개요
2012년 3월부터 2017년 2월까지 수행된 “장기가동 원전재료 안전성 향상 신기술 개발” 대과제의 1세부과제인 “원전 니켈합금 부식균열 평가 및 예측모델 개발” 과제에서 성취한 주요 연구 성과를 간략히 정리하였다. 본 연구에서는 60년 이상 원자력 발전소의 장수명 확보를 위한 니켈합금 부식균열 평가 및 수명예측 기술을 개발하기 위하여, 니켈합금의 부식균열 민감요인 및 평가 신기술 개발, 주요부품 수명예측 기술 개발을 최종 목표로 하였으며, 5년간의 연구를 통해 아래 4항목의 중요성과를 도출하였다.
- 원전 1차 계통 노즐 관통부 모재와 용접재로 사용되는 Alloy 690 및 동종 용접재의 PWSCC 가속 평가기법 개발, PWSCC 민감요인별 평가, Alloy 600 대비 PWSCC 개선 인자 평가 및 검증 수행.
- Alloy 690 PWSCC 성장속도 DB 구축, Alloy 690 PWSCC 성장 예측식 개발을 통한 Alloy 690 부품 균열 저감 방안 도출.
- Alloy 690 ODSCC 가속 평가기법 개발, ODSCC 민감요인별 평가를 통한 Alloy 600 대비 ODSCC 개선인자 확보.
- Alloy 690 ODSCC DB 구축 및 틈새 복합환경 ODSCC민감도 평가를 통한 Alloy 690 ODSCC 민감 예측식 확보, 증기발생기 전열관(Alloy 600) SCC 확률론적 예측모델 개발
연구의 상세내용을 크게 (1) Alloy 690 PWSCC 평가 및 성장 예측모델 개발 분야와 (2)Alloy 690 ODSCC 민감요인 및 개선인자 평가로 나누어 기술한다.
Alloy 690 PWSCC 평가 및 성장 예측모델 개발
Alloy 690 모재/용접부 재료 및 응력인자 특성평가
본 연구의 목적은 Alloy 690의 민감요인 개선 및 평가를 수행하기 위한 사전 작업의 일환으로, 재료의 화학조성, 미세조직, 그리고 기계적 특성 등이 PWSCC 저항성에 미치는 영향을 평가하고자 함이다. 이를 위해 Alloy 690/152 용접재를 제작하여 화학조성 및 미세조직 분석, 미세경도 측정 및 상온/고온 인장시험을 수행하고 결과를 분석하였다. Alloy 690 용접부 균열민감요인 평가결과 Alloy 690/152 용접부는 Alloy 600/182 용접부에 비해서 매우 낮은 균열성장 특성을 보임을 확인하였다 (그림 1). 표면산화막 분석으로 통해 Alloy 690/152 용접부는 높은 Cr 함량에 의해 입계산화 (입계균열 개시 전조현상)가 일어나지 않음을 확인하였다. Alloy 600과 Alloy 690의 수소농도에 따른 표면산화막 비교, 분석 자료는 니켈기 합금의 PWSCC 발생을 최소화하기 위한 기초자료로 활용될 수 있으며, 이를 통해 발전소의 부품 안전관리에 기여할 수 있을 것이다.
그림 1. Alloy 600과 Alloy 690의 PWSCC 균열에 미치는 입계산화물의 거동비교
Alloy 690 PWSCC 성장 예측식 개발
본 연구에서는 국내 원전 상부헤드 관통관 Alloy 690 모재의 PWSCC 균열 성장속도 DB를 통계 분석하여 균열 성장속도에 미치는 주요 인자들(재료 잔류 변형량, 온도, 수소농도, 응력)의 영향을 모듈화한 후 이를 종합하여, 그림2와 같이 건전성 평가에 적용 가능한 성장 예측식 개발하고자 하였다.
그림 2. Alloy 690 PWSCC 성장 예측식 개발
국내원전 CEDM 관통관 Alloy 690 PWSCC 성장속도 DB 및 성장예측식을 개발하였다. 이식은 미세조직 균질성, 잔류 변형량 분석, 전위밀도 계산 결과를 바탕으로 하였으며 PWSCC 성장 기구 모델을 제안하였다. 이러한 결과는 CEDM 관통관 Alloy 690 부품의 PWSCC 성장속도를 예측하고, 보수 및 정비 방안을 수립하는데 직접 활용될 수 있으며 Alloy 690 PWSCC 성장을 저감할 수 있는 잔류 변형량 개선, 가동 온도 및 수소농도 최적화 방안도출 실증 연구 및 기술 적용성 검증 후 현장 적용이 가능할 것이다.
Alloy 690 ODSCC 민감요인 및 개선인자 평가
환경에 따른 Alloy 600 대비 Alloy 690의 개선인자 도출
그림 3은 DB를 보강하고, 변수분리를 하여 얻은 pH에 따른 Alloy 600 대비 Alloy 690의 의 FOI(Factor of improvement) 곡선이다. 앞서 EPRI에 의해 얻어진 곡선에 비해 FOI 값이 훨씬 낮아졌는데 이는 강알칼리 환경에서는 Alloy 690이 Alloy 600 보다 오히려 더 취약할 것으로 예측됨을 잘 보여주는 연구결과이다.
그림 3. 환경인자를 고려한 Alloy 600재비 Alloy 690재료의 개선인자 평가곡선 개발
Alloy 690 ODSCC 민감예측 프로그램 개발
그림 4와 같이 ODSCC 개선인자 database의 활용성을 높이기 위하여 pH에 따른 FOI 도출 프로그램을 개발하였다. 시험환경 환경 pH, 변수분리법 적용 여부, Cl- effect(O로 표기)를 본 연구에서 수행한 0.36 값으로 설정할 것인지의 여부를 입력하면, 그에 따른 도출 값으로 EPRI report에서 제시하는 FOI 값과 KAERI 에서 구축한 DB에 의한 개선인자 값이 도출되는 형식으로 활용할 수 있는 프로그램이다.
그림 4. pH에 따른 Alloy 690의 개선인자 평가프로그램