2009. 4. 6

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이종금속용접부예방정비적용방안

제제1414회회 원자력원자력 안전기술안전기술 정보회의정보회의

발표자 : 김 용태

목 차목 차I. 예방정비 기법1.예방정비 필요성2. 검사, 완화 및 정비기법 Matrix3. 예방정비 기법 별 개요

II. 예방정비 적용1. 범위2. 설계과정3. 주요 설계 내용4. 용접5. 검사6. 기대효과

I. 예방정비 기법

1. 예방정비 필요성

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PWR에서의 Alloy 600의 PWSCC 발생은 활성화된 주기기 손상기구 임1971

SG Hot Leg Tubes

Hot Leg Nozzle Weld

Pressurizer Instrumentation Nozzles & Diaphragm Plate Weld

Pressurizer Level NozzlesSG Cold Leg Tubes

CRDM NozzlesHot Leg Instrument Nozzles

Pressurizer Surge Line

1986 2005 20072000 2002 20031991 1993 199719891987 2008

Pressurizer Heater Sleeves Power Operated Relief Valve Safe End

Cold Leg Instrumentation Nozzles

SG divider PlatePressurizer Surge Line

Hot Leg Drain NozzleCold Leg Letdown Drain NozzleRV head Vent Pipe Weld

SG Inlet Nozzle/Pipe Weld

2. 검사, 완화 및 정비기법 Matrix

• MNSA (BMI)• Integral Pad ½ Nozzle Repair (BMI)• Embedded Flaw Repair – RVH

• Peening (BMI)–Laser

• SIMAT

•UT •ECT•PT

J-Welds

• Weld Overlay• Cut & Replace• Clad ID

• MSIP• Weld Overlay• Inlay/Onlay

•UT •ECT•PT

Butt Welds

-• Zinc AdditionAll Locations

정 비완 화검 사위 치

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3. 예방정비 기법 별 개요(Weld Overlay)□ Weld Overlay란?

배관 또는 용접부에 결함이 있다는 것을 가정하고 결함에 발생에 대한저항성이 우수한 용접제로 기존용접부위에 덧씌움 용접하는 것

Designed Overlay DesignConventional Overlay Design

• MSIP와 비교시 고비용• MSIP와 비교시 공기 및 피폭량 많음• 현장조사기간 장기간 소요• 위치 및 구경에 대한 적용 제약 있음

• 배관교체 대체수단으로 광범위하게적용가능

• 용접 시 Purge 방법 용이• 자동용접기 설치 용이• 배관용접부에 발생하는 SCC 문제영구제거

단 점장 점□ 장단점 비교

□ 적용 위치- 노출배관 (원자로노즐, 가압기노즐 등)

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3. 예방정비 기법 별 개요 (MSIP)□ MSIP란?

용접부 부근 배관외부에 기계적으로 조임력을 가하여 인장력을 압축력으로 변환시켜 균열결함 요소를 제거하는 것

□ 특 징- 간단하고 효과적임- USNRC(NUREG 0313)에서 응력개선방법으로 승인- 응력 제거 불필요- 임계공정 영향 최소화- 재 작업 위험 최저(3000부위 이상 적용)- 시공 부 균열성장 및 발생 미 발견(신뢰도 높음)

□ 적용 가능 부- 노출배관 (원자로노즐, 가압기노즐 등)

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3. 예방정비 기법 별 개요 (Inlay Weld)□ Weld Inlay란?

배관 및 용접부를 내부에서 기계적으로 제거한 후 새 용접제로 재 용접하는 것

□ 특 징- Weld Overlay 또는 MSIP적용이 불가한 곳의

대체 정비수단 임- 대규모 정비계획 수립이 요구 됨

□ 적용 가능 부- 원자로노즐- Ringhals 원전 수행

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3. 예방정비기법 별 개요 (Water Jet Peening)□ Water Jet Peening 이란?

