CDFD법을 이용한 원자력 발전소 T-branch 용접부 임계결함길이 및 깊이 예측 :Prediction of critical flaw length and depth for weld of T-branch pipe based on CDFD method

김태진

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자료유형: 학위논문

저자정보: 김태진 (서울과학기술대학교, 서울과학기술대학교 대학원)

지도교수: 허남수

발행연도: 2018

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이 논문의 연구 히스토리 (2)

2018

CDFD법을 이용한 원자력 발전소 T-branch 용접부 임계결함길이 및 깊이 예측

김태진 기계설계로봇공학과 2018.01 학위논문

2017

CDFD법을 이용한 원전 웰도렛 용접부 임계결함길이 평가

김태진 , 김세창 , 허남수 외 5명 대한기계학회 춘추학술대회 2017.04 학술대회자료

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본 논문에서는 원자력 배관계통 중 하나인 T-branch 배관 용접부에 결함이 존재함을 가정하여, 탄소성 파괴역학 이론을 바탕으로 3차원 유한요소해석 기반의 CDFD 평가를 수행하였으며, 임계결함길이 및 깊이를 예측하였다. CDFD 평가를 위해 탄소성 파괴역학 매개변수인 J-적분을 계산하였으며, 이를 재료파괴인성 J-R 곡선과 비교하여 임계결함 길이 및 깊이를 계산하였다. 이와 더불어 정상운전조건 하중이 작용하는 조건에서 용접잔류응력 영향을 고려한 임계결함길이 및 깊이를 계산하였다. 결함 형상은 원주방향 관통결함과 360°표면결함으로 고려되었으며, 하중 조건으로는 정상운전에서의 내압, 인장 및 굽힘 하중을 각각 적용하였다.
CDFD 결과를 기반으로 각 T-branch의 크기에 따라 임계결함길이 및 깊이를 예측하였으며, 추가적으로 용접잔류응력이 임계결함길이 및 깊이에 미치는 영향을 확인하였다.
6″, 8″, 12″T-branch의 관통결함의 경우 정상운전조건 하중에서 결함의 위치에 따라 임계결함길이 차이가 없음을 확인 하였으며, 본 논문에서 고려된 대상의 경우에는 각 크기의 T-branch에서 용접부 원주의 약 67%, 73%, 53% 까지 결함이 진전하여도 불안정파괴가 발생하지 않음을 확인하였다. 360°표면결함이 존재하는 T-branch의 경우 결함이 용접부 두께의 90% 까지 진전하여도 불안정파괴가 발생하지 않음을 확인하였다. 용접잔류응력의 영향을 고려하여 임계결함길이 및 깊이를 계산한 결과 T-branch의 관통결함의 경우 용접잔류응력을 고려하지 않은 경우에 비해 임계결함길이가 약 30% 짧게 나타났다. 그러나 이는 2차 하중인 용접잔류응력을 같은 크기의 1차 하중으로 변환하여 적용한 것이므로 매우 보수적인 결과이며, 실제로는 임계결함길이가 더 길게 나타날 것이다.
본 연구로부터 용접부에 결함이 존재하는 원자력 T-branch 배관에 대해 탄소성 파괴역학 기반의 임계결함길이 및 깊이를 결정하기 위한 유한요소해석 절차 및 방법을 정립하였으며, 본 논문의 해석 결과는 향후 결함이 존재하는 T-branch 용접부의 건전성평가에 기여할 것으로 판단된다.

In this study, using elastic-plastic fracture mechanics theories, three dimensional finite element analysis based CDFD evaluation was used to estimate the critical length and depth of the crack of T-branch pipes in Nuclear Power Plants (NPPs).
To process the CDFD evaluation, the J-integral, elastic-plastic fracture mechanics parameter, was calculated and compared to the J-R curve of elastic-plastic fracture toughness in order to estimate the critical flaw length and depth. In addition, the critical flaw length and depth were also determined considering the effect of welding residual stresses and normal operating conditional loads.
The shape of the flaw were considered as through-wall flaw and 360°surface crack. The loads were applied as internal pressure, tensile and bending loads under the steady-state operating condition. Based on the result of the analysis, the critical flaw length and depth by the size of T-branch was calculated. The effect of welding residual stress on the critical flaw length and depth was also reviewed. In the case of the through-wall crack on 6″, 8″, 12″T-branch, there was not much difference in critical flaw length by the position of the flaw under the normal operating condition, and it was evaluated that the unstable fracture would not occur until the flaw of each T-branch propagated up to about 67%, 73%, 53%. In the case of the 360°surface crack on T-branch, regardless of the size of the pipe the unstable fracture would not occur until the flaw propagated up to 90% of the thickness of the pipe. Considering the effects of weld residual stress, the critical flaw length was reduced by 30% in the case of through-wall flaw. In case of 360°surface flaw, the critical flaw depth was evaluated to be 90% of the weld Thickness, even though the effect of residual stress was considered. From this study, using elastic-plastic fracture mechanics, the finite element analysis procedure and method to determine the critical flaw length and depth of the flaw on T-branch pipes in NPPs was established, and the analysis results of the study will be contributed to integrity evaluation for flaw of T-branch pipe structures in NPPs.

요약 i
표목차 ii
그림목차 ii
I. 서론 1
1. 연구 배경 1
2. 관련 연구 현황 2
3. 연구 목적 3
II. 관련 이론 6
1. J-적분 6
2. CDFD 평가법 9
III. 유한요소해석을 이용한 가상 결함 위치 결정 11
1. T-branch 및 용접부 형상 11
2. 유한요소모델 검증 및 결함 위치 선정 14
IV. CDFD 기반의 T-branch 용접부 임계결함크기 결정 22
1. 관통결함의 경우 22
2. 360°표면결함의 경우 53
3. 용접잔류응력이 임계결함크기에 미치는 영향 66
V. 결론 69
참고문헌 71
영문초록(Abstract) 73

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