스테인레스강용접부의입열량에따른미세균열평가 2007 년 4 월 5 일
목 차 1. 시험개요 2. 시험조건 3. 시험평가 4. 시험결과및고찰 5. 특수시험 (70kJ/in) 고찰및결과 6. 결론 첨부 : 1. 원자로내부구조물의용접절차사양서 (WPS)--------- 1 매 1
1. 시험개요 내용 적용부위 신고리1,2 및신월성1,2 원자로내부구조물 (RVI) 및제어봉구동장치 (CEDM) 의주요자재인오스테나이트스테인레스강 (SA240 TP304L) 의용접부 시험개요 예비안전분석보고서 (PSAR) 상의인허가요건으로선행호기부터거론되고있는오스테나이트계스테인레스강용접부미세균열 (Micro Fissure) 예방조치사항과관련용접입열량적정성을확인하기위해용접입열량 40kJ/in - 60kJ/in 범위에서시험을수행함. 적용현황 용접입열량 60kJ/in 적용현황 - 영광 3,4호기, 영광 5,6호기 - 울진 3,4호기, 울진 5,6호기 - KEDO - 신고리1,2 및신월성 1,2 ( 제작진행중 ) 2
2. 시험조건 구 분 적용현황 내용비고 모 재 18%Cr-8%Ni 의 A240 Type304(C:0.08%) 적용 보수적인시험조건을위해탄소함유량이높은조건적용 RVI & CEDM: C:Max.0.03% 원자력용가재의규격적용 실제작적용용가재적용 * 델타페라이트함량 용가재 -ASME Sect.II Part C SFA5.4 E308L-16 -E308L-16: 수동용접봉 -E308L-16:9FN -ASME Sect.II Part C SFA5.9 ER308L -ER308L : GTAW 및 SAW -ER308L:9~11FN 용접방법 수동아크용접 (SMAW) 가스텅스텐아크용접 (GTAW) 실제작용접프로세스적용 자동아크용접 (SAW) 모재두께 25.4mm ( 수동용접 ) 40.5mm ( 가스텅스텐용접 ) 76.2mm ( 자동용접 ) 실제작의범용적모재두께적용 그림 2 참조 용접입열량 40kJ/in ( 규제기관요청사항 ) 60kJ/in ( 선행호기적용최대용접입열량 ) 규제기관과실제생산적용최대용접입열량조건채택 용접조인트 한쪽면완전용접이음부형태 (V-Groove) 배관용접부고려 ( 개선각 : 60 ) 그림 3 참조 용접변수 예열, 패스간온도, 열처리, 가스등 실제작과동일조건적용 3
2. 시험조건 ( 계속 ) Material C Cr Ni FN Welding Process Heat Input Thickness (Base Metal) Filler Metal Base Metal E308L-16 (SMAW) 0.08 0.029 18.0~ 20.0 19.30 8.0~ 10.5 9.54-9.05 SMAW GTAW 40kJ/in 60kJ/in 40kJ/in 25.4mm 25.4mm 40.5mm ER308L (GTAW) ER308L (SAW) 0.02 0.02 19.68 20.2 9.72 10.4 11.9 8.9 SAW 60kJ/in 40kJ/in 60kJ/in 40,5mm 76.2mm 76.2mm 그림 1 모재및용가재의화학조성 60 그림 2 용접방법, 입열량및두께조건 Unit : mm T 150 Root gap : 3 150 그림 3 용접조인트형상 4
3. 시험평가 구 분 적용현황 내용비고 비파괴검사 PT( 액체침투탐상검사 )/UT( 초음파탐상검사 ) RT( 방사선투과검사 ) 실제작용접부의적용비파괴검사로내부균열유무확인 고온균열발생유무확인방법 화학성분 오스테나이트스테인레스강의주요화학성분 (Cr, Ni,C, Mo 등총17종분석 ) 용접부의화학원소확인 페라이트함량측정 입열량변화에따른델타페라이트함량변화측정을위한페라이트측정기이용 (Ferrite Scope) 용접부의 FN 범위만족여부확인 (5 ~ 18FN) 조직관찰 거시 (Macro) 및미시 (Micro) 조직검사 -용접부, 열영향부및모재의 3 영역 금속야금학적분석을통한조직변화관찰 고온균열발생유무확인방법 경도시험 하중 100 kgf의 HRB 경도시험 -용접중심부, 용접부의아래및위표면으로부터 2mm지점의 3 영역 용접부의경화및경도분포 확인 굽힘시험 용접부의측면굽힘시험적용 -종류 : Guided Side Bend Test -규격 : ASME Sect. IX 용접부의내부결함및건전성확인 고온균열발생유무확인방법 입계부식 입계예민화를확인하기위한시험 -규격 : ASTM A262 Practice A & E 결정입계예민화확인용부식시험 5
