KR20040102857A

KR20040102857A - 원자로 부재의 표면 처리 방법 및 이러한 표면 처리방법을 이용한 원자로 부재의 제조 방법

Info

Publication number: KR20040102857A
Application number: KR1020030034575A
Authority: KR
Inventors: 모나까가즈끼; 시미즈준따로; 야마구찌요이찌로
Original assignee: 미츠비시 쥬고교 가부시키가이샤
Priority date: 2003-05-30
Filing date: 2003-05-30
Publication date: 2004-12-08

Abstract

본 발명의 과제는 저응력으로 인해 응력 부식 균열(SCC)이 발생되는 원인이라고 생각되고 있는 표면층인 Cr 결핍층 및 가공 경화층을 효과적으로 제거하는 원자로 부재의 표면 처리 방법을 제공하는 것이다.

원자로 부재에 굽힘 가공을 실시한(스텝 1) 후에 열처리를 실시함으로써(스텝 2) 상기 굽힘 가공에 의해 가공 경화층이 생성되는 동시에, 상기 열처리에 의해 부착된 산화막에 의한 Cr 결핍층이 형성된 상기 원자로 부재의 표면 처리 방법이며, 상기 가공 경화층 및 상기 Cr 결핍층을 상기 원자로 부재로부터 제거하기 위해, 산 세척, 연삭, 전해 연마, 방전 가공, 표면 절삭, 표면 환원 및 연화, 습윤 블러스트 및 레이저 가공 중 어느 하나의 방법을 이용하는(스텝 3) 원자로 부재의 표면 처리 방법이다.

Description

원자로 부재의 표면 처리 방법 및 이러한 표면 처리 방법을 이용한 원자로 부재의 제조 방법 {METHOD OF SURFACE-TREATING REACTOR MEMBER AND METHOD OF MANUFACTURING REACTOR MEMBER BY USING THE SURFACE TREATMENT METHOD}

본 발명은 가압수형 원자로용 연료 집합체에 관한 것으로, 특히 상부 노즐의 판스프링(leaf spring)의 표면 처리 방법에 관한 것이다.

도4는 일반적으로 가압수형 원자로에 있어서 사용되고 있는 연료 집합체의 개요도이고, 도5의 (a) 및 도5의 (b)는 판스프링의 개요도이다. 도4에 있어서, 연료 집합체(1)는 상하로 이격되어 배치된 상부 노즐(2) 및 하부 노즐(3)과, 이들 사이에 소정의 간격을 두고 배치되고, 또한 스트랩에 의해 형성된 격자 공간을 갖는 복수의 그리드(4)와, 이 그리드(4)의 격자 공간 내에서 소정의 배치로 삽통되고 또한 그리드(4)의 고정부로 고정되는 동시에, 각각의 상단차부 및 하단차부를 상부 노즐(2) 및 하부 노즐(3)에 연결된 제어 막대 안내관(5)과, 그리드(4)의 지지부에 의해 탄성적으로 지지된 다수의 연료 막대(6)로 구성되어 있다. 그리고, 연료 집합체(1)는 노심(도시하지 않음) 내에서는 노 내 구조물의 상부 노심판(7)과 하부 노심판(8)에 의해 보유 지지된다.

상부 노즐(2)에는 이 상부 노즐(2)과 상부 노심판(7) 사이에 배치되는 판스프링(9)이 배치되어 있다. 이 판스프링(9)은 연료 집합체(1)의 조사에 의한 연신이나, 연료 집합체(1)와 노 내 구조물과의 열팽창차를 흡수하여 하방으로부터 유입되는 냉각수에 의한 연료 집합체(1)의 부상을 방지하는 기능을 갖고 있다.

일반적으로, 연료 집합체(1)는 연료 막대(6)의 배열 수에 의해 17 × 17형, 15 × 15형, 14 × 14형 등으로 분류된다. 도2에는 일예로서 17 × 17형의 판스프링(9)의 구조가 도시되어 있다. 판스프링(9)은 상부 스프링(10) 및 하부 스프링(11)으로 구성되고, 하부 스프링(11)은 2매의 판 부재로 구성되어 있다.

