KR102297184B1 - 안정화 오스테나이트계 스테인리스강 튜브의 용접방법 - Google Patents

안정화 오스테나이트계 스테인리스강 튜브의 용접방법 Download PDF

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Abstract

본 발명의 안정화 오스테나이트계 스테인리스강 튜브의 용접방법은 오스테나이트계 스테인리스강 튜브를 1차 용접하여 용접부를 형성하는 1차 용접패스 단계; 및 측정 영역의 온도가 220 ℃ 내지 400 ℃에서 상기 용접부를 2차 용접하는 2차 용접패스 단계;를 포함하고, 상기 오스테나이트계 스테인리스강 튜브는 321H 또는 347H 스테인리스강인 것을 특징으로 한다.

Description

안정화 오스테나이트계 스테인리스강 튜브의 용접방법{METHOD OF WELDING STABILIZED AUSTENITIC STAINLESS STEEL}
본 발명은 안정화 오스테나이트계 스테인리스강 튜브의 용접방법에 관한 것이다.
안정화 오스테나이트계 스테인리스강은 입계부식에 강하고, 고온 안정성이 우수하여, 보일러의 튜브에 사용하고 있다. 운전 중 균열 등의 손상이 발생한 튜브는 수리가 필요하고, 흔히 용접을 이용한다.
그러나, 두 번의 용접패스로 이루어지는 용접방법을 적용하는 경우, 두 번째 패스의 용융영역이 응고되면서 수축하고, 이로 인해 첫 번째 패스에 소성변형이 생겨 균열에 취약하게 되는 문제점이 있다. 특히, 600 ℃ 이상의 고온에서 장기간 운전되는 보일러에서, 안정화 오스테나이트계 스테인리스강 튜브는 입내에 미세한 NbC이 형성되어 경화되고, 입계에는 조대한 Cr23C6이 형성되어 상대적으로 입계에 변형이 집중되고 균열이 다시 발생하고 성장한다.
따라서, 재균열을 방지하기 위한 용접방법이 필요하다.
이에 관한 선행기술은 한국공개 특허공보 제 2005-0065728호에 개시되어 있다.
본 발명의 목적은 재균열을 방지할 수 있는 안정화 오스테나이트계 스테인리스강 튜브의 용접방법을 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 다른 목적은 소성변형이 적고, 입열량을 줄일 수 있는 안정화 오스테나이트계 스테인리스강 튜브의 용접방법을 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 상기 및 기타의 목적들은 하기 설명되는 본 발명에 의하여 모두 달성될 수 있다.
본 발명의 안정화 오스테나이트계 스테인리스강 튜브의 용접방법은 오스테나이트계 스테인리스강 튜브를 1차 용접하여 용접부를 형성하는 1차 용접패스 단계; 및 측정 영역의 온도가 220 ℃ 내지 400 ℃에서 상기 용접부를 2차 용접하는 2차 용접패스 단계;를 포함하고, 상기 오스테나이트계 스테인리스강 튜브는 321H 또는 347H 스테인리스강인 것을 특징으로 한다.
상기 측정 영역은 상기 용접부로부터 3 mm 내지 10 mm 의 거리를 둔 지점일 수 있다.
상기 측정 영역은 2 이상의 지점이며, 상기 2 이상의 지점에서 측정된 온도 중 가장 낮은 온도가 220 ℃ 내지 400 ℃ 범위에 해당될 때 2차 용접할 수 있다.
상기 측정 영역은 용접부 상하로부터 동일한 거리를 갖는 8개의 지점이며, 이 중 4 개의 지점은 용접부 상부에서 튜브 둘레를 따라 동일한 간격을 갖고, 나머지 4개의 지점은 용접부 하부에서 튜브 둘레를 따라 동일한 간격을 갖고, 상기 8개의 지점에서 측정된 온도 중 가장 낮은 온도가 220 ℃ 내지 400 ℃ 범위에 해당될 때 2차 용접할 수 있다.
본 발명은 재균열을 방지하고, 소성변형이 적고, 입열량을 줄일 수 있는 안정화 오스테나이트계 스테인리스강 튜브의 용접방법을 제공하는 효과를 갖는다.
도 1은 종래의 용접방법과 본 발명의 구체예에 따른 용접방법의 시간에 따른 온도변화를 간단히 도시한 것이다.
도 2는 본 발명의 일 구체예에 따른 용접방법의 온도측정 지점을 나타낸 것이다.
도 3은 본 발명의 다른 구체예에 따른 용접방법의 온도측정 지점을 나타낸 것이다.
도 4는 2차 용접패스의 시작온도에 따른 최대 소성변형량을 도시한 것이다.
이하, 본 발명의 구체예에 따른 안정화 오스테나이트계 스테인리스강 튜브의 용접방법을 도 1을 참고하여 설명한다. 도 1은 종래의 용접방법과 본 발명의 구체예에 따른 용접방법의 시간에 따른 온도변화를 간단히 도시한 것으로써, A는 종래의 용접방법이고, B는 본 발명의 구체예에 따른 용접방법이다.
