KR20130126014A - 배관의 안정성 평가용 시험장치 및 시편의 제작방법 - Google Patents

배관의 안정성 평가용 시험장치 및 시편의 제작방법 Download PDF

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KR20130126014A
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Abstract

본 발명은 배관의 안정성 평가용 시험장치에 관한 것이며, 본 발명의 배관의 안정성 평가용 시험장치는 원자력 발전소에 사용되는 배관의 안정성 평가용 시험장치에 있어서, 상기 배관과 동일한 소재로 형성되며, 단부인 제1면으로부터부터 절개되어 노치부가 형성되고, 상기 노치부의 단부에는 균열부가 형성되는 시편; 상기 시편과 연결되어, 상기 노치부가 절개된 방향에 수직한 방향으로 하중을 인가하는 하중인가부;를 포함하며, 상기 하중인가부와 연결되는 한 쌍의 핀홀이 상기 시편 상에 인가되는 하중 방향을 따라 상호 이격되게 형성되되, 상기 제1면에 대향하는 제2면과 상기 균열부의 단부 사이의 공간에 중심점이 마련되는 것을 특징으로 한다.
따라서, 본 발명에 의하면, 하중 인가시에 실제 시공되는 배관과 동일한 응력구배를 갖는 시편을 이용하여 높은 신뢰성의 안정성 평가를 실시할 수 있는 배관의 안정성 평가용 시험장치이 제공된다.

Description

배관의 안정성 평가용 시험장치 및 시편의 제작방법{METHOD FOR MAKING TEST SPECIMEN AND TEST EQUIPMENT TO EVALUATE THE SAFETY OF PIPING}
본 발명은 배관의 안정성 평가용 시험장치 및 시편의 제작방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 배관 안정성을 평가할 수 있는 배관의 안정성 평가용 시험장치 및 시험장치에 이용되는 시편을 제작할 수 있는 시편의 제작방법에 관한 것이다.
원자력 발전소의 설계시 고에너지 배관계의 양단순간파단시 2,3차의 연쇄파괴를 방지하기 위하여 육중한 방호벽, 배관 구속장치, 유체분출 방지벽을 설치하는데, 이러한 안전설계 비용이 총설계비용의 30%에 이르는 것으로 알려져있다.
그러나, 양단 순간파단이 일어나기전에 누설이 발생하고 이 누설을 감지하여 가동을 멈추는 경우에는, 추가적인 비용을 절감할 수 있으며, 이러한 설계를 "파단전누설설계"라고 한다. 특히, 원자력 발전소의 건설시 상술한 "파단전누설설계"의 개념을 적용하면 1호기당 수천억원의 경제적 이익이 있다고 알려져 있다.
다만, 이러한 "파단전누설설계" 적용시 필수적인 것이 대상 배관에 대한 파괴저항곡선(J-R Curve)인데, 종래에는 1인치(25.4cm) 두께의 소형인장시편(CT시편)을 사용하여 파괴저항곡선을 구한다.
도 1은 종래의 배관 안정성 평가용 시편의 일례를 도시한 것이다.
그러나, 도 1에 도시된 종래의 시편(10a, 10b, 10c)의 경우에는 크기에 따라 파괴저항곡선이 다르게 나타남이 알려져있고, 실배관의 파괴저항곡선과도 다르다고 알려져 있으므로, 이러한 종래의 시편을 이용한 안정성 검사는 신뢰성이 떨어진다는 문제가 있었다.
또한, 안정성 검사 신뢰도 확보를 위하여 실제 배관을 이용하여 파괴저항곡선 시험을 하는 경우가 있으나, 이러한 경우에는 과도한 비용이 소요되며, 실험이 매우 어렵다는 문제점이 있다.
따라서, 본 발명의 목적은 이와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 하중 인가시에 실제 시공되는 배관과 동일한 응력구배를 갖는 시편을 이용하여 높은 신뢰성의 안정성 평가를 실시할 수 있는 배관의 안정성평가용 시험장치 및 시편의 제작방법을 제공함에 있다.
상기 목적은, 본 발명에 따라, 원자력 발전소에 사용되는 배관의 안정성 평가용 시험장치에 있어서, 상기 배관과 동일한 소재로 형성되며, 단부인 제1면으로부터부터 절개되어 노치부가 형성되고, 상기 노치부의 단부에는 균열부가 형성되는 시편; 상기 시편과 연결되어, 상기 노치부가 절개된 방향에 수직한 방향으로 하중을 인가하는 하중인가부;를 포함하며, 상기 하중인가부와 연결되는 한 쌍의 핀홀이 상기 시편 상에 인가되는 하중 방향을 따라 상호 이격되게 형성되되, 상기 제1면에 대향하는 제2면과 상기 균열부의 단부 사이의 공간에 중심점이 마련되는 것을 특징으로 하는 배관의 안정성 평가용 시험장치에 의해 달성된다.
