[논문]선급용 고강도 극후물재의 취성파괴 정지 성능에 관한 연구

안규백; 류강묵; 박준식; 정보영; 김태수; 이종섭

doi:10.5781/kwjs.2010.28.1.047

선급용 고강도 극후물재의 취성파괴 정지 성능에 관한 연구
Brittle Crack Arrestability of Thick Steel Plates for Shipbuilding 원문보기

大韓溶接·接合學會誌 = Journal of the Korean Welding and Joining Society, v.28 no.1, 2010년, pp.47 - 53

안규백 (포스코 기술연구원 강재솔루션연구그룹) , 류강묵 (포스코 기술연구원 강재솔루션연구그룹) , 박준식 (포스코 기술연구원 강재솔루션연구그룹) , 정보영 (포스코 기술연구원 강재솔루션연구그룹) , 김태수 (포스코 기술연구원 강재솔루션연구그룹) , 이종섭 (포스코 기술연구원 강재솔루션연구그룹)

Abstract ▼ AI-Helper

In recent time there is vigorous requirement for the use of thick steel plate in various industrial fields including shipbuilding industry. Especially, with the continual increases in marine transportation volumes on a global scale, the steel of container ships has become thicker and thicker with the increased size of ships. In addition, the brittle crack arrestability of heavy thick plates was big issue, in recently. In this study, crack arrest test were conducted in order to investigate the crack arrestability of thick plates for shipbuilding steels, where test plate thicknesses were 50mm and 80mm. This paper introduces the brittle crack arrestability of heavy thick plates with thickness effect for shipbuilding.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

균열전파 경로는 두께만의 영향 보다는 다른 조건들의 영향을 받는 것으로 생각되며, 예를들면 하중조건, 용접시 잔류응력의 분표등이 취성균열 전파 경로에 영향을 주는 인자로 생각 할 수 있다. 보다 상세한 취성균열 전파경로에 영향을 미치는 인자에 대한 연구 결과에 대해서 향후에 다시 토론 하고자 한다.
본 연구에서는 선급용 극후물재의 취성균열 전파정지 인성 및 용접부에 대한 취성균열 전파 경로에 미치는 두께의 영향에 대하여, 온도구배조건의 ESSO시험을 통하여 검토하였다. 모재의 경우는 종래의 연구 결과를 바탕으로 제안된 일본 선급협회(NK)의 통상운항 조건 하 에서의 K_ca값을 50mmt, 80mmt 모두 만족하고 있음을 확인 하였으며, 이러한 모재를 사용하여 용접부를 구성하였다.
. 본 연구에서는 용접부에서의 취성균열 전파 경로에 대한 검토를 위하여 50mm, 80mm의 두종류의 두께에 대하여 대입열용접(EGW)부에 대한 취성균열 전파 정지 시험을 실시하였다. Fig.
이와 관련 최근 조선 산업의 초대형컨테이너선의 건조에 있어서 주요관심 대상인 극후판 용접부의 취성균열 정지특성에 관한 기존의 연구동향 및 결과에 대하여 박준식 등¹⁰⁾, 박정웅 등¹¹⁾이 대한용접ㆍ접합학회지에 상세하게 소개하고 있다. 본 연구에서는 종래의 연구결과에서 두께의 영향에 의하여 취성균열의 전파경로가 변화 하는 것으로 보고 되고 있으나, 용접구조물에서의 균열의 경로를 결정하는 요인은 여러 가지 인자가 있을 것으로 판단되어서, 종래의 연구에서 사용한 판두께 65mm를 기준으로 좀더 얇은 50mm, 그리고 보다 두껍고 현재 컨테이너선에 적용되는 최대두께인 80mm의 강재를 선정하여, 선급 극후판 강재에 대한 취성균열 전파정지 인성, Kca를 모재 및 용접부에 대하여 평가 하였으며, 균열전파 경로에 대해서도 검토 하였다. 모재에 대한 취성균열전파정지 인성을 구하기 위하여, 온도구배에 의한 ESSO시험을 실시하여 두께의 변화에 따른 취성균열전파정지인성, K_ca값을 설계온도인 -10℃에서 구하였으며, 대입열용접에 의한 용접부에서의 두께의 영향에 따른 취성균열전파인성값 및 균열전파 경로에 대하여 파악하기 위하여 모재와 동일한 ESSO시험을 실시하였다.

