안녕하십니까.
현업에서 문제시되고있는 사항에 대하여 전문가님들의 조언을 듣고자 문의 드립니다.
발전현장으로, Steam Turbine의 첫번째 Nozzle Flange에 Counter Flange(지멘스공급분)와 배관을 연결하는 부위를,
현장 작업 미스로 2번의 용접과 2번의 Cutting 후 3번째 용접을 실시하려고 합니다(2번의 예열, 2번의 후열처리 완료).
구글링에서 찾은 첨부 논문으로 "보수용접에 대한 횟수제한은 관행적으로 이뤄진 것으로 Code요구사항은 아님"이라고 발주처를 설득하였습니다.
이에 발주처는, 본 논문은 후열처리가 없는것에 대한 것으로 우리 제품에 바로 적용하기는 어렵다(사유: 용접시마다 예열,후열 반복) 입니다.
협의?를 통해, 발주처에서는 경도측정을 해보자고 합니다. 경도값이 잘나온다면 해결될 듯한데, 여기서 질문입니다.
1. 후열처리가 반복되면 HAZ부가 연화되어 경도값이 계속 낮아지는것으로 알고있으나, 이또한 모재보다 높게 나온다면 후열처리 횟수는 제한이 없는 것인가요?
2. A335-P22에 대한 경도값을 ASME SEC.2에서는 안나오던데, 첨부 논문에는 ASME를 언급하면 163Hv라고 표기되있습니다. 제가 잘못찾아서 그런걸까요?
좋은 답글에 조금만 추가해 봅니다.
Q1. 구글링에서 찾은 첨부 논문으로 "보수용접에 대한 횟수제한은 관행적으로 이뤄진 것으로 Code요구사항은 아님"이라고 발주처를 설득하였습니다. 이에 발주처는, 본 논문은 후열처리가 없는것에 대한 것으로 우리 제품에 바로 적용하기는 어렵다(사유: 용접시마다 예열,후열 반복) 입니다. 협의?를 통해, 발주처에서는 경도측정을 해보자고 합니다. 경도값이 잘나온다면 해결될 듯한데, 여기서 질문입니다.
A1. 두께가 얇은 Boiler Tubes의 적용의 관점에서는 유첨 논문의 신뢰성이 높아 보입니다만, 조직 관찰이 Low Scale Optical Microscope에만 국한된 것이 좀 아쉽습니다. Repair Welding 후 지속적으로 PWHT를 해줘야 하고 이와 더불어 두께가 두꺼우면 Temper Embrittlement, Reheat Crack 등의 원인이 되는 석출물 (2nd phase precipitations-e.g., MX, MxCy)의 발생 가능성이 더욱 커지므로 EDS, SEM, TEM등에 의한 정밀 조직 검사로 그 생성 유무 조사도 병행되어야 합니다. 석출물이 존재하면 경도가 그 부위를 중심으로 국부적으로 높게 유지되고 Toughness는 크게 감소하게 됩니다. 한편, 이런 석출물을 최소화하기 위해 API 934 (series) 는 모재에 J-factor 를, 용접 Filler에 대해 X-bar factor를 두어 각각 Chemical Composition을 Control하기도 하고 추가로 Step Cooling Test를 실시하기도 합니다. 그리고 P. No. 5A/B/C에서는 Carbides (pearlite, ferrite)의 분해와 관련되는 graphitization은 거의 보고되고 있지 않습니다.
만약, 이런 석출물이 없다면 일반적으로 경도/강도는 LMP (Larson-Miller Parameter) or Hollomon Parameter (HP) 에 의해 낮아지게 됩니다. 이때, 이 낮아진 경도/강도값이 설계치를 넘긴다면 문제가 없겠지요.
Q2. 후열처리가 반복되면 HAZ부가 연화되어 경도값이 계속 낮아지는것으로 알고있으나, 이또한 모재보다 높게 나온다면 후열처리 횟수는 제한이 없는 것인가요?
A2. 상기 A1에서 언급한 바와 같이 반복되는 용접과 열처리는 LMP 또는 HP에 의해 경도가 낮아지게 되나 석출물이 생성되면 (주로 중후판에서, 25 mm and thicker) 국부적으로 경도는 올라가게 됩니다. 후열처리의 반복 후 국부적인 경도의 상승은 이 석출물들과 연계될 가능성이 아주 높습니다. 이 경우라면, (Creep) 강도와 Toughness가 모두 하강하게 되어 그 정도에 따라 설계 조건을 만족하지 못할 가능성이 아주 큽니다. 따라서 이 경우, PWHT의 반복 회수는 제한하는 것이 적극 추천됩니다. 당연히, 반복되는 PWHT로 인해 경도/강도가 하강하면 이 또한 반복 PWHT에 의해 설계 강도 아래로 떨어질 수가 있기 때문에 PWHT의 반복은 제한되어야 합니다. 25-50 mm 이상 두께에서는 두께에 따라 Field 에서의 PWHT를 max. 2-3 회로 제한하는 것이 Oil & Gas Industries에서는 일반적입니다. 자재 구매시 원소재의 강도 시험을 이들 PWHT의 총 Holding Time (초기 shop + repair 회수)에 노출시킨 후 실시하도록 하는 것도 일반적인 적용 기준입니다.
Q3. A335-P22에 대한 경도값을 ASME SEC.2에서는 안나오던데, 첨부 논문에는 ASME를 언급하면 163Hv max. 라고 표기되있습니다. 제가 잘못찾아서 그런걸까요?
A3. ASME 의 근래 Version에서는 모재의 hardness requirements가 많이 삭제되었는데 Old version (e.g., ASME B31.3-2008)에는 max. 241 BHN (253 Hv)으로 규정하고 있습니다. 해당 논문에서 P22에 대해 163 Hv max. 이라고 되어 있는 것은 이해가 되지 않습니다. 아마도 typo가 아닌가 생각합니다.
