KR102311581B1 - 고망간강을 사용한 lng 저장 탱크의 이너 쉘용 용접 구조 부재 및 이의 제조 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은, 고망간강을 사용한 LNG 저장 탱크의 이너 쉘 제작을 위한 맞대기 수평 용접 시에 빈번하게 발생하는 기공 결함, 표면 결함 및 균열 등의 용접 결함을 억제할 수 있는 용접 구조 부재 및 이의 제조 방법에 관한 것이다.

Description

고망간강을 사용한 LNG 저장 탱크의 이너 쉘용 용접 구조 부재 및 이의 제조 방법{WELDED STRUCTURAL MEMBER FOR INNER SHELL OF LNG STORAGE TANK USING HIGH MANGANESE STEEL AND MANUFACTURING METHOD OF THE SAME}

본 발명은 고망간강을 사용한 LNG 저장 탱크의 이너 쉘용 용접 구조 부재 및 이의 제조방법에 관한 것이다.

액화 천연가스(LNG: Liquefied Natural Gas)는 가스전에서 채취된 천연 가스를 수송 및 저장의 효율성을 높이기 위해, -162℃로 냉각하여 1/600 가량의 부피로 액화시킨 것이다. 이러한 액화 천연 가스를 저장하는 탱크를 'LNG 저장 탱크'라고 부르고, 사용 온도가 상온에서 -162℃까지의 온도 변화가 일어나는 조건이므로, LNG와 직접적으로 접촉하는 부위는 극한 온도 변화에서 견딜 수 있는 재질로 선정해야 한다. 이러한 조건을 만족하는 재료에는 오스테나이트계 스테인리스강, 9% 니켈강, Al 합금 등이 있고, 최근에는 고강도이면서 극저온에서도 인성이 쉽게 저하되지 않는 오스테나이트계 고망간강이 개발되어 LNG 저장탱크에 적용되었다.

LNG 저장 탱크의 제작에 사용되는 고망간강의 용접 방법은, 일반적으로 플럭스 코어드 아크 용접(Flux Cored Arc Welding; FCAW)와 서브 머지드 아크 용접(Submerged Arc Welding; SAW) 용접 방법이 적용되고, 이너 쉘(Inner shell)의 수평 용접은 용접선이 길고 용접량이 많음에 따라 생산성이 높은 SAW 용접 방법을 적용하게 된다.

이너 쉘은 초저온 LNG를 저장하도록 설계된 평저(Flat-bottomed) 수직 원통형 금속 용기로 일반적으로 1~11단(200,000m³)으로 설치되고, 도 1에 나타낸 바와 같이, 1단 하부의 두께가 가장 두껍고, 상부로 올라갈수록 두께가 점점 얇아지는 구조로 되어 있다.

고망간강의 이너 쉘용 용접 구조 부재를 제조할 때에는 초층 용접 시 용략을 방지하기 위하여 FCAW 용접 방법으로 루트 패스(Root pass)를 용접한 후에, SAW 용접 방법을 적용한다.

그런데, 고망간강의 이너 쉘용 용접 구조 부재를 제조할 때, 기존 재료인 9% 니켈강을 모재로서 사용하는 경우에는 고온 균열이 쉽게 발생하기 때문에, 고온 내균열성이 우수한 용접 재료이나 비교적 고가인 하스텔로이계 용접 재료나, 인코넬계 용접 재료의 사용이 필수적이었고, 이에 따라 제조 비용이 상승하는 문제가 있었다.

또한, LNG 저장 탱크의 이너 쉘 플레이트에 고망간강을 적용하여, SAW 수평 용접(2G)을 수행하면, 기존 재료인 9% 니켈강에서는 크게 발생하지 않았던 기공(Porosity), 표면 결함(Surface defect), 균열(Crack) 등의 용접 결함이 대량으로 발생하는 문제가 있다.

따라서, 제조 비용의 저감을 위해, 고망간강을 사용하면서도, 전술한 기공, 표면 결함, 또는 균열 등의 용접 결함이 개선된 용접 방법이 필요한 실정이나, 아직까지 이러한 기술은 개발되지 않았다.

공개공보 제2001-0063589호

본 발명의 일 측면은, 고망간강을 사용한 LNG 저장 탱크의 이너 쉘용 수평 용접 시에 빈번하게 발생하는 기공 결함, 표면 결함 및 균열 등의 용접 결함 중 하나 이상의 특성이 개선된 용접 구조 부재 및 이의 제조 방법을 제공하고자 한다.

본 발명의 과제는 전술한 내용에 한정하지 아니한다. 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가지는 자라면 누구라도 본 발명 명세서 전반에 걸친 내용으로부터 본 발명의 추가적인 과제를 이해하는 데 어려움이 없을 것이다.

본 발명의 일 측면은,

맞대기 수평 용접하기 위해, 제1 강판 및 제2 강판의 측면부가 서로 마주하도록 위치시키는 단계; 및

서브 머지드 아크 용접을 이용하여 상기 제1 강판 및 상기 제2 강판을 맞대기 수평 용접함으로써, 용접 개선부에 복수의 용접 비드부를 형성하는 단계;

를 포함하고,

상기 복수의 용접 비드부를 형성하는 단계는, 각각의 용접 비드부의 두께(D)와 폭(W)의 비율(D/W)이 0.6 이하가 되도록 제어하는, LNG 저장 탱크의 이너 쉘용 용접 구조 부재의 제조방법을 제공한다.

또한, 본 발명의 또 다른 측면은,

제1 강판;

제2 강판; 및

상기 제1 강판 및 제2 강판을 연결하는 용접부를 포함하고,

상기 용접부는 복수의 용접 비드부를 포함하고,

각각의 용접 비드부의 두께(D)와 폭(W)의 비율(D/W)이 0.6 이하인, LNG 저장 탱크의 이너 쉘용 용접 구조 부재를 제공한다.

