백운봉 이해무 박종서 윤기봉 * 한국표준과학연구원시설안전계측연구센터 * 중앙대학교기계공학부 (2001. 7. 13. 접수 / 2001. 9. 10. 채택 ) A Case Study of Creep Crack Growth Remaining Life Assessment for High Temperature Pressure Equipments Uu-Bong Baek Hae-Moo Lee Jong-Seo Park Ki-Bong Yoon * Division of Industrial Metrology, Korea Research Institute of Standards and Science * Department of Mechanical Engineering, Chung Ang University (Received July 13, 2001 / Accepted September 10, 2001) Abstract : Creep crack growth life of high temperature pressure equipments was assessed for various crack locations and for various material properties. Surface cracks at the inner and outer surface of the vessel in the axial and circumferential directions were considered. The crack was located in the weld metal, in the parent metal or at the weld interface. Results showed that the crack at the weld interface was the most dangerous one. The crack located outside is weaker than that located inside. Safety factors of the case in which improper material properties were used due to unavailability of the correct material properties were discussed. Key Words : creep property, 1Cr-0.5Mo steel, weld interface, HAZ, life assessment, creep crack growth rate, remaining life 1. 서론 1) 고온고압산업용설비의경우, 대부분균열이용접부위에서가장먼저발생하여성장한다. 1) 그러나용접부라고하지만장기간사용에의한사용재균열성장은엄밀히말하면용접부와모재부사이의열영향부이며열영향부중에서도 ICHAZ(Intercritical heat affected zone) 에서발생하는 TYPE Ⅳ균열 1) 이라하겠다. 따라서용접부균열에대한파괴거동을연구하는것은고온고압산업용설비의잔여수명을평가하는데매우중요하다. 그러나기존의연구 2,3) 는대부분모재부에대해서만이루어졌으며, 실제로이러한열영향부에균열이존재하는경우재료물성과기계적성질에대한자료의부재로인하여균열성장에대한잔여수명 To whom correspondence should be addressed. ubbaek@kriss.re.kr 평가가곤란하였다. 따라서최근국내외에서이러한점을고려하여용접부에대한연구가활발히진행되고있다. 1) 따라서본연구에서는고온고압용기의용접부에서균열이발생했을경우균열성장수명평가의사례에대해서살펴보았다. 이와같은고온고압설비의균열성장수명평가를위해서는크리프물성이필요한데본연구에서는기존의사용재를회복열처리를통하여만든신재모재부의크리프시험결과를이용하였을경우와실제사용재를그대로실험하여측정한모재의크리프물성을사용하였다. 4,5) 그리고사용재를용접하여얻은용접부및모사열처리를통하여제작한열영향부크리프물성을사용한경우에대해서비교하였다. 또한균열의위치와방향에따른균열성장속도를비교하여그에따른위험정도를파악하고위험성의우선순위를결정하며모재부물성을열영향부에적용하였을경우안전율을산정하여보았다. 26
