25 특집 : 최근용접구조용강의발전및용접성 조선 해양부문의강재개발동향및용접성 Development Trends of Steel Plates for Ship Building and Off-Shore Construction and It s Weldability Il Wook Han, Young Hwan Park, Gyu Baek An and Young Ho An 1. 서론 최근세계인구의증가와생활경제의성장으로생활수준이향상되고있으며, 세계적으로대규모의해상활동이급격하게증가하고있는추세이다. 선박수요또한눈에띠게증가하고있으며, 2008년말시점에서세계선박수주량은 42백만CGT를 1,2) 넘었으며, 향후 100백만 CGT를넘을것으로기대하고있다 3). 선박은대량의강재가용접에의하여조립된대형용접구조물이다. 따라서조선소에서는종래의용접효율을향상시키기위하여각종의조립방법을제안하여적용하고있으며, 강재측면에서도이러한요구에부합하여신강종의개발및새로운용접재료의개발이이루어지고있다. 또한최근선박의대형화에따라서고강도극후물재가요구되고있으며, 최근에는항복강도가 460 MPa 급인 TMCP 고강도강이개발되어선박건조에적용되고있다 4). 한편, 이러한고강도극후물강재의적용에따라서, 해상운송에대한안전 환경의식을높이기위하여 IMO (International Maritime Organization: 국제해사기관 ) 를중심으로선박관련규제가강화되고있다. 이러한환경변화와함께선박에적용되는강재에대한요구조건또한더욱엄격하게적용하고있는것이현실이다. 뿐만아니라, 세계선급협회에서는새로운고강도강의출현에따른안전성의평가와보다안전한선박의건조를위한새로운선급규정의제정을검토중에있으며, 특히항복강도가 460MPa 급인 TMCP 고강도강의실선적용에따른고강도의파괴안전성, 피로강도문제등에많은관심을가지고 NK 5), GL 6), ABS 7) 등의선급협회를중심으로신강재에대한새로운선급규정이만들어지고있다 8). 한편, 해양구조물의경우는최근두가지측면의환경변화에대응해서발전해나가고있다. 첫째근해의석유및천연가스자원의고갈에따른심해저의자원개 발이증가하고있다. 따라서해양구조물의형태가고정식에서부유식으로변화하고, 이에따라해양구조물의경량화및대형화요구와함께, 요구되는강재또한고강도화되어서 YS 345Mpa 급강재뿐만아니라 YS 420 및 460Mpa급강재까지사용되고있다. 둘째극저온지역에서의자원개발이증가하고있다. 따라서사용되는강재는높은저온인성이요구되며, 특히모재의경우는 -60 에서, 용접열영향부의경우는 -40 에서의 CTOD (Crack Tip Opening Displacement) 특성이요구되고있다. 최근에는일부극지방에사용되는강재의경우용접열영향부에대해서까지도 -60 의 CTOD 특성을요구하고있다 9). 본논문에서는이처럼조선및해양구조물에사용되는강재가사용환경의변화에따라서고인성고강도강재가요구되므로, 조선및해양구조용강재의지금까지개발현황및최근이슈가되는용접부에서요구되는특성에대하여기술하고, 다양한강재의개발과함께개발된용접재료의개발현황및요구특성에대하여소개하고자한다. 2. 조선용강재의개발동향 조선산업에서사용되는철강소재는선체구조용강재, 보일러용강재, 압력용기용강재, 형강, 각종강관, 주조단조강및비철합금이있으나, 선체구조용후판의사용량이그림 1에서와같이압도적으로많다 10). 선박의운항에있어서선박의안전성을확보하기위해서는선체에사용되는강재, 특히후판의강도, 인성, 용접성은중요하다고할수있다. 선체구조용강의강도규격은항복강도를기준으로 235MPa 급인연강과 315, 355, 390, 460MPa 급의고장력강으로구분되는데, 표 1에는조선용고강도강의품질요구사항 8) 을나타낸것이다. 최근선박의대형화에따라서항복강도 460MPa 급의 大韓熔接 接合學會誌第 27 卷第 1 號, 2009 年 2 月 25
