KR102214407B1

KR102214407B1 - 조선해양플랜트용 극저온용 고망간 saw강관의 제조방법 및 그에 따른 조선해양플랜트용 극저온용 고망간 saw강관

Info

Publication number: KR102214407B1
Application number: KR1020190084385A
Authority: KR
Inventors: 엄정근; 석치훈
Original assignee: 주식회사 하이스틸
Priority date: 2019-07-12
Filing date: 2019-07-12
Publication date: 2021-02-09
Also published as: KR20210007619A

Abstract

본 발명은 조선해양플랜트용 극저온용 고망간 SAW(Submerged Arc Welding: 아크(잠호)용접)강관의 제조방법 및 그에 따른 조선해양플랜트용 극저온용 고망간 SAW강관에 관한 것으로서, 오스테나이트계의 고강도의 극저온용 10~24인치 외경의 후육 고망간 SAW강관 제조 시 롱 씸 밀링(longitudinal seam milling) 공정은 물론, 열처리 및 산세 공정을 생략할 수 있어 높은 경제성 및 제조효율성을 지니면서도, 30 KJ/CM 미만의 용접입열 제어 및 용접부의 형상 제어를 통하여 핫크랙의 발생을 효과적으로 방지함과 아울러, 품질 규격을 충족시키는 만족스러운 정도의 극저온 내충격성을 부여할 수가 있다.

Description

조선해양플랜트용 극저온용 고망간 SAW강관의 제조방법 및 그에 따른 조선해양플랜트용 극저온용 고망간 SAW강관{Manufacturing Method for High-Manganese SAW Steel Pipes for Cryogenic Usage for the Shipbuilding and Marine Plant and the High-Manganese SAW Steel Pipes Thereof}

본 발명은 조선해양플랜트용 극저온용 고망간 SAW(Submerged Arc Welding: 아크(잠호)용접)강관의 제조방법 및 그에 따른 조선해양플랜트용 극저온용 고망간 SAW강관에 관한 것이며, 더욱 상세하게는, 오스테나이트계의 고강도의 극저온용 10~24인치 외경의 후육 고망간 SAW강관 제조 시 롱 씸 밀링(longitudinal seam milling) 공정은 물론, 열처리 및 산세 공정을 생략할 수 있어 높은 경제성 및 제조효율성을 지니면서도, 30 KJ/CM 미만의 용접입열 제어 및 용접부의 형상 제어를 통하여 핫크랙의 발생을 효과적으로 방지함과 아울러, 품질 규격을 충족시키는 만족스러운 정도의 극저온 내충격성을 부여할 수가 있는 조선해양플랜트용 극저온용 고망간 SAW강관의 제조방법 및 그에 따른 조선해양플랜트용 극저온용 고망간 SAW강관에 관한 것이다.

일반적으로, 강관은 소재에 따라 탄소강 강관과 특수강 강관으로 나뉘어지며, 이음매의 유무에 따라 각각 무계목 강관(Seamless pipe)과 용접 강관(Welded pipe)으로 나뉘어진다.

여기서, 용접 강관은 판재를 구부려 관의 형태로 성형한 후 접합부분을 용접하여 제조되며, 일반적인 중소구경 강관의 제조는 주로 전기저항 용접(ERW: Electric resistance welding)에 의해 이루어지며 국내생산량의 약 60% 이상을 차지하며, 대구경 강관의 제조는 주로 아크용접(SAW: Submerged arc welding)에 의해 이루어진다.

한편, 조선해양플랜트용 극저온용 LNG 배관은 -196℃의 극저온 상태로 유지되므로 극저온상태에서도 우수한 충격 인성을 보유함과 아울러, 내부의 높은 압력을 견딜 수 있는 우수한 강도를 동시에 보유하여야 한다.

종래 극저온 배관망에는 주로 스테인리스 304 및 스테인리스 316 강관이 사용되어 왔으며, 이러한 스테인리스 강관의 용접은 대부분 TIG(Tungsten Inert Gas / GTAW: Gas Tungsten-Arc Welding)용접 또는 SAW를 이용함이 일반적이다.

그러나 이러한 스테인리스 강관은 매우 고가이므로, 최근 들어 포스코에서는 이를 대체하기 위한 망간 함유량 25중량%의 오스테나이트계 고망간 소재를 개발하였으며, 상기한 고망간 소재는 가격이 저렴하고 -196도에서 41주울(joule) 이상의 충격치를 가지는 우수한 극저온 특성과 700Mpa~900MPa의 높은 인장강도를 갖는 등 물성도 매우 우수하기 때문에 조선해양플랜트용의 극저온용 강관으로의 제조만 가능하다면 스테인리스 강관의 대체품으로 유용할 수 있다.

조선해양플랜트용의 극저온용 고망간 강관의 제조에 생산성이 우수한 ERW을 적용하는 것은 상기한 고망간 소재가 오스테나이트계이므로 ERW은 대부분의 경우 불가능하다.

