KR102020388B1 - 저온인성이 우수한 용접 열영향부를 가지는 관 이음쇠의 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 해양 플랜트, 육상 플랜트 등에 사용되는 고강도 열처리강을 활용하여 대입열 용접시 저온인성이 용접 열영향부를 가지는 관 이음쇠의 제조방법에 관한 것이다.
본 발명의 일 측면은, 관 이음쇠를 제작함에 있어서 그 공정 특히, 용접 공정을 최적화하여 균질한 조직을 가지는 용접부를 형성할 수 있고, 생산성의 향상이 가능한 관 이음쇠의 제조방법을 제공하고자 한다.

Description

저온인성이 우수한 용접 열영향부를 가지는 관 이음쇠의 제조방법 {METHOD FOR MANUFACTURING THE PIPE FITTING HAVING EXCELLENT LOW-TEMPERATURE TOUGHNESS IN HEAT AFFECTED ZONE}

본 발명은 해양 플랜트, 육상 플랜트 등에 사용되는 고강도 열처리강을 활용하여 대입열 용접시 저온인성이 우수한 용접 열영향부를 가지는 관 이음쇠의 제조방법에 관한 것이다.

관 이음쇠는 발전소, 조선소, 화학 플랜트 등의 배관의 방향을 변경하거나 관경을 변경하여 주 배관에서 분기한 배관을 필요로 할 때 사용되는 배관재로서, 파이프와 철판 등의 금형을 통해 가공된다.

이러한 관 이음쇠는 주로 Elbow, Tee, Reducer, Cap 등이 있으며, 다음과 같이 정의된다 (도 1 참조).

엘보(Elbow)는 관의 길이, 관의 방향을 변화시킬 때 활용되며, 보편적으로 45 ° 엘보, 90 ° 엘보, 180 ° 엘보, 60 ° 엘보가 흔히 사용된다. 통상 주철, 스테인리스 스틸, 합금강, 탄소강, 고성능강, 비철금속 및 플라스틱 등의 다양한 재질을 사용하여 제조할 수 있으며, 관의 양끝을 맞대어 용접하여 결합한다.

티(Tee)는 산업용 관 이음의 하나로서, 흐르는 유체를 도중에서 분리하거나 합칠 때 사용된다. 특히 전력, 석유, 천연가스, 화학 공업, 조선소, 난방장치, 야금 등의 배관에서 그 활용도가 높다.

리듀서(Reducer)는 지름이 서로 다른 관과의 연결에 사용되는 이음 부품으로서, 주로 수직관에 사용되는 동심 리듀서와 수평관에 사용되는 편심 리듀서로 분류된다. 이들은 유체의 흐름을 변화시키거나 펌프의 공동현상을 방지하기 위하여 펌프 입구에 사용되며, 유량계 및 컨트롤 밸브 등의 측정기의 연결장치로도 활용될 수 있다.

캡(Cap)은 배관자재의 일종으로서 배관시공에서 관 끝이나 관 구멍을 막는 부품이며, 주로 의료설비, 석유화학, 조선업, 기계가공, 배관공사, 방수처리 등의 분야에 사용된다.

관 이음쇠는 일반적인 고강도 강을 절단, 열처리, 용접, 열간 성형, 열처리(예컨대, Q&T 열처리, 노멀라이징 열처리) 등의 공정을 거쳐 제작되고 있다.

이때, 용접공정 없이 심리스(seamless) 파이프로도 제작되지만, 대부분 맞대기(버트) 용접(butt-welding)을 이용하여 제작된다.

한편, 버트 용접(butt-welding)은 접촉하는 두 면을 일정한 각도로 개선하여 용접시공하는 방법으로, 주로 가스 메탈 아크 용접(GMAW), 플럭스 코어드 아크 용접(FCAW), 서브머지드 아크 용접(SMW) 등의 용접 프로세스가 적용되고 있다.

이러한 용접 프로세스는 다층 용접방법으로서, 관 이음쇠를 제작함에 있어서 제작시간이 길게 소요될 뿐만 아니라, 다층 용접시 발생하는 용접금속 내에 불균질한 재질을 야기시켜 용접금속 및 용융선(Fusion Line, FL)의 기계물성이 저하될 우려가 있다.

이에, 관 이음쇠를 제작함에 있어서, 용접 프로세스를 개선하여 그 효율을 향상시키고자 하는 요구가 증가하고 있는 실정이다.

한국 공개특허공보 제2007-0022408호

본 발명의 일 측면은, 관 이음쇠를 제작함에 있어서 그 공정 특히, 용접 공정을 최적화하여 균질한 조직을 가지는 용접부를 형성할 수 있고, 생산성의 향상이 가능한 관 이음쇠의 제조방법을 제공하고자 한다.

