KR950011254B1 - 수소지연파괴 저항성 지르코늄(Zr)합금 무계목압력관(seamless pressure tube)과 그 제조방법 - Google Patents
수소지연파괴 저항성 지르코늄(Zr)합금 무계목압력관(seamless pressure tube)과 그 제조방법 Download PDFInfo
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Abstract
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Description
제1도는 조밀육방격자에서의 C-축과 쌍정면.
제2도는 압력관 재료내의 결정립의 방위.
제3도는 쌍정에 의한 조밀육방격자의 변형을 나타내는 그림.
제4도는 제조공정 비교도.
제5도는 개선된 집합조직을 갖는 압력관제조 공정의 비교도.
제6도는 직접압연과 교차압연에 의한 집합조직의 변화를 보이는 극점도.
제7도는 DHC 저항성 향상의 확인에 사용된 판재에서 직접압연과 교차압연에 의한 집합조직의 변화를 보이는 극점도.
제8도는 로타리 압연(rotary rolling)의 개략도.
제9도는 로타리 피어싱 밀(rotary piercing mil)의 개략도.
본 발명은 수소지연파괴(delayed hydride cracking, DHC, 이하 DHC) 기구에 의한 균열전파 저항성 및 파괴인성이 향상된 집합조직(제1도에 보인 조밀육방격자의 C-축이 무계목압력의 직경방향에 많이 집중되어 있는 조직, 즉 무계목압력관내에 제2도의 라,다 방위를 가진 결정립이 많은 집합조직)을 가져 CANDU 원자로의 압력관 등으로 사용될 수 있는 지르코늄합금 무계목압력관의 제조방법에 관한 것이다.
종래의 CANDU 원자로용 무계목압력과 제조과정에서는 구멍이 뚫린 빌레트를 열간압출(hot extrusion)하고 냉간인발(cold drawing)하는 방법에 의해서 지르코늄합금(Zircaly-2, Zr-2.5% Nb등) 무계목압력관을 제조하였으나, 이 방법을 사용하여 제조한 지르코늄합금이 무계목압력은 제조과정중 형성되는 독특한 집합조직(재료내에 결정립의 방위 분포가 어느 특정한 방향으로 편중되어 있는 미세조직) 때문에 수소지연 파괴에 대한 예미성이 커서 원자로 내에서 가동중 사고를 일으키는 등의 문제점을 가지고 있다.
압력관 재료의 파손 사고 원인을 조사함으로써 수소지연파괴가 압력관 재료에 대하여 가장 큰 안전성 저해 요인으로 작용한다는 것이 밝혀졌으며, 1980년을 전후하여 수소지연파괴의 기구, 수소지연파괴에 미치는 집합조직의 영향, 압력관재료에서 집합조직 형성 등에 대한 다음과 같은 연구들이 있었다.
예를들면, 카나다 원자력공사(Canada AECL-CRL)의 C.E 콜맨, S. 사가트 등은 기존의 제조법에 의해 제조된 Zr-2.5% Nb 합금 및 판재에서 시편의 가공방향을 다르게 제작하여 집합조직이 수소지연파괴에 미치는 영향을 실험적으로 조사하여 지르코늄합금의 집합조직이 수소지연파괴 거동에 매우 큰 영향을 미친다는 것을 확인한 바 있다.
R.A. 홀트 등은 압력관 제조 과정중의 압출비를 조절함으로써 압력관재료의 집합조직 변화에 미치는 압출비의 영향에 대해 연구하여 압출비의 변화에 의해서는 압력관의 집합조직에 거의 영향을 미치지 않는다는 것을 확인한바 있다. 국내에서는 김성수 등이 Zr-2.5% Nb 판재를 사용하여 집합조직이 수소지연파괴 거동에 미치는 영향을 연구하였으며, 집합조직의 변화를 통해 수소지연파괴에 대한 저항성을 향상시킬 수 있음을 확인하였다.
이와같이 캐나다 및 국내에서는 수소지연파괴 거동에 미치는 집합조직의 영향에 대해 연구가 수행되어 왔으며, 지르코늄합금 무계목압력관에서 수소지연파괴 저항성을 향상시키기 위해서는 지르코늄합금 무계목압력관의 집합조직 개선이 필요하다는 결론에 도달하였으나, 현재까지 성형가공에 의해서 무계목압력관의 집합조직을 변화시킬 수 있는 방법은 개발되지 않았었다.
본 발명은 위와같은 결점의 개선을 위하여 지르코늄합금 무계목압력관의 집합조직을 변화시킴으로써 원자로 가동중의 안전성을 향상시키고 원자로 가동률을 향상시킬 수 있는 지르코늄합금 무계목압력관의 제조방법을 제시하기 위한 것이다.