제안 방법

두께 50mm에 대해서도 동일한 방법으로 온도구배 ESSO시험을 실시하였으며, 양 두께에 대한 식(1)에 의해서 구해진 K_ca값과 균열정지온도와의 관계를 Fig. 6에 나타내었다. 실험에서 구한 K_ca값은 각각의 두께에 대하여 약 +20℃~-40℃에서 얻을 수 있었다.
Table 1, Table 2에는 강재의 화학조성 및 기계적 성질을 나타내었다. 두께의 영향을 파악하기 위하여 두 종류의 두께를 선정하였다. 용접은 두께에 관계없이 모두 대입열용접인 EGW(Electro Gas arc Welding)를 적용 하였으며, 50mm의 경우는 약 320kJ/cm, 80mm인 경우는 530kJ/cm의 입열로 용접을 수행하였다.
모재 및 용접부에 대하여 경도분포, Charpy충격시험을 실시하였다. Fig.
모재가 갖는 취성균열전파 정지 인성값 K_ca값를 측정하기 위하여 ESSO 시험을 실시 하였다. Fig.
본 연구에서는 종래의 연구결과에서 두께의 영향에 의하여 취성균열의 전파경로가 변화 하는 것으로 보고 되고 있으나, 용접구조물에서의 균열의 경로를 결정하는 요인은 여러 가지 인자가 있을 것으로 판단되어서, 종래의 연구에서 사용한 판두께 65mm를 기준으로 좀더 얇은 50mm, 그리고 보다 두껍고 현재 컨테이너선에 적용되는 최대두께인 80mm의 강재를 선정하여, 선급 극후판 강재에 대한 취성균열 전파정지 인성, Kca를 모재 및 용접부에 대하여 평가 하였으며, 균열전파 경로에 대해서도 검토 하였다. 모재에 대한 취성균열전파정지 인성을 구하기 위하여, 온도구배에 의한 ESSO시험을 실시하여 두께의 변화에 따른 취성균열전파정지인성, K_ca값을 설계온도인 -10℃에서 구하였으며, 대입열용접에 의한 용접부에서의 두께의 영향에 따른 취성균열전파인성값 및 균열전파 경로에 대하여 파악하기 위하여 모재와 동일한 ESSO시험을 실시하였다.
따라서 취성균열의 전파 경로는 두께만의 영향에 의해서 모재로 방향이 바뀌지는 않는다는 것을 알았다. 물론 본 연구에서는 설계하중이 아닌, 취성균열을 정지 시키기 위한 하중조건과 시험조건으로 실험을 실시하였다. 본 연구결과로부터 취성균열의 전파 경로는 두께만의 영향 보다는 다른 조건들의 영향을 받는 것으로 생각되며, 예를들면 하중조건, 용접시 잔류응력의 분표등이 취성균열 전파 경로에 영향을 주는 인자로 생각 할 수 있다.
최근에는 취성균열 전파정지 성능을 파악하기 위한 실험으로는 온도구배 조건하에서 대형 ESSO 시험이 폭 넓게 수행 되고 있다. 본 연구에서도 3,000ton 대형 인장시험기를 사용하여서 판두께 50mm, 80mm에 대하여 온도구배 조건하에서 모재 및 용접부에 대하여 ESSO시험을 실시하였다. 온도구배와 하중 조건은, 선급용 극후판 강재의 취성균열 정지 성능에 관한 현 수준을 파악 하고자, 균열이 정지 가능한 조건으로 설정 하였다.
2에는 온도구배 ESSO시험의 개략도이며, 본 연구에서 사용한 모재 시험편의 크기를 나타내었다. 온도구배는 냉각 챔버를 설치하여 노치부근은 저온으로 냉각하여 균열 생성 및 전파를 용이하게 하고, 균열 전파 방향을 따라 온도를 상승시켜 균열 정지가 가능하도록 하였다. 온도구배는 통상 2.
