구조 건전성 & 수명예측

고온부품, 용접부, 코팅 등의 물리 기반 수명평가와 예지 — 에너지 인프라를 안전하게 운영하기 위한 연구입니다.

왜 중요한가

보일러 튜브, 열수송관, 터빈 코팅, 압력용기 — 세계 에너지 인프라의 상당 부분이 원래 설계수명을 훨씬 넘겨 운전되고 있습니다. 전부 교체하기에는 비용이 감당되지 않고, 상태를 모르고 운전하는 것은 위험합니다. 공학적 해답은 예지·건전성 관리(PHM, Prognostics and Health Management), 즉 부품에 남은 수명이 얼마인지 알고 그 수명을 어떻게 늘릴지 결정하는 것입니다. 우리 연구실은 파괴역학과 재료과학에 뿌리를 둔 모델 기반 PHM을 지향합니다. 부품이 언제 어디서 파손될지 예측하는 모델, 그 시점을 뒤로 미루는 처리 기술, 그리고 — 점점 더 — 실제 운전 데이터로 예측을 갱신하는 센서와 AI입니다.

연구 내용

센서를 부착한 원주 용접 시편, 잔류응력 해석과 잔여수명 곡선

그림 1. 센서를 부착한 용접 시편, 잔류응력 해석, 잔여수명 추정.

고온 부품의 크리프·피로 수명평가. 계층적 멀티스케일 해석과 크리프 공동(cavitation) 모델을 결합하여 신품 및 장기 사용 보일러 튜브(9Cr-1Mo T91강, Super304H 스테인리스강)의 잔여 크리프 수명을 예측하고, 장기 운전이 미세조직과 석출물을 어떻게 변화시키는지 정량화합니다. 같은 틀로 화력발전소 튜브 설계와 교체 주기의 비용 기반 최적화를 지원합니다.

용접 잔류응력과 배관 수명연장. 현장 원주 용접부는 매설 열수송관의 가장 약한 고리입니다. 한 공공 지역난방 사업자와의 과제에서 다층 용접부의 잔류응력을 해석하고, 현장에서 후열처리가 불가능한 용접부의 수명을 늘리기 위해 초음파 충격처리(UIT) 등 잔류응력 완화 후처리 기술을 평가하고 있습니다.

계면과 코팅의 파괴역학. 우리의 기반은 해석적·전산 파괴역학입니다. 이종·이방성 재료 사이의 계면 균열, 이동 접촉 하중 하의 표면하 균열, 박막 잔류응력, 그리고 phase-field 시뮬레이션에 의한 열사이클 하 열차폐코팅 박리까지 — 실제 부품이 파손되는 계면에서 손상이 어떻게 시작되고 자라는지를 이 모델들이 말해 줍니다.

센서 연동 예지로. 수명 모델은 입력 데이터만큼만 정확합니다. 연구실의 센서 연구를 바탕으로 섬유·필름 센서를 구조물에 부착하여 측정된 변형과 진동으로 잔여수명 추정치를 지속적으로 갱신하는 연구를 진행하고 있습니다. 구조 건전성 모니터링과 진정한 예지를 잇는 고리입니다.

보유 기술

크리프·크리프-피로 수명평가 (Larson–Miller, 크리프 공동 모델, 미세조직 기반 멀티스케일 해석)
용접 잔류응력 시뮬레이션 및 후처리 기술 평가
계면 파괴역학: 특이점·균열 해석해, 응집영역 및 phase-field 모델
열차폐코팅 손상·박리 모델링
압력부품 사용적합성(fitness-for-service) 평가
구조 건전성 모니터링용 센서 통합 (스마트 섬유·햅틱스 트랙과 연계)

주요 논문

V. Lok, T. G. Le, J. M. Yu, Y. W. Ma, V. P. Nguyen, S. T. Choi, and K. B. Yoon*, Changes in creep property and precipitates due to aging of T91 steel after long-term service, Journal of Mechanical Science and Technology, 2020. [DOI]
V. P. Nguyen, F. Ibupoto, L. Q. Pham, W. Choi, K. Shin, M. K. Kim*, and S. T. Choi*, Creep lifetime prediction of new and service-exposed 9Cr-1Mo (Grade T91) steel boiler tubes based on hierarchical multiscale analysis and creep cavitation model, Materials at High Temperatures, 2020. [DOI]
L. Q. Pham, V. P. Nguyen, T. M. Jeong, K. B. Yoon, L. Xu, K. Shin, and S. T. Choi*, Creep lifetime prediction of virgin and service-exposed Super304H austenitic stainless-steel boiler tubes based on hierarchical multiscale analysis and creep cavitation model, Materials at High Temperatures, 2020. [DOI]
V. P. Nguyen, S. Lee, W. Choi, and S. T. Choi*, Effect of creep lifetime on cost-based optimization of boiler tubes for thermal power plants, Materials at High Temperatures, 2019. [DOI]
A. T. Al-Motasem, N. T. Mai, S. T. Choi*, and M. Posselt, Atomistic study on mixed-mode fracture mechanisms of ferrite iron interacting with coherent copper and nickel nanoclusters, Journal of Nuclear Materials, 2016. [DOI]
J.-S. Wen, T.-K. Han, S. T. Choi, and K.-S. Lee*, Finite element analysis of a subsurface penny-shaped crack with crack-face contact and friction under a moving compressive load, Journal of Mechanical Science and Technology, 2012. [DOI]
Y. T. Im, S. T. Choi*, T. S. Park, and J. H. Kim, Study on residual stress in viscoelastic thin film using curvature measurement method, KSME International Journal, 2004. [DOI]
S. T. Choi, H. Shin, and Y. Y. Earmme*, On the unified approach to anisotropic and isotropic elasticity for singularity, interface, and crack in dissimilar media, International Journal of Solids and Structures, 2003. [DOI]

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