본 발명의 일 측면은, a) 관 이음쇠용 강 소재를 준비하여 절단 및 롤링하는 단계; b) 상기 절단 및 롤링된 강 소재를 용접하여 관(pipe)으로 제조하는 단계; c) 상기 관(pipe)을 SR(Stress Relief) 처리하는 단계; d) 상기 SR 처리된 관(pipe)을 열간 성형하는 단계; 및 e) 상기 열간 성형 후 켄칭(Quenching) 및 템퍼링(Tempering) 열처리하는 단계를 포함하고,

상기 용접은 일렉트로-가스 아크 용접(Electro-Gas Arc Welding)을 이용하여 1-pass로 행하는 것인, 저온인성이 우수한 용접 열영향부(HAZ)를 가지는 관 이음쇠의 제조방법을 제공한다.

본 발명에 의하면, 종래의 방법으로 관 이음쇠를 제작하는 것에 비해 제작 생산성을 50~80% 또는 그 이상으로 향상시킬 수 있다.

또한, 균질한 조직을 갖는 용접 열영향부를 형성함으로써 저온인성을 우수하게 확보할 수 있다.

도 1은 관 이음쇠의 종류를 도시한 것이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 관 이음쇠 제작 공정을 나타낸 것이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따라 켄칭 및 템퍼링 열처리 후 용접 열영향부(HAZ)의 미세조직을 광학현미경으로 관찰한 사진을 나타낸 것이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따라 켄칭 및 템퍼링 열처리 후 용접 열영향부(HAZ)의 저온충격에너지를 측정한 결과를 나타낸 것이다.

통상, 관 이음쇠의 제작을 위하여, 우선적으로 파이프(pipe)를 제작한다. 상기 파이프는 여러 공정에 의해 제작될 수 있으며, 일 예로 L-Seam 용접(Longitudinal Seam Welding)을 통해 용접 파이프로 제작할 수 있다. 상기 L-Seam 용접은 주로 가스 메탈 아크 용접(GMAW), 플럭스 코어드 아크 용접(FCAW), 서브머지드 아크 용접(SAW) 등의 용접 프로세스로 다층 용접하여 이루어진다. 이러한 용접 공정을 통해 제작된 용접 파이프를 열간 성형하여 의도하는 관 이음쇠 형상으로 변형시킨다. 성형이 완료된 관 이음쇠는 소재 재질에 따라 켄칭(Quenching) 및 템퍼링(Tempering) 열처리, 또는 노멀라이징(Normalizing) 열처리를 거쳐 최종 재질을 확보하게 된다.

그 후, 제품으로 출하 전 비파괴검사 도장, 베벨링, 교정 등의 작업을 거치게 된다.

이와 같이, 현재 알려져 있는 관 이음쇠를 생산하는 공정이 복잡하여 제작 생산성이 매우 낮으며, 열처리 공정으로 인해 최종 제품의 재질 편차가 빈번하게 발생하는 문제가 있다.

이에, 본 발명자들은 관 이음쇠의 제작 생산성을 향상시키고, 동시에 균일한 재질을 가지는 최종 제품의 생산을 위하여 깊이 연구하였다.

그 결과, 관 이음쇠 제작에 사용되는 용접 파이프를 얻기 위한 용접시 1-pass 용접 프로세스를 적용하여 생산성의 향상을 구현하고, 열처리 공정을 최적화하여 재질의 균질화 및 미세화를 실현할 수 있음을 확인하고, 본 발명을 완성하기에 이르렀다.

이하, 본 발명에 대하여 상세히 설명한다.

본 발명의 일 측면에 따른 관 이음쇠의 제조방법은 후술하여 상세히 설명하겠지만, a) 관 이음쇠용 강 소재를 준비하여 절단 및 롤링하는 단계; b) 상기 절단 및 롤링된 강 소재를 용접하여 관(pipe)으로 제조하는 단계; c) 상기 관(pipe)을 SR 처리하는 단계; d) 상기 SR 처리된 관(pipe)을 열간 성형하는 단계; 및 e) 상기 열간성형 후 켄칭(quenching) 및 템퍼링(tempering) 열처리하는 단계를 포함하는 것이 바람직하다 (도 2 참조).

우선, 본 발명에서 목표로 하는 관 이음쇠를 얻기 위한 소재 즉, 관 이음쇠용 강 소재는 통상적으로 관 이음쇠를 제작하는데에 사용되는 강재일 수 있으며, 특별히 한정하지 아니한다.

