원전 증기발생기 전열관 재료 Inconel 690의 프레팅 마모거동에 관한 연구

Abstract

원자력 발전소 증기발생기에서는 유체유발 진동에 의해 전열관과 반진동 구조물 사이의 미세한 떨림이 발생하며 이로 인해 작은 변위를 가지는 마모 즉, 프레팅 마모 현상이 발생하게 된다. 전열관이 손상될 경우 1차 냉각수에 함유된 방사능 물질들이 2차 냉각수 혹은 외부로 유출되어 환경오염을 유발시킬 위험이 있고 원자력 발전소의 경제성과 효율성을 저하시킬 수 있다. 전열관 소재로 주로 사용된 Inconel 600 합금에 대한 연구는 많이 이루어진 반면, 근래에 주로 사용되고 있는 Inconel 690 합금의 프레팅 마모에 대한 연구는 부족한 편이다. 원자력 발전소 증기발생기 전열관에 사용되는 Inconel 690 합금의 미세구조와 마모거동을 분석하여 재료의 특성을 파악하고 손상을 예측한다면 원자력 발전소를 가동하는데 있어 효율성과 경제성 그리고 안전성에 기여할 수 있을 것이다. 본 연구에서는 원자력 발전소 내 증기발생기 전열관 소재로 사용되고 있는 Inconel 690 전열관의 프레팅 마모거동을 분석하기 위하여 반진동 구조물의 재료로 사용되고 있는 SUS 409, 405를 각각 mating 재료로 하여 마모시험을 진행하였다. 마모변수에 의한 Inconel 690의 마모거동을 분석하기 위하여 변위와 진동수, 접촉응력 그리고 온도 등을 달리하여 실험을 진행하였으며 또한 경년열화에 따른 마모거동을 분석하였다. 마모변수에 의한 마모거동의 분석은 Archard equation 내 마모계수의 계산과 SEM을 이용한 마모면 관찰을 통하여 진행하였다. 실험 결과를 통해, Inconel 690 전열관의 프레팅 마모거동은 일반적으로 알려진 프레팅 마모거동과 마찬가지로 진동수의 변화에 영향을 크게 받지 않으며 변위의 변화에 따라 마모거동이 달라지는 것을 확인할 수 있었다. 또한 경년열화 시편을 이용하여 재료의 미세구조 특히, carbide morphology를 관찰하여 기존 전열관의 미세구조와 비교하였으며 프레팅 마모 시험을 통해 Inconel 690 합금의 carbide morphology와 프레팅 마모와의 관계를 확인하였다.