니켈-베이스 합금 원전 구조재의 1차 계통수 응력 부식 균열 개시 방지 방법

본 발명은 원자로를 구성하는 니켈-베이스 합금의 부품과 상기 부품을 연결하는 용접 재료인 니켈-베이스 합금의 원전 1차수 응력부식균열(primary water stress corrosion cracking, 이하, PWSCC) 개시 방지방법에 관한 것으로, 더 상세하게는 Alloy 600으로 제작된 원자로의 부품 및 Weld 182/82 용접 금속의 니켈 베이스 합금을 원전 1차수 환경에 노출시키기 전에 규칙화 열처리로 규칙화를 완성시킨 후, 원전 1차수의 환경에 노출시켜 원자로 정상 가동 상태에서는 규칙화에 의한 추가적인 결정의 수축이 일어나지 않도록 하여 1차수 응력부식균열이 발생되지 않도록 하는 니켈-베이스 합금 원전 구조재의 1차 계통수 응력 부식 균열개시 방지방법에 관한 것이다. 본 발명의 장점은 니켈-베이스 이종 금속 용접부의 1차수 응력부식균열을 완화하기 위하여 개발된 laser peening, water jet peening, weld inlay 방법은 원전 1차수에 접하는 면에 대한 직접적인 처리가 필요하지만, 본 발명의 1차수 응력부식균열 개시 방지 방법은 내면에 대한 완화 처리를 외면에서도 가능하다는 것이다.

특허청구의 범위
청구항 1
원자로를 구성하는 니켈-베이스 합금 배관 부품과, 각 부품을 연결하는 용접 재료인 니켈-베이스 합금에 1차수응력 부식 균열(PWSCC) 개시를 방지하는 규칙화 처리가 이루어지도록 하되;상기 니켈-베이스합금은 400 ~ 520 ℃의 온도구간에서 0.5 ~ 200 시간 유지하여 규칙화가 이루어지도록 하는 것을 특징으로 하는 니켈-베이스 합금 원전 구조재의 1차 계통수 응력 부식 균열 개시 방지방법.
청구항 2
삭제
청구항 3
제 1항에 있어서,상기 니켈-베이스합금은 Alloy 600, Weld 182, Weld 82로 이루어진 군으로부터 선택 사용됨을 특징으로 하는 니켈-베이스 합금 원전 구조재의 1차 계통수 응력 부식 균열 개시 방지방법.
청구항 4
제 1항에 있어서,상기 온도구간 중 480 ~ 520 ℃의 온도구간에서는 시간당 5~10℃로 가열 및 냉각이 이루어지도록 한 것을 특징으로 하는 니켈-베이스 합금 원전 구조재의 1차 계통수 응력 부식 균열 개시 방지방법.
청구항 5
제 1항에 있어서,상기 니켈-베이스합금으로 제조된 부품인 배관의 규칙화는배관의 내부나 외부 중 한 쪽 부위에 상기 400 ~ 520 ℃의 온도구간 이상으로 열을 가하여 다른 쪽 부위의 온도를 480 ~ 520 ℃ 온도구간으로 유지시키는 단계와;상기 온도를 낮추는 과정에서 상기 400 ~ 520 ℃의 온도구간 이상으로 열을 가한 한 쪽 부위를 상기 400 ~ 520℃의 온도구간으로 유지하는 단계를 포함하여 다단의 열처리과정으로 이루어짐을 특징으로 하는 니켈-베이스 합금 원전 구조재의 1차 계통수 응력 부식 균열 개시 방지방법.
명 세 서
발명의 상세한 설명
기 술 분 야
본 발명은 원자로를 구성하는 니켈-베이스 합금의 부품과 상기 부품을 연결하는 [0001] 용접 재료인 니켈-베이스 합금의 원전 1차수 응력부식균열 (primary water stress corrosion cracking, 이하, PWSCC) 개시 방지방법에 관한것으로, 더 상세하게는 원자로의 부품으로 사용되는 Alloy 600 및 그 용접 금속 Weld 182/82의 니켈 베이스 합금을 원전 1차수 환경에 노출시키기 전에 규칙화 열처리로 규칙화를 완성시킨 후, 원전 1차수의 환경에 노출시켜 원자로 정상 가동 상태에서는 규칙화에 의한 추가적인 결정의 수축이 일어나지 않도록 하여 PWSCC가 발생되지 않도록 하는 니켈-베이스 합금 원전 구조재의 1차 계통수 응력 부식 균열 개시 방지방법에 관한 것이다.
발명의 내용
해결 하고자하는 과제
[0002] Alloy 600은 원자로 증기발생기(steam generator) tube, CRDM (control rod driving mechanism) nozzle, BMI(bottom mounted instrumentation) nozzle 등의 여러 구조 재료로 사용되고, 이 Alloy 600 및 스테인리스강을포함한 다른 금속의 용접에는 Weld 182/82/132 용접 금속이 사용되며, 이들 용접 부위를 이종 금속 용접부라고한다. 이들 재료는 PWSCC (primary water stress corrosion cracking) 기구에 의한 손상으로 관통 균열이 형성되고 원자로 1차 냉각수 누설을 일으킨 바 있다. 이 손상 기구는 1970년대까지는 실험적으로 잘 재현되지 않아,현재 전 세계에서 가동 중인 상용 원자로가 설계될 때에는 이 손상에 대한 대비책이 반영되지 않았다.
따라서 이 손상 기구로 인하여 원자로 1차 냉각수가 누설되어도 즉각적인 [0003] 탐지가 불가능한 상황이므로 최근 원자로 설계에 사용한 LBB (leak before break) 개념의 유효성에 대한 의문을 제기하고 있다. 이 손상이 중요한이유는 원자로의 1차 측 경계 부위에 채택된 이종 금속 용접부의 PWSCC 손상으로 방사성 물질이 원자로 1차 경계 밖으로 유출되는 문제를 유발한다는 것이다.
[0004] 상기 PWSCC 현상은 저 부식성 수질로 알려진 원전 1차 계통수에서 입계 응력 부식 균열 (intergranular stress corrosion type, IGSCC) 형태로 발생하는 것이 특이하다. 상기 PWSCC 현상은 1차 계통수에서 발생한다는 것을제외하고는 다른 SCC 현상과 유사하게 응력이 높아지면 전파 속도가 빨라진다. 즉, 응력은 PWSCC의 구동력이다.
실제로 PWSCC가 발생한 원전 부품의 설계 응력은 PWSCC를 재현하기 위하여 필요한 응력의 1/4 이하이다. 그럼에도 불구하고 PWSCC가 발생하므로 PWSCC가 발생한 부위에는 잔류응력이 작용했으며, 이와 동시에 산화(oxidation)나 양극 용해(anodic dissolution)가 일어났기 때문이라고 추정되어 왔다.
[0005] Alloy 600은 600℃에서 24시간 정도 유지되면 결정립계에 충분한 양의 탄화물이 석출한다. 이때 결정 입계의 Cr농도가 낮아지고, 이로 인해 입계의 부식 저항성이 낮아지는 현상을 예민화(sensitization)라고 부른다. 이 설명은 결정입계의 부식 저항성이 낮은 이유를 설명한 효시이다. 그러나 최근 예민화된 Alloy 600이 원자로 1차수가동 환경에서 가장 예민하지 않다는 것이 확인되었다. 즉, 이것은 PWSCC 현상이 결정립계의 Cr 고갈에 의한 양극용해에 대한 취약성만으로 설명되지 않는다는 것을 의미한다.
