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하나 사
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특집 : 용접강도관련연구의최근동향 원자로냉각재계통내기기의이종금속용접부에대한예방정비방안고찰 Investigation on the Preventative Maintenance Schemes for the Dissimilar Metal Welds of Components in Nuclear Reactor Coolant System Jong-Sung Kim 1.

1 특집 : 용접강도관련연구의최근동향 원자로냉각재계통내기기의이종금속용접부에대한예방정비방안고찰 Investigation on the Preventative Maintenance Schemes for the Dissimilar Metal Welds of Components in Nuclear Reactor Coolant System Jong-Sung Kim 1. 서론 응력부식균열 이발 생하기위한필요조건은세가지주요인자들 인장응력 민감한재질 부식환경 이동시에만족하는경우이다 이러한조건은가압경수로 관 통노즐용접부 가압기분무노즐 안전단용접부등과 같은 원자로냉각재계통내기기들의 계열이종금속용접부에존재한다 이러한이종 금속용접부는 에민감한 계열재질로 제작되어있고용접후열처리미실시에따라인장잔류 응력이발생할뿐만아니라고온고압수화학부식환경 하에서운전되고있으므로상기필요조건을만족한다 이러한특성에기인하여일차수응력부식균열 의발생 잠재성이높을뿐만아니라실제 몇몇이종금속용접 부에서 들이발생되고있다 국내의경우에도 최근증기발생기저온수실배수노즐이종금속용접부 와원자로상부헤드배기관노즐이종금속 그루브 용접부 에서 가발생하였다 해외의경우 발생과관련된주요인자를선제적 으로처리하여 를예방하는 등의정비방안이개발적용되 었다 국내에서도고리 호기가압기노즐들의이종금 속용접부들에대해 을적용하였다 현재고리 호기가압기노즐들의이종금속용접부들에대해 을적용중에있으며향후다른원전들에대해서도확 대적용을검토하고있다 국내가동원전의열화추세와해외의사례를보았을때보다다양한이종금속용접부에서 의발생이예상되며예방정비방안별특성및적용상장단점이있다 따라서국내가동원전의건전성유지와계속운전의성공을위해서는다양한이종금속용접부별최적의예방정비방안을선정하는것이필요하다 따라서본논문의목적은 발생을선제적인측면에서발생억제하는예방정비방안들을고찰하는데있다 특히 각방안별작용기구 특성및장단점을제시하여향후적용될수있는다양한이종금속용접부들에대해최적의예방정비방안을결정할때유용한참고지침을제시하고자한다 2. PWR 이종금속용접부 은국내표준형원자로냉각재계통 계열이종금속용접부의위치를나타내고있다

a b Alloy 600 nozzle a. Too Location of axial cracking Alloy 182 buttering Stainless steel clad b. O.D.

위치에오목한형상을발생시키며결국배관원주에상응하는감소를야기시킨다 장비를제거하자마자 용접부의축방향응력은개략적으로두께의반만압축인상태로 원환응력은거의모든두께에걸쳐압축인상태로남게된다 가 원자로출구노즐이종금속용접부에대한

2 a b Alloy 600 nozzle a. Too Location of axial cracking Alloy 182 buttering Stainless steel clad b. O.D. I.D. Applied pressure contracted ring CRDM Thermal sleeve Alloy 82 partial penetration weld c. Radial contraction Δ Plastic zone Concave axial profile P K= I P SA508 C1.2 (Nozzle) 309L Stainless steel clad Alloy 182 buttering 304 Stainless steel pipe (or safe end) 위치에오목한형상을발생시키며결국배관원주에상응하는감소를야기시킨다 장비를제거하자마자 용접부의축방향응력은개략적으로두께의반만압축인상태로 원환응력은거의모든두께에걸쳐압축인상태로남게된다 가 원자로출구노즐이종금속용접부에대한 의유용성을유한요소해석을통해입증한결과를 에제시하였다 여기서빨간색은인장을 파란색은압축을의미한다 는대표적인이종금속용접부의형상을보여주고있다 에서보이는바와같이원자로냉각재계통이종금속용접부는 그루브용접부와맞대기용접부로크게구분할수있다 3. MSIP 는비등경수로 원전기기의용접부에발생한 을예방하기위해개발된기술로서 의원자로냉각재계통기기의 계열이종금속용접부에확대적용되어졌다 에서개발특허등록한기술로서기본개념은 에개략적으로제시된다 원주방향용접부근처에직접적으로배관을국부적으로압축하는데간단한유압작동클램프장비를이용한다 장비에의한영구적인압축은용접부

