KR20190050926A

KR20190050926A - 고망간강을 이용한 슬러리 파이프 제조방법

Info

Publication number: KR20190050926A
Application number: KR1020170180285A
Authority: KR
Inventors: 정보영; 이봉근; 한일욱; 이상철
Original assignee: 주식회사 포스코
Priority date: 2017-12-26
Filing date: 2017-12-26
Publication date: 2019-05-14

Abstract

본 발명은 슬러리 파이프(Slurry pipe)를 제조하는 기술에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 내마모 고망간강을 이용하여 슬러리 파이프를 제조하는 방법에 관한 것이다.

Description

고망간강을 이용한 슬러리 파이프 제조방법{METHOD FOR MANUFACTURING SLURRY PIPE USING HIGH MANGANESE STEEL}

슬러리 파이프란 모래, 자갈, 흙, 물, 기름 등이 섞여 있는 슬러리에서 기름을 부상 분리시키기 위해서 사용되는 프로세스 파이프이다. 상기 슬러리 파이프르의 경우 모래, 자갈 등에 의해서 계속적으로 마모가 발생하게 된다. 따라서, 이러한 환경에서 사용하기 위해서, 내마모성이 우수한 고망간(Mn)강으로 제조한 파이프를 사용한다. 상기 내마모성이 우수한 고망간강은 장시간 사용이 가능하여 파이프 교체 시기를 연장할 수 있으므로, 원유 생산량을 늘릴 수 있는 장점이 있다.

기존에 상기 고망간강을 이용하여 파이프를 제조하는 방법은 고망간강 강재를 관형으로 성형하고, 맞대기부를 가용접(tack welding)하고, 맞대기부의 내주면을 용접한 후, 외주면에서 용접부를 파내는 작업을 거치고, 입열량을 최소화하여 외주면의 용접을 진행하여 과정을 포함한다. 여기서 외주면에서 용접부를 파내는 작업을 롱심밀링(long seam milling) 공정이라고 하고, 통상적으로 전체 파이프 제조공정 중에서 1/3 넘는 시간이 할애된다. 상기 롱심밀링 공정은 파이프 제조공정의 병목 현상을 유발하여 조관사에서의 파이프 생산량이 저감되고, 파이프 가격상승의 원인이 되고 있다.

한편, 상기 내마모성의 고망간강은 오스테나이트 조직을 가지나, 강도 및 내마모성이 우수한 강재로 파이프 제조시 용접이음부(용접비드)에서 균열이 발생할 수 있는 가능성이 높다. 도 1은 고온균열이 발생한 용접비드의 일예를 나타낸 사진이다.

따라서, 용접이음부에서 고온균열이 발생하지 않고, 파이프 제조공정의 효율성을 높이기 위한 방안의 연구가 논의되고 있다.

본 발명의 일측면은 용접부의 고온 균열이 발생하지 않는 동시에, 효율적으로 고망간강을 이용하여 슬러리 파이프를 제조하는 방법을 제공하고자 하는 것이다.

본 발명이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급한 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않는 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자가 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

본 발명의 일태양은 고망간강을 관형으로 성형하여 맞대기부가 형성되도록 하는 단계;

상기 맞대기부를 가용접(Tack Welding)하는 단계;

상기 가용접된 맞대기부의 내주면을 용접하는 단계; 및

상기 내주면을 용접한 후 외주면을 용접하는 단계를 포함하고, 상기 외주면의 용접은 1 또는 2 패스(pass)로 행하는 고망간강을 이용한 슬러리 파이프 제조방법에 관한 것이다.

본 발명에 의하면, 고망간강을 이용하여 슬러리 파이프를 제조할 때, 롱심밀링 공정을 생략함으로써, 파이프 제조시간을 단축하여 생산성을 향상시킬 수 있다.뿐만 아니라, 용접부에서의 고온 균열을 방지하여 우수한 품질의 슬러리 파이프를 제공할 수있다.

추가적으로, 제조시간과 공정을 획기적으로 개선하여 파이프 제조 단가를 낮출 수 있어서, 시장에서의 가격 경쟁력을 높일 수 있다.