2. 실험 2.1. 실험재료본연구에서는재료의크리프물성을측정하기위해기존의신재는구하기어려우므로회복열처리를통하여모사한신재를사용하여실험하였으며, 사용재는그대로실험하여재료물성을측정하였다. 크리프물성및피로물성크리프 - 피로균열성장특성측정에사용된재료는외경 310mm, 내경 250mm, 두께 30mm 로서설계압력 10.4MPa, 설계온도 515 C 에서 180,000 시간사용된후최근폐기된 1Cr-0.5Mo 강고온용압력용기의모재재료로서용접부가있는부분은구하지못하였다. 따라서용접부생성을위해 AWS 규격 E8016-B2 로용접하였으며모재의화학성분은 Table 1 과같다. 또한열영향부의폭이약 3mm 로시험편을제작하기에는부족하므로모재부를사용하여문헌 6) 에따라모사열처리를통해제작하였다. 본실험은실제사용온도와는달리일반적으로고온사용온도로많이이용되는 538 C 에서용접부와모재부그리고모사열처리한열영향부에대한크리프시험을실시하였으며, 시험편은용기로부터시편의길이방향이용기의길이방향과일치하도록가공하였다. 2.2. 크리프시험사하중식크리프시험기를사용하여 ASTM E139 규격에따라 538 C 에서실험하였다. 크리프시험편의변위측정을위해신장계를시험편에부착하였고, 신장계와연결된전기로밖의변위계를이용하여변위데이터를측정하여시간에따라컴퓨터에저장하였다. 크리프시험으로측정한시간 - 변위곡선을시간 - 변형률곡선으로변환한후, 각응력의 Table 1. Chemical composition of 1Cr-0.5Mo steel Element C Si Mn P S Ni Cr Mo Cu Al Fe wt.% 0.18 0.27 0.68 0.016 0.014 0.095 0.94 0.44 0.12 0.008 bal. Fig. 1. Regression results of fatigue crack growth rates for 1Cr- 0.5Mo steel at 538 under triangular waveshapes 크리프곡선에서 2 차크리프영역만선택해서선형화하여정상상태에서의크리프변형속도를결정하였다. 2 차크리프상태변형속도 ε ss 와응력 σ 사이의지수법칙을 ε ss = Aσn 으로가정하여, 최소자승법에의해재료의크리프상수 A 와 n 을결정하였으며, 측정결과는 Table 2 에정리하였다. 또한사용재를이용하여신재로회복열처리한실험자료는문헌 7) 을통해구하였으며, 2 차크리프상수인 A 는 1.83E-26 이고 n 은 9.03 이었다. 2.3. 크리프 - 피로균열성장시험크리프 - 피로균열성장시험을위한 C(T) 시험편은균열성장방향이모재의반경방향과일치하고열영향부를따라서성장하도록 Fig. 2 와같이가공하였다. 기계가공을한시험편은예비균열을초기균열비가 0.5 가되도록만든다음시편측면을연마하여부식한후균열선단이열영향부에놓여있음을확인하였다. 크리프 - 피로균열성장시험시발생하는균열터널링현상을방지하고열영향부를따라균열이성장하도록하기위해서, 예비피로균열형 Table 2. Creep properties of the 1Cr-0.5Mo steel at 538 C Creep Constant Material A (MPa-n hr-1) Parent 1.235E-24 9.18 n HAZ 1.787E-17 5.52 Weld 3.358E-30 10.70 Fig. 2. Configuration of compact tension(c(t)) specimen with DC potential drop leads 한국산업안전학회지, 제 16 권제 3 호, 2001 년 27
백운봉, 이해무, 박종서, 윤기봉 성후측면홈을가공하여시험하였다. 이때균열길이를연속적으로측정하기위해직류전위차법을사용하였다. 하중유지시간이없는삼각파형으로부터균열성장률을측정하여주기의존균열성장률을결정하기위해, [ 하중증가시간 ]/[ 하중감소시간 ] 이 1/1( 단위 : 초 ) 인삼각파형에서 4 개의시험편을사용하여피로시험을실시하였다. 또한하중유지시간동안의시간의존균열성장률을측정하기위해 30 초, 300 초, 3,600 초의하중유지시간을갖는사다리꼴파형조건에서 9 개의시험편을사용하여피로균열성장시험을실시하였다. 하중유지시간이없는삼각파형의피로균열성장시험으로측정한균열성장률 da/dn 을 K 로정리하여 Fig. 1 에나타내었다. Fig. 1 의실험결과에서직선회귀선을구해주기의존형균열성장률을구하면식 (1) 과같다. da dn = 1.27 10-9 ( K) 1.736 (1) 여기서 da/dn 은 m/cycle, K 는 MPa(m)1/2 이며, 회귀선은 Fig. 1 에실선인직선으로나타내었다. Fig. 3 은하중유지시간이각각 30, 300, 3,600 초인사다리꼴파형의피로시험결과를정리하여 da/dn 을 K 로도시하였다. Fig. 3 에서하중유지시간동안의시간의존형균열성장량은점선으로각각나타낸사다리꼴파형피로시험결과를굵은실선으로표시된삼각파형시험결과로빼주면얻을수있다. 