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2016 KEPIC-WEEKAdvanced Standards & Global Partner
2016.8.30 – 9.2 (금), 제주 라마다프라자 호텔
원자력 1등급 기기
환경피로에 대한 ASME Code 활동계획 및 추진현황
2016.8.30.(화)
박준수*ㆍ강선예ㆍ김기석ㆍ김현민
한국전력기술㈜
배경
USNRC 환경피로 규제지침
ASME Code 환경피로 기술규정
맺음말
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I. 배경
ASME Code (KEPIC) 원전기기 피로설계기준
기기 피로수명을 정확히 평가하기보다는 피로 민감도 분석
및 최적화, 보수적 설계기준을 적용하여 손상 예방
매끄러운 표면의 모재 소형시편에 대한 공기환경 피로시험
을 토대로 개발된 피로설계(S-N)곡선 적용
첨두응력 결정 시 기기의 기하학적 불연속 효과를 정밀히
반영하기 어려우므로 피로강도감소계수(FSRF ≤ 5.0) 적용
고응력 저주기 피로는 균열전파수명이 전체 피로수명을 지
배하며 FSRF을 적용함으로써 보수적인 설계 보장
저응력 고주기 피로는 제작결함 등으로 균열개시수명을 소
진 또는 상실하면 비보수적인 설계 초래
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ASME Section III 피로설계(S-N)곡선
S-N곡선은 피로균열의 개시수명과 전파수명의 합성곡선
피로시험 데이터의 통계적 처리, 평균응력 효과 및 실 사용
조건을 고려하여 S-N곡선 주기/응력을 보수적으로 조정
고응력 저주기 < 10,000 피로주기 조정(20): 데이터 산만성
(2.0); 크기 효과(2.5); 표면조도 및 환경 효과 (4.0)
저응력 고주기 > 10,000 피로응력 조정(2.0)
주기/응력 조정계수 ≠ 안전계수
원자로냉각재 수화학 환경의 영향이 명시적으로 반영 안됨
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압력경계기기 사용환경 영향 관련 ASME Section III NCA 요건 추가(‘11 Add)
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Abstract
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For decades, application of Environmentally-Assisted Fatigue (EAF) for the
design of new reactors has been one of the major issues in the nuclear industry.
This paper summarizes the current status of the ASME Code Committee's action
plan to resolve EAF issues, and progresses in the rule making for the fatigue
design of nuclear Class 1 components. With regards to the Code design, review
of the regulatory guide (RG1.207) on the EAF analysis and its technical basis
document (NUREG/CR-6909) including draft revision for comment, are carried
out and critical aspects of these documents are discussed. The EAF related
ASME Code Cases N-761 and N-792, and the other Code Case proposals are
also reviewed: They include the environmental fatigue curve method, the
environmental life correction factor (Fen) method, the flaw tolerance evaluation
method, and the strain-rate determination method, as codified for
implementing the regulatory guide. Review result and discussions on the EAF
analysis methodology are presented in the paper, including a few of
recommendations on the application of the EAF for nuclear components.
II. 환경피로 규제지침(1/6)
규제지침서 및 기술배경서
Regulatory Guide 1.207, Rev.0 (Mar. 2007): Guidelines for
Evaluating Fatigue Analyses Incorporating the Life
Reduction of Metal Components due to the Effects of the
Light - Water Reactor Environment for New Reactors.
NUREG/CR-6909, Rev.0 (Feb. 2007): Effect of LWR Coolant
Environments on the Fatigue Life of Reactor Materials.
KINS 안전심사지침(5.4 절): 장수명 원전 환경피로 적용지침
NRC RG. 1.207 Rev.0 & NUREG/CR-6909 Rev.0와 동일 신고리3,4호기와 신한울1,2호기에 시범적용 후 신고리5,6호기
부터 공식 설계요건으로 적용
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II. 환경피로 규제지침(2/6)
규제지침서 및 기술배경서 개정계획
NUREG/CR-6909, Rev.1 Draft Report for Comments (Mar.
