실 배관을 평가하는 DWTT (Drop Weight Tearing Test)의 파괴인성 값은 실 배관의 파괴인성 값 및 연성취성천이 온도를 예측할 수 있는 실험방법이므로, 최근 DWTT의 값에 대한 중요성이 증가되고 있다. 본 연구에서는 API X70과 API X65 라인파이프강의 DWTT 후의 온도에 따른 연성파면율, 역파면율, 흡수에너지와 온도 $-60^{\circ}C$~상온)와의 관계를 비교분석 하고자 하였다. X65과 X70의 값에서 마찬가지로 연성파면율 및 흡수에너지는 온도가 낮아질수록 함께 낮아지는 경향을 보였으며, X70의 경우에는 $-40^{\circ}C$ 까지 연성파괴를 보이는 반면, X65는 $-30^{\circ}C$ 까지 연성파괴를 보였다.
실 배관을 평가하는 DWTT (Drop Weight Tearing Test)의 파괴인성 값은 실 배관의 파괴인성 값 및 연성취성천이 온도를 예측할 수 있는 실험방법이므로, 최근 DWTT의 값에 대한 중요성이 증가되고 있다. 본 연구에서는 API X70과 API X65 라인파이프강의 DWTT 후의 온도에 따른 연성파면율, 역파면율, 흡수에너지와 온도 $-60^{\circ}C$~상온)와의 관계를 비교분석 하고자 하였다. X65과 X70의 값에서 마찬가지로 연성파면율 및 흡수에너지는 온도가 낮아질수록 함께 낮아지는 경향을 보였으며, X70의 경우에는 $-40^{\circ}C$ 까지 연성파괴를 보이는 반면, X65는 $-30^{\circ}C$ 까지 연성파괴를 보였다.
DWTT (Drop Weigh Tearing Test) is one critical method that can exhibit the fracture properties of line pipe steel, since it estimates the properties with real pipe steel. In this study, the ductile portion, inverse fracture ratio and absorbed energy of API X65 and X70 line pipe steels were estimated...
DWTT (Drop Weigh Tearing Test) is one critical method that can exhibit the fracture properties of line pipe steel, since it estimates the properties with real pipe steel. In this study, the ductile portion, inverse fracture ratio and absorbed energy of API X65 and X70 line pipe steels were estimated with temperature variation. Both steels showed that the ratio of ductile area and absorbed energy were decreased with respect to decreasing the test temperature. However, while the ductile fracture behavior exhibited until $-40^{\circ}C$ for the X70 steel, but it showed until $-30^{\circ}C$ for the X65 steel. The fracture properties were discussed with respect to test temperatures.
DWTT (Drop Weigh Tearing Test) is one critical method that can exhibit the fracture properties of line pipe steel, since it estimates the properties with real pipe steel. In this study, the ductile portion, inverse fracture ratio and absorbed energy of API X65 and X70 line pipe steels were estimated with temperature variation. Both steels showed that the ratio of ductile area and absorbed energy were decreased with respect to decreasing the test temperature. However, while the ductile fracture behavior exhibited until $-40^{\circ}C$ for the X70 steel, but it showed until $-30^{\circ}C$ for the X65 steel. The fracture properties were discussed with respect to test temperatures.
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가설 설정
(b) 두 그래프 다 흡수 에너지값이 높을수록 연성파면율은 100%에 가까워진다.
20의 (a)는 CNT 흡수에너지 와 온도사이의 관계를 나타내었고, (b)는 DWTT 흡수에너지와 온도사이의 관계의 그래프를 나타내었다. (a), (b) 두 그래프 모두 전체적으로 온도가 낮아질수록 흡수에너지가 감소하였다. 그리고 특히 -60℃에서 가장 낮은 에너지 값을 나타내었다.
제안 방법
(4) 취성파괴가 주를 이루는 것보다 연성파괴가 주를 이룰 때 더 많은 에너지를 필요로 하기 때문에 흡수에너지와 연성파면율과의 관계는 비례하였다.
또 DWTT와 CNT의 연관성과 관계를 분석하기 위하여 CNT를 실시하였다. CNT는 DWTT와 같은 T-L 방향의 미소시편을 이용하여, -60℃ ~ +25℃ (20℃ 간격)의 온도 범위에서 파괴인성을 평가하였다. 그리고 DWTT (실제배관을 이용한 실험) 와 CNT (미소시험편)의 연관성과 관계를 비교 분석하였다.
