문경만.hwp

한국해양공학회지제 27 권제 3 호, pp 79-84, 2013 년 6 월 / ISSN(print) 1225-0767 / ISSN(online) 2287-6715 Journal of Ocean Engineering and Technology 27(3), 79-84, June, 2013 http://dx.doi.org/10.5574/ksoe.2013.27.3.079 선박해수배관에서용접봉의종류에따라직류아크용접한용접부위의부식특성에관한전기화학적평가 이성열 *** 이규환 * 원창욱 * 나승수 ** 윤영곤 ** 김윤해 *** 이명훈 **** 문경만 *** 김진경 * * 한국해양수산연수원교육연구처 ** 대련대양선박공정유한공사용접기술연수원 *** 한국해양대학교공과대학조선기자재공학부 **** 한국해양대학교해사대학기관시스탬공학부 Electrochemical Evaluation of Corrosion Property of Welded Zone of Seawater Pipe by DC Shielded Metal Arc Welding with Types of Electrodes Sung-Yul Lee***, Kyu-Hwan Lee*, Chang-uk Won*, Shane Na**, Young-Gon Yoon**, Myeong-Hoon Lee***, Yun-Hae Kim***, Kyung-Man Moon*** and Jin-Gyeong Kim* *Education and Research Division, Korea Institute of Maritime and Fisheries Technology. Busan, Korea **Dalian Daeyang Ship Yard. Co., LTD. Welding Technical Training Center. Dalian. China. ***Department of Marine Equipment Engineering. Korea Maritime University, Busan, Korea ****Department of Marine System Engineering. Korea Maritime University, Busan, Korea KEY WORDS: Corrosion potential 부식전위, Galvanic cell 갈바닉전지, Welding metal 용접금속, Heat affected zone 열영향부, Shielded metal arc welding 금속피복아크용접 ABSTRACT: The seawater pipes in the engine rooms of ships are surrounded by severely corrosive environments caused by fast flowing seawater containing chloride ions, high conductivity, etc. Therefore, it has been reported that seawater leakage often occurs at a seawater pipe because of local corrosion. In addition, the leakage area is usually welded using shielded metal arc welding with various electrodes. In this study, when seawater pipes were welded with four types of electrodes(e4311, E4301, E4313, and E4316), the difference between the corrosion resistance values in their welding zones was investigated using an electrochemical method. Although the corrosion potential of a weld metal zone welded with the E4316 electrode showed the lowest value compared to the other electrodes, its corrosion resistance exhibited the best value compared to the other electrodes. In addition, a heat affected zone welded with the E4316 electrode also appeared to have the best corrosion resistance among the electrodes. Furthermore, the corrosion resistance of the weld metal zone and heat affected zone exhibited relatively better properties than that of the base metal zone in all of the cases welded with the four types of electrodes. Furthermore, the hardness values of all the weld metal zones were higher than the base metal zone. 1. 