85 연구논문 ERW 강관에서홈부식의가속화에미치는유동의영향에관한연구 김재성 * 김용 *** 이보영 ** * 한국항공대학교항공우주및기계공학과대학원 ** 한국항공대학교항공우주및기계공학부 *** 고등기술연구원로봇생산기술센터 Study on the Effects of Flows on the Acceleration of the Grooving Corrosion in the ERW Pipe Jae-Seong Kim*, Yong Kim*** and Bo-Young Lee** *,** Dept. of Aerospace and Mechanical Engineering, Korea Aerospace University, Koyang 412-791, Korea ***Center for Robot & Manufacturing, Institute for Advenced Eng., Yongin 449-863, Korea * Corresponding author : bylee@kau.ac.kr (Received June 11, 2008 ; Revised June 23, 2008 ; Accepted July 31, 2008) Abstract The grooving corrosion is caused mainly by the different microstructures between the matrix and weld which is formed during the rapid heating and cooling cycle in welding. By this localized corrosion reaction of pipes, it evolves economic problems such as the early damage of industrial facilities and pipe lines of apartment, and water pollution. So lots of researches were carried out already about grooving corrosion mechanism of ERW carbon steel pipe but there is seldom study for water hammer happened by fluid phenomenon and corrosion rate by flow velocity. In this study, the analysis based on hydrodynamic and fracture mechanics was carried out. ANSYS, FLUENT and STAR-CD were used for confirmation of flow phenomenon and stress on the pipe. As the results, fatigue failure is able to be happened by water hammer and grooving corrosion rate is increased cause by turbulent. Grooving corrosion is happened on the pipe, then friction loss of fluid is occurred from corroded part. Erosion can be happened enough in corroded region of microscopic size that wear V form. Also pipe is able to be damaged by water hammer effects because of corroded region is general acting as a notch effects. Corrosion depth was more than half of total thickness, it can be damaged from water hammer pressure. Key Words : ERW, Grooving corrosion, erosion, carbon steel pipe, Water hammer, Turbulent, Laminar R e f u * : Reynolds 수 : 마찰계수 : 평균유속 (m/s) : 전단응력속도 (m/s) K : 체적탄성계수 (keg/m 2 ) E : 관의영률 (kg/m 2 ) 기호설명 V p σ v τ o : 압력파의전파속도 (m/s) : 폰미제스응력 (MPa) : 벽면전단응력 (MPa) Υ : 비중량 (kg/m 3 ) μ : 점성계수 (kg/ms) ρ : 밀도 (kg/m 3 ) υ : 동점도 (m 2 /s) δ l : 점성저층의두께 ( μm ) 大韓熔接 接合學會誌第 26 卷第 4 號, 2008 年 8 月 395
