고온용 원자로 압력용기 재료규격 요약

초고온가스로와 같은 고온 원자로 압력용기의 후보재로서 여러 구조재료들이 검토되었으나, 현재는 SA508-Gr.3/SA533B-1 저합금강과 G91 합금강 (9Cr-1Mo-V) 의 두 소재로 압축된 상태이다. 어떤 소재가 원자로용기의 설계에 적용되기 위해서는 ASME BPV Code Section III에서 인용하는 소재물성데이터 테이블이 준비되어있어야 한다. 현재 SA508/SA533강은 필요한 인용 물성표가 대부분 완비되어있으며, G91강은 제품의 형태에 따라 물성 값들이 나뉘어져있고, 대형 단조재에 대한 명확한 규정은 없는 상태이다. 본 절에서는 고온 원자로의 압력용기 후보재로서 유력한 3개의 강종 (SA508/SA533과 G91 FMS강)에 대해 ASME Code에 등재된 중요한 현황들을 요약 정리하였다.

1.재료규격 (ASME Code Section II, Part-A Ferrous Materials Specification)

ASME BPV Code Section II-A는 철강재료에 대한 규격을 정의하고 있다. ASME Code의 재료규격 번호는 재질이 아니라 제품의 최종형태에 따라 구분되고 있다. SA508과 SA533 및 9Cr-1Mo-(V)강의 대표적 화학조성 및 인장특성 요건을 정리하면 표1과 같다.

(1) SA508

SA508 규격의 제목은 Specification for quenched and tempered vacuum-treated carbon and alloy steel forgings for pressure vessels 이며, 여기에 포함된 재질은 화학성분계에 따라 Gr.1 저탄소강과, Gr.3 Mn-Mo-Ni 저합금강, Gr.22 2.25Cr-Mo강 등 여러 종류가 있다. Grade는 재료의 화학성분계에 따른 재료의 구분을 의미하며, Class는 같은 재료 Grade 내에서도 열처리 조건의 차이 등 통해 기계적 특성에 차별을 두고 있는 구분이다. 현재 상용원전의 원자로용기에는 SA508-Gr.3 Class1 재질 (최소 항복강도 345MPa 급)이 사용되고 있으나, 최신 원전설계에서는 증기발생기 및 가압기 등에 Class 2 (최소 항복강도 450MPa 급) 재질도 사용되는 추세이다.

(2) SA533

SA533은 압력용기용 판재로서 규격의 제목은 Pressure vessel plates, alloy steel, quenched and tempered, Mn-Mo and Mn-Mo-Ni 이다. 본 규격에서는 재료 구분을 Mn-Mo-Ni 함량에 따라 Type A~D로 구분한다. 또한 강도 등급은 Class 1~3으로 구분한다.

(3) G91강 (FMS, 9Cr-1Mo-V강)

SA508이나 SA533과 달리 G91강은 ASME의 재료규격 번호가 아니라, 특정 재료규격내에 포함된 재료의 종류를 나타낸다. UNS 재료규격번호는 K90901 이다. G91강이 포함된 중요한 ASME 재료규격은 대표적으로 다음과 같다.

  • SA182-F91 Forged or rolled alloy and stainless steel pipe flanges, forged fittings, and valves and parts for high-temperature service
  • SA213-T91 Seamless ferritic and austenitic alloy steel boiler, superheater, and heat-exchanger tubes
  • SA217-C12A (UNS J84090) Steel castings, martensitic stainless and alloy, for pressure-containing parts suitable for high-temperature service
  • SA234-WP91 Piping fittings of wrought carbon steel and alloy steel for moderate and high-temperature service
  • SA335-P91 Seamless ferritic alloy-steel pipe for high temperature
  • SA336-F91 Alloy steel forgings for pressure and high temperature parts
  • SA369-FP91 Carbon and ferritic alloy steel forged and bored pipe for high-temperature service
  • SA387-Gr.91 (UNS K90901) Pressure vessel plates, alloy steel, Cr-Mo

상기의 각 규격내에 포함된 재료들 (9Cr강, 2.25Cr강 등)의 화학성분 요건 및 인장특성 요건은 재료별로 동일하며, SA335 고온용 seamless 배관 규격에 가장 많은 재료가 포함되어 있다.

