원전가압기히터슬리브 J-Groove 이종금속용접부보수를위한용접공정변수최적화에관한연구 조홍석 박익근 정광운 대한용접 접합학회지제 33 권 1 호별책 2015. 2
87 연구논문 ISSN 1225-6153 Online ISSN 2287-8955 원전가압기히터슬리브 J-Groove 이종금속용접부보수를위한용접공정변수최적화에관한연구 조홍석 * 박익근 ** 정광운 ***, * 서울과학기술대학교에너지환경대학원에너지시스템공학과 ** 서울과학기술대학교기계 자동차공학과 *** 한전KPS( 주 ) 기술연구원 A Study on optimization of welding process parameters for J-Groove dissimilar metal weld repair of pressurizer heater sleeve in nuclear power plants Hong Seok Cho*, Ik Keun Park** and Kwang Woon Jung***, *Graduate School of Energy and Environment, Seoul National Univ. of Science & Technology, Seoul 139-743, Korea **Dept. of Mechanical and Automotive Engineering, Seoul National Univ. of Science & Technology, Seoul 139-743, Korea ***Technology Research and Development Institute, KEPCO KPS, Naju 520-350, Korea Corresponding author : jungkw99@kps.co.kr (Received January 20, 2015 ; Accepted February 28, 2015) Abstract This study was performed to develop repair technology for J-Groove dissimilar metal weld of pressurizer heater sleeve in nuclear power plants. Pad, J-Groove automatic welding and mechanical machining equipments to develop repair technology using Half Nozzle Repair were designed and manufactured. To obtain the optimum welding process parameters during Pad temperbead overlay welding, several welding experiments using Taguchi method were conducted. Weldability of Pad overlay weld specimens was estimated by PT/RT test, FE-SEM, EDS and Vickers hardness test. Also, J-Groove welding to adjust weld shape conditions requiring in ASME Code was carried out and its integrity of weld specimens was evaluated through PT/RT test and optical microscope. Consequently, it was revealed that Pad and J-Groove overlay welding for dissimilar metal weld of pressurizer heater sleeve could be possible to meet Code standard without weld defect. Key Words : ASME code, Temperbead welding, J-Groove welding, Half nozzle repair, Vickers hardness 1. 서론 현재국내외에서가동중인원전의원자로상부헤드 CRDM (Control Rod Drive Mechanism) /CEDM (Control Element Drive Mechanism) 소구경관통관, 원자로하부헤드 BMI (Bottom Mounted Instrumentation) 소구경관통관및가압기 (Pressurizer) 하부헤드소구경관통관은저합금강재질의헤드본체와 Alloy 600 (Alloy 82/182) or Alloy 690 계열노즐부사이에 약 13% 22% 의 Cr 함유량을포함하고있는 Alloy 600 재질로 J-Groove 형태의이종금속용접방법으로결합되어있다. 하지만, 이들이종금속용접부에서환경인자, 재료열화인자, 응력인자등의복합적인요인과더불어원전의가동년수증가로인하여 Fig. 1과같이일차수응력부식균열 (PWSCC: Primary Water Stress Corrosion Crack) 과같은결함이발생하고있다 1-6). 