초록 ▼

Ⅰ. 제 목 전기화학적 재료열화 계측·평가기술 개발 Ⅱ. 연구개발의 목적 및 필요성 석유화학플랜트는 고온·고압 부식 환경에서 운전되므로, 열적, 기계적, 화학적 조건에 따라 생길 수 있는 재료의 손상과 열화는 다종다양하여, 설비의 효율적 관리를 위해서는 재료의 열화상태를 정확하게 진단하여 잔존수명 예측을 통하여 설비의 예상치 않은 손상에 따른 재난을 방지하고, 소재활용의 경제성을 확보할 수 있는 진보된 Monitoring 진단방법에 관한 요소기술들의 개발 중요성은 대단히 크다. 특히, 우리나라의 석

Ⅰ. 제 목 전기화학적 재료열화 계측·평가기술 개발 Ⅱ. 연구개발의 목적 및 필요성 석유화학플랜트는 고온·고압 부식 환경에서 운전되므로, 열적, 기계적, 화학적 조건에 따라 생길 수 있는 재료의 손상과 열화는 다종다양하여, 설비의 효율적 관리를 위해서는 재료의 열화상태를 정확하게 진단하여 잔존수명 예측을 통하여 설비의 예상치 않은 손상에 따른 재난을 방지하고, 소재활용의 경제성을 확보할 수 있는 진보된 Monitoring 진단방법에 관한 요소기술들의 개발 중요성은 대단히 크다. 특히, 우리나라의 석유화학 산업설비들의 대부분은 고유의 설계수명에 가깝거나 초과하여 노후화된 상태이므로, 고온설비의 안전성과 효율적인 운전을 위하여 사용재료별 열화기구와 계측평가방법, 재료특성변화와의 상호관계 등 각종의 열화정보를 종합화하여 실제플랜트에 적용할 수 있는 응용연구의 필요성은 더욱 중요하다. 고온·고압조건에서 일어나는 경년열화 현상은 주로 미세조직변화에 의해 일어나며, 재료의 전기화학적 거동은 미세조직에 극히 민감한 현상을 근거로 전기화학적으로 계측량의 물리적 내용을 명확히 할 수 있으면서 다양한 손상기구에도 적용 가능한 새로운 기술로서 전기화학적 분극방법을 응용하므로서 플랜트 구조재료의 손상 평가방법으로 제안된 기존의 방법들과 조합, 상호 보완으로 정도향상과 평가범위의 확대를 통한 설비의 열화도 평가기술의 고도화 및 수명관리를 위한 시스템의 구축에 본 연구의 목적을 두고 있다. Ⅲ. 연구개발의 내용 1. 전기화학적 방법에 의한 열화도의 정량적인 계측ㆍ평가 기술 ○ 대상 강종 : 2.25Cr-1Mo, 1.25Cr-0.5Mo, 9Cr-1Mo, mod. 9Cr-1Mo 합금강 ○ 재질적 열화(미세조직과 탄화물 형태 변화)와 분극특성과의 상관관계 규명 ○ 강종별 최적 전해액 선정 및 정량적 열화도 계측ㆍ평가 방법의 표준화 ○ 분극특성을 이용한 열화도 평가기술 개발 2. 현장적용 ○ 현장적용을 위한 휴대용 셀 제작 및 측정 시스템 제작 ○ 실제 현장의 실증실험을 통한 적용 가능성 및 유용성 확인 ○ 정도향상을 위한 기존의 평가법에 의한 Data들과의 비교 및 상호보완 3. 수명관리용 데이터베이스 및 수명평가 시스템 구축 ○ 수명관리를 위한 강종별 표준 실험조건 및 결과의 Data Base화 ○ 대상강종의 분극특성 및 Creep Test결과를 이용한 수명예측 프로그램 개발 ○ Data Base 활용과 정도향상을 위한 종합적인 수명평가 시스템 개발 Ⅳ. 연구개발결과 1. 전기화학적 방법에 의한 열화도의 정량적인 계측ㆍ평가 기술 개발 ○ 분극시험 결과, 열화에 따른 미세조직 및 석출탄화물의 양적 변화를 정량화 할 수 있는 최적의 전해액과 특정 전위(Potential)의 전류밀도값 Ip 확인. ○ 다양한 조건의 분극시험 수행으로, 최적의 조건을 선정하므로서 분극특성을 이용한 재료열화의 계측·평가 방법의 재현성확인 및 표준화. ○ 분극 특성 값 Ip와 시효 파라메타인 LMPs 및 수명소비율의 상관관계를 통하여, 분극시험을 이용한 재료의 정량적 열화도 계측 가능성 제시. 