Recently, there have been the increase of ship size and the development of oil and gas in arctic region. These trends have led to the requirements such as high strength, good toughness at low temperature and good weldability for prevent of brittle fracture at service temperature. There has been the ...
Recently, there have been the increase of ship size and the development of oil and gas in arctic region. These trends have led to the requirements such as high strength, good toughness at low temperature and good weldability for prevent of brittle fracture at service temperature. There has been the key issue of crack arrestability in large size structure such as container ship. In this report for the first time, crack arrest toughness of thick steel plate welds was evaluated by large scale ESSO test for estimate of brittle crack arrestability in thick steel plate. For large structures using thick steel plates, fracture toughness of welded joint is an important factor to obtain structural integrity. In general, there are two kinds of design concepts based on fracture toughness: crack initiation and crack arrest. So far, when steel structures such as buildings, bridges and ships were manufactured using thick steel plates (max. 80~100mm in thickness), they had to be designed in order to avoid crack initiation, especially in welded joint. However, crack arrest design has been considered as a second line of defense and applied to limited industries like pipelines and nuclear power plants. Although welded joint is the weakest part to brittle fracture, there are few results to investigate crack arrest toughness of welded joint. In this study, brittle crack arrest designs were developed for hatch side coaming of large container ships using arrest weld, hole, and insert technology.
Recently, there have been the increase of ship size and the development of oil and gas in arctic region. These trends have led to the requirements such as high strength, good toughness at low temperature and good weldability for prevent of brittle fracture at service temperature. There has been the key issue of crack arrestability in large size structure such as container ship. In this report for the first time, crack arrest toughness of thick steel plate welds was evaluated by large scale ESSO test for estimate of brittle crack arrestability in thick steel plate. For large structures using thick steel plates, fracture toughness of welded joint is an important factor to obtain structural integrity. In general, there are two kinds of design concepts based on fracture toughness: crack initiation and crack arrest. So far, when steel structures such as buildings, bridges and ships were manufactured using thick steel plates (max. 80~100mm in thickness), they had to be designed in order to avoid crack initiation, especially in welded joint. However, crack arrest design has been considered as a second line of defense and applied to limited industries like pipelines and nuclear power plants. Although welded joint is the weakest part to brittle fracture, there are few results to investigate crack arrest toughness of welded joint. In this study, brittle crack arrest designs were developed for hatch side coaming of large container ships using arrest weld, hole, and insert technology.
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문제 정의
5 로 규정하고 있다. 본 연구에서는 IACS 에서 규정하는 취 성균열전파정지능력(Kca)을 충분히 갖는 강재를 사용하여서 연구를 수행 하였다.
. 본 연구에서는 용접부에서의 취성균열 전파 경로에 대한 검토를 위하여 50mm, 80mm의 두 종류의 두께에 대하여 대입열용접(EGW) 및 소입열(FCAW)부에 대한 취성균열 전파 정지 시험을 실시하였다.
본 연구에서는 초대형 컨테이너선에 적용되는 고강도 극후물 강재의 취성파괴 안전성을 평가 하였으며, 일본에서 주장하는 불안전파괴안전성에 미치는 영향이 두께만이 아니라 용접프로세스에 의한 잔류응력의 영향임을 규명 하였으며, 초대형 컨테이너선의 파괴안전성을 향상 시키기 위한 취성파괴 방지기술을 다음과 같이 개발하였다.
본 연구에서는 초대형 컨테이너선의 hatch side coaming 에서 취성균열이 발생하여 전파되어 선박의 안전성에 문제가 발생하더라도 완전 파괴를 방지하기 위한 솔루션을 개발하였다. 상부구조물에서 발생한 균열전파를 deck plate에 도달하기 전에 균열을 정지 시켜서 완전불안전 파괴를 방지 하고자 하였다.
본 연구에서는 초대형 컨테이너선의 상부 구조물에서 발생되는 불안정파괴 방지를 위하여 개발한 설계 기술에 대하여 설명 한다.
본 연구에서는 초대형 컨테이너선의 hatch side coaming 에서 취성균열이 발생하여 전파되어 선박의 안전성에 문제가 발생하더라도 완전 파괴를 방지하기 위한 솔루션을 개발하였다. 상부구조물에서 발생한 균열전파를 deck plate에 도달하기 전에 균열을 정지 시켜서 완전불안전 파괴를 방지 하고자 하였다.
