KR20180132960A

KR20180132960A - 고 망간 강 슬러리 파이프라인용 현장 거쓰 용접 기술

Info

Publication number: KR20180132960A
Application number: KR1020187034826A
Authority: KR
Inventors: 앤드류 제이 와슨; 티모시 디 앤더슨; 더글라스 피 페어칠드; 신 위에; 현우 진; 닝 마; 이욱 한; 상철 이; 봉근 이; 종섭 이
Original assignee: 엑손모빌 리서치 앤드 엔지니어링 컴퍼니; 주식회사 포스코
Priority date: 2016-05-02
Filing date: 2017-05-02
Publication date: 2018-12-12
Also published as: BR112018071995A2; CA3022962A1; AU2017259978A1; AR108269A1; JP2019520473A; RU2018141292A; WO2017192619A1; EP3452247A4; US20180021895A1; EP3452247B1; KR102266804B1; US10493569B2; JP2022081631A; EP3452247A1; CN109070284A; US20200086431A1; RU2018141292A3

Abstract

본 발명은 고 망간 강 베이스 금속을 접합하기 위한 용접 조성물 및 이를 적용하는 방법에 관한 것이다. 상기 조성물은, 약 0.4 중량% 내지 약 0.8 중량% 범위의 탄소; 약 18 중량% 내지 약 24 중량% 범위의 망간; 약 6 중량% 이하 양의 크롬; 약 4 중량% 이하 양의 몰리브덴; 약 5 중량% 이하 양의 니켈; 약 0.4 중량% 내지 약 1.0 중량% 범위의 규소; 약 200ppm 이하 양의 황; 약 200ppm 이하 양의 인; 및 철을 포함하는 잔부를 포함한다. 일 실시양태에서, 상기 조성물은 오스테나이트 상을 갖는다.

Description

고 망간 강 슬러리 파이프라인용 현장 거쓰 용접 기술

본 발명은 금속을 용접하는 분야에 관한 것이다. 보다 상세하게는, 본 발명은 고 망간(Mn) 강을 접합시키고 구축하는데 필요한 용접 금속을 제조하기 위한 재료 및 방법을 제공한다.

관련 출원의 상호 참조

본원은, 2016년 5월 2일에 출원된 미국 가출원 제 62/330,415 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, 제 45 판)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. 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 망간(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. 고 Mn 강 슬러리 파이프 섹션들을 서로 직접 접합하는 데 사용되는 거쓰 버트 용접은 요구되는 강도, 인성 및 마모 특성을 제공해야 하며 "용접성" 또는 적용 용이성에 대한 과도한 우려없이 현장 구축 중에 적용되어야 한다. 고 Mn 강 슬러리 파이프 섹션들을 접합하는 거쓰 버트 용접은 내부 슬러리 서비스 유체 및 고체에 노출될 것이므로, 슬러리 파이프 적용례에 대해 고 Mn 강을 적용할 때 최대 이익을 얻기 위해 파이프 베이스 금속의 침식/부식 성능을 충족시키거나 초과해야 한다.

지금까지 개발된 고 Mn 강 용접 금속은 내침식성 고 Mn 강 슬러리 파이프라인을 접합하기에 충분하지 못하다. 주조 하드필드(Hadfield) 강(일반적으로 철도 부품에 사용됨)을 용접하기 위해 사용되는 기존의 고 Mn 강 소모품은 최근 개발된 내침식성 고 Mn 강 슬러리 파이프를 접합하는 데 사용되는 충분한 용접 금속 강도를 제공하지 않는다. 표면 경화 적용례에 사용되는 고 Mn 강 용접 소모품은 예를 들어 슬러리 파이프라인 거쓰 용접과 같이 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 22^nd 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, 예를 들어 슬러리 파이프 적용례에 사용될 때 내침식성 고 Mn 강에 적절한 용접 금속 강도를 제공하지 않는다.

따라서, 용접성 또는 사용 용이성에 대한 과도한 우려없이 고 Mn 강 파이프라인 현장 구축 중에 적절한 강도, 적절한 인성 및 높은 침식/부식 내성을 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, 거쓰 버트 용접을 통해 내침식성 고 Mn 강 슬러리 파이프를 접합(예를 들어, 고 Mn 강을 고 Mn 강에 접합)시키기에 적절한 강도, 적절한 인성 및 높은 침식/부식 내성을 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. 본 발명의 용접 금속은 내침식성의 고 Mn 강 또는 ER-HMS로 지칭될 수 있다.

특정 실시양태에서, 용접 금속은, 약 0.4 중량% 내지 약 0.8 중량% 범위의 탄소, 약 18 중량% 내지 약 24 중량% 범위의 망간, 약 6 중량% 이하 양의 크롬, 약 4 중량% 이하 양의 몰리브덴, 약 5 중량% 이하 양의 니켈, 약 0.4 중량% 내지 약 1.0 중량% 범위의 규소, 약 200ppm 이하 양의 황, 및 약 200ppm 이하 양의 인을 포함한다. 추가의 실시양태에서, 하기 중 하나 이상을 포함하는 다른 원소들이 용접 금속 특성(예컨대 강도)를 증진시키기 위해 첨가될 수 있다: 약 2 중량% 이하 양의 티타늄, 약 5 중량% 이하 양의 니오븀, 약 5 중량% 이하 양의 텅스텐, 약 1 중량% 이하 양의 알루미늄, 약 1.5 중량% 이하 양의 질소, 약 0.1 중량% 이하 양의 붕소, 또는 이들의 조합물. 용접 금속의 잔부는 철, 예를 들어 약 75 중량%의 철을 포함한다.

특정 실시양태에서, 용접 금속은 하기 중 하나 이상을 추가로 포함한다: 약 18.0 내지 약 22 중량% 양의 망간; 약 2.0 내지 약 4.0 중량% 양의 크롬; 약 1.25 내지 2.75 중량% 양의 몰리브덴; 약 5 중량% 미만 양의 니켈; 0.2 내지 약 0.5 중량% 양의 규소; 150 ppm 이하 양의 황; 또는 이들의 조합물.

다른 실시양태에서, 용접 충전제 금속은 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, 침식/부식 내성 고 망간 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 0.4 중량% 내지 약 0.8 중량% 범위의 탄소, 약 18 중량% 내지 약 24 중량% 범위의 망간, 약 0 중량% 내지 약 6 중량% 범위의 크롬, 약 4 중량% 이하 양의 몰리브덴, 약 5 중량% 이하 양의 니켈, 약 0.4 중량% 내지 약 1.0 중량% 양의 규소, 약 200ppm 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.

다른 실시양태에서, 용접 열 입력은 약 0.6 내지 약 1.0 kJ/mm 범위이다.

특정 실시양태에서, 상기 시스템은, 하나 이상의 차폐(shielding) 가스를 제공하기 위한 장치를 추가로 포함하며, 이때 상기 하나 이상의 차폐 가스는 약 10 % 내지 약 30 % 범위의 CO₂를 포함한다. 특정 실시양태에서, 하나 이상의 차폐 가스는 80 % 아르곤 및 20 % CO₂이다.

추가의 양태에서, 본 명세서는 본원에 기술된 바와 같은 용접 금속을 적용하기 위한 방법을 제공한다. 특정 실시양태에서, 상기 방법은, 허용가능한 용접성을 제공하기 위해 용접 아크 안정성 및 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 열 입력은 고화 균열에 대한 민감성을 줄이고 용접 금속 및 열 영향 구역(HAZ) 인성의 현저한 열하를 방지하도록 제어된다. 바람직한 실시양태에서, 본 발명의 용접 금속은 적은 탄화물 부피 분율을 갖는 오스테나이트 그레인을 포함하는 미세구조를 갖는다.

또 다른 양태에서, 본원은, 침식/부식 내성 고 Mn 강의 용접 용착물(weld deposit)을 생성하는 방법을 제공한다. 상기 방법은, 용접될 2 개 이상의 고 Mn 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 0.4 중량% 내지 약 0.8 중량% 범위의 탄소, 약 18 중량% 내지 약 24 중량% 범위의 망간, 약 6 중량% 이하 양의 크롬, 약 4 중량% 이하 양의 몰리브덴, 약 5 중량% 이하 양의 니켈, 약 0.4 중량% 내지 약 1.0 중량% 범위의 규소, 약 200ppm 이하 양의 황, 약 200ppm 이하 양의 인, 및 철을 포함하는 잔부를 포함한다.

특정 실시양태에서, 용융 단계는, 용접 충전제 금속에 약 2.5 kJ/mm 이하의 용접 열 입력을 적용하는 단계를 포함한다.

특정 실시양태에서, 2 개 이상의 고 Mn 강 베이스는 용접될 부분을 포함하며, 이때 상기 부분은 약 30° 내지 약 37.5°의 경사를 갖는다.

다른 실시양태에서, 용접 용착물은, 용접된 상태에서 항복 강도가 고 망간 강 베이스의 항복 강도보다 크거나 또는 필요한 최소 항복 강도보다 크다.

특정 실시양태에서, 용접 용착물은, 약 70ksi보다 큰 용접된 상태에서의 항복 강도, 82.7ksi 초과의 용접된 상태에서의 극한 인장 강도, 약 16 % 초과의 용접된 상태에서의 인장 신율 및 -29℃에서 약 27J 초과의 용접된 상태 CVN 중 하나 이상을 갖는다.

