KR20170038459A - 안정화 오스테나이트계 스테인리스강 튜브의 용접방법 - Google Patents

안정화 오스테나이트계 스테인리스강 튜브의 용접방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 오스테나이트계 스테인리스강 튜브를 용접하여 용접부를 형성하는 단계; 상기 용접부를 1100 ℃ 내지 1200 ℃에서 제1 열처리 하는 단계; 및 상기 용접부를 850 ℃ 내지 950 ℃에서 제2 열처리 하는 단계;를 포함하고, 상기 오스테나이트계 스테인리스강 튜브는 347H 스테인리스강인 것을 특징으로 하는 안정화 오스테나이트계 스테인리스강 튜브의 용접방법에 관한 것이다.

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, 용접부는 용융영역이 응고되면서 수축하고, 이로 인해 용접부에 소성변형이 생겨 균열에 취약하게 되는 문제점이 있다. 또한, 용접 중 니오븀 탄화물(NbC)는 일부 고용되고, 600 ℃ 이상의 고온에서 장기간 운전되는 보일러에서, 고용된 탄소가 Cr23C6로 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 상기 및 기타의 목적들은 하기 설명되는 본 발명에 의하여 모두 달성될 수 있다.
본 발명의 안정화 오스테나이트계 스테인리스강 튜브의 용접방법은 오스테나이트계 스테인리스강 튜브를 용접하여 용접부를 형성하는 단계; 상기 용접부를 1100 ℃ 내지 1200 ℃에서 제1 열처리 하는 단계; 및 상기 용접부를 850 ℃ 내지 950 ℃에서 제2 열처리 하는 단계;를 포함하고, 상기 오스테나이트계 스테인리스강 튜브는 347H 스테인리스강인 것을 특징으로 한다.
상기 용접방법은, 용접 후 제1 열처리 온도로 승온 시 500 ℃ 내지 750 ℃의 온도 영역에서는 80 ℃/분 내지 250 ℃/분의 속도로 급속 승온 할 수 있다.
상기 용접방법은, 제2 열처리 후, 냉각 시 500 ℃ 내지 750 ℃의 온도 범위를 80 ℃/분 내지 250 ℃/분의 속도로 급속 냉각할 수 있다.
상기 승온 단계는 유도가열에 의할 수 있다.
상기 냉각 단계는 냉매를 사용하고, 상기 냉매는 아르곤(Ar)을 포함할 수 있다.
상기 제1 열처리는 20 분 내지 40 분 동안 수행할 수 있다.
상기 제2 열처리는 60 분 내지 180 분 동안 수행할 수 있다.
상기 안정화 오스테나이트계 스테인리스강 튜브는 니오븀(Nb)을 포함할 수 있다.
상기 안정화 오스테나이트계 스테인리스강 튜브는 석탄화력 보일러 튜브일 수 있다.
본 발명은 재균열을 방지할 수 있는 안정화 오스테나이트계 스테인리스강 튜브의 용접방법을 제공하는 효과를 갖는다.
도 1은 실시예 1에서 제2 열처리 후 스테인리스강 표면의 이미지이다.
도 2는 비교예 1에서 용접 후 스테인리스강 표면의 이미지이다.
도 3은 실시예 1 및 비교예 1의 용접 튜브에 대해 강제열화의 시간 경과에 따른 스테인리스강 표면의 이미지이다.
도 4는 실시예 1 및 비교예 1의 용접 튜브에 대해 강제열화의 시간 경과에 따른 연신율을 도시한 것이다.
도 5는 실시예 1 및 비교예 1의 용접 튜브에 대해 강제열화의 시간 경과에 따른 크롬탄화물의 면적비율을 도시한 것이다.
용접된 스테인리스강의 재균열을 방지하기 위해서는 석출된 크롬탄화물(Cr23C6)을 스테인리스강으로 재고용시키고, 또한 크롬탄화물(Cr23C6)의 석출을 방지하기 위해 니오븀탄화물(NbC)을 석출시키는 방법으로 달성될 수 있다.
