KR20150131418A - 원자력발전소에 있어서 니켈합금 용접부의 일차수 응력부식균열 예방을 위한 국부 열처리 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 원자력발전소에서 탄소강과 스테인리스강의 이종 금속재료를 용접하는 니켈합금인 Alloy 82 또는 Alloy 182로 용접된 용접부의 일차수 응력부식균열 예방을 위한 국부 열처리 방법에 관한 것으로, 이를 위해 배관두께(t)를 가진 A배관(2a)과 B배관(2b)을 니켈합금인 Alloy 82/182 용접재료로 용접한 용접부(1)의 일차수 응력부식균열을 예방하기 위해 상기 용접부(1) 주위를 가열기로 특정온도로 가열하는 가열공정과, 상기 용접부(1) 주위가 가열된 상태에서 특정시간을 유지하는 유지공정 및, 냉각기를 이용하여 상기 용접부(1)를 적절한 속도로 냉각시키는 냉각공정을 포함한다.

Description

원자력발전소에 있어서 니켈합금 용접부의 일차수 응력부식균열 예방을 위한 국부 열처리 방법{Local heat treatment method to prevent primary water stress corrosion cracking of nickel alloy weld zone in a nuclear power plant}

본 발명은 원자력발전소에서 탄소강과 스테인리스강의 이종 금속재료를 용접하는 니켈합금인 Alloy 82 또는 Alloy 182로 용접된 용접부의 일차수 응력부식균열 예방을 위한 국부 열처리 방법에 관한 것이다.

원자력발전소의 배관구조 재료 중 탄소강과 스테인리스강의 2개 이종금속을 용접하는 부분에는 니켈합금인 Alloy 82 또는 Alloy 182 용접 사용되어 왔으며, Alloy 82/182로 용접된 이종금속의 용접부에서 일차수 응력부식균열이 발생하고 있는바, 이러한 용접부의 일차수 응력부식균열 발생을 예방하는 종래 기술로는 오버레이 용접(Overlay welding)과 기계적 응력 개선공정(Mechanical stress improvement process; MSIP) 및 피닝(Peening) 등이 있다.

여기서 공지된 바와 같이 상기 오버레이 용접은 노즐 용접부 둘레를 덧씌운 방식으로 용접하는 것이며, 상기 기계적 응력 개선공정은 용접부 주변에 기계적 소성하중을 가하는 것이고, 상기 피닝은 재료표면에 레이저, 워터 젯트(Water jet), 수격작용 등을 이용하여 압축 응력을 부가하는 것인데, 이들의 공통점은 배관 또는 노즐에서 일차수 응력부식 균열발생 가능성이 높은 부위의 인장 잔류응력을 낮추어 주는 것이다.

그러나 종래 상기와 같은 기술들은 배관구조의 이종 금속재료를 용접한 Alloy 82/182 용접부에서 일차수 응력 부식균열 발생 가능성이 높은 부위의 잔류응력을 낮추거나 개선하는 효과를 갖추고 있으나, 적용공정이 복잡하고 많은 작업시간이 소요되는 단점이 있었다.

이에 본 발명은 상기와 같은 종래 문제점을 해결하기 위해 발명된 것으로, 종래 방식에 비해 작업시간과 비용을 획기적으로 절감할 수 있으면서 이종금속의 용접부에 인장 잔류응력 크기를 낮추는 열처리를 수행하는 원자력발전소에 있어서 니켈합금 용접부의 일차수 응력 부식균열 예방을 위한 국부 열처리 방법을 제공함에 그 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 국부 열처리 방법은 이종금속 용접부의 응력 부식균열에 대한 예민화(Sensitization)을 발생시키지 않으면서 용접 잔류응력 특성을 개선하기 위해 용접부 주위를 가열기로 특정온도로 가열하는 가열공정과, 상기 용접부 주위가 가열된 상태에서 특성시간을 유지하는 유지공정 및, 냉각기를 이용하여 상기 용접부를 적절한 속도로 냉각시키는 냉각공정을 포함하고 있다.