도 1을 참고하면, 본 발명의 구체예에 따른 안정화 오스테나이트계 스테인리스강 튜브의 용접방법은 오스테나이트계 스테인리스강 튜브를 1차 용접하여 용접부를 형성하는 1차 용접패스 단계; 및 측정 영역의 온도가 220 ℃ 내지 400 ℃에서 상기 용접부를 2차 용접하는 2차 용접패스 단계;를 포함하고, 상기 오스테나이트계 스테인리스강 튜브는 321H 또는 347H 스테인리스강인 것을 특징으로 한다. 구체적으로 도 1 B의 T2는 220 ℃ 내지 400 ℃일 수 있다.
구체적으로, 본 발명의 구체예에 따른 안정화 오스테나이트계 스테인리스강 튜브의 용접방법은 오스테나이트계 스테인리스강 튜브를 1차 용접하여 용접부를 형성한 후, 2차 용접패스 시작온도(T2)를, 종래 용접방법의 2차 용접패스 시작온도(T1) 보다 높게 적용한다. 예를 들어, 도 1에서 T2는 T1보다 T만큼 높다. 즉, 1차 용접패스 후 종래보다 용접부가 덜 냉각된 상태에서 2차 용접을 함으로써, 2차 용접패스 전 1차 용접부의 수축을 최소화할 수 있고, 용접부의 최대 소성변형량을 낮출 수 있다. 용접부의 최대 소성변형량이 낮을수록, 응력을 줄일 수 있어, 용접부의 재균열 현상을 방지하는 효과가 크다.
상기 2차 용접패스 시작온도는 측정 영역의 온도를 기준으로 할 수 있다.
본 발명의 구체예에 따른 안정화 오스테나이트계 스테인리스강 튜브의 용접방법은 측정 영역의 온도가 220 ℃ 내지 400 ℃에서 2차 용접할 수 있다. 상기의 범위에서 용접부의 최대 소성변형량을 최소화할 수 있는 장점이 있다.
본 발명의 구체예에 따른 안정화 오스테나이트계 스테인리스강 튜브의 용접방법으로 용접한 용접부는 2차 용접패스 후 최대 소성변형량이 9% 미만, 구체적으로 8% 미만일 수 있다. 상기의 범위에서 용접부의 응력을 줄일 수 있어, 용접부의 재균열 현상을 방지할 수 있다.
상기 2차 용접패스의 시작온도(T2)를 본 발명의 범위로 적용함으로써, 2차 용접패스 단계의 용접입열량(Q)을 10 내지 20 kJ/cm, 구체적으로 12 내지 18 kJ/cm로 할 수 있다. 즉, 보다 적은 에너지로 2차 용접패스 단계를 수행할 수 있는 장점이 있다.
또한, 도 1을 다시 참조하면 본 발명의 구체예에 따른 안정화 오스테나이트계 스테인리스강 튜브의 용접방법은 종래의 용접방법 보다 1차 용접패스가 충분히 냉각되지 않은 채, 2차 용접패스를 시작함으로써, 용접부에 더 많은 열이 포함되었다가 방출되므로 용접부가 종래 용접방법 보다 서서히 냉각된다. 이로 인해, 용접부의 최대 소성변형량 및 응력을 더욱 낮출 수 있다.
이하, 도 2를 참조하여 본 발명의 일 구체예에 따른 안정화 오스테나이트계 스테인리스강 튜브의 용접방법을 설명한다. 도 2는 본 발명의 일 구체예에 따른 용접방법의 온도측정 지점을 나타낸 것이다.
도 2를 참조하면, 일 구체예에서 상기 측정 영역의 온도가 220 ℃ 내지 400 ℃에서 상기 용접부를 2차 용접하는 2차 용접패스 단계는, 상기 용접부(W)로부터 3 mm 내지 10 mm의 거리(d)를 둔 지점(R1 또는 R2)의 온도를 측정하고, 상기 측정 온도가 220 ℃ 내지 400 ℃에서 상기 용접부를 2차 용접하는 것일 수 있다.
오차를 줄이기 위해 상기 측정 영역은 2 이상의 지점일 수 있다. 이 경우, 어느 지점이라도 2차 용접패스의 시작온도가 220 ℃ 미만이 되면, 1차 용접부의 수축이 진행되어 용접부의 최대 소성변형량이 급격히 증가한다. 따라서, 이를 방지하기 위해 상기 2 이상의 지점에서 측정된 온도 중 가장 낮은 온도가 220 ℃ 내지 400 ℃ 범위에 해당될 때 2차 용접할 수 있다. 예를 들어 상기 온도 측정은 도 2의 R1 또는 R2 상의 임의의 두 지점 이상에서 측정하고, 상기 측정된 온도 중 가장 낮은 온도가 220 ℃ 내지 400 ℃ 범위에 해당될 때 2차 용접할 수 있다.
이하, 도 3을 참조하여 본 발명의 또 다른 구체예에 따른 안정화 오스테나이트계 스테인리스강 튜브의 용접방법을 설명한다. 도 3은 본 발명의 또 다른 구체예에 따른 용접방법의 온도 측정 영역을 나타낸 것이다.
도 3을 참조하면, 또 다른 구체예에서 상기 측정 영역은 용접부(W) 상하로부터 동일한 거리(d)를 갖는 8개의 지점이며, 이 중 4 개의 지점(P1, P2, P3, P4)은 용접부 상부에서 튜브 둘레를 따라 동일한 간격을 갖고, 나머지 4개의 지점(P5, P6, P7, P8)은 용접부 하부에서 튜브 둘레를 따라 동일한 간격을 갖고, 상기 8개의 지점에서 측정된 온도 중 가장 낮은 온도가 220 ℃ 내지 400 ℃ 범위에 해당될 때 2차 용접할 수 있다.
도 3에서는 용접부(W)를 중심으로 P1과 P5, P2와 P6, P3와 P7, 및 P4와 P8가 서로 대칭인 위치로 도시하였으나, 이에 제한되지 않는다.