본 연구의 결과들을 종합하여 요약하면, 석유화학 플랜트용 구조재료인 Cr-Mo 합금강들의 열화현상은 실사용 혹은 인공시효시간의 증가에 따라 탄화물과 미세조직의 변화에 의해 일어나며, 적정용액에서 분극시험시 나타나는 전류밀도값 Ip는 조대한 탄화물의 선택적 용해에 의한 과정에서 나타나는 현상임을 확인할 수 있었으며, 전류밀도 Ip 변화는 탄화물 조대화에 의한 파단양상천이온도(FATT) 상승, 연화(Softening)의 정도를 나타내는 경도 변화와 좋은 상관관계를 보이므로 기계적 성질의 열화정도를 추정할 수 있을 뿐만 아니라, Creep 수명평가에 요구되는 LMP값과도 독특한 상관성을 가지고 있으므로 실제 조업온도 추정과 잔존수명 계산을 위한 지표로도 활용될 수 있다. 2. 현장적용 전기화학적 분극특성을 이용한 재질열화의 계측·평가 기술 개발을 위제 플랜트에 적용해 본 결과, 대체로 좋은 적용가능성을 얻었다. ○ 실험실적 연구결과를 기초로 현장 휴대용 분극장치와 셀을 제작하여 로(Furnace)와 Heater류에 적용 실증단계를 거침. ○ 현장 여건상 대두된 주변환경(전해액 오염, 주위 온도, 접근 가능성 등) 특히, 누전 문제 등은 대책 마련으로 해결되어야 될 문제점이지만 측정결과 현장적용성은 충분한 상태. ○ Replica 법, 초음파 법 등의 기존의 비파괴적 방법의 한계 및 파괴적 방법으로 엄청난 시간과 경비가 소요되는 Creep Test 대체 방안으로서의 활용 이점 등을 상호 보완하여 열화상태 진단과 잔존수명예측의 정도향상 기대. 3. 수명관리용 Data Base 및 수명평가 시스템 구축 수명평가의 정도향상을 위하여 기초자료 및 표준화된 시험조건 등의 Data Base, 분극특성 및 Creep 결과를 이용한 수명예측 프로그램을 제작하여 종합적인 수명평가 시스템을 구축하였다. ○ 수명관리용 데이터베이스 프로그램을 구축하여, 기초자료 및 각 강종의 표준화된 실험 조건들의 Data Base화, 분극특성 결과에 의한 LMPs, 조업온도, 조업시간, 수명 소비율 등의 예측 가능. ○ Creep결과 시효에 따른 파단수명 감소 경향과 수명 손상율의 개념을 이용하여 수명예측 프로그램 개발. ○ 손상기구, 기계적 성질 변화 등 주변 기초자료와 표준화된 시험조건 등의 Data Base, 분극특성 및 Creep 결과를 이용한 수명예측 프로그램을 통합하여 종합적인 수명평가가 가능. Ⅴ. 연구개발결과의 활용계획 21세기의 장기 에너지 전망에 의하면 에너지 수요는 높아지고 안정한 공급체제가 요구되지만 세계적 자원환경문제나 입지의 곤란성 등에 의하여 신규 플랜트의 건설이 용이하지 않기 때문에 현재의 플랜트를 장기적으로 안전 운용하는 수명연장기술에 대한 사회적 요청과 기술적 수요는 증가되고 있다. 석유화학 플랜트에 가장 흔히 사용되면서 손상사례가 많은 고온·고압용 Cr-Mo 탄소강을 대상으로 열화도의 정량적 평가 방법 및 수명관리용 데이터베이스 및 수명평가 프로그램을 개발함으로써 기존의 재질열화 평가법의 정밀도를 향상시키는 요소기술로서 활용될 것이다. 그러므로, 충분한 현장적용 실증시험을 통해 개발과 Data 축적이 완료되면 고온·고압에서 사용되고 있는 석유화학 설비의 Boiler, Heater Furnace, 압력용기, 고온 배관류의 열화도 평가에 직접 적용될 수 있어, 기술수요자들인 석유화학 장치 운용자들의 공통애로기술 분야 해소 및 기술이전 전파에 활용될 수 있을 것이다. 또한, 더욱 심한 조건에서 사용되는 고급 강재들(Stainless 및 Ni base alloy 등)에까지 대상범위를 확장하고, Cr-Mo 합금강재에 대한 실험 Data를 보완, Data Base화하여 수명평가 프로그램을 확장함으로써 국내 기술 수준의 향상과 Engineering분야의 대외 의존도 감소에 기여할 것으로 기대된다.