추가 실시양태에서, 베이스의 열 영향 구역은 -29℃에서 약 27 J 초과의 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 베이스 금속의 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 1은, 내침식성 고 망간 강(ER-HMS) 거쓰 용접을 만들기 위한 진보된 용접 전원에 의해 발생된 펄스화 전류 파형의 예를 도시한다.
도 2a 및 2b는, 각각 본 발명의 일 실시양태에 따른 개방 경사를 도시한다.
도 3은, 상이한 합금 첨가의 함수로서 계산된 적층 결함 에너지(SFE)의 변화를 나타내는 일련의 플롯이다.
도 4는 상이한 합금 첨가의 함수로서 계산된 고화 온도 범위(STR)의 변화를 나타내는 일련의 플롯이다.
도 5는 상이한 합금 첨가의 함수로서 계산된 시멘타이트 솔버스 온도(CST)의 변화를 나타내는 일련의 플롯이다.
도 6은 물리적 용접 평가 및 시험을 위해 제조된 소모성 화학 물질에 대한 주요 열역학 파라미터를 도시하는 플롯이다.
도 7은 ER-HMS 소모품의 물리적 용접 평가에 사용될 수 있는 경사 설계의 도면이다.
도 8a는 본 발명의 일 실시양태에 따른 ER-HMS 소모품의 물리적 용접 평가를 위한 용접 비드 순서(bead sequence)이다.
도 8b는 도 8a에 도시된 용접 비드 순서에 대한 용접 매크로이다.
도 9는 후보 HMS 거쓰 용접 소모품에 대한 평균 항복 강도 및 평균 전도성 샤르피 V-노치(CVN) 값을 도시하는 플롯이다.
도 10은 후보 ER-HMS 용접 금속에 대한 제트 충돌 침식 시험 결과를 도시한다.
도 11은 본 발명에 따른 몇몇 ER-HMS 소모품에 대한 1 % 변형률 내지 7 % 변형률에서의 평균 최대 균열 거리(MCD)(㎜) 값을 도시한다.
도 12는 본 발명의 일 실시양태에 따른 ER-HMS 소모품의 용접 비드 순서의 예를 도시한다.
도 13은 본 발명의 일 실시양태에 따른 ER-HMS 파이프 거쓰 용접용 용접 매크로의 예를 도시한다.
도 14는 본 발명의 일 실시양태에 따른 ER-HMS 용접 금속(파이프 거쓰 용접)의 광학 현미경 사진의 예를 도시한다.
도 15는 본 발명의 일 실시양태에 따른 ER-HMS 소모품의 물리적 용접 평가를 위한 용접 비드 순서이다.

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 가질 수 있다. 또한, 용접 금속은 1 차 오스테나이트로서 고화된다. 따라서, 용접 금속 조성, 용접 경사 기하 구조 및 용접 비드 프로파일이 적절히 제어되지 않으면 용접이 고화 균열을 일으키는 경향이 있다.

본 발명의 고 Mn 강 용접 금속을 감소된 결함 잠재성을 갖는 분야에서 적용할 수 있고, 실용적 용접성을 유지하며, 용접 비드 프로파일을 제어할 수 있다는 놀랍고도 예기치 않은 발견에 관한 시스템 및 방법이 본원에 기재되어 있다. 본원에 기재된 시스템 및 방법은 침식/마모/부식 내성 고 Mn 강 베이스 금속과 유사한 강도, 인성 및 마모 특성을 갖는 고 Mn 강 용접을 제공한다.

이하 상세한 설명에서, 본 발명은 오일 샌드 제조에 사용되는 고 망간 강 슬러리 파이프라인과 관련하여 설명된다. 그러나, 본 발명의 실시양태는 명백하게, 적절한 강도, 인성 및 침식/마모 내성을 갖는 용접물(weldment)이 바람직한 침식/마모 내성 고 망간 강 부품(임의의 비-파이프 용접물 포함하지만 이로 제한되지는 않음)의 임의의 용접에 보다 폭넓게 적용된다. 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, CO₂, 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 매끄럽고 제어된 용접 아크 및 용접 풀을 적절하게 생성하기에 충분한 전원 전류 파형 제어에 의한 최신 가스 금속 아크 용접(GMAW) 공정을 사용하여 적용되는 오스테나이트 용접 금속을 제공한다. 이는 적절한 강도, 용접 금속 및 HMS 베이스 금속 열 영향 구역 모두에서 적절한 저온 인성, 높은 침식/부식 내성 및 결함 비율이 낮은 용접을 동시에 달성할 수 있는 고 Mn 강 파이프라인 거쓰 용접에 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.

ER-HMS 용접 금속 화학 물질은, 베이스 금속 HMS 화학 물질과 함께 필요한 소모성 용접 와이어 조성을 계산하는데 사용될 수 있다. 유사한 방식으로, 소모성 용접 와이어 화학 물질 및 베이스 금속 HMS 화학 물질이 ER-HMS 용접 금속 화학 물질을 계산하는 데 사용될 수 있다. ER-HMS 화학 물질은 용접 와이어 화학 물질의 변경과 침투량과 베이스 금속 희석량을 제어하는 용접 공정의 지식으로 간단하게 다양한 HMS 베이스 금속에 적용할 수 있다. 용접 공학 분야의 당업자에게 공지된 바와 같이, 희석 계산은 2 가지 화학 물질이 공지되거나 특정될 때 3 가지 화학 물질 중 하나를 결정하는데 사용될 수 있다. 용접 HMS 구성 요소(예: 슬러리 파이프)의 경우 세 가지 금속이 관여한다: 베이스 금속, 용접 금속 및 충전제 와이어. 본원에 기재된 기계화된 MCAW 파이프라인 거쓰 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 고 Mn 강 슬러리 파이프라인에서 거쓰 용접에 대해 적절한 기계적 특성 및 우수한 침식/부식 내성을 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 방법(전원 유형 및 차폐 가스 선택을 포함하는 공정 및 절차)을 선택하여 설계되며, 적절한 용접 미세구조 및 기계적 특성을 생성하기 위해 견고한(rugged) 현장 파이프라인 구축 조건에 적용될 수 있다.

일 실시양태에서, 용접 금속은, 약 0.4 중량% 내지 약 0.8 중량%의 탄소, 약 18 중량% 내지 약 24 중량%의 망간, 약 6 중량% 이하 양의 크롬, 약 4 중량% 이하 양의 몰리브덴, 약 5 중량% 이하 양의 니켈, 약 0.4 중량% 내지 약 1.0 중량% 범위의 규소, 200ppm 이하 양의 황, 약 200ppm 이하 양의 인을 포함하고, 잔부는 철이다. 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.

아래에 설명되는 이유들로 인해 다른 원소들이 첨가될 수 있다. 일 실시양태에서, 용접 금속은 약 2 중량% 이하 양의 티타늄, 약 5 중량% 이하 양의 니오븀, 약 5 중량% 이하 양의 텅스텐, 약 1.0 중량% 이하 양의 알루미늄, 약 0.1 중량% 이하 양의 붕소, 약 1.5 중량% 이하 양의 질소, 또는 이들의 조합물을 추가로 포함한다.

용접 야금, 미세구조 및 기계적 특성:

특정 실시양태에서, 본원에 기재된 고 Mn 강 용접 금속은 예를 들어 슬러리 파이프 적용례에 사용되는 베이스 금속 고 Mn 강과 유사한 기계적 특성 및 침식/부식 특성을 갖는다. 이와 같이, ER-HMS 용접 금속은 예를 들어 슬러리 파이프 적용례를 위한 베이스 금속 고 Mn 강과 유사한 미세구조 및 유사한 변형-유도(strain-induced) 변환 거동을 가질 수 있다. 기존의 탄소 강과는 달리, 고 Mn 강의 미세구조는 실온에서 면심 입방(fcc) 구조의 준안정성 오스테나이트 상을 가질 수 있다.

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 준안정성 오스테나이트 상을 함유하도록 제조되며, 이는 종종 변환시에 경질 α'- 마르텐사이트로 변환된다. 이러한 마찰-유도 상 전환은 마모/침식 적용례를 위한 바람직한 조합인 강인한(tough) 비변환 준안정성 오스테나이트의 내부 위에 마르텐사이트로 이루어진 얇은 경질 표면층을 형성하게 된다.

다른 실시양태에서, 표면 그레인 미세화(refinement)는 작동/사용 전 및/또는 그 동안(예를 들어, 원위치에서 형성됨) 특정 고 Mn 강의 표면층에서 발생한다. 예를 들어, 표면에서의 그레인 미세화는 고 강도 및 경도, 높은 연성 및/또는 높은 인성의 독특한 조합을 갖는 층을 형성할 수 있다. 이러한 미세 그레인화(예를 들어, 약 100 nm 층 높이) 또는 초미세 그레인화(예를 들어, 약 10 nm 층 높이) 표면층은 작동/사용 전 및/또는 그 동안(예를 들어, 원위치에서 형성됨) 단계적으로(step-out) 내마모성, 내침식성 및/또는 내부식성을 부여할 수 있다.

예시적인 실시양태에서, 미세 그레인화(예를 들어, 약 100 nm 층) 또는 초미세 그레인화(예를 들어, 약 10 nm 층) 표면층은 예시적인 강의 사용/설치 이전에, 비제한적으로 샷 피닝(shot peening), 레이저 충격 피닝(laser shock peening) 및/또는 표면 버니싱(surface burnishing)과 같은 이러한 표면 변형(deformation)에 의해 형성될 수 있다.

ER-HMS 용접 금속에서 요구되는 기계적 거동을 생성하기 위해, 미세구조는 베이스 금속 내침식성 HMS의 것과 유사해야 한다. 망간은 고 Mn 강의 주요 원소이며 냉각 및 변형 중에 오스테나이트 구조를 안정화시키는 데 중요한다. 일부 실시양태에서, Mn 수준은 용접 금속 및 베이스 금속 모두에서 유사하다. 특정 실시양태에서, 용접 금속은 약 18 중량% 내지 약 24 중량%, 약 18 중량% 내지 약 23 중량%, 약 18 중량% 내지 약 22 중량%, 약 18 중량% 내지 약 21 중량%, 약 18 중량% 내지 약 20 중량%, 약 18 중량% 내지 약 19 중량%, 19 중량% 내지 약 24 중량%, 약 19 중량% 내지 약 23 중량%, 약 19 중량% 내지 약 22 중량%, 약 19 중량% 내지 약 21 중량%, 약 19 중량% 내지 약 20 중량%, 20 중량% 내지 약 24 중량%, 약 20 중량% 내지 약 23 중량%, 약 20 중량% 내지 약 22 중량%, 약 20 중량% 내지 약 21 중량%, 21 중량% 내지 약 24 중량%, 약 21 중량% 내지 약 23 중량%, 약 21 중량% 내지 약 22 중량%, 22 중량% 내지 약 24 중량%, 약 2 중량% 내지 약 23 중량%, 또는 약 23 중량% 내지 약 24 중량%의 양의 망간을 포함한다. 다른 실시양태에서, 용접 금속은 약 18 중량%, 약 18.5 중량%, 약 19 중량%, 약 19.5 중량%, 약 20 중량%, 약 20.5 중량%, 약 21 중량%, 약 21.5 중량%, 약 22 중량%, 약 22.5 중량%, 약 23 중량%, 약 23.5 중량%, 또는 약 24 중량% 양의 망간을 포함한다.