본 발명의 일 측면에 따르면, 고망간강을 사용한 LNG 저장 탱크의 이너 쉘 제작을 위한 맞대기 수평 용접 시에, 빈번하게 발생하는 기공 결함, 표면 결함 및 균열 등의 용접 결함 중 하나 이상의 특성이 개선된 용접 구조 부재 및 이의 제조 방법을 제공할 수 있다.

본 발명의 다양하면서도 유익한 장점과 효과는 상술한 내용에 한정되지 않고, 본 발명의 구체적인 실시 형태를 설명하는 과정에서 보다 쉽게 이해될 수 있을 것이다.

도 1은 LNG 저장 탱크의 이너 쉘을 구성하는 강판(inner shell plate)들을 맞대기 수평 용접하여 얻어지는 용접 구조 부재를 개략적으로 나타낸 모식도이다.
도 2는 용접 구조 부재에 대한 두께방향(X)으로의 절단면을 기준으로, 용접 비드부의 형성 순서(혹은, 적층 순서)를 나타낸 측면도이다.
도 3은 본 발명의 비교예에 해당하는 용접 구조 부재에 대하여, 홈부에 대한 두께(d) 및 폭(w)의 측정 방법을 모식적으로 나타낸 것이다.
도 4는 본 발명의 발명예에 해당하는 용접 구조 부재에 대하여, 홈부에 대한 두께(d) 및 폭(w)의 측정 방법을 모식적으로 나타낸 것이다.
도 5는 본 발명의 비교예에 해당하는 용접 구조 부재에 대한 두께방향(X)으로의 절단면을 기준으로 용접 비드부가 형성된 구조를 모식적으로 나타낸 것이다.
도 6은 본 발명의 발명예에 해당하는 용접 구조 부재에 대한 두께방향(X)으로의 절단면을 기준으로 용접 비드부가 형성된 구조를 모식적으로 나타낸 것이다.
도 7은 본 발명의 일 측면에 따른 수평 용접 수행 시, 용접 구조 부재의 개선부에 대한 개선면의 형태를 모식적으로 나타낸 것이다.
도 8은 본 발명의 일 측면에 따른 개선면이 곡선 형태로 형성되는 경우를 모식적으로 나타낸 것이다.
도 9a는 본 발명의 비교예에 해당하는 하나의 용접 비드부의 형상을 개략적으로 나타낸 모식도이고, 도 9b는 본 발명의 발명예에 해당하는 하나의 용접 비드부의 형상을 개략적으로 나타낸 모식도이다.
도 10은 SAW 용접을 이용한 수평 용접 방법을 나타내는 사진이다.
도 11은 본 발명의 발명예에 대한 SAW 수평 용접 후, 형성된 용접 구조 부재의 표면 사진을 나타낸 것이다.
도 12 및 13은 본 발명의 비교예에 대한 SAW 수평 용접 후, 용접 구조 부재의 표면 사진을 나타낸 것이다.
도 14는 본 발명의 발명예 1로부터 제조된 용접 구조 부재의 개선부에 대한 두께방향(X)으로의 절단면을 촬영한 사진을 나타낸 것이다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시형태들을 설명한다. 그러나, 본 발명의 실시형태는 여러가지 다른 형태로 변형될 수 있고, 본 발명의 범위가 이하 설명하는 실시형태로 한정되는 것은 아니다. 또한, 본 발명의 실시형태는 당해 기술분야에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이다.

전술한 바와 같이, LNG 저장 탱크의 이너쉘 강판으로서, 기존의 재료인 9% 니켈강에서는 비교적 고가인 하스텔로이계 용접 재료나, 인코넬계 용접 재료의 사용이 필수적이었고, 이에 따라 제조 비용이 상승하는 문제가 있었다.

또한, LNG 저장 탱크의 이너 쉘 강판으로서 최근 개발된 고망간강의 경우에는 SAW 수평 용접을 수행하면, 결함, 균열 등의 용접 결함이 대량으로 발생하기 쉬운 문제가 있었다.

이에, 본 발명자들은, 전술한 기공, 표면 결함, 또는 균열 등의 용접 결함을 획기적으로 저감할 수 있는 용접 구조 부재의 제조 방법에 대하여 예의 검토한 결과 이하의 결론에 도달하였다.

최근 개발된 고망간강은 다른 재료들에 비해, 용접부의 세척(cleaning) 등을 포함하는 전처리 여부, 비드의 적층 방법 및 기타 용접 변수들이 용접 품질에 보다 민감하게 영향을 받는다. 이에 따라, 용접 시 이들의 관리에 소홀할 경우 심한 용접 결함으로 이어지게 된다. 뿐만 아니라, 상대적으로 두께가 두꺼워 적층의 수가 많아지는 LNG 저장 탱크의 이너 쉘에 있어서, 1+2단 또는 2+3단에서 집중적으로 용접 결함이 발생하는 점을 알게 되었다. 이하에서 구체적으로 설명한다.

본 발명의 일 측면에 따른 LNG 저장 탱크의 이너 쉘용 용접 구조 부재의 제조방법은, 맞대기 수평 용접하기 위해, 제1 강판(110) 및 제2 강판(120)의 측면부가 서로 마주하도록 위치시키는 단계를 포함한다(도 2 내지 도 4 참조). 이때, 상기 맞대기 수평 용접에 대해서는 당해 기술분야에서 통상적으로 알려진 방법을 본 발명에서도 동일하게 적용할 수 있고, 상기 제1 강판 및 상기 제2 강판은 LNG 저장 탱크의 이너 쉘 제작 시 사용되는 고망간강일 수 있다.

상기 제1 강판 및 제2 강판은 그 조성을 특별히 한정하는 것은 아니나, 중량%로, C: 0.2~0.6%, Si: 0.1~1.0%, Mn: 22.0~26.0%, P: 0.03% 이하, S: 0.01% 이하, N: 0~0.15%, Nb과 Ti과 V의 합계: 0.3%이하(0%를 포함), 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 포함할 수 있다. 이렇듯, 전술한 조성을 충족하는 고망간강을 이너 쉘용 용접 구조 부재의 제조 시 사용함으로써, 제조 비용을 효과적으로 저감시킬 수 있다.