[0006] 또한 PWSCC는 온도가 높아지면 전파 속도가 빨라지는 열적활성화 과정이다. 즉, PWSCC 과정에는 온도의 증가에따라 속도가 빨라지는 반응이 개입되어 있다는 뜻이다. 원전 가동 경험에 따르면, 이 활성화 에너지는 어떤 과정으로 결정되느냐에 따라 다르지만 40~50kcal/mole로 보고되고 있다. 그러나 현재까지 이 열적 활성화 과정의실체에 대해서는 그 타당성을 인정받는 제안이 거의 없는 실정이다.
[0007] 삭제
[0008] 열역학적으로 물질은 서로 섞여 엔트로피를 높임으로써 계의 에너지를 낮춘다. 그러나 특정 합금에서만 일어나는 규칙화 반응은 특정 원자가 특정 위치에 반복적으로 놓임으로써 열역학적인 안정성을 갖는 현상을 말한다.
즉, 특정 원자 간의 특정한 결합으로 특정 원자가 특정 위치에 일정하게 배열하여 엔트로피는 낮아지지만, 특정원자 간의 결합수의 증가에 의하여 합금 계의 열역학적 총에너지를 낮추는 것이다.
[0009] 규칙 반응은 임계 온도 (critical temperature, Tc) 이하에서는 규칙 결합이 안정하여 규칙 적인 배열을 이루지만, 재료가 Tc 이상으로 가열되면 규칙 결합이 불안정하여 구성 원자의 구분없이 무질서하게 섞이며 이를 불규칙화 반응이라고 한다. Alloy 600이나 Weld 182 등은 520℃ 이하에서는 규칙화 반응이 일어나고 600 ℃에서는불규칙화 반응이 일어나는 것으로 판단된다.
[0010] Alloy 600 등의 원전 구조재 니켈 베이스 합금에는 Ni-Cr계에서 형성되는 Ni2Cr (Ni-33 at %Cr) 규칙 구조 기본으로 하는 규칙 반응이 일어나는 것으로 보고되고 있다. Ni2Cr 합금에서는 규칙 반응으로 장범위 규칙상(longrange order, LRO)이 형성되면 초격자 peak이 나타나고 (111) 면간 거리가 0.25%까지 수축한다.
[0011] 그에 반하여 Alloy 600 등의 니켈 베이스 원전 구조 재료의 주요 조성은 Ni, Cr, Fe의 3개 원소라고 할 수 있으며, 이 합금들에서는 Ni2Cr 구조와 유사한 Ni2(CrFe)의 구조를 형성한다는 것이다. 이 경우 투과전자현미경으로는 fringe로만 보이고, 초격자 peak은 나타나지 않는다. 이것은 Ni2Cr과 같은 장범위 규칙상을 형성하지 못하고단범위 규칙상 (short range order, SRO)을 형성하기 때문으로 보인다. 그러나 SRO 상의 분률은 높아 80% 이상을 차지할 것으로 추정된다. 이것이 Alloy 600 등의 니켈-베이스 원전 재료에서 규칙 반응의 존재가 잘 알려지지 않은 원인이라고 할 수 있다.
[0012] 따라서 본 발명은 원전 가동 온도보다는 높고 불규칙화가 일어나지 않는 520℃보다는 낮은 온도에서 미리 규칙화가 완성되도록 함으로써 1차 계통수 환경에서 가동 중 결정의 수축에 의한 입계의 벌어짐이나 응력의 발생을억제시킴으로써 결정의 수축이나 추가적인 응력 발생을 억제시킴으로써 PWSCC 개시를 방지하는 것이 목적이다.
상기의 규칙화 열처리는 규칙화 열처리를 거치지 않고 원전 1차 가동 환경에 [0013] 노출되었던 원전의 니켈 베이스 합금의 부품이나 용접부에서도 같은 효과가 발생할 것으로 예상된다. 왜냐하면, 원전 가동 온도에서의 규칙화 속도는 규칙화 처리에 비하여 매우 느리게 일어나기 때문에 규칙화 처리 전에 원전 1차수 환경에 노출된 경우에도규칙화 반응이 완성되지 않아 규칙화 반응이 추가적으로 발생할 여지를 가지고 있으므로, 규칙화 처리 전에 원전 1차수 환경에 부품에 적용하여도 규칙화가 가속되어 완성될 것이기 때문이다.
[0014] 상기의 규칙화 열처리가 가지는 독특한 장점은 다음과 같다. 대부분의 재료는 압연, 기계적 가공, 용접 등의 가공 과정에서 미세조직이 변화하고, 재료 내부에는 전위 등의 결함이 형성되고, 잔류응력이 형성되는 것으로 알려져 있다. 이들이 재료나 부품의 성능에 결정적인 영향을 미치는 경우에는 열처리 후 사용된다. 아울러 원자로에 사용되는 부품들 중에도 가공 후 후 열처리를 거친 다음 사용되는 경우가 많다. 그러나 열처리가 가능한 지의 여부는 구조물의 크기가 열처리가 가능한 지의 여부나 제작 규격(manufacture specification)에 따라 결정된다고 할 수 있다.
[0015] 가공 과정에서 발생하는 문제를 해결하기 위하여 실시하는 후 열처리 온도는 사용 재료나 부품에 따라 달라지지만 일반적으로 600 ~ 660℃ 정도에서 처리할 필요가 있다. 그러나 이 열처리 온도로 가열하는 동안 구조물의 미세조직이 변화하여 물성이 달라지거나, 재료에 따라서는 후 열처리 온도로 가열하면서 결정립계에 탄화물이 석출하여 예민화되는 등의 치명적인 문제를 유발하게 된다. 더구나, 스테인리스강이나 Alloy 600 등의 니켈 베이합금들은 550℃ 이상에서 유지되면 결정립계에 탄화물이 형성되어 입계 Cr 고갈을 유발하여 부식에 대한 예민성이 높아지는 것으로 알려져 있다.
[0016] 탄화물이 형성되어 부식에 대해 예민하게 하는 조건은 Alloy 600의 경우 600℃ 24시간으로 알려져 있으며 재료의 상태, 종류에 따라 달라진다. 따라서 물리적으로 열처리가 가능한 경우에도 600℃ 이상에서 열처리 하는 것은 열처리가 가져다주는 이점 이외에도 상당한 부작용을 초래하기 때문에 잘 선택되지 않았다.
[0017] 이를 감안하면 대표적인 원전 구조재료인 스테인리스강, 저합금강, 니켈-베이스 합금에 대한 520℃ 이하에서의규칙화 처리는 이들 재료의 미세조직 및 물성의 변화를 피하면서 PWSCC 개시를 방지할 수 있다는 측면에서 매우독특하고 유용하다고 할 것이다.
과제 해결수단
[0018] 상기 과제를 해소하기 위한 본 발명의 니켈-베이스 합금 원전 구조재의 PWSCC 개시 방지방법은,[0019] 원자로를 구성하는 니켈-베이스 합금 배관 부품과, 각 부품을 연결하는 용접 재료인 니켈-베이스 합금에 1차수응력 부식 균열(PWSCC) 개시를 방지하는 규칙화 처리가 이루어지도록 한다.
