KR20180132959A - 향상된 내마모성 고 망간 강용 현장 이종 금속 용접 기술 - Google Patents

향상된 내마모성 고 망간 강용 현장 이종 금속 용접 기술 Download PDF

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Abstract

본 발명은, 고 망간 강 베이스 금속을 저 탄소 강 베이스 금속에 접합하기 위한 용접 조성물뿐만 아니라 이를 위한 시스템 및 방법에 관한 것이다. 상기 조성물은, 약 0.1 중량% 내지 약 0.4 중량% 범위의 탄소; 약 15 중량% 내지 약 25 중량% 범위의 망간; 약 2.0 중량% 내지 약 8.0 중량%의 크롬; 약 2.0 중량% 이하 양의 몰리브덴; 약 10 중량% 이하 양의 니켈; 약 0.7 중량% 이하 양의 규소; 약 100ppm 이하 양의 황; 약 200ppm 이하 양의 인; 및 철을 포함하는 잔부를 포함한다. 일 실시양태에서, 상기 조성물은 오스테나이트 미세구조를 갖는다.

Description

향상된 내마모성 고 망간 강용 현장 이종 금속 용접 기술
본 발명은 금속을 용접하는 분야에 관한 것이다. 보다 상세하게는, 본 발명은, 향상된 내마모성을 갖는, 저 탄소 강 구성요소를 고 망간(Mn) 구성요소에 접합시키는데 필요한 용접 금속을 제조하기 위한 재료 및 방법을 제공한다.
관련 출원의 상호 참조
본원은, 2016년 5월 2일에 출원된 미국 가출원 제 62/330,405 호에 대한 우선권을 주장하며, 이는 전체가 본원에 참고로 인용된다.
채굴(mining) 작업(오일 샌드(oil sand) 채굴 포함)의 배관(piping) 시스템은 액체 또는 슬러리 중의 고체 암석 및 모래 입자의 혼합물을 가공 공장으로 운반하고 파편(debris)을 채굴 지역 또는 저장 지역으로 되돌리는 데 사용된다. 현재의 슬러리 수력-수송(hydro-transport) 파이프는 전형적으로 저탄소 파이프라인급 강(예: API 규격 5L X65 또는 X70 등급 강)으로 제조된다. 이러한 파이프는 심각한 연마성(abrasive)/침식성(erosive) 마모 및 부식(corrosion)으로 인해 벽 손실을 일으키고 수리 및 교체가 빈번한다. 따라서 이러한 배관 시스템은 종종 채굴 프로젝트에 상당한 작업 비용의 원천이 된다. 향상된 침식/마모/부식 내성을 갖춘 파이프 재료를 개발하는 데는 상당한 경제적 인센티브가 있다.
오일 샌드 채굴 업계에서 강화된 내마모성 강에 대한 필요성이 또한 존재한다. 이러한 오일 샌드 퇴적물(deposit)은 1960 년대부터 상업적으로 회수되었으며 최근 몇 년 동안 회수율(recovery rate)이 증가했다. 역청 광석(bitumen ore)은 일반적으로 얕은 퇴적물(예: 깊이 100m 미만)에 대한 지표 채굴 기술 또는 보다 깊은 지하(예: 약 100m 이상 깊이)에 위치하는 깊은 퇴적물에 대한 원위치(in-situ) 열 추출(예: 증기, 화학 용매 및/또는 이들의 혼합물의 주입을 포함)에 의해 추출되었다. 얕은 오일 샌드의 지표 채굴을 위해 많은 유형의 중장비와 파이프라인이 활용된다. 첫째, 오일 샌드는 채굴된 물질을 트럭/차량으로 옮기는 삽(shovel)을 사용하여 전형적으로 굴착된다. 차량은 기름 모래 광석을 광석 제조(ore preparation) 시설로 옮기고, 여기서 채굴된 광석은 전형적으로 분쇄되고 뜨거운 물과 혼합된다. 오일 샌드 슬러리는 전형적으로 수력-수송 파이프라인을 통해 1 차 분리 셀(PSC)로 펌핑되며, 여기서 오일 역청은 일반적으로 모래와 물로부터 분리된다. 역청이 분리된 후, 남아있는 모래와 물 슬러리는 테일링(tailing) 파이프라인을 통해 모래가 침강되는 테일링 폰드(pond)로 수송된다. 다량의 슬러리 혼합물의 수력-수송은 종래의 금속 파이프라인 등에서 상당한 금속 손실을 야기하며, 이는 짧은 교체 사이클 및 상당한 작동 비용을 초래한다.
따라서, 오일 샌드 채굴 및 광석 제조 공정은 다수의 장비/작업 영역(예: 삽 티쓰(teeth), 호퍼, 분쇄기, 컨베이어, 진동 스크린, 슬러리 펌프, 파이프라인 등)에서 여러 가지 응력 및/또는 충격 마모 문제를 수반한다. 예를 들어 하류의 슬러리 운반 및 추출 공정에서, 장비, 파이프라인(예: 수력-수송 파이프라인), 펌프 및/또는 PSC에서 직면하는 문제 중 일부는 장비/재료의 침식, 침식/부식, 부식, 응력, 마모 및/또는 연마 등을 포함한다. 이러한 장비/재료 침식/부식 문제 등으로 인해 심각한 수리, 교체 및/또는 유지 보수(maintenance) 비용뿐만 아니라 생산 손실이 초래된다.
언급된 바와 같이, 슬러리 수력-수송을 위한 현재의 배관 구조는 전형적으로 저탄소 파이프라인급 강(예: API 규격 5L X70)으로 제조된다. 일반적으로, 슬러리 유동에서 고체가 빠르게 이동하면 파이프로부터 상당한 금속 손실(예를 들어, 내부 파이프 벽의 금속 손실)이 야기될 수 있다. 수성 및 폭기된(aerated) 슬러리 유동은 또한 전형적으로, 부식성 환경을 생성함으로써 파이프 침식을 가속화시킨다. 더욱이, 슬러리 내의 미립자 물질은 (중력의 영향 하에서) 특히 파이프의 내부 하부 절반을 따라 손상을 야기한다. 예를 들어, 오일 샌드 채굴 작업에서 모래와 물 슬러리를 운반하는 수력-수송 및 테일링 파이프라인은 작동 중 심각한 침식-부식 손상을 겪게 되는 반면 파이프라인의 바닥 부분(예: 6시 위치)은 전형적으로 가장 심각한 침식 마모를 경험한다.
파이프라인의 작동 수명을 연장시키기 위해 일부 채굴 운영자는 주기적으로 파이프라인을 회전시키는 관행을 이용했다. 예를 들어, 파이프라인은 때때로(예를 들어, 약 3000 시간 작동 후) 약 90°만큼 회전된다. 약 3 회전 후에 (예를 들어, 약 12000 시간의 작동 후에), 파이프라인은 전형적으로 완전히 교체된다. 마르텐사이트계 스테인레스 강, 표면 경화(hard-facing) 재료(예: WC계, 크롬-카바이드계) 및 중합체 라이닝 재료(예: 폴리우레탄)와 같은 다양한 재료가 오일 샌드 채굴 운영자에 의해 평가되고 사용되었다. 그러나, 이러한 재료는 전형적으로 마모/침식 성능(예: 중합체 라이너), 높은 재료/제조 비용(예: WC계 경질 금속(hard metal), 크롬-카바이드계 경질 금속 오버레이 재료) 또는 제한된 가용 두께(예: 이중 금속 다층 경질화된 강 재료)에 의해 단지 니체(niche) 적용례만을 확인하였다. 그러나, 파이프 침식 등은 심각한 문제로 남아 있으며, 보다 효율적인/경제적인 작동/해결책을 제공하기 위해 대안적 파이프 구조 및/또는 재료가 요구되고 있다.
개선된 침식/마모/부식 성능을 갖는 개선된 강 조성물은 채굴 작업에서의 작동 비용을 감소시키기 위해 최근 개발되었다. 특히, 슬러리 파이프를 포함한 오일 샌드 채굴 적용례에서 향상된 마모/침식/부식 내성을 갖는 개선된 고 Mn 강이 개발되었다. 성공적으로 구현하기 위해, 고 Mn 강 슬러리 파이프 섹션들을 현장에서 함께 접합시켜 고 Mn 강 슬러리 파이프라인을 만들어야 한다. 슬러리 파이프라인은 여러 가지 유형의 접합 방법(거쓰 버트 용접(girth butt weld), 플랜지(flange) 및 기계식 커플링 포함)을 사용하여 구축된다. 플랜지 시스템 및 기계적 커플링 시스템 중 다수는, 금속성 고리(종종 저 탄소 강)가 파이프 말단에서 파이프 섹션의 외부에 접합되는 것을 필요로 한다. 고 Mn 강 슬러리 파이프를 저 탄소 강 고리 및 플랜지에 접합하는 데 사용되는 용접은 요구되는 강도 및 인성을 제공해야 하며 "용접성" 또는 사용 용이성에 대한 과도한 우려없이 현장 구축 중에 적용되어야 한다.
현재 사용가능한 용접 기술은 저 탄소 강 구성 요소에 내침식성 고 Mn 강을 접합하기에 충분하지 못하다. 내침식성 고 Mn 강의 섹션들을 함께 접합하기 위해 지금까지 개발된 고 Mn 강 용접 금속은 저 탄소 강과 큰 비상용성을 갖는 화학 물질을 갖는다. 주조 하드필드(Hadfield) 강(일반적으로 철도 부품에 사용됨)을 용접하기 위해 사용되는 기존의 고 Mn 강 소모품은 최근 개발된 내침식성 고 Mn 강을 침식/부식 적용례, 예컨대 오일 샌드 적용례용 탄소 강에 접합하는 데 사용되는 충분한 용접 금속 강도를 제공하지 않는다. 표면 경화 적용례에 사용되는 고 Mn 강 용접 소모품은 이러한 이종 금속 용접 적용례에 필요한 용접 금속 인성 수준을 일관되게 제공할 수 없다.
미국 특허 출원 공보 제 2013/0174941 호는 액화 천연 가스(LNG)용 저장 용기와 같은 극저온(cryogenic) 적용례용으로 개발된 고 Mn 강을 기술한다. 용접 금속은 문헌[J.K. Choi, et al, "High Manganese Austenitic Steel for Cryogenic Applications", Proceedings of the 22nd International ISOPE Conference, Rhodes, Greece 2012]에 기재된 것과 같은 극저온 고 Mn 강으로 개발되었다. 이러한 극저온 고 Mn 강 용접 금속은 -200℃까지의 매우 낮은 온도에서 충분한 인성을 제공하지만, 오일 샌드 적용례에서 확인되는 조건과 같은 높은 수준의 침식, 침식/부식, 부식, 응력, 마모 및/또는 연마를 포함하는 적용례에서 저 탄소 강 구성요소에 내침식성 고 Mn 강을 접합하는 데 적절한 용접 금속 강도를 제공하지 않는다.
따라서, 용접성 또는 사용 용이성에 대한 과도한 우려없이, 고 Mn 강 파이프라인 현장 구축, 및 내침식성 고 Mn 강 구성요소로의 다른 저 탄소 강 구성요소의 현장 접합 중에 적절한 강도 및 적절한 인성을 동시적으로 생성하는 오일 샌드 채굴 프로젝트를 위한 고 Mn 강 슬러리 파이프라인을 구축하는데 사용될 수 있는 용접 기술에 대한 필요성이 존재한다.
