원전 증기발생기 전열관 Alloy 690의 산화막 형성에 따른 마모거동에 관한 연구

Abstract

원전 증기발생기(steam generator)에 쓰이는 전열관은 유체유발 진동(FIV, Flow Induced Vibration)으로 인하여 전열관과 반진동구조물(AVS, Anti-Vibration Structure) 사이의 미세한 떨림이 발생하며 작은 변위를 가지는 fretting 마모 현상이 발생하게 된다. 전열관이 손상될 경우 1차수 냉각수에 존재하는 방사능 물질이 2차수 냉각수 또는 외부로 유출되어 환경오염을 일으킬 수 있으며 원전의 경제성과 효율성을 저하 시킬 수 있다. 원전 증기발생기 전열관 재료로 주로 사용되고 있는 Alloy 690은 원전 가동 시 고온 고압의 1차수 냉각수 및 2차수 냉각수에 의해 oxide가 생성된다. 일반적으로 oxidation film의 경우 재료의 마모특성에 중요한 영향을 미치는 것으로 알려져 있다. 하지만 oxidation film 형성에 따른 Alloy 690의 마모거동분석에 대한 연구는 거의 없다. 따라서 원전 증기발생기 전열관 소재로 사용되는 Alloy 690 합금의 oxidation film 형성에 따른 마모거동을 분석하고 손상을 예측한다면 원전을 가동하는데 있어 경제성, 효율성에 기여할 수 있을 것이다. 본 연구에서는 증기발생기 전열관 재료인 Alloy 690 전열관을 원전 내 2차수 분위기인 autoclave 내에서 최대 2000 시간 산화처리를 통해 oxide를 생성시킨 다음, 상온 및 원전 증기발생기 가동온도인 320 ℃에서 SUS 409를 mating 재료로 하여 fretting wear test를 진행하였다. Oxide 종류분석은 Raman spectroscopy, oxide 두께 및 성분은 AES(Auger Electron Spectroscopy)을 통해 확인하였다. 마모 실험을 통해 얻은 wear coefficient 및 SEM을 통한 마모표면 분석을 통해 마모 저항성의 변화를 관찰하였다. 실험 결과를 통해 상온에서 진행한 경우 2000 시간 산화처리를 통해 두꺼운 spinel oxide가 형성된 Alloy 690의 마모 저항성이 높은 반면 고온에서 실험을 진행한 경우 2000 시간 산화처리 한 Alloy 690의 마모 저항성이 낮은 것을 확인하였다.