26 후판 후판 주조단조기타 형강 형강 적용에의해개발된고강도강에대하여중점적으로기술하고자한다. 2.1 TMCP 기술의개발 후판 형강 0% 20% 40% 60% 80% 100% Grade 그림 1 선종별강재사용비율 10) 표 1 조선용강재의품질요구사항 8) Yield Strength (MPa) Tensile Strength (MPa) Elongation (%) Impact Energy 1) (average, J) A, B, D, E 235 400~520 22 27 A32, D32, E32, F32 A36, D36, E36, F36 A40, D40, E40, F40 315 440~570 22 31 355 490~630 21 34 390 510~660 20 41 E47 460 570~720 17 46 새로운고강도강이등장하게되었으며, 고강도극후물화에따른용접부의피로와취성파괴등의문제점등이제기되고있으며, 이러한문제점들을규명하기위한연구가한국및일본연구자들을중심으로활발하게진행되고있다 12). 선박구조물의파괴안전성을확보하기위해서모재및용접부에서는정의된시험온도에서일정값이상의충격인성특성이요구된다. 고강도강의적용은선체구조의경량화등에유리하다고할수있지만, 고강도화에따른위험요인과단점이있기때문에피로강도확보를위한설계기술, 파괴인성확보, 강재비용등을종합적으로고려하여판단해야한다. 조선용강재에서는, 연강을제외하고는항복강도가 320MPa 급이상의강재를고강도강 (Higher Tensile Strength Steel) 이라고부른다. 고강도강은 1960년대중반이후 Microalloying 기술을시작으로고강도강의사용이시작되었으며, 1980년대에 TMCP (Thermo Mechanical Control Process: 열가공제어 ) 기술이개발된이후고강도화가급속히진행되어최근에는고강도강의비율이 60~80% 정도에이르렀다 8,13). 이것은연강에비하여가공성, 용접성이우수하기때문에조선용강재에있어서단시간에고강도화가진행되었다고생각된다. 따라서본논문에서는여러종류의조선용강재중에서조선산업의발전에크게기여한 TMCP 기술의 TMCP 기술은일본에서처음개발된기술로 1970년대후반부터개발이진행되어 1980년대한국과일본의제철소에서후판이 TMCP 기술로생산되기시작되었다 14). TMCP 기술은주로열처리와추가적인합금첨가없이후판제조과정에서상변태와미세조직을제어함으로써강도와인성을동시에향상시키는기술이다. TMCP 의경우는원하는오스테나이트조직을얻기위해서가열온도와압연온도를정밀하게제어하는한편압연후에냉각을정밀하게제어함으로써목적하는미세조직과물성을얻게된다. 즉 TMCP 기술은목적하는물성과조직을얻기위해서가열, 압연, 냉각의전과정을통하여오스테나이트조직과상변태를제어하는야금학적인기술이다. 이러한과정에의하여생산된 TMCP 강재는열처리에의해서제조된강재에비해서낮은온도에서충격인성이매우우수하며, 이는 TMCP 에의해서매우미세한조직을얻은것에기인한결과이다. 그림 2는항복강도 360MPa 급 EH강재에대한열처리강재와 TMCP 강재의충격전이온도를비교한것이다 8). TMCP 기술은합금첨가와열처리없이강도와인성을동시에향상시킬수있으며, 결과적으로용접성과인성이우수한후판을제조할수있었기때문에 20여년전부터 TMCP 강이실선에적용되어조선산업발전에크게기여하였다고할수있다. 2.2 TMCP강의특징 TMCP 강은그림 3에나타낸프로세스변화에의하여생산된다 15). 종래의후판제조방법에서는, 강재의강도는 Ceq(Carbon Equivalent: 탄소당량 ) 로대표되는화학성 Absorbed energy(j) E36 grade 300 200 100 0-150 -100-50 0 50 Testing temperature( ) 그림 2 TMCP 와 normalizing 의충격천이비교 8) 26 Journal of KWJS, Vol. 27, No. 1, February, 2009
조선 해양부문의강재개발동향및용접성 27 분에의해서거의결정되었다. 그러나 TMCP 기술에서는제어압연에계속되는가속냉각에서강도를상승시키는것이가능하고, 동일한강도의강판을낮은 Ceq로제조하는것이가능하게되었다. 일반적으로강재의용접성은 Ceq의증가에따라서저하하기때문에종래의고장력강에서는소입열용접시에도최고강도가상승하거나, 예열처리가필요했었다. 그러나 TMCP 형고강도강에서는낮은 Ceq로제조가능하기때문에이러한문제는발생하지않는다. 이러한 TMCP 형고강도강은강도, 인성이우수하고예열없이용접이가능하므로, 조선소의용접시공효율향상에크게공헌하였다고생각한다. 또한 TMCP 형고강도강은높은용접입열량에서도용접부의충격인성열화가적기때문에용접입열량을크게높일수있다. 따라서 TMCP 로제조된고강도후판은일반적제조공정에의해서제조된후판에비해서용접 Pass수를줄임으로써용접생산성측면에서도상당한진보를가져왔다 16). 조선용강재에서는, 모재뿐만아니라용접부의인성도보증하지않으면안된다. 