원자력 배관 용접부에 존재하는 원주방향 관통균열의 참조응력 기반 J-적분 예측식 :Engineering Estimates of J-integral for Circumferential Through-Wall Crack in Weldment of Nuclear Piping Based on Reference Stress

박준근

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자료유형: 학위논문

저자정보: 박준근 (서울과학기술대학교, 서울과학기술대학교 대학원)

지도교수: 허남수

발행연도: 2021

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이 논문의 연구 히스토리 (2)

2021

원자력 배관 용접부에 존재하는 원주방향 관통균열의 참조응력 기반 J-적분 예측식

박준근 기계설계로봇공학과 2021.01 학위논문

2018

굽힘 모멘트가 작용하는 두개의 층으로 구성된 용접배관 균열의 J-적분 및 균열열림변위 계산

박준근 , 전다솜 , 허남수 외 1명 대한기계학회 춘추학술대회 2018.12 학술대회자료

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본 연구에서는 용접부의 영향을 정량화한 한계하중 수정계수를 이용하여 원자력 배관 용접부에 존재하는 원주방향 관통균열에 대한 참조응력 기반 J-적분 예측식을 제시하였다.
원자력발전소의 일차 계통 이종금속용접부에 일차수 응력부식균열(Primary Water Stress Corrosion Crack, PWSCC)이 발생하는 현상이 국내외에서 지속적으로 보고되고 있다. 용접부에 균열이 발생한 경우 신속하게 건전성 평가를 수행해야 하지만 기존의 단일재료 배관에 대해 제시된 파괴역학 매개변수(Fracture mechanics parameter)로는 정확한 파단전누설(Leak-Before-Break, LBB) 평가가 어렵고 유한요소해석을 이용한 파괴역학 매개변수 계산은 많은 시간을 필요로 한다. 따라서 용접부에 발생한 균열에 대해 신속한 LBB 평가를 수행하기 위해서 용접부의 영향을 고려한 파괴역학 매개변수 평가법 연구가 필요하다.
본 논문에서는 용접부에 존재하는 원주방향 관통균열의 참조응력 기반 J-적분 예측식을 제시하기 위해 유한요소 한계하중해석을 수행하여 용접부의 영향을 정량화하였다. 배관 및 균열 크기와 용접부의 폭을 형상변수로 고려하였고 모재와 용접재의 강도불일치(strength mismatch)를 고려하기 위해 강도불일치 비(strength mismatch factor)를 이용하였다. 하중조건은 인장하중, 굽힘하중, 내압을 고려하였고 균열 위치에 따른 영향을 검토하기 위해 용접부 중앙에 관통균열이 존재하는 경우와 용접 경계면에 관통균열이 존재하는 경우 2가지를 고려하였다. 유한요소해석 결과를 바탕으로 용접부의 영향을 정량화한 한계하중 수정계수를 제시하였고 이를 활용한 참조응력 기반 J-적분 예측식을 제시하였다. 한계하중 수정계수의 영향을 검토하고 제시한 참조응력 기반 J-적분 예측식을 검증하기 위해 용접부 관통균열 배관에 대한 탄소성 유한요소해석을 수행하였다. 유한요소해석 결과와 참조응력 기반 J-적분 예측식을 파손평가선도를 작성해 비교 검증하였고 한계하중 수정계수의 타당성을 검토하였다.
본 연구로부터 용접부의 영향을 정량화하기 위한 유한요소해석 절차 및 방법과 참조응력 개념을 기반으로 용접부 관통균열 배관의 J-적분 평가법을 정립하였으며 본 연구의 결과물들은 향후 관통균열이 존재하는 용접부에 대한 LBB 평가에 크게 기여할 것으로 판단된다.

In this study, engineering estimates of J-integral for circumferential through-wall crack in weldment of nuclear piping based on reference stress were investigated.
primary water stress corrosion cracking (PWSCC) caused by corrosion crack, due to high temperature and high pressure cooling water, and weld residual stress have been occurring in the dissimilar metal weld of the primary system on the nuclear power plant. In the case of cracks occurring in the weldment, it is difficult to perform the leak-before-break (LBB) assessment with the existing solutions of fracture mechanics parameters for single material piping. Therefore, estimations for the fracture mechanics parameters considering the strength mismatch between the weld metal and base metal, location of the weld crack, various piping and crack shapes should be developed to perform the LBB assessment for the welded pipe with crack in weldment. In this paper, the finite element limit analysis was performed to quantify the effect of weldment in order to present a engineering estimates of J-integral for through-wall crack in weldment based on the reference stress method. The size of pipe, the length of the through-wall crack and the width of weldment were considered as geometry factors, and the strength mismatch factor was used for considering the strength mismatch between the weld metal and base metal. Three loading conditions (axial tension, global bending moment and internal pressure) were considered and two crack locations were considered which is in center line of weldment and interface of weldment. Based on the finite element analysis results, limit load correction factors that quantify the effects of weldment were presented and the reference stress based J estimations using limit load correction factors was presented. The elastic-plastic finite element analysis for through-wall crack in weldment was performed to verify the proposed reference stress based J estimation and the effects of limit load correction factors. The reference stress based J estimations were verified by comparing it with the results of finite element analysis using failure assessment diagram, and the validity of the limit load correction factors were verified.
From this study, the finite element analysis procedure and method to quantified the effect of weldment and the reference stress based J estimations of circumferential through-wall crack in weldment were established. The results of the present study can contribute to LBB assessment for weldment with circumferential through-wall crack.

#J-integral #Weld #Reference stress method #Circumferential through-wall crack

요약 ⅰ
표목차 ⅲ
그림목차 iv
기호설명 vii
I. 서 론 1
1. 연구 배경 1
2. 관련 연구 현황 3
3. 연구 목적 및 내용 5
4. 논문 구성 6
II. 관련 이론 7
1. J-적분 7
2. 파손평가선도 12
III. 용접부 참조응력 정의를 위한 수정계수 제시 15
1. 해석 대상 15
2. 유한요소해석 및 모델 검증 18
3. 유한요소해석 결과 기반 용접부 한계하중 수정계수 제시 24
IV. 참조응력 기반의 용접부 관통균열의 J-적분 예측식 제시 및 검증 46
1. 용접부 관통균열의 J-적분 예측식 제시 46
2. 용접부 관통균열의 J-적분 예측식 검증 47
V. 결 론 65
참고문헌 67
영문초록(Abstract) 69

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