Journal of the Korean Society of Safety, Vol. 31, No. 4, pp. 9-14, August 2016 Copyright@2016 by The Korean Society of Safety (pissn 1738-3803, eissn 2383-9953) All right reserved. http://dx.doi.org/10.14346/jkosos.2016.31.4.9 멤브레인 LNG 저장탱크용 STS304L 의인장및피로강도 나성현 김영균 김재훈 충남대학교기계공학과 (2016. 4. 5. 접수 / 2016. 5. 31. 수정 / 2016. 8. 10. 채택 ) Tensile and Fatigue Strengths of STS304L for LNG Membrane Storage Tank Seong Hyeon Na Yeong Gyun Kim Jae Hoon Kim Department of Mechanical Engineering, Chungnam National University (Received April 5, 2016 / Revised May 31, 2016 / Accepted August 10, 2016) Abstract : STS304L of membrane structure has been used for a LNG storage tank and has exposed long time under the cryogenic temperature. The purposes of this study are to evaluate the mechanical properties of base and used materials for STS304L of membrane. The tensile and high cycle fatigue tests were investigated for STS304L of membrane used over 20 years at room temperature and -162. In addition, the test of base STS304L was performed in order to compare with used material properties. The chemical composition and phase change were investigated from EDS and XRD. From results of tensile test, yield and ultimate tensile strengths of used STS304L are smaller than those of base STS304L. S-N curves were obtained from fatigue tests at both temperatures. Also, were presented with statistical method recommend by JSME-S002. Fractography was conducted for analysis of fracture mechanisms. Key Words : STS304L, membrane, tensile test, fatigue test, cryogenic temperature 1. 서론 액화천연가스 ( 이하 LNG, Liquefied Natural Gas) 는메탄 (CH 4 ) 을주성분으로하는천연가스를 -162 로냉각하여그부피를 1/600 로줄인무색, 투명한극저온액체를지칭한다. LNG 의사용이증가하면서 LNG 운반선의수요는증가하고있다. 이러한 LNG 운반선의내조시스템은운전조건에따라제작에사용되는소재의선정이중요하다. 내조시스템은멤브레인 (Membrane) 형식으로제작이되며, 이러한멤브레인재료는성형성이뛰어나고용접성, 내식성, 인장강도및피로강도가우수해야한다. 따라서멤브레인재료는 STS300 계열의스테인리스강을주로사용하고있다. 특히, STS300 계열의스테인리스강중, STS304L 은극저온에서좋은파괴저항을가지며, 연성취성천이온도가나타나지않고, 온도가내려갈수록인장및피로강도가증가하는장점을가지고있다 1). 이러한 STS304L 을사용한멤브레인저장탱크는온도에따른내조의수축과팽창을멤브레인자체에서흡 수하도록고안한것으로, 저장탱크내부의온도변화에따라변형이없는장점을가지고있다. 스테인리스강의극저온연구는국내외에서많이진행하고있다. 박웅섭등 2) 은선박및해양구조물용극저온재료로사용되고있는 STS 300 계열의오스트나이트계스테인리스강, 알루미늄합금, 니켈강합금에대해온도및변형률속도에의존하는통합구성방정식및재료상수의결정법을제안하였다. 홍진한등 3) 은 STS304 에대한극저온거동및기계적특성에대하여실험적인연구를수행하였다. Watson 등 4) 은다양한냉간압연오스테나이트계스테인리스강에대하여저온특성을보고하였다. 