도5의 (b)는 도5의 (a)의 일점쇄선으로 둘러 싸여진 A부의 확대 상세도이지만, 이 도면으로부터 알 수 있는 바와 같이 상부 스프링(10)은 굽힘부(12)와 수직부(13)를 갖고, 수직부(13)에는 단차부(14)가 설치되어 있다. 하부 스프링(11)에는 관통 구멍(15)이 마련되고, 상부 스프링(10)의 수직부(13)를 관통 구멍(15)에 삽입하면 단차부(14)에서 상부 스프링(10)과 하부 스프링(11)이 접촉하여 일체 구조가 되도록 되어 있다.

또, 판스프링(9)은 상부 노즐(2)에 고정하기 위해, 그 뿌리부(16)가 수평인 구조, 즉 상부 노즐(2)의 상부면과 평행한 구조로 되어 있고, 부착 볼트(17)에 의해 상부 노즐(2)에 고정되어 있다. 한편, 판스프링(9)은 압박력을 발생시키기 위해, 그 상단차부[굽힘부(12) 근방]가 상부 노심판(7)에 접촉하는 형상으로 되어 있다. 그로 인해, 판스프링(9)은 그 뿌리부(16) 근방에서 상방을 향해 비교적 큰 각도로 구부러져 있다. 또한, 판스프링(9)의 재료로서는 필요한 스프링력을 얻기 위해, 내력이 높은 석출 경화형 니켈 기합금(인코넬 718)을 이용하고 있다.

일반적으로, 연료 집합체(1)는 원자로 내에서 일차 냉각재에 침지되어 사용하지만, 판스프링(9)에는 원자로 내에서 사용할 때에 응력이 발생하여 고온의 일차 냉각재에 의해 판스프링(9)에 응력 부식 균열(SCC)을 발생시킬 가능성이 있다. 또, 일차 냉각재와 접촉하는 판스프링재의 표면 상태가 응력 부식 균열(SCC)에 영향을 미치는 것이 고려되고 있다.

이러한 현상에 있어서의 판스프링의 종래의 제조 공정을 도6을 이용하여 간단하게 설명한다. 상술한 바와 같이, 판스프링(9)은 그 뿌리부(16)를 상부 노즐(2)에 고정하기 위해 수평인 구조로 할 필요가 있지만, 필요한 압박력을 발생시키기 위해 그 상단차부는 상부 노심판(7)에 접촉하는 형상으로 되어 있다. 그로 인해, 판스프링(9)의 뿌리부(16)를 상방으로 구부러지도록 굽힘 가공을 한다(스텝 1). 이 굽힘 가공은 비교적 큰 각도로 구부러지므로, 가공성의 관점으로부터 열처리(스텝 2) 전에 행할 필요가 있다.

그러나, 열처리 전에 굽힘 가공을 실시하므로, 굽힘 가공부에는 열처리에 의한 산화막이 부착되어 버려 이 산화막에 의해 Cr 결핍층이 형성되어 버리게 되는 문제점이 있었다. 이 산화막을 제거하기 위해서는 통상 표면을 연삭함으로써 행하지만, 굽힘 가공(스텝 1) 후이므로 통상의 연삭 공법에서는 연마하는 것이 매우 어려워 실제로는 굽힘 가공부는 연마하지 않은 상태로 하고 있다. 그로 인해, 굽힘부에는 굽힘 가공에 의해 가공 경화층이 잔류하는 데다가 이 산화막에 의해 Cr 결핍층이 형성되므로, 판스프링(9)의 내응력 부식 균열 특성(내SCC 특성)을 저하시킬 가능성이 있었다.

또한, 판스프링(9)의 표면 처리로서는 종래부터 열처리(스텝 2)를 행한 후의 최종 기계 가공 후(스텝 3)에 있어서, 제품의 미관 확보를 위해 글래스 비드 블러스트(GBB) 처리에 의해 산화막을 제거하는 방법이 도입되고 있었다. 그러나, 이 글래스 비드 블러스트(GBB)에 의해 금속부의 Cr 결핍층까지 깎아 내는 것은 어렵고, 너무 강하게 글래스 비드 블러스트(GBB)를 실시함으로써, 새로운 가공 경화층이 생겨 버릴 우려가 있어 바람직하지 않았다.

