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문제 정의
- 본 연구에서는 오스테나이트계 스테인리스 강으로 제작된 LNG 배관의 모재부(Base metal, BM), 열영향부(Heat affected zone, HAZ), 그리고 용착금속부(Welding zone, WZ)에 대한 샤르피 충격시험을 수행하여 온도에 따른 충격 흡수에너지의 거동에 대해 분석하였다. 또한, 체심 입방(Body centered cubic, BCC)결정 구조를 가지는 두 가지 종류의 연강(Mild steel)을 선정하여 샤르피 충격시험을 수행 하였으며 이를 통해 재료의 결정구조에 따른 샤르피 충격거동 특성에 대해 조사 해 보았다.
제안 방법
- 챔버 내부에 있는 3개의 온도계와 온도 컨트롤러를 통해 극저온 온도를 제어하였으며, 시편 내부의 열 평형상태를 고려하기 위해 40분~60분 동안 예비냉각을 실시하였다. -196˚C 환경에서의 시험 케이스는 특수 제작된 저장용기에 액체질소를 일정량 채워 시편을 30분 이상 방치하여 열적 평형을 유지시킨 후 시험편을 꺼내어 5초 이내에 충격시험을 수행하는 것을 원칙으로 하였다. 시험의 반복성을 검증하기 위해 각각의 시험 케이스에 대해 4번의 반복시험을 수행하였으며 5개의 시편에 대해 총 180회의 시험을 수행하였다.
- 본 연구에서는 LNG운송을 담당하는 LNG배관의 모재부, 열영향부, 용착금속부에서 샤르피 충격시험을 수행하였다. FCC 결정구조인 오스테나이트계 스테인리스 강 결과와 비교를 수행하기 위해 BCC결정구조를 가지는 연강에 대한 샤르피 충격시험 또한 수행 하였으며 아래에 본 연구에서 수행된 결과를 간략히 정리하였다.
- 본 연구에서는 오스테나이트계 스테인리스 강으로 제작된 LNG 배관의 모재부(Base metal, BM), 열영향부(Heat affected zone, HAZ), 그리고 용착금속부(Welding zone, WZ)에 대한 샤르피 충격시험을 수행하여 온도에 따른 충격 흡수에너지의 거동에 대해 분석하였다. 또한, 체심 입방(Body centered cubic, BCC)결정 구조를 가지는 두 가지 종류의 연강(Mild steel)을 선정하여 샤르피 충격시험을 수행 하였으며 이를 통해 재료의 결정구조에 따른 샤르피 충격거동 특성에 대해 조사 해 보았다.
- 본 연구에서는 FCC 결정구조를 가지는 AISI 304 스테인리스 강으로 제작된 15.1mm 두께의 LNG배관(Fig. 1)을 대상으로 모재부, 열영향부, 용착금속부에 대한 샤르피 충격시험을 수행하였다. BCC 결정구조를 가지는 연강의 경우 SS400과 A-grade강을 채택하여 시험을 수행하였다.
- 본 연구에서는 LNG운송을 담당하는 LNG배관의 모재부, 열영향부, 용착금속부에서 샤르피 충격시험을 수행하였다. FCC 결정구조인 오스테나이트계 스테인리스 강 결과와 비교를 수행하기 위해 BCC결정구조를 가지는 연강에 대한 샤르피 충격시험 또한 수행 하였으며 아래에 본 연구에서 수행된 결과를 간략히 정리하였다.
- 본 연구에서는 상온에서 액체질소 온도에 이르는 총 9개의 온도(-196, -163, -125, -100, -75, -50, -25, 0, 25˚C)를 채택하여 샤르피 충격시험을 진행하였다. 상온(25˚C)과 -196˚C의 시험 케이스를 제외한 저온 시험의 경우 극저온용 챔버를 설치한 후 액체질소를 분사시켜 저온 환경을 구축하였다.