도 1은 종래에 고온균열이 발생한 용접비드의 일예를 관찰한 사진이다.
도 2는 용접비드의 단면 형상을 개략적으로 나타낸 모식도이다.
도 3은 종래의 방법으로 다층 용접한 용접 비드의 단면을 관찰한 사진이다.
도 4는 본 발명의 방법으로 제조된 용접 비드의 단면을 관찰한 사진이다.
도 5의 (a) 및 (b)는 종래의 방법으로 다층 용접한 용접 비드의 단면과 크랙 발생을 관찰한 사진이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 나타난 결과를 표현한 그래프이다.

일반적으로 고망간강을 이용하여 슬러리 파이프를 제조하는 과정은 관형으로 성형한 후, 맞대기부의 용접을 행하여 제조한다. 상기 용접은 구체적으로, 가용접(Tack Welding)을 행하고, 맞대기부의 내주면을 용접하는 내면 용접, 외주면에서 용접부를 파내는 롱심밀링(Long seam milling), 외주면을 용접하는 외면 용접을 포함한다. 여기에서 파이프 한본의 생산 시간은 약 3.8Hr이고, 롱심밀링과 외면 용접시간이 약 2.9Hr 이며, 그중에서도 롱심밀링 시간이 약 1.5Hr으로 전체 생산 시간의 1/3 이상을 차지한다.

상기 슬러리 파이프용 고망간강은 오스테나이트 단상 조직으로 이루어지며, 이에 맞추어 용접재료도 개발 상용화되었다. 이 용접재료도 오스테나이트 조직을 가지며, 이러한 오스테나이트 조직을 갖는 용접재료의 경우에는 고온 균열 민감도가 매우 높은 단점이 있다. 그래서, 상기 이러한 용접재료로 용접을 실시할 경우에는 입열량을 최소화하여 다층용접을 실시해야 균열을 방지할 수 있는 것으로 알려져 있다. 상기 다층 용접을 실시해야만 용접 비드의 깊이에 대한 폭의 비율(폭/깊이, W/D)이 1.4 미만이 되어 고온 균열을 방지할 수 있다고 알려져 있다.

도 2는 용접비드의 단면 형상을 개략적으로 나타낸 것으로, 용접비드의 폭(W)과 깊이(D)를 표시한 것이다. 또한, 도 3은 상기 종래의 방법으로 다층 용접한 용접 비드의 단면을 관찰한 사진이다. 한편, 도 5의 (a) 및 (b)는 다층 용접, 5 패스(pass) 용접을 진행한 용접이음부를 관찰한 사진이다. 도 5의 용접이음부는 선행 전극 29V × 550A × 100CPM(cm per minute), 후행 전극 30V × 660A × 100CPM으로 총 2.1kJ/㎜ 수준의 입열량으로 용접한 것이다. 도 5의 결과에서 알 수 있듯이, 다층 용접의 경우에는 용접 비드가 아래 용접 비드의 중앙으로 갈라지면서 용접이 된 경우 상부에 용접된 두 용접 비드 사이에서 균열이 발생하는 것을 확인할 수 있다. 이러한 균열이 발생하는 원인은 용착금속의 응고시 수축응력에 기인하는 것으로, 다패스 용접시 균열의 발생 위험이 높아지게 된다.

본 발명은 상기 슬러리 파이프용 고망간강을 이용하여 파이프를 제조하는 방법에 있어서, 상기 롱심밀링 공정을 생략하여 파이프 생산 과정에서의 병목 현상을 해소하고, 용접 패스(pass)를 획기적으로 감소시키고, 용접 비드의 고온 균열을 저감할 수 있는 방법을 제공한다.

본 발명의 슬러리 파이프용 고망간강을 이용하여 파이프를 제조하는 방법은 먼저 고망간강을 관형으로 성형하여, 맞대기부를 형성하는 단계, 상기 맞대기부에 가용접 재료를 이용하여 가용접(Tack Welding)을 하는 단계, 상기 가용접된 맞개기부의 내주면을 용접하는 단계 및 이후 외주면을 용접하는 단계를 포함한다.

상기 조관에 사용되는 내마모용 고망간(Mn)강은 일예로, 망간이 12 중량% 이상 포함하는 오스테나이트계 단상 조직을 가지고 우수한 인장강도와 저온 충격인성을 갖는 강재인 것이 바람직하다. 특히, 조관 두께가 15㎜ 이상의 후판 강재의 경우, 내마모 강성이 매우 높아 조관이 어렵지만, 망간을 18 중량% 함유한 고망간강은 JCO 나 UOE 조관을 통해 조관이 용이하다는 장점이 있다. 다만, 높은 강성과 오스테나이트 단상 조직을 가지므로, 고온 용접 균열 감수성이 높아지는 문제가 있다.