특정 양태들에서, 본 발명은, 예컨대 저 탄소 강 구성요소를 내침식성 고 Mn 강 구성요소(예컨대, 고 Mn 강 슬러리 파이프 또는 다른 오일 샌드 구성요소)에 접합(예를 들어, 고 Mn 강을 고 Mn 강에 접합)시키기에 적절한 강도 및 인성을 달성하는 용접 금속 및 사용 방법을 제공한다. 본 발명은, 적용례에 적절한 용접 미세구조 및 기계적 특성을 생성하는 용접 금속 화학 물질, 용접 공정 및 용접 실시의 제어를 제공한다.
특정 실시양태에서, 용접 금속은, 약 0.1 중량% 내지 약 0.4 중량% 범위의 탄소, 약 15 중량% 내지 약 25 중량% 범위의 망간, 약 2 중량% 내지 약 8 중량%의 크롬, 약 2.0 중량% 이하 양의 몰리브덴, 약 3 중량% 내지 약 10.0 중량%의 니켈, 약 1.0 중량% 이하 양의 규소, 약 200ppm 이하 양의 황, 및 약 200ppm 이하 양의 인을 포함하고, 잔부는 Fe(예: 약 70%)이다. 다른 실시양태에서, 용접 금속 특성(예컨대 강도 또는 인성)를 증진시키기 위해 첨가될 수 있는 다른 원소는 약 0.7 중량 이하의 티타늄이다.
특정 실시양태에서, 상기 용접 금속은 하기 중 하나 이상을 포함한다: 약 0.1 내지 0.3 중량%의 탄소; 약 18.0 내지 22.0 중량%의 망간; 약 3.5 내지 6.5 중량%의 크롬; 약 1.5 중량% 미만의 몰리브덴; 약 5.5 내지 8.5 중량%의 니켈; 약 0.4 내지 0.8 중량%의 규소; 약 150ppm 미만의 황; 및 약 0.7 중량% 이하의 티타늄(예: 약 0.15 내지 0.45 중량%의 티타늄).
추가 실시양태에서, 상기 용접 금속은 약 0.15 내지 약 0.45 중량%의 티타늄을 포함한다.
다른 실시양태에서, 상기 용접 금속 미세구조는 오스테나이트 상을 갖는다. 특정 실시양태에서, 오스테나이트 상은 경질 α'-마르텐자이트로 변환될 수 있고, 변형시 마이크로트위닝(microtwinning)을 겪는다.
또 다른 양태에서, 본원은, 용접 아크 안정성 및 용접 풀(pool) 유동 특성, 예컨대 허용가능한 용접성을 제공하는 점도 및 비드 형상을 제어할 수 있는 용접 장비 및 파라미터를 사용하여 용접 금속을 적용하기 위한 시스템을 제공한다. 특정 실시양태에서, 고 Mn 강과 저 탄소 강을 접합시키는 용접을 제공하기 위한 시스템은 가스 금속 아크 용접을 수행하는 소모성(consumable) 와이어 전극 및 가스 금속 아크 용접 전원을 포함한다. 특정 실시양태에서, 소모성 와이어 전극은 약 0.1 중량% 내지 약 0.4 중량% 범위의 탄소, 약 15 중량% 내지 약 25 중량% 범위의 망간, 약 2 중량% 내지 약 8 중량%의 크롬, 약 2 중량% 이하 양의 몰리브덴, 약 3 중량% 내지 약 10 중량%의 니켈, 약 1.0 중량% 이하 양의 규소, 약 150ppm 이하 양의 황, 약 200ppm 이하 양의 인, 및 철을 포함하는 잔부를 포함한다. 가스 금속 아크 용접 전원은 약 2.5 kJ/mm 이하의 용접 열 입력을 발생시킨다.
특정 실시양태에서, 상기 소모성 와이어 전극은, 약 0.1 내지 0.3 중량%의 탄소; 약 18.0 내지 22.0 중량%의 망간; 약 3.5 내지 6.5 중량%의 크롬; 약 1.5 중량% 미만의 몰리브덴; 약 5.5 내지 8.5 중량%의 니켈; 약 0.4 내지 0.8 중량%의 규소; 약 150ppm 미만의 황; 및 약 0.15 내지 0.45 중량%의 티타늄 중 하나 이상을 포함한다.
다른 실시양태에서, 용접 열 입력은 약 0.6 kJ/mm 내지 약 1.0 kJ/mm 범위이다.
추가의 양태에서, 본 명세서는 본원에 기술된 바와 같은 용접 금속을 적용하기 위한 방법을 제공한다. 특정 실시양태에서, 상기 방법은, 허용가능한 용접성을 제공하기 위해 용접 풀 유동 특성, 예컨대 점성 및 비드 형상의 제어를 가능하게 하는 용접 장비 및 파라미터로써 본원에 기술된 용접 금속을 적용하는 단계를 포함한다. 용접 금속 화학 물질, 용접 조인트 기하 구조 및 용접 입력은 고화 균열에 대한 민감성을 줄이고, 내침식성 고 Mn 강 베이스 금속 및 저 탄소 강 베이스 금속에서 용접 금속 및 열 영향 구역(HAZ) 인성의 현저한 열하를 방지하도록 제어된다. 바람직한 실시양태에서, 본 발명의 용접 금속은 오스테나이트 그레인을 포함하는 미세구조를 갖는다.
또 다른 양태에서, 본원은, 내침식성 고 Mn 강과 저 탄소 강을 접합시키기 위한 용접 용착물(weld deposit)을 생성하는 방법을 제공한다. 상기 방법은, 용접될 고 Mn 강 베이스 및 저 탄소 강 베이스, 및 용접 충전제 금속을 제공하는 단계; 및 용접 충전제 재료를 용융 및 냉각시켜 용접 용착물을 생성하는 단계를 포함한다. 특정 실시양태에서, 용접 충전제 금속은 약 0.1 중량% 내지 약 0.4 중량% 범위의 탄소, 약 15 중량% 내지 약 25 중량% 범위의 망간, 약 2 중량% 내지 약 8 중량%의 크롬, 약 2 중량% 이하 양의 몰리브덴, 약 10 중량% 이하 양의 니켈, 약 1.0 중량% 이하 양의 규소, 약 100ppm 이하 양의 황, 약 200ppm 이하 양의 인, 및 철을 포함하는 잔부를 포함한다.
특정 실시양태에서, 상기 용융이, 용접 충전제 금속에 약 2.5 kJ/mm 이하의 용접 열 입력을 적용하는 것을 포함한다.
특정 실시양태에서, 상기 베이스는 용접될 부분을 포함하며, 이때 상기 부분은 약 25°보다 큰 경사를 갖는다.
다른 실시양태에서, 용접 용착물은, 용접된 상태에서 항복 강도가 저 탄소 강 베이스의 항복 강도보다 크거나 또는 필요한 최소 항복 강도보다 크다.
특정 실시양태에서, 용접 용착물은, 용접된 상태에서 약 70ksi보다 큰 항복 강도, 용접된 상태에서 70ksi보다 큰 극한 인장 강도, 및 -29℃에서, 약 27 J보다 큰 용접된 상태 CVN 중 하나 이상을 갖는다.
추가 실시양태에서, 베이스 금속의 열 영향 구역은 -29℃에서 약 27 J보다 큰 용접-후 CVN을 갖는다.
본원에 기술된 임의의 양태 또는 실시양태에서, 베이스 금속 또는 베이스 강은 침식/부식 내성 고 Mn 강이다.
본원에 기술된 임의의 양태 또는 실시양태에서, 상기 방법은, 용접 금속의 탄소 함량을 고 Mn 강 베이스 금속의 열 영향 구역의 탄소 양보다 적은 양으로 제한하는 단계를 추가로 포함한다.
전술한 일반적인 유용성 영역은, 단지 예로서 주어지며, 본 발명 및 첨부된 청구범위의 범주를 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 발명의 조성물, 방법 및 공정과 관련된 추가의 목적 및 이점은 본원의 청구범위, 상세한 설명 및 실시예의 견지에서 당업자에 의해 이해될 것이다. 예를 들어, 본 발명의 다양한 양태 및 실시양태는 수많은 조합으로 이용될 수 있으며, 이들 모두는 본 명세서에서 명시적으로 고려된다. 이들 부가적인 장점, 목적 및 실시양태는 본 발명의 범위 내에 명백하게 포함된다. 본 발명의 배경을 밝히고 특히 실시에 관한 추가 세부 사항을 제공하기 위해 본 명세서에 사용된 간행물 및 다른 문헌은 참고로 인용된다.
본 명세서에 통합되어 명세서의 일부를 형성하는 첨부 도면은 본 발명의 여러 실시양태를 도시하고, 상세한 설명과 함께 본 발명의 원리를 설명하는 역할을 한다. 도면은 본 발명의 실시양태를 설명하기 위한 것일 뿐이며, 본 발명을 한정하는 것으로 해석되어서는 안된다.
도 1a, 1b 및 1c는 일 실시양태에 따른 고 Mn 강 대 탄소 강에 대한 이종 용접 매크로이다.
도 2는 빅톨릭(Victaulic) 고리 대 HMS 파이프 용접 및 용접 비드 순서를 도시하는 개략도이다.
도 3은 탄소 강 빅톨릭 고리를 내침식성 고 Mn 강 파이프에 접합시키는 용접을 도시하는 용접 단면 매크로이다.
이하 상세한 설명에서, 본 개시의 특정 실시양태는 바람직한 실시양태와 관련하여 설명된다. 그러나, 이하의 설명이 특정 실시양태 또는 본 개시의 특정 용도에 특정되는 경우, 이는 단지 예시적인 목적을 위한 것이며 단지 예시적인 실시양태의 설명을 제공한다. 이 개시 내용은 아래에 설명된 특정 실시양태에 한정되지 않고 오히려 첨부된 청구범위의 사상 및 범위 내에 있는 모든 대안, 수정 및 균등물을 포함한다.
전형적인 탄소-망간 강 용접과 비교하여, 고 Mn 강 용접 금속에서의 탄소, 니켈 및 망간의 농도로 인해, 고 Mn 강 용접 금속은 종래의 용접 기술로 적용하기가 어렵다는 문제가 있다. 고 Mn 강 용접 금속은 종래의 저 탄소 강 용접 금속과 비교하여 용융시 실질적으로 더욱 점성이다. 용융된 고 Mn 강 용접 금속의 점도가 증가하면 용접 에지와 베이스 금속 사이에 위치한 용접 토우(toe)에서 융합 결여 결함을 초래할 수 있다. 또한, 고 Mn 강 베이스 금속의 인성은 용접으로 인한 열 사이클에 민감한다. 결과적으로, 용접 중 열 입력이 너무 높으면, 고 Mn 강 베이스 금속 HAZ는 허용할 수 없는 수준의 인성을 초래할 수 있다. 또한, 용접 금속은 1 차 오스테나이트로서 고화된다. 따라서, 용접 금속 조성 및 용접 비드 프로파일이 적절히 제어되지 않으면 용접이 고화 균열을 일으키는 경향이 있다.
본 발명의 이종 용접 고 Mn 강(DMW-HMS)을, 현저한 강도 및 인성을 갖는 저 탄소 강 구성요소와 고 Mn 강 구성요소를 접합시키는 분야에 적용할 수 있다는 놀랍고도 예기치 않은 발견에 관한 시스템 및 방법이 본원에 기재되어 있다.
