Ⅳ. 고온 적용을 위한 페라이트 용접 재료의 용접 보수
1. 개요
전 세계에 걸친 추가에너지 요구를 해결하기 위해서는 작업 효율을 증가시켜 현존하는 발전소의 수명을 연장하거나, 더 새롭고 효율적인 발전소를 건설해야 한다. 발전소 수명연장과 관련해서는 부품의 노화에 따른 평가와 지속적인 보수가 반드시 필요하다.
본 내용은 고온 플랜트, 특히 발전 플랜트의 보수에 초점을 두었으며, 고온 응용에서 과거의 보수 방법은 후판에 후 용접 열처리(Post-weld Heat Treatment)가 필요한 반면에, 더 발전된 용접법은 후 용접 열처리가 없는 방법을 사용한다.
2. 플랜트의 운영과 보수 필요에 공헌하는 요소들
가. 발전 플랜트 설계와 운영
565℃의 수증기가 터빈에서 체적 팽창과 결과적인 온도 감소로 터빈에 추진력을 제공한다. 열역학 사이클 효율 η는 터빈 입구에서의 수증기온도 T₂와 응축 온도 T₁의 함수이고, 카르노 사이클을 가정하여 간단히 η=[T₂-T₁]/T₂로 표현된다.
효율은 터빈에 들어가는 스팀 입구 온도와 응축 온도에 지배적으로 의존하고, 높은 작동 온도가 더 큰 효율을 준다. 발전 플랜트는 크리프 구역 내에서 장기간 고온에서 작동하고 스팀라인과 같은 안정 온도 구역과 튜브형 열교환기를 대형 주 스팀라인에 연결하는 헤더 시스템과 같은 변동하는 고온 구역이 있다. 이 요소들이 환경적 영향과 결합해서작동 중에 재료의 퇴화를 이르고 크리프, 피로, 크리프-피로와 같은 시간 의존과정에 의한 손상과 크랙을 형성한다. 특히 보일러 내부를 부식 및 산화시킨다.
발전소 재료는 운전 중 시간, 온도, 응력과 환경의 함수인 조직의 변화나 손상을 입는다. 이런 변화는 단순한 금속적 회복, 용접조직의 뜨임, 과다 에이징, 부품내의 차수 변화 등을 야기한다.
나. 용접 공정의 단순화된 특징
열 입력이라고 하는 용접 단위 길이 당 입력된 동력은 η₁Ⅳ/S로 표현된다. 여기서 I는 전류, V는 전압, S는 이동 속도, η₁은 공정 효율인데 1보다 작다. 용접이 진행되면서 국부 온도는 변하고 두 종류의 온도 변화가 고려된다.
- 용접 비드의 국부 온도는 비드로부터의 거리에 따른다. 국부영역은 용접비드가 지나면서 처음에는 빠르게 냉각, 가열되며 그 다음은 더 늦게 고온으로 가열된다. 그래서 열 영향 부위(HAZ)라고 규정된 용접 경계면은 용접과 재료 조건에 따라 온도상승, 최고온도, 그리고 냉각된다. 이 국부온도와 재료변태 그리고 석출거동의 상호작용은 복잡하나 반복형태의 미세조직변화를 생성한다.
- 용접 중 현실적인 관리를 위해 더 일반적인 온도가 용접계면으로부터 50~100mm 떨어져서 측정된다. 예열 온도는 부품이 용접 전에 유지하는 온도이다. 용접완료 후 온도는 예열온도 수준까지 떨어지는 것이 허용되고, 용접으로부터 수소를 확산시키기 위해 수 시간 동안 유지된다. 마지막으로 잔류응력의 완화와 용접된 금속과 열 영향 부위내의 경질재료의 뜨임을 위해 CrMoV강의 경우 700℃로 용접 후 열처리를 위해 온도를 올린다.
산화/부식 및 침식에 의한 부품의 얇아짐, 마모, 얇아진 표면에 새로운 금속을 입히고, 표면 아래의 손상을 제거하기위해 표면처리를 한다.