상기 고망간강을 관형으로 성형하여 맞대기부를 형성하는 방법은 본 발명의 기술분야에서 통상 행하여지는 방법에 의하고, 특별히 한정하지 않는다. 일예로, 고망강강 판재를 강관형태로 가공하여 양끝단이 맞닿는 맞대기부를 형성할 수 있다.

상기 맞대기부에 가용접(Tack Welding) 재료를 이용하여, 가용접을 행한다. 상기 가용접(Tack Welding)은 조관 후 대입열로 용접을 실시하게 되면 높은 아크열로 인해 용접부가 액체화로 인해 조관시 용탕이 금속부를 관통해 흘러내리게 하는 용락(Burn-through) 현상을 방지하기 위해 실시할 수 있다.

상기 가용접(Tack Welding) 재료는 가용접 이후 이루어지게 될 내주면 및 외주면의 대입열 용접시 용락 방지를 기본적으로 수행하며, 추가적으로 고망간강 용접시 발생하게 될 고온 균열에 대한 저항성을 가져야 한다. 또한, 롱심밀링 공정을 생략하거나 최소화 해서 외주면 용접이 이루어져야 하므로, 언더컷이나 용입부족, 슬래그 혼입, 스패터 부착 등의 결함이 발생하지 않도록 비드가 평활하고 글래크가 스패터가 잘 탈락될 수 있어야 한다.

이를 위해서, 상기 가용접(Rack, welding) 재료는 일예로, 중량%로, 탄소(C): 0.1~0.5%, 실리콘(Si): 0.2~1.0%, 망간(Mn): 18~26%, 인(P): 0.015% 이하, 황(S): 0.01% 이하, 니켈(Ni): 5.0% 이하를 포함하고, 크롬(Cr) 및 몰리브덴(Mo) 중 1종 이상이 5.0% 이하, 티타늄(Ti), 니오븀(Nb) 및 바나듐(V) 중 1종 이상이 1.0% 이하, 나머지는 Fe와 불가피한 불순물을 포함하는 것이 바람직하다. 강도를 확보하기 위해서 상기 C는 0.1% 이상은 포함하지만, 스패터를 감소시키기 위해 모재보다 낮은 0.5%이하인 것이 바람직하다. 용접부의 내식성 및 강도 향상을 위해서 상기 Si는 0.2% 이상 포함하고, 인성저하를 방지하기 위해서 1.0%는 넘지 않는 것이 바람직하다. 모재와의 물성 차이를 최소화하거나 그 이상이 되도록 하기 위해 상기 Mn은 18~26%를 포함하는 것이 바람직하다. Ni은 내마모성과 저온 인성을 확보하기 위한 것으로서, 최대 5%까지 포함할 수 있다. 용접시 가용접 부위의 변형과 비드 형상에 따라 저융점 화합물을 형성해서 용접부 중앙에 고온 균열 발생을 방지하기 위해서 상기 P는 0.015%이하, S는 0.01% 이하를 포함하는 것이 바람직하다. 한편, 강도 및 내마모성을 확보하기 위해서 Cr과 Mo를 최대 5.0%까지 포함할 수 있고, Ti, Nb 및 V을 최대 1.0%까지 포함하는 것이 바람직하다.

상기 가용접 재료의 조성을 상기와 같이 하여 모재와 외주면 용접 재료와 융합되어도 고온 균열 및 용접 결함이 없고, 슬러리용에서 요구하는 내마모성 및 물성을 모두 만족할 수 있는 가용접부를 제공할 있다.

상기 가용접(Tack Welding)을 행하는 방법은 다양한 방법으로 행할 수 있으며, 본 발명의 이를 한정하는 것은 아니다. 바람직한 일예로, 서브머지드 아크 용접(Submerged Arc Welding), 플럭스 코어드 아크 용접(Flux Cored Arc Welding) 방법으로, 전술한 가용접 재료의 조성을 갖는 직경 1.2~4.0㎜의 용접 와이어를 이용하여, 용접할 수 있다. 이때, 100% CO₂ 또는 불활성 가스인 아르곤(Ar)이나 CO₂에 산소를 보호가스로 사용하는 것이 바람직하다.

