KR20150107675A - 고온 용례용 파이프 연결부들을 용접하는 프로세스 - Google Patents

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Abstract

특히, 발전소에서, 제 1 파이프 부분 및 제 2 파이프 부분을 포함하는 고온 용례용 파이프 연결부들을 용접하는 프로세스로서, 상기 제 1 파이프 부분은 제 1 열 팽창 계수(CTE1)를 갖는 페라이트 물질로 구성되고 상기 제 2 파이프 부분은 상기 제 1 열 팽창 계수(CTE1)와는 다른 제 2 열 팽창 계수(CTE2)를 갖는 오스테나이트 물질로 구성되고, 용접 접합부는 상기 제 2 열 팽창 계수(CTE2)의 범위 내에 있는 제 3 열 팽창 계수(CTE3)를 갖는 오스테나이트 필러 물질로 구성되는, 상기 용접 프로세스는, 연결될 상기 제 1 및 제 2 파이프 부분들을 축 방향으로 정렬시키는 단계와, 적어도 부분적으로 V형인 용접 접합부를 방사상 내향으로 개방되게 하는 단계와, 연결될 상기 제 1 및 제 2 파이프 부분들 내부에서 내부 용접 프로세스를 실행하는 단계를 포함한다. 본 발명은 또한 이러한 파이프 연결부에 관한 것이다.

Description

고온 용례용 파이프 연결부들을 용접하는 프로세스{PROCESS FOR WELDING PIPE CONNECTIONS FOR HIGH TEMPERATURE APPLICATIONS}
본 발명은 특히, 발전소에서, 제 1 파이프 부분 및 제 2 파이프 부분을 포함하는 고온 용례용 파이프 연결부들을 용접하는 프로세스로서, 상기 제 1 파이프 부분은 제 1 열 팽창 계수(CTE1)를 갖는 페라이트 물질로 구성되고 상기 제 2 파이프 부분은 상기 제 1 열 팽창 계수(CTE1)와는 다른 제 2 열 팽창 계수(CTE2)를 갖는 오스테나이트 물질로 구성되고, 용접 접합부는 상기 제 2 열 팽창 계수(CTE2)의 범위 내에 있는 제 3 열 팽창 계수(CTE3)를 갖는 오스테나이트 필러 물질로 구성되는, 상기 용접 프로세스에 관한 것이다. 본 발명은 또한 이러한 파이프 연결부에 관한 것이다.
고온 용례들에서, 특히 발전소 용례들에서, 페라이트 물질로 구성된 제 1 파이프 부분 및 오스테나이트 물질로 구성된 제 2 파이프 부분을 갖는 파이프 연결부들(또는 중간 파이프 부분들로 지칭됨)을 사용하는 것이 공지되어 있고, 2개의 부분들은 오스테나이트 필러 물질을 사용하여 함께 용접된다. 다른 금속으로 구성되는 이러한 파이프 연결부는 또한 다른 금속 용접부(DMW)로 불린다. 이러한 DMW 파이프 연결부들은 보통 파이프의 외부로부터 적어도 V형인 용접 그루브와 용접된다.
DE 195 27 634 A1호는 이러한 외부 용접부를 갖는 파이프 연결부를 설명한다. 또한, 페라이트 물질로 구성된 제 1 파이프 부분 및 오스테나이트 물질로 구성된 제 2 파이프 부분에 관한 것이다. 양 파이프 부분들을 함께 용접하기 위해, 제 1 페라이트 파이프 물질의 열 팽창 계수와 유사한 열 팽창 계수(CTE)를 갖는 용접 필러가 사용된다.
다른 금속 용접부를 생성할 때, 열 팽창 계수들(CTE)의 차이 때문에, 오스테나이트 물질로 구성된 제 2 파이프 부분 및 오스테나이트 물질로 구성된 용접 접합부 물질(필러 물질)이 페라이트 물질로 구성된 제 1 파이프 부분보다 더 높은 정도의 신장률(ε)을 갖는, 페라이트 물질로 구성된 파이프 부분 및 오스테나이트 필러 물질 사이의 용융선에서 문제가 발생한다.
