304L 스테인리스강용접부의저주기피로성능평가 황재현 오동진 이도영 전민성 김명현 대한용접 접합학회지제 34 권 3 호별책 2016. 6
47 ISSN 2466-2232 Online ISSN 2466-2100 304L 스테인리스강용접부의저주기피로성능평가 황재현 * 오동진 * 이도영 ** 전민성 ** 김명현 *, * 부산대학교공과대학조선해양공학과 ** 삼성중공업 Low Cycle Fatigue Performance of 304L Stainless Steel Weldments JaeHyoen Hwang*, DongJin Oh*, DoYoung Lee**, MinSung Chun** and Myung-Hyun Kim*, *Dept. of Naval Architecture and Ocean Engineering, Pusan National University, Busan 46241, Korea **Samsung Heavy Industry, Geoje 53261, Korea Corresponding author : kimm@pusan.ac.kr (Received January 11, 2016 ; Revised February 2, 2016 ; Accepted February 25, 2016) Abstract Recently, the market of liquefied natural gas is growing in accordance with shale gas development and environmentally friendly policies. Also, LNG is in the spotlight as an alternative fuel to previously used fossil fuel and the fuel for the ship to meet emission standards which takes effected by IMO (International Maritime Organization). According to growth of LNG, LNG carriers needs are also expected to increase significantly. This study investigates low cycle fatigue (LCF) performance of 304L stainless steel weldments to investigate fatigue performance in plastic strain region. 304L stainless steel is known to have improved fatigue performance at cryogenic conditions. LCF behavior are investigated by a strain-controlled condition up to 1% strain range and conducted with three different thickness (3mm, 5mm, 10mm). Also, test were performed with three different strain ratio R such as R = -1, -0, 0.5, Finally, the fatigue design curve for 304L stainless steel weldments at room tem- perature are proposed. Considering all test conditions, it is shown that LCF performance have similar tendency regardless of thickness and strain ratio. LCF design curve of 304L stainless steel weldments are lower than 304L stainless steel base metal. Key Words : Low cycle fatigue, 304L Stainless steel, Strain-controlled, Fatigue design curve 1. 서론 최근, 셰일가스의개발과국제적인환경규제로인해 LNG (Liquified Natural Gas) 시장이성장하고있다. 셰일가스는 2000 년도미국의천연가스생산량중 1.6% 에불과하였으나 2010년도에는 23.1% 로급증하였다 1). 또한, LNG 는기존에사용되던화석연료인 HFO (Heavy Fuel Oil) 과 MDO (Marine Diesel Oil) 의대체연료로써각광을받고있으며, IMO (International Maritime Organization, 국제해사기구 ) 에서제시하는선박배출가스규제인 Tier III를 2) 만족시킬가장적합한연료이다. 이에따라, LNG 를추진연료로써사용되는선박량은증가할것으로예상되며 LNG 벙커링시스템에대한수요및이를운송하기위한운반선의수요또한점차증가할것으로기대된다 3). LNG 를운송함에있어효율성을위해액화는필수적이다. LNG 는대기압에서약 -163 에서액화되며이는기체상태일때보다 99.8% 의부피감소가이루어진다. 또한극저온을견디기위해 LNG 저장용기에사용되는재료는극저온에서좋은인성및취성파괴에대한안전성을가져야한다. 일반적으로극저온용기에사용되는재료는 Invar alloy, 304L stainless steel, Al-5083 alloy 과 Nickel steel 이있으며제작되는구조물이사용되는특성에따라재료를분류하여사용되 Journal of Welding and Joining, Vol.34 No.3(2016) pp47-51 http://dx.doi.org/10.5781/jwj.2016.34.3.47