원자로냉각재계통내기기의이종금속용접부에대한예방정비방안고찰 상태에서내면에인장응력이작용하였으나 작용이후정상운전동안에도내면에압축응력이작용함을알수있다 원전에대해서는 에의해서 년 원자로출구노즐이종금속용접부에적용한이래 원자로노즐 호기원자로노즐및

인성을저하시키므로 수행에따른추가적인재료물성평가가요구되는단점이있다 따라서주로형상이단순한대구경노즐의이종금속용접부에적용되고있다 소시키고압축응력화시킨다 의지원을받아 가가압기노즐에대한 의유용성을유한요소해석을통해평가한결과를 에나타내고있다

방법과자동용접기설치가용이하며내표면에신뢰성높은압축응력을발생시켜영구적으로 문제를제거시키는장점이있다 이전및이후에검사 설계변경사항평가등수행할절차가복잡하며 실시를위한별도의용접장비를개발하여야하는단점이있다 또한 용접하는데상당한시간이소요되므로 피폭량도증가 최근에 4.

3 원자로냉각재계통내기기의이종금속용접부에대한예방정비방안고찰 상태에서내면에인장응력이작용하였으나 작용이후정상운전동안에도내면에압축응력이작용함을알수있다 원전에대해서는 에의해서 년 원자로출구노즐이종금속용접부에적용한이래 원자로노즐 호기원자로노즐및 원자로노즐이종금속용접부에적용되어왔다 는 호기원자로노즐이종금속용접부에 를적용하는모습을보여주고있다 는간단한장비만으로단시간내에간단히효과적으로잔류응력을이완시켜압축응력화하는장점이있다 전체적인형상 영구소성변형을야기시킬뿐만아니라소성변형에따른탄소강 저합금강모재부의연성 인성을저하시키므로 수행에따른추가적인재료물성평가가요구되는단점이있다 따라서주로형상이단순한대구경노즐의이종금속용접부에적용되고있다 소시키고압축응력화시킨다 의지원을받아 가가압기노즐에대한 의유용성을유한요소해석을통해평가한결과를 에나타내고있다 적용에따라내면쪽잔류응력이축방향 원환모두상당히저감하여압축응력이작용함을알수있다 은 년 월기준으로 년동안 에 여번이상 가압기노즐에 번이상적용되었다 은전형적인 적용모습을보여주고있다 은전체적인형상 소성변형을야기시키지않고용접시 방법과자동용접기설치가용이하며내표면에신뢰성높은압축응력을발생시켜영구적으로 문제를제거시키는장점이있다 이전및이후에검사 설계변경사항평가등수행할절차가복잡하며 실시를위한별도의용접장비를개발하여야하는단점이있다 또한 용접하는데상당한시간이소요되므로 피폭량도증가 최근에 4. PWOL 은 년대미국내 원전에서결함을가지는배관용접부를잠정적으로보수하는방법으로처음사용된이래 의안전 등급기기의 계열이종금속용접부에확대적용되어졌다 은이종금속용접부에 을사용하여 에의한균열을보수하거나예방하는방법을제시한다 은 발생을가정한이종금속용접부외면에선제적으로 를실시하는것으로외부에 용접된용착부는응고되면서수축된다 이러한수축은용접부내면의인장잔류응력을감