4. 시험결과및고찰 구 분 시험결과 고찰사항비고 비파괴검사 최대용접입열량 40kJ/in 및 60kJ/in 용접부 - PT, UT & RT : 용접결함없음 입열량의변화는용접부의균열및결함영향없음. 입열량영향없음 화학성분 ASME Sect. II Part C SFA 5.4 & 5.9의화학요건및성분만족함 용접부의전형적인오스테나이트스테인레스강확인 입열량영향없음 수동용접방법대비가스텅스텐및자동용접 페라이트함량측정 방법의함량다소높음. -수동 SMAW : 7.3 FN 용접부의 FN 범위만족여부확인 (5 ~ 18FN) 입열량영향없음 -GTAW & SAW : 10.5 FN 거시 (Macro) 조직검사 입열량의증가에따른패스수 입열량변화고온 - 수동용접부 : 입열량증가 패스수감소 변화관찰확인 균열영향없음 -GTAW & SAW : 입열량증가 변화없음 용접부의조직건전성확인 ( 그림 7 참조 ) 조직관찰 입열량의변화에따른상변태 미시 (Micro) 조직검사 가발생되지않음 입열량영향없음 - 초정 δ Ferrite 로응고하는 FA 모드 열영향부와모재의유사한 ( 그림 8 참조 ) 조직 6
4. 시험결과및고찰 ( 계속 ) 구 분 시험결과 고찰사항비고 경도시험 미소경도측정결과뚜렷한경도변화의경향없음. 40kJ/in 와 60kJ/in의측정값유사함에따라경화가능성없음 입열량영향없음 수동,GTAW 및자동 (SAW) 의 60kJ/in : 균열없음 용접결함은고온균열이 고온균열파면과 굽힘시험 자동 (SAW) 의 40kJ/in : 4.5mm 의용접결함발생 아닌용접부의연성부족에 다른형태의균열 (1 차 ) 로추가재현시험 (2 차 ) 을통해굽힘시험 의한파단으로확인 ( 주 1) 확인 (SEM) 결과균열없음을확인함. 입계부식 입계부식을나타내지않으며, 굽힘시험결과균열확인되지않음. -규격 : ASTM A262 Practice A & E 입열량의변화에따른용접부의내식성에영향없음 입열량영향없음 ( 그림 9 참조 ) 주 : 1. 낮은용접입열량 ( 빠른용접속도 ) 에의한용접부의연성부족으로인한파단으로확인 ( 용접속도 : 52 Cm/min 적용 ) 되었으며 ( 그림 5), 추가적인재현시험을통해굽힘시험편 4 개시험결과균열없음을확인함 ( 그림 6 참조 ). 7
4. 시험결과및고찰 ( 계속 ) A B C 그림 4 Typical hot cracking surface of stainless steel by trans-varestraint test A) Cracked at near the liquidus temperature B) Cracked at near the solidus temperature C) Cracked below than solidus temperature 8
4. 시험결과및고찰 ( 계속 ) A B 3 2 4 1 1 mm 1 2 3 4 20µm 그림 5 Crack appearance and fractography of guide bend test specimen. (Welding condition : SMAW+SAW, 76mm t, 35~40kJ/in) A) Appearance of weld metal after guided bending test. B) Fractography (SEM image) of opened crack surface. 1~4) Detail SEM image for each area of Fig.B 9
4. 시험결과및고찰 ( 계속 ) 그림 6 The Transverse Side- Bend Test Results for re-test SAW Process with weld heat input 40kJ/in at 76.2mm 10
