSCC is generated, residual stress acts on the site where PWSCC is generated, and at the same time, it is presumed that oxidation or anodic dissolution occurred.

Alloy 600은 600℃에서 24시간 정도 유지되면 결정립계에 충분한 양의 탄화물이 석출한다. 이때 결정 입계의 Cr 농도가 낮아지고, 이로 인해 입계의 부식 저항성이 낮아지는 현상을 예민화(sensitization)라고 부른다. 이 설명은 결정입계의 부식 저항성이 낮은 이유를 설명한 효시이다. 그러나 최근 예민화된 Alloy 600이 원자로 1차수 가동 환경에서 가장 예민하지 않다는 것이 확인되었다. 이것은 PWSCC 현상이 결정립계의 취약성만으로 설명되지 않는다는 것을 의미한다. 즉, Alloy 600의 PWSCC는 적어도 Cr 고갈만으로는 설명할 수 없는 현상이다.Alloy 600 precipitates a sufficient amount of carbides at grain boundaries after 24 hours at 600 ° C. At this time, the Cr concentration of the grain boundary is lowered, and thus the corrosion resistance of the grain boundary is lowered, which is called sensitization. This explanation is the first explanation for the reason why the grain boundary has low corrosion resistance. Recently, however, it was confirmed that Alloy 600 was the least sensitive in the reactor primary operating environment. This means that the PWSCC phenomenon is not explained solely by grain boundaries. That is, PWSCC of Alloy 600 cannot be explained at least by Cr depletion alone.

또한 PWSCC는 온도가 높아지면 전파 속도가 빨라지는 열적활성화 과정이다. 즉, PWSCC 과정에는 온도의 증가에 따라 속도가 빨라지는 반응이 개입되어 있다는 뜻이다. 원전 가동 경험에 따르면, 이 활성화 에너지는 어떤 과정으로 결정되느냐에 따라 다르지만 40~50kcal/mole로 보고되고 있다. 그러나 현재까지 이 열적 활성화 과정의 실체에 대해서는 그 타당성을 인정받는 제안이 거의 없는 실정이다.In addition, PWSCC is a thermal activation process where the speed of propagation increases as the temperature increases. This means that the PWSCC process involves a reaction that increases in speed with increasing temperature. Experience has shown that this activation energy is reported at 40-50 kcal / mole, depending on how it is determined. However, to date, very few proposals have been validated for the substance of this thermal activation process.

상기 PWSCC현상에 따른 취약점을 갖고 있는 Alloy 600이나 Weld 182를 대신하여 최근에는 PWSCC에 높은 저항성을 갖는 Alloy 690과 그 용접 재료인 Weld 152/52/52M 등이 개발되었다. 그러나 이들 합금은 화학 조성의 측면에서 Alloy 600이나 Weld 182와 유사하므로 원전 가동 온도에서 규칙화 반응이 일어나며, 조건에 따라서는 PWSCC가 발생하는 것으로 보고되었다. In place of Alloy 600 or Weld 182, which are vulnerable to the PWSCC phenomenon, Alloy 690 and its welding material Weld 152/52 / 52M, which have high resistance to PWSCC, have recently been developed. However, since these alloys are similar to Alloy 600 or Weld 182 in terms of chemical composition, it is reported that a regularization reaction occurs at the reactor operating temperature and PWSCC occurs depending on the conditions.

열역학적으로 물질은 서로 섞여 엔트로피를 높임으로써 계의 에너지를 낮춘다. 그러나 특정 합금에서만 일어나는 규칙화 반응은 특정 원자가 특정 위치에 반복적으로 놓임으로써 열역학적인 안정성을 갖는 현상을 말한다. 즉, 특정 원자 간의 특정한 결합으로 특정 원자가 특정 위치에 일정하게 배열하여 엔트로피는 낮아지지만, 특정 원자 간의 결합수의 증가에 의하여 합금 계의 열역학적 총에너지를 낮추는 것이다. Thermodynamically, materials mix with each other to increase entropy, which lowers the energy of the system. However, the ordering reaction that occurs only in certain alloys refers to a phenomenon in which a particular atom is thermodynamically stable by repeatedly placing it at a specific position. That is, although specific atoms are uniformly arranged at specific positions due to specific bonds between specific atoms, the entropy is lowered, but the total energy of the alloy system is lowered by increasing the number of bonds between specific atoms.

규칙 반응은 임계 온도 (critical temperature, Tc) 이하에서는 규칙 결합이 안정하여 규칙 적인 배열을 이루지만, 재료가 Tc 이상으로 가열되면 규칙 결합이 불안정하여 구성 원자의 구분없이 무질서하게 섞이며 이를 불규칙화 반응이라고 한다. Alloy 600이나 Weld 182 등은 520℃ 이하에서는 규칙화 반응이 일어나고 600 ℃에서는 불규칙화 반응이 일어나는 것으로 판단된다.The regular reactions form a regular array because the regular bonds are stable below the critical temperature (Tc), but when the material is heated above Tc, the regular bonds become unstable and are mixed randomly without distinguishing constituent atoms. It is called. Alloy 600, Weld 182, etc. are considered to have a regularization reaction below 520 ℃ and irregularization reaction at 600 ℃.

Alloy 600 등의 원전 구조재 니켈 베이스 합금에는 Ni-Cr계에서 형성되는 Ni2Cr (Ni-33 at %Cr) 규칙 구조 기본으로 하는 규칙 반응이 일어나는 것으로 보고되고 있다. Ni2Cr 합금에서는 규칙 반응으로 장범위 규칙상(long range order, LRO)이 형성되면 초격자 peak이 나타나고 (111) 면간 거리가 0.4%까지 수축한다. It is reported that in the nuclear structural nickel base alloy such as Alloy 600, a regular reaction based on the Ni 2 Cr (Ni-33 at% Cr) regular structure formed in the Ni-Cr system occurs. In Ni 2 Cr alloy, when long range order (LRO) is formed by regular reaction, superlattice peak appears and (111) interplanar distance shrinks to 0.4%.

그에 반하여 Alloy 600 등의 니켈 베이스 원전 구조 재료의 주요 조성은 Ni, Cr, Fe의 3개 원소라고 할 수 있으며, 이 합금들에서는 Ni2Cr 구조와 유사한 Ni2(CrFe)의 구조를 형성한다는 것이다. 이 경우 투과전자현미경으로는 fringe로만 보이고, 초격자 peak은 나타나지 않는다. 이것은 Ni2Cr과 같은 장범위 규칙상을 형성하지 못하고 단범위 규칙상 (short range order, SRO)을 형성하기 때문으로 보인다. 그러나 SRO 상의 분률은 높아 80% 이상을 차지할 것으로 추정된다. 이것이 Alloy 600 등의 니켈-베이스 원전 재료에서 규칙 반응의 존재가 잘 알려지지 않은 원인이라고 할 수 있다.In contrast, the main composition of nickel-based nuclear structure materials, such as Alloy 600, is three elements, Ni, Cr, and Fe, and these alloys form a Ni 2 (CrFe) structure similar to the Ni 2 Cr structure. . In this case, the transmission electron microscope showed only fringes, and no superlattice peak appeared. This seems to be because it does not form a long range rule phase such as Ni 2 Cr, but rather a short range order (SRO). However, the fraction of SRO is high, accounting for more than 80%. This is the reason why the existence of regular reaction is not well known in nickel-based nuclear materials such as Alloy 600.

따라서 본 발명은 원전 가동 온도보다는 높고 불규칙화가 일어나지 않는 520℃보다는 낮은 온도에서 미리 규칙화가 완성되도록 함으로써 1차 계통수 환경에서 가동 중 결정의 수축에 의한 입계의 벌어짐이나 응력의 발생을 억제시킴으로써 결정의 수축이나 추가적인 응력 발생을 억제시킴으로써 PWSCC 개시를 방지하는 것이 목적이다.Therefore, the present invention is to shrink the crystal by suppressing the opening of the grain boundary or stress caused by the shrinkage of the crystal during operation in the primary system environment by allowing the regularization is completed at a temperature lower than 520 ℃ that is higher than the operating temperature of the nuclear power plant and does not occur irregularities However, it is an object to prevent the initiation of PWSCC by suppressing the occurrence of additional stress.

상기의 규칙화 열처리는 규칙화 열처리를 거치지 않고 원전 1차 가동 환경에 노출되었던 원전의 니켈 베이스 합금의 부품이나 용접부에서도 같은 효과가 발생할 것으로 예상된다. 왜냐하면, 원전 가동 온도에서의 규칙화 속도는 규칙화 처리에 비하여 매우 느리게 일어나기 때문에 규칙화 처리 전에 원전 1차수 환경에 노출된 경우에도 규칙화 반응이 완성되지 않아 규칙화 반응이 추가적으로 발생할 여지를 가지고 있으므로, 규칙화 처리 전에 원전 1차수 환경에 부품에 적용하여도 규칙화가 가속되어 완성될 것이기 때문이다. The ordered heat treatment is expected to produce the same effect in the parts or welded parts of the nickel base alloy of the nuclear power plant that was exposed to the primary operating environment of the nuclear power plant without undergoing the ordered heat treatment. Because the rate of normalization at the operating temperature of the nuclear power plant is very slow compared to the regularization process, even when exposed to the nuclear power plant environment prior to the regularization process, the normalization reaction is not completed and there is room for additional regulation. In this case, even if the components are applied to the nuclear reactor primary environment before the regularization process, the regularization will be accelerated and completed.

상기의 규칙화 열처리가 가지는 독특한 장점은 다음과 같다. 대부분의 재료는 압연, 기계적 가공, 용접 등의 가공 과정에서 미세조직이 변화하고, 재료 내부 에는 전위 등의 결함이 형성되고, 잔류응력이 형성되는 것으로 알려져 있다. 이들이 재료나 부품의 성능에 결정적인 영향을 미치는 경우에는 열처리 후 사용된다. 아울러 원자로에 사용되는 부품들 중에도 가공 후 후 열처리를 거친 다음 사용되는 경우가 많다. 그러나 열처리가 가능한 지의 여부는 구조물의 크기가 열처리가 가능한 지의 여부나 제작 규격(manufacture specification)에 따라 결정된다고 할 수 있다. Unique advantages of the above-described regular heat treatment are as follows. It is known that most materials change the microstructure during processing such as rolling, mechanical processing, welding, defects such as dislocations, and residual stress. If these have a critical impact on the performance of the material or part, they are used after the heat treatment. In addition, many components used in nuclear reactors are used after undergoing heat treatment after processing. However, whether or not the heat treatment is possible can be said that the size of the structure is determined by whether or not the heat treatment is possible (manufacture specification).

가공 과정에서 발생하는 문제를 해결하기 위하여 실시하는 후 열처리 온도는 사용 재료나 부품에 따라 달라지지만 일반적으로 600 ~ 700℃ 정도에서 처리할 필요가 있다. 그러나 이 열처리 온도로 가열하는 동안 구조물의 미세조직이 변화하여 물성이 달라지거나, 재료에 따라서는 후 열처리 온도로 가열하면서 결정립계에 탄화물이 석출하여 예민화되는 등의 치명적인 문제를 유발하게 된다. 더구나, 스테인리스강이나 Alloy 600 등의 니켈 베이스 합금들은 550℃ 이상에서 유지되면 결정립계에 탄화물이 형성되어 부식에 대한 예민성이 높아지는 것으로 알려져 있다. In order to solve the problems that occur during processing, the heat treatment temperature after the implementation depends on the materials and components used, but generally needs to be treated at about 600 ~ 700 ℃. However, during heating to this heat treatment temperature, the microstructure of the structure is changed to change the physical properties, or depending on the material causes a fatal problem, such as carbides precipitate at the grain boundary while heating to the post-heat treatment temperature. In addition, nickel base alloys such as stainless steel and Alloy 600 are known to increase carbide susceptibility to corrosion by forming carbides at grain boundaries when maintained at 550 ° C. or higher.