서론최근산업사회의급격한발전으로용접으로제작한육해상의각종강구조물설비는빠른속도로증가하고있으며따라서용접의중요성은널리인지되어오고있는실정이다. 그리고이들강구조물의용접부위에대한물리적기계적성질등의변화에관한연구가많이보고되고있다 (Ahn et al., 2005; Kim et al., 2006a; Kim et al., 2006b; Oh et al., 2007; Jang and Jeon, 2006; Shin, 1984). 또한이들강구조물이가혹한부식환경하에있을때, 용접부위가부식으로인한경제적손실과안전재해사고를유발할수있으므로강의용접부식에대한연구결과 (Bilmes et al., 2006; Jeon, 1985; Jones, 1998; Lee et al., 2003; Moon et al., 2003; Raja et al., 1998; Tsay et al., 1997) 도다소있으나, 선박기관실에있는해수배관용접부위의부식에대한연구는그렇게많지않는것으로사료된다. 선박기관실에있는해수배관의보수용접은자체내에서실시 Received 1 April 2013, revised 12 June 2013, accepted 12 June 2013 Corresponding author Jin-Gyeong Kim: +82-51-621-5791, jg21kim@naver.com c 2013, The Korean Society of Ocean Engineers 79

80 이성열 이규환 원창욱 나승수 윤영곤 김윤해 이명훈 문경만 김진경 하며, 전체보수용접중약 70% 정도를차지하는것으로알려져있다. 그리고해수배관의파이프내부에는부식성이강한할로겐족인 Cl - 이온이함유된염분 (NaCl) 이포함된해수가최대 3m/s 의유속으로유동하며, 2kgf/cm 2 ~ 3kgf/cm 2 의수압을받고있으므로항상가혹한부식환경에노출되어있다. 따라서최근에는해수배관의내부를폴리에틸렌 (Polyethylene) 으로피복한강관이있지만, 일반선박에서는아직상용화되지못하고있는실정이다. 본연구는선박해수배관의보수용접에사용하는몇종류의피복아크용접봉을선택하여용접한후각용접부위에대한조직과경도의측정및부식특성을전기화학적방법으로비교고찰하여, 용접부위의부식특성및상대적으로우수한해수배관용접재료를규명하고자한다. 따라서본연구결과는해수배관사용수명의연장과효율적인보수용접을위한유익한참고자료가되리라기대된다. 2. 사용재료및실험방법 2.1 용접재료및용접방법실험에사용한해수배관용강관은중국에서사용하는중국규격 GB/T 8163-2008의심리스파이프 (Seamless pipe) 이며, 그화학성분과기계적성질은 Table 1과같다. 그리고치수는 φ 76 6T 100L이며 Fig. 1과같이기계가공하여맞대기용접을 2층으로한후용접부위에대한시험편을제작하였다. 용접은직류피복아크용접 (SMAW, shielded metal arc welding) 이며, 용접봉은중국규격 GB/T 5117-1995의 E4301, E4311, E4313 및 E4316 등 4 종류로모두 φ 3.2를사용하여원주방향으로용 Table 1 Chemical composition and mechanical property of base metal (GB/T 8163-2008) Chemical Composition(%) Y.P. T.S. E C Si Mn P S Cr Ni Cu (MPa) (MPa) (%) 0.21 0.23 0.50 0.017 0.006 0.02 0.01 0.01 300 485 26.5 Table 3 Comparison of chemical composition and mechanical properties of electrodes Chemical composition(%) Y.P. T.S. E Type C Mn Si P S (MPa) (%) E4301 0.08 0.42 0.10 0.016 0.010 400 470 32 E4311 0.12 0.48 0.22 0.014 0.011 420 490 30 E4313 0.08 0.38 0.28 0.017 0.011 430 480 29 E4316 0.08 0.96 0.45 0.012 0.009 470 550 33 접길이 30mm 를용접하였다. 그리고저수소계용접재료인 E4316 은사용하기전에 300 1 시간다시건조시킨다음사용하였다. 실험을하기위한직류피복아크용접의용접조건과각용접재료의특성은 Table 2 및 Table 3과같다. 2.2 실험방법각각의용접부위에대한경도와부식에대한전기화학적실험을하기위하여, 시험편을용접선방향과직각방향으로모재표면으로부터깊이 20mm까지기계절단, 절삭및가공을한후사포지 (Sandpaper) 로 2000번까지연마한다음, 각각시험편을에칭 (Etching) 하여용접열영향부 (HAZ, heat affected zone) 와용접금속 (WM, weld metal) 을구분하였다. 용접부위의경도는용접금속중심에서모재방향으로 1mm 간격으로 3회측정하여평균값을구하였다. 부식특성실험을하기위하여필요한표면적 0.25cm 2 만을노출시키고다른부분은에폭시로절연한후각종전기화학적실험을실시하였다. 전기화학적실험은해수를 3cm/s(PIV, Particle Image velocimetery로측정 ) 의유동상태에서부식전위변화, 양극및음극분극곡선 ( 측정장치 : Won. A. Tech Garmy 사의 CMS-100 시스템, 주사속도 : 1mV/s 대극 : 백금, 기준전극 : SCE), 사이클릭볼타모그램 ( 주사속도 : 30mV/s, 측정영역 : -0.5V~1.5V) 등을측정하였으며, 조직과부식된표면사진은멀티미디어영상현미경 (Sometecht사, Model: SV35) 으로관찰하였다. 