열간압출에 의해 제조된 지르코늄합금 무계목압력관에서 형성된 집합조직을 변화시키기 위해서 무계목압력판재의 변형가공에 압출 및 인발만을 사용하지 않고, 무계목압력에 교차압연(cross-rolling : 주성형 가공방향에 수직한 방향으로 평면변형 조건의 변형을 주어 가공하는것)이나 교차압연과 유사한 평면변형 조건하에서 변형을 일으킬 수 있는 방법으로 확관(tube expansion)시킴으로써 무계목압력관 최종 제품의 집합조직을 개선시키는 "확관 가공방법"에 대한 것이다.
본 발명의 요지는 다음과 같다.
압출에 의하여 제조된 지르코늄합금(Zircaloy-2, Zlrcaloy-4, Zr-2.5% Nb, Zr-1% Nb, Pure Zr 등)관에 교차압연을 적용시켜 확관시킴으로써 관의 직경방향에서의 기저면 성분(basal pole component)를 높인 수소지연파괴 저항성 지르코늄(Zr)합금 무계목압력관(seamless pressure tube)이 그 목적물이며 그 제조방법은 지르코늄합금(Zircaloy-2, Zlrcaloy-4, Zr-2.5% Nb, Pure Zr등)관을 제조함에 있어서, 최종 규격보다 작은 직경의 무계목압력관을 고온압출이나 고온압출 및 인발에 의해 제조한 후 현저한 상변태가 일어나지 않고 변형기구가 변화하지 않는 약 600℃ 이하의 온도에서 확관하고 상기한 가공중 교차압연에 의해 확관을 일으키는 로타리 압연, 로타리 피어싱 등의 확관 가공방법을 사용하여 무계목압력관의 집합조직을 개선시키며, 확관과정에 내압(유압, 폭발)을 적용시켜 확관 가공함으로써 무계목압력관의 집합조직을 개선시키고 상기한 방법중 두가지 이상의 확관방법을 적용하여 무계목압력관의 집합조직을 개선시키며, 상기한 방법중 적어도 하나 또는 그 이상의 확관방법과 중간소둔 그리고 인발성형가공을 혼합 사용하여 무계목압력관의 집합조직을 개선시키는 일련의 방법이다.
다시말하면, 제조하고자 하는 최종 제품보다 직경이 작고 살두께(wall thickness)가 두껍게 열간 압출된 무계목압력관(제2도의 가 및 나와 같은 방위의 결정 평면변형 조건으로 확관하며 살두께는 얇아지기 때문임)을 로타리 압연(rotary rolling)방법과 같은 교차압연을 사용하여 확관가공하여 조밀육방격자(hexagonal close packed)의 구조의 재료내에서 ()<및 ()<> 쌍정변형과 쌍정변형된 결정립에서의 슬립(slip)기구가 작용하도록 함으로써 최종적으로 제조된 무계목압력관 내에서 결정립의 C축 방향이 관의 직경방향(제2도의 라 및 다)에 편중되도록 제조하는 것이다. 변형기구중에서 조밀육방격자에서 작용하는 쌍정면을 제1도에 나타내었으며, 쌍정변형 기구의 모형을 제3도에 나타내었다. 아울러 제4도에는 종래의 제법과 본 발명에 의한 기술을 비교한 제조 공정도(flow diagram)을 나타내었고, 제5도에서는 빌레트로부터 압력관을 제조하는 과정을 도식적으로 나타내었다.
본 발명의 변형예로서는 지르칼로이-2(Zircaly-2), 지르칼로이-4(Zircaloy-4), 지르코늄-2.5% 니오븀(Zr-2.5% Nb), 지르코늄-1% 니오븀(Zr-1% Nb) 등의 지르코늄합금과 순지르코늄(Pure Zr)의 대부분을 구성하는 상은 조밀육방격자(hexagonal close packed)의 알파지르코늄(α-Zr)이며, 이들 합금에서 집합조직과 관련한 문제는 조밀육방격자의 기저면 방위의 집중과 관계된 것이다. 따라서 이들 합금에서 나타나는 수소지연파괴의 예민성은 공통적인 것이며, 이들 합금에서 본 발명의 적용에 의하여 수소지연파괴에 대한 저항성을 향상시킬 수 있다.
결정립의 C축이 원주방향으로 집중되어 있는 무계목압력판(제2도의 가와 나와 같은 방위의 결정립) 확관하는 과정에서 나타나는 집합조직의 변화는 DHC 균열전파의 저항성을 향상시키게 되므로 평면 변형조건에 유사하게 확관을 하는 과정들도 역시 집합조직의 개선을 일으킬 수 있다.