다양한 양태 및 실시양태가, 오일 샌드 제조에 사용되는 고 망간 강 구성요소와 관련하여 예시된다. 그러나, 본 발명의 실시양태는 명백하게, 적절한 용접성, 강도 및 인성을 갖는 용접물(weldment)이 요구되는, 저 탄소 강 구성요소에 침식/마모 내성 고 망간 강 구성요소의 임의의 용접에 보다 폭넓게 적용된다. 다른 이러한 적용례는, 예컨대 내침식성 고 Mn 강 플레이트를 구조 저 탄소 강 또는 저 탄소 강 픽스쳐(fixture)에 접합하는 것을 포함한다. 하기 명세서에서 다양한 용어가 정의된다.
값의 범위가 제공되는 경우, 그 범위의 상한과 하한 사이의 각각의 개재된 값 및 언급된 범위 내의 임의의 다른 명시된 또는 개재되는 값이 본 발명 내에 포함되는 것으로 이해된다. 이들 보다 작은 범위의 상한값 및 하한값은 독립적으로 상기 작은 범위 내에 포함될 수 있으며, 언급된 범위 내의 특별히 배제된 한계 값을 조건으로, 본 발명 내에 포함된다. 언급된 범위가 한계값들 중 하나 또는 둘다를 포함하는 경우, 포함된 한계값 둘다를 제외한 범위도 이 발명에 포함된다.
하기 용어들은 본 발명의 설명하기 위해 사용된다. 용어가 본원에서 구체적으로 정의되지 않은 경우, 이 용어는, 본 발명의 설명에서 그의 사용과 관련하여 그 용어를 적용하는 당업자에 의해 당 기술 분야에서 인식된 의미로 주어진다.
상세한 설명 및 청구범위 내의 모든 수치는, 지시된 값을 "약" 또는 "대략"으로 변형되고 실험 오차 및 당업자에 의해 예상되는 변이를 고려한다.
본원 및 첨부된 청구범위에서 사용되는 단수 표현은 본원에서 명시적으로 달리 기재되지 않는 한, 하나 또는 그 이상(즉, 적어도 하나)의 대상을 지칭한다. 예로서, "요소"는, 하나의 요소 또는 하나 초과의 요소를 의미한다.
본원 및 청구의 범위에서 사용된 "및/또는"이라는 문구는, 이와 같이 결합된 요소, 즉 몇몇 경우에 결합적으로 존재하고 다른 경우에는 분리적으로 존재하는 요소 중 "어느 하나 또는 둘 모두"를 의미하는 것으로 이해되어야 한다. "및/또는"과 함께 나열된 다수의 요소는 동일한 방식으로, 즉 결합된 요소 중 "하나 이상"으로 해석되어야 한다. 구체적으로 식별된 요소와 관련이 있는지 여부와 상관없이, "및/또는" 문구에 의해 구체적으로 식별되는 요소 이외에 다른 요소가 임의로 존재할 수 있다. 따라서, 비-한정적인 예로서, "포함하는(comprising)"과 같은 개방형 종결 언어와 함께 사용될 때, "A 및/또는 B"에 대한 언급은, 일 실시양태에서는 오직 A(B 이외의 원소를 임의로 포함); 다른 실시양태에서는 오직 B(A 이외의 요소를 임의로 포함); 또 다른 실시양태에서는, A 및 B 모두(임의로 다른 원소를 포함); 기타를 언급할 수 있다.
본원 및 청구범위에서 사용되는 "또는"은, 상기에서 정의된 "및/또는"과 동일한 의미를 갖는 것으로 이해되어야 한다. 예를 들어, 목록에서 항목을 분리할 때, "또는" 또는 "및/또는"은 포괄적인 것으로 해석되어야 하며, 즉 요소의 수 또는 목록, 및 임의로, 비열거된 추가 항목 중 하나 이상(또한 하나 초과 포함)을 포함하는 것으로 언급된다. "오직 하나" 또는 "정확히 하나"와 같이 반대로 명확하게 지시된 용어, 또는 청구범위에서 사용되는 경우, "~로 이루어진"이라는 용어만이 요소의 수 또는 목록 중 적확히 하나의 요소의 포함을 의미할 것이다. 일반적으로, 본원에서 사용되는 "또는"이라는 용어는 "어느 하나", "~ 중 하나", "~ 중 오직 하나 " 또는 "~ 중 정확히 하나"와 같은 배타적인 용어에 선행될 때 배타적인 대안(즉, "어느 하나 또는 다른 것(단 둘다는 아님)")을 나타내는 것으로 해석되어야 한다.
청구범위 및 상기 명세서에서, "포함하는", "비롯한", "함유하는", "가지고있는", "함유하는", "포함하는", "보유하는", "구성되는" 등의 모든 전이 문구는 개방형-종결인 것으로, 즉 포함하지만 이로 한정되는 것은 아님을 의미하는 것으로 이해되어야 한다. "~로 이루어지는" 및 "본질적으로 ~로 이루어지는"과 같은 전이 문구만이 10 미국 특허청 특허 심사 절차 매뉴얼, 섹션 2111.03에 개시된 바와 같이 각각 폐쇄형 또는 반폐쇄형 전이 문구일 것이다.
본원 및 청구의 범위에서 사용되는, 하나 이상의 요소의 목록과 관련하여 "하나 이상"이라는 문구는, 요소들의 목록 내의 요소들 중 어느 하나 이상으로부터 선택된(단, 요소들의 목록 내에 구체적으로 열거된 각각 및 모든 요소 중 하나 이상을 포함할 필요는 없으며 요소들의 목록 내의 요소들의 임의의 조합을 배제하지 않음) 하나 이상의 요소를 의미하는 것으로 이해되어야 한다. 이 정의는 또한 "하나 이상"이라는 문구가 언급된 요소 목록 내에서, 구체적으로 식별된 요소와 관련이 있든지 없던지에 관계 없이, 구체적으로 식별된 요소 이외에 요소가 임의로 존재할 수 있게 한다. 따라서, 비제한적인 예로서, "A 및 B 중 하나 이상"(또는 등가적으로, "A 또는 B 중 하나 이상", 또는 등가적으로, "A 및/또는 B 중 하나 이상")은, 하나의 실시양태에서, B 없이 하나 이상의(임의로 하나 초과 포함) A(및 임의로 B 이외의 요소를 포함); 다른 실시양태에서 A 없이 하나 이상의(임의로 하나 초과 포함) B(및 임의로 A 이외의 요소를 포함); 또 다른 실시양태에서, 하나 이상의(임의로 하나 초과 포함) A, 및 하나 이상의(임의로 하나 초과 포함) B, (및 임의로 다른 요소를 포함); 등을 지칭한다.
이와 반대로 명확히 지시되지 않는 한, 하나 이상의 단계 또는 동작을 포함하는 본원에 청구된 임의의 방법에서, 상기 방법의 단계 또는 동작의 순서는, 상기 방법의 단계 또는 동작이 언급된 순서로 한정될 필요는 없다.
달리 정의되지 않는 한, 본 명세서에서 사용되는 모든 기술 및 과학 용어는 본 발명이 속하는 기술 분야의 당업자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 갖는다. 본 발명의 설명에 사용된 용어는 특정 실시양태를 설명하기 위한 것일 뿐이며, 본 발명을 제한하려는 것은 아니다.
정의:
연성(ductility): 파괴되기 전에 상당한 가소 변형을 겪는 재료의 능력의 척도를 의미할 수 있으나, 이에 국한되는 것은 아니다. 이는 신율(% EL) 또는 면적 감소율(% AR)로 표현될 수 있다.
내부식성(부식 내성): 반응성 또는 부식성 환경에 노출됨으로써 야기되는 열화에 대한 재료 고유의 내성을 의미할 수 있지만, 이에 제한되지는 않는다.
인성(toughness): 균열 개시 및 전파에 대한 내성을 의미할 수 있으나, 이에 국한되는 것은 아니다.
항복 강도(yield strength): 변형 없이 하중을 견딜 수 있는 재료의 능력을 의미할 수 있지만, 이에 제한되는 것은 아니다.
인장 강도: 파괴 메카니즘이 선형 탄성 파괴가 아닌 경우, 응력의 단위로 재료의 최대 하중 운반 능력에 상응하는 강도를 의미할 수 있지만 이에 국한되지는 않는다.
냉각 속도: 일반적으로 재료 단편의 중심 또는 실질적으로 중심에서 측정되는 재료 단편의 냉각 속도를 의미할 수 있지만, 이에 한정되는 것은 아니다.
열 영향 구역(heat-affected-zone, HAZ): 용접 작업 중에 용융되지 않지만 용접의 열에 의해 영향을 받는 용접 융합 라인에 인접한 베이스 금속을 의미할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
용접물: 용접에 의해 접합된 구성 부품의 어셈블리를 의미할 수는 있지만, 이에 한정되는 것은 아니다.
용접 비드 침투 프로파일: 횡단면에서 관찰 시 용접 비드의 바닥(루트) 부근의 용접 비드의 형상을 의미할 수 있지만, 이에 한정되는 것은 아니다.
용접성: 특정 금속 또는 합금을 용접하는 가능성을 의미할 수는 있지만, 이에 국한되는 것은 아니다. 때로는 용접성은, 용접 동안 수소 유도형 균열의 민감성을 지칭하지만, 본 명세서의 문맥에서 용접성은 융합 결여, 침투 결여 또는 언더컷(undercut)과 같은 결함을 생성하지 않는 용접의 용이성을 지칭한다. 높은 표면 장력의 용융된 용접 풀 및 불규칙하거나 불안정한 용접 아크를 포함하여 불량한 용접성에 기여하는 인자는 여러 가지가 있다. 이러한 인자는, 인접한 베이스 금속의 용접 풀의 불량한 습윤성, 용접 토우에서의 날카로운 (또는 작은) 재진입 각 및 바람직하지 않은 용접 스패터(spatter)를 포함하여 용접기에서 관찰되는 증상을 유발한다. 양호한 용접성을 얻는 것은 양호한 용접 풀 유동성, 아크 안정성("스무스(smooth)" 아크), 베이스 금속과의 접합부에서의 용접 풀의 양호한 습윤성, 양호한 비드 침투 기하 구조(모두 용접 결함 감소를 목표로 함)를 비롯한 속성 군을 일컫는다.
가스 금속 아크 용접(GMAW): 충전제 와이어가 전극으로서 작용하고, 접촉 팁을 통해 자동으로 공급되고, 용접 공정에서 소모되는 토치를 이용하는 용접 프로세스. 접촉 팁은 전형적으로 용접 아크의 영역으로 차폐 가스를 보내는 가스 컵으로 둘러싸여 있다. 일반적인 차폐 가스는 아르곤, 이산화탄소, 헬륨 및 산소이다. 토치 이동은 기계(자동 또는 기계식)로 제공되거나 인간(반자동)이 제공할 수 있다. 공정 명칭 GMAW는 미국 용접 협회의 표준 지정이다.
펄스형(pulsed) 가스 금속 아크 용접(PGMAW): 전류 펄스화 능력 제공하는 전원을 이용하는 GMAW 공정의 변형. 이는 진보된 전류 파형 전원으로도 불린다. 미국 용접 협회는 PGMAW를 GMAW-P로 지칭한다.