86 김재성 김용 이보영 1. 서론 강관은물, 유류, 천연가스등을운송하는배관용및건물의골조, 유압및공압실린더, 가이드레일등의기계적부품으로도널리사용되기도한다. 이렇게사용되는강관의 70% 이상은고주파전기저항용접 (High Frequency Electrical Resistance Welding, 이하 ERW) 으로제조되고있다 1). ERW 강관은강재의롤 (roll) 에의해서원형으로연속성형한후판재 (sheet) 의끝단에가공된 V 형의이음부를고주파전류에의한줄 (Joule) 열로가열하고곧바로스퀴즈롤 (squeeze roll) 로서가압접합함으로서제조된다. 이렇게제작된 ERW 강관을해수, 공업용수및음용수등의배관으로사용할경우용접선을따라깊은 V 형의국부적인부식현상이종종발생되는데이를홈부식또는구상부식 (grooving corrosion) 이라하며실제우리생활주변에서자주관찰되는부식유형으로알려져있다. 홈부식의발생원인에대해몇몇연구자들은 ERW 공정상발생할수밖에없는강관내면비드의제거로인해용접부내에존재하던 MnS 개재물이강관표면에노출되어부식환경과직접접촉해용접부만집중적으로부식된다고발표하였다. 또한용접부의경우급열 급냉되므로조직이다른부위와상이하며, 용접중편석등이일어나용접부와비용접부사이의전위차가 50mV 정도발생하게되어갈바닉 (galvanic) 부식으로인한부식속도가증가한다는주장도있다 2-5). K. Risch 의경우홈부식사례의관찰결과로부터산화물이나황화물입자등비금속개재물과용접금속계면에서틈새부식 (crevice corrosion) 이발생하여홈부식이시작된다고주장하였으며 V자형홈부식의밑바닥에서틈새부식이진행하고있음을사례로들어설명하였다 6). 그러나지금껏발표된결과들은대부분조관과정에서의일반적인사항만을논하고있을뿐, 홈부식틈새로인해부차적으로발생되는유체흐름의변화와수격현상으로인한응력변화에대한연구는미비한실정이다. 실제로 ERW 방법으로제조된강관의부식은조관과정에서의용접과밀접한관련이있는부식이지만, 수용액의조건및사용조건등환경인자의영향또한무시할수없다. 아파트등실제현장에서 ERW 강관에흐르는유체는비드가제거된내면부위에서와류 (vortex) 를일으켜기계적침식 (erosion) 을수반할가능성이있으며, 수격현상으로인해부식부위에서반복피로하중을받아부식의전파속도가증가되어최종적으로파손되는경우도예상할수있다. 이에본연구에서는부식이일부진행된 ERW 강관을대상으로강관내부유동이홈부식감수성및부식속도에주는영향을확인하고자하였다. 이를위해실제 사용환경을모사할수있는경계조건을선정하여유한요소해석및유체해석을실시하였다. 이러한결과를바탕으로하여 ERW 강관에서발생하고있는결함발생에의한피해를극소화시킴으로서안전하고효율적인관리에기여하고자한다. 2. 유동현상 2.1 유속에따른부식속도의변화 물또는중성수용액중에서철이부식되려면용존산소와동시에음이온이존재하여야하며, 그렇지않으면철의부식이발생하지않는다. 그러므로음이온의존재와함께용존산소농도가증가할수록홈부식율도증가한다고알려져있다 6). Fig. 1에서보는바와같이용액과금속과의계면에는금속면에가깝게존재하며거의움직이지않는얇은층이있으며, 이를점성저층 (viscous sublayer) 이라한다. 부식이일어나기위해서는용존산소가확산을통해이층을통과하여금속면에도달해야만하는데일반적으로정지하고있어움직임이없는용액에서는이층의두께가 1mm정도가되지만, 물이움직이면수십분의 1 이하로감소해서산소의확산은쉽게된다. 파이프내의유체유동이비압축성유동일때, 유동 ( 층류또는난류 ) 의특성은레이놀즈 (reynolds) 수, R e, 라는무차원변수값에따라결정된다. 통상적으로 R e<2300 이면층류이고그값이상에서는난류가되며, 이는식 (1) 을통해구할수있다 7-9). 식 (1) 을이용하여층류유동을하는이론적인최고유속을구하면그속도는약 0.052m/s가나오며, 그이상의속도에서는난류유동을하게된다. 통상적으로수도용강관에흐르는물의유속은 1.0m/s 이상으로난류가형성되는것을확인할수있다. Laminar flow (a) Boundary layer thickness on laminar flow Turbulent flow High-speed sweep (b) Boundary layer thickness on turbulent flow Viscous sublayer Viscous sublayer Fig. 1 Differences of layer thickness depend on flow conditions 396 Journal of KWJS, Vol. 26, No. 4, August, 2008
