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제안 방법
- API-X70 용접부의 저온인성을 만족하기 위하여 PQ(procedure qualification) 시험을 실시하였다. 강재에 적합한 용접입열을 도출하기 위해 맞대기 용접을 실시하였다.
- HIC 시험 후 균열 관찰을 위하여 RS D 0004 규격에 따라 초음파 탐상하여 균열 위치를 확인하고 균열이 가장 크게 관찰되는 곳 3부위를 절단하여 균열발생률을 측정하였다(균열이 없을 경우 절단하지 않음).
- 시편 이송을 위하여 상부에 2개 홈을 내었다. HIC 시험전에 초음파 탐상기로(Sonatest Powerscan 450P)로 시편 내부의 결함을 검사하였다.
- JCO 프레스를 이용하여 강관으로 성형한후 SA 용접으로 제조된 API-X70급 강관에 대하여 HIC 및 SSCC 저항성을 평가한 결과 다음과 같은 결론을 얻었다.
- RS D 0004 규격의 시편에 대하여 HIC 시험 전·후에 결함을 관찰하기 위하여 초음파 탐상을 실시하였으며, SAM(scanning acoustic microscope)을 이용하여 2차원으로 탐상하였다.
- 강관의 JCO 프레스 성형 후 스프링백으로 인하여 진원도를 맞추기 어렵기 때문에, 용접 공정 실시 후 확관을 통하여 원하는 규격의 진원도와 진직도를 맞추었다.
- API-X70 용접부의 저온인성을 만족하기 위하여 PQ(procedure qualification) 시험을 실시하였다. 강재에 적합한 용접입열을 도출하기 위해 맞대기 용접을 실시하였다. 우선 내면을 3전극으로 54kJ/cm로 1패스 용접을 실시한 후 4전극으로 외면을 4가지 입열량으로 용접하였다11).
- JCO성형 후 소성가공으로 인한 소재의 잔류응력으로 안정성을 크게 저하시킬 수 있다. 그러므로 JCO 프레스 성형 후와 확관 공정 후의 잔류응력을 측정하여 안정성을 판단하였다. 잔류응력은 강관의 관단, 중앙부의 용접부 좌/우측 90°, 180°, 270° 각 방향을 측정하였다.
- 따라서 강관을 제조하기 전에 강관 소재의 중심편석 분석을 통하여 소재의 건전성 평가가 우선되어야 할 것이라 판단하여 소재의 중심편석을 분석하였다.
- 따라서 본 연구에서는 원소재의 중심편석을 분석하고 HIC/SSCC 특성이 우수한 강관을 JCO 벤딩과 SA 용접을 통하여 제조하였으며, 시편 스케일의 HIC/SSCC 특성 및 풀 스케일의 HIC 저항성을 시험하였다.
- 소재상태에서 HIC 저항성이 보증되어 있는 25.4mm 두께의 API-X70 판재를 JCO(J-ring, C-ring, O-ring) 프레스 밴딩 장비(7,500톤)를 이용하여 지름이 762mm(30inch)인 파이프로 성형시켰다. JCO는 Fig.
- 중심편석이 존재할 경우 소성변형에 의하여 판재 중심부에 HIC가 발생할 수 있음으로 원소재의 중심부 편석을 분석하였다. 소재의 중심부에 대하여 C, Mn, Si, Ni, Al, Ti, P 그리고 S 성분에 대하여 EPMA(Electron probe micro-analyzer)분석하였으며, 그 결과를 Fig. 11에 나타내었다. 분석결과에서 보는 바와 같이 중심부 편석이 관찰되지 않았다.
- 에 의거하여 실시하였으며, 용접부 내면, 용접부 외면, 모재부 90°, 모재부 180°에서 4점굽힘시험편을 채취하였다. 시험하중은 규정된 최저항복강도(SMYS)의 72%, 80% 및 90%의 응력하에서 용액 A(강산성) 환경에서 720시간 시험을 실시하였다.
- 잔류응력은 강관의 관단, 중앙부의 용접부 좌/우측 90°, 180°, 270° 각 방향을 측정하였다.