ERW은 고주파의 특징인 표피효과와 근접효과에 의해 용접이 되는 원리이나, 일반적인 오스테나이트계의 경우 고크롬강으로서 고온에서 매우 빠르게 산화물을 만들게 되며 이들 산화물은 매우 단단하고 높은 용융온도를 가지므로 ERW 과정에서 배출되기가 매우 어려우며, 즉 용접부 내에 잔존하게 되어 용접부 크랙을 유발시킨다.

또한 ERW은 대부분 냉각수로서의 에멀젼 중에서 용접하게 되며 에멀젼은 단순히 기체로만 변하지 않고 산소와 수소로 나뉘어지며 산소는 또한 쉽게 고망간 소재의 크롬과 결합하게 된다.

따라서 종래 용접부에 에멀젼을 분사하지 않고 대기 중 산소와 접하지 못하게 하는 무산화 조치를 취하며 중주파를 사용하고 좁은 입열범위에 대해 정밀한 용접조건을 채택하는 등의 방안이 고려되었다.

그러나 오스테나이트계는 ERW의 용접효율을 좋게 하기 위해 사용되는 임피더의 효과가 거의 없어 용접부가 과열 또는 냉접이 되는 등 그 입열범위가 극히 미세하여 수율이 현저히 낮게 되고 비드가 너무 단단하여 제거하기 곤란하며, 비자성에 의한 입열상승 효과가 매우 적기 때문에 히스테리손실 등에 의한 발열을 기대할 수가 없어 현실적으로 이 정도의 용접관리는 현실적으로 적용하기 곤란한 것으로 평가되고 있다.

따라서, 한국 등록특허 제1817085호(2018.01.04. 등록)의 전기저항 용접을 이용하여 만들어진 오스테나이트계 고망간 강관의 제조방법에 개시(開示)된 바와 같이, 극저온용 LNG 배관으로서 오스테나이트계의 고망간 소재에 대한 ERW강관은 중소구경의 박물 용접 강관에나 적용되고 있을 뿐, 대구경의 후육 강관에는 적용되고 있지 못하다.

한편, TIG용접방식은 대부분 두께 및 외경의 크기에 있어 한계를 보이며, TIG용접은 일반적으로 10mm 두께가 상한선으로 되어 있다. 이보다 더 두꺼운 용접은 TIG용접방식으로는 불가하다. 또한, TIG용접은 파이프의 외경에 있어서도 12인치를 넘지 못한다. 그러므로 두께 및 외경 측면에서 제조 범위에 한계가 있다. 즉 TIG용접방식으로는 외경 12인치 이상 및 두께 10mm 이상의 관은 제조하기 곤란한 것으로 알려져있다.

따라서, 종래 대구경의 극저온용 LNG 후육 배관으로서는 SAW강관이 사용되어 왔다(도 4 참조).

극저온용으로 사용되는 대표적인 강종은 전술한 바와 같이 스테인리스304 재질과 316재질로서, 이들은 탄소함유량이 많아 예민화 현상을 겪게 되며, 예민화 현상이 발생하면 탄화물 석출에 의한 부식 등이 쉽게 진행되어 파단에 이를 수 있기 때문에 반드시 용접 후 열처리로서 강관 전체를 섭씨 1050도로 가열한 후에 급속 냉각하는 공정을 반드시 거쳐야 한다. 이러한 열처리 및 냉각 공정은 비용 상승과 직결되며, 또한 열처리 과정에서 검게 변해버린 외관을 깨끗하게 하기 위해서는 산세에 의한 표면처리를 거쳐야만 하므로 이 또한 공정비용의 상승을 초래하게 된다.

한편, 종래 대구경의 극저온용 LNG 배관으로서 후육 SAW강관의 전형적인 제조방법으로서, 한국 등록특허 제1727989호(2017.04.12. 등록)는 엣지 밀링 후, JCO 벤딩(프리(J) 벤딩 , 프레스(C) 벤딩, 포스트(O) 벤딩)한 다음, 태크 용접(tack welding)한 후, 내부용접하고, 이어서 롱 씸 밀링에 의해 상기한 태크 웰딩부 전체와 내부 용접부 일부와 모재 일부를 U자 형태로 제거한 다음, 외부용접하고, 초음파 검사 후, 냉간 확관, 관단 가공, 누수검사 및, 용접부 검사(radiographic test)하는 것으로 이루어지는 고망간강 강관의 제조방법을 제안하고 있다.

그러나 상기한 종래의 방법은 본 용접시 용락을 방지하는 역할을 수행하는 태크 웰딩에 의한 씰링 용접부(tack weld part)가 일부 오염을 유발할 수 있는 요소가 많아 본 용접후 기공 등의 용접불량이나 용접부내 물성 저하를 방지하기 위하여 씰링 용접부 전체는 물론, 내부용접부 일부와 모재 일부를 제거하는 가우징(gauging) 처리로서의 롱 씸 밀링 공정을 사용하므로 생산성 및 경제성 측면에서 충분히 만족스러운 것은 못되었다.