특히, 원전가압기소구경관통관이종금속용접부는다수의해외원전에서손상이발생하여 Alloy 600 재질대신에 PWSCC 에보다저항성이높으며약 28% This is an Open-Access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution Non-Commercial License(http://creativecommons.org/licenses/by-nc/3.0) which permits unrestricted non-commercial use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited. Journal of Welding and Joining, Vol.33 No.1(2015) pp87-93 http://dx.doi.org/10.5781/jwj.2015.33.1.87
88 조홍석 박익근 정광운 Weld Alloy 82 Weld Alloy 82 Cladding Alloy 82 Bottom head SA533, Gr BCL 1 Location Outer sleeve of leak Alloy 690 Inter sleeve Alloy 690 Fig. 1 Calvert Cliffs Unit 2 pressurizer heat sleeve assembly configuration and leakage location2) 31% 의 Cr 함유량을포함하고있는 Alloy 690 (Alloy 52M) 재질로의교체와함께일체형덧살붙임용접보수 (Integral Pad Half Nozzle Repair), 노즐내부용접복합덧살붙임용접보수 (Mid-wall Weld Pad Repair) 및기계적노즐밀봉장치 (Mechanical Nozzle Seal Assembly) 등의다양한정비기술을이용하여결함부위에대한보수를수행하였다. 이와같이원전원자로헤드및가압기등과같은 1 등급기기소구경관통관은 PWSCC 에대한결함발생시경제적손실뿐만아니라원전신뢰성에영향을미치기때문에결함부위에대한보수및예방정비기술개발이반드시필요하다. 따라서, 본연구에서는원전가압기히터슬리브 Alloy 600 재질의 J-Groove 이종금속용접부결함부위에대하여 Half Nozzle Repair 기법으로정비하기위하여덧살붙임 (Pad)/J-Groove 자동용접장비설계, 제작및최적용접공정개발을위한용접시편제작과용접성품질및건전성평가를수행하였다. 본연구에서는원전가압기히터슬리브소구경관통관 Alloy 600 재질의 J-Groove 이종금속용접부결함부위에대한정비방법으로 Half Nozzle Repair 에대한실험적연구를수행하였다. 이기술의주요과정은 Fig. 2와같이히터슬리브가압기하부모재가까운위치까지절단및보링가공후배관모재와동일재료로플러깅하여밀폐시킨다. Pad 오버레이용접의경우, 용접부형상설계조건에서요구하는초층에서세번째층까지는 ASME Code Case N- 638-1 7) 요건인최대층간온도 (350 F) 및용접입열량 (Max. 45 KJ/in) 을충족시키면서 Alloy 690 용가재로용접절차서인정시적용한기계 GTAW 템퍼비드용접공정변수를이용하여오버레이용접을수행하여후속층을용착한다. J-Groove 오버레이용접의경우, 용접부형상설계에서요구하는조건에맞게 J- Groove 가공한후, Alloy 690 재질의새로운노즐을삽입하여 Alloy 690 용가재로용접절차서인정시사용된용접공정변수를적용하여오버레이용접을수행한다. Fig. 3(a) 와 3(b) 는본연구에서사용한 Pad 와 J- Groove 자동용접장비이다. Pad 오버레이용접중템퍼비드용접의경우, 단층용접 (single pass welding) 시 ASME Code 요건을충족하는최적용접공정변수 ( 용접전류 / 전압, 용접속도, 용가재송급속도 ) 를정량적으로도출하기위하여실험계획법중하나인다구찌기법 (Taguchi method) 을이용하여 Melt run 용접실험을수행하였으며, 각용접조건별용접결함유무, 절단면용접부경도및미세조직관찰을통해용접성을평 2. 실험재료및실험방법 2.1 사용재료 본연구에서사용한재료는가압기헤드원재료인 SA508 저합금강대신 A285 일반구조용강재질의 Pad 및 J-Groove 용접시편과 Alloy 690(Alloy 52M) 재질의용가재이며, Table 1은각재료별화학성분을나타낸다. 2.2 실험방법 (a) Before machining (b) Cutting (c) Plugging (d) Boring after PAD overlay welding (e) J-Groove welding after nozzle fitting Fig. 2 Welding procedures of Half Nozzle Repair Table 1 Chemical compositions of weld specimen and filler wire used C Mn Fe P S Si Cu Ni Ti Cr Ta Mo Al A285 - - Bal. 0.05 0.05 - Alloy 52M 0.04 1.0 7 11 0.02 0.015 0.5 0.5 Bal. 1.0 28 31.5 0.1 0.5 1.1 88 Journal of Welding and Joining, Vol. 33, No. 1, 2015
