탄소강의 결정립계 균열을 방지하는 방법

특허청구의 범위
청구항 1
탄소강인 중수로 원전 피더관(feeder pipe)을 900℃에서 노멀라이징 열처리하기 전에, 수소 기체를 포함하는 환원성 혼합 기체를 주입하여 환원성 기체의 존재하에 열처리하여 탈탄층의 형성을 방지하며,상기 수소 기체를 1ℓ/min의 속도로 20분 동안 주입하여 환원성 혼합 기체 전체 부피에 대하여 25% 부피비 이상으로 포함되는 것을 특징으로 하는 탄소강의 결정립계 균열을 방지하는 방법.
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명 세 서
발명의 상세한 설명
기 술 분 야
본 발명은 탄소강의 결정립계 균열을 방지하는 방법에 관한 것이다. 구체적으로, [0001] 중수로 원전 피더관의 열처리시 질소대신 환원성 기체를 사용하여 탄소의 산화 및 탈탄층 형성을 억제함으로써 탄소강의 결정립계 균열을 방지하는 방법에 관한 것이다.
배 경 기 술
[0002] 중수로 원자력 발전은 천연 우라늄을 핵연료로 사용하고 감속재는 중수를 사용하는 원자력 발전이다. 감속재로중수를 사용하게 되면 핵연료를 천연우라늄으로 쓰더라도 핵분열 작용이 잘 일어나기 때문에 핵연료 우라늄을농축하지 않아도 되는 장점이 있다. 그러나 중수는 보통 물 가운데 약 6500분의 1이 포함되어 있으므로 중수만을 모아서 사용해야 하는 단점도 있다. 캐나다에서 개발한 이 발전형 중수로는 “캔두(CANDU)형 원자로” 또는가압 중수형 원자로라고 하는데 우리나라의 월성 원자력 발전소가 바로 이 캔두형 원자로이다. 캔두형 원자력발전소의 원자로 용기(칼란드리아)는 다수의 압력관을 포함하며, 상기 압력관의 내부에는 압력관의 종방향으로핵연료가 삽입되고 가열 수단(중수)이 관류하게 된다. 각각의 압력관의 유입측 및 배출측은 피더관(feeder pipe)에 연결되며, 상기 피더관은 공통의 유입구 모관(inlet header)으로부터 뻗어나오거나, 공통의 배출구 모관(outlet header)내로 이어진다. 이러한 피더관은 비교적 작은 내부 직경을 가지며 작은 곡률 반지름을 갖는다수의 굴곡부(bending)를 갖는다.[0003] 상기 압력관이나 피더관등 발전 설비에 사용되는 많은 배관들은 부식성이 강한 경우를 제외하고는 대부분 탄소강 배관이 사용된다. 종래부터 탄소강의 철성분이 내부를 흐르는 물에 용해되어 들어가 배관의 두께가 감소하는현상이 발전 설비에서는 종종 발생하여 이를 저감시키기 위한 연구가 진행되어 왔다. 또한, 압력관의 배출구에서 이상혼합물이 배출되어 피더관을 마식시키는 현상도 발견되어 이를 개선하기 위한 연구도 수행되어 왔다. 그러나, 캔두형 중수로 원자력 발전의 피더관(외부직경: 50mm, 두께: 7mm)의 굴곡부에서 1997년부터 최근까지 입계 균열이 발생해오고 있는데, 그에 대한 명확한 이유는 밝혀지지 않고 있다.

발명의 내용
해결 하고자하는 과제
상기의 문제점을 해결하고자, 본 발명에서는 탄소강의 열처리시 환원성 [0004] 혼합기체를 사용함으로써 중수로 원전피더관의 산화 및 탈탄층 형성을 억제하여 굴곡 및 사용시 탄소강의 결정립계 균열을 방지하는 방법을 제공하고자 한다.
과제 해결수단
[0005] 상기의 목적을 달성하고자, 본 발명은 탄소강의 열처리전에 환원성 혼합 기체를 주입하여 환원성 기체의 존재하에 열처리하여 탈탄층의 형성을 억제하는 것을 특징으로 하는 탄소강의 결정립계 균열을 방지하는 방법을 제공한다.[0006][0007] 본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 탄소강은 중수로 원전 피더관일 수 있다.[0008] 본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 환원성 혼합 기체는 수소 기체를 포함할 수 있다.[0009] 본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 수소 기체는 환원성 혼합 기체 전체 부피에 대하여 25%이상의 부피비로 포함될 수 있다.[0010] 본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 열처리는 노멀라이징 열처리 일 수 있다.
