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웅 육
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1 50 기술논문 저합금강재 (2.25C-1.0Mo) 반복보수용접열영향부의특성 이철구 * 안종석 ** 이남혁 ** 이길재 ** * 국립서울산업대학교기계공학과 ** 한국동서발전 ( 주 ) 발전처기술전문팀 A Chcttc of th Multl R Wldng HAZ n Low Alloy-Stl(2.25C-1.0Mo) Chul-Ku L*, Jong-Sok Ahn**, Nm-Hyuck L** nd Gl-J L** *Dt. of Mchncl Engnng, Soul Ntonl Unvty, Soul , Ko **Pow Gnton Dt. Ko Et-Wt Pow Co., Ltd, Soul , Ko Abtct A low lloy-tl(2.25c-1.0mo) h bn wdly ud fo bol ng, hd nd tub n hgh tmtu nd u condton of th thml ow lnt. It common knowldg tht th wldng mttd two o th tm by cutomy ctc ul, but th no gulton to lmt th numb of wldng b on th tudy ht-ffctd zon(haz), whch th wkt zon whn wldng und tkn, by xmnt bout th mtlloghc dgdton nd mchncl ot. Thfo, th tudy m to vfy th lblty of 5 tm wldng though conductng th xmntl obvton n th mchncl nd th mtlloghc chng on HAZ vyng wldng tm. In ult of th xmnt, t concludd tht th lblty w kt n HAZ vn u to th ffth. *Coondng utho : [email protected] (Rcvd Augut 2, 7) Ky Wod : Thml ow lnt, Low lloy-tl, Ht-ffctd zon, Mtlloghc dgdton 1. 서론 저합금강 (2.25C-1.0Mo) 은화력발전소보일러배관, 헤더및튜브류소재로광범위하게사용되고있으며발전설비의가혹한운전조건및용접성문제등으로손상된용접부에대한반복적인보수용접을빈번히경험하고있다. 오랜관행으로 2~3회정도의보수용접을허용하고있으나입열량 (Ht nut) 증가에의해발생하는취약지역인열영향부 ( 이하 HAZ) 의야금학적열화및기계적특성저하에대해연구를통한보수용접횟수를제한하는규정은없다. 본연구의목적은연속적인 5회보수용접을통해발생한 HAZ의기계적특성과야금학적변화를시험과 관찰을통해용접부품질에대한신뢰성여부를증명하고자한다. 2. 사용재료및실험방법 2.1 사용재료 본연구에서사용한보일러튜브는 SA213T22 (2.25C-1.0Mo) 이며 Ft 계기지조직과 Plt 계 (Ft계 + Cmntt 계 ) 로이루어진대표적층상조직으로상용화후 50년이상널리사용된소재로국내에서는 80년도초반에건설되어진화력발전소보일러최종단과열기, 재열기튜브및중요배관에서널리사용되고있다. 실험에사용된보일러튜브규격은외경이 38.0mm 이고두께는 9.5mm이며용접봉은 GTAW 용 ER90S- 50 Jounl of KWJS, Vol. 26, No. 1, Fbuy, 8

저합금강재 (2.25C-1.0Mo) 반복보수용접열영향부의특성 51 B3을사용하였으며화학조성은 Tbl 1과 Tbl 2에나타냈다. 2.2 실험방법 1회부터 5회까지의반복보수용접한시험편제작을위해 Fg.

각각의조건에서총 5개를제작하였고 1번시험편은 1회용접, 2번시험편은 1회용접후절단및재용접하는방법으로 3번 (2회절단및 3회용접 ), 4번 (3회절단및 4회용접 ), 5번 (4회절단및 5 회용접 ) 시험편을각각제작하였다.

2에나타낸바와같이용접하지않은시험편과반복보수 용접시험편의단면 HAZ에노치 (notch) 를가공하여샤르피 (chy v-notch) 시험장비를이용, 상온 (t 22 ) 에서충격에너지 (mct ngy) 를측정하였다. 인장강도는압입형인장강도측정기를이용하여 Fg.

야금학적특성변화를고찰하기위해반복보수용접시험편들을연마 (olhng) 후 2% 나이탈부식액 (ntl tchng) 을이용하여 4분동안부식한조건에서 Fg. 5 에서나타낸위치에서금속현미경을사용, 미세조직 (mco) 을관찰하였다.

Tbl 1 Chmcl comoton of th tub (wt-%) C C Mo Mn S P S 0.15 1.9-2.6 0.87-1.13 0.3-0.6 0.25-1.0 0.03 0.