또한, 상기 시편으로부터 측정되는 파괴저항(J-R) 곡선이 상기 실제 배관과 동일하도록 상기 시편은 상기 배관과 동일한 두께로 형성될 수 있다.
또한, 상기 시편으로부터 측정되는 파괴저항(J-R) 곡선이 상기 실제 배관과 동일하도록 상기 시편의 단부는 상기 배관의 곡률과 동일한 곡률을 갖도록 가공될 수 있다.
또한, 상기 하중인가부로부터 하중 인가시에 상기 핀홀의 파단이 방지되도록 상기 시편의 제2면은 내측으로 함몰되어 함몰부를 형성할 수 있다.
또한, 상기 목적은, 본 발명에 따라, 안정성 평가 시험장치에 이용되는 시편을 제작하는 방법에 있어서, 상기 실제 배관과 동일한 소재의 시편을 준비하는 시편준비단계; 상기 시편을 일단부로부터 내측으로 일부 절개하여 노치부를 형성하는 노치부 형성단계; 상기 노치부의 단부에 균열부를 형성하는 균열부 형성단계; 상기 시편의 타단부와 상기 균열부의 사이 영역에 상호 이격되는 한 쌍의 핀홀을 형성하는 핀홀 형성단계;를 포함하되, 상기 시편으로부터 측정되는 응력구배가 상기 실제배관의 응력구배와 동일해지도록 상기 노치부와 상기 균열부와 상기 핀홀이 가공되는 것을 특징으로 하는 배관의 안정성 평가용 시편의 제작방법에 의해 달성된다.
또한, 상기 시편준비단계에서는 상기 시편의 단부를 상기 실제 배관의 곡률과 동일한 곡률을 갖도록 가공할 수 있다.
본 발명에 따르면, 노치부와 시편 단부 사이에 핀홀을 위치시켜 시편이 실제 시편에 하중이 인가되는 경우의 응력구배와 동일한 응력구배를 갖도록 함으로써, 실제 시편을 근접하게 모사한 상태에서 안정성을 평가할 수 있는 배관의 안정성 평가용 시험장치가 제공된다.
또한, 실제 배관을 이용하지 않고, 실제 배관을 근접하게 모사함으로써 평가 비용을 절감할 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 실제 배관과 동일한 응력구배를 갖는 시편을 용이하게 제작할 수 있는 배관의 안정성 평가용 시편의 제작방법이 제공된다.
또한, 실제 배관과 동일한 파괴저항(J-R) 곡선을 가지는 시편을 확보할 수 있으므로 시편을 통한 안정성 검사의 신뢰도가 향상될 수 있다.
도 1은 종래의 배관 안정성 평가용 시편의 일례를 도시한 것이고,
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 배관의 안정성 평가시험 장치를 개략적으로 도시한 것이고,
도 3은 도 2의 배관의 안정성 평가시험 장치의 시편의 다양한 변형례를 도시한 것이고,
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 배관의 안정성 평가용 시편의 제작방법의 개략적인 공정 흐름도이고,
도 5는 실제 시공되는 배관에 적용되는 응력구배를 설명하기 위한 것이고,
도 6은 도 4의 배관의 안정성 평가용 시편의 제작방법을 설명하기 위한 시편의 정면도이다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 일실시예에 따른 배관의 안정성 평가용 시험장치에 대하여 상세하게 설명한다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 배관의 안정성 평가시험 장치를 개략적으로 도시한 것이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 배관의 안정성 평가용 시험장치(100)는 원자력 발전소에 시공되는 실제 배관과 동일한 응력구배를 모사하도록 하여 검사 신뢰도가 향상되는 검사장치에 관한 것으로서, 시편(110)과 하중인가부(120)를 포함한다.
상기 시편(110)은 후술하는 하중인가부(120)로부터 하중(P)을 인가받아 실제 배관을 모사함으로써 원자력 발전소 등에 실제로 시공되는 배관(P)의 안정성을 평가하기 위한 것으로서, 실제 시공되는 배관과 동일한 소재로 마련되는 것이 바람직하다.
한편, 상기 시편(110)의 일측면을 제1면(S1)이라하고, 이와 마주보는 면을 제2면(S2)이라 정의한 상태에서 시편(110)의 구체적인 형상 및 구조에 대해서 후술한다.