탄화물이 형성되어 부식에 대해 예민하게 하는 조건은 Alloy 600의 경우 600℃ 24시간으로 알려져 있으며 재료의 상태, 종류에 따라 달라진다. 따라서 물리적으로 열처리가 가능한 경우에도 600℃ 이상에서 열처리 하는 것은 열처리가 가져다주는 이점 이외에도 상당한 부작용을 초래하기 때문에 잘 선택되지 않았다. The conditions under which carbides are formed and are sensitive to corrosion are known at 600 ° C for 24 hours for Alloy 600 and depend on the type and condition of the material. Therefore, even if physical heat treatment is possible, heat treatment at 600 ° C. or more is not well selected because it causes significant side effects in addition to the advantages of heat treatment.

이를 감안하면 대표적인 원전 구조재료인 스테인리스강, 저합금강, 니켈-베이스 합금에 대한 520℃ 이하에서의 규칙화 처리는 이들 재료의 미세조직 및 물성의 변화를 피하면서 PWSCC 개시를 방지할 수 있다는 측면에서 매우 독특하고 유용 하다고 할 것이다.In view of this, the ordering treatment at 520 ° C. or below for the representative nuclear power plant structural materials such as stainless steel, low alloy steel, and nickel-base alloys can prevent the initiation of PWSCC while avoiding the microstructure and physical properties of these materials. It is very unique and useful.

상기 과제를 해소하기 위한 본 발명의 니켈-베이스 합금 원전 구조재의 PWSCC 개시 방지방법은,The method for preventing PWSCC start of the nickel-base alloy nuclear power plant structural material of the present invention for solving the above problems,

원자로를 구성하는 배관을 포함하는 부품과 상기 부품을 연결하는 용접 재료인 니켈-베이스 합금을 규칙화 처리하여 PWSCC 개시를 방지하는 방법에 있어서, 니켈-베이스합금을 400 ~ 520 ℃에서 0.5 ~ 200 시간 유지하여 규칙화가 이루어지도록 한다. In the method for preventing the PWSCC initiation by regular treatment of the parts including the piping constituting the reactor and the nickel-base alloy which is a welding material connecting the parts, the nickel-base alloy is 0.5 to 200 hours at 400 ~ 520 ℃ To ensure regularization.

상기 니켈-베이스합금은 Alloy 600, Alloy 690, Weld 182, Weld 82, Weld 152, Weld 52, Weld 52M로 이루어진 군으로부터 선택 사용되며, 규칙화 반응 속도는 400 ~ 520 ℃ 온도 구간에서도 온도에 따라 달라지지만, 규칙화 온도 구간 내에서도 규칙화 속도가 상대적으로 큰 480 ~ 520℃의 온도 구간에서 시간당 5~10℃로 가열 및 냉각이 이루어지도록 하는 것이다. The nickel-base alloy is selected from the group consisting of Alloy 600, Alloy 690, Weld 182, Weld 82, Weld 152, Weld 52, Weld 52M, and the ordering reaction rate varies depending on the temperature even in the temperature range of 400 ~ 520 ℃ However, even within the regular temperature range, the heating and cooling is performed at 5 to 10 ° C. per hour in a temperature range of 480 to 520 ° C. where the rate of regularization is relatively high.

또한, 상기 니켈-베이스합금으로 제조된 부품의 규칙화 열처리는 배관 부품의 내부나 외부 중 한 쪽 부위에 규칙화 처리 온도 구간 이상으로 열을 가하여 다른 쪽 부위의 온도를 상기 온도구간으로 유지시켜 규칙화시키는 단계와; 상기 온도 구간 이상으로 열을 가하여 불규칙화 온도로 유지된 한 쪽 부위를 온도를 낮추는 과정에서 규칙화 처리 온도구간으로 유지하는 단계를 포함하여 다단의 열처리 과정으로 이루어진다.In addition, the ordered heat treatment of the parts made of the nickel-based alloy is applied to heat one or more of the inside or outside of the piping parts over the regularized temperature section to maintain the temperature of the other site to the temperature section Oxidizing; The heat treatment is performed in a multi-stage process, including the step of maintaining one side that is maintained at an irregular temperature by applying heat above the temperature section to a regular treatment temperature section in the process of lowering the temperature.

이상에서 상세히 기술한 바와 같이 본 발명의 니켈-베이스 합금 원전 구조재의 1차 계통수 응력 부식 균열 개시 방지방법은, 원자로의 부품으로 사용되는 니켈 베이스 합금의 규칙화를 완성시켜 원전 가동 환경에 노출시켜 가동함으로써 원전의 가동 환경에서 규칙화에 의한 추가적인 결정의 수축을 방지하여 PWSCC가 발생되지 않도록 함으로써 안정적인 원전 운전과 이용이 가능하도록 한 것이다.As described in detail above, the method for preventing the first systematic water stress corrosion cracking initiation of the nickel-based alloy nuclear power plant structural material of the present invention completes the regularization of the nickel-based alloy used as a component of a nuclear reactor and exposes it to a nuclear power plant operating environment. By preventing the shrinkage of the additional crystals by regularization in the operating environment of the nuclear power plant, PWSCC is not generated to enable stable operation and use of the nuclear power plant.

특히 원전에 사용되는 배관 재료와 같이 내면에 방사능이 다량 포함될 경우 고가의 장비를 배관 내부에 투입하거나 내부에 직접 들어가지 않고도 외부로부터 열처리하여 규칙화가 이루어지도록 함으로써 시설 유지 보수비용을 절감시키고 작업안정성을 향상시킨 유용한 방법의 제공이 가능하게 된 것이다.In particular, if the inner surface contains a large amount of radiation, such as piping materials used in nuclear power plants, expensive equipment can be heat-treated from the outside without putting it inside the pipe or directly inside, thereby reducing facility maintenance costs and improving work stability. It is possible to provide an improved useful method.

본 발명의 니켈-베이스 합금 원전 구조재의 1차 계통수 응력 부식 균열 개시 방지방법을 설명하면 다음과 같다.Referring to the method for preventing the first systematic stress corrosion cracking start of the nickel-base alloy nuclear power plant structure of the present invention as follows.

원자로를 구성하는 배관 부품과 상기 부품을 연결하는 용접 재료인 니켈-베이스 합금을 규칙화 처리하여 PWSCC 개시를 방지하는 방법에 있어서, 니켈-베이스합금을 400 ~ 520 ℃에서 0.5 ~ 200 시간 유지하여 규칙화가 이루어지도록 한다. 상기 니켈-베이스합금은 Alloy 600, Alloy 690, Weld 182, Weld 152/52/52M 이다. 이 규칙화 처리를 현장에 적용하는데 있어서는 설비의 설치나 작업 시간을 고려한 다면, 최대 24시간 정도의 열처리가 적절할 것이다.In the method of preventing the PWSCC start by regular treatment of the piping components constituting the reactor and the nickel-base alloy, which is a welding material connecting the components, the nickel-base alloy is maintained by maintaining the nickel-base alloy at 400 to 520 ° C for 0.5 to 200 hours. Let anger be done. The nickel-base alloy is Alloy 600, Alloy 690, Weld 182, Weld 152/52 / 52M. In applying this regularization treatment to the site, a heat treatment of up to 24 hours may be appropriate given the installation or working time of the facility.

상기 니켈-베이스 합금은 520℃ 이상에서 비열이 증가하면서 불규칙화가 이루어짐으로 상기 온도 이하로 가열하여 규칙화가 이루어지도록 하고, 400℃ 이하의 경우 가열하는 시간이 길어짐으로 상기 범위내로 설정하는 것이 바람직하며, 가장 바람직하게는 불규칙화가 이루어지기 직전의 온도로 가열함으로써 규칙화 속도를 상승시켜 규칙화 반응시간을 단축시키는 것이다. The nickel-base alloy is heated at a temperature below 520 ° C. to increase the specific heat at an irregularity, so that the heat treatment is performed at a temperature below 400 ° C .. Most preferably, the ordering rate is increased by shortening the reaction time by heating to a temperature just before the irregularization is achieved.

규칙화 반응에 대한 활성화 에너지가 Q = 46 kcal/mol일 때 온도에 따른 상대적인 규칙화 속도를 Arrhenius 식에 따른 속도 ∝ exp (-Q/RT)에 따라 계산하여 표 1에 비교하여 나타내었다. When the activation energy for the ordering reaction is Q = 46 kcal / mol, the relative rate of normalization according to temperature is calculated according to the rate ∝ exp (-Q / RT) according to the Arrhenius equation and compared with Table 1 below.

Figure 112009016751159-PAT00001
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표 1에는 원전 가동 온도인 300℃부터 규칙화 온도인 520℃까지의 계산 값 및 상대적인 규칙화 속도의 비율을 나타내었다. 원전 가동 온도를 300℃로 가정하면, 520℃에서의 규칙화 속도는 300℃보다 약 70,000배 정도 빠르다. 450℃ 이상에서는 규칙화 처리 온도가 약 20℃ 정도 상승하면 규칙화 처리 속도는 약 2배 정도씩 빨라진다고 할 수 있다.Table 1 shows the calculated values and relative ratios of normalization rates from 300 ° C., the nuclear plant operating temperature, to 520 ° C., the regularization temperature. Assuming a nuclear plant operating temperature of 300 ° C, the regularization rate at 520 ° C is about 70,000 times faster than 300 ° C. Above 450 ° C., it can be said that when the ordering treatment temperature rises by about 20 ° C., the ordering treatment speed is about two times faster.

표 1의 속도 관계를 이용하여 480℃를 기준으로 규칙화 열처리 시간을 정했을 때의 상대적인 규칙화 속도 및 온도에 따라 규칙화를 완료시키는데 필요한 시간을 표 2에 나타내었다. 표에는 480℃에서 규칙화 열처리 시간을 0.5, 2, 8, 24, 50 시간으로 설정하여 계산해 놓았다. 480℃ - 1/2 시간 규칙화 열처리 조건을 선택한 경우라면, 400 ~ 520℃ 구간에서 5.4 ~ 0.2 시간 동안 규칙화 열처리하면 동일한 효과를 나타낸다는 것이다. 480℃ - 8 시간 규칙화 열처리 조건을 선택한 경우, 400 ~ 520℃ 구간에서 86.72 ~ 2.91 시간 동안 규칙화 열처리하면 동일한 효과를 나타낸다는 것이다. 또한 480℃에서의 처리 시간이 50 시간이라면 520℃에서는 18.19 시간이 필요하고, 400℃에서는 542 시간이 필요하다는 것을 의미한다. 그러나 실제 공정에 적용하기 위하여 장시간이 소요되는 저온 처리 절차는 실용성이 없을 것이다.Table 2 shows the time required to complete the ordering according to the relative ordering rate and temperature when the ordering heat treatment time was determined based on 480 ° C using the rate relationship of Table 1. The table was calculated by setting the ordered heat treatment time at 480 ° C. as 0.5, 2, 8, 24, 50 hours. If the regular heat treatment condition of 480 ° C.-1/2 hour is selected, the same effect is obtained when the regular heat treatment is performed for 5.4 to 0.2 hours in the 400 to 520 ° C. interval. In the case of selecting the heat treatment condition of 480 ° C. for 8 hours, the same effect is obtained when the regular heat treatment is performed for 86.72 to 2.91 hours in the 400 to 520 ° C. interval. If the treatment time at 480 ° C is 50 hours, this means that 18.19 hours are required at 520 ° C and 542 hours at 400 ° C. However, low temperature treatment procedures that take a long time to apply to the actual process will not be practical.