Traveling LSP Pressure Plastic Deformation Elastic Deformation Step Ⅰ Under Compression Under Tension Step Ⅲ 용접두께를최적화하여용접하는기법 을개 발적용하려는시도가있다 따라서 은대구경 노즐의이종금속용접부보다는주로가압기노즐이종 금속용접부와같은상대적으로작은구경노즐의이종

4 Traveling LSP Pressure Plastic Deformation Elastic Deformation Step Ⅰ Under Compression Under Tension Step Ⅲ 용접두께를최적화하여용접하는기법 을개 발적용하려는시도가있다 따라서 은대구경 노즐의이종금속용접부보다는주로가압기노즐이종 금속용접부와같은상대적으로작은구경노즐의이종 금속용접부에적용되고있다 5. Laser Peening 년미국의 가충격파를발생시키고금속 재료의소성변형을야기시킬수있는레이저의능력을 첫번째로확인한이래 로 는원전이종금속 용접부의인장잔류응력을이완하여압축응력화시키는 방안및장비를개발하였다 은 에의한압축잔류응력발 생기구를개략적으로보여주고있다 재료표면에 Target Ablation Plasma Inducing Laser Beam Confinement Permanent Deformation Retracts to Original Shape Step Ⅱ Stress Depth Step Ⅳ D Compressive Tensile 매우짧은시간 약 동안고에너지레이저 펄스가가해진다 표면은레이저펄스에의해가열되며 재료표층은 를초과하여기화된다 갑작스러 운고온화는플라즈마를형성시키고가열된플라즈마의 빠른팽창은 크기의매우높은압력충격파를발 생시킨다 플라즈마의고온에의한손상으로부터보호 하기위해표면은불투명하게코팅되거나검은색으로 칠해진다 직접적인 와비교시높은충 격파압력을얻기위해플라즈마를제한하기위한 로서투명한 를사용한다 생한충격압력파는목표물의표층을탄성한도이상으 로팽창시킨다 압력크기에종속적으로 표층아래의 층또한팽창하나탄성한도내에있다 감쇠율에따라 팽창은목표물의깊이에따라줄어든다 특정깊이에서 팽창은탄성적이된다 탄성적으로변형된부분은원래 형상으로복귀하나소성변형된부분은영구적인것이 므로표층은압축응력이작용하고표층아래의층은외 력이작용치않아도인장응력상태를유지한다 Axial residual stress(mpa) Hoop residual stress(mpa) 이 원전가압기안전방출노즐이종금속 용접부에대한 After Inner repair Laser peening 200 Laser peening region Y-Directional distance from point a along inner line (mm) After inner repair Laser peening Laser peening region Y-Directional distance from point a along inner line (mm) 발 의유용성을유한요소 해석을통해예비평가한결과를 에나타내고있 다 에서보이는바와같이 의적용에따라내표면쪽의잔류응력이축방향및원

원자로냉각재계통내기기의이종금속용접부에대한예방정비방안고찰 Water nozzle Plastic deformation caused by cavitation impact cavitation impact swirl water jet including cavitation Plastic stain caused by cavitation impact material