48 황재현 오동진 이도영 전민성 김명현 고있다 4). LNG 저장용기에안전성확보를위해극저온에서의고주기피로, 피로균열진전및파괴특성에관한연구는최근지속적으로수행되고있다 5-8). 일반적으로피로성능은온도가낮아질수록유사하거나더높은성능을나타내며용접을통해제작되었을경우용접부의결함과구조적불연속성으로인해피로성능에저하가나타나는것으로알려져있다 9). LNG 추진선박의저장용기에사용되는 IMO Type C tank 의경우설계증기압이높기때문에두께가얇아질경우소성변형이발생하게된다. 이러한이유로인해기존의탄성범위내의반복응력을기반으로한피로성능평가결과로는저장용기의안전성을평가하는데한계를가지게된다. 이에따라, 극저온용재료에대하여변형률을기반으로한피로성능에대한연구가진행되어있으나 6) 용접부에대한변형률기반피로성능에대한연구는미미한실정이다. 이에본연구에서는 304L stainless steel 의용접부에대해서변형률기반의피로성능을평가하였으며기존에사용되던 304L stainless steel 의모재에대한변형률기반피로설계선도와비교 평가및용접부에대한변형률기반피로설계선도를제시하였다. 2. 재료및기계적특성 2.1 화학조성 본연구에서사용된 304L stainless steel 은파이프, 소형용기및대형저장용기에사용되는강재이며, 극저온에서뛰어난연성을가지는것으로알려져있다. 해당강재에대한화학조성을 Table 1에나타내었다. 2.2 모재와용접재의기계적물성치본연구에사용된 304L stainless steel 과용접재인 E308LT-1 에대한기계적물성치를 Table 2에정리하여나타내었다. 모재와용접재의항복강도는각각 241MPa 과 527MPa로용접재가 2배높게나타났으며, 인장강도는각각 586MPa 과 590 MPa로동일한물성을보였다. 3. 저주기피로시험및결과 3.1 시험방법 Table 2 Results of tensile test UTS [MPa] 0.2% YS [MPa] Elongation (%) 304L stainless steel 586 241 55 E308LT-1 590 527 42 저주기피로시험은파단이 10 4 미만에서발생할때로정의하며, 탄성범위내의반복하중으로제어되는고주기피로시험과달리탄성범위를벗어난소성범위에서의반복변형률제어로써수행된다. 저주기피로시험은 ASTM E606 에따라진행되었으며 10), 시험편의형상은판재형태로결정하였고시험편은두께에따른저주기피로성능을파악하기위해각각 3mm, 5mm 와 10mm 로결정하였다. 시험편형상은 Fig. 1에나타내었다. 저주기피로시험에사용된장비는축인장, 압축유압피로시험기 (IMT 8803, INSTRON) 를사용하였다. 저주기피로하중의파형은 Trapezoidal waveform 과 Triangle waveform 중후자를선택하였으며실험은전체상온, 주파수는 0.5Hz 로수행하였다. 저주기피로시험에있어파단의정의는하중감소법을적용하여하중의 50% 가감소하였을때를최종파단으로정의하였다. 일반적으로하중이낮은범위에서는응력과변형률의관계는선형적이므로하중제어와변형률제어에의한피로시험결과는동일하다. 그러나, 높은하중범위 ( 저사이클영역 ) 에서의응력과변형률거동은비선형적이므로이를정확히평가하기위해서변형률제어를통한평가방법이가장적합하다. 이때, 저주기피로시험을통해얻어진전체변형률 (ε a ) 은식 (1) 과같이탄성변 10T ± 2T H W/2 0.2 R L L=3T ± T/2 R=2T ± T/2 W=4T ± T NOTE: 2.54mm(0.1 in.) 1 T 1 T T Thickness as received Fig. 1 Dimension of low cycle fatigue test specimen W Table 1 Chemical composition for 304L stainless steel (wt%) C Mg P N S Si Cr Ni Iron 304L stainless steel 0.03 2.00 0.045 0.10 0.030 0.75 18-20 8-12 Balance 244 Journal of Welding and Joining, Vol. 34, No. 3, 2016
304L 스테인리스강용접부의저주기피로성능평가 49 형률 (ε e ) 과소성변형률 (ε p ) 의합으로나타낸다. (1) 1 0.9 0.8 0.7 0.6 3t 5t 10t 또한, 식 (1) 의탄성변형률과소성변형률은 Basquin model 적용을통해 log-log 좌표에서각각의직선으로나타낼수있으며, 파단수명이포함된식 (2) 와같이정리할수있다. Strain amp.(%) 0.5 0.4 0.3 0.2 (2) 0.1 식 (2) 를일반적인변형률-수명관계식이라하며이를적용하여변형률-수명선도를작성한다. 이때, 식 (2) 에서 σ f 는피로강도계수, b는피로강도지수, ε f 는피로연성계수, c는피로연성지수이며 N f 와 E는각각파단수명과탄성계수를나타낸다. 반복하중에서응력-변형률선도는재료의연화, 경화에의해단순하중에서의응력-변형률선도와다른거동을보인다. 