보통 제 2 파이프 부분 및 용융 접합부 필러 물질이 동일한 열 팽창 계수(CTE) 또는 동일한 범위에서 적어도 하나의 열 팽창 계수(CTE)를 갖기 때문에, 제 2 파이프 부분 및 용접 접합부 물질 사이의 연결부는 보통 양호하다. 그러나, DMW 파이프 연결부들이 고온에 있을 때, 용접 접합부 물질 및 제 1 파이프 부분 사이의 열 팽창 계수들(CTE)에 큰 차이가 있다. 이것은 신장률(ε)의 차이 때문에 추가의 응력을 초래한다. 이 추가의 응력은 임계 용융선에서 응력이 증가되고 이러한 파이프 연결부들의 수명이 감소되도록, 휨 모멘트(bending moment)이거나 또는 파이프 연결부 내부의 압력과 같은 파라미터들을 작동시켜 야기되는 응력에 추가된다. 경화 및 취성 마르텐사이트 층이 오스테나이트상 옆에 형성되고 또한 페라이트 물질의 탄소 고갈 구역뿐만 아니라 용융선에서의 취성 석출물이 형성되기 때문에 짧은 서비스 시간 후에 용융선에서의 야금학 특성들이 파이프 연결부들의 고장의 원인이 된다는 사실이 공지되어 있다.
따라서, 고온 배관 시스템에서 DMW의 예견되는 고장을 검출하기 위해서, 비파괴 검사(NDT)가 정기적으로 짧은 간격으로 이러한 파이프 연결부들 상에서 실행되고 다른 금속 용접부(DMW)를 포함하는 전이 부분은 매우 종종 교체되어야한다.
또한 예를 들어, 용접 후 열처리(PWHT)를 실행하여 용접 접합부의 용융선에서 야금학 특성을 최적화함으로써 열 팽창 계수(CTE)의 차이에 의해 야기되는 추가의 응력 때문에 감소된 수명의 문제를 극복하는 것이 알려져 있다. 추가의 응력을 감소시키기 위해 열 팽창 계수들(CTE)이 더욱 근접하게 일치될 수 있는 물질 결합이 알려져 있다. 하지만 이 방법들은 매우 고가이고 시간 소모적이다.
따라서 청구된 발명의 목적은 종래 기술의 단점들을 극복하고 또한 파이프 연결부가 고온에 있을 때 DMW의 영역의 응력을 감소시키는 목적을 갖는 파이프 연결부 및 파이프 연결부들을 용접하는 프로세스를 제공하는 것이다.
이 목적은 청구항 1의 서두에 따라 고온 용례용 파이프 연결부들을 용접하는 프로세스를 제공하여 성취된다. 이 프로세스는 연결될 제 1 및 제 2 파이프 부분들을 축 방향으로 정렬시키는 단계와, 적어도 부분적으로 V형인 용접 그루브를 방사상 내향으로 개방되게 하는 단계와, 연결될 상기 제 1 및 제 2 파이프 부분들 내부에서 내부 용접 프로세스를 실행하는 단계를 포함한다. 내부 용접 프로세스에서, 파이프들은 외경으로부터보다는 내경으로부터 용접된다. 제 1 및 제 2 파이프 부분들이 방사상 내향으로 개방된 적어도 부분적으로 V형인 용접 그루브를 사용하여 내부 용접을 통해 함께 용접될 때, 어떠한 추가의 수직 인장 응력도 페라이트 물질로 구성된 제 1 파이프 부분 및 오스테나이트 필러 물질 사이의 임계 용접 접합부 용융선 상에 야기되지 않는다. 오스테나이트 제 2 파이프 부분 및 오스테나이트 필러 물질의 열적 유발 신장이 발생할 때, 용접 접합부 물질은 방사상 내향으로 개방되는 적어도 부분적으로 V형인 용접 그루브의 경사면에 의해 지지될 수 있다. 그러므로, 압축 응력은 다른 금속 용접 연결부의 수명 및 내구성이 개선될 수 있도록 용접 접합부 물질 및 제 1 파이프 부분 사이에 야기된다.