더 연구가 필요하시면 아래의 Reference들을 참조해 보시기 바랍니다.
References:
- API 934 series
- API RP571
- ASME PCC-2S
- ASME STP-407/755
- WRC Bulletin 275/405/407/409/416/454/499/525
- AWS D10.8
- IIW Doc. XII-E-6-81
- J. Grosse-Wördemann et al., Prevention of Temper Embrittlement in 2.25Cr-1Mo Weld Metal by Metallurgical Actions, p123-128s, Welding Research Supplement, May 1983
- R.A. Swift et al., Temper Embrittlement of Pressure Vessel Steels, p57-68s, Welding Research Supplement, Feb. 1973
- T. Takamatsu et al., Temper Embrittlement Characteristics of 2.25Cr-1Mo Steels, p434-441, Transactions ISIJ, Vol.22, 1982
- A Sato et al., Temper Embrittlement of Cr-Mo Pressure Vessel Steels, K Steel Tech Report, No.2, Mar.1981
- Meeting minutes of EFC WP15 Corrosion in Refinery Industry, temper embrittlement of Cr-Mo Steels, Sep.9, 2009,
- H. Arabi et. al., Temper Embrittlement Sensitivities of 3Cr-1Mo and 2.25Cr-1Mo Low Alloy Steel, p1363-1367, ISIJ International, Vol.47, No.9, 2007
- Bruscato, R. M, "Embrittlement factors for estimating temper embrittlement in 2.25Cr:1Mo, 3.5Ni-
1.75Cr-0.5Mo-0.1V and 3.5Ni steels"; ASTM conference, Miami, Florida, USA 1987.
- EPMC (https://www.springer.com/gp/book/9783030364298)
- http://www.twi-global.com/technical-knowledge/faqs/material-faqs/faq-what-is-temper-embrittlement-and-how-can-it-be-controlled/
Hope this helps,
Thomas Eun
먼저, 질문을 올리신 분이 Q & A가 아니라 기술자료방에 원문을 올려 놓으셨기에, 제가 관리자로서 임의로 Q & A 방을 선정하여 이동하였음을 알려드립니다. 향후 질문은 Q & A에서 진행해 주세요.
반복된 열처리로 인해 금속조직의 특성은 변화할 수 있습니다. 가장 대표적인 현상이 Carbide의 분해에 의한 기계적 특성의 변화 입니다.
굳이 반복된 PWHT가 아니더라도 보일러와 같은 고온용 설비의 경우에는 장시간 고온에 노출되면서 조직의 변화가 발생하고 그 정도를 평가하에 Thermal Degradation을 평가하는 기법들이 발전소 등에서 이미 널리 사용되고 있습니다.
그런데, 만약 반복된 열처리를 했는데도, 금속조직의 변화 혹은 기계적 특성의 변화가 없다면 어떻게 할 것인가?
Code나 Standard에서 반복된 열처리에 대한 강제 규정은 없는 것으로 알고 있습니다.
따라서, 일련의 요구되는 특성의 변화가 없다면, 허용해도 될 수 있겠습니다. 단순히 경도값만 가지고 판단하는 것은 무리한 추론이 될 수 있기에 권하지 않습니다. 조직도 봐야 하고, 인성의 변화, 기계적 특성의 변화도 종합적으로 확인하고 판단해야 할 사항입니다.
같은 이유로 대부분의 Mill Maker에서 최대 열처리 제한 시간(Quarantee Time)을 제시하고 있습니다.
자신들이 만든 철판은 최대 ** 시간까지 열처리를 해도 성능에 문제가 없다... 이런 식으로 표현하고 있습니다.
두번째 질문은 경도 값인데, ASME Code내에서 용접부의 경도 값 상한치를 직접 제시하는 것은 매우 이례적인 경우입니다.
원문을 쓰신 분들에게 확인이 필요한 사항이라고 생각합니다.
다만 경도 환산 적용에 대해서 한가지 의견을 드립니다. 이는 제가 세미나 등에서 자주 언급하는 현장의 오류중에 하나 입니다.
경도 값을 언급할 때에는 그게 완성된 용접부의 경우인지 아니면 원소재의 경우인지를 구분할 필요가 있습니다.
지금 언급된 Hv는 시편에서 취할 수 있는 실험실 결과입니다. 현장의 완성된 용접부에서 직접 얻을 수 있는 결과치는 아니지요.
물론 경도 환산이 되고, Portable로 측정한 값을 Hv로 환산해서 표현해 주는 장비도 많이 있습니다.
하지만, 아래의 경우를 살펴 보면 제가 왜 이렇게 하면 위험할 수 있다고 하는 지 이해가 되실 겁니다.
NACE Standard에서 H2S 분위기에서 모재의 경도값을 22HRc로 제한하고 있고, ASTM의 경도 환산표에 따르면 이 값은 대략 235BHN 정도가 됩니다. 그리고 같은 NACE Standard에서 이런 모재를 가지고 얻을 수 있는 현장 용접부의 경도 값은 200BHN 이라고 되어 있습니다.
제시된 경도 값을 BHN으로 환산해서 살펴 보면 논리적인 모순이 생깁니다.
어떻게 더 딱딱한 모재를 가지고 더 부드러운 용접부를 만들 수 있나요?
그레서 경도는 요구하는 방법과 내용으로 측정해야 합니다.
유사한 방법으로 측정하고 그 결과를 ASTM에서 제시하는 표준 환산표를 가지고 의사 결정을 하게 되면 문제 상황이 발생할 수 있습니다.