특정 실시양태에서, 용접 금속의 탄소 함량은 베이스 금속에 비해 낮은 수준이다. 탄소 함량이 낮으면 파이프 용접에 대한 충분한 용접성(용접 풀 유동성, 아크 안정성 및 용접 비드 프로파일)을 생성하는 데 도움이 된다. 특정 실시양태에서, 베이스 금속 중의 탄소는 1.0 중량% 초과이고, 용접 금속 중의 탄소는 0.8 중량% 미만의 수준이다. 일부 실시양태에서, 용접 금속은 약 0.7 중량% 이하, 약 0.6 중량% 이하, 약 0.5 중량% 이하, 약 0.4 중량% 이하, 약 0.3 중량% 이하, 약 0.2 중량% 이하, 약 0.1 중량% 이하, 약 0.1 중량% 내지 약 0.8 중량%, 약 0.1 중량% 내지 약 0.7 중량%, 약 0.1 중량% 내지 약 0.6 중량%, 약 0.1 중량% 내지 약 0.5 중량%, 약 0.1 중량% 내지 약 0.4 중량%, 약 0.1 중량% 내지 약 0.3 중량%, 약 0.1 중량% 내지 약 0.2 중량%, 약 0.2 중량% 내지 약 0.8 중량%, 약 0.2 중량% 내지 약 0.7 중량%, 약 0.2 중량% 내지 약 0.6 중량%, 약 0.2 중량% 내지 약 0.5 중량%, 약 0.2 중량% 내지 약 0.4 중량%, 약 0.2 중량% 내지 약 0.3 중량%, 약 0.3 중량% 내지 약 0.8 중량%, 약 0.3 중량% 내지 약 0.7 중량%, 약 0.3 중량% 내지 약 0.6 중량%, 약 0.3 중량% 내지 약 0.5 중량%, 약 0.3 중량% 내지 약 0.4 중량%, 약 0.4 중량% 내지 약 0.8 중량%, 약 0.4 중량% 내지 약 0.7 중량%, 약 0.4 중량% 내지 약 0.6 중량%, 약 0.4 중량% 내지 약 0.5 중량%, 약 0.5 중량% 내지 약 0.8 중량%, 약 0.5 중량% 내지 약 0.7 중량%, 약 0.5 중량% 내지 약 0.6 중량%, 약 0.6 중량% 내지 약 0.8 중량%, 약 0.6 중량% 내지 약 0.7 중량%, 또는 약 0.7 중량% 내지 약 0.8 중량% 양의 탄소를 포함한다. 다른 실시양태에서, 용접 금속은 약 0.1 중량%, 약 0.2 중량%, 약 0.3 중량%, 약 0.4 중량%, 약 0.5 중량%, 약 0.6 중량%, 약 0.7 중량%, 또는 약 0.8 중량% 양의 탄소를 포함한다.

오스테나이트 HMS에서, 탄소는 효과적인 오스테나이트 안정화제로서 작용하고 또한 고용체 경화(hardening)에 의해 매트릭스를 강화시킨다. ER-HMS 용접 금속의 탄소 함량 감소는 베이스 금속과 유사한 강도 특성을 생성하기 위해 용접 금속을 추가 원소로써 합금화시키는 것을 필요로 한다.

규소 첨가는 α'-마르텐사이트 변환을 유지하는 것 이외에 일부 고용체 강화를 제공한다. 또한 규소는 용접 중 용접 풀의 유동성을 향상시켜 용접성을 향상시킨다. 일 실시양태에서, 용접 금속 내의 규소 함량은 용접성 이점으로 인해 베이스 금속 수준을 넘어서 증가되며, 예를 들어, 약 0.4 중량% 내지 약 1.0 중량% 범위이다. 일부 실시양태에서, 용접 금속은 약 0.4 중량% 내지 약 0.9 중량%, 약 0.4 중량% 내지 약 0.8 중량%, 약 0.4 중량% 내지 약 0.7 중량%, 약 0.4 중량% 내지 약 0.6 중량%, 약 0.4 중량% 내지 약 0.5 중량%, 약 0.5 중량% 내지 약 1.0 중량%, 약 0.5 중량% 내지 약 0.9 중량%, 약 0.5 중량% 내지 약 0.8 중량%, 약 0.5 중량% 내지 약 0.7 중량%, 약 0.5 중량% 내지 약 0.6 중량%, 약 0.6 중량% 내지 약 1.0 중량%, 약 0.6 중량% 내지 약 0.9 중량%, 약 0.6 중량% 내지 약 0.8 중량%, 약 0.4 중량% 내지 약 0.7 중량%, 약 0.7 중량% 내지 약 1.0 중량%, 약 0.7 중량% 내지 약 0.9 중량%, 약 0.7 중량% 내지 약 0.8 중량%, 약 0.8 중량% 내지 약 1.0 중량%, 약 0.8 중량% 내지 약 0.9 중량%, 또는 약 0.9 중량% 내지 약 1.0 중량% 양의 규소를 포함한다.

크롬 첨가는 내부식성을 증가시키고 용접 금속 내부식성이 베이스 금속 내부식성과 유사하다는 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 6 중량% 이하 양으로 존재한다. 특정 실시양태에서, 용접 금속은 약 5 중량% 이하, 약 4 중량% 이하, 약 3 중량% 이하, 약 2 중량% 이하, 약 1 중량% 이하, 약 1 중량% 내지 약 6 중량%, 약 1 중량% 내지 약 5 중량%, 약 1 중량% 내지 약 4 중량%, 약 1 중량% 내지 약 3 중량%, 약 1 중량% 내지 약 2 중량%, 약 2 중량% 내지 약 6 중량%, 약 2 중량% 내지 약 5 중량%, 약 2 중량% 내지 약 4 중량%, 약 2 중량% 내지 약 3 중량%, 약 3 중량% 내지 약 6 중량%, 약 3 중량% 내지 약 5 중량%, 약 3 중량% 내지 약 4 중량%, 약 4 중량% 내지 약 6 중량%, 약 4 중량% 내지 약 5 중량%, 또는 약 5 중량% 내지 약 6 중량% 양의 크롬을 포함한다. 다른 실시양태에서, 용접 금속은 약 0.5 중량%, 약 1 중량%, 약 1.5 중량%, 약 2 중량%, 약 2.5 중량%, 약 3 중량%, 약 3.5 중량%, 약 4 중량%, 약 4.5 중량%, 약 5 중량%, 약 5.5 중량%, 또는 약 6 중량% 양의 크롬을 포함한다.

몰리브덴 첨가는 현저한 고용체 강화를 제공한다. 몰리브덴의 첨가는 ER-HMS 용접 금속에서 요구되는 강도 특성을 달성하는 데 중요한다. 본 발명의 용접 금속은 약 4 중량% 이하 양의 몰리브덴을 포함할 수 있다. 특정 실시양태에서, 용접 금속은 약 3 중량% 이하, 약 2 중량% 이하, 약 1 중량% 이하, 약 1 중량% 내지 약 4 중량%, 약 1 중량% 내지 약 3 중량%, 약 1 중량% 내지 약 2 중량%, 약 2 중량% 내지 약 4 중량%, 약 2 중량% 내지 약 3 중량%, 또는 약 3 중량% 내지 약 4 중량% 양의 몰리브덴을 포함한다. 다른 실시양태에서, 용접 금속은 약 0.5 중량%, 약 1 중량%, 약 1.5 중량%, 약 2 중량%, 약 2.5 중량%, 약 3 중량%, 약 3.5 중량%, 또는 약 4 중량% 양의 몰리브덴을 포함한다.

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 5 중량% 이하 양의 니켈을 포함한다. 특정 실시양태에서, 용접 금속은 약 4 중량% 이하, 약 3 중량% 이하, 약 2 중량% 이하, 약 1 중량% 이하, 약 1 중량% 내지 약 5 중량%, 약 1 중량% 내지 약 4 중량%, 약 1 중량% 내지 약 3 중량%, 약 1 중량% 내지 약 2 중량%, 약 2 중량% 내지 약 5 중량%, 약 2 중량% 내지 약 4 중량%, 약 2 중량% 내지 약 3 중량%, 약 3 중량% 내지 약 5 중량%, 약 3 중량% 내지 약 4 중량%, 또는 약 4 중량% 내지 약 5 중량% 양의 니켈을 포함한다. 다른 실시양태에서, 용접 금속은 약 0.5 중량%, 약 1 중량%, 약 1.5 중량%, 약 2 중량%, 약 2.5 중량%, 약 3 중량%, 약 3.5 중량%, 약 4 중량%, 약 4.5 중량%, 또는 약 5 중량% 양의 니켈을 포함한다.

ER-HMS 용접 금속에 부가될 수 있는 몇몇 추가적인 소량 원소 첨가물이 있다. 질소 및/또는 붕소는 추가의 고용체 강화를 제공하기 위해 소량으로, 예를 들어 각각 약 1.5 중량% 이하 및 약 0.1 중량% 이하로 첨가될 수 있다. 보다 높은 양의 질소는 용접 금속 다공성 및 열화된 인성을 유발할 수 있다. 텅스텐은 또한 고용체 강화제로서 작용하도록 예를 들어 약 5 중량% 이하 양으로 첨가될 수 있다. 특정 실시양태에서, 용접 금속은 약 4 중량% 이하, 약 3 중량% 이하, 약 2 중량% 이하, 약 1 중량% 이하, 약 1 중량% 내지 약 5 중량%, 약 1 중량% 내지 약 4 중량%, 약 1 중량% 내지 약 3 중량%, 약 1 중량% 내지 약 2 중량%, 약 2 중량% 내지 약 5 중량%, 약 2 중량% 내지 약 4 중량%, 약 2 중량% 내지 약 3 중량%, 약 3 중량% 내지 약 5 중량%, 약 3 중량% 내지 약 4 중량%, 또는 약 4 중량% 내지 약 5 중량% 양의 텅스텐을 포함한다. 다른 실시양태에서, 용접 금속은 약 0.5 중량%, 약 1 중량%, 약 1.5 중량%, 약 2 중량%, 약 2.5 중량%, 약 3 중량%, 약 3.5 중량%, 약 4 중량%, 약 4.5 중량%, 또는 약 5 중량% 양의 텅스텐을 포함한다.

소량의 티타늄 및 니오븀은 (예를 들어, 각각 약 2 중량% 이하 및 약 5 중량% 이하로) 용접 금속을 강화시키기 위한 그레인 미세화 및 석출 강화 목적으로 첨가될 수 있다. 특정 실시양태에서, 용접 금속은 약 1 중량% 이하 또는 약 1 중량% 내지 약 2 중량% 양의 티타늄을 포함한다. 다른 실시양태에서, 용접 금속은 약 0.5 중량% 1 중량%, 약 1.5 중량% 또는 약 2 중량% 양의 티타늄을 포함한다. 특정 실시양태에서, 용접 금속은 약 4 중량% 이하, 약 3 중량% 이하, 약 2 중량% 이하, 약 1 중량% 이하, 약 1 중량% 내지 약 5 중량%, 약 1 중량% 내지 약 4 중량%, 약 1 중량% 내지 약 3 중량%, 약 1 중량% 내지 약 2 중량%, 약 2 중량% 내지 약 5 중량%, 약 2 중량% 내지 약 4 중량%, 약 2 중량% 내지 약 3 중량%, 약 3 중량% 내지 약 5 중량%, 약 3 중량% 내지 약 4 중량%, 또는 약 4 중량% 내지 약 5 중량% 양의 니오븀을 포함한다. 다른 실시양태에서, 용접 금속은 약 0.5 중량%, 약 1 중량%, 약 1.5 중량%, 약 2 중량%, 약 2.5 중량%, 약 3 중량%, 약 3.5 중량%, 약 4 중량%, 약 4.5 중량%, 또는 약 5 중량% 양의 니오븀을 포함한다.

