Reciprocating sliding wear and rotating wear experiments have been performed in various environmental conditions such as various temperatures, air and water environments to examine the wear properties of Inconel 690 steam generator tubes. For present study, the test rig was designed to examine the reciprocating and rotating wear properties in high temperature. The test rig consists of pressure vessel, electric heater, reciprocating, rotating and loading units. Tests were performed at constant applied load and sliding distance to investigate the effects of temperature and environment. Then, the worn surfaces were observed using scanning electron microscope to investigate the wear mechanism.
In water environment, the wear loss increased with temperature between 25 and 150℃. Beyond 150℃ the loss decreased with increasing temperature. However, in air environment, the loss decreased with increasing temperature in all temperature ranges. The wear loss variation with temperature was due to the formation of oxide layer. It was assumed that the layer was formed by wear debris sintering, cold welding or oxidation mechanisms and these properties were varied with tests temperatures and environments, which was confirmed by identification of the oxide layer by worn surface observation.
The wear rate of Incoloy 800 was smaller than other steam generator tube materials. It seemed that these wear rate differences were due to the oxide layer differences. From the EDAX analysis, chemical composition of worn surface was different from each other.
원자력발전소의 증기발생기는 원자로 내에서 생성되는 열을 2차측으로 전달하는 역할을 하며, 이러한 가동환경으로 인해 수화학 환경에 의한 부식 및 기계적 진동에 의한 피로 및 마모 등의 열화기구에 노출되어 있다. 최근 증기발생기 세관은 부식에 대한 민감성 등에 대한 이유로 인코넬 600 합금에서 인코넬 690 합금으로 바뀌고 있다. 이러한 세관 제질의 변화는 증기발생기 세관의 부식에 대한 저항성을 높여 입계응력부식 균열 (Inter granular Stress Corrosion Crack, IGSCC)에 의한 열화는 거의 발생하지 않을 것으로 예상되고 있으나 진동 등에 의해 발생되는 세관 열화는 증가하고 있다.
본 연구에서는 국내 원자력발전소 증기발생기 세관으로 사용되는 각 세관(인코넬 600, 인코넬 690, 인코로이 800) 재질에 대해서 발전소 2차측 분위기를 모사하여 실험을 수행하였으며 인코넬 690 시편에 대해서는 온도와 환경(수화학 분위기, 공기 분위기)을 변화 시켜 각 환경 변수들이 세관의 마모에 미치는 영향을 평가 하였다.
본 연구를 위하여 증기발생기 내부환경을 모사할 수 있는 고온./고압 마모시험기를 설계 제작 하였다. 마모 시험기는 크게 압력용기, 회전 마모실험장치, 미끄럼 마모실험장치 및 부하장치로 구성되어 있으며 각 부분은 350℃, 17MPa 의 온도와 압력을 견딜 수 있다. 마모 실험은 회전 및 미끄럼 모드(mode)로 수행되었으며 시편의 형상은 봉상(tube) 및 판상의 동일 재질 시편을 이용하여 실험을 수행하였다.
Inconel 690 증기발생기 세관에 대하여 수화학 및 공기 환경에서 온도를 변화시키면서 마모실험을 수행한 결과 수화학 환경의 경우 150℃ 부근의 온도에서 최대 마모량을 보였으며, 공기중 실험의 경우 온도가 증가함에 따라 마모량이 계속 증가하는 경향을 보였다. 이러한 온도에 따른 마모량의 변화는 마모가 일어나는 표면의 상태에 따른 것으로 보인다. 먼저, 수화학 환경에서의 마모는 주사전자현미경(SEM) 관찰 결과 저온 (150℃ 이하) 에서는 마모면의 변형 및 연삭마모 흔적을 확인 할 수 있었으며 150℃ 이상의 온도에서는 마모면에 산화막을 확인 할 수 있었다. 또한 EDAX 관찰 결과 마모량이 가장 큰 150℃ 부근에서는 표면의 산소 농도가 가장 적은 것을 확인하였다. 공기 중 마모 실험 역시 SEM 및 EDAX 관찰 결과 표면 산소량이 가장 낮은 상온 마모실험에서 가장 큰 마모량을 보였으며, 온도가 증가함에 따라 마모 표면의 산소농도가 증가하는 경향을 확인하였다. 이는 표면의 산화막 또는 마모입자들의 흡착막 생성이 인코넬 690 세관의 마모량에 영향을 미치며 이러한 흡착막의 생성에는 온도가 변수인 것을 확인할 수 있었다.
증기발생기 가동온도인 290℃ 에서 각 세관 재질에 대하여 마모 실험을 수행한 결과 마모계수는 Incoloy 800 시편이 가장 작고, Inconel 600 시편이 가장 크다는 것을 확인 하였다. 이는 Incoloy 800 시편과 Inconel 계 합금의 기지(Base metal) 성분의 차이인 것으로 판단된다. Incoloy 800 합금의 기지 성분인 철은 다른 합금원소에 비해 윤활 성능이 우수한 것으로 알려져 있고 이러한 윤활 성능의 차이에 의해서 마모계수의 차이가 발생한 것으로 판단된다.
미끄럼 마모 시험 시에 발생한, 시편과 시편의 접촉 방식에 따른 마모량의 차이는 봉상과 판상시편의 조합에서 마모량이 봉상과 봉상 시편의 경우 보다 크게 나타났는데 이는 초기 접촉 면적의 차이에 그 원인이 있는 것으로 판단된다. 또한 회전 마모 시험 결과 마모 계수는 미끄럼 마모 시의 마모 계수보다 매우 크게 나타나는 것을 확인 할 수 있었다. 이는 거의 무한대에 가까운 변위의 크기에 의해서 발생한 것으로 판단된다.