원전가압기히터슬리브 J-Groove 이종금속용접부보수를위한용접공정변수최적화에관한연구 89 Table 2 Factors and levels used Factors Welding current(a), P1 Welding speed (cm/min), P2 Wire feeding speed(cm/min), P3 Gas flow rate(l/min), P4 Level 1 2 3 180/100 205/115 230/130 10.5 11.5 12.5 188 208 227 38 38 38 (a) Pad (b) J-Groove Fig. 3 Automatic welding machines 가하였고, 또한용접입열량과희석률간의상관관계를분석하였다. 앞에서도출된최적용접공정변수를적용하여초층에서세번째층까지템퍼비드용접후실제템퍼링효과를얻을수있는지확인하기위하여후속층까지오버레이용접을한용접시편과단층용접을한용접시편에대하여용접품질을비교분석하였다. 용접시편의용접부표면과용착금속내균열과같은결함유무를확인하기위하여액체침투탐상검사 (PT) 와방사선투과검사 (RT) 를수행하였다. Pad 오버레이용접시편의절단면용접열영향부에대한비커스경도측정, FE- SEM 을통한미세조직관찰그리고용착금속부의 Cr 함유량을확인하기위한 EDS 분석을수행하였다. J-Groove 용접의경우, 용접절차서인정시적용된용접공정변수를이용하여 Fig. 3(b) 의용접장비를이용하여정방향 / 역방향순으로 180 씩회전이동하면서용접을수행하고용접부에대한품질을평가하였다. 3. 다구찌기법을이용한단층용접결과 단층용접실험은 Table 2에서나타낸것과같이 4개의제어인자와용접공정변수조건별사용범위는 3개의수준으로정하였고, Table 3의 L 9 (3 4 ) 의직교배열표를이용하여용접공정변수를변화시키면서 Melt run 용접실험을수행하였다. Fig. 4는각용접실험조건별로얻은용접품질결과로, 용접비드폭 (Bead width, BW), 적층높이 (Deposited height, H), 용입깊이 (Penetration depth, PD) 를측정하여용접품질을평가하였다. 평가결과, 용접전류가증가할수록용접비드폭과용입깊이는증가하였고, 용접속도가증가할수록용입깊이는큰변화가없었으나, 적층높이는감소하는것으로나타났다. 절단면에서의정량적인용접품질평가 Table 3 L9(3 4 ) orthogonal array Exp. No. Number of Parameters(P) P1 P2 P3 P4 1 1 1 1 1 2 1 2 2 2 3 1 3 3 3 4 2 1 2 3 5 2 2 3 1 6 2 3 1 2 7 3 1 3 2 8 3 2 1 3 9 3 3 2 1 결과, 용접비드폭은최소 7.37 mm에서최대 10.16 mm, 적층높이는최소 1.27 mm 에서최대 1.67 mm, 용입깊이는최소 0.44 mm에서최대 1.1 mm 이내범위정도에있음을확인하였다. 또한, 전체용접실험조건 (No.1-9) 에서용접부표면에유의할만한용접결함없이양호한용접품질을얻을수있었다. 다구찌기법에서의평가특성치는특정한목표치가주어져있는경우인망목특성식 (1), 특성치가작을수록좋은경우인망소특성식 (2) 그리고특성치가클수록좋은경우인망대특성식 (3) 과같이세가지로분류된다 8). log (1) log (2) log (3) 여기서, 는실험에서얻은데이터값 (BW, H, PD) 이고, 는데이터의평균값, 는표준편차를나타내고 대한용접 접합학회지제 33 권제 1 호, 2015 년 2 월 89
90 조홍석 박익근 정광운 Exp.No 1 2 3 Current Head speed Wire feeder rate Appearances of weld surface 10mm Weld beads of cross section (a) Weld bead width BW, H, PD (mm) 8.28, 1.52, 0.57 7.37, 1.67, 0.44 7.92, 1.56, 0.54 (a) Exp. No(1-3) Current Head speed Wire feeder rate Exp.No 4 5 6 Appearances of weld surface 10mm Weld beads of cross section (b) Deposited height Fig. 5 Comparison of S/N ratio for factors BW, H, PD (mm) 8.28, 1.52, 0.57 7.37, 1.67, 0.44 7.92, 1.56, 0.54 (a) (b) (b) Exp. No(4-6) Exp.No 7 8 9 Appearances of weld surface 10mm (c) (d) Weld beads of cross section BW, H, PD (mm) 8.88, 1.55, 0.68 10.16, 1.37, 1.1 9.8, 1.27, 0.97 (c) Exp. No(7-9) Fig. 4 Weld results obtained from experimental conditions using Taguchi method 은실험횟수이다. 