Master curve Tndt

Master Curve Master Curve 방법을방법을 이용한이용한가압열충격가압열충격 기준온도기준온도 재평가재평가

이 봉 상

원자력재료기술개발부

Korea Atomic Energy Research Institute (KAERI)

2007. 4.5 ~ 4.6제12회 원자력안전기술정보회의

Slide - 2/22-제7분과 : 원전주요기기 경년열화에 대한 건전성확보

목목 차차

I. 원자로용기 중성자 조사취화 관리 규정

II. 가압열충격 기준온도(RTPTS)의 기술배경

• ASME Code KIC curve – RTNDT

III. Master Curve 파괴인성 평가방법

IV. 고리1호기 가압열충격 기준온도(RTPTS) 재평가 시험결과

V. 요약 및 결론


I. I. 원자로용기원자로용기 중성자중성자 조사취화조사취화 관리관리 규정규정

과기부 고시 제2005-3호 (원자로용기 감시시험)• USNRC 10CFR50 (50.60, 50.61, Appendix G & H)를 준용

I. Screening Criteria (Charpy 충격시험) • USE (upper-shelf energy) > 50 ft-lb

• RTPTS < 300oF (cir. weld) or 270oF (long. weld와 모재)

II. 원자로용기 안전성 상세 평가 (파괴역학 시험/해석)• 100% 체적 비파괴검사

• 파괴인성 시험을 통한 재료특성 상세 평가

• 파괴역학 안전여유도 계산

III. 조사량감축, 조사손상 회복열처리 등


원자로압력용기의원자로압력용기의 중성자중성자 조사취화조사취화 감시감시

Surveillance Specimens Capsule

고에너지 (E>1MeV) 중성자 조사에 의해 원자로용기

노심대 영역에서 파괴인성이 감소(취화)

• 무연성천이온도(DBTT, RTNDT)가 고온쪽으로 이동.

=> 안전운전 영역 축소, PTS 사고시 파손확률 증가

Charpy V-notch충격시험으로

파괴인성(KIC)을간접평가

KIC > KI,app (with safety margin)


-100 -50 0 50 100 1500

50

100

150

200

250

Charpy V-notch ImpactAbsorbed Energy

Cleavage

Ductile + C leavage

Ductile Tearing

Cha

rpy

Ene

rgy

(J)

Test Tem perature (oC)

파괴인성시험 Charpy 충격시험

-200 -100 0 100 200 300 400 500 6000

20

40

60

80

100

Temperature (oF)C

V Ene

rgy

(ft-lb

)

Unirr. V, f=0.54 (x1019n/cm2) T, f=1.12 (x1019n/cm2) S, f=1.22 (x1019n/cm2) R, f=2.99 (x1019n/cm2) P, f=3.88 (x1019n/cm2)

-100 -50 0 50 100 150 200 250 300

0

20

40

60

80

100

120

2

( Jou

le)

(oC)

2

Linde 80 Weld (WF-233)Kori-1 RPV

AfterIrradiation(ΔT30ft-lb)


II. II. 가압열충격가압열충격 기준온도기준온도(RT(RTPTSPTS) ) 기술배경기술배경

SECY-82-465를 기술근거로 USNRC에서 기술기준제정(1985), 10CFR50.61로 공식규정화(1991)

ASME KIC 파괴인성 특성데이터를 기초하여, 확률론적 파괴역학 해석을 통해 5x10-6/year 의 파손확률을

갖는 RTNDT 값 (270oF or 300oF)를 screening limit로 설정.