- 저온인성 -20℃에서 70J을 만족하는 한계입열량을 도출하기 위하여 입열량에 따라 각각 용접금속, 용융선 및 용융선 +2mm 거리의 시편을 채취하여 -20℃에서 샤르피 V-노치 충격시험을 실시하였고, 그 결과를 Fig. 4에 나타내었다. 용접금속의 충격값이 가장 낮았으며, 70J을 만족하는 한계입열량은 65kJ/cm 이었다.
- 중심편석이 존재할 경우 소성변형에 의하여 판재 중심부에 HIC가 발생할 수 있음으로 원소재의 중심부 편석을 분석하였다. 소재의 중심부에 대하여 C, Mn, Si, Ni, Al, Ti, P 그리고 S 성분에 대하여 EPMA(Electron probe micro-analyzer)분석하였으며, 그 결과를 Fig.
- 3과 같이 CAD를 이용하여 성형 모델링하였고, 상부툴의 곡률은 300mm, 다이 간격은 290mm, 성형 깊이는 -38mm로 선정하였다. 짧은 길이의 강관을 성형할 수 있는 JCO 시뮬레이터를 통해서 성형 변수들을 이용하여 강관을 제조하고, 이들 변수를 다시 최적화하여 생산에 반영하였다. 상부툴 R300을 사용하여 15회 성형하였으며, 기존의 프레스 밴딩시 국부적인 변형이 아닌 판재 전체 부위를 연속적으로 성형하였다.
- JCO 프레스는 상부에 상부툴, 하부에 두 개의 다이(die)로 구성되어 있다. 판재 성형에서 다이 간격과 성형 깊이가 공정변수이며, 최적화된 공정 변수를 산출하기 위해서 Fig. 3과 같이 CAD를 이용하여 성형 모델링하였고, 상부툴의 곡률은 300mm, 다이 간격은 290mm, 성형 깊이는 -38mm로 선정하였다. 짧은 길이의 강관을 성형할 수 있는 JCO 시뮬레이터를 통해서 성형 변수들을 이용하여 강관을 제조하고, 이들 변수를 다시 최적화하여 생산에 반영하였다.
대상 데이터
- 풀 스케일 HIC 시험은 70×70×90(가로×세로×높이) 크기의 시험조를 제작하였다. 500mm 길이의 강관 전체를 시험할 경우 강관 무게를 시험조가 지탱하기 어려울 것으로 판단되어, 강관을 4등분하고, 이중 용접부를 포함하여 3개만 시험하였다. 시험편은 표면을 320번의 연마지로 최종 연마하였다.
- SSCC 시험은 RS D000513) 에 의거하여 실시하였으며, 용접부 내면, 용접부 외면, 모재부 90°, 모재부 180°에서 4점굽힘시험편을 채취하였다.
- 시편은 용접부, 모재부 90°, 모재부 180° 에서 20(w)×20.3(t)×100(L) 크기로 각각 3개씩 채취하였다.
- 3(t)×100(L) 크기로 각각 3개씩 채취하였다. 시험에 사용된 용액은 용액 A(강산성)으로 5%NaCl 용액에 초산을 첨가하여 pH를 2.6~2.8의 범위로 하였으며, 96시간 동안 황화수소 가스를 지속적으로 주입시켜 포화상태를 유지하였다. 시험온도는 24±2℃로 일정하게 유지하였다.
- 500mm 길이의 강관 전체를 시험할 경우 강관 무게를 시험조가 지탱하기 어려울 것으로 판단되어, 강관을 4등분하고, 이중 용접부를 포함하여 3개만 시험하였다. 시험편은 표면을 320번의 연마지로 최종 연마하였다. Fig.
- 풀 스케일 HIC 시험은 70×70×90(가로×세로×높이) 크기의 시험조를 제작하였다.
이론/모형
- HIC 시험은 RS D000412) 신뢰성 평가기준으로 수행하였다. 시편은 용접부, 모재부 90°, 모재부 180° 에서 20(w)×20.
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