시편(110)에는 제1면(S1)으로부터 제2면(S2)의 측으로 소정길이로 절개되는 노치부(111)가 가공되고, 노치부(111)의 단부에는 균열부(112)가 형성된다.
또한, 하중(P)을 인가받기 위하여 시편(110)에는 후술하는 하중인가부(120)에 연결되는 한 쌍의 핀홀(113)이 서로 이격되게 형성된다. 핀홀(113)은 시편(110)의 길이방향을 따라서 소정간격 이격되며, 본 실시예에서 핀홀(113)의 단면형상은 소정 직경을 가지는 원형으로 마련되나, 핀홀(113)의 형상은 이에 삽입, 장착되어 후술하는 하중인가부(120)와 연결되는 소정의 핀의 형태를 고려하여 결정하는 것이 바람직하다.
이때, 하중인가부(120)로부터 가해지는 하중(P)에 의하여 시편(110)이 실제 시공되는 배관의 응력구배와 동일한 응력구배를 가질 수 있도록 핀홀(113)의 중심점은 균열부(112)와 제2면(S2) 사이의 이격공간, 즉, 균열부(112)의 종단부로부터 시편(110)의 길이방향을 따라 연장되는 면과 제2면(S2) 사이의 이격공간 내에 마련된다.
또한, 시편(110)에 형성되는 핀홀(120)의 직경은 제한되는 것은 아니며, 가공되는 핀홀(113)의 크기가 커지는 경우 하중(P)에 의하여 핀홀(113)이 파단되는 것을 방지하기 위하여, 제2면(S2)은 제1면(S1) 측으로 일부가 함몰됨으로써, 시편(110)의 측면에는 함몰부(114)가 형성된다.
한편, 시편(110)의 노치부(111), 균열부(112), 핀홀(113)의 위치는 실제 배관의 응력구배를 정밀하게 모사하기 위하여 적절한 위치에 설계되는 것으로서, 이러한 시편(110)의 가공 및 설계방법에 대해서는 배관의 안정성 평가용 시편의 제작방법에서 후술한다.
상기 하중인가장치(120)는 시편(110)에 형성된 핀홀(113)과 직접적으로 연결되어, 시편(110)에 하중(P)을 인가하기 위한 장치이다.
한편, 도 3은 도 2의 배관의 안정성 평가시험 장치의 시편의 다양한 변형례를 도시한 것이고, 도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명에 사용되는 시편은 곡률을 가지되 함몰부가 형성되지 않는 형태(110a), 평판형으로 함몰부가 형성되지 않는 형태(110b), 평판형으로 함몰부가 형성되는 형태(110c) 등 필요에 따라서 다양한 형태로 마련될 수 있다.
지금부터는 상술한 배관의 안정성 평가용 시편의 제작방법의 일실시예에 대하여 설명한다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 배관의 안정성 평가용 시편의 제작방법의 개략적인 공정 흐름도이고, 도 5는 실제 시공되는 배관에 적용되는 응력구배를 설명하기 위한 것이고, 도 6은 도 4의 배관의 안정성 평가용 시편의 제작방법을 설명하기 위한 시편의 정면도이다.
도 4를 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 배관의 안정성 평가용 시편의 제작방법(S100)은 원자력 발전소에 실제 시공되는 배관에 가해지는 응력구배와 동일한 응력구배를 모사하도록 설계된 시편을 제작하는 방법에 관한 것으로서, 시편준비단계(S110)와 노치부 형성단계(S120)와 균열부 형성단계(S130)와 핀홀 형성단계(S140)를 포함한다.
상기 시편준비단계(S110)는 시편(100)을 준비하는 단계이다. 본 단계에서의 시편(110)은 상술한 실제 배관과 동일한 소재로 마련되며, 특히, 배관의 정밀한 모사를 통한 검사 신뢰도를 향상시키기 위하여 실제 배관과 동일한 두께를 갖는 시편으로 마련되는 것이 바람직하다.
또한, 본 단계에서는 시편(110)을 실제 배관에 형성되는 곡률과 동일한 곡률을 갖도록 가공한다. 즉, 시편(110)을 가공하여 최종 제작되는 시편(110)이 실제 배관의 형상과의 동일한 곡률을 갖도록 한다.
상기 노치부 형성단계(S120)는 상술한 시편준비단계(S110)에서 가공, 준비된 시편(110)에 노치부(111)를 형성하는 단계이다.
시편(110)의 일측단면을 제1면(S1)이라 정의하고, 이에 대향되는 타측단면을 제2면(S2)이라고 정의하면, 본 단계에서는 시편(110)의 제1면(S1)을 제2면(S2) 측으로 일부 절개함으로써 노치부(111)를 가공한다. 즉, 노치부(111)는 시편(110)에 가해지는 하중(P)과 수직한 방향을 따라서 연장된다.