이를 위해, 본 발명의 안정화 오스테나이트계 스테인리스강 튜브의 용접방법은 오스테나이트계 스테인리스강 튜브를 용접하여 용접부를 형성하는 단계; 상기 용접부를 1100 ℃ 내지 1200 ℃에서 제1 열처리 하는 단계; 및 상기 용접부를 850 ℃ 내지 950 ℃에서 제2 열처리 하는 단계;를 포함하고, 상기 오스테나이트계 스테인리스강 튜브는 347H 스테인리스강인 것을 특징으로 한다.
본 발명의 안정화 오스테나이트계 스테인리스강 튜브의 용접방법은 오스테나이트계 스테인리스강 튜브를 용접하여 용접부를 형성하는 단계를 포함한다. 구체적으로, 보일러가 고온으로 운전됨에 따라, 스테인리스강 튜브에는 균열 등의 손상이 발생하고, 상기 손상 부분을 용접하여 용접부를 형성한다.
본 발명의 안정화 오스테나이트계 스테인리스강 튜브의 용접방법은 상기 용접부를 1100 ℃ 내지 1200 ℃에서 제1 열처리 하는 단계를 포함한다. 상기 제1 열처리 단계는 기계적 성질의 확보 및 석출된 크롬탄화물(Cr23C6)의 재고용에 의한 내식성의 회복을 목적으로 1100 ℃ 내지 1200 ℃에서 수행된다.
구체적으로, 상기 제1 열처리 단계는 보일러 운전에 의해 생성된 손상된 튜브의 크롬탄화물(Cr23C6)을 재고용 시켜, 용접 후 스테인리사강 튜브의 재균열을 방지하는 효과가 있다.
본 발명의 안정화 오스테나이트계 스테인리스강 튜브의 용접방법은 상기 용접부를 850 ℃ 내지 950 ℃에서 제2 열처리 하는 단계;를 포함한다. 상기 제2 열처리 단계는 니오븀탄화물(NbC)의 석출을 통해 탄소를 안정화시키기 위해 850 ℃ 내지 950 ℃에서 수행된다.
구체적으로, 상기 제2 열처리 단계는 고용된 크롬탄화물(Cr23C6)의 탄소를 안정화시키는 단계이다. 즉, 탄소가 크롬탄화물(Cr23C6)로 석출되는 것을 방지하기 위해, 상기 제2 열처리 단계로 니오븀탄화물(NbC)을 형성함으로써, 용접된 스테인리스강 튜브의 재균열을 방지하는 효과가 있다.
또한, 제2 열처리 단계는 용접 과정 중의 열에 의해, 고용된 니오븀탄화물(NbC)을 다시 니오븀탄화물(NbC)로 석출시켜 용접된 스테인리스강 튜브의 재균열을 방지한다.
상기 제1 열처리 및 제2 열처리는 별도의 설비에서 수행하지 않고, 용접된 그대로 보일러 상에서 제1 열처리 및 제2 열처리를 수행한다.
상기 용접방법은, 용접 후 제1 열처리 온도로 승온 시 500 ℃ 내지 750 ℃의 온도 영역에서는 80 ℃/분 내지 250 ℃/분, 구체적으로 100 ℃/분 내지 200 ℃/분의 속도로 급속 승온 할 수 있다.
상기 용접방법은, 제2 열처리 후, 냉각 시 500 ℃ 내지 750 ℃의 온도 범위를 80 ℃/분 내지 250 ℃/분, 구체적으로 100 ℃/분 내지 200 ℃/분의 속도로 급속 냉각할 수 있다.
상기 500 ℃ 내지 750 ℃의 온도는 크롬탄화물(Cr23C6)이 석출되기 적합한 온도로써, 상기 온도구간에 머무는 시간을 최소화함으로써, 크롬탄화물(Cr23C6)이 석출을 최소화하고, 용접된 스테인리스강 튜브의 재균열을 방지한다.
상기 승온 단계는 유도가열에 의할 수 있으나, 이에 제한되지 않는다. 상기 유도가열은 당업자에게 알려진 방법으로 수행될 수 있다.