페라이트 C-강으로 구성된 파이프 부분이 제 1 파이프 부분으로 사용되는 것이 바람직하다. P91 강 또는 P22 강이 페라이트 C-강으로 사용되는 것이 특히 바람직하다. 이러한 강은 보통 발전소에서의 용례들과 같이 고온 용례들을 위한 바람직한 특성들을 갖는다.
파이프 연결부들을 용접하는 프로세스의 다른 바람직한 대안은 오스테나이트 강 또는 Ni 기반 물질로 구성된 파이프 부분을 제 2 파이프 부분으로 사용하는 것이다.
프로세스의 다른 바람직한 대안에서, 오스테나이트 강 또는 Ni 기반 물질은 오스테나이트 필러 물질로 사용된다.
상술된 목적은 또한 청구항 6의 서두를 따라 파이프 연결부를 제공하여 성취된다. 이러한 파이프 연결부는 용접 그루브가 적어도 부분적으로 V형태이고 방사상 내향으로 개방되고 또한 제 1 및 제 2 파이프 부분들은 내부 용접을 통해 함께 용접되는 것을 특징으로 한다. 제 1 및 제 2 파이프 부분들이 방사상 내향으로 개방된 적어도 부분적으로 V형인 용접 그루브를 사용하여 내부 용접을 통해 함께 용접되기 때문에, 어떠한 추가의 수직 응력도 페라이트 물질로 구성된 제 1 파이프 부분 및 오스테나이트 필러 물질 사이의 임계 용접 접합부 용융선 상에 야기되지 않는다. 오스테나이트 제 2 파이프 부분 및 오스테나이트 필러 물질의 열적 유발 신장이 발생할 때, 용접 접합부 물질은 내부 용접 프로세스 때문에 방사상 내향으로 개방되는 적어도 부분적으로 V형인 용접 그루브의 경사면에 의해 지지될 수 있다. 그러므로, 압축 응력은 다른 금속 용접 연결부의 수명 및 내구성이 본 발명에 따른 파이프 연결부를 제공하여 개선될 수 있도록 용접 접합부 물질 및 제 1 파이프 부분 사이에 야기된다.
바람직하게 파이프 연결부가 고온에 있을 때 압축 응력을 생성하기 위해 용접 접합부 물질이 경사면에 의해 지지될 수 있도록, 용접 그루브는 V 형태이거나 또는 Y 형태이고 또는 방사상 내향으로 개방된 용접 그루브의 임의의 다른 경사면을 갖는다.
파이프 연결부의 바람직한 실시예에서, 제 1 파이프 부분은 페라이트 C-강으로 구성되고, 페라이트 C-강이 고온 발전소 용례를 위한 바람직한 특성들을 갖는 P91 강 또는 P22 강인 것이 특히 바람직하다.
제 2 파이프 부분이 오스테나이트 강 또는 Ni 기반 물질로 구성되는 것이 특히 바람직하다.
오스테나이트 필러 물질이 오스테나이트 강 또는 Ni 기반 물질로 구성되는 것이 더 유리하다.
도 1은 본 발명에 따른 프로세스의 단계들을 갖는 프로세스 차트를 도시한 도면.
도 2는 최신 기술에 따른 파이프 연결부를 도시한 도면.
도 3은 본 발명에 따른 파이프 연결부를 도시한 도면.
도 1은 도 3에 도시된 본 발명에 따른 용접 파이프 연결부들을 위한 본 발명에 따른 프로세스(100)에 대한 프로세스 차트를 나타낸다. 제 1 단계(S101)에서, 본 발명에 따른 파이프 연결부(10)의 제 1 파이프 부분(12) 및 제 2 파이프 부분(14)은 연결되도록 축 방향으로 정렬된다.
제 2 단계(S102)에서, 적어도 부분적으로 V형인 용접 그루브(16)는 화살표(20)로 나타낸 중앙축(18)의 방향에 있는 방사상 내향으로 개방되는 제 1 파이프 부분(12) 및 제 2 파이프 부분(14) 사이에 형성된다.