온도구배는 냉각 챔버를 설치하여 노치부근은 저온으로 냉각하여 균열 생성 및 전파를 용이하게 하고, 균열 전파 방향을 따라 온도를 상승시켜 균열 정지가 가능하도록 하였다. 온도구배는 통상 2.5℃/cm～3.5℃/cm 의 범위에서 제어하였으며, 온도구배의 조정이 마쳐진 후 시편에 인장하중을 가하고, 목표 시험하중에 도달하면 노치에 충격하중을 가하여 균열을 생성, 전파시키고 균열이 정지한 부분의 균열길이를 측정하여 K_ca값을 계산하였다. 여기서, 시험하중과 온도조건의 관계가 적절한 조합을 이루지 못하면 균열은 정지 하지 못하고 직진전파하여서 완전 취성파괴에 도달하게 되므로 시험조건과 온도조건의 설정이 중요하였다.
본 연구에서도 3,000ton 대형 인장시험기를 사용하여서 판두께 50mm, 80mm에 대하여 온도구배 조건하에서 모재 및 용접부에 대하여 ESSO시험을 실시하였다. 온도구배와 하중 조건은, 선급용 극후판 강재의 취성균열 정지 성능에 관한 현 수준을 파악 하고자, 균열이 정지 가능한 조건으로 설정 하였다. 하중은 50MPa～300MPa의 범위와 시험온도는 +60℃～-120℃의 범위에서 적절하게 조합하여서 조건을 설정 하였다.
통상적으로 선박의 최저운항온도(국제선급협회, IACS 기준)인 -10℃에서의 K_ca값을 기준으로 하여 소재의 균열정지특성을 비교하는데, 이를 얻기 위해서는 3～4회 온도구배 ESSO 시험을 실시하여 외삽법을 통해 -10℃에서의 K_ca값을 계산하였다. 용접부의 경우도 동일하게 시험을 실시하였으며, 노치위치는 용접부의 가장 취약한 영역으로 판단되는 F/L에 설정하여 균열이 시작되게 하였다.
두께의 영향을 파악하기 위하여 두 종류의 두께를 선정하였다. 용접은 두께에 관계없이 모두 대입열용접인 EGW(Electro Gas arc Welding)를 적용 하였으며, 50mm의 경우는 약 320kJ/cm, 80mm인 경우는 530kJ/cm의 입열로 용접을 수행하였다. 용접조건은 Table 3에 타내었다.
여기서, 시험하중과 온도조건의 관계가 적절한 조합을 이루지 못하면 균열은 정지 하지 못하고 직진전파하여서 완전 취성파괴에 도달하게 되므로 시험조건과 온도조건의 설정이 중요하였다. 통상적으로 선박의 최저운항온도(국제선급협회, IACS 기준)인 -10℃에서의 K_ca값을 기준으로 하여 소재의 균열정지특성을 비교하는데, 이를 얻기 위해서는 3～4회 온도구배 ESSO 시험을 실시하여 외삽법을 통해 -10℃에서의 K_ca값을 계산하였다. 용접부의 경우도 동일하게 시험을 실시하였으며, 노치위치는 용접부의 가장 취약한 영역으로 판단되는 F/L에 설정하여 균열이 시작되게 하였다.
온도구배와 하중 조건은, 선급용 극후판 강재의 취성균열 정지 성능에 관한 현 수준을 파악 하고자, 균열이 정지 가능한 조건으로 설정 하였다. 하중은 50MPa～300MPa의 범위와 시험온도는 +60℃～-120℃의 범위에서 적절하게 조합하여서 조건을 설정 하였다. Fig.

