[논문]해수분위기에서 스테인리스강 배관 소켓 용접부의 선택적 부식

부명환; 이장욱; 이종훈

doi:10.14773/cst.2020.19.4.224

[국내논문] 해수분위기에서 스테인리스강 배관 소켓 용접부의 선택적 부식
Selective Corrosion of Socket Welds of Stainless Steel Pipes Under Seawater Atmosphere 원문보기

Corrosion science and technology, v.19 no.4, 2020년, pp.224 - 230

부명환 (한국수력원자력(주) 중앙연구원) , 이장욱 (한국수력원자력(주) 중앙연구원) , 이종훈 (한국수력원자력(주) 중앙연구원)

Abstract ▼ AI-Helper

Stainless steel has excellent corrosion resistance. The drawback is that pitting occurs easily due to the concentration of chloride. In addition, corrosion of socket weld, which is structurally and chemically weaker than the other components of the pipe, occurs rapidly. Since these two phenomena overlap, pinhole leakage occurs frequently in the seawater pipe socket welds made of stainless steel at the power plants. To analyze this specific corrosion, a metallurgical analysis of the stainless steel socket welds, where the actual corrosion occurred during the power plant operation, was performed. The micro-structure and chemical composition of each socket weld were analyzed. In addition, selective corrosion of the specific micro-structure in a mixed dendrite structure comprising γ-austenite (gamma-phase iron) and δ-ferrite (iron at high temperature) was investigated based on the characteristic micro-morphology and chemical composition of the corroded area. Finally, the different corrosion stages and characteristics of socket weld corrosion are summarized.

주제어

표/그림 (11)

그림 Fig. 1 Leakage location of pipe(a) and schematic of cross section(b).
표 Table 1 Chemical composition requirement of STS BM/WM (wt%) [7]
표 Table 2 Welding parameters for STS 316L [8]
그림 Fig. 2 Pipe cutting for cause analysis and cross section of specimen.
그림 Fig. 3 Micro-structure of welds.
그림 Fig. 4 IPF image of pipe (500×).
그림 Fig. 5 IPF image of pipe and welds boundary (1,000×).
표 Table 3 Welds components of EDS (wt%)
그림 Fig. 6 SEM observation of corroded parts (ⓐ, ⓑ, ⓒ of Fig. 2).
그림 Fig. 7 Chemical composition of corroded part using EDS.
그림 Fig. 8 Schematics of corrosion stages in socket weldment.

AI 본문요약
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* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

본 연구는 원자력발전소에 사용되는 STS 316L 재질의 해수배관 소켓 용접부에서 발생한 핀홀 사례를 대상으로 소켓 용접부의 구조적인 문제와 스테인리스강 용접부의 재료적인 문제를 중심으로 부식이 가속화된 원인을 분석하였다.

제안 방법

에칭된 시편을 관찰하여 용접부의 미세조직을 확인하고, 미세 조직별 상분포를 확인하기 위해서 동일 시편을 폴리싱 한 후 후방산란전자 회절분석기(EBSD)를 활용하여 미세구조를 분석하였다. 그리고 소켓 용접부에서 발생한 부식의 형상을 관찰하고 미세조직 별 화학 조성의 차이점을 분석하기 위해서 부식 관찰용 시편(Fig. 2b)의 모재와 용접재, 부식 발생부를 주사전자현미경(SEM)과 에너지분산형 분광분석기(EDS)를 활용하여 화학성분을 분석하였다.
소켓 용접부에서 발생한 부식의 원인을 분석하기 위해서 미세조직을 분석하였다. 먼저 용접부 미세조직을 분석하기 위해 Fig.
소켓 용접부의 부식 형상과 미세조직 분석 결과를 근거로 소켓 용접부에서 국부적 부식이 발생한 원인을 제시하고 부식 단계별 현상을 도식화하였다. 이를 통해 스테인리스강 재질 해수배관 소켓 용접부의 부식과 관련된 종합적인 결론을 도출하였다.
에칭액은 글리세롤과 염산, 질산을 각각 3:5:1 비율로 섞은 용액을 사용하였으며, 시편을 에칭액에 약 5분간 담가두는 방법을 사용하였다. 에칭된 시편을 관찰하여 용접부의 미세조직을 확인하고, 미세 조직별 상분포를 확인하기 위해서 동일 시편을 폴리싱 한 후 후방산란전자 회절분석기(EBSD)를 활용하여 미세구조를 분석하였다. 그리고 소켓 용접부에서 발생한 부식의 형상을 관찰하고 미세조직 별 화학 조성의 차이점을 분석하기 위해서 부식 관찰용 시편(Fig.
2a의 절단된 배관에서 부식이 비교적 적게 발생한 위치를 선정하여 단면을 에칭하였다. 에칭액은 글리세롤과 염산, 질산을 각각 3:5:1 비율로 섞은 용액을 사용하였으며, 시편을 에칭액에 약 5분간 담가두는 방법을 사용하였다. 에칭된 시편을 관찰하여 용접부의 미세조직을 확인하고, 미세 조직별 상분포를 확인하기 위해서 동일 시편을 폴리싱 한 후 후방산란전자 회절분석기(EBSD)를 활용하여 미세구조를 분석하였다.
소켓 용접부의 부식 형상과 미세조직 분석 결과를 근거로 소켓 용접부에서 국부적 부식이 발생한 원인을 제시하고 부식 단계별 현상을 도식화하였다. 이를 통해 스테인리스강 재질 해수배관 소켓 용접부의 부식과 관련된 종합적인 결론을 도출하였다.

대상 데이터

1과 같이 수직으로 설치된 2인치 해수배관 소켓 용접부의 핀홀 발생부를 대상으로 하였다. 배관 및 소켓의 재질은 STS 316L이며 용접법은 GTAW, 용접재는 ER316L이 사용되었다. 배관의 사용 환경은 간헐적으로 해수가 흐르는 조건이지만 가동하지 않을 경우에도 수직으로 설치되어서 Fig.
분석은 Fig. 1과 같이 수직으로 설치된 2인치 해수배관 소켓 용접부의 핀홀 발생부를 대상으로 하였다. 배관 및 소켓의 재질은 STS 316L이며 용접법은 GTAW, 용접재는 ER316L이 사용되었다.

성능/효과

부식영역 관찰 결과로부터 소켓 용접부 부식은 γ-오스테나이트 조직이 선택적으로 부식이 되고, 이후 δ-페라이트 조직이 부식되는 과정으로 진행된 것을 알 수 있다.

후속연구

즉, 스테인리스강으로 제작된 소켓용접부는 틈새환경과 Galvanic 부식에 의해 부식이 가속화되며, 해수환경에서 구조적 특성상 핀홀이 단기간에 형성될 수 있으므로, 높은 건전성이 요구되는 배관은 소켓 용접 적용을 지양해야 한다. 향후 스테인리스강 해수 배관에 소켓 용접을 적용하면서 수명 향상과 배관 건전성 확보를 위해서는 방식(Anticorrosion) 기법 개발이나 구조적인 형상 개선을 위한 추가 연구가 필요하다.

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상세보기
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