상기 규칙화 처리는 니켈-베이스합금을 400 ~ 520 ℃에서 0.5 ~ 200 시간 유지하여 이루어지도록 한다.
[0020] 상기 니켈-베이스합금은 Alloy 600, Weld 182, Weld 82로 이루어진 군으로부터 선택 사용되며, 규칙화 반응 속도는 400 ~ 520 ℃ 온도 구간에서도 온도에 따라 달라지지만, 규칙화 온도 구간 내에서도 규칙화 속도가 상대적으로 큰 480 ~ 520℃의 온도 구간에서 시간당 5~10℃로 가열 및 냉각이 이루어지도록 하는 것이다.
[0021] 또한, 상기 니켈-베이스합금으로 제조된 부품의 규칙화 열처리는 배관 부품의 내부나 외부 중 한 쪽 부위에 규칙화 처리 온도 구간인 400 ~ 520 ℃ 이상으로 열을 가하여 다른 쪽 부위의 온도를 상기 400 ~ 520 ℃의 온도구간으로 유지시켜 규칙화시키는 단계와; 상기 400 ~ 520 ℃의 온도 구간 이상으로 열을 가하여 불규칙화 온도로유지된 한 쪽 부위를 온도를 낮추는 과정에서 규칙화 처리 온도구간으로 유지하는 단계를 포함하여 다단의 열처리 과정으로 이루어진다.
효 과
[0022] 이상에서 상세히 기술한 바와 같이 본 발명의 니켈-베이스 합금 원전 구조재의 1차 계통수 응력 부식 균열 개시방지방법은, 원자로의 부품으로 사용되는 니켈 베이스 합금의 규칙화를 완성시켜 원전 가동 환경에 노출시켜 가동함으로써 원전의 가동 환경에서 규칙화에 의한 추가적인 결정의 수축을 방지하여 PWSCC가 발생되지 않도록 함으로써 안정적인 원전 운전과 이용이 가능하도록 한 것이다.
특히 원전에 사용되는 배관 재료와 같이 내면에 방사능이 다량 포함될 경우 [0023] 고가의 장비를 배관 내부에 투입하거나 내부에 직접 들어가지 않고도 외부로부터 열처리하여 규칙화가 이루어지도록 함으로써 시설 유지 보수비용을 절감시키고 작업안정성을 향상시킨 유용한 방법의 제공이 가능하게 된 것이다.
발명의 실시를 위한 구체적인 내용
[0024] 본 발명의 니켈-베이스 합금 원전 구조재의 1차 계통수 응력 부식 균열 개시 방지방법을 설명하면 다음과 같다.
[0025] 원자로를 구성하는 배관 부품과 상기 부품을 연결하는 용접 재료인 니켈-베이스 합금을 규칙화 처리하여 PWSCC개시를 방지한다. 상기 규칙화처리는 니켈-베이스합금을 400 ~ 520 ℃에서 0.5 ~ 200 시간 유지하여 이루어지도록 한다. 상기 니켈-베이스합금은 Alloy 600, Weld 182, Weld 82이다. 이 규칙화 처리를 현장에 적용하는데 있어서는 설비의 설치나 작업 시간을 고려한다면, 최대 24시간 정도의 열처리가 적절할 것이다.
[0026] 상기 니켈-베이스 합금은 520℃ 이상에서 비열이 증가하면서 불규칙화가 이루어짐으로 상기 온도 이하로 가열하여 규칙화가 이루어지도록 하고, 400℃ 이하의 경우 가열하는 시간이 길어짐으로 상기 범위내로 설정하는 것이바람직하며, 가장 바람직하게는 불규칙화가 이루어지기 직전의 온도로 가열함으로써 규칙화 속도를 상승시켜 규칙화 반응시간을 단축시키는 것이다.
[0027] Alloy 600에서의 SRO 형성과정에 대한 열적 활성화 에너지(activation energy, Q)는 Q = 46 kcal/mol 로 확인되었다. 규칙화반응에 대한 활성화 에너지가 Q = 46 kcal/mol일 때 온도에 따른 상대적인 규칙화 속도를Arrhenius 식에 따른 속도 ∝ exp (-Q/RT)에 따라 계산하여 표 1에 비교하여 나타내었다.
표 1
[0028]
표 1에는 원전 가동 온도인 300℃부터 규칙화 온도인 520℃까지의 계산 값 [0029] 및 상대적인 규칙화 속도의 비율을나타내었다. 원전 가동 온도를 300℃로 가정하면, 520℃에서의 규칙화 속도는 300℃보다 약 70,000배 정도 빠르다. 450℃ 이상에서는 규칙화 처리 온도가 약 20℃ 정도 상승하면 규칙화 처리 속도는 약 2배 정도씩 빨라진다고 할 수 있다.
[0030] 표 1의 속도 관계를 이용하여 480℃를 기준으로 규칙화 열처리 시간을 정했을 때의 상대적인 규칙화 속도 및 온도에 따라 규칙화를 완료시키는데 필요한 시간을 표 2에 나타내었다. 표에는 480℃에서 규칙화 열처리 시간을0.5, 2, 8, 24, 50 시간으로 설정하여 계산해 놓았다. 480℃ - 1/2 시간 규칙화 열처리 조건을 선택한 경우라면, 400 ~ 520℃ 구간에서 5.4 ~ 0.18 시간 동안 규칙화 열처리하면 동일한 효과를 나타낸다는 것이다. 480℃ -8 시간 규칙화 열처리 조건을 선택한 경우, 400 ~ 520℃ 구간에서 86.72 ~ 2.91 시간 동안 규칙화 열처리하면동일한 효과를 나타낸다는 것이다. 또한 480℃에서의 처리 시간이 50 시간이라면 520℃에서는 18.19 시간이 필요하고, 400℃에서는 542 시간이 필요하다는 것을 의미한다. 그러나 실제 공정에 적용하기 위하여 장시간이 소요되는 저온 처리 절차는 실용성이 없을 것이다.
표 2
[0031]
또한 규칙화 열처리를 위한 가열 온도는 직접 규칙화 온도까지 가열한 후 [0032] 일정하게 유지했다가 냉각시키는 방법이외에도 400 ~ 520 ℃의 규칙화 온도 구간 내에서도 규칙화 속도가 상대적으로 큰 480 ~ 520℃에서 시간당5~10℃로 가열 및 냉각이 이루어지도록 하여도 효과는 동일할 것이다.
[0033] 규칙화 열처리를 실시하기 위해서는 열원이 필요하고, 원전의 구조물의 형상에 따라서는 내면을 규칙화 처리해야 하지만 열원의 도달이 여러 가지로 어렵거나 불가능한 경우도 있다. 이 경우에는 내면에 열원을 넣을 필요없이 외면에 열원을 설치하여 가열함으로써 내면을 규칙화 처리할 수 있다는 것이다. 이 경우 재료의 열전도 특성을 이용하면 내면과 외면의 온도 차이를 계산할 수 있고, 이 차이를 감안하여 내면을 원하는 온도로 가열할수 있다.
