원전 설계코드 기반 다양한 곡관 각도를 고려한 응력평가 기법의 확장 = Extension of Stress Evaluation Method for Pipe Bends with Various Angles Based on ASME BPVC Section III

국문 초록 (Abstract)

직관과 달리 곡관은 굽힘각도와 곡률을 갖는 복잡한 형상을 지니며, 이에 따라 복잡한 응력장이 형성된다. 이러한 응력분포의 특성은 소성붕괴와 피로파손 등 다양한 파손모드의 발생으로 이어지므로, 곡관 형상 영향을 반영한 응력평가기법이 요구된다. 응력평가의 수행을 위해 시험적 접근이 가능하나, 대형 시험기의 구축과 정밀한 응력측정을 직접적으로 수행함에 있어 한계가 존재한다. 원전 설계코드인 ASME BPVC Sec. III NB 와 KEPIC MNB 에서는 내압 및 굽힘하중을 주요 하중으로 고려하여 곡관에 대한 이론적 응력평가식을 제시하고 있으며, 구조물의 소성붕괴 방지에 기반한 한계하중과 피로파손을 고려한 피로하중을 기반한 평가 절차를 제공한다. 기존 연구에서는 주로 90 도 곡관 및 얇은 배관에 대한 곡관 한계하중 예측식이 제시된 바 있으며, 형상에 따른 곡관 응력분포 분석을 위한 연구들이 수행되었으나 90 도 곡관을 대상으로 진행되어 다양한 굽힘각도를 고려한 연구는 미비하였다. 따라서, 본 연구에서는 원전 설계코드를 기반으로 다양한 굽힘각도를 고려하여 곡관의 응력평가 기법을 확장하고자 하였다. 내압 및 면내 굽힘하중을 단일하중 조건으로 적용한 곡관 유한요소 해석을 수행하여 작용하중에 따른 한계하중 예측식과 최대교번응력 예측식을 도출하였다. 한계하중 예측식은 유한요소 한계해석을 통해 한계내압과 면내 굽힘 방향별 한계모멘트를 산출하여 예측식을 도출하였으며, 기존 예측식과의 비교를 통해 유효성을 검증하였다. 또한 탄성해석을 통해 내압 및 면내 굽힘하중 최대교번응력 예측식을 도출하고 해석 결과와의 비교를 통해 적합성을 확인하였다. 본 연구를 통해 도출된 예측식들은 다양한 굽힘각도와 형상을 갖는 곡관의 응력평가에 적용 가능함을 확인하였으며, 기존 설계코드 기반 응력평가식의 적용 범위를 확장하는 데 기여할 것으로 기대된다.

목차 (Table of Contents)

• 1 장 서 론 1
• 1.1. 연구 배경 1
• 1.2. 연구 목적 4
• 2 장 ASME B&PV Code 배관 응력평가식 5
• 2.1. ASME B&PV Code Section III 개요 5
• 2.2. 1차하중 응력평가식 6
• 2.3. 복합하중 응력평가식 9
• 3 장 곡관 한계하중식 도출 16
• 3.1. 응력지수와 한계하중 16
• 3.2. 한계내압 예측식 도출 17
• 3.3. 기존 한계내압 예측식과의 비교 19
• 3.4. 면내 열림 방향 한계모멘트 예측식 도출 21
• 3.5. 면내 닫힘 방향 한계모멘트 예측식 도출 23
• 3.6. 기존 한계모멘트 예측식과의 비교 24
• 4 장 곡관 최대교번응력식 도출 44
• 4.1. 응력지수와 최대교번응력 44
• 4.2. 내압 곡관 응력장 분석 46
• 4.3. 곡관 내압 최대교번응력 예측식 도출 48
• 4.4. 면내 굽힘하중 조건 곡관 응력장 분석 50
• 4.5. 형상정보 기반 곡관 피로균열 개시 예측선도 제시 52
• 4.6. 곡관 면내 굽힘하중 최대교번응력식 도출 55
• 5 장 결 론 103
• 5.1. 결론 103
• 5.2. 추후 연구계획 105
• 참 고 문 헌 106