KR20060051542A - 금속 접합 방법 - Google Patents

Abstract

응력 부식 균열의 영향을 받기 쉬운 구역에서 제 2 금속의 표면에 제 1 금속을 접합하는 방법은 상기 제 2 금속의 표면에 상기 제 1 금속을 용접하는 것보다 먼저 상기 구역에 인접한 상기 제 1 금속에 응력 부식 균열 저항성의 귀금속 용접 버터링 또는 귀금속 용접 클래딩(4)을 적용하는 단계를 포함한다. 변형예로서, 기존의 응력 부식 균열에 귀금속 클래딩(4)을 적용하는 방법은 용접 용착물 및/또는 열 영향부의 영향을 받기 쉽다. 기존의 응력 부식 균열에 금속 구성 요소를 함유한 귀금속 용접 클래딩(4) 또는 버터링은 용접 용착물 및/또는 열 영향부의 영향을 받기 쉽다.

Description

금속 접합 방법{WELDING OF VESSEL INTERNALS WITH NOBLE METAL TECHNOLOGY}

도 1a 및 도 1b는 관형 또는 플레이트 용접 이음의 용접부를 도시한 도면,

도 1c는 관형 용접 이음의 용접부의 예시를 도시한 도면,

도 2a 및 도 2b는 슈라우드 지지부에 슈라우드를 용접한 기존의 용접 이음과 본 발명의 방법을 사용하여 제조된 용접 이음을 각각 도시한 도면,

도 3a 내지 도 3c는 배플 플레이트에 제트 펌프 확산기를 용접한 기존의 용접 이음과 본 발명의 방법을 사용하여 제조된 용접 이음을 각각 도시한 도면,

도 4a 내지 도 4c는 배플 플레이트에 제트 펌프 확산기를 용접한 용접 이음의 적용 예를 도시한 도면,

도 5a는 제트 펌프 열 슬리브용 기존의 용접 이음을 도시한 도면,

도 5b 및 도 5c는 본 발명에 따른 제트 펌프 열 슬리브 용접의 적용 예를 도시한 도면,

도 6a는 ICM 하우징에 용접한 ICM 가이드용 기존의 용접 이음을 도시한 도면,

도 6b는 본 발명에 따른 ICM 하우징으로의 ICM 가이드의 적용 예를 도시한 도면,

도 7a는 제트 펌프 라이저 버팀대 용기 패드용 기존의 용접 이음을 도시한 도면,

도 7b는 본 발명에 따른 제트 펌프 라이저 버팀대 용기 패드의 적용 예를 도시한 도면.

도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명

2 : 구성 요소 4 : 용접 클래딩

6, 10, 18, 20, 22, 24, 26, 30 : 용접 이음

14 : 오버레이 16 : 기계 가공된 용접부

20 : 완전 용입 용접 변형부

본 발명은 응력 부식 균열(stress corrosion cracking)에 대한 저항이 개선된 용접 이음에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 응력 부식 균열 저항성의 귀금속을 함유한 버터링(Buttering) 또는 귀금속 클래딩(Noble Metal Cladding)을 사용하는 원자로(nuclear reactors)의 강(steel) 내측 구성 요소 및 내측 표면상의 용접 이음에 관한 것으로, 이 구성 요소는 용접 이음에 인접한 열 영향부(heat affected zones) 또는 냉간 가공(cold-worked) 영역에서 응력 부식 균열의 영향을 받기 쉽다. 또한, 본 발명은 용접 용착물 및/또는 열 영향부의 영향을 받기 쉬운 기존의 응력 부식 균열에 귀금속 클래딩을 적용하는 방법에 관한 것이다.

원자로는 핵분열 동안 열을 발생시키는 핵분열 연료 코어(core)를 포함한다. 열은 원자로 냉각제, 즉 원자로 압력 용기(pressure vessel) 내에 포함된 물에 의해 연료 코어로부터 제거된다. 배관 회로(piping circuits)는 가열된 물 또는 스팀을 스팀 발전기 또는 터빈으로 운반하고, 순환된 물을 운반하거나 용기로 물을 피드백한다. 원자로 압력 용기의 작동 압력 및 온도는 비등수형(沸騰水型) 원자로(boiling water reactor)에서 약 7 MPa 및 288℃이고, 가압수형(加壓水型) 원자로(pressurized water reactor)에서 약 15 MPa 및 320℃이다. 비등수형 원자로와 가압수형 원자로 양자에서 사용되는 재료는 각종 하중, 환경적 조건 및 방사성 조건을 견뎌내야 한다. 본원에 사용되는 바와 같이, "고온수(high-temperature water)" 라는 용어는 약 150℃ 또는 그 이상의 온도를 갖는 물, 스팀 또는 그것의 응축액(condensate)을 의미한다.

고온수에 접하는 재료에는, 예컨대 탄소강, 합금강, 스테인레스강 및 니켈기(nickel-based), 코발트기(cobalt-based) 및 지르코늄기 합금(zirconium-base alloys)이 포함된다. 수형 원자로(water reactors)에 사용하는 이러한 재료의 신중한 선택과 관리에도 불구하고, 고온수에 접하는 재료상에 부식이 발생한다. 이러한 부식은 각종 문제점, 예컨대 응력 부식 균열(SCC), 틈새 부식(crevice corrosion), 침식 부식(erosion corrosion), 압력 릴리프 밸브(relief valves)의 밀착 및 코발트 60 동위원소(Co-60 isotope)를 방사하는 감마 방사선(gamma radiation)의 촉진 원인이 된다.