Abstract ▼

Ⅰ. Title Development of In Situ Evaluation of Material Degradation by Electrochemical Technique Ⅱ. Objectives and Importance of Study Damage Phenomena in petrochemical plant components exposed to the severe operating condition include many failure mehanisms such as softening, temper embrittlem

Ⅰ. Title Development of In Situ Evaluation of Material Degradation by Electrochemical Technique Ⅱ. Objectives and Importance of Study Damage Phenomena in petrochemical plant components exposed to the severe operating condition include many failure mehanisms such as softening, temper embrittlement, carbide induced embrittlement, creep, fatigue and corrosion etc.. Condition monitoring methods for the material degradation are key technologies to ensure the reliability of operating plant based on the sufficient knowledge of material characteristics, damage mechanism and to improve the accuracy of the material deterioration degrees and the remain life prediction by applying newly developed nondestructive evaluation techniques. A large percentage of domestic petrochemical plants have been in operation for such long durations that the critical components of these plants have been used near by and well beyond the normal design life. Therefore it is becoming more important to obtain with systematically the quantitative information about material degradation for an integrity assessment and rest life management of the facilities on the part of many plant owner. Electrochemical techniques are employed based on facts that materials degradations are caused by changes in microstructure and carbide morphology of alloys, and that electrochemical properties of materials are sensitive to microstructural changes. Electrochemical materials characterization methods (EMAC) utilize a preferential dissolution of specific phase, which is the cause of degradation, physical meaning of the measurements and its relation to the degradation mechanism are clear. The objectives of this study are to develope quantitative assessment techniques for materials degradation using electrochemical method, to approve the field applicability, and to construct the database and life evaluation system needed in the practical use. Ⅲ. Contents and Scope 1. Quantitative assessment techniques for materials degradation using electrochemical method ○ Steels : 1.25Cr-0.5Mo, 2.25Cr-1Mo, 9Cr-1Mo, mod. 9Cr-1Mo alloys ○ Confirming relationship between materials degradation and polarization characteristics. ○ Standardization of quantitative degradation evaluating techniques, and selecting optimal electrolyte for the steel grades. ○ Development of degradation evaluating method, applied by electrochemical methods. 2. Field application ○ Design and making a portable cell and measuring system for field application. ○ Confirming possibility and usability of field application through field proof tests. ○ Considering compatibility(accuracy, effectiveness) of this method with other nondestructive/destructive evaluation method. 3. Constructing database and life evaluation system ○ Database of creep data, standard test conditions and results ○ Development of remaining life prediction program. ○ Development of consolidated evaluation system for material deterioration and plant life management. Ⅳ. Results 1. Quantitative assessment techniques for materials degradation using electrochemical method ○ Ip - current density measurements at the specific potential range were sensitive to carbides and precipitates due to aging conditions. ○ With relationships between Ip and FATT, Hardness, LMPs / life fraction rate, the quantitative evaluation for degrees of Materials degradations were possible. ○ The optimized test condition and evaluation method were obtained with high replication after try and error methods and standardized. Based upon the results obtained in the present study, the material degradations derive mainly from microstructural change and a series of transformation of carbide phases with incresing aging in service or artificial aging in laboratory. For the Cr-Mo alloy steels, used most widely in petrochemical plant components, the current density peak Ip mainly caused by selective dissolution of coarse carbide during polarization measurement in appropriated solutions. Ip can represent as a reflective parameter of amount of coarse carbide and shows relatively good correation with the shift in FATT caused by carbide coarsening and with hardness change and also LMP value, which are required to make creep life calculation, has a unique relationship with Ip values 2. Field application Besides the fundamental research for method development in laboratory, In situ portable measuring devices and system for application to actual plant have been developed and good applicability has been demonstrated ○ Polarization test cell and system were built for the actual field application. ○ In field application, although there are some problems due to site environment such as contamination of electrolyte, temperature control, shape and size of cell, accessability, especially leakage and stray current. The possibility of applying this method to the field was certified agreeable. ○ To acquire more reliable degree of test results, it is preferred together with other nondestructive evaluation methods, such as replication method, etc.. 3. Constructing database and life evaluating system Database for material degradation and life evaluating program have been prepared , which make a life evaluation method more precisely and comfortably for the practical use. ○ Database program was constructed to regulate the standard test condition. Input the test result, Ip, you will show the calculated results, LMPs, operation temperature, operation time, life fraction rate(%). ○ Creep rupture data for test materials were acquired to develop the remaining life calculation program. ○ Database program, remaining life calculation program, and materials degradation evaluating program, which is involved in database program, make it possible to evaluate materials degradation through electrochemical polarization test. Ⅴ. Application of Results In the past, Concern in the petrochemical industry regarding selection of material has focused largely on safety and economic issues against unexpected equipment failures. More recently, however, the need for extension of lives of current plants approaching and well beyond their original anticipated durations has also become an important issue. The electrochemical method can be used as a nondestructive technique to obtain quantitative information on material condition in term of Larson Miller type aging parameter and metal temperature in service operation, which are required to make creep life calculation, in stead of the time and cost consuming destructive creep test works. Electrochemical methods for this degradation have been successfully developed and therefore prepared the electrochemical methods and life evaluation program would be broadly used in petroleum plants, as an effective technique for evaluating materials degradation and life time management. In order to provide more improved sensitivity and accuracy in material degradation evaluation by this electrochemical characteristics, it will be necessary to compile of data from many additional tests and to study further for the higher grade steels such as austenitic, dual phase stainless and Ni base alloy steels and to combine with other proposed and emerging new evaluation techniques.

