Ⅳ-1 일반사항 (압력과 진공) 壓力 구분 眞空 구분 白色矮星 太陽中心 木星中心 地球中心 月中心 海構 大氣 核爆發 최고동압력 Ⅳ-1 일반사항 (압력과 진공) 白色矮星 太陽中心 木星中心 地球中心 月中心 海構 大氣 壓力 (MPa) 1013 1011 109 108 106 103 10 0.1 MPa 核爆發 최고동압력 최고정압력 고성능 폭약의 폭발 흑색폭약의 연소 가스폭발 壓力 구분 자연계압력 人工압력 眞空 구분 Pa Torr 100 0.1 10-4 10-5 底진공 中진공 高진공 超高진공 10-3 10-7 1

설계압력과 온도 설계압력 계통운전의 최대압력 ⅹ 1.1 최대 허용압력(Maximum Allowable Working Pressure) 설계압력으로 계산된 기기에 최대로 허용되는 압력 압력의 정의 설계온도 작동유체의 최대온도 + 설계여유 (30℃ 정도)

안전성과 원가 가. 이상형 : 프랑스, 일본, 한국 나. 안전성 강조형 : 미국 다. 원가강조형 : 구 소련 안전성 (Safety) 원 가 (Cost) 가. 이상형 : 프랑스, 일본, 한국 안전성 (Safety) 원 가 (Cost) 나. 안전성 강조형 : 미국 안전성 (Safety) 원 가 (Cost) 다. 원가강조형 : 구 소련

Ⅳ-2 용어의 정의 하중에 대한 정의 설계 시 특별고려사항 일반 설계규정 Ⅳ-2 용어의 정의 하중에 대한 정의 설계하중:운전조건보다 약간 보수적인 조건을 임의로 가상한 하중 ※ 설계압력, 설계온도, 설계기계하중 설계 시 특별고려사항 ※ 부식, 침식, 마모, 클래딩, 용접, 환경영향, 형상 일반 설계규정 ※ 표준품, 외압을 받은 기기

하중으로 고려되는 내용 내압, 외압, 온도 급속압력 변동에 의한 충격하중 자중(유체 내용물 포함) 배관에 의한 하중 바람, 눈, 진동, 지진에 의한 하중 지지물에 의한 반력 자중(유체 내용물 포함) 급속압력 변동에 의한 충격하중 배관에 의한 하중 유체 유동하중 내압, 외압, 온도

용어의 정의 운전사이클 ; 어떠한 운전 조건이 시작, 전개된 후 다시 초기상태로 복귀하는 일주기로 설계시방서에 주어지며 피로해석에 사용 응력사이클 ; 응력이 주기적 반복을 할 때 반복 응력차가 초기값에서 시작하여 대수적으로 최대, 최소값을 지나 다시 복귀하는 일주기 피로곡선 ; 재료의 응력-사이클수 곡선에 안전계수를 감안하여 설계 시 피로해석에 이용하도록 한 곡선

응력의 분류 일차응력 - 압력이나 기계적하중이 구조물에 작용할 때 재료내부에서 하중과 평형을 이루기 위해 발생하는 수직응력 및 전단응력, 하중이 증가되어 항복응력 이상으로 되면 파괴가 일어나므로 주의필요. 이차응력 - 인접 재료간의 구속 또는 구조물의 자기구속으로 인하여 발생하는 수직응력 또는 전단응력. 일반적으로 열응력이 여기에 속하며 소성변형으로 인하여 응력해소가 되므로 파괴되지는 않음. 피크응력 - 구조물의 불연속이나 구멍과 같은 구조결함 부위가 있을때 발생하는 응력집중이나 국부적 열응력에 의해 발생하는 응력

소성변형

주응력 - 단위체적에 작용하는 모든 응력과 방향은 6개 성분으로 구성되며, 전단력이 없는 임의 단면에서 수직응력만 나타날 때 이 수직응력을 주응력이라 하며 크기 순으로 σ1 , σ2 , σ3 로 나타낸다. 응력차이 - 재료의 소성변형의 원인이 되는 것으로 주응력의 차이를 말한다. 응력강도 - 관심부위에서 최대 주응력과 최소 주응력과의 대수적 차이로 최대전단응력의 2배

용어의 정의 허용응력강도 - 항복강도와 인장강도를 동시에 고려하여 결정하며 아래의 값 중 가장 적은 값. (가) 페라이트계 재료 – 아래 중 가장 작은 것 실온에서의 인장강도의 1/3 사용온도에서의 인장강도의 1/3 실온에서의 항복강도의 2/3 사용온도에서의 항복강도의 2/3 (나) 오스테나이트계 및 고니켈 합금 – 아래 중 가장 작은 것 사용온도에서의 항복강도의 90%