즉, 1/3600/1 데이터와 1/1 데이터의균열성장률차이가하중유지시간 3,600 초동안의시간의존균 Fi g. 3. Comparison of crack growth rates of 1Cr-0.5Mo steel at 538 under trapezoidal and triangular waveshapes Fig. 4. Creep fatigue crack growth data when crack growth a- long ICHAZ 열성장량이다. Fig. 3 으로부터결정한하중유지시간동안의시간의존균열성장거동을탄성 -2 차크리프재료로가정하고고온파괴역학에서균열성장거동매개변수로사용되는 (da/dt)avg 와 (Ct)avg 관계로그리면 Fig. 4 와같다. Fig. 4 에서 ICHAZ 를따라서성장한균열의성장속도를정리하면식 (2) 와같다. ( da dt ) avg = 6.132 10-3 ((C t ) avg ) 0.791 (2) 여기서 (da/dt)avg 는 (m/h), (Ct)avg 는 (MN/m.hr) 이며, 회귀선은 Fig. 4 에실선인직선으로나타내었다. 3. 잔여수명평가사례 이상의실험결과를이용하여본연구에서수명평가를수행한모델은보일러실린더형용기또는배관등의고온고압설비가원주방향용접부를가지고있거나길이방향용접부를가지고있는경우에대해서 Fig. 5 에서보인바와같이균열이내부에존재하는경우와외부에존재하는경우를비교하였다. 문제를단순화시키기위하여대상모델이 538 C 에서 50MPa 의내압을받고있다고가정하고외부요인에의한 2 차응력은고려하지않았다. 그리고균열형상은균열길이 60mm, 균열깊이 5mm 인반타원형으로통일하였다먼저대상이모재부라고가정하고균열이존재하는방향과위치가 Fig. 5 의 Case A~Case D 인경우에대해서균열성장시간과균열깊이와의관계를그래프로나타내면 Fig. 6 과같다. Fig. 6 에서보는바와같이균열이용기의길이방향으로외부에존재 28 Journal of the KIIS, Vol. 16, No. 3, 2001
Fig. 7. Calculated creep crack growth life for various material proper ti es Fi g. 5. Crack di recti on and locati on on the boi ler header 었다. Fig. 7 에서보는바와같이이경우는열영향부에균열이발생한경우가잔여수명이가장짧게나타났다. 즉열영향부에균열이발생한경우기존의방식대로사용재모재부의크리프물성을사용하여균열성장률을계산한다면계산된잔여수명보다일찍용기는파손될것이다. 즉용기의원주방향용접열영향부에외부균열이발생한경우사용재모재의크리프물성을사용하여계산된수명보다 2.5 배일찍파손됨을알수있다. 만약신재모재의크리프물성을사용하면 14.2 배일찍파손됨을알수있다. 또한균열이원주방향으로용기의외부에존재하는경우사용재모재와신재모재의크리프물성을사용하여크리프균열성장속도를비교하여 Fig. 8 에나타내었다. Fig. 8 에서보는바와같이사용재의균열성장속도가신재의그것보다훨씬빠름을알수있다. 따라서장기사용한고온용기에서균열이발생하였을경우제작당시의재료물성을이용하여 Fi g. 6. Calculated creep crack growth life for various crack locations 하는경우가가장잔여수명이짧음을알수있다. 이는용접부와열영향부에서도같은결과를얻었다. 이는용기에내압만이존재하고 2 차응력을고려하지않은경우로길이방향의응력이원주방향의응력보다낮기때문이다. 다음은 Case D 의경우에사용재모재부와용접부그리고열영향부에균열이존재할경우잔여수명을계산하여 Fig. 7 에나타내 Fig. 8. Comparison of creep crack growth life for new and serviced materials property 한국산업안전학회지, 제 16 권제 3 호, 2001 년 29