5 원자로냉각재계통내기기의이종금속용접부에대한예방정비방안고찰 Water nozzle Plastic deformation caused by cavitation impact cavitation impact swirl water jet including cavitation Plastic stain caused by cavitation impact material material 환모두상당히저감하는것을알수있다 는 년 용접부에대해 을처음적용한이래비등경수로용접부에대해총 번의수행사례가있다 또한 년 원자로 노즐이종금속 그루브용접부에대해처음적용한이래 용접부에대해총 번의적용사례를확인할수있다 은 에서 을 원자로 노즐이종금속 그루브용접부에적용하는모습을보여주고있다 은전체적인형상 소성변형과야금학적조직변화를야기시키지않으며내표면근처에만압축응력을발생시키는장점이있다 유연한광학 전달시스템을사용하므로 그루브용접부와같이복잡한용접부에도적용할수있다 진동을발생시키지않으며육안으로용이하게 처리된영역을확인할수있다 최근에는 주사이전 이후에어떠한표면처리도요구치않는다 그러나 고에너지 를발생시키기위한고가의장비가필요하며 를목표용접부까지전달시키기위한복잡한장비를개발하여야하는단점이있다 가압기밀림노즐이종금속용접부에적용하려는시도도있었으나주로일본에서 노즐이종금속 그루브용접부에적용하고있다 6. Water Jet Peening 은의료 공학및상업적용도로폭넓게이용되고있는 의확장된기술의하나로서 와 중공업은원전용접부의 를예방하는데적용할수있는 기술과장비를개발하였다 은 에의한압축잔류응력발생기구를개략적으로보여주고있다 매우고압 Residual stress(mpa) Initial value : radial stress Initial value : circumference stress After WJP : radial stress After WJP : circumference stress Circumference point 의물이 노즐을통해뿌려질때 고속의 는 을발생시킨다 내 은순간적으로붕괴되고그때강렬 한압력파 약 가발생된다 과정은 과동일하다 그이후의 중공업이 원자로하부헤드 이종금속 그루브용접부에대한 의유용성을실험을통해측정한결과를 에나 타내고있다 의적용에따라 용접부표면의반경방향 원환잔류응력이모두저감되 어압축응력화된다 은 에적용할수있는이종금속용접부 부위들을보여주고있다 즉 은원자로입출구노즐안전단 배관이종금속용접부 원자로하부헤드 이종금속 그루브용접부 노즐표면 원자로안전주입노즐안전단 배관이종금 속용접부에적용할수있다 주로일본에서소구경노 즐의제작및보수시적용하고있다 은전체적인형상 소성변형과

Heating coil Circumferential weld Cooling water electricity source for induction heating [Under heating] Outer surface-σy High Compression

그루브용접부와같이복잡한용접부에도적용할수있으며처리를위해물만을이용하기때문에어떠한이물질도전달되지않으며어떠한열영향도없다 그러나 을발생시키기위한복잡한장비의개발하여야하며 발생및붕괴제어가용이하지않다는단점이있다 7.

가열과동시에용접부내면을물로냉각함으로써배관벽을통해큰온도차이가발생한다 이러한상태에서외면은압축항복상태이며내면은인장항복상태이다 가열이정지될때 내면냉각은계속됨 온도차이는적어지며가열과정에서발생한외표면상의응력은인장으로변화한다 내면의응력은압축잔류응력으로변화된다 등이 원전스테인리스강배관

Outer surface Tensile Stress(MPa) Inner surface Compression 400 200 0 200 400 Stress distribution Tensile Balanced position Tensile Compression

6 Heating coil Circumferential weld Cooling water electricity source for induction heating [Under heating] Outer surface-σy High Compression 야금학적조직변화를야기시키지않으며내표면근처에만압축응력을발생시키는장점이있다 한번의패스만으로폭넓고깊은영역에위치한재료표면상의잔류응력을향상시킬수있다 또한적용조건범위가넓으므로 그루브용접부와같이복잡한용접부에도적용할수있으며처리를위해물만을이용하기때문에어떠한이물질도전달되지않으며어떠한열영향도없다 그러나 을발생시키기위한복잡한장비의개발하여야하며 발생및붕괴제어가용이하지않다는단점이있다 7. IHSI 는 년대일본에서 등의협동연구를통해 루프순환배관의용접부에서발견되는 의발생을예방하기위해개발되었으나아직까지 에는적용되지않고있다 는 에의한압축잔류응력발생기구를개략적으로보여주고있다 고주파유도가열법에의한외면의특정온도 가열과동시에용접부내면을물로냉각함으로써배관벽을통해큰온도차이가발생한다 이러한상태에서외면은압축항복상태이며내면은인장항복상태이다 가열이정지될때 내면냉각은계속됨 온도차이는적어지며가열과정에서발생한외표면상의응력은인장으로변화한다 내면의응력은압축잔류응력으로변화된다 등이 원전스테인리스강배관 맞대기용접부에대한 의유용성을절단법을통해내표면잔류응력을측정한결과를 에나타내고있다 에서보이는바와같이 의적용에따라용접열영향부의내표면잔류응력은상당히저감되어압축응력화됨을알수있다 inner surface +σy σy : Yielding Stress [After cooling] Outer surface Tensile Stress(MPa) Inner surface Compression Stress distribution Tensile Balanced position Tensile Compression Deformation Low T T=0 Temperature distribution L(mm) HF - 0 (θ=180 ) 는용접부근처내면쪽의잔류응력을효과적으 로완화시키며운전중내부의냉각재를배수하지않고 도수행할수있는장점이있다 외면에열을가함으로 써온도제어실패시오스테나이트스테인리스강과니 켈기합금등내식성재료의야금학적조직변화를야 기시킬수있는단점이있다 루프순환배관과같은스테인리스 강배관과노즐 안전단용접부에적용 되나일부 원전 호기 의 L θ 시행용접부에서 발생사례가있어 의승인을받지못 한상태이며아직까지 에는적용하지않고있다