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또한 규칙화 열처리를 위한 가열 온도는 직접 규칙화 온도까지 가열한 후 일정하게 유지했다가 냉각시키는 방법 이외에도 400 ~ 520 ℃의 규칙화 온도 구간 내에서도 규칙화 속도가 상대적으로 큰 480 ~ 520℃에서 시간당 5~10℃로 가열 및 냉각이 이루어지도록 하여도 효과는 동일할 것이다. In addition, the heating temperature for regular heat treatment is maintained at a constant temperature after direct heating up to the regular temperature, and then cooled. In addition, in the regular temperature range of 400 to 520 ° C., the heating temperature is 5 hours per hour at 480 ° C. The effect will be the same even if the heating and cooling to ~ 10 ℃.

규칙화 열처리를 실시하기 위해서는 열원이 필요하고, 원전의 구조물의 형상에 따라서는 내면을 규칙화 처리해야 하지만 열원의 도달이 여러 가지로 어렵거나 불가능한 경우도 있다. 이 경우에는 내면에 열원을 넣을 필요 없이 외면에 열원을 설치하여 가열함으로써 내면을 규칙화 처리할 수 있다는 것이다. 이 경우 재료의 열전도 특성을 이용하면 내면과 외면의 온도 차이를 계산할 수 있고, 이 차이를 감안하여 내면을 원하는 온도로 가열할 수 있다.A heat source is required to perform the regular heat treatment, and depending on the shape of the structure of the nuclear power plant, the internal surface must be regularized, but it may be difficult or impossible to reach the heat source in various ways. In this case, the inner surface can be regularly processed by installing and heating the heat source on the outer surface without having to put the heat source on the inner surface. In this case, by using the thermal conductivity of the material, it is possible to calculate the temperature difference between the inner surface and the outer surface, and in consideration of the difference, the inner surface can be heated to a desired temperature.

예컨대 배관 내부의 경우에는 1차 계통 배관 내부가 방사능에 오염되기 때문에 내부로부터의 작업에는 많은 곤란함이 있으므로, 외부에 열원을 설치하여 내면의 규칙화가 이루어지도록 한다. 이때 배관의 두껍거나 열전도 특성이 나쁜 경우에는 내면과 외면의 온도 차이가 커질 수 있으며, 이 이유로 상기 배관 내면의 온도를 본 발명의 온도 구간으로 설정하기 위해서는 외면에 가해지는 온도를 규칙화 온도 구간을 벗어나 불규칙화 온도 구간까지 가열하여야 하는 경우도 있을 수 있다. 이때 열원 쪽의 온도가 높아져서 재료의 근본적인 물성을 바꾸거나 예민화가 일어나지 않도록 주의해야 한다. 이런 현상을 방지하기 위하여 열원의 온도를 약간 낮게 설정하는 경우에는 규칙화 처리시간을 길게 하면 될 것이다. For example, in the case of the inside of the pipe, since the inside of the primary system pipe is contaminated with radioactivity, there are many difficulties in the work from the inside. In this case, when the pipe is thick or the heat conductivity is bad, the temperature difference between the inner surface and the outer surface may increase. For this reason, in order to set the temperature of the inner surface of the pipe to the temperature range of the present invention, the temperature applied to the outer surface may be defined as a regular temperature range. It may be necessary to heat up to an irregular temperature range. At this time, care must be taken not to increase the temperature on the heat source side to change the fundamental physical properties of the material or to cause sensitization. In order to prevent this phenomenon, when the temperature of the heat source is set slightly lower, the regularization time may be increased.

이러한 경우 우선적으로 배관의 내부부터 규칙화가 이루어지도록 열처리하되, 이때 상기 배관의 외면은 본 발명에서 정의하는 규칙화 온도구간 이상으로 가해졌기 때문에 불규칙화가 이루어짐으로 외면에 대해서는 규칙화 처리 온도 구간에서 유지했다가 냉각하거 냉각 과정에서 충분히 규칙화가 일어나도록 서서히 냉각하여 내면과 외면이 규칙화가 이루어지도록 하는 다단의 열처리가 적용될 수 있다. In this case, the heat treatment is performed first so that regularization is made from the inside of the pipe, but the outside surface of the pipe was applied beyond the regularized temperature range defined in the present invention, so that irregularities were made, and thus the outside surface was maintained at the regularized temperature range. The multi-stage heat treatment may be applied to cool down or cool down gradually so that regularization occurs in the cooling process so that the inner and outer surfaces are regularized.

즉, 니켈-베이스합금으로 제조된 배관 형태 부품의 규칙화 열처리는 외면 또는 내면을 가열하여 타면까지 규칙화가 이루어지도록 할 수 있다는 것이다. 즉, 배관 형태의 규칙화는 배관의 내부나 외부 중 한 쪽 부위에 상기 온도구간 이상으로 열을 가하여 다른 쪽 부위의 온도를 상기 온도구간으로 유지시키는 단계와; 상기 온도를 낮추는 과정에서 상기 온도구간 이상으로 열을 가한 한 쪽 부위를 상기 온도구간으로 유지하는 단계를 포함하는 다단으로 열처리가 이루어지도록 할 수 있다.In other words, the ordered heat treatment of the tubular components made of nickel-base alloy can be heated to the other surface by heating the outer surface or the inner surface. That is, the regularization in the form of piping comprises the steps of maintaining the temperature of the other part in the temperature section by applying heat to at least one of the inside or outside of the pipe in the temperature section; In the process of lowering the temperature, heat treatment may be performed in multiple stages including maintaining one side of the temperature section at which the heat is applied to the temperature section.

이하 실시 예를 통해 본 발명의 니켈-베이스 합금 원전 구조재의 1차 계통수 응력 부식 균열 개시 방지방법을 설명한다.Hereinafter, a method for preventing primary systematic stress corrosion cracking initiation of the nickel-base alloy nuclear power plant structural material of the present invention will be described.

Alloy 600에 대한 DSC 분석에 의하여 단범위 규칙이 형성되는 것을 확인할 수 있다. Alloy 600에서 SRO는 그 크기가 작아 초격자를 형성하지 못하므로 탄화물과는 달리 직접적으로는 확인되지 않는다. 다만, TEM으로 관찰하면 Alloy 600은 fringe로 나타나고, 규칙화의 진전에 따라 결정 격자의 수축이 일어나고, bulk property 변화나 Ni2Cr 규칙 합금과의 DSC 거동 비교를 통해 입증된다. Alloy 600에서의 SRO 형성 과정에 대한 열적 활성화 에너지(activation energy, Q)는 Q=46 kcal/mole로 확인되었다.DSC analysis of Alloy 600 shows that short range rule is formed. In Alloy 600, SRO is small and does not form a superlattice, so unlike carbide, it is not directly identified. However, when observed by TEM, Alloy 600 appears as fringe, and crystal lattice shrinks according to the progress of regularization, and it is proved by bulk property change or DSC behavior comparison with Ni 2 Cr regular alloy. The thermal activation energy (Q) for SRO formation in Alloy 600 was found to be Q = 46 kcal / mole.

Alloy 600이나 Weld 82/182 등으로 제작된 원전 부품은 가동 온도에서 열적활성화 과정의 하나인 규칙화 과정이 진행되며, 이 과정에서 격자의 수축이 일어나 PWSCC 과정에서 재료 스스로가 입계를 벌리도록 하거나 응력을 발생시킨다는 것이다. 즉, PWSCC 과정에서 규칙화 반응의 진전에 따른 재료 내부의 응력의 발생으로 PWSCC가 발생하므로 Alloy 600의 규칙 반응에 대한 Q ordering는 Q pwscc와 유사하다는 것이다.Nuclear parts manufactured from Alloy 600, Weld 82/182, etc. are subjected to regularization, which is one of thermal activation processes at operating temperature. In this process, lattice shrinkage causes the material to open its own grain boundary or stress during the PWSCC process. Is to generate. That is, since PWSCC is generated by the generation of stress in the material due to the progress of the regularization reaction in the PWSCC process, Q ordering for the regular reaction of Alloy 600 is similar to that of Q pwscc.

도 1은 DSC 분석에 의한 Alloy 600의 비열변화를 나타낸 것으로, Alloy 600에 대하여 여러 가지 다른 열적, 기계적 처리를 실시 한 후 실시한 열분석 결과를 종합하여 나타내었다. 600℃ 이상에서 급랭 (water quenching, WQ) 재료는 약 450℃ 부근에서 규칙화에 따른 발열 반응이 일어나는 반면, 냉간 가공(cold work, CW)한 재료는 약 100~300℃ 사이에서도 규칙화에 따른 발열 반응이 일어난다. 이것은 냉간 가공이 Alloy 600의 규칙화 온도를 낮추고 규칙화에 대한 추가적인 구동력을 제공함으로써 냉간 가공된 재료가 PWSCC에 더 민감하게 만든다는 것을 의미한다. 규칙화 온도는 재료의 처리 조건에 따라 다르지만, 처리 조건과 관계없이 520℃ 이하에서는 규칙화 반응이 일어나는 반면, 520℃ 이상에서는 비열이 증가하면서 불규칙화가 일어난다는 것을 알 수 있다. Figure 1 shows the specific heat change of Alloy 600 by DSC analysis, and shows the results of the thermal analysis performed after various different thermal and mechanical treatments for Alloy 600. At 600 ℃ or higher, water quenching (WQ) materials generate exothermic reactions due to regularization at around 450 ℃, whereas cold work (CW) materials can be subjected to regularization even between about 100 ~ 300 ℃. An exothermic reaction occurs. This means that cold working makes alloy 600 more sensitive to PWSCC by lowering the ordering temperature of Alloy 600 and providing additional drive for regularization. Although the ordering temperature varies depending on the treatment conditions of the material, it can be seen that the ordering reaction occurs at 520 ° C. or lower irrespective of the treatment conditions, whereas at 520 ° C. or higher, irregularity occurs as the specific heat increases.

도 2는 시험편을 400℃에서 isothermal annealing처리 후 결정면간의 거리변화를 나타낸 그래프이다. 여기서 a)는 1100℃로부터 WQ 시험편을 400℃에서 isothermal annealing 처리 후 중성자 회절 분석으로 구한 결정 면간 거리의 변화이고, b)는 AC 시험편을 25% 냉간 압연하여 400℃에서 isothermal annealing 처리 후 시험편의 면간 거리 변화이다. 여기서 원전 가동 온도보다 높은 온도에서의 규칙화 처리에 의하여 결정의 수축이 방향에 따라 다르게 이방적으로 나타남을 알 수 있다.2 is a graph showing the change in distance between the crystal plane after the isothermal annealing treatment at 400 ℃. Where a) is the change of the interplanar spacing determined by neutron diffraction analysis after isothermal annealing treatment of the WQ test specimen at 1100 ° C. at 400 ° C., and b) is a 25% cold rolled AC test piece, followed by isothermal annealing treatment at 400 ° C. It is a change in distance. Here, it can be seen that the shrinkage of the crystals is anisotropically different depending on the direction by the regularization treatment at a temperature higher than the nuclear operation temperature.

