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문제 정의
- 최근 제2남극기지 후보지로 선정된 테라노바베이 등 남극의 경우 극한최저기온이 -50℃ 이하에 달하므로 건설되는 기지에 사용되는 국내 제작 강재에 대한 저온 특성 검토가 반드시 필요하다. 본 연구에서는 강재의 샤르피 충격시험(Charpy Impact Test)을 통해 저온에서의 인성 평가를 실시하여 사용 가능 온도를 파악함으로써 강재의 극한지 적용성을 검토하였다.
- 그러나 제2남극기지 후보지로 선정된 테라노바베이 등 남극의 경우 극한최저기온이 -50℃ 이하에 달하므로 건설되는 기지에 사용되는 국내 제작 강재에 대한 저온 특성 검토가 반드시 필요하다. 본 연구에서는 샤르피 충격시험을 통해 국내에서 제작된 용접구조용강재인 SM490B와 SM570-TMC의 극한지 적용성을 검토하였다. 대부분의 강구조물은 용접에 의해 제작되므로 용접 시험판을 제작하여 모재, 열영향부 및 용접부에 대하여 저온에서의 충격 인성 평가를 실시하였다.
제안 방법
- 그림 6에 충격시험 및 시편 온도측정 광경을 나타내었다. KS B 0810(2003)에 따라 액조에 시험편을 넣고 드라이아이스 및 액화 질소를 이용하여 시험편의 온도를 원하는 온도로 조절한 후 10분 동안 일정하게 유지시킨 다음 시험편을 액조에서 꺼내어 5초 이내에 충격시험을 실시하였다.
- 또한 종래의 강에 비해 용접성이 뛰어나고, 취성파괴에 대한 저항성능이 우수하며, 극후판 강재에서도 고강도, 고인성을 확보할 수 있다 (Porter 등, 2004;Shin 등,2006;Tamehiro등,1985;Tsay등, 1999). 그리고 본 시험결과와의 비교를 위해 남극 세종기지 건설시 사용실적이 있는 일반구조용강인 SS400에 대해서도 시험을 수행하였다. 본 시험에 사용된 재료의 화학성분 및 기계적 제성질은 표 1과 표 2에 나타내었으며, 제조사의 성적서를 인용하였다.
- 대부분의 강구조물은 용접에 의해 제작되므로, 강재의 극한지 적용성 검토를 위해 용접시험판을 제작하였다. 단, SS400은 용접구조용 강재가 아니므로 모재에 대해서만 충격 시험을 실시하였으며, SM570-TMC의 경우에는 극한지 적용성에 대한 정확한 평가를 위해 일반 용접봉 및 저온강용 용접봉을 사용하여 각각 시험판을 제작하였다. 용접시험판의 전체 폭(B)과 길이(L)는 각각 600mm와 1,200mm이고 두께(t)는 SM490B는 20mm, SM570-TMC는 일반 용접봉을 사용한 시험판은 18mm, 저온강용 용접봉을 사용한 시험판은 20mm로써 그림 1과 같은 형태로 제작하였다.
- 본 연구에서는 샤르피 충격시험을 통해 국내에서 제작된 용접구조용강재인 SM490B와 SM570-TMC의 극한지 적용성을 검토하였다. 대부분의 강구조물은 용접에 의해 제작되므로 용접 시험판을 제작하여 모재, 열영향부 및 용접부에 대하여 저온에서의 충격 인성 평가를 실시하였다. 미국기계학회에서 정의 하는 강재의 항복응력에 따른 충격흡수에너지 기준값을 토대로 하여 사용 가능 온도를 파악함으로써 강재의 극한지 적용성을 정량적으로 조사하였다.
- 대부분의 강구조물은 용접에 의해 제작되므로, 강재의 극한지 적용성 검토를 위해 용접시험판을 제작하였다. 단, SS400은 용접구조용 강재가 아니므로 모재에 대해서만 충격 시험을 실시하였으며, SM570-TMC의 경우에는 극한지 적용성에 대한 정확한 평가를 위해 일반 용접봉 및 저온강용 용접봉을 사용하여 각각 시험판을 제작하였다.