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.

특정 실시양태에서, 본 발명의 용접 금속은 탄화물의 적은 부피 분율을 갖는 오스테나이트 그레인을 포함하는 미세구조를 갖는다.

또 다른 실시양태에서, 용접 금속은 용접된 상태에서 항복 강도가 고 망간 강 베이스의 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 82.7ksi보다 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.

다른 실시양태에서, 용접 금속은 용접된 상태에서 약 16 %보다 큰 인장 신율을 갖는다. 특정 실시양태에서, 용접 금속의 인장 신율은 약 20%, 약 25%, 약 30%, 약 35%, 약 40%, 약 45%, 약 50%, 약 55%, 약 60%, 또는 약 65%보다 크다.

다른 실시양태에서, 용접 금속은 7 % 변형률에서 용접된 상태에서 약 40℃ 내지 약 170℃의 고화 균열 온도 범위를 갖는다. 특정 실시양태에서, 7 % 변형률에서 고화 균열 온도 범위는 약 40℃ 내지 약 160℃, 약 40℃ 내지 약 150℃, 약 40℃ 내지 약 140℃, 약 40℃ 내지 약 130℃, 약 40℃ 내지 약 120℃, 약 40℃ 내지 약 110℃, 약 40℃ 내지 약 100℃, 약 40℃ 내지 약 90℃, 약 40℃ 내지 약 80℃, 약 40℃ 내지 약 70℃, 약 40℃ 내지 약 60℃, 약 50℃ 내지 약 170℃, 약 50℃ 내지 약 160℃, 약 50℃ 내지 약 150℃, 약 50℃ 내지 약 140℃, 약 50℃ 내지 약 130℃, 약 50℃ 내지 약 120℃, 약 50℃ 내지 약 110℃, 약 50℃ 내지 약 100℃, 약 50℃ 내지 약 90℃, 약 50℃ 내지 약 80℃, 약 50℃ 내지 약 70℃, 약 60℃ 내지 약 170℃, 약 60℃ 내지 약 160℃, 약 60℃ 내지 약 150℃, 약 60℃ 내지 약 140℃, 약 60℃ 내지 약 130℃, 약 60℃ 내지 약 120℃, 약 60℃ 내지 약 110℃, 약 60℃ 내지 약 100℃, 약 60℃ 내지 약 90℃, 약 60℃ 내지 약 80℃, 약 70℃ 내지 약 170℃, 약 70℃ 내지 약 160℃, 약 70℃ 내지 약 150℃, 약 70℃ 내지 약 140℃, 약 70℃ 내지 약 130℃, 약 70℃ 내지 약 120℃, 약 70℃ 내지 약 110℃, 약 70℃ 내지 약 100℃, 약 7℃ 내지 약 90℃, 약 80℃ 내지 약 170℃, 약 80℃ 내지 약 160℃, 약 80℃ 내지 약 150℃, 약 80℃ 내지 약 140℃, 약 80℃ 내지 약 130℃, 약 80℃ 내지 약 120℃, 약 80℃ 내지 약 110℃, 약 80℃ 내지 약 100℃, 약 90℃ 내지 약 170℃, 약 90℃ 내지 약 160℃, 약 90℃ 내지 약 150℃, 약 90℃ 내지 약 140℃, 약 90℃ 내지 약 130℃, 약 90℃ 내지 약 120℃, 약 90℃ 내지 약 110℃, 약 100℃ 내지 약 170℃, 약 100℃ 내지 약 160℃, 약 100℃ 내지 약 150℃, 약 100℃ 내지 약 140℃, 약 100℃ 내지 약 130℃, 약 100℃ 내지 약 120℃, 약 110℃ 내지 약 170℃, 약 110℃ 내지 약 160℃, 약 110℃ 내지 약 150℃, 약 110℃ 내지 약 140℃, 약 110℃ 내지 약 130℃, 약 130℃ 내지 약 170℃, 약 130℃ 내지 약 160℃, 약 130℃ 내지 약 150℃, 또는 약 140℃ 내지 약 170℃이다.

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.

본 발명의 다른 실시양태에 따르면, 본 발명의 용접 금속을 적용하기 위한 시스템이 제공된다. 슬러리 파이프라인 구축을 위한 실용적인 생산성으로 제조된 양호한(sound) ER-HMS 용접의 적용은 최근 개발된 용접 기술로 수행할 수 있다. ER-HMS 용접의 우수한 용접성을 가능하게 하는 GMAW 용접기는 산업계에서 사용가능하다. GMAW 전원 제조업체는 정교한 고체 상태 전자 장치를 사용하는 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.

상기 시스템은, 용접 아크 안정성 및 용접 풀 유동 특성, 예컨대 허용가능한 용접성을 제공하기 위한 점성 및 비드 형상을 제어하기 위해 용접 장비 및 파라미터를 사용할 수 있다. 침식/부식 내성 고 망간 용접을 제공하기 위한 시스템은, 가스 금속 아크 용접을 수행하는 소모성 와이어 전극 및 가스 금속 아크 용접 전원을 포함한다. 소모성 와이어 전극은, 약 0.4 중량% 내지 약 0.8 중량% 범위의 탄소, 약 18 중량% 내지 약 24 중량% 범위의 망간, 약 6 중량% 이하 양의 크롬, 약 4 중량% 이하 양의 몰리브덴, 약 5 중량% 이하 양의 니켈, 약 0.4 중량% 내지 약 1.0 중량% 범위의 규소, 약 200 ppm 이하 양의 황, 약 200 ppm 이하 양의 인, 및 철을 포함하는 잔부를 포함하는 용접 금속을 생성한다. 가스 금속 아크 용접 전원은 약 2.5 kJ/mm 이하의 용접 열 입력을 발생시킨다.

또 다른 실시양태에서, 용접 열 입력은 약 0.6 내지 약 1.0 kJ/mm의 범위이다.

일부 실시양태에서, 시스템은 하나 이상의 차폐 가스를 제공하기 위한 장치를 추가로 포함하며, 이때 상기 하나 이상의 차폐 가스는 약 10 % 내지 약 30 % 범위의 CO₂를 포함한다.

특정 실시양태에서, 하나 이상의 차폐 가스는 80 % 아르곤 및 20 % CO₂이다.

용접성:

일 실시양태에서, 현장 고 Mn 강 구축(예를 들어, 슬러리 파이프라인 구축)에 있어서, ER-HMS 용접은 바람직하게는 GMAW-기반 공정, 특히 PGMAW를 사용하여 이루어지지만, 특정 화학 물질 및 미세구조가 달성되고 용접성이 적용례에 만족스러우면 다른 공정도 사용될 수 있다. 진보된 펄스화 용접 전원은 ER-HMS 현장 구축을 위한 우수한 용접성을 달성하는 데 중요한다. 이러한 전원의 몇몇 예는 프로니우스 트랜스시너직(Fronius TransSynergic) 3200, 린콜 파워 웨이브(Lincoln Power Wave) 455 및 밀러 파이프프로(Miller PipePro) 450이다.

본 발명의 일 실시양태에서 ER-HMS 용접을 1G 또는 5G 거쓰 용접에 적용하기 위한 시스템은 약 75 내지 약 150 암페어의 배경 전류 및 약 350 내지 약 450 암페어의 펄스 전류 크기의 사용을 포함한다. 펄스 전류 파형의 예가 도 1에 나와 있다. 아크 전압은 약 15V 내지 약 30V 범위일 수 있다. 와이어 공급 속도는 약 1.2mm 직경 와이어에 대해 분당 약 80 내지 약 500 인치(ipm) 범위일 수 있다. 차폐 가스 유속은 시간당 약 10 내지 50 입방 피트(cfh) 범위일 수 있다. 이동 속도는 루트 용접에서 약 1 내지 약 18ipm이고, 필(fill) 및 캡 패스에서 약 1 내지 약 25ipm의 범위일 수 있다. 충전제 와이어는 직경이 약 0.9mm 내지 약 1.6mm 범위일 수 있다. 열 입력은 루트 및 필 패스 모두에 대해 약 15 내지 약 26 kJ/인치의 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 고화 균열에 대한 민감성을 감소시키고 용접 금속 및 열 영향 구역(HAZ) 인성의 현저한 열화를 방지하도록 제어된다.

침식/부식 내성 고 Mn 강의 용접 용착물을 생성하는 방법은, 용접될 2 개 이상의 고 Mn 강 베이스 및 용접 충전제 재료를 제공하는 단계; 및 상기 용접 충전제 재료를 용융 및 냉각시켜 용접 용착물을 생성하는 단계를 포함한다. 상기 용접 충전제 금속은 약 0.4 중량% 내지 약 0.8 중량% 범위의 탄소, 약 18 중량% 내지 약 24 중량% 범위의 망간, 약 6 중량% 이하 양의 크롬, 4 중량% 이하 양의 몰리브덴, 5 중량% 이하 양의 니켈, 0.4 중량% 내지 1.0 중량% 범위의 규소, 200ppm 이하 양의 황, 200ppm 이하 양의 인, 및 철을 포함하는 잔부를 포함한다.

특정 실시양태에서, 용융 단계는 용접 충전제 금속/용접 소모성 와이어 조성물에 약 2.5 kJ/mm 이하의 용접 열 입력을 적용하는 단계를 포함한다.

특정 실시양태에서, 2 개 이상의 고 Mn 강 베이스는 용접될 부분을 포함하고, 상기 부분은 약 30° 내지 약 37.5°의 경사를 갖는다.

일 실시양태에서, 베이스의 열 영향 구역은 -29℃에서 약 27 J보다 큰 용접-후 CVN 에너지를 갖는다. 특정 실시양태에서, 베이스의 열 영향 구역은 -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 용접-후 CVN 에너지를 갖는다.

일부 실시양태에서, 베이스 금속은 침식/부식 내성 고 Mn 강이다.