효 과
[0011] 본 발명의 방법에 의하면 탄소강의 노멀라이징 열처리시 미량의 산소가 존재한다 하더라도 탈탄층이 생성되지않는다. 탈탄층이 형성되지 않으므로 불순물의 입계 편석 현상도 나타나지 않아 응력이 작용했을 시 탄소강의결정립계 강도가 증가한다. 따라서, 탄소강의 균열을 막는다. 특히, 중수로 원전 피더관의 경우 균열되어 중수가 흘러나오면 심각한 방사능 오염을 초래할 수 있는 바, 탄소강의 균열을 막는다면 경제적 파급효과가 상당할것이다.[0012] 또한, 수소와 질소의 가격이 비슷하므로 열처리 비용이 상승되지 않고, 열처리후 원하는 물성을 갖춘 탄소강을얻을 수 있다. 기존의 열처리 장비에서 수소 가스를 주입하는 추가적인 설비만 부착하면 되는 것으로 간단한 방법으로 영속적으로 사용할 수 있다.[0013]발명의 실시를 위한 구체적인 내용[0014] 이하, 본 발명을 상세히 설명한다.
[0015] 본 발명은 탄소강의 열처리시 환원성 혼합 기체를 사용하여 탄소의 산화를 막아 탈탄층이 형성되지 않도록 함으로써 탄소강의 결정립계 균열을 막는 방법을 제공한다.[0016] 본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 탄소강은 중수로 원전의 피더관(feeder pipe)일 수 있다.[0017] 상기 중수로 원전 피더관에 균열이 발생하여 붕괴되는 경우, 방사능에 오염된 중수의 유출로 주변 지역에 심각한 방사능 오염을 초래할 수 있다. 따라서, 본 발명에서는 상기 중수로 원전 피더관의 균열의 원인이 탈탄층 형성에 있음을 규명하고, 이의 균열을 막는 방법을 제공한다.탄소강은 철에 탄소가 포함된 것으로 탄소의 함량이 2%미만인 경우를 탄소강이라 [0018] 하며, 저탄소강은 탄소의 함량이 0.3% 미만인 것으로 연강이라고도 한다. 중수로 원자력 발전소의 피더관(feeder pipe)은 일반적으로 저탄소강으로 이루어져 있다.[0019] 탄소강은 열처리를 통해서 매우 다양한 미세조직과 성질이 얻어지기 때문에, 원하는 성질을 얻기 위해 열처리 과정을 거친다. 중수로 원전에 사용되는 피더관의 경우는 노멀라이징(normalizing) 열처리 과정을 거친다.노멀라이징 열처리는 탄소강을 높은 온도에서 가열해서 오스테나이트(austenite)화 시킨 후, 다시 공기중에서냉각시키는 과정을 말한다. 오스테나이트는 원자의 배열상태가 면심입방구조(face-centered cubic, FCC)로 된것을 말한다. 상온에서 펄라이트 구조로 존재하는 탄소강을 가열하면 페라이트 부분은 오스테나이트가 되고, 세멘타이트 형태로 존재하던 탄소는 분해되어 오스테나이트 속으로 고용되게 된다. 결국 온도가 올라가면 모두 오스테나이트가 된다. 이것을 다시 온도를 내리게 되면 오스테나이트는 일부 초정 페라이트가 되고 나머지 오스테나이트는 723℃ 아래에서 페라이트와 세멘타이트가 층상으로 이루어진 퍼얼라이트가 된다. 이 과정을 노멀라이징 열처리라고 하며, 중수로 원전에 쓰이는 피더관의 경우 일반적으로 약 900℃에서 노멀라이징 열처리를 한다.[0020] 도 1은 노멀라이징 열처리 직후, 상기 중수로 원전의 피더관의 단면을 광학현미경으로 관찰한 결과이다. 도 1에 의하면 피더관의 내부는 펄라이트(pearlite)와 페라이트(ferrite)의 2상 구조로 되어 있으며, 표면은 페라이트로 이루어진 탈탄층이 형성되어 있다.[0021] 상기 중수로 원전의 피더관의 내부는 펄라이트와 페라이트의 2상 구조로 되어 있다. 철에 탄소가 들어가면 탄소는 체심 입방 격자 (Body Centered Cubic, BCC)안에 고용되어 존재한다. 이를 페라이트 구조라 한다. 그러나,탄소가 페라이트 구조내에 고용되어 존재하는 것은 극히 미량이고, 탄소는 세멘타이트(Fe3C)라고 하는 탄화물의형태로 존재한다. 이 세멘타이트와 페라이트가 서로 교대로 한 층씩 적층되어 있는 형태를 펄라이트라 한다. 