- 본 연구에서는 상온에서 액체질소 온도에 이르는 총 9개의 온도(-196, -163, -125, -100, -75, -50, -25, 0, 25˚C)를 채택하여 샤르피 충격시험을 진행하였다. 상온(25˚C)과 -196˚C의 시험 케이스를 제외한 저온 시험의 경우 극저온용 챔버를 설치한 후 액체질소를 분사시켜 저온 환경을 구축하였다. 챔버 내부에 있는 3개의 온도계와 온도 컨트롤러를 통해 극저온 온도를 제어하였으며, 시편 내부의 열 평형상태를 고려하기 위해 40분~60분 동안 예비냉각을 실시하였다.
- -196˚C 환경에서의 시험 케이스는 특수 제작된 저장용기에 액체질소를 일정량 채워 시편을 30분 이상 방치하여 열적 평형을 유지시킨 후 시험편을 꺼내어 5초 이내에 충격시험을 수행하는 것을 원칙으로 하였다. 시험의 반복성을 검증하기 위해 각각의 시험 케이스에 대해 4번의 반복시험을 수행하였으며 5개의 시편에 대해 총 180회의 시험을 수행하였다. Table 3에 시험 시나리오를 정리하였다.
- 상온(25˚C)과 -196˚C의 시험 케이스를 제외한 저온 시험의 경우 극저온용 챔버를 설치한 후 액체질소를 분사시켜 저온 환경을 구축하였다. 챔버 내부에 있는 3개의 온도계와 온도 컨트롤러를 통해 극저온 온도를 제어하였으며, 시편 내부의 열 평형상태를 고려하기 위해 40분~60분 동안 예비냉각을 실시하였다. -196˚C 환경에서의 시험 케이스는 특수 제작된 저장용기에 액체질소를 일정량 채워 시편을 30분 이상 방치하여 열적 평형을 유지시킨 후 시험편을 꺼내어 5초 이내에 충격시험을 수행하는 것을 원칙으로 하였다.
대상 데이터
- 1)을 대상으로 모재부, 열영향부, 용착금속부에 대한 샤르피 충격시험을 수행하였다. BCC 결정구조를 가지는 연강의 경우 SS400과 A-grade강을 채택하여 시험을 수행하였다. 일반구조용 강으로 널리 알려져 있는 SS400은 탄소 함량이 적고 열처리가 되지 않으며 선박 및 차량 등 모든 분야에서 널리 사용되지만, 단순 기계를 지탱해주는 부위에만 사용된다는 한계가 있다.
- 본 연구의 대상인 LNG배관은 가스텅스텐 아크용접(Gas tungsten arc welding, GTAW)을 수행하여 연결되었다. GTAW는 용접입열, 운봉속도, 용가재 등을 사용자가 직접 제어할 수 있고 아크(Arc) 안정성이 높아 스테인리스 강, 알루미늄 합금 등 산화·질화에 민감한 재질의 용접에 사용되는 기법이다.
- 샤르피 충격 시험은 ASTM의 E23을 준수하여 길이 55mm × 폭 10mm × 두께 10mm의 표준 시편 규격으로 제작하였다.
- 전 산업에서 널리 채택되나 조선해양산업에 있어서 배관, LNG선의 멤브레인 및 용접 후 가공이 필요치 않는 박판(Thin plate)의 용접에 주로 이용된다. 용가재로는 2.4mm의 ER308L이 채택되었으며, Table 2에 LNG 배관용접시 이용된 용접의 전기적 특성에 대해 정리하였다.
성능/효과
- 1) BCC결정구조인 A-grade 및 SS400 연강의 경우 각각 -25˚C에서 -50˚C, 0˚C에서 -25˚C 온도 범위에서 연성-취성 천이온도가 발생하였으며 특히 A-grade 연강의 경우 DBTT 기준으로 온도가 낮을수록 취성파괴, 온도가 높을수록 연성파괴가 발생하는 것을 파단면 분석을 통해 알 수 있었다.
- 2) DBTT의 발생 이전에는 A-grade 연강이 SS400연강에 비해 최대흡수에너지가 약 3배 정도 높은 수치를 보였으며 DBTT이후의 구간에서도 약 10~20J 가량 높은 충격 에너지 수치를 보였다.
