원자력발전소용 316 스테인리스강 배관의 부식특성에 미치는 유도가열벤딩공정의 영향 Effect of Induction Heat Bending Process on the Corrosion Properties of 316 Stainless Steel Pipes for Nuclear Power Plant원문보기
Recently, the application of bending products has been increased since the industries such as automobile, aerospace, ships, and plants greatly need the usage of pipes. For facility fabrication, bending process is one of key technologies for pipings. Induction heat bending process is composed of bend...
Recently, the application of bending products has been increased since the industries such as automobile, aerospace, ships, and plants greatly need the usage of pipes. For facility fabrication, bending process is one of key technologies for pipings. Induction heat bending process is composed of bending deformation by repeated local heat and cooling. Because of local heating and compressive strain, detrimental phases may be precipitated and microstructural change can be induced. This work focused on the effect of induction heat bending process on the properties of ASME SA312 TP316 stainless steel. Evaluation was done on the base metal and the bended areas before and after heat treatment. Microstructure analysis, intergranular corrosion test including Huey test, double loop electropotentiokinetic reactivation test, oxalic acid etch test, and anodic polarization test were performed. On the base of microstructural analysis, grain boundaries in bended extrados area were zagged by bending process, but there were no precipitates in grain and grain boundary and the intergranular corrosion rate was similar to that of base metal. However, pitting potentials of bended area were lower than that of the base metal and zagged boundaries was one of the pitting initiation sites. By re-annealing treatment, grain boundary was recovered and pitting potential was similar to that of the base metal.
Recently, the application of bending products has been increased since the industries such as automobile, aerospace, ships, and plants greatly need the usage of pipes. For facility fabrication, bending process is one of key technologies for pipings. Induction heat bending process is composed of bending deformation by repeated local heat and cooling. Because of local heating and compressive strain, detrimental phases may be precipitated and microstructural change can be induced. This work focused on the effect of induction heat bending process on the properties of ASME SA312 TP316 stainless steel. Evaluation was done on the base metal and the bended areas before and after heat treatment. Microstructure analysis, intergranular corrosion test including Huey test, double loop electropotentiokinetic reactivation test, oxalic acid etch test, and anodic polarization test were performed. On the base of microstructural analysis, grain boundaries in bended extrados area were zagged by bending process, but there were no precipitates in grain and grain boundary and the intergranular corrosion rate was similar to that of base metal. However, pitting potentials of bended area were lower than that of the base metal and zagged boundaries was one of the pitting initiation sites. By re-annealing treatment, grain boundary was recovered and pitting potential was similar to that of the base metal.
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문제 정의
본 연구에서는 고주파 유도 가열법을 이용한 열간 배관 벤딩 후 제조된 배관에 대하여 가열과 냉각, 소성변형을 거친 벤드 부위와 모재의 부식특성변화에 대해 평가하고 열화 원인에 대하여 분석하였다.
제안 방법
30°C, 1% NaCl 용액을 사용하여 공식전위 수준의 +250 mV(SCE)의 전위를 가하였으며 양극분극시험과 같은 조건으로 행하였다.
1) 유도가열 벤딩 된 ASME SA312 TP316 배관의 경우, 유도가열 벤딩 시 소성변형으로 인하여 외호부 부위에서 입계가 심하게 변형되었으나, 변형부위에서 특별한 석출물도 검출되지 않았으며, 예민화도 측정 및 입계부식 속도 측정결과 모재와 유사하게 평가되었다. 그러나 분극시험 결과, 입계가 심하게 변형된 부위의 공식전위가 낮게 평가되었으며, 변형된 입계가 공식개시처로 작용하였다.
법 두 가지 방법으로 이루어졌다. 또한 입계부식특성을 분석하기 위해 ASTM A 262 Practice C(Huey test)14)에 의거하여 65% 비등 HNO3 연속 48시간 침지 시험을 5회 행하여 평균 입계부식속도를 구하였다. 또한 포텐시오스타트(Gamry DC 105)를 이용하여 분극특성을 평가하였는데, 기준전극으로는 포화감홍전극(SCE)을, 상대전극으로는 고밀도 흑연봉을 이용하였다.