현미경적으로 유사한 재료의 큰 영역에 걸쳐 발생하는 일반적인 손상, 예를 들면 헤더 몸체와 파이프라인의 팽창이 있다. 특히 완전 압축된 시스템에서 나타나는 이런 손상은잠재적인 안전사고를 암시하는 중요한 징후가 된다. 평가 후 교체하거나 보수를 하는데 같은 재료로 대체하거나, 실제 운영조건에 견딜 수 있는 개선된 재료로 대체하거나, 보수하는 것인데 이 모든 것은 운영조건의 수정과 병행될 수 있다.
특정 하중을 받는 용접이나 주물 내에 흔히 존재하는 미세 조직의 변화와 낮은 연성조직과 관련되는 국부손상이나 크랙이 존재하며 이 형태는 안전과 경제적 이유로 용접보수가 결정적으로 중요한 영역이 된다. 용접은 고온 플랜트의 크리프성능을 규정하는데 중요할 수 있다. 수 년 간에 걸친 고온 파이프 작업 시스템에서 대부분의 손상은 용접과 관련된 것이었다.
이 손상의 근본원인은 2가지 형상으로 발생한다. 첫째는 단기간에 발생하는 용접공정이 직접원인이 되는 손상으로 초기 비파괴검사 중 탐색되어야 한다. 둘째는 중장기적으로 사용 중 발생하는 손상이다. 앞의 예는 수소크랙, 열간 크랙, 용입 불량, 슬래그혼입과 용접성 문제, 그리고 열 영향 부위와 용접 금속 내의 응력제거 크랙을 포함한다.
발전 플랜트 경험으로 보아 초기 용접결함이 무시되고, 일차적으로 작동 및 추가 시스템하중에 의하여, 구동되면, 용접 미세포조직의 상세와 상호작용하면서 시기상조형태의 크랙이 발생한다.
3. 제조 및 보수용접에 설계 코드의 적용
설계 코드는 규정에 의한 설계나, 분석 원리에 의한 설계를 수행한다. 규정에 의한 설계 코드는 영국에서는 BS 5500, 미국에서는 ASME Ⅲ와 Ⅷ이 대표적이며, 분석원리는 고온 및 복잡한 하중에 적용되는데 프랑스에서는 RCC-MR, 미국에서는 ASME N47이 대표적인 예이다.
모든 코드는 페라이트계 용접의 두께가 주어진 값을 초과하면 잔류 응력을 감소시키고 국부조직을 뜨임하기 위하여 재료에 따라 용접 후 열처리를 하도록 되어 있다. 오스테나이트계 용접은 통상적인 용접 후 열처리가 σ상과 같은 취성이 있는 상의 석출을 유발하므로 제외된다.
일단 플랜트가 건설되면 접근성, 자세 및 경제적 이유로 새 용접을 위한 요구가 항상 쉽게 가능한 것은 아니다. 여러 요구사항 중, 용접 열처리가 아마 가장 제한적일 것이고, 어떤 경우에는 용접 후 열처리를 하지 않기 위해 용접절차가 수정이 되기도 한다.
4. 대표적인 전통적 보수기술
역사적으로 결함/손상이 있는 용접 보수는 새 용접과 유사한 절차를 갖는다. 이것은 예열, 수소관리, 충전재, 용접봉지름의 3배 이상의 비드 크기, 그리고 완전한 용접 후 열처리이다. 또한 파낸 형상계수, 개선된 크리프성능을 위해 모재에 맞는 낮은 강도의 용접재료의 사용과, 전통적인 버터링 등이 고려될 수 있다.
완전 용접 보수는 그라인딩으로 인한 결함제거로 더 넓게 되어 넓이가 (L+20)이 된다.여기서 L은 원래 용접폭이다.
모든 검사절차는 새 부품을 위한 현재코드에 적용되는 것과 수준과 세밀도에 있어서 동일하다.