제 3 단계(S103)에서, 내부 용접 프로세스는 연결될 제 1 및 제 2 파이프 부분들(12, 14) 내부에서 실행된다. 내부 용접 프로세스에서, 파이프들은 외경으로부터보다는 내경으로부터 용접된다. 도 1에 도시된 프로세스(100)에서, 제 1 파이프 부분(12)은 페라이트 물질, 바람직하게는 고온 용례용 P91 또는 P22 강(CTE1 12.6 또는 13.9 E-6/K)으로 구성되고, 제 2 파이프 부분(14)은 오스테나이트 물질, 바람직하게는 오스테나이트 강 또는 Ni 기반 물질, 예를 들어, IN 625(CTE2 14.8 E-6/K)로 구성된다. 용접 접합부(22)는 바람직하게 오스테나이트 강 또는 Ni 기반 물질, 예를 들어, ERNICr-3(CTE3 15.3 E-6/K)인 오스테나이트 용접 접합부 필러 물질로 구성된다. 그것은 용접 접합부 필러 물질의 열 팽창 계수가 제 1 파이프 부분의 물질의 열 팽창 계수(CTE3 및 CTE1 사이의 차이는 설명된 물질들에 대해 2.7 또는 1.4 E-6/K)에 대해 제 2 파이프 부분의 물질의 열 팽창 계수(CTE3 및 CTE2 사이의 차이는 오직 0.5 E-6/K)에 근접한다(또는 더욱 유사함)는 것을 의미한다. 다른 예에서, 페라이트 기반 물질 P91(CTE1 12.6 E-6/K) 또는 P22(CTE1 13.9 E-6/K)로 구성된 제 1 파이프 부분은 오스테나이트 파이프 부분에 연결되고, 예를 들어, SS347H(CTE2 18.9 E-6/K)는 SS347H의 열 팽창 계수와 유사한 CTE3을 갖는 SS347H와 같은 유사한 필러 금속을 사용한다.
도 1에 도시되는 본 발명에 따른 프로세스(100) 및 도 3에 도시되는 본 발명에 따른 파이프 연결부(10)의 이점들이 이제 도 2 및 도 3을 참조하여 더 상세히 설명될 것이다.
도 2는 최신 기술에 따른 파이프 연결부(10)를 도시한다. 도 3에 도시된 발명에 따른 파이프 연결부(10)에서와 같이 대응하는 요소들에 대해 동일한 도면 부호들이 사용될 것이다.
파이프 연결부(10)는 중앙축(18) 둘레로 축 방향으로 정렬되는 페라이트 물질로 구성된 제 1 파이프 부분(12) 및 오스테나이트 물질로 구성된 제 2 파이프 부분(14)을 갖는다. V 형태인 용접 그루브(16)는 파이프 연결부(10)의 외면(24) 상에 형성되고 화살표(26)의 방향으로 방사상 외향으로 개방된다. 용접 그루브(16)는 용접 접합부(22)를 형성하는 오스테나이트 물질의 용접 접합부 필러 물질로 충전된다.
최신 기술에 따른 파이프 연결부(10)가 발전소의 고온과 같이 고온에 있을 때, 다른 열 팽창 계수들(CTE)에 기인한 신장이 발생한다. 오스테나이트 물질의 제 2 파이프 부분(14)은 페라이트 물질로 구성된 제 1 파이프 부분(12)보다 높은 CTE를 갖는다. 제 2 파이프 부분(14)의 신장은 화살표(28)로 표시되고, 제 1 파이프 부분(12)의 신장은 화살표(30)로 표시된다. 신장률(28)은 신장률(30)보다 크고, 신장률(28, 30)의 증분(델타)이 화살표(32)로 표시된다. 물질들의 선택 때문에, 용접 접합부(22)는 유사한 CTE를 갖는 것을 의미하는 동일한 범위 내에서 CTE를 갖고 오스테나이트 물질로 구성되는, 제 2 파이프 부분(14) 및 용접 접합부(22) 사이의 용융선(34)에서 양호한 연결을 제공한다.