일 실시양태에서, 상기 방법은 베이스 금속에서의 탄소 희석을 제한하는 단계를 추가로 포함한다. 예를 들어, 상기 방법은, 용접 금속 중의 탄소 함량을 베이스 금속의 열 영향 구역에서의 탄소량보다 적은 양으로 제한하는 단계를 추가로 포함한다. 일 실시양태에서, 용접 금속은 약 0.8 중량% 이하 양의 탄소를 포함하고, 베이스 금속은 적어도 약 1.0 중량% 예를 들어, 약 1.0 중량% 내지 약 3.0 중량%)의 양의 탄소를 포함한다.

일 실시양태에서, 용접 금속 항복 강도는 내침식성 HMS 베이스 파이프의 항복 강도보다 크거나 또는 슬러리 파이프라인 설계에 의해 요구되는 특정 최소 항복 강도(SMYS)보다 크다. 다른 실시양태에서, 용접 금속 극한 인장 강도는 베이스 파이프 바디에 대한 특정 최소 극한 인장 강도(SMUTS)보다 크다. 추가의 실시양태에서, 용접 금속은 약간의 최소 특정 수준의 인장 신율을 제공해야 한다.

일 실시양태에서, ER-HMS 용접 금속은 1 차 오스테나이트로서 고화되고, 이는 상기 용접 금속을 용접 고화 균열에 대해 민감하게 만든다. 임의의 용접 고화 균열은 슬러리 파이프 제조에 허용불가하므로, ER-HMS 용접 금속은 실제 용접 파라미터를 사용하여 용접 중 고화 균열에 대한 적절한 내성을 제공해야 한다. ER-HMS 용접 금속에서의 고화 균열을 피하기 위한 용접 금속 화학 물질의 적절한 제어. 또한, 소모성 와이어 조성을 제어하면 적절한 수준의 합금 원소와 최소 수준의 불순물 원소, 예컨대 황 및 인을 보장하고, 또한 고화 균열을 피하는 데 도움이 될 수 있다. 다른 실시양태에서, 용접 금속 조성 범위가 적절한 범위 내에 있음을 보장하기 위해 베이스 금속의 희석이 관리된다. 베이스 금속 HMS는 ER-HMS 용접 소모품보다 높은 탄소 함량을 가지므로, 더 큰 희석은 보다 큰 고화 균열 민감성을 초래한다. 일 실시양태에서, 희석 수준은 최대 열 입력 및 규정 용접 비드 순서를 제한함으로써 제어된다. 고화 균열은 또한 용접 금속 고화 중에 발생하는 용접 잔류 응력의 크기와 위치에 의존한다. 특정 용접 경사 기하 구조를 사용하면 보다 우호적인 용접 잔류 응력, 및 ER-HMS 용접 금속의 고화 균열에 대한 내성 개선을 제공할 수 있다. 보다 큰 끼인 각(included angle)을 갖는 개방 경사는 낮은 깊이 대 폭 비(depth-to-width ratio)를 갖는 용접 비드를 생성하고, 이는 보다 작은 끼인 각 및 보다 큰 열 유도 응력을 갖는 좁은 경사와 비교 시에 고화 균열 민감성을 감소 시킨다. 예를 들어, 일 실시양태에서, 파이프 거쓰 용접용 경사는 도 2a에 도시된 바와 같이 높이가 약 3/32 인치 내지 약 1/8 인치인 개구(갭)를 포함한다. 또한, 상기 개구는 약 3/32 인치 내지 약 1/8 인치 범위의 높이(랜드)를 가질 수 있다. 경사는 약 30° 내지 약 37.5°의 경사각을 가질 수 있다. 다른 실시양태에서, 개방 경사는 높이를 갖지 않지만, 도 2b에 도시된 바와 같이, 경사는 베이스의 일 표면으로부터 시작하여 실질적으로 직선으로 베이스의 다른 표면으로 진행한다. 이 실시양태에서, 개구는 폭이 약 1/32 인치 내지 약 6/32 인치(예를 들어, 5/32")일 수 있다.

일 실시양태에서, ER-HMS 소모품은 내침식성 HMS 베이스 금속과 유사한 망간 함유량을 가지며, 이는 베이스 금속 미세구조와 유사한 용접 금속 미세구조를 생성한다(둘다 오스테나이트임). 이 화학적 상용성으로 인해 용접 금속/베이스 금속 계면에서 마르텐사이트 상이 형성되는 것을 방지한다. 이는 냉간 분열/수소 분열과 같은 잠재적 문제의 위험을 감소시킨다.

또 다른 실시양태에서, 고 Mn 강 베이스는 본원에 참고로 인용된 문헌[2013 EM118, PCT/US2014/020599 entitled "Enhanced Wear Resistant Steel and Methods of Making the Same"]에 제공되어 있고, 이에 기재되어 있다.

용접 차폐 가스 조성물의 적절한 제어는 요구되는 특성을 갖는 양호한 ER-HMS 용접을 생성하는 것을 도울 수 있다. ER-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 파이프라인 용접에서 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, 일 실시양태에서, 차폐 가스 내의 CO₂의 양은 10 % 내지 30 % 사이로 제어된다. 다른 실시양태에서, ER-HMS 용접 기술은 80 % Ar/20 % CO₂의 조성을 갖는 차폐 가스를 적용한다.

고화 균열의 위험을 최소화하기 위해 ER-HMS 용접의 용접 비드 프로파일을 적절하게 제어해야 한다. 특정 실시양태에서, 고도로 오목한 비드 프로파일은 고화 균열을 일으키기 쉽기 때문에 회피된다. 비드 프로파일은, 용접 전류, 와이어 공급 속도 및 용접 이동 속도를 적절하게 제어하여 제어할 수 있다.

ER-HMS 용접을 적용하기 위해 코어화된 와이어 소모품을 사용할 때, 금속 코어 아크 용접(MCAW) 및 플럭스 코어 아크 용접(FCAW)과 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 수 있다. 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 ER-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 거쓰 용접 조인트에서 횡 변형률이 증가하여 고화 균열의 가능성이 높아질 수 있다.

용접 열 입력을 최대 값 미만으로 제어하는 추가의 이유는, 과도한 용접 간극(interpass) 탄화물 석출을 방지하기 위함이다. ER-HMS 용접에 사용되는, 다중 패스 용접에서, 각각의 후속 용접 패스는 이전 패스에서 용접 금속 비드에 영향을주는 열 사이클을 생성한다. 열 입력이 너무 크면, 이 용접 금속 재가열로 인해 용접 금속에 탄화물이 침전을 초래할 수 있다. 과도한 탄화물 형성은 요건 미만으로 용접 금속 인성을 저하시킬 수 있다.

또한, 용접 열 입력 제어는, HMS 베이스 금속 HAZ에서 필요한 인성을 유지하는 데 중요하다. 열 입력이 너무 높으면 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, ER-HMS 용접 금속과 HMS 베이스 금속 HAZ 모두에서 필요한 인성을 보장하기 위해 적절한 열 입력 제어가 필요하다.

상술된 용접 금속 화학 물질, 용접 공정 및 용접 방법의 적절한 적용은 HMS 슬러리 파이프라인을 구축하는데 필요한 미세구조 및 기계적 특성을 갖는 적절한 ER-HMS 용접을 생성할 것이다. 신규한 ER-HMS 용접 금속은 예를 들어 1G 및 5G 용접 위치에서 현대의 파이프라인 용접 장비를 사용하여 실질적인 생산성으로 적용될 수 있으며 거쓰 용접 보수 용접을 생성하는 데에 적용될 수 있다.

본 발명의 일 실시양태는, 특정 적용 요건을 위한 ER-HMS 용접을 생성하는 방법을 포함한다. 상기 방법은 본원에 개시된 유효 범위 내에서 원하는 ER-HMS 용접 금속 화학 물질을 결정하는 것을 포함한다. 일 실시양태에서, 상기 방법은 베이스 금속 화학 물질 및 원하는 용접 금속 화학 물질이 주어지면 용접 소모성 와이어 화학 물질을 결정하는 단계를 포함한다. 일부 실시양태에서, 용접 소모성 와이어 화학 물질을 결정하는 단계는 전술된 희석 계산을 수행하는 단계를 포함한다. 일부 실시양태에서, 상기 방법은, 용접 소모성 와이어를 사용하여 베이스 금속을 용접하는 단계를 추가로 포함한다. 특정 실시양태에서, 상기 베이스 금속을 용접하는 단계는 만족스러운 용접성 및 용접 융합을 제공하기 위해 용접 중 아크 안정성 및 용접 풀 유동 특성을 제어하는 단계를 포함한다.

실시예

용접 소모성 화학 물질 선택 방법:

미세구조, 상 변환 및 특성에 대한 이들 합금 원소 효과의 이해에 기초하여, 적절한 ER-HMS 용접 금속 화학 물질을 적용례에 맞게 설계할 수 있다. 소모성 화학 물질의 적절한 선택은 계산된 재료 특성 예측을 사용하여 스크리닝함으로써 촉진될 수 있다. 계산된 상 다이어그램을 사용하여 원소 농도 범위에 걸쳐 중요한 재료 특성을 예측할 수 있다. 다양한 가능한 합금 원소 및 농도 범위를 갖는 ER-HMS 용접 금속 화학 물질과 같은 경우, 독립 변수 및 종속 변수를 분석하기 위한 실험 방법 설계를 이용하는 것이 유리한다. 이 유형의 계승(factorial) 설계 방법의 예는 표 1에 표시된 바와 같이 각각 3 개 농도의 8 개 변수(합금 원소)이고, 이는 3^8 또는 6,561 실험 조건(조성)을 제공한다.

표 1. 6,561 실험 조건의 예비 분석에 사용된 8 개 원소에 대한 농도.

실험 계승 방법의 설계를 통해 실험 용접 금속 조성물을 생성시킨 후, 주요 열역학적 파라미터를 초기 스크리닝의 목적으로 각 조성물에 대해 계산할 수 있다. ER-HMS 용접 금속 성능을 예측하는 데 사용할 수 있는 세 가지 중요 파라미터는 다음과 같다: (i) 결함 에너지 누적(stacking fault energy, SFE), (ii) 고화 온도 범위 및 (iii) 시멘타이트 솔버스 온도(cementite solvus temperature). 파라미터는 써모-칼크(Thermo-Calc)(써모 칼크 소프트웨어 AB, 스톡홀름, 스웨덴)로 예측했다.