응력 부식 균열(SCC)은 수십 년간 비등수형 원자로(BWR) 전력 설비의 작동 유용성에 악영향을 미치는 문제점이 되어 왔다. 사용시에 예민화 처리(sensitized) 또는 냉간 가공된 모재(base material), 인장 응력 및 고온의 과산화수소수(oxygenated water)의 조합이 사용시에 문제점을 야기한다. 예민화 처리의 하나의 보통 형태는 용접의 열 사이클(thermal cycle)에 의해 야기되는데, 용접 비드(bead) 냉각 시퀀스(sequence)는 마이크로 조직 결정립계(microstructural grain boundaries)로 크롬 카바이드(chromium carbides)가 석출되도록 충분히 느리다. 이러한 카바이드의 석출은 더 이상 부식 저항이 존재하지 않을 정도까지 인접한 크롬의 결정립계 구역을 고갈시킨다. 따라서, 부식 저항 재료가 아니라면 화학적으로 공격적인 물의 환경과 충분히 높은 표면 인장 응력의 존재시에 이러한 계(boundaries)에서 응력 부식 균열이 발생한다. 또한 많이 냉간 가공된 재료 표면도 인장 응력 및 화학적으로 공격적인 물의 환경의 존재시에 응력 부식 균열이 발생하기 쉽다.

다수의 보다 오래된 원자로 설비는 의도하지 않게 고탄소 스테인레스강으로 건설되었고, 제조 열처리 또는 용접 접합 공정시에 열적으로 예민화 처리되었다. 또한, 용접 작업은 일반적으로 인장 잔류 응력 및 상응하는 응력 부식 균열 파손을 일으키기에 충분한 높은 입열(heat inputs)을 사용하였다. 추가적으로, 이러한 높은 용접 입열은 (크롬과 같은) 부식 저항 합금 요소를 효과적인 레벨 이하로 희박하게 함으로써 문제점을 악화시켰다. 또한, 용접 충전 물질(filler materials)은 충분한 응력 부식 균열 저항을 주는 합금 요소를 형성하는 델타 페라이트(Delta Ferrite) 마이크로 구조로 항상 존재하지 않았다. 다른 구성 요소는 제조시[마지 막 용체화 풀림(solution annealing) 이후] 심하게 기계 가공되거나 변형되어서, 응력 부식 균열의 영향을 받기 쉬운 표면 냉간 가공 조건도 야기하였다. 용접은 냉간 가공이 되기 이전 또는 이후에 수행되었고, 인장 잔류 응력의 상태로 인접한 영역에 남겨졌다.

일반적으로 이러한 구성 요소의 수리 또는 교체는 작동 설비가 중요 교체를 수행하기 위해 보다 긴 운전 정지를 위한 조업 중지와, 설비 구성 요소의 내측 표면(또는 체적 내의 활성화) 상의 높은 레벨의 방사능 오염 때문에 매우 고가이다.

예민화 처리 구역에 용착되는 부식 저항 용접 클래딩을 개발하는 과거의 노력은 일반적으로 약 4 인치 또는 그 이상의 작은 직경을 갖는 유체 공정 배관의 내부 상에서의 사용을 위해 설계되었다. 이러한 크기로, 종래의 입열 레벨이 적용되는 복수의 두꺼운 층(layers)은 그들의 층 두께 총합이 중요하지 않았기 때문에, 모재에 의해 용착 크롬 함유물의 희박함을 보상하는 것이 가능했다.

응력 부식 균열의 문제점에 대해, 구성 요소 재료 교체, 잔류 응력 감소, 개선된 기계 가공 및 성형 실행 및 물 화학 제어(water chemistry controls)(또는 이 제안들의 조합)를 포함하는 다수의 해결책이 수년간 제안되어 왔다. 다른 접근 방식은 공격적인 물 환경으로부터 그것을 효과적으로 분리시키는, 이전의 예민화 처리 구역의 전기 아크 용접 클래드이다. 그러나, 일반적으로 크게 영향받기 쉬운 기판에서 기존의 용접 방법이 새로운 클래드 구역의 에지를 예민화 처리할 수 있고, 기존의 클래딩 재료는 불충분한 응력 부식 균열 저항을 가질 수 있기 때문에, 이러한 기존의 방법은 보편적인 적용성을 갖지 않는다. 최종 효과는 단지 유사한 새로운 문제의 위험을 발생시키는 보다 오래된 응력 부식 균열 문제를 덮는 것이다. 일반적으로 종래의 클래딩 공정의 높은 입열 때문에, 새로운 클래드 구역의 에지는 높은 표면 인장 응력의 불리한 상태로 끼워 넣어질 수도 있다. 이외에도, 이러한 종래의 방법은 덮이는 구성 요소의 비틀림을 야기할 수 있어서, 그것에 의해 접촉하는 구성 요소의 맞춤 및/또는 기능에 반대 영향을 미친다.

추가적인 접근 방식은 응력 부식 균열의 영향을 받기 쉬운 구역에 적용되는 사전 적용된, 부식 저항 페이스트(paste)의 레이저 핵융합(laser fusion)이다. 그러나, 이러한 공정은 용기 내의 구성 요소에 원격으로 적용될 때 지루하고 매우 복잡하며, 특히 매우 고가이다.

다른 공지된 공정은 부식 저항 재료의 재위치 슬리브(sleeve) 제조의 가스 텅스텐 아크(Gas Tungsten Arc) 융합이다. 그러나, 이러한 공정은 슬리브가 적절히 꽉 맞도록 용이하게 재형상될 수 있는 (원통형과 같은) 기하학적으로 정해진 표면 형상을 갖는 적용에 제한되도록 고려된다.