상기와 같은 본 발명에 따른 원자력발전소에 있어서 니켈합금 용접부의 일차수 응력 부식균열 예방을 위한 국부 열처리 방법은 종래 오버레이 용접, 기계적 응력 개선공정 및 피닝 등에 비해서 작업시간과 비용을 획기적으로 절감할 수 있다.

또한, 이러한 이종금속 용접부의 일차수 응력부식균열 예방을 위한 국부 열처리 방법은 원자력발전소의 수명 연장시 안정성을 기대하면서 비용절감과 관리의 유용성을 확보할 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 원자력발전소에 있어서 이종금속 용접부의 일례를 보여주는 도면,
도 2는 본 발명에서 제안한 해석과정을 이용하여 SB(Soaking band; 열침영역)과 GCB(Gradient Control Band; 구배 제어영역)의 변화를 보여주는 해석도,
도 3은 본 발명에서 용접부 특성별 최적 공정인자를 보여주는 해석 흐름도,
도 4는 본 발명에서 제안한 국부열처리 방법으로 용접 후 열처리에 따른 예민화 정도 측정결과 그래프,
도 5는 본 발명에서 제안한 국부 열처리 방법으로 용접 후 열처리 조건(SR-에서 균열 성장속도가 용접조건(AW)의 관계를 보여주는 측정결과 그래프이다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부도면에 의거 상세히 설명한다.

본 발명은 원자력발전소에서 탄소강과 스테인리스강의 2개 이종금속 배관을 용접할 때 용접재료로 니켈합금인 Alloy 82/182를 이용하는데, 일차수 응력부식균열이 발생하기 쉬운 Alloy 82/182 용접부의 일차수 응력부식균열 발생 저항성을 증가시키기 위해 용접부 주위에 열처리를 수행하는 방법이다.

본 발명은 도 1에 도시된 바와 같이 이종금속인 A배관(2a)과 B배관(2b)을 용접부(1)로 연결하고 배관두께(t)를 가진 배관 파이프에서 니켈합금인 Alloy 82/182 용접재료로 용접된 용접부(1)의 일차수 응력부식균열을 예방하기 위해 상기 용접부(1) 주위를 가열기로 특정온도로 가열하는 가열공정과, 상기 용접부(1) 주위가 가열된 상태에서 특정시간을 유지하는 유지공정 및, 냉각기를 이용하여 상기 용접부(1)를 적절한 속도로 냉각시키는 냉각공정을 포함하고 있다.

한편, 도 1에서 SB는 Soaking Band(열침영역), HB는 Heating Band(가열영역), GCB는 Gradient Control Band(구배제어영역) 및, HAZ는 Affected Zone(열영향부)이다.

본 발명에는 오스테나이트 스테인리스강으로 이루어진 이종 금속배관의 용접부(1)에서 예민화를 발생시키지 않으면서 용접 잔류응력 특성과 재료물성을 개선하는 열처리 방법으로서, 도 1의 SB, HB, GCB의 영역에서 온도제어는 열해석과 응력해석을 통하여 일차수 응력부식균열 발생 민감지역의 용접 잔류응력을 최소화할 수 있는 온도범위를 선정하게 된다.

여기서 열해석과 응력해석은 본 발명의 열처리 공정과 이에 대한 최적공정을 산출할 수 있도록 도 3과 같이 해석 알고리즘에 의해 수행된다.

한편, 도 2는 본 발명에서 제안하는 해석과정을 이용하여 SB와 GCB의 변화를 통해서 일차수 응력부식균열 민감지역[용접부(1) 내면]의 잔류응력을 저감시킨 결과를 보여주는 도면이다.

본 발명의 가열공정에서는 용접부(1) 및 주변재료의 직경(R)과 두께(t)가 변화하면 가열기의 가열시간 및 가열위치를 조정을 통해 SB, HB, GCB 영역의 온도를 제어하여 목표로 하는 부위의 인장 잔류응력을 선택적으로 저감할 수 있다.