3. 실험결과및고찰 Fig. 1 Schematic diagram of welding specimen of pipe Table 2 SMAW welding condition for various electrodes Electrode Condition E4301 E4311 E4313 E4316 Current(A) pass 1 85 85 85 85 pass 2 110 93 93 105 Voltage(V) pass 1 21.5 21.5 21.5 21 pass 2 21.5 20.5 21.5 21 Polarity DCRP DCRP DCSP DCRP Fig. 2는각각의용접재료로서용접한용접금속에대한부식전위변화를보여주고있다. E4316으로용접한경우용접금속의부식전위가가장낮은 (Less noble) 값을나타내고있으며, E4311 로용접한용접금속의부식전위가가장높은 (Noble) 값을나타내고있음을알수있다. 일반적으로해수용액에서부식전위는표면처리나도장을하지않는강판의경우에낮은값을나타낼수록내식성이좋지않는경향이있는것으로알려져있다. 본실험의결과 E4316 용접재료로용접한경우의용접금속이가장낮은값을나타내므로내식성이좋지않은것으로추측할수있다. 그러나금속은그합금성분의고유한평형전위값에의해서부식전위가낮은값을나타낼수도있으며, 이경우반드시내식성이떨어진다고단정하기는어렵다고생각된다. E4316 용접재료의금속성분은 Table 3에서알수있듯이다른용접재료에비해서 Mn과 Si의함량이많고 P와 S의함량이적은것을알

선박해수배관에서용접봉의종류에따라직류아크용접한용접부위의부식특성에관한전기화학적평가 81 Fig. 2 Comparison of corrosion potentials of weld metal zones welded with various electrodes Fig. 3 Variation of polarization curves of weld metal zones welded with various electrodes 수있다. 이들성분의평형전위식은다음과같이나타낼수있다 (Mulder and Pourbaix, 1966). log (1) log (2) log (3) log (4) (5) Fig. 4 Variation of polarization curves of heat affected zones welded with various electrodes log (6) (7) 상기의평형전위식에서 Mn과 Si의평형전위값은다른금속의평형전위값에비해서낮은값을나타내고있으며, P와 S의평형전위값은철의평형전위 (-0.44V) 보다높은값을나타내고있다. 따라서 E4316 용접금속의부식전위가다른용접재료에비해서낮은것은 Mn과 Si의합금성분의평형전위값의영향에기인한것으로생각된다. Fig. 3은각각의용접봉으로용접한후용접금속의양극및음극분극곡선을나타내고있다. Fig. 3에서알수있듯이 E4316의용접금속이정성적으로가장내식성이우수하였으나, E4313 의용접금속의내식성이가장좋지않은경향을알수있다. Fig. 4는각각의용접봉으로용접한경우용접열영향부의양극및음극분극곡선을나타내고있다. Fig. 4에서도알수있듯이 E4316으로용접한경우에용접열영향부의내식성이상대적으로양호한경향을알수있다. 그리고 Fig. 5에서는모재의양극및음극분극곡선을나타내고있다. 용접봉의종류를달리하 Fig. 5 Variation of polarization curves of base metal zones welded with various electrodes 고용접조건이다소다르지만피복용접실험에사용한모재금속은동일종류이다. 따라서 Fig. 5의분극곡선의형태는전체적으

82 이성열 이규환 원창욱 나승수 윤영곤 김윤해 이명훈 문경만 김진경 로같은양상을나타내고있음을알수있다. Fig. 6은 E4311으로용접한경우각용접부위의분극곡선을비교하여나타내고있으며, Fig. 7은 E4316용접봉에대한각용접부위의분극곡선을나타내고있다. Fig. 6과 Fig. 7에서알수있듯이용접금속의내식성이모두가장우수하고용접열영향부모재의순으로내식성이좋지않은경향을알수있다. E4301 및 E4313 용접봉으로용접한경우에도같은경향을나타내었다. 지금까지각각의용접봉으로용접한경우각용접부위의분극곡선에서 Stern-Geary 식에근거한 (GMS-100프로그램 ) 에의해서구한각용접부위의부식전류밀도를 Table 4에정리하였으며, Fig. 8은 Table 4의값을알기쉽게그래프로나타내었다. 결과적으로본실험에사용된용접봉으로용접하였을경우모재에비해서용접열영향부와용접금속의내식성이우수한결과를얻을수있었다. 그리고 E4316 용접봉의경우용접금속과용접열영향부의내식성이다른용접봉에비해서우수한실험결과를얻을수있었다. E4316용접봉은전술한바와같이 Mn과 Si의함량이높고 P와 S의함량이적은특징을가지고있었다. 