이때기계적특성은저온에서형성된마르텐사이트변태량에의존한다고하였다. 이는마르텐사이트의양이증가함에따라경도와인장강도는비례하여증가하는반면연신율은빠르게감소하다가특정값이상이되면서서히감소한다고하였다. 본연구는실제 20 년이상운용된 STS304L 소재 ( 이하 사용재 ) 의멤브레인에서직접채취한시편을이용하여상온및극저온 (-162 ) 에서인장및고주기피로 Corresponding Author : Jae Hoon Kim, Tel : +82-42-821-6645, E-mail : kimjhoon@cnu.ac.kr Department of Mechanical Engineering, Chungnam National University, 99, Daehak-ro, Yuseong-gu, Daejeon 34134, Korea 9
나성현 김영균 김재훈 특성에대한실험적연구를수행하였다. 사용재의인장및고주기피로특성은사용환경에따른 STS304L 소재의특성변화를파악하기위하여멤브레인재료로사용되는 STS304L 모재 ( 이하 모재 ) 와비교평가하였다. 실제 20 년이상운용된멤브레인의화학조성및상변화에대하여 EDS 및 XRD 분석을수행하고, 재료의피로수명예측및신뢰도를보증하기위한 P-S-N 선도를작성하였다. 또한모재및사용재의상온및극저온파괴기구를분석하기위하여시험후파단면에대하여주사전자현미경 (SEM) 분석을실시하였다. 2.1 재료및시험편 2. 재료및시험방법 본연구에서사용된재료는실제 20 년운용된멤브레인에서직접채취한 STS304L 소재의사용재및 STS304L 모재이다. Table 1 은 STS304L 의모재및사용재에대한화학적성분비를 EDS 분석을이용하여나타낸것이다. 모재및사용재의화학적조성비는성분의차이를미미하게나타내고있으나유사한조성을지니고있다. Table 2 는 STS304L 의모재및사용재에대한 XRD 분석을이용하여마르텐사이트변태량측정값을나타낸것이다. Fig. 1 은모재및사용재에대한 EDS 분석결과를나타낸것이다. 모재와사용재의화학적조성비는성분의차이를미미하게나타내고있으나유사한조성을지니고있다. Fig. 2 는모재및사용재에대한 XRD 분석결과를나타낸것이다. 모재및사용재의마르텐사이트분율은각각 2.28% 및 6.1%, 오스테나이트분율은각각 97.7% 및 93.9% 로나타나고있어사용재의마르텐사이트분율이모재보다 3.28% 더크게나타났다. Fig. 3 은 ASTM E8 5) 과 ASTM E466 6) 에서제시하고있는인장및피로시험편을나타낸것이다. Table 2. Results of XRD for used and base STS304L. STS304L Martensite Austenite Base material 2.28% 97.7% Used material 6.1% 93.9% (a) Base material (b) Used material Fig. 2. Results of XRD for base and used materials. (a) Tensile specimen (b) Fatigue specimen Fig. 3. Configuration and dimension of specimens [unit : mm]. 2.2 인장시험인장시험은 10 kn 용량의만능재료시험기인 MTS 810을이용하였다. 시험속도는변위제어방식으로 1 mm/min으로수행하였다. 본시험의온도조건은상온및 -162 이다. 극저온온도의환경은자체설계제작한액체질소주입용단열용기 (chamber) 를인장시험에적용하였다. (a) Base material (b) Used material Fig. 1. Results of EDS for base and used materials. Table 1. Chemical compositions of used and base STS304L. STS304L Si Mn Ni Cr Fe Base material 0.58% 1.22% 9.99% 18.59% 71.2% Used material 0.39% 1.66% 8.92% 17.73% 71.4% 2.3 고주기피로시험고주기피로시험은 MTS 810을이용하였고, S-N 곡선에서 10 7 cycle에서의피로응력값을피로한도로정의하였다. 시험하중은인장시험에서얻은데이터를기반으로실제운용조건을고려하여최대인장강도의 50~95% 수준으로설정하였다. 피로하중의파형은정현파이며, 주파수는 20 Hz, 응력비 (R) 는 0.1로일정하중진폭하에서시험하였다. 시험온도조건은상온과 -162 이다. 10 Journal of the KOSOS, Vol. 31, No. 4, 2016