- 용접재료의 기계적 성질은 제조자의 성적서(KWS및 JIS규격)를 인용하였다. 두 강판 모두 예열은 하지 않고 본용접을 실시하였으며 본 용접은 표 6,표 7및 표 8과 같은 용접조건을 사용하였다. 전면 용접 후 후면 용접시 가우징을 먼저 실시하여 후면의 불연속면 및 결함과 공극이 있는 부분을 제거한 후에 다시 용접을 실시하여 시험판을 제작하였다.
- 대부분의 강구조물은 용접에 의해 제작되므로 용접 시험판을 제작하여 모재, 열영향부 및 용접부에 대하여 저온에서의 충격 인성 평가를 실시하였다. 미국기계학회에서 정의 하는 강재의 항복응력에 따른 충격흡수에너지 기준값을 토대로 하여 사용 가능 온도를 파악함으로써 강재의 극한지 적용성을 정량적으로 조사하였다. 그 결과 SM490B의 경우 본 실험에서 사용한 용접재료, 시험온도 및 두께에 대해서 모재는 도로교 설계기준에서 제시한 -35℃까지, 열영향부 및 용접금속은 -40℃까지 적용 가능함을 알 수 있었다.
- 강재의 인성을 표현하는 방법으로는 CTOD (Crack Tip Opening Displacement), COD(Crack Opening Displacement), 평면변형률 파괴인성(KIC), J적분 등 여러 가지가 있으나 시험평가의 간편성, 소요시간 및 비용적 측면 등을 고려하여 샤르피 충격시험을 통한 시험온도와 흡수에너지로 표현하는 것이 일반적이다(Folch and Burdekin, 1999; Rossoll 등, 1999; Sreenivasan, 2006;TvergaardandNeedleman,2004). 본 시험에서는 대상 강재의 샤르피 충격시험을 실시하여 저온에서의 충격흡수에너지 값을 구하고 이를 강재의 항복응력에 따른 충격흡수에너지의 기준값과 비교함으로써 강재의 사용온도를 결정하였다.
- 샤르피 충격시험은 KSB 0810(2003) 「금속재료 충격시험방법」 및 KS B 0821 (2007) 「용착 금속의 충격시험방법」에 따라 시험을 실시하였다. 시험온도는 +20℃, 0℃, -20℃, -40℃, -60℃, -80℃이며, 각각의 온도에서 3개의 시험편을 실험하는 것으로 계획하였다. SM490B 모재의 경우 -30℃에서도 시험을 수행하였다.
- 그림 2와 그림 3에 용접과정 및 제작된 용접시험판을 나타내었다. 용접이 끝난 후 비파괴 시험인 방사선 투과시험을 실시하여 용접부의 건전성을 확인하였다.
- 두 강판 모두 예열은 하지 않고 본용접을 실시하였으며 본 용접은 표 6,표 7및 표 8과 같은 용접조건을 사용하였다. 전면 용접 후 후면 용접시 가우징을 먼저 실시하여 후면의 불연속면 및 결함과 공극이 있는 부분을 제거한 후에 다시 용접을 실시하여 시험판을 제작하였다. 패스 층간 온도는 온도 센서를 사용하여 250℃이하가 되도록 하였다.
대상 데이터
- 특정 사용온도에서 강재의 충격흡수에너지 값이 이 기준값을 초과하게 되면 그 강재는 해당온도에서 사용 가능하다는 것을 의미한다. 그래프를 보면 본 실험에서 사용한 SS400과 SM490B의 기준값은 모두 20J이며, SM570-TMC의 경우는 27J이다.
