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문제 정의
- 5W 강을 재료로 하는 단조밸브는 최근 국내 밸브제작 업체에서 수주하여 용접절차시방서(WPS: Welding Procedure Specification)를 개발하는 등의 초기단계이며, 용접후열처리에 대한 연구도 미흡한 상태이다. 따라서 본 연구에서는 9Cr-0.5Mo-1.5W 강 단조밸브 용접부의 경도와 조직을 평가하여 적정 용접후열처리 조건을 선정하고자 함을 목적으로 한다.
- 본 실험을 통해 관찰된 경도변화와 조직 고찰을 통하여 고온∙고압 배관용 9Cr-0.5Mo-1.5W 강 단조밸브 용접후열처리의 유지온도와 유지시간에 따른 특성을 평가하여 규정에 만족하는 용접후열처리 조건을 선정하고자 한다.
- 노내 용접후열처리 방법으로 단조밸브의 용접후열처리를 하는 경우에는 일반적으로 제작사의 절차에 따라 고온에서 손상되는 패킹 등을 제거한 후 실시하거나 열변형이 일어날 수 있는 시트부 등의 부품은 고정을 시키고 용접후열처리를 실시한다. 본 연구에서는 시편의 고른 열처리를 목적으로 단조밸브의 용접부와 동일한 형상의 쿠폰과 용접시편을 제작하여 노내 용접후열처리를 실시하였다.
- 1 규격은 용접부 호칭두께 1 inch 당 1시간 이상 유지할 것을 규정하고 있다. 본 연구에서는 1 inch 의 용접부 호칭두께를 가진 시편이 규격보다 짧거나 긴 유지시간 동안 열처리 되는 경우를 평가하기 위해 보다 넓은 폭이 선정되었다.
제안 방법
- 본 연구에서는 9Cr-0.5Mo-1.5W 강인 ASTM(American Society for Testing and Materials) A182 F92 재질의 환봉을 가공하여 고온∙고압용 단조밸브 용접부에 해당되는 밸브 끝단부 및 누설방지 용접부와 동일한 형상의 두께1 inch 쿠폰으로 가공하고, 가스 텅스텐 아크용접(GTAW: Gas Tungsten Arc Welding) 방법으로 완전용입 용접하여 시편을 제작했다.
- Group 1에서는 용접부 호칭두께가 1 inch인 6개의 용접 시편을 705℃, 735℃, 750℃, 765℃, 795℃ 및 825℃에서 각 1시간씩 유지하여 용접후열처리를 실시하였다. Group 2에서는 용접부 호칭두께가 1 inch인 3개의 용접 시편을 735℃에서 30분, 1시간 및 2시간 유지하여 용접후 열처리를 실시하였다.
- Group 2에서는 용접부 호칭두께가 1 inch인 3개의 용접 시편을 735℃에서 30분, 1시간 및 2시간 유지하여 용접후 열처리를 실시하였다. 상이한 유지시간과 유지온도에 따른 경도변화를 관찰하기 위하여 모재부, 열영향부 및 용착금속부에서 경도를 측정하여 평균값을 산출하였다. 유지 온도의 변화에 따른 미세조직을 관찰하기 위하여 용착금속부와 모재부의 중심에서 시편을 채취하여 전자현미경 (SEM: Scanning Electron Microscope) 촬영을 하였다.
- 상이한 유지시간과 유지온도에 따른 경도변화를 관찰하기 위하여 모재부, 열영향부 및 용착금속부에서 경도를 측정하여 평균값을 산출하였다. 유지 온도의 변화에 따른 미세조직을 관찰하기 위하여 용착금속부와 모재부의 중심에서 시편을 채취하여 전자현미경 (SEM: Scanning Electron Microscope) 촬영을 하였다.
- 단조밸브의 제작 규격에서는 용접후열처리의 평가를 위해 경도시험을 요구하고 있으며, 본 실험은 단조밸브의 공장제작에 초점을 두었으므로 경도측정 값을 기준으로 하여 용접후열처리를 평가하였다. 경도 측정에 추가하여, 단조밸브 용접부의 용착금속부와 모재부의 조직을 촬영하여 용접후열처리 전과 후의 조직변화와 탄화물 석출을 관찰하였다.
- 단조밸브의 제작 규격에서는 용접후열처리의 평가를 위해 경도시험을 요구하고 있으며, 본 실험은 단조밸브의 공장제작에 초점을 두었으므로 경도측정 값을 기준으로 하여 용접후열처리를 평가하였다. 경도 측정에 추가하여, 단조밸브 용접부의 용착금속부와 모재부의 조직을 촬영하여 용접후열처리 전과 후의 조직변화와 탄화물 석출을 관찰하였다.