아울러, 상기한 종래의 기술은 엣지 밀링에 사용하는 고망간강 소재 판재의 양측 연부를 상호 대면한 상태에서 두께방향으로 외부 V형 그루브 및 내부 V형 그루브가 4:6 내지 3:7의 깊이 비율로 형성하도록 면취 밀링함으로써, 내부 V형 그루브에 비하여 상대적으로 작은 깊이 및 크기를 갖는 외부 V형 그루브를 면취 밀링한 후, 다시 롱 씸 밀링에 의하여 가장 큰 깊이를 갖는 실질적으로 U자 형태의 롱 씸 밀링 그루브를 형성하므로 공정 효율성이 좋지 않다는 문제점이 있다.

등록특허 제10-1727989호(2017.04.12. 등록) 등록특허 제10-1817085호(2018.01.04. 등록)

따라서 본 발명의 첫 번째 목적은, 오스테나이트계의 고강도의 극저온용 10~24인치 외경의 후육 고망간 SAW강관 제조 시, 롱 씸 밀링(longitudinal seam milling) 공정은 물론, 열처리 및 산세 공정을 생략할 수 있어 높은 경제성 및 제조효율성을 지니는 조선해양플랜트용 극저온용 고망간 SAW강관의 제조방법을 제공하기 위한 것이다.

본 발명의 두 번째 목적은, 상기한 첫 번째 목적에 더하여 30 KJ/CM 미만의 용접입열 제어 및 용접부의 효과적인 더블-V 베벨 단부(double-V beveled end)를 가지는 형상 제어를 통하여 핫크랙의 발생을 효과적으로 방지함과 아울러, 품질규격을 충족시키는 만족스러운 정도의 극저온 내충격성을 부여할 수가 있는 조선해양플랜트용 극저온용 고망간 SAW강관의 제조방법을 제공하기 위한 것이다.

본 발명의 세 번째 목적은 부수적으로, 고강도의 고망간 후판의 단부 베벨링 시 효과적으로 적용할 수가 있는 밀링 인서트로서의 최적화된 바이트 팁을 적용한 조선해양플랜트용 극저온용 고망간 SAW강관의 제조방법을 제공하기 위한 것이다.

본 발명의 네 번째 목적은 전술한 제반 목적에 따른 제조방법에 따른 조선해양플랜트용 극저온용 고망간 SAW강관을 제공하기 위한 것이다.

본 발명의 상기한 첫 번째 및 두 번째 목적을 원활히 달성하기 위한 본 발명의 바람직한 양태에 따르면, (A) 망간함량 18~26중량%의 고망간 후판을 소정의 길이로 절단한 후, 원형 강관으로의 포밍에 의하여 상기한 후판의 양단부 접촉 시 외단부 및 내단부 경사부가 상호 65도 ± 5도의 각도를 이루도록 면취 밀링하여 원형 강관의 내단부와 외단부의 면취 깊이 비율이 1:2~2:3의 비대칭 구조를 갖도록 더블-V 베벨 단부(double-V beveled end)를 가공하되, 상기한 후판의 양단부를 후판 전체 두께에 대한 맞대기 길이로써의 루트면(root face) 길이 : 외단부 면취 깊이: 내단부 면취 깊이 = 1:2:1~1:1:2/3이 되도록 가공하는 단부 베벨링(beveling) 단계와; (B)JCO 벤딩(프리(J-forming) 벤딩, 프레스(C-forming) 벤딩, 포스트(O-forming) 벤딩), 또는 롤 벤딩에 의한 조관 벤딩 단계와; (C) 상기한 포밍 강관의 외단부 내측을 TIG(Tungsten Inert Gas / GTAW: Gas Tungsten-Arc Welding) 가용접하는 단계와; (D)SAW((Submerged Arc Welding: 아크(잠호)용접)에 의한 내측 V 베벨 단부에 대한 내부 용접 단계와: (E) 롱 씸 밀링(longitudinal seam milling)에 의한 가용접부의 제거 없이, SAW에 의한 외측 V 베벨 단부에 대한 외부용접 단계를 포함하고: 상기한 단계 (D) 및 (E)를 용접입열 30KJ/CM 미만의 제어 조건으로 수행하며, 강관의 외경이 10~24인치이고 두께 10~30mmm인 노 백 가우징(No back gouging) 공법에 의한 고망간 SAW강관이 섭씨 -196도에서 41주울(joule) 이상의 충격치 조건을 충족하는, 조선해양플랜트용 극저온용 고망간 SAW강관의 제조방법이 제공된다.

여기서, 상기한 단계 (D) 및 (E) 각각의 SAW 가공 시 용접입열은 각각 20KJ/CM 이하의 1 pass 용접 및 25KJ/CM 이하의 적어도 2 pass 용접에 의하여 수행되는 것이 바람직하다.