규칙화에 의한 수축률은 처리 조건과 결정 방향에 따라 달라지며 그 크기는 600℃ 이상에서 WQ 재료에서 0.02~0.07% 정도이다. 이 정도의 수축은 결정립의 크기를 고려하면 수십 A (angstrom) 정도까지 입계를 벌리는 효과를 나타내며, 결정 방위 차이가 커서 수축률의 차이가 큰 결정립계는 더 많이 벌어지는 경향을 가질 것이다. 이것은 응력의 관점으로도 설명될 수 있으며, 결정 수축으로 인하여 추가적으로 발생하는 응력은 Young's Law에 따라 수축률과 탄성 계수로부터 구할 수 있으며, 결정 입계의 조합에 따라 40~150 MPa 정도이다. Shrinkage due to regularization depends on the treatment conditions and the crystallization direction and the size is about 0.02 ~ 0.07% in WQ material above 600 ℃. This degree of shrinkage has the effect of spreading the grain boundary up to several tens A (angstrom) in consideration of the grain size, and the grain boundary having a large difference in shrinkage ratio due to the large crystal orientation difference will tend to open more. This can also be explained from the viewpoint of stress, and additional stress due to crystal shrinkage can be obtained from the shrinkage ratio and the modulus of elasticity according to Young's Law, and is about 40 to 150 MPa depending on the combination of grain boundaries.

[111] 방향과 [311] 방향 사이의 각도는 29.5ㅀ이며 water quenching 재료에서 이 두 방향 사이의 수축률의 차이는 최대이며 그 크기는 0.07% 정도이고, 응력으로 환산하면 150 MPa에 이른다. [111] 방향과 [220] 방향 사이의 각도는 35.3ㅀ이며 이 두 방향의 수축률 차이는 0.06% 정도이고 이는 응력으로 환산하면 130 MPa 정도에 이른다. 또한, [311] 방향과 [200] 방향 사이의 각도는 25ㅀ이며 규칙화에 따른 수축률의 차이는 최대 0.05% 정도이며 이를 응력으로 환산하면 110 MPa 정도에 이른다. The angle between the [111] and [311] directions is 29.5 2 and the difference in shrinkage between these two directions in the water quenching material is the largest, about 0.07%, and reaches 150 MPa in terms of stress. The angle between the [111] and [220] directions is 35.3 3, and the difference in shrinkage between these two directions is about 0.06%, which is about 130 MPa in terms of stress. In addition, the angle between the [311] direction and the [200] direction is 25 mm, and the difference in shrinkage according to the regularization is about 0.05% at maximum, which translates into about 110 MPa.

또한, 도시되지 않았지만 WQ, AC, FC, CW 등의 여러 가지 처리를 실시한 Alloy 600에 대하여 규칙화 처리 효과를 관찰한 결과, Alloy 600은 전 처리 조건에 따라서 결정의 수축 거동이 상이하지만 모든 재료는 규칙화 과정에서 수축하는 것을 알 수 있었다.In addition, as a result of observing the effect of ordering treatment on Alloy 600, which is not shown, but treated with various treatments such as WQ, AC, FC, CW, etc., Alloy 600 has different shrinkage behavior of crystal depending on pretreatment conditions. It can be seen that it contracts during the regularization process.

인장시험은 원하는 변형 온도에서 변형을 일으키면서 실시간의 변형 효과를 시험하는데 유용한 방법이다. 도 3은 상온에서부터 750℃의 여러 온도에서 10-3/sec 정도의 변형 속도로 인장 변형된 시험편을 중성자회절 분석한 후 인장 변형 온도에 따른 결정격자 면간 거리의 변화를 도시한 그래프이다. 도 3에 보인 바와 같이 인장 변형 시험편에 대한 중성자 회절 결과에 따르면 결정 면간 거리는 DSC 결과와 유사하게 150 ~ 600℃ 정도에서 감소하는 것으로 나타났다. 도 1에 보인 DSC 결과는 규칙화가 50 ~ 520℃에서 나타나는 반면, 도 3에서는 150 ~ 600℃에서 나타나는 것은 인잔 변형 속도가 10-3/sec 정도로 빠른 편이고 규칙화 반응이 일어나는 동안에도 연속적으로 인장 변형이 가해진다는 차이에 기인한 것으로 보인다. 즉, 도 1과 도 3에서 나타나는 규칙화 현상은 본질적으로는 동일한 것이다.Tensile testing is a useful method for testing the effects of deformation in real time while inducing deformation at the desired deformation temperature. 3 is a graph showing the change of the distance between crystal lattice planes according to the tensile strain temperature after neutron diffraction analysis of the tensile strain test specimen at a strain rate of about 10 -3 / sec at various temperatures from room temperature to 750 ℃. As shown in FIG. 3, the neutron diffraction results of the tensile strain test specimens showed that the distance between the crystal planes was reduced at about 150 to 600 ° C. similarly to the DSC results. The DSC results shown in FIG. 1 show that the regularization occurs at 50 to 520 ° C., while at 150 to 600 ° C. in FIG. 3, the strain strain rate is as fast as 10 −3 / sec and the tensile strain continuously during the ordering reaction. This seems to be due to the difference being applied. That is, the regularization phenomenon shown in FIGS. 1 and 3 is essentially the same.

이것은 500℃ 이하에서 변형하면 응력에 따라 규칙화가 촉진되어 수축이 발생한다는 의미이다. 따라서 PWSCC 과정에서 균열 선단의 변형이 규칙화를 유발시키고 이에 따른 수축 작용이 균열 전파 과정을 제어한다는 설명을 가능하다. 도 3에서 나타낸 결정 [111]과 [200] 방향의 각도는 54.7ㅀ, [220]과 [200] 방향의 각도는 45ㅀ, [111]과 [220] 방향의 각도는 35.3ㅀ로 고경각 입계 사이의 수축률 차이가 가장 큰 편이라는 것을 나타내고 있다. 이것은 PWSCC가 고경각 입계에서 발생한다는 실험적 관찰 사실과 잘 부합한다.This means that deformation at 500 ° C. or lower promotes regularization according to stress, causing shrinkage. Therefore, it can be explained that the deformation of the crack tip causes regularization during the PWSCC process, and that the contraction action controls the crack propagation process. The crystals in the [111] and [200] directions shown in FIG. 3 are 54.7 mm, the angles in the [220] and [200] directions are 45 mW, and the angles in the [111] and [220] directions are 35.3 mm, respectively. It shows that the shrinkage difference between them is the largest. This is in good agreement with the experimental observation that PWSCC occurs at high-angle grain boundaries.

이상에서 설명한 바와 같이 규칙화 과정은 응력이나 변형의 작용 없이 순순히 열적활성화 과정으로 일어나는 열적 규칙화(thermal ordering)와 변형의 작용으로 규칙화가 급격히 진전되는 변형 규칙화(strain ordering)가 있다. 상기 도 1에서 설명한 열적 규칙화는 PWSCC의 균열 발생 단계에서 중요하고, 도 3에서 설명한 변형 규칙화는 PWSCC 균열 전파 단계에서 중요하다.As described above, the ordering process includes thermal ordering, which occurs in a pure thermal activation process without stress or deformation, and strain ordering, in which ordering is rapidly advanced by the action of deformation. The thermal regularization described in FIG. 1 is important at the crack generation stage of the PWSCC, and the deformation regularization described in FIG. 3 is important at the PWSCC crack propagation stage.

Alloy 600은 300℃ 내외의 원자로 가동 온도에서 Ni2Cr type의 Ni2(CrFe) SRO를 형성한다. 이 규칙화 반응 속도는 온도의 증가에 따라 지수 함수적으로 증가하고 응력이 작용하면 속도가 빨라진다. SRO 형성 과정에서 특정 원자 간의 원자 사이의 거리가 짧아지기 때문에 격자의 수축이 발생하고 그 수축량은 규칙화 진전의 척도이다. The Alloy 600 will form a Ni 2 (CrFe) SRO of Ni 2 Cr type in a reactor operating temperatures of around 300 ℃. This regularization reaction rate increases exponentially with increasing temperature and becomes faster when stress is applied. During the formation of SRO, the shrinkage of the lattice occurs because the distance between atoms between specific atoms is shortened, and the amount of shrinkage is a measure of ordered progress.

도 4는 SRO형성에 의한 결정의 이방성 수축으로 결정 입계에 국부적인 응력이 작용하는 과정을 도시한 개략도로써, a)는 가공이 완료되어 규칙화가 일어나지 않은 초기 상태이고, b)는 규칙화에 따른 결정의 수축의 효과를 도식적으로 나타내었다.4 is a schematic diagram showing a process in which local stress acts on the grain boundary due to anisotropic shrinkage of the crystal due to SRO formation, a) is an initial state in which processing is completed and no regularization occurs, and b) is according to regularization The effect of shrinkage of the crystal is shown schematically.

상기 과정에서 결정립 방위가 유사한 결정들은 수축 방향이 유사하여 수축 효과가 상쇄되며, 결정의 방위 차이가 커서 수축률의 차이가 큰 결정립계는 규칙화에 따라 벌어진다. 인접 결정의 방위와의 조합에 의하여 서로 반대로 방향으로 수축이 일어나는 경우 입계의 벌어짐이나 응력의 크기는 2배 정도로 증폭될 수 있다. 이 경우 고경각 입계에서 발생하는 응력의 크기는 최대 300 MPa까지 증가할 수 있으며, 입계의 벌어짐은 결정립의 크기가 약 50 μm 정도일 때 최대 40A 정도까지 벌어지고 주위 결정의 작용으로 최대 100A까지 확대될 수 있다. 물 분자의 크기는 약 5 A 정도이므로 원전 1차수 매질이 결정립계 사이로 침투할 수 있게 되는 것이다. 따라서 PWSCC 예민성은 고온 고압의 1차수에 노출된 상태에서 규칙화되면서 발생하는 결정의 수축에 의해 입계가 벌어지는 현상의 존재하느냐에 따라 크게 좌우된다.In the above process, crystals having similar grain orientations have similar contraction directions to cancel the contracting effect, and grain boundaries having a large difference in shrinkage ratio due to large orientation differences of the crystals are opened according to regularization. When shrinkage occurs in directions opposite to each other due to the combination of the orientations of adjacent crystals, the opening of the grain boundary or the magnitude of the stress can be amplified by about twice. In this case, the magnitude of the stress generated at the high-angle grain boundary can be increased up to 300 MPa, and the gap of grain boundary can be expanded up to 40A when the grain size is about 50 μm, and can be expanded up to 100A by the action of the surrounding crystal. Can be. Since the size of water molecules is about 5 A, nuclear power medium can penetrate between grain boundaries. Therefore, PWSCC sensitivity is highly dependent on the presence of grain boundary phenomena due to shrinkage of crystals that occur while being ordered in the state exposed to the first order of high temperature and high pressure.

또한, 결정 입계는 반드시 여러 결정이 맞닿는 꼭지 점(triple point)을 포함하고 있으며, 이 지점의 단면은 점이지만 이 부분은 적어도 결정 방위가 다른 세 결정이 만나기 때문에 대부분 고경각 입계의 특성을 지니게 된다. 이 꼭지 점들은 결정의 내부를 따라 공간적으로 연결되어 있으며, 이로 인하여 결정의 수축 작용이 일어날 때 가장 취약한 특성을 가진다. 따라서 입계나 공간적으로 연결된 꼭지 점들의 수축에 의한 결정의 벌어진 입계 간격이 물 분자보다 넓으면 1차 냉각수는 재료의 표면에서만 접촉되는 것이 아니라 재료의 내부까지도 침투한다. In addition, the grain boundary must include a triple point where several crystals meet, and the cross section of this point is a point, but this part is mostly high-angle grain boundary because at least three crystals with different crystal orientations meet. . These vertices are spatially connected along the interior of the crystal, which is the most vulnerable when the crystal contracts. Thus, if the interstitial grain spacing of the crystal due to the contraction of grain boundaries or spatially connected vertices is wider than the water molecules, the primary cooling water will not only contact the surface of the material but also penetrate into the interior of the material.