5. 전통적인 보수 성능평가
아래 5가지 방법들은 상호의존적이고 다른 특징을 검사한다. 기술적으로 실용적인 방법은 크랙형성을 재현해야 되고, 보수용접의 경우에 일반적으로 아래의 방법들이 모두 필요하다.
가. 용접절차의 시험, 간단한 상온특성 및 검사기록의 평가
이것은 용접절차서의 제작, 여러 코드에 의하여 요구되는 초음파 및 기타기술을 사용한 검사, 완성된 용접의 상온굴곡 및 일축(Uniaxial) 시험, 경도와 성분체크를 포함한 용접절단단면의 금속학적 검사를 포함한다. 이러한 절차가 용접보수절차서의 주요 문제점을 탐색하고, 매우 낮은 연성(Ductility)구역에서 발생할 수 있는 결함들을 탐색할 수 있다.
나. 보수 용접의 실험실에 근거한 일축(Uniaxial) 및 용접단면시험
기대되는 보수 수명의 실제적인 평가를 얻기 위하여 흔히 최종사용자에 의하여 추가적인 시험평가가 수행된다. 대표적인 시험은 광학 및 전자현미경을 사용한 금속조직검사, 약한 영역을 규정하기 위한 경도시험, 인성을 규정하기 위한 샬피 충격시험, 실온 및 대표적인 작업온도에서 인장시험, 그리고 최종적으로 크리프 수명평가를 위한 용접단면 크리프시험이 있다. 표점거리 내의 용접단면을 포함한 용접단면 크리프시험은 비교적 만들기 쉽고, 시험하기 쉽고, 완전히 분석하기는 복잡하나, 수명예측을 보여줄 수 있다.
다. 용력해석법에 근거한 사례
아래 사례들은 계산된 것이고 소수의 확인시험이 포함되어 있으나, 실험적 데이터가 아니고, 파이프의 원주버트 용접에 치우쳐 있다. 용접수명은 용접 내에 있는 재료성질들의 평균에 의하여 직접영향을 받으며, 용접수명은 일반적으로 용접파이프보다 짧고 파이프 수명의 0.5~0.8이다. 2.25CrlMo 용접재료로 용접되고 후 열처리된 CrlMoV 파이프의 계산된 연속손상 용접수명은 부품시험에서 실패한 용접의 실제수명과 근사하게 비교되었다.
라. 부품시험
부품시험은 특수장비가 요구되는 고가의 방법이나 유럽에서는 널리 운용되고 있다. 이것은 완전한 용접과 용접부품들을 시험할 수 있고 운영 중인 플랜트에서 상세히 얻기 어려운 부품현상과 연결을 제공할 수 있다.
시험은 응력해석검증과 용접단면 데이터를 비교하기 위한 기초로 활용할 수 있다. 일반적으로 이 작업은 수치해석법을 뒷받침하고, 일단 검증되면 상업적 응용을 필수적인 민감도 연구에 사용될 수 있다.
마. 플랜트 손상과 실패의 시험
플랜트 용접에서 발견된 손상은 대표적으로 검사에서 누락된 초기 결함과 형식 IV 크랙과 같은 장기서비스손상, 가지들과 T 교차점에서 관련된 크랙, 파이프와 파이프 심 용접의 원주용접 등 여러 종류의 크랙과 관련될 수 있다. 가지 연결에 크리프 하중이 있으면 시기상조의 손상축적과 크랙 및 실패를 초래한다.
6. 진보된 보수 용접절차의 필요성
보수는 비용이 비싸고 또한 주요 크랙문제는 제작소에서 용접을 하지만 일반적으로 시간제약과 참석자문제 때문에 현장에서 수행된다. 고려될 주요 사항은 접근을 하기 위한 시간과 비용, 손상부위의 검사 및 파내기, 보수용접, 후 용접 열처리(시간, 비용, 타당성 및 지원구조물의 고려), 최종검사 등이다.