일 예로, 탄소: 0.2중량% 이하(0% 제외), 망간: 1.0~1.45중량%, 실리콘: 0.15~0.40%, 알루미늄: 0.06% 이하(0% 제외), 인: 0.03% 이하, 황: 0.01% 이하, 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 포함하는 고강도 탄소강(예컨대 ASTM A960, A860 등)일 수 있다. 상기 고탄소 탄소강은 상술한 합금조성 이외에 강의 물성 향상 측면에서 Cr, Ni, Mo, Cu, Ti, V 등을 더 포함할 수 있으며, 이에 한정하는 것은 아니다.

상술한 강 소재를 준비한 후 관(pipe)으로 용접하기에 적절한 크기로 절단하고, 롤링할 수 있다.

이후, 절단 및 롤링된 강 소재를 용접하여 관(pipe)으로 제조하는 것이 바람직하다.

이때, 상기 용접은 맞대기 용접(butt-welding)으로 행하는 것이 바람직하며, 본 발명의 하나의 측면에서는 일렉트로-가스 아크 용접(Electro-Gas arc Welding, EGW) 프로세스를 적용하는 것이 바람직하다.

본 발명에서는 상기 EGW 프로세스로 용접을 행함에 있어서, 1-pass로 행하는 것이 바람직하다.

상기 1-pass 용접시 용접 입열량(Heat Input)은 강 소재의 두께, 개선 각도(groove angle), 루트 갭 등을 통해 정의할 수 있으며, 상세하게는 하기 관계식으로 나타낼 수 있다. 즉, 상기 용접 입열량은 소재 두께에 비례하며, 통상의 기술자가 제작하고자 하는 관 소재의 두께에 따라 하기 관계식을 통해 적절히 선택할 수 있는 것이다. 본 발명에서는 하기 관계식으로부터 도출되는 용접 입열량(H.I)을 기준으로 ±10%의 범위 내에서 행할 수 있다.

H.I = 0.0289 × T × (G + t × tan((θ/2)π/180)) + 3.2246

H.I: heat input (용접 입열량)

T: thickness (소재 두께)

G: Root Gap (루트 간격)

tan: tangent

θ: groove angle (개선 각도)

상기에 따라 얻어지는 용접 입열량으로 1-pass 용접하는 경우, 구오스테나이트 입경의 평균 크기가 250~300㎛로 형성될 수 있다.

이와 같이, 1-pass 용접에 의할 경우 상대적으로 조대한 결정립이 형성될 수 있으나, 후술하는 바와 같이 이후의 열처리 공정에 의해 결정립 미세화가 가능하여 원하는 물성을 얻을 수 있다.

상술한 용접 열영향부를 갖는 관(pipe)을 SR(Stress Relief) 처리한 후 열간 성형하여 원하는 형상으로 제작할 수 있다.

상기 SR(Stress Relief) 처리는 용접 과정에서 발생한 내부잔류응력을 제거하기 위한 공정으로, 강종 또는 두께별로 ASME 규격에 따라 행할 수 있다. 바람직하게는 재결정 온도 이하, 즉 기계적 성질이 변하지 않는 온도구간에서 행하는 것이 바람직하다.

상기 열간 성형은 상기 SR 처리된 관(pipe)을 금형에 장착한 후 압축함으로써 행해질 수 있다. 일 예로, 대략 900℃ 이상의 온도로 가열한 후 프레스하여 원하는 형상으로 관을 형성할 수 있으며, 이에 한정하는 것은 아니다.

상기 금형은 제작하고자 하는 관 이음쇠의 형상에 따라 선택하는 것이 바람직하다.

상기한 바에 따라 의도하는 형상으로 열간 성형을 완료한 후, 제작된 관 이음쇠를 켄칭(quenching) 및 템퍼링(tempering) 열처리하는 것이 바람직하다.

상기 열처리 공정은 상기 용접시 조대하게 형성된 용접 열영향부의 미세조직을 재결정 및 미세화하기 위함이다. 즉, 본 발명에 의해 1-pass EGW 프로세스로 얻은 용접 열영향부는 구오스테나이트 직경이 250~300㎛로 조대한 조직이 형성되는데, 이러한 용접 열영향부를 가지는 열간 성형된 관 이음쇠를 열처리함으로써 조직을 재결정 및 미세화시킬 수 있다.