결함 에너지 누적(SFE)은 합금 화학 물질의 함수이고, SFE의 값은 변형 동안 고 Mn 강에서 발생하는 변형 유도 가소성(TRIP) 및 트위닝(twinning) 유도 가소성(TWIP) 메커니즘의 유형에 해당한다. 특정 활성 변형 메커니즘은 용접 금속의 강도 및 부식 성능에 영향을 미친다. 이를 기반으로, SFE 값은, 인장 강도 및 침식 성능의 강력한 예측 인자로 간주되기 때문에 소모성 합금 설계의 중요한 파라미터이다. 바람직한 ER-HMS 용접 금속 SFE 값은 베이스 금속 내침식성 HMS SFE 값(예를 들어, 60 mJ/m² 초과 및 80 mJ/m² 미만)과 유사하도록 타겟팅된다.

고화 온도 범위(STR)는 주어진 합금 조성물에 대한 액상선(liquidus) 온도와 고상선(solidus) 온도 사이의 범위이다. STR은, 고화(이 경우 용접 금속 고화) 중 흐린(mushy) 영역의 범위(span)를 대표하므로 용접성을 나타내는 강한 지표이다. STR 값이 높을수록 고화 영역이 넓어지고 용접 고화 균열에 대한 민감성이 높아진다. ER-HMS 용접 금속은, 본질적으로 용접 고화 균열 결함의 경향이 어느 정도 있도록 만드는 1 차 오스테나이트로서 고화된다. STR은 결함이 없는 파이프라인 거쓰 용접을 허용하는 고화 균열 민감성을 최소화하도록 제어되어야 한다. 최상의 성능을 제공하기 위해 ER-HMS 용접 금속에 바람직한 계산된 STR 값은 120℃ 미만으로 타겟팅된다.

시멘타이트 솔버스 온도(CST)는 고화 및 다수의 용접 패스 재가열 동안 용접 금속에서 탄화물 석출의 상대적 평가를 제공하는데 사용될 수 있다. 이 온도는 합금 조성을 기준으로 예측할 수 있다. CST가 최소화 될 때 탄화물 석출량은 최소화된다. 용접 금속에서의 과도한 탄화물 석출은 용접 금속 인성(주요 기계적 특성)에 부정적인 영향을 미칠 것이 이해된다. 이와 같이, ER-HMS 용접 금속 조성물은 최소화된 CST를 생성하는 것이 바람직하다.

기술된 주요 파라미터의 열역학적 계산을 사용하여 가장 유망한 소모성 화학 물질이 추가 평가 및 개발을 위해 선택되었다. 또한 주요 변수의 변동을 설명하는 통계를 분석하고 다양한 요소 변동이 계산된 파라미터에 미치는 영향과 관련하여 추세를 파악했다. 예를 들어, 도 3, 4 및 5는 SFE, STR 및 CST의 변화를 각각 다른 합금 첨가물의 함수로서 나타내는 플롯을 보여 준다. 예를 들어, 도 3에서 주요 효과는 탄소, 크롬, 니켈 및 질소 함량의 변화에서 비롯된 것이다. 주요 파라미터에 대한 원소 효과의 통계적 분석을 통해 물리적 용접 평가(열역학적 계산으로 평가된 것보다 훨씬 더 적은 화학 물질 세트)의 화학 물질 범위를 선택할 수 있었다.

물리적 용접 평가를 위한 ER-HMS 소모품 합금에 대한 화학 물질 범위는 계량 실험 설계를 허용하는 계산된 열역학 기준(SFE, STR, CST)에 가장 잘 맞도록 선택될 수 있다. 몇 가지 원소의 함량은 고정 될 수 있지만 두 가지 값 사이에서 다양하게 4 가지 원소(탄소, 망간, 몰리브덴 및 니켈)를 선택할 수 있다. 이것은 2⁴ 또는 16개의 실험 조건을 생성한다. 이는 더 높은 망간 소모품의 하위 세트 및 소모품과 티타늄, 니오브, 텅스텐, 붕소 및 질소의 약간의 미세 합금 첨가물의 하위 세트로 보충될 수 있다. 전체적으로, 표 2에 기재된 바와 같이 물리적 용접 평가 및 시험을 위해 제조된 22 개의 실험 소모품 화학 물질이 있다. 도 6은 이러한 소모성 화학 물질에 대한 주요 열역학 파라미터의 플롯을 도시한다.

표 2. 물리적 용접 평가를 위해 제조된 ER-HMS 소모성 화학 물질.

물리적 용접 평가:

시험된 ER-HMS 소모품은, 용접을 생성하고 기계적 특성, 용접성 및 내침식성을 시험함으로써 평가되었다. ER-HMS 평가 용접은, 내침식성 HMS 베이스 금속의 버트 용접(플레이트 또는 파이프 중 하나)으로서 만들어졌다. 버트 용접은 다음의 MCAW 조건 하에서 수행되었다: 아크 전압 26-30V, 아크 전류 140-180A, 250-300ipm의 와이어 공급에서 직경 1.2mm의 충전제 와이어, 80 Ar/20 CO₂로 45 cfh의 차폐 가스 유속, 루트(root) 및 필(fill) 패스 모두에서 0.74-1.1 kJ/mm의 열 입력.

적절한 기계적 시험 및 미세구조 분석을 위해 충분한 용접 금속이 제조되었다. 그러한 플레이트 용접에 대한 경사 설계의 일례가 도 7의 다이어그램에 도시되어 있다. 그러한 플레이트 용접에 대한 용접 비드 순서(bead sequence)의 예가 도 8a에 도시되어 있으며, 그러한 플레이트에 대한 전형적인 용접 매크로가 도 8b에 도시된다.

ER-HMS 시험 용접의 시험은, 용접이 슬러리 파이프라인에 요구되는 충분한 강도, 적절한 인성 및 높은 침식/부식 내성을 생성함을 입증하기 위해 수행되었다. 강도와 인성에 대해 생성되고 시험된 일련의 ER-HMS 용접의 예가 표 3에 도시된다.

표 3. ER-HMS 용접 인장 및 충격 인성 특성

용접 야금, 미세구조 및 기계적 특성:

신규 ER-HMS 용접 금속은 거쓰 버트 용접을 통해 내식성 HMS 슬러리 파이프에 접합하기 위해 필요한 강도, 인성 및 고 침식/부식 내성을 제공할 수 있다. 이러한 특성 요건을 충족시키는 데 필요한 미세구조는 용접 금속 화학 물질 및 용접 공정 파라미터의 적절한 제어를 통해 달성된다.

ER-HMS 용접 금속은 적용례(슬러리 파이프)에 필요한 최소 인장 강도 특성을 달성해야 한다. 이와 같이, 용접 금속 항복 강도가 내침식성 HMS 베이스 파이프의 항복 강도보다 크거나 슬러리 파이프라인 설계에 의해 요구되는 특정 최소 항복 강도(SMYS)보다 큰 것이 바람직하다. 또한, 베이스 파이프 바디에 대한 소정의 특정 최소 극한 인장 강도(SMUTS)보다 큰 용접 금속 극한 인장 강도가 또한 바람직하다. 또한, 용접 금속은 소정의 최소 특정 수준의 인장 신율을 제공해야 한다. 이러한 각각의 측정값이 달성될 수 있는데, 이는 ER-HMS 용접 금속은 높은 준안정성(metastable) 오스테나이트 상을 함유하도록 고안되었고, 이는 강성 α'-마르텐사이트로 변환되고 변형 시 마이크로트위닝(microtwinning)을 겪기 때문이다. 또한, 용접 금속(예를 들어, 몰리브덴) 내의 고용체 강화 원소는 격자 전위 운동을 방해함으로써 추가의 강화를 제공한다. 이러한 강화 메커니즘들의 조합은 전형적인 슬러리 파이프라인의 거쓰 용접에 대한 인장 강도 요건을 달성하는 고 강도 및 가공 강화 속도를 제공한다. 예를 들어, 시험된 ER-HMS 용접 금속 특성은 표 4에 나와 있으며, API X70 등급 기반 파이프라인 설계(SMYS는 70ksi임)에 대한 거쓰 용접 요건과 비교된다. 용접은 다음과 같은 조건에서 기계화된 MCAW로 수행되었다: 40-50 cfh 유속의 80 Ar/20 CO₂ 차폐 가스, 루트에서 20-22 V 및 필에서 20-31 V의 아크 전압, 루트에서 150-190 A 및 필에서 210-265 A의 아크 전류, 직경이 1.2 mm인 충전제 와이어, 루트에서 230 ipm 및 필에서 330-440 ipm의 와이어 공급, 및 루트에서 0.86-1.02 kJ/mm 및 필에서 0.6-0.93 kJ/mm의 열 입력. API X70 등급 설계는 오일 샌드 슬러리 파이프라인 설계에 일반적이다. ER-HMS 용접 금속 화학 물질에 대한 변형이 본원에 개시된 범위 내에서 수행되어 X52, X60, X65, X70 및 X80을 포함하는 잠재적 슬러리 파이프라인 등급 범위에 필요한 용접 금속 인장 특성을 달성할 수 있다. ER-HMS 용접 금속은 슬러리 파이프 적용례에 요구되는 것보다 현저하게 높은 인성 측정값을 보여준다.

표 4. 전형적인 API X70 등급 기반 슬러리 파이프라인 설계에 대한 거쓰 용접 특성 요건과 비교된, 시험된 ER-HMS 용접 금속 특성.

ER-HMS 용접 금속은 적용례(슬러리 파이프)에 필요한 최소 인성 특성을 달성해야 한다. 본 발명의 용접(HAZ) 부근의 베이스 금속은 또한 이러한 최소 인성 특성을 달성할 수 있다. 이러한 적용례에 대한 가장 일반적인 인성 평가는 용접 금속과 HAZ의 여러 영역에 대한 샤르피 V-노치(CVN) 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. ER-HMS 용접은 용접 금속 및 내침식성 HMS 베이스 금속 HAZ의 요건을 모두 충족한다. 용접 금속 인성은 오스테나이트 상과 제한된 양의 탄화물로 구성된 용접 금속 미세구조로 달성되어 연성 파괴(ductile fracture) 모드를 제공한다. 베이스 금속 HAZ 인성은 HAZ에서 탄화물 석출이 최소화되도록 용접 열 입력을 제어하여 달성될 수 있다. 높은 열 입력은 HAZ 그레인 경계에서 과도한 탄화물 석출을 초래하고 HAZ의 경도를 증가시켜 부적절한 CVN 인성 값을 초래할 수 있다. 생성된 ER-HMS 용접으로 달성된 CVN 값의 예가 표 4에 나와 있으며 슬러리 파이프 적용례에 대한 용접 충격 인성 요건과 비교된다. 도 9는 전술한 조건 및 표 3에 나타낸 조성 하에 수행된 후보 HMS 거쓰 용접 소모품에 대한 평균 항복 강도 및 평균 CVN 값을 도시하는 플롯이다. 최소 항복 강도 485ksi 및 27 J의 최소 CVN 에너지의 타겟 범위는 음영 지역 표지된 타겟 내에 도시된다. 용접 FX-5, FX-8, FX-14 및 FX-16은 타겟 범위를 충족시켰지만 용접 FX-1, FX-9, FX-11, FX-17은 타겟 범위를 충족시키지 못했다.

