KR20060034344A

KR20060034344A - 질소를 이면 보호가스로 사용한 수퍼 이상 스테인리스강배관 원둘레 초층 용접부의 내식성 향상 용접 방법

Info

Publication number: KR20060034344A
Application number: KR1020040082978A
Authority: KR
Inventors: 성희준; 주정권; 안재웅; 이철환
Original assignee: 현대중공업 주식회사
Priority date: 2004-10-18
Filing date: 2004-10-18
Publication date: 2006-04-24

Abstract

본 발명은 수퍼 이상 스테인리스강 배관의 용접방법에 관한 것으로, 그 목적은 배관 용접시 사용되는 이면 보호 가스 변경을 통한 공식(부식)에 대한 저항성을 향상시키는 용접방법을 제공함에 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은 수퍼 이상 스테인리스강 배관을 용접하는 용접방법에 있어서, 질소를 이면 보호가스로 사용하여 용접함으로서 초층 용접부 배관 안쪽의 용접부 표면쪽에 고내식성 피막을 형성시키며 공식에 대한 저항성을 향상시키는 것을 특징으로 하는 수퍼 이상 스테인리스강 배관 원둘래 초층 용접부의 내식성 향상 용접방법에 관한 것이다.

수퍼 이상 스테인리스강, 이면 보호가스, 질소, 공식, 공식 저항성,

Description

질소를 이면 보호가스로 사용한 수퍼 이상 스테인리스강 배관 원둘레 초층 용접부의 내식성 향상 용접 방법{Method of Improving Pitting Corrosion Resistance on the Super Duplex Stainless Steel Pipe Girth Seam Root Weld Using Nitrogen Back Shielding Gas}

도 1 은 수퍼 이상 스테인리스강 미세 조직을 나타낸 확대도,

도 2 는 이상 스테인리스강 배관의 용접 전의 모습을 나타낸 단면도,

도 3 은 이상 스테인리스강 배관의 용접 후의 모습을 나타낸 단면도,

도 4 는 이상 스테인리스강 배관의 용접부위 사시도와 그 단면도,

도 5 은 파이프 용접시 이면 보호가스의 사용예를 나타낸 사시도 및 단면도,

도 6a 는 용접 전의 초층 용접부를 나타낸 확대도,

도 6b 는 후속 용접으로 인한 초층 용접부의 변화를 나타낸 확대도,

도 7 은 배관 내면 용접부의 미세 조직의 비교 확대도.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

(1): 페라이트 (2): 오스테나이트

(10): 이상 스테인리스강 배관 (11): 두께

(12): 개선 각도 (13): 루트 간격

(14): 개선면 (15): 초층 용접 비드

(16): 용접 비드 (20): 보호가스 차단부

(21): 이면 보호가스 주입구 (22): 이면 보호가스 배출구

본 발명은 수퍼 이상 스테인리스강 배관의 용접방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 이면 보호가스를 질소를 사용하여 용접함으로서 배관 용접시 사용되는 이면 보호 가스 변경을 통한 공식에 대한 저항성을 향상시키는 용접방법에 관한 것이다.

수퍼 이상 스테인리스강(Super Duplex Stainless Steel: 이하 SDSS)은 상온에서 2종류의 상을 가지고 있는 이상 스테인리스강 중 PRE_N값이 40을 넘는 이상 스테인리스강을 말하며 표 1 과 같은 화학 성분을 가지고 있다.

[표 1]. 수퍼 스테인리스강 모재의 화학 성분

	화학 성분(wt. %)											PRE_N
	C	Mn	Si	P	S	Ni	Cr	Mo	N	Cu	W	PRE_N
규정	0.05	1.00	1.00	0.030	0.010	6.00 8.00	24.00 26.00	3.00 4.00	0.20 0.30	0.50 1.00	0.05 1.00	>40
모재	0.014	0.45	0.46	0.023	0.0003	7.02	25.52	3.57	0.26	0.58	0.63	41.45

상기 수퍼 이상 스테인리스강은 높은 내식성이 요구되는 화학 공장이나 해양 구조물의 프로세싱 배관 라인등에 현재 많이 사용되며, 많은 경우가 배관의 형태로 사용되고 있다.

PRE_N값(Pitting Corrosion Resistance Equivalent including Nitrogen)은 공식 저항성 지수로서 수퍼 이상 스테인리스강의 경우는 아래와 같은 식으로 나타낸다.