모재와 입계의 변형이 심한 외호부 부위에 대하여 30°C, N2 gas를 이용하여 250ml/min의 속도로 탈기된 1% NaCl 용액 중에서 Scan rate 0.33 mV/s의 조건에서 양극분극시험을 하였다.
미세조직 변화 관찰 결과, 외호부에서 입계의 변형 부위가 발견되었고 그로 인하여 향후 부식의 개시처가 될 위험성 때문에 예민화도(Oxalic acid test, Double loop EPR test) 측정, 입계부식시험 및 양극분극시험을 행하였다. Fig.
미세조직을 관찰하기 위해서 모재와 벤딩 시편을 SiC 연마지를 사용하여 #2000번 까지 조연마를 한 뒤, 다이아몬드 페이스트(3㎛, 1㎛)를 이용하여 최종 연마하였다. 현미경 관찰을 위하여 Acetic Glyceregia(15ml HCL + 10ml HNO3 + 10ml Acetic Acid + 2~3 Drops Glycerine) 용액으로 에칭한 후 광학현미경(ZEISS AXIOTECH 100HD)으로 미세조직을 관찰하였다.
배관 벤딩에 사용된 기기는 고주파유도벤딩기(HFB-7)이며, 벤딩공정 시 내호부(Intrados), 외호부(Extrados), 측면부(Crown) 3부위에 온도계를 장착하여 벤딩 시 각 부위의 실제 온도를 측정하였다. 각 부위별 최고 가열 온도는 측면부 1,040°C, 내호부 1,255°C, 외호부 1,320°C로 측정되었으며 벤딩 각도는 45°이었다.
또한 포텐시오스타트(Gamry DC 105)를 이용하여 분극특성을 평가하였는데, 기준전극으로는 포화감홍전극(SCE)을, 상대전극으로는 고밀도 흑연봉을 이용하였다. 실험용액은 30℃, 3.5% NaCl 용액을 사용하였고 시험 전 용액을 N2 gas를 이용하여 200㎖/min로 30분 동안 탈기 하였으며 0.33㎷/sec의 속도로 주사하면서 실험을 행하였다.
유도가열 벤딩공정을 중심으로 316 스테인리스강의 벤딩공정 시 열에 의한 영향을 받아 미세조직의 변화에 의한 재료 물성의 저하가 올 수 있으므로 벤딩 전 후 미세조직에 대해 분석하였다. Fig.
입계가 심하게 변형된 시편에서 분극특성이 저하되는 원인 분석을 위하여 변형이 심한 E3와 E4에 대하여 일정 전위를 가하여 전류의 변화를 관찰하는 정전위 시험을 하였다. 30°C, 1% NaCl 용액을 사용하여 공식전위 수준의 +250 mV(SCE)의 전위를 가하였으며 양극분극시험과 같은 조건으로 행하였다.
한편 입계 변형이 심했던 E3와 E4를 1,050°C에서 30분간 소둔한 뒤 소입하는 조건으로 재-소둔열처리를 행한 후 양극분극시험을 하였다.
325mm)이다. Table 1은 실험에 사용된 316 스테인리스강의 화학적 성분이며, 항복강도는 291 MPa, 인장강도는 575 MPa, 연신율은 62%를 보인 재료이다.
또한 입계부식특성을 분석하기 위해 ASTM A 262 Practice C(Huey test)14)에 의거하여 65% 비등 HNO3 연속 48시간 침지 시험을 5회 행하여 평균 입계부식속도를 구하였다. 또한 포텐시오스타트(Gamry DC 105)를 이용하여 분극특성을 평가하였는데, 기준전극으로는 포화감홍전극(SCE)을, 상대전극으로는 고밀도 흑연봉을 이용하였다. 실험용액은 30℃, 3.
본 연구에서 사용한 실험 소재는 ASME 규격13)에 따라 제작된 SA312 TP316 재질의 원자력발전소용 배관(직경 323.85mm, 두께 33.325mm)이다. Table 1은 실험에 사용된 316 스테인리스강의 화학적 성분이며, 항복강도는 291 MPa, 인장강도는 575 MPa, 연신율은 62%를 보인 재료이다.
주사전자현미경 및 EDS 분석용 시편은 광학현미경 시편과 동일하게 준비하였다. 분석에 이용한 주사전자현미경 및 EDS는 각각 TESCAN사 VEGA Ⅱ LMU과 OXFORD사 ISIS-300이었다.