상술한 과제는 잠재 요인이지만, 저응력으로 인해 응력 부식 균열(SCC)이 발생되는 원인이라 생각되고 있다. 즉, Cr 결핍층은 표면의 내식성을 악화시키는 한편, 표면 가공 경화층은 초기 균열을 생기기 쉽게 하는 것이다.

따라서, 본 발명은 상술한 종래 기술의 문제를 해결하기 위해 이루어진 것으로, 표면층인 Cr 결핍층 및 가공 경화층을 효과적으로 제거하는 원자로 부재의 표면 처리 방법을 제공하는 것을 주목적으로 하는 것이다.

도1은 본 발명에 관한 제조 공정을 도시한 도면.

도2는 시각 처리 후의 판스프링(굽힘부)의 원소 분석 결과를 나타낸 그래프.

도3은 시각 처리 후의 판스프링(굽힘부)의 판 두께 방향 경도 분포 측정 결과를 나타낸 그래프.

도4는 일반적으로 가압수형 원자로에 있어서 사용되고 있는 원료 집합체의 개요도.

도5의 (a) 및 도5의 (b)는 판스프링의 개요도.

도6은 종래의 제조 공정을 도시한 도면.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

1 : 연료 집합체

2 : 상부 노즐

3 : 하부 노즐

4 : 그리드

5 : 제어 막대 안내관

6 : 연료 막대

7 : 상부 노심판

8 : 하부 노심판

9 : 판스프링

10 : 상부 스프링

11 : 하부 스프링

12 : 굽힘부

13 : 수직부

14 : 단차부

15 : 관통 구멍

16 : 뿌리부

17 : 부착 볼트

상술한 목적을 달성하기 위해, 청구항 1에 기재된 본 발명은 원자로 부재에 굽힘 가공을 실시한 후에 열처리를 실시함으로써 상기 굽힘 가공에 의해 가공 경화층이 생성되는 동시에, 상기 열처리에 의해 부착된 산화막에 의한 Cr 결핍층이 형성되는 상기 원자로 부재의 표면 처리 방법이며, 상기 가공 경화층 및 상기 Cr 결핍층을 상기 원자로 부재로부터 제거하기 위해, 산 세척, 연삭, 전해 연마, 방전 가공, 표면 절삭, 표면 환원 및 연화, 습윤 블러스트 및 레이저 가공 중 어느 하나의 방법을 이용하는 것을 특징으로 한다.

또, 청구항 2에 기재된 본 발명은 원자로 부재에 굽힘 가공을 실시한 후에 열처리를 실시함으로써 상기 굽힘 가공에 의해 가공 경화층이 생성되는 동시에, 상기 열처리에 의해 부착된 산화막에 의한 Cr 결핍층이 형성된 상기 원자로 부재의 표면 처리 방법이며, 상기 원자로 부재의 가공 경화층 및 Cr 결핍층과 일차 냉각재와의 접촉을 방지하기 위해 표면 도금을 실시하는 것을 특징으로 한다.

상술한 바와 같은 구성의 표면 가공 방법에 의한 표면 처리를 행함으로써, 원자로 부재 표면의 Cr 결핍층 및 표면 가공 경화층의 제거, 혹은 Cr 결핍층과 가공 경화층의 일차 냉각재와의 접촉을 방지하는 것이 가능해진다.

표면 처리는 연마값이 1 ㎛ 내지 100 ㎛의 범위, 표면 거칠기가 0.1a 내지 0.4a의 범위가 되도록 실시하는 것이 바람직하고, 또한 연마값이 75 ㎛, 표면 거칠기가 0.2a가 되도록 실시하는 것이 더욱 바람직하다. 또, 본 발명이 적용되는 원자로 부재로서는 가압수형 원자로용 연료 집합체의 상부 노즐에 배치된 판스프링이 적합하다.