[수식 1]

PRE_N= wt.%Cr + 3.3wt.%Mo + 16wt.%N

수퍼 이상 스테인리스강의 미세조직은 도 1 과 같이 두 종류의 상(相)이 혼재되어 있으며 그 비율이 50:50을 이루고 있다. 수퍼 이상 스테인리스강 용접부의 물성을 설계치로 확보하기 위해서는 용접부에서도 모재와 동일하거나 유사한 상분율을 가지도록 용접을 하여야 한다.

그러나 용접 공정이 급열 급냉(매우 빠르게 가열되고 매우 빠르게 냉각됨)공정이므로 오스테나이트의 상분율이 적어지게 되어 원하는 상분율을 맞추기 어렵다.

이를 해결하기 위한 방법 중 하나로 오스테나이트 상을 많이 생성시키는 니켈(Ni)이 모재보다 약 2~3wt.% 더 많이 함유된 용접재(표 2 참조)를 사용하여 해결한다.

[표 2]. 수퍼 스테인리스강 용접재 화학 성분

	화학 성분(wt. %)											PRE_N
	C	Mn	Si	P	S	Ni	Cr	Mo	N	Cu	W	PRE_N
용접재	0.013	0.42	0.39	0.014	0.0005	9.48	25.09	4.00	0.245	0.11	0.01	42.21

용접부의 명칭은 도 2 와 도 3 에 나타내었으며, 배관 용접에 대한 모식도는 도 4 에 나타내었다. 배관 용접은 이르곤 가스의 분위기속에서 GTAW(Gas Tungsten Arc Welding)를 주로 사용한다. 이 방법이 채택되고 있는 이유는 다른 용접 방법보다도 용착 금속 내부의 불순물이 적고, 배관과 같이 내부에서 접근이 불가능한 부재에 대하여 배관 외부에서 이면 비드를 형성시키면서 용접이 가능하기 때문이다.

그러나 용접 중 고온에 노출된 수퍼 이상 스테인리스강 용접부는 산화되어 내식성을 잃어버리게 되는 것을 방지하기 위하여 GTA 용접의 특성상 용가재를 추가로 공급함과 동시에 아르곤을 보호가스로 사용하는데, 그 용가재의 화학 성분은 표 2 와 같다. 기 설명하였듯이 니켈(Ni)의 함량이 용접하고자 하는 용접 부재 보다 약간 높다.

그러나 배관 초층을 용접할 경우 모재와 섞여서 니켈(Ni)량이 요구한 값보다 적어져서 원하는 상분율을 맞추기 어렵다. 따라서 초층 용접부의 오스테나이트 상분율이 적은 상태이다(도 6a).

추가 용접이 이루어지면 초층 용접부에서는 추가로 오스테나이트가 석출하게 되는데(도 6 b), 이것을 2차 오스테나이트라 부른다. 2차 오스테나이트는 1차 오스테나이트보다 화학적으로 약하여 공식의 발생위치가 되고 있다.

본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위하여 안출되는 것으로, PRE_N이 40을 넘는 수퍼 이상 스테인리스강 배관 용접부에 대하여 초층 용접부의 공식 저항성 저하 문제를 해결하기 위한 용접방법을 제공함을 그 목적으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은 수퍼 이상 스테인리스강 배관을 용접하는 용접방법에 있어서, 용접부위를 중심으로 일정한 거리가 떨어져 있는 배관의 내측 양측에 보호가스 차단부(20)를 설치하여 보호가스 유지공간을 형성하고 보호가스차단부(20)를 관통하는 보호가스 주입구(21)와 이면 보호가스 배출구(22)를 설치하고 질소가스를 보호가스 유지공간내에 불어넣어 질소를 이면 보호가스로 사용하여 용접함으로서 초층 용접부 배관 안쪽의 용접부 표면쪽에 고내식성 피막을 형성시켜 공식에 대한 저항성을 향상시키는 것을 특징으로 하는 수퍼 이상 스테인리스강 배관 원둘레 초층 용접부의 내식성 향상 용접방법이다.

이하, 본 발명을 실시 예를 통하여 구체적으로 설명한다.

도 5 는 파이프 용접시 이면 보호가스의 사용 예를 나타낸 것이다.

우선 도 2 와 도 3에서 보는 바와 같이 배관을 용접하기 위하여 어느 정도의 개선 각도(12)를 가지도록 개선면(14)을 만들고, 상기 개선면(14) 사이에 용접 비드(16)를 채워 넣으면서 용접을 하게 된다.