2. 압력용기 설계를 위한 인용 물성자료 (ASME Code Section II, Part-D)

ASME Code Section II, Part A (and B, C)의 Materials specification 각각에는 보일러 및 압력용기 분야에 산업적인 의미가 있는 재료(제품)들의 제조와 관련된 최소한의 기술규격 및 물성기준을 규정한다. 원자력기기의 설계에 적용되는 코드는 ASME Code Section III이며, 여기서는 Section II에 열거된 재료규격 중에서, 원전설계에 사용이 가능한 재료를 선정하여 그 기준 물성값에 근거하여 설계에 적용한다. 재료들의 기준 물성값은 ASME Code Section II, Part D에 각각의 표로써 제공된다. ASME Code Section II, Part-D에서 제공하는 기준 물성표를 종류별로 나열하면 아래에 별도로 정리한 바와 같다. 그중에서 Table 2A는 700℉ 이하에서 사용되는 원자력 Class 1 기기 재료의 설계응력강도 값을 정리하고 있다. 9Cr-1Mo-V 강의 경우 현재의 코드 버전에서 물성데이터 표에 포함된 재료규격은 SA182-F91과 SA335-P91 2개로서 대형 압력용기 단조품에 적용규격인 SA336-F91은 아직 명기되어있지 않다. Table 2A, U, Y 에 포함된 수 천 종의 자료들 중에서 앞서 언급한 원자로용기 후보재 SA508, SA533, G91강의 설계응력강도, 인장강도, 항복강도 값들만을 선별하여 표 2~4에 정리하였다.

Sub-part 1 Stress Tables

  • Table 1A : Maximum Allowable Stress Values, S for ferrous materials (Section I; Sec. III Class 2&3; Sec. VIII Division 1; Sec XII) 825℃까지
  • Table 1B : Maximum Allowable Stress Values, S for nonferrous materials (Section I; Sec. III Class 2&3; Sec. VIII Division 1; Sec XII) 900℃까지
  • Table 2A : Design Stress Intensity Values, Sm for ferrous materials (Section III, Class 1, TC and SC) <371℃
  • Table 2B : Design Stress Intensity Values, Sm for nonferrous materials (Section III, Class 1, TC and SC)
  • Table 3 : Maximum allowable stress values, S for Bolting materials (Sec. III Class 2&3; Sec. VIII, Division 1&2; Sec. XII)
  • Table 4 : Design stress intensity values, Sm for Bolting materials (Sec. III Class 1,TC, SC; Section VIII Division 2)
  • Table 5A : Section VIII, Division 2, Maximum allowable stress values, S for ferrous materials
  • Table 5B : Section VIII, Division 2, Maximum allowable stress values, S for nonferrous materials
  • Table U : Tensile Strength Values, Su for ferrous and nonferrous materials
  • Table U-2 : Section VIII Division 3, Tensile Strength Values, Su for ferrous materials
  • Table Y-1 : Yield Strength Values, Sy for ferrous and nonferrous materials
  • Table Y-2 : Factors Limiting Permanent Strain in Nickel, High Nickel Alloys, High Alloy Steels

Sub-part 2 Physical Properties Tables

  • Table TE : Thermal Expansion
  • Table TCD : Nominal Coefficients of Thermal Conductivity (TC) and Thermal Diffusivity (TD)
  • Table TM : Moduli of Elasticity, E for Given Temperatures
  • Table NF-1 : Typical Mechanical Properties of Materials
  • Table NF-2 : Typical Physical Properties of Materials

Sub-part 3 Charts and Tables for Determining Shell Thickness of Components under External Pressure

3. 고온 원자로 설계를 위한 인용 물성자료집 (Section III, Division 1 – NH)