GMAW 기반 공정: PGMAW, 금속 코어 아크 용접(MCAW) 및 플럭스 코어 아크 용접(FCAW)과 같은 GMAW와 유사한 다수의 연합된 공정. MCAW와의 주된 차이점은, 코어화된(cored) 와이어가 사용되고 코어 내에 금속 분말이 존재한다는 것이다. FCAW 공정은 또한 코어화된 와이어를 사용하고 코어는 전형적으로 플럭스 분말로 구성된다. FCAW는 차폐 가스의 유무에 관계없이 사용할 수 있다.
오스테나이트: 표심 입방정(FCC) 원자 결정 구조를 갖는 강의 야금 상을 의미할 수 있지만, 이에 국한되는 것은 아니다.
마르텐사이트(martensite): 모(parent) 상(전형적으로 오스테나이트) 및 생성물 상이 특정 배향 관계를 갖는 무확산 상 변환에 의해 형성될 수 있는(비제한적임) 강에서의 야금 상을 의미할 수 있으나, 이에 국한되지는 않는다.
ε(엡실론)-마르텐자이트: 오스테나이트 상을 냉각 또는 변형시킬 때 조밀(close packed) 육방 원자 결정 구조를 갖는 특정 형태의 마르텐사이트를 의미할 수 있지만, 이에 한정되는 것은 아니다. ε-마르텐사이트는 전형적으로 오스테나이트 상의 조밀 (111) 평면 상에 형성되며 변형 트윈 또는 형태학상의 적층 결함 클러스터와 유사하다.
α'(알파 프라임)-마르텐사이트: 오스테나이트 상의 냉각 또는 변형 시 형성되는, 체심 입방정(BCC) 또는 체심 정방정(BCT) 원자 결정 구조를 갖는 특정한 형태의 마르텐사이트를 의미할 수 있지만, 이에 한정되는 것은 아니고; α'-마르텐사이트는 전형적으로 소판으로서 형성된다.
탄화물: 철/금속 및 탄소의 화합물을 의미할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
용접 금속 조성:
일 양태에서, 본 명세서는 최신 가스 금속 아크 용접(GMAW) 공정을 사용하여 적용되는 오스테나이트 용접 금속을 제공한다. 이는 적절한 강도, 용접 금속 및 베이스 금속 열 영향 구역 모두에서 적절한 저온 인성, 및 결함 비율이 낮은 용접을 동시에 달성할 수 있는, 내침식성 고 Mn 강 구성요소를 저 탄소 강 구성요소에 용접하는데 유용한 오스테나이트 미세구조를 생성한다. 본 발명의 실시양태는 양호한 용접 풀 유동성, 아크 안정성("스무스" 아크), 베이스 금속과의 접합부에서의 용접 풀의 양호한 습윤성 및 양호한 비드 침투 기하 구조를 포함하는 속성 군(이들 모두는 용접 결함을 줄이는 것을 목표로 한다)을 일컫는 양호한 용접성을 수득한다.
DMW-HMS 용접 금속 화학 물질은, 베이스 금속 HMS 화학 물질 및 베이스 금속 HMS 화학 물질과 함께 필요한 소모성 용접 와이어 조성을 계산하는데 사용될 수 있다. 유사한 방식으로, 소모성 용접 와이어 화학 물질, 베이스 금속 HMS 화학 물질, 및 베이스 금속 저 탄소 강 화학 물질이 DMW-HMS 용접 금속 화학 물질을 계산하는 데 사용될 수 있다. DMW-HMS 화학 물질은 용접 와이어 화학 물질의 변경과 침투량과 베이스 금속 희석량을 제어하는 용접 공정의 지식으로 다양한 HMS 및 저 탄소 강 베이스 금속에 적용할 수 있다. 용접 공학 분야의 당업자에게 공지된 바와 같이, 희석 계산은 3 가지 화학 물질이 공지되거나 특정될 때 4 가지 화학 물질 중 하나를 결정하는데 사용될 수 있다. 용접 HMS-탄소 강 구성 요소(예: 저 탄소 강 고리 대 HMS 슬러리 파이프)의 경우 4 가지 금속이 관여한다: HMS 베이스 금속, 저 탄소 강 베이스 금속, 용접 금속 및 충전제 와이어. 본원에 기재된 MCAW 용접의 적용을 위해, 희석은 대다수의 용접 통과에서 전형적으로 5 % 내지 20 %이다. 희석 계산은 당업계에 공지되어 있으며 문헌[Welding Metallurgy, Volume 2, Third Edition, by George E. Linnert that was published by The American Welding Society]으르 비롯한 많은 용접 공학 교재에 설명되어 있다.
본 발명의 용접 금속은, 예컨대 저 탄소 강 고리 및 플랜지를 내침식성 고 Mn 강(HMS), 예컨대 HMS 슬러리 파이프에 접합시키는 이종 금속 용접에서 적절한 기계적 특성을 생성한다. 이러한 새로운 용접은 슬러리 파이프라인에 적합하며, 이러한 용접은 허용가능한 용접성 및 결함 비율로 현장 구축 중에 적용될 수 있다. 특정 적용례에 요망되는 용접 금속은 용접 금속 화학 물질 및 용접 방법을 선택하여 설계되며, 적절한 용접 미세구조 및 기계적 특성을 생성하기 위해 견고한(rugged) 현장 파이프라인 구축 조건에 적용될 수 있다.
일 실시양태에서, 용접 금속은, 약 0.1 중량% 내지 약 0.4 중량% 범위의 탄소, 약 15 중량% 내지 약 25 중량% 범위의 망간, 약 2 중량% 내지 약 8 중량%의 크롬, 약 2.0 중량% 이하 양의 몰리브덴, 약 10.0 중량% 이하의 니켈, 약 1.0 중량% 이하 양의 규소, 약 200ppm 이하 양의 황, 및 약 200ppm 이하 양의 인을 포함하고, 잔부는 Fe이다. 달리 명시하지 않는 한, 용접 금속의 조성과 관련된 모든 %는 중량%로 표시된다. 용접 금속 조성물의 잔부는 철이지만, 용접 금속은 예를 들어 불순물 등과 같은 다른 열거되지 않은 성분을 포함할 수 있다.
다른 원소들이 후술되는 다른 이유로 인해 첨가될 수 있다. 예컨대, 티타늄은 약 0.7 중량% 이하의 양으로 첨가될 수 있다.
일부 실시양태에서, 상기 용접 금속은 하기 중 하나 이상을 포함한다: 약 0.1 내지 0.3 중량%의 탄소; 약 18.0 내지 22.0 중량%의 망간; 약 3.5 내지 6.5 중량%의 크롬; 약 1.5 중량% 미만의 몰리브덴; 약 5.5 내지 8.5 중량%의 니켈; 약 0.4 내지 0.8 중량%의 규소; 약 150ppm 미만의 황; 및 약 0.15 내지 0.45 중량%의 티타늄.
본 발명에 기재된 고 Mn 강 용접 금속은, 두 개의 강이 용접에 의해 접합될 필요가 있는 적용례, 예컨대 슬러리 파이프 적용례에서 사용되는 베이스 금속 저 탄소 강 및 베이스 금속 고 Mn 강의 최소 기계적 특성을 충족시키도록 요구된다. 이와 같이, DMW-HMS 용접 금속 미세구조는 내침식성 HMS 베이스 금속 및 저 탄소 강 미세구조 둘다와 적절하게 사용성일 수 있다. 이러한 목적을 위한 적절한 용접 금속 미세구조는 실온에서 면심 입방(fcc) 구조의 준안정성 오스테나이트 상으로 이루어진다.
변형시, 준안정성 오스테나이트 상은 변형-유도 변환을 통해 많은 상이한 상 변환을 겪을 수 있다. 이러한 변환은, 특정 강 화학 물질 및/또는 온도에 따라 트윈이 매트릭스, ε-마르텐자이트(육방 격자) 및 α'-마르텐자이트 (체심 정방 격자)와 정렬되는 오스테나이트 상을 마이크로트윈(fcc) 구조로 변환되는 것을 포함한다.
이러한 변환 생성물은 고 Mn 강의 고유한 특성을 생성하는 데 중요하다. 예를 들어, 미세한 미세구조는 1 차 오스테나이트 그레인을 효과적으로 분쇄하고(segment), 전위(dislocation) 운동에 큰 장애물로 작용한다. 이것은 효과적으로 그레인을 정제하고 높은 극한 인장 강도 및 연성의 탁월한 조합을 생성한다.
베이스 금속 내침식성 고 Mn 강의 화학적 특성은 양호한 침식 및 마모 성능을 제공하는 변환 생성물을 생성하기 위해 특별히 조정되었다. 베이스 금속은 높은 준안정성 오스테나이트 상을 함유하도록 제조되며, 이는 종종 변환시에 경질 α'- 마르텐사이트로 변환된다. 이러한 강들의 표면 마모 시에, 높은 준안정성 오스테나이트 상의 표면 층이 α'- 마르텐사이트로 변환될 수 있다. 이러한 마찰-유도 상 전환은 강인한(tough) 비변환 준안정성 오스테나이트의 내부 위에 마르텐사이트로 이루어진 얇은 경질 표면층을 형성하게 된다. 이는 마모/침식 적용례를 위한 바람직한 조합이다. 일 실시양태에서, 고 Mn 강 베이스 금속은 2013EM118, PCT/US2014/020599(명칭: "향상된 내마모성 강 및 이의 제조 방법")에 기재된 바와 같이 제공된다.
저 탄소 강과 내부식성 HMS를 접합하기 위한 본 발명의 DMW-HMS 용접 금속은 침식 작용에 노출되지 않는다. 예를 들어, DMW-HMS는 저 탄소 강 고리 또는 플랜지를 내침식성 HMS 슬러리 파이프의 외부에 결합시키는 데 사용될 수 있으며, 이와 같이, DMW-HMS는 파이프 내부의 침식 작용에 노출되지 않는다. 따라서 DMW-HMS 용접 금속에는 내침식성 HMS 베이스 금속에 필요한 내침식성 개선을 위한 마모 유도 된 표면 변환은 DMW-HMS 용접 금속에 필요하지 않다. 일 실시양태에서, 용접 금속의 탄소 수준은 내침식성 HMS 베이스 금속의 탄소 수준보다 상당히 낮은 수준으로 제어된다. 낮은 탄소 수준은 강도 및 저온 인성 요건을 충족시키기 위해 안정한 오스테나이트 상을 유지하며 저 탄소 강 베이스 금속과 더욱 상용성이다. 망간은 고 Mn 강의 주요 원소이며, 냉각 및 변형 중에 오스테나이트 구조를 안정화시키는 데 중요한다. 이와 같이, 일 실시양태에서, 용접 금속 중의 망간 수준은 베이스 금속과 유사하다.
오스테나이트 HMS에서, 탄소는 효과적인 오스테나이트 안정화제로서 작용하고 또한 고용체 경화(hardening)에 의해 매트릭스를 강화시킨다. DMW-HMS 용접 금속의 탄소 함량 감소는 필요한 강도 특성을 생성하기 위해 용접 금속을 일부 추가 원소로써 합금화시키는 것을 필요로 한다.