클래드될 필요가 있는 다수의 예민화 처리 영역은 거의 정해지거나 매끈한 표면을 갖는 접합 용접의 열 영향부(heat-affected zones)이다. 또한 노(furnace) 예민화 처리, 조사(irradiation) 예민화 처리 또는 냉간 가공 재료와 같은 반대의 다른 재료 조건은 응력 부식 균열을 막기 위해 부식 저항 클래딩의 필요성이 있다.

오스테나이트계(austenitic) 마이크로 구조 스테인레스강 또는 니켈 합금 및 그와 인접한 열 영향부(HAZs)의 융접(fusion weld) 용착물은 설비 작동시에 비등수형 원자로(BWR) 내에 존재하기 때문에, 고온의 과산화수소수 환경에 접할 때 응력 부식 균열 파손의 영향을 받기 쉽다고 공지되어 있다. [본원에 사용된 문맥에 있어서, "융접(fusion weld/welding)" 이라는 용어는 사용되는 충전 물질의 모재의 일부분이 융해되는 임의의 용접 또는 용접 공정을 의미한다.] 응력 부식 균열을 방지하거나 보수하기 위한 기존의 방법은, 종래의 용접 이음 그 자체가 응력 부식 균열 저항성 합금의 상업용 등급을 갖는 종래의 용접 이음의 마지막 층을 만들지 못하고 마무리되는 것과, 상업용 등급 합금을 갖는 종래의 용접 이음 자체에 의해 제조되는 용접 클래딩 열 영향부와, 상업용 등급 합금, 클래딩, 균열 또는 다른 결함이 제거된 용접되지 않은 기판을 포함하는 용접 이음의 일부분을 재용접하는 것을 방지하기 위한 상업용 용접 합금의 선택을 포함한다. 이러한 방법 모두와 그것의 변형에는 사용시에 공격적인 물의 환경에 접하도록 남겨져 있어서, 그에 따라 응력 부식 균열의 영향을 받기 쉬운 대체된 열 영향부를 여전히 남기는 이음의 에지[또는 연장된 용접 캡(cap)/클래딩의 에지]에서 대체된 열 영향부를 남긴다. 이외에도, 새롭게 용착된 용접 재료 자체는 장기간의 사용시에, 특히 높은 전기 화학 퍼텐셜(Electro Chemical Potential) 또는 높은 중성자 플럭스(flux)의 구역 및 특히 상업용 합금이 모재의 조합에 의해 보다 희박해진 용접 에지 비드에서 균열을 방지하기 위한 충분한 응력 부식 균열 저항을 갖지 않을 수 있다. 종종, 응력 부식 균열 및 다른 결함은 설비 수명 동안 용기 내측 구성 요소 표면 또는 배관 상에서 발견될 수 있다. 이러한 결함은 악영향을 미치는 구성 요소의 수리 또는 교체 없이 지속된 설비 작동시 수용할 수 없는 조건으로 성장할 수 있다.

용기 내측 교체, 용기 내측 수리 작업, 배관 수리와 교체 작업 및 새로운 구 조물 또는 구성 요소 교체 계획의 현장 용접(field welding) 이음 설계에서 응력 부식 균열을 확실하게 방지하기 위한 방법의 필요성이 존재한다. 문제 영역을 대체하는 단지 일시적으로 대체하거나, 문제의 양을 불충분하게 줄이거나, 또는 지나치게 두껍거나 또는 손상되도록 뜨거운 복수의 층을 구비하여 적용되어야 하는 재료로 문제 영역을 숨기는 것이 아닌 방법이 필요하다. 본 발명은 이러한 필요를 만족시키기 위한 것이다.

본 발명은 용접 충전 물질의 희박함, 제조시 열 예민화 처리, 제조시 냉간 가공, 높은 인장 잔류 응력, 사용시 중성자 방사 또는 그것의 조합 때문에 균열이 존재하는가 아닌가에 무관하게, 비등수형 원자로에서의 용접 이음의 응력 부식 균열(SCC)의 문제점에 대한 해결책을 제공한다.

일 실시예에 따르면, 응력 부식 균열 저항성의 귀금속을 함유한 버터링이 응력 부식 균열 용접 이음 에지와 용접 이음 근처 표면상에 위치되는 금속을 서로 접합하는 방법이 제공된다..

다른 실시예에 따르면, 응력 부식 균열 저항성의 귀금속 클래딩이 용접 이음 에지 또는 그 부근에서 및 용접 이음 근처 표면상에 위치되는 금속을 서로 접합하는 방법이 제공된다.

또 다른 실시예에 따르면, 본 방법에 따라 용접되는 금속 구성 요소가 제공된다.

본 발명을 하기에 도시된 도면을 참조하여 자세히 설명한다.