상기 냉각 단계는 냉매를 사용하고, 상기 냉매는 아르곤(Ar)을 포함할 수 있으나, 이에 제한되지 않는다. 상기 냉매에 의한 냉각은 당업자에게 알려진 방법으로 수행될 수 있다.
상기 제1 열처리는 10분 내지 60분, 구체적으로 20 분 내지 40 분 동안 수행할 수 있다. 상기의 범위에서 크롬탄화물(Cr23C6)이 충분히 고용된다.
상기 제2 열처리는 30분 내지 240분, 구체적으로 60 분 내지 180 분 동안 수행할 수 있다. 상기의 범위에서 니오븀탄화물(NbC)이 충분히 석출되어, 탄소를 안정화 시킬 수 있다.
상기 안정화 오스테나이트계 스테인리스강 튜브는 니오뷸(Nb)을 포함할 수 있다. 구체적으로 상기 스테인리스강 튜브는 니오븀(Nb)을 탄소(C) 중량%의 5배 내지 탄소(C) 중량%의 15배, 구체적으로 탄소(C) 중량%의 8배 내지 탄소(C) 중량%의 12배를 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) 0.04 초과 0.10 중량% 이하, 실리콘(Si) 0.75 중량% 이하, 망간(Mn) 2 중량% 이하, 인(P) 0.040 중량% 이하, 황(S) 0.030 중량% 이하, 니켈(Ni) 9 내지 13 중량%, 크롬(Cr) 17 내지 20 중량%, 니오븀 탄소(C) 중량%의 8배 내지 탄소 중량%의 12배, 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 오스테나이트계 스테인리스강 튜브를 용접하여 용접부를 제1 열처리를 위한 승온 중 500 ℃ 내지 750 ℃의 온도 범위에서 150 ℃/분의 속도로 유도가열에 의해 가열 시켰다. 그리고, 1120 ℃에서 20 분간 제1 열처리를 수행하고, 900 ℃에서 120 분간 제2 열처리를 수행한 후, 냉각하면서 500 ℃ 내지 750 ℃의 온도 범위를 150 ℃/분의 속도로 아르곤(Ar) 냉매를 사용하여 냉각하는 방법으로 용접을 완료하였다. 상기 가열, 제1 열처리, 제2 열처리 및 냉각은 보일러 상에서 수행되었다.
비교예 1
손상된 오스테나이트계 스테인리스강 튜브를 용접하고, 별도의 열처리를 수행하지 않았다.
실시예 1에서 제2 열처리 직 후의 스테인리스 강의 미세구조를 도 1에 나타내고, 비교예 1의 용접 후 미세구조를 도 2에 나타내었다. 도 1은 니오븀탄화물(NbC)이 석출되어 있어 탄소가 안정화 된 것을 알 수 있다.
실시예 1 및 비교예 1을 보일러의 운전 온도인 600 ℃에서 강제 열화시키면서, 강제열화 시작 시, 100 시간 경과 후, 400 시간 경과 후 및 1000 시간 경과 후의 스테인리스강 표면의 미세구조를 도 3에 나타내었다. 도 3에 나타나듯이 본 발명의 용접방법에 의한 스테인리스강 튜브는 강제열화 시간이 증가함에도 크롬탄화물(Cr23C6)의 석출량은 낮은 것을 알 수 있다.
실시예 1 및 비교예 1을 보일러의 운전 온도인 600 ℃에서 강제 열화시키면서, 강제열화 시작 시, 100 시간 경과 후, 400 시간 경과 후 및 1000 시간 경과 후의 연신율(%)을 측정하고 도 4에 도시하였다. 도 4에 나타나듯이 본 발명의 용접방법에 의한 스테인리스강 튜브는 열처리를 수행하지 않은 것에 비해 연신율이 우수하여, 연성이 크므로 균열의 발생을 방지할 수 있음을 의미한다.
