[논문]LNG저장탱크의 멤브레인용 국산 304 스테인리스강의 기계적성질 및 피로수명 평가

김형식

doi:10.22634/ksme-a.2001.25.10.1644

문제 정의

본 논문에서는 한국가스공사, 인천생산기지13, 14호에 적용된 IHIQshigawqjima- Harima Heavy Industry) 멤브레인 용으로 사용할 국내산 304 스테인리스 강의 성능을 평가하기 위해 수 행한 상온 및 -162℃에서의 기계적 성질 및 피 로수명(인장, 굽힘) 그리고 실물 시험으로서 멤 브레인을 2축 인장피로 시험한 내용을 소개하 고자 한다.

가설 설정

- 저온에서의 인장시험시에는 변형유기 마르 텐사이트 변태가 촉진되어 가공경화가 급속히 일어난다.

제안 방법

고주기피로 성질 평가를 위해 인장피로시, 험을 하였다. ASTM E466에 따른 피로시편을 사용하 였다, 시편은: 길이방향으로 채취하였다.
그리고 멤브레인의 열변형에 의한 안정적인 변형거동 여부와 최대 변형량을 확인하기 위해 유한요소 해석에 의해 얻은 최대 변형량 발생 위치에 마이크로스트레인 게이지를 부착하여 피로시험시 변형을 연속적으로 측정하였다.
이 프로그램에서 시편에 300kg의 하중을 02Hz의 주기로 3회 인가하여 탄성계수를 측정하여 평균을 산출하였다. 그리고 이후 연속해서 인장시험 하여 다른 인장성질들을 측정하였다. 인장성질시험에서는 각 온 도당 3개의 시편에 대해 시험하여 평균값을 산출하였다.
탄성계수는 인스트론의 저주기 피로시험용 소프트웨어에 포함되어 있는 탄성 계수 측정 기능을 사용하여 상온, -100, -162t 에서 시험하였다. 이 프로그램에서 시편에 300kg의 하중을 02Hz의 주기로 3회 인가하여 탄성계수를 측정하여 평균을 산출하였다. 그리고 이후 연속해서 인장시험 하여 다른 인장성질들을 측정하였다.
2.2 인장시험

인장성질로는 상온과 -162℃에서 길이방향(롤 링방향)에서의 탄성계수, 항복강도, 인장강도, 연신율을 측정하였다. 시편의 형상은 ASTM E8M에 따랐다.
페라이트 스코프를 이용하여 마르텐사이트 양을 측정하였다. 모델명은 Fische사의 FERITSCOPE MP3C이다.
이때 사용한 마이크로스트레인 게이지는' 반복성이 우수한 고탄성/고변형의 Kyowa KFEL-2-120-C1을 사용하였다. 피로수명 은 시편이 완전히 파단되어 분리되는 횟수로 하여 동일조건에서 3회시험하여 평균을 산출하였다.

대상 데이터

'두께 2mm의 국내산 304 스테인리스강으로 제작된 IHI멤브레인으로 2축 인장피로시험을 하였다. 시험조건은 Z/E3 하중에 대한 피로수명만 을 측정하였다.
고주기피로 성질 평가를 위해 인장피로시, 험을 하였다. ASTM E466에 따른 피로시편을 사용하 였다, 시편은: 길이방향으로 채취하였다. '하쥥제어 로 시험하였으며 사용한 응력조건은 최대인장응력 의 1/2이, 평균응력인 편진인장응력상태에서 시험 .
2~2 mm이며 전면에 수평 /수직 방향으로 주름이 교차되어 있어 열수축에 의한 하중을 이러한 주름이 흡수하게 , 되어있다. 그리고 멤브레인의 서비스 온도가 상온에서부터 -162℃이기 때문에 초저온에서의 기계적 성질이 우수한 304 스테인리스강을 사용한다.
페라이트 스코프를 이용하여 마르텐사이트 양을 측정하였다. 모델명은 Fische사의 FERITSCOPE MP3C이다.
JIS의 요건에 따라 제작한 굽힘피로지그를; 인스' 토론과 시마쯔 등에서 판매하고 있다. 본：실험' 에서는 시마쯔의 굽힘피로지그를，기초로 ; 하여 2mm 두께의 .스테인리스강 판재의 굽힘피로시 험에 적합하도록 Fig.
4와 같이 십자형으로. 주름이 교차된 멤브레인을 사용하였다.
시편의 형상은 ASTM E8M에 따랐다. 탄성계수는 인스트론의 저주기 피로시험용 소프트웨어에 포함되어 있는 탄성 계수 측정 기능을 사용하여 상온, -100, -162t 에서 시험하였다. 이 프로그램에서 시편에 300kg의 하중을 02Hz의 주기로 3회 인가하여 탄성계수를 측정하여 평균을 산출하였다.

