유한요소해석을 이용한 노즐 이종금속용접부의 용접잔류응력 예측
허남수
†•김종욱
*•최순
*•김태완
*Prediction of Welding Residual Stress of Dissimilar Metal Weld of Nozzle using Finite Element Analyses
Nam-Su Huh, Jong-Wook Kim, Suhn Choi and Tae-Wan Kim
Key Words :
Dissimilar Metal Weld(이종금속용접), Finite Element Analysis(유한요소해석), Primary Water Stress Corrosion Crack(1차수 응력부식균열), Welding Residual Stress(용접잔류응력)
Abstract
The primary water stress corrosion cracking (PWSCC) of dissimilar metal weld based on Alloy 82/182 is one of major issues in material degradation of nuclear components. It is well known that the crack initiation and growth due to PWSCC is influenced by material’s susceptibility to PWSCC and distribution of welding residual stress. Therefore, modeling the welding residual stress is of interest in understanding crack formation and growth in dissimilar metal weld. Currently in Korea, a numerical round robin study is undertaken to provide guidance on the welding residual stress analysis of dissimilar metal weld. As a part of this effort, the present paper investigates distribution of welding resisual stress of a ferritic low alloy steel nozzle with dissimilar metal weld using Alloy 82/182. Two-dimensional thermo-mechanical finite element analyses are carried out to simulate multi-pass welding process on the basis of the detailed design and fabrication data. The present results are compared with those from other participants, and more works incorporating physical measurements are going to be performed to quantify the uncertainties relating to modelling assumptions.
1. 서 론
최근 Alloy 82/182를 사용한 원자력 기기 이종금속용접부(Dissimilar Metal Weld, DMW)의 1차수 응력부식균열(Primary Water Stress Corrosion Cracking, PWSCC) 문제가 국내외에서 주요 현안으로 다루어지고 있다. DMW의 PWSCC 문제는 재료의 PWSCC 민감성과 용접잔류응력에 큰 영향을 받는 것으로 알려져 있다. 따라서 국내외에서 DMW 용접부를 비롯한 원자력 기기 용접부의 용접잔류응력을 보다 정확하게 예측하기 위한 해석적/실험적 연구가 최근 다수 진행되고 있으며 미국 및 유럽에서도 국제공동연구가 진행되고 있다.(1,2) 이의 일환으로 국내에서도 DMW 용접부의 용접잔류응력을 해석적으로
예측할 수 있는 지침을 개발하기 위한 라운드로빈(round robin) 연구가 가압기 상부 안전/방출 노즐 DMW 용접부에 대해 진행되고 있다. 본 논문에서는 국내 라운드로빈 연구의 일환으로 2차원 유한요소(Finite Element, FE)해석을 이용한 열 및 응력해석을 수행하여 DMW 용접부의 용접잔류응력 분포를 예측하였다.
2. 해석 대상 및 유한요소해석
해석 대상은 가압기 노즐의 DMW를 모사하기 위해 제작된 mock-up으로 라운드로빈 참여자 모두 동일한 형상을 사용하였다. 먼저 노즐은 DMW을 통해 safe end와 용접되며 safe end는 최종적으로 동종금속용접부(Similar Metal Weld, SMW)를 이용하여 배관(스테인리스 강)과 용접된다. 해석에 필요한 mock-up의 부위별 재료물성치도 모든 참여자가 동일한 재료물성치를 사용하였다.
Fig. 1은 해석에 사용된 2차원 축대칭 FE 모델을
† 회원, 한국원자력연구원 중소형원자로기술개발부 E-mail: [email protected]
TEL: (042) 868-4901 FAX: (042) 868-8990
* 회원, 한국원자력연구원 중소형원자로기술개발부 대한기계학회 2008년도 추계학술대회 논문집
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Fig. 1 FE mesh employed in the present work
나타낸 것으로 본 논문에서는 “Layer Based Approach”를 이용하여 용접 공정 및 비드(bead) 생성을 모사하였다. 요소 생성법을 이용하여 용접 공정에 따른 비드의 생성, 입열, 냉각을 모사하였으며 입열량 및 용접 조건은 WPS에 주어진 용접 조건을 이용하여 결정하였다.