일반적으로, 용접부의인성은모재의요구온도보다 20 고온이기때문에 D grade 강재에서는 0, E grade강재에서는 -20 에서인성이요구된다. 용접부의 HAZ는, 용접시의열에의하여 145 0 정도까지고온으로되기때문에조직이조대화되어서인성이떨어지기쉽다. 또한, 용접입열이크게되 Structure Temperature Slab Heating Temp. Austenite (recrystallized) Austenite (nonrecrystallized) Ferrite RST Ar3 Conv. Rolling AC:Air Cooling AcC:Accelerated Cooling Type of Processing TMR AC TMCP 그림 3 TMCP 제조방법 15) TMR+AcC AcC AC 고더욱낮은온도에서인성을요구하게된다면, HAZ 부에서의인성확보는더욱어렵게된다. 이러한문제점에대하여한국, 일본등의각국의제철소에서는 TMCP 강의성분설계의최적화를실시하고 HAZ 의조직조대화방지를위하여 TiN의활용, Ti-B강의채용등여러가지대책이제안되고있으며, 활발하게연구가진행중에있다. 3. 해양구조용강재의개발동향 해양구조물이란해상또는해저에설치되는구조물을통칭하여사용하는용어이나, 주로석유및천연가스등의에너지원의탐사와채취및레져, 항만, 환경시설등으로이용되는구조물을지칭한다. 특히, 석유및천연가스등에너지원의탐사와채취에이용되는구조물은수심 300m 미만에서주로사용되는고정식 (Fixed) 구조물과수심 300m 이상에서사용되는부유식 (Floating) 구조물로나눌수있으며, 대표적인고정식및부유식해양구조물의기능과강재소요량은표2와같다. 선박의경우는항구에입항하는경우를비롯하여, 5년 1회의전체적인검사및보수가규정화되었던반면, 해양구조물은설치된장소의가혹한환경에서큰보수없이 20년이상가동을요구하고있기때문에구조물에사용되는강재및용접부는엄격한요구조건을만족해야한다. 해양구조물중이동식구조물에사용되는강재는주로위에서설명한조선용강재와동일하게각국의선급협회규격을따르고있으나, 고정식구조물에사용되는강재의경우에는미국석유협회 (API), 영국에너지성 (DOE) 또는유럽의 EN 규격등, 석유및에너지관련국가기관혹은단체의규격을따르고있다. 표3은미국석유협회 (API) 에서제시하고있는해양구조용강을제조법및항복강도에따라분류한것이다 17-19). 강재의제조법에따라 API 2H는노말라이징열처리, 2Y는 표 2 대표적인고정식및부유식해양구조물의주요기능및강재소요량 수심 Type 주요기능강재소요량 ( 천톤 ) 300M 미만 300M 이상 Fixed Floating Jack-up Rig 석유탐사, 시추 40~60 Jacket / CPT 시추, 생산, 정제 40~60 GBS (Artic) 시추, 생산, 정제 8~15 Semi-submersible(FPU) 시추, 생산, 정제 35~50 TLP 생산, 정제 8~15 SPAR 생산, 정제, 저장 15~25 FPSO 생산, 정제, 저장, 하역 27~60 大韓熔接 接合學會誌第 27 卷第 1 號, 2009 年 2 月 27
28 표 3 제조법및항복강도에따른해양구조용강분류예 (API) 제조법 표기 항복강도, ksi (MPa) 42 (290) 50 (345) 60 (420) Normalizing 2H 2H-42 2H-50 - - QT 2Y 2Y-42 2Y-50 2Y-50T 2Y-60 TMCP 2W 2W-42 2W-50 2W-50T 2W-60 표 4 TMPC 형해양구조용강의요구성능예 (API) 규격 항복강도 (MPa) 인장강도 (MPa) 연신율 (%) 충격인성 (J, -40 ) API 2W-42 290~ 427 24 34 API 2W-50 345~483 448 23 41 API 2W-50T 345~483 483 23 41 API 2W-60 414~586 517 22 48 QT(Quenching and tempering) 열처리에의해제조된강재이며, 2W는 TMCP 에의해제조되는강재이다. 표 4는표 3에서분류한해양구조용강중 TMCP 로제조되는강재의항복강도수준별요구성능을표시한것이다. 표 3 및표 4의규격은각강재가기본적으로만족해야하는일반규격이며해양구조물제작프로젝트의특성에따라요구사항 (Supplementary requirements) 이추가된다. 