CNT를 통해서 DWTT의 흡수에너지값과의 연관성을 비교해 볼 수 있었다. Fig.
DWTT와 CNT (Charpy Notch Test)의 연관성과 관계를 분석해 보기 위해서 같은 조건인 -60℃ ~ +25℃ (20℃ 간격)의 범위에서 미소시험편을 사용하여 L방향과 T방향으로 나누어 CNT를 실시 해 결과를 분석해 보았다. Fig.
X65 라인파이프강을 기준으로 한 DWTT 결과를 모식도로 나타내어 보았다. X70 라인파이프강을 기준으로 한 그래프와 같이 연성파면율과 온도사이의 관계, 그리고흡수에너지값과 온도와의 관계를 나타내었다.
X65 라인파이프의 DWTT 결과와, X70 라인파이프강을 기준으로 한 DWTT 결과를 비교, 분석 하였다. 우선 X65와 X70의 연성파면율에 대해 비교 분석하였다.
DWTT 최대 낙하 에너지는 (10,000 J) 를 사용하였고, 실험은 T-L방향 각각 -60℃ ~ +25℃ (20℃간격)의 온도범위에서 실시하였다. 그 후 각 시편의 실험에 의해 생성된 파면을 주사전자현미경 (field emission scanning electron microscope Model: JSM-6300)로 관찰 하여, 시험편이 어떤 파면을 가지는 지와 어떤 형태를 보이는지를 분석하였고, API X65라인파이프의 DWTT결과와 API X70 라인파이프강의 DWTT결과를 비교 분석 하였다. 그리고 API X70과 X65 시험편을 연마하고, 나이탈 용액으로 에칭한 후 광학현미경(optical microscope)으로 미세조직을 관찰하였다.
또한, DWTT와 CNT (Charpy Notch Test)의 연관성과 관계를 분석해 보기 위해서 DWTT와 같은 조건인 -60℃ ~ +25℃ (20℃ 간격)의 범위에서 미소시편을 사용하는 CNT를 실시 해 결과를 분석하였다. 그 후, DWTT와 CNT의 연관성과 관계를 비교분석하였다.
본 연구에서는 실 배관 크기로 API X65와 X70 라인파이프강을 기준 으로 하여, DWTT 시험편을 T-L (transverse - longitudinal)방향으로 제조해서, 각 다른 온도 조건 -60℃ ~ +25℃ (20℃ 간격)의 범위에서 실시하였다. 그 후, 각각 다른 온도 변수로 준 시험 후, 시험편의 파면을 주사전자현미경으로 관찰 하여 분석하였다. 또 API X65와 X70의 미세조직을 광학현미경으로 관찰하였다.
그 후 각 시편의 실험에 의해 생성된 파면을 주사전자현미경 (field emission scanning electron microscope Model: JSM-6300)로 관찰 하여, 시험편이 어떤 파면을 가지는 지와 어떤 형태를 보이는지를 분석하였고, API X65라인파이프의 DWTT결과와 API X70 라인파이프강의 DWTT결과를 비교 분석 하였다. 그리고 API X70과 X65 시험편을 연마하고, 나이탈 용액으로 에칭한 후 광학현미경(optical microscope)으로 미세조직을 관찰하였다.
CNT는 DWTT와 같은 T-L 방향의 미소시편을 이용하여, -60℃ ~ +25℃ (20℃ 간격)의 온도 범위에서 파괴인성을 평가하였다. 그리고 DWTT (실제배관을 이용한 실험) 와 CNT (미소시험편)의 연관성과 관계를 비교 분석하였다. Fig.
그리고 다른 관점으로, 흡수에너지값와 연성파면율 사이의 관계를 나타내어 보았다(Fig. 11). 가로축은 연성파면율을 나타내었고, 세로축은 흡수 에너지값을 나타내었다.
그 후, 각각 다른 온도 변수로 준 시험 후, 시험편의 파면을 주사전자현미경으로 관찰 하여 분석하였다. 또 API X65와 X70의 미세조직을 광학현미경으로 관찰하였다.
또 DWTT와 CNT의 연관성과 관계를 분석하기 위하여 CNT를 실시하였다. CNT는 DWTT와 같은 T-L 방향의 미소시편을 이용하여, -60℃ ~ +25℃ (20℃ 간격)의 온도 범위에서 파괴인성을 평가하였다.
또한, DWTT와 CNT (Charpy Notch Test)의 연관성과 관계를 분석해 보기 위해서 DWTT와 같은 조건인 -60℃ ~ +25℃ (20℃ 간격)의 범위에서 미소시편을 사용하는 CNT를 실시 해 결과를 분석하였다. 그 후, DWTT와 CNT의 연관성과 관계를 비교분석하였다.