상기 가용접된 맞대기부의 내주면에 대해서 용접(내주면 용접)을 행한다. 상기 내주면 용접은 서브머지드 아크 용접(Submerged Arc Welding, SAW)으로 행하는 것이 바람직하다. 본 발명에서 상기 내주면 용접은 1-패스(pass) 용접으로 행하는 것이 바람직하다.

상기 내주면을 용접한 후에, 외주면을 용접한다. 상기 외주면 용접은 1 또는 2 패스(pass) 용접으로 하여, 다층의 용접 비드를 형성하지 않는 것이 바람직하다. 상기 용접은 내주면 용접과 마찬가지로 서브머지드 아크 용접(Submerged Arc Welding, SAW)으로 행하는 것이 바람직하다.

상기 외주면을 용접할 때 사용하는 용접 재료는 상기 내주면의 용접시 사용하는 용접재료와 같은 것을 사용할 수 있다. 한편, 본 발명은 상기 용접을 적용함으로서, 롱심밀링 공정을 행하지 않고도 우수한 외주면 용접을 할 수 있다.

상기 용접 재료는 조관 후 용접부가 오스테나이트 단상을 안정하게 형성하면서 내마모성을 제공하도록 기본적으로 설계되며, 추가로 강도와 내식성을 향상할 수 있도록 Cr, Mo ,Ti, Nb, V 등을 첨가한 서브머지드 아크 용접 와이어인 것이 바람직하다. 일예로, 상기 용접 재료는 중량%로, 탄소(C): 0.2~0.6%, 실리콘(Si): 0.2~0.8%, 망간(Mn): 18~26%, 인(P): 0.01% 이하, 황(S): 0.005% 이하, 니켈(Ni): 5.0% 이하, 크롬(Cr) 및 몰리브덴(Mo) 중 1종 이상이 5.0% 이하, 티타늄(Ti), 니오븀(Nb) 및 바나듐(V) 중 1종 이상이 1.0% 이하, 나머지는 Fe와 불가피한 불순물을 포함하는 것이 바람직하다.

용접부의 강도를 확보하기 위해서 상기 C는 0.2% 이상인 것이 바람직하고, 공정 탄화물 생성으로 인한 고온 균열을 저감하기 위해서 상기 C는 0.6% 이하인 것이 바람직하다. 용접부의 내식성 및 강도 향상을 위해서 상기 Si는 0.2% 이상 포함하고, 인성저하를 방지하기 위해서 0.8%는 넘지 않는 것이 바람직하다. 또한, 용접부의 고온 균열 감수성을 저감시키기 위해서 상기 P는 0.01%이고, S는 0.05% 이하로 관리하는 것이 바람직하다. 한편, Mn은 18~26%를 포함하여 탈산으로 인한 용접부의 활성화 원소인 산소를 저감시키도록 설계해 용접금속의 표면 장력이 증가하게 되므로, 1 또는 2 패스 용접에서도 용접비드가 응력집중도가 높게 하였다.

한편, 본 발명에서는 응력집중도가 높은 요(凹)형이 아닌 중심부 응력 집중이 최소화 될 수 있는 철(凸)형 비드를 갖도록 제조한다. 이에 따라 탈산을 통한 철(凸)형의 비드와 P, S가 저감된 용접재료 적용을 통해 대입열 내주면 1 패스, 외주면 1 또는 2 패스 용접을 통해 용접비드의 깊이에 대한 폭의 비(폭/깊이, W/D)가 1.4 이상으로 고온 균열이 발생하기 쉬훈 비드 형태에서도 고온 균열 발생을 억제하고, 롱심밀링 공정을 생략할 수 있다.

상기 외주면을 용접할 때 용접 입열량은 3.5KJ/㎜ 이상인 것이 바람직하다. 상기 1 또는 2 패스 용접시 높은 입열량을 3.5KJ/㎜ 이상으로 높게 하여, 용접 비드의 폭(W)과 깊이(D)의 비(W/D)가 1.4를 초과하더라도, 용접 이음부의 균열이 발생하지 않아, 우수한 특성의 용접 이음부를 제조할 수 있다.