규소 첨가는 α'-마르텐사이트 변환을 유지하는 것 이외에 일부 고용체 강화를 제공한다. 또한 규소는 용접 중 모든 용접 위치에서 용접 풀의 유동성을 향상시켜 용접성을 향상시킨다. 일 실시양태에서, 용접 금속 중의 규소 함량은 용접성 이점으로 인해 베이스 금속 수준을 넘어서 증가되며, 예를 들어, 약 0.7 중량% 내지 약 0.6 중량% 범위이다. 특정 실시양태에서, 규소는 약 0.4 내지 0.7 중량 양으로 존재한다.
크롬 첨가는 내부식성을 증가시키고 용접 금속 내부식성이 적용례에 충분한 것을 보장하는데 중요하다. 보다 높은 수준으로 크롬을 첨가하면 냉각 중에 페라이트 상 형성이 증진되고 냉각 및 재가열 중에 탄화물이 생성된다. 일부 실시양태에서, 크롬 함량은 약 2.0 중량% 내지 약 8.0 중량% 범위이다. 다른 실시양태에서, 용접 금속 중의 크롬 함량은 약 2.0 중량% 내지 약 8.0 중량%, 약 2.0 중량% 내지 약 7.0 중량%, 약 2.0 중량% 내지 약 6.0 중량%, 약 2.0 중량% 내지 약 5.0 중량%, 약 2.0 중량% 내지 약 4.0 중량%, 약 2.0 중량% 내지 약 3.0 중량%, 약 3.0 중량% 내지 약 8.0 중량%, 약 3.0 중량% 내지 약 7.0 중량%, 약 3.0 중량% 내지 약 6.0 중량%, 약 3.0 중량% 내지 약 5.0 중량%, 약 3.0 중량% 내지 약 4.0 중량%, 약 4.0 중량% 내지 약 8.0 중량%, 약 4.0 중량% 내지 약 7.0 중량%, 약 4.0 중량% 내지 약 6.0 중량%, 약 4.0 중량% 내지 약 5.0 중량%, 약 5.0 중량% 내지 약 8.0 중량%, 약 5.0 중량% 내지 약 7.0 중량%, 약 5.0 중량% 내지 약 6.0 중량%, 약 6.0 중량% 내지 약 8.0 중량%, 약 6.0 중량% 내지 약 7.0 중량%, 또는 약 7.0 중량% 내지 약 8.0 중량% 범위이다. 다른 실시양태에서, 크롬 함량은 약 2.0 중량%, 약 2.5 중량%, 약 3.0 중량%, 약 3.5 중량%, 약 4.0 중량%, 약 4.5 중량%, 약 5.0 중량%, 약 5.5 중량%, 약 6.0 중량%, 약 6.5 중량%, 약 7.0 중량%, 약 7.5 중량%, 또는 약 8.0 중량%이다.
몰리브덴 첨가는 현저한 고용체 강화를 제공한다. 몰리브덴의 첨가는 DMW-HMS 용접 금속에서 요구되는 강도 특성을 달성하는 데 중요한다. 본 발명의 용접 금속은 약 2.0 중량% 이하 양의 몰리브덴을 포함할 수 있다.
니켈 첨가는 추가적인 오스테나이트 안정성을 제공할 수 있고 용접 금속 인성을 향상시킬 수 있다. 그러나, 보다 높은 수준으로 니켈을 첨가하면, 강도가 감소될 수 있다. 일부 실시양태에서, 용접 금속은 약 10 중량% 이하 양의 니켈을 포함한다. 특정 실시양태에서, 니켈은 약 7%의 양으로 존재한다. 일부 실시양태에서, 니켈은 약 0-10 중량%, 약 0-9 중량%, 약 0-8 중량%, 약 0-7 중량%, 약 0-6 중량%, 약 0-5 중량%, 약 0-4 중량%, 약 0-3 중량%, 약 0-2 중량%, 약 0-1 중량%, 약 1-10 중량%, 약 1-9 중량%, 약 1-8 중량%, 약 1-7 중량%, 약 1-6 중량%, 약 1-5 중량%, 약 1-4 중량%, 약 1-3 중량%, 약 1-2 중량%, 약 2-10 중량%, 약 2-9 중량%, 약 2-8 중량%, 약 2-7 중량%, 약 2-6 중량%, 약 2-5 중량%, 약 2-4 중량%, 약 0-3 중량%, 약 3-10 중량%, 약 3-9 중량%, 약 3-8 중량%, 약 3-7 중량%, 약 3-6 중량%, 약 3-5 중량%, 약 3-4 중량%, 약 4-10 중량%, 약 4-9 중량%, 약 4-8 중량%, 약 4-7 중량%, 약 4-6 중량%, 약 4-5 중량%, 약 5-10 중량%, 약 5-9 중량%, 약 5-8 중량%, 약 5-7 중량%, 약 5-6 중량%, 약 6-10 중량%, 약 6-9 중량%, 약 6-8 중량%, 약 6-7 중량%, 약 7-10 중량%, 약 7-9 중량%, 약 7-8 중량%, 약 8-10 중량%, 약 8-9 중량%, 또는 약 9-10 중량%의 양으로 존재한다. 특정 실시양태에서, 용접물은 약 0.0 중량%, 약 0.5 중량%, 약 1.0 중량%, 약 1.5 중량%, 약 2.0 중량%, 약 2.5 중량%, 약 3.0 중량%, 약 3.5 중량%, 약 4.0 중량%, 약 4.5 중량%, 약 5.0 중량%, 약 5.5 중량%, 약 6.0 중량%, 약 6.5 중량%, 약 7.0 중량%, 약 7.5 중량%, 약 8.0 중량%, 약 8.5 중량%, 약 9.0 중량%, 약 9.5 중량%, 또는 약 10.0 중량%의 니켈을 포함한다.
DMW-HMS 용접 금속에 첨가될 수 있는 몇 가지 추가적인 소량 원소 첨가제가 존재한다. 용접 금속을 강화시키기 위해 그레인 정제 및 석출 경화 목적으로 소량(예컨대, 약 0.7 중량% 이하 또는 약 0.15-0.45 중량%)의 티타늄을 첨가할 수 있다.
황 및 인은 불순물이며, 의도적으로 첨가되지 않는다. 이러한 원소는 용접 소모품 중의 이들의 양을 제한함으로써 제어된다. 용접 고화 균열을 피하기 위해 황 및 인의 양을 제어해야 한다. 예를 들어, 일 실시양태에서, 황 및 인은 각각 약 200 ppm 이하의 농도로 존재한다.
일부 실시양태에서, 용접물은 약 15-25 중량%, 약 15-23 중량%, 약 15-21 중량%, 약 15-19 중량%, 약 15-17 중량%, 약 17-25 중량%, 약 17-23 중량%, 약 17-21 중량%, 약 17-19 중량%, 약 19-25 중량%, 약 19-23 중량%, 약 19-21 중량%, 약 21-25 중량%, 약 21-23 중량%, 또는 약 23-25 중량%의 망간을 포함한다.
용접 야금/미세구조/기계적 성질:
신규한 DMW-HMS 용접 금속은 내침식성 HMS 구성요소(슬러리 파이프 포함)를 저 탄소 강 구성요소에 접합시키는 데 필요한 강도 및 인성을 제공할 수 있다. 이러한 특성 요건을 충족시키는 데 필요한 미세구조는 용접 금속 화학 물질 및 용접 공정 파라미터의 적절한 제어를 통해 달성된다.
DMW-HMS 용접 금속은 적용례(예: 슬러리 파이프)에 필요한 최소 인장 강도 특성을 달성해야 한다. 예를 들어, 용접 금속 인장 강도는 내침식성 HMS 베이스 재료 또는 저 탄소 강 구성요소 베이스 재료에 대한 구성요소 설계에 의해 요구되는 특정된 최소 극한 인장 강도(SMUTS)(어떤 경우에서도 최저임)보다 커야 한다. 본원에 기재된 일부 실시양태에서, 저 탄소 강 구성요소에 대한 SMUTS는 내침식성 HMS 구성요소에 대한 SMUTS보다 낮다. 일 실시양태에서, 본 발명의 DMW-HMS 용접 금속은, 고도의 준안정성 오스테나이트 상이고, 이는 경질의 α'- 마르텐사이트로 변환되고 변형시 마이크로 트위닝을 겪기 때문에, 이러한 모든 요건을 달성한다. 또한, 용접 금속 내의 고용체 강화 원소(예를 들어, 몰리브덴)는 격자 전위 운동을 교란시킴으로써 추가의 보강을 제공할 수 있다. 일 실시양태에서, 이들 강화 메카니즘의 조합은 인장 강도 요건을 달성하는 고강도 및 가공 경화 속도를 제공한다.
DMW-HMS 용접 금속은 적용례(예: 슬러리 파이프)에 필요한 최소 인성 특성을 달성해야 한다. 또한, 용접 근처의 베이스 금속(HAZ)은 이러한 최소 인성 특성을 달성해야 한다. 의도된 적용례에 대한 인성의 가장 일반적인 평가는, 용접 금속 및 HAZ의 몇몇 역역의 샤르피 V-노치(CVP) 시험을 수행하여 측정된 충격 인성이다. 에너지 단위(즉, 주울, J)로 보고된 시험 값은 적용례에 대한 설계 코드에 의해 특정된 최소 요구 CVN보다 커야 한다. DMW-HMS 용접은 용접 금속, 내침식성 HMS 베이스 금속 HAZ 및 저 탄소 강 HAZ의 요건을 모두 충족한다. 일 실시양태에서, 용접 금속 인성은 오스테나이트 상과 제한된 양의 탄화물로 구성된 용접 금속 미세구조로 달성되어 연성 파괴(ductile fracture) 모드를 제공한다. 내침식성 베이스 금속 HAZ 인성은 HAZ에서 탄화물 석출이 최소화되도록 용접 열 입력을 제어하여 달성될 수 있다. 높은 열 입력은 내침식성 HMS HAZ 그레인 경계에서 과도한 탄화물 석출을 초래하고 HAZ의 경도를 증가시켜 부적절한 CVN 인성 값을 초래할 수 있다. 일 실시양태에서, 저 탄소 강 HAZ 인성은 열 입력을 제어하여 달성된다. 용접 중 열 입력의 제어는 높은 경도 및 낮은 인성을 갖는 상, 예컨대 마르텐사이트의 형성을 피할 수 있다.
특정 실시양태에서, 본 발명의 용접 금속은 오스테나이트 그레인을 포함하는 미세구조를 갖는다.
또 다른 실시양태에서, 용접 금속은 용접된 상태에서 항복 강도가, 고 망간 강 베이스 및/또는 저 탄소 강의 항복 강도보다 크거나, 필요한 최소 항복 강도보다 크다.
일 실시양태에서, 용접 금속은 용접된 상태에서 약 70ksi보다 큰 항복 강도를 갖는다. 특정 실시양태에서, 항복 강도는 약 72.5 ksi, 약 75 ksi, 약 77.5 ksi, 약 80 ksi, 또는 약 82.5 ksi보다 크다.
일부 실시양태에서, 용접 금속은 용접된 상태에서 70ksi보다 큰 극한 인장 강도를 갖는다. 특정 실시양태에서, 극한 인장 강도는 약 85 ksi, 약 90 ksi, 약 95 ksi, 약 100 ksi, 약 105 ksi, 약 110 ksi, 약 115 ksi, 약 120 ksi, 약 125 ksi, 또는 약 130 ksi보다 크다.