금속 및 열전달 연구와 용접공정의 개선된 연산시설로 열 영향부위/모재구역 내의 어떤 부위의 온도와 시간적 역사를 결정할 수 있게 되었다. 모재/용접 금속재료를 위한 시간-온도-변태(TTT)와 연속냉각변태(CCT) 데이터가 결함되면 열 영향 부위내의 국부미세 조직이 규정되고 관리 항목이 규정된다.
7. 용접내의 미세조직 관리의 원칙
용접 중 용접금속의 비드가 약 1,600℃의 온도에서 생성된다. 용접 비드로부터 열이 공작물을 통해서 전달된다. 열 영향 부위의 미세조직은 최고온도, 온도에 노출시간, 그리고 최고온도로부터의 냉각율에 좌우된다.
탄소강에서 일반용접의 전형적인 예를 들어보면, 용접비드가 쌓이면 온도는 용융점보다 높아지고 열전달에 의하여 인접모재와 열 영향부위를 신속하게 가열한다. 페라이트 강에서 안정성 있는 고온 γ상의 A₃ 온도 이상에서 발생한다. A₃ 이상의 그와 같은 온도는 단상을 생산하고 입자크기가 시간과 최고 온도의 함수로 입자가 성장한다.
용융 경계에서 더 멀어지면 온도는 낮으나 아직 A₃ 이상이고 재결정과 더 한정된 입자 성장이 발생할 수 있다. 이것은 절대 온도나 더 정확히, 완전한 온도 사이클에 의한 종합입자성장에 의하여 관리된다. 따라서 거친 입자영역은 용융경계에 직접 인접한 곳이고, 모재로 옮겨갈수록 입자 크기는 감소한다.
열 영향 부위로 더 멀리 움직이면 온도는 A₁과 A₃ 사이이고, 중간임계 영역이란 구역으로 규정된 오스테나이트와 페라이트의 혼합을 형성한다. 이 구역의 입자성장은 2차상의 존재와 저온에 의해 제한된다.
실제 용접은 다수의 오버랩 된 용접비드로 구성되고 각 비드의 퇴적은 열 영향부위내의 각 점에서 완전한 가열과 냉각 사이클의 성분을 생성한다. 그러나 중요한 요소는 용접비드 겹침과 간격이다. 고도의 겹침은 거친 입자 조직정도 그리고 거친 입자구역과 미세입자 구역의 구분을 감소시키고, 낮은 정도의 겹침은 훨씬 큰 길이의 거친 입자 조직을 만든다.
용접이 적절히 관리되고 조직이 실질적인 한계에서 반복적이고 재현성이 있으면 그러한 관리는 상업적으로 사용되었다. 가장 최근의 예는 관리된 퇴적용접 보수절차이며, 모든 발전된 보수절차는 이 원리를 적용하여 관리된다.
8. 열 영향부위 미세조직 관리를 위해 개발된 상업적 응용절차
열 영향부위 미세조직 관리의 첫 응용이 1960~1970년대에 있었고, 그 후 같은 원칙으로 예열과 용접 후 열처리를 받지 않는 용접보수절차가 개발되었다. 냉간 용접보수, 뜨임비드, 관리된 용착보수 등의 전문용어가 이것을 설명하기 위해 사용되었다. 예열요구는수소크랙을 최소화하기 위한 필요에 의하여 관리되었다.
가. 어울리는 충전금속을 사용한 관리된 퇴적
1) 반 비드 보수 기술
- 이것은 A508과 A533B와 같은 합금을 위한 후 용접열처리 대안으로 개발되었다.
- 균일하고 얕은 열 영향 부위를 생성하기 위해 2.4mm 용접봉으로 예열하고 표면에 바르듯이 용접한다. 높이는 맞추기 위해 용착 금속의 반을 그라인딩 한다.
- 3.2mm 용접봉을 써서 2차 층을 적용한다. 비드는 겹치게 하기위해 엇갈리게 한다.
- 4mm 용접봉을 사용하여 나머지 층과 용접 보충을 추가한다.