본 발명의 다른 국면에 따르면, 원자로 부재의 제조 방법은 (i) 상기 원자로 부재를 소정의 각도로 구부리는 굽힘 가공 공정과, (ii) 굽힘 가공된 상기 원자로 부재를 열처리하는 열처리 공정과, (iii) 상기 굽힘 가공에 의해 생성된 가공 경화층 및 상기 열처리에 의해 부착된 산화막에 의해 형성되는 Cr 결핍층을 상기 원자로 부재로부터 제거하기 위한, 혹은 상기 원자로 부재의 상기 가공 경화층 및 상기 Cr 결핍층과 일차 냉각재와의 접촉을 방지하기 위한 표면 처리 공정과, (iv) 상기 원자로 부재를 마무리하는 최종 마무리 공법으로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

상술한 바와 같은 구성의 표면 가공 방법에 의한 표면 처리를 행함으로써, 부재 표면의 Cr 결핍층 및 표면 가공 경화층의 제거, 혹은 Cr 결핍층과 가공 경화층의 일차 냉각재와의 접촉을 방지하는 것이 가능해져 응력 부식 균열이 생기기 어려운 원자로 부재를 형성할 수 있다.

또한, 상기 열처리에 의해 부착된 산화막에 의해 형성되는 Cr 결핍층을 원자로 부재로부터 제거하는 표면 처리 공정은 산 세척, 연삭, 전해 연마, 방전 가공, 표면 절삭, 표면 환원 및 연화, 습윤 블러스트 및 레이저 가공 중 어느 하나인 것이 바람직하고, 또한 상기 원자로 부재의 가공 경화층 및 Cr 결핍층과 일차 냉각재와의 접촉을 방지하기 위한 표면 처리 공정은 표면 도금인 것이 바람직하다.

다음에, 본 발명의 적합한 실시 형태를 첨부 도면을 참조하면서 설명하지만, 도면 중 동일 부호는 동일 또는 대응 부분을 나타내는 것으로 한다.

전술한 바와 같이, 기존의 공법에서는 굽힘 가공부에 Cr 결핍층 및 가공 경화층이 잔류하므로, 내응력 부식 균일 특성(내SCC 특성)을 향상시키기 위해서는 이 Cr 결핍층 및 가공 경화층을 효율적으로 제거할 필요가 있다. 여기서, 본 발명에 있어서 충분한 효과가 있고, 또한 가공 비용상 악영향을 미치지 않도록 Cr 결핍층 및 가공 경화층을 제거하기 위한 연마 조건을 하기와 같이 고안하였다.

[Cr 결핍층]

우선, Cr 결핍층에 대해 판스프링의 시효 처리 후의 Cr 농도, 산소 농도의 원소 분석을 행하였다. 이 결과를 도2에 나타낸다. 표면의 0.2 ㎛의 범위에 있어서, 산화물에 의한 크롬 산화물이 생성되어 있다. 그리고, 이 산화물에 의해 Cr농도, 산소 농도 모두 높아져 있는 모습이 관찰되었다. 이 산화물로부터 또한 표면으로부터 떨어진 부분에 대해서는 Cr 농도가 급격히 저하되고, 표면으로부터 떨어짐에 따라서 Cr 농도가 서서히 회복되고 있지만, 모재에 비해 Cr 농도가 저하되어 있는 모습을 알 수 있다. 이 Cr 농도의 저하 범위는 표면으로부터 약 1 ㎛의 범위로 되어 있다.

[굽힘 가공 경화층]

다음에, 굽힘 가공 경화층이지만, 굽힘 가공 후의 스프링 단면의 판 두께 방향에 대해 마이크로 비커스에 의한 경도 시험을 실시하였다. 이 결과를 도3에 나타낸다. 이 결과로부터, 판스프링을 구부림으로써 50 ㎛의 범위에서 경도가 증가하고 있는 것을 알 수 있었다.

상술한 2 종류의 시험 결과, Cr 결핍층보다도 가공 경화층 쪽이 넓은 것을알 수 있고, 이 관점으로부터 연마 조건을 정하면 되는 것을 알 수 있다. 따라서, 가공 경화층을 확실하게 연마하기 위해 연마값은 50 ㎛ 이상으로 하면 좋다. 그러나, 굽힘 가공의 정도에 의해 가공 경화층이 50 ㎛보다도 작아질 가능성이 있으므로, 상기 Cr 농도 저감 영역을 커버할 수 있도록 최저 1 ㎛ 이상의 연마를 실시하는 것으로 한다.

한편, 연마값이 크면, 열처리 후의 재료이며 경도가 높기 때문에, 연마 시간이 걸려 비용이 증대된다. 따라서, 비용의 관점으로부터는 연마값은 작은 쪽이 좋다. 따라서, 연마값은 1O0 ㎛ 이하로 억제하는 것이 바람직하다.