대표적인추가요구사항은 -60 충격인성보증, z방향인장보증, PWHT(Post Weld Heat Treatment) 물성보증및 DWT(Drop Weight Test) 보증등이있다. 4. 조선및해양용강재의용접재료및용접부요구특성 전장에서는조선및해양용강재의개발현황및특성에대하여기술하였다. 개발된강재를선박과해양구조물에적용하기위해서는접합에의하여구조물을구성하며, 접합을위해서는강재의성질과잘일치되는용접재료를필요로하게된다. 한편, 강재가충분한성능을갖고있다고하더라도적용되는용접재료와용접프로세스에의해서구조물의용접부에서는충분한성능을나타내지못하는경우도있다. 따라서강재의용접에사용되는용접재료의성능과강재맞춤형용접재료의개발은중요하다고할수있다. 본장에서는조선및해양구조용강재의용접에적용하기위한용접재료의개발현황과최근의선박및해양구조물에서요구특성및그것에대응하기위한노력에대하여기술한다. 4.1 조선용강재의용접재료개발특성및현황 조선용강재에있어서용접재료의개발은조선산업에서의요구를수렴하는방향으로진행되어왔으며, 그중플럭스코어드아크 (Flux Cored Arc) 용접재료는 1980 년대초반국내에도입된이래현재선박건조시전체용접길이를기준으로 80% 이상을차지하는중요한용접재료로성장하였으며, 서브머지드아크 (Submerged Arc) 용접재료의경우도 10% 대를꾸준히유지해오고있다 20). 그림 4는플럭스코어드아크용접재료에대한시장의요구사항을정리한것으로 2000년대이후용접재료의개발은크게고효율화 ( 고속, 고능률화 ), 고성능화 ( 고강도, 고인성화 ), 친환경화 ( 저Spatter, 저 Fume화 ) 로진행되고있음을알수있다. 최근지속적인선박의건조수량증가에따라새로운건조공법의개발과고속자동설비등의도입을통한용접생산성의향상이추진되어옴에따라고효율, 고성능의용접재료개발도다양하게요구되고있는실정이다. 특히선박의건조공정에서전체용접부의 70% 정도를차지하는프라이머도포강판의필렛 (Fillet) 용접부에대한고속화, 고효율화, 고품질화를추구하는연구와개발이활발히진행되고있다. 20여년전단일전극의플럭스코어드아크용접재료를이용해 800mm/min 정도에머물렀던용접속도가 TOP (Twin-Tandem One Pool) 용접법의적용을통해 1,500mm/min 로약 2배증속되었으며, 최근에는그림 5 와같이용접속도를 2,000mm/min 이상고속으로수평 Fillet 용접이가능하도록 Filler Wire를선, 후행전극사이에삽입시켜고용착및용융지안정화를도모한새로운 TOP시공법과전용메탈계플럭스코어드와이어 의개발에관한연구도보고되고있다 21-23,29). 한편, 1Pass 필렛용접으로상, 하부각장이동일한 8mm이상의대각장용접이가능하도록융융풀의물성을제어한용접재료도실용화되어있다 24). 또한플럭스코어드아크용접재료의 Seamless 화제조를통해일정한아크의발생과용접팁 (Tip) 의내마모성능향상으로장시간의아크용접에서도아크를안정적으로발생 / 유지시켜자동화및로봇용접으로적용성능을향상시킨 Seamless 고속, 고능률성 연속다층용접성 재 Arc 성능 송급성개선 기타 내기공성향상 물성향상 Spatter저감 Fume 저감 그림 4 탄소강용플럭스코어드아크용접재료에대한시장요구 29) 28 Journal of KWJS, Vol. 27, No. 1, February, 2009
조선 해양부문의강재개발동향및용접성 29 그림 5 New TOP(Twin-Tandem One Pool) 법의용접개요 22) 플럭스코어드와이어 25) 와용융금속및슬래그의점성및표면장력을조정하여루트간격이큰접합부에대해고전류로입향상진용접이가능하도록내Gap성을향상시킨고능률입향상진전용용접재료 (YFW-C500R) 등의개발로향후고능률화에대한다양한솔루션을제공하게될것으로기대된다 24). 한편, 컨테이너선등선박의대형화와함께고강도극후물화가고려되는부재의용접생산성을높이기위한 Single 및 Tandem 용대입열일렉트로가스 (Electro- Gas) 용접도활발히진행되고있다. EH40 Grade 의대입열용접에서물성저하를고려해설계된 TMCP 강재및용접재료가이미적용중에있으며 23), 최근 EH47 강재의개발과더불어강재가요구하는고강도, 고인성의확보가가능한일렉트로가스용접재료의연구도활발히이루어지고있다 26). 