따라서부식전위는낮은 값을나타내지만 Mn과 Si에의한치밀한산화피막의형성과전 기화학적으로양극으로작용하는 P와 S에의한산화물이적기때 문에내식성이다른용접재료에비해서우수한것으로판단된다. Fig. 9는분극곡선측정후의용접금속의부식된표면을나타 내고있다. E4316 용접금속의표면이다른부식된표면에비해 Table 4 The data of corrosion current densities (A/cm 2 ) of each welding zone welded with various electrodes Type BM HAZ WM E4301 1.5 10-5 3.9 10-6 6.7 10-7 E4311 1.9 10-5 2.7 10-6 1.1 10-6 E4313 1.8 10-5 2.6 10-6 7.1 10-6 E4316 1.6 10-5 1.8 10-7 1.2 10-9 Fig. 8 Comparison of corrosion current densities of each welding zone welded with various electrodes Fig. 6 Comparison of polarization curves of each welding zone welded with E4311 electrode E4301 E4311 Fig. 7 Comparison of polarization curves of each welding zone welded with E4316 electrode E4313 E4316 Fig. 9 Morphologies of corroded surfaces of weld metal zones after measured polarization curves(x100)

선박 해수배관에서 용접봉의 종류에 따라 직류 아크 용접한 용접부위의 부식특성에 관한 전기화학적 평가 서 붉은 산화피막의 형성이 다소 약한 경향을 알 수 있으며, E4313과 E4301의 경우 표면이 심하게 부식되어 붉은 산화피막 의 형성이 뚜렷함을 알 수 있다. Fig. 10은 용접열영향부의 부식된 표면을 보여주고 있다. 역 시 E4316 용접봉으로 용접한 경우가 표면에 붉은 산화피막의 형성이 다소 적은 경향을 알 수 있다. 지금까지 각 용접봉으로 해수 배관을 용접하였을 경우 부식 전위와 분극곡선 및 표면사진을 통해 각각의 용접재료와 용접 부위의 부식특성 즉, 내식특성을 비교 고찰하여 보았다. 이 경우 실제적으로 표면의 조직 변화와 경도가 각 용접부위의 내식특성 에 미치는 영향에 대해서 비교고찰 할 필요가 있다고 생각된다. Fig. 11은 각 용접봉으로 용접하였을 경우 용접금속의 표면조 83 용접열영향부(HAZ, Heat affected zone)가 급랭에 의한 담금질 효과로 경도가 상승하고 용접금속의 경도는 상대적으로 낮아진 다. 그러나 본 용접은 2층 용접을 하였으므로 1층의 용접 열이 미처 냉각하기 전에 2층 용접을 하였기 때문에 용접열영향부에 대한 경도는 용접부위의 화학성분으로 볼 때 용접금속의 경도가 직을 나타내고 있다. E4311과 E4316의 용접금속의 표면은 조직 이 미세한 경향을 나타내고 있으며, E4313과 E4301의 표면은 다소 조대화가 된 경향을 나타내고 E4301 E4311 E4313 E4316 있음을 알 수 있다. 따라서 조직이 미세할수록 내식성이 좋으며 조대화가 될수록 내식성이 감소하는 경향을 알 수 있다. Fig. 12는 E4316의 용접봉으로 용접한 경우, 각 용접부의 조 직변화를 보여주고 있다. 모재는 원형의 큰 조직입자를 나타내 고 있으며, 한편으로 용접열영향부와 용접금속은 침상조직을 나타내고 있다. 그리고 용접열영향부보다 용접금속이 덴드라이 트(Dendrite) 조직으로 변하면서 결정입자의 조대화와 함께 경 도가 상승한다는 연구결과(Ahn et al., 2005; Shin, 1987)가 있으 나 본 실험의 결과 용접금속이 용접열영향부에 비해서 다소 미 세한 양상을 나타내고 있음을 알 수 있다. 그리고 조직이 미세 할수록 내식성이 우수한 경향을 재확인 할 수 있었다. Fig. 13은 각 용접부의 경도변화를 나타내고 있다. 용접봉의 종류에 관계없이 용접금속의 경도가 높고 용접열영향부 모재로 갈수록 경도가 낮아지는 경향을 나타내고 있다. 그리고 E4316 용접봉으로 용접한 경우가 모든 용접부에서 경도가 높은 경향 을 보여주고 있음을 알 수 있다. 일반적으로 단층 용접의 경우 Fig. 11 Variation of microstructures of weld metal zones with various electrodes(x100) WM HAZ BM Fig. 12 Comparison of microstructures of each welding zone with E 4316 electrode(x100) E4301 E4311 E4313 E4316 Fig. 10 Morphologies of corroded surfaces of heat affected zones after measured polarization curves(x100) Fig. 13 Variation of vickers hardness of welding zones in the case of welded with various electrodes

