연구배경
일반적으로 오스테나이트 계열 스테인리스강은 기계적 특성 및 파괴 특성이 우수한 것으로 알려져 있으나 한국 표준원전 가압기 밀림관의 소재로 사용되는 type 347의 경우, 성분에 따른 재료특성의 편차가 커서 고온 J-R 파괴저항성이 파단전누설 설계요건을 만족시키지 못하는 경우가 종종 발생하였다. 따라서 type 347 스테인리스강 모재와 용접금속의 화학조성과 미세조직, 고온 J-R 파괴저항성의 상관관계를 계통적이고 정량적으로 파악하여 원자로 배관용으로 적합한 재료특성을 얻을 수 있는 최적의 화학조성을 제시하고자 연구를 수행하였다.
연구내용
탄소(C), 질소(N), 니오비움(Nb) 등의 합금성분을 달리한 10종류의 type 347 모재와 6종류의 용접부에 대하여 미세조직 관찰과 정량적 석출물 분석을 실시하고, 원자로 정상가동온도(316°C)에서 J-R 파괴저항성 시험과 인장시험을 수행한 후, 그 결과를 분석하였다. 시험 및 분석결과, 조대한 Nb(C,N) 석출물이 type 347의 파괴저항성을 악화시키는 주된 미세조직적 인자임을 확인하였다. Type 347의 파괴저항성은 석출물 함량에 로그함수로 반비례하는 상관관계식과 일치하였다. 모재와 용접부의 석출물은 대부분 Nb(C,N)이었으나, N/C 비가 클 경우, 모재에 Z 상(CrNbN)이 석출하는 것이 관찰되었다. 석출물의 함량은 C와 N뿐만 아니라 Nb 함량에도 복합적으로 영향을 받았다. C에 비해 N 함량 증가에 따른 석출물 함량의 증가량은 크지 않았다.
J-R 시험 후, 시편의 2차 균열을 관찰한 결과, 조대한 Nb(C,N) 입자와 기지조직이 분리되면서 생긴 공동의 합체에 의해 균열이 성장한 것이 확인되었다. 용접금속의 C, N, Nb 함량을 고정시키고, 델타페라이트(δ-ferrite) 함량을 2배 이상 증가시켰을 때, 파괴저항성이 50% 이하로 감소하였다. Type 347 모재와 용접부의 C와 Nb 함량을 낮게 조정하여 조대한 Nb(C,N) 석출물 생성을 억제함으로써 파괴저항성을 제고하는 한편, C 함량 저감에 따른 모재의 인장강도 감소는 0.07 wt% 정도의 N 첨가를 통해 보충함으로써 원자로 배관용 type 347의 최적 재료특성을 얻을 것을 제안하였다.
연구의 파급효과
연구결과가 신고리 1, 2호기 등 한국형 표준원전 가압기밀림관 재료구매사양 작성에 반영되어 양질의 소재의 적용이 가능해짐에 따라 안정적으로 파단전누설 설계안전 여유가 확보함으로써 원자력발전소의 경제성 및 안전성이 제고되었다.
그림 1. Type 347 스테인리스강에 생성된 Nb(C,N) 석출물
그림 2. Type 347 스테인리스강의 균열찢김계수와 화학조성의 상관관계