PWSCC 균열 발생 단계에서는 Alloy 600이 원자로 환경에 노출되면 이방적 수축으로 compatibility가 먼저 깨져 벌어지는 입계에서 우선적으로 원전 1차수의 압력 효과 작용하게 된다. 이 때 방위 차가 큰 결정입계에서 수축률의 차이가 크므로 고경각 입계가 부분적으로 먼저 벌어지게 되고, 이 부분이 천천히 연결되어 균열로 발달한다. 큰 결함으로 성장하지 않고 멈추면 IGA(intergranular attack)라는 손상에 해당한다.In the PWSCC cracking stage, when the alloy 600 is exposed to the reactor environment, the anisotropic contraction causes the compatibility to be broken first, and thus the pressure effect of the first nuclear power plant is applied first. At this time, since the difference in shrinkage is large at grain boundaries where the orientation difference is large, the high-angle grain boundary is partially opened first, and the portions are slowly connected to develop cracks. If it stops without growing because of a large defect, it is a damage called intergranular attack (IGA).

규칙화에 따른 수축 과정은 균열의 발생 단계뿐만 아니라 전파 단계에서도 작용한다. 이렇게 형성된 결함이 가동 응력에 의한 응력 집중 효과로 균열 선단에는 소성 역이 형성되면 균열 전파 단계에 진입한 것으로 판단할 수 있다. 이 때 소성 역의 형성은 균열 선단의 국부적 소성 변형이 형성된다는 것을 의미하며, 소성 변형은 SRO 형성을 촉진하기 때문에 SRO 형성에 의한 응력 발생이나 입계 벌어짐 현상은 다시 한 번 더 작용한다 (도 3참조). 즉, 가동 응력에 의하여 균열 선단에서 소성 역이 한 번 형성되기 시작하면, 소성 역내에서 재료 스스로 SRO를 형성하여 입계가 벌어지므로 균열 성장은 계속되고 관통 균열로 성장한다는 것이다. 균열 선단의 소성 역에서의 SRO 형성에 의한 수축 현상은 규칙 반응 속도에 의하여 조절되고, 이 반응 속도는 응력에 의존하는 것으로 보인다. 즉, 온도 및 응력에 상호 작용에 의존한다. 이 관계로 인하여 Q pwscc propagation = 40 ~ 50 kcal/mol은 Q ordering = 46 kcal/mol과 유사한 것이다.The shrinking process according to the regularization acts not only at the stage of crack development but also at the propagation stage. The defect formed as described above may be judged to have entered the crack propagation stage when a plastic station is formed at the crack tip due to the stress concentration effect caused by the movable stress. At this time, the formation of the plastic zone means that the local plastic deformation of the crack tip is formed, and since the plastic deformation promotes the formation of SRO, the stress generation or grain boundary phenomena caused by the formation of SRO acts once more (see FIG. 3). ). In other words, when the firing station starts to be formed once at the tip of the crack due to the movable stress, the material itself forms an SRO in the firing station so that the grain boundary is opened, so that the crack growth continues and grows as a through crack. Shrinkage by SRO formation in the firing zone at the crack tip is controlled by the regular reaction rate, which appears to depend on stress. That is, it depends on the interaction of temperature and stress. Due to this relationship, Q pwscc propagation = 40 to 50 kcal / mol is similar to Q ordering = 46 kcal / mol.

기존에는 Alloy 600의 PWSCC는 부식 현상을 설명하는 데 있어서 응력과 관련한 원인은 잔류응력만을 고려하고 PWSCC 과정에 발생하는 응력의 효과는 전혀 고려하지 않았다, 그러나, 본 발명에서는 원전 가동 환경에서 노출되어 있는 니켈 베이스 합금이 규칙화 과정을 통해 변화하며, 이 재료의 변화에 의하여 입계가 벌어지거나 추가적인 응력이 발생한다는 점을 이해하고 이를 제어하고자 하는 점이 다른 것이다. 즉, PWSCC는 규칙 반응에 따른 SRO 형성으로 인한 추가적 응력의 발생이나 입계의 벌어짐으로 제어되는 현상이다. 이것이 새로운 PWSCC 기구의 실체이며, 이 과정에서 응력원이 작동하여 전파된다는 것이다.Conventionally, PWSCC of Alloy 600 considers only the residual stresses in explaining the corrosion phenomenon and does not consider the effects of the stresses generated in the PWSCC process. The difference is that nickel-based alloys change through a regularization process, and that the change in this material causes grain boundaries or additional stresses to be understood and controlled. That is, PWSCC is a phenomenon that is controlled by the generation of additional stress or grain boundary opening due to SRO formation according to regular reaction. This is the substance of the new PWSCC mechanism, in which the stress source operates and propagates.

PWSCC 현상은 IGSCC type이고 원전 1차 계통수 환경이 필수적이므로 입계의 부식에 의해 제어되는 현상으로 간주되어 연구되었다. 그러나 입계의 산화 현상만으로는 PWSCC 현상을 적절히 설명할 수 없는 한계를 가지고 있다. 예를 들면, 가동 응력은 PWSCC를 재현하는데 필요한 응력보다 훨씬 낮아도 PWSCC가 발생하는 것을 설명할 수 없었다. 이 한계를 극복하기위하여 잔류응력의 존재를 상정해 왔으나 잔류응력은 원전 가동 초기에 최대값을 가지고 한 번 형성되면 고정된 값을 갖거나 원전 가동에 따라 서서히 감소하는 것으로 이해되고 있어서 PWSCC 현상의 열적활성화 과정을 설명하기에 부적절하다. 더구나 PWSCC 과정에 실제로 존재했을 수도 있으나 검증할 수 없다는 한계가 있다. PWSCC is considered to be controlled by intergranular corrosion because IGSCC type and primary plant water environment is essential. However, there is a limit in that the PWSCC phenomenon cannot be adequately explained by the oxidation of grain boundaries alone. For example, it was not possible to explain the occurrence of PWSCC even if the working stress was much lower than the stress required to reproduce the PWSCC. In order to overcome this limitation, the existence of residual stress has been assumed, but the residual stress is understood to have a fixed value once it is formed with the maximum value at the beginning of nuclear power plant operation or to decrease gradually with the operation of nuclear power plant. Inappropriate to explain the activation process. Furthermore, there may be limitations that may exist in the PWSCC process but cannot be verified.

그러나 본 발명의 기초는 PWSCC 현상이 열적활성화 과정으로 재료 스스로가 변화하면서 추가적으로 응력을 발생시키거나, 스스로 수축하면서 입계를 벌어지도록 하므로 PWSCC에 필요한 응력을 자체적으로 공급하게 되므로 충분조건을 만족시킨다는 것이다. 즉, 이 설명은 PWSCC에서 나타나는 열적활성화 과정을 근본적으로 설명할 수 있으므로, 적어도 PWSCC 현상에서는 기존의 입계 탄화물과 입계 Cr 고갈에 의한 설명을 대체할 것으로 예상된다.However, the basis of the present invention is that the PWSCC phenomenon satisfies the sufficient conditions because the PWSCC itself supplies the necessary stresses because the PWSCC phenomenon causes additional stress as the material changes as it is thermally activated, or causes the grain boundary to open while shrinking by itself. In other words, this description can fundamentally explain the thermal activation process appearing in the PWSCC, so it is expected that at least the PWSCC phenomenon will replace the existing grain boundary carbide and grain Cr depletion.

도 5는 PWSCC가 발생하는 응력, 환경, 재료 조건의 조합을 나타내는 개념을 비교한 것이다. 도 5 a)는 기존 모델의 개념도이고, 도 5 b)는 본 발명에서 제시하는 모델의 개념도이다. 도 5의 a)에 기존 모델은 응력, 환경, 재료의 복합 효과가 특정할 때 PWSCC가 발생한다는 것인데 반하여, 도 5 b)에 도시된 본 발명의 기초 모델은 재료가 가동 환경에서 변화하여 추가적인 응력을 발생시키는 특정한 조건이 만족되는 경우에만 PWSCC가 발생한다는 것이다. 정성적으로는 니켈 베이스 합금 부품에서 PWSCC가 발생하는 조건은 원전 1차수 환경에 노출된 고경각 입계가 밀집 지역이 필수적인 것으로 보인다.FIG. 5 compares concepts representing a combination of stress, environment, and material conditions in which PWSCC occurs. Figure 5a) is a conceptual diagram of the existing model, Figure 5b) is a conceptual diagram of the model proposed in the present invention. In FIG. 5 a), the existing model shows that PWSCC occurs when the composite effect of stress, environment, and material is specified, whereas the basic model of the present invention shown in FIG. The PWSCC is generated only when the specific condition of generating a is satisfied. Qualitatively, PWSCC occurs in nickel-based alloy parts, and high-angle grain boundaries exposed to the nuclear power plant environment are essential.

본 모델에 따르면 Alloy 600이나 Weld 182 재료가 원자로 부품으로 채용되어 가동 중에 규칙화가 일어나면서 추가적인 응력을 발생시켜서 PWSCC가 발생한다는 것이다. 그러나 현재까지는 PWSCC 기구에 대한 충분히 이해하지 못하여 Alloy 600이나 Weld 182의 규칙화 과정을 제어하지 못함으로써 PWSCC를 제어할 수 없었고, 이로 인하여 PWSCC가 초래하는 위험성을 통제하지 못했었다. 그러나, 본 발명의 기초가 되는 모델에 따르면, PWSCC의 발생이나 전파 과정이 규칙화 과정에서 발생하는 결정의 수축에 의해서 제어되므로, 원자로 부품으로 사용되는 Alloy 600이나 Weld 182의 규칙화를 완성시켜 primary water 환경에 노출시키면 PWSCC 개시가 방지된다는 것이다.According to the model, Alloy 600 or Weld 182 material is employed as the reactor component, and regularization occurs during operation, creating additional stresses, resulting in PWSCC. However, until now, the PWSCC could not be controlled because of insufficient understanding of the PWSCC mechanism and the control of Alloy 600 or Weld 182, and thus the risk of the PWSCC. However, according to the underlying model of the present invention, since the generation or propagation of PWSCC is controlled by the shrinkage of crystals generated during the regularization process, the regularization of Alloy 600 or Weld 182, which is used as a reactor part, is completed. Exposure to a water environment prevents the initiation of PWSCC.

규칙화 과정에 형성되는 응력의 효과를 고려하며 응력이 증가하는 과정을 설명하면 다음과 같다. 설계 응력을 제외하면 여러 가지 응력의 존재 유무에 따른 조합은 대단히 광범위하므로 여기서는 5가지 종류의 응력만을 고려하였다. 이들 응력은 a. 원자로의 압력에 의한 가동 응력, b. 원전 부품의 내, 외부 온도 차이의 의한 응력, c. 잔류응력, d. 균열 발생단계에서 열적 활성화 작용으로 일어나는 규칙화 과정으로 발생하는 추가적인 응력, e. 균열의 전파 단계에서 변형 유기 규칙화 (strain induced ordering) 과정에 의해 발생하는 추가적인 응력이다. Considering the effect of the stress formed in the regularization process and explaining the process of increasing the stress as follows. Except for the design stress, the combination of the presence and absence of various stresses is so extensive that only five types of stresses are considered here. These stresses are a. Operating stress due to pressure in the reactor, b. Stress due to internal and external temperature differences of nuclear power plant components, c. Residual stress, d. Additional stresses arising from the regularization process resulting from thermal activation during the cracking stage, e. It is an additional stress caused by the strain induced ordering process in the propagation phase of the crack.