ERW 강관에서홈부식의가속화에미치는유동의영향에관한연구 87 유체와금속간의접촉으로인한부식은식 (2) 와같이전단응력속도 (shear stress velocity) 를계산함으로서그정도를파악할수있으며, 이값은벽면전단응력 (Wall shear stress) 과마찰계수의함수로나타낼수있다. 이는식 (3) 에서 (5) 를이용하여계산가능하다 10-11). 또한식 (6) 을이용하여점성저층의두께가계산되며 12), 이두께가작을수록용존산소의확산이쉽게되어부식이빨라진다고할수있다. (1) (3) (5) (6) 2.2 배관내의수격현상 배관내의유체흐름이급격한밸브작동등에의하여운동상태에갑작스러운변화가발생하면유체의운동에너지가압력에너지로변화하여압력상승이일어나고, 이때상승된압력은압력파가되어관로를왕복하면서점차감쇠된다. 이러한현상을수격현상 (water hammer) 이라고하며이때의상승된압력을수격압이라고한다 13-14). 발생한수격압은배관의진동과그로인한소음을 (2) (4) 계산할수있다 11). (9) (10) 3. 실험방법 3.1 유속에따른부식정도해석 D.A. Jones 16) 는스테인리스강의공식 (pitting) 등과같은국부부식의경우는침식부식의원리에의해발생하고이러한침식부식은난류유동의경우에나타난다고발표하였다. 이것은즉 Fig. 1 (b) 에서와같이국부적으로부식된곳에유체흐름의방해로인해와류가형성되어점성저층의두께가감소되며용존산소가금속면과도달하기훨씬수월해진다는것을말한다. 따라서본연구에서는부식이발생되지않은매끄러운강관과부식이진행된강관과의유체흐름을비교해석하여홈부식의가속화에대해확인하고자하였다. 해석값에대한신뢰도를명확히하기위하여우선적으로홈부식손상된강관의단면을관찰하여부식부위를실측모델링하였으며, 이를해석하기위하여상용열 유체해석프로그램인 STAR-CD 3.0와 FLUENT 6.0을사용하였다. 강관홈부식부분에대한모델링은 Fig. 2의 (a) 및 (b) 의실측치수를대입하였으며, 수돗물이 44mm 의지름을갖는 ERW 강관을가득히채운상태에서 1.8m/sec 의속도로흐르고있다고가정한후, 부식부위를중심으로 1/4 영역에대해해석하였다. 3.2 수격현상에따른배관응력해석 일으키며심한경우배관이나부속기기류가파손되는등배관계의내구연한이감소될수있다. 이러한수격현상시압력파의전파속도및유체의운동에너지가압력에너지로변화하여발생하는최대수격수두는다음과같이 Allievi 15) 에의해제안된식 (7) 과식 (8) 을이용하여구할수있다. (7) 부식형태를확인하기위해각기다른입열조건으로제조된 6가지의 ERW 강재를사용하여자연부식시험을실시한후표면조도측정기로측정한결과 Fig. 2와같 또한수압으로걸리는압력과그에따라파이프에걸리는전단변형에너지는폰미제스응력 (von mises stress) 으로표현할수있으며그값은식 (10) 에의해서 (8) Fig. 2 (a) (b) Cross-section micrograph of started corrosion (a) and penetrated until a middle of thickness on the pipe (b) for the modeling of fluid analysis, en-etched 大韓熔接 接合學會誌第 26 卷第 4 號, 2008 年 8 月 397
88 김재성 김용 이보영 이부식폭은 6가지의강종모두약 0.5mm 로용접부폭전체가부식되며부식깊이만변화되고있는것을관찰할수있었다 17). 이에따라폭은 0.5mm로고정하고깊이만 0.5mm, 1.0mm, 1.5mm, 2.0mm 및 2.5mm로변화시켜 ERW 강관의파손에영향을주는폰미세스응력의변화를해석하였다. 해석은범용구조해석프로그램인 ANSYS 를사용하였으며, 실제부식은 U 형상을띠지만단순해석을위하여 V-노치형상으로모델링하였다. 또한, 수격현상으로인해배관에발생하는순간적인폰미세스응력을구하기위하여식 (7) 부터식 (9) 를사용하였으며, 실제배관에걸리는원주방향응력 (σ real) 을안전율을고려했을때의배관의허용응력 (σ allow) 값과비교하여사용중수압으로인한균열발생가능성을검토하였다. 4. 결과및고찰 4.1 유속변화에따른부식발생가속화 지금까지유속과부식률과의관계에대해발표된여러결과들을보더라도유속의증가는부식률을증가시킨다는결론을얻을수있다 6). 