2 저합금강재 (2.25C-1.0Mo) 반복보수용접열영향부의특성 51 B3을사용하였으며화학조성은 Tbl 1과 Tbl 2에나타냈다. 2.2 실험방법 1회부터 5회까지의반복보수용접한시험편제작을위해 Fg. 1에나타낸바와같이 30 각도의그루브 (goov) 및 루트갭 (oot-g) 을두고상온에서수평 (3G) 용접하였다. 각각의조건에서총 5개를제작하였고 1번시험편은 1회용접, 2번시험편은 1회용접후절단및재용접하는방법으로 3번 (2회절단및 3회용접 ), 4번 (3회절단및 4회용접 ), 5번 (4회절단및 5 회용접 ) 시험편을각각제작하였다. 용접변수는 Tbl 3에나타냈고용접부절단및그루브 (goov) 재가공시기존의 HAZ가손상되지않도록시험편의절대길이를유지하였다. 기계적특성변화를고찰하고자인성측정을위해 Fg. 2에나타낸바와같이용접하지않은시험편과반복보수 용접시험편의단면 HAZ에노치 (notch) 를가공하여샤르피 (chy v-notch) 시험장비를이용, 상온 (t 22 ) 에서충격에너지 (mct ngy) 를측정하였다. 인장강도는압입형인장강도측정기를이용하여 Fg. 3에서나타낸바와같이시험편용접중앙부를기준하여 간격으로 8개의측정점을선정, 측정하였다. 경도는미소경도계 (mco vck) 를이용하여 Fg. 4에나타낸바와같이 0.1mm 간격으로시험편좌측에서우측으로이동하면서측정하였다. 야금학적특성변화를고찰하기위해반복보수용접시험편들을연마 (olhng) 후 2% 나이탈부식액 (ntl tchng) 을이용하여 4분동안부식한조건에서 Fg. 5 에서나타낸위치에서금속현미경을사용, 미세조직 (mco) 을관찰하였다. 육안조직 (mco) 관찰을위해시험편을연마후 30% 질산부식액 (ntc-cd tchng) 을이용하여 30초간부식한조건에서비디오 (vdo) 현미경을사용하여시험하였다. Tbl 1 Chmcl comoton of th tub (wt-%) C C Mo Mn S P S Tnl tngth & Hdn Tt c Tbl 2 Chmcl comoton of th lctod (wt-%) OD t C C Mo Mn S Cu B10 7.5h 55L Chy V- Notch Tt Pc Elctod d(mm) Tbl 3 Wldng mt Pht tm( ) P.W.H.T Cunt (A) Fg. 2 Smlng oton 2.4 Mn. 150 Non 170~180 Voltg(V) 10~16 Wldng d 6~15 ( cm /m) Bd tch No. of P Stng 8 Low U A HAZ Fg. 3 Tt oton A 9.5t Low U 9.5t Fg. 1 Wld goov ngl nd dcton(3g) Fg. 4 Tt oton 大韓熔接接合學會誌第 26 卷第 1 號, 8 年 2 月 51

52 이철구 안종석 이남혁 이길재 규정한 163Hv(mx) 보다다소높은 180~Hv 를나 타내었고용접금속은 ~350Hv 정도를나타내었다. Low HAZ Fg. 5 Tt oton U HAZ의경도는 170~180Hv(Mx) 정도로서보수용접시험편들간의경도변화는큰차이가나지않았다.

3 52 이철구 안종석 이남혁 이길재 규정한 163Hv(mx) 보다다소높은 180~Hv 를나 타내었고용접금속은 ~350Hv 정도를나타내었다. Low HAZ Fg. 5 Tt oton U HAZ의경도는 170~180Hv(Mx) 정도로서보수용접시험편들간의경도변화는큰차이가나지않았다. HAZ 거리 ( 크기 ) 는 3~5mm 정도로서보수용접시입열량증가에의한 HAZ 변화는없었으며입상역구역에서경도가저하되는연화현상은나타나지않았다. 3. 실험결과및고찰 3.1 인장강도변화 Fg. 6은 1회부터 5회까지보수용접한시험편들의모재, HAZ 및용접금속 (wld mtl) 부위별인장강도변화를나타낸것이다. 모재의인장강도는 ASME 에서규정한 415MP(Mn) 보다다소높은 450~470MP 를나타내었고용접금속은 720~900 MP 정도로다소높은상태를나타내었다. HAZ의 (Fg.6 의 9mm부터 12mm 구간 ) 인장강도는 900 MP에서 450MP 로변화되는구간이며고장력강재에서나타나는입상역구역에서의연화현상은나타나지않았다. HAZ 거리 ( 크기 ) 는 3~ 5mm 정도로서 (Fg.6 의 9mm부터 12mm 구간 ) 입열량증가에따른 HAZ 거리 ( 크기 ) 변화는없었다. 5회용접시험편의강도변화지역이 1~3회시험편들과비교시넓은범위에걸쳐변화됨을알수있으며 (Fg. 6의 부터 15mm 구간 ) 4회용접시험편역시 1~3회시험편들과비교하면비교적넓은범위에서걸쳐인장강도값이변화되었고 (Fg. 6의 6mm부터 15mm 구간 ) 이는용접입열량이증가될수록모재에포함된크롬카바이드의거동변화에기인한다고판단된다. 3.2 경도변화 Fg. 7은 1회부터 5회까지보수용접한시험편들의경도변화를나타낸것이다. 모재의경도는 ASME 에서 Hdn [HV] Hdn [HV] Hdn [HV] Hdn [HV] Ft Dtnc fom Wldmnt [mm] Scond R Dtnc fom Wldmnt [mm] Thd R Dtnc fom Wldmnt [mm] Fouth R Stngth [MP] Dtnc fom wldmnt [mm] Ft Scond Thd Fouth Ffth Fg. 6 Indntton tnl tngth dt Hdn [HV] Dtnc fom Wldmnt [HV] Ffth R Dtnc fom Wldmnt [mm] Fg. 7 Hdn dtbuton 52 Jounl of KWJS, Vol. 26, No. 1, Fbuy, 8