이론/모형
따라서 정성적인 예민화도와 정량적인 예민화도를 모두 측정해보았으나 예민화 현상이 나타나지 않은 것으로 판단된다. 또한, 입계부식 속도를 측정하기 위하여 ASTM A 262 Practice C(Huey test)14)에 의거하여 비등 질산 침지시험을 행하였으며, 그 결과를 Fig. 6에 나타내었다. 시험 주기별 부식속도가 비교적 일정한 값을 유지하고 있으며 최종 시험 후 모재의 평균 입계부식속도는 0.
실험합금에 대한 예민화도 측정은 ASTM A 262 Practice A14), DL-EPR (Double-Loop Electropotentiokinetic Reactivation)15)법 두 가지 방법으로 이루어졌다. 또한 입계부식특성을 분석하기 위해 ASTM A 262 Practice C(Huey test)14)에 의거하여 65% 비등 HNO3 연속 48시간 침지 시험을 5회 행하여 평균 입계부식속도를 구하였다.
성능/효과
1) 유도가열 벤딩 된 ASME SA312 TP316 배관의 경우, 유도가열 벤딩 시 소성변형으로 인하여 외호부 부위에서 입계가 심하게 변형되었으나, 변형부위에서 특별한 석출물도 검출되지 않았으며, 예민화도 측정 및 입계부식 속도 측정결과 모재와 유사하게 평가되었다. 그러나 분극시험 결과, 입계가 심하게 변형된 부위의 공식전위가 낮게 평가되었으며, 변형된 입계가 공식개시처로 작용하였다.
2) 입계가 심하게 변형된 부위에 대하여 재-소둔열처리를 행한 결과, 결정립계가 변형이 없는 상태로 회복되었으며, 양극분극시험 결과, 소둔재의 공식전위로 향상되었다. 즉, 결정립의 형상 및 양극분극 특성의 회복은 재열처리에 의한 회복과 재결정 거동에 기인된 것으로 판단된다.
따라서 이와 같이 변형된 입계를 보이는 벤딩부위 시편에 대하여 소둔열처리(1,050°C 30분 소둔 후 수냉)를 다시 행하여 미세조직을 관찰한 결과, Fig. 9와 같이 변형된 입계가 재결정에 의하여 벤딩되지 않은 모재의 미세조직과 동일하게 나타났다.
6에 나타내었다. 시험 주기별 부식속도가 비교적 일정한 값을 유지하고 있으며 최종 시험 후 모재의 평균 입계부식속도는 0.159mm/yr, I1은 0.161mm/yr, CU1은 0.168mm/yr, E1은 0.175mm/yr, I3은 0.167mm/yr, CU3은 0.165mm/yr, E3은 0.165mm/yr, I4는 0.157mm/yr, CU4는 0.160mm/yr, E4는 0.170mm/yr의 낮은 입계부식 속도로 나타났다. 즉, 고주파유도벤딩에 따른 예민화도 측정과 입계부식 속도 측정 결과, 모재와 벤드 부위 모두 만족할만한 입계부식특성을 보였다.
4는 ASTM A 262 Practice A14)에 의거하여, 모재와 벤드 부위의 정성적인 예민화도를 측정한 것이다. 시험 후 표면을 관찰 한 결과, 결정립이 에칭되는 정도로서 예민화 상태를 ASTM의 기준14)과 비교하여 보면 step structure 정도로 보이는 수준으로 평가되었다. Fig.
예민화도(Oxalic acid test, Double loop EPR test) 측정과 입계부식특성 분석은 벤딩부위나 모재나 유사하게 평가되었으나, 양극분극시험에서는 입계의 변형이 심한 외호부 부위에서 공식전위가 모재에 비하여 많이 저하되는 현상이 나타났다. 앞에서 서술한 바와 같이, 외호부 미세조직 관찰 결과, 높은 온도에서 많은 압축에너지와 인장과정이 복합적으로 가해지는 벤딩공정이 이루어지므로 일부에서 입계가 일그러지는 현상이 관찰되었다.