멤브레인 LNG 저장탱크용 STS304L 의인장및피로강도 2.4 P-S-N 선도결정 피로시험은극저온이라는특수한환경으로인하여장기간시험하는데어려움이있다. 따라서보수적인피로수명은시험후작성한 S-N 선도로부터 JSME S002 7) 에서제시한통계적기법을이용하여확률론적인 P-S-N 선도를작성하여예측하였다. 식 (1) 은 P-S-N 선도를작성하기위해 JSME S002 에서제시한식이다. log log ± log (1) log log log (2) 여기서, 식 (2) 로표현되는 log 은파단수명의표준편차값을의미한다. 은피로시험횟수, 는작용응력을나타낸것이다. 본연구에서는 S-N선도에서얻은피로수명으로부터식 (1) 을이용하여대수좌표계에서의절편 ( ) 대수좌표계에서의기울기 ( ) 그리고파단수명의표준편차값 log 을산출하였으며, 이식을사용하여산출한파괴확률 50% 로부터고주기피로수명을예측하고, 파괴확률 10% 및 90% 를이용하여좀더보수적인피로수명을예측하였다. Fig. 4. Comparison of S-N curves for base and used materials at room temperature and -162. Table 3. Results of tensile test for base and used materials at room temperature and -162 STS304L Base material Used material Temp. Elastic modulus (GPa) YS (MPa) UTS (MPa) E.L. (%) R.T. 166.01 266 644 69-162 - 353 1333 40 R.T. 190.41 300 733 64-162 - 389 1508 41 3. 결과및고찰 3.1 인장시험결과 Fig. 4 는모재및사용재에대한상온및 -162 에서응력 - 변위선도를나타낸것이다. 이선도에서모재의인장강도및항복강도는온도가극저온으로갈수록높아지는것을알수있다. 또한저온에서 STS304L 의특징인비선형경화즉, 1 차항복이나타난후임계변위 (threshold displacement) 를거치면서 2 차경화와함께강도가현저하게증가하는특성을나타낸다. 이러한 2 차경화현상은저온에서항복강도를초과하는과대응력이발생하면서재료가오스테나이트로부터마르텐사이트의부분적인변태를일으키는데서일어난다. STS304L 은상온에서준안정적인오스테나이트조직의면심입장격자의결정구조를가진다. 이구조는온도감소에따라마르텐사이트조직의체심정방격자구조로변하기때문에상온대비저온에서높은강도를나타내며연성이낮아지고있다 8). Table 3 은모재및사용재에대한인장특성을정리한것이다. 사용재의탄성계수는모재대비약 14.7% 정도크고, 항복강도는모재대비약 12.8% 큰것으로나타난다. 사용 Fig. 5. Comparison of S-N curves for base and used materials at room temperature and -162. 재의인장강도는모재대비상온에서약 13.8% 정도증가하고, -162 에서는대략 13.1% 증가하였다. 이는사용재의마르텐사이트분율이모재의분율에비해크기때문에사용재의강도는모재의강도에비해높은값을보인다. 3.2 고주기피로시험결과 Fig. 5 은상온및 -162 에서모재및사용재에대한 한국안전학회지, 제 31 권제 4 호, 2016 년 11
나성현 김영균 김재훈 응력진폭 및 파단수명의 관계를 나타낸 S-N선도이다. 이 때 온도에 따른 모재 및 사용재를 비교할 때, -16 2 에서 모재 및 사용재의 피로수명은 상온보다 높은 피로수명을 나타내고 있다. 이는 -162 에서 인장강도 가 상온보다 크기 때문에 우수한 피로강도를 나타내는 것으로 사료된다. 또한 저온에서 피로수명은 변형 유 기의 마르텐사이트 변태에 의하여 재료 내에 존재하는 균열의 성장이 억제되어 수명이 향상된 것으로 판단된 다. 상온 및 -162 에서 사용재의 피로강도는 모재보다 약간 우수한 것으로 나타나고 있다. 또한 고주기의 장 수명으로 갈수록 피로강도의 차이는 감소하고 있다. 3.3 피로시험 결과의 통계적 처리 Fig. 6은 상온과 -162 에서 모재 및 사용재의 P-S-N 선도를 재료 및 온도에 대해 비교하여 나타낸 것이다. Tables 4-7은 산출한 계수를 이용한 각 온도에서 10%, 50%, 90%에 대한 P-S-N선도에 대한 식과 무한수명 기 준인 107cycle에서의 피로강도를 나타낸 것이다. 107 cycle에서 파괴 신뢰수준에 따른 피로강도인 피로한도 는 50% 파괴확률 P-S-N선도로부터 예측할 수 있다. P-S-N 선도 결과에서, 모재의 상온 피로한도 기준으로 파손확률 10%, 50%, 90%의 모재 피로강도는 상온에서 각각 386 MPa, 420 MPa, 456 MPa이며, 극저온에서 각 각 450 MPa, 480 MPa, 511 MPa이다. 이 때 극저온에 서 피로한도는 상온대비 약 12% 정도 크다. 사용재의 상온 피로한도 기준으로 파손확률 10%, 50%, 90%의 사용재 피로강도는 상온에서 각각 357 MPa, 407 MPa, 464 MPa이며, 극저온에서 각각 412 MPa, 447 MPa, 485 MPa이다. 극저온일 때 피로한도는 상온대비 약 9% 정도 크다. 또한 상온에서 모재와 사용재의 P-S-N 선도 분산은 극저온보다 더 크게 나타났다. 이는 극저 온 환경이 피로수명에 외적인 영향을 미치지 않는 것 으로 사료된다. 사용재와 모재의 P-S-N선도를 비교해 본 결과, 상온 및 극저온에서 사용재의 피로한도는 모 (a) (b) (c) (d) Fig. 6. for base and used materials at room temperature and -162. 12 Journal of the KOSOS, Vol. 31, No. 4, 2016