이때, 본 단계에서 가공되는 노치부(111)의 폭 및 절개되는 길이는 인가되는 하중(P)의 크기, 시편(110)의 사이즈, 실제 배관으로부터 측정되는 응력구배 등을 종합적으로 고려하여 결정하는 것이 바람직하다.
상기 균열부 형성단계(S130)는 노치부(111)의 최종단부로부터 제2면(S2) 측으로 연장되는 균열부(112)를 형성하는 단계이다. 즉, 본 단계에서는 항복응력에 해당하는 하중이 인가되어 균열이 시작되는 위치로서, 노치부(111)보다 작은 폭의 균열부(112)를 가공하는 것이다.
상기 핀홀 형성단계(S140)는 시편(110)에 핀하중을 인가하기 위하여 하중인가부(120)와 연결되는 핀이 장착, 설치되는 공간인 핀홀(113)을 가공하는 단계로서, 소정 직경의 원형의 핀홀(112) 한 쌍을 시편(110) 상에 가공하는 단계이다.
한편, 상술한 노치부 형성단계(S120)와 균열부 형성단계(S130)와 핀홀 형성단계(S140)에서 각각 가공되는 노치부(111), 균열부(112) 및 핀홀(113)의 시편(110) 상에서의 위치는 실제 배관의 응력구배를 고려하여 결정되는 것으로서, 이들을 결정하는 방법에 대해서 설명한다.
도 5는 실제 시공되는 배관에 적용되는 응력구배를 설명하기 위한 것이다.
도 5에 도시된 바와 같이, 실제 배관(R)에는 굽힘 모멘트(M)와 인장응력(P)이 동시에 작용하며, 이와 동일한 굽힘 모멘트(M)와 인장응력(P)이 시편에 적용되는 경우를 가정하여, 본 실시예의 방법에 의하여 제조되는 시편(110)에 가해지는 응력구배를 도 6을 참조하여 후술한다.
먼저, 본 실시예에서 제작되는 시편의 단면계수(Z)는 하기의 [수학식 1]과 같이 나타낼 수 있다.
Figure pat00001
이때, B 는 본 실시예에서 시편(110)의 두께이고, b 는 노치부(111)의 최종단부와 제2면(S2) 사이의 간격을 나타낸다.
따라서, 시편(110)에 가해지는 하중(P)에 의한 굽힘모멘트(M)는 하기의 [수학식 2]와 같이 나타낼 수 있다.
Figure pat00002
이때, a는 핀홀(113) 중심점의 좌표값을 나타내며, 노치부(111)의 최종단부를 기준점으로 좌표계를 설정하여 제2면(S2) 방향으로는 음(-)의 값, 제1면(S1) 방향으로는 양(+)의 값을 갖는 것으로 정의한다. 즉, 핀홀(113)의 중심점이 노치부(111) 최종단부로부터 제2면(S2) 측에 위치하는 경우에는 음(-)의 값을 가지게 되는 것이다.
따라서, 가해지는 굽힘모멘트에 의한 최대 응력(σM)은 하기의 [수학식 3]과 같이 나타낼 수 있다.
Figure pat00003
또한, 하중(P)에 의한 인장응력(σP)은 하기의 [수학식 4]와 같이 나타낼 수 있다.
Figure pat00004
따라서, 인가되는 하중에 의하여 가해지는 최대응력(σmax)과 최소응력(σmin)은 하기의 [수학식 5] 및 [수학식 6]과 같이 나타낼 수 있다.
Figure pat00005
Figure pat00006
이때, 최대응력(σmax)이 시편의 항복강도(σY)와 동일하다고 가정하고, 최소응력(σmin)을 항복강도(σY)에 대해서 정리하면, 하기의 [수학식 7]과 같이 나타낼 수 있다.
Figure pat00007
따라서, 시편(110)에 가해지는 최대응력(σmax)과 최소응력(σmin)의 차이는 하기의 [수학식 8]과 같이 나타낼 수 있다.
Figure pat00008
따라서, 시편(110)에 가해지는 응력구배(SS)는 상기의 [수학식 8]에 의하여, 하기의 [수학식 9]와 같이 나타낼 수 있다.
Figure pat00009
따라서, 상기 [수학식 9]를 이용하여, 제작되는 시편(110)이 실제배관에 가해지는 응력구배와 동일한 응력구배를 갖도록 노치부의 위치(b) 및 핀홀의 위치(a)를 조절하여 가공할 수 있다.