[0034] 예컨대 배관 내부의 경우에는 1차 계통 배관 내부가 방사능에 오염되기 때문에 내부로부터의 작업에는 많은 곤란함이 있으므로, 외부에 열원을 설치하여 내면의 규칙화가 이루어지도록 한다. 이때 배관의 두껍거나 열전도특성이 나쁜 경우에는 내면과 외면의 온도 차이가 커질 수 있으며, 이 이유로 상기 배관 내면의 온도를 본 발명의 온도 구간으로 설정하기 위해서는 외면에 가해지는 온도를 규칙화 온도 구간을 벗어나 불규칙화 온도 구간까지 가열하여야 하는 경우도 있을 수 있다. 이때 열원 쪽의 온도가 높아져서 재료의 근본적인 물성을 바꾸거나예민화가 일어나지 않도록 주의해야 한다. 이런 현상을 방지하기 위하여 열원의 온도를 약간 낮게 설정하는 경우에는 규칙화 처리시간을 길게 하면 될 것이다.
[0035] 이러한 경우 우선적으로 배관의 내부부터 규칙화가 이루어지도록 열처리하되, 이때 상기 배관의 외면은 본 발명에서 정의하는 규칙화 온도구간 이상으로 가해졌기 때문에 불규칙화가 이루어짐으로 외면에 대해서는 규칙화 처리 온도 구간에서 유지했다가 냉각하고 냉각 과정에서 충분히 규칙화가 일어나도록 서서히 냉각하여 내면과 외면이 규칙화가 이루어지도록 하는 다단의 열처리가 적용될 수 있다.
[0036] 즉, 니켈-베이스합금으로 제조된 배관 형태 부품의 규칙화 열처리는 외면 또는 내면을 가열하여 타면까지 규칙화가 이루어지도록 할 수 있다는 것이다. 즉, 배관 형태의 규칙화는 배관의 내부나 외부 중 한 쪽 부위에 상기온도구간 이상으로 열을 가하여 다른 쪽 부위의 온도를 상기 온도구간으로 유지시키는 단계와; 상기 온도를 낮추는 과정에서 상기 온도구간 이상으로 열을 가한 한 쪽 부위를 상기 온도구간으로 유지하는 단계를 포함하는다단으로 열처리가 이루어지도록 할 수 있다.이하 실시 예를 통해 본 발명의 니켈-베이스 합금 원전 구조재의 1차 계통수 [0037] 응력 부식 균열 개시 방지방법을설명한다.
[0038] Alloy 600에 대한 DSC 분석에 의하여 단범위 규칙이 형성되는 것을 확인할 수 있다. Alloy 600에서 SRO는 그 크기가 작아 초격자를 형성하지 못하므로 탄화물과는 달리 직접적으로는 확인되지 않는다. 다만, TEM으로 관찰하면 Alloy 600은 fringe가 관찰되고, 중성자 회절 등으로 분석하면 규칙화의 진전에 따라 결정 격자의 수축이 일어난다. 또한 열분석을 통한 Ni2Cr 규칙 합금과의 DSC 거동 비교를 통해 입증된다.
[0039] Alloy 600이나 Weld 82/182 등으로 제작된 원전 부품은 가동 온도에서 열적활성화 과정의 하나인 규칙화 과정이진행되며, 이 과정에서 격자의 수축이 일어나 PWSCC 과정에서 재료 스스로가 입계를 벌리도록 하거나 응력을 발생시킨다는 것이다. 즉, PWSCC 과정에서 규칙화 반응의 진전에 따른 재료 내부의 응력의 발생으로 PWSCC가 발생하므로 Alloy 600의 규칙 반응에 대한 Q ordering는 Q pwscc와 유사하다.
[0040] 도 1은 DSC 분석에 의한 Alloy 600의 비열변화를 나타낸 것으로, Alloy 600에 대하여 여러 가지 다른 열적, 기계적 처리를 실시 한 후 실시한 열분석 결과를 종합하여 나타내었다. 600℃ 이상에서 급랭 (water quenching,WQ) 재료는 약 450℃ 부근에서 규칙화에 따른 발열 반응이 일어나는 반면, 냉간 가공(cold work, CW)한 재료는 100~300℃ 사이에서도 규칙화에 따른 발열 반응이 일어난다. 이것은 냉간 가공이 Alloy 600의 규칙화 온도를낮추고 규칙화에 대한 추가적인 구동력을 제공함으로써 냉간 가공된 재료가 PWSCC에 더 민감하게 만든다는 것을의미한다. 규칙화 온도는 재료의 처리 조건에 따라 다르지만, 처리 조건과 관계없이 520℃ 이하에서는 규칙화반응이 일어나는 반면, 520℃ 이상에서는 비열이 증가하면서 불규칙화가 일어난다는 것을 알 수 있다.
[0041] 도 2는 시험편을 400℃에서 isothermal annealing처리 후 결정면간의 거리변화를 나타낸 그래프이다. 여기서a)는 1100℃로부터 WQ 시험편을 400℃에서 isothermal annealing 처리 후 중성자 회절 분석으로 구한 결정 면간거리의 변화이고, b)는 AC 시험편을 25% 냉간 압연하여 400℃에서 isothermal annealing 처리 후 시험편의 면간거리 변화이다. 여기서 원전 가동 온도보다 높은 온도에서의 규칙화 처리에 의하여 결정의 수축이 방향에 따라다르게 이방적으로 나타남을 알 수 있다.
[0042] 규칙화에 의한 수축률은 처리 조건과 결정 방향에 따라 달라지며 그 크기는 650℃ 이상에서 WQ 재료에서0.02~0.07% 정도이다. 이 정도의 수축은 결정립의 크기를 고려하면 수십 A (angstrom) 정도까지 입계를 벌리는효과를 나타내며, 결정 방위 차이가 커서 수축률의 차이가 큰 결정립계는 더 많이 벌어지는 경향을 가질것이다. 이것은 응력의 관점으로도 설명될 수 있으며, 결정 수축으로 인하여 추가적으로 발생하는 응력은Young's Law에 따라 수축률과 탄성 계수로부터 구할 수 있으며, 결정 입계의 조합에 따라 40~150 MPa 정도이다.
[0043] [111] 방향과 [311] 방향 사이의 각도는 29.5°이며 water quenching 재료에서 이 두 방향 사이의 수축률의 차이는 최대이며 그 크기는 0.07% 정도이고, 응력으로 환산하면 150 MPa에 이른다. [111] 방향과 [220] 방향 사이의 각도는 35.3°이며 이 두 방향의 수축률 차이는 0.06% 정도이고 이는 응력으로 환산하면 130 MPa 정도에 이른다. 또한, [311] 방향과 [200] 방향 사이의 각도는 25°이며 규칙화에 따른 수축률의 차이는 최대 0.05% 정도이며 이를 응력으로 환산하면 110 MPa 정도에 이른다.
[0044] 또한, 도시되지 않았지만 WQ, AC, FC, CW 등의 여러 가지 처리를 실시한 Alloy 600에 대하여 규칙화 처리 효과를 관찰한 결과, Alloy 600은 전 처리 조건에 따라서 결정의 수축 거동이 상이하지만 모든 재료는 규칙화 과정에서 수축하는 것을 알 수 있었다.