본 연구에서도 3,000ton 대형 인장시험기를 사용하여서 판 두께 50mm, 80mm에 대하여 온도구배 조건하에서 ESSO 시험을 실시하여 모재의 취성균열 전파정지 성능을 평가 하다. 온도구배와 하중 조건은, 선급용 극후물 강재의 취성균열 정지 성능에 관한 현 수준을 파악하고자, 균열이 정지 가능한 조건으로 설정 하였다. Fig.
제안 방법
본 연구에서 개발된 기술은 국내의 대형조선사에서 이미 초대형 컨테이너선(18,000TEU급)에 적용 하였으며, IACS를 비롯 미국선급협회(ABS), 한국선급협회(KR)에서는 이미 선급 룰로 제정 하였다8-10).
본 연구에서 개발된 기술은 이미 국내의 대형조선사의 초대형 컨테이너선에 적용을 통하여 본 기술의 적용성을 검증하였다.
여기서, 용접프로세스의 차이에 의하여 입열량이 다르며, 입열량의 영향에 따라서 용접잔류응력의 분포가 다를 것이라는 판단하에 용접잔류응력의 분포를 측정 하였다. 본 연구에서 사용한 시편은 두께를 관통하는 균열을 적용하였으며, 취성균열 또한 두께를 관통하여서 진전하기 때문에 표면에서의 잔류응력 보다는 두께방향의 잔류응력이 중요함을 인식하고 두께방향의 잔류응력을 80mm 에 대하여 세계최초로 한국원자력연구원과 공동연구를 통하여 측정하게 되었다. Fig.
본 연구에서도 3,000ton 대형 인장시험기를 사용하여서 판 두께 50mm, 80mm에 대하여 온도구배 조건하에서 ESSO 시험을 실시하여 모재의 취성균열 전파정지 성능을 평가 하다.
왜냐하면, 본 연구에서는 서로 다른 용접프로세스를 동일한 시험편에 적용하였으며, 서로 다른 결과를 얻었다. 여기서, 용접프로세스의 차이에 의하여 입열량이 다르며, 입열량의 영향에 따라서 용접잔류응력의 분포가 다를 것이라는 판단하에 용접잔류응력의 분포를 측정 하였다. 본 연구에서 사용한 시편은 두께를 관통하는 균열을 적용하였으며, 취성균열 또한 두께를 관통하여서 진전하기 때문에 표면에서의 잔류응력 보다는 두께방향의 잔류응력이 중요함을 인식하고 두께방향의 잔류응력을 80mm 에 대하여 세계최초로 한국원자력연구원과 공동연구를 통하여 측정하게 되었다.
4에는 온도구배 ESSO시험의 개략도를 나타냈으며, 본 연구에서 사용한 모재 시험편의 크기를 나타내었다. 온도구배는 냉각 챔버를 설치하여 노치부근은 저온으로 냉각 하여 균열 생성 및 전파를 용이하게 하였고, 균열 전파 방향을 따라 온도를 상승시켜 균열 정지가 가능하도록 하였다. 온도구배는 통상 2.
온도구배는 통상 2.5°C/cm ~3.5°C/cm 의 범위에서 제어하였으며, 온도구배의 조정을 마친 후 시편에 인장하중을 가하고, 목표 시험하중에 도달하면 노치에 충격하중을 가하여 균열을 생성, 전파시키고 균열이 정지한 부분의 균열길이를 측정하여 균열이 정지한 위치의 온도에서의 취성균열전파정지인성값, Kca를 계산 하였다.
본 연구 결과를 통하여 취성균열의 전파 경로는 두께의 영향만이 아닌 용접프로세스의 영향을 받고 있는 것이라고 판단 하였다. 왜냐하면, 본 연구에서는 서로 다른 용접프로세스를 동일한 시험편에 적용하였으며, 서로 다른 결과를 얻었다. 여기서, 용접프로세스의 차이에 의하여 입열량이 다르며, 입열량의 영향에 따라서 용접잔류응력의 분포가 다를 것이라는 판단하에 용접잔류응력의 분포를 측정 하였다.
또한 일본에서 주장한 파괴의 안전성에 미치는 두께의 영향을 파악하기 위하여 360MPa급 50mm 와 80mm 두 종류의 두께를 선정하였다. 용접은 두께에 관계없이 모두 대입열용접인 EGW(Electro Gas arc Welding) 및 소입열 용접인 FCAW(Flux Cord Arc Welding)를 적용하였으며, 50mm는 320kJ/cm, 17kJ/cm, 80mm는 530kJ/cm, 17kJ/cm의 입열로 용접을 수행하였다. 각 용접프로세스별 상세 조건은 Table 3에 나타내었다.