열이부과되지않은모재와비교시최대 46%( 최소값기준 ) 정도의충격에너지 (mct ngy)

4 미세조직 (mco) 변화 Fg 8에서나타낸연속냉각곡선 (contnuou coolng

9의모재미세조직은 955 이상가열후일정시간을유지하면오스테나이트계 (utnt)

5c) 로냉각하는과정에서 1차로페라이트계 (ft) 기지조직 ( 사진 1 흰색영역 ) 이형성되었다.

조직이생성되었음을알수있으나원래의퍼얼라이트계조직중일부가미량의베이나이트계 (bnt) 조직화 (

Tbl 4 Imct ngy ult (J/cm 2 ) Fg 10에서나타낸 HAZ 조직인

5구간은세립역으로조직이재구성되어양호한조직구조를가지고있었으며 6구간은입상펄라이트역조직을나타내었다.

4 저합금강재 (2.25C-1.0Mo) 반복보수용접열영향부의특성 인성변화 Tbl 4는 1회부터 5회까지보수용접한시험편들의인성변화를나타낸것이다. 열이부과되지않은모재와비교시최대 46%( 최소값기준 ) 정도의충격에너지 (mct ngy) 가감소하였으나 SA213T22와동급소재인 10CMo910의충격에너지가 34J/ cm2 (mn) 인점을감안하면 2.5배의여유 (mgn) 가있었고입열량증가에대한충격에너지의증가또는감소현상은미소하였다. (cl b μm ) (cl b 50 μm ) Fg. 9 B mtl mcotuctu/1 cton 3.4 미세조직 (mco) 변화 Fg 8에서나타낸연속냉각곡선 (contnuou coolng tnfomton dgm) 에서확인할수있듯이 Fg. 9의모재미세조직은 955 이상가열후일정시간을유지하면오스테나이트계 (utnt) 조직을형성하다가상온까지일정냉각속도 (1.5~7.5c) 로냉각하는과정에서 1차로페라이트계 (ft) 기지조직 ( 사진 1 흰색영역 ) 이형성되었다. 이후 α-f + 시멘타이트 (cmntt) 가조합된퍼얼라이트계 (lt) 조직이생성되었음을알수있으나원래의퍼얼라이트계조직중일부가미량의베이나이트계 (bnt) 조직화 ( 퍼얼라이트계조직의입자가미세하게변화 ) 됨을확인할수있다. Tbl 4 Imct ngy ult (J/cm 2 ) Fg 10에서나타낸 HAZ 조직인 3구간은부분용융역모재경계선 (wld Intfc) 으로조직은수지상정과입자 (gn) 크기가다소조대한베이나이트계조직의혼합형태를나타내며 4구간은조대화구역으로용접열에의해입자가성장된형태를나타낸다. 5구간은세립역으로조직이재구성되어양호한조직구조를가지고있었으며 6구간은입상펄라이트역조직을나타내었다. F t Clfcton B mtl Ft Scond Mnmum 147 J 92 J 125 J Mdum 149 J 97 J 139 J Thd Fouth Ffth 68 J 99 J 88 J 97 J 110 J 91 J DIN cod 17175(Ed 79) Mn 34J (10CMo910) 3 cton 5 cton 4 cton 6 cton S c Tmtu, Fg. 8 Tm fom 1750 (955 ), h SA213T22 CCT Dgm (Vllouc Indut. Th T22 Book) Tmtu, o n d 3 cton 4 cton 5 cton 6 cton 大韓熔接接合學會誌第 26 卷第 1 號, 8 年 2 月 53