[0045] 인장시험은 원하는 변형 온도에서 변형을 일으키면서 실시간의 변형 효과를 시험하는데 유용한 방법이다. 도 3은 상온에서부터 750℃의 여러 온도에서 10-3/sec 정도의 변형 속도로 인장 변형된 시험편을 중성자회절 분석한후 인장 변형 온도에 따른 결정격자 면간 거리의 변화를 도시한 그래프이다. 도 3에 보인 바와 같이 인장 변형시험편에 대한 중성자 회절 결과에 따르면 결정 면간 거리는 DSC 결과와 유사하게 150 ~ 600℃ 정도에서 감소하는 것으로 나타났다. 도 1에 보인 DSC 결과는 규칙화가 50 ~ 520℃에서 나타나는 반면, 도 3에서는 150 ~ 600℃에서 나타나는 것은 인잔 변형 속도가 10-3/sec 정도로 빠른 편이고 규칙화 반응이 일어나는 동안에도 연속적으로 인장 변형이 가해진다는 차이에 기인한 것으로 보인다. 즉, 도 1과 도 3에서 나타나는 규칙화 현상은 본질적으로는 동일한 것이다.
이것은 500℃ 이하에서 변형하면 응력에 따라 규칙화가 촉진되어 수축이 발생한다는 [0046] 의미이다. 따라서 PWSCC 과정에서 균열 선단의 변형이 규칙화를 유발시키고 이에 따른 수축 작용이 균열 전파 과정을 제어한다는 설명을가능하다. 도 3에서 나타낸 결정 [111]과 [200] 방향의 각도는 54.7°, [220]과 [200] 방향의 각도는 45°,[111]과 [220] 방향의 각도는 35.3°로 고경각 입계 사이의 수축률 차이가 가장 큰 편이라는 것을 나타내고 있다. 이것은 PWSCC가 고경각 입계에서 발생한다는 실험적 관찰 사실과 잘 부합한다.
[0047] 이상에서 설명한 바와 같이 규칙화 과정은 응력이나 변형의 작용 없이 순순히 열적활성화 과정으로 일어나는 열적 규칙화(thermal ordering)와 변형의 작용으로 규칙화가 급격히 진전되는 변형 규칙화(strain ordering)가 있다. 상기 도 1에서 설명한 열적 규칙화는 PWSCC의 균열 발생 단계에서 중요하고, 도 3에서 설명한 변형 규칙화는 PWSCC 균열 전파 단계에서 중요하다.
[0048] Alloy 600은 300℃ 내외의 원자로 가동 온도에서 Ni2Cr type의 Ni2(CrFe) SRO를 형성한다. 이 규칙화 반응 속도는 온도의 증가에 따라 지수 함수적으로 증가하고 응력이 작용하면 속도가 빨라진다. SRO 형성 과정에서 특정원자 간의 원자 사이의 거리가 짧아지기 때문에 격자의 수축이 발생하고 그 수축량은 규칙화 진전의 척도이다.
[0049] 도 4는 SRO형성에 의한 결정의 이방성 수축으로 결정 입계에 국부적인 응력이 작용하는 과정을 도시한 개략도로써, a)는 가공이 완료되어 규칙화가 일어나지 않은 초기 상태이고, b)는 규칙화에 따른 결정의 수축의 효과를도식적으로 나타내었다.
[0050] 상기 과정에서 결정립 방위가 유사한 결정들은 수축 방향이 유사하여 수축 효과가 상쇄되며, 결정의 방위 차이가 커서 수축률의 차이가 큰 결정립계는 규칙화에 따라 벌어진다. 인접 결정의 방위와의 조합에 의하여 서로 반대로 방향으로 수축이 일어나는 경우 입계의 벌어짐이나 응력의 크기는 2배 정도로 증폭될 수 있다. 이 경우 고경각 입계에서 발생하는 응력의 크기는 최대 300 MPa까지 증가할 수 있으며, 입계의 벌어짐은 결정립의 크기가약 50 μm 정도일 때 최대 40A 정도까지 벌어지고 주위 결정의 작용으로 최대 100A까지 확대될 수 있다. 물 분자의 크기는 약 5 A 정도이므로 원전 1차수 매질이 결정립계 사이로 침투할 수 있게 되는 것이다. 따라서PWSCC 예민성은 고온 고압의 1차수에 노출된 상태에서 규칙화되면서 발생하는 결정의 수축에 의해 입계가 벌어지는 현상의 존재하느냐에 따라 크게 좌우된다.
[0051] 또한, 결정 입계는 반드시 여러 결정이 맞닿는 꼭지 점(triple point)을 포함하고 있으며, 이 지점의 단면은 점이지만 이 부분은 적어도 결정 방위가 다른 세 결정이 만나기 때문에 대부분 고경각 입계의 특성을 지니게된다. 이 꼭지 점들은 결정의 내부를 따라 공간적으로 연결되어 있으며, 이로 인하여 결정의 수축 작용이 일어날 때 가장 취약한 특성을 가진다. 따라서 입계나 공간적으로 연결된 꼭지 점들의 수축에 의한 결정의 벌어진입계 간격이 물 분자보다 넓으면 1차 냉각수는 재료의 표면에서만 접촉되는 것이 아니라 재료의 내부까지도 침투한다.
[0052] PWSCC 균열 발생 단계에서는 Alloy 600이 원자로 환경에 노출되면 이방적 수축으로 compatibility가 먼저 깨져벌어지는 입계에서 우선적으로 원전 1차수의 압력 효과 작용하게 된다. 이 때 방위 차가 큰 결정입계에서 수축률의 차이가 크므로 고경각 입계가 부분적으로 먼저 벌어지게 되고, 이 부분이 천천히 연결되어 균열로 발달한다. 큰 결함으로 성장하지 않고 멈추면 IGA(intergranular attack)라는 손상에 해당한다.
[0053] 규칙화에 따른 수축 과정은 균열의 발생 단계뿐만 아니라 전파 단계에서도 작용한다. 이렇게 형성된 결함이 가동 응력에 의한 응력 집중 효과로 균열 선단에는 소성 역이 형성되면 균열 전파 단계에 진입한 것으로 판단할수 있다. 이 때 소성 역의 형성은 균열 선단의 국부적 소성 변형이 형성된다는 것을 의미하며, 소성 변형은 SRO형성을 촉진하기 때문에 SRO 형성에 의한 응력 발생이나 입계 벌어짐 현상은 다시 한 번 더 작용한다 (도3참조). 즉, 가동 응력에 의하여 균열 선단에서 소성 역이 한 번 형성되기 시작하면, 소성 역내에서 재료 스스로 SRO를 형성하여 입계가 벌어지므로 균열 성장은 계속되고 관통 균열로 성장한다는 것이다. 균열 선단의 소성역에서의 SRO 형성에 의한 수축 현상은 규칙 반응 속도에 의하여 조절되고, 이 반응 속도는 응력에 의존하는 것으로 보인다. 즉, 온도 및 응력에 상호 작용에 의존한다. 이 관계로 인하여 Q pwscc propagation = 40 ~ 50kcal/mol은 Q ordering = 46 kcal/mol과 유사한 것이다.
현재까지 Alloy 600의 PWSCC(1차수 응력 부식 균열)는 부식 현상을 설명하는 [0054] 데 있어서 응력과 관련한 원인은잔류응력만을 고려하고 PWSCC 과정에 발생하는 응력의 효과는 전혀 고려하지 않았다, 그러나, 본 발명에서는 원전 가동 환경에서 노출되어 있는 니켈 베이스 합금이 규칙화 과정을 통해 결정 수축을 일으킨다는 모델을 바탕으로 재료 스스로의 응력 발생으로 입계가 벌어지거나 추가적인 응력이 발생한다는 점을 제어하고자 하는 점이다른 것이다. 즉, PWSCC는 규칙 반응에 따른 SRO 형성으로 인한 추가적 응력의 발생이나 입계의 벌어짐으로 제어되는 현상이다. 이것이 새로운 PWSCC 기구의 실체이며, 이 과정에서 응력원이 작동하여 전파된다는 것이다.