삭제

상기한 본 발명의 세 번째 목적은, 단계 (A)의 단부 베벨링을 스테인리스 및 고강도강의 터닝 및 밀링용의 황삭 가공용 초경 PVD(physical vapor deposition) 처리된 밀링 인서트로서의 바이트 팁, 특정하게는 대구텍의 상품명 TT8080을 이용하여 수행될 수 있다.

상기한 본 발명의 네 번째 목적은 전술한 제조방법에 의하여 제조되는 조선해양플랜트용 극저온용 고망간 SAW강관의 제공에 의하여 달성될 수 있다.

본 발명에 따른 조선해양플랜트용 극저온용 고망간 SAW강관의 제조방법 및 그에 따른 조선해양플랜트용 극저온용 고망간 SAW강관은, 오스테나이트계의 고강도의 극저온용 10~24인치 외경의 후육 고망간 SAW강관 제조 시, 롱 씸 밀링(longitudinal seam milling) 공정은 물론, 열처리 및 산세 공정을 생략할 수 있어 높은 경제성 및 제조효율성을 지니며, 30 KJ/CM 미만의 용접입열 제어 및 용접부의 효과적인 더블-V 베벨 단부를 가지는 형상 제어를 통하여 핫크랙의 발생을 효과적으로 방지함과 아울러, 품질규격을 충족시키는 만족스러운 정도의 극저온 내충격성을 부여할 수가 있음과 아울러, 부수적으로 고강도의 고망간 후판의 단부 베벨링 시 밀링 인서트로서의 최적화된 바이트 팁을 적용할 수가 있다.

도 1은 본 발명에 따른 조선해양플랜트용 극저온용 고망간 SAW강관의 제조방법의 각 단계를 설명하는 사진 첨부 공정 흐름도이다.
도 2는 본 발명의 제조방법에 있어서 최적화된 단부 베벨링(End Beveling) 형상으로서의 더블-V 베벨 단부(double-V beveled end) 형상을 나타내는 예시도이다.
도 3은 본 발명의 제조방법에 있어서 외경 10~24인치의 고망간 후육 SAW강관의 제조를 위한 태크 용접기(Tack welder)를 나타내는 도면이다.
도 4는 본 출원인에 의한 종래의 스테인리스 304 또는 316 후판을 이용한 조선해양플랜트용 극저온용 SAW강관의 제조방법의 각 단계를 설명하는 사진 첨부 공정 흐름도이다.

본 발명은 조선해양플랜트용 극저온용 LNG 배관망에 사용되기 위한 SAW강관의 제조방법 및 그에 따른 조선해양플랜트용 극저온용 LNG 배관망에 사용되기 위한 SAW강관에 관한 것으로서, 사용소재는 망간 함유량이 18~26중량%, 특정하게는 25중량%를 가지는 소재로서 국내에서는 포스코에서 세계최초로 개발한 소재로서, 전술한 바와 같이, 섭씨 -196도에서 41주울(joule) 이상의 충격치를 가지는 극저온 특성을 보유하며 강도가 매우 높은 오스테나이트계 소재로서, 인장강도가700MPa~900MPa에 달하는 매우 높은 물성을 보유한다.

망간은 저온 안정상인 오스테나이트를 생성시키는 주요 원소로서, 니켈에 비해 매우 저렴하다. 망간 함량이 18중량% 미만인 경우에는 충분한 오스테나이트가 생성되지 않아 극저온에서 인성이 매우 낮아지게 되며, 반면에 망간 함량이 26중량%를 초과하는 경우에는 편석이 과다하게 발생하고 고온균열이 유발되며, 유해한 흄(Fume)이 발생될 수 있다. 따라서 고망간강의 망간 함량은 18~26중량%이다.

도 1은 본 발명에 따른 조선해양플랜트용 극저온용 고망간 SAW강관의 제조방법의 각 단계를 설명하는 사진 첨부 공정 흐름도로서 이를 참조하여 본 발명에 따른 제조방법을 설명하기로 한다.

일반적으로 SAW와 관련하여 초층에는 대부분 GMAW(Gas Metal Arc Welding: 가스금속 아크 용접) 또는 FCAW((Flux Cored Arc Welding: 플럭스 코어드 아크용접)이 일반적이다.

이는 강관을 조관하고 본 용접을 시행하기 전 두 가지 조건을 충족해야하기 때문이다.

첫 번째는 강관을 구속하기 위한 수단이다. 롤 벤딩 후 또는 JCO 성형을 한 강관의 경우 대부분 조관 후 용접부가 상당히 벌어진 형태로 성형된다. 이 벌어진 형태를 다시 태크 용접(tack welder) 성형기에서 양 관단을 붙이는 성형을 하며 그 과정에서 씰링 비드를 갖추도록 용접을 하게 된다. 이러한 씰링 비드 접착부는 벌어진 관을 완전하게 접촉시키는 역할을 하게 한다.

또한 두 번째는 씰링 비드로 하여금 본 용접시 용락을 방지하는 역할을 수행하게 한다.

