제4세대 소듐냉각고속로의 P91 배관에 대한 유도가열벤딩 적용성 분석 : 탄소성 해석 및 시험적 접근

Abstract

다양한 산업분야에서 배관을 제작할 때 유도가열벤딩 공정의 적용이 확대되고 있다. 이는 유도가열벤딩 공정이 곡관의 용접 부분을 혁신적으로 감소시킬 수 있어서 배관 균열에 의한 누설률을 줄일 수 있기 때문이다. 최근에는 상용 원자력발전소(가압경수로)의 배관에까지 유도가열벤딩 공정을 적용하기 위한 노력이 이루어졌다. 하지만 현재까지 고온환경에서 운전하는 제4세대 원전 배관에 유도가열벤딩을 적용하거나 검증을 시도한 사례는 없어서 이에 대한 필요성이 대두되었다. 본 학위논문에서는 제4세대 SFR원형로(PGSFR)의 P91(9Cr-1Mo-V) 배관의 운전환경에 대한 유도가열벤딩 배관의 적용성을 분석하고 검증함으로써 원자로의 구조건전성과 안전성을 획기적으로 높일 수 있도록 하였다. 첫째, P91 유도가열벤딩 배관 재료의 물성시험 및 분석을 수행하였다. P91 벤딩배관의 여러 위치에서 시편들을 제작하여 고온(550℃)환경에서 저주기 피로시험과 크립시험을 수행하였다. 또한 P91 벤딩배관의 외호부에서 채취한 시편으로 고온 인장시험, 고주기 및 저주기 피로 시험을 수행하였다. 모든 시편들의 피로 및 크립시험 결과에서 ASME B&PV Code, Sec. III, Div. 5에서 규정한 설계피로수명과 크립파단수명 기준을 만족함을 확인하여 P91 벤딩배관의 적용성을 재료 물성의 측면에서 검증하였다. 또한 ASME Code의 설계피로곡선에서 설계여유도를 제거한 평균 시험값 피로곡선을 구하여 고주기 및 저주기 피로 시험의 피로수명과 비교하고, 유도가열벤딩된 P91 배관의 재료와 P91강 원소재의 피로물성의 유사도를 확인하였다. 둘째, P91 벤딩배관의 신뢰성 있는 탄소성 해석모델을 구축하고 상세 유한요소해석을 수행하고 그 결과를 실제 벤딩배관 구조물 시험을 위한 시험하중을 효율적으로 설정하는데 활용하였다. P91 벤딩배관 재료의 물성시험결과를 활용하여 다양한 탄소성 모델의 재료상수들을 신뢰성 있게 결정하였고 이를 반영한 상세 비탄성해석을 수행하여 시험결과와 비교함으로써, 유도가열벤딩된 P91 배관의 재료거동을 잘 모사할 수 있는 샤보시 결합경화 모델을 구축하였다. 그리고 이 모델을 벤딩배관의 유한요소해석 모델에 적용하여 단조하중 및 반복하중에 대한 배관의 거동을 모사하였고 탄소성 해석 결과를 ASME Code의 비탄성 피로수명평가법에 따라 반복하중에 대한 피로수명을 평가하였다. 셋째, P91 벤딩배관 구조물의 고온환경 피로시험을 수행하고 구조건전성을 평가하였다. 이를 위해 P91 벤딩배관에 대한 단조하중 시험을 수행하여 해석결과와 비교하였고, 반복하중 해석을 통해 결정한 변위하중 크기와 설계피로수명에 여유도를 적용한 하중횟수를 적용하여 피로시험을 수행하였다. 그리고 피로시험 후에 벤딩배관의 표면에 균열이 발생하지 않음을 확인하여 P91 벤딩배관의 피로손상에 대한 구조건전성을 확인하였다. 마지막으로 수행된 적용성 분석방법들을 체계화하여 고온 원자로 배관에 유도가열벤딩 기술을 적용하기 위한 검증 가이드를 제시하여 향후 다양한 고온 원자로 사례에 효율적으로 적용될 수 있도록 하였다. 위의 다양한 고온 재료시험과 구조물시험 및 탄소성 해석결과를 상호 비교분석하여 신뢰성 있는 적용성 분석을 수행하고 검증 가이드를 제시하였고, 이를 기반으로 유도가열벤딩 제작기술을 적용한 P91 배관을 제4세대 소듐냉각고속로에 적용할 수 있는 기술적 토대를 마련하였다.