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대체 기술기준을 적용한 크리프 영역 고온 압력기기의 건전성 개선
이형연(Hyeong-Yeon Lee),어재혁(Jaehyuk Eoh) 대한기계학회 2021 대한기계학회 춘추학술대회 Vol.2021 No.4
크리프 영역의 고온에서 가동되는 화력발전소와 석유화학 플랜트 등의 고온 압력용기 설계에 일반적으로ASME BPVC Section VIII Division 2<sup>(1)</sup>가(약어 ‘ASME VIII(2)’) 사용되고 있다. 그런데, ASME VIII(2)의 절차에서는 압력용기가 장기간 크리프 영역에서 가동되는 경우 동 설계 평가에서 크리프 유지시간을 명시적으로 고려하지 못하고 있어 고온 가동시간에 무관하게 동일한 평가결과를 주는 중대 기술현안이 있다.<sup>(2)</sup> 그러나 원자력등급의 고온 설계기술기준인 ASME BPVC Section III Division 5 Subsection HB(hereafter ‘ASME-HB’)<sup>(3)</sup>와 RCC-MRx<sup>(4)</sup>는 크리프 영향을 명시적으로 고려하고 있어 가동시간에 따른 크리프 손상 및 크리프-피로 손상을 신뢰성 있게 평가하는 것이 가능하다.<sup>(2)</sup> 동 기술현안으로 인해 ASME VIII(2) 위원회는 크리프 영역 고온 압력기기의 설계 평가 신뢰성의 제고를 위해 ASME VIII(2) 절차에 ASME-HB의 절차를 도입한 ASME Code Case 2843-2<sup>(5)</sup> (약어 ‘ASME CC-2843’)를 최근 발간한 바 있다. 크리프 영역에서 가동되는 산업계 고온 압력기기의 설계에 대체 기술기준으로 분류되는 ASME-HB, RCC-MRx 및 ASME CC-2843을 적용하면 크리프 영향을 명시적으로 고려할 수 있어 설계 및 평가 신뢰성이 크게 개선될 수 있는 것으로 나타났다. 특히 고온, 고압의 가혹한 환경에서 가동되는 초임계압 화력 과열기 헤더 구조에서 균열이 발생하여 관련 보수 또는 교체작업이 적지 않게 이루어지고 있는 상황에서 동 대체기술기준의 적용은 화력은 물론 석유화학 플랜트의 안전성 및 경제성 제고에 기여할 것으로 기대된다. 본 연구에서는 장기간 크리프 영역에서 가동되는 고온 압력용기 설계기술기준으로 활용되고 있는 ASME VIII(2)의 상기 현안과 관련하여 초임계압 화력의 과열기 헤더 구조물을 대상으로 3D FE 기반 ASME VIII(2), ASME-HB, RCC-MRx 및 ASME CC-2843을 따른 설계평가 결과를 비교 분석함으로써 ASME VIII(2)의 잠재적 비보수성 현안을 분석하고, 대체 기술기준을 적용한 해소방안을 제시하였다. ASME Section VIII Division 2(hereafter ‘ASME VIII(2)’) is widely used for design of pressure boundary components subjected to high-temperature in the creep range as well as low-temperature condition. Because ASME VIII(2) takes creep effects implicitly, ASME VIII(2) is not capable of evaluating progressive accumulation of creep damage depending on the operation time. It means that design as per ASME VIII(2) might be potentially non-conservative in case long time operation in creep range. In the meantime, nuclear grade design rules of ASME BPVC Section III Division 5 Subsection HB(hereafter ‘ASME-HB’), RCC-MRx and ASME Code Case 2843-2 which is ASME VIII(2) code cased based on ASME-HB procedures are capable of considering creep effects explicitly. For the design evaluations as per the three design rules, it is possible to evaluate progressive accumulation of creep damage depending on operation time. The three alternative design rules can be applied to design of high-temperature pressure vessels for reliable designs of supercritical thermal plants and oil refinery plants rather than ASME VIII(2). Technical issues were raised on ASME VIII(2) in case of application to high-temperature pressure vessels and promising solutions for the pressure vessel design are suggested with an example problem of superheater structure of a supercritical plant.