또 다른 실시양태에서, 용접 금속은, -29℃에서, 약 27 J보다 큰 용접된 상태 CVN 에너지를 갖는다. 특정 실시양태에서, 용접 용착물은, -29℃에서, 약 30 J, 약 35 J, 약 40 J, 약 45 J, 약 50 J, 약 55 J, 약 60 J, 약 65 J, 약 70 J, 약 75 J, 또는 약 80 J보다 큰 용접된 상태 CVN 에너지를 갖는다.
또 다른 실시양태에서, 용접 금속의 적용 후에, 고 Mn 강 HAV는, -29℃에서, 약 27 J보다 큰 용접된 상태 CVN 에너지를 갖는다. 특정 실시양태에서, 고 Mn 강 HAV는 -29℃에서, 약 30 J, 약 35 J, 약 40 J, 약 45 J, 약 50 J, 약 55 J, 약 60 J, 약 65 J, 약 70 J, 약 75 J, 또는 약 80 J보다 큰 용접된 상태 CVN 에너지를 갖는다.
또 다른 실시양태에서, 용접 금속의 적용 후에, 저 탄소 강 HAZ는, -29℃에서, 약 27 J보다 큰 용접된 상태 CVN 에너지를 갖는다. 특정 실시양태에서, 저 탄소 강 HAZ는 -29℃에서, 약 30 J, 약 35 J, 약 40 J, 약 45 J, 약 50 J, 약 55 J, 약 60 J, 약 65 J, 약 70 J, 약 75 J, 또는 약 80 J보다 큰 용접된 상태 CVN 에너지를 갖는다.
용접성:
신규한 DMW-HMS 용접 금속은 내침식성 HMS와 저 탄소 강과의 접합에 필요한 용접성을 제공할 수 있다. 이 용접성은 용접 금속 화학, 용접 공정 파라미터 및 용접 조인트 설계의 적절한 제어를 통해 달성된다.
일 실시양태에서, DMW-HMS 용접 금속은 1 차 오스테나이트로서 고화된다. 1 차 오스테나이트 구조는 용접 고화 균열에 취약할 수 있다. 어떠한 용접 고화 균열도 슬러리 파이프라인을 포함하여 오일 샌드 구성요소의 제조에 허용불가하므로, DMW-HMS 용접 금속은 실제 용접 파라미터를 사용하여 용접 중 고화 균열에 대한 적절한 내성을 제공해야 한다. 용접 금속 화학 물질의 적절한 제어는 DMW-HMS 용접 금속의 고화 균열을 방지하는 데 도움이 될 수 있다. 소모성 와이어 조성을 제어하면 적절한 수준의 합금 원소와 최소 수준의 황 및 인과 같은 불순물 원소를 보장하는 데 도움이 될 수 있다. 용접 금속 조성 범위가 적절한 범위 내에 있음을 보장하기 위해 베이스 금속의 희석이 관리되어야 한다. 베이스 금속 HMS는 DMW-HMS 용접 소모품보다 훨씬 높은 탄소 함량을 가지므로, 보다 큰 고화 균열 민감성을 초래하는 더 큰 희석을 가질 수 있다. 일 실시양태에서, 희석 수준은 최대 열 입력을 제한함으로써 제어된다. 다른 실시양태에서, 희석 수준은 소정의 용접 비드 순서에 의해 제어된다. 고화 균열은 또한 용접 금속 고화 중에 발생하는 용접 잔류 응력의 크기와 위치에 의존한다. 추가 실시양태에서, 특정 용접 경사 기하구조는 DMW-HMS 용접 금속에서 보다 우호적인 용접 잔류 응력을 제공하고 고화 균열에 대한 내성을 개선시키기 위해 사용된다. 예를 들어, 일 실시양태에서, 보다 큰 끼인 각(included angle)을 갖는 개방 경사는 보다 적은 깊이 대 폭 비(depth-to-width ratio)를 갖는 용접 비드를 생성한다. 이는, 보다 작은 끼인 각 및 보다 큰 열 유도 응력을 갖는 좁은 경사와 비교 시에 고화 균열 민감성을 감소시킬 수 있다. 열 유도 응력은 또한 이종 금속 구성요소들의 적절한 핏업(fit up) 정렬을 보장함에 의해 제어될 수도 있다. 이와 같이, HMS 구성요소 및 저 탄소 강 구성요소는 특정된 치수 공차 내에서 적절하게 제어되어야 한다.
용접 공정 파라미터 및 용접 적용례:
본 발명의 다른 실시양태에 따르면, 본 발명의 용접 금속을 적용하기 위한 시스템이 제공된다. 시스템은, 용접 아크 안정성 및 용접 풀 유동 특성, 예컨대 점도 및 비드 형상을 제어하여 허용가능한 용접성을 제공하기 위해 용접 장비 및 파라미터를 사용할 수 있다. 고 Mn 강과 저 탄소 강을 접합하기 위한 용접을 제공하기 위한 시스템은, 가스 금속 아크 용접을 수행하는 가스 금속 아크 용접 전원 및 소모성 와이어 전극을 포함한다. 소모성 와이어 전극은 전술한 용접 금속을 포함한다. 예를 들어, 와이어 전극은, 약 0.1 중량% 내지 약 0.4 중량% 범위의 탄소, 약 15 중량% 내지 약 25 중량% 범위의 망간, 약 2.0 중량% 내지 약 8.0 중량%의 크롬, 약 2.0 중량% 이하 양의 몰리브덴, 약 10 중량%의 니켈, 약 0.70 중량% 이하 양의 규소, 약 100ppm 이하 양의 황, 및 약 200ppm 이하 양의 인, 및 철을 포함하는 잔부를 포함한다. 가스 금속 아크 용접 전원은 약 2.5 kJ/mm 이하의 용접 열 입력을 발생시킨다. 다른 실시양태에서, 용접 열 입력은 약 0.6 kJ/mm(약 15 kJ/인치) 내지 약 1.0 kJ/mm(약 25 kJ/인치)의 범위이다.
슬러리 파이프라인 구축을 위한 실용적 생산성으로 제조된 양호한(sound) DMW-HMS 용접의 적용은 최근 개발된 용접 기술로 달성될 수 있다. 업계에서 사용 가능한 GMAW 용접기는 DMW-HMS 용접에 대한 우수한 용접성을 가능하게 한다. GMAW 전원 제조업체는 정교한 고체 상태 전자 장치를 사용하여 진보된 펄스형 파형 제어를 포함하였다. 이러한 파형 제어를 통해 용접성을 개선하고 최적화할 수 있다. 이러한 유형의 용접은 전형적으로 펄스형 GMAW 또는 PGMAW로도 불린다. 이러한 PGMAW 장치는 수년 동안 존재해 왔지만, 최근에서야 파형 제어능이 ER-HMS 현장 구축에 가장 유리한 최적화 수준을 가능케 하기에 충분하게 발전되었다.
일 실시양태에서, DMW-HMS 용접은 GMAW 용접기로 제조된다. 특정 실시양태에서, DMW-HMS 용접은 펄스형 GMAW(PGMAW)로 적용된다. DMW-HMS 소모성 화학 물질은 예를 들어 시중에서 판매되는 GMAW 용접기를 사용하여 다수 용접 위치(1G-평면, 2G-수평, 3G-수직, 4G-오버헤드, 5G-파이프 수평)로 용접할 수 있다. 용접 소모품은 스트링거(stringer) 비드 또는 직조(weave) 비드로서 적용할 수 있다. 파라미터는 용접의 HMS 면과 용접의 저 탄소 강 면 모두에서 적절한 베이스 금속이 결합 및 융합을 보장하도록 선택될 수 있다.
특정 실시양태에서, 저 탄소 강 고리는 현장 슬러리 파이프라인 구축 중에 HMS 슬러리 파이프의 외부에 접합된다. 다른 실시양태에서, DMW-HMS 용접은 GMAW-기반 공정, 예컨대 PGMAW를 사용하여 이루어진다. 특정 화학 물질 및 미세구조가 달성되고 용접성이 적용례에 만족스러우면 다른 공정이 사용될 수 있다. 사용할 수 있는 전원의 몇몇 예는 프로니우스 트랜스시너직(Fronius TransSynergic) 3200, 린콜 파워 웨이브(Lincoln Power Wave) 455 및 밀러 파이프프로(Miller PipePro) 450이다.
저 탄소 강(예: 저 탄소 강 고리)을 HMS(예: 내침식성 HMS 슬러리 파이프의 외부)에 접합시키기 위해 DMW-HMS 용접을 적용하는 시스템은 코어화된 와이어 소모품(금속 코어 또는 플럭스 코어)을 사용하는 반자동 GMAW 용접을 포함할 수 있다. 용접은 약 100 내지 약 180 암페어의 전류로 수행될 수 있다. 아크 전압은 약 15V 내지 약 30V 범위일 수 있다. 와이어 공급 속도는 직경이 약 1.2mm 인 와이어의 경우 약 80 내지 약 500ipm 범위일 수 있다. 또한, 용접은 약 10 내지 약 50 cfh 범위의 용접 차폐 가스 유속으로 수행될 수 있다. 다른 실시양태에서, 약 1.2 mm 내지 약 1.6 mm 범위의 직경을 갖는 충전제 와이어는 루트, 필 및 캡 패스에 대해 약 1 내지 약 18 ipm 범위의 이동 속도를 가질 수 있다. 일부 실시양태에서, 용접은 약 2.5 kJ/mm (63.5 kJ/인치) 미만의 열 입력으로 수행된다. 특정 실시양태에서, 용접은 약 1.97 kJ/mm (50 kJ/인치) 미만의 열 입력으로 수행된다. 상기 열 입력은 약 0.59 kJ/mm (약 15 kJ/인치) 내지 약 1.02 kJ/mm (약 26 kJ/인치)의 범위일 수 있다.
본 발명의 다른 실시양태에 따르면, 본 발명의 용접 금속을 적용하기 위한 방법이 제공된다. 이 방법은 용접 아크 안정성 및 용접 풀 유동 특성, 예컨대 허용가능한 용접성을 제공하는 점성 및 비드 형상을 제어할 수 있는 용접 장비 및 파라미터를 사용한다. 일 실시양태에서, 용접 금속 화학 물질, 용접 조인트 기하 구조 및 용접 입력은 용접 금속의 강도 및 인성을 보장하고 열 영향 구역(HAZ) 인성의 현저한 저하를 방지하도록 제어된다.
고 Mn 강과 저 탄소 강을 접합하기 위한 용접 용착물의 제조 방법은, 용접될 고 Mn 강 베이스 및 저 탄소 강 베이스, 및 용접 충전제 금속을 제공하는 단계; 및 용접 충전제 재료를 용융 및 냉각시켜 용접 용착물을 생성하는 단계를 포함한다. 상기 용접 충전제 금속은 약 0.1 중량% 내지 약 0.4 중량% 범위의 탄소, 약 15 중량% 내지 약 25 중량% 범위의 망간, 약 2.0 중량% 내지 약 8.0 중량% 범위의 크롬, 약 2.0 중량% 이하 양의 몰리브덴, 약 10 중량% 이하 양의 니켈, 약 0.70 중량% 이하 양의 규소, 약 100ppm 이하의 황, 약 200ppm 이하의 인, 및 철을 포함하는 잔부를 포함한다.
특정 실시양태에서, 상기 용융은, 용접 충전제 금속/용접 소모성 와이어 조성물에 약 2.5 kJ/mm 이하의 용접 열 입력을 적용하는 것을 포함한다.
