안녕하세요,
재직중인 공장 내 아래 Condition으로 운용중인 Reactor에 일제히 Crack이 발견되어 조언 구하고자 글을 남깁니다.
Operating Temp. : 상온~450도 월 2회 Cyclic Service
Operating Pressure : 약 0.6kg/cm2g
Material : 304H(15t) + Ni 201 Cladding(3t)
Size : ID500 x 3500H
유체 : NF3 Gas + Tungsten Powder --> 반응열로 450도 정도로 발열
*. 신규 설치 후 약 5년정도 가동
대략적인 설비 설명은 위와 같습니다.
정비 중 개방하여 내부 PT 결과 Ni 201 Cladding부에 일제히 Crack이 발견되었고, 추가 UT/PAUT 결과 모재인 304H까지는 진전되지 않은 것을 확인 했습니다. Crack은 300mm~500mm 정도 길이이며, 깊이는 0.5~3mm근처로 추정됩니다.
또한 발생부가 용접 Bead는 아니며, 전부 HAZ부에서 발생했습니다.
추가로 Crack 발생한 1기에 대해 Replica검사 결과 I.G 형상으로 확인을 했구요.
추정원인으로는 약 400정도의 Delta T와 모재-클래딩 재질간의 열팽창율 차이에 의한
Thermal Fatigue를 예상하고 있습니다.
1. 혹시 이외에도 발생가능한 D.M이 어떤게 있을까요? Cladding부 용접과정에서 Dilution에 의한 영향이 있을까도 고민해봤지만,
Bead가 아닌 HAZ(모재)에서만 발생한 점으로 제외하고..그 외에 Re-heat cracking등도 고려했지만 API 571상의 양상과는 다소 차이가 있어 보였습니다.
2. 이후 보수 용접을 진행하고자 할 때, Grinding-Welding 후 후열처리가 본 Cracking 방지에 도움이 될지 문의 드립니다.
Ni alloy에는 여러 문헌/Code에서 열처리 조건이나 여부에 대해 확인을 했으나,
본 건과 같이 Pure Nickel에서의 열처리는 자세한 Instruction을 확인하기 어려웠습니다..
선배님들의 도움 부탁 드립니다. 감사합니다.
긴급 보수 작업 진행하다보니 답변 확인이 늦었습니다..친절한 답변 감사합니다.
본문 상 HAZ라고 명기해두긴 했지만, Crack 부분 절단하여 분석해보니 Weld Toe에 접한 것들부터 1~2mm내외에서 발생한 부분이 있습니다.
말씀주신 것처럼 Fatigue라고 단정짓기에는 검사 결과들과 매칭되지 않는 부분이 많기도 하고,
현재는 C석출에 의한 embrittlement로 검토 진행중에 있습니다. (+ Thermal Stress, Thermal Cycle)
이후 추가적인 전문 용역이 필요하다면 별도 연락 드리도록 하겠습니다. 다시 한번 의견 감사합니다!
Cutback부 Welding 을 위한 용접 재료를 어떤 것으로 적용하였는지요? PQR상 용접부 Alloy “A” (Weld Metal Analysis) & HAZ의 성분은 어떠한지요? 이에 따라 다음의 원인들이 단독 또는 복합적으로 작용된 것으로 보아집니다.
1. Cracks other than those of thermal fatigue environment - e.g., Graphitization or Creep-Rupture Failure
용접부의 성분 중 carbon 함량이 높아지면 (e.g., C > 0.015-0.080%) Graphitization or Creep-Rupture Failure 에 아주 민감해 집니다. 따라서 Nickel 200 (C</0.15%) class는 거의 모든 Code에서 max. 600F(316C) 로 사용한계를 제한하고 있습니다. 조직 검사를 통해 Graphitization의 생성 유무와 크기 분포를 확인해 보시기 바랍니다.