상기 켄칭 공정은 전체 오스테나이트화를 위해 910~950℃의 온도범위에서 행하는 것이 바람직하다. 상기 온도가 910℃ 미만이면 전체 오스테나이트화가 이루어지지 못하여 최종 조직이 불균일해질 우려가 있으며, 반면 그 온도가 950℃를 초과하게 되면 조대한 오스테나이트가 형성되어 냉각 후 유효 페라이트 입도가 커질 우려가 있다. 유효 페라이트 입도의 조대화는 충격인성이 저하되는 원인이 되므로 바람직하지 못하다.

상기 켄칭 공정을 완료한 후, 용접 열영향부는 마르텐사이트 조직이 형성되는데, 이는 후속하는 템퍼링 공정으로부터 내부응력을 제거하고, 조직을 연질화시킬 수 있다.

본 발명에서 템퍼링 공정은 급냉 후 생성되는 마르텐사이트에 의해 경화된 강의 취성을 줄이고, 인성을 향상시키기 위하여 행하며, 이러한 템퍼링 공정을 통해 급냉 중에 발생하는 탄화물의 잔류 응력, 불순물의 편석, 마르텐사이트의 격자 변형 등을 제거할 수 있다.

상기 템퍼링 공정은 590~670℃ 온도범위에서 행하는 것이 바람직하다. 상기 온도가 670℃를 초과하면 강도, 경도가 하락하는 문제가 있으며, 반면 590℃ 미만이면 인성이 열위하는 문제가 있다.

본 발명에 따라 1-pass 용접을 행한 후 켄칭 및 템퍼링 공정을 완료할 경우, 용접 열영향부는 구오스테나이트 평균 입경이 50~100㎛로 미세하고, 모재(Base Metal)의 조직과 균질한 조직을 규현할 수 있으며, 이에 따라 저온인성을 우수하게 확보할 수 있다.

보다 구체적으로 상기 용접 열영향부는 주상으로 템퍼드 마르텐사이트 및 템퍼드 베이나이트 상을 포함하며, 소량의 페라이트를 포함할 수 있다. 바람직하게, 상기 페라이트는 면적분율 20% 이하로 포함할 수 있다.

도 3은 열간 성형된 관 이음쇠를 본 발명의 조건으로 켄칭 및 템퍼링 열처리한 후의 용접 열영향부(FL(a), FL+1mm(b), FL+2mm(c), BM(Base Metal)(d)) 미세조직을 관찰한 결과이다.

도 3에서 볼 수 있듯이, 140kJ/cm의 입열량으로 1-pass 대입열 용접(EGW)을 행함으로써 상대적으로 조대하게 형성된 용융선(Fusion line, FL)의 미세조직이 상기 열처리 공정을 통해 재결정되어 균질하면서 미세하게 형성된 것을 확인할 수 있다.

도 4는 상기 도 3의 용접 열영향부(FL, FL+1mm, FL+2mm)의 저온충격에너지를 측정한 결과로서, 도 4에 따르면 -40℃의 극저온에서도 180J 이상의 충격에너지의 확보가 가능함을 확인할 수 있다.

Claims (5)

1. a) 관 이음쇠용 강 소재를 준비하여 절단 및 롤링하는 단계;
   b) 상기 절단 및 롤링된 강 소재를 용접하여 관(pipe)으로 제조하는 단계;
   c) 상기 관(pipe)을 SR(Stress Relief) 처리하는 단계;
   d) 상기 SR 처리된 관(pipe)을 열간 성형하는 단계; 및
   e) 상기 열간 성형 후 켄칭(Quenching) 및 템퍼링(Tempering) 열처리하는 단계를 포함하고,
   상기 용접은 일렉트로-가스 아크 용접(Electro-Gas Arc Welding)을 이용하여 1-pass로 행하며,
   상기 켄칭 및 템퍼링 열처리 후 용접 열영향부는 구오스테나이트 입경이 50~100㎛인 저온인성이 우수한 용접 열영향부(HAZ)를 가지는 관 이음쇠의 제조방법.
   
2. 제 1항에 있어서,
   상기 용접 후 형성된 용접 열영향부는 구오스테나이트 입경이 250~300㎛인 저온인성이 우수한 용접 열영향부(HAZ)를 가지는 관 이음쇠의 제조방법.
   
3. 제 1항에 있어서,
   상기 켄칭(quenching)은 910~950℃의 온도범위에서 행해지는 것인 저온인성이 우수한 용접 열영향부(HAZ)를 가지는 관 이음쇠의 제조방법.
   
4. 제 1항에 있어서,
   상기 템퍼링(tempering)은 590~670℃의 온도범위에서 행해지는 것인 저온인성이 우수한 용접 열영향부(HAZ)를 가지는 관 이음쇠의 제조방법.
   
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