- 3) FCC 결정구조를 가지는 AISI 304 스테인리스 강으로 제작된 LNG배관의 경우 DBTT의 발생 없이 모재부, 열영향부, 용착금속부에서 시험 온도가 감소함에 따라 충격흡수 에너지가 감소하는 거동을 보였다.
- 4) AISI 304의 경우 용착금속부의 충격흡수 에너지가 모재와 열영향부의 충격흡수 에너지보다 더 높은 것을 확인 할 수 있었으며, 이는 GTAW 용접으로 인한 결정입자의 크기에 기인한 것으로 생각된다.
- 5에 FCC 결정구조를 가지는 AISI 오스테나이트계 스테인리스 강 배관의 모재부, 열영향부, 용착금속부에 대한 샤르피 충격시험 결과를 보인다. BCC결정구조의 A-grade 및 SS400 연강의 결과와는 달리 뚜렷한 DBTT현상 없이 온도가 감소함에 따라 충격에너지도 점점 감소하는 것을 알 수 있다. 이로 인해 연강과는 달리 저온 환경에서도 제한 없이 사용할 수 있다는 사실을 보여준다.
- A-grade연강의 경우 -25˚C와 -50˚C 사이의 온도에서 발생하였으며 SS400연강의 경우 0˚C와 -25˚C 사이의 온도에서 DBTT가 발생하였다. DBTT가 발생하기 전 최대흡수 에너지의 경우 A-grade와 SS400 연강은 각각 182J과 58J로 나타났으며 A-grade연강이 SS400에 비해 약 3배정도 높은 최대흡수 에너지를 보였다. 또한, 취성파괴가 발생하는 DBTT이후의 저온환경에서도 A-grade 조선용 연강재의 인성이 더 우수함을 알 수 있었다.
- DBTT가 발생하기 전 최대흡수 에너지의 경우 A-grade와 SS400 연강은 각각 182J과 58J로 나타났으며 A-grade연강이 SS400에 비해 약 3배정도 높은 최대흡수 에너지를 보였다. 또한, 취성파괴가 발생하는 DBTT이후의 저온환경에서도 A-grade 조선용 연강재의 인성이 더 우수함을 알 수 있었다. 상온(25˚C)과 -196˚C의 시험을 비교했을 때 A-grade 연강과 SS400의 충격흡수 에너지의 감소율은 약 83%와 77%로 각각 나타났다.
- 본 연구에서 재료의 미시적 관점에서 접근하지는 않았으나, 이와 유사한 이유로 용착금속부의 인성이 더 크게 측정된 것으로 생각된다. 상온(25˚C)과 -196˚C의 극저온 환경에서 충격 에너지를 비교해 보면 모재부, 열영향부, 용착금속부에서 각각 47%, 45%, 39%의 에너지 감소를 보이는 것으로 조사되었다.
- 또한, 취성파괴가 발생하는 DBTT이후의 저온환경에서도 A-grade 조선용 연강재의 인성이 더 우수함을 알 수 있었다. 상온(25˚C)과 -196˚C의 시험을 비교했을 때 A-grade 연강과 SS400의 충격흡수 에너지의 감소율은 약 83%와 77%로 각각 나타났다.
후속연구
- 향후 연구에서 재료의 미시적 관점에서 파단시편을 면밀히 관찰 후 분석을 수행하고 충격흡수에너지와의 관계를 파악해 볼 계획이다. 또한, 용접배관 및 연강에 대한 재료 서브루틴을 개발하여 수치 시뮬레이션 결과와 시험 결과를 비교하여 유효성을 검증해 볼 예정이다.
- 향후 연구에서 재료의 미시적 관점에서 파단시편을 면밀히 관찰 후 분석을 수행하고 충격흡수에너지와의 관계를 파악해 볼 계획이다. 또한, 용접배관 및 연강에 대한 재료 서브루틴을 개발하여 수치 시뮬레이션 결과와 시험 결과를 비교하여 유효성을 검증해 볼 예정이다.
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