RTPTS: 수명말기(EOL) 원자로용기 내벽의 최대 RTNDT

RTNDT = RTNDT(U) + ΔRTNDT + Margin

주) RTNDT(U)와 ΔRTNDT 는 Charpy 충격시험 (및 낙중시험)으로 결정

(ASME Code Sec.III, NB-2300, USNRC RG-1.99, Rev.2)


ASME KIC Curve:

WRC Bulletin-175 (1972)

파괴인성 데이터를

각 재료의 NDT (RTNDT)로온도보정후 정상화하여

하한 특성곡선을 도출

조사후 KIC 특성곡선 :

중성자 조사에 의해

Charpy 충격시험의 ΔT30ft-lb 만큼

변화하는 것으로 가정

ASME KIC Curve 결정에 사용된파괴인성 데이터베이스 (1972)

C),mMPa(in)](036.0exp[*783.225.36 oNDTIC RTTK −+=

174 Data pointsEPRI NP-719-SR

HSST-02 plateA533B-1 steel

ASME KASME KICIC curve : CLB (Current Licensing Basis)curve : CLB (Current Licensing Basis)


RTRTNDTNDT 파괴인성파괴인성 평가방법의평가방법의 재검토재검토

파괴인성 결과와 연관성이 많지만, 다른 특성을 보이기도 함.

30ft-lb (혹은 50ft-lb)가 무연성 천이특성을 나타내는 온도로

적절치 않은 경우가 있음 (Linde 80 저인성 용접재)

1972년에 비해 수백배의 파괴인성 데이터베이스가 확보됨.

충격시편 크기로 파괴인성 직접 시험해석 방법이 개발됨

(ASTM E1921, Master Curve Method for To Determination)

ASME Code Case N-629 & 631에서 RTNDT를 대체하는 RTTo를

제시 (RTTo = To,ASTM + 35oF)

USNRC, IAEA, 유럽, 일본 등의 기술지침서 작성 및 적용사례


옛날의 개념: 파괴인성은 시편크기에 따라 감소하므로,

어느 이상 크기의 시편에서만

재료특성 값으로서의 파괴인성이 결정된다.

요즘의 개념: 연성-취성 천이온도영역에서 (cleavage fracture)

파괴인성은 시편의 크기에 따라 감소하나,

이를 weakest-link 확률이론으로 보정할 수 있다.

[ ]m

T

XXJCTJC B

BKKKK/1

1min)(min)1( ⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−+=

일정한 두께의 시편(1 inch)에서 압력용기강 파괴인성의 온도의존성

은 거의 유사함. 시험 데이터의 편차도 동일한 통계분포를 나타냄.

To (연성-취성 기준특성온도) : 100 MPa√m의 파괴인성 온도

III. Master Curve III. Master Curve 파괴인성파괴인성 평가방법평가방법

KIC

KJC


Theoretical Size correction

T – To (oF)

Indexing Fracture Toughness

For Many Different RPV Steels

(NUREG-1807, by Mark Kirk)

Master Curve Fracture Toughness DatabaseMaster Curve Fracture Toughness Database


RTTo = To + 35oF

(Code Case N-629)

•모든 재질의 파괴인성 데이터

가 동일한 통계분포를 나타냄.

•ASME KIC curve의

limiting material 인HSST-02 (A533B-1) steel의파괴인성 데이터는

오히려 18oF 정도의

추가적 여유도를 보임.

마스터커브에마스터커브에 의한의한 ASMEASME KKICIC Curve Curve 재평가재평가

(NUREG-1807, by Mark Kirk)


IV. IV. 고리고리11호기호기 가압열충격가압열충격 기준온도기준온도(RT(RTPTSPTS) ) 재평가시험재평가시험

감시시험의 충격시험결과, 노심대 원주방향 용접재(Linde 80, WF-233)의 RTPTS 값이 screening criteria (300oF)에 근접함.

규정에 따라 파괴역학 안전성 상세평가 수행 필요

=> Master Curve 파괴인성 시험

평가시험을 위한 파괴인성 시편의 확보방안

• PCVN (pre-cracked Charpy) specimens

• 비조사재 : Archive Material 보유 (초기특성 평가)

• 조사후 특성변화 : 사용후 감시시험편의 재활용 (용접재생)

관련 시험규격

• ASTM E 1921-05 : 마스터커브 파괴인성 시험방법

• ASTM E 1251-99 : 감시시험 충격시편의 용접재생 방법


감시시편감시시편 조사재의조사재의 파괴인성파괴인성 시험시험 방법방법

A broken half of Charpy specimensfrom surveillance programs

A new PCVN specimenfor the master curve testing

Insert machining of a broken piece.