7 원자로냉각재계통내기기의이종금속용접부에대한예방정비방안고찰 8. Inlay/Onlay Welding 앞에서설명한예방정비방안들은원자로냉각재와 접하는내표면의인장잔류응력을압축응력으로변화시 켜 발생을예방하는방안들이다 이에반하 여 은 발생의세가지주 요인자들중또다른하나인 DMW Alloy 82/182 Nozzle SA-508, Cl2 민감재료를 저항성이우수한재료로대체시키는방안이 다 즉 에민감한모재 및용접금 속 를 저항성이월등히우수한 계열용접금속 으로대체 용접하거나덮어서용접하여 에민감한 계열합금을부식환경으로부터차단하는방안이 다 과 의차이는기존 모재와용접금속의제거여부이다 기존모재와용접금 속을일부제거한후 또는 을용접하면 이며제거하지않고용접하면 이다 은 과 방안 을도식적으로설명하고있다 와 중공업에서적용방안및장 치를개발하여각각스웨덴 원전원자로노 즐용접부와일본 호기원자로입출구노즐용접 부에 을수행하였다 원자로 가압기등용기에물이채워진상태에서도적용이가능하며템퍼비드용접과동일한효과를가져다줄수있다 용접전후검사 설계변경사항검토등수행할절차가복잡하며용접실시를위한별도의용접장비를개발하여야하는단점이있다 또한내면용접을수행하여발생할수있는내면의인장잔류응력은 이외의다른원인으로균열이발생한다면균열진전력의하나로작용할수있다 내면에서모든처리과정이이루어지는 방안특성상대구경의원자로입출구이종금속용접부에주로이용될것으로예상된다 9. 결론 국내가동원전의원자로냉각재계통 계열이종금속용접부에대한 발생을사전에대비하여예상가능한예방정비방안들을검토한결과 다음과같은결론을얻었다 및 는원자로냉각재와접하는내표면의인장잔류응력을압축응력화시켜 발생을예방함 는원자로냉각재와 계열합금의접촉을차단하여 발생을예방함 과 은기계적응력 압력 에의해잔류응력을압축응력화시키며 과 은열적구배에의해잔류응력을압축응력화시킴 참고문헌 Safe end cladding type 312L Cladding Er308L Safe end SA-182, GR F316 Nozzle forging A-508 CL.2 Buffer layer ER308L Inlay Alloy 52M Weld/butter alloy 82/182 Weld onlay alloy 52M Buffer layer ER308L Cladding type 308, 309 and 312 Safe-end SA-336 GR. F8M

8 년생 순천대학교기계우주항공공학부 용접부손상평가 구조해석 피로파괴

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DBPIA-NURIMEDIA 32 연구논문 보수용접에따른이종금속용접부의잔류응력해석 이승건 *, 진태은 * 강성식 ** 권동일 *** * 한국전력기술 ( 주 ) ** 한국원자력안전기술원 *** 서울대학교재료공학부 Residual Stress Analysis for Repair Welding in Dissimilar Metal Weld Seung Gun Lee*,, Tae Eun Jin*,