STS304 강판의 더블 아크 발생을 고려한 플라즈마 아크 피어싱 및 이송 절단에 대한 연구 :A study on plasma arc piercing and transfer cutting considering double arcing of STS304 plate

김동현

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자료유형: 학위논문

저자정보: 김동현 (부산대학교, 부산대학교 대학원)

지도교수: 안석영

발행연도: 2022

저작권: 부산대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.

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이 논문의 연구 히스토리 (4)

2022

STS304 강판의 더블 아크 발생을 고려한 플라즈마 아크 피어싱 및 이송 절단에 대한 연구

김동현 기계공학부 2022.01 학위논문

2021

플라즈마 아크 피어싱에서 더블 아크가 STS304 상단면에 미치는 특성 분석

김동현 , 조대원 , 조영관 외 4명 대한용접·접합학회지 2021.08 학술저널

전류 및 절단속도에 따른 STS304 플라즈마 아크 절단 공정 분석

김동현 , 서정 , 조대원 대한용접학회 특별강연 및 학술발표대회 개요집 2021.05 학술대회자료

2020

노즐 거리에 따른 플라즈마 절단 피어싱 공정 분석

김동현 , 최광덕 , 서정 외 3명 대한용접학회 특별강연 및 학술발표대회 개요집 2020.11 학술대회자료

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2017년 고리1호기의 영구정지를 선언함에 따라 본격적인 국내 원전 해체 연구가 활성화 되었다. 원전해체 전주기 공정은 크게 4단계로 나누어져 있으며 다음과 같이 구분할 수 있다. 해체계획수립-계통제염-원격절단-환경보전 등의 순서로 구성되어 있으며 이 중에서도 원격절단 공정은 해체 작업 시 작업자의 방사능 피폭을 최소화하기 위한 원전해체의 핵심 공정 중 하나다. 계통제염 공정에서 방사능 수치가 저감되지 않는 RVI(Reactor Vessel Internal)절단 공정의 경우 수중 원격 절단 기술이 요구된다. 따라서 최근 수중에서의 원격 절단 기술 개발에 큰 관심을 가지고 있으며, 차세대 원격 절단 시스템으로 열적 절단 방법을 연구하과 있다. 특히 열적 절단 중에서도 플라즈마 아크 절단은 다른 절단 방법에 비해 경제적인데다 원격제어가 용이하다는 점에서 장점을 가지고 있다. 따라서 선행적으로 수행되어야 할 공기 중에서의 플라즈마 아크 절단 공정 최적화와 절단품질에 영향을 미칠 수 있는 더블 아크(double arc), 더블 아크 발생 유무를 알 수 있는 모니터링 방법에 대한 연구를 진행하였다.
플라즈마 아크 피어싱 및 이송 절단은 절단부에 플라즈마 아크 열원을 조사하여 모재를 녹이고 제거하는 열 절단 방식이다. 후판 절단의 경우 절단 품질 및 절단 효율 향상을 위해 플라즈마 아크 절단 전에 플라즈마 아크 피어싱을 수행하게 된다. 따라서 절단물의 끝단부에서 절단을 시작하는 것이 좋은 절단 품질을 얻을 수 있다. 그러나 절단물의 끝단부가 확보되지 않거나 피절단재의 형상이 복자한 경우가 존재하며 이럴 경우 플라즈마 아크 절단을 진행하기 전에 플라즈마 아크 피어싱을 수행하게 된다.
플라즈마 아크 피어싱과 이송 절단의 품질은 여러 변수에 따라 크게 달라진다. 특히 시편-노즐 거리(stand-off distance), 전류, 재료의 두께, 절단 속도 등과 같은 요소는 공정 조건이 적절하지 않은 경우 더블 아크을 유발하는 요인이 된다. 따라서 플라즈마 아크 피어싱 및 이송 절단 시 발생하는 현상을 다양한 요인에 따라 조사할 필요가 있다. 본 연구에서는 초고속카메라로 band-pass filter를 활용하여 촬영한 아크 형상과 DAQ장비로 측정한 전압파형을 동기화하였다. 그리고 플라즈마 아크 피어싱과 플라즈마 아크 절단 조건을 각각 다르게 두어 실험하였으며 피어싱 및 이송 절단의 특성 및 더블 아크가 모재에 미치는 영향, 절단 품질 향상을 위한 더블 아크 모니터링 방법까지 연구하였다. 이와 같은 연구를 통해 원격 절단 및 수중 절단에 도움이 될 것으로 사료된다.