이어서, 상기 LNG 저장 탱크의 이너 쉘용 용접 구조 부재의 제조방법은, 서브 머지드 아크 용접(SAW)을 이용하여 상기 제1 강판(110) 및 상기 제2 강판(120)을 맞대기 수평 용접함으로써, 용접 개선부에 복수의 용접 비드부(20)를 형성하는 단계;를 포함한다(도 2 내지 도 4 참조).

이 때, 상기 서브 머지드 아크 용접은 SAW 용접 재료를 사용하여 복수의 용접 비드부를 형성할 수 있다. 상기 SAW 용접 재료로는 그 조성을 특별히 한정하는 것은 아니나, 중량%로, C: 0.2~0.8%, Si: 1.5% 이하, Mn: 10~30%, P: 0.020% 이하, S: 0.015% 이하, Ni: 10.0% 이하, Cr: 5.0% 이하, Mo: 5.0% 이하, Nb과 Ti과 V의 합계: 0.3% 이하의 조성을 가지는 메탈 코어드 와이어(Wire)를 사용할 수 있다.

여기서, 전술한 설명을 제외하고는, 상기 서브머지드 아크 용접에 대하여 당해 기술분야에서 통상적으로 알려진 방법을 동일하게 적용할 수 있다. 따라서, 상기 SAW 용접 재료로는 전술한 조성을 갖는 메탈 코어드 와이어 및 플럭스(Flux)의 조합을 사용할 수 있다. 이 때, 플럭스에 대해서는 당해 기술분야에서 알려진 것을 사용할 수 있으므로, 본 명세서에서 플럭스의 조성을 별도로 정의하지는 않는다.

한편, 본 발명과 같은 SAW 맞대기 수평 용접의 특성 상, 도 2에서 볼 수 있듯이, 제1 강판(110) 및 제2 강판(120)의 용접 개선부에, 도 2에 기재된 순서대로(즉, 도 2의 1->2->3->4->5->6 순으로, 혹은 도 2의 1'->2'->3'->4' 순으로) 복수의 용접 비드부(20)를 형성한다. 즉, 본 발명에 있어서, 전술한 복수의 용접 비드부는 개개의 용접 비드부(20)를 용접 초층부(100)의 표면으로부터 쌓아 올리면서(즉, 강판의 두께방향으로 표면측을 향해서) 적층하여 형성된다.

이렇듯, 강판의 두께방향으로 복수의(즉, 2 이상의) 용접 비드부(20)를 하나씩 적층하여 용접할 경우, 도 2에서와 같이, Y방향으로 상단에 위치한 모재인 제1 강판(11)의 개선면을 따라 좁고 깊은 형상의 홈부(10)가 발생하게 된다. 이렇듯, 제조 과정 중에, 좁고 깊은 형상의 홈부(10)가 형성되면, 상기 홈부(10)를 채우도록 용접 비드부를 한번에 형성함으로써, 용접부의 응고 수축 및 이너 쉘 간의 구속 응력 등으로 인해 고온균열이 발생하기 쉽고, 형상학적으로 용융 금속 내에 존재하는 가스의 배출이 용이하지 않아 기공성 결함이 발생하게 된다. 따라서, 용접 시 좁고 깊은 홈부(10)가 발생하지 않도록 용접 비드부(20)의 형상을 제어하는 것이 본 발명에서 중요한 요소이다.

따라서, 본 발명은, 상기 복수의 용접 비드부를 형성하는 단계에 있어서, 각각의 용접 비드부의 두께(D)와 폭(W)의 비율(D/W)이 0.6 이하가 되도록 제어한다. 이렇듯, 개개의 용접 비드부의 두께와 폭의 비율(D/W)을 0.6 이하가 되도록 제어함으로써, 고온 균열의 발생을 효과적으로 저감시킬 수 있을 뿐만 아니라, 홈 부에 형성되는 용접 비드부를 형성할 때 용융 금속 내에 존재하는 가스의 배출을 원활하게 제어함으로써 기공성 결함의 발생을 억제할 수 있다.

여기서, 용접 비드부(20)의 두께와 폭의 비율(D/W)은 그 값이 작으면 작을수록 고온 균열 저감의 효과가 우수한 것이므로, 특별히 그 하한을 별도로 한정하지 않을 수 있다. 다만, 본 발명의 목적하는 효과를 확보하기 위해, 보다 바람직하게는, 상기 각각의 용접 비드부의 두께(D)와 폭(W)의 비율(D/W)는 0.2~0.6 범위(즉, 0.2 이상 0.6 이하)일 수 있다.

한편, 본 발명의 일 측면에 따르면, 상기 용접 비드부(20)의 두께(D)와 폭(W)의 측정은, 강판을 두께방향(X)으로 자른 절단면을 기준으로 하고, 여기서 상기 두께방향이라 함은 모재인 강판(제1 강판(110) 및 제2 강판(120))의 압연방향과 수직인 방향을 의미한다.

다시 말해, 전술한 두께방향으로 자른 절단면을 기준으로, 상기 용접 비드부(20)의 두께(D)는 강판의 두께방향(X)으로 측정된 용접 비드부(20)의 최장 길이를 나타낸다. 또한, 상기 용접 비드부(20)의 폭(W)은 길이방향(혹은, 상기 절단면을 기준으로, 상기 두께방향과 수직인 방향)(Y)(즉, 강판의 압연방향)으로 측정된 용접 비드부(20)의 최장 길이를 나타낸다(도 1 및 도 9 참조).