4. 시험결과및고찰 ( 계속 ) SMAW-40kJ/in SMAW-60kJ/in SMAW-40kJ/in SMAW-60kJ/in GTAW-40kJ/in GTAW-60kJ/in GTAW-40kJ/in GTAW-60kJ/in SAW-40kJ/in SAW-60kJ/in SAW-40kJ/in SAW-60kJ/in 그림 7 용접부의거시 (Macro) 조직검사 그림 8 용접부의미시 (Micro) 조직검사 11
4. 시험결과및고찰 ( 계속 ) SMAW-40kJ/in SMAW-60kJ/in GTAW-40kJ/in GTAW-60kJ/in SAW-40kJ/in SAW-60kJ/in 그림 9 용접부의결정입계부식검사 12
5. 특수시험 (70kJ/in) 고찰및결과 내용 적용용접방법 피복수동아크용접방법 (SMAW Shielded Metal Arc Welding Process) 타용접 Process(GTAW, SAW 등 ) 는용접특성상볼록한비드형상, 지나치게낮은용접속도로인해용접결함발생가능성으로적용어려움 [ 예 ] SAW 용접방법 : 70 kj/in의경우 - 500Amp x 33Volts x 60 ----------------------------- = 27.5 kj/cm (70 kj/in) 36 Cm/min 평가 : SAW 용접속도는최소 45Cm/Min이상되어야양호한비드와결함예방 시험고찰및 결과 시험조건 : 상기 4의조건과동일하게적용 ( 단, 입열량만변경됨 ) 시험평가 : 상기 4의조건과동일하게평가함 시험결과 - 최대 70kJ/in(27,559 j/cm) 의입열량적용에도고온균열발생치않음. - 입계부식시험 (IGCC Test) 에서용접열영향부 (HAZ) 의 Grain Boundary에서일부 Ditch 형상을가지는 Dual Structure 조직을보이고있으나, 뚜렷한부식경향을나타내고있지않으며, ASTM A262 Practice E의굽힘시험결과어떠한결함도확인되지않았다. ( 그림 8 참조 ) 13
5. 특수시험 (70kJ/in) 고찰및결과 ( 계속 ) 내용 시험고찰및 결과 시험결과 ( 경도시험및굽힘시험 ) - 용접입열량 70kJ/in의조건에서용착금속및용접열영향부경도가용접입열량 40 kj/in 및 60 kj/in보다약간높은경향을보이나, 용접입열량증가에대한경도변화의일관된경향성은보이지않는다. - 굽힘시험 (Guided Side Bend Test) 의결과어떠한균열 (Crack) 도발생되지않았다. 그림 7. 경도시험 ( 용접부중앙 ) 용접방법 용접입열량 용접부 열영향부 모재 (kj/in) (Weld) (HAZ) (Base) SMAW 40 228~237 214~228 156~161 60 230~237 212~218 147~152 70 231~243 223~230 171~177 14
5. 특수시험 (70kJ/in) 고찰및결과 ( 계속 ) 시험고찰및결과 입계부식시험 (IGCC) : 열영향부 SMAW-40kJ/in SMAW-60kJ/in SMAW-70kJ/in 그림 10 열영향부 (HAZ) 의입계부식검사 15
6. 결론 원자력발전소제품제작에전반적으로적용되고있는스테인레스강용접입열량은현재의적용범위인최대 60 kj/in 이내로관리된다면, 본시험의각종비파괴검사 (NDE) 및용접부건전성입증시험등을통해고온균열발생가능성은없는것으로확인되었다. 또한, 참고용으로수행되었고실생산용접조건에다소적용하기어려운고입열조건인 70 kj/in 의용접조건에서도고온균열형태의결함이발생되지않음을비추어볼때, 현재적용상한치인 60 kj/in 의용접입열량적용은타당하리라판단된다. ( 주 1) 주 1. 생산용접은용접절차사양서 (WPS) 에최대용접입열량 60 Kj/in (Max.23,622j/Cm) 이내로표기하여관리함 ( 첨부참조 ) 16
첨부 : 용접절차사양서 (WPS) : 자동 (SAW) 및수동 (SMAW) ----- 예시 EOD 17