$C^{\ast}$-적분에 기초한 고온배관 수명평가

[ $C^{\ast}$ ]-integral Based Life Assessment of High Temperature Pipes

최근 들어 가혹한 온도 및 압력조건에서 운전이 요구되는 고온배관들의 잔여수명예측은 상당히 중요한 관심사로 부각되고 있다. 이에 고온손상을 정량적으로 평가하여 설비를 안전하게 사용하기 위한 유지기술 및 수명평가 기술을 확보하는 것은 매우 중요하다. 한편 이러한 고온배관내 대부분의 균열은 반타원 표면균열의 형태로 형상화되어 파괴역학의 실제응용에서 발견할 수 있는 가장 복잡한 형상과 하중특성을 갖게 된다. 이를 배경으로 본 연구에서는 먼저 축방향 및 원주방향 반타원 표면균열이 존재하는 직관의 완전 3차원 유한요소망 자동생성 프로그램을 작성하였다. 이렇게 생성된 유한요소 입력자료를 이용하여 3차원 유한요소 해석을 수행하면 반타원 표면균열선단을 따른 고온 크리프 파괴 지배변수 $C^{\ast}$-적분값을 구할 수 있다. 또한 $C^{\ast}$-적분값에 준해 균열진전량을 계산하는 후처리 균열진전 모듈을 추가하여 사용자 편의 수명평가 프로그램을 개발하였다. 최종적으로 개발된 통합 수명 평가 프로그램을 이용하여 여러 가지 해석변수들의 반타원 표면균열을 갖는 고온 직관 수명에 대한 영향을 살펴보았다.

In recent years, the subject of remaining life assessment has drawn considerable attention in power plants, where various structural components typically operate at high temperature and pressure. Thus a life prediction methodology accounting for high temperature creep fracture is increasingly needed for the components. Critical defects in such structures are generally found in the form of semi-elliptical surface crack, and the analysis of which is consequently an important problem in engineering fracture mechanics. On this background, we first develop an auto mesh generation program for detailed 3-D finite element analyses of axial and circumferential semi-elliptical surface cracks in a piping system. A high temperature creep fracture parameter $C^{\ast}$-integral is obtained from the finite element analyses of generated 3-D models. Post crack growth module is further appended here to calculate the amount of crack growth. Finally the remaining lives of surface cracked pipes for various analytical parameters are assessed using the developed life assessment program.