Arc stud welding in a short period (~0.2 sec)

Final machining and pre-cracking

3차/4차/5차 사용후 감시시편 조각을 재활용


용접재생용접재생 시편제작시편제작 기술의기술의 검증검증

TemperatureMeasurements

HardnessProfiles

FEM stress calculation -250 -200 -150 -100 -50 0 500

50

100

150

200

250

300

Virgin PCVN (T0= -106oC)Reconstitution (T0= -105.2oC)

K JC,1

T (M

Pa-

m0.

5 )

Temperature (oC)

Practically,the same.


-150 -120 -90 -60 -30 00

50

100

150

200

250

300

KIC Curve onRTTo without margin

K1W Pre-irradiationPCVN specimensTo,ASTM= -106.7 oC

K JC, 1

T-ad

just

ed (M

Pa-

m0.

5 )

Test Temperature (oC)

0.5 mm/min 0.15 mm/min 0.15 mm/min (recon.)

• Code에 따라 ASTM best-estimation To (-106.7oC) 값을 적용하더라도

시험결과는 모두 RTTo 기준파괴인성 곡선보다 위에 있다.

• 고리1호기에 보수적인 To (-83.3oC) 값을 적용하는 경우 (minimum property set)시험결과는 모두 RTTo 기준파괴인성 곡선보다 훨씬 위에 있다.

(표준절차 규정보다 23.4oC의 특성여유가 더 포함됨)

조사전조사전 파괴인성파괴인성 시험결과시험결과 ((마스터커브마스터커브))

-150 -120 -90 -60 -30 0 300

50

100

150

200

250

300

KIC Curve onRTTo without margin

K1W Pre-irradiationPCVN specimensTo, conservative= -83.3 oC

K JC, 1

T-ad

just

ed (M

Pa-m

0.5 )


0.5 mm/min 0.15 mm/min 0.15 mm/min (recon.)


조사재조사재 시험결과시험결과 (3(3차차/4/4차차/5/5차차 캡슐캡슐 시편시편))

-100 -50 0 50 100 1500

50

100

150

200

250

300

capsule S

median 5%/95%

Kori-1 WeldPCVN 20%-SG(1.22x1019n/cm2)To = 13.4oC

K JC

, 1T-

adju

sted

(MPa

-m0.

5 )

Temperature (oC)-100 -50 0 50 100 1500

50

100

150

200

250

300

capsule R

median 5%/95%


K JC, 1

T-ad

just

ed (M

Pa-m

0.5 )

Temperature (oC)

-100 -50 0 50 100 1500

50

100

150

200

250

300

capsule P

median 5%/95%


K JC, 1

T-ad

just

ed (M

Pa-m

0.5 )

Temperature (oC)

조사재 시험에서도

비조사재와 유사한 정도의

scatter 특성이 관찰됨.


0

50

100

150

200

250

0 50 100 150 200 250

Δ T 41J [oC]

ΔT o

[o C

]

Weld Fit (Slope=0.99)Plate Fit (Slope=1.10)Forging Fit (Slope=1.50)WeldPlateForgings

2

Kori-1 Weld

0

50

100

150

200

250

0 50 100 150 200 250

Δ T 41J [oC]

ΔT o

[o C

]

Weld Fit (Slope=0.99)Plate Fit (Slope=1.10)Forging Fit (Slope=1.50)WeldPlateForgings

2

Kori-1 Weld

(NUREG-1807 database)

<RPV steels & welds>

중성자중성자 조사에조사에 의한의한 TToo의의 변화변화 ((CharpyCharpy와와 비교비교))

(USNRC RG-1.99, Rev.2)

0 10 20 30 40 500

50

100

150

200

250

300

ΔRT N

DT o

r ΔT

o (o F)Fluence (x1018 n/cm2)

K1W Linde 80, WF-233 ΔTo (by E1921-05) ΔRTNDT (by Charpy) RG-1.99 (CF=190.8) + 2σ (σ

Δ=28oF)

CF = 190.8oF (from Charpy, ΔT30ft-lb)

CF = 191.6oF (Master Curve, ΔTo)


미국의미국의 LindeLinde 8080 파괴인성파괴인성 데이터와데이터와 비교비교 ((조사전조사전··후후))

-200 -150 -100 -50 0 500

50

100

150

200

250

300

ASME KIC curve by RTTo without any marginbased on the generic value of -47.6oF

Linde 80 Unirradiated Data

BAW-2308 Kori-1 ('97) Kori-1 ('05)

K JC -

adju

sted

to 1

T (M

Pa-

m0.