데이터처리

상온: 시司시 시편의 온도상승을 방지하기 위해; 선풍기로 시편표면을 공랭하였다., 피篁수功 은 동일조건에서 5회시험하여 최저/최고값을 제외한 나머지 3회의 평균값으로 산출하였다.
그리고 이후 연속해서 인장시험 하여 다른 인장성질들을 측정하였다. 인장성질시험에서는 각 온 도당 3개의 시편에 대해 시험하여 평균값을 산출하였다.

이론/모형

피로수명은 스테인리스강 표면에 균열이 발 생하여 두께방향으로 완전히 관통되는 횟수로 하였다. 관통여부의 확인은 육안검사와 액체침 투탐상법을 사용하였다.
인장성질로는 상온과 -162℃에서 길이방향(롤 링방향)에서의 탄성계수, 항복강도, 인장강도, 연신율을 측정하였다. 시편의 형상은 ASTM E8M에 따랐다. 탄성계수는 인스트론의 저주기 피로시험용 소프트웨어에 포함되어 있는 탄성 계수 측정 기능을 사용하여 상온, -100, -162t 에서 시험하였다.

성능/효과

(3) 실물시험으로서 2축인장피로시험 결과 AT=190℃ 열수축에 의한 피로수명이 LNG저장 탱크의 설계수명 2, 600회를 상회하는 평균 3, 374회의 수명을 갖는 것으로 나타났다.
(4) 국내산 304스테인리스강의 인장, 피로 성 질 은 RPIS 규격과 탱크설계수명 측면에서의 요건에 모두 적합한 것으로 나타났다.
11의 베스트핏 곡선과 설계곡 선을 제정하였다.(源)본 실, 험의 결과 상온 및 -162℃ 모두에서 이들 시험결과와 동등한 결과를 나타내었으며 RPIS의 설계곡선과 베스트핏 곡선보다 우수한 굽힘피로 성질을 나타내었다.
그리고 굽힘피로시험 후 마르텐사이트의 변 태량을 측정한 결과 Fig. 12에서 알 수 있듯이 상온과 -162℃에서 변형량이 클수록 변태량이 많았으며 후자의 경우 최고 85%까지의 오스테 나이트가 마르텐사이트로 변태하는 것으로 나타났다. 이러한 마르텐사이트로 인해 균열성장 이 억제되어 -162℃에서의 피로수명이 향상되는 것으로 판단된다.
상 온에 비해 -162℃에서의 피로성질이 훨씬 우수한 것을 알 수 있다. 또한 시험후 변형유기 마 르텐사이트 양을 측정한 결과(Fig. 10) 상온의 경우 마르텐사이트의 변태가 거의 일어나지 않 았으나 -162℃ 의 경우에는 응력진폭에 따라 34.1 ~42.5%가 변태한 것으로 나타났다.
변형량과의 관계를 측정한 결과이다. 측정결과 스트로크 진 폭과 변형량과의 관계가 y（변형율）=-485.15 +1602.0x（스트로크）로 직선적인 관계를 갖는 것으로 나타났다. 이때 사용한 마이크로스트레인 게이지는' 반복성이 우수한 고탄성/고변형의 Kyowa KFEL-2-120-C1을 사용하였다.
한편 국내산 재료에 대한 본 시험의 결과가 1980년대에 IHI가 일본산 304 스테인리스강으로 시험한 결과에 비해 상온과 -162E에서 모두 우수한 인장피로성질을 나타내었다.

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