- 2 HRc(248 HB) 이하의 경도를 요구한다. 하지만 발전소의 효율향상을 목적으로 고온∙고압에서 보다 높은 강도를 확보하기 위하여 0.85%~1.05%이던 Mo의 함유량을 0.3%~0.6% 수준으로 낮추고, 기존에는 요구되지 않던 W을 1.5%~2% 첨가하여 9Cr-0.5Mo-1.5W 강인 ASTM A182 F92를 개발하였다. 이 강의 기계적 성질은 620 MPa 이상의 인장강도, 440 MPa 이상의 항복강도로 강화되었다.
- 용접은 ASME Boiler & Pressure Vessel Code Section IX에 따라 자격 인정된 용접사가 수행하였다.
- 용접부의 길이는 35 mm로서 65 mm(L)×35 mm(W)×25 mm(T)의 블록형상으로 환봉을 가공하여 30°의 개선각을 형성하였다. 용접시편은 쿠폰 두 개를 가스 텅스텐 아크용접 방법으로 완전용입 맞대기 용접하여 제작했다.
- KEPIC 규격 MN 원자력기계, ASME Boiler & Pressure Vessel Code Section III와 ASME B31.1 규격 등의 단조밸브 제작규격에서 요구하는 용접후 열처리 온도인 730℃~775℃ 보다 낮거나 높은 온도에서 열처리 되었을 경우도 평가하기 위하여 넓은 온도 폭이 선정되었다.
- 본 연구에서는 ∅70 환봉을 밀링 기계가공하여 용접쿠폰을 제작하고, 가스 텅스텐 아크용접 방법으로 용접하였다.
- 본 연구에서는 용접후열처리의 유지온도와 유지시간에 따른 특성을 관찰하기 위하여 Group 1과 Group 2로 나누어 용접후열처리를 실시하였다. Fig.
- 본 연구에서는 ∅70 환봉을 밀링 기계가공하여 용접쿠폰을 제작하고, 가스 텅스텐 아크용접 방법으로 용접하였다. 주어진 조건에 따라 용접후열처리를 한 후 용접부의 결함을 확인하기 위하여 방사선 투과검사를 실시하였다. 용접후열처리로 인한 표면 스케일과 표면의 평탄화를 위하여 밀링 기계가공을 한 후 로크웰 C Scale(HRc)로 경도를 측정하였고, 전자현미경 촬영을 하였다.
- 일반적으로 여러 점의 측정 평균값을 미리 조사하든가 혹은 이미 알고 있다면 그 경향에 따라 측정 구역을 미리 구분한다. 그리고 각 구역에서 그 면적에 대응한 측정점만큼 경도 시험을 하고 그 평균값을 구한다. 이와 같이 하면 실제로 시험편의 경도 값을 대표할 수 있는 경도를 구할 수 있다.
- 5는 용접시편의 경도 측정 위치를 나타내었다. 용착금속부(Weld Metal), 열영향부(HAZ: Heat Affected Zone) 및 모재부(Base Metal)에서 각각 9개소를 측정하여 평균을 비교하였다.
- 모재부의 중심부 ①과 용착금속부의 중심부 ②와 같이 시편을 채취하였다. 폴리싱, 에칭 그리고 코팅 단계를 거친 후, 각 부위를 전자현미경으로 2,000배, 10,000배 확대하여 조직 관찰을 하였다.
- 용접후열처리 유지온도에 따른 용접부 조직변화를 평가하기 위하여 모재부와 용착금속부의 중심을 2,000배와 10,000배 확대하여 전자현미경 촬영을 하였다. Fig.
- 고온∙고압용 9Cr-0.5Mo-1.5W 강 단조밸브 재료로 개발된 ASTM A182 F92의 용접후열처리를 평가했다. 용접부 호칭두께 1 inch의 단조밸브 용접부 시편을 유지온도와 유지시간을 달리하여 용접후열처리 한 후, 경도시험과 전자현미경 조직촬영을 실시한 결과 경도 기준 27.
- 최초 침입을 위해 재료 위에 다이아몬드 압입자를 두고 위치를 고정한 후 처음에는 10 kgf의 소하중을 가한 후“SET”값에 위치가 되면 150 kgf의 주하중을 가하여 경도를 측정한다.
대상 데이터
- 모재는 포스코 특수강에서 제작된 ∅70의 환봉을 사용하였고, 1,060℃에서 노멀라이징 되었고, 765℃에서 템퍼링이 되었다.