실시예 1 및 비교예 1을 보일러의 운전 온도인 600 ℃에서 강제 열화시키면서, 실시예 1 및 비교예 1 각각 상부 열영향부 및 하부 열영향부에서의 크롬탄화물(Cr23C6)의 면적 비율(%)을 측정하였다. 강제열화 시작 시, 100 시간 경과 후, 400 시간 경과 후 및 1000 시간 경과 후의 크롬탄화물(Cr23C6)의 면적 비율(%)을 측정하고, 도 5에 도시하였다. 상부 열영향부는 튜브가 수직으로 세워진 상태에서 용접 비드 양쪽 열영향부 중에서 위쪽 열영향부를 의미하고, 하부 열영향부는 아래쪽 열영향부를 의미한다.
도 5에 나타나듯이 본 발명의 용접방법에 의한 스테인리스강 튜브는 강제열화에도 크롬탄화물(Cr23C6)의 석출량이 낮으므로, 균열의 발생을 방지할 수 있다.
실시예 1 및 비교예 1의 스테인리스강 튜브를 증기 설계온도가 590 ℃ 내지 600 ℃인 보일러에서, 1만 시간을 운전한 후 보일러 튜브의 외면과 내면의 석출물에 대해, 면적분율(%)을 측정하고, 하기 표 1에 나타내었고, 또한 상기 보일러 튜브의 연신율(%)을 측정하여 하기 표 2에 나타내었다. 연신율(%)은 KS D 0026 철강재료 및 내열합금의 고온인장시험 방법에 의해 연신율을 측정하였다.
실시예 1 비교예 1
외면 내면 외면 내면
면적분율(%) 10.9 9.4 11.7 24.0
실시예 1 비교예 1
연신율(%) 25.5 17.6
상기 표 1에 나타난 바와 같이 용접 후, 본 발명의 열처리를 수행한 경우, 고온 보일러에서 1만 시간 운전에 의한 석출물 면적분율(%)이, 열처리를 수행하지 않은 것에 비해 낮은 것을 알 수 있다. 석출물의 대부분은 크롬탄화물(Cr23C6)이고, 크롬탄화물의 석출이 적다는 것은 균열 발생을 방지할 수 있는 것을 의미한다.
또한, 상기 표 2에 나타난 바와 같이, 실시예의 연신율이 비교예보다 높음을 알 수 있다. 연신율이 높으면 입계 변형, 및 응력에 강하므로, 균열을 방지할 수 있다.
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 (7)

  1. 오스테나이트계 스테인리스강 튜브를 용접하여 용접부를 형성하는 단계;
    상기 용접부를 1100 ℃ 내지 1200 ℃에서 제1 열처리 하는 단계; 및
    상기 용접부를 850 ℃ 내지 950 ℃에서 제2 열처리 하는 단계;
    를 포함하고,
    상기 오스테나이트계 스테인리스강 튜브는 347H 스테인리스강인 것을 특징으로 하는 안정화 오스테나이트계 스테인리스강 튜브의 용접방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 용접방법은,
    용접 후 제1 열처리 온도로 승온 시 500 ℃ 내지 750 ℃의 온도 영역에서는 80 ℃/분 내지 250 ℃/분의 속도로 급속 승온하는 것을 특징으로 하는 안정화 오스테나이트계 스테인리스강 튜브의 용접방법.
  3. 제1항에 있어서, 상기 용접방법은,
    제2 열처리 후, 냉각 시 500 ℃ 내지 750 ℃의 온도 범위를 80 ℃/분 내지 250 ℃/분의 속도로 급속 냉각하는 것을 특징으로 하는 안정화 오스테나이트계 스테인리스강 튜브의 용접방법.
  4. 제2항 또는 제3항에 있어서, 상기 승온 단계는 유도가열에 의하는 것인 안정화 오스테나이트계 스테인리스강 튜브의 용접방법.
  5. 제2항 또는 제3항에 있어서, 상기 냉각 단계는 냉매를 사용하고, 상기 냉매는 아르곤(Ar)을 포함하는 안정화 오스테나이트계 스테인리스강 튜브의 용접방법.
  6. 제1항에 있어서, 상기 제1 열처리는 20 분 내지 40 분 동안 수행하는 안정화 오스테나이트계 스테인리스강 튜브의 용접방법.
  7. 제1항에 있어서, 상기 제2 열처리는 60 분 내지 180 분 동안 수행하는 안정화 오스테나이트계 스테인리스강 튜브의 용접방법.

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