여기서 응력 d 및 응력 e는 일정한 값을 가지는 것이 아니라 결정립계의 방위 차이에 따라 달라지므로 일정 범위를 갖는다. 이것은 앞서 설명한 바와 같이 원자로 1차 냉각수에 노출된 결정 입계의 결정 방위 차이에 따라 의존하기 때문이다. 결정 입계 사이의 수축률 차이가 크기 않으면 이 값은 낮아지고, 이로 인해 저경각 입계는 PWSCC에 취약하지 않기 때문에 PWSCC는 고경각 입계에서만 관찰되는 것이라고 할 수 있다. 고경각 입계의 의미는 좁게는 결정립 두개 사이의 각도만을 의미하는 것이 아니라 여기서는 이들 고경각 입계가 확률적으로 밀집한 지역을 의미하는 것이다. 이 경우에만 IGA와는 달리 PWSCC로 성장할 수 있을 것으로 예상되기 때문이다. Here, the stress d and the stress e do not have a constant value but vary depending on the orientation difference of the grain boundaries and thus have a certain range. This is because it depends on the crystal orientation difference of the grain boundaries exposed to the reactor primary cooling water as described above. If the shrinkage difference between the grain boundaries is not large, this value is low, which is why the PWSCC is only observed at the high grain boundary because the low grain boundary is not vulnerable to the PWSCC. The meaning of the high-angle grain boundary narrowly means not only the angle between two grains, but also the region where these high-angle grain boundaries are densely packed. Only in this case, unlike IGA, it is expected to grow into PWSCC.

원자로가 가동하면 최소한 응력 a과 b는 작용하게 되는데 이 응력은 PWSCC를 일으키기 위하여 필요한 임계 응력의 1/4 이하이다. 그러나 잔류응력(응력 c)이 충분히 높은 경우에는 이 응력의 총합이 PWSCC의 임계 응력을 넘으므로 PWSCC가 발생할 수 있을 것으로 예상된다. 이 경우에는 원전의 가동 초기에 발생할 것으로 예상된다. 한편, 잔류응력은 시간에 따라 감소하지만, 산화(oxidation)나 부식(corrosion) 과정에 의해 관통 균열이 형성되는데 수십 년 후에 나타날 수 있다는 해석도 가능할 것이다. When the reactor is running, at least stresses a and b act, which is less than one-quarter of the critical stress needed to produce the PWSCC. However, if the residual stress (stress c) is sufficiently high, it is expected that PWSCC may occur since the sum of these stresses exceeds the critical stress of the PWSCC. In this case, it is expected to occur early in the operation of the nuclear power plant. On the other hand, the residual stress decreases with time, but it may be possible to interpret that through cracks are formed decades after penetration cracks are formed by oxidation or corrosion.

그러나 PWSCC 현상이 열정활성화 과정이라는 점을 고려하면 상기의 산화나 부식 과정이 Q pwscc = 40 ~ 50 kcal/mol을 설명할 수 있어야 하는데 적절한 설명은 현재까지 제안되지 않았다. 더구나, 잔류응력이 PWSCC를 발생시킨다고 하여도 원자로의 가동 중 니켈 베이스 합금에서 서서히 진행되는 규칙화 과정은 피할 수 없는 기초적인 과정이다. 그러므로 잔류응력이 낮거나 없을 경우에도 primary water에 니켈 베이스 합금의 특정한 입계에서 발생하는 추가적인 응력 d가 PWSCC 임계 응력에 도달할 정도로 높아지면 PWSCC는 initiation 된다. 이 이유로 Q pwscc initiation = 40 ~ 50 kcal/mol이 Q ordering = 46 kcal/mol과 유사한 것이다.However, considering that PWSCC is a passion activation process, the above oxidation or corrosion process should be able to explain Q pwscc = 40 ~ 50 kcal / mol. Moreover, even if residual stresses generate PWSCC, the ordering process that proceeds slowly in nickel base alloys during the operation of the reactor is inevitable. Therefore, even if the residual stress is low or absent, the PWSCC is initiated when the additional stress, d, at a particular grain boundary of the nickel base alloy in the primary water is high enough to reach the PWSCC critical stress. For this reason, Q pwscc initiation = 40 to 50 kcal / mol is similar to Q ordering = 46 kcal / mol.

이 단계에서 결함이 충분한 길이로 성장하지 못하면 IGA 손상에 그치고, 가동 응력, 잔류응력, 규칙화에 의한 응력의 작용으로 더 성장 가능하면 균열 전파 (propagation) 단계로 접어들어 균열 선단에는 plastic zone이 형성된다. 이 plastic zone 내에서는 변형이 일어나고 전위 증식이 일어나므로 이 plastic zone은 도 3에 보인 바와 같이 변형 유기 규칙화가 발생하게 된다. 이로 인해 전파 단계에서는 입계 벌어짐이 규칙화 속도에 의해 제어되고, 따라서 PWSCC 균열 전파는 규칙화 과정으로 제어된다는 것이다. 이 관계로 인하여 Q pwscc propagation = 40 ~ 50 kcal/mol은 Q ordering = 46 kcal/mol과 유사한 값을 갖는다.If the defect does not grow to a sufficient length at this stage, it is only IGA damage, and if it can grow further under the action of moving stress, residual stress, and regularization stress, it enters the crack propagation stage and a plastic zone is formed at the crack tip. do. In this plastic zone, deformation occurs and dislocation propagation occurs, so that the plastic zone undergoes strain organic regularization as shown in FIG. 3. This means that in the propagation phase the grain boundary opening is controlled by the regularization rate, so that the PWSCC crack propagation is controlled by the regularization process. Due to this relationship, Q pwscc propagation = 40 ~ 50 kcal / mol has similar value to Q ordering = 46 kcal / mol.

이상에서 설명한 바와 같이 기존에는 규칙화 과정의 존재를 인지하지 못하여 원전 가동 환경에서 일어나는 규칙 반응의 효과를 고려할 수 없었다. 그러나 본 발명의 기초는 원전 가동 조건에서 니켈 베이스 합금이 규칙화 반응을 일으키고, 이로 인한 입계 벌어짐이나 추가적인 응력이 발생에 의하여 제어된다는 것이다. As described above, in the past, the existence of the regularization process was not recognized, and thus the effect of the rule reaction occurring in the nuclear power plant operating environment could not be considered. The basis of the present invention, however, is that the nickel base alloy causes a regularization reaction in nuclear power plant operating conditions, whereby the grain boundary gap or additional stress is controlled by generation.

PWSCC를 설명하는 기존의 모델은 환경, 재료, 응력(가동 및 잔류응력)의 3가지 요소만 만족되면 PWSCC가 발생한다는 것이다. 이 모델은 PWSCC가 고경각 입계에서 발생하는 이유, 상대적으로 낮은 응력에서 PWSCC가 발생하는 이유, 열적활성화 과정을 설명하기에는 부적절하다. 이에 반하여 본 발명의 기초 모델은 기존의 모델에 규칙화 과정, 고경각 입계의 영역의 추가적인 요건을 필요로 한다는 점이 다른 점이다. The existing model for describing a PWSCC is that a PWSCC occurs if only three elements are met: environment, material, and stress (moving and residual stress). This model is inadequate to explain why PWSCC occurs at high-angle grain boundaries, why PWSCC occurs at relatively low stresses, and thermal activation processes. On the contrary, the basic model of the present invention differs from the existing model in that it requires additional requirements of the regularization process and the region of the high angle boundary.

본 발명의 기초 모델은 환경, 재료, 응력(가동 및 잔류응력), 규칙화(입계 벌어짐 또는 추가적 응력), 고경각 입계의 밀집 영역의 노출 조건이 필수적이다. 이들 중에서 규칙화 처리에 의하여 제어할 수 있는 것은 규칙화 과정뿐이라고 할 수 있다. 만약 PWSCC 과정에서 규칙화 과정의 역할이 중요할 경우, 규칙화 과정을 제어한다면 PWSCC를 제어할 수 있을 것이다.The basic model of the present invention requires the environment, materials, stresses (moving and residual stresses), regularization (grain opening or additional stress), and exposure conditions of dense regions of high-angle grain boundaries. Among these, only the regularization process can be controlled by the regularization process. If the role of the regularization process is important in the PWSCC process, then the PWSCC may be controlled if the control process is controlled.

본 발명의 기초 모델인 도 5 b)에 따르면, PWSCC는 원전의 primary water 환경에서 규칙화가 발생하지 않으면 일어나지 않는다는 것을 예상할 수 있다. 따라서 PWSCC에 예민한 특성을 지닌 니켈 베이스 합금 재료를 예민한 상태와 규칙화 처리된 상태에서 PWSCC initiation 비교 실험을 하면, 규칙화 처리가 PWSCC 개시를 방지하는지를 알 수 있을 것이다. 왜냐하면 위에서 설명한 바와 같이 PWSCC 필요조건 중에서 조절 가능한 것은 규칙화 과정 제어뿐이기 때문이다. According to the basic model of FIG. 5 b) of the present invention, it can be expected that the PWSCC does not occur unless regularization occurs in the primary water environment of the nuclear power plant. Thus, a comparison of PWSCC initiation with a sensitive and ordered nickel base alloy material that is sensitive to PWSCC may reveal whether the ordering treatment prevents PWSCC initiation. This is because, as described above, the only adjustable PWSCC requirements are the regularization process control.

Cu Ka X-ray를 이용하여 규칙화 열처리 시험편에 대해 잔류응력 측정 결과, 규칙화 처리에 의해 잔류응력은 감소하였다. 그러나 도 2에 나타낸 바와 같이 규칙화 처리에 의한 결정격자가 수축하므로, 규칙화 처리에 의한 잔류응력의 감소가 규칙화 처리에 의한 결정격자 수축의 효과인지, 아니면 잔류응력의 감소에 의한 것인지 명확히 구분할 수 없다. 왜냐하면 XRD 방법에 의한 잔류응력의 측정은 결정의 면간 거리를 측정함으로써 잔류응력을 측정하는 원리를 사용하기 때문이다. 즉, 규칙화 처리가 유발하는 PWSCC 개시 방지 효과는 잔류응력의 감소와 규칙화 효과가 동시에 작용한 것이라고 할 수 있다. 그러나 규칙화 처리 온도 480℃는 annealing 효과에 의한 잔류응력 감소가 나타나기에는 상대적으로 낮은 온도로 판단되므로, 규칙화 처리에 의하여 잔류응력이 감소하는 경우에도 이 같은 변화는 규칙 반응의 존재에 기인한 것이라고 할 수 있다.As a result of measuring residual stress on the ordered heat treatment test specimen using Cu Ka X-ray, the residual stress was reduced by the ordering treatment. However, as shown in FIG. 2, since the crystal lattice by the regularization treatment shrinks, it is not possible to clearly distinguish whether the reduction of the residual stress due to the regularization treatment is an effect of the crystal lattice shrinkage or the reduction of the residual stress due to the regularization treatment. Can't. This is because the residual stress measured by the XRD method uses the principle of measuring the residual stress by measuring the interplanar distance of the crystal. In other words, it can be said that the effect of preventing PWSCC initiation caused by the regularization treatment is that the reduction of residual stress and the regularization effect acted simultaneously. However, since the normalized treatment temperature of 480 ° C is considered to be relatively low for residual stress reduction due to the annealing effect, such a change may be due to the existence of a regular reaction even when the residual stress decreases due to the regularization treatment. can do.