이때, 단순하중에서와마찬가지로반복응력-변형률선도는 log-log 좌표에서직선으로나타나며식 (3) 과같이정리하여나타낼수있다. (3) 이때, Δσ는응력범위를나타내며, n 과 K 은각각반복적변형률경화지수와반복적강도계수를나타낸다. σ(stress, MPa) 700 600 500 400 300 200 100 Number of cycle(2n f ) Fig. 2 Strain-life curve at room temperature 0 0.00 ε(strain) R=-1 R=0 R=0.5 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 Fig. 3 Cyclic stress-strain curve at room temperature at different strain ratio 3.2 시험결과본연구에서는 304L stainless steel 용접부저주기영역에서시험편두께 (3mm, 5mm, 10mm) 와변형률비 (R=-1, 0.1, 0.5) 의변화가피로강도에미치는영향을분석하였다. 저주기시험을통해얻어진시험결과들을변형률-수명선도로 Fig. 2에정리하여나타내었다. Fig. 2에나타난바와같이, 시험편의두께가 3mm 인경우가장낮은피로성능을나타내었으며, 시험편의두께가 5mm인경우가장높은피로성능을보였다. 이와같이, 두께에의한영향은 304L stainless steel 용접부저주기피로성능에큰영향을미치지않음을확인하였다. 저주기영역에서는항복이상의과도한응력에의해두께효과가나타나지않았을것으로판단되며, 저주기피로설계를위해서는적절한두께가고려되어야함을알수있다. 변형률비의변화에따른저주기피로시험결과를정리하여반복응력-변형률선도와변형률-수명선도로각각 Fig. 3과 4에나타내었다. Fig. 3에나타난바와 Strain amp.(%) 1 0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 Number of cycle(2n f ) R=0 R=0.5 R=-1 Fig. 4 Strain-life curve for room temperature with different strain ratio 같이, 변형률비가 1, 0, 0.5로변화함에따라반복응력-변형률선도는유사한경향을나타내었다. 또한, 변형률비변화에따른피로성능도큰차이가없음을 Fig. 4에서확인하였다. 일반적으로모재의저주기피로성능은평균응력이 0에가까운경우변형률비의 대한용접 접합학회지제 34 권제 3 호, 2016 년 6 월 245
50 황재현 오동진 이도영 전민성 김명현 영향을받지않는것으로알려져있다. 본연구에서도평균응력이 0에가깝게나타났으며, 이에따른용접부의저주기피로성능에서도변형률비의영향은미미한것으로판단할수있다. 두께변화에따른탄성변형률-수명선도와소성변형률-수명선도를 Fig. 5, 6, 7에정리하여나타내었 Strain amp. 0.01 1E-3 Elastic strain Plastic strain Total strain 다. 2,000 cycle 이하의영역에서는소성변형률이지배적이며 2,000 cycle 이상의영역에서는탄성변형률이지배적임을확인하였다. 이때, 정확한천이구간을파악하기위해탄성변형률과소성변형률의교차지점인피로천이수명을계산하였으며, 10mm, 5mm, 3mm 두께에따라각각 1,910cycle, 2,649cycle, 674cycle로나타났다. 또한, 앞서언급한두께에따른피로성능결과와유사하게시험편의두께가 5mm 인경우의천이수명이가장높게나타났다. 이러한결과는용접부비드형상에의한응력집중효과에영향을받았을것으로사료되며, 이에대한추가적인연구가필요할것으로판단된다. 3.3 저주기피로설계선도 Cycle(2N f ) Fig. 5 Strain-life relationship with 3t at room temperature Strain amp. 0.01 1E-3 Elastic strain Plastic strain Total strain ASME code 에서는 304L stainless steel 모재에대한저주기피로설계선도만을제시하고있으며용접부에대해적용하기는부적합할것으로판단된다. 이에, 본연구에서는 304L stainless steel 용접부의저주기피로성능평가를수행하였으며이를바탕으로저주기피로설계선도를제시하였다. 이때, 각각의시험결과들을정리하여하나의피로설계선도로나타내었고시험결과에서도출된지수들을 Table 3에정리하였다. 이를적용하면별도의저주기피로시험없이 304L stainless steel 저주기피로설계에필수적인용접부의피로설계가가능할것으로판단된다. 또한, 본연구에서얻어진 304L stainless steel 용접부의피로설계선도와 ASME code 에서제시하고있는모재설계선도를 Fig. 8에정리하여나타내었다. Fig. 8에 Cycle(2N f ) Fig. 6 Strain-life relationship with 5t at room temperature Elastic strain Plastic strain 0.01 Total strain Strain amp.(%) 10 1 3t-RT 5t-RT 10t-RT 2SD curve ASME design curve 0.1 Strain amp. 1E-3 10 1 10 5 10 6 Number of cycle(n) Fig. 8 Low cycle fatigue design curve for 304L stainless steel weldment Table 3 Coefficient of LCF design curve Number of cycle(2n f ) Fig. 7 Strain-life relationship with 10t at room temperature Parameters σ f ɛ f b c Room temp. 661.9 0.0033-0.1169-0.5532 246 Journal of Welding and Joining, Vol. 34, No. 3, 2016