상기 용접 비드(16)를 채우기 위하여 루트 간격(13) 사이에 초층 용접 비드(15)를 사용하여 초층 용접을 하게 되는데, 이때 용접 중 고온에 노출된 수퍼 이상 스테인리스강 용접부가 산화되어 내식성을 잃어버리는 것을 방지하기 위하여 용접부위를 중심으로 일정한 거리가 떨어져 있는 배관의 내측 양측에 보호가스 차단부(20)를 설치하여 보호가스 유지공간을 형성하고 보호가스 차단부(20)를 관통하는 보호가스 주입구(21)와 이면 보호가스 배출구(22)를 설치하고 질소가스를 보호가스 유지공간내에 불어넣어 질소를 이면 보호가스로 사용하여 용접하게 된다.

이때 보호가스의 성분에 따라 공식에 대한 정도가 크게 변화하게 되는데 공식이 얼마나 발생하는지 알아보기 위하여 공식 시험을 하기 위하여 시험편을 적당한 크기로 잘라서 모재와 용접부 열영향부가 포함된 시험편을 10%의 FeCl₃용액의 온도를 40℃로 유지하여 시험편을 침지시켜서 시험할 경우, 무게 감량을 표 3 에서 보여주듯이 이면 보호가스로 아르곤을 사용할 경우 73.7g/m²를 보이고 있으며, 이는 무게 감량에 의한 공식 발생 임계값 4g/m²보다 매우 높은 값을 보이고, 외관에서 심하게 공식이 발생하는 것이 관찰되었다.

[표 3]. 수퍼 이상 스테인리스강 용접부 공식 시험 결과

(시험 조건 : 용액: 10%Fecl₃, 온도: 40℃, 시험 시간: 24시간)

이면 보호 가스 용접재료	이면 보호 가스에 따른 무게 감량
이면 보호 가스 용접재료	Ar	100%N₂
A	73.7g/m²	0.6g/m²

상기 표 3 에 나타난 바와 같이, 일반적인 분위기 용접에서 사용되는 아르곤 을 이면 보호가스로 사용하면 PRE_N값이 40을 넘는 수퍼 이상 스테인리스강은 무게 감량에 의한 공식 발생 임계값 4g/m²보다 매우 높은 값을 보이며 외관에 심한 공식이 발생하였다.

한편, 질소 이면 보호가스를 사용한 경우는 0.6g/m²로 아르곤 이면 보호가스를 사용한 결과와 비교하여 120배 정도 적은 값을 보이며 공식 발생을 방지시키고 있다.

즉, 질소 이면 보호가스 분위기에서 용접함으로서 도 6a 및 도 6b 와 도 7 과 같이 초층 용접부 배관 안쪽의 용접부 표면쪽에 고내식성 피막을 형성시켜 공식에 대한 저항성을 향상시킬 수 있는 것이다.

본 발명은 상술한 특정의 바람직한 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 고안이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 청구범위 기재의 범위 내에 있게 된다.

상기와 같은 구성 및 작용에 의해 기대할 수 있는 본 발명의 효과는 다음과 같다. PRE_N값이 40이상인 수퍼 이상 스테인리스강의 GTA 용접부를 40℃의 10%FeCl₃ 용액하에서 침지 시험을 수행할 경우 기존 방법으로 용접된 시험편에 대한 무게 감 량 73.7g/m² 에서 질소를 이면 보호가스로 사용한 개발 방법으로 용접된 시험편의 무게 감량을 0.6g/m²으로 크게 감소시켜 공식을 방지시킬 수 있었다.

Claims

수퍼 이상 스테인리스강 배관 원둘레 용접방법에 있어서, 용접부위를 중심으로 일정한 거리가 떨어져 있는 배관의 내측 양측에 보호가스 차단부(20)를 설치하여 보호가스 유지공간을 형성하고, 보호가스 차단부(20)를 관통하는 보호가스 주입구(21)와 보호가스 배출구(22)를 설치하고 질소가스를 보호가스 유지공간 내에 불어넣어 질소를 이면 보호가스로 사용하여 용접함으로서 초층 용접부 배관 안쪽의 용접부 표면쪽에 고내식성 피막을 형성시켜 공식에 대한 저항성을 향상시키는 것을 특징으로 하는 수퍼 이상 스테인리스강 배관 원둘레 용접방법.