본 발명의 ER-HMS 용접 금속은 내침식성 HMS 파이프 바디와 비교 시에 유사한 침식/부식 내성을 달성한다. 결과적으로, ER-HMS는 HMS 슬러리 파이프 섹션에 접합할 수 있는 실행 가능한 옵션(viable option)이다. 파이프의 내벽과 이에 따른 거쓰 용접의 루트 표면은 침식/부식 작용 슬러리 환경에 노출된다. 용접 금속은 HMS 베이스 금속에서 향상된 침식/부식 성능의 최대 작동 이점을 얻기 위해 베이스 금속과 유사한 침식/부식 열화(degradation) 내성을 가져야 한다. 용접에서의 분해 속도가 빨라짐에 따라 베이스 금속 파이프에서 가용 수명이 다하기 전에 슬러리 파이프가 교체된다. 슬러리 파이프 환경에서 침식/부식 열하에 대한 확립된 표준화된 시험 또는 최소 특성 요건이 존재하지 않는다. 소규모 실험실 시험에서 침식 및 부식의 결합된 시너지 효과를 평가하는 것은 특히 어렵다. 따라서, 침식/부식 성능 평가는, 별도의 침식 및 부식 시험을 실시하고 현장 시험을 수행하여 ER-HMS 용접 금속을 실제 현장 조건에 노출시킴으로써 수행된다. 침식 성능에 대해 바람직한 시험은 제트 충돌 시험이고, 이는 고속의 물과 모래 혼합물을 샘플 표면에서 지정된 속도와 지속 시간 동안 보내고 소실된 물질의 양을 측정하는 것을 포함한다. 제트 충돌 시험은 상대 침식 내성의 일반적인 지표를 제공하는 것으로 보여진다. 시험에서 모래 입자의 크기와 분포가 슬러리 파이프 사용에서 고체의 크기와 분포와 상당히 다르다는 점에서 제한적이다. ER-HMS 용접 금속에 대한 제트 충돌 결과의 예가 도 10에 도시된다. ER-HMS 용접 금속의 부식 성능을 평가하기 위해 용접 재료에 대한 실험실 규모 부식 시험이 HMS 베이스 금속과 비교하여 수행될 수 있다. 시험 용접의 쿠폰은 용접 금속과 베이스 금속을 모두 포함하도록 추출될 수 있다. 이를 통해 용접 금속과 베이스 금속 사이의 상당한 전기 화학적 전위차로 인해 발생할 수 있는 임의의 잠재적인 우선 용접 부식을 평가할 수 있다. 쿠폰은, 전형적으로 염화물 및 용존 산소를 함유한 특정 슬러리 파이프라인 부식 환경을 시뮬레이션하는 수성 환경에 노출 될 수 있다. 쿠폰은 30 일의 시험 기간 동안 노출될 수 있으며, 그 후에 그 환경에서 제거되고 성능을 평가하기 위해 분석된다. 쿠폰의 전체 중량 손실은 일반적인 부식 속도를 결정하는 데 사용될 수 있으며 용접 금속 영역과 베이스 금속 영역 둘다에서 부식 침투 깊이를 결정하기 위해 사후 시험 표면 프로파일을 측정할 수 있다. 대표적인 수성 슬러리 파이프라인 환경에서 ER-HMS 시험 용접의 부식 쿠폰 시험은, 용접 금속과 베이스 금속 모두에서 20 내지 25 mil/년(mpy)의 중량 손실 부식 속도와 유사한 평균 침투 깊이를 생성했다. ER-HMS 용접 금속이 나타내는 침식 및 부식 내성 수준은 슬러리 파이프라인 적용례를 위한 내부식성 HMS 파이프에 접합하기에 충분한다.

용접성:

신규한 ER-HMS 용접 금속은 거쓰 버트 용접을 통해 내침식성 HMS 슬러리 파이프에 결합하기 위해 요구되는 용접성을 제공할 수 있다. 이 용접성은, 용접 금속 화학 물질, 용접 공정 파라미터 및/또는 용접 조인트 설계의 적절한 제어를 통해 달성된다.

고화 균열 민감성은 트랜스-바레스트레인트(trans-varestraint) 시험을 사용하여 평가할 수 있다. 이 시험은, 고화 용접 금속에 변형을 가하여 변형-균열 관계를 결정함으로써 용접 금속에 대한 고화 균열 민감성(susceptibility)을 평가한다. 트랜스-바레스트레인트 시험의 주요 출력은 고화 균열 온도 범위(SCTR)이다. 더 큰 SCTR 값은 전형적으로 고화 균열에 대한 더 높은 민감성을 나타낸다. 5 % 변형률과 7 % 변형률에서의 SCTR 값이 표 5에서 몇 가지 ER-HMS 소모품에 대해 기재된다. 가스 텅스텐 아크 용접(GTAW)은 다음 조건에서 수행되었다: 아크 전압 11.6V, 아크 전류 180 A, 이동 속도 2.54 mm/초, 열 입력 1.37 kJ/mm, 및 약 125℃/초의 고화 범위 내의 냉각 속도. 계산된 SCTR 값의 범위는 약 40℃에서 약 160℃이다. 이 값은 1 차 오스테나이트로서 고화되는 스테인리스 강에 대해 보고된 값과 유사하다(문헌[Welding Metallurgy and Weldability, Lippold, John C., 2014]). 이는, 고화 균열 없이 ER-HMS 용접 금속이 생성될 수 있음을 나타낸다. 일 실시양태에서, 용접 금속은 약 40℃ 내지 약 160℃ 범위의 SCTR 값을 갖는다. 도 11은 여러 ER-HMS 소모품에 대해 1 % 변형률 내지 7 % 변형률에서의 평균 최대 균열 거리(MCD)(mm) 값을 보여준다.

표 5. 여러 가지 ER-HMS 소모품에 대한 트랜스-바레스트레인트 시험 결과

용접 공정 파라미터:

도 12는 도 2a에 도시된 바와 같이 개방 경사를 갖는 실시양태에 따른 ER-HMS 용접을 위한 예시적인 용접 비드 순서를 도시한다. 이 실시양태에서 생성된 ER-HMS 용접 매크로의 예가 도 13에 도시되어 있고, ER-HMS 용접 금속의 광학 현미경 사진의 예가 도 14에 도시되어 있다. 표 6은 도 2a 및 10 내지 12와 관련하여 설명한 바와 같이 적용된 1G 파이프 거쓰 용접의 ASME 섹션 IX 시험 결과의 요약이다. 기계화된 MCAW는 다음 조건 하에서 수행되었다: 50 cfh의 유속의 80 Ar/20 CO₂ 차폐 가스, 루트에서 20-22 V 및 필에서 24-31 V의 아크 전압, 루트에서 150-165 A 및 필에서 210-265 A의 아크 전류, 직경 1.2 mm의 충전제 와이어, 루트에서 230 ipm 및 필에서 296-441 ipm의 와이어 공급, 루트에서 0.9-1.02 kJ/mm 및 필에서 0.6-0.93 kJ/mm의 열 입력.

표 6. 용접 절차 시험 중에 생성된 ER-HMS 용접의 ASME 섹션 IX 시험 결과의 요약

상술된 실시양태는 내침식성 HMS 슬러리 파이프라인을 제조하고 적용하기 위한 요건을 만족시키는 ER-HMS 용접을 생성할 수 있다. 용접 절차 시험 중에 생성된 용접을 시험하였다. 이러한 용접의 ER-HMS 용접 금속 특성은 표 7에 나와 있으며, API X70 등급 기반 파이프라인 설계(SMYS는 70ksi)에 대한 ASME 섹션 IX 거쓰 용접 요건과 비교된다. 기계화된 MCAW는 다음 조건 하에서 수행되었다: 50 cfh의 유속의 80 Ar/20 CO₂ 차폐 가스, 루트에서 20-22 V 및 필에서 24-31 V의 아크 전압, 루트에서 150-165 A 및 필에서 210-265 A의 아크 전류, 직경 1.2 mm의 충전제 와이어, 루트에서 230 ipm 및 필에서 296-441 ipm의 와이어 공급, 루트에서 0.9-1.02 kJ/mm 및 필에서 0.6-0.93 kJ/mm의 열 입력. 생성된 ER-HMS 용접은 상기 요건에 비해 우수한 인성 성능을 나타냈다.

표 7. 용접 절차 시험 중에 생성된 ER-HMS 용접의 ASME 섹션 IX 시험 결과 요약

도 15는, 도 2b에 도시된 바와 같이 경사에 대한 파이프 거쓰 용접(예를 들어, 1G 파이프)을 위한 용접 비드 순서의 예이다. 도 16은 비커스 경도 시험을 수행한, 표 8 내의 포인트의 위치를 도시한다. 기계화된 MCAW는 다음 조건 하에서 수행되었다: 50 cfh의 유속의 80 Ar/20 CO₂ 차폐 가스, 루트에서 20-22 V 및 필에서 24-31 V의 아크 전압, 루트에서 150-165 A 및 필에서 210-265 A의 아크 전류, 직경 1.2 mm의 충전제 와이어, 루트에서 230 ipm 및 필에서 296-441 ipm의 와이어 공급, 루트에서 0.9-1.02 kJ/mm 및 필에서 0.6-0.93 kJ/mm의 열 입력. 비커스 경도 시험은 쉽게 수행할 수 있는 넓은 경도 스케일을 제공한다. 비커스 피라미드 수(Vickers Pyramid Number, HV)는 비커스 경도 시험의 경도의 척도이며 압흔의 표면적 위의 하중에 의해 결정된다. 표 8은 FX-5 1G 파이프 거쓰 용접으로부터의 포인트에 대한 비커스 경도 시험 결과를 요약한 것이다.

표 8. FX-5 1G 파이프 거쓰 용접의 비커스 경도 시험 결과 요약

구체적 실시양태:

한 양태에 따르면, 본 발명은,

0.4 중량% 내지 0.8 중량% 범위의 탄소; 18 중량% 내지 24 중량% 범위의 망간; 6 중량% 이하 양의 크롬; 4 중량% 이하 양의 몰리브덴; 5 중량% 이하 양의 니켈; 0.4 중량% 내지 1.0 중량% 범위의 규소; 200ppm 이하 양의 황; 200ppm 이하 양의 인; 및 철을 포함하는 잔부

를 포함하는 고 망간 강 베이스 금속용 용접 조성물을 제공한다.