현장에서 실제로 시공, 사용되는 배관으로부터 측정되는 응력구배는 일반적으로 0에 근접하는 값을 가지는 것이므로, 이를 본 실시예에서 최종적으로 제작되는 시편에 적용하면, b값은 노치부(111)의 단부와 제2면(S2) 사이의 간격을 나타내는 것으로서 양(+)의 값이므로, [수학식 9]에서 a값이 b값을 상쇄하여 시편의 응력구배(SS)가 실제 배관과 유사한 0에 근접되도록 하기 위해서는 a의 값은 (-)의 값을 가지게 된다.
따라서, 상술한 바와 같이, 실제 배관의 응력구배를 모사하기 위해서 핀홀(113)의 중심점의 좌표의 위치(a)는 음수를 가지며, 상술한 바와 같이 설정된 좌표계에 따르면, 핀홀(113)의 중심점은 노치부(111)와 제2면(S2)의 사이 공간에 위치한다.
즉, 상기의 [수학식 9]에서의 노치부(111)와 핀홀(113)의 위치를 조절하여 가공함으로써, 실제 배관의 응력구배를 정밀하게 모사하는 시편이 제작될 수 있다.
다시 설명하면, 본 실시예에 의하여 제작되는 시편은 실제 배관의 응력구배를 정밀하게 모사될 수 있으며, 이로 인하여, 본 실시예에 의하여 제작되는 시편으로부터 실제 배관과 동일한 파괴저항(J-R)곡선을 확보할 수 있다.
따라서, 이러한 시편으로부터의 평가되는 안정성의 신뢰도 역시 향상될 수 있다.
본 발명의 권리범위는 상술한 실시예에 한정되는 것이 아니라 첨부된 특허청구범위 내에서 다양한 형태의 실시예로 구현될 수 있다. 특허청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 변형 가능한 다양한 범위까지 본 발명의 청구범위 기재의 범위 내에 있는 것으로 본다.
110 : 시편 120 : 하중 인가부
111 : 노치부 112 : 균열부
113 : 핀홀

Claims (6)

  1. 원자력 발전소에 사용되는 배관의 안정성 평가용 시험장치에 있어서,
    상기 배관과 동일한 소재로 형성되며, 단부인 제1면으로부터부터 절개되어 노치부가 형성되고, 상기 노치부의 단부에는 균열부가 형성되는 시편;
    상기 시편과 연결되어, 상기 노치부가 절개된 방향에 수직한 방향으로 하중을 인가하는 하중인가부;를 포함하며,
    상기 하중인가부와 연결되는 한 쌍의 핀홀이 상기 시편 상에 인가되는 하중 방향을 따라 상호 이격되게 형성되되, 상기 제1면에 대향하는 제2면과 상기 균열부의 단부 사이의 공간에 중심점이 마련되는 것을 특징으로 하는 배관의 안정성 평가용 시험장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 시편으로부터 측정되는 파괴저항(J-R) 곡선이 상기 실제 배관과 동일하도록 상기 시편은 상기 배관과 동일한 두께로 형성되는 것을 특징으로 하는 배관의 안정성 평가용 시험장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 시편으로부터 측정되는 파괴저항(J-R) 곡선이 상기 실제 배관과 동일하도록 상기 시편의 단부는 상기 배관의 곡률과 동일한 곡률을 갖도록 가공되는 것을 특징으로 하는 배관의 안정성 평가용 시험장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 하중인가부로부터 하중 인가시에 상기 핀홀의 파단이 방지되도록 상기 시편의 제2면은 내측으로 함몰되어 함몰부를 형성하는 것을 특징으로 하는 배관의 안정성 평가용 시험장치.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항의 배관의 안정성 평가용 시험장치에 이용되는 시편을 제작하는 방법에 있어서,
    실제 시공되는 배관과 동일한 소재의 시편을 준비하는 시편준비단계;
    상기 시편을 일단부로부터 내측으로 일부 절개하여 노치부를 형성하는 노치부 형성단계;
    상기 노치부의 단부에 균열부를 형성하는 균열부 형성단계;
    상기 시편의 타단부와 상기 균열부의 사이 영역에 상호 이격되는 한 쌍의 핀홀을 형성하는 핀홀 형성단계;를 포함하되,
    상기 시편으로부터 측정되는 응력구배가 상기 실제 배관의 응력구배와 동일해지도록 상기 노치부와 상기 균열부와 상기 핀홀이 가공되는 것을 특징으로 하는 배관의 안정성 평가용 시편의 제작방법.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 시편준비단계에서는 상기 시편의 단부를 상기 실제 배관의 곡률과 동일한 곡률을 갖도록 가공하는 것을 특징으로 하는 배관의 안정성 평가용 시편의 제작방법.
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