본 발명의 일 측면에 따르면, 상기 복수의 용접 비드부(20)를 형성하는 단계는, 어느 하나의 용접 비드부(20)를 형성하기 전에, 상기 제1 강판(110) 및 제2 강판(120) 중 하나 이상의 강판의 개선면과, (상기 어느 하나의 용접 비드부(20)가 형성되기 전에) 이미 형성된 용접 비드부(20)의 표면이 만나 형성하는 홈부(10)의 두께(d)와 폭(w)의 비율(d/w)이 0.6 이하가 되도록 제어될 수 있다(도 2 내지 도 4 참조). 이를 충족함으로써, 상기 홈부(10)에 구비되는 용융 금속 내 가스의 배출을 원활하게 제어함으로써, 고온 균열을 효과적으로 저감할 수 있다.

한편, 상기 홈부(10)의 두께(d)와 폭(w)의 비율(d/w)가 0.6을 초과하면, 상기 홈부(10)에 SAW 용접 재료를 사용하여 용접 비드부(20)를 형성 시, 너무 좁고 깊은 홈부(10)에 용접 비두부(20)가 형성됨으로써 고온 균열의 발생 민감도가 증가하여 균열 발생을 초래할 수 있다. 다만, 상기 홈부(10)의 두께(d)와 폭(w)의 비율(d/w)은 그 값이 적을수록 고온 균열 저감의 효과가 우수하므로, 특별히 그 하한을 한정하지 않을 수 있다. 다만, 본 발명의 효과를 보다 개선하기 위해, 보다 바람직하게는, 상기 홈부(10)의 두께(d)와 폭(w)의 비율(d/w)은 0.2~0.6 범위(즉, 0.2 이상 0.6 이하)일 수 있다.

이 때, 상기 홈부(10)의 두께(d)와 폭(w)의 비율 측정 시에는 전술한 용접 비드부(20)의 두께(D)와 폭(W) 측정방법과 마찬가지로, 모재인 강판을 두께방향(X)으로 자른 절단면을 기준으로 측정하고, 그 측정 방법을 도 3 및 4에 모식적으로 나타내었다.

예를 들어, 도 3에는 본 발명의 비교예에 해당하는 홈부의 측정방법을 나타내었다. 구체적으로, 이미 형성된 용접 비드부들(20) 중, 가장 마지막에 형성된 용접 비드부(11)를 기준으로 홈부의 두께와 폭를 측정한다.

이 때, 상기 마지막에 형성된 용접 비드부(20)가 점유하는 영역을 기준으로, 두께방향(X)의 용접 초층부(100)로부터 표면 측으로 가장 먼 지점에 대하여 길이방향(Y)으로 평행한 선(63)을 그린다.

이어서, 상기 마지막에 형성된 용접 비드부(11)가 그 하부에 위치하는 또 다른 용접 비드부(8)과의 접점(a)에서 그은 접선(61)을 그린다. 또한, 어느 하나의 강판(110)에 대한 개선면의 연장선(62)을 그린다. 이렇게 그려진 상기 평행선(63), 접선(61) 및 개선면의 연장선(62)을 통해 형성되는 영역을 홈부(50)로 정의한다. 이 후, 도 3b에 정의되어 있듯이, 상기 홈부(50)에 대하여, 강판의 두께방향(X)으로 측정된 최장 길이를 홈부의 두께(d)로 정의하고, 강판의 길이방향(X)으로 측정된 최장 길이를 홈부의 폭(w)로 정의한다.

마찬가지의 방법으로, 본 발명의 발명예에 해당하는 홈부의 측정방법을 도 4에도 표시하였다.

또한, 본 발명의 일 측면에 따르면, 상기 하나의 용접 비드부를 형성하는 단계 이전에, 강판의 두께방향으로의 절단면을 기준으로, 상기 제1 강판(110) 및 제2 강판(120) 중 하나 이상의 강판(110, 120)의 개선면과, 이미 형성된 용접 비드부의 표면이 만나 형성하는 홈부의 두께와 폭의 비율(d/w)을 측정하는 단계를 더 포함할 수 있다.

이 때, 전술한 방법으로 측정된 상기 홈부의 두께와 폭의 비율(d/w)의 값이 0.6 이하이면, 추가의 용접 비드부를 형성한다. 반면, 전술한 방법으로 측정된 상기 홈부의 두께와 폭의 비율(d/w)의 값이 0.6을 초과하면, 상기 홈부의 두께와 폭의 비율(d/w)이 0.6 이하를 충족하도록 상기 제1 강판 및 제2 강판 중 하나 이상의 강판의 개선면이 (두께방향 절단면을 기준으로 곡선이 되도록) 그라인딩을 실시할 수 있다.

이렇듯, 전술한 방법으로 측정된 홈부의 두께와 폭의 비율(d/w)의 값을 기준으로 하여, 0.6을 초과하는 좁고 깊은 형상의 홈부가 형성되면, 이미 형성된 용접 비드부 상의 추가의 용접 비드부를 형성하기 전에, 강판의 개선면에 대하여 그라인딩을 실시함으로써 상기 강판의 개선면을 완만하게 만들어서, 상기 홈부의 두께와 폭의 비율(d/w)을 0.6 이하로 조절하는 다층 용접을 실시하는 것이 강판의 기공, 표면 결함, 크랙 등의 용접 결함 저감의 측면에서 바람직하다.

그라인딩 등을 실시함으로써, 강판의 개선면이 곡선의 형태(R)가 되는 일례는 도 8에 나타내었다. 이렇듯, 강판의 개선면이 곡선의 형태가 되도록 제어함으로써, 개개의 용접 비드부의 형태를 보다 완만하게 형성시킬 수 있고, 이로 인해 용접 결함을 저감시킬 수 있다.

본 발명의 일 측면에 따르면, 상기 용접 비드부를 형성하는 단계 이전에, 상기 제1 강판 및 제2 강판의 측면부 간극 사이에, 플럭스코어드 아크 용접(FCAW)을 이용하여 상기 제1 강판 및 제2 강판의 측면부를 연결하는 용접 초층부(100)를 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다(도 2 내지 도 5 참조). 이렇듯, 상기 제1 강판 및 제2 강판의 측면부 간극 사이에 용접 초층부(100)를 형성함으로써 용락을 방지할 수 있고, 이 때 플럭스코어드 아크 용접 방법이 유용하게 사용될 수 있다.

