[논문]304L 스테인리스 강 용접부의 저주기 피로 성능 평가

황재현; 오동진; 이도영; 전민성; 김명현

doi:10.5781/jwj.2016.34.3.47

304L 스테인리스 강 용접부의 저주기 피로 성능 평가
Low Cycle Fatigue Performance of 304L Stainless Steel Weldments 원문보기

Journal of welding and joining = 대한용접·접합학회지, v.34 no.3, 2016년, pp.47 - 51

황재현 (부산대학교 공과대학 조선해양공학과) , 오동진 (부산대학교 공과대학 조선해양공학과) , 이도영 (삼성중공업) , 전민성 (삼성중공업) , 김명현 (부산대학교 공과대학 조선해양공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

Recently, the market of liquefied natural gas is growing in accordance with shale gas development and environmentally friendly policies. Also, LNG is in the spotlight as an alternative fuel to previously used fossil fuel and the fuel for the ship to meet emission standards which takes effected by IMO (International Maritime Organization). According to growth of LNG, LNG carriers needs are also expected to increase significantly. This study investigates low cycle fatigue (LCF) performance of 304L stainless steel weldments to investigate fatigue performance in plastic strain region. 304L stainless steel is known to have improved fatigue performance at cryogenic conditions. LCF behavior are investigated by a strain-controlled condition up to 1% strain range and conducted with three different thickness (3mm, 5mm, 10mm). Also, test were performed with three different strain ratio R such as R = -1, -0, 0.5, Finally, the fatigue design curve for 304L stainless steel weldments at room tem- perature are proposed. Considering all test conditions, it is shown that LCF performance have similar tendency regardless of thickness and strain ratio. LCF design curve of 304L stainless steel weldments are lower than 304L stainless steel base metal.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 304L stainless steel의 용접부에 대하여 저주기 피로 거동과 특성을 조사하여 기존의 ASME에서 제시하고 있는 모재에 대한 저주기 피로 설계 선도와 비교 및 용접부에 대한 저주기 피로 설계 선도를 제시하였다. 용접부에 대한 저주기 피로 시험 결과 얻어진 연구 성과를 아래와 같이 정리하였다.
이에 본 연구에서는 304L stainless steel의 용접부에 대해서 변형률 기반의 피로 성능을 평가하였으며 기존에 사용되던 304L stainless steel의 모재에 대한 변형률 기반 피로 설계 선도와 비교·평가 및 용접부에 대한 변형률 기반 피로 설계 선도를 제시하였다.
ASME code에서는 304L stainless steel 모재에 대한 저주기 피로 설계 선도만을 제시하고 있으며 용접부에 대해 적용하기는 부적합할 것으로 판단된다. 이에, 본 연구에서는 304L stainless steel 용접부의 저주기 피로 성능 평가를 수행하였으며 이를 바탕으로 저주기 피로 설계 선도를 제시하였다. 이때, 각각의 시험 결과들을 정리하여 하나의 피로 설계 선도로 나타내었고 시험 결과에서 도출된 지수들을 Table 3에 정리하였다.

제안 방법

본 연구에서는 304L stainless steel 용접부 저주기 영역에서 시험편 두께(3mm, 5mm, 10mm)와 변형률 비(R=-1, 0.1, 0.5) 의 변화가 피로 강도에 미치는 영향을 분석하였다. 저주기 시험을 통해 얻어진 시험 결과들을 변형률-수명 선도로 Fig.
저주기 피로 시험에 사용된 장비는 축 인장, 압축 유압 피로 시험기 (IMT 8803, INSTRON)를 사용하였다. 저주기 피로 하중의 파형은 Trapezoidal waveform과 Triangle waveform 중 후자를 선택하였으며 실험은 전체 상온, 주파수는 0.5Hz로 수행하였다. 저주기 피로 시험에 있어 파단의 정의는 하중 감소법을 적용하여 하중의 50% 가 감소하였을 때를 최종 파단으로 정의하였다.