대상 데이터

본 연구에 사용한 강재는 조선용 360MPa급 TMCP-대입열용 강재로, 판두께가 50mm, 80mm의 2 종류이다. Table 1, Table 2에는 강재의 화학조성 및 기계적 성질을 나타내었다.

이론/모형

두께의 증가에 따라서 K_ca값이 감소함을 알수 있으며, 거의 동일한 기울기의 경향을 나타내는것을 확인 하였다. 각각 다른 균열정지 온도에서 구해진 K_ca값을 통하여 선박의 설계온도인 -10℃에서의 K_ca값은 외삽법에 의하여 구하여지며, 50mm, 80mm 각각 7381 N/mm^1.5, 5690 N/mm^1.5 이었다.

성능/효과

8에는 80mm에 대한 ESSO시험결과를 타나내었다. 50mm와 동일하게 3번의 실험을 실시하였으며, 취성균열은 용접선을 따라서 직진전파후 용접부 부근에서 정지함을 알수 있었다. 상세한 취성균열 전파 정지 위치를 Fig.
값은 일본선급협회(NK)가 ’06년 7월 제안한 통상운항 조건하에서의 -10℃에서 값을 나타낸 것이다. 그림에서 알 수 있듯이, 본 연구에 사용된 선급용 극후판 50mm, 80mm, 모두 조건을 만족하고 있음을 알 수 있다.
실험에서 구한 K_ca값은 각각의 두께에 대하여 약 +20℃~-40℃에서 얻을 수 있었다. 두께의 증가에 따라서 K_ca값이 감소함을 알수 있으며, 거의 동일한 기울기의 경향을 나타내는것을 확인 하였다. 각각 다른 균열정지 온도에서 구해진 K_ca값을 통하여 선박의 설계온도인 -10℃에서의 K_ca값은 외삽법에 의하여 구하여지며, 50mm, 80mm 각각 7381 N/mm^1.
그러나 이러한 결과들은 판두께 30~35mm정도의, 일반 선체용 연강판에 대해서 확인된 실험 결과이고, 실험시 온도구배의 조건등에 따라서 K_ca값이 다소 차이를 나타낼 수 있다. 따라서 종래의 연구결과를 본 연구에서 사용한 판두께 50mm, 80mm의 극후판에 대한 기준으로 적용 가능한가에 대해서는 불명확하다고 할 수 있다.
그림에서 알 수 있듯이, 서로 다른 2종류의 두께에 대하여 취성균열의 정지 위치는 모두 용접부 부근임을 알 수 있다. 따라서 취성균열의 전파 경로는 두께만의 영향에 의해서 모재로 방향이 바뀌지는 않는다는 것을 알았다. 물론 본 연구에서는 설계하중이 아닌, 취성균열을 정지 시키기 위한 하중조건과 시험조건으로 실험을 실시하였다.
본 연구에서는 선급용 극후물재의 취성균열 전파정지 인성 및 용접부에 대한 취성균열 전파 경로에 미치는 두께의 영향에 대하여, 온도구배조건의 ESSO시험을 통하여 검토하였다. 모재의 경우는 종래의 연구 결과를 바탕으로 제안된 일본 선급협회(NK)의 통상운항 조건 하 에서의 K_ca값을 50mmt, 80mmt 모두 만족하고 있음을 확인 하였으며, 이러한 모재를 사용하여 용접부를 구성하였다. 용접부에 대해서는 종래의 주장과는 달리 두께에 의해서 균열전파 경로가 달라지지 않고, 50mm, 80mm모두 균열전파 정지 위치는 동일함을 규명 하였다.
7에는 50mm에 대한 실험 결과를 나타내었다. 서로다른 하중조건, 온도구배조건에서 3회의 ESSO시험을 실시하였으며, 취성균열은 직진전파후 모두 용접부에서 균열이 정지한 결과를 얻었다. Fig.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	극후판일수록 용접부에서 발생한 취성균열의 정지가 어려운 이유는?	이러한 연구들은 주로 대형파괴시험을 통하여 극후판 용접부의 취성균열정지 특성을 평가하는 방향으로 진행되었으며, 65mm이상의 극후판에 대해서는 용접부에서 취성균열의 정지가 어렵다는 연구 결과를 발표하고 있다. 극후판일수록 용접부에서 발생한 취성균열은 직진전파하기 쉽게되어서 모재쪽으로 균열의 경로가 바뀌어서 취성균열이 정지되는것이 아니라, 용접부를 따라서 직진 전파 한다는 것이다. 뿐만아니라, 이러한 연구결과를 바탕으로 일본선급협회에서는 2009년 9월 파괴안전성을 강화하기 위한 관련 규정을 새롭게 개정하였다7).
