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학위논문 동서

AFM과 有限要素法을 이용한 터빈 블레이드의 破損解析에 관한 硏究

최우성

부산: 東亞大學校 2001

vi, 66장: 삽도; 26cm

학위논문(석사) 동아대학교 대학원: 기계공학과, 2001

영문초록 : Turbine blade converts thermal energy of steam into mechanical energy of rotor. But if it has fatigue damage, it deeply hurt nuclear reactor. Specially, Case of a country plant with pressurized water reactor, Torsion-mounted blade is used in low pressure turbine, it was broken the number of 29 in 1991, 24 in 1998. Turbine blade has complicated load types - torsional load caused by torsion-mount, centrifugal force caused by rotation of rotor, cyclic bending load caused by steam pressure. Among load types, Cyclic bending load is operating time dependent load and causes fatigue failure. Fatigue fractured component has striation of constant width, and SEM can estimate type of fracture and value of applied load. Striation has benefit to failure analysis but it can be observed according to the kind of material and crack growth rate range, and can't. To clear out failure mechanism, Nanofractography is needed on 3-dimensional crack initiation and crack growth with high magnification. Existing fracture analysis is composed of quality analysis with naked eye and two-dimensional quantity analysis. Case of two-dimensional quantity analysis, we don't get information of fracture surface's height. Then it is insufficient for quantitative estimation. Therefore, to clear out micro-deformation mechanism, it needs SPM(Scanning Probe Microscope) that can measure 3-dimensional surface profile with resolution of atomic size. Estimation of fatigue limit on component with complicated shape is difficult than that of standard fatigue specimen, because of complex test equipment. So, we substitute maximum principle strain from stress analysis for fatigue limit diagram made by standard fatigue specimen. then we can estimate endurance safety of component with high trust. In this study, To find fracture reason of torsion-mounted blade in nuclear plant, we estimate relation between stress intensity factor range and surface roughness in 12% Cr steel using AFM, then perform finite element analysis on torsion-mounted blade with CATIA Ver.5.4 and predict service loading condition and fracture reason. (1) It is difficult to observe brittle striation width with SEM, but it is able to observe with AFM. (2) It hasn't relation of linear between brittle striation width and stress intensity factor range using AFM. (3) Root mean square roughness can be estimated load condition of fractured turbine blade, because it has relation of linear with stress intensity factor range using AFM. (4) Centrifugal force, torsional displacement and steam pressure occur stress within fatigue limit diagram. it is not direct fracture reason. (5) Manufacturing surface roughness inside the turbine blade pin hole is vary rougher than design surface roughness. it fairly drops fatigue limit, then occurs failure of turbine blade. / 한글초록 : 99년 현재 국내 전력 생산량의 43%를 담당하고 있는 원자력 발전소는 해마다 노후화 되고 있다. 국내 발전소 중 가압경수로형(Pressurized water reactor : PWR)의 경우 저압 터빈에 비틀림 마운트형 블레이드를 사용하고 있으나 계획예방정비를 하는 동안 저압 터빈 1단과 2단 및 3단 블레이드에 대한 초음파 검사를 실시한 결과, 전방(Uneven side)과 후방(Even side) 루트(Root) 부근에서 1991년에 29개, 1998년에 24개의 블레이드가 파손되어졌다. 한편, 피로파손된 부품은 스트라이에이션이 파단면에 형성되지만 재료의 종류와 균열성장속도범위에 따라 파손 해석이 용이한 영역과 용이하지 않는 영역이 존재하게 된다. 이러한 경우 파손기구를 규명하기 위해서는 피로 균열의 생성과 성장과정을 공간적으로 고배율로 관찰하는 프랙토그래피(Fractography)가 필요하다. SEM등에 의한 2차원 정량해석을 수행할 경우 파면 높이 방향에 관한 정보를 얻을 수 없으므로 파면 손상 평가가 대부분 불충분하다. 따라서 최근 원자크기의 해상도를 가지면서 표면의 3차원 측정이 가능한 주사형 탐침 현미경(SPM)이 재료강도평가 분야에 폭넓게 이용되고 있다. 복잡한 형상을 가진 부품의 피로한도를 실험적으로 평가하는 것은 표준 피로 시험편을 이용한 것에 비하여 실험 장치가 복잡해지기 때문에 매우 어렵다. 서등2)은 서스펜션 너클에 대한 피로수명평가를 유한요소법으로 수행하여 최대주변형률과 표준 피로 시험편을 이용한 저사이클 피로시험에서 구한 피로수명선도로 부품의 안전성을 평가하였으며 대체적으로 높은 신뢰성을 보이고 있다. 본 연구에서는 가압경수로형 터빈에서 사용하는 비틀림 마운트형 터빈 블레이드의 파손원인을 구명하고자 응력확대계수범위와 원자간력 현미경으로 측정한 최대높이거칠기의 관계에서 터빈 블레이드에 부하된 응력을 추정하고 CATIA Ver. 5.4를 이용한 터빈 블레이드에 대한 응력해석을 수행함으로서 파손 원인을 밝혔다. (1) 취성 스트라이에이션은 주사형 전자 현미경으로는 관찰하기 어려웠으나 원자간력 현미경을 이용하면 작은 반복슬립대에 의한 미세한 스트라이에이션을 관찰할 수 있다. (2) 원자간력 현미경으로 추정한 취성스트라이에이션 간격과 응력확대계수범위 사이에는 선형적 관계가 성립하지 않고 있다. (3) 원자간력 현미경을 이용하여 측정한 자승평균평방근거칠기는 응력확대계수범위와 좋은 선형 관계를 가지고 있으므로 파손된 터빈 블레이드의 하중조건을 예측할 수 있다. (4) 터빈 블레이드에서 발생되는 원심력과 비틀림 변위 및 증기압력은 피로 한도선도내의 응력을 발생시키므로 터빈 블레이드의 직접적 파손 원인이 되지 못한다. (5) 터빈 블레이드의 핀 구멍 내면의 가공표면거칠기가 설계표면거칠기보다 훨씬 큼으로서 피로한도를 상당히 저하시켜 터빈 블레이드의 파손에 직접적으로 관계하고 있다.

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