펄라이트는 페라이트와 분리되어 따로 영역을 차지하여 존재하는데 탄소량이 많아지면 펄라이트 영역이 점점 넓어진다.[0022] 상기 중수로 원전의 피더관의 표면은 페라이트 구조로 되어 있다. 이는 내부보다 탄소의 함량이 적은 것으로 탈탄층이 형성된 것임을 알 수 있다. 탈탄이란 탄소가 표면에서 탈리되어 표면 가까이에 탄소가 적어진 층이 생기는 것을 말한다. 탄소가 탈리되는 이유는 탄소가 표면에 접촉한 산소와 반응하여 산화되어 기체화합물의 형태로제거되었기 때문이다. 탈탄층이 형성되면 표면의 굳기와 내식성이 감소된다. 도 1에 의하면 중수로 원전 피더관의 표면 탈탄층의 두께는 약 150μm정도이다.[0023] 산업현장에서는 산화방지를 위해 상기 노멀라이징 열처리를 질소분위기하에서 수행한다. 불활성 기체인 질소를장시간동안 열처리 노에 주입하여 노내에 존재하는 공기를 몰아내고 질소로 채운 뒤에 열처리를 한다. 그러나,노내의 공기가 완전히 제거되지 않기 때문에 미량의 산소가 남아있다. 이 산소가 탄소와 산화반응을 하고, 탄소의 산화로 탈탄층이 형성되는 것으로 보인다. 이러한 탈탄층에서는 입계에 존재하는 탄소의 함량이 작고, 입계에 탄소대신 불순물인 인(phosphorous)이 존재하게 된다. 따라서, 인의 입계 편석 현상이 관찰된다.[0024] 도 2는 탈탄층이 형성된 중수로 원전의 피더관을 고진공의 액체 질소 온도에서 파괴 후 그 파면 및 파면의 표면을 오제 전자 현미경(Auger Electron Spectroscopy)으로 분석하여 표면에 존재하는 인의 함량을 나타낸 것이다.도 2에 의하면 피더관 내에 포함된 인의 함량이 50ppm, 190ppm, 920ppm인 모두의 경우에서 결정립계 균열이 발생되었으며 탄소강내의 인의 함량이 높을수록 결정립계에 존재하는 인의 함량도 높아져 인의 입계 편석 현상이 심화됨을 알 수 있다.[0025] 도 3은 탈탄층이 형성된 시험편을 490℃에서 열처리하면서 시간에 따라 결정립계에 편석된 인의 함량과 그에 따른 파단강도(fracture strength)를 나타낸 결과이다. 도 3에 의하면, 결정립계에 인의 편석량이 증가함에 따라결정립계 강도는 현저히 감소한다. 피더관에 탈탄층이 형성되면 결정립계에 불순물인 인이 편석되어 결정립계의강도가 현저히 감소되고 그로 인해 전형적인 결정립계 균열이 나타나게 되는 것이다.[0026] 도 4는 탈탄층이 형성되지 않은 피더관을 액체 질소 온도에서의 파괴한 후 그 파면을 관찰한 결과이다. 도 4에의하면 탈탄층이 형성되지 않은 피더관의 경우 입내 파괴만 관찰될 뿐, 결정립계 파괴가 전혀 관찰되지 않는다.도 5는 표면 탈탄층이 형성된 탄소강을 굴곡시킨 후에 발생한 결정립계 균열 [0027] 양상을 광학 현미경으로 관찰한 결과이다. 도 5에 의하면, 탈탄층에서 약 40~70㎛의 결정립계 균열이 발생하였다. 따라서, 탈탄층이 형성되는 경우 불순물인 인의 결정립계 편석현상이 나타나고 이로 인해 결정립계 강도가 약해지므로 피더관을 굴곡(bending)시킬때, 이 부분에서 입계 균열이 발생하는 것으로 보인다.[0028][0029] 상기와 같이 입계 균열이 생긴 피더관이 중수로 원전에 사용되는 경우, 피더관은 중수에 포함되어 있는 용존 산소와 반응하여 얇은 산화 피막을 형성한다. 그러나, 피더관에 균열이 있었는 바, 굴곡후에 내재하는 잔류응력이균열 부분에 집중되면 산화피막이 파괴된다. 이런한 산화피막의 형성 및 파괴가 반복되면서, 피더관의 입계 균열은 진전되는 것이다.[0030] 상기에서 살펴본 바와 같이, 노멀라이징 열처리시 탄소가 산소와 반응하여 산화됨으로써 피더관 표면에 탈탄층이 생성되고, 이로 인해 불순물인 인의 입계 편석 현상이 발생된다. 인의 입계 편석으로 피더관 굴곡(bending)시 입계 균열이 발생할 수 있고, 균열이 형성된 피더관이 중수로 원전내에서 사용되는 경우 응력이 집중되면 피더관의 입계 균열이 진전되는 것이다. 