본 연구에서는 API X70 라인파이프강의 DWTT 후의 연성파면율, 벽개파면율, 역파면율, 흡수에너지와 온도와의 관계, 그리고 연성파면율과 흡수에너지와의 관계를 분석하였고, API X65의 DWTT 결과와 X70의 결과를 비교 분석 하여 다음과 같은 결론을 얻었으며, CNT를 실시하여, DWTT와 CNT의 연관성과 관계를 분석하여 다음과 같은 결과를 얻었다.
본 연구에서는 실 배관 크기로 API X65와 X70 라인파이프강을 기준 으로 하여, DWTT 시험편을 T-L (transverse - longitudinal)방향으로 제조해서, 각 다른 온도 조건 -60℃ ~ +25℃ (20℃ 간격)의 범위에서 실시하였다. 그 후, 각각 다른 온도 변수로 준 시험 후, 시험편의 파면을 주사전자현미경으로 관찰 하여 분석하였다.
X65 라인파이프의 DWTT 결과와, X70 라인파이프강을 기준으로 한 DWTT 결과를 비교, 분석 하였다. 우선 X65와 X70의 연성파면율에 대해 비교 분석하였다. Fig.
대상 데이터
가스배관 API X65와 X70 강의 DWTT시험편은 실 배관을 절취한 후 냉간가공에 의하여 평면으로 가공하고, T-L (transverse - longitudinal)방향으로 API RP 5L3 시험편 [1,3-6,11] 규정에 맞게 시험편의 폭은 76.2 mm 길이는 305 mm 그리고 두께는 15.9 mm (76.2 X 305 X 15.9)로 가공 후 PN (pressed notch)를 삽입하여 시편을 제조 하였다. Fig.
이론/모형
따라서, 가스배관의 건전성 평가와 파괴거동 평가에 필요한 파괴인성을 배관의 실물크기로 평가하는 시험법인 DWTT (Drop Weight Tearing Test)가 사용되어 진다. 이 시험법은 Battelle 기념연구소가 라인파이프강에서 주로 발생하는 불안정 연성파괴저항성을 조사하기 위해 개발한 시험법 이다[10].
성능/효과
(1) 연성파면율과 온도와의 관계는, 온도가 낮아질수록 취성파괴가 일어나기 쉬우므로 연성파면율이 감소하는 경향을 보이고, 벽개파면율과 온도와의 관계에서는 온도가 낮아질수록 증가하는 경향을 보인다.
(2) 역파면율과 온도와의 관계는, 온도가 낮아지면 증가하는 경향을 가지다가, 더 낮아지면 다시 감소하는 경향을 보였으며 -40℃ 부근 까지 온도가 낮아질 때, 해머타격부의 가공경화가 커지며 인성이 저하되어 역파면이 크게 형성되기에 역파면율이 증가하지만, -60℃ 이하로 온도가 더 낮아지게 되면, 시험편이 급격하게 파괴됨으로써 역파면율이 감소함을 알 수 있었다.
(3) 흡수에너지와 온도와의 관계는, 대체적으로 온도가 낮아질수록 흡수에너지는 감소하는 경향을 가진다. 특히 -20℃~ -40℃구간에서 에너지가 가 급격히 감소하여 취성파괴가가 나타났다.
(5) API X65 와 X70 라인파이프강의 DWTT 후에, 연성파면율과 온도와의 관계와 흡수에너지와 온도와의 관계를 비교 분석 한 결과, X65과 X70의 값에서 연성파면율은 온도가 낮아질수록 함께 낮아지는 경향을 보이며, 마찬가지로 흡수에너지도 온도가 낮아질수록 함께 낮아지는 경향을 보였다.
(6) API X65와 X70 라인파이프강의 미세조직 관찰 결과, X65보다 X70의 결정립이 더 조밀함을 알 수 있었다.
(7) CNT와 DWTT의 온도와 흡수에너지사이의 관계를 비교 분석 한 결과 온도가 낮아질수록 감소하는 경향을 보였다.
(a)의 그래프는 L방향에서의 관계, (b)의 그래프는 T방향에서의 관계를 나타내었다. L방향 T방향 모두 전체적으로, CNT 흡수에너지가 증가 할수록, DWTT 흡수에너지가 증가함을 보이고 있다. 즉 CNT 와 DWTT는 흡수에너지 면에서 서로 비슷한 양상을 나타내는 것을 알 수 있었다.