대체 기술기준을 적용한 크리프 영역 고온 압력기기의 건전성 개선
이형연(Hyeong-Yeon Lee),이제환(Jewhan Lee),어재혁(Jaehyuk Eoh) 대한기계학회 2021 大韓機械學會論文集A Vol.45 No.12
본 연구에서는 크리프 영역의 고온에서 가동되는 316L 스테인리스강 재질의 고온 열교환기의 고신뢰도 설계 및 평가 방법론을 제시하였다. 대형 소듐 열유동특성 종합효과시험시설로서 한국원자력연구원 내에 구축 완료 후 가동 중에 있는 STELLA-2 내 고온 소듐-공기 열교환기인 UHX의 구조설계 및 건전성 평가 방법론을 기술하였다. 일차 냉각재인 소듐의 온도가 550℃이고, 이차냉각재인 공기의 유입온도가 20℃로 530℃의 높은 온도차를 가지며 사용재질이 316L 스테인리스강인 헬리컬형 열교환기 UHX에 대해 구조설계 방법론과 3D 유한요소해석 기반 응력해석 및 건전성 평가 방법론을 제시하였다. 고온 압력기기의 설계에 통상적으로 사용하는 ASME BPVC Section VIII Division 2의 적용 시 기술현안, 그리고 대체 기술기준인 RCC-MRx를 따른 설계 건전성 평가 방법론을 제시하였다. In this study, the methodologies for design and integrity evaluations for a heat exchanger made of type 316L stainless steel subjected to high temperatures in the creep range are suggested. Structural design and integrity evaluations are conducted for a sodium-to-air heat exchanger UHX in the STELLA-2 test facility at the Korea Atomic Energy Research Institute (KAERI) for large-scale sodium thermal fluid characteristics integral effect tests and is currently under operation. The helical-type heat exchanger of the UHX has a temperature difference of 530°C with the primary coolant of 550°C sodium and secondary coolant of 20°C air and is made of austenitic stainless steel of type 316L. Methodologies for the structural designs, stress analyses, and integrity evaluations based on 3D finite element analysis are suggested. In the integrity evaluations on the UHX, the technical issues to applying the ASME BPVC Section VIII Division 2 that is generally used for design of the pressure vessel is analyzed and design methodologies for alternative design rules of the RCC-MRx are provided.
핀-튜브 군(群)을 가지는 소듐-공기 열교환기 성능실험의 측정 불확실도 평가
김형모(Hyungmo Kim),김병연(Byeongyeon Kim),어재혁(Jaehyuk Eoh),정지영(Ji-Young Jeong) 대한기계학회 2017 대한기계학회 춘추학술대회 Vol.2017 No.11
A reasonably developed measurement uncertainty analysis approach of a sodium-to-air heat exchanger performance test was conducted for quantified error evaluation. A heat transfer rate of sodium-to-air heat exchanger was calculated temperature and flow rate measured with instruments having some of errors. These error components could affect to the total heat transfer rate obtained the experiment, and it is very essential to determine the quantity of total error in the experiment and measuring system. Total error quantity of our heat transfer rate in the experiment was obtained through the conservative view point and reasonable procedure of measurement uncertainty analysis including the reasonable determination of error components and the error propagation to other parameters for calculation. After the determination of error components, we estimated the bias error and the precision error quantities, separately. As a result, the error quantity in the sodium-side and air-side shows -5.69 %~+3.90 % and ±10.58 %, respectively. The developed methodology for measurement uncertainty analysis can be adapted for other heat exchanger systems, and it can support to estimate error quantities of heat transfer rate in experiments.