[논문]Cr-Mo계 압력용기 강 용접부의 금속학적 고려 사항

김광수; 노기식

문제 정의

. Cr : Cr은 강한 페라이트 형성 원소로서 크리프 강도를 높이지만 본래의 첨가 목적은 고온에서의 산화성을 목적으로 하고 있다. Cre 350P 이상의 온도에서 템퍼링 처리시 상당한 연화 저항을 가진다.
25Cr- l.OMo 용접재를 사용한 용접부가 압력용기에 어떠한 영향을 미치는지에 대한 용접 야금학적 현상만을 소개하고자 한다.
25Cr- l.OMo강을 모재나 용가재로 하여 사용하는 압력용기의 제조시 용접부에 고려해야 할 사항에 검토해보았다. 2.
다음은 2.25CrT.0Mo강을 모재와 용접용가재로 사용하여 만들어진 용접부에 대하여 고려해야 할 야금학적 현상에 대하여 살펴보고자 한다.

가설 설정

3) 크리프취성은 응력-파단시험시 연성의 감소에 의하여 진행된다. 연성을 응력 파단되는 시간에 대하여 도식화하는 경우 전형적인 연성저하를 나타내게 되고 시간이 증가함에 따라서는 파단 연성의 증가를 일으키게 된다.

제안 방법

2.25Cr-1.0Mo강을 비교적 많이 사용하는 API (American Petroleum Institute)에서는 이강에 대하여 가장 혼하게 발생되는 템퍼취성의 정도를 알아보기 위하여 여러 종류의 Cr-Mo강에 대한 등온 열처리를 통하여 템퍼취성의 정도를 알아보고자 하였고, 다양한 용접공정으로 만들어진 용접부도 포함하여 조사하였다. 이들의 결과를 요약하면 다음과 같다.