그러나, 고온으로 인해 신장(28, 30)이 발생할 때, 용융선(36)의 영역에서 제 1 파이프 부분(12) 및 용접 접합부(22) 사이의 이미 약한 연결부가 더 약화된다. 화살표(38)로 나타낸 수직 응력은 제 1 파이프 부분(12) 및 용접 접합부(22) 사이의 용융선(36) 상에 야기된다. 이는 파이프 연결부(10)의 내부 압력 또는 파이프 연결부(10)에 작용하는 휨 모멘트와 같은 파라미터들을 작동하여 야기된 응력에 추가되는 추가의 응력을 초래한다.
도 2에 도시되는 최신 기술에 따른 파이프 연결부(10)와는 대조적으로, 도 3에 도시되는 본 발명에 따른 파이프 연결부(10)는 이 문제들을 극복한다. 파이프 연결부(10)는 파이프 부분들(12, 14) 및 용접 접합부(22)가 도 2의 파이프 연결부(10)와 동일한 물질 조합으로 구성되기 때문에, 도 2의 파이프 연결부(10)와 실질적으로 같다. 그러나, 오스테나이트 물질의 용접 접합부 필러 물질로 충전되고 용접 접합부(22)를 형성하는 용접 그루브(16)는 방사상 외향으로 개방되지 않는다. 도 3에 도시된 파이프 연결부(10)는 V 형태이고 또한 파이프 연결부(10)의 내면(40) 상에 형성되고 또한 화살표(20)로 나타낸 중앙축(18)의 방향으로 방사상 내향으로 개방되는, 용접 그루브(16)를 갖는다.
도 3의 파이프 연결부(10)가 고온에 있을 때, 용융선(34)의 영역에서 용접 접합부(22) 및 제 2 파이프 부분(14) 사이의 연결은 제 2 파이프 부분(14) 및 용접 접합부(22)가 오스테나이트 물질로 구성되기 때문에 양호하다. 그러나, 페라이트 물질의 제 1 파이프 부분(12) 및 용접 접합부(22) 사이의 용융선(36)의 영역에서, 상당한 개선이 성취될 수 있다. 제 2 파이프 부분(14)은 화살표(30)로 도시된 제 1 파이프 부분(12)의 신장이 더 작기 때문에 화살표(28)로 도시된 바와 같이 제 2 파이프(14)가 신장될 때 신장(32)의 중분이 발생한다. 그러나, 용접 그루브(16)의 방사상 내향으로의 배향 때문에, 경사면(42)이 용융선(36)의 영역에 형성된다. 경사면(42)은 파이프 연결부(10)의 외면(24)에 대해 각(44)으로 배열된다. 용접 접합부(22)가 화살표(26)의 방향으로 팽창하고자 할 때, 이동이 용접 접합부(22) 상에 저항력을 인가하는 경사면(42)에 의해 제한된다. 따라서, 도 1에 도시된 프로세스(100)를 실행하고 또한 방사상 내향으로 개방된 V형 용접 그루브(16)를 제공하여 도 3에 따른 파이프 연결부(10)의 내부 용접이 용접 접합부(22)의 영역에 감소된 응력을 초래한다. 압축 응력이 화살표(43)로 도시된 바와 같이 용융선(36) 상에 야기된다. 그러므로, 도 3에 도시되고 본 발명에 따른 파이프 연결부들(10)의 작동 시간은 상당히 개선될 수 있고 반면에, 비파괴 검사(NDT)를 통한 파이프 연결부(10)의 검사를 위한 고비용 또는 용접 접합부(22)에서의 응력 레벨을 향상시키기 위한 다른 고비용이 회피될 수 있다.