일 실시예에서, 본 발명의 방법은 개선된 산소와 수소의 재결합 속도를 위한 촉매로서 사용하기 위한 니켈기 합금 82, 합금 52, 합금 52M, 스테인레스 308L, 스테인레스 309L 또는 스테인레스 316L 및 저농도(low concentration) 귀금속 요소[예컨대, 팔라듐(palladium), 백금(platinum), 로듐(rhodium) 또는 그것의 조합]와 같은 니켈기 합금 또는 철기(iron-base) 스테인레스강으로 구성된 충전 물질을 사용한다. 충전 물질 내의 귀금속의 농도는 일반적으로 약 1 중량 % 이하의 범위 내에 있고, 통상적으로 모재가 희박해진 이후에는 약 0.25 중량 % 내지 0.75 중량 %의 범위 내에 있다. 산소와 수소를 포함한 과산화수소의 재결합은 응력 부식 균열의 민감성을 감소시키거나 제거하기 위해, 효과적인 전기 화학 퍼텐셜을 감소시킨다. 충전 물질은 용접부 에지 귀금속 버터 또는 표면 클래딩으로서 모재의 영향을 받기 쉬운 응력 부식 균열(또는 충전 물질 또는 버터 재료의 영향을 받기 쉬운 용착된 응력 부식 균열의 잔류물)에 적용된다. 이러한 방법은 용접 이음 모재 또는 충전 물질이 다른 방법으로 응력 부식 균열의 민감성에 이르게 하도록 역 제조 및 용접 실행을 현저하게 보다 잘 견뎌내도록 보증한다.

보다 바람직한 실시예에서, 개시된 방법의 감소된 클래딩 입열은 약 분당 10 인치 이상으로, 예컨대 분당 15 인치 내지 45 인치, 통상적으로는 분당 15 인치 내지 30 인치로 주행 속도(travel speed)[토치(torch) 속도]가 감소되어서, 용접 냉 각시 예민화 처리 온도 범위 내의 시간은 크롬의 함유물이 고갈되는 정도까지 카바이드가 결정립계 상에 석출되는 것을 허용하기에는 불충분하다. 또한 이러한 낮은 입열은 충전 물질(사용시 접하게 되는 물 내의 초과된 수소) 내의 작은 귀금속 추가의 이득과 함께, 심지어 하나의 얇은 용접 층이 응력 부식 균열에 적절히 저항하는 용착된 조합을 제공하기에 충분한 모재에 의해 용접 충전 물질의 희박함을 현저하게 감소시킨다.

예민화 처리 제어의 이러한 새로운 방법은 입열 제어 및 최소화의 종래의 방법과 대조되는 것으로, 공정의 가열 속도(및 냉각 속도) 및 재료의 시간 상수는 개별적으로 고려되는 것이 아니고 단지 통합된 입열만을 고려한다. 본 발명은 용접 매개 변수로 : (1) (비드의 단위 길이당 입열의 함수로서 제어되는) 입열 및 (2) (전방 방향으로 용접 선형 속도의 함수로서 제어되는) 열 영향부 냉각 속도의 이중 제어를 이용한다. 바람직하게, 교차 비드 아크 진동(corss-bead arc oscillation)은 소정의 낮은 입력과 높은 주행 속도 양자를 유지하는 것에 대해 반대의 결과를 초래하기 때문에 회피되어야 한다. 그러므로 이 방법은 전기 아크 및 다른 융합 기반 클래딩 공정이 예민화 처리의 높은 위험 없이 열 예민화 처리에 매우 낮은 저항을 갖는 재료 상에 적용되도록 한다.

종래의 클래딩 접근 방식에서, 입열은 아크 전류량의 제품이 아크 전압의 배수가 될 때 단순하게 계산되고, 아크 주행 속도로 나누어진다. 그러나, 가열 속도 및 냉각 속도는 본래 토치 주행 속도와 재료의 열적 특성에 의해 서로에 관련된다. 그러므로, 충분히 높은 주행 속도에서, 냉각 속도는 특정한 재료에서 발생하는 열 예민화 처리(크롬 카바이트 석출)의 임계 냉각 속도에 관련된 소정의 임계 주행 속도를 선택함으로써 제어될 수 있다. 선택된 오스테나이트계 재료의 임계 냉각 속도는 주로 그것의 결정 크기, 탄소 함유량, 크롬 함유량, 델타 페라이트 함유량, 열 확산도 및 부분 두께에 의존한다. 오스테나이트계 마이크로 구조 합금에서의 바람직한 입열은 약 3.8 kJ/inch (1.5 kJoule/cm) 이하이고, 통상적으로는 약 1.2 kJ/inch 내지 2.5 kJ/inch (0.5 kJoule/cm 내지 1.0 kJoule/cm)이다. 그러므로 상응하는 바람직한 토치 최소 속도는 대략 20 inch/min (50 cm/min) 이상이고, 일반적으로 25 inch/min 내지 35 inch/min (60 cm/min 내지 90 cm/min)이다.

도 1a 및 도 1b를 참조하면, 용접 이음의 에지 상으로 "버터된" 응력 부식 균열 귀금속 용접 클래딩(4)을 구비한 구성 요소(2)가 도시된다. 도 1c에서, 기계 가공된 경사면(bevel)을 포함하고, 귀금속 합금을 적용하며, 추가로 트리밍(trimming) 및 기계 가공하는 단계적인 방법을 도시한다.

귀금속 용접 클래딩은 접합된 표면상으로 적용되며, 이 영역의 인접한 에지뿐만 아니라 이음 내에 구비된 부분을 포함한다. 버터링은 적용시 기판의 영향을 받기 쉬운 응력 부식 균열의 열 예민화 처리를 방지하기 위해서 충분히 낮은 입열로 적용된다. 또한 이음 에지의 하부의 인접한 영역은 버터 밑면의 본래의 재료를 열 예민화 처리하지 않고, 접합 용접이 (버터 층의 입열에 상대적으로) 충분히 증가된 입열로 제조될 수 있도록 이후에 버터되어서, 버터되지 않은 영역 상에 의도하지 않게 용착되는 보다 높은 열 용접의 위험이 없이 접합 용접의 주변 위치는 변형될 수 있다.