실험 온도 중 가장 낮은 온도인 -60℃에서 실시한 시험편의 L방향 파면에서는, 벽개파면의 면적이 큰 폭으로 증가하였다. 따라서 연성파면율은 큰 폭으로 감소하였고, 역파면은 온도가 더 감소함에 따라서 더 이상 관찰되지 않았다. 그리고 T방향 파면도 마찬가지로 벽개파면의 면적이 큰 폭으로 증가하였고, 연성파면율은 큰 폭으로 감소하였다.
본 실험 결과를 살펴보면 DWTT 에서의 흡수에너지 값은 온도가 낮아질수록 감소하는 경향을 보였다. 이는 온도가 낮아질수록 시험편에는 적은 에너지에도 쉽게 파괴되어 버리는 취성이 증가하였기 때문이다.
전체적으로, 흡수에너지값은 온도가 낮아질수록 감소하는 경향을 가졌다. 이는 온도가 낮아질수록 취성파괴가 주를 이루었기 때문이라고 사료된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
DWTT가 변형기반설계에 필요한 인자를 도출하고 실제배관의 파괴인성을 평가할 수 있는 이유는 무엇인가?
이 시험법은 Battelle 기념연구소가 라인파이프강에서 주로 발생하는 불안정 연성파괴저항성을 조사하기 위해 개발한 시험법 이다[10]. 특히, DWTT는 한랭지, 심해저 등의 일반적인 배관환경의 특성과 다르므로, 변형기반설계에 필요한 인자를 도출하고 실제배관의 파괴인성을 평가할 수 있다.
DWTT는 무엇을 위해 개발한 시험법인가?
따라서, 가스배관의 건전성 평가와 파괴거동 평가에 필요한 파괴인성을 배관의 실물크기로 평가하는 시험법인 DWTT (Drop Weight Tearing Test)가 사용 되어 진다. 이 시험법은 Battelle 기념연구소가 라인파이프강에서 주로 발생하는 불안정 연성파괴저항성을 조사하기 위해 개발한 시험법 이다[10]. 특히, DWTT는 한랭지, 심해저 등의 일반적인 배관환경의 특성과 다르므로, 변형기반설계에 필요한 인자를 도출하고 실제배관의 파괴인성을 평가할 수 있다.
DWTT는 무엇인가?
따라서, 가스배관의 건전성 평가와 파괴거동 평가에 필요한 파괴인성을 배관의 실물크기로 평가하는 시험법인 DWTT (Drop Weight Tearing Test)가 사용 되어 진다. 이 시험법은 Battelle 기념연구소가 라인파이프강에서 주로 발생하는 불안정 연성파괴저항성을 조사하기 위해 개발한 시험법 이다[10].
참고문헌 (11)
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B. Hwang, S. Lee, Y.M. Kim, Nack J. Kim, J.Y. Yoo, C.S. Woo, "Analysis of abnormal fracture occurring during drop-2eight tear test of hightoughness line-pipe steel", Materials Science and Engineering., (2004)
B. Hwang, S.Y. Shin, S. Lee, Nack J. Kim and S.S. Ahn, "Analysis of Toughness and Transition Temperature of High-Toughness Pipeline Steels II. DWTT properties and Inverse Fracture Phenomenon", J. Kor. Inst. Net & Mater., (2004)
B. Hwang, Y.G. Kim, S. Lee, Nack J. Kim, J.Y Yoo, "Effect of Microstructure on Inverse Fracture Occurring during Drop-Weight Tear Testing of High-Toughness X70 Pipeline Steels",
포스코, "API 강재 가공연구센터준공 의미 - 고강도？고기능 파이프라인 소재기술선도 시장 요구에 대응, 고급 API 강재 개발 가속화 포스코-에너지사-강관사 상호 윈윈체제 구축". (2005)
T. HARA, T. Fujishiro, "Effect of Separation on Ductile Crack Propagation Behavior During Drop Weight Tear Test".International Pipeline Conference (2010)
H.-G. Hillenbrand, A. Liessem, C. Kalwa, M. Erdelen-Peppler, C. Stallybrass, "Technological Solutions for High Strength Gas Pipelines",
K.O. Halssen. D.N. Veritas "Drop Weight Tear Testing of High Toughness Pipeline Material". International Pipeline Conference. (2004)
API. "Recommended Practice for Conducting Drop- Weight Tear Tests on Line Pipe". (1996)
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