	선급용 극후물재의 취성균열 전파정지 인성 및 용접부에 대한 취성균열 전파 경로에 미치는 두께의 영향에 대하여, 온도구배조건의 ESSO시험을 통하여 검토한 결과는?	본 연구에서는 선급용 극후물재의 취성균열 전파정지 인성 및 용접부에 대한 취성균열 전파 경로에 미치는 두께의 영향에 대하여, 온도구배조건의 ESSO시험을 통하여 검토하였다. 모재의 경우는 종래의 연구 결과를 바탕으로 제안된 일본 선급협회(NK)의 통상운항 조건 하 에서의 Kca값을 50mmt, 80mmt 모두 만족하고 있음을 확인 하였으며, 이러한 모재를 사용하여 용접부를 구성하였다. 용접부에 대해서는 종래의 주장과는 달리 두께에 의해서 균열전파 경로가 달라지지 않고, 50mm, 80mm모두 균열전파 정지 위치는 동일함을 규명 하였다. 균열전파 경로는 두께만의 영향 보다는 다른 조건들의 영향을 받는 것으로 생각되며, 예를들면 하중조건, 용접시 잔류응력의 분표등이 취성균열 전파 경로에 영향을 주는 인자로 생각 할 수 있다. 보다 상세한 취성균열 전파경로에 영향을 미치는 인자에 대한 연구 결과에 대해서 향후에 다시 토론 하고자 한다.
	파괴안전성은 어떻게 구분되어 있는가?	최근 선박의 고강도화 및 극후물화에 따라서 선체구조물의 파괴안전성에 대한 관심이 증가 되고 있으며, 일본선급협회(NK)2)에서는 지난 2006년 7월에 파괴인성 관련 규정을 새롭게 첨가 하여, 극후판의 파괴안전성 확보에 더욱 높은 관심을 보이고 있다. 파괴안전성은 균열생성의 관점(Crack initiation fracture toughness)과 균열정지의 관점(Crack arrest fracture toughness)으로 구분되어서 연구가 진행되어 왔다. 종래에는 판두께 30~40mm에 관한 연구들이 주로 수행되었으나3), 최근 몇 년 사이에 일본에서는 균열정지의 관점에서 극후판에 대한 취성균열 정지 특성에 관한 연구가 활발히 진행되고 있다4-6).

참고문헌 (14)

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Gremanischer Lloyd, "Supplementary rules for application of steel with yield strength of $460N/mm^2$ ",(2008)
Joon Sik Park, Bo Young Jung, Gyu Baek An and Jong Bong Lee: Crack Arrest Toughness of Thick Steel Plate Welds for Ship Building, Journal of the Korean Welding & Joining Society, 25-4 (2007), 9-14 (in Korean)

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Jeong-Ung Park and Gyu-Baek An:Fracture toughness of thick steel plate for ship building, Journal of the Korean Welding & Joining Society, 25-4 (2007), 15-19 (in Korean)

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C. S. Wiesner and B. Hayes: A review of crack arrest tests, models and applications, TWI report (1995)
M. Isida and H. Terada: Analysis of stress intensity factors of plates containing internal crack, Trans. Japan Soc. Mech. Engrs., 43-374 (1977), 3636-3641

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The 193th Research Committee: Application of 50kgf/mm2 class high strength steel plates made of new steel manufacturing process, Report No. 100, The Shipbuilding Research Association of Japan, (1985)

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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