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*, Sung Sik Kang** and Dongil Kwon*** Corresponding author : gun@kopec.co.kr *Korea Power Engineering Company, inc., Yongin 446-713, Korea **Korea Institute of Nuclear Safety, Daejon 35-338, Korea ***Seoul National University, Seoul 151-742, Korea (Received November 28, 28 ; Revised March 11, 29 ; Accepted July 13, 29) Abstract Alloy 6 and Alloy 82/182 materials have been used widely in PWR plants. But these materials are known to be susceptible to PWSCC(Primary Water Stress Corrosion Cracking). Recently, there have been several PWSCC events in major components due to repair welding, because repair welding in the dissimilar metal welds during the construction increases residual stress significantly on the inner surface of welds. In this paper, various residual stress analyses for repair welding were performed using FEM to check the effect of repair welding on residual stress distributions in PZR safety/relief nozzle. The results indicate that for inside surface repair welding, high tensile residual stress is developed on the inside surface of the nozzles. Key Words : Dissimilar metal weld, PWSCC, Crack, Residual stress, Repair welding 1. 서론 Alloy 82/182와같은니켈합금용접재료는원자력발전소내의가압기 (pressurizer) 노즐 (nozzle) 등의저합금강 (low alloy steel) 기기와스테인리스강 (stainless steel) 안전단및배관을연결할때널리사용되고있다. 그러나최근미국 Wolf Creek 원전의가압기노즐이종금속용접부 (dissimilar metal weld) 에서균열이발생하는등 Alloy 82/182에서일차수응력부식균열 (PWSCC) 에의한균열손상이다수보고되고있는상황이다 1). 이는가압기노즐제작시수행된보수용접으로인해높은인장잔류응력이유체와접하는노즐내면에형성되었기때문인것으로밝혀졌다. 본논문에서는유한요소해석을통해가압기노즐이종금속용접부의초기잔류응력상 태를예측하였고, 보수용접을고려하였을경우잔류응력분포가어떻게변화하는지를검토하였다. 또한보수용접으로인해형성된용접잔류응력이균열거동에미치는영향을검토하기위해산업계기술기준에따라균열평가를수행하였다. 2. 유한요소해석 2.1 용접과정을고려한잔류응력해석 Fig. 1은웨스팅하우스형가압기안전 / 방출노즐의형상및부위별사용재질을나타낸것이다. 가압기노즐각부위별재질을살펴보면노즐은 SA58 Gr.3, Cl.1, 노즐버터링- 안전단의이종용접부는 Alloy 82/ 182, 안전단은 SA182 F316, 안전단- 배관의동종용접부는 376 Journal of KWJS, Vol. 27, No. 4, August, 29