700℉ 이상의 온도에서 사용되는 고온 원자로 기기 설계를 위해서는 크리프 변형을 고려한 시간 의존성 물성자료가 필요하다. 이때 설계의 기준이 되는 규정은 ASME Code Section III, Division 1의 Subsection NH (Class 1 Components in Elevated Temperature Service)이며, 설계에 적용될 수 있는 재료와 해당 물성들을 Table I-14로 제공하고 있다. 참고로, 2011년 11월 1일자로 ASME Code Section III의 Division 5 (High Temperature Reactor)가 새로 제정되었으며, 금소재료 뿐 아니라 흑연과 세라믹재료에 대한기술기준을 모두 포함하고 있으며, 금속기기 부분에서는 기존의 Division 1-Subsection NH 내용을 대부분 인용하고 있다. Subsection NH의 물성표 Table I-14에서는 5가지의 재료, 즉, Type 304와 Type 316 스테인리스강, Alloy 800H, 2.25Cr-1Mo ferritic steel, 9Cr-1Mo-V ferritic-martensitic steel을 다루고 있으며, Alloy 617 슈퍼알로이에 대한 자료집이 추가적으로 준비되고 있다. Table I-14는 Section II, Part D, Tables 2A, 2B와 4의 고온영역 연장선이라고 볼 수 있으며, Table I-14.1~14.13에서 제공하는 주요물성 들은 다음과 같다. 9Cr-1Mo-V 강의 경우 현재의 코드 버전에서 물성데이터표에 포함된 재료규격은 SA182, SA-213, SA335, SA-387 4개로서 대형 압력용기 단조품에 적용규격인 SA336은 아직 명기되어있지 않다. 앞에서의 저온용 물성표와 달리 고온용 물성표 (Table I-14)에서는 단지 5개의 재료만 취급하고 있기 때문에, 필요한 경우는 직접 원본 표에서 자료를 쉽게 찾을 수 있다. 따라서, 본 문서에서는 9Cr-1Mo-V 강에 대한 데이터를 별도로 정리하지는 않았다.

  • Table I-14.1 Permissible base and weld materials for structures other than bolting
  • Table I-14.2 So, Maximum allowable stress intensity for Design Loading
  • Table I-14.3 Smt, Allowable stress intensity values for each materials (~3×105 hr)
  • Table I-14.4 St, Allowable stress intensity values for each material (~3×105 hr)
  • Table I-14.5 Yield strength, Sy
  • Table I-14.6 Minimum Stress-to-rupture values for each material (~3×105 hr)
  • Table I-14.10 Stress rupture factors for each weld
  • Table I-14.11 Permissible materials for bolting (304, 316, Alloy 718)
  • Table I-14.12 So values for design conditions calculation of bolting
  • Table I-14.13 Smt for each bolting material

4. SA508과 SA533강의 고온영역에서 제한적 사용 (Code Case N-499-2)

Code Case N-499-2의 명칭은 Use of SA533 Grade B, Class 1 Plate and SA-508 Class 3 Forgings and their weldment for limited elevated temperature service, Section III, Division 1이다. 고온 원자로 설계에서 비정상사고시에 ferritic steel의 사용 제한온도인 700℉를 넘는 것을 허용하는 기준에 대해 규정한다. Level B의 사고시에는 700~800℉에서 3000 시간동안 허용되며, Level C와 D에서는 800~1000℉에서 1000 시간동안 허용되고, 800℉ 이상의 과도상태를 최대 3회까지 허용한다. 재료 물성은 1000℉까지 다음과 같은 물성들이 제공된다.

  • Isochronous Stress-Strain Curves,
  • Yield Strengths,
  • Stress-to-Rupture Values
  • Elevated-Temperature Fatigue Strength
  • Moduli of Elasticity,
  • Instantaneous and Mean Coefficients of Thermal Expansion
  • Table 1: Smt – Allowable stress intensity values
  • Table 2: St – Allowable stress intensity values
  • Table 3: Allowable stress values, Sm, YS and UTS versus Temperature
  • Table 4: Expected minimum Stress-to-Rupture values
  • Table 5: Modulus of Elasticity vs. Temperature
  • Table 6: Instantaneous Coefficient of Thermal Expansion vs. Temperature
  • Table 7: Mean Coefficient of Thermal Expansion vs. Temperature
  • Table 8: Design Fatigue Strain Range up to 1000℉ (cycle strain rate=1×10-3 /sec)

Code Case N-499-2는 2011년 11월 1일 제정되어 발간된 ASME Code Section III, Division 5의 Mandatory Appendix HBB-I로 삽입되었다 (SA508 재료 등급 구분의 명칭이 개정되었음; SA508 Grade 3, Class1).

표 1. 고온용 원자로용기 후보소재의 재질규격 요약

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표 2. 원자로용기 후보재의 설계응력강도, ASME Code Sec.II, Part-D, Table 2A : Design Stress Intensity Values, Sm for ferrous materials (Section III, Class 1, TC and SC) <371℃

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표 3. 원자로용기 후보재의 인장강도, (from ASME Code Sec.II, Part-D, Table U : Tensile Strength Values, Su for ferrous and nonferrous materials)

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표 4. 원자로용기 후보재의 항복강도, ASME Code Sec.II, Part-D, Table Y-1 : Yield Strength Values, Sy for ferrous and nonferrous materials

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Document ID: d20150009