[0055] PWSCC 현상은 IGSCC type이고 원전 1차 계통수 환경이 필수적이므로 입계의 부식에 의해 제어되는 현상으로 간주되어 연구되었다. 그러나 입계의 산화 현상만으로는 PWSCC 현상을 적절히 설명할 수 없는 한계를 가지고있다. 예를 들면, 가동 응력은 PWSCC를 재현하는데 필요한 응력보다 훨씬 낮아도 PWSCC가 발생하는 것을 설명할수 없었다. 이 한계를 극복하기위하여 잔류응력의 존재를 상정해 왔으나 잔류응력은 원전 가동 초기에 최대값을가지고 한 번 형성되면 고정된 값을 갖거나 원전 가동에 따라 서서히 감소하는 것으로 이해되고 있어서 PWSCC현상의 열적활성화 과정을 설명하기에 부적절하다. 더구나 PWSCC 과정에 실제로 존재했을 수도 있으나 검증할수 없다는 한계가 있다.
[0056] 그러나 본 발명의 기초는 PWSCC 현상이 열적활성화 과정으로 재료 스스로가 변화하면서 추가적으로 응력을 발생시키거나, 스스로 수축하면서 입계를 벌어지도록 하므로 PWSCC에 필요한 응력을 자체적으로 공급하게 되므로 충분조건을 만족시킨다는 것이다. 즉, 이 설명은 PWSCC에서 나타나는 열적활성화 과정을 근본적으로 설명할 수있으므로, 적어도 PWSCC 현상에서는 기존의 입계 탄화물과 입계 Cr 고갈에 의한 설명을 대체할 것으로예상된다.
[0057] 도 5는 PWSCC가 발생하는 응력, 환경, 재료 조건의 조합을 나타내는 개념을 비교한 것이다. 도 5 a)는 기존 모델의 개념도이고, 도 5 b)는 본 발명에서 제시하는 모델의 개념도이다. 도 5의 a)에 기존 모델은 응력, 환경,재료의 복합 효과가 특정할 때 PWSCC가 발생한다는 것인데 반하여, 도 5 b)에 도시된 본 발명의 기초 모델은재료가 가동 환경에서 변화하여 추가적인 응력을 발생시키는 특정한 조건이 만족되는 경우에만 PWSCC가 발생한다는 것이다. 정성적으로는 니켈 베이스 합금 부품에서 PWSCC가 발생하는 조건은 원전 1차수 환경에 노출된 고경각 입계가 밀집 지역이 필수적인 것으로 보인다.
[0058] 본 모델에 따르면 Alloy 600이나 Weld 182 재료가 원자로 부품으로 채용되어 가동 중에 규칙화가 일어나면서 추가적인 응력을 발생시켜서 PWSCC가 발생한다는 것이다. 그러나 현재까지는 PWSCC 기구에 대한 충분히 이해하지못하여 Alloy 600이나 Weld 182의 규칙화 과정을 제어하지 못함으로써 PWSCC를 제어할 수 없었고, 이로 인하여PWSCC가 초래하는 위험성을 통제하지 못했었다. 그러나, 본 발명의 기초가 되는 모델에 따르면, PWSCC의 발생이나 전파 과정이 규칙화 과정에서 발생하는 결정의 수축에 의해서 제어되므로, 원자로 부품으로 사용되는 Alloy600이나 Weld 182의 규칙화를 완성시켜 primary water 환경에 노출시키면 PWSCC 개시가 방지된다는 것이다.
[0059] 규칙화 과정에 형성되는 응력의 효과를 고려하며 응력이 증가하는 과정을 설명하면 다음과 같다. 설계 응력을제외하면 여러 가지 응력의 존재 유무에 따른 조합은 대단히 광범위하므로 여기서는 5가지 종류의 응력만을 고려하였다. 이들 응력은 a. 원자로의 압력에 의한 가동 응력, b. 원전 부품의 내, 외부 온도 차이의 의한 응력,c. 잔류응력, d. 균열 발생단계에서 열적 활성화 작용으로 일어나는 규칙화 과정으로 발생하는 추가적인 응력,e. 균열의 전파 단계에서 변형 유기 규칙화 (strain induced ordering) 과정에 의해 발생하는 추가적인 응력이다.
[0060] 여기서 응력 d 및 응력 e는 일정한 값을 가지는 것이 아니라 결정립계의 방위 차이에 따라 달라지므로 일정 범위를 갖는다. 이것은 앞서 설명한 바와 같이 원자로 1차 냉각수에 노출된 결정 입계의 결정 방위 차이에 따라의존하기 때문이다. 결정 입계 사이의 수축률 차이가 크기 않으면 이 값은 낮아지고, 이로 인해 저경각 입계는PWSCC에 취약하지 않기 때문에 PWSCC는 고경각 입계에서만 관찰되는 것이라고 할 수 있다. 고경각 입계의 의미는 좁게는 결정립 두개 사이의 각도만을 의미하는 것이 아니라 여기서는 이들 고경각 입계가 확률적으로 밀집한지역을 의미하는 것이다. 이 경우에만 IGA와는 달리 PWSCC로 성장할 수 있을 것으로 예상되기 때문이다.
[0061] 원자로가 가동하면 최소한 응력 a과 b는 작용하게 되는데 이 응력은 PWSCC를 일으키기 위하여 필요한 임계 응력의 1/4 이하이다. 그러나 잔류응력(응력 c)이 충분히 높은 경우에는 이 응력의 총합이 PWSCC의 임계 응력을 넘으므로 PWSCC가 발생할 수 있을 것으로 예상된다. 이 경우에는 원전의 가동 초기에 발생할 것으로 예상된다. 한편, 잔류응력은 시간에 따라 감소하지만, 산화(oxidation)나 부식(corrosion) 과정에 의해 관통 균열이 형성되는데 수십 년 후에 나타날 수 있다는 해석도 가능할 것이다.그러나 PWSCC 현상이 열정활성화 과정이라는 점을 고려하면 상기의 산화나 부식 과정이

[0062] Q pwscc = 40 ~ 50kcal/mol을 설명할 수 있어야 하는데 적절한 설명은 현재까지 제안되지 않았다. 더구나, 잔류응력이 PWSCC를 발생시킨다고 하여도 원자로의 가동 중 니켈 베이스 합금에서 서서히 진행되는 규칙화 과정은 피할 수 없는 기초적인 과정이다. 그러므로 잔류응력이 낮거나 없을 경우에도 primary water에 니켈 베이스 합금의 특정한 입계에서 발생하는 추가적인 응력 d가 PWSCC 임계 응력에 도달할 정도로 높아지면 PWSCC는 initiation 된다. 이 이유로 Q pwscc initiation = 40 ~ 50 kcal/mol이 Q ordering = 46 kcal/mol과 유사한 것이다.