그러나 이러한 씰링 용접부는 일부 오염을 유발할 수 있는 요소가 매우 많아 본 용접 후에 기공 등의 용접불량의 요인으로 작용하기도 한다. 또한 용접부내 물성을 저하시키는 요인도 되고 있으므로 일반적으로 고급 용도용에 있어서는 이 씰링 용접부(태크 용접부)는 제거되며, 이를 가우징이라고 한다.

이러한 가우징의 기계식 밀링형태의 가공을 롱 씸 밀링이라 하며, 이 과정을 거치면 씰링 용접부가 제거된다.

그러나 이러한 롱 씸 밀러의 사용은 생산성 측면에서 추가적인 공정으로서, 본 발명에서는 다양한 시험을 통해 롱 씸 밀링을 하지 않는 노 백 가우징(No back gouging) 공법을 적용함에도 소정 정격 규정을 충족시키며, 이에 의해 공정단축으로 인한 생산성 향상 10% 이상과 인건비 절감이 가능하다.

한편, 고망간 소재는 핫크랙 가능성을 내포하고 있다. 이는 소재의 성분과 밀접한 관계가 있다. 고망간 소재는 소재 내 S와 함께 쉽게 MnS를 만든다. 또한 약간의 C와도 탄화물을 만들게 되는데 이들 원소들과의 공정을 형성하는 과정에서 매우 낮은 공점점을 갖게 된다.

공정점은 일반적으로 화합물 형성과 관련하여 매우 낮은 용융점(섭씨 1350도 수준)을 갖게 된다. 즉 용접온도에서 쉽게 고체화되지 못한다. 일반적인 용접온도는 섭씨 1450~1550도 수준으로 섭씨 1450도 이하에서는 쉽게 고체화되어야만 한다.

그러나 용접은 반드시 완벽하게 구속된 상태에서만 시행되는 것은 아니므로, 용접 후 고상화 되지 않은 상황에서 약간의 구속이 해제된다면 곧 바로 용접 풀(pool)에서 크랙으로 진전될 수밖에 없다. 이러한 핫크랙을 제한하는 방법은 소재내 탄소량과 황을 극저 수준으로 낮추어야 하나 원소재 메이커에서는 비용이 많이 소요될 수밖에 없는 실정이므로 사용자에 의한 구속방법확보 또는 용접조건의 확보 등을 통해 핫크랙을 제어하여야만 한다.

이러한 구속방법의 변화는 많은 장치적 제한이 내지 제약이 따르므로, 본 발명에서는 입열량 제어 및 용접시 냉각속도를 빨리하는 용접조건을 확보하였다.

이는 후술하는 실시예에서 판명되는 바와 같이, 용접입열량을 30KJ/cm 미만으로 제어하는 것과 동시에, 내면 용접부의 좁은 개선 각도로 용접입열을 최소화하고 냉각속도를 빨리하는 방법과 외면용접부에 대하여 적어도 2 pass 이상의 용접으로 핫크랙을 제어할 수 있다.

그러나 새로 개발된 고망간 소재의 경우에는 탄소함유량이 일반적인 스테인리스강 대비 현저하게 적기 때문에 예민화현상이 발생하지 않으므로 열처리의 생략이 가능하며, 열처리와 관련된 표면처리 역시 수행할 필요가 없어 조선해양용의 극저온용으로 적용 시 기존 소재대비 원가 절감이 가능하다.

본 발명이 만족스럽게 적용될 수 있는 강관의 외경과 두께는 10인치 이상, 보다 구체적으로는 상한에 제한이 있는 것은 아니지만 10~24인치이며, 두께 또한 제한적인 것은 아니지만 일반적으로 10~30mm이다.

강관의 성형은 롤 벤딩 방식 또는 JCO방식으로 성형된다.

롤 벤딩 방식은 외경 16인치 이상에 적합하므로 외경 10인치 또는 그에 인접한 외경 이상의 강관을 성형하기 위해서는 특별히 외경 10인치에 맞는 설비를 제작해야 하며 이는 JCO 방식으로 성형하게 된다.

그러나 현재 국내외 JCO 설비는 매우 큰 두께를 갖는 후육관에 대한 것이므로 제조 가능한 최소의 외경은 14인치부터이다. 이는 14인치로부터 매우 큰 외경인 60인치까지 혼용하여 병용 제작해야 하는 제조 특성상 너무 작은 사이즈(크기)로 설계하게 되면 설비가 약해질 수밖에 없기 때문에 현실적인 문제로서 14인치 이상으로 설계 제작된다.

예를 들면, 도 3에 나타낸 바와 같이, 태크 용접기(tack welder)는 외부에서 유압실린더로 파이프의 외경부분을 골 그루브 쪽으로 밀어주면서 용접을 할 수 있는 구속력을 제공하는데 사이즈가 적은 경우 유압실린더의 신장 길이는 매우 길어져야 하므로 정밀도 측면에서 문제를 일으킨다. 또한 내부 SAW에 있어서도 10인치의 내경은 상대적으로 좁기 때문에 고망간 초고강도 와이어에 대한 벤딩 문제 및 용접 헤드의 크기를 현저히 제약하여야 한다는 문제가 있다.