보수용접에따른이종금속용접부의잔류응력해석 33 Safety/Relief Nozzle Safe Safe end end (SS316L) (SS316L) Cladding (SS316L) Fig. 1 PZR safety/relief nozzle(westinghouse type) Piping (SS316) Weld (SS316L) Weld (Inconel) Buttering (Inconel) Nozzle (SA58 Gr.3 Cl.1) ER316L, 배관은 SA376 TP316이사용되었다. 용접부잔류응력은열해석 (transient thermal analysis) 을수행하여얻은시간에따른온도결과를바탕으로응력해석을수행하여계산할수있다. 용접잔류응력해석을위한모델링작업은상용유한요소모델소프트웨어인 PATRAN 2) 을사용하였고, 상용유한요소해석소프트웨어인 ABAQUS 3) 를이용하여열및응력해석을수행하였다. Fig. 2는용접잔류응력해석시사용한유한요소모델로이종금속용접부는 11개의 lumped 비드로동종금속용접부는 9개의 lumped 비드로구성되어있다. 해석시에는 8절점축대칭 (8-node axisymmetric element) 요소인 DCAX8 ( 열해석 ) 과 DAX8R( 응력해석 ) 을사용하였다. 용접비드가순차적으로용착되는실제용접과정을모사하기위해 ABAQUS에서제공하는 Model change 기법을사용하였다. 이때해석시간의단축을위해 lumped bead 방법을사용하였다 4). 용접비드의적층순서는이종금속용접시에는노즐에서안전단 (safe end) 방향으로용접되도록적층순서를정하였고, 동종금속용접시에는배관에서안전단 (safe end) 방향으로용접되도록하였다. 보수적인결과를얻을수있도록 Isotropic Hardening 구성방정식을적용하였고, 용접시금속이용융될때발생되 는응력풀림 (annealing) 현상도고려하였다. 모든용접시노즐의끝단만반경방향으로움직일수있도록구속조건을설정하였고나머지부분은모두자유조건으로구속조건을설정하였다. 해석에사용된재료물성치는 ASME Code, Sec. II, Part D에제시된온도에따른값들을사용하였다. 보수용접은이종금속용접과정이종료된후보수용접에해당되는부위의요소를제거시킨후, 해당부위에신규비드가부착되도록설정하여수행하였다. 이때 Fig. 3과같이보수용접위치를이종금속용접부내면과외면 (3가지서로다른위치 ) 으로구분하여용접잔류응력해석을수행하였다. 이종금속용접부내면잔류응력해석의경우총 4개 lumped 비드로구성하였고, 이종금속용접부외면잔류응력해석의경우에도총 4개의 lumped 비드로구성하였다. 2.2 용접잔류응력을고려한균열평가용접으로인해발생되는용접잔류응력이 PWSCC 균열성장에미치는영향을확인하기위해 ASME, Sec. XI, App. A 5) 및 EPRI MRP 보고서 6) 에제시된평가방법론을적용하여균열평가를수행하였다. 이를위해서균열이없는이종금속용접부의잔류응력분포로부터식 (1) 과 (2) 에따라응력확대계수를계산하였다. (1) Piping Similar Weld 4 2 1 3 5 8 6 9 7 (a) inside repair (b) outside repair1 Safe end Dissimilar Weld 1 Buttering 3 2 5 8 7 4 6 11 1 9 Fig. 2 Axisymmetric finite element model (c) outside repair2 (d) outside repair3 Fig. 3 Repair welding locations in dissimilar metal weld 大韓熔接 接合學會誌第 27 卷第 4 號, 29 年 8 月 377
34 이승건 진태은 강성식 권동일 (2) 여기서 a 는균열깊이, l 은균열길이, G, G 1, G 2, G 3 은 ASME, Sec. XI, App. A, Table A-332-1 에제시된 계수이며, A, A 1, A 2, A 3 은균열이없는가압기노즐에 작용하는응력분포를 Polynomial Fit 을통해계산된상 수이다. 이때 PWSCC 균열성장거동을확인하기위하여 EPRI MRP 보고서 [6] 에제시된식 (3) 을적용하였다. (3) 균열평가시사용된균열길이에대한균열깊이의 비인균열형상비 (a/l) 는균열크기증가시에도 1/6 으로 일정하게유지된다고가정하였다. Fig. 4 는균열을고려한유한요소모델로균열길이는 두께의 25%, 37%, 5%, 62%, 75% 로설정하였고용접 잔류응력을고려하여균열거동을평가하는데사용되었다. 3. 