CW Alloy 600에 대하여 여러 온도에서 2시간 동안 열처리하고 SSRT 시험편(도 6)의 하중 방향 (loading direction)으로 측정한 잔류응력 감소 효과를 표 3에 나타내었다. 표에서 -는 감소를 의미하고, +는 증가를 의미한다. 표 3에서 잔류응력이 열처리 전보다 감소하는 것으로 나타나는 조건은 480℃ - 2 시간뿐이고, 550℃ 이상에서의 열처리에 의하여 잔류응력은 감소하지 않거나 오히려 증가하였다. 규칙화 처리 온도인 480℃에서 나타나는 잔류응력의 감소 효과를 표 4에 나타내었는데 잔류응력은 최소한 처리전과 같거나 전체적으로 감소하는 것으로 나타났다. 표 4에서 나타나는 감소폭의 변화는 잔류응력 측정의 특성을 고려하면 타당한 값이다.Table 3 shows the residual stress reduction effect of the CW Alloy 600 heat treated at various temperatures for 2 hours and measured in the loading direction of the SSRT specimen (FIG. 6). In the table,-means decrease and + means increase. In Table 3, the residual stress was found to decrease only before the heat treatment, but only 480 ° C-2 hours. The residual stress did not decrease or increased due to the heat treatment above 550 ° C. Table 4 shows the effect of reducing residual stress at the ordered treatment temperature of 480 ° C., which shows that the residual stress decreases at least as before or as a whole. The change in reduction shown in Table 4 is reasonable considering the characteristics of residual stress measurements.

Figure 112009016751159-PAT00003
Figure 112009016751159-PAT00003

Figure 112009016751159-PAT00004
Figure 112009016751159-PAT00004

Weld 182에 대하여 규칙화 처리 온도 이상의 여러 온도에서 열처리한 후 SSRT 시험편(도8)의 하중 방향으로 측정한 잔류응력 감소를 표 5에 나타내었다. 표 5에서 알 수 있는 바와 같이 잔류응력이 처리 전보다 감소하는 처리 조건은 480℃ - 2 시간뿐이다. 잔류응력은 최대 1500 MPa가 감소하는 것으로 나타났다. 550℃ 이상으로 열처리 온도가 증가하여도 잔류응력은 약간 감소하거나 오히려 증가하는 것으로 나타났다. The residual stress reduction measured in the load direction of the SSRT test piece (Fig. 8) after heat treatment at various temperatures above the ordered treatment temperature for the Weld 182 is shown in Table 5. As can be seen from Table 5, the treatment conditions in which the residual stress is reduced than before treatment are only 480 ° C-2 hours. The residual stress was found to decrease by up to 1500 MPa. Even if the heat treatment temperature was increased above 550 ℃, the residual stress was slightly decreased or increased.

Figure 112009016751159-PAT00005
Figure 112009016751159-PAT00005

표 6에는 규칙화 열처리 시간에 따른 잔류응력의 감소를 나타내었다. 규칙화 열처리 시간의 증가에 따라 약간 편차가 나타나지만 480℃에서 1/2시간만 처리하는 경우에도 약 350 MPa가 감소하고, 시간의 증가에 따라 1500 MPa 이상의 감소 효과가 나타난다는 것을 알 수 있다.Table 6 shows the reduction of residual stress with regular heat treatment time. Although there is a slight deviation with the increase in the ordered heat treatment time, it can be seen that about 350 MPa decreases even when only 1/2 hour treatment is performed at 480 ° C., and a reduction effect of 1500 MPa or more occurs as the time increases.

Figure 112009016751159-PAT00006
Figure 112009016751159-PAT00006

열처리 조건에 따른 CW Alloy 690의 냉간 압연 방향 잔류응력의 감소를 표 7에 나타내었다. 480℃ - 2 시간 열처리하면 약 280 MPa 정도의 잔류응력 감소 효과가 나타나지만, 550℃ 이상에서 2시간 열처리하면 잔류응력은 약 26 ~ 180 MPa 정도의 감소 효과를 나타낸다. The reduction of residual stress in cold rolling direction of CW Alloy 690 according to heat treatment conditions is shown in Table 7. After heat treatment at 480 ℃ for 2 hours, residual stress decreases by about 280 MPa. However, residual heat decreases by about 26 to 180 MPa when heated at 550 ℃ for 2 hours.

Figure 112009016751159-PAT00007
Figure 112009016751159-PAT00007

표 8에 나타낸 바와 같이 규칙화 열처리를 실시하면 모든 처리 조건에서 잔류응력이 감소하며, 시간에 따라 최소 125 MPa부터 최대 278 MPa 정도의 잔류응력 감소 효과가 나타난다. As shown in Table 8, the regular heat treatment reduces the residual stress under all treatment conditions, and the effect of reducing residual stress from 125 MPa to 278 MPa is obtained over time.

Figure 112009016751159-PAT00008
Figure 112009016751159-PAT00008

표 3 내지 표 8에 보인 바와 같이 잔류응력의 감소효과는 규칙화 열처리에 의하여 주로 발생한다는 것을 알 수 있으며, 규칙화 열처리는 온도의 증가에 의한 미세조직 및 물성의 변화를 유발하지 않고, 열처리 작업 중 재료의 열팽창 등으로 인한 구조물의 변형 유발 억제나 탄화물의 석출에 의한 재료의 예민화 방지의 관점에서 매우 유용하다. As shown in Tables 3 to 8, it can be seen that the effect of reducing residual stress is mainly caused by regular heat treatment, and the heat treatment is performed without causing a change in microstructure and physical properties due to an increase in temperature. It is very useful from the viewpoint of suppressing deformation induced by the structure due to thermal expansion of heavy materials or preventing the material from sensitization by precipitation of carbides.

따라서 상기의 발명의 효과는 냉간 가공 상태의 Alloy 600 및 Weld 182에 대하여 규칙화 처리를 실시 전과 후에 원전 1차수 환경에서 실시한 저변형률시험 (slow strain rate test, SSRT)을 통하여 규칙화 처리의 효과를 검증할 수 있었으며, 규칙화 처리를 통하여 PWSCC 개시를 방지할 수 있었다. 그 검증 과정은 아래에 상세히 설명되어 있다. Therefore, the effects of the above invention can be achieved through the low strain rate test (SSRT) conducted in the first-order environment of nuclear power plants before and after the regularization treatment for Alloy 600 and Weld 182 in the cold working state. Verification was possible, and the regularization process prevented the initiation of PWSCC. The verification process is described in detail below.

실험 예1Experimental Example 1

Alloy 600은 증기발생기 세관의 경우에는 확관 부위에서 주로 발생한다는 것과 Weld 182는 그 자체로도 PWSCC에 예민성을 가진다는 것을 알 수 있다. 따라서 증기발생기 세관을 상온에서 압연하여 PWSCC에 취약하게 만든 후 규칙화 처리한 시험편과 비교하면 규칙화 처리 효과를 증명할 수 있다. 또한 Weld 182를 제작하여 시험편을 만든 후 규칙화 처리한 시험편과 PWSCC 비교 실험을 하면 규칙화 처리가 PWSCC 개시 방지 효과를 입증할 수 있다. It can be seen that Alloy 600 occurs mainly at the expansion site in the case of steam generator tubing and Weld 182 is itself sensitive to PWSCC. Therefore, the steam generator tubing can be rolled at room temperature, making it vulnerable to PWSCC, and then the effect of regularization can be demonstrated by comparison with the regularized specimen. In addition, when the Weld 182 is fabricated to make a specimen, and the PWSCC comparison experiment with the regularized specimen can be proved that the regularization treatment can prevent the PWSCC initiation.

이 실험에서는 primary water 수질을 적절히 만족시킬 수 있느냐가 중요한 인자이다. 따라서 본 실험에서는 원전 1차 수 환경과 동일한 수질을 유지할 수 있는 순환 loop를 만들어 시험편 주위를 돌아 나오는 1차 수질 monitoring하여 1차 수질이 적절히 유지되는 것을 검증하였다. In this experiment, whether the primary water quality is adequately satisfied is an important factor. Therefore, in this experiment, it was verified that the primary water quality is properly maintained by monitoring the primary water quality that is returned around the specimens by creating a circulation loop that can maintain the same water quality as the nuclear water environment.

상기 수질 환경을 요약하면, 압력은 160 bar, 온도는 330℃, 붕산의 농도는 1200 ppm B, Li 농도는 2.2 ppm Li, 용존 산소(dissolved oxygen, DO)는 10 ppb 이하, 용존 수소 (dissolved hydrogen)는 2 ppm 내외, 전도도는 약 20 μS/cm 이다. Summarizing the water environment, pressure is 160 bar, temperature is 330 ° C, boric acid concentration is 1200 ppm B, Li concentration is 2.2 ppm Li, dissolved oxygen (DO) is 10 ppb or less, dissolved hydrogen (dissolved hydrogen) ) Is around 2 ppm and the conductivity is about 20 μS / cm.

본 발명에서 사용한 실험 방법은 primary water 환경에서 느리게 변형을 가하는 방법을 사용하여 표면의 균열 발생 특성을 비교하는 방법을 사용하였다. 이 실험 방법은 SSRT로 알려져 있으며, 변형 속도는 3 x 10-8/s-1로 2.7%까지 변형시킨 CW Alloy 600 및 규칙화 처리된 Alloy 600 시험편의 표면 균열을 비교한 사진을 도 6에 나타내었다. The experimental method used in the present invention used a method of comparing the crack initiation characteristics of the surface using a method of slow deformation in the primary water environment. This test method is known as SSRT, and a photograph comparing the surface cracks of CW Alloy 600 and regularized Alloy 600 specimens with strain rates of 3 x 10 -8 / s -1 up to 2.7% is shown in FIG. It was.

SSRT 시험 후 gage section의 전체 부위를 주사전자현미경(scanning electron microscope, SEM)으로 조사한 결과, 도 6의 a)에 나타난 바와 같이 상온에서 압연한 재료는 실험에 의해 입계 균열이 발생한 반면, 도 6의 b)에 나타난 480 ℃ - 8 hour 규칙화 처리한 재료에서는 균열을 확인할 수 없었다. After the SSRT test, the entire area of the gage section was examined by a scanning electron microscope (SEM). As shown in FIG. 6A, the material rolled at room temperature showed grain boundary cracking by the test. Cracks were not found in the 480 ℃-8 hour ordered material shown in b).

따라서 냉간 가공된 Alloy 600 재료에서는 표면에서 균열이 관찰될 뿐만 아니라 표면의 양상이 규칙화 처리된 시험편에 비하여 더 취약한 형태를 나타냄을 알 수 있으므로, 규칙화 처리가 PWSCC 개시 방지하는 효과가 나타남을 알 수 있다. Therefore, in the cold processed Alloy 600 material, not only cracks were observed on the surface but also the surface was more vulnerable than the regularized specimens. Therefore, it can be seen that the regularization treatment prevents the initiation of PWSCC. Can be.

실험 예2Experimental Example 2

PWSCC에 예민한 것으로 알려진 Weld 182에 대한 규칙화 처리 효과를 검증하기 위하여 도 7과 같은 단면을 갖는 Weld 182 시험편을 제작하였다. Weld 182에 대하여 규칙화 처리를 실시한 후 변형 속도는 3 x 10-8/s-1로 2.7% 정도로 SSRT 시험한 Weld 182 및 규칙화 처리된 Weld 182 시험편의 표면 균열 사진을 도 8에 비교하였다.In order to verify the effect of regularization on Weld 182, which is known to be sensitive to PWSCC, Weld 182 test piece having a cross section as shown in FIG. 7 was fabricated. After the normalization treatment on the Weld 182, the surface crack photographs of the Weld 182 and the regularized Weld 182 specimens subjected to SSRT test at 2.7% with a strain rate of 3 × 10 −8 / s −1 were compared with those of FIG. 8.