따라서, 본 발명자는 국내외 최초로 고망간용 10인치에서 24인치만 가능하게 설계된 JCO설비를 설계하였으며, 최대 외경을 24인치로 한정하였기 때문에 외경 10인치 강관의 성형도 충분히 가능하게 되었다.

한편, 고망간 소재는 강도가 최소 700MPa-900MPa 수준의 인장강도를 가짐과 아울러, 특유의 점성을 가지고 있어 고망간강의 절단문제는 상업화에 있어 걸림돌이 되어왔다.

이어서, 도 2의 본 발명의 제조방법에 있어서 최적화된 단부 베벨링(End Beveling) 형상으로서의 예시적인 더블-V 베벨 단부(double-V beveled end) 형상을 참조하여 언급하면, 비록 도시된 예에서는 고망간 후판을 소정의 길이로 절단한 후 상기한 후판의 양단부를 후판 전체 두께에 대한 맞대기 길이로써의 루트면(root face) 길이 : 외단부 면취 깊이(T2): 내단부 면취 깊이(T1) = 1:2:1로 치수 한정함과 아울러, 원형 강관으로의 포밍에 의하여 상기한 후판의 양단부 접촉 시 외단부 및 내단부 경사부가 상호 65도 ±5도의 각도를 이루도록 면취 밀링하여 원형 강관의 내단부와 외단부의 면취 깊이 비율(T1:T2)이 1:2의 비대칭 구조를 형성하도록 더블-V 베벨 단부(double-V beveled end)를 갖도록 단부 베벨링(beveling)이 수행되는 경우를 나타내고 있다.

그러나 본 발명은 도시된 예에 한정되지 않고 루트면(root face) 길이(맞대기 길이) : 외단부 면취 깊이(T2): 내단부 면취 깊이(T1) = 1:2:1~1:1:2/3이 되도록 함과 아울러, 원형 강관의 내단부와 외단부의 면취 깊이 비율(T1:T2)이 1:2~2:3의 비대칭 구조를 형성하는 더블-V 베벨 단부를 갖도록 단부 베벨링할 수 있으며 이 또한 본 발명의 영역 내이다.

기존의 초경재료를 화학증착(CVD)시킨 밀링용 인서트로서의 바이트 팁(예컨대 대구텍의 일반적으로 적용되는 마일드(mild) 강에 대한 내마모성이 강한 황삭 밀링용의 상품명 TT7800)이 널리 사용되어 왔다. 그러나 이러한 재질의 바이트 팁은 고강도의 고망간 소재에 대한 용접면 개선작업을 실시한 결과 공구수명이 현저하게 단축되는 결과를 나타냈으므로, 다양한 시험을 통해 진공증착방식인 PVD공법이 적용된 바이트 팁(예컨대 대구텍의 스테인리스 등에 대한 고인성 터닝 및 황삭 밀링용의 상품명 TT8080)을 적용한 결과, 기존 대비 양산성이 매우 우수한 단부 베벨링용 팁을 확보할 수 있었다.

고급강에서는 충격특성을 중요하게 요구하고 있으며, 용접불량에 대한 보수용접이 허용되지 않는 경우가 빈번하다.

따라서, 불량발생의 원인으로 작용할 수 있는 태크 용접부를 제거하기 위한 설비로서 롱 씸 밀러라는 기계가공식 가우징 설비가 사용된다.

전술한 바와 같이, 태크 용접은 일반적으로 GMAW 및 FCAW로 용접을 하게 되는데 재질이 본 용접시 사용되는 SAW용접 와이어와는 다소 성분이 다르기 때문에 강도 및 충격치에 영향을 줄 수 있다. 또한 용접 후에는 특히 플럭스 코어드 방식의 FCAW의 경우 일부 플럭스의 슬래그가 제거되지 못하고 잔존할 경우 용접 결함(슬래그혼입)이 발생할 수 있고 초층 용접과정에서 이물질이 혼입되어 기공불량 등이 발생할 수 있다.

본 발명에 있어서는 경제성 및 생산효율성 제고를 위하여, 고망간 소재의 용접과정에서 가우징 처리 유무에 따른 시험을 실시하였으며 그에 따른 품질 영향 등을 평가하였다.

그 결과, 품질수준에서 충격치가 약 10% 정도 낮게 나타났으나, 이는 목표수준인 -196℃에서 41Joule이라는 요구 수준 보다는 다소 높게 형성된 분포를 보였으며 용접품질측면에서도 개재물 및 기공혼입은 X-ray 품질 검사 수준에서 요구하는 수준이상을 상회하여 아무런 문제가 없다는 결론에 이르렀다.

실제 이러한 결과를 얻기 위해 기존의 용접속도 대비 50% 정도 낮은 용접속도를 적용했으며, 이러한 용접속도의 저감에도 불구하고 가우징 공정으로 인한 생산속도 저하를 상쇄하고도 남는 전체적으로 높은 생산성을 나타내는 것으로 확인되었다.