- 본 시험에 사용된 강재는 용접구조용강 중 현재 국내에서 가장 널리 쓰이는 강종인 SM490B와 고강도 강재인 SM570-TMC이다. 고강도강은 구조물의 접합부 형상을 단순하게 하고 단면을 감소시켜 자중을 줄일 수 있으므로 남극과 같은 극한지 건설 시 재료의 운송에 소요되는 경비를 절감할 수 있어 매우 경제적이다.
- 샤르피 충격 시험편은 KSB 0809(2001) 「금속재료 충격시험편」에 따라 제작하였으며 그 형상 및 치수는 그림 4와 같다. 용접구조물의 인성을 파악하기 위해서는 모재뿐 아니라 용접금속 및 열양향부(HeatAffectedZone)에 대해서도 충격시험을 실시하여야 한다(Bayraktar 등,2004; Jang등,2008;Lee등,2000).
- 단, SS400은 용접구조용 강재가 아니므로 모재에 대해서만 충격 시험을 실시하였으며, SM570-TMC의 경우에는 극한지 적용성에 대한 정확한 평가를 위해 일반 용접봉 및 저온강용 용접봉을 사용하여 각각 시험판을 제작하였다. 용접시험판의 전체 폭(B)과 길이(L)는 각각 600mm와 1,200mm이고 두께(t)는 SM490B는 20mm, SM570-TMC는 일반 용접봉을 사용한 시험판은 18mm, 저온강용 용접봉을 사용한 시험판은 20mm로써 그림 1과 같은 형태로 제작하였다. 시험판 제작 시의 용접방법 및 용접재료는 표 3과 같으며 용접재료의 화학성분 및 기계적 성질은 표 4와 표 5에 나타내었다.
이론/모형
- 샤르피 충격시험은 KSB 0810(2003) 「금속재료 충격시험방법」 및 KS B 0821 (2007) 「용착 금속의 충격시험방법」에 따라 시험을 실시하였다. 시험온도는 +20℃, 0℃, -20℃, -40℃, -60℃, -80℃이며, 각각의 온도에서 3개의 시험편을 실험하는 것으로 계획하였다.
- 시험판 제작 시의 용접방법 및 용접재료는 표 3과 같으며 용접재료의 화학성분 및 기계적 성질은 표 4와 표 5에 나타내었다. 용접재료의 기계적 성질은 제조자의 성적서(KWS및 JIS규격)를 인용하였다. 두 강판 모두 예열은 하지 않고 본용접을 실시하였으며 본 용접은 표 6,표 7및 표 8과 같은 용접조건을 사용하였다.
성능/효과
- 충격흡수에너지 결과 그래프에는 해당 충격흡수에너지 기준값을 함께 도시하였다. 결과를 보면 SS400의 경우에는 일부 시험결과를 제외하면 흡수에너지 값은 SM490B와 SM570-TMC에 비해 작으며 연성이 우수한 강재이므로 가로변형량 값이 크게 나옴을 알 수 있다. 또한, SS400강재는 -40℃까지 기준값보다 큰 충격흡수에너지 값을 나타내어 해당 온도에서 안정적으로 사용할 수 있음을 알 수 있다.
- 그림 12와 그림 13은 모재 및 일반 용접봉을 사용한 경우의 충격흡수에너지와 가로변형량의 시험결과이며, 그림 14와 그림 15는 저온강용 용접봉을 사용한 경우의 충격흡수에너지 및 가로변형량의 실험결과이다. 결과를 보면 모재의 경우 도로교 설계기준에서 규정하고 있는 -5℃에서 47J 이상의 값을 만족하므로 온도구역 Ⅲ까지 적용 가능할 것으로 판단된다. 또한, SM570-TMC 모재는 다른 강재에 비해 현격히 높은 충격흡수에너지 값을 보이고 있으며, 파괴에너지의 상단(UpperShelf)에 대응하는 온도로서 그 온도 이상에서는 100% 연성파괴가 발생하는 온도인 파괴 천이 소성(Fracture Transition Plastic: FTP)이 -60℃ 이하로 판단되어 대단히 우수한 인성을 가지는 것으로 파악된다.