따라서점성저층의두께가얇을수록용존산소의확산은쉽게일어난다는유체역학의이론적배경을바탕으로유속에따른경계층두께의변화를계산하였다. 식 (4), (5) 와같이무차원계수인마찰계수를층류와난류에따라정의하였으며, 식 (6) 에의해경계층두께를계산하였다. 이모든계산은 Table 1 Analysis conditions in this paper K (kg/m 2 ) 3.15 10 8 t (mm) 3 E (kg/m 2 ) 2.10 10 10 D (mm) 44 Υ (kg/m 3 ) 1000 ρ (kg/m 3 ) 1000 μ (kg/ms) 1.002 10-3 ν (m 2 /s) 1.002 10-6 Shear stress velocity, u * (ms -1 ) 0.16 0.12 0.08 0.04 0.00 10 3 10 4 10 5 Reynolds number(r e ) Fig. 4 Shear stress velocity vs. Reynolds number Table. 1에주어진물의밀도, 동점도및점성계수값을사용하였으며, Fig. 3 및 Fig. 4에서보여주는것과같이전단응력속도와경계층두께는서로반비례하다는것을알수있다. Fig. 3은유속의증가에따른점성저층두께의감소변화를나타낸그래프로서 Re값이 2,300이되는지점에서배관내부에흐르는물의유속은약 0.052m/s이며, 이때형성되는경계층두께는약 0.823mm정도이다. 그러나유속이점차적으로증가하여 1m/s가되면 Re값은 4,5000으로난류유동을하게되며, 그때형성되는점성저층의두께는약 0.067mm로금속면과거의밀접한상태가된다. 이는유속이빨라짐에따라점성저층의두께가얇아지고용존산소가금속면에도달하는것을더욱용이하여부식발생이빨라질수있다는것을보여준다. 또한, Fig. 4에서나타내는것과같이 Re값의증가로유속이증가할수록전단응력속도가증가되며, 이로인해관로와유체사이에서의마찰이침식에의한부식발생을더욱촉진시킬것이다. Viscous sublayer( μm ) 1400 1200 1000 800 600 400 200 0 10 3 10 4 10 5 Reynolds number(r e ) Fig. 3 Viscous sublayer thickness vs. Reynolds number Inner surface of metal Fig. 5 Distribution of fluid velocity in the laminar flow(inlet flow speed = 0.02m/s) 398 Journal of KWJS, Vol. 26, No. 4, August, 2008
ERW 강관에서홈부식의가속화에미치는유동의영향에관한연구 89 Fig. 6 Inner surface of metal Distribution of fluid velocity in the turbulent flow (inlet flow speed = 1.8m/s) Fig. 5 및 Fig. 6은 Fig. 1 (a) 및 (b) 에서이론적으로설명한층류및난류유동에서의속도분포에대해 FLUENT 해석한결과로서, 강관표면에서부터중심부까지의유속을상대적으로보여주고있다. 본해석결과를통해일정한속도를가지는유체가배관내부로유입되면마찰로인해유속이느려진다는것을확인할수있었으며, 초기유입되는유체의속도가빠를수록금속면에가까운곳에서의유속 (1.54m/s) 은난류를형성하기에충분한유속이흐르며, 그로인해점성저층두께가얇아진다는것을재차확인하였다. 4.2 부식발생후가속화기구 유속의증가와더불어유체흐름을방해하는 V 형태의홈부식틈새가존재하는경우매끄러운강관보다유체와관로사이의마찰로인한침식이뚜렷하게나타나게된다. 배관의내부에부식이발생하지않은매끄러운강관과홈부식에의해틈새가발생한강관에대해물이 1.8m/s 의속도로흐르는조건으로해석을진행한결과홈부식이발생한강관 (0.143m/s) 에서의유체속도가매끄러운강관 (0.8m/s) 에서보다 5배이상늦어지는것을확인할수있었으며, 이는 Fig. 7과같이부식이진행되어생성된 V 형태의홈은기계적침식을유발하며이는마이크로단위의홈부식틈새에서도관로마찰증가로인해홈부식은더욱가속화될것이라고판단할수있다. 4.3 수격에의한배관손상가능 Fig. 2 (a) 와같이용접부에초기홈부식이시작되고점차적으로 Fig. 2 (b) 와같이부식이진행되면수압이동일하더라도파이프가받게되는부식부위의응력집중 Fig. 7 Distribution of fluid speed on partially corroded pipe 은커지게된다. 순간압력은식 (9) 와같이비중량과수격수두에의해계산되며, 수격수두는식 (7) 과같이압력파의전파속도와관내에흐르는유속의함수로나타낼수있다. 