유익재
2017-03-14 09:46:03
7
1440
안녕하세요 현업에서 열교환기 (HRSG) 정지 중 내부를 점검하는 과정에서
용접 구조물 일부가 파손되는 상황이 확인되어 재질을 확인한 결과 HRSG 해당 구간에서 사용해서는 안될 재질이 사용된
것으로 생각되어 선배님들에게 질문 올립니다.
구조물 파손이 발생한 구간은 Hot Gas 온도가 560℃ 이고 구조물의 재질은 SA240-304 와 SA240-409 이종재질의 용접부에서
발생하였습니다. (WPS,PQR은 확인은 못한 상태입니다.)
SA240-304는 STS 304 재질로 생각되고 austenite Stainless 강의 경우 500~800도 온도영역에서 입계예민화가 발생하여
부식및 용접부의 균열에 취약한 것으로 알고 있습니다.
SA240-304 금속 표면에 부식은 심하지 않은 것으로 보아 부식환경이 아니기 때문에 표면부식은 진행되지 않은 것으로
생각되지만 용접부 파손의 경우 재질선정에 문제가 있는 것으로 생각됩니다.
선배님들의 답변을 부탁드립니다.
용접 구조물 일부가 파손되는 상황이 확인되어 재질을 확인한 결과 HRSG 해당 구간에서 사용해서는 안될 재질이 사용된
것으로 생각되어 선배님들에게 질문 올립니다.
구조물 파손이 발생한 구간은 Hot Gas 온도가 560℃ 이고 구조물의 재질은 SA240-304 와 SA240-409 이종재질의 용접부에서
발생하였습니다. (WPS,PQR은 확인은 못한 상태입니다.)
SA240-304는 STS 304 재질로 생각되고 austenite Stainless 강의 경우 500~800도 온도영역에서 입계예민화가 발생하여
부식및 용접부의 균열에 취약한 것으로 알고 있습니다.
SA240-304 금속 표면에 부식은 심하지 않은 것으로 보아 부식환경이 아니기 때문에 표면부식은 진행되지 않은 것으로
생각되지만 용접부 파손의 경우 재질선정에 문제가 있는 것으로 생각됩니다.
선배님들의 답변을 부탁드립니다.
대답하기 조심스러워지지만,
그 당시 설계에서 선정한 재질이 잘못되었는지는 면밀한 검토가 필요합니다.
SA-240의 '6. Materials for High-Temperature Service'항목에 보면,
H등급이 아닌 오스테나이트 스테인리스강을 540 degC이상에서 사용하려면, 보완요건 S2를 적용해야 한다고 합니다.
H등급이 540 degC이상에서 사용되며, 아닌 경우 어닐링, 결정입도등의 요건을 만족해야 하고, L등급도 가능하다 하네요. 결정입도에 대한 인증된 시험보고서를 요구하고 있구요.
이런 과정을 통해 재료가 구매되었는지도 확인해야 합니다.
말씀하신 것으로 봐서는 용접문제일 수 있습니다.
SA-240의 304는 P-No.8, 409는 P-No. 7입니다.
적용코드가 무엇인지, 보일러면, Sec. I의 열처리 요건을 봐야 합니다.
PWHT를 해야하는지, 안해도 되는지...
WPS/PQR을 통해서도 확인할 수 있지만, WPS/PQR도 맞는지 확인해야 합니다.
그래서 결론적으로,
1. 어떤 재질을 썼는지, 재료규격에 있는 요건을 MTR(재료시험성적서)을 통해 확인하시고, 540 degC 이상에서는 H등급을 적용했어야 할 것으로 사료됩니다. 304는 고온에서 추천되지 않습니다.
2. 용접부 파손으로 봐서 용접은 어떻게 했는지 확인해야 합니다.
말씀하신 것 처럼 이종용접이고, 용접봉 적용과 PWHT 적용문제,
Qualified된 용접사가 용접을 했는지도 중요합니다.
아마도 입계 예민화 때문에 그 온도에서 사용하면 안되는 것이 아닌지 의문을 가진 것으로 이해합니다.
앞서 홍만화 부장님이 좋은 설명 잘해 주셨는데, 저는 조금 다른 관점에서 의견 드립니다.
고온 강도를 확보하는 방법은 여러가지가 있을 수 있는데, 그중에 하나가 탄화물입니다. 즉, 우리가 입계 예민화가 되어서 안된다고 하는 것은 상온의 Wet 상태에서의 부식성 저하의 관점이 될 것이고, 고온에서는 그런 Carbide가 형성되면 고온강도 특히 Creep에 대한 저항성이 증가하게 됩니다.
지금 균열의 원인은 시편을 분석해 보고 제작 과정을 차분하게 되새겨 보면 어렵지 않게 원인이 나올 수 있으나, 예민화 관정메서 재질 선정의 적합성을 평가하는 것은 현재 상황과는 거리가 있는 내용입니다.
비교적 중요한 사항이라 시간이 많이 지났지만 위의 좋은 답글들에 조금만 더 추가 해 봅니다.
Steel의 고온 Creep강도를 강화하는 방법은 대개 인위적으로 석출물을 균질 분산되게 분포시키는 방법 and/or Grain Size를 키우는 방법 등이 있습니다. 위에서 사용한 ASME SA240-304/304H 원소재의 경우는 원소재의 마지막 공정에서 Solution Heat Treatment 를 하므로 석출물이 전혀없는 (No-carbides) 상태로 공급됩니다. 그러나 열간 가공 중 또는 고온 운전 중에 Carbides (주로 Cr23C6)가 입계에 생성될 수 있습니다. 특히, 고온 운전 중 이것들이 입계에 미량으로 균등 분포하게 되면서 고온에서의 변형 (주로 입계가 Slide됨으로 발생)을 억제해 주는 긍정적인 역할 (Positive Effect)로 작용하게 되어 결국 Creep Strength를 향상시키게 됩니다. 이 효과를 충분히 얻기위해 1000F (538C) 이상의 온도에서 운전되는 경우는 C ≥ 0.04%를 요구하게 됩니다. 그러나 C의 함량이 높아지면 석출되는 Carbides 가 너무 많아 장시간 운전 시 Sigma Phase Embrittlement (Negative Effect) 를 야기하게 되어 소재의 수명을 단축하게 됩니다. 따라서 대부분의 Industrial Standards는 max. C 를 0.10%로 두게 하고 이의 한계를 메꾸고자 동시에 Grain Size를 ASTM E112, Plate II/IV, Grain No. 7 or coarser (larger)로 요구하고 있습니다.
한편, 304 (C ≤ 0.07%) 와 304H (C: 0.04-0.10%) 는 상당부분 중첩되기도 하여 API 530에서 Creep design을 위해서는 동일 재료로 간주하고 있습니다. 따라서 304의 C 를 ≥ 0.04% 에 맞춘다면 재료 선정은 문제없고 낮아진 허용응력에 따른 기계구조 설계만 남게 되겠습니다.
이런 Carbides의 Effect는 상온 (< 150 or 175 deg.C with liquid solution) 에서 주로 발생하는 입계부식 (Intergranular Corrosion Cracking)의 Mechanism 과 크게 다른 점입니다.
한편, 용접 후 용접부에서 Cracking이 발생하였다면 다른 많은 요인들이 있을 것으로 예상되므로 여기서 언급하지는 않겠습니다.
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