멤브레인 LNG 저장탱크용 STS304L의 인장 및 피로강도 Table 4. of fracture for base material at room temperature log N = 62.40 + (-21.12) log S 420 MPa log N = 63.17 + (-21.12) log S 386 MPa log N = 61.64 + (-21.12) log S 456 MPa (a) Base material at R.T. (b) Base material at -162 (c) Used material at R.T. (d) Used material at -162 Table 5. of fracture for base material at -162 log N = 26.00 + (-7.09) log S 480 MPa log N = 26.20 + (-7.09) log S 450 MPa log N = 25.81 + (-7.09) log S 511 MPa Table 6. of fracture for used material at room temperature log N = 48.09 + (-15.72) log S 407 MPa log N = 48.92 + (-15.72) log S 357 MPa log N = 47.14 + (-15.72) log S 464 MPa Table 7. of fracture for used material at -162 (a) Base material at R.T. (b) Base material at -162 (c) Used material at R.T. (d) Used material at -162 log N = 22.23 + (-5.75) log S 447 MPa log N = 22.43 + (-5.75) log S 412 MPa log N = 22.03 + (-5.75) log S 485 MPa 재 대비 각각 약 3% 및 7% 정도 작은 값을 나타내는 것으로 예측할 수 있다. 피로시험 결과로부터, 낮은 파 괴확률을 갖는 P-S-N선도는 모재와 사용재에 대한 피 로선도 설계기준으로 유용하게 사용할 수 있을 것으로 사료된다. 3.4 파단면 분석 Fig. 7은 상온 및 -162 에서 STS304L의 모재 및 사 용재의 인장시험을 수행한 후 파단면을 1,000배로 SEM 관찰한 것이다. 각 온도에 대한 파단면을 분석한 결과, 모재 및 사용재의 파단면은 일반적인 연성재료 에서 나타나는 딤플이 뚜렷하게 나타난다. 반면, -162 에서 모재 및 사용재의 파단면은 상온과 비교할 때, 연신율이 크게 감소함에도 불구하고 딤플 을 동반한 연성 파단면을 나타내고 있다. 딤플의 크기 한국안전학회지, 제31권 제4호, 2016년 Fig. 7. SEM images of fractured specimen after tensile test. Fig. 8. SEM images of fractured specimen after fatigue test. 는 상온보다 현저히 작으며 이는 미소공동의 성장 및 합체에 의하여 파괴가 급격하게 일어났음을 의미하고, 저온에서 변태유기 마르텐사이트의 생성에 기인한 것 으로 사료된다. 결과적으로 모재 및 사용재의 상온 및 저온에서 인장 파단면은 파괴기구에서 뚜렷한 차이를 나타나지 않으며, 두 조건 모두 상온 및 고온에서 전형 적인 오스테나이트계 스테인리스강의 딤플에 의한 연 성파괴의 양상을 나타내고 있다. Fig. 8은 상온 및 -162 에서 STS304L의 모재 및 사 용재의 피로시험을 수행한 후 파단면을 10,000배로 SEM 관찰한 것이다. 13