본 발명의 일 측면에 따르면, 상기 제1 강판 및 제2 강판의 측면부 간극(사물 사이의 틈)은 5mm 이하일 수 있고, 보다 바람직하게는 4mm 이하일 수 있다. 상기 제1 강판 및 제2 강판의 측면부 간극은 0mm인 것이 가장 이상적이므로, 특별히 상기 제1 강판 및 제2 강판의 측면부 간극을 한정하지 않을 수 있다. 이 때, 상기 제1 강판 및 제2 강판의 측면부 간극이 0mm인 경우에는 상기 제1 강판 및 제2 강판의 간극 사이에 용접 초층부를 형성하는 단계를 포함하지 않을 수도 있다.

혹은, 본 발명의 일 측면에 따르면, 통상적인 경우로서 상기 제1 강판 및 제2 강판의 측면부 간극이 0mm를 초과하는 경우에는 상기 제1 강판 및 제2 강판의 측면부 사이의 용락을 방지하기 위해, 상기 제1 강판 및 제2 강판의 간극 사이에 용접 초층부(100)를 형성하는 단계를 포함할 수 있다.

또한, 본 명세서에 있어서, 전술한 플럭스코어드 아크 용접에 대해서는 당해 기술분야에서 통상적으로 사용되는 방법을 동일하게 적용할 수 있다.

한편, 본 발명의 일 측면에 따르면, 상기 용접 비드부(20)를 형성하는 단계는, 상기 용접 초층부(100) 상에 최초로 접하는 제1 용접 비드부(1 혹은, 1')를 형성하는 단계를 포함하고, 상기 제1 용접 비드부(1 혹은, 1')를 형성하는 단계는, 하기 관계식 1을 충족하도록 수행될 수 있다.

[관계식 1]

A1 ≥ 1.5×A2

(상기 관계식 1 중, 상기 A1은 강판의 두께방향으로의 절단면을 기준으로, 상기 제1 용접 비드부가 상기 제1 강판 및 제2 강판 중 어느 하나의 강판의 개선면과 접촉하는 편면당 면적을 나타낸다. 또한, 상기 A2는 강판의 두께방향으로의 절단면을 기준으로, 상기 제1 용접 비드부가 상기 제1 강판 및 제2 강판 중 다른 하나의 강판의 개선면과 접촉하는 편면당 면적을 나타낸다. 이 때, A1 및 A2의 단위는 모두 mm²이다.)

고망간강을 사용하여 LNG 저장 탱크의 이너 쉘용 SAW 수평 용접 시, FCAW 용접 방법을 이용하여 용락을 방지하기 위한 용접 초층부(혹은, 루트(root)부) 용접을 실시하고 나서, 침투 탐상 검사(PT: Penetrant Testing)를 통하여 용접부의 건정성을 확인 한 후 SAW 용접을 실시한다. 이 때, SAW 초층 용접이 적용되는 개선면 주위의 영역은 상대적으로 좁은 홈부에 용접을 실시할 수 밖에 없다. 그런데, 도 2의 1번 비드와 같이 양 모재의 개선면을 하나의 비드로 용접을 실시하면 적은 용접량에도 깊고 좁은 용접 비드 층이 만들어 지면서 고온 균열의 발생 민감도가 증가하여 균열이 발생하게 된다. 따라서, 도 4에 나타낸 바와 같이, 용접 비드부의 D/W값이 0.6 이하가 되도록 제어함과 동시에, 전술한 관계식 1을 충족하도록 완만한 용접 비드부를 형성할 수 있는 다층 용접을 실시하는 것이 바람직하다.

예를 들어, 용접 초층부(100) 상에 최초로 접하는 제1 용접 비드부는, 도 5에서 'X'로 표시된 것과 같이, 제1 강판(110) 및 제2 강판(120)의 개선면을 동시에 접하도록 형성되는 것보다는, 도 6에서 '○'로 표시된 것과 같이, 제1 강판(110) 및 제2 강판(120)의 개선면을 동시에 접하지 않도록 형성되는 것이 바람직하다. 또한, 어느 하나의 강판(예를 들어, 제1 강판(110))과 접하는 용접 비드부들은 도 5에서 'X'로 표시된 형태보다는, 도 6에서 '○'로 표시된 것과 같이 관계식 1을 충족하도록 완만하게 적층하여 다층 용접을 실시하는 것이 바람직하다.

또한, 도 12 및 13에서 볼 수 있듯이, 고망간강을 사용하여 용접하는 경우, 용접 비드부의 표면이 깨끗하지 않아, 다른 재료들에 비해 표면 결함이 상대적으로 많이 발생된다. 따라서, 후속하는 용접 비드부의 적층 전에, 이미 형성된 용접 비드부(혹은, 용접 초층부)의 세척 상태가 불량할 경우 다른 재료들에 비해 기공 및 균열 등의 용접 결함을 쉽게 야기시킨다. 따라서, 후속하는 용접 비드부의 적층 전에, 반드시 육안 검사를 통하여 먼지 및 잔존하는 슬래그 등의 이물질 및 표면에 형성된 기공 등을 확인하여 이를 완벽히 제거해야 하고, 용접 비드부들 사이에 심하게 형성된 골은 그라인딩 작업을 통해 완만하게 만들어 주어야 건전한 용접부를 얻을 수 있다.