2014): Effect of LWR Coolant Environments on the
Fatigue Life of Reactor Materials. 2014.06.02. 한 이해관계자(기관)으로부터 검토의견 접수
검토의견 반영 일정지연, 금년 말 개정본 발행예상
Regulatory Guide 1.207, Rev.1: Guidelines for Evaluating
Fatigue Analyses Incorporating the Life Reduction of
Metal Components due to the Effects of the Light -
Water Reactor Environment for New Reactors. NUREG/CR-6909, Rev.1을 토대로 개정, 공표예정
재료별로 개정된 환경보정계수 상관식, 원자로내부구조물에
환경피로 확대적용 및 증기발생기 2차 측에 적용여부에 관심
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II. 환경피로 규제지침(3/6)
NUREG/CR-6909, Rev.1(초안) 주요 개정내용
NUREG/CR-6909, Rev.0 적용경험 반영, 다음 항목을 포함하
여 개량된 환경보정계수법 제공 변형률속도가 매우 높거나 온도가 매우 낮은 조건에서의 환
경보정계수 기준치 변경
탄소강 및 저합금강에 대한 환경보정계수의 온도의존성 개정
오스테나이트 스테인리스강에 대한 환경보정계수의 수화학
의존성 개정
개정전ㆍ후 환경보정계수 상관식 현황표 참조(다음 쪽)
각국 이해관계자(기관)들은 NUREG/CR-6909, Rev.1(초안)에
대해 공식 제출한 검토의견을 통해 원전기기 환경피로규제
기술배경서의 다양한 문제점과 기술적인 결함을 지적하였음
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압력경계재료별 환경보정계수 상관식 비교
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II. 환경피로 규제지침(6/6)
NUREG/CR-6909 개정안에 대한 주요 지적 사항
재료 환경피로에 대한 이론 정립과 실험적 검증 미흡
재료별 환경피로 매개변수와 환경보정계수 상관식 확인ㆍ
검증 및 설계적용 타당성 결여
기기 파손을 규정하는 피로균열 정의 불일치: 3 mm 깊이
부분균열(NRC) vs. 두께관통균열(ASME)
S-N 곡선상 극 고주기(106-1011) 구간 설계보수성 과다
실제 기기의 두께에 존재하는 변형률 구배가 균열 전파속도
에 미치는 영향 미고려, 특히 저주기 피로수명 증대효과 커
S-N 곡선에 고려된 주기/응력조정계수(20x2)와 환경보정계
수와의 중복으로 과도한 설계보수성 초래
S-N 곡선에 재료의 인장강도 의존성 미고려 등
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III. ASME Code 환경피로 기술규정(1/14)
Section III 환경피로기술분과(EFEM)위원회 활동
RG 1.207, Rev.0 공표 이후 동 규제지침의 이행 방법 및 절차
에 관한 환경피로규정 개발 등을 포함한 활동계획 추진
주요 성과물로 ASME Code Cases (CC) 2 건 개발, 초판 및
개정본 발행 완료: N-761, N-792 & N-792-1
그 외, 기존 코드케이스 적용 지원 또는 새로운 접근방식의
환경피로평가법 등 3 건의 코드케이스 개발 중
N-XXX: Strain Rate & Fen Determination (3200)
N-YYY: Strain Rate & Fen Determination (3600 & 3500)
N-X-0: Flaw Tolerance Evaluation Method
USNRC 규제지침 및 기술배경서 개정일정에 따라 ASME 코
드케이스 개발 및 개정작업 지체, 환경피로 활동계획도 1차
갱신을 통해 기존 접근법과 수행항목을 대폭적으로 손질 중Page 13
Code Case N-761(’10.09), “Fatigue Design Curves for Light Water Reactor (LWR) Environments”
기존 공기중피로곡선 대신 포괄적인 환경피로 매개변수들
을 고려한 변형률속도별 환경피로곡선(Environmental S-N
Curve)을 적용하여 냉각재환경 피로평가
N-761에 규정한 환경피로곡선들에 대한 기술근거 제시 및
백서 개발 등 USNRC 요구사항 미 이행 상태로, 동 코드케
이스 활용도 및 존치 필요성에 대해 재검토 중
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III. ASME Code 환경피로 기술규정(3/14)