특정 실시양태에서, 상기 고 Mn 강 베이스 및/또는 탄소 강 베이스 금속은 용접될 부분을 포함하고, 상기 부분(들)은 약 25°보다 큰 경사를 갖는다.
본 발명의 일 실시양태는, 특정 적용 요건을 위한 DMW-HMS 용접을 제조하는 방법을 포함한다. 상기 방법은 본원에 개시된 유효 범위 내에서 원하는 DMW-HMS 용접 금속 화학 물질을 결정하는 것을 포함한다. 일 실시양태에서, 상기 방법은 이전에 논의된 희석 계산을 수행하는 것을 포함할 수 있는, 베이스 금속 화학 물질 및 원하는 용접 금속 화학 물질이 주어진 경우 용접 소모성 와이어 화학 물질을 결정하는 단계를 포함한다. 다른 실시양태에서, 상기 방법은 상기 용접 소모성 와이어를 사용하여 상기 베이스 금속을 용접하는 단계를 추가로 포함한다. 특정 실시양태에서, 용접은 만족스러운 용접성 및 용접 융합을 제공하기 위해 용접 중 아크 안정성 및 용접 풀 유동 특성을 제어하는 단계를 포함한다.
실시예
DMW-HMS 용접 금속의 검사: DMW-HMS 용접 금속의 실험실 규모 시험을 수행했다. 반자동 GMAW 공정은 다음 파라미터들로 수행되었다: 약 120 내지 145 암페어의 전류; 전형적으로 약 20V 내지 약 30V의 아크 전압; 직경 1.2mm 와이어에 대해 약 220 내지 250ipm의 와이어 공급 속도; 약 40 내지 약 50 cfh의 차폐 가스 유속; 루트, 필 및 캡 패스에 대해 약 3 내지 약 8 ipm의 이동 속도; 약 1.2 mm의 충전제 와이어 직경; 및 약 18-50 kJ/인치의 열 입력. 시험 용접의 특성(예: 항복 강도, 인장 강도 등)을 표 1에 나타내었다.
표 1. 몇몇 시험 용접에 대한 실시예 용접 금속 화학 물질 및 관련 특성.
Figure pct00001
용접 금속의 -29℃에서의 극한 인장 강도 및 CVN 충격 인성이 표 2에 기재되어 있고, API X70 등급 기반 강도 요건을 갖는 내침심성 HMS 슬러리 파이프와 저 탄소 강 고리(ASME SA-516 등급 70 재료) 사이의 조인트에 대한 용접 요건과 비교하였다. DMW-HMS 용접 금속 인장 강도는, 보다 낮은 강도 재료인 저 탄소 강 고리의 특정 초소 극한 인장 강도(SMUTS)보다 커야 한다. 내부식성 HMS 재료에 대한 SMUTS는 82.7ksi이고, 저 탄소 강에 대한 SMUTS는 70ksi이다. 이와 같이, DMW-HMS 용접 금속은 70ksi(두 개의 SMUTS 값 중 낮은 값)보다 커야 한다. DMW-HMS 용접 금속 화학 물질에 대한 개질은 잠재적인 내침식성 HMS 범위에서 저 탄소 강 조인트에 필요한 용접 금속 인장 특성을 달성하기 위해 본원에 개시된 범위 내에서 수행될 수 있다. 표 2는 또한 생성된 DMW-HMS 시험 용접으로 달성되고 슬러리 파이프 적용례에 대한 용접 충격 인성 요건과 비교된 충격 인성(CVN) 값을 기재한다.
표 2. 탄소 강-HMS 시험 용접에 대한 용접 금속 기계적 특성.
Figure pct00002
현장 용접 절차의 시험(qualification). 표 3은, 용접 절차의 시험의 일부로 생성된 탄소 강-HMS 용접의 평균 시험 결과를 보여준다. 요구되는 값과 함께 시험 용접 결과가 기재된다. 탄소 강-HMS 용접 절차는 용접 금속, 고 Mn 강 및 저 탄소 강에 대한 우수한 충격 인성 값뿐만 아니라 교차-용접 인장 강도를 나타냈다.
표 3. 탄소 강-HMS 용접의 용접 금속 특성.
Figure pct00003
전술한 실시양태는, 내침식성 HMS 슬러리 파이프라인을 제조하고 적용하기 위한 모든 요건을 만족하는, 저 탄소 강 용접에 대한 HMS를 생성할 수 있다.
용접 차폐 가스 조성물의 적절한 제어는 요구되는 특성을 갖는 양호한 탄소 강 HMS 용접의 생성에 중요하다. DMW-HMS 용접 금속의 점성은 차폐 가스에서 CO2를 사용함으로써 극복된다. 차폐 가스의 CO2는 용접 풀 유동성, 아크 안정성, 및 침투 프로파일을 비롯한 비드 기하 구조를 개선하는 역할을 한다. 이러한 모든 속성은 용접 동안 용접 결함을 피하기 위해 중요한다. 그러나, CO2를 사용하면 산소 포텐셜이 증가하고 용접 금속의 산소 함량이 증가될 수 있다. 용접 금속에서의 과도한 산화물 형성은 인성을 저하시킬 수 있다. 따라서, 차폐 가스 내의 CO2의 양은 10 % 내지 30 % 사이로 제어되어야 한다. 바람직한 실시양태에서, DMW-HMS 용접 기술은 80 % Ar/20 % CO2의 조성을 갖는 차폐 가스를 적용한다.
고화 균열의 위험을 최소화하기 위해 DMW-HMS 용접의 용접 비드 프로파일을 적절하게 제어해야 한다. 고도로 오목한 비드 프로파일은 고화 균열을 일으키기 쉽기 때문에 회피되어야 한다. 비드 프로파일은, 용접 전류, 와이어 공급 속도 및 용접 이동 속도를 적절하게 제어하여 제어할 수 있다.
DMW-HMS 용접을 적용하기 위해 코어화된 와이어 소모품을 사용할 때, 금속 MCAW 및 FCAW과 같은 코어화된 와이어 용접 공정과 관련될 수 있는 전형적인 용접 문제를 회피하는 것이 중요하다. 이러한 잠재적 문제는 과도한 스패터(spatter) 및 용접 금속 다공성을 포함한다. 상기한 바와 같이 차폐 가스에서 CO2를 사용하면 스패터를 줄일 것이다. 용접 금속 다공성은 적절한 세정(cleaning) 방법, 예컨대 용접 조인트 및 소모성 와이어가 건조 및 세정, 오일 및 기타 파편의 제거를 통해 줄이거나 피할 수 있다. 코어화된 와이어 소모품이 고체 와이어 소모품보다 부적절한 보관시 습기를 수집하는 경향이 크기 때문에 적절한 소모품 보관 방법(온도 및 습도)을 따라야 한다.
용접 공정 파라미터는, 슬러리 파이프 적용례를 위한 적절한 미세구조 및 특성을 갖는 양호한 DMS-HMS 용접을 제공하는 용접 열 입력을 생성하도록 제어될 수 있다. 용접 열 입력은 파이프라인 용접을 위한 실용적 생산성으로 일정한 융합을 가능하게 할만큼 충분히 높아야 한다. 그러나 요건을 만족하는 용접을 보장하기 위해서는 최대 약 2.5 kJ/mm 미만으로 제어해야 한다. 용접 열 입력 값을 초과하지 않게 보장하기 위해 용접 파라미터(전류, 전압 및 이동 속도)를 조정할 수 있다. 최대치를 초과하는 과도한 열 입력은 고화 균열, 용접 금속 인성 감소 및 베이스 금속 HAZ 인성 감소를 비롯한 많은 잠재적 문제를 초래할 수 있다.
용접 열 입력은 고화 균열을 일으킬 수 있는 깊이 대 폭 비가 높은, 대형 용접 비드를 생성하는 것을 피하기 위해 최대 값 미만으로 제어될 수 있다. 이러한 높은 깊이 대 폭 비는, 용접 금속의 편석(segregation)이 증가하고 용접 조인트에서 횡 변형률이 증가하여 고화 균열의 가능성이 높아질 수 있다.
또한, 용접 열 입력 제어는, HMS 베이스 금속 HAZ 및 저 탄소 강 베이스 금속 HAZ에서 필요한 인성을 유지하는 데 중요하다. HMS 베이스 금속 HAZ에서, 열 입력이 너무 높으면 HMS 베이스 금속 HAZ의 그레인 경계에 과도한 탄화물 석출이 일어남이 이해될 것이다. 이것은 인성이 감소된 국지 영역을 초래할 수 있다. 최대 값 미만으로 제어된 용접 열 투입은, HAZ 그레인 경계에서 탄화물 침전물의 양을 감소시키는 열 사이클 및 냉각 속도를 제공한다. 이는, 파괴 인성 및 균열에 대한 내성을 향상시킨다. 따라서, DMW-HMS 용접 금속과 HMS 베이스 금속 HAZ 모두에서 필요한 인성을 보장하기 위해 적절한 열 입력 제어가 필요하다. 열 투입 제어는 또한 저 탄소 강 베이스 금속 HAZ에서 낮은 인성 미세구조(예: 마르텐사이트)의 형성을 감소시킨다.
상술된 용접 금속 화학 물질, 용접 공정 및 용접 방법의 적절한 적용은 HMS 슬러리 파이프라인을 구축하는데 필요한 미세구조 및 기계적 특성을 갖는 적절한 DMW-HMS 용접을 생성할 것이다. 신규한 DMW-HMS 용접 금속은 1G, 2G, 3G, 4G 및 5G 용접 위치에서 현대의 파이프라인 용접 장비를 사용하여 실질적인 생산성으로 적용될 수 있다.
구체적 실시양태:
한 양태에 따르면, 본 발명은, 고 망간 강 베이스 금속을 저 탄소 강 베이스 금속에 접합시키기 위한 용접 조성물을 제공하며, 상기 조성물은 0.1 중량% 내지 0.4 중량% 범위의 탄소; 15 중량% 내지 25 중량% 범위의 망간; 2.0 중량% 내지 8.0 중량%의 크롬; 2.0 중량% 이하 양의 몰리브덴; 10 중량% 이하 양의 니켈; 0.7 중량% 이하 양의 규소; 100ppm 이하 양의 황; 200ppm 이하 양의 인; 및 철을 포함하는 잔부를 포함하고, 용접물은 오스테나이트 미세구조를 포함한다.
본원에 기술된 임의의 양태 또는 실시양태에서, 상기 용접 조성물은 0.7 중량% 이하 양의 티타늄을 추가로 포함한다.
본원에 기술된 임의의 양태 또는 실시양태에서, 탄소가 0.1 내지 0.3 중량%이고; 망간이 18.0 내지 22.0 중량%이고; 크롬이 3.5 내지 6.5 중량%이고; 몰리브덴이 1.5 중량% 미만의 양이고; 니켈이 5.5 내지 8.5 중량%이고; 규소가 0.4 내지 0.8 중량%이고; 황이 150ppm 미만의 양이고/이거나; 티타늄의 바람직한 범위가 0.15 내지 0.45 중량%이다.
본원에 기술된 임의의 양태 또는 실시양태에서, 용접 충전제 금속은 오스테나이트 미세구조를 갖는다.
본원에 기술된 임의의 양태 또는 실시양태에서, 상기 오스테나이트 미세구조는 경질 α'-마르텐사이트로 변환되고, 변형시 마이크로트위닝을 겪는다.