고압수를 금속표면에 충격하여, 잔류응력(인장력)을 완화시키는 것

□ 적용 가능 부- Rx. BMI등과 같은 소구경 배관

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II. 예방정비 적용(고리1호기 가압기노즐 덧씌움 용접)

1. 범 위

1개6”

Relief Nozzle

1개2개1개14”6”4”

Surge NozzleSafety Nozzle Spray Nozzle

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2. 설계 과정가. 1단계 : 설계 입력자료를 기초로 한 형상 설계

□ ASME Code Case N-504 or N-740 및 IWB-3640 요구조건 반영□ Plant Specific Data Collection□ FSWOL Design Sizing□ Field Implementation Drawing

나. 2단계 : 세부 설계 검증□ Fatigue crack growth evaluations□ FSWOL Design And Qualification□ Piping Weld Shrinkage Evaluation□ Pressurizer Stress Report Addendum

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3. 주요 설계 내용가. 자료수집 및 확인

□ FSWOL에 필요한 해당발전소 세부설계자료 수집√ Nozzle Drawings and Walkdown Data√ Piping Isometric Drawings√ Nozzle Loads√ Nozzle Design Transients√ Plant Operating Transients√ Thermal Stratification Transients√ Pressurizer Insurge/Outsurge Transients√ Stress Reports and Design Specifications

□ 수집자료에 대한 최종 확인

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3. 주요 설계 내용(계속)나. 용접크기 및 형상

□ 두께√ Crack Depth / (t orig pipe + t FSWOL ) = 0.75

- 100% Through-wall 가정√ t orig pipe / (t orig pipe + t FSWOL) = 0.75√ t FSWOL = t orig pipe / 3 (Min. FSWOL Thickness)

□ 길이√ 1.5 √Rt

□ 형상√ 내면에서의 잔류응력이 건전성 측면에서 유리하게 형성되도록 하여 야 됨√ 용접 후 검사가 가능하도록 하여야 됨√ 허용되지 않는 구조적 불연속부가 없도록 하여야 됨√ 용접부 테이퍼 각도는 30°를 초과시키면 안됨

- ASME Code, Section III, NB-4250 제시세계로세계로 도약하는도약하는 정비기술정비기술 전문회사전문회사

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3. 주요 설계 내용(계속) 다. 용접잔류응력 평가

□ 동종금속 용접부가 이종금속 용접부에 상대적으로 가깝게 위치하고 있으므로, 최종 잔류응력 분포가 PWSCC 개시 및 성장을 효과적으로 방지할수 있는지 확인

라. 용접부 검사 가능성 검토□ 노즐 안전단의 길이 및 용접부와 노즐 사이의 거리로 인한 검사요건을 만족

가능여부 검토√ 이종금속 용접부와 동종금속 용접부 까지 확장할 수 있음

마. 구조적 건전성□ 피로균열 평가

√ 오버레이 용접부에서 성장된 가상의 균열이 허용강한지 여부 확인□ 피로사용계수 평가

√ 벽 두께 증가로 인한 열응력 증가와 구조적 불연속에 기인하여 오버레이용접부 위치에서의 피로사용계수가 용접전에 비하여 증가할 수 있음. - 피로사용계수 : 0.2이상

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3. 주요 설계 내용(계속)바. 연결배관에 대한 용접수축 평가

□ 용접부에서의 용접수축은 연결배관에 추가적 응력을 유발시킬 수 있음□ ASME Code, Section III, NB-3672.8에 제시된 허용치(2.0Sm) 이내 인지

확인□ 용접수축에 영향을 받는 배관 지지대/헹거 및 배관파단구속장치의 간극 확인

사. Amendment 실시□ 오버레이 용접으로 인한 원래 ASME 설계에 대한 영향□ ASME Section XI, IWA-4311 요구조건 만족여부 확인

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4. 용 접가. 용접요건

□ ASME Code, Section XI, IWA-4110에서는 용접부에 대한 보수는IWA-4000에 따라 수행되어야 함

□ 미국은 ASME Code Case N-504-3 및 N-638-1을 적용하고 있음√ Temper bead 기술을 적용한 GTAW 방법 적용

나. 용접공정□ 배관 표면 청소 및 가공□ 결함제거 및 보수용접□ 희생 오버레이 용접층 시공

√ 이종금속 용접부의 모재로 부터 탄소 및 크롬 등과 같은 원소들의 희석을예방하고 황 등의 유해 원소의 영향을 방지하기 위하여 희생 용접층(sacrificial layer)을 용접 초층으로 하는 오버레이 용접을 수행.