2. Cracks by thermal fatigue environment
이미 예상하고 계시는바와 같이 상기 1항이 아니라면 Thermal Fatigue Cracking에 노출될 가능성도 있습니다.
Oil & Gas Industries에서 비록 재질 구성은 다르지만 Methodology로서 아래의 유사한 사례를 통해 Clad Parts의 Thermal Fatigue Cracking 분석 방법을 찾아보시기 바랍니다.
API TR934-G
API TR934-J
우선 답변 주신 material에 대해서만 답변 드리자면,
304H 용접부 --> E 308
Ni 201 용접부 -> ERNi-1 적용했고, 별도 buttering 작업은 없었습니다. (이 부분이 사실 보수중에도 buttering이 필요할지 고민중에 있습니다.)
말씀해주신 것처럼 Ni 200의 경우 315도로 제한되어 있어, Cladding 재질을 Ni 201을 적용했고 용접봉 사용시에도 C Contents를 0.02%미만으로 제한해두었습니다. (용접봉 maker별로 Ni 201보다 Ni 200에 가까운 용접봉이 있어 별도 제한을 두었습니다.)
말씀 주신 것처럼 조직검사 시, 주로 용접부에 C 석출된 것을 확인 했습니다.
추가 언급주신 API 사항들은 접해보지 않았던 것들인데 함께 검토하고 확인해보도록 하겠습니다. 답변 감사드립니다!
대개 이런 경우에 손상 부위에 대한 조직 검사와 기기 전체에 대한 건전성 확인을 하고 문제 발생의 원인을 공정 조건을 기준으로 추가로 확인하게 됩니다. T.G가 아닌 I.G로 균열이 발생했다면, 상대적으로 가해진 응력의 크기가 그리 크지 않은 것으로 예상합니다.
당연히 Thermal Fatigue일 가능성이 있겠으나, 그게 왜 HAZ에 집중되어 있는지에 대해서는 추가적인 고민이 필요하겠지요.
API 571가 꽤 많은 참고 정보를 제공하는 있으나, 모든 DM을 다 다루고 있지는 않습니다.
Themral Fatigue를 완화하기 위해 Weld Toe를 Flush Grind 하는 것은 추천할 수 있으나, 지금 HAZ에 균열이 집중되었다면 Grind 자체가 그리 큰 의미를 가지지는 않을 것으로 예상합니다. 그리고 Nickel 200 계열의 우수한 연신율을 고려한다면, 일반적인 개념의 Thermal Fatigue만으로는 설명이 조금 아쉽지요. Cycle Operation 과정의 Delta T. 관리가 어떻게 되었는지를 확인해 보는 것도 좋겠습니다.
모재와의 열팽창 차이로 인해 Fatigue가 발생할 수 있겠으나, 그렇다면 HAZ 보다는 Weld Toe에서 발생하는 것이 좀더 합리적인 결과라고 이해합니다. Weld Toe에서 균열이 시작되었다면 Fatigue가 주요 요인이 되었겠으나, HAZ에서 I.G로 균열이 되었다면 조직의 변화를 좀더 다양한 각도에서 확인해 볼 필요도 있겠습니다. 200계열이 석출물이 나오거나 Grain Size의 변화가 클 합금은 아니지만, 운전 과정에서 노출된 조건이 어떤 변화를 가져올지는 확인이 필요합니다. 같은 개념으로 보면 용접후 열처리는 별 의미가 없겠습니다.
참고로 약 200 도 정도의 낮은 온도에서도 Thermal Stratification에 의한 300계열 Stainless Steel Weld와 HAZ에서 I.G Crack이 발생한 사례는 많이 있습니다.
전체적인 공정 운전 조건과 조직 변화를 파면을 기준으로 전문가의 조언을 받으시길 추천합니다.
테크노넷 - 기술용역 및 기술자문 이력 (technonet.co.kr)을 보시면 아시겠지만, 다양한 손상 사례에 대한 RCA와 Remedy를 수행한 이력이 있습니다.