해석결과 3.1 용접잔류응력해석결과 Fig. 5는해석결과데이터를취득하기위해설정한 path 위치를제시한것으로 path 1은이종금속용접부내면을따르는선이며, path 2는이종금속용접부중앙을따르는선이다. Fig. 6과 Fig. 7은내면보수용접전, 후 path 1 및 path 2에서의잔류응력분포결과를제시한것이다. Safe End Path 2 Buttering Path 1 Fig. 5 Data acquisition line (path1, path2) Fig. 6에서보듯이내면에서의축방향응력의경우이종금속용접후 ( 보수용접전 ) 니켈합금용접부에서최대 171MPa 의잔류응력이발생하였으나, 내면보수용접후 461MPa 로잔류응력이증가하였다. 원주방향응력의경우이종금속용접후 ( 보수용접전 ) 니켈합금용접부에서압축잔류응력이발생하였으나내면보수용접후 529MPa 로잔류응력이증가하였다. Fig. 7에서보듯이두께방향으로의잔류응력분포의경우내면보수용접으로인해축방향및원주방향모두노즐내면에서의잔류응력이증가하였으며두께의약 2% 지점부터감소하다가두께의약 4% 지점을지나면서다시증가하는경향을보이고있다. 내면보수용접후용접부위 (weld) 내면의잔류응력이 6 5 4 3 2 1-1 1 2 3 4 5 6-2 -3-4 6 4 (a).25t (b).37t (c).5t 2 1 2 3 4 5 6-2 -4-6 (d).62t (e).75t Fig. 4 Finite element model for crack Fig. 6 Residual stress distributions after inside repair welding(path1) 378 Journal of KWJS, Vol. 27, No. 4, August, 29
보수용접에따른이종금속용접부의잔류응력해석 35 5 Inside surface Outside surface 4 3 2 1-1.2.4.6.8 1-2 -3-4 -5 Thickness ratio 4 3 2 1 1 2 3 4 5 6-1 -2-3 -4 8 6 4 2-2 -4 Fig. 7 Inside surface.2.4.6.8 1 Thickness ratio Outside surface Residual stress distributions after inside repair welding(path2) 2 1 1 2 3 4 5 6-1 -2-3 -4-5 Fig. 8 Residual stress distributions after outside repair1 welding(path1) 증가하는이유는보수용접으로인해굽힘하중에저항하는인장방향의반력이내면에작용하기때문이다. 두께방향으로내면부잔류응력이두께의약 2% 지점까지크게나타나는이유는보수용접영역이전체두께의 2% 정도에해당되기때문이며, 외면으로갈수록보수용접에의한영향이없어지므로보수용접이전의잔류응력상태와동일한거동을보이고있다. Fig. 8~Fig. 1은외면보수용접후잔류응력결과를제시한것으로, 외면보수용접 1의경우니켈합금용접부에서최대축방향응력은 192 MPa에서 34 MPa로증가하였고, 최대원주방향응력은 -317MPa 에서 55MPa 로증가하였다. 이는외면보수용접시에도굽힘하중에저항하는인장방향의반력을용접부위 (weld) 내면에형성시키기때문이다. 외면보수용접 2도 1과유사한경향을보이고있으며, 외면보수용접 3도증가되는정도만작을뿐변화되는경향은외면보수용접 1, 2 의결과와동일한경향을보이고있다. 또한그림에서보듯이외면보수용접은내면보수용접에비해보수용접을통해증가되는잔류응력정도가작음을확인할수있다. 4 3 2 1 1 2 3 4 5 6-1 -2-3 -4 2 1 1 2 3 4 5 6-1 -2-3 -4-5 Fig. 9 Residual stress distributions after outside repair2 welding(path1) 大韓熔接 接合學會誌第 27 卷第 4 號, 29 年 8 月 379