순간적으로관로에걸리는최고유속을 1.8m/s 라고가정할경우, 이때파이프내면에균일하게작용하는수압은약 2.86MPa 이다. Fig. 7은 U 형태로부식이 0.5mm 정도진행된파이프를 V-노치형상으로단순화하여모델링한것이며, 2.86MPa 의내압이분포하중의형태로작용할경우부식부위에서받게되는폰미세스응력분포로나타낸것이다. 이때걸리는최대응력은약 97MPa 이며, 두께 3mm의파이프에부식깊이를 0.5mm 씩변화시켜얻은최대응력에대한결과를 Fig. 8에나타내었다. Fig. 8에서보는바와같이부식이일어나지않은건전한강관에수압으로인해걸리는응력은약 88MPa 로나타났으며그깊이가 1.5mm 가될때까지는최대응력변화는거의나타나지않았다. 그러나부식깊이가 1.5mm 이상존재할경우최대응력은급격하게증가하였으며, 2.5mm이상에서는응력값이 300MPa 넘어가게되 Max. Von-mises stress(mpa) 350 300 250 200 150 100 50 0 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 Corrosion depth(mm) Fig. 8 Variousness of von-misses stress depend on corrosion depth 大韓熔接 接合學會誌第 26 卷第 4 號, 2008 年 8 月 399
90 김재성 김용 이보영 Fig. 9 Result of stress analysis using ANSYS at corrosion depth 0.5mm Fig. 10 Result of stress analysis using ANSYS at 2.5mm corrosion depth 어 KS D 3507에서규정한배관용탄소강관의항복응력인 294MPa 이상이된다. 탄소강관의안전율을 2로가정하여배관의허용응력을고려할경우에도 150MPa 을넘지않으며, 이러한결과는절반이하의부식진행은수압으로인한응력피로에영향을거의받지않는다는사실을말해준다. 응력분포의경향을살펴보더라도 Fig. 9에서는파이프바깥면까지응력이작용하지않지만, Fig. 10과같이파이프두께절반이상이부식으로인해손상된후부터는바깥면까지응력이분포하는것을볼수있다. Fig. 10과같이 2.5mm 부식이진행되면용접선바깥면전체에서 270MPa 정도의원주방향응력이걸린다는것을확인하였다. 파이프바깥면에응력이걸린다는사실은최종적으로 ERW 방법으로용접된탄소강관의누수가부식으로일어나는것이아니라수압으로인해일어난다는사실을말해주고있으며, Fig. 11과같이실제홈부식손상에의해누수가발생된배관을보더라도누수부위가터짐형태를나타내는것은본연구의해석결과와잘일치한다. Fig. 11 Case study of corroded pipe 5. 결론 본연구에서는 ERW 방법으로제작된탄소강관의홈부식이발생한후에유동의영향으로인한홈부식률의증가와함께수격현상에따른파이프의파손응력을이론적으로해석하였다. 해석결과값에대한신뢰도를높이기위하여실제부식된강관을검토하여해석조건을설정하였으며그결과다음과같은결론을얻을수있었다. 1) 홈부식으로인해형성된 V 형상의부식틈새는유 400 Journal of KWJS, Vol. 26, No. 4, August, 2008
ERW 강관에서홈부식의가속화에미치는유동의영향에관한연구 91 체와관로사이의마찰을증가시켜홈부식이가속화되는것을확인하였으며, 구상부식과같은국부부식형태의부식이전면부식보다유동의흐름에민감함알수있었다. 또한홈부식이발생한강관의경우형성된부식틈새와유체사이의마찰손실에따라아주미세한크기의부식틈새에서도침식은충분히발생할수있다. 2) 일반적으로수격현상으로인해파이프에순간적으로걸리는압력은약 88MPa 정도지만, 부식이파이프두께의절반이상진행된후부터는그압력이급격히증가하여결국은수압으로인한파손으로이어질가능성이충분히있음을확인할수있었다. 3) 배관을흐르는유체의속도는곧점성저층두께의감소로이어지며이는용존산소의확산이쉬워져금속면과의부식작용이더욱활발하게이루어질수있다는사실을확인할수있었다. 이에따라현장에서의부식을억제하기위해서는배관시스템설계시한계유속의제한및수격방지기의장착이필수적이라할수있다. 후기 본연구는국가지정연구실 (No.M20604005402-06B0400-40210) 사업및지식경제부의부품소재전문기업기술지원사업의일환으로수행되었기에이에감사드립니다. 