단조공정을 이용한 증기발생기 헤드 제작 공정개발에 관한 연구

Abstract

원자력 발전소의 핵심 주기기인 원자로와 증기발생기는 고온, 고압이 작용하는 압력 용기로 단조품을 조립 용접함으로써 용접부의 안정성 문제가 제기되어 원전의 수명 연장과 안전성을 증대할 수 있도록 노즐이 함께 단조된 하부 헤드의 제조가 필수적이다. 일반적으로 헤드의 외경은 약 5000mm 이상, 높이는 4500mm이상, 노즐의 길이는 700mm 이상에 이른다.

이러한 대형 단조품의 경우 일반적으로 열간단조공정으로 제작되게 된다. 열간단조작업은 가장 오래된 소성가공공정 중 하나로서 일반기계 가공품들에 비해 기계적 성질을 향상시키고 재료절감 및 생산성 향상을 꾀할 수 있어 현재까지 많이 응용되고 있는 분야이다. 단조작업이 진행됨에 따라 강괴는 금형형상에 따라 재료유동이 생기면서 섬유상 조직의 단류선(flow line)이 생기게 되어 인장강도나 연신률 등의 기계적 성질을 크게 향상시킬 수 있고 과도한 절삭가공량을 줄여 강괴의 낭비를 막을 수 있다. 헤드와 같이 대형구조물을 성형하기 위해서는 큰 하중능력을 가진 프레스가 필요한데, 국내에서는 약 13000ton의 하중능력을 가진 유압프레스가 있다.

Steam generator head is consisted of two small nozzles and one big nozzle. Generally, the diameter of the head is 5000mm and height is over than 4000mm.

The head in generally separately manufactured with two pieces and fabricated by welding them together. These each products are manufactured by hot forging process.

Nowadays, monolithic forging of steam generator head is required consistently. Body-base monolithic forging of steam generator head is advantageous as an economical manufacturing process and better reliability for nuclear applications. Dome forging is the simplest method to make a extrusion nozzle. But, because of large size of the steam generator head, forging load is higher than capacity of press of 13,000 tons.

Thus, we suggest nozzle extrusion method and rotating forging method are suggested with two different type of performs.

Through the finite element analysis and parametric study of design variables, which are ingot thickness, die forming, the optimal dimensions of preform and die sets are determined in order to develop a suitable forging process for body-base monolithic forging.

To verify the result of finite element analysis, the physical model of 1/50 scale of actual product using lead was carried out.

The deformed shapes of experiment were a good agreement with those of finite element analysis.

As results of this work, the manufacturing process of steam generator head was developed by using rotating forging method.