36 이승건 진태은 강성식 권동일 3 6 Inside surface Outside surface 2 4 1 1 2 3 4 5 6-1 -2-3 -4 K[MPa(m)^.5] 2.1.2.3.4.5.6.7.8-2 -4-6 -8 Sec.XI() FEM() Sec.XI() FEM() Thickness ratio 2 Fig. 11 Stress intensity factor changes at the deepest point of circumferentail crack 1 1 2 3 4 5 6-1 -2-3 -4-5 (a).25t (b).37t (c).5t Fig. 1 Residual stress distributions after outside repair 3 welding(path1) 3.2 잔류응력을고려한균열평가결과 Fig. 11은내면보수용접전, 후의 path 2에따른축방향잔류응력분포를이용하여 ASME, Sec. XI, App. A에제시된방법론및균열을고려한유한요소해석을통해응력확대계수를계산한결과이다. PWSCC 균열성장정도를설명하는식 (3) 에따르면 PWSCC 균열은응력확대계수가양의값을가질때성장할수있다. 따라서 PWSCC 균열성장관점에서볼때응력확대계수가음의값을갖는영역은균열이성장할수없으므로, 양의응력확대계수를갖는내면 (inside surface) z영역만이관심대상이된다. Fig. 11에서, 양의응력확대계수를갖는내면영역에서두가지방법에따라도출된결과값을비교해보면양의값을갖는범위만다를뿐그경향은유사하다고할수있다. ASME, Sec. XI에따른결과의경우내면보수용접으로인해두께의 3% 까지양의응력확대계수를가지므로이지점까지균열이성장할수있으나, 균열을고려한유한요소해석결과의경우보수용접을통해균열이두께의 4% 까지만성장할수있는것으로확인되었다. Fig. 12는내면보수용접후이종금속용접부중앙에원주방향균열이존재하는경우의응력분포를나타낸 (d).62t (e).75t Fig. 12 Residual stress distributions with crack opening 것이다. Fig. 12에서보듯이균열깊이가증가할수록기존용접잔류응력이재분포되고있으며, 두께의 37% 에해당되는균열깊이에서는균열면이서로맞닿지않으나이보다더큰균열깊이에서는균열면이서로맞닿는거동을보이고있다. 일반적으로 ASME Sec.XI에따른균열평가가보수적인결과를도출한다고알려져있으나, 본연구에서는균열을고려한유한요소해석을통해더욱보수적인결과를도출할수있음을확인할수있었다. 따라서더욱정확한균열평가결과를도출하기위해서는균열성장시발생되는잔류응력의재분포현상을고려할수있는방법을적용하는것이타당할것으로판단된다. 4. 결론 본논문에서는이종금속용접부가포함된가압기안전 / 방출노즐에대하여보수용접이잔류응력에미치는 38 Journal of KWJS, Vol. 27, No. 4, August, 29
보수용접에따른이종금속용접부의잔류응력해석 37 영향을평가하기위해유한요소해석을수행하였으며다음과같은결론을얻었다. 1) 보수용접전축방향잔류응력은 Alloy 82/182가사용된이종금속용접부및버터링부위에서인장상태를보이고있으나, 원주방향잔류응력은이종금속용접부및버터링부위에서압축상태를보이고있다. 2) 보수용접은축방향및원주방향잔류응력을증가시키는경향을보이고있다. 특히이종금속용접부내면의보수용접은축방향및원주방향응력을증가시켰다. 3) 내면보수용접후 ASME Sec.XI에따라응력확대계수를계산한결과두께의 3% 까지균열이성장할수있으나, 균열을모델링한후유한요소해석을통해응력확대계수를계산한결과두께의 4% 까지균열이성장할수있는것으로확인되었다. 응력확대계수를계산한결과두께의 4% 까지균열이성장할수있는것으로확인되었다. 참고문헌 1. EPRI : EPRI PWSCC of Alloy 6 27 International Conference & Exhibition, 27 2. MSC : PATRAN, Ver. 27, (27) 3. HKS : ABAQUS, Ver. 6.8, 28 4. Dong, P. et al. : Residual Stress Analysis of a Multi- pass Girth Weld, ASME PVP, 373 (1988), 421-431 5. ASME Boiler and Pressure Vessel Code Section XI: Rule for Inservice Inspection of Nuclear Power Plant Components, 21 6. EPRI, Material Reliability Program(MRP-115) : Crack Growth Rates for Evaluating PWSCC of Alloy 82, 182 and 132 Welds, 24 大韓熔接 接合學會誌第 27 卷第 4 號, 29 年 8 月 381