[0063] 이 단계에서 결함이 충분한 길이로 성장하지 못하면 IGA 손상에 그치고, 가동 응력, 잔류응력, 규칙화에 의한응력의 작용으로 더 성장 가능하면 균열 전파 (propagation) 단계로 접어들어 균열 선단에는 plastic zone이 형성된다. 이 plastic zone 내에서는 변형이 일어나고 전위 증식이 일어나므로 이 plastic zone은 도 3에 보인 바와 같이 변형 유기 규칙화가 발생하게 된다. 이로 인해 전파 단계에서는 입계 벌어짐이 규칙화 속도에 의해 제어되고, 따라서 PWSCC 균열 전파는 규칙화 과정으로 제어된다는 것이다. 이 관계로 인하여 Q pwscc propagation= 40 ~ 50 kcal/mol은 Q ordering = 46 kcal/mol과 유사한 값을 갖는다.
[0064] 이상에서 설명한 바와 같이 기존에는 규칙화 과정의 존재를 인지하지 못하여 원전 가동 환경에서 일어나는 규칙반응의 효과를 고려할 수 없었다. 그러나 본 발명의 기초는 원전 가동 조건에서 니켈 베이스 합금이 규칙화 반응을 일으키고, 이로 인한 입계 벌어짐이나 추가적인 응력이 발생에 의하여 제어된다는 것이다.
[0065] PWSCC를 설명하는 기존의 모델은 환경, 재료, 응력(가동 및 잔류응력)의 3가지 요소만 만족되면 PWSCC가 발생한다는 것이다. 이 모델은 PWSCC가 고경각 입계에서 발생하는 이유, 상대적으로 낮은 응력에서 PWSCC가 발생하는이유, 열적활성화 과정을 설명하기에는 부적절하다. 이에 반하여 본 발명의 기초 모델은 기존의 모델에 규칙화과정, 고경각 입계의 영역의 추가적인 요건을 필요로 한다는 점이 다른 점이다.
[0066] 본 발명의 기초 모델은 환경, 재료, 응력(가동 및 잔류응력), 규칙화(입계 벌어짐 또는 추가적 응력), 고경각입계의 밀집 영역의 노출 조건이 필수적이다. 이들 중에서 규칙화 처리에 의하여 제어할 수 있는 것은 규칙화과정뿐이라고 할 수 있다. 만약 PWSCC 과정에서 규칙화 과정의 역할이 중요할 경우, 규칙화 과정을 제어한다면PWSCC를 제어할 수 있을 것이다.
[0067] 본 발명의 기초 모델인 도 5 b)에 따르면, PWSCC는 원전의 primary water 환경에서 규칙화가 발생하지 않으면일어나지 않는다는 것을 예상할 수 있다. 따라서 PWSCC에 예민한 특성을 지닌 니켈 베이스 합금 재료를 예민한상태와 규칙화 처리된 상태에서 PWSCC initiation 비교 실험을 하면, 규칙화 처리가 PWSCC 개시를 방지하는지를알 수 있을 것이다. 왜냐하면 위에서 설명한 바와 같이 PWSCC 필요조건 중에서 조절 가능한 것은 규칙화 과정제어뿐이기 때문이다.
[0068] Cu Ka X-ray를 이용하여 규칙화 열처리 시험편에 대해 잔류응력 측정 결과, 규칙화 처리에 의해 잔류응력은 감소하였다. 그러나 도 2에 나타낸 바와 같이 규칙화 처리에 의한 결정격자가 수축하므로, 규칙화 처리에 의한 잔류응력의 감소가 규칙화 처리에 의한 결정격자 수축의 효과인지, 아니면 잔류응력의 감소에 의한 것인지 명확히구분할 수 없다. 왜냐하면 XRD 방법에 의한 잔류응력의 측정은 결정의 면간 거리를 측정함으로써 잔류응력을 측정하는 원리를 사용하기 때문이다. 즉, 규칙화 처리가 유발하는 PWSCC 개시 방지 효과는 잔류응력의 감소와 규칙화 효과가 동시에 작용한 것이라고 할 수 있다. 그러나 규칙화 처리 온도 480℃는 annealing 효과에 의한 잔류응력 감소가 나타나기에는 상대적으로 낮은 온도로 판단되므로, 규칙화 처리에 의하여 잔류응력이 감소하는경우에도 이 같은 변화는 규칙 반응의 존재에 기인한 것이라고 할 수 있다.
[0069] CW Alloy 600에 대하여 여러 온도에서 2시간 동안 열처리하고 SSRT 시험편(도 6)의 하중 방향 (loadingdirection)으로 측정한 잔류응력 감소 효과를 표 3에 나타내었다. 표에서 -는 감소를 의미하고, +는 증가를 의미한다. 표 3에서 잔류응력이 열처리 전보다 감소하는 것으로 나타나는 조건은 480℃ - 2 시간뿐이고, 550℃ 이상에서의 열처리에 의하여 잔류응력은 감소하지 않거나 오히려 증가하였다. 규칙화 처리 온도인 480℃에서 나타나는 잔류응력의 감소 효과를 표 4에 나타내었는데 잔류응력은 최소한 처리전과 같거나 전체적으로 감소하는 것으로 나타났다. 표 4에서 나타나는 감소폭의 변화는 잔류응력 측정의 특성을 고려하면 타당한 값이다.
[0070]
표 3
[0071]
표 4
[0072]
[0073] 삭제
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[0079] 삭제
[0080] 삭제
표 3 과 표 4에 보인 바와 같이 잔류응력의 감소효과는 규칙화 열처리에 의하여 [0081] 주로 발생한다는 것을 알 수 있으며, 규칙화 열처리는 온도의 증가에 의한 미세조직 및 물성의 변화를 유발하지 않고, 열처리 작업 중 재료의열팽창 등으로 인한 구조물의 변형 유발 억제나 탄화물의 석출에 의한 재료의 예민화 방지의 관점에서 매우 유용하다.
[0082] 따라서 상기의 발명의 효과는 냉간 가공 상태의 Alloy 600 및 Weld 182에 대하여 규칙화 처리를 실시 전과 후에원전 1차수 환경에서 실시한 저변형률시험 (slow strain rate test, SSRT)을 통하여 규칙화 처리의 효과를 검증할 수 있었으며, 규칙화 처리를 통하여 PWSCC 개시를 방지할 수 있었다. 그 검증 과정은 아래에 상세히 설명되어 있다.
[0083] 실험 예1
[0084] 원전 구조재에서 PWSCC은 Alloy 600 증기발생기 세관의 확관 부위에서 주로 발생한다는 것과 Weld 182에서 주로발생하므로 Alloy 600과 Weld 182는 PWSCC에 예민성을 가진다는 것을 알 수 있다. 따라서 증기발생기 세관을 상온에서 압연하여 PWSCC에 취약하게 만든 후 규칙화 처리한 시험편과 비교하면 규칙화 처리 효과를 증명할 수 있다. 또한 Weld 182를 제작하여 시험편을 만든 후 규칙화 처리한 시험편과 PWSCC 비교 실험을 하면 규칙화 처리가 PWSCC 개시 방지 효과를 입증할 수 있다.
[0085] 이 실험에서는 primary water 수질을 적절히 만족시킬 수 있느냐가 중요한 인자이다. 따라서 본 실험에서는 원전 1차 수 환경과 동일한 수질을 유지할 수 있는 순환 loop를 만들어 시험편 주위를 돌아 나오는 1차 수질 감시하여 1차 수질이 적절히 유지되는 것을 검증하였다.
