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A106 Gr B강 다층용접부의 황화물 응력부식균열 특성

The sulfide stress corrosion cracking characteristics of multi-pass welded A106 Gr B steep pipe

대한기계학회 2008년도 추계학술대회A, 2008 Nov. 05, 2008년, pp.20 - 25  

이규영 (성균관대학교 대학원 기계공학과) ,  배동호 (성균관대학교 기계공학부)

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

Sulfide stress corrosion cracking (SSCC) of materials exposed to oilfield environment containing hydrogen sulfide ($H_2S$) has been recognized as a materials failure problem. Laboratory data and field experience have demonstrated that extremely low concentration of $H_2S$ may b...

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문제 정의

  • 이외의 산업설비 제작에 있어서도 용접은 광범위하게 사용되고 있지만, 용접과정에서 발생되는 용접부의 용접잔류응력, 변형, 야금학적 변화는 환경파괴와 더불어 취성파괴를 야기하는 원인이 되고 있음은 주지의 사실이다.[1, 2, 3] 본 연구에서는 석유화학공업의 배관설비로 많이 사용되고 있는 A106 Gr B강 다층용접부에 대한 내 환경 특성을 평가하기 위해 용접잔류응력을 해석하고, 부식민감성을 평가하였다. 그리고 황화물 응력부식균열(sulfide stress corrosion cracking; SSCC) 특성을 평가하여 A106 Gr B강 배관의 신뢰성 평가 및 용접설계를 위한 기초정보를 제공하고자 하였다.
  • [1, 2, 3] 본 연구에서는 석유화학공업의 배관설비로 많이 사용되고 있는 A106 Gr B강 다층용접부에 대한 내 환경 특성을 평가하기 위해 용접잔류응력을 해석하고, 부식민감성을 평가하였다. 그리고 황화물 응력부식균열(sulfide stress corrosion cracking; SSCC) 특성을 평가하여 A106 Gr B강 배관의 신뢰성 평가 및 용접설계를 위한 기초정보를 제공하고자 하였다.
  • 그러나 배관 내 표면의 원주 방향과 축 방향 잔류응력의 분포 형태는 서로 상이하지만, 용접부 주변은 재료의 항복 강도에 상응하는 높은 인장잔류응력이 분포하는 것으로 나타났다. 본 연구에서는 유한요소법을 이용한 용접잔류응력 해석결과에 대한 신뢰성을 검증하기 위해 실제 용접배관 시편에 대해 천공법(hole drilling method; HDM)으로 용접잔류응력을 측정한 결과와 비교 검토하였다. 원주방향과축 방향 용접잔류응력에 대한 실험 치와 수치해석 결과를 비교한 결과, 모두 정량적인 차이를 보이고 있으나, 정성적으로는 유사한 결과를 보이고 있다.

가설 설정

  • 열응력 해석과정에서도 온도해석에서 고려되지 않은 인자들의 영향은 무시하였다. 그러나 항복강도(yield strength), 탄소성 계수(elastic and plastic moduli), 열팽창계수(thermal expansion coefficient) 등의 온도에 따른 변화를 고려하였으며, 모재의 용융점(melting point) 이상, 즉 모재가 용융된 액체상태에서는 이들 모두 일정한 것으로 가정하였다. 그리고 온도 의존적인 프와송 비(poisson's ratio) 는 온도변화에 관계없이 0.
  • 3의 온도의존성 재료 물성(physical properties)을 입력 데이터로 이용하였다. 특히 용융 풀에서의 열전달(conductivity)과 비열(specific heat)은 일정한 것으로 가정하고, 모든 표면에서의 열손실계수(heat loss coefficient)는 0.0817 W/m-℃ 로 하였다. 그 밖에 용융 풀에서의 열복사(thermal radiation), 용접 중 차단 가스(shield gas)의 분출압력에 의한 강제 대류(forced convection), 냉각속도 (cooling rates), 상 변태(phase transformation)에 따른 야금학적 입자 구조, 체적 및 온도 등의 변화는 무시하였다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
부식성 환경에 의한 이들 시설의 파손의 특징은 무엇인가? 대표적인 장치산업의 하나인 석유화학공업은 원유 저장 및 정제시설들의 운전 환경이 상당히 가혹하기 때문에 부식에 의한 파손문제가 시설의 안전과 관리에 많은 장애 요인이 되고 있다. 부식성 환경에 의한 이들 시설의 파손은 타 공업 분야와는 달리 원유 중 포함되어있는 황화물, 염 화물, 질화물 등과 석유 정제 과정에서 발생되는 염화물과 황화물에 의한 것이 특징적이다. 이와 같은 석유화학공업 시설물의 대부분은 용접에 의해 제작되어지고, 특히, 원유 수송 배관과 같은 설비는 용접에 의해 시공되어진다.
황화물 부식 환경 하에서 SSCC특성및 수명을 평가한 결과는 어떠한가? 1)배관 원주방향 용접잔류응력은 용접부 내・외표면 공히 재료 항복강도에 상응하는 높은 값으로 용접금속 및 열영향부에 분포하였으며, 실험치의경우 용접잔류응력의 피크 값은 배관의 9번째 패스에 의한 열영향부에서 154MPa., 11번째 패스에 의한 열영향부에서 160MPa 이고, 유한요소해석결과는 9번째 패스의 열영향부에서 190 MPa, 10번째 패스의 열영향부에서 358 MPa, 11번째 패스의 열영향부에서 402 MPa로 평가되었다. 2) 동일한 pH에서 시편 채취 위치, 즉 용접급속모재-열영향부의 순으로 부식 속도가 증가하고, 온도가 증가할수록 그 변화 폭도 커지는 것을 확인하였다. 이로부터 부식에 가장 민감한 위치는 열영향부이며, 온도가 높을수록, pH가 낮을수록 부식속도는 증가하는 것으로 나타났다. 이때 부식속도는 1.206mm/year로 평가되었다. 3) 황화물 응력부식균열 신뢰성을 평가하기 위해 2,160hrs 동안 실험을 수행한 결과, SSCC 하 한계 강도는 재료항복강도의 60%인 742kgf로 평가되었다.​​​​​​​
석유화학공업은 어떠한 문제가 있는가? 대표적인 장치산업의 하나인 석유화학공업은 원유 저장 및 정제시설들의 운전 환경이 상당히 가혹하기 때문에 부식에 의한 파손문제가 시설의 안전과 관리에 많은 장애 요인이 되고 있다. 부식성 환경에 의한 이들 시설의 파손은 타 공업 분야와는 달리 원유 중 포함되어있는 황화물, 염 화물, 질화물 등과 석유 정제 과정에서 발생되는 염화물과 황화물에 의한 것이 특징적이다.
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