원전 가압기노즐 오버레이용접이 잔류응력 형성에 미치는 영향에 관한 수치적 연구

Abstract

가압경수로형 원자력발전소의 격납용기 내에 설치된 주요기기인 원자로, 가압기, 증기발생기 및 원자로냉각재펌프 등은 Low Alloy Steel 소재로 제작이 되었고, 내면에는 Stainless Steel 소재의 클래딩이 적용되었다. 또한, 각 주요기기와 연결되어 Primary Loop를 형성하는 주배관은 Austenite Stainless Steel로 제작이 되었기 때문에 주기기와 주배관의 용접부는 이종금속용접이 가능한 용가재로 용접되어있다. 그동안 이종금속용접부에는 Alloy 600 계열의 Alloy 82/182 용가재가 적용되어 왔는데, 2000년 V.C Summer 원전의 원자로압력용기 출구노즐의 이종금속용접부에서 PWSCC에 의한 균열이 발견되었고, 2003년 Tsuruga 2호기의 가압기 방출노즐, 2005년 D.C Cook 1호기 가압기 안전노즐 및 2005년 Millstone 3호기의 가압기 방출노즐 이종금속용접부에 PWSCC에 의한 균열이 발견됨에 따라 Alloy 600계열 이종금속용접부의 균열 안전성에 대한 문제가 지속적으로 제기되었다. 이로 인해 미국 원자력산업계에서는 PWSCC의 예방을 위해 ASME CODE Section XI, Code Case N-504-3 및 N-740-1의 오버레이용접에 관한 규정을 도입함으로써 원전 주요기기의 구조적 건전성을 유지 및 관리하는데 활용하고 있다. 국내최초 PWSCC 예방을 위해 이종금속용접부 오버레이용접이 적용된 사례는 2009~2010년 고리1호기 가압기노즐이며, 뒤를 이어 한빛, 한울원전 가압기노즐에도 적용되었다. 본 연구는 원자력발전소 가압기 안전노즐의 이종금속용접부를 대상으로 ASME CODE 기준에 의해 설계된 구조적 오버레이용접(Full Structural Weld Overlay)의 길이 및 두께를 초기조건으로 설정한 후 PWSCC 예방을 위한 예방용접(Preemptive Weld Overlay)계념을 적용하기위해 노즐 내면에 형성된 잔류응력을 목표 잔류응력 값인 10ksi 이하로 형성시키기 위한 최적화된 오버레이 설계두께를 수치해석을 통해 도출해낸 연구사례이다.

주요어 : Overlay Welding, Weld Overlay(오버레이용접), PWSCC(1차수응력부식균열), DMW(이종금속용접부), Residual Stress(잔류응력), PWR(가압경수로), Alloy 600, Alloy 690, Alloy 82/182, Alloy 52/52M