통상적으로 산업계의 표준에서는 배관의 두께(인치)당 1시간의 열처리를 요구하고 있으나, 원자력발전소의 이종금속으로 이루어진 오스테나이트 스테인리스강과 니켈합금인 Alloy 82/182 용접부(1)에 대해서는 열처리 시간 및 열처리 온도를 제시하지 않고 있다.

따라서 본 발명에서는 Alloy 82/182 이종금속 용접부의 재료물성 특성과 용접부 형상 특성을 반영하여 앞서 설명한 가열공정과 유지공정 및 냉각공정을 통해 용접부(1)에서 일차수 응력부식균열 취약부위의 잔류응력을 효과적으로 감소시킨다.

또한, 본 발명에서는 용접부(1)에 특성별 최적 공정인자가 제공되는데, 여기서 상기 최적 공정인자는 열전달 및 용접 잔류응력 이완에 대한 유한요소 해석을 통해 신뢰성이 입증되며, 상기 유한요소 해석절차도 도 3에 도시되어 있는바, 이러한 유한요소 해석에는 열처리 잔류응력 이완해석에 최적화된 크리프 물성 모델링이 포함된다.

그리고 상기 크리프 물성 모델링은 1차 크리프가 포함하고 2차/3차 그리프가 배제된다.

한편, 도 4는 본 발명에서 제안한 열처리 방법으로 열처리를 수행하였을 경우 재료의 예민화가 발생하지 않는 측정시험결과 그래프로서, DoS(Degree of Sensitization)는 예민화 민감도, PWHT(Post Weld Head Treatment)는 후열처리를 말한다.

그리고 도 5는 일차수 응력부식균열 성장에 대한 저항성이 증가함을 보여주는 실험결과 그래프로서, AW(As Weld)는 용접상태이고, SR(Stress Relief)는 후열처리에 의해 응력이 풀려 있는 상태, CGR(Grack Growth Rate)는 일차수 응력부식균열 성장속도를 나타낸다.

1 : 용접부, 2a : A배관,
2b : B배관.

Claims (4)

1. 배관두께(t)를 가진 A배관(2a)과 B배관(2b)을 니켈합금인 Alloy 82/182 용접재료로 용접한 용접부(1)의 일차수 응력부식균열을 예방하기 위해 상기 용접부(1) 주위를 가열기로 특정온도로 가열하는 가열공정과, 상기 용접부(1) 주위가 가열된 상태에서 특정시간을 유지하는 유지공정 및, 냉각기를 이용하여 상기 용접부(1)를 적절한 속도로 냉각시키는 냉각공정을 포함한 원자력발전소에 있어서 니켈합금 용접부의 일차수 응력부식균열 예방을 위한 국부 열처리 방법.
2. 제 1항에 있어서,
   상기 가열공정에서는 용접부(1) 및 주변재료의 직경(R)과 두께(t)가 변화하면 가열기의 가열시간 및 가열위치를 조정을 통해 SB, HB, GCB 영역의 온도를 제어하여 목표로 하는 부위의 인장 잔류응력을 선택적으로 저감할 수 있도록 된 것을 특징으로 하는 원자력발전소에 있어서 니켈합금 용접부의 일차수 응력부식균열 예방을 위한 국부 열처리 방법.
   여기서, SB는 열침영역(Soaking Band), HB는 가열영역(Heating Band), GCB는 구배 제어영역(Gradient Control Band)이다.
3. 제 1항에 있어서,
   상기 용접부(1)에 제공되는 최적 공정인자는 열전달 및 용접 잔류응력 이완에 대한 유한요소 해석이 적용되는 것을 특징으로 하는 원자력발전소에 있어서 니켈합금 용접부의 일차수 응력부식균열 예방을 위한 국부 열처리 방법.
4. 제 3항에 있어서,
   상기 유한요소 해석에는 열처리 잔류응력 이완해석에 최적화된 크리프 물성 모델링이 포함되는 것을 특징으로 하는 원자력발전소에 있어서 니켈합금 용접부의 일차수 응력부식균열 예방을 위한 국부 열처리 방법.

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