Code Case N-792(’10.09), “Fatigue Evaluations Including Environmental Effects”
원자로냉각재 환경보정계수(Fen) 또는 피로수명저감계수를
도입, 공기중피로 평가결과 피로쌍별 피로계수에 환경보정
계수 적용, 기존의 피로해석 방법 및 절차상 영향 최소화
환경피로 사용계수는 CUFen = Fen x CUF 로 계산하며, 피로
쌍별 변형률속도 결정을 위해 별도의 코드케이스 필요
lnlnlnln
or ;
pNNFNNF
waterairen
p
water
airen
content DO and tureon tempera depedingexponent ratestrain : p
(%/sec) ratestrain :
re temperatuserviceat in water life fatigue :waterN
air re temperaturoomin life fatigue :airN Where,
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III. ASME Code 환경피로 기술규정(4/14)
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Code Case N-792-1(’12.08), “Fatigue Evaluations Including Environmental Effects”
주요 개정사항:
ANL 공기중피로설계곡선(CS, LAS)을 ASME 곡선(CS & LAS)
으로 대체, Code 피로해석과 일관성 유지
Fen 상관식(CS & LAS)도 ASME 곡선에 맞게 수정
응력범위 계산 시 탄소성벌칙계수 Ke 적용, Code 피로해석과
일관성 유지
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Code Case N-XXX, “Procedure to Determine Strain Rate for Use in Determining Fen for Use in an Environmental Fatigue Evaluation”, Draft Revision 18; Version B-15.
1등급 기기에 적용할 변형률속도 코드케이스(안)으로, 해석에 의
한 설계(NB-3200) 규정을 따르는 모든 기기에 적용. 포괄적 환경
피로평가에 적용할 재료별 환경보정계수 한계치와, 주어진 피로쌍
에 대한 변형률속도와 환경보정계수 계산방법 및 절차 등을 규정
변형률속도 결정방법은 NB-3216에 의거, 주응력 방향이 가변적인
경우와 불변하는 경우에 대해 각각 제공되며 주응력 방향이 변하
는 경우 응력차 부호 결정절차를 추가로 적용
주어진 피로쌍을 구성하는 운전과도조건의 인장응력구간 조합방
법과 전체 첨두응력강도(Sp)에 대한 변형률속도 결정방법 규정
피로쌍별 첨두응력강도의 변형률속도는 시간평균적 방법 또는 미
소구간 변형률범위가중적(strain-range weighted) 변형률기반적분
(strain-based integral) 방법으로 계산Page 18
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Code Case N-YYY, “Method for Determining Strain Rate for Piping and Valves,” Version C-5
1등급 배관 및 밸브에 적용하는 변형률속도 코드케이스(안)으로,
포괄적인 환경피로평가에 적용할 재료별 환경보정계수 한계치, 기
기별 변형률속도 및 환경보정계수 계산방법 등 규정
배관의 경우, NB-3600에 의거 압력(P항), 모멘트(M항), 온도(T항), 온
도차(ΔT항)에 의해 발생하는 응력범위 항을 각각 고려, 주어진 피로
쌍에 대해 각 항별로 평균적인 변형률속도를 구하고
각각에 해당 변형률범위를 가중시킨 후 산술적으로 합쳐 전체 첨두
응력강도 변형률속도를 결정하거나, 미소구간 변형률범위 가중적인
변형률기반 적분을 통해 환경보정계수를 결정하는 방법과 절차 제공
밸브의 경우, NB-3500에 의거 발전소 기동 및 정지와 그 외 운전과도
조건에 의해 발생하는 첨두응력강도를 해당 소요시간으로 나눈, 시간
평균적 변형률속도를 결정하여 환경보정계수를 산정
현재, 배관 환경피로 표본문제의 라운드로빈 해석이 진행 중
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Code Case N-YYY, “Method for Determining Strain Rate for Piping and Valves,” Version C-5