- 공정은 실용적이고 실제 성공적으로 사용되었다. 그러나 그라인딩 작업이 필요하고 원자력 시스템에서는 인기가 없다.
2) 뜨임비드 용접보수
- 반 비드 기술의 대안으로 개발되었고, Doty에 의하여 설명되었다. 이 절차는 미국에서 원자력발전플랜트에 널리 사용되었다.
3) 일관된 층 뜨임 비드 기술
- 이것은 1990년대에 전력연구협회(EPRI)에 의해 개발되었고, 조직의 미세화와 뜨임을 위해 전 보다 더 높은 열 입력관리를 한다. 가스텅스텐아크용접(GTAW)과 피복아크용접(SMAW) 공정이 사용되었다.
4) 관리된 퇴적법
- 각 층의 조심스런 열 입력의 선택으로 미세한 조직과 뜨임임을 얻는 것이 주목적이다.
5) 니켈기반 충전재를 사용한 예열 및 용접 후 열처리가 없는 보수
GrMoV 주물품 보수에 대한 대안이 러시아의 Zemzin 등에 의하여 개발되었다. 그들은 예열이 필요 없고, 수소영향에 면역성이 있고, 특별한 관리와 후 열처리가 필요 없는 Ni 기지의 충전재를 사용하였다. 높은 강인성을 갖고 있고 용접된 상태에서 비교적 낮은 잔류응력을 갖고 있다.
각 절차는 장단점이 있으나, 전 세계적으로 용접퇴적의 관리, 합리적인 검사, 전문용접공 훈련, 엄격한 수소관리와 함께 어울리는 충전재사용 등의 노력이 실행되었다. 그러나 대안인 니켈충전제 보수가 여러 종류의 다른 부품에 대한 축적된 경험으로 편리한 비상시 절차인데, 수정된 약한 충전재와 좋은 파내기설계로 장기적으로도 실용적인 선택이 될 수 있다.
9. 보수능력과 용접 내 개발된 성질
재료의 금속학적 특징의 지식으로, 열 영향부위 및 퇴적용접 금속에 형성된 열장(Thermal Field)을 관리하여 금속 조직이 형성된다. 이 조직의 분포는 용접비드간격/용접비드 겹침, 열 입력과 용접파라미터에 의하여 관리된다. 크리프 조건 하의 용접거동은 용접 내 여러 조직의 국부크리프 성질과 그 분포에 의하여 직접 영향을 받는다.
가. 용접에 존재하는 국부미세조직과 성질의 일반화
A₃ 온도 이상으로 가열된 열 영향부위는 2개의 하위층이 있는데 거친 입자구역에 이르는 최고 온도구역과 저온으로 가열된 미세입자구역이 있다.
- A₃ 이하로 가열된 열 영향부위. 이것은 저온 열 영향부위라고 부르고 미세한 입자부위와 중간임계/과 뜨임된 부위와 관계된다.
- 보수 중 완전한 보수가 되지 않으면, 서비스에 노출된 용접 금속의 국부적인 재가열이 있을 수 있다.
나. 후 용접열처리와 잔류응력 양상
발전된 보수용접의 한 가지 목적은 보수공정 중 재료를 뜨임하고 잔류응력을 해소하고 추가적인 후 용접열처리의 필요를 제거하는 것이다. 잔류응력 값과 분포는 넓은 영역에서 쉽게 측정될 수 없고, 많은 방법이 표면과 두께를 통한 조직 내의 국부적인 핵심점에서의 응력 분포생성에 초점을 두고 있다.
다. 기본적 요구사항
실제적으로 용접절차평가는 검사 중 규정 내에서 허용되는 것보다 큰 결함이 없는 용접을 생성하는데 초점을 둔다. 고온시험에서 크리프에 대한 특정 요구사항은 없으나 목적에 적합해야 한다. 첫 번째 요구는 시험적 용접절차물의 제작, 검사, 금속조직학적 검사, 그리고 여러 가지 실온 인장 및 굽힘 시험절차를 만족하는 것이다.