10: 파이프 연결부
12: 제 1 파이프 부분
14: 제 2 파이프 부분
16: 용접 그루브
18: 중앙축
20: 화살표
22: 용접 접합부
24: 외면
26: 화살표
28: 화살표
30: 화살표
32: 화살표
34: 용융선
36: 용융선
38: 화살표
40: 내면
42: 경사면
43: 화살표
44: 각
100: 프로세스
S101: 제 1 단계
S102: 제 2 단계
S103: 제 3 단계

Claims (10)

  1. 특히, 발전소에서, 제 1 파이프 부분(12) 및 제 2 파이프 부분(14)을 포함하는 고온 용례용 파이프 연결부들(10)을 용접하는 프로세스로서, 상기 제 1 파이프 부분(12)은 제 1 열 팽창 계수(CTE1)를 갖는 페라이트 물질로 구성되고 상기 제 2 파이프 부분(14)은 상기 제 1 열 팽창 계수(CTE1)와는 다른 제 2 열 팽창 계수(CTE2)를 갖는 오스테나이트 물질로 구성되고, 용접 접합부(22)가 상기 제 2 열 팽창 계수(CTE2)와 비슷한 제 3 열 팽창 계수(CTE3)를 갖는 오스테나이트 필러 물질로 구성되는, 상기 용접 프로세스에 있어서,
    - 연결될 상기 제 1 및 제 2 파이프 부분들(12, 14)을 축 방향으로 정렬시키는 단계와,
    - 적어도 부분적으로 V형인 용접 그루브(16)를 방사상 내향으로 개방되게 하는 단계와,
    - 연결될 상기 제 1 및 제 2 파이프 부분들(12, 14) 내부에서 내부 용접 프로세스를 실행하는 단계를 포함하는 용접 프로세스(100).
  2. 제 1 항에 있어서, 페라이트 C-강으로 구성된 파이프 부분이 상기 제 1 파이프 부분(12)으로 사용되는 용접 프로세스(100).
  3. 제 2 항에 있어서, P91 강 또는 P22 강이 페라이트 C-강으로 사용되는 용접 프로세스(100).
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 오스테나이트 강 또는 Ni 기반 물질로 구성된 파이프 부분이 상기 제 2 파이프 부분(14)으로 사용되는 용접 프로세스(100).
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서, 오스테나이트 강 또는 Ni 기반 물질이 상기 오스테나이트 필러 물질로 사용되는 용접 프로세스(100).
  6. 특히, 발전소에서, 제 1 파이프 부분(12) 및 제 2 파이프 부분(14)을 포함하는 고온 용례용 파이프 연결부(10)로서, 상기 제 1 파이프 부분(12)은 제 1 열 팽창 계수(CTE1)를 갖는 페라이트 물질로 구성되고 상기 제 2 파이프 부분(14)은 상기 제 1 열 팽창 계수(CTE1)와는 다른 제 2 열 팽창 계수(CTE2)를 갖는 오스테나이트 물질로 구성되고, 용접 접합부(22)가 상기 제 2 열 팽창 계수(CTE2)의 범위 내에 있는 제 3 열 팽창 계수(CTE3)를 갖는 오스테나이트 필러 물질로 구성되는, 상기 파이프 연결부(10)에 있어서,
    용접 그루브(16)가 적어도 부분적으로 V 형태이고 방사상 내향으로 개방되고 또한 상기 제 1 및 제 2 파이프 부분들(12, 14)은 내부 용접을 통해 함께 용접되는 것을 특징으로 하는 파이프 연결부(10).
  7. 제 6 항에 있어서, 상기 제 1 파이프 부분(12)은 페라이트 C-강으로 구성되는 파이프 연결부(10).
  8. 제 7 항에 있어서, 상기 페라이트 C-강은 P91 강 또는 P22 강인 파이프 연결부(10).
  9. 제 6 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제 2 파이프 부분(14)은 오스테나이트 강 또는 Ni 기반 물질로 구성되는 파이프 연결부(10).
  10. 제 6 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 오스테나이트 필러 물질은 오스테나이트 강 또는 Ni 기반 물질로 구성되는 파이프 연결부(10).
KR1020150034893A 2014-03-14 2015-03-13 고온 용례용 파이프 연결부들을 용접하는 프로세스 KR20150107675A (ko)

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