KR20150128003A

KR20150128003A - 발전소 가열 및 냉각 운전 과도사건의 피로평가에서 보정계수 산출방법

Info

Publication number: KR20150128003A
Application number: KR1020140054664A
Authority: KR
Inventors: 부명환; 권종주; 이재곤; 정성규; 김현수; 오창균; 심희진
Original assignee: 한국수력원자력 주식회사
Priority date: 2014-05-08
Filing date: 2014-05-08
Publication date: 2015-11-18
Also published as: KR101580844B1; JP2015215339A; CN105095637A; FR3020887A1; US20150323479A1; JP6073400B2; CN105095637B

Abstract

본 발명은 설계 운전조건으로 구한 응력강도 값에 응력보정계수(Stress Correction Factor) 를 곱하여 실제 운전조건에서 구해지는 응력강도 값으로 보정하는 발전소 가열 및 냉각 운전 과도사건 피로평가에 있어 발전소 가열 및 냉각 운전 과도사건 피로평가에서의 보정계수 산출방법에 관한 것이다.

Description

발전소 가열 및 냉각 운전 과도사건의 피로평가에서 보정계수 산출방법{Calculating method of the correction factor in fatigue assessment on the heating and cooling transients of the power plant}

본 발명은 발전소 가열 및 냉각 운전 과도사건의 피로평가에 있어 설계 운전조건에 대해 구한 응력강도 값에 응력강도 보정계수(Stress Intensity Correction Factor)를 곱하여 실제 운전조건에서의 응력강도 값으로 보정하는 피로사용계수의 계산방법에 관한 것이다.

원자력발전소의 주요 기기 및 배관의 피로설계는 ASME See.III NB-3200 및 NB-3600 에 따라 수행된다. 도 1(a)의 검은색 곡선은 가열 설계조건이며 실제 발전소는 도 1(a)의 붉은색과 같이 설계 조건보다 아래에서 운전된다. 따라서 운전 중인 발전소의 피로평가를 설계조건에 따라 수행할 경우 실제 운전조건에 비해 지나치게 보수적으로 평가되며 이는 피로 수명을 단축시키는 결과를 초래한다.

본 발명과 관련된 대한민국 등록특허공보 제10-1083121호에서는 이를 개선하기 위해 "특성피로사용계수 곡선을 이용한 과도상태 기반의 피로사용계수 산출장치 및 그 방법"이 제안되었다. 상기 문헌에 제안된 방법은 도 1(a)의 실제 운전 조건에서 도 1(b)과 같이 1 회의 응력강도 사이클만 발생하는 것으로 가정하였으나, 실제로는 도 1(c)와 같이 2 회 또는 운전조건에 따라 그 이상의 응력강도 사이클이 발생할 수 있다. 따라서 상기 문헌에 의한 방법의 경우 피로 영향을 과소 평가하게 된다.

본 발명이 해결하려는 과제는 응력강도 보정계수(α, β) 를 토대로 실제 운전조건에 대한 응력강도 사이클 발생 횟수 계수화 방법을 이상화하여 각 운전 조건에 따른 피로사용계수를 정확히 계산할 수 있도록 하는데 있다 .

본 발명이 해결하려는 또 다른 과제는 응력강도 보정계수를 사용하여 발생 가능한 운전조건에 대한 응력강도를 데이터베이스화하여 신속하게 피로사용계수 계산이 가능하도록 하는데 있다.

본 발명 과제의 해결 수단인 응력강도 보정계수(Correction Factor, α, β)를 이용한 피로사용계수의 계산방법에 대하여 살펴보면, 단계(Step) 1은 식(4)와 같이 설계조건에 대해 구한 응력강도에 실제 운전조건의 특성을 감안한 응력강도 보정계수를 고려하여 실제 운전조건에 대한 응력강도를 계산하는 단계;

(4)

단계(Step) 2는 상기 계산한 응력강도에서 가장 큰 범위를 보이는 과도상태 조건을 도출하는 단계; 단계(Step) 3은 교번 응력강도(S_alt)를 계산하는 단계; 단계(Step) 4는 교번 응력강도를 ASME Sec. III 에 주어진 특정 재료에 대한 교번 응력강도-허용 사이클 선도에 대입하여 허용 반복횟수를 계산하는 단계; 단계(Step) 5는 실제 운전 사이클 수를 허용 사이클 수로 나누어 피로사용계수를 계산하는 단계를 포함하는 응력강도 보정계수(Correction Factor, α, β)를 이용한 피로사용계수의 계산방법을 제공하는데 있다.