목차 Contents

• 제 1 장 서론 ... 17
• 제 1 절 연구개발의 필요성 ... 17
• 제 2 절연구개발의 범위 및 목표 ... 18
• 제 2 장 국내외 기술개발 현황 ... 20
• 제 1 절설비진단, 열화도 평가 및 수명관리 기술 현황 ... 20
• 1. 외국의 경우 ... 20
• 2. 국내의 경우 ... 21
• 제 2 절 전기화학적 방법에 의한 재료의 열화도 평가 연구개발 동향 ... 22
• 제 3 장 연구개발수행 내용 및 결과 ... 26
• 제 1 절 개요 ... 26
• 제 2 절 문헌고찰 ... 27
• 1. 석유화학설비용 사용재료 ... 27
• 2. 열화도 및 잔존수명 평가기술 ... 30
• 3. 열화에 따른 Cr-Mo강의 미세조직 및 탄화물 형태 변화 ... 41
• 4. Cr-Mo강의 충격천이 온도변화와 취화기구 ... 48
• 제 3 절 시험재료 및 실험방법 ... 49
• 1. 시험편 ... 49
• 2. 미세조직 및 추출 탄화물 관찰 ... 51
• 3. 충격천이온도(FATT)의 변화 관찰 ... 51
• 4. 미소경도(Hv)의 변화 관찰 ... 52
• 5. 시효의 영향에 의한 Creep(Stress-Rupture)수명의 변화 관찰 ... 52
• 6. 분극특성변화 관찰 ... 53
• 제 4 절 결과 및 고찰 ... 58
• 1. 열화에 따른 미세조직 및 탄화물의 변화 ... 58
• 2. 열화에 따른 충격특성의 변화 ... 70
• 3. 열화에 따른 경도변화 ... 77
• 4. Creep(Stress-Rupture)수명에 미치는 시효의 영향 ... 81
• 5. 열화에 따른 분극특성 변화 ... 85
• 6. 기계적 성질과 분극특성의 상관관계 ... 103
• 7. 현장적용 ... 114
• 8. 수명관리용 데이터베이스 및 수명평가 프로그램 ... 117
• 제 5 절 결론 ... 123
• 제 4 장 연구개발목표 달성도 및 대외기여도 ... 126
• 제 1 절 연구개발목표 달성도 ... 126
• 제 2 절 대외기여도 ... 128
• 제 5 장 연구개발결과의 활용계획 ... 129
• 참고문헌 ... 130