통상적으로 선박의 최저운항온도(국제선급협회, IACS 기준)인 -10°C에서 의 값을 기준으로 하여 소재의 균열정지특성을 비교하 는데, 이를 얻기 위해서는 3 ~ 4회 온도구배 ESSO 시험을 실시하여 외삽법을 통해 -10°C에서의 Kca값을 계산하였다.
대상 데이터
Table 1, Table 2에는 강재의 화학조성 및 기계적 성질을 나타내었다. 또한 일본에서 주장한 파괴의 안전성에 미치는 두께의 영향을 파악하기 위하여 360MPa급 50mm 와 80mm 두 종류의 두께를 선정하였다. 용접은 두께에 관계없이 모두 대입열용접인 EGW(Electro Gas arc Welding) 및 소입열 용접인 FCAW(Flux Cord Arc Welding)를 적용하였으며, 50mm는 320kJ/cm, 17kJ/cm, 80mm는 530kJ/cm, 17kJ/cm의 입열로 용접을 수행하였다.
본 연구에 사용한 강재는 조선용 460MPa급 TMCP 강재로, 판 두께는 80mm 이다. Table 1, Table 2에는 강재의 화학조성 및 기계적 성질을 나타내었다.
이론/모형
통상적으로 선박의 최저운항온도(국제선급협회, IACS 기준)인 -10°C에서 의 값을 기준으로 하여 소재의 균열정지특성을 비교하 는데, 이를 얻기 위해서는 3 ~ 4회 온도구배 ESSO 시험을 실시하여 외삽법을 통해 -10°C에서의 Kca값을 계산하였다. 본 연구에서 수행한 ESSO 시험은 IACS UR S33에서 규정하고 있는 시험방법과 동일한 방법을 적용하였다. ESSO 시험을 통하여 모재가 갖는 취성파괴에 대한 정지 능력을 평가 하였으며, IACS 에서는 모재가 취성파괴에 저항하기 위한 최소 기준을 6000N/mm1.
성능/효과
1) 본 연구에서 개발되어 생산된 조선용 고강도 극후물재의 취성균열전파 정지 능력은 IACS에서 규정하는 수준 이상의 성능(Kca≥7500N/mm1.5)를 보유 하고 있다.
2) 취성균열 전파경로는 두께만의 영향이 아닌 용접 프로세스의 차이에 따른 용접잔류응력의 영향이 있음을 규명하였다.
3) Arrest weld, arrest hole, arrest insert 기술 개발을 통하여, 초대형 컨테이너선의 상부(H/C)에서 발생한 취성균열의 전파에 의한 불안정 완전 파괴를 방지할 수 있게 되었다.
7에는 EGW와 FCAW에 대한 50mm, 80mm 의 실험결과를 나타냈다. EGW의 경우는 두께에 관계없이 모두 직진 전파하여서 용접부 근처에서 균열이 정지하였고, FCAW 의 경우 또한 두께에 관계없이 모두 용접선에서 균열이 발생하여서 일정 거리를 용접선을 따라 진전하다가 모재쪽으로 균열의 전파경로가 변경되어서 최종적으로 모재쪽에서 균열이 정지하는 현상을 나타내었다. 이러한 현상은 일본에서 주장하는 두께의 영향에 따라서 균열의 전파 경로가 다르게 나타난다고 하는 주장과 상반되는 결과를 얻었다3,16).
또한 실험 결과를 바탕으로 설계온도인 -10°C에서의 Kca 값을 외삽법을 통하여 계산한 결과, 약 7600N/mm1.5 의 값을 얻었다.
이러한 현상은 일본에서 주장하는 두께의 영향에 따라서 균열의 전파 경로가 다르게 나타난다고 하는 주장과 상반되는 결과를 얻었다3,16). 본 연구 결과를 통하여 취성균열의 전파 경로는 두께의 영향만이 아닌 용접프로세스의 영향을 받고 있는 것이라고 판단 하였다. 왜냐하면, 본 연구에서는 서로 다른 용접프로세스를 동일한 시험편에 적용하였으며, 서로 다른 결과를 얻었다.
후속연구
본 연구 결과를 통하여 국내 조선사는 더욱 안전성이 우수한 초대형 컨테이너선의 건조가 가능할 것으로 판단 되며, 향후 선박수주에 있어서도 경쟁력을 확보할 것으로 기대 한다. 또한 POSCO 개발 강재의 취성균 열전파 정지 능력이 우수함을 규명 하였으며, 본 연구 결과의 적용을 통하여, 더욱 파괴안전성이 우수한 선박이 건조되길 희망한다.