자동용접프로세스인서브머지드아크 (Submerged Arc) 용접에서는기존의선급용강재에적합한단, 다층용용접재료의개량과 25mmt 이상 A EH 강재의대조립및판계라인일면용접법인 FAB(Flexible Asbestos Backing) 법, FCB (Flux Cu Backing) 법에 Cut Wire 및 Iron Powder 등의재료들을조합해용접이가능하도록설계된용접재료들의개발도활발히이루어져오고있다 27). 4.2 조선용강재의용접부요구특성 최근선박의대형화에따라서고강도극후물강재의사용이증가하고있다. 특히, 컨테이너선벌크케리어와같은대형선박에는 YP470MPa 급의 70mmt 이상의강재가적용되고있다. 이처럼선박의고강도및극후물화가진행됨에따라선체구조물의피로문제, 파괴인성특성에관하여 IMO(International Maritime Organization) 에서는규제를강화하는것과함께강재에대한요구도변화하고있다. 특히, 최근벌크케리어의안전문제, 탱커의원유유출사고를계기로탱커의부식문제, 피로문제가부각되고있으며, 컨테이너선의대형화에따른고강도강의극후물재에대한취성파괴문제또한큰주목을받고 있는실정이다. 부식의경우에는선박의수명을결정하는중요한요소인데과거에는도장에의한부식을억제하는것이유일한해결수단이었지만, 최근에는강재의내식성을향상시키기위한노력이이루어지고있다. 내부식강의개발은도장이어려운부위또는특수한환경에서부식을억제하는방향으로진행되고있다. 한국과일본의철강사들은각사의고유한방법으로 Pitting 부식을일반강의 4배이상억제할수있는후판을개발진행중에있으며, 일부는개발강을실선에적용하고있다. 이외에도 Water Ballast Tank 에적용할수있는내해수부식강등은향후개발이필요한내식강이다. TMCP 의발전과함께고강도화가급격하게진행되었으나, 1980년대후반에건조된 Single Hull VLCC 에서는 피로균열손상이발생하였다. 이것을계기로설계의단계에서피로에대한고려를충분히하게되고, 현재에는고강도강을사용시에는고정도의구조해석에의한피로강도평가가실시되고있다. 일반적으로피로균열은용접부에서발생하기쉽고, 강재의강도를높여도용접부에서의피로강도는상승하지않는다는것은잘알려져진사실이다. 그러므로용접부의피로강도상승에는용접비드의형상개선을목적으로비드의소거및종단부의그라인딩등의용접시공상의공법이거론되고있다. 한편, 일본의 Sumitomo금속에서개발한 FCA (Fatigue Crack Arrest) 강은모재의피로균열전파속도를감소시킨강으로써 LNG선등의피로부재에실제적용되고있다. 또한, 최근에는탱커, 벌크케리어의구조기준에관한선박규칙의통일화 (CSR: Common Structural Rule) 가진행되고, 가장열악한조건을갖는북대서양에서 25년의수명확보가요구되고있다. 이것으로부터피로강도의요구는점점강화될것으로생각된다. 향후선박설계, 용접시공, 강재개발을포함한종합적인검토가필요할것으로생각한다. 한편, 대형컨테이너선에서는 6,000TEU 을넘게되면 Hatch side coaming 등에서는일반적으로 EH40 (YP390MPa 급 ) grade강재의 50mmt 를넘는강재가사용되고, 극단적인경우에있어서는 100mmt 를넘는두께의강재의설계까지도하게된다. 이처럼두께의증가를막기위하여최근에는 EH47(YP460MPa) grade 강재가개발되어서 13,000TEU 급컨테이너선의 Hatch side coaming 에 75mmt 의강재가적용될예정에있다. 이러한경우에고강도극후물화된강재의용접부에있어서는취성균열에대한정지능력을갖지못한다고하는 보고들이발표되있으며 12,28), 일본 (NK) 5), 미국 (ABS) 6), 독일 (GL) 7) 등의선급협회에서는새롭게개발된고강도강 大韓熔接 接合學會誌第 27 卷第 1 號, 2009 年 2 月 29
30 표 5 강도별인성향상수단 30) Initial notch Brittle crack Items Strengthening matrix Refining microstructure Acicular ferrite 조직형성 Strength level YS 500MPa 급이하 Ni 첨가 YS 600MPa 급이상 Ni 함유량증가 Mo 첨가, 산소량감소산소량감소 Ti, B 복합첨가 핵생성 site 첨가 (Ti-oxide) 그림 6 용접부에서의취성균열전파시험결과 12) 인 EH47 강재 (YP460MPa 급 ) 에대한새로운규정의제정에있어서, 이러한취성균열을방지하기위한여러가지규정을제정하고자검토를진행중에있다. 