대상 데이터

본 연구에 사용된 304L stainless steel과 용접재인 E308LT-1에 대한 기계적 물성치를 Table 2에 정리하여 나타내었다. 모재와 용접재의 항복 강도는 각각 241MPa과 527MPa로 용접재가 2배 높게 나타났으며, 인장 강도는 각각 586MPa과 590 MPa로 동일한 물성을 보였다.
2,000 cycle 이하의 영역에서는 소성 변형률이 지배적이며 2,000 cycle 이상의 영역에서는 탄성 변형률이 지배적임을 확인하였다. 이때, 정확한 천이 구간을 파악하기 위해 탄성 변형률과 소성 변형률의 교차 지점인 피로 천이 수명을 계산하였으며, 10mm, 5mm, 3mm 두께에 따라 각각 1,910cycle, 2,649cycle, 674cycle로 나타났다. 또한, 앞서 언급한 두께에 따른 피로 성능 결과와 유사하게 시험편의 두께가 5mm인 경우의 천이 수명이 가장 높게 나타났다.
1에 나타내었다. 저주기 피로 시험에 사용된 장비는 축 인장, 압축 유압 피로 시험기 (IMT 8803, INSTRON)를 사용하였다. 저주기 피로 하중의 파형은 Trapezoidal waveform과 Triangle waveform 중 후자를 선택하였으며 실험은 전체 상온, 주파수는 0.

이론/모형

미만에서 발생할 때로 정의 하며, 탄성 범위 내의 반복 하중으로 제어되는 고주기 피로 시험과 달리 탄성 범위를 벗어난 소성범위에서의 반복 변형률 제어로써 수행된다. 저주기 피로 시험은 ASTM E606에 따라 진행되었으며¹⁰⁾, 시험편의 형상은 판재 형태로 결정하였고 시험편은 두께에 따른 저주기 피로 성능을 파악하기 위해 각각 3mm, 5mm 와 10mm 로 결정하였다. 시험편 형상은 Fig.

성능/효과

1) 304L stainless steel의 용접부에 있어서 두께에 의한 저주기 피로 성능의 차이는 뚜렷한 경향이 나타나지 않았다.
2) 반복 응력-변형률 관계에서 변형률 비가 –1, 0, 0.5로 각각 달리하였을 때에도 선도의 차이가 나타나지 않았다.
5, 6, 7에 정리하여 나타내었다. 2,000 cycle 이하의 영역에서는 소성 변형률이 지배적이며 2,000 cycle 이상의 영역에서는 탄성 변형률이 지배적임을 확인하였다. 이때, 정확한 천이 구간을 파악하기 위해 탄성 변형률과 소성 변형률의 교차 지점인 피로 천이 수명을 계산하였으며, 10mm, 5mm, 3mm 두께에 따라 각각 1,910cycle, 2,649cycle, 674cycle로 나타났다.
3) 각각의 두께에 대한 천이 피로 수명은 5mm의 두께에서 2,649 cycle로 가장 높게 형성되었으며, 3mm에서 674 cycle로 가장 낮게 나타났다.
2에 정리하여 나타내었다. Fig. 2에 나타난바와 같이, 시험편의 두께가 3mm인 경우 가장 낮은 피로 성능을 나타내었으며, 시험편의 두께가 5mm인 경우 가장 높은 피로 성능을 보였다. 이와 같이, 두께에 의한 영향은 304L stainless steel 용접부 저주기 피로 성능에 큰 영향을 미치지 않음을 확인하였다.
본 연구에 사용된 304L stainless steel과 용접재인 E308LT-1에 대한 기계적 물성치를 Table 2에 정리하여 나타내었다. 모재와 용접재의 항복 강도는 각각 241MPa과 527MPa로 용접재가 2배 높게 나타났으며, 인장 강도는 각각 586MPa과 590 MPa로 동일한 물성을 보였다.
2에 나타난바와 같이, 시험편의 두께가 3mm인 경우 가장 낮은 피로 성능을 나타내었으며, 시험편의 두께가 5mm인 경우 가장 높은 피로 성능을 보였다. 이와 같이, 두께에 의한 영향은 304L stainless steel 용접부 저주기 피로 성능에 큰 영향을 미치지 않음을 확인하였다. 저주기 영역에서는 항복 이상의 과도한 응력에 의해 두께 효과가 나타나지 않았을 것으로 판단되며, 저주기 피로 설계를 위해서는 적절한 두께가 고려되어야 함을 알 수 있다.