본 발명의 일 측면에 따르면, 플럭스(Flux)는 사용 전 300~350℃의 온도에서 1시간 가량 건조된 플럭스를 사용하고, 불출 후 노출 시간은 최대 4시간을 넘지 않아야 한다. 용접 시 SAW의 초층 용접 조건은 전류: 400~430A, 전압: 25~28V, 용접속도: 40~48cm/min, 와이어의 돌출 길이(Stick out)는 23~25mm의 조건으로 SAW 용접을 실시하는 것이 바람직하고, 이 때 와이어는 직경은3.2mm인 것을 기준으로 한다. 이후, Fill과 Cap 용접은 전류 400~480A, 전류 25~31V, 용접속도 40~52mm/min의 속도로 실시한다. 용접 시 용접 비드부는 강판의 두께방향으로 하부에서부터 완만하게 쌓아 올리듯이 용접을 실시한다.

또한, 본 발명의 일 측면에 따르면, 복수의 용접 비드부(20)를 형성하는 단계에 있어서, 어느 하나의 용접 비드부를 형성하기 전에, 전술한 용접 초층부(100) 및 이미 형성된 용접 비드부의 표면을 세척하는 표면 세척 단계를 더 포함할 수 있으며, 용접을 시작하기 직전에 실시해야 한다.

다시 말해, 본 발명의 일 측면에 따르면, 상기 용접 초층부를 형성하는 단계 이후, 상기 복수의 용접 비드부를 형성하는 단계 전에, 상기 용접 초층부의 표면을 세척하는 단계를 더 포함할 수 있다. 혹은, 상기 복수의 용접 비드부를 형성하는 단계는, 각각의 용접 비드부를 형성한 이후, 후속하는 용접 비드부를 형성하기 전에, 용접 비드부 표면의 세척을 실시할 수 있다. 이를 충족함으로써, 각 용접 패스의 표면에 나타나는 표면 결함, 이물질 및 먼지들을 깨끗하게 제거할 수 있어, 용접 결함을 효과적으로 저감할 수 있다.

한편, 본 발명과 같이 수평 용접을 적용할 경우, 용융 금속에 중력이 작용하여 용접 시 용접 비드부의 처짐이 발생하게 되고, 고망간강의 재료 특성상 도 3과 같이 용접 비드부가 퍼지지 않고 말리면서, 용접 비드부들의 사이에 심한 골이 발생하게 된다. 따라서, 본 발명의 일 측면에 따르면, 상기 용접 구조 부재에 대하여, 강판의 두께방향(X)으로의 절단면을 기준으로, 상기 제1 강판(110) 및 제2 강판(120) 중 어느 하나의 강판의 개선면과 강판 두께방향으로 그린 직선이 이루는 각도(a2)는, 상기 다른 하나의 강판의 개선면과 강판의 두께방향으로 그린 직선이 이루는 각도(a2)보다 클 수 있다. 이를 반영한 일례를 도 7에 나타내었다.

즉, 수평 용접을 적용하는 것이므로, 용접 시 하부에 위치하는 강판(예를 들어, 도 2에서의 강판(120)에 해당)은 중력으로 인한 용접 비드부의 처짐 현상을 억제하기 위해, 용접 비드부를 지지하는 기능을 수행하도록 강판(120)의 개선면과, 두께방향(X)으로 그린 직선과 이루는 각도가 다른 강판(110)에 비해 보다 작을 수 있다. 이를 통해, 효과적으로 수평 용접을 수행할 수 있다.

한편, 본 발명에 있어서, 상기 제1 강판 및 제2 강판을 서로 마주하도록 위치시키는 단계는, 상기 제1 강판 및 제2 강판을 X자, Y자, V자 형의 개선 형상 중 선택되는 하나의 개선 형상으로 서로 마주하도록 위치시킬 수 있다. 이 때, 당해 기술분야에서 일반적으로 사용되는 방법을 본 발명에 적절히 적용할 수 있다.

이 때, 본 발명의 또 다른 일 측면에 따르면, 상기 강판의 개선면은 직선의 형상일 수도 있고, 곡선의 형상일 수도 있다. 본 발명의 목적하는 용접 결함을 저감하는 측면에서, 그라인딩 등을 실시하지 않더라도, 복수의 용접 비드부를 형성하기 전에, 이미 강판의 개선면은 도 8과 같이 곡선의 형태(R)를 가질 수도 있다.

한편, 본 발명의 또 다른 일 측면은, 제1 강판; 제2 강판; 및 상기 제1 강판 및 제2 강판을 연결하는 용접부를 포함하고, 상기 용접부는 복수의 용접 비드부를 포함하고, 각각의 용접 비드부의 두께(D)와 폭(W)의 비율(D/W)이 0.6 이하인, LNG 저장 탱크의 이너 쉘용 용접 구조 부재를 제공한다. 이 때, 상기 용접 구조 부재에 대해서는 전술한 용접 구조 부재의 제조방법에 대한 설명을 동일하게 적용할 수 있다.

또한, 본 발명의 일 측면에 따르면, 상기 용접부는 상기 제1 강판 및 제2 강판의 측면부 간극에 구비된 용접 초층부를 더 포함하고, 상기 용접 초층부 상에 접하도록 형성된 제1 용접 비드부는 전술한 관계식 1을 충족할 수 있다.

(실시예)

이하, 실시예를 통하여 본 발명을 보다 구체적으로 설명한다. 다만, 하기 실시예는 예시를 통하여 본 발명을 설명하기 위한 것일 뿐, 본 발명의 권리범위를 제한하기 위한 것이 아니라는 점에서 유의할 필요가 있다. 본 발명의 권리범위는 특허 청구범위에 기재된 사항과 이로부터 합리적으로 유추되는 사항에 의해 결정되는 것이기 때문이다.