백운봉, 이해무, 박종서, 윤기봉 Table 3. Failure time for various crack location and directions Remaining Life Remaining Life (hr) Case Serviced Metal Parent Property New Metal Parent Property HAZ Metal Property Weld Metal Property Case A Case B Case C Case D 10,427 9,886 35,193 32,210 73,472 68,257 208,500 185,488 6,748 6,368 14,261 13,110 116,814 107,696 338,529 296,955 균열성장수명을평가하는것은매우위험하다는것을알수있으며더구나균열이열영향부에있는경우에제작당시의모재물성을이용하여균열성장속도를평가한다는것은더욱위험하다는것을알수있다. 또한장기사용한고온설비의원주방향용접열영향부내부에균열이발생한경우신재모재부물성을사용한다면실제수명보다 15 배이상일찍파손됨을알수있다. 앞에서가정한모든경우에대해서크리프균열성장에의한잔여수명을계산하면 Table 3 에보인바와같다. Table 3 에서알수있듯이균열이내부에있는경우보다외부에있을경우가잔여수명이짧으며열영향부에균열이존재할경우가가장수명이짧게나타난다. 4. 결론 1Cr-0.5Mo 강사용재와신재모재부, HAZ 부, 용접부의재료물성을이용하여고온용기나고온배관에서각위치별로균열이발생하였을경우에대한크리프균열성장시간을평가한결과다음과같은결론을얻었다. 1) 신재모재부의크리프물성을이용한경우보다사용재모재의물성을이용한경우가수명이짧게나타났다. 2) 모재부와용접부그리고열영향부중균열성장속도는열영향부에균열이발생한경우가가장수명이짧게나타났다. 3) 고온설비에서내압만고려할경우균열이길이방향으로발생한경우가원주방향으로발생한경우보다균열성장속도가빠르며내부균열보다외부균열이성장속도가빠르다. 4) 원주방향열영향부에외부균열이발생한경우 사용재모재부의재료물성을사용할경우에는본연구 Case 에대해 2.5 배이상의안전율을고려해야한다. 만약신재모재의크리프물성을사용한다면 14.2 배이상의안전율을고려하여야할것이다. 5) 따라서장기사용으로용접열영향부에균열이발생하였을경우신재또는사용재모재의크리프물성으로평가해서는안되며부득이사용재모재의물성을사용한다면본연구 Case 의경우 2.5 배이상, 신재모재의크리프물성을사용한다면 14.2 배이상의안전율을고려하여야한다. 감사의글 : 본연구는한국과학재단산하산업설비안전성평가연구센터 (SAFE) 및한국표준과학연구원산업측정표준부방재기술연구센터의 2000 년도출연연구 Cr-Mo 계배관의균열형열화평가기술신뢰성향상과제 연구비지원으로수행되었습니다. 이에감사드립니다. 참고문헌 1) 백운봉, 이해무, 99 시설안전계측기술개발사업연구 8 장, 한국표준과학연구원, KRISS/IR 2000~ 014., 2000. 2) Saxena, A., and Han. J, Evaluation of Crack Tip Parameters for Characterizing Crack Growth Behavior in Creeping Material, ASTM, Task Group Report, Joint Task Group E24.08.07/E24.04.08., 1986. 3) Saxena, A., Cretegny, L., Grover, P. S. and Norris, R. H., Modeling of Fracture and Crack Growth in Weld Operating at High Temperature, Proceedings of Int. HIDA Conference, Paris, France 15~17 April, 1998. 4) 백운봉, 윤기봉, 서창민, 이해무, 용접부의고온재료물성에대한실험적연구, 대한기계학회논문집 A 권, Vol. 24, No. 12, pp. 3096~3103, 2000. 5) 백운봉, 윤기봉, 이해무, 서창민, CrMo 강용접계면균열의크리프 - 피로균열성장거동, 대한기계학회논문집 A 권, Vol. 24, No. 12, pp. 3088~3095, 2000. 6) Shamms M. S., Metallographic Methods for Predicting the Remanent Life of Ferritic Coarse- Grained Weld Heat Affected Zones Subject to Creep Cavitation, Int. Conf. on Life Assessment and Extension, Hauge, Netherlands, 1998. 7) 윤기봉, 김광웅, 백운봉, 저합금강용접부의크리프균열성장거동모델링, 대한기계학회논문집, A 권, Vol. 22, No. 12, pp. 2153~2162, 1998. 30 Journal of the KIIS, Vol. 16, No. 3, 2001