또한 제2도의 다 및 라와 같은 방위의 결정립 분률은 교차압연 등에 의한 변형량을 증가시킴으로써 높일 수 있다.
따라서 제8도의 로타리 압연과 유사한 평면변형에 의해 성형가공할 수 있는 제9도의 로타리 피어싱 밀(rotary piercing mill)에 의한 교차압연을 적용하여 무계목압력관의 집합조직을 변화시킬 수 있다. 또한 유한한 크기의 케이싱(casing)내에서의 폭발 및 유압에 의한 확관성형방법을 적용하여 무계목압력관의 집합조직을 변화시킬 수 있을 것이다. 폭발에 의한 변형방법에는 가스(gas), 화약, 전자기력(electromagenetic force)을 이용할 수 있고, 물, 실리콘유, 유압유에 의한 유압이 사용될 수 있을 것이다.
제4도에는 몇가지 성형가공 실시예가 나타나 있으며, 확관과 인발을 혼합하여 적용하여 집합조직을 개선하는 것이 가능하다. 또한 재결정 온도 이하의 온도에서 성형가공중 나타나는 가공경화의 효과를 제거하기 위한 중간소둔의 적용은 가공 변형량을 증가시킨다.
본 발명의 효과로서는 압력관과 유사한 집합조직을 갖는 소둔된 판재를 압력관 제조시 적용하는 냉간인발과 같은 변형량(25%-30%)과 같게 초기압연방향으로 30% 냉간압연하여 기존의 제조방법에 의해 제조된 무계목압력관의 집합조직을 갖는 판재를 얻었다.
또한 상기의 소둔된 판재를 초기압연방향에 교차되는 방향으로 30% 냉간압연하여 본 발명으로 개선, 제조될 무계목압력관과 유사한 집합조직을 갖는 판재를 얻었다.
이들 두 판재를 사용하여 서브사이즈(Subsize) CT시편(W=17mm,t=3.3mm)을 제작하고 수소화시키고 367℃에서 응력제거처리와 수소균질화처리한 후 DHC 균열성장속도 측정시험, 임계응력집중계수(critical stress intensity factor) 측정시험, 파괴인성 측정시험을 수행하였다.
압연에 의한 판재의 집합조직 변화를 제6도에 나타내었고 기저면성분의 변화를 표 1에 나타내었다. 교차 압연에 의한 변형량이 30%일때 판재의 횡(transverse)방향에서의 기저면성분은 표 2와 같이 변화되었다.
수소지연파괴 기구에 의한 균열성장속도는 표 3과 같이 집합조직의 개선에 의해서 균열전파속도가 1/2정도로 낮아졌다. 또한 집합조직의 개선에 의해서 수소지연파괴를 일으키기 위해 필요한 임계응력 확대계수는 표 4와 같이 약 두배정도로 높아졌다.
[표 1]
냉간압연량에 따른 기저면 성분(basal pole component)의 변화
* FN : 판재에 수직한 방향 또는 관의 직경방향,
FT : 판재의 tarnsverse 방향 또는 관의 원주방향,
FL : 판재의 압연방향 또는 관의 길이방향에서의 기저면 성분
FN+FT+FL=1
[표 2]
수소지연파괴 기구에 의한 균열전파속도 시험에 사용한 판재의 기저면성분
* 표 1에서와 같음.
[표 3]
압연방법에 따른 수소지연파괴 균열전파속도의 비교
[표 4]
집합조직의 개선에 의한 임계응력확대 계수의 변화
Claims (4)
- 압출에 의하여 제조된 지르코늄합금(Zicaloy-2, Zicaloy-4, Zr-2.5% Nb, Zr-1% Nb, Pute Zr 등)관에 교차압연을 적용시켜 확관함으로써 관의 직경방향에서의 기저면 성분(basal pole component)를 높인 수소지연파괴 저항성 지르코늄(Zr)합금 무계목압력관(seamless pressure tube).
- 수소지연파괴 저항성 지르코늄합금 무계목압력관의 제조방법은; a) 지르코늄합금을 최종규격보다 작은 직경으로 하는 단계와; b) 고온 압출 및 인발하는 단계와; c) 600도 이하의 온도에서 내경을 확관하는 단계로 이루어진 것을 특징으로 한다.
- 제2항에 있어서, 확관방법은 로타리 압연, 로타리 피어싱등의 확관방법을 사용하는 것이 특징인 직경방향 집합조직의 지르코늄합금 무계목압력관 제조방법.
- 제2항에 있어서, 확관방법은 내압을 적용시켜 확관가공하는 것이 특징인 직경방향 집합조직의 지르코늄합금 무계목압력관 제조방법.
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