후속연구

4) 본 연구에서는 304L stainless steel 용접부의 저주기 피로 설계 선도를 제시하였고, 이를 바탕으로 LNG 저장 탱크 등 저온용 구조물에 대해 보다 합리적인 피로 설계가 가능할 것으로 판단된다.
또한, 앞서 언급한 두께에 따른 피로 성능 결과와 유사하게 시험편의 두께가 5mm인 경우의 천이 수명이 가장 높게 나타났다. 이러한 결과는 용접부 비드 형상에 의한 응력 집중 효과에 영향을 받았을 것으로 사료되며, 이에 대한 추가적인 연구가 필요할 것으로 판단된다.
이때, 각각의 시험 결과들을 정리하여 하나의 피로 설계 선도로 나타내었고 시험 결과에서 도출된 지수들을 Table 3에 정리하였다. 이를 적용하면 별도의 저주기 피로 시험 없이 304L stainless steel 저주기 피로 설계에 필수적인 용접부의 피로 설계가 가능 할 것으로 판단된다. 또한, 본 연구에서 얻어진 304L stainless steel 용접부의 피로 설계 선도와 ASME code에서 제시하고 있는 모재 설계 선도를 Fig.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	LNG 저장 용기는 어떤 조건을 갖추어야 하는가?	8%의 부피 감소가 이루어진다. 또한 극저온을 견디기 위해 LNG 저장 용기에 사용되는 재료는 극저온에서 좋은 인성 및 취성파괴에 대한 안전성을 가져야 한다. 일반적으로 극저온 용기에 사용되는 재료는 Invar alloy, 304L stainless steel, Al-5083 alloy과 Nickel steel이 있으며 제작되는 구조물이 사용되는 특성에 따라 재료를 분류하여 사용되고 있다4).
	LNG를 운송할 때 무엇이 필수적인가?	LNG를 운송함에 있어 효율성을 위해 액화는 필수적이다. LNG는 대기압에서 약 -163℃에서 액화되며 이는 기체 상태일 때 보다 99.
	기존의 탄성 범위 내의 반복응력을 기반으로 한 피로 성능 평가 결과로는 저장 용기의 안전성을 평가하는데 한계를 가지는 이유는 무엇인가?	LNG 추진 선박의 저장 용기에 사용되는 IMO Type C tank의 경우 설계 증기압이 높기 때문에 두께가 얇아 질 경우 소성 변형이 발생하게 된다. 이러한 이유로 인해 기존의 탄성 범위 내의 반복응력을 기반으로 한 피로 성능 평가 결과로는 저장 용기의 안전성을 평가하는데 한계를 가지게 된다.

참고문헌 (10)

Zhongmin Wnag and Alan Krupnick, A Retrospective Review of shale Gas Development in the United States, Resources for the future, 13-12 (2013)
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Hale Saglam, Ulrikke Brandt and Britta Wodecki, LNG carrier, Marine Structural Engineering, 2012, Assignment 1
Jeong Hyeon Kim, Sung Woong Choi, Doo Hwan Park and Jae Myung Lee, Cryogenic Charpy Impact Test based on GTAW Method of AISI 304 Stainless Steel for LNG Pipeline, J. of Welding and Joining, 32-3 (2014), 89-94 (in Korean)

원문보기 상세보기
Yoshinori Ono, Tetsumi Yuri, Hideshi Sumiyoshi Etsuo Takeuchi, Saburo Matsuoka and Toshio Ogata, High-Cycle Fatigue Properties at Cryogenic Temperatures in INCONEL 718 Nickel-based Superalloy, Materials Transactions, 45-2 (2004), 342-345

상세보기
Tetsumi Yuri, Toshio Ogata, Masahiro Saito and Yoshiaki Hirayama, Effect of welding structure on high-cycle and low-cycle fatigue properties for MIG welded A5083 aluminum alloys at cryogenic temperatures, Cryogenics, 41 (2001), 475-483

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Jae Hoon Kim, Kyue Taek Shim, Young Kyun Kim and Byoung Wook Ahn: Fatigue Crack Growth Characteristics of 9% Ni Steel Welded Joint for LNG Storage Tank at Low Temperature, Journal of KWJS, 28-5 (2010), 45-50 (in Korean)
Young Kyun Kim, Jae Hoon Kim and Kyu Taek Shim: Mechanical Characteristics of 9% Ni Steel Welded Joint for LNG Storage Tank at Cryogenic, International Journal of Modern Physics, 6 (2012), 355-360
Dong Jin Oh, Jae Myung Lee, Byeong Jae Noh, Ryuichi Ando, Toshiyuki matsumoto and Myung Hyun Kim: Investigation of fatigue performance of low temperature alloys for liquefied natural gas storage, Institute of Mechanical Engineers, 229(7) (2015), 1300-1314

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ASTM: Standard Test Method for Strain-Controlled Fatigue Testing, ASTM E606/E606M (2012)

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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