도시된 바와 같이 규칙화 처리하지 않은 Weld 182(도 8의 a)는 dendrite cell boundary를 따라 입계 균열이 발생하는데 비하여, 480℃-2hrs 규칙화 처리한 weld 182(도 8의 b) 재료에서는 균열이 발생하지 않는다. 사진은 제시하지 않았지만, 480℃에서 1/2시간을 처리한 경우에도 균열 개시 방지 효과가 있는 것을 확인 할 수 있으며, 규칙화 반응은 480 ℃ - 0.5 hour에서도 충분히 완성될 것으로 보인다.As shown, the Weld 182 (FIG. 8 a) that was not ordered showed grain boundary cracks along the dendrite cell boundary, whereas the weld 182 (FIG. 8 b) which had been treated with 480 ° C.-2 hrs was cracked. Does not occur. Although the photograph is not presented, it can be seen that there is a crack initiation prevention effect even when the 1/2 hour treatment at 480 ℃, and the regularization reaction is expected to be completed even at 480 ℃-0.5 hour.

여기서 언급하는 규칙화 처리는 처리 방법은 일반적인 열처리 방법과 동일하지만 그 목적이나 처리 온도 구간이 규칙화가 진전되는 온도 구간이라는 것이 특징이다. 도 1에서도 설명한 바 있지만 520℃ 이상에서는 불규칙화가 일어나게 되고 이 과정에서 결정격자가 팽창하게 된다. 이 경우에는 원전 부품이 원전 가동 온도에서 가동되는 과정에서 다시 규칙화가 일어나면서 결정격자의 수축을 유발하므로 다시 PWSCC 예민성을 가지게 된다. The regularization treatment mentioned here is characterized in that the treatment method is the same as a general heat treatment method, but the purpose or treatment temperature section is a temperature section in which regularization progresses. Although described with reference to FIG. 1, irregularity occurs at 520 ° C. or higher, and the crystal lattice expands in this process. In this case, when the nuclear power plant parts are operated at the operating temperature of the nuclear power plant, regularization occurs again, causing the shrinkage of the crystal lattice, and thus, the PWSCC is sensitive again.

반면, 520℃ 이하에서 열처리하는 경우에는 규칙화가 진전되어 결정격자의 수축이 완료되므로 원자로 1차 환경에 노출되어 가동될 때 더 이상의 규칙화 과정이 발생하지 않아 PWSCC의 충분조건을 제공할 수 없으므로 PWSCC 개시가 방지된다는 것이므로 규칙화 처리는 일반적인 열처리와는 구분되어야 한다는 것이다.On the other hand, in the case of heat treatment at 520 ℃ or less, the regularization progresses and the shrinkage of the crystal lattice is completed. Therefore, when the reactor is exposed to the primary environment of the reactor, no further regularization process occurs, and thus, PWSCC cannot provide sufficient conditions. Since the initiation is prevented, the regularization treatment should be distinguished from the general heat treatment.

이와 같이 규칙화는 도 1에 보인 바와 같이 520℃ 이하에서 일어나는 것으로 보이지만, 여유 있게 500℃ 이하에서 일어난다고 할 수 있으며, 규칙화 처리 시간은 480~500℃에서 30분 이상 처리하면 PWSCC 개시는 방지되는 것으로 판단된다. As shown in FIG. 1, the regularization appears to occur at 520 ° C. or lower, but can be said to occur at 500 ° C. or lower, and the PWSCC prevention is prevented when the regularization treatment time is processed at 480 to 500 ° C. for 30 minutes or more. It seems to be.

그러나 실제 원전 부품에 적용하기 위해서는 가열 및 열전달에 필요한 시간 등을 고려하여 적어도 수 시간의 처리 시간이 필요할 것이다. 이와 같이 부품 한 쪽에 열원을 설치하여 부품 다른 쪽을 규칙화 처리를 하는 경우, 부품의 두께가 두껍고 열전도도가 낮으면 외면의 온도는 약간 높게 선택할 수밖에 없고, 이 경우 외면에는 일시적으로 불규칙화 되어도 내면에 규칙화 처리를 완료한 후 외면은 2단계에 걸쳐서 규칙화 처리가 가능할 것이다. 이 과정에의 다 단계 열처리 과정에서의 온도-시간 관계를 도 9에 개략적으로 나타내었다.However, in order to apply to actual nuclear power plant components, at least several hours of processing time will be required in consideration of the time required for heating and heat transfer. In this way, when the heat source is installed on one side and the other side is subjected to regular processing, if the thickness of the part is thick and the thermal conductivity is low, the temperature of the outer surface must be selected slightly higher. After the regularization process is completed, the exterior surface can be processed in two stages. The temperature-time relationship in the multi-step heat treatment to this process is schematically shown in FIG.

본 발명은 현재까지 니켈-베이스 용접부의 PWSCC를 완화하기 위하여 개발되어 ASME code case에 등재된 laser peening, water jet peening, weld inlay 방법은 원전 1차수에 접하는 면에 대한 직접적인 처리가 필요하다는 것이다. 그러므로 이들 방법은 원전의 복잡한 구조에 기인한 접근 한계, 방사선에 노출, 완화 처리 부분에 대한 정밀한 처리 여부 및 감시 등의 현실적 문제를 안고 있다, 이에 비하면 본 발명에서 개발한 개시 방지 방법은 규칙화 처리할 부분에 대해 처리할 필요가 없이 내면에 대한 완화 처리를 외면서도 가능하다는 것이다.The present invention has been developed to alleviate the PWSCC of the nickel-base welded to date, and the laser peening, water jet peening, and weld inlay methods listed in the ASME code case require direct treatment on the surface of the nuclear power plant. Therefore, these methods suffer from practical problems such as access limitations due to the complex structure of the nuclear power plant, exposure to radiation, precise treatment of the mitigation portion, and monitoring. It is possible to neglect the internal mitigation without having to deal with the parts.

한편, 상기 서술한 예는, 본 발명을 설명하고자하는 예일 뿐이다. 따라서 본 발명이 속하는 기술 분야의 통상적인 전문가가 본 상세한 설명을 참조하여 부분변경 사용한 것도 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연한 것이다.In addition, the above-mentioned example is only an example to demonstrate this invention. Therefore, it is obvious that the ordinary skilled in the art to which the present invention pertains uses the partial change with reference to this detailed description.

도 1은 DSC 분석에 의한 Alloy 600의 비열변화를 나타낸 그래프. 1 is a graph showing the specific heat change of Alloy 600 by DSC analysis.

도 2는 시험편을 400℃에서 isothermal annealing처리 후 결정면간의 거리변화를 나타낸 그래프.Figure 2 is a graph showing the change in distance between the crystal plane after isothermal annealing treatment at 400 ℃ the test piece.

도 3은 여러 온도에서 인장 변형된 시험편에 대한 중성자회절 분석으로 변형온도에 대해 결정격자 면간 거리를 도시한 그래프.Figure 3 is a graph showing the distance between the crystal lattice plane to the strain temperature by neutron diffraction analysis for the tensile strain test specimen at various temperatures.

도 4는 SRO형성에 의한 결정의 이방성 수축으로 결정 입계에 국부적인 응력이 작용하는 과정을 도시한 개략도.4 is a schematic diagram illustrating a process in which local stress acts on grain boundaries due to anisotropic shrinkage of a crystal due to SRO formation;

도 5는 PWSCC가 발생하는 응력, 환경, 재료 조건의 조합을 나타내는 개념을 비교한 개념도.FIG. 5 is a conceptual diagram comparing concepts representing a combination of stress, environment, and material conditions in which PWSCC is generated. FIG.

도 6은 SSRT 시험한 냉간가공 Alloy 600 및 규칙화 처리된 Alloy 600 시험편의 표면균열 비교사진.Figure 6 is a comparison of the surface cracks of SSRT-tested cold processed Alloy 600 and regularized Alloy 600 test piece.

도 7은 Weld 182 용접부 시험편 제작 개략도.7 is a schematic view of Weld 182 welded specimen preparation.

도 8은 SSRT시험한 Weld 182 및 규칙화 처리된 Weld 182 시험편의 표면균열 비교사진.Figure 8 is a comparison of the surface cracks of the SSRT test Weld 182 and regularized Weld 182 test piece.

도 9는 규칙화 처리할 쪽과 열원이 접촉할 쪽이 다를 경우 필요한 다단계 열처리 과정의 온도 분포도.9 is a temperature distribution diagram of a multi-stage heat treatment process required when the side to be normalized and the side to be in contact with the heat source are different.

Claims (4)

원자로를 구성하는 니켈-베이스 합금 배관 부품과 상기 부품을 연결하는 용접 재료인 니켈-베이스 합금을 규칙화 처리하여 PWSCC 개시 방지하는 니켈-베이스 합금 원전 구조재의 1차 계통수 응력 부식 균열 개시 방지방법에 있어서,In the method of preventing the first systematic stress corrosion cracking initiation of the nickel-base alloy nuclear power plant structural element to prevent the PWSCC start by the regular treatment of the nickel-base alloy piping parts constituting the reactor and the nickel-base alloy that is a welding material connecting the parts , 니켈-베이스합금을 400 ~ 520 ℃에서 0.5 ~ 200 시간 유지하여 규칙화가 이루어지도록 하는 것을 특징으로 하는 니켈-베이스 합금 원전 구조재의 1차 계통수 응력 부식 균열 개시 방지방법.A method for preventing primary strain stress corrosion cracking initiation of a nickel-base alloy nuclear power plant structure, wherein the nickel-base alloy is maintained at 400 to 520 ° C. for 0.5 to 200 hours. 제 1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 니켈-베이스합금은 Alloy 600, Alloy 690, Weld 182, Weld 82, Weld 152, Weld 52, Weld 52M로 이루어진 군으로부터 선택 사용됨을 특징으로 하는 니켈-베이스 합금 원전 구조재의 1차 계통수 응력 부식 균열 개시 방지방법.The nickel-based alloy is selected from the group consisting of Alloy 600, Alloy 690, Weld 182, Weld 82, Weld 152, Weld 52, and Weld 52M. Prevention method. 제 1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 온도구간에서 규칙화가 잘 나타나는 480 ~ 520 ℃의 온도 구간에서 시간당 5~10℃로 가열 및 냉각이 이루어지도록 한 것을 특징으로 하는 니켈-베이스 합금 원전 구조재의 1차 계통수 응력 부식 균열 개시 방지방법.Method for preventing the first system strain stress corrosion cracking start of the nickel-base alloy nuclear power plant structural material, characterized in that the heating and cooling is performed at 5 ~ 10 ℃ per hour in the temperature range of 480 ~ 520 ℃ well represented in the temperature section. 제 1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 니켈-베이스합금으로 제조된 부품인 배관의 규칙화는 The regularization of the pipe is a part made of the nickel-base alloy 배관의 내부나 외부 중 한 쪽 부위에 상기 온도구간 이상으로 열을 가하여 다른 쪽 부위의 온도를 480 ~ 520 ℃ 온도구간으로 유지시키는 단계와;Applying heat to at least one of the inside and outside of the pipe to the temperature section to maintain the temperature at the other part at a temperature range of 480 to 520 ° C .; 상기 온도를 낮추는 과정에서 상기 온도구간 이상으로 열을 가한 한 쪽 부위를 상기 온도구간으로 유지하는 단계를 포함하여 다단의 열처리과정으로 이루어짐을 특징으로 하는 니켈-베이스 합금 원전 구조재의 1차 계통수 응력 부식 균열 개시 방지방법.Primary systematic stress stress corrosion of the nickel-base alloy nuclear power plant structural material comprising a multi-stage heat treatment process including the step of maintaining one side of the heat applied to the temperature section in the process of lowering the temperature in the temperature section How to prevent crack initiation.
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