도 2a는 기존의 슈라우드 지지부(shroud-supprot) 용접 이음(6)을 도시한다. 도 2b는 응력 부식 균열 귀금속을 함유한 클래딩을 사용하는 본 발명에 따라 제조된 이음(8)을 도시한다. 도 2a에서, 접합되는 영향을 받기 쉬운 재료 표면상에 버터를 사용하지 않고 슈라우드 지지부에 용기 슈라우드를 접합하는 종래의 방법이 도시된다. 도 2b는 접합되는 각각의 표면상에 미리 위치된 클래딩이 합금된 낮은 입열 귀금속을 구비한 이러한 요소 사이에 개선된 결합 설계를 도시한다.

도 3a는 기존의 용접 이음(10), 제트 펌프 확산기(jet pump diffuser) 및 그것의 지지부 배플 플레이트(baffle plate)의 다른 형태를 도시한다. 도 3b 및 도 3c는 클래딩이 합금된 귀금속을 사용하여 접합되고, 슈라우드 지지부 용접에 대한 용기 슈라우드를 도시한 바와 같이 동일한 "버터" 방식으로 적용되는 동일한 구성 요소를 도시한다.

도 4a는 오버레이(overlay)(14)를 구비한 배플 용접 이음에 대한 제트 펌프 확산기를 도시한다. 도 4b는 버터가 합금된 귀금속에서 기계 가공된 용접부 (16)의 마지막 기계 가공된 형상을 도시한다. 도 4c는 본 발명의 방법을 이용한 확산기 단부의 용접부를 도시한다.

도 5a는 기존의 제트 펌프 열 슬리브 용접 이음(18)을 도시한다. 도 5b 및 도 5c는 본 방법에 따라 제조된 2개의 제트 펌프 열 슬리브 용접 이음(20, 22)을 도시한다. 보다 특별하게는, 도 5a는 엘보(elbow) 용접(18)에 대한 재순환 입구 파이프와 부분 용입 필렛(partial-penetration fillet) 용접 변형 및 도 5b에서의 "소리굽쇠(tuning fork)" 형의 완전 용입(full-penetration) 용접 변형(20)의 양자 에서 노즐 대 안전 단부 용접의 열 슬리브의 이음 상세도를 도시한다. 기술적으로 바람직한 설계는 클래딩이 합금된 귀금속으로 버터된 용접부의 각 측면에 소리굽쇠 형상을 갖는 것이다. 제트 펌프 재순환 배관에 접합된 안전 단부의 타 단부는 도 5c에서 클래딩이 합금된 귀금속 및 충전 물질이 합금된 귀금속으로 도시된다.

도 6a는 ICM 하우징(housing) 용접 이음(24)에 대한 기존의 ICM 가이드 튜브(guide tube)를 도시한다. 도 6b는 본 방법에 따라 제조된 ICM 하우징 용접 이음(26)에 대한 ICM 가이드 튜브를 도시한다. 보다 특별하게는, 도 6a는 가이드 튜브에 대한 ICM 하우징의 표준(버터되지 않은) 부분 용입 소켓(socket) 용접 이음을 도시한다. 도 6b는 귀금속 합금 버터 접합부(26)를 사용한 완성된 완전 용입 버트 이음(butt-joint) 상세도를 도시한다.

도 7a는 제트 펌프 라이저 버팀대 용기 패드(riser-brace vessel pad)의 기존의 용접 이음(28)을 도시한다. 도 7b는 본 발명에 따라 제조된 제트 펌프 라이저 버팀대 용기 패드의 용접 이음(30)을 도시한다. 보다 특별하게는, 도 7a는 압력 용기(28)의 클래딩에 부착되어 있는 표준(버터되지 않은) 이중 측면의, 완전 용입 제트 펌프 라이저 버팀대 용접 패드를 도시한다. 도 7b는 귀금속 합금 버터된 강화 패드에 용접되고, 또한 (하나 또는 양 측면이 응력 부식 균열의 영향을 받기 쉬운 지 아닌지에 따라) 귀금속 합금 버터링을 갖는 이음의 하나 또는 양 측면을 구비한 이중 측면의, 완전 용입 용접 이음(30)의 사용이 완성된 라이저 버팀대를 도시한다. 또한 상술된 이점 이외에도, 개시된 방법의 낮은 입열은 아크 또는 다른 융접 공정을 사용하는 종래의 클래딩에 비해, 금속 기판 내의 잔류 응력의 크기 및 양을 현저하게 감소시킨다. 또한 스테인레스강 클래딩에 있어서, NM 클래딩(또는 버터링) 공정은 제조된 매우 미세한 델타 페라이트 결정 크기 및 조직 때문에 응력 부식 균열 저항에 대해 우수한 마이크로 구조를 제공하며, 또한 높은 공정 속도 및 상응하는 낮은 입열을 야기한다. 다른 이점은 열 예민화 처리, 인장 잔류 응력의 감소, 개선된 클래딩 마이크로 구조의 발생 및 특이한 전기 화학적 증대 표면의 발생에 대한 퍼텐셜을 감소시킨다. 이러한 이점은 귀금속 클래딩이 심지어 종래의 (보다 높은 입열의) 용접 공정이 기판을 접합하거나 다음에 수리하는 데 사용될 때, 응력 부식 균열이 발생하지 않거나 발생하기 어렵도록 보장하도록 한다.