단층용접시용접비드폭과적층높이를평가특성치로선정하였으며, 용접비드폭은망대특성으로적층높이는작을수록좋으므로망소특성을이용하여특성치를계산하였으며품질특성에의한신호대잡음비를계산하여 S/N 비분석을수행하였다. Fig. 5는평가특성치에대한각제어인자별 S/N 비분석결과를나타낸다. Fig. 5(a) 와 (b) 에서 S/N 비최대값과최소값차이가클수록인자에더큰영향을미치기때문에용접비드폭과적층높이에서가장큰영향을미치는인자는용접전류이고다음은와이어송급속도와용접속도로나타났다. 용접비드폭은망대특성이므로평가특성치를최대로하는조건은용접전류의 3수준 (230A/ 130A), 용접속도의 3수준 (12.5 cm/min), 와이어송급속도의 1수준 (188cm/min) 이며, 적층높이는망소특성이므로평가특성치를최소로하는조건은마찬가지로앞에서얻은용접비드폭조건과동일한결과로나타났다. 한편, Pad 오버레이용접의경우, Fig. 7과 Fig. 6 Microstructure results of weld parts after single pass welding Min.16 1.6~4.8 Ø100 Vessel Boring Ø42.2±0.1 Min.3.2 Center line of sleeve Unit : mm Fig. 7 Weld shape condition of pad overlay welding requiring in ASME code 같이자동템퍼비드용접시초층에서세번째층까지요구되는최소적층높이 (min. 3.2 mm) 를만족해야하기때문에이부분을감안하여용접전류 230A/130A, 용접속도 12.5 cm/min 및와이어송급속도 208 90 Journal of Welding and Joining, Vol. 33, No. 1, 2015
원전가압기히터슬리브 J-Groove 이종금속용접부보수를위한용접공정변수최적화에관한연구 91 Table 4 Evaluation of welding qualities according to experimental welding conditions Exp. No. Heat Input (KJ/in) Deposited Metal Area (in 2 ) Dilution (%) 1 22.5 13.3 10-3 26.8 2 20.6 13.2 10-3 20.2 3 18.9 13.1 10-3 25.2 4 25.7 14.3 10-3 31.7 5 23.5 16.5 10-3 24.2 6 21.6 13.7 10-3 33 7 28.9 15.8 10-3 28.3 8 26.4 14.6 10-3 44.4 9 24.3 12.1 10-3 45 Table 5 Welding conditions in each layer during Pad temperbead overlay welding Layer Current (A) Head Speed (cm/min) Wire Feeder Rate (cm/min) Overlap (%) Numb er of pass 1 230/130 12.5 207 50 9 2 240/140 11.4 227 50 8 3 240/140 11.4 227 50 7 4 240/140 11.4 227 50 7 5 8 240/140 11.4 227 50 6 cm/min 를최적용접공정변수조건 ( 실험조건 9번 ) 으로선정하였다. 한편, 선정된용접공정변수가본연구의템퍼비드용접적용에타당성이있는지를확인하기위하여 EPRI(Electric Power Research Institute) 에서발표한논문을참고하여비교분석한결과 9), Table 4의실험조건 9번의용접입열량 (24.3KJ/in) 과용착면적 (12.1 10-3 in 2 ) 에서얻은희석률 45% 값이 EPRI 연구결과와상당히유사함을확인하였다. 실험조건 9번에대한단층용접후절단면용접비드면용접부위별미세조직특성을파악하기위하여 FE- SEM 관찰을수행하였다. Fig. 6은모재부 (a), 결정립미세부 (b), 결정립조립부 (c), 용접금속부 (d) 의미세조직관찰결과이다. 관찰결과, 결정립조립부영역에서용접후일반적으로나타나는취화하기쉬운침상조직이발견되었으며, 결정립미세부근처영역에서모재부에가까운쪽으로입상펄라이트조직이나타남을확인하였다. 용접부위별경화정도를평가하기위하여경도값을측정한결과, 결정립조립부영역에서모재부경도값인 150 Hv보다 2배높은약 300 Hv 로나타났으며, 이결과로부터취화된결정립조립부영역에대한조직안정화를얻기위해서는템퍼링처리가필요함을알수있다. 4. 