따라서, 균열을 근본적으로 막기 위해서는 노멀라이징 열처리시 탄소가산화되어 탈탄층이 형성되는 것을 방지해야 한다.[0031] 본 발명에서는 탄소가 산화되어 탈탄층이 형성되지 않도록 노멀라이징 열처리시 환원성 혼합 기체를 사용한다.환원성 혼합 기체는 자신이 산화되고 탄소의 산화를 막으므로 탈탄층 형성을 막게 된다.[0032] 본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 환원성 혼합 기체는 수소 기체를 포함할 수 있다. 상기 수소 기체는 환원성 혼합 기체 전체 부피에 대하여 25%이상의 부피비를 갖는다. 환원성 혼합 기체의 전체 부피에 대하여 25%이상의 부피비로 수소가 사용되어야 탄소 기체의 산화를 막아 탈탄층의 형성을 억제할 수 있다.[0033][0034] 이하, 실시예 및 비교예에 의해 본 발명을 상세히 설명한다. 이는 본 발명의 설명을 위한 것일 뿐, 이에 의해본 발명의 범위가 제한되지 않는다.[0035] <실시예 1>[0036] 저탄소강으로 이루어진 중수로 원전에 사용되는 피더관을 900℃에서 노멀라이징 열처리를 하였다. 열처리시 수소를 1ℓ/min의 속도로 20분 동안 주입하여 수소 분위기하에서 열처리가 진행되도록 하였다.[0037] <실시예 2>[0038] 상기 실시예 1에서 수소를 25% 부피비, 질소를 75%의 부피비로 주입하여 열처리 하는 것을 제외하고 상기 실시예 1과 동일하게 저탄소강으로 이루어진 피더관을 열처리 하였다.[0039] <비교예 1>[0040] 상기 실시예 1에서 수소 대신 저순도 질소를 주입하여 열처리 하는 것을 제외하고 상기 실시예 1과 동일하게 저탄소강으로 이루어진 피더관을 열처리 하였다.[0041] <실험예 1>[0042] 상기 실시예 1, 2 및 비교예 1에서 열처리한 피더관의 단면을 광학 현미경으로 관찰하여 탈탄층이 형성되었는지살펴보았다. 그 결과는 도 6과 같다.[0043] 실시예 1과 2에서 열처리한 피더관은 탈탄층이 형성되지 않았고, 비교예 1에서 열처리한 피더관은 탈탄층이 형성되었다.[0044] <실험예 2>[0045] 상기 실시예 1, 2 및 비교예 1에서 열처리한 피더관을 저속 인장시험한 후, 입계 균열 양상을 주사 전자 현미경으로 관찰하였다. 그 결과는 도 7 내지 도 9에 나타내었다.[0046] 도 7 및 도 8에 의하면 실시예 1과 2에서 열처리한 피더관의 경우 전형적인 연성파괴를 보였으나 결정립계 균열은 관찰되지 않았고, 도 9에 의하면 비교예 1에서 열처리한 피더관의 경우 탈탄층이 형성되어 모서리 부분에서균열 길이가 500㎛ 이상인 결정립계 균열 양상을 확인할 수 있었다.

도면의 간단한 설명
도 1은 중수로 원전 피더관의 단면을 [0047] 광학 현미경으로 관찰한 결과이다.[0048] 도 2는 탈탄층이 형성된 중수로 원전 피더관을 고진공의 액체 질소 온도하에서 파괴 후, 그 파면 및 파면의 표면을 오제 전자 현미경으로 분석한 결과를 나타낸 것이다.[0049] 도 3은 탈탄층이 형성된 시험편을 490℃에서 열처리시 시간에 따라 결정립계에 편석된 인의 함량과 결정립계의파단 강도를 나타내는 것이다.[0050] 도 4는 탈탄층이 형성되지 않은 피더관을 액체 질소 온도에서 파괴후 그 파면을 관찰한 결과를 나타낸 것이다.[0051] 도 5는 표면 탈탄층이 형성된 탄소강을 굴곡시킨 후에 발생한 결정립계 균열 양상을 광학 현미경으로 관찰한 결과이다.[0052] 도 6은 실시예 및 비교예에서 열처리된 중수로 원전 피더관의 단면을 광학 현미경으로 관찰한 결과이다.[0053] 도 7은 실시예 1에서 열처리된 중수로 원전 피더관을 저속 인장시험후 결정립계 균열 진행 양상을 관찰한 결과이다.[0054] 도 8은 실시예 2에서 열처리된 중수로 원전 피더관을 저속 인장시험후 결정립계 균열 진행 양상을 관찰한 결과이다.[0055] 도 9는 비교예 1에서 열처리된 중수로 원전 피더관을 저속 인장시험후 결정립계 균열 진행 양상을 관찰한 결과이다.