이미 제조되고 설치된 구성 요소에서, 귀금속 클래딩을 사용하는 공격적인 사용 환경으로부터 기존의 열 예민화 처리되거나 높은 응력의 열 영향부를 분리하는 것은 공정이 제자리에 적용될 필요가 있을 수 있더라도, 미리 위치된 귀금속 클래딩에 유사한 방식으로 증가된 응력 부식 균열의 완화의 이점을 장기간 제공한다. 제 위치의 적용은 액세스(access) 제한을 명백히 하기 위해 또는 좋지 않은 용접 위치를 제기하기 위해 변형 툴링(tooling)을 요구할 수 있어서, 귀금속 클래딩 적용에 대한 바람직한 순서는 새로운 구조물 또는 교체 구조물에 대해 수행되던지 아니던지, 구성 요소의 설치 이전이다.

응력 부식 균열이 용접 그 자체, 또는 인접한 영역, 또는 용접부로부터 떨어진 구역 내에 존재하는 결함을 구비한 구성 요소에 대해, 결함은 귀금속 클래딩의 하나 이상의 층을 적용함으로써 결함은 공격적인 환경으로부터 밀봉될 수 있다. 또한 요구되는 바와 같이, 기존의 결함은 기계적으로 발견될 수 있고, 귀금속 클래 딩으로 채워질(용접 수리) 수 있다.

본 발명의 적용 예로는,

(1) 용기 내측 표면의 수리 및 구성,

(2) 수소/물 화학으로 사후 보호를 위해 전기 화학 퍼텐셜 값을 개선하여, 용접부가 귀금속 응력 부식 균열 저항성 클래딩을 구비하여 배플 플레이트 상에서 강화되는 제트 펌프 확산기의 수리 및 구성,

(3) 응력 부식 균열의 발생과 퍼텐셜 내측 구성 요소 교체의 필요성을 최소화시키기 위해 높은 응력의 용접 이음 또는 열 영향부에 대한 응력 부식 균열 저항성 귀금속 용접 오버레이의 적용,

(4) 새로운 원자로 유닛(reactor units)의 (니켈 크롬 합금 사전 버터링 기술과 유사한) 현장 구조물의 용접부에 대한 응력 부식 균열 저항성 귀금속 합금의 적용,

(5) 용접 이음이 귀금속을 함유한 특정한 용접 재료를 사용하지 않고 종래의 용접 기술로 이전에 완성된 비등수형 원자로에서의 용기 내측의 교체임. 응력 부식 균열/입계 응력 부식 균열(IGSCC)로부터 높은 응력을 받는 현장 용접 이음을 보호하기 위한 퍼텐셜을 개발하기 위해, 귀금속을 함유한 용접 재료는 기존의 용접 기술로 용이하게 적용될 수 있음. 귀금속을 함유한 열 영향부뿐만 아니라 외측 용접 금속 표면은 수소/물 기술을 구비한 설비 작동이 적용될 시 전기 화학 퍼텐셜을 감소시키는 퍼텐셜을 가질,

(6) 클래딩 표면의 임의의 용접이 예열 및 용접 후 열처리를 요구할 수 있는 조건에 도달할 수 있는 결함을 제거하기 위해 그라인딩함으로써 용기 클래드 구성 요소의 국부적 수리임. 이것은 용기 내측의 두꺼운 금속의 예열 및 용접 후 열처리에 대해 매우 불편한 공정임. 본 발명에 따라서, 기계적 플러그(plug) 또는 구멍 균열 스토퍼(stopper)와 같은 수리 기술은 결함의 성장을 멈추게 하고, 귀금속을 함유한 용접 금속 오버레이의 적용을 가능하게 함. 설비 작동시 적용되는 수소/물 화학이 적용되면, 소정의 영역의 응력 부식 균열/입계 응력 부식 균열의 퍼텐셜은 현저하게 최소화될,

(7) 새로운 구조물에서, 현장 용접에 대한 설계는 기존의 설계의 니켈 크롬 철 합금 용접 버터링에 유사한 귀금속의 질로 진행될 수 있다. 현장 용접 이음의 응력 부식 균열/입계 응력 부식 균열의 퍼텐셜은 이러한 접근 방식으로 현저하게 최소화될,

예

특정한 구조적 형상에 적용되는 바와 같은 방법의 예가 기술될 것이다.

(1) 용접 이음 구성

귀금속 용접 재료를 구비한 용접 오버레이는 현장 용접에 대한 원자로 구성 요소의 용접부에 적용된다. 원자로 구성 요소는 요구시, 현장 설치에 대해 감소된 응력을 받는다. 현장 용접은 사용시 원자로 냉각제에 접촉한다면, 루트 패스(root pass) 및/또는 마지막 커버링 패스(covering pass) 상에 귀금속을 함유한 용접 재료를 구비하여 수행된다. 만약 사용된다면, 소모적인 삽입물은 용접 재료로서 귀금속 함유물을 가질 수 있다. 변형예로서, 전체 용접 두께는 귀금속을 함유한 충 전 물질을 구비하여 완성될 수 있다. 이것은 적용 가능하다면, 스테인레스강 또는 니켈 합금 양자에 적용할 수 있다.

이러한 공정은 적절하다면, 스테인레스강 또는 니켈 크롬 철 합금 양자에 적용할 수 있다.