304L 스테인리스강용접부의저주기피로성능평가 51 나타난바와같이, 모재기준피로설계선도보다용접부의피로설계선도가낮게나타남을확인하였으며, 이는용접부에발생하는초기결함과기하학적불연속부 ( 용접부비드 ) 에의한용접 toe 부의응력집중때문임을알수있다. 4. 결론 본논문에서는 304L stainless steel 의용접부에대하여저주기피로거동과특성을조사하여기존의 ASME 에서제시하고있는모재에대한저주기피로설계선도와비교및용접부에대한저주기피로설계선도를제시하였다. 용접부에대한저주기피로시험결과얻어진연구성과를아래와같이정리하였다. 1) 304L stainless steel 의용접부에있어서두께에의한저주기피로성능의차이는뚜렷한경향이나타나지않았다. 2) 반복응력-변형률관계에서변형률비가 1, 0, 0.5 로각각달리하였을때에도선도의차이가나타나지않았다. 이에따라, 저주기피로시험에서반복응력- 변형률관계는변형률비의영향을크게받지않는것으로나타났다. 3) 각각의두께에대한천이피로수명은 5mm의두께에서 2,649 cycle 로가장높게형성되었으며, 3mm 에서 674 cycle 로가장낮게나타났다. 4) 본연구에서는 304L stainless steel 용접부의저주기피로설계선도를제시하였고, 이를바탕으로 LNG 저장탱크등저온용구조물에대해보다합리적인피로설계가가능할것으로판단된다. 후기 이논문 ( 저서 ) 은부산대학교기본연구지원사업 (2년 ) 지원을받아수행된연구임. References 1. Zhongmin Wnag and Alan Krupnick, A Retrospective Review of shale Gas Development in the United States, Resources for the future, 13-12 (2013) 2. Young Hyun Ryu, Hong Rueol Kim, Gyu Baek Cho, Hong Suk Kim and Jeong Gil Nam, A Study on the Installation of SCR System for Generator Diesel Engine of Existing Ship, Journal of KSME, 39-4 (2015), 412-417 (in Korean) 3. Hale Saglam, Ulrikke Brandt and Britta Wodecki, LNG carrier, Marine Structural Engineering, 2012, Assignment 1 4. Jeong Hyeon Kim, Sung Woong Choi, Doo Hwan Park and Jae Myung Lee, Cryogenic Charpy Impact Test based on GTAW Method of AISI 304 Stainless Steel for LNG Pipeline, J. of Welding and Joining, 32-3 (2014), 89-94 (in Korean) 5. Yoshinori Ono, Tetsumi Yuri, Hideshi Sumiyoshi Etsuo Takeuchi, Saburo Matsuoka and Toshio Ogata, High- Cycle Fatigue Properties at Cryogenic Temperatures in INCONEL 718 Nickel-based Superalloy, Materials Transactions, 45-2 (2004), 342-345 6. Tetsumi Yuri, Toshio Ogata, Masahiro Saito and Yoshiaki Hirayama, Effect of welding structure on high-cycle and low-cycle fatigue properties for MIG welded A5083 aluminum alloys at cryogenic temperatures, Cryogenics, 41 (2001), 475-483 7. Jae Hoon Kim, Kyue Taek Shim, Young Kyun Kim and Byoung Wook Ahn: Fatigue Crack Growth Characteristics of 9% Ni Steel Welded Joint for LNG Storage Tank at Low Temperature, Journal of KWJS, 28-5 (2010), 45-50 (in Korean) 8. Young Kyun Kim, Jae Hoon Kim and Kyu Taek Shim: Mechanical Characteristics of 9% Ni Steel Welded Joint for LNG Storage Tank at Cryogenic, International Journal of Modern Physics, 6 (2012), 355-360 9. Dong Jin Oh, Jae Myung Lee, Byeong Jae Noh, Ryuichi Ando, Toshiyuki matsumoto and Myung Hyun Kim: Investigation of fatigue performance of low temperature alloys for liquefied natural gas storage, Institute of Mechanical Engineers, 229(7) (2015), 1300-1314 10. ASTM: Standard Test Method for Strain-Controlled Fatigue Testing, ASTM E606/E606M (2012) 대한용접 접합학회지제 34 권제 3 호, 2016 년 6 월 247