한편, 고망간강의 아크 용접 특성은 고온 균열 감수성 지수가 매우 높다는 것으로서, 종방향 바레스트레인트(longitudinal varestraint) 시험 결과 핫크랙(hot crack)이 다양한 형태로 발생하는 것을 관찰할 수 있었다.

핫크랙(고온균열)은 용접시 구속 정도에 영향이 있음과 아울러, 화학성분계의 편석에 의한 것이 대부분이며, 용접 구속에 의한 문제는 기계 메카니즘적으로 해결해야 하며, 화학적 문제는 야금학적 요인과 용접조건 등으로 해결해야 한다.

본 발명자에 의한 예의 연구 결과, 고온 균열 발생원인으로 원소의 편석과 응고과정에서 다량의 Mn과 C등이 입계편석형태로 입계에 편석과 C의 편석을 확인할 수 있었으며 이러한 것이 저융점화 크랙으로 진전되었음을 파악하였다. 이러한 고온 균열은 실제로 SAW의 경우 현실적으로 종종 발생하며 용접품질을 좌우하는 가장 큰 요인이 될 수 있다는 점에서 이 부분을 주목하였다.

SAW에서 관찰된 핫크랙의 경우에는 거시적으로 용접부내 용착부의 센터부로부터 터짐이 발생하는데 이는 용착부의 센터부는 가장 응고가 늦게 되는 부분이면서 주조와 관련하여 편석이 가장 많이 이루어지는 부분이기 때문이다.

따라서 이 부분에 모인 탄화물의 경우에 있어서 응고 속도를 지연시키는 낮은 응고조건이 형성되며 약간의 구속응력이 인가될 경우 곧바로 크랙으로 진전되는 양상을 보이고 있다. 관련시험에서 균열발생원인으로 망간과 탄소의 영향으로 공용(Eutectic)에 의하여 낮은 온도에서도 액상으로 존재하는 것을 확인할 수 있었다.

따라서 본 발명에서는 소재 및 용접재 그리고 구속과 관련된 메카니즘적인 부분을 제외한 용접조건으로 상기한 문제점을 해소하고자 하였으며, 용접입열 조건을 30KJ/CM 미만, 보다 구체적으로는 내면 용접을 20KJ/CM 이하로 관리하여 응고속도를 빨리하는 용접조건을 구비하도록 함과 아울러, 외면 용접은 25KJ/CM 이하로 관리하되 적어도 2 pass 이상의 용접에 의하여 용융풀의 편석화를 최대한 제거할 수 있도록 하였다.

이어서, 열처리에 관하여 언급하면, 극저온용 강관에 사용되는 스테인리스 강관의 경우에는 반드시 용접 후에 스테인리스강의 예민화현상을 방지하기 위한 열처리를 시행하며, 상기한 열처리는 강관 용접 후 전체를 1050℃ 로 가열한 다음 급냉 처리한다. 이런 열처리를 통해 예민화 영역을 빠르게 냉각하여 탄화물형성을 억제한 다음, 열처리에 의해 발생한 흑피 등을 제거하기 위하여 필수적으로 산세를 수행하며, 열처리과정에서의 변형에 대한 교정도 추가로 수행할 필요가 있다.

따라서 열처리의 생략이 가능하다면, 열처리 공정에 소요되는 열에너지 비용 및 그에 수반되는 후속 공정 비용을 절약할 수 있다.

한편, 고망간 소재는 기본적으로 열처리를 필요로 하지 않는 강종으로 개발되었지만, 소재 특성상 일부 크롬이 함유되어 있고 급속한 가공경화가 발생하는 강종이므로 열처리의 유무에 의한 효과는 현재 명확하지 않다.

따라서 본 발명은 열처리의 야금학적 특성을 따지기 보다는 열처리 유무에 대한 비교 품질평가를 실시하였으며, 그 결과 열처리의 생략이 가능한 제조방법을 확정하였다.

실시예 1: TIP 수명과 관련한 실험예(마모 및 파손까지의 가공길이) 단위 :m

시험 횟수	TT7800	TT8080	비고
1	36	700	약 20배 수명 증대 단, Mild강 대비 1/2 수준
2	30	750
3	35	730
4	33	800
5	37	690
6	35	710
7	40	740
평균	35	731

실시예 2: 롱 씸 밀러 적용 전후의 품질비교

횟수	롱씸밀러 적용		롱씸밀러 미 적용		비 고
횟수	충격값	용접결함	충격값	용접결함	비 고
1	88	0	75	0	목표값 -196도 41Joule 용접결함: 기공결함(X-ray) 기준
2	95	0	85	1
3	88	0	78	0
4	79	0	69	0
5	85	0	75	0
6	92	0	82	0
7	93	1	83	0
8	87	0	77	0
9	83	0	73	0
10	95	0	85	0
평균	88.5	10%	78	10%	충격치 규정확보