수소/물 화학의 적용

수소/물 화학은 설비 냉각수에 소정의 수소 함유물을 전개하기 위해 수소를 추가함으로써 완화된 응력 부식 균열의 효율을 개선시키는 데 사용되는 기술이다. 귀금속은 응력 부식 균열이 발생할 수 없는 충분히 낮은 레벨까지 (냉각수의 중성자 분해에 의해 발생되는) 산소를 감소시키기 위해, 추가된 수소와 초과된 산소의 재결합 반응 속도를 촉진시키는 화학적 촉매로서 사용된다.

(2) 스테인레스강 또는 니켈 크롬 철 합금강을 구비한 버터링 및 클래딩을 사용하는 용기 내측의 용접 수리 기술

결함 형상 및 위치는 일반적으로 초음파 기술을 사용하도록 위치된다. 용접 수리가 요구되지 않는다면 표시는 제거된다. 전개된 캐비티는 표면 형상을 수용하도록 남겨질 수 있다. 이러한 발견이 낮은 합금강 모재 또는 부식 저항 합금 금속에 영향을 미치고 용접 수리를 요구한다면, 정지 구멍(stop holes)은 결함의 성장을 멈추게 하기 위해 결함의 양 단부를 덮도록 구멍이 뚤릴 수 있다. 구멍은 귀금속 함유물을 구비한 필러 핀(filler pin)으로 막혀진다. 얇은 용접 귀금속 클래딩은 귀금속 함유물을 가지는 용접 재료를 구비하여 사용시 원자로 냉각제로부터 결 함을 밀봉하도록 적용된다.

(3) 슈라우드 교체 또는 새로운 용기 내측 구조물은

1 열 슬리브 용접에 대한 제트 펌프 라이저 엘보,

2 라이저 파이프 용접에 대한 제트 펌프 라이저 엘보,

3 제트 펌프 라이저 버팀대 패드 용접,

4 슈라우드 지지부 용접에 대한 슈라우드,

5 안전 단부 용접에 대한 열 슬리브,

6 슈라우드 배플 플레이트 용접에 대한 확산기,

7 ICH 하우징 용접에 대한 ICM 가이드 튜브,

8 상부 슈라우드 및 하부 슈라우드 사이의 현장 조립체 용접 이음,

9 노즐 용접에 대한 노즐 안전 단부,

10 제트 펌프 설치를 위한 슈라우드 배플 플레이트부를

포함하지만 이에 한정되지는 않는다.

(4) 다른 용접 이음 구성

수소/물 화학은 상술된 바와 같이 적용된다.

귀금속 함유물 또는 귀금속 용접 클래딩/버터링을 구비한 용접부

본원의 클래딩을 참조하면, 귀금속 용접 용착물을 구비한 용접 이음에 인접한 구성 요소의 표면을 넓게 덮는 것보다, 오히려 단지 에지와 귀금속 용접 용착물을 구비한 면의 보다 적은 부분만을 덮는 것이 가능해진다. 이러한 변형 방법은 본원에 "버터링"으로서 참조된다.

안전 단부 용접에 대한 용기 노즐의 배관 및 구성 요소 외부 용접

귀금속 클래딩 또는 버터링된 용기 내측의 응력 부식 균열 민감부 이외에도, 용접 이음과 냉각제 배관의 다른 임계 영역 및 연관된 구성 요소는 유사한 응력 부식 균열의 완화 이점을 얻기 위해 귀금속 용접 용착물을 구비하여 보호될 수도 있다.

본 발명은 충분한 수소가 존재하는 곳에서 응력 부식 균열을 겪게 되는 임의의 구성 요소에 적용될 수 있다. 본 발명이 적용될 수 있는 위치의 예로는,

용기 내측 표면 용접 클래딩과,

교체 부분 또는 새로운 구조물의 구성 요소와,

제트 펌프 라이저 버팀대 패드 용접과,

슈라우드 지지부 용접 이음에 대한 슈라우드와,

하부 헤드 용접 이음에 대한 스터브(stub) 튜브와,

용기 벽 용접 이음에 대한 슈라우드 지지부와,

제트 펌프 엘보 용접 이음에 대한 열 슬리브와,

노즐 안전 단부 용접에 대한 열 슬리브와,

배플 플레이트 용접 이음에 대한 제트 펌프 확산기와,

ICM 하우징 용접 이음에 대한 ICM 가이드 튜브와,

제트 펌프 라이저 버팀대 용기 패드 용접 이음이 있다.

본 발명은 몇몇의 장점을 갖고 있다. 첫째로, 열 예민화 처리의 상승되는 온도장(temperature field) 및 상응하는 퍼텐셜은 구조적 용접 용착물과 귀금속 클 래딩 또는 버터링에 대한 그것의 열 영향부로부터 전이된다. 둘째로, 응력 부식 균열을 받기 쉬운 비금속(base metal)으로부터 이음의 완성을 야기하는 보다 높은 인장 잔류 응력장은 응력 부식 균열 저항성의 귀금속 클래딩에 재배치된다. 셋째로, 용접 이음과 그것의 열 영향부의 표면에 마지막으로 접촉되는 응력 부식 균열 저항은 전기 화학 퍼텐셜(ECP)의 귀금속 클래딩의 촉매 작용의 감소 때문에 개선된다. 본 발명의 귀금속 클래딩 기술은 수소를 함유한 물 환경이 제어된 수소의 존재 내에서 기판 표면의 영향을 받기 쉬운 전기 화학 퍼텐셜의 감소를 촉매 작용으로 증대시켜서, 보다 적게 추가된 수소는 이용 가능한 산소 및 과산화수소의 부식성 효과를 조합하고 유효하게 파기하는 것이 요구된다. 이러한 이점은 구조적 용접 이음이 완료되기 전에 귀금속 클래딩이 기판 용접 영역 상에 미리 위치되었을 때, 최선으로 성취된다. 용접 이음이 이미 완료되었다면, 오래된 용접 이음 충전 물질 및/또는 오래된 이음의 열 영향부를 완화시키거나 수리함으로써 상당한 이점이 성취될 수 있다. 이러한 이점은, 예컨대 높은 응력을 받거나 공격적인 물 환경에 노출된 낮은 응력 부식 균열 저항의 기존의 모재 및 그것의 열 영향부(HAZ)의 예민화 처리된 표면의 분리와, 증가된 응력 부식 균열 저항을 갖는 용접 용착물이 합금된 귀금속을 구비하여 결함을 제거함으로써 얇게 된 영역의 구조적 강화와, 증가된 응력 부식 균열 저항을 갖는 용접 클래딩이 합금된 귀금속을 구비하여 기존의 종래 부식 저항 클래딩(CRC)의 추가 또는 교체를 포함한다.