본 연구 결과를 통하여 국내 조선사는 더욱 안전성이 우수한 초대형 컨테이너선의 건조가 가능할 것으로 판단 되며, 향후 선박수주에 있어서도 경쟁력을 확보할 것으로 기대 한다. 또한 POSCO 개발 강재의 취성균 열전파 정지 능력이 우수함을 규명 하였으며, 본 연구 결과의 적용을 통하여, 더욱 파괴안전성이 우수한 선박이 건조되길 희망한다.
이러한 잔류응력의 영향으로 EGW의 경우는 외부 인장하중에 인장잔류응력이 더하여져서 더욱 균열의 진전이 용의하게 되어서 직전전파 하게 되었고, FCAW 의 경우는 균열이 진전하고자 하는 방향에 압축잔류응력이 존재 하기 때문에 그 응력이 균열의 진전을 방해하게 되어서 모재로 균열이 경로를 변경하게 된 것이라고 판단 된다. 본 연구 결과를 통하여 극후물 강재의 취성파괴의 위험성이 증가하기 때문에 두께를 제한하여 선박건조를 해야 하기보다는, 적절한 용접프로세스를 적용하여 극후물 강재의 취성파괴를 방지할 수 있을 것으로 판단되었다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
65mm이상의 극후물 강 재의 용접부에서 취성균열의 정지가 어려운 이유는?
이러한 연구들은 주로 대형파괴시험을 통 하여 극후물 강재 용접부의 취성균열정지 특성을 평가 하는 방향으로 진행되었으며, 65mm이상의 극후물 강 재에 대해서 용접부에서 취성균열의 정지가 어렵다는 연구 결과를 발표하고 있다4-6). 극후물 강재 일수록 용접부에서 발생한 취성균열은 용접부를 따라서 직진 전파 하기 쉽고, 40mm 이하와 같은 두께에서처럼 모재쪽으 로 균열의 경로가 바뀌어서 취성균열이 정지되는 것이 아니라, 용접부를 따라서 직진 전파 한다는 것이다. 뿐 만 아니라, 이러한 연구결과를 바탕으로 일본선급협회 에서는 2009년 3월 파괴안전성을 강화하기 위한 관련 규정을 새롭게 개정하였다7).
초대형 컨테이너선 건조를 위한 강재의 조건은?
1 에서 알 수 있듯이 컨테이너선의 크기는 2000년 상반기부터 급격하게 증가 되어 2014년에는 19,200 TEU의 최대 컨테이너선의 건조가 진행 중에 있다. 이 러한 초대형 컨테이너선의 건조를 위해서는 강재의 강도 및 두께의 증가는 자연스럽게 이루어지고 있으며, 초대형 컨테이너선의 경우 Hatch side coaming(H/C)에 선박전체에 적용되는 강재 중에서 가장 두껍고 고강도 강재가 적용되며, 19,000TEU급 컨테이너선을 기준으로460MPa이상 항복강도의 80mm 이상의 강재가 적용되고 있다1). 대표적인 컨테이너선의 상부 구조물과 사용되는 강종 및 두께를 Fig.
현재까지 진행된 파괴안전성 연구의 두 가지 관점은?
이처럼 초대형 선박에 적용되는 강재의 고강도화 및 극후물화 에 따라서 선체구조물의 파괴안전성에 대한 관심이 증 가 되고 있으며, 일본선급협회(NK)2)에서는 지난 2006년 7월에 파괴인성 관련 규정을 새롭게 추가 하 여, 극후물 강재의 파괴안전성 확보에 더욱 높은 관심 을 보이고 있다. 파괴안전성은 균열생성의 관점(Crack initiation fracture toughness)과 균열정지의 관점 (Crack arrest fracture toughness)으로 구분되어서 연구가 진행되어 왔다. 종래에는 판 두께 30~ 40mm에 관한 연구들이 주로 수행되었으나3), 최근 몇 년 사이에 일본에서는 균열정지의 관점에서 극후물 강재에 대한 취성균열 정지 특성에 관한 연구가 활발히 진행되어 왔다 .
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The 193th Research Committee: Application of 50kgf/mm2 class high strength steel plates made of new steel manufacturing process, Report No. 100, The Shipbuilding Research Association of Japan, (1985)
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