나성현 김영균 김재훈 피로파단면은인장시험과는다르게반복적인사이클에의해형성된균열진전의피로줄무늬 (striation) 를확인할수있다. Fig. 8(a) 및 (c) 에서나타나듯이, 모재및사용재의상온에서피로파단면은재료의높은연성에의하여피로줄무늬가뚜렷하게나타나지않는다. Fig. 8(b) 및 (d) 에서모재및사용재의극저온에서피로파단면은반복응력에의한피로줄무늬가뚜렷하게발생되었다. 4. 결론및고찰 실제 20 년간운용된멤브레인에서채취한 STS304L 의사용재및모재에대한극저온인장및고주기피로특성변화에대하여시험 평가하였다. 본연구로부터얻은결과는다음과같다. (1) 사용재및모재의 EDS 및 XRD 를통한재료특성을분석한결과, 모재와비교하여사용재의화학적조성비의 Si 는약간적고, 마르텐사이트의양은 3.28% 더많다. (2) 사용재의항복강도및인장강도는모재에비해크다. 이는사용재의마르텐사이트분율이더높기때문에상온및저온에서사용재의기계적특성이큰것으로판단된다. (3) 사용재는모재와유사한경향의피로특성을나타내며, 극저온에서사용재의피로수명은상온에서보다마르텐사이트변태에의해균열성장이억제되어증가하며, 고주기로갈수록상온대비피로강도의증가폭이감소한다. (3) 파괴확률 10%, 50% 및 90% 에대한 STS304L 의모재및사용재의 P-S-N 선도는피로수명및설계기준으로유용하게사용될수있다. (4) 파단면분석결과, STS304L 의모재및사용재의인장파단면은상온및극저온에서딤플을동반한연성파괴를나타내며극저온으로갈수록딤플의크기가작아진다. 피로파단면은전형적인연성피로줄무늬의파괴양상을나타내며극저온에서상온보다뚜렷하다. 감사의글 : 이논문은충남대학교 2015 년도학술연구비의지원을받아수행되었습니다. References 1) A. A. Lebedev and V.V. Kosarchuk, Influence of Phase Transformations on the Mechanical Properties of Austenitic Stainless Steels, International Journal of Plasticity, Vol. 16, No. 7-8, pp.749-767,2000. 2) W. S. Park, K. Y. Kang, M. S. Chun and J. M. Lee, A Comparative Study on Mechanical Behavior of Low Temperature Application Materials for Ships and Offshore Structures, Journal of the Society of Naval Architects of Korea, Vol. 81, No. 3, pp.189-199, 2011. 3) J. H. Hong, D. M. Kuem, D. S. Han, I. B. Park, M. S. Chun, K. W. Ko and J. M. Lee, Mechanical Characteristics of Stainless Steel under Low Temperature Environment, Journal of Society of Naval Architects of Korea, Vol. 45, No. 5, pp.503-537, 2008. 4) J. F. Watson and J. L. Christian, Low Temperature Properties of Cold-rolled AISI Type 301, 302, 304 ELC and 310 Stainless Steel Sheet. ASTM STP 287, pp.170-195, 1960. 5) ASTM E8, Standard Test Methods for Tension Testing of Metallic Material, 2004. 6) ASTM E466, Standard Practice for Conducting Force Controlled Constant Amplitude Axial Fatigue Tests of Metallic Materials, 2007. 7) JSME S002, Standard Method of Statistical Fatigue Testing, Journal of the Japan Society of Mechanical Engineers, pp.10-42, 1994. 8) M. Nakajima, Y. Uematsu, T. Kakiuchi, M. Akita and K. Tokaji, Effect of Quantity of Martensitic Transformation on Fatigue Behavior in Type 304 Stainless Steel, Procedia Engineering, Vol. 10, pp.299-304, 2011. 9) K. S. Kim, S. H. Boo, C. Y. Park, Y. G. Cho and J. S. Lee, An Experimental Study on the Tensile and Fatigue Strengths of SUS304L Lap Joint Weld at the Cryogenic Temperature, Journal of Ocean Engineering and Technology, Vol. 22, No. 3, pp. 96-102, 2008. 14 Journal of the KOSOS, Vol. 31, No. 4, 2016