본원에 기술된 임의의 양태 또는 실시양태에서, 상기 용접 조성물은

2 중량% 이하 양의 티타늄; 5 중량% 이하 양의 니오븀; 5 중량% 이하 양의 텅스텐; 1.0 중량% 이하 양의 알루미늄; 0.1 중량% 이하 양의 붕소; 및/또는 1.5 중량% 이하 양의 질소를 추가로 포함한다.

본원에 기술된 임의의 양태 또는 실시양태에서, 상기 조성물은 오스테나이트 미세구조를 갖는다.

본원에 기술된 임의의 양태 또는 실시양태에서, 상기 오스테나이트 미세구조는 경질 α'-마르텐사이트로 변환되고, 변형시 마이크로트위닝을 겪는다.

또 다른 양태에 따르면, 본 발명은,

0.4 중량% 내지 0.8 중량% 범위의 탄소, 18 중량% 내지 24 중량% 범위의 망간, 6 중량% 이하 양의 크롬, 4 중량% 이하 양의 몰리브덴, 5 중량% 이하 양의 니켈, 0.4 중량% 내지 1.0 중량% 범위의 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 포함하는, 침식/부식 내성 고 망간 용접을 제공하기 위한 시스템을 제공한다.

본원에 기술된 임의의 양태 또는 실시양태에서, 상기 용접 열 입력은 0.6 내지 1.0 kJ/mm의 범위이다.

본원에 기술된 임의의 양태 또는 실시양태에서, 상기 시스템은 하나 이상의 차폐 가스를 제공하기 위한 장치를 추가로 포함하며, 이때 상기 하나 이상의 차폐 가스는 10 % 내지 30 % 범위의 CO₂를 포함한다.

본원에 기술된 임의의 양태 또는 실시양태에서, 상기 하나 이상의 차폐 가스는 80 % 아르곤 및 20 % CO₂를 포함한다.

추가 양태에 따르면, 본 발명은,

용접될 2 개 이상의 고 Mn 강 베이스, 및

0.4 중량% 내지 0.8 중량% 범위의 탄소, 18 중량% 내지 24 중량% 범위의 망간, 6 중량% 이하 양의 크롬, 4 중량% 이하 양의 몰리브덴, 5 중량% 이하 양의 니켈, 0.4 중량% 내지 1.0 중량% 범위의 규소, 200ppm 이하 양의 황, 200ppm 이하 양의 인, 및 철을 포함하는 잔부를 포함하는 용접물

을 제공하는 단계; 및

용접 충전제 재료를 용융 및 냉각시켜 용접 용착물을 생성하는 단계

를 포함하는, 침식/부식 내성 고 Mn 강의 용접 용착물을 생성하는 방법을 제공한다.

본원에 기술된 임의의 양태 또는 실시양태에서, 상기 용융 단계는, 용접 충전제 금속에 2.5kJ/mm 이하의 용접 열 입력을 제공하는 단계를 포함한다.

본원에 기술된 임의의 양태 또는 실시양태에서, 상기 2 개 이상의 고 Mn 강 베이스는 용접될 부분을 포함하고, 상기 부분은 30° 내지 37.5°의 경사를 갖는다.

본원에 기술된 임의의 양태 또는 실시양태에서,

상기 용접 용착물은 용접된 상태에서의 항복 강도가 고 망간 강 베이스의 항복 강도 또는 요구되는 최소 항복 강도보다 크고;

상기 용접 용착물은 용접된 상태에서 70ksi보다 큰 항복 강도를 갖고;

상기 용접 용착물은 용접된 상태에서 82.7ksi보다 큰 극한 인장 강도를 갖고;

상기 용접 용착물은 용접된 상태에서 16 %보다 큰 인장 신율을 갖고/갖거나;

상기 용접 용착물은 7 % 변형률에서 용접된 상태에서 40℃ 내지 170℃의 고화 균열 온도 범위를 갖는다.

본원에 기술된 임의의 양태 또는 실시양태에서, 상기 용접 용착물 및/또는 상기 베이스의 열 영향 구역은 -29℃에서 27J보다 큰 용접된 상태 CVN 에너지를 갖는다.

본원에 기술된 임의의 양태 또는 실시양태에서, 상기 베이스 금속은 침식/부식 내성 고 Mn 강이다.

본원에 기술된 임의의 양태 또는 실시양태에서, 상기 방법은 상기 베이스 금속으로부터의 용접 금속에서의 탄소 희석을 제한하는 단계를 추가로 포함한다.

당업자가 이해할 수 있는 바와 같이, 특정의 정량, 양 및 측정값은 정밀도의 이론적 및/또는 실질적인 제한을 조건으로 하며, 이것은 계측기 및/또는 방법의 일부에 내재한다. 따라서, 달리 지시되지 않는 한, 청구되는 양은 합리적인 양의 편차를 포함하는 것으로 고려된다.

본 명세서에 기재된 상세한 예 및 실시양태는 단지 예시적인 목적을 위해 예로서 제시된 것이고, 결코 본 발명을 한정하는 것으로 간주되지 않는다. 이러한 견지에서 다양한 변형 또는 변경이 당업자에게 제안될 것이며, 본원의 정신 및 범위 내에 포함되며, 첨부된 청구범위의 범주 내에서 고려된다. 예를 들어, 성분의 상대적인 양은 원하는 효과를 최적화하기 위해 변경될 수 있고, 추가의 성분이 첨가될 수 있고/있거나 유사한 성분이 기재된 성분 중 하나 이상으로 대체될 수 있다. 본 발명의 시스템, 방법 및 공정과 관련된 추가의 유리한 특징 및 기능은 첨부된 청구범위로부터 명백해질 것이다.

Claims

0.4 중량% 내지 0.8 중량% 범위의 탄소;
18 중량% 내지 24 중량% 범위의 망간;
6 중량% 이하 양의 크롬;
4 중량% 이하 양의 몰리브덴;
5 중량% 이하 양의 니켈;
0.4 중량% 내지 1.0 중량% 범위의 규소;
200ppm 이하 양의 황;
200ppm 이하 양의 인; 및
철을 포함하는 잔부
를 포함하는, 고 망간 강 베이스(steel base) 금속용 용접 조성물.
제 1 항에 있어서,
2 중량% 이하 양의 티타늄;
5 중량% 이하 양의 니오븀;
5 중량% 이하 양의 텅스텐;
1.0 중량% 이하 양의 알루미늄;
0.1 중량% 이하 양의 붕소;
1.5 중량% 이하 양의 질소; 또는
이들의 조합물 중 하나 이상을 추가로 포함하는 조성물.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 조성물이 오스테나이트 미세구조(austenitic microstructure)를 갖는, 조성물.
제 3 항에 있어서,
상기 오스테나이트 미세구조가 경질(hard) α'-마르텐사이트로 변환되고, 변형(straining)시 마이크로트위닝(microtwinning)을 겪는, 조성물.
0.4 중량% 내지 0.8 중량% 범위의 탄소, 18 중량% 내지 24 중량% 범위의 망간, 6 중량% 이하 양의 크롬, 4 중량% 이하 양의 몰리브덴, 5 중량% 이하 양의 니켈, 0.4 중량% 내지 1.0 중량% 범위의 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, 침식(erosion)/부식(corrosion) 내성(resistant) 고 망간 용접을 제공하기 위한 시스템.
제 5 항에 있어서,
상기 용접 열 입력이 0.6 내지 1.0 kJ/mm의 범위인, 시스템.
제 5 항 또는 제 6 항에 있어서,
하나 이상의 차폐(shielding) 가스를 제공하기 위한 장치를 추가로 포함하며, 이때 상기 하나 이상의 차폐 가스는 10 % 내지 30 % 범위의 CO₂를 포함하는, 시스템.
제 7 항에 있어서,
상기 하나 이상의 차폐 가스가 80 % 아르곤 및 20 % CO₂인, 시스템.
용접될 2 개 이상의 고 Mn 강 베이스, 및
0.4 중량% 내지 0.8 중량% 범위의 탄소, 18 중량% 내지 24 중량% 범위의 망간, 6 중량% 이하 양의 크롬, 4 중량% 이하 양의 몰리브덴, 5 중량% 이하 양의 니켈, 0.4 중량% 내지 1.0 중량% 범위의 규소, 200ppm 이하 양의 황, 200ppm 이하 양의 인, 및 철을 포함하는 잔부를 포함하는 용접물(weldment)
을 제공하는 단계; 및
용접 충전제 재료를 용융 및 냉각시켜 용접 용착물(deposit)을 생성하는 단계
를 포함하는, 침식/부식 내성 고 Mn 강의 용접 용착물을 생성하는 방법.
제 9 항에 있어서,
상기 용융이, 용접 충전제 금속에 2.5kJ/mm 이하의 용접 열 입력을 제공하는 것을 포함하는, 방법.
제 9 항 또는 제 10 항에 있어서,
상기 2 개 이상의 고 Mn 강 베이스가 용접될 부분을 포함하고, 상기 부분은 30° 내지 37.5°의 경사(bevel)를 갖는, 방법.
제 9 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서,
하기 특징 중 하나 이상을 포함하는 방법:
상기 용접 용착물이, 용접된 상태(as-welded)에서의 항복 강도가 고 망간 강 베이스의 항복 강도 또는 요구되는 최소 항복 강도보다 큼;
상기 용접 용착물이, 용접된 상태에서 70ksi보다 큰 항복 강도를 가짐;
상기 용접 용착물이, 용접된 상태에서 82.7ksi보다 큰 극한 인장 강도를 가짐;
상기 용접 용착물이, 용접된 상태에서 16 %보다 큰 인장 신율을 가짐;
상기 용접 용착물이, 7 % 변형률에서 용접된 상태에서 40℃ 내지 170℃의 고화 균열(solidification cracking) 온도 범위를 가짐; 및
이들의 조합.
제 9 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 용접 용착물 및/또는 상기 베이스의 열 영향 구역(heat affected zone)이, -29℃에서 27J보다 큰 용접된 상태 CVN 에너지를 갖는, 방법.
제 9 항 내지 제 13 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 베이스 금속이 침식/부식 내성 고 Mn 강인, 방법.
제 9 항 내지 제 14 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 베이스 금속으로부터의 용접 금속에서의 탄소 희석을 제한하는 단계를 추가로 포함하는 방법.