본 발명은 응력강도 보정계수(α, β)를 적용하여 실제 운전조건에 대한 응력강도 사이클 발생 횟수 계수화 방법을 이상화하여 각 운전조건에 따른 피로사용계수를 정확히 계산할 수 있는 유리한 효과가 있다.

본 발명의 또 다른 효과는 응력강도 보정계수를 사용하여 발생 가능한 운전조건에 대한 응력강도를 데이터베이스화하면 신속하게 피로사용계수 계산이 가능한 효과가 있다.

도 1은 설계 가열조건 및 실제 운전 가열조건과 그에 해당하는 응력강도 시간이력을 비교하여 도시한 것이고,
도 2는 설계 및 실제 운전 시 발생 가능한 다양한 가열 패턴을 나타낸 것이다.

본 발명을 실시하기 위한 구체적인 내용에 대하여 구체적으로 살펴본다,

도 2는 설계 및 실제 운전조건에서 발생 가능한 다양한 가열 형태를 나타낸 것이다. 케이스(Case)1 은 설계 조건에 따른 가열이고, 케이스(Case 2) 2는 가열-중간에 특정온도 유지-재가열이며, 케이스(Case 3) 3은 가열-완전 냉각-재가열로 이루어지는 실제 운전조건이다.

설계조건의 가열/냉각율은 100℉/hr 이고, 실제 운전조건의 가열/냉각율은 약 50℉/hr 이다.

도 2에서 가열-온도유지-재가열 조건의 케이스 2(Case 2)의 경우에는 설계조건 (Case 1)과 비교하여 추가적인 응력 사이클이 1 회 발생하고, 가열-완전냉각-재가열 조건(Case 3) 의 경우는 설계 조건의 상기 케이스 1(Case 1)과 비교하여 추가적인 응력 사이클이 2 회 발생한다.

따라서 이 때 추가적으로 발생되는 응력 사이클에 대한 영향은 설계조건(Case 1) 의 피로평가 결과와 운전조건(Case 2, 3)에 대한 피로평가 결과의 비교를 통해 도출한 보정계수(Correction Factor, α, S)를 이용하여 응력강도 사이클 발생 횟수를 이상화 (generalization)할 수 있다.

즉, 설계조건(Case 1) 의 피로평가 결과와 운전조건(Case 2, 3)에 대한 피로평가 결과의 비교를 통해 도출한 보정계수(Correction Factor, α, β)를 이용하여 응력강도 사이클 발생 횟수를 이상화(generalization)하는 단계를 포함한다.

과도상태 유형에 따른 응력강도 보정계수(α) 산출에 대하여 살펴본다.

과도상태 유형에 따른 응력강도 보정계수(α)의 산출을 위해 임의의 과도상태 A 와의 하중조합을 가정한다. 도 2의 설계조건(Case 1) 및 가열-완전냉각-재가열 조건(Case 3)의 과도상태 하중 조합은 표 1과 같다. 표 1은 가열조건에서의 과도상태 조합을 나타낸 것이다.

과도 상태 유형	과도 상태 조합		S_alt(교번응력)	n
1	Case 1	A	(S₁+S_A)/2	1
2	Case 3	A	(S₁+S_A)/2	1
2	Case 3	Case 3	(S₃+S₃)/2	1

과도상태 유형 2(Case 3)가 발생할 경우 응력강도는 과도상태 유형 1(Case 1)과는 상이하다. 따라서 과도상태 유형 2에 대한 등가 허용 사이클 수(Equivalent allowable number of cycle, N_eq)는 식 (1)을 이용하여 계산한다.

여기서 N1 과 N3 은 표 1의 각 교번 응력강도에 대한 사이클을 ASME Sec. III 에서 주어진 해당 재료에 대한 교번 응력강도-허용 사이클 선도에 대입하여 구한다.

--- (1)

이때 등가 응력강도(S_eq)는 식 (1)을 이용하여 구한 등가허용 사이클 수(N_eq)를 ASME Sec. III 에서 주어진 해당 재료에 대한 교번 응력강도-허용 사이클 선도에 대입하여 구한다.