(실험예 1)

LNG 저장 탱크의 이너 쉘 제작을 위해, 모재로서 하기 표 1의 조성(잔부 Fe 및 불순물)을 충족하는 제1 강판 및 제2 강판을 준비하였다. 맞대기 수평 용접하기 위해, 상기 제1 강판 및 상기 제2 강판의 측면부가 서로 마주하도록 위치시킨 후, 하기 표 2의 조성을 갖는 FCAW 용접 재료(즉, KS D 7143 YFHM2의 플럭스 코어드 와이어(Flux Cored Wire))를 사용하여 플럭스 코어드 아크 용접으로 상기 제1 강판 및 상기 제2 강판을 연결하는 용접 초층부를 형성하였다. 이어서, 상기 제1 강판 및 제2 강판의 용접 개선부에 있어서, 상기 용접 초층부 상에, 하기 표 2의 SAW 용접 재료 및 플럭스를 사용하여, 하기 표 3에 기재된 서브 머지드 아크 용접 조건을 충족하도록 각각의 용접 비드부들을 형성하였다. 이 때, 용접 초층부 상에 최초로 구비되는 용접 비드부를 제1 용접 비드부라고 하고, 방향으로 두께방향으로 순차로 복수의 용접 비드부를 형성하였다.

성분	C	Si	Mn	P	S	N	Nb+Ti+V
함량 (wt%)	0.2~0.6	0.1~1.0	22.0~26.0	0.03이하	0.01이하	0~0.15	0.3 이하

	성분 함량 (wt%)
	C	Si	Mn	P	S	N	Nb+Ti+V
FCAW 용접 재료	0.2~0.6	0.1~1.0	22.0~26.0	0.03 이하	0.01 이하	0~0.15	0.3 이하
SAW 용접 재료	0.2~0.8	1.5 이하	22.0~26.0	0.03 이하	0.01 이하	0~0.15	0.3 이하

	SAW 용접 조건
전류	340~480 A
전압	29~31 V
용접 속도	375~73 cm/min
입열량	11~25 kJ/cm

전술한 방법으로 제조된 각 용접 비드부들의 두께(D)와 폭(W)의 비율(D/W)의 평균값을 구하여, 하기 표 4에 나타내었다. 이 때, 각 용접 비드부들에 대한 전술한 비율(D/W)은 명세서에서 전술한 방법과 동일하게 측정하였고, 각 용접 비드부를 형성하기 전에, 제1 강판 및 제2 강판 중 하나 이상의 강판의 개선면과, 이미 형성된 용접 비드부의 표면이 만나 형성하는 홈부의 두께(d)와 폭(w)의 비율(d/w)도 명세서에서 전술한 방법과 동일하게 측정하였다.

한편, 하기 발명예 1~5에서는, 각 용접 비드부를 형성하기 전에, 각 홈부에 대한 전술한 비율(d/w)이 0.6 이하이면 후속하는 용접 비드부를 형성하였고, 각 홈부에 대한 전술한 비율(d/w)이 0.6을 초과하면, 홈부의 두께(d)와 폭(w)의 비율(d/w)이 0.6 이하를 충족하도록 상기 제1 강판 및 제2 강판 중 하나 이상의 강판의 개선면에 그라인딩을 실시하였다. 또한, 발명예 1~5에서는 강판의 두께방향으로의 절단면을 기준으로, 용접 초층부상에 최초로 형성된 제1 용접 비드부가 제1 강판과 접촉하는 편면당 면적(A1)과, 제2 강판과 접촉하는 편면당 면적(A2)의 값을 비교하였을 때, 관계식 1(A1 ≥ 1.5×A2)을 충족함을 확인하였다. 이에 비해, 하기 비교예 1~5에서는 홈부에 대한 전술한 비율(d/w)이 0.6을 초과하더라도 추가의 그라인딩 없이, 용접 비드부들을 형성하였다.

이렇게 제조된 비교예 1~5 및 발명예 1~5로부터 얻어진 용접 구조 부재에 대하여, 고온 균열 발생 여부를 평가하기 위하여 NDE 합격 유무를 평가하였고, 균열이 관찰된 경우를 '불합격'으로 나타내고, 균열이 관찰되지 않은 경우를 '합격'으로 나타내었다.

비고	D/W비	NDE 합격 유무
비교예 1	0.7	불합격
비교예 2	0.8	불합격
비교예 3	0.9	불합격
비교예 4	1.0	불합격
비교예 5	1.1	불합격
발명예 1	0.2	합격
발명예 2	0.3	합격
발명예 3	0.4	합격
발명예 4	0.5	합격
발명예 5	0.6	합격

상기 표 4의 실험결과로부터 확인할 수 있듯이, 본 발명에서 규정하는 각 용접 비드부의 두께(D)와 폭(W)의 비율(D/W) 및 홈부의 두께(d)와 폭(w)의 비율(d/w)을 충족하는 발명예 1~5의 경우, 고온 균열이 발생되지 않아, 용접 특성이 우수함을 확인할 수 있었다.

반면, 본 발명에서 규정하는 각각의 용접 비드부의 두께(D)와 폭(W)의 비율(D/W)과, 홈부의 두께(d)와 폭(w)의 비율(d/w)을 충족하지 못하는 비교예 1~5의 경우, 고온 균열이 발생하여, 용접 특성이 열위함을 확인하였다.

Claims (13)

1. 맞대기 수평 용접하기 위해, 제1 강판 및 제2 강판의 측면부가 서로 마주하도록 위치시키는 단계;
   상기 제1 강판 및 제2 강판의 측면부 사이에, 플럭스코어드 아크 용접을 이용하여 상기 제1 강판 및 제2 강판을 연결하는 용접 초층부를 형성하는 단계; 및
   서브 머지드 아크 용접을 이용하여 상기 제1 강판 및 상기 제2 강판을 맞대기 수평 용접함으로써, 용접 개선부에 복수의 용접 비드부를 형성하는 단계;
   를 포함하고,
   상기 복수의 용접 비드부를 형성하는 단계는, 상기 용접 초층부 상에 최초로 접하는 제1 용접 비드부를 형성하는 단계를 포함하고, 상기 제1 용접 비드부를 형성하는 단계는 하기 관계식 1을 충족하도록 수행되며, 각각의 용접 비드부의 두께(D)와 폭(W)의 비율(D/W)이 0.6 이하가 되도록 제어하는, LNG 저장 탱크의 이너 쉘용 용접 구조 부재의 제조방법.
   [관계식 1]
   A1 ≥ 1.5×A2
   (상기 관계식 1 중, 상기 A1은 상기 제1 용접 비드부가 상기 제1 강판 및 제2 강판 중 어느 하나의 강판의 개선면과 접촉하는 면적을 나타내고, 상기 A2는 상기 제1 용접 비드부가 다른 하나의 강판의 개선면과 접촉하는 면적을 나타내며, 상기 A1 및 A2의 단위는 모두 mm²이다.)
   