안전계수 변천과정 (ASME B & PV Code) σu : Ultimate Tensile Strength σy : Yield Strength 201 161 138 121 97 80 σy = 262 σu = 483 응력 [MPa] 변형률 변위 (mm) 탄성역 소성역 년 2005 1960 2000 1950 1930 1910 S = 1/2.4 σu(Sec.Ⅷ Div.2) Sm = 1/3 σu(원자력) S = 1/3.5 σu S = 1/4 σu S = 1/5 σu S = 1/6 σu 설계범위 주 : 도표상의 응력값은 SA516 Gr70을 참고함

허용응력 산정 그래프 • 허용응력 허용응력 허용응력 최소값{T.S, Y.S, Creep S.÷ 안전율} 200 150 100 50 20 온도 (℃) 300 400 500 600 강도 (MPa) Material : 13 CrMo 44 (SA 335 P11) • 22 26.7 190 32.7 40.7 52 62.7 77.3 91.3 108.7 126.7 146.7 167.3 Creep Creep S.@ 105 hr ÷ 1.5 Div.1 사용한계 Div.2 사용한계 Div.2 (New Code) 사용한계 Y.S. • 153.3 193.3 143.3 133.3 126.7 120 116.7 160 Y.S ÷ 1.5 T.S. (New) T.S ÷ 2.4 = 183.3 (New) T.S. T.S ÷ 3.0 = 146.7 (Div.2) T.S ÷ 3.5 = 125.7 (Div.1) 허용응력 최소값{T.S, Y.S, Creep S.÷ 안전율} 허용응력 최소값{T.S, Y.S, Creep S.÷ 안전율} 허용응력 최소값{T.S, Y.S, Creep S.÷ 안전율}

허용응력 산정 그래프 201 • 161 138 허용응력 허용응력 허용응력 최소값{T.S, Y.S, Creep S.÷ 안전율} Material : SA 516 Gr70 100 20 온도 (℃) 300 400 500 600 200 150 50 강도 (MPa) Div.1 사용한계 Div.2 사용한계 Div.2 (New Code) 사용한계 370 455 538 Sec.Ⅲ Sec.Ⅷ-2 Sec.Ⅰ Sec.Ⅷ-1 Max. Temp. Limits Creep S.@ 105 hr ÷ 1.5 • 34.3 17.2 67.1 Creep 101.3 T.S. T.S ÷ 3.0 (Div.2) T.S. (New) T.S ÷ 2.4 (New) T.S ÷ 3.5 (Div.1) 201 161 138 Y.S. Y.S ÷ 1.5 175 164 159 155 150 144 136 125 121 114 108 104 • 허용응력 최소값{T.S, Y.S, Creep S.÷ 안전율} 허용응력 최소값{T.S, Y.S, Creep S.÷ 안전율} 허용응력 최소값{T.S, Y.S, Creep S.÷ 안전율}

안전계수와 원가와의 관계

Distortion energy theory Ⅳ-1 강도이론과 설계절차 ※ 강도 이론의 2차원적 표현 Ⅰ Ⅱ Ⅲ Ⅳ B A C D E F G H ( y ) ( x ) δ2 /δY.P. δ1 /δY.P. 8 6 4 2 -1.0 1.0 최대주응력 이론 Maximum stress theory ; 2등급, 3등급 및 기기지지물등급 (Linear Type) 최대전단응력 이론 Maximum shear theory ; 1등급, 2등급(Alt), MC 등급, 노심지지구조물등급 및 기기지지물등급 (Plate Type) 변형에너지 이론 Distortion energy theory

설계기준 (CRITERIA) 응력 한계 ※ 1차 응력 한계 극한설계이론에 근거로 하여 극한해석에 의해서 붕괴시의 하중을 계산하고 안전계수를 고려. 재료는 변형경화가 없는 탄성 완전 소성 거동으로 가정. Design Limit

재료의 “Shake-Down” 거동

재료의 “Shake-Down” 거동 1) ε ＝ ε1 ≤ εy : S = S1 = Eε1 < Sy                변형 싸이클 ;  O → A → O                잔류응력이나 영구변형이 발생하지 않는 탄성거동이다.  2) εy < ε = ε1 ≤ 2εy : Sy < S = S1 = Eε1 < 2Sy                변형 싸이클 ;  O → A → B → C → B  → C                잔류 압축응력 ;  S1 -  Sy                최대 잔류 압축응력 ;  Sy  =  S1 -  Sy 잔류응력 및 영구변형이 발생하지만 더 이상 계속적으로 누적되어 증가하지는 않는다.