84 이성열 이규환 원창욱 나승수 윤영곤 김윤해 이명훈 문경만 김진경 높게유지될것이라고생각된다. 따라서 Fig. 13의경도측정결과는어느특정의용접열영향부가존재해서경도가상승하지는않았으며, 오히려용접금속의경도가높고용접열영향부, 모재로갈수록경도가저하하는경향이있었다. 그리고어느특정지점에서오히려경도가낮아지고다시경도가상승하는경향도있었다. 또한본실험의결과경도가높을수록내식성도좋아지는실험결과를얻을수있었다. 4. 결론지금까지해수배관보수용접을위해 4종류의용접재료로직류피복아크용접을실시한결과다음과같은결론을얻을수있었다. (1) E4316 용접봉으로용접한경우용접금속부의부식전위는다른용접재료에비해서가장낮은값을나타내었으나내식성은가장우수하였다. (2) 용접재료에관계없이모든용접금속부와열영향부는모재금속에비해서양호한내식성을나타내었다. (3) 모든용접금속의경도는모재에비해서비교적높은경향을나타내었으며, 특히 E4316 용접봉으로용접한경우각용접부의경도가다른용접봉으로용접한용접부에비해서높은경도를나타내었다. (4) 표면의조직이미세할수록내식성은양호한경향을나타내었다. REFERENCES Ahn, S.H., Jeong, J.H., Nam, K.W., 2005. Evaluation of Characteristic for SS400 and STS304 steel by Weld Thermal Cycle Simulation. Journal of Ocean Engineering and Technology, 19(6), 64-71. Bilmes, P.D., Liorente, C.L., Saire Huaman, Gassa L.M., and Gervasi, C.A., 2006. Microstructure and Pitting Corrosion of 13CrNiMo Weld Metal. Corrosion Science, 48, 3261-3270. Jang, S.K., Jeon, J.I., 2006. Wedability of Al 7075 Alloy According to Different Tools and Welding Conditions by F.S.W.. Journal of the Korean Society of Marine Engineering, 30(1), 30-41. Jeon, D.H., 1985. Control of the Corrosion and Anti-corrosion. Iljoongsha, 294-299. Jones, D.A., 1998. Principles and Prevention of Corrosion. Original American Edition Published by Prentice-Hall, Inc., 314. Kim, J.D., Kil, B.L., Lee, C.J., 2006a. The Weldability of haminated Stator Core for Motor by Pulsed Nd:YAG Laser[I]. Journal of the Korean Society of Marine Engineering, 30(5), 629-635. Kim, J.G., Kang, M.S., Kim, Y.S., 2006b. A Study on Characteristics of Repair Welding for Cast Iron Part of Diesel Engine for Ship, Journal of Ocean Engineering and Technology, 20(2), 41-45. Lee, Y.H., Kim, Y.H., Kim, H., 2003. Crevice Corrosion Resistance of Stainless Steel in Natural Sea Water with Different Post Welding Treatment. Corrosion Science and Technology, 2(5), 219-224. Moon, K.M. Lee, M.H. Kim, K.J. Kim, J.G., Kim, S.J., 2003. A Study on the Post-Weld Heat Treatment Effect to Mechanical Properties and Hydrogen Embrittlement for Heating Affected Zone of a RE36 Steel. Corrosion Science and Technology, 2(6), 283-288. Oh, C.I., Kim, Y.P., Park, H.K., Bang, H.S., 2007. A Study on the Thermal and Mechanical Characteristic of Hybrid Welded Ship Structure A-grade Steel. Journal of Ocean Engineering and Technology, 21(1), 64-68. Raja, V.S. Vershney, S.K. Raman, R., Kulkarni, S.D., 1998. Influence of Nitrogen on the Pitting Corrosion Behavior of 904L Weld Clad. Corrosion Science, 40(10), 1609-1625. Shin, M.K., 1984. New Edition Workshop Practice. Ahsung Publishing Co., 242-245. Tsay, L.W. Lin, W.L. Chenct S.W., Leu G.S., 1997. Hydrogen Sulphide Stress Corrosion Cracking of 2.25 Cr-Mo Steel Weldments. Corrosion Science, 39(7), 1165-1176.