[0086] 상기 수질 환경을 요약하면, 압력은 160 bar, 온도는 330℃, 붕산의 농도는 1200 ppm B, Li 농도는 2.2 ppmLi, 용존 산소(dissolved oxygen, DO)는 10 ppb 이하, 용존 수소 (dissolved hydrogen)는 2 ppm 내외, 전도도는 약 20 μS/cm 이다.
[0087] 본 발명에서 사용한 실험 방법은 primary water 환경에서 느리게 변형을 가하는 방법을 사용하여 표면의 균열발생 특성을 비교하는 방법을 사용하였다. 이 실험 방법은 SSRT로 알려져 있으며, 변형 속도는 3 x 10-8/s-1로2.7%까지 변형시킨 CW Alloy 600 및 규칙화 처리된 Alloy 600 시험편의 표면 균열을 비교한 사진을 도 6에 나타내었다.
[0088] SSRT 시험 후 gage section의 전체 부위를 주사전자현미경(scanning electron microscope, SEM)으로 조사한 결과, 도 6의 a)에 나타난 바와 같이 상온에서 압연한 재료는 실험에 의해 입계 균열이 발생한 반면, 도 6의 b)에나타난 480 ℃ - 8 hour 규칙화 처리한 재료에서는 균열을 확인할 수 없었다.
[0089] 따라서 냉간 가공된 Alloy 600 재료에서는 표면에서 균열이 관찰될 뿐만 아니라 표면의 양상이 규칙화 처리된시험편에 비하여 더 취약한 형태를 나타냄을 알 수 있으므로, 규칙화 처리가 PWSCC 개시 방지하는 효과가 나타남을 알 수 있다.
[0090] 실험 예2
[0091] PWSCC에 예민한 것으로 알려진 Weld 182에 대한 규칙화 처리 효과를 검증하기 위하여 도 7과 같은 단면을 갖는Weld 182 시험편을 제작하였다. Weld 182에 대하여 규칙화 처리를 실시한 후 변형 속도는 3 x 10-8/s-1로 2.7%정도로 SSRT 시험한 Weld 182 및 규칙화 처리된 Weld 182 시험편의 표면 균열 사진을 도 8에 비교하였다.
[0092] 도시된 바와 같이 규칙화 처리하지 않은 Weld 182(도 8의 a)는 dendrite cell boundary를 따라 입계 균열이 발생하는데 비하여, 480℃-2hrs 규칙화 처리한 weld 182(도 8의 b) 재료에서는 균열이 발생하지 않는다. 사진은제시하지 않았지만, 480℃에서 1/2시간을 처리한 경우에도 균열 개시 방지 효과가 있는 것을 확인 할 수있으며, 규칙화 반응은 480 ℃ - 0.5 hour에서도 충분히 완성될 것으로 보인다.
여기서 언급하는 규칙화 처리는 처리 방법은 일반적인 열처리 방법과 동일하지만 [0093] 그 목적이나 처리 온도 구간이규칙화가 진전되는 온도 구간이라는 것이 특징이다. 도 1에서도 설명한 바 있지만 520℃ 이상에서는 불규칙화가일어나게 되고 이 과정에서 결정격자가 팽창하게 된다. 이 경우에는 원전 부품이 원전 가동 온도에서 가동되는과정에서 다시 규칙화가 일어나면서 결정격자의 수축을 유발하므로 다시 PWSCC 예민성을 가지게 된다.
[0094] 반면, 520℃ 이하에서 열처리하는 경우에는 규칙화가 진전되어 결정격자의 수축이 완료되므로 원자로 1차 환경에 노출되어 가동될 때 더 이상의 규칙화 과정이 발생하지 않아 PWSCC의 충분조건을 제공할 수 없으므로 PWSCC개시가 방지된다는 것이므로 규칙화 처리는 일반적인 열처리와는 구분되어야 한다는 것이다.
[0095] 이와 같이 규칙화는 도 1에 보인 바와 같이 520℃ 이하에서 일어나는 것으로 보이지만, 여유 있게 500℃ 이하에서 일어난다고 할 수 있으며, 규칙화 처리 시간은 480~500℃에서 30분 이상 처리하면 PWSCC 개시는 방지되는 것으로 판단된다.
[0096] 그러나 실제 원전 부품에 적용하기 위해서는 가열 및 열전달에 필요한 시간 등을 고려하여 적어도 수 시간의 처리 시간이 필요할 것이다. 이와 같이 부품 한 쪽에 열원을 설치하여 부품 다른 쪽을 규칙화 처리를 하는 경우,부품의 두께가 두껍고 열전도도가 낮으면 외면의 온도는 약간 높게 선택할 수밖에 없고, 이 경우 외면에는 일시적으로 불규칙화 되어도 내면에 규칙화 처리를 완료한 후 외면은 2단계에 걸쳐서 규칙화 처리가 가능할 것이다.이 과정에의 다 단계 열처리 과정에서의 온도-시간 관계를 도 9에 개략적으로 나타내었다.
[0097] 본 발명은 현재까지 니켈-베이스 용접부의 PWSCC(1차수 응력 부식 균열)를 완화하기 위하여 개발되어 ASME codecase에 등재된 laser peening, water jet peening, weld inlay 방법은 원전 1차수에 접하는 면에 대한 직접적인 처리가 필요하다는 것이다. 그러므로 이들 방법은 원전의 복잡한 구조에 기인한 접근 한계, 방사선에 노출,완화 처리 부분에 대한 정밀한 처리 여부 및 감시 등의 현실적 문제를 안고 있다. 이에 비하면 본 발명에서 개발한 개시 방지 방법은 규칙화 처리할 부분에 대해 처리할 필요가 없이 내면에 대한 완화 처리를 외면서도 가능하다는 것이다.
[0098] 한편, 상기 서술한 예는, 본 발명을 설명하고자하는 예일 뿐이다. 따라서 본 발명이 속하는 기술 분야의 통상적인 전문가가 본 상세한 설명을 참조하여 부분변경 사용한 것도 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연한 것이다.
도면의 간단한 설명
[0099] 도 1은 DSC 분석에 의한 Alloy 600의 비열변화를 나타낸 그래프.
[0100] 도 2는 시험편을 400℃에서 isothermal annealing처리 후 결정면간의 거리변화를 나타낸 그래프.
[0101] 도 3은 여러 온도에서 인장 변형된 시험편에 대한 중성자회절 분석으로 변형온도에 대해 결정격자 면간 거리를도시한 그래프.
[0102] 도 4는 SRO형성에 의한 결정의 이방성 수축으로 결정 입계에 국부적인 응력이 작용하는 과정을 도시한 개략도.
[0103] 도 5는 PWSCC가 발생하는 응력, 환경, 재료 조건의 조합을 나타내는 개념을 비교한 개념도.
[0104] 도 6은 SSRT 시험한 냉간가공 Alloy 600 및 규칙화 처리된 Alloy 600 시험편의 표면균열 비교사진.
[0105] 도 7은 Weld 182 용접부 시험편 제작 개략도.
[0106] 도 8은 SSRT시험한 Weld 182 및 규칙화 처리된 Weld 182 시험편의 표면균열 비교사진.
[0107] 도 9는 규칙화 처리할 쪽과 열원이 접촉할 쪽이 다를 경우 필요한 다단계 열처리 과정의 온도 분포도.
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