응력 한계 ※ 2차 응력 한계 진행성 변형을 방지하기위한 “Shake-Down” 거동에 근거 Tabulated Yield Stress Limit in Terms of: Tabulated Yield Ultimate Categories S value Strength Tensile m ( S ) Strength (S ) y u y S 3 2 £ u S 3 1 £ General primary membrane m S £ Stress intensity P ( ) m u S 2 1 £ Local primary membrane m S 5 . 1 £ y S £ Stress intensity P ( ) L Primary membrane plus u S 2 1 £ m S 5 . 1 £ y S £ Bending stress intensity ( P (or P ) + P ) m l b Primary membrane plus Bending m S 3 £ y S 2 £ u S £ plus Secondary stress intensity ( P (or P ) + P + Q) m l b

l r t 구조해석 및 피로해석 해석할 부위선정 하중유형별 응력성분 계산 응력성분을 응력범주별로 나눈다. 주응력 계산 응력강도 계산 국부구조불연속 고려 설계피로곡선 선정 피로곡선에 의거 허용 사이클 수 계산 누적사용계수를 계산하여 허용치1.0을 만족하는지 확인. P t r l

기기공정과 품질요건 재 료 설 계 제 작 설 치 일반기계 KS A/ISO -9001 QMSR 원자력기계 - QSC - N   재 료 설 계 제 작 시험 및 검사 설 치 일반기계 KS A/ISO -9001 QMSR         원자력기계       - QSC       - N       - NPT       - NA 품질보증 

설계보고서 인증 내용 도면과 설계보고서의 내용 일치 설계보고서와 기술기준요건의 일치 사용된 재료의 적절성 설계시방서 하중의 적용 취성파괴 방지 요건 명시 기술기준 요건에 따른 시험온도, 압력의 적용 적절한 해석 기법의 사용

설계관련 공인검사원의 책임 원자력 기계 (MN) 일반기계 (MG) 설계도면 및 설계보고서가 정리 해당 설계계산서가 준비되어 되었고 제대로 등록기술자가 인정 하였는지 확인 <MNA 5420(2)> 해당 설계계산서가 준비되어 있는지를 확인 <MGB 5131(2)> 자료보고서 서명할 시점에서 계산이 적절하게 수행되었는지 확인 <MGB 1230(1)> 원자력기계 일반기계 ANI RPE ANI 재료 설계 제작/설치 검사 시험 AI

Ⅳ-4 압력용기 설계 응력해석 방법 탄성해석(Elastic Analysis) Ⅳ-4 압력용기 설계 응력해석 방법 탄성해석(Elastic Analysis) : 응력과 변형율의 관계가 선형을 유지하는 탄성한계 내에서 Hooke의 법칙을 적용하여 평가하는 해석

  소성해석(Plastic Analysis) - 붕괴하중(Collapse Load) : 재료의 거동이 탄성범위를 지나 즉, 항복현상이후에 약간의 소성변형 까지 허용, 변형강화, 응력재분포의 특성 이용.  붕괴하중 인장강도 파괴 응력 변위율  

응력해석 방법 극한해석(Limit Analysis) : 재료의 거동이 가상의 완전소성(변형경화없는 소성으로서 완전소성체)을 따른다고 가정하여 적용하는 소성해석 방법 응력 변위율  Sy : 항복강도(극한강도)

※ 피로해석 : 피로 수명 곡선과 피로 설계 곡선

내압 (Internal Pressure)을 받는 원통형 ∑Fx = P(2R) – 2tσθ = 0 ∴ σθ = t ≥ PR t s

내압을 받는 원통형 동체의 두께 t = or t = ----▶ 일 반 압력용기 (KEPIC-MG) PRi Sη-0.6P PRo (KEPIC-MNB) PRi Sm-0.5P PRo Sm+0.5P 여기서,  t = 동체 또는 경판의 두께    P = 설계압력    R, Ri = 동체 또는 경판의 안쪽반지름     Ro = 동체 또는 경판의 바깥반지름 η = 이음효율 S = 허용응력(Allowable Stress) σθ = 원통형 동체에서 접선방향응력, 구형경판에서 자오선방향 응력     Sm = 설계응력강도치(Design Stress Intensity Value)