이상의 고찰로부터, 연마값 및 연마 후의 표면 거칠기의 최적치 및 범위를 하기와 같게 한다.

(최적치) (범위)

연마값 : 75 ㎛, 1 ㎛ 내지 100 ㎛

표면 거칠기 : 0.2a, 0.1a 내지 0.4a

본 발명의 창작자는 상술한 바와 같은 범위에서의 연마를 실시한 판스프링이 종래의 것에 비해 내응력 부식 균열 특성(내SCC 특성)이 향상되는 것을 확인하였다.

본 발명에 있어서는 마무리 공정 전에 상기와 같은 연마를 포함하는 표면 처리를 행함으로써 판스프링의 응력 부식 균열(SCC)의 발생을 방지하고 있다. 도1에, 본 발명을 적용한 판스프링 제조 공정을 도시한다. 이 도면으로부터 알 수 있는 바와 같이, 종래의 제조 공정(도6 참조)과 상이한 점은 열처리 공정(스텝 2)과마무리 공정(스텝 4) 사이에 연마 공정(스텝 3)을 포함하는 표면 처리 공정을 실시하고 있는 점이다. 이하에, 판스프링의 열처리 후의 표면 처리로서, 상기한 연마 조건을 스프링 가공상 효율적으로 실현하기 위해 다양한 표면 가공 방법을 열거한다.

[판스프링 표면의 Cr 결핍층 및 표면 가공 경화층의 제거]

(1) 산 세척

시효 처리 후의 표면 피막을 초산 등에 의해 제거하는 것이고, 판스프링의 응력 부식 균열(SCC)이 생기기 쉬운 고응력 부위를 포함하는 표면 부분을 녹여 제거한다. 이를 위해서는 산 농도 및 시간 및 온도 등을 관리하여 에칭량을 제어한다.

(2) 연삭

시효 처리 후의 표면 피막을 기계 공구 또는 수작업에 의해 연삭 제거하는 것이고, 열처리 후의 형상 치수를 측정하여 각 가공 부위의 가공량을 구하여 연삭한다. 또한, 가공 부위에 의해 연삭 지석의 형상 및 사용 공구를 변경하여 연삭한다.

(3) 전해 연마

시효 처리 후의 표면 피막을 전해 에칭에 의해 제거하는 것이고, 금속에 따른 전해 연마액 속에서 대상물을 양극으로 하여 직류 전류를 흐르게 하여 대상물의 표면을 용해시킨다.

(4) 방전 가공

시효 처리 후의 표면 피막을 방전 가공에 의해 제거하는 것이고, 판스프링의 형상에 맞춘 전극을 제작하여 아크 방전에 의해 전극 대향부에 존재하는 표면층을 제거한다.

(5) 표면 절삭

두꺼운 판 소재로 성형한 판스프링을 와이어 커트에 의해 전체 표면을 얇게 소정 치수까지 절삭하여 표면층을 제거한다.

(6) 표면 환원 및 연화

기계적으로 표면으로부터 Cr 결핍층을 제거하는 것은 아니고, 열처리에 이르지 않는 낮은 온도에서 노 내를 수소 분위기(환원 분위기)로 하여 판스프링을 가열한다. 이에 의해, 특히 표면만 어닐링 상태가 되어 연화하여 연성이 커져, 표면 가공 경화층을 소멸시킨다. 또한, 판스프링 표면의 Cr를 포함하는 산화물이 환원됨으로써, 금속 모재 속으로 Cr을 복귀시킬 수 있어 Cr 결핍층을 소멸시킨다.

(7) 습윤 블러스트

건식인 글래스 비드 블러스트(GBB)가 아닌, 물 ＋ 지석 재료 ＋ 공기(압축 공기)의 복합 작용을 특징으로 하는 습식 블러스트법에 의해 표면층을 제거한다.

(8) 레이저 가공

레이저 조사에 의해, 판스프링의 가공 지정 범위의 표면층을 제거한다.

[판스프링 표면의 Cr 결핍층 및 가공 경화층과 일차 냉각재와의 접촉 방지]

(9) 표면 도금

판스프링에 도금을 실시하여 표면의 Cr 결핍층과 일차 냉각재가 접촉하는 것을 방지한다.