- 미국기계학회에서 정의 하는 강재의 항복응력에 따른 충격흡수에너지 기준값을 토대로 하여 사용 가능 온도를 파악함으로써 강재의 극한지 적용성을 정량적으로 조사하였다. 그 결과 SM490B의 경우 본 실험에서 사용한 용접재료, 시험온도 및 두께에 대해서 모재는 도로교 설계기준에서 제시한 -35℃까지, 열영향부 및 용접금속은 -40℃까지 적용 가능함을 알 수 있었다. SM570-TMC의 경우 모재의 적용가능 온도는 -80℃까지로 대단히 우수한 인성을 가지는 것으로 파악되었다.
- 또한, SM570-TMC 모재는 다른 강재에 비해 현격히 높은 충격흡수에너지 값을 보이고 있으며, 파괴에너지의 상단(UpperShelf)에 대응하는 온도로서 그 온도 이상에서는 100% 연성파괴가 발생하는 온도인 파괴 천이 소성(Fracture Transition Plastic: FTP)이 -60℃ 이하로 판단되어 대단히 우수한 인성을 가지는 것으로 파악된다. 또한, -80℃까지 충격흡수에너지 값이 기준값을 만족하고 있어 해당 온도에서 안정적으로 사용할 수 있을 것으로 판단된다. 일반 용접봉으로 용접한 경우의 결과를 보면 용접금속의 충격흡수에너지 값은 -60℃까지 기준값을 상회하고 있으나 크기는 모재 및 열영향부보다 작음을 알 수 있다.
- 결과를 보면 모재의 경우 도로교 설계기준에서 규정하고 있는 -5℃에서 47J 이상의 값을 만족하므로 온도구역 Ⅲ까지 적용 가능할 것으로 판단된다. 또한, SM570-TMC 모재는 다른 강재에 비해 현격히 높은 충격흡수에너지 값을 보이고 있으며, 파괴에너지의 상단(UpperShelf)에 대응하는 온도로서 그 온도 이상에서는 100% 연성파괴가 발생하는 온도인 파괴 천이 소성(Fracture Transition Plastic: FTP)이 -60℃ 이하로 판단되어 대단히 우수한 인성을 가지는 것으로 파악된다. 또한, -80℃까지 충격흡수에너지 값이 기준값을 만족하고 있어 해당 온도에서 안정적으로 사용할 수 있을 것으로 판단된다.
- SM570-TMC의 경우 모재의 적용가능 온도는 -80℃까지로 대단히 우수한 인성을 가지는 것으로 파악되었다. 또한, 열영향부 및 용접금속의 저온에서의 충격흡수에너지 값은 사용되는 용접재료 및 용접방법에 의해 결정됨을 알 수 있었다. 이는 SM490B의 경우에도 마찬가지일 것으로 판단된다.
- 그림 10과 그림 11에 SM490B의 시험결과를 나타내었다. 실험결과를 분석해 보면 모재의 경우 도로교 설계기준에서 규정하고 있는 0℃에서 27J 이상의 값을 만족하고 있어 최저 공용온도가 -35℃에 해당하는 온도구역 Ⅲ까지 적용 가능할 것으로 판단되며, 실제 결과에서도 적용가능 온도는 -30℃와 -40℃ 사이임을 알 수 있다. 그리고 용접금속과 열영향부는 -40℃까지 기준값보다 큰 충격흡수에너지 값을 보인다.
후속연구
- 따라서, 저온에서 강재의 인성을 확보하기 위해서는 용접부 뿐만 아니라 열영향부의 인성을 확보할 수 있는 적절한 용접재료 및 용접방법의 선택이 반드시 이루어져야 한다. 향후에는 용접구조용 강재의 두께별 적용가능 온도에 대한 연구와 더불어 극저온 환경하에서 용접부 및 열영향부의 인성을 확보할 수 있는 용접재료 및 용접방법의 선정에 대한 연구를 수행해 나갈 계획이다.
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