5 54 이철구 안종석 이남혁 이길재 또한각시험편의미세조직관찰결과입열량차이에 의한입자크기가다소변화하였으나결함이나불균등성 T h d 등은나타나지않았다. Fg. 11은용접금속의미세조직을나타냈다. 용접금속조직은용접면부터급냉되어얇은급냉층이생성되었고급랭중내부로갈수록온도구배가완만하게되어용융금속의응고는주로용접면 ( 벽면 ) 에수직으로진행됨으 3 cton 4 cton 로써수지상정 (dndt) 모양으로형성되었다. 또한길고엷은형태로응고된 α-f와시멘타이트혼합조직인베이나이트계조직이형성되었음을확인할수있다. 3.5 육안조직 (mco) 변화 각시험편들의육안조직관찰결과를 Fg. 12 에나타 5 cton 6 cton 내었다. HAZ의크기는 3~5mm 정도로서보수용접횟수차이에따른입열량증가에기인한 HAZ 크기 ( 거리 ) 변화는미소하였다. F o u t h 3 cton 4 cton 3.6 기계적특성변화종합 4회, 5회보수용접한시험편이 1~3회보수용접시험편보다인장강도의변화지역즉 HAZ 구간이넓게나타냈으나입열량증가에의한것인지는증명할수없으며 HAZ의최소요구강도는각시험편마다 ASME 요구치를만족하고있어문제점은없는것으로판단된다. 각시험편들의 HAZ 거리 ( 크기 ) 는 3~5mm 정도로서입열량차이에의한변화는없었고입상역에서경도가저하하는연화현상은나타나지않았으며인성의증가또는감소는미소한정도로판단된다. 5 cton 6 cton 3.7 야금학적특성변화종합 F f t h 입열량차이에의한미세조직입자크기차이는일부있었으나결함이나불균등성은나타나지않았고각시험편 HAZ 의크기및형태등차이점을조사한결과거시적인변화도없었다. 3 cton 4 cton 5 cton 6 cton (cl b μm ) (cl b 50 μm ) Fg. 10 HAZ mcotuctu(, cl b 50 μm ) Fg. 11 Wldmtl mcotuctu / 2 cton 54 Jounl of KWJS, Vol. 26, No. 1, Fbuy, 8

6 저합금강재 (2.25C-1.0Mo) 반복보수용접열영향부의특성 결론 Ft HAZ wdth : 3~4mm Scond HAZ wdth : 3~5mm 저합금강재 (2.25C-1.0Mo) 의반복보수용접에따른 HAZ 특성변화에대해시험한결과그동안관례적으로 2~3회정도로제한하여보수용접을시행하고그이상의수정용접이필요할경우소재교체를고려하였으나금번 5회연속적으로보수용접한용접부의기계적, 야금학적시험을통해용접부취약개소인 HAZ의품질신뢰성이유지되고있음을확인하였고따라서보일러튜브두께는 10mm 이내로얇아 5회이내의보수용접을시행하여도 HAZ 특성을저해시킬정도의입열량이소재에부과되지않는다는것이증명되었다. 이를감안하면상기용접변수를만족하는신규소재의조건하에서5 회이하로제한하여보수용접을적용하여도정비품질에문제는없는것으로판단된다. Thd HAZ wdth : 3~4mm Ffth HAZ wdth : 4~5mm Fg. 12 HAZ mcotuctu Fouth HAZ wdth : 3~4mm 참고문헌 1. H. Fuuy : A Nw Pool of HAZ Thoughn Evluton Mthod,Wldng Jounl,(7.1),1~8 2. C. Sudh : A Mcotuctu nd Mcochmty of Hd Zon n Dml Wldmnt of C-Mo Stl, Wldng Jounl, (6.4), 71~80 3. Lundn : Advnc n Wldng Scnc nd Tchnology, ASM Intntonl, 475(n Amcn) 4. Sok-Joo Hong, Sung-Ho Hong : Th Sttu of R Wldng fo Pow Plnt, Jounl of KWS, 23-1(5), 26~ 29(n Kon) 5. Vllouc Indut. Th T22 Book, 27(n Fnc) 大韓熔接接合學會誌第 26 卷第 1 號, 8 年 2 月 55

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DBPIA-NURIMEDIA 17 특집 : 용접산업의시뮬레이션기법활용 외력이작용하는용접구조물에용접잔류응력이미치는영향 Influence of Welding Residual Stress on the Externally Loaded Welded Structure Hee-Seon Bang, Chang-Soo Park, Chan-Seung Ro, Chong-In Oh and Han-Sur Bang