2. 삭제
3. 청구항 1에 있어서,
   상기 제1 강판 및 제2 강판은 중량%로, C: 0.2~0.6%, Si: 0.1~1.0%, Mn: 22.0~26.0%, P: 0.03% 이하, S: 0.01% 이하, N: 0~0.15%, Nb과 Ti과 V의 합계: 0.3% 이하(0%를 포함), 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 포함하는 고망간강인, LNG 저장 탱크의 이너 쉘용 용접 구조 부재의 제조방법.
   
4. 청구항 1에 있어서,
   상기 복수의 용접 비드부는 SAW 용접 재료를 사용하여 형성되고,
   상기 SAW 용접 재료는 중량%로, C: 0.2~0.8%, Si: 1.5% 이하, Mn: 10~30%, P: 0.020% 이하, S: 0.015% 이하, Ni: 10.0% 이하, Cr: 5.0% 이하, Mo: 5.0% 이하, Nb과 Ti과 V의 합계: 0.3% 이하의 조성을 가지는 메탈 코어드 와이어(Wire)를 사용하는, LNG 저장 탱크의 이너 쉘용 용접 구조 부재의 제조방법.
   
5. 청구항 1에 있어서,
   상기 용접 초층부를 형성하는 단계 이후, 상기 복수의 용접 비드부를 형성하는 단계 전에, 상기 용접 초층부 표면의 세척 단계를 더 포함하는, LNG 저장 탱크의 이너 쉘용 용접 구조 부재의 제조 방법.
   
6. 청구항 1에 있어서,
   상기 복수의 용접 비드부를 형성하는 단계는, 각각의 용접 비드부를 형성한 이후, 후속하는 용접 비드부를 형성하기 전에, 용접 비드부 표면의 세척을 실시하는, LNG 저장 탱크의 이너 쉘용 용접 구조 부재의 제조 방법.
   
7. 삭제
8. 청구항 1에 있어서,
   상기 복수의 용접 비드부를 형성하는 단계는, 하나의 용접 비드부를 형성하기 전에, 상기 제1 강판 및 제2 강판 중 하나 이상의 강판의 개선면과, 이미 형성된 용접 비드부의 표면이 만나 형성하는 홈부의 두께(d)와 폭(w)의 비율(d/w)이 0.6 이하가 되도록 제어하는, LNG 저장 탱크의 이너 쉘용 용접 구조 부재의 제조방법.
   
9. 청구항 8에 있어서,
   상기 하나의 용접 비드부를 형성하기 전에, 상기 제1 강판 및 제2 강판 중 하나 이상의 강판의 개선면과, 이미 형성된 용접 비드부의 표면이 만나 형성하는 홈부의 두께(d)와 폭(w)의 비율(d/w)을 측정하는 단계;를 더 포함하고,
   상기 홈부의 두께(d)와 폭(w)의 비율(d/w)이 0.6 이하이면, 용접 비드부를 형성하고,
   상기 홈부의 두께(d)와 폭(w)의 비율(d/w)이 0.6을 초과하면, 상기 홈부의 두께(d)와 폭(w)의 비율(d/w)이 0.6 이하를 충족하도록 상기 제1 강판 및 제2 강판 중 하나 이상의 강판의 개선면에 그라인딩을 실시하는, LNG 저장 탱크의 이너 쉘용 용접 구조 부재의 제조방법.
   
10. 청구항 1에 있어서,
    상기 용접 구조 부재의 두께방향으로의 절단면을 기준으로,
    상기 제1 강판의 개선면과 두께방향으로 그린 직선이 만나 형성하는 각도를 40~50° 범위로 제어하고,
    상기 제2 강판의 개선면과 두께방향으로 그린 직선이 만나 형성하는 각도를 10~20° 범위로 제어하는, LNG 저장 탱크의 이너 쉘용 용접 구조 부재의 제조방법.
    
11. 제1 강판;
    제2 강판; 및
    상기 제1 강판 및 제2 강판을 연결하는 용접부를 포함하고,
    상기 용접부는 복수의 용접 비드부; 및 상기 제1 강판 및 상기 제2 강판의 측면부 간극에 구비된 용접 초층부;를 포함하고,
    각각의 용접 비드부의 두께(D)와 폭(W)의 비율(D/W)이 0.6 이하이고,
    상기 용접 초층부 상에 접하도록 형성된 제1 용접 비드부는 하기 관계식 1을 충족하는, LNG 저장 탱크의 이너 쉘용 용접 구조 부재.
    [관계식 1]
    A1 ≥ 1.5×A2
    (상기 관계식 1 중, 상기 A1은 상기 제1 용접 비드부가 상기 제1 강판 및 제2 강판 중 어느 하나의 강판의 개선면과 접촉하는 면적을 나타내고, 상기 A2는 상기 제1 용접 비드부가 다른 하나의 강판의 개선면과 접촉하는 면적을 나타내며, 상기 A1 및 A2의 단위는 모두 mm²이다.)
    
12. 삭제
13. 청구항 11에 있어서,
    상기 용접 구조 부재의 두께방향으로의 절단면을 기준으로,
    상기 제1 강판의 개선면과 두께방향으로 그린 직선이 만나 형성하는 각도는 40~50°이고,
    상기 제1 강판의 하부에 구비되는 상기 제2 강판의 개선면과 두께방향으로 그린 직선이 만나 형성하는 각도는 10~20°인, LNG 저장 탱크의 이너 쉘용 용접 구조 부재.

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