최종적으로 과도상태 유형에 따른 응력강도 보정계수(α)는 식 (2)를 이용하여 구한다.

------ (2)

(α : 과도상태 유형에 따른 보정계수)

다음은 가열/냉각율에 따른 응력강도 보정계수(β) 산출에 대하여 살펴본다.

가열/냉각율이 변화하면 응력강도도 바뀌기 때문에 각 가열/냉각율에 따른 응력강도 보정계수(β)를 구하여 보정하여야 한다. 응력강도 보정계수(β)는 식(3)과 같이 특정 가열/냉각율에 따른 응력강도와 설계 응력강도의 비로서 구한다. 여기서 특정 가열/냉각율은 실제 가열/냉각율이 설계조건에서의 값 대비 10%~120%까지 변할 수 있다는 가정 하에서 구할 수 있다.

----- (3)

S_Actual은 실제 운전 과도상태에 대한 응력강도이며, S_Design은 설계 과도상태에 대한 응력강도를 나타낸 것이다.

다음은 응력강도 보정계수(Correction Factor, α, β) 를 이용한 피로사용계수의 계산방법을 살펴본다.

본 발명에서 제안하는 응력강도 보정계수(Correction Factor, α, β) 는 다음과 같이 피로사용 계수계산에 사용된다.

단계(Step) 1 : 설계 운전조건을 고려하여 식(4)을 이용하여 응력강도를 계산하는 단계이다.

---------- (4)

단계(Step) 2 : 상기 계산한 응력 강도에서 가장 큰 범위를 보이는 과도상태조건을 도출하는 단계이다.

단계(Step) 3 : 교번응력 강도 (Salt)를 계산하는 단계이다.

단계(Step) 4 : 교번응력강도 (S_alt)를 ASME Sec. III 에서 주어진 해당 재료에 대한 교번 응력강도-허용 사이클 선도에 대입하여 허용 사이클 수를 계산하는 단계이다.

단계(Step) 5 : 실제 운전횟수를 허용 사이클 수로 나누어 피로사용계수를 계산하는 단계이다.

본 발명은 발전소 가열 및 냉각 운전 과도사건 피로평가에 있어 설계 운전조건에 대해 구한 응력강도 값에 응력강도 보정계수(Stress Intensity Correction Factor)를 곱하여 실제 운전조건에서 구해지는 응력강도 값으로 보정하는 방법을 피로사용계수의 계산에 제공하여 보다 정확한 발전소 가열 및 냉각 운전 과도사건 피로평가를 할 수 있으므로 산업상 이용가능성이 매우 높다.

UF(usage factor); 피로사용계수
N; 허용 가능한 사이클 수
N_eq(equivalent allowable number of cycles); 균등한 허용 가능한 사이클 수
n; 응력 사이클 수
S(stress intensity); 응력강도
S_Actual; 실제 운전 과도상태에 대한 응력강도
S_Design; 설계 과도상태에 대한 응력강도
S_alt(alternating stress intensity); 교번 응력강도
S_eq(equivalent stress intensity); 등가 응력강도
α; 과도 패턴에 대한 응력보정계수
β; 가열/냉각 비에 대한 응력보정계수
S₁, S_A, S₃; 주어진 과도 상태에 대한 응력 강도

Claims

과도상태 유형에 따른 응력보정계수를 이용한 피로사용계수의 계산방법에 있어서,
설계 운전조건을 고려하여 식(4)을 이용하여 응력강도를 계산하는 단계;

----------- (4)
상기 계산한 응력 강도에서 가장 큰 범위를 보이는 과도상태조건을 도출하는 단계;
교번응력 강도 (S_alt)를 계산하는 단계;
교번응력강도 (S_alt)를 특정재료의 피로특성곡선에 대입하여 허용반복횟수를 계산하는 단계; 및
실제 운전횟수를 허용 반복횟수로 나누어 피로사용계수를 계산하는 단계를 포함하는 응력보정계수를 이용한 피로사용계수의 계산방법.
제 1 항에 있어서,
과도상태 유형에 따른 응력보정계수(α)는 식 (2) 을 이용하여 구함을

(2)
특징으로 하는 응력보정계수를 이용한 피로사용계수의 계산방법.
제 1 항에 있어서,
응력보정계수(β)는 식(3)을 이용하여 구함을

(3)
특징으로 하는 응력보정계수를 이용한 피로사용계수의 계산방법.