성능/효과

1) 2.25Cr-1.0Mo 강의 용접부에서 모재와 용접금속 모두 템퍼취성에 민감하고, 특히 용접금속에서는 템퍼취성이 더 민감하다. 용접부에서 Mn이나 Si 등의 합금원소가 감소되면 템퍼취성 민감도도 낮아진다.
1) step cooling과 등온 열처리 시험 결과에 따르면 FATT의 값에 대하여 30년정도 경과한 후 얻어진 템퍼취성 정도가 step cooling에 의한 값과 거의 일치하였다.
1) 크리프취성은 모재 기지의 강도에 의존하지는 않지만 템퍼링된 재료의 인장강도가 110ksi 이상의 경우에는 크립취성이 민감한 것으로 나타났다.
1) 템퍼취성은 Ni, Cr, Mo 등을 포함하는 저합금강에서 나타나고 탄소강 둥에서는 나타나지 않는다. 연성-취성 전이 온도를 상승시키고 파괴 양상이 결정립계를 따라 발생한다.
2) 노말라이징 또는 템퍼링된 강재에서 인장강도가 85ksi 이하의 강도를 갖는 부재는 템퍼취성 민감도가 덜하고, 퀜칭 또는 템퍼링된 강의 경우 강도가 120ksi 이상인 경우도 템퍼취성은 덜 민감하다. 그러나 퀜칭되고 템퍼링 된 강에서 85~120ksi 정도의 강도를 갖는 부재 경우는 템퍼취성 민감도가 증가한다.
2) 최대의 취성을 나타내는 등온 열처리는 454-482 W800~950°F)에서 약 20000시간 정도 소요된다.
2) 크리프취성은 결정립 크기, 미세조직, 그리고 오스테나이징 온도에 의존한다. 조대한 결정립은 미세한 결정립에 비하여 취성에 더 민감하고 높은 오스테나이징 온도를 갖는 경우에는 크립취성이 더욱 악화되는 경향이 있다.
2) 템퍼취성이 발생하는 온도 범위는 371-59312 (700~ 1100°F)가 되고 고온일수록 취화되는 속도는 빠르지만 가장 가혹한 취화를 야기시키는 온도 구간은 대략 482*C(900°F)이하의 온도가 된다.
3) 취성은 가역적이며 심하게 취화된 재료일지라도 (593t)1100F 이상의 온도에서 짧은 시간 가열하면 원래대로 회복할 수 있다.
3) 템퍼링 온도로부터 개조된 단계적 냉각(step cooling) 열처리를 하는 경우 482P(900°F)에서 1000시간을 노출한 상태에서 얻어지는 취화 정도와 비숫하다.
3. 제한된 범위의 결과에 의존하지만 2.25Cr-1.0Mo 강의 경우 용착금속의 취성도는 모재에 비하여 더 민 감하였다.
4) 최대 취성을 나타내는 정도는 확실히 규명되지 않았지만 취화로부터 약 149P(300°F) 정도의 전이온도 상승효과가 있었다.
25Cr- l.OMo강의 경우에는 예열의 유무에는 영향을 받지만 예열온도의 선택은 기계적 성질에 큰 영향을 미치지는 않는 것으로 나타났다. 반면에 후열처리 온도는 용접부에 적절한 인성을 부여하기 위한 적절한 온도 범위가 있는 것으로 조사되었다.
25Cr-l, 0Mo 용접부의 크립성질에 영향을 미치는 것으로 나타났다. SAW, SMAW ESW 등의 용접공정에 따르면 일렉트로 슬래그 용접에서의 높은 용접입열은 후열처리의 작업에도 불구하고 고온에서의 강도와 인성에 나쁜 영향을 미치는 것으로 나타났다. 한편 서브머지드 용접에서도 용접입열이 높은 경우에는 지나치게 빠른 템퍼링 효과가 나타나는 것으로 조사되었다.
Batte와 Murphy4)는 Nb과 Ti을 포함하는 용접봉을 사용하여 크립성질의 큰 향상을 얻은 것으로 나타났는데 그 이유로 Ti과 Nb의 용해가 M2X석출물의 안정화에 기여하여 미세한 M2X 석출물이 M23G과 같은 조대한 탄화물로 대치될 때 발생되는 강도하락 현상을 방지해 주기 때문으로 설명하고 있다. 용접공정의 차이 또한 2.25Cr-l, 0Mo 용접부의 크립성질에 영향을 미치는 것으로 나타났다. SAW, SMAW ESW 등의 용접공정에 따르면 일렉트로 슬래그 용접에서의 높은 용접입열은 후열처리의 작업에도 불구하고 고온에서의 강도와 인성에 나쁜 영향을 미치는 것으로 나타났다.
응력제거균열현상은 재열균열(reheat cracking)또는 후열처리균열 (postweld heat treatment cracking)이라고도 불리어지는 현상으로 크립 취화 현상과 유사하게 결정립계에 잔존하는 편석 등에 의하거나 또는 미세한 탄화물의 석출과 관련된다고 알려져 있으나 편석보다는 석출물의 반응에 의한 경우가 더 지배적인 것으로 나타났다. 응력제거균열은 주로 용접부의 열영향부에서 용접후 응력제거 열처리 중이나 또는 고온에서 사용되는 중에 발생하게 된다.
이러한 형태의 취성은 응력-파단시험 시 연성 감소를 가져오게 되는 현상으로 크립 취성이라고 한다. 크립취성의 발생원인으로는 불순물 원소의 결정립계 편석이나 미세하게 분산된 탄화물의 석출과 관련이 있는 것으로 나타났다. 미세한 탄화물에 의해 강화된 결정립과 결정립간에 발생하는 소성응력을 결정립계에서 흡수하지 못하여 결정립계를 따라 크립변형을 일으키게 된다.
연성을 응력 파단되는 시간에 대하여 도식화하는 경우 전형적인 연성저하를 나타내게 되고 시간이 증가함에 따라서는 파단 연성의 증가를 일으키게 된다. 한편 크립취성에 대한 민감도를 고려할 때 최대 인장강도가 100 ksi보다 낮은 경우에는 템퍼링이 되는 동안 탄화물의 과시효에 의하여 크리프 취성에 덜 민감하지만 인장강도가 120ksi 이상이 되는 경우에는 크리프 취성의 경향이 큰 것으로 나타났다.

후속연구

OMo강을 모재나 용가재로 하여 사용하는 압력용기의 제조시 용접부에 고려해야 할 사항에 검토해보았다. 2.25Cr-1.0Mo강에 대하여는 다른 어떤 강에 비하여 다양한 연구와 그 결과들이 있지만 여전히 직접 재료를 취급하여 용접공정을 시행하는 경우 돌출적으로 문제가 발생할 수 있으며 그러한 문제점을 해결하기 위하여는 여러가지 원인의 검토와 개선 방안을 모색하여야 할 것이다. 지금까지 위에서 설명된 사항들은 용접과 관련하여 발생할 수 문제점의 종류와 그에 대한 간단한 고찰만이 이루어졌다.
다만 용 접공정이 적용되는 경우 용접변수가 매우 다양하기 때문에 발생하는 것으로 보는 것이 타당하다고 생각된다. 지금까지의 검토는 2.25Cr-1.0Mo강의 크립성질에 대한 화학 조성과 용접공정의 영향에 대하여 살펴보았는데 일부에 지나지 않으며 이 이외에도 고온성질이 우수한 2.25Cr-1.0Mo강을 활용한 용접부의 특성에 대하여는 더 많은 연구가 진행되어야 할 것이다.
따라서 언급된 사항들을 참고하면 관련재료를 이용하여 압력용기를 제작할 때 발생되는 문제해결을 위한 초기 처방으로 추천될 수 있을 것으로 생각된다. 향후 이러한 소재를 이용하여 용접에 의한 제작이 이루어질 경우에는 되도록 다양한 국내의 실적 자료가 존재할 수 있도록 관련 분야에 종사하는 사람들이 노력이 요구된다고 하겠다.

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