√ 희생 용접은 ER 309L 용가재를 이용하여 기계 GTAW로 용접□ 오버레이 용접 수행

√ 오버레이 용접은 Code Case N-504-3, N-638-1, N-740-1에 제시된요건 및 관련 용접절차사양서에 따라 수행 됨.

√ 용접은 Alloy 690 계열의 용가재를 이용하여 수행되며, 오버레이 용접시발생 가능한 고온균열, 특히 연성저하균열(DDC)을 방지하기 위하여 고온균열에 대한 저항성이 높은 Alloy 52M 또는 52MS 등의 용가재 사용

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4. 용 접(계속)다다. Temper Bead . Temper Bead 용접용접

□ GTAWGTAW를를 이용하여이용하여 오버레이오버레이 용접을용접을 수행할수행할 경우경우 ASME Code Case NASME Code Case N--638638--11을을 따르는따르는 템퍼비드템퍼비드 용접을용접을 수행수행..

□ 용접용접 층간층간 온도온도 350350℉℉ 초과초과 불가불가□ 최소최소 33층층 이상이상 템퍼비드템퍼비드 용접용접 실시실시((층별층별 최소최소 용접두께는용접두께는 1/81/8””))

라라. . 용접방향용접방향□ 용접자세 5G 또는 6G 배관을 오버레이 용접시 발생되는 산화물 영향 방지를

위해 용접진행을 360° 연속 회전하면서 수행하지 않고 180°씩 용접하는double uphill 방법 적용

□ 용접 패스가 끝날 때마다 브러쉬 또는 그라인더 등을 이용, 표면 산화물 제거

마마. . 표면조건표면조건□ 효과적인효과적인 NDENDE를를 위한위한 표면처리표면처리 필요필요

√ > √250 RMS finish√ < 1/32 inch per inch flatness

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5. 검 사가. 관련요건□ ASME Sec XI, Non-mandatory Appendix Q□ Code Case N-740-2

- 기량검증(PD) 요구 Appendix VIII, Supplement 11나. EPRI의 Overlay 기량검증(PD) 기법□일반 수동검사 기법□일반 자동검사 기법□수동 Phased Array UT(KPS)□ EPRI Generic Procedure WOL-PA-01

다. 수동 Phased Array UT 기법의 장점□검사 Coverage 개선□깊이측정 능력우수□선정된 탐촉자를 다양한 형상의 노즐에 사용 가능□탐촉자 교정시간 및 검사시간 단축□수동 대비 검사시간의 단축 (약 66% 감소)□ (ALARA 개념 도입)

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5. 검 사(계속)라. Overlay 검사장비(Omniscan)□ EPRI의 WOL-PA-01에 승인된 절차서/장비□ Zetec 제품

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5. 검 사(계속)

□ Overlay Weld 검사 방법√ PT : A-B√ UT : A-B-C-D

마. 검사범위□ Code Case N - 740-1 의 Overlay Weld 검사범위

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6. 기대효과가. 균열의 개시 및 성장 둔화

□ PWSCC, IGSCC, TGSCC에 대한 저항성이 우수한 니켈합금 용접재Alloy52M/52MS 사용

□ 내면 잔류응력 상태 개선 ( 압축응력)

나. 체적검사 환경 개선□ 노즐안전단 용접부 영역 불연속 정도 감소□ 검사체적이 배관 외면 영역으로 이동으로 인하여 결함검출 성능 증대

다. 검사주기 연장□ 최근 니켈합금 용접부에 대한 강화된 검사주기를 기존 ASME Code,

Section XI 제시주기(10년)로 유지가능

감사합니다

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