실시예 3: 용접입열에 따른 충격치 및 핫크랙 발생

입열량	SAW충격치(ave,)	hot crack발생빈도	비 고
20KJ/CM	95	0 %	내측 V 베벨 단부 20KJ 이하/pass 외측 V 베벨 단부 25KJ 이하/pass
25KJ/CM	75	1%
30KJ/CM	55	3%
35KJ/CM	45	15%

삭제

실시예 4: 열처리 전후 충격치 비교

횟수	열처리 유 (1050도)	열처리 무	비고
1	95	89	입열조건 25KJ이하
2	102	95
3	95	91
4	97	87
5	93	90
6	89	85
7	105	93
ave.	97	90

부연하면, 실시예 1에 나타낸 바와 같이, 상기한 고망간 소재를 용접을 위한 개선면을 절삭하기 위해서는 일반적으로 적용되는 마일드(mild) 강용의 황삭용 팁으로는 몇 개의 파이프에만 적용이 가능할 뿐 팁 파손으로 인한 팁의 교체 및 팁의 소모비용 등으로 인하여 양산적용이 곤란하다.

이에 따라 기존 팁의 재질 변경이 필요하였으며 여러 번의 시운전을 거쳐 최적의 팁 사양을 확정 지을 수 있었다. 기존 관용하던 TT7800 팁(초경 CVD 처리한 것)은 고망간의 소재의 경우 약 30M 정도의 개선량에 대해 팁이 파손되었으며, 첨언하면 이 팁은 일반강의 경우 1500M 정도의 절삭에 견디는 소재이다.

따라서 이 팁을 이용할 경우 생산성 및 팁 소모량 등에 있어서 양산화에 매우 큰 걸림돌이 되었다.

결과적으로 다수의 시행착오와 트라이얼 앤 에러를 통하여 고망간 소재에 최적인 팁 소재로서 대구텍의 TT8080 팁을 발굴하였으며, 이 팁은 초경 PVD(진공증착) 코팅 소재로써 황삭이 가능하고 고강도 고망간 소재의 절삭에도 팁의 마모나 파손에 영향을 미치지 않고 수명이 기존 TT7800 팁 대비 20배 대폭 연장됨을 확인할 수 있었다.

Claims

(A) 망간함량 18~26중량%의 고망간 후판을 소정의 길이로 절단한 후, 원형 강관으로의 포밍에 의하여 상기한 후판의 양단부 접촉 시 외단부 및 내단부 경사부가 상호 65도 ± 5도의 각도를 이루도록 면취 밀링하여 원형 강관의 내단부와 외단부의 면취 깊이 비율(T1:T2)이 1:2~2:3의 비대칭 구조를 갖도록 더블-V 베벨 단부(double-V beveled end)를 가공하되, 상기한 후판의 양단부를 후판 전체 두께에 대한 맞대기 길이: 외단부 면취 깊이(T2): 내단부 면취 깊이(T1) = 1:2:1~1:1:2/3이 되도록 가공하는 단부 베벨링(beveling) 단계와;
(B)JCO 벤딩(프리(J-forming) 벤딩, 프레스(C-forming) 벤딩, 포스트(O-forming) 벤딩), 또는 롤 벤딩에 의한 조관 벤딩 단계와;
(C) 상기한 포밍 강관의 외단부 내측을 TIG(Tungsten Inert Gas / GTAW: Gas Tungsten-Arc Welding) 가용접하는 단계와;
(D)SAW((Submerged Arc Welding: 아크(잠호)용접)에 의한 내측 V 베벨 단부에 대한 내부 용접 단계와:
(E) 롱 씸 밀링(longitudinal seam milling)에 의한 가용접부의 제거 없이, SAW에 의한 외측 V 베벨 단부에 대한 외부용접 단계를 포함하고:
상기한 단계 (D) 및 (E)를 용접입열 30KJ/CM 미만의 제어 조건으로 수행하며,
강관의 외경이 10~24인치이고 두께 10~30mmm인 노 백 가우징(No back gouging) 공법에 의한 고망간 SAW강관이 섭씨 -196도에서 41주울(joule) 이상의 충격치 조건을 충족하는,
조선해양플랜트용 극저온용 고망간 SAW강관의 제조방법.
제1항에 있어서, 상기한 단계 (D) 및 (E) 각각의 SAW 가공 시 용접입열이 각각 20KJ/CM의 1 pass 용접 및 25KJ/CM의 적어도 2 pass 용접에 의하여 수행되는 조선해양플랜트용 극저온용 고망간 SAW강관의 제조방법.
삭제
제1항에 있어서, 상기한 단계 (A)의 단부 베벨링이 스테인리스 및 고강도강의 터닝 및 밀링용의 황삭 가공용 초경 PVD(physical vapor deposition) 처리된 밀링 인서트로서의 바이트 팁을 이용하여 수행되는 조선해양플랜트용 극저온용 고망간 SAW강관의 제조방법.
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