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Code Case N-X-0 Fatigue Evaluations Using Flaw Tolerance Methods to Consider Environmental Effects
피로 평가 시 무결함 재료를 가정한 안전수명접근법(safe-life
approach)과 달리, 검사에서 검출되지 못한 결함을 가정하는 손
상내성접근법(damage tolerance approach)을 기반으로 개발
Section XI, App. L을 참조로, 피로파괴로 인해 기능불능 상태를
초래할 정도까지 기기 구조건전성이 약화되지 않는 범위 내에서
피로 누적 및 균열성장을 허용할 수 있음을 입증
환경피로평가 결과, 누적피로계수 허용기준을 초과하면(CUFen>
1) 피로균열이 개시된다고 가정하고 파괴역학적 평가를 통하여
차기 가동기간 동안 피로에 대한 구조건전성 확보
즉 해당부위에 가상적인 균열을 가정하여 차기 검사시점까지 평
가기간 동안 환경의 영향을 고려한 피로균열 성장량을 예측하고
해당 부위의 계속검사를 통해 구조건전성이 유지됨을 입증
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Code Case N-X-0 Fatigue Evaluations Using Flaw Tolerance Methods to Consider Environmental Effects
III. ASME Code 환경피로 기술규정(12/14)
ASME Code 위원회 환경피로활동계획(Rev.0, 2009)
환경피로 규제지침(RG 1.207)에 대한 후속조치로 원전기기
설계에 적용할 환경피로 기술규정을 개발하는 종합계획
환경피로평가 코드케이스 개발
코드케이스 이행지침 개발
새 환경피로규정 적용에 따른 산업계 영향 평가
환경피로 적용개선과 충격 완화를 위한 연구개발
기존 피로설계기준을 유지하며 피로 해석 및 평가 방법론의
보수성 완화가 주 목적
새 규정의 적용에 수반되는 규제지침 변경(안) 개발
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III. ASME Code 환경피로 기술규정(13/14)
ASME Code 위원회 환경피로활동계획 개정안(Rev.1)
그 동안 환경피로활동 성과를 분석하고 향후 활동방안을 재
정립, 기존 피로설계기준에 대한 부분적 개정 및 갱신
냉각재환경 조건에 대한 피로해석 면제규정 개발
환경보정계수 기반으로 NB-3600기기용 간이선별기준 개발
변형률속도별 냉각재환경 피로설계곡선법 적용(N-761)
공기중피로곡선에 냉각재환경 보정계수법 적용(N-792)
수명시점에서 가상결함에 대한 결함내성평가법 적용
중대성 기반(consequence-based) 설계계수를 적용한 총 수명
(균열 개시수명 + 성장성장) 예측 등 (다음 쪽 참조)
별도 추진 예정인 피로설계기준 계량화연구(DOE)와 표준개
발기구(SDO) 환경피로 로드맵과 연계한 중장기 로드맵 포함
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III. ASME Code 환경피로 기술규정(14/14)
ASME Code 위원회 환경피로활동계획 개정안(Rev.1)
NB-3200 및 NB-3600 설계 기반 변형률속도 결정
복잡한 주기 환경보정계수 산정 시 온도 적용에 대한 규정
소성보정기법 검토 및 갱신
피로계수 평가 시 과도조건 결합 방법 및 순서에 대한 규정
표본문제 벤치마킹 및 라운드로빈 해석
환경피로 기술규정(안)에 대한 검증
기존 피로해석 면제조항에 대한 개정 필요성 검토
결함내성평가용 상승시간 의존적인 균열성장법칙 적용지침
수립 및 표본문제 풀이
냉각재환경 영향을 고려한 피로균열 개시 및 성장 단계에
대한 총 수명 예측법 개발
총 수명 예측용 설계계수 선택 시 확률론적 고려 등
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IV. 맺음말
원전기기 환경피로 적용과 관련, 현실적으로 타당한규제지침 및 기술규정 개발에 필요지식과 가용지식간의 격차가 엄연한 사실
현행 규제지침과 기술규정 하에 국내원전 환경피로설계 및 해석/평가 기술적 완성도 제고와 아울러서원전기기 피로설계기준 개량에 국제적 공조 필요
장차, 환경피로 기술격차가 해소돼 보다 현실적이고기술적으로 타당한 규제지침과 기술규정이 확립되면기기 구조건전성 및 원전 안전성 제고 기여
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