오버레이용접결과 4.1 Pad 템퍼비드오버레이용접결과 3 절의단층용접시얻은최적용접공정조건 ( 실험조건 9번 ) 을기준으로용접절차서인정시적용된 Fig. 7의 Pad 오버레이용접부형상조건에맞게템퍼비드오버레이용접을 Table 5와같이수행하였다. Fig. (a) 3 layers (b) 8 layers Fig. 8 Appearances of welding specimens after Pad overlay welding (a) PT (b) RT Fig. 9 PT (a) and RT (b) test results for Pad overlay weld specimen 8(a) 와 (b) 는각각초층에서세번째층까지의템퍼비드용접한시편과최종여덟번째층까지오버레이용접한시편의외관사진이다. 용접부표면에대한육안검사확인결과, 특이할만한용접결함이발견되지않았으며, Fig. 9의 PT와 RT 검사결과에서도유의할만한결함지시가없음을확인하였다. 템퍼비드효과를검증하기위하여 FE-SEM 을이용한절단된용접비드면의용접부위별미세조직관찰결과, 단층용접시의침상조직의결정립조립부영역이템퍼비드적용후 Fig. 10(c) 와같이입상펄라이트조직으로변화되었으며용접열영향부에대한비커스경도측정결과, Fig. 11과같이결정립조립부영역의경도값이약 200 Hv 정도로크게감소하였음을확인하였다. 이결과로부터사용된템 대한용접 접합학회지제 33 권제 1 호, 2015 년 2 월 91
92 조홍석 박익근 정광운 (a) (c) (b) (d) 퍼비드용접이용접후열처리없이도용접열영향부의연화와조직안정화를이룰수있음을확인하였다. 또한, 오버레이용접시 ASME Code Case N-754 10) 요건에요구하는용착금속층의 Cr 함유량을확인한결과, Fig. 12와같이 Pad 오버레이용접시편의용착금속층에약 29% Cr 함유량이존재하였으며, 이는 ASME Code 기준을충족시킴과동시에 PWSCC 의감수성을낮출수있다는것이확인되었다. Fig. 10 Microstructure results of weld parts after Pad overlay welding Vickers hardness (Hv) 220 200 180 160 140 120 Coarse grained Weld metal HAZ Surface Fine grained Base metal HAZ 100 0.0 1.0 2.0 3.0 4.0 5.0 6.0 7.0 Measured position (mm) Line1 Line2 Line3 Line4 Fig. 11 Vicker's hardness results measured at weld parts of Pad overlay weld 4.2 J-Groove 오버레이용접결과 Pad 오버레이용접후 Fig. 2와같이보링및 J-Groove 가공후용접절차서인정시적용된 J-Groove 용접부형상조건에맞게용접공정변수를 Table 6과같이층별로변화시키면서용접을수행하였다. 사용된용접변수는용접절차서인정시적용된기준값을적용하였다. Fig. 13은코드요건을기준으로한 J-Groove 용접부형상설계조건이다. Fig. 14는 J-Groove 용접후용접시편외관사진과용접부위 4곳 (0, 90, 180, 270 ) 에대한용접비드면사진을나타낸다. J-Groove Table 6 Welding conditions for layers during J-Groove overlay welding Layer Current (A) Head Speed (cm/min) Wire Feeder Rate (cm/min) Overlap (%) Heat Input (KJ/in) 1 220/120 10.9 75.6 50 30.8 2 220/120 12.9 75.6 50 25.9 3 220/120 14.9 75.6 50 22.4 4 220/120 10.9 75.6 50 30.8 5 220/120 15.0 75.6 50 22.4 6 220/120 17.6 75.6 50 19.1 7 220/120 10.9 75.6 50 30.8 (a) Unit : wt% C Si Ti Cr AI Mn Fe Ni A 2.43 0.28 0.24 29.32-0.84 8.32 58.56 B 2.86 - - 29.54 0.31 0.96 8.87 57.46 C 2.61 - - 29.18-0.91 9.82 57.48 D 2.03 - - 6.59 0.28 0.75 75.67 14.67 E 1.51 0.3 - - - 0.71 97.33 0.16 (b) Fig. 12 Appearances of cross section after Pad overlay welding and its EDS results Fig. 13 Weld shape condition of J-Groove overlay welding requiring in ASME Code 92 Journal of Welding and Joining, Vol. 33, No. 1, 2015