5 )


고리1호기의 조사전·후 파괴인성 결과는

미국내 Linde 80 데이터와 비교하여

특성이 양호함.

-50 0 50 100 1500

50

100

150

200

250

79.8oC

Fracture Toughness Data of Irradiated Linde 80 Welds

Fluence (x1019 n/cm2)BAW-2308 : 0.8 ~ 2.0 Kori-1 weld : 1.1 ~ 3.9

KIC - RTTo curve without any marginbased on the 5th capsule fluence

K JC, 1

T-ad

just

ed (M

Pa-m

0.5 )

Temperature (oC)

BAW-2308 Kori-1 (3rd) Kori-1 (4th) Kori-1 (5th)

• 2σ= 65.8oF

• PCVN bias = 18oF

Safety Margin 항이 덧붙여짐.


288276260.0RTPTS (oF)

4.75.093.94Fluence at EOLE

62.560.865.8Margin (oF)

180191.6CF (oF)

-112.5-38-65초기 RTTo (oF)

-80.3-39.2-53.9초기 RTTo (oC)

18.319.419.4RTTo correction (oC)

4.71010PCVN Bias (oC)

-103.3-68.6-83.3기준 초기 To (oC)

-103.3-68.6-106.7초기 To,ASTM (oC)

KewauneePBNP2고리1호기

EOLE = 40 yr 60 yr 60 yr

RTRTPTSPTS 재평가재평가 결과결과 (B&W approach, PBNP2)(B&W approach, PBNP2)


288222.3 oFRTPTS (averaged)N/AN/A212.4 216.7 237.8 ARTTo,vessel

8.518 oFPCVN Bias factor62.565.8 oFMargin3335 oFRTTo (= To + α)18493.6 97.9 119.0 To,vessel

N/A253.7 258.0 279.0 △To,vessel (oF)4.73.938 Vessel Fluence at EOLE

6.113.363.883 2.989 1.222 Fluence (x1019n/cm2)381287248.9 241.9 214.2 △To,surveillance

22313688.9 81.9 54.1To,surveillance

-158oF-151oF-160 oFTo,unirradiated (PCVN)MY-A35K-SPRS

Kewaunee(*)Kori-1 surveillance capsule

RTRTPTSPTS 재평가재평가 결과결과 (W/H approach, Kewaunee)(W/H approach, Kewaunee)


고리고리11호기호기 노심대노심대 용접재의용접재의 RTRTPTSPTS 평가평가 결과결과

0 10 20 30 40 50100

150

200

250

300

350

400

Fracture toughness evaluationby the master curve testsincluding safety margin

Approximate Calendar Year of Kori-1

Surveillance Charpy dataincluding safety margin

Regulatory Reference

RT PT

S (o F)

Neutron Fluence (x1018n/cm2)


V. V. 요약요약 및및 결론결론

• 고리1호기의 실제 파괴인성 특성은 그리 나쁘지 않다.(Charpy 충격시험 대비, 혹은 미국내 Linde 80 데이터베이스 대비)

• 조사전 및 조사후 충분한 파괴인성 마스터커브 데이터를 확보하였음.

• 중성자 조사에 대한 변화는 RG-1.99, Rev.2의 충격시험 변화와 동일.

파괴인성 마스터커브 시험결과에 근거한 RTPTS 재평가

•초기 값을 규정보다 훨씬 보수적으로 결정하였음. (~23.4 oC)

•Chemistry Factor도 충격시험보다 약간 크게 취함 (190.8 => 191.6oF)

•표준편차에 의한 마진도 충분히 잡았음 (65.8oF)

RTPTS 파괴인성 재평가 결과는 40년 이상의 계속운전 기간동안

10CFR50.61에 설정된 현재의 기술기준 근거를 충분히 만족함.

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