즉, 고주파유도벤딩에 의해서 외호부 부위의 결정립이 심하게 변형되었으며, 변형된 입계가 공식개시처로 작용함으로써 공식저항성이 감소하였다. 이러한 특성을 보인 벤딩부에 대하여 재열처리를 행한 결과, 결정립계의 형상이 모재와 동일하게 회복되었으며 공식저항성도 증가함을 확인하였다.
170mm/yr의 낮은 입계부식 속도로 나타났다. 즉, 고주파유도벤딩에 따른 예민화도 측정과 입계부식 속도 측정 결과, 모재와 벤드 부위 모두 만족할만한 입계부식특성을 보였다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
벤딩배관이란?
대표적인 공정이 벤딩배관의 도입이다. 벤딩배관이란 직관으로 제작된 재료를 이용하여 저온 또는 고온 등의 환경에서 곡관형태로 가공하여 배관계통을 제작하는 방법이다. 전통적으로 벤딩 공법은 공정온도 특성에 따라 열간벤딩 및 냉간벤딩으로 구분된다.
유도가열 벤딩 방법에서 평균적인 압축응력 인가는 어떤 영향을 미치는가?
반면, 유도가열 벤딩 방법은 벤딩 과정에서 굽힘 변형 발생부위에 대하여 평균적인 압축응력을 인가할 수 있으며 이는 전통적인 타 벤딩 기법에서는 용이하지 않은 유도가열 벤딩배관이 가질 수 있는 큰 장점이다. 평균적인 압축응력 인가는 일반적으로 벤딩배관에서 나타나는 벤딩 외호부 두께감소를 최소화 시킬 수 있으며 유도가열 벤딩 장비를 이용하여 공정전체가 자동 제어되는 일관된 품질의 벤딩배관을 생산할 수 있는 것으로 알려져 있다.5),6)
전통적인 배관 벤딩 기법 사용 시 단점은?
일반적으로 전통적인 배관 벤딩 기법을 적용할 경우, 벤딩 곡률반경을 감소시킴에 따라 배관 외호부의 두께가 지나치게 감소하여 벤딩배관의 제작이 제한적이다. 반면, 유도가열 벤딩 방법은 벤딩 과정에서 굽힘 변형 발생부위에 대하여 평균적인 압축응력을 인가할 수 있으며 이는 전통적인 타 벤딩 기법에서는 용이하지 않은 유도가열 벤딩배관이 가질 수 있는 큰 장점이다.
참고문헌 (16)
S. Kobayashi, S. I. Oh and T. Altan, Metal forming and the finite element method, Oxford University Press (1989).
F. W. Curtis, High-frequency Induction Heating, McGraw- Hill Book Company, Inc., New York (1950).
P. G. Simpson, Induction Heating Coil and System Design, McGraw-Hill Book Company, Inc., New York (1960).
PFI Standard ES-24, Pipe Bending Methods, Tolerances, Process and Materials Requirements, Pipe Fabrication Institute, September 2010.
T. Behne, A new bending technique for large diameter pipe, International Association of Marine Investigators, 1, 34 (1983).
H. Blume, W. E. Speth, K. Bredenbruch, The production of pipe bends for power stations by the induction heating, Energy Development Corporation, 12, 9 (1983).
L. Karlsson, L. Ryen and S. Pak, Precipitation of Intermetallic Phase in 22%Cr Duplex Stainless Weld Metals, p.28, Welding Journal, Research Supplement (1995).
P. Marshall, Austenitic Stainless Steel-Microstructure and Mechanical Properties, p. 17, Elsevier Applied Science Publishers (1984).
J. O. Nilsson, and A. Wilson, Mater. Sci. Tech., 9, 545 (1993).
ASME, ASME Boiler & Pressure Vessel Section II-Part A, Ferrous Materials Specifications(Beginning to SA- 450) (2011).
ASTM A 262, Standard practices for detecting susceptibility to intergranular attack in austenitic stainless steels, ASTM (2002).
ASTM G108, Standard test method for electrochemical reactivation (EPR) for detecting sensitization of AISI type 30 and 304L stainless steels, ASTM (1994).
Sung Il SIM Co. Ltd. Development of Applicable Induction Heating Bend and Reliability Verification Technology for Safety Related Piping (Class 1, 2, 3) (2013).
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