연구배경
ASME Boiler and Pressure Vessel Code, Section III에는 원자력발전소 피로손상 평가방법을 명시하였고 설계에 필요한 피로설계곡선이 제공되고 있다. 여기서 제공한 곡선은 주로 저주기 피로시험을 기준으로 작성한 곡선이다. 이러한 피로설계 곡선은 상온 공기중에서 수행된 피로시험 결과를 기준으로 하중에는 2, 사이클에는 20의 margin을 곱하여 더 보수적인 것으로 곡선을 작성한 것이다. 20의 margin이란 시험자료 scattering의 영향을 2, 시편크기의 영향을 2.5, 표면상태, 분위기 등의 영향을 4로 간주하여 작성한 것이다. 이러한 설계곡선을 기준으로 피로손상평가가 이루어지는데 피로손상은 피로누적손상계수로서 평가하고 있다. 피로누적손상계수란 해당 응력(변형)에서의 피로수명 사이클과 현재 진행된 사이클의 비율인데 이것이 1이 되면 파단이 발생하는 것으로 간주한다.
실제 원전환경과 유사한 환경에서 피로시험한 결과에 의하면 ASME에서 제시한 곡선이하에서 파단되는 경우가 발생하였다. 원전환경이 피로수명을 얼마나 감소시키는지를 확인하기 위하여 원전환경에서 온도, 용존산소, 변형속도, 유체속도 등의 변화에 관하여 실험이 진행되었다. 이러한 실험결과들을 바탕으로 원전환경의 영향을 평가할 수 있는 환경피로 보정계수 (Fen)를 도입하여 원전환경이 피로손상에 미치는 영향을 평가하기 위한 절차와 방법들이 개발되었다.
기존의 가동중 원전의 경우 피로손상에 의한 건전성 평가는 ASME Section XI의 절차에 따라 가동중 검사를 통하여 결함을 검사하고 결함이 발견될 경우 결함의 크기와 형상으로부터 결함의 허용여부를 결정하는데 결함의 크기가 가동을 위하여 적절하지 않을 경우 안전성해석을 수행하게 된다. 안전성 해석에는 실험결과들이 적용되어야 하지만 데이터가 부족한 경우 이들 거동을 예측한 식들이 ASME에서 제시되어 있고 이러한 수식들을 이용하여 안전성 해석을 수행하도록 하고 있다. ASME Section XI에서 오스테나이트 스테인리스강의 경우 상온에서의 피로균열전파속도 곡선은 제시되어 있지만 원자로 환경하에서 피로균열전파속도 곡선은 아직 제시되어 있지 않다.
환경피로 평가시 문제점
원전구조물의 피로손상평가를 ASME Section III에서 제시된 곡선으로 수행할 경우, 가압기 밀림관 (type 347 스테인리스강)의 경우 피로누적손상계수가 1을 초과하는 것으로 평가됨으로서 환경피로 손상평가에 대한 대책이 필요하게 되었다. 이러한 평가에 대한 문제점으로서는 환경피로에 관한 데이터가 실험실적으로 평가된 것으로 실제 원전 구조물의 경우와는 다르다는 것을 고려해야 한다는 것과 원전수명동안 가동/정지 횟수가 실제 가동에서는 설계시에 고려한 것보다 작기 때문에 현실적인 데이터를 기준으로 평가하여야 한다는 것이다.
환경피로 연구
미국의 경우는 ANL에서 환경피로에 관하여 많은 연구를 수행하여 실험결과를 NUREG/CR-6909로 2007년도에 발간하였다. 이 보고서를 기반으로 NRC에서는 2007년도에 Regulatory guide 1.207을 발간하게 되었고 현재 ASME Code case N792가 공표된 상태이다. 일본에서도 환경피로에 관하여 많은 실험을 수행하여 Ministry of International Trade and Industry (MITI)에서 2000년에 guideline을 제시하였고 2006년도에 JSME가 환경피로에 관한 Code를 만들어서 2009년도에 update한 상태이다.
저합금강의 경우는 냉각수내 용존산소함량이 감소하면 피로수명은 증가하는 반면 오스테나이트 스테인리스강의 경우는 용존산소함량이 감소하면 피로수명은 오히려 감소하는 경향을 나타내었다. 원전환경인 수중에서 피로수명이 감소하는 원인은 원전환경 하에서 용존산소에 의해서 발생한 산화에 의해서 표면에 피로균열생성이 조장되기 때문이지만 대부분의 경우는 이 표면균열의 성장단계가 더 중요하게 된다. 원전환경하에서 피로균열이 성장하는 기구는, 저합금강의 경우는 슬립용해/산화 의해서 발생하는 것으로 알려져 있고 오스테나이트 스테인리스강의 경우 용존산소 함량이 감소함에 따라 피로수명이 감소하기 때문에 슬립용해/산화에 의한 기구로는 설명이 어려워 산화반응에 의해서 발생한 수소가 균열선단으로 들어가서 발생하는 수소취성에 의한 것으로 알려져 있다. 그러나 원전환경하에서 피로손상 평가는 균열의 생성과 전파과정으로 이루어지는데 균열생성단계나 균열의 크기가 작을때는 재료의 표면상태와 미세조직이 크게 영향을 미치게 되고 균열이 성장함으로서 탄성파괴역학을 적용할 수 있게 된다. 균열의 생성과 전파의 과정을 하나의 기구로서 설명할 수 있는 예측모델은 현재까지 개발되지 않았다. 균열의 생성과 전파에 따른 손상기구에 대한 연구는 아직 체계적으로 수행되지 않아서 원전환경에서의 손상기구가 규명되지 않은 상태이므로 장시간 사용에 따른 환경피로 손상예측은 부정확하게 된다.
그림 1. 환경피로시험기 구성
그림 2. 밀림관 소재의 환경피로특성