이상과 같은 9 종류의 표면 가공 방법에 의한 표면 처리 방법을 열처리 후에 실시함으로써, 종래부터의 과제인 판스프링 표면의 Cr 결핍층 및 가공 경화층을 제거할 수 있거나, 혹은 Cr 결핍층과 가공 경화층의 일차 냉각재와의 접촉을 방지할 수 있다.

본 발명에 관한 표면 가공 방법에 의한 표면 처리를 행함으로써, 열처리에 의해 생기는 판스프링 표면의 Cr 결핍층 및 표면 가공 경화층의 제거, 혹은 Cr 결핍층 및 가공 경화층과 일차 냉각재와의 접촉을 방지하는 것이 가능해져 응력 부식 균열(SCC)의 발생을 방지할 수 있다.

Claims

원자로 부재에 굽힘 가공을 실시한 후에 열처리를 실시함으로써 상기 굽힘 가공에 의해 가공 경화층이 생성되는 동시에 상기 열처리에 의해 부착된 산화막에 의한 Cr 결핍층이 형성되는 상기 원자로 부재의 표면 처리 방법이며,

상기 가공 경화층 및 상기 Cr 결핍층을 상기 원자로 부재로부터 제거하기 위해, 산 세척, 연삭, 전해 연마, 방전 가공, 표면 절삭, 표면 환원 및 연화, 습윤 블러스트 및 레이저 가공 중 어느 하나의 방법을 이용하는 것을 특징으로 하는 원자로 부재의 표면 처리 방법.
원자로 부재에 굽힘 가공을 실시한 후에 열처리를 실시함으로써 상기 굽힘 가공에 의해 가공 경화층이 생성되는 동시에 상기 열처리에 의해 부착된 산화막에 의한 Cr 결핍층이 형성된 상기 원자로 부재의 표면 처리 방법이며,

상기 원자로 부재의 가공 경화층 및 Cr 결핍층과 일차 냉각재의 접촉을 방지하기 위해, 표면 도금을 실시하는 것을 특징으로 하는 원자로 부재의 표면 처리 방법.
제1항 또는 제2항에 있어서, 표면 처리를 연마값이 1 ㎛ 내지 100 ㎛의 범위, 표면 거칠기가 0.1a 내지 0.4a의 범위가 되도록 실시하는 것을 특징으로 하는 원자로 부재의 표면 처리 방법.
제3항에 있어서, 표면 처리를 연마값이 75 ㎛, 표면 거칠기가 0.2a가 되도록 실시하는 것을 특징으로 하는 원자로 부재의 표면 처리 방법.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 원자로 부재는 가압수형 원자로용 연료 집합체의 상부 노즐에 배치된 판스프링인 것을 특징으로 하는 원자로 부재의 표면 처리 방법.
원자로 부재의 제조 방법이며,

상기 원자로 부재를 소정 각도로 굽히는 굽힘 가공 공정과,

굽힘 가공된 상기 원자로 부재를 열처리하는 열처리 공정과,

상기 굽힘 가공에 의해 생성된 가공 경화층 및 상기 열처리에 의해 부착된 산화막에 의해 형성되는 Cr 결핍층을 상기 원자로 부재로부터 제거하기 위한, 혹은 상기 원자로 부재의 상기 가공 경화층 및 상기 Cr 결핍층과 일차 냉각재의 접촉을 방지하기 위한 표면 처리 공정과,

상기 원자로 부재를 마무리하는 최종 마무리 공법으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 원자로 부재의 제조 방법.
제6항에 있어서, 상기 열처리에 의해 부착된 산화막에 의해 형성되는 Cr 결핍층을 원자로 부재로부터 제거하는 표면 처리 공정은 산 세척, 연삭, 전해 연마,방전 가공, 표면 절삭, 표면 환원 및 연화, 습윤 블러스트 및 레이저 가공 중 어느하나인 것을 특징으로 하는 원자로 부재의 제조 방법.
제6항에 있어서, 상기 원자로 부재의 가공 경화층 및 Cr 결핍층과 일차 냉각재의 접촉을 방지하기 위한 표면 처리 공정은 표면 도금인 것을 특징으로 하는 원자로 부재의 제조 방법.