10. 용접 보수의 크리프 성능 평가-검증
여러 사용자의 경험과 연구 결과를 보면 용접보수가 설계 수명 내에 필요할 수 있다는 것을 보여준다. 연구 결과에 의하면 단순한 압력을 받는 형상에서도 용접 수명은 같은 하중 하의 균일한 모재 수명의 ~80% 일 수 있다는 것이 밝혀졌다.
가. 용접 단면 시편 연구
다른 용접평가방법은 단순한 용접단면 형상을 사용한다. 명확성을 위해 선택된 참고물만 취해진다. 일반적인 절차는, 용접 부위가 있거나 없는 장기적으로 서비스에 노출된 재료를 취한다. 용접부의 근처나 모재를 파내고 보수용접을 한다.
보수용접의 크리프수명은 모재의 남은 수명까지 좋았으나 재료의 손상된 상태에 달렸고 적은 손상상태에서 더 길었다. Westwood의 보고에 의하면 1Cr0.5Mo 재료에서 노출된 재료의 보수가 노출재료의 기대 수명을 20% 단축시켰고, 새로운 파이프의 용접 보수는 수명을 약 40~50% 단축시켰다. 보수 용접의 재 불림과 뜨임은 국부미세 조직변화를 수정하고 감소시킨다.
나. 실물크기 용접부품연구
순수 압력하중 하에서, 가지나 T 부품형상의 변형을 압력과 온도, 그리고 파이프와 가지의 상대지름과 두께의 함수이다. 이 요소들이 하중을 받는 가지용접 연결에 국부적인 크리프변형을 줄 수 있고, 황방향 용접크랙과 같은 여러 형태의 크랙을 발생시킬 수 있다.후 용접열처리의 영향이 전통적 보수용접형태에서 1Cr0.5Mo와 2.25Cr1Mo에 대하여 초기에 순수 압력하중에서 금속아크용접(MMA)과 텅스텐불활성가스(TIG)공정에서 검사되었다. 결과는 변형이 일반적으로 파이프보다 가지에서 보였고, 가스텅스텐아크용접이 불활성금속아크용접(SMAW)보다 낮은 크리프저항을 보였다.
후 용접열처리가 국부재료성질을 개선할 수 있으나, 용접된 상태의 값도 코드에 받아들일 수 있는 것이었다.
시험완료에서 기록된 대형크랙은 일반적으로 보수용접과 관련되었지만 서비스에 노출된 용접금속의 열 영향부위일 수 있고, 이것은 완전한 용접보수 파내기가 개선된 수명을 준다는 것을 보여준다.
11. 미래 개발
고온용 용접 보수의 완전한 적용은, 여러 전문분야에 걸친 접근이 요구되고, 최적의 해답을 제공하기 위해서는 다른 영역으로부터의 데이터가 필요하다는 것을 인정하는 것이 중요하다. 일차적 제조용접에 관련 있는 보수용접의 성능검증, 서비스거동, 또는 특수설계는 매우 중요하다. 이들 과정의 이해로 광범위한 다른 관리된 퇴적공정이 개발되었다. 뜨임비드 절차는 발전플랜트에 전 세계적으로 가장 널리 적용되고 있다.
모든 용접절차개발에 관해서 중요한 요소는 불리한 조건에서 요구되는 관리정도를 신뢰성 있게 생산하는 것이다. 잔류응력 영향을 특히 강조한 유럽연합(EU)이 투자한 INTEGRITY와 같이, 특정 연구 개발 프로그램은 유럽 및 국가적, 지역적 투자로 용접보수를 상세하게 연구하고 있고, 성공적인 개발, 검증 및 진보된 용접보수절차의 적용에 중요한 정보를 제공할 것이다.
중요한 목적은 전통적 및 진보된 용접보수절차가 잘못 수행되는 경우 안전 및 경제적 벌금이 매일 ￡100,000의 높은 발전 손실을 가져올 수 있으므로 처음부터 옳게 수행하는 것이 중요하다는 것을 주목해야 한다.