이에대응하여, 한국과일본의조선사및철강사를중심으로취성균열관련연구가활발하게진행되고있으며, 균열정지에대한방안들도제안되고있다. 그림 6에서는 NSC에서실시한고강도 TMCP 강재에대한대입열용접부에서의취성균열이발생하여전파된시험결과이다 12). 이처럼한번발생된취성균열을정지시키기는어렵기때문에취성균열정지성능이우수한강재의개발이제안되고있다. 뿐만아니라, 취성균열을정지시키기위한기술개발이한국을비롯하여일본등에서활발하게진행되고있으며, 향후지면을통하여소개할기회를갖고자한다. 4.3 해양구조용강재의용접재료개발현황및특성 해양구조물의용접에는 YP320 420MPa 급, 460 500MPa 급및 690MPa 급의고강도강용용접재료가폭넓은적용된다. 가혹한환경에사용되는고강도강재는해양구조물특유의설계요구를만족시키기위한품질사양즉, 저온인성에대한요구가엄격하게요구되기때문에해양구조물의용접에는저온인성의확보가가능한용접재료가주로적용된다. 해양구조물용용접재료의대부분이 -60 정도까지의샤르피충격인성과 -10 이하에서의 CTOD 가요구되며, 최근 -20, -40, -60 의저온 CTOD를요구하는해양공사도증가하고있다 20). 이러한고강도강재의저온인성확보를위한용접부의기본적인성분설계는용접금속의저산소화와함께용접금속조직의미세화가필요하다. 이에대한수단으로표 5에서제시하고있는것처럼 YP550MPa 이하에서는주로 Ti-B 복합첨가, YP600MPa 이상에서는주로 Ni의 첨가를통해조직의미세화를실현하고있다. Ti-B 복합첨가에의한인성향상수단은 CTOD 를비롯한고인성요구에대응하기위해 1980년대초에개발, 실용화가이루어져왔으며, 현재 YP550MPa 급이하의다양한용접재료에서채용되고있다. Ti-B 복합첨가에의한조직미세화의메커니즘은고용 B의구오스테나이트입계에서의편석 (Segregation) 에의한초석페라이트 (Pro-eutectoid Ferrite) 생성억제작용과 Ti 산화물에의한오스테나이트입내에서의페라이트핵생성에의해미세페라이트를생성하는것에기인한것으로알려져있다 30). 용접재료별로살펴보면, 서브머지드아크용접재료의경우플럭스의염기도를증가시켜용접금속의산소량을 600ppm 수준에서 250 300ppm까지저감시킴과동시에 Ti,B 를플럭스에복합첨가하여용접부의고인성을확보하고있으며, 전자세용접성을고려하여산성계의 TiO 2, SiO 2 가주요플럭스성분인티타니아계플럭스코어드아크용접재료의경우에는용접금속내부에산소가다량잔류하게되어저온인성의확보가어렵게되므로 Ti, B외에 Ni을일정량첨가한 Si-Mn-Ni-Ti-B 계로설계하여용접금속의고강도, 고인성화를달성하고있다 31). 그림 7은용접금속의산소량및 Ti량과인성의관계를나타낸것이다 31). 용접금속의산소량에따른최적의 Ti량을설정하는것이매우중요한것임을알수있다. 이러한용접금속의미세성분의조정을위한용접재료의 Absorbed energy( v E -75.J) 250 200 150 100 50 [Chemical composition of weld metal(mass %) [C]0.05~0.10, [Si]0.2~0.3, [Mn]1.2~1.6, [B]0.002~0.005, [N]0.002~0.005 [O]=200~300ppm [O]=340~390ppm [O]=400~450ppm [O]=450~510ppm 0 0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 Total [Ti] (mass %) 그림 7 인성에미치는용접금속의 Ti 및산소량의영향 32) 30 Journal of KWJS, Vol. 27, No. 1, February, 2009
조선 해양부문의강재개발동향및용접성 31 성분을설계하는것은용접재료의개발에있어매우중요하며, 대부분의 Ti-B계용접재료는 Ti, B를포함한첨가성분들의편석정도와용접금속의산소, 질소및불순물등의반응을충분히고려하여설계, 제조되어져야한다. 한편, YP600MPa 급이상용접금속의미세조직은베이나이트 마르텐사이트이며, 페라이트미세화기술인 Ti-B 계는거의적용하지않고있다. 용접금속화학성분은 C-Si-Mn-2.5 3.5%Ni(-Cr)-Mo 계가채용되며, 피복아크용접재료와가스메탈아크용접재료의경우저 C, 고 Ni계로설계하여용접금속의고강도및고인성화를시도하고있으며. 서브머지드아크용접재료의경우용접금속중의산소함량을최소화하기위해고염기성의소결형플럭스와고 Ni계와이어가조합하여고강도및고인성화를달성하고있다 30-32). 