After the declaration of permanent shut down of Kori Unit 1 in 2017, research on decommissioning of nuclear power plants in Korea has been initiated. A nuclear power plant decommissioning cycle process is largely divided into four stages and can be classified as follows. It consists of decommissioning plan establishment, system decontamination, remote cutting by disassemblying and, environmental remediation, etc. Among them, the remote cutting process is one of the core processes of decommissioning a nuclear power plant to minimize the radiation exposure of workers during decommissioning work. In the case of the reactor vessel internal (RVI) cutting process where the radioactivity level is very hig, underwater remote cutting technology is required. Therefore, there is a great interest in the development of underwater remote cutting technology and a thermal cutting method is being studied as a next-generation remote cutting technology candidate. In particular, among thermal cutting, plasma arc cutting has advantages in that it is economical and easy to be remote controlled compared to other cutting methods. Therefore, a study on the optimization of the plasma arc cutting process in air is carried out in advance, and the monitoring method to check the occurrence of double arcing and double arc and the cutting quality affected by double arc are developed from this study.
Plasma arc piercing and cutting is a cutting technology in which the material to be cut is removed after melted by intensively projecting the plasma arc heat source to the cutting part. In the case of thick plate cutting, cutting efficiency increases when the molten pool blow out at the beginning of plasma arc cutting. Therefore, it is benefitial for cutting quality to start cutting at the edge of the material. However, there are cases in which cutting cannot be started at the edge due to the complicated shape, and in this case, a plasma arc piercing process must be accompanied.
The quality of plasma arc piercing and transfer cutting depends on several variables. In particular, factors such as the stand-off distance, current, material thickness, and cutting speed can cause double arcing when processing conditions are not appropriate. Therefore, it is necessary to investigate the phenomena that occur during plasma arc piercing and cutting according to various factors. In this study, the arc shape was photographed using a high-speed camera with a band-pass filter and the voltage waveform was measured by the DAQ device and synchronized. In addition, plasma arc piercing variables and plasma arc cutting variables were tested combined, and the characteristics of piercing and cutting, the effect of double arc on the base material, and double arc monitoring method to improve cutting quality were also studied. The results of this study can be helpful for remote cutting and underwater cutting by using plasma arc.

#플라즈마 아크 절단 #플라즈마 아크 피어싱 #모니터링 #더블 아크

제 1장 서론 1
1.1. 연구 배경 1
1.2. 연구 동향 4
1.3. 연구 목적 7
제 2장 이론적 배경 8
2.1 플라즈마 아크 절단의 원리 8
2.1.1. 플라즈마의 정의 8
2.1.2. 플라즈마의 물성 11
2.1.3. 아크의 특성 13
2.1.4. 플라즈마 아크 절단 응용기술 및 장치구성 16
2.1.5. 플라즈마 아크 발생 방식 21
2.1.6. 절단품질에 영향을 미치는 요소 24
2.1.7. 더블 아크 발생 원리 26
제 3장 실험 구성 및 분석 방법 28
3.1. 실험장치 구성 28
3.2. 실험 재료 31
3.3. 실험 계획 32
3.3.1. 플라즈마 아크 피어싱 실험 계획 32
3.3.2. 플라즈마 아크 절단 실험 계획 33
3.4. 실험 측정 35
3.4.1. 플라즈마 아크 피어싱 실험 측정 35
3.4.2. 플라즈마 아크 절단 실험 측정 41
제 4장 결과 및 고찰 45
4.1. 플라즈마 아크 피어싱 실험 결과 및 고찰 45
4.1.1. 더블 아크 발생률 분석 45
4.1.2. 시편 상단면의 홀 면적 및 더블 아크 영향부 면적 분석 50
4.1.3. 피어싱까지 걸리는 시간 분석 55
4.2. 플라즈마 아크 절단 실험 결과 및 고찰 57
4.2.1. 절단 길이 차 분석 58
4.2.2. 시편 상ㆍ하단면의 절단폭 분석 61
4.2.3. 시편 상단면의 절단폭 표준편차와 측정 전압의 표준편차 분석 64
제 5장 결론 71
참고문헌 75
Abstract 77

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