- 용접재료는 미국 A Lincoln Electric Company에서 제작한 ∅2.4의 9CrWV Solid 용접봉을 사용하였고, 용접봉 재료규격은 ASME SFA 5.28:ER90S-G 이다.
- 본 연구에서는 고온∙고압 배관용 단조밸브에 사용되는 재료 중에 최근 적용되기 시작한 ASTM A182 F92 재질을 사용하여 실험하였다.
- 6은 전자현미경 조직촬영 위치를 나타내었다. 모재부의 중심부 ①과 용착금속부의 중심부 ②와 같이 시편을 채취하였다. 폴리싱, 에칭 그리고 코팅 단계를 거친 후, 각 부위를 전자현미경으로 2,000배, 10,000배 확대하여 조직 관찰을 하였다.
데이터처리
- 주어진 조건에 따라 용접후열처리를 한 후 용접부의 결함을 확인하기 위하여 방사선 투과검사를 실시하였다. 용접후열처리로 인한 표면 스케일과 표면의 평탄화를 위하여 밀링 기계가공을 한 후 로크웰 C Scale(HRc)로 경도를 측정하였고, 전자현미경 촬영을 하였다.
이론/모형
- 용접시편의 경도는 로크웰 경도계 C Scale을 이용하여 측정했다. 경도 값은 임의로 고정된 상태에서 다이아몬드 압입자를 사용하여 측정한다.
성능/효과
- 이후 기존의 9Cr계 강에서 탄소함량을 감소시키고, Mo의 함량을 증가시킴과 동시에 V, Nb 등의 합금원소를 미량 첨가시켜 V(C, N), Nb(C, N) 등과 같은 고온에서 안정한 탄질화물을 형성시킨 개량 9Cr-1Mo 강이 개발되었는데, 이는 높은 온도에서도 우수한 고온강도와 안정성을 가진다. 특히 최근에는 개량 9Cr-1Mo 강의 고온 강도를 더욱 향상시키고자 하는 연구가 활발히 진행되고 있다.
- Mo, W, V 등과 같은 강한 탄화물 형성 원소의 첨가로 인장강도가 증가하고, 특히 고온에서 더 우수한 기계적 성질을 지니고 있다. 또한 9% Cr의 첨가로 경화능이 좋아져 마르텐사이트로 경화되는 성능이 우수하며, 2.25Cr-1Mo 강 등의 저합금강에 비하여 내부식성과 내마멸성이 향상되었다. 강한 탄화물 형성 원소인 Cr, W, Mo, V 등의 첨가로 고온 크리프 강도 또한 향상되었다.
- 25Cr-1Mo 강 등의 저합금강에 비하여 내부식성과 내마멸성이 향상되었다. 강한 탄화물 형성 원소인 Cr, W, Mo, V 등의 첨가로 고온 크리프 강도 또한 향상되었다. 그러나, 이 ASTM A182 F92는 강한 탄화물 형성 원소의 첨가로 용접부의 경도가 증가하고 용접부의 결함이 발생되기 쉽다.
- 79HRc로 측정되었다. 용접부의 모든 부위에서 기준 이하로 경도가 저감되었으며, 알려진 바와 같이 용착금속부, 열영향부, 모재부의 순으로 경도가 측정되었다. 규격에서 요구한 용접부 호칭두께 1 inch 당 1시간 보다 긴 2시간 온도유지 시, 용접 잔류응력이 충분히 완화된 것으로 확인되었다.
- 용접부의 모든 부위에서 기준 이하로 경도가 저감되었으며, 알려진 바와 같이 용착금속부, 열영향부, 모재부의 순으로 경도가 측정되었다. 규격에서 요구한 용접부 호칭두께 1 inch 당 1시간 보다 긴 2시간 온도유지 시, 용접 잔류응력이 충분히 완화된 것으로 확인되었다.
- 첫째, 용접부 호칭두께가 1 inch인 시편을 750℃~765℃에서 1시간 유지 시 용접부의 경도가 기준 이하로 측정되어, 용접후열처리는 이 구간에서 수행되어야 하는 것으로 확인되었다.
- 둘째, 용접부 호칭두께가 1 inch인 시편을 735℃에서 2시간 유지 시 용접부의 경도가 기준 이하로 측정되어, 735℃에서는 용접후열처리가 규격 요건인“1 inch 당 1시간 유지”보다 긴 2시간 유지를 해야 하는 것으로 확인되었다.
후속연구
- 일반적으로 금속재료가 더욱 높은 열을 받을수록 입자가 조대화 되는 것으로 알려져 있다. 하지만 본 실험에서는 이와는 반대로 조립화되어 이 부분에 대한 연구가 더 이루어져야 할 것으로 판단된다.
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