새로운 용접된 구조물과 기존의 구조물 양자에 대한 귀금속 클래딩의 이점은 귀금속 기술의 효율과 효과의 상당한 증가를 제공한다는 점이고, (본래의 국부적인 용접 예민화 처리, 인장 응력 등 때문에) 응력 부식 균열에 대한 가장 큰 마진(margin)을 필요로 하는 국부적인 영역에서, 최선으로 공지된 완화가 제공된다. 구성 요소의 귀금속 열 스프레이 코팅 또는 물 환경에 대한 귀금속의 화학적 추가에 의한 것과 같이, 보다 크거나 전체 표면 영역의 이전 또는 이후의 완화는 국부적인 귀금속 클래딩 이후에 적용될 때 이점을 갖는다.

본 귀금속 클래딩 및 수소/물 기술에 따르면, 전기 화학 퍼텐셜(ECP)은 입계 응력 부식 균열을 정지시키거나 최소화시키기 위해 낮아질 수 있다.

본 발명은 현재 가장 실용적이고 바람직한 실시예로 생각되는 것과 관련하여 기술되었지만, 본 발명은 개시된 실시예에 한정되는 것이 아니라, 첨부된 특허 청구의 정신과 범위 내에서 다양한 변형 및 등가의 구성을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

본 발명은 응력 부식 균열에 대한 저항이 개선된 용접 이음에 관한 것으로, 용접 용착물 및/또는 열 영향부의 영향을 받기 쉬운 기존의 응력 부식 균열에 귀금속 클래딩을 적용함으로써 용접 이음의 응력 부식 균열의 문제점에 대한 해결책을 제공한다.

또한 본 발명에 개시된 방법의 낮은 입열은 아크 또는 다른 융접 공정을 사용하는 종래의 클래딩에 비해, 금속 기판 내의 잔류 응력의 크기 및 양을 현저하게 감소시킨다.

Claims (10)

1. 응력 부식 균열(stress corrosion cracking)의 영향을 받기 쉬운 구역에서 제 2 금속의 표면에 제 1 금속을 접합하는 방법에 있어서,

   상기 제 2 금속의 표면에 상기 제 1 금속을 용접하기 전에, 상기 구역에서 또는 그 부근에서 상기 제 1 금속에 응력 부식 균열 저항성의 귀금속 클래딩(Noble Metal Cladding)(4)을 적용하는 단계를 포함하는

   금속 접합 방법.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 제 1 및 제 2 금속이 원자로(nuclear reactor)의 내부에 제공되는

   금속 접합 방법.
3. 제 1 항에 있어서,

   상기 용접이 충전 물질(filler material)을 이용하여 수행되는

   금속 접합 방법.
4. 제 3 항에 있어서,

   상기 충전 물질이 귀금속을 포함하는

   금속 접합 방법.
5. 제 4 항에 있어서,

   상기 귀금속이 팔라듐(palladium), 백금(platinum), 로듐(rhodium) 및 그의 화합물로 이루어진 그룹으로부터 선택되는

   금속 접합 방법.
6. 제 5 항에 있어서,

   상기 귀금속이 대략 1 중량 % 이하의 양으로 상기 충전 물질 내에 존재하는

   금속 접합 방법.
7. 제 6 항에 있어서,

   상기 귀금속이 약 0.25 중량 % 내지 0.75 중량 %의 양으로 상기 충전 물질 내에 존재하는

   금속 접합 방법.
8. 제 1 항에 있어서,

   상기 용접이, 주로 오스테나이트계 스테인레스강 합금(austenitic stainless steel alloys) 내에서 델타 페라이트(Delta Ferrite)의 미세한 마이크로 구조체를 형성하기 위해 충분히 짧은 시간 주기 동안 수행되는

   금속 접합 방법.
9. 응력 부식 균열의 영향을 받기 쉬운 구역에서 제 2 금속의 표면에 제 1 금속을 접합하는 방법에 있어서,

   상기 금속을 서로 용접하기 전에, 상기 금속에 귀금속을 함유한 표면 클래딩을 적용하는 단계를 포함하는

   금속 접합 방법.
10. 응력 부식 균열의 영향을 받기 쉬운 구역에서 제 2 금속의 표면에 제 1 금속을 접합하는 방법에 있어서,

    상기 금속을 서로 용접하기 전에, 상기 금속에 귀금속 함유의 에지 버터링(edge Buttering)을 적용하는 단계를 포함하는

    금속 접합 방법.

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