Ⅳ-5 압력용기의 두께계산 th ts 반구형 경판 MGB 3324.3 (화력) MGB 3324.4 (화력) Ⅳ-5 압력용기의 두께계산 반구형 경판 MGB 3324.4 (화력) MNB 3324.2 (원자력) MGB 3324.3 (화력) MNB 3324.1 (원자력) th 580 2:1 타원형 경판 MGB 3324.6 (화력) ts ★ 설계조건 ★ 설계압력 3,5 MPa 설계온도 230℃ 재료 MDF A516 Gr 60 허용응력 : 허용응력표 참조 부식여유 3.0 mm

설계 실례 (a) 두께의 결정 화 력 기 기 원자력 기기 = 8.75mm (계산두께) ⇒ + 3.0mm (부식여유) (MGB A1131 예제1) (3.5)(290) (18)(1.0)-(0.6)(3.5) PR S t = (교과서) Sη- 0.6P = (MGB 3324.3) = 8.75mm (계산두께) ⇒ + 3.0mm (부식여유) = 11.75mm (설계두께) ⇒ 13mm (사용두께, 도면) PR Sm- 0.5P = (MNB 3324.1) = (3.5)(290) 121-(0.5)(3.5) = 8.51mm (계산두께) ⇒ + 3.0mm (부식여유) = 11.51mm (설계두께) ⇒ 12mm (사용두께, 도면) 여기서부터 두께 적합성에 대한 해석(Analysis)이 시작되어 해석보고서가 작성됨.

(b) 최대허용사용 압력 (MAWP) 화 력 기 기 원자력 기기 = 118×1×(13-3.0) 290+0.6(13-3.0) Sηt R + 0.6t = 3.9 MPa = 3.7 MPa P = Smt R + 0.5t = 121×(12-3.0) 290+0.5(12-3.0)

부록 IA 철강재료의 최대 허용응력 S (MPa) 금 속 온 도 ( ℃ ) 재료 규격번호 등급 제품형태 200 250 300 325 350 375 MDF A 516 60 판 118 118 115 112 108 104

부록 ⅡA 철강재료의 설계 응력강도 Sm (MPa) 금 속 온 도 ( ℃ ) 재료 규격번호 등급 제품형태 200 250 300 325 350 375 MDF A 516 60 판 126 121 115 112 108 105 MDF A 508 3 cl1 단조품 184 184 184 184 184 184

Margin : from Accumulation to Distribution LOAD MATERIAL DESIGN INSPECTION etc…… TOTAL INTEGRITY Present : Accumulation of Margins Individual margins are given first, Then accumulated to be excessive. APPROPRIATE EXCESSIVE LOAD MATERIAL DESIGN INSPECTION etc…… TOTAL INTEGRITY SBC (System Based Code) : Distribution of Margins Total required margin is defined first, then distributed to each requirement. APPROPRIATE

Tandem Compound 재열/재생식 충동터빈 원자력 설계발전소와 화력발전소의 터빈계통 비교 5단 ⅹ 4flow 7단 ⅹ 3flow 저압 8단X2flow - 중압 8단 7단 고압 터빈 단수 309.1 212 온도(℃) 0.68 0.78 압력(MPa) 566 3.84 270 23.56 5.2 24.2 7.35 S/V 전단 정격출력 초임계압 과열증기 포화증기 사용증기 입구측 증기 814 1,000 용량(MW) 3,600 1,800 회전수(rpm) Tandem Compound 재열/재생식 충동터빈 형 식 비 고 한국표준석탄화력발전소 (영흥#1,2) 한국표준형가압경수로 (울진#3,4) 구 분

원자로 용기 (예) 설계 압력 2500 Psia 온도 650 o F 전체 높이 14,642 mm 내경 4,140 mm 용기 두께 259 mm 주요 재질 SA - 508 GR.3 CL.1 중량 ( 내부 구조물제외 ) 437 Ton

증기발생기 (예) 설계 압력 ( 일차측 / 이차측 ) 2500/1270 (psia) 온도 650/575 o F) 전체 높이 20,757 mm 내 경 5,391 mm 용기 두께 140 mm 주요 재질 SA - 508 GR.3 CL.1 전열관 개수 I 690 (8340) 중량 537 Ton

가압기 (예) 설계 압력 2500 psia 온도 700 o F 전체 높이 12,944 mm 내 경 2,445 mm 용기 두께 주요 재질 SA - 508 GR.3 CL.1 전열기 ( 개수 ) 213 TP316 (36) 중량 108 Ton

Bee ….. If a bee picks up all its needed nectar from just one single flower, It will be blamed as a plagiarist; however, If it takes nectar from many flowers over a time, It will then be praised as a beneficial being, Doing creative work of carrying pollen from one flower to another, And making floral fertility possible.