다른 양태에 따르면, 본 발명은, 고 망간 강과 저 탄소 강을 접합시키기 위한 용접을 제공하기 위한 시스템을 제공하며, 상기 시스템은
0.1 중량% 내지 0.4 중량% 범위의 탄소, 15 중량% 내지 25 중량% 범위의 망간, 2.0 중량% 내지 8.0 중량%의 크롬, 2.0 중량% 이하 양의 몰리브덴, 10 중량% 이하 양의 니켈, 0.7 중량% 이하 양의 규소, 200ppm 이하 양의 황, 200ppm 이하 양의 인, 및 철을 포함하는 잔부를 포함하는 용접물을 생성하는 소모성 와이어 전극; 및
2.5kJ/mm 이하의 용접 열 입력을 발생시키는, 가스 금속 아크 용접을 수행하는 가스 금속 아크 용접 전원
을 포함한다.
본원에 기술된 임의의 양태 또는 실시양태에서, 상기 용접물은 0.1 내지 0.3 중량%의 탄소; 18.0 내지 22.0 중량%의 망간; 3.5 내지 6.5 중량%의 크롬; 1.5 중량% 미만의 몰리브덴; 5.5 내지 8.5 중량%의 니켈; 0.4 내지 0.8 중량%의 규소; 150ppm 미만의 황; 및/또는 0.15 내지 0.45 중량%의 바람직한 범위의 티타늄을 포함한다.
본원에 기술된 임의의 양태 또는 실시양태에서, 상기 용접 열 입력은 0.6 내지 1.0 kJ/mm의 범위이다.
추가 양태에 따르면, 본 발명은, 침식/부식 내성 고 Mn 강의 용접 용착물을 생성하는 방법을 제공하며, 이때 상기 방법은
용접될 고 Mn 강 베이스 및 저 탄소 강 베이스, 및
0.1 중량% 내지 0.4 중량% 범위의 탄소, 15 중량% 내지 25 중량% 범위의 망간, 2.0 중량% 내지 8.0 중량%의 크롬, 2.0 중량% 이하 양의 몰리브덴, 10 중량% 이하 양의 니켈, 0.7 중량% 이하 양의 규소, 100ppm 이하 양의 황, 100ppm 이하 양의 인, 및 철을 포함하는 잔부를 포함하는 용접 충전제 금속
을 제공하는 단계; 및
용접 충전제 재료를 용융 및 냉각시켜 용접 용착물을 생성하는 단계
를 포함한다.
본원에 기술된 임의의 양태 또는 실시양태에서, 상기 용융은, 용접 충전제 금속에 2.5kJ/mm 이하의 용접 열 입력을 제공하는 것을 포함한다.
본원에 기술된 임의의 양태 또는 실시양태에서, 2 개 이상의 강 베이스 금속은 용접될 부분을 포함하고, 상기 부분은 25°보다 큰 경사를 갖고, 상기 2 개 이상의 금속이 하나 이상의 고 Mn 강 및 하나 이상의 저 탄소 강을 갖는다.
본원에 기술된 임의의 양태 또는 실시양태에서, 상기 용접 용착물은 용접된 상태에서의 항복 강도가 상기 저 탄소 강 베이스 금속 및/또는 상기 고 Mn 강 베이스 금속의 항복 강도보다 크다.
본원에 기술된 임의의 양태 또는 실시양태에서, 상기 용접 용착물은, 용접된 상태에서 60ksi보다 큰 항복 강도를 갖고/갖거나; 상기 용접 용착물은, 용접된 상태에서 70ksi보다 큰 극한 인장 강도를 갖는다.
본원에 기술된 임의의 양태 또는 실시양태에서, 상기 용접 용착물은, -29℃에서, 27J보다 큰 용접된 상태 CVN을 갖고/갖거나; 상기 베이스 금속의 열 영향 구역은, -29℃에서, 27J보다 큰 용접-후 CVN을 갖는다.
본원에 기술된 임의의 양태 또는 실시양태에서, 상기 고 Mn 베이스 금속은 침식/부식 내성 고 Mn 강이다.
본 발명은 주로 오일, 가스 및/또는 석유화학 산업/시스템/적용례를 위한 구성 요소에서 사용하기 위한 강 조성물과 관련하여 원리적으로 설명되었지만, 그러한 설명은 본 발명의 목적으로만 이용되었으며, 본 발명을 제한하려는 것은 아니다. 반대로, 개시된 강 조성물은 다양한 적용례, 시스템, 작동 및/또는 산업에서 사용할 수 있다는 것을 인식해야 한다.
본 발명의 시스템 및 방법이 그의 예시적인 실시양태를 참조하여 설명되었지만, 본 발명은 그러한 예시적인 실시양태 및/또는 구현예에 제한되지 않는다. 오히려, 본 발명의 시스템 및 방법은 본 명세서의 개시로부터 당업자에게 쉽게 명백한 바와 같이, 많은 구현예 및 적용례에 민감할 수 있다. 본 발명은 개시된 실시양태의 이러한 수정, 개선 및/또는 변형을 명백하게 포함한다. 상기 구성에서 많은 변화가 이루어질 수 있기 때문에, 본 발명의 범위를 벗어나지 않으면서 본 발명의 많은 다른 실시양태가 만들어질 수 있으므로, 도면 및 명세서에 포함된 모든 사항은 예시적인 것으로 해석되어야 하며, 제한적으로 해석되어서는 안된다. 추가의 수정, 변경 및 치환이 상기 개시에서 의도된다. 따라서, 첨부된 청구범위는 광범위하게 그리고 본 발명의 범위와 일치하는 방식으로 해석되는 것이 적절하다.

Claims (15)

  1. 고 망간 강 베이스(steel base) 금속을 저 탄소 강 베이스 금속에 접합시키기 위한 용접 조성물로서, 상기 조성물은
    0.1 중량% 내지 0.4 중량% 범위의 탄소;
    15 중량% 내지 25 중량% 범위의 망간;
    2.0 중량% 내지 8.0 중량%의 크롬;
    2.0 중량% 이하 양의 몰리브덴;
    10 중량% 이하 양의 니켈;
    0.7 중량% 이하 양의 규소;
    100ppm 이하 양의 황;
    200ppm 이하 양의 인; 및
    철을 포함하는 잔부
    를 포함하고,
    용접물은 오스테나이트 미세구조(austenitic microstructure)를 포함하는, 조성물.
  2. 제 1 항에 있어서,
    0.7 중량% 이하 양의 티타늄을 추가로 포함하는 조성물.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    하기 특징 중 하나 이상을 포함하는 조성물:
    탄소가 0.1 내지 0.3 중량%임;
    망간이 18.0 내지 22.0 중량%임;
    크롬이 3.5 내지 6.5 중량%임;
    몰리브덴이 1.5 중량% 미만의 양임;
    니켈이 5.5 내지 8.5 중량%임;
    규소가 0.4 내지 0.8 중량%임;
    황이 150ppm 미만의 양임;
    티타늄의 바람직한 범위가 0.15 내지 0.45 중량%임; 또는
    이들의 조합.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 오스테나이트 미세구조가 경질(hard) α'-마르텐사이트로 변환되고, 변형(straining)시 마이크로트위닝(microtwinning)을 겪는, 조성물.
  5. 0.1 중량% 내지 0.4 중량% 범위의 탄소, 15 중량% 내지 25 중량% 범위의 망간, 2.0 중량% 내지 8.0 중량%의 크롬, 2.0 중량% 이하 양의 몰리브덴, 10 중량% 이하 양의 니켈, 0.7 중량% 이하 양의 규소, 200ppm 이하 양의 황, 200ppm 이하 양의 인, 및 철을 포함하는 잔부를 포함하는 용접물(weldment)을 생성하는 소모성(consumable) 와이어 전극; 및
    2.5kJ/mm 이하의 용접 열 입력을 발생시키는, 가스 금속 아크 용접을 수행하는 가스 금속 아크 용접 전원
    을 포함하는, 고 망간 강과 저 탄소 강을 접합시키기 위한 용접을 제공하기 위한 시스템.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 용접물이 0.7 중량% 이하 양의 티타늄을 포함하는, 시스템.
  7. 제 5 항 또는 제 6 항에 있어서,
    상기 용접물이, 0.1 내지 0.3 중량%의 탄소; 18.0 내지 22.0 중량%의 망간; 3.5 내지 6.5 중량%의 크롬; 1.5 중량% 미만의 몰리브덴; 5.5 내지 8.5 중량%의 니켈; 0.4 내지 0.8 중량%의 규소; 150ppm 미만의 황; 및/또는 0.15 내지 0.45 중량%의 바람직한 범위의 티타늄; 또는 이들의 조합물 중 하나 이상을 포함하는, 시스템.
  8. 제 6 항 또는 제 7 항에 있어서,
    상기 용접 열 입력이 0.6 내지 1.0 kJ/mm의 범위인, 시스템.
  9. 용접될 고 Mn 강 베이스 및 저 탄소 강 베이스, 및
    0.1 중량% 내지 0.4 중량% 범위의 탄소, 15 중량% 내지 25 중량% 범위의 망간, 2.0 중량% 내지 8.0 중량%의 크롬, 2.0 중량% 이하 양의 몰리브덴, 10 중량% 이하 양의 니켈, 0.7 중량% 이하 양의 규소, 100ppm 이하 양의 황, 100ppm 이하 양의 인, 및 철을 포함하는 잔부를 포함하는 용접 충전제 금속
    을 제공하는 단계; 및
    용접 충전제 재료를 용융 및 냉각시켜 용접 용착물(deposit)을 생성하는 단계
    를 포함하는, 침식/부식 내성(erosion/corrosion resistant) 고 Mn 강의 용접 용착물을 생성하는 방법.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 용융이, 용접 충전제 금속에 2.5kJ/mm 이하의 용접 열 입력을 제공하는 것을 포함하는, 방법.
  11. 제 9 항 또는 제 10 항에 있어서,
    2 개 이상의 강 베이스 금속이 용접될 부분을 포함하고, 상기 부분은 25°보다 큰 경사(bevel)를 갖고, 상기 2 개 이상의 금속이 하나 이상의 고 Mn 강 및 하나 이상의 저 탄소 강을 갖는, 방법.
  12. 제 9 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 용접 용착물이, 용접된 상태(as-welded)에서의 항복 강도가 상기 저 탄소 강 베이스 금속 및/또는 상기 고 Mn 강 베이스 금속의 항복 강도보다 큰, 방법.
  13. 제 9 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 있어서,
    하기 특징 중 하나 이상을 포함하는 방법:
    상기 용접 용착물이, 용접된 상태에서 60ksi보다 큰 항복 강도를 가짐;
    상기 용접 용착물이, 용접된 상태에서 70ksi보다 큰 극한 인장 강도를 가짐; 또는
    이들의 조합.
  14. 제 9 항 내지 제 13 항 중 어느 한 항에 있어서,
    하기 특징 중 하나 이상을 포함하는 방법:
    상기 용접 용착물이, -29℃에서, 27J보다 큰 용접된 상태 CVN을 가짐;
    상기 베이스 금속의 열 영향 구역(heat affected zone)이, -29℃에서, 27J보다 큰 용접-후 CVN을 가짐; 또는
    이들의 조합.
  15. 제 9 항 내지 제 14 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 고 Mn 베이스 금속이 침식/부식 내성 고 Mn 강인, 방법.
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