원전가압기히터슬리브 J-Groove 이종금속용접부보수를위한용접공정변수최적화에관한연구 93 10 mm 10 mm 50 mm 10 mm 10 mm 4) Pad 오버레이용접시편의용착금속층에대한 Cr 함유량측정결과, ASME Code Case N-754 에서요구하는 28% 이상의 Cr 함유량기준을만족시켰다. 5) J-Groove 용접의경우, J-Groove 용접부형상설계요건에맞게용접이가능하였으며, PT, RT, FE- SEM 와같은용접품질평가결과, 유의할만한용접결함이발견되지않았다. 지금까지의연구결과로부터, 개발된용접장비의성능을확인하였으며, 기기별현장조건을고려하여장비를보완한다면원전 1등급기기소구경관통관 Alloy 600 재질의 J-Groove 이종금속용접부에대한정비가가능할것으로판단된다. Fig. 14 Cross sections of weld parts after J-Groove overlay welding 용접후용접부표면에대한육안검사결과, 용접결함이관찰되지않았으며, PT와 RT 비파괴검사에서도유의할만한결함지시가나타나지않음을확인하였다. 또한, 절단면용접부위별용입부족결함유무를확인한결과, Fig. 14와같이완전용입이이루어졌으며미세균열및 Undercut 등과같은용접결함이발생하지않음을확인하였다. 5. 결론 본연구에서는원전가압기히터슬리브소형관통관 Alloy 600 재질의 J-Groove 이종금속용접부결함발생부위에대한정비기술로써 Half Nozzle Repair 공정에대한실험적연구를수행하였으며, 다음과같은결론을도출하였다. 1) Pad 단층용접의경우, 다구찌기법을이용하여 ASME Code 에서요구하는템퍼비드용접을만족할수있는최적용접공정변수를도출하였다. 2) Pad 오버레이용접의경우, Pad 용접부형상설계요건에맞게오버레이용접이가능하였으며, PT, RT, FE-SEM 와같은용접품질평가결과, 유의할만한용접결함이발견되지않음을확인하였다. 3) Pad 오버레이용접시편의용접열영향부에대한용접부위별경도측정결과, 결정립조립부영역에서의경도값은단층용접결과와비교하여약 100 Hv 정도감소하였으며, 미세조직관찰에서는모재부에가까운입상펄라이트조직이나타났다. References 1. Materials Reliability Program-87, PWSCC of Alloy 600 type materials in non-steam generator tubing applications - Survey report through June 2002, (2006), Electric Power Research Institute 2. Materials Reliability Program-341, Laboratary examination results for Calvert Cliffs-2 pressurizer heater sleeve assembly, Electric Power Research Institute, (2012) 3. Materials Reliability Program-102, South Texas Project Unit 1 bottom mounted instrumentation nozzles (#1 and #46) analysis reports and related documentation, Electric Power Research Insitute, (2009), 4. Materials Reliability Program-167, Satety evaluation for boric acid wastage of PWR reactor vessel bottom heads due to bottom-mounted nozzle leakage, Electric Power Research Institute, (2012) 5. Materials Reliability Program-220, Review of stress corrosion cracking of alloys 182 and 82 in PWR primary water service, Electric Power Research Institute, (2006), 6. In Chul Jung, Deog Nam Shim and Jin Gui Byun, Overlay welding of Inconel material for nuclear power components, Journal of KWJS, 27-2 (2009), 4-6 (in Korean) 7. ASME Code Case N-638-1 8. 이상복, 제 3 판, 기초부터현장까지알기쉬운다구찌기법 (in Korean) 9. D.W. Gandy, S.J. Findlan and W.J. Childs, Repair welding of SA508, Class 2 pressure vessel steels utilizing the consistent layer temperbead technique, Materials Ageing and Component Life Extension International Symposium, (1995), 961-978 10. ASME Code Case N-754 대한용접 접합학회지제 33 권제 1 호, 2015 년 2 월 93