상기 동일한 거리(d)는 3 mm 내지 10 mm, 구체적으로 3 mm 내지 8 mm, 더욱 구체적으로 4 mm 내지 6 mm이 될 수 있다. 상기의 범위에서, 온도의 측정이 용이하고, 측정된 온도와 용접부의 온도 사이에 오차를 줄일 수 있어, 측정 영역의 온도는 용접부의 온도를 반영할 수 있다.
온도 측정은 온도측정용 크레용 또는 열전대를 사용하여 측정할 수 있다.
구체적으로, 특정 온도에서 녹는 온도측정용 크레용을 사용하여 측정 대상 지점의 온도를 측정할 수 있다. 온도측정용 크레용은 상업적으로 구입이 가능하며, 예를 들어 템필 스틱(Tempilstick), 템핀딕(Tempindic), 닛센(Nissen) 중 하나 이상을 사용할 수 있다.
또한, 상기 온도 측정은 열전대를 측정 대상 지점에 접촉시키고, 접촉식 온도계로 온도를 측정할 수 있다.
본 발명의 용접방법은 니오븀(Nb)를 포함하는 스테인리스강 튜브의 용접에 제한 없이 사용할 수 있다. 구체적으로 상기 스테인리스강 튜브는 니오븀(Nb)을 0.3 초과 내지 1.1 중량%, 구체적으로 0.4 내지 0.8 중량%를 포함할 수 있다. 상기의 범위의 스테인리스강 튜브에 본 발명의 용접방법을 적용하는 경우, 재균열을 방지할 수 있을 뿐만 아니라, 고온에 노출 시 크롬탄화물이 결정립계에 형성되지 않고, 입계부식에 강한 장점이 있다.
구체적으로 상기 스테인리스강 튜브는 탄소(C) 0 초과 0.5 중량% 이하, 실리콘(Si) 0 초과 1 중량% 이하, 망간(Mn) 0.5 내지 3 중량%, 인(P) 0 초과 0.05 중량% 이하, 황(S) 0 초과 0.03 중량% 이하, 니켈(Ni) 5 내지 15 중량%, 크롬(Cr) 10 내지 30 중량%, 니오븀 0.3 초과 1.1 중량%, 기타 철(Fe) 및 불가피한 불순물을 포함할 수 있다.
상기 안정화 오스테나이트계 스테인리스강 튜브는 석탄화력 보일러 튜브일 수 있다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 통해 본 발명의 구성 및 작용을 더욱 상세히 설명하기로 한다. 다만, 이는 본 발명의 바람직한 예시로 제시된 것이며 어떠한 의미로도 이에 의해 본 발명이 제한되는 것으로 해석될 수는 없다.
여기에 기재되지 않은 내용은 이 기술 분야에서 숙련된 자이면 충분히 기술적으로 유추할 수 있는 것이므로 그 설명을 생략하기로 한다.
실시예
실시예 1
손상된 스테인리스강 튜브(탄소(C) 0 초과 0.5 중량% 이하, 실리콘(Si) 0 초과 1 중량% 이하, 망간(Mn) 0.5 내지 3 중량%, 인(P) 0 초과 0.05 중량% 이하, 황(S) 0 초과 0.03 중량% 이하, 니켈(Ni) 5 내지 15 중량%, 크롬(Cr) 10 내지 30 중량%, 니오븀 0.3 초과 1.1, 기타 철(Fe) 및 불가피한 불순물을 포함)를 용접할 때, 용접부로부터 상기 튜브의 제1 길이방향으로 5 mm의 거리를 두고, 상기 튜브 둘레로 동일한 간격을 갖는 네 지점, 및 상기 용접부로부터 상기 튜브의 제2 길이방향으로 5 mm의 거리를 두고, 상기 튜브 둘레로 동일한 간격을 갖는 네 지점의 온도를 측정하고, 상기 측정된 8개의 온도 중 가장 낮은 온도가 220 ℃ 일 때, 2차 용접(입열량: 10~20 kJ/cm)을 수행하고, 용접부에서의 최대 소성변형량(%)을 측정하였다.
실시예 2 및 비교예 1 내지 3
상기 측정된 8개의 온도 중 가장 낮은 온도가 하기 표 1일 때, 2차 용접을 수항한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 용접을 수행하고, 최대 소성변형량(%)을 측정하였다.
최대 소성변형량( % ) 측정방법
용접부의 열이력 및 소재물성 데이터를 기반으로 한 응력해석 방법으로 최대 소성변형량(%)을 측정하고, 하기 표 1에 나타내었다.
실시예 1 실시예 2 비교예 1 비교예 2 비교예 3
2차 용접패스 시작온도(℃) 220 300 185 155 80
최대 소성변형량(%) 7.7 7.6 13.2 14.3 16
상기 표 1에 나타난 바와 같이, 본 발명의 용접방법은 보다 높은 온도에서 2차 용접패스를 시작하여 2차 용접의 입열량을 줄일 수 있을 뿐만아니라, 용접부는 최대 소성변형량(%)이 낮아, 용접부의 재균열을 방지할 수 있는 것을 알 수 있다. 2차 용접패스의 시작온도와 최대 소성변형량의 관계는 도 4에 나타내었다. 도 4에서 x 축은 2차 용접패스의 시작온도(℃), y축은 용접부의 최대 소성변형량(%)이다.
이상 본 발명의 실시예들을 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 제조될 수 있으며, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야 한다.