고인성화와더불어구조물의대형화, 고강도화추세가두드러진해양강재의용접에서는용접이후용접부에잔류하는확산성수소량및용접부구속도와조직의경화도등이복합적으로작용하여 HAZ 및용착금속에저온균열 (cold crack, 수소유기균열 ) 을일으키게된다. 용접재료측면에서는용접재료의저수소 (Low Hydrogen) 화를적극추진하여후판, 고강도용접부에서의균열을억제하고예열온도를최소화하는연구가진행되어왔다. 특히플럭스를사용하는용접재료인경우, 사용플럭스의흡습능과탈수소성분의첨가정도에따라용접금속의확산성수소량이변화하게되므로피복아크용접재료의피복제및서브머지드아크용접용플럭스에대한저흡습화및저수소화설계가동시에시도되어오고있다. 플럭스코어드와이어의경우티타니아계용접재료의특성을기본적으로유지하면서용접부의탈수소화설계및용접재료의흡습억제를통해 2 3ml/100g수준으로용접금속의확산성수소량을저감시킨인장강도 600Mpa 급이하의 seamless 용접재료도상용화되어적용되고있다 25,33). 4.4 해양구조용강재용접부요구특성 해양구조용강재는가혹한해양환경에장기간노출되어사용되며, 주로후물재의강재가사용되기때문에요구되는모재및용접부의품질기준도다른일반후판강재에비해매우까다로우며, 특히용접부의취성파괴에대한높은저항성을요구하고있다. 그림 8은대표적인부유식구조물인 TLP(Tension Leg Platform) 의 Topside Hull Quality level Tertiary Secondary Primary Special Critical 그림 8 TLP(Tension Leg Platform) 의 Topside 와 Hull 의연결부위의요구품질등급 ( 예 ) 표 6 해양구조물의부위별 Quality Level 에따른인성요구치 ( 예 ) Quality Level 인성요구치 구분 Base Metal Weld Metal F. L & HAZ Tertiary CVN (J) X 27(-10oC) X Secondary CVN (J) 50(LAST-10) 50(LAST-10) 50(LAST) Primary CVN (J) 50(LAST-20) 50(LAST-20) 50(LAST-10) NDT ( ) < LAST - - CVN (J) 50(LAST-30) 50(LAST-30) 50(LAST-20) Special NDT ( ) < LAST-28 - - CTOD (mm) 0.38(LAST-20) X X CVN (J) 50(LAST-30) 50(LAST-30) 50(LAST-20) Critical NDT ( ) < LAST-28 - - CTOD (mm) 0.38(LAST-20) 0.38(LAST) 0.38(LAST) FPU : Floating Production Unit LAST : Lowest Anticipated Service Temperature NDT : Null Ductility Temperature (in DWT test) CTOD : Crack Tip Opening Displacement 大韓熔接 接合學會誌第 27 卷第 1 號, 2009 年 2 月 31
32 Topside 와 Hull의연결부위의요구품질등급의일예를나타낸그림이다. 여기서각부분의구분은표 6에나타낸바와같이구조물의응력집중정도와국부파괴발생시전체구조물의파손에미치는영향도를고려하여 5가지의등급으로구분하여나타낸다. 특히중점관리 (Special) 및특별관리 (Critical) 부분은표 6에나타낸바와같이충격인성뿐만아니라, 모재및용접부에대한저온 CTOD(Crack Tip Opening Dis- placement) 특성등을엄격히요구하고있다. 해양구조물에서일반적인파괴양상은용접접합부에있는용접결함으로부터피로균열이발생하여어떤임계크기로전파한후취성파괴가일어난다. 그전형적인예가 1980년북해 Ekofisk 에서가동중이던반잠수식해양구조물 Alexander L Kielland의전복사고이다. 용접부결함은고온균열, lamellar tearing 및저온균열이있다. 고온균열은용접재료에의해서크게영향을받으며과전류를피하고용접속도가매우빠르지않으면피할수있는것으로알려져있다. 한편, lamellar tearing은비금속개재물과중심편석에의해서발생되지만현재는탈황기술과개재물과편석제어기술이상당한수준에있음으로크게문제되지않고있다. 