참고문헌 1. Y.S. Kim : High Frequency Electrical Resistance Welding of Pipes, KWJS journal 16-5(1998), 45-47 (in Korean) 2. C. Kato, Y. Otoguro, S. Kado : Grooving in ERW Pipes in Sea Water, Proc. 6th international congr (1976). Metallic Corrosion, Sydney, Austral, 1104 3. T. Kurisu, T. Kyuno, S. Harada, T. Doi : Effects of Various Factors, Mechanisms and Preventive Method of Grooving Corrosion of ERW and CBW Carbon Steel Pipes, Kawasaki steel Tech Report(1979). 321-336 4. Hyun Dong Lee, Won Sik Jeong, Jung Hun Park, Chul Ho Bea, Pil Jea Kwak : Korea Society of Water Quility, 17-5(2001), 627-635.(in Korean) 5. Hee jun Sung, Heong Sik Kim, Byung Woo Lee, Young Bok Jeong, Kwang Hak Lee, Do Soo Seo : Corrosion Seience Soc. of Korea, 27-2(1998), 122-136(in Korean) 6. E. T r eiss : Double Inductiv e Annealing of the Weld Area, 3R International, 20(1981) 627 7. J.A. Wharton, R.J.K. Wood : Influence of flow conditions on the corrosion of AISI 304L stainless steel, wear Eng., 256(2004), 525-536 8. R.W. Fox, A.T. McDonald : Introduction to fluid mechanics, 4th edition(1994), 35-44, 406-413 9. J.F. Douglas, J.M. Gasiorek, J.A. Swaffield : Fluid Mechanics, 3rd edition, Longman Scientific & Technical, London(1995), 300 10. D.J. Tritton : Physical Fluid Dynamics. 2nd ed., Clarendon Press. Oxford.(1992), 285 11. B.J. Cantwell : Organized notion in turbulent flow, Annu. Rev., Fluid Mech. 13(1981), 457-515 12. S.K. Robinson : Coherent motions in the turbulent layer, Annu. Rev. Fluid Motion 23(1991), 601-639. 13. Wylie. E. B. and Streeter, V. L. : Fluid Transients. McGraw-Hill(1978), 244-247 14. ASSE Standard No. 1010 : Water Hammer Arresters. 15. Bernard J. Hamrock, Bo Jacobson, Steven R. Schmid : Fundamentals of Machine Elements, McGraw Hill (1999), 237-239 16. D.A. Jones : Corrosion Processes, R.N. Parkins, ed., Applied Science(1982), 176-178 17. Yong Kim, Bo-Young Lee : A study on Grooving corrosion at the weld of a low carbon steel pipe made by Electrical Resistance Welding, KWJS journal 22-5(2004), 58-64(in Korean) 18. Joung Hyun Suh : A study on the characteristics of Heat treated ERW weld seam and the technology of seam Annealing, KWJS journal 17-1(1999), 133-144(in Korean) 大韓熔接 接合學會誌第 26 卷第 4 號, 2008 年 8 月 401