4인치 강재 배관 엘보의 저주기 피로에 대한 한계상태평가
Limit State Evaluation of 4-Inch Steel Pipe Elbows for Low-Cycle Fatigue
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초록
원자력발전소 배관시스템은 직관부와 배관 엘보를 연속적으로 연결하여 유체를 수송할 수 있는 형태로 구성된다. 배관 엘보는 배관시스템에서 발생하는 변형 및 에너지의 흡수를 담당하는 중요한 요소이다. 배관 엘보는 같은 재료와 단면을 적용한 직관부와 비교하여 휨강성이 작아 상대적으로 변형이 크게 발생하므로 원자력발전소 배관시스템에서 취약한 요소이다. 따라서 원자력발전소 배관시스템에서 배관 엘보는 중요한 구성 요소이므로 지진하중에 대한 높은 구조적인 안전성이 요구된다. 지진과 같은 반복하중 조건에서 배관 엘보는 재료의 탄성 한계를 넘어서는 변형과 관련된 상당한 단면의 소성변형이 발생할 수 있으며 이는 배관 엘보에서 파손이 발생할 수 있다. 배관 엘보의 한계상태에영향을 미치는 요인 중 가장 기초적인 것은 배관의 두께, 직경 및 길이와 같은 구조적인 규격이다. 이 연구에서는 강재 배관 엘보의 두께 변화에대한 한계상태의 차이를 확인하기 위해서 schedule 40 및 schedule 80의 4인치 강재 배관 엘보에 대하여 저주기 피로 실험을 수행하였다. 저주기 피로 실험은 강재 배관 엘보의 한계상태인 피로 균열에 의한 누수가 발생할 때까지 수행하였다. 두께 변화에 대한 강재 배관 엘보의 한계상태를 누적된 손상을 고려할 수 있는 손상지수를 이용하여 정량적인 차이를 표현하였다.
Abstract
The piping system of a nuclear power plant is composed of straight pipes and pipe elbows sequentially connected to transport fluids. Pipe elbows are an important component for absorbing the deformation and energy in a piping system. Pipe elbows are vulnerable elements in the piping system of nuclear power plants because of their low bending stiffness compared with that of straight pipes of the same material and cross-section, thus resulting in relatively large deformations. Therefore, pipe elbows require high structural integrity against seismic loads because they are important components in the piping system of nuclear power plants. Under repetitive loading conditions such as earthquakes, pipe elbows can experience significant cross-sectional plastic deformation associated with strain beyond the elastic limit of the material, which can cause the pipe elbow to failure. The most fundamental factor affecting the limit state of a pipe elbow is the structural dimensions, such as the thickness, diameter, and length of the pipe. In this study, low-cycle fatigue tests are conducted on 4-inch steel pipe elbows of schedules 40 and 80 to determine the difference in limit states due to changes in their thicknesses. The low-cycle fatigue test is conducted until leakage occurs because of fatigue cracks, which signifies the limit state of the steel pipe elbow. The limit state of the steel pipe elbow with respect to thickness change is quantitatively expressed using the damage index, which can account for cumulative damage.