3. 해석 결과
Fig. 2는 DMW만 수행했을 경우 노즐 및 용접부 내벽에서의 잔류응력 분포를 나타낸 것이다. Fig.
2에 나타낸 바와 같이 축방향의 경우에는 DMW
수행 후 노즐쪽에서는 압축잔류응력이
발생하였으며 용접부 및 safe end에서는 인장잔류응력이 발생하였다. 원주방향 잔류응력의 경우 용접부와 노즐에서는 압축잔류응력이 발생하였다. Fig. 3은 DMW와 SMW를 모두 고려하였을 때 내면에서의 잔류응력 분포를 나타낸 것이다. 그림에서와 같이 축방향 잔류응력의 경우에는 SMW의 영향으로 DMW
근처의 인장잔류응력이 감소하였으며 DMW
용접부에서는 압축잔류응력으로 변하는 것을 알 수 있다. 원주방향 잔류응력의 경우도 SMW 용접부에서는 인장잔류응력이 발생하나 DMW 용접부에서는 더 큰 압축잔류응력이 발생하는 것으로 나타났다. 따라서 DMW 용접부의 잔류응력이 SMW에 의해 크게 영향을 받으며 SMW에 의해 DMW 용접부의 내면 잔류응력이 축방향과 원주방향 모두 압축응력 방향으로 감소한다.
4. 결론
본 논문에서는 DMW 용접부 잔류응력
예측기법 정립을 위한 국내 라운드로빈 연구의 일환으로 2차원 FE 해석을 수행하여 노즐 DMW 용접부의 잔류응력을 예측하였다. 라운드로빈 참여자간의 결과 비교를 수행한 결과 해석상 가정의 차이로 편차가 발생하였으며 해석 방법의 신뢰성을 향상시키기 위해 실험 결과와의 비교 및 추가적인 해석이 수행되어야 한다.
참고문헌
(1) Rudland, D., Zhang, T., Wilkowski, G. and Csontos, A., 2008, “Welding Residual Stress Solutions for Dissimilar Metal Surge Line Nozzles Welds,” ASME
PVP Conference, PVP2008-61285.
(2) Bate, S.K., Hurrell, P., Francis, J.A. and Turski, M., 2008, “UK Research Programme on Residual Stresses-A Review of Progress,” ASME PVP Conference, PVP2008-61073.
-50 -40 -30 -20 -10 0 10 20 30 40 50 -500
-400 -300 -200 -100 0 100 200 300 400 500
Safe End Nozzle
Axial Residual Stress, MPa
Distance, mm Inner surface
Only DMW
Groove (DMW)
(a) Axial residual stress
-50 -40 -30 -20 -10 0 10 20 30 40 50 -500
-400 -300 -200 -100 0 100 200 300 400 500
Safe End Nozzle
Hoop Residual Stress, MPa
Distance, mm Inner surface
Only DMW
Groove (DMW)
(b) Hoop residual stress
Fig. 2 Residual stress distribution at the inner surface after dissimilar metal weld
0 20 40 60 80 100 120 140 160
-600 -500 -400 -300 -200 -100 0 100 200 300 400 500 600
Nozzle Pipe
Groove (SMW)
Axial Residual Stress, MPa
Distance, mm Inner surface
DMW+SMW
Groove (DMW)
(a) Axial residual stress
0 20 40 60 80 100 120 140 160
-600 -500 -400 -300 -200 -100 0 100 200 300 400 500 600
Pipe Nozzle
Groove (SMW)
Hoop Residual Stress, MPa
Distance, mm Inner surface
DMW+SMW
Groove (DMW)
(b) Hoop residual stress
Fig. 3 Residual stress distribution at the inner surface after dissimilar and similar metal weld