저온균열은수소량, 용접구속응력및 HAZ 경화조직의 3가지조건이충족되면발생한다. 따라서수소함량이적은용접재료의사용, 개선각개선에의한구속응력감소및용접예열등에의해서억제할수있다. 그러나보다근본적인해결방법은강의성분을조절함으로써용접 HAZ 부에서경화조직인마르텐사이트를억제하는것이다. 특히, Ceq가정성적정량적으로저온균열감수성과매우밀접한관련이있기때문에 API 규격에서도 Ceq 상한치를규제하고있다. Ceq 상한규제에부가하여 API-RP2Z 에서는저온균열감수성을보증하기위해서 CTS(Controlled Thermal Severity) 시험과 Y-groove 시험을요구하고있다. 용접재료의확산성수소량이 3 5ml/100g이고입열량이 CTS 1kJ/mm, Y-groove 1.7kJ/mm 인조건에서 50mm 이하의최고두께의강판에대해서 CTS는 80 와 Y- groove는 130 에서균열이발생하지않아야한다 34,35). 몇건의취성파괴에의한해양구조물의파손사고이후, 용접부파괴인성치의개선요구는라멜라티어링 (Lamellar Tearing) 과용접부저온균열방지와함께해양구조용강재에대한주요쟁점이었다. 특히 1980년대 HAZ의낮은 CTOD를경험한후성분, 용접조건, 최고가열온도및다층용접에서취성영역의분율과크기등이 HAZ CTOD에미치는영향에대해서광범위하게연 구가이루어졌다. 중요한결과중의하나는 Intercritical Coarse Grain Heat Affected Zone (ICCG-HAZ) 가벽개파괴가일어나기쉽다는것이다 36,37). ICCG-HAZ 는조대한베이나이트또는마르텐사이트의 Coarse Grain (CG-HAZ) 가후속의용접열이력에의해서 2상역온도로가열될때생기는조직이다. ICCG-HAZ의특징은 2 상역에서형성된오스테나이트에 C등의합금원소가농축되고빠른냉각에의해서마르텐사이트가형성됨으로써 Martensite-Austenite (M-A) constituent 라불리는매우취성적인제2상이분산된조직이다. M-A constituent에의한인성저하는잘알려진사실이며또한 M-A constituent에의한취성파괴의가능한기구들이제안되었다. 따라서 Local Brittle Zone(LBZ) 문제는 ICCG-HAZ 에국한하여생각할수있을정도로 ICCG-HAZ 의중요성은깊이인식되어왔으며, ICCG-HAZ 의인성에미치는합금원소의영향및조직제어에대한많은연구가이루어졌으며, 이를바탕으로저온파괴인성이우수한강재개발이이루어지고있다 38-40). 5. 맺음말 지금까지조선 / 해양분야의강재개발현황및최근이슈가되는용접부요구특성에대하여기술하고, 전용용접재료의개발현황및요구특성에대하여살펴보았다. 조선산업에서는선박의대형화, 해양환경보호, 선박의장수명화등의해운환경변화에대응하여강재는고강도, 극후물화및고기능화되어가고있으며, 해양산업에서도에너지와자원개발이극지와심해로확대됨에따라, 해양구조용강은고강도화및극후물화와함께극저온에서의파괴인성보증요구가커질것으로전망되며, 실제이러한강재들이널리사용될시기가가까워오고있다. 향후, 국내조선및해양산업의세계적수준의경쟁력을유지발전시키기위해서는조선및해양산업을지원할수있는강재의개발과함께용접재료개발에도끊임없는연구와노력이필요할것이다. 참고문헌 1. The Korea Shipbuilder's Association: Shipbuilding statistics in 2008 year (2009) 2. Clarkson: World Shipbuilding statistics in 2008 year (2009) 3. S. Imai: Recent development and future trend of shipbuilding steel, Journal of the Japan Welding Society, 76 (2007), 19 4. K. Hirota: World s first development and application of HSS(high tensile strength steel with yield stress of 47kgf/mm 2 to actual ship hull structure, Mitsubish heavy 32 Journal of KWJS, Vol. 27, No. 1, February, 2009
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