Claims (4)

  1. 오스테나이트계 스테인리스강 튜브를 1차 용접하여 용접부를 형성하는 1차 용접패스 단계; 및
    측정 영역의 온도가 220 ℃ 내지 400 ℃에서 상기 용접부를 2차 용접하는 2차 용접패스 단계;를 포함하고,
    상기 측정 영역은, 상기 용접부로부터 3 mm 내지 10 mm 의 거리를 둔 2 이상의 지점이며, 상기 2 이상의 지점에서 측정된 온도 중 가장 낮은 온도가 220 ℃ 내지 400 ℃ 범위에 해당될 때 2차 용접하는 것이며,
    상기 오스테나이트계 스테인리스강 튜브는 니오븀(Nb)을 0.3 초과 1.1 중량% 이하를 포함하는, 321H 또는 347H 스테인리스강인 것을 특징으로 하는 안정화 오스테나이트계 스테인리스강 튜브의 용접방법.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서, 상기 측정 영역은 용접부 상하로부터 동일한 거리를 갖는 8개의 지점이며, 이중 4 개의 지점은 용접부 상부에서 튜브 둘레를 따라 동일한 간격을 갖고, 나머지 4개의 지점은 용접부 하부에서 튜브 둘레를 따라 동일한 간격을 갖고, 상기 8개의 지점에서 측정된 온도 중 가장 낮은 온도가 220 ℃ 내지 400 ℃ 범위에 해당될 때 2차 용접하는 안정화 오스테나이트계 스테인리스강 튜브의 용접방법.



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