도 4는 본 발명의 방법에 의해 제조된 고망간강 슬러리 파이프의 용접비드를 관찰한 것으로서, 다층 용접이 적용되지 않음을 알 수 있다. 또한, 본 발명에 의하면, 용접비드의 깊이에 대한 폭의 비(폭/깊이, W/D) 1.4 이상이 되어도 용접 비드에서의 고온 균열이 발생하지 않는다.

이하, 본 발명의 실시예에 대해서 상세히 설명한다. 하기 실시예는 본 발명의 이해를 위한 것일 뿐, 본 발명의 권리범위를 한정하는 것은 아니다.

(실시예)

슬러리 파이프 제작에 사용되는, 고망간강(1.1C18Mn3Cr0.5Cu)을 준비하여, 관형태로 만든 후 가용접을 행하고, 내주면 용접 및 외주면 용접을 행하여, 용접 이음부를 제조하였다. 상기 가용접시 용접 재료는 중량%로 C: 0.4, Si: 0.6%, Mn: 22%, Ni: 3%, Cr+Mo: 2%, Ti+Nb+V: 0.2%, P: 0.005%, S: 0.001%, 나머지는 Fe와 불가피한 불순물을 포함하는 것을 사용하였고, 용접시 입열량은 1.7KJ/㎜의 조건으로 행하였다.

상기 가용접 후 내주면 용접을 행하고, 외주면을 용접하였다. 상기 용접은 서브머지드 아크 용접으로 행하고, 이때 용접 재료는 중량%로 C: 0.4, Si: 0.6%, Mn: 22%, Ni: 3%, Cr+Mo: 2%, Ti+Nb+V: 0.2%, P: 0.005%, S: 0.001%, 나머지는 Fe와 불가피한 불순물을 포함하고, 내주면 용접은 1 패스(pass)로, 행하고 이때의 용접 입열량은 2.6KJ/㎜로 행하였다.

이후, 별도의 롱심밀링을 행하지 않고, 상기 용접 재료를 이용하여, 하기 표 1의 조건으로 제조된 외주면 용접을 행하였다. 이렇게 제죄된 용접이음부에서 균열이 발생 여부를 관찰하고 이에 대한 결과를 하기 표 1에 함께 나타내었다. 하기 표 1에서 W/D는 용접 비드의 폭/깊이의 비를 나타낸 것이다.

구분	패스별 입열량(KJ/㎜)	W/D	패스 수	균열 발생 유무
발명예 1	4.1	1.4	1	균열 없음
발명예 2	4.6	1.76	1	균열 없음
발명예 3	4.7	1.82	1	균열 없음
발명예 4	3.6	1.8	2	균열 없음
비교예 1	3.1	1.24	2	균열
비교예 2	2.4	1.36	3	균열
비교예 3	2.1	1.25	5	균열
비교예 4	1.9	1.42	7	균열
비교예 5	3.2	1.79	3	균열
비교예 6	2.9	1.83	5	균열

한편, 도 6은 상기 발명예외 비교예에 대해서, 용접 패스수와 폭/깊이의 비를 나타낸 그래프이다.

상기 표 1 및 도 6의 결과에서 알 수 있듯이, 본 발명의 조건을 충족하는 용접 비드의 폭/깊이 비가 1.4를 초과하더라도 균열이 발생하지 않는 것을 확인할 수 있었다.

Claims

고망간강을 관형으로 성형하여 맞대기부가 형성되도록 하는 단계;
상기 맞대기부를 가용접(Tack Welding)하는 단계;
상기 가용접된 맞대기부의 내주면을 용접하는 단계; 및
상기 내주면을 용접한 후 외주면을 용접하는 단계를 포함하고, 상기 외주면의 용접은 1 또는 2 패스(pass)로 행하는 고망간강을 이용한 슬러리 파이프 제조방법.
청구항 1에 있어서,
상기 가용접(Tack Welding)시 가용접 재료는 중량%로, 탄소(C): 0.1~0.5%, 실리콘(Si): 0.2~1.0%, 망간(Mn): 18~26%, 인(P): 0.015% 이하, 황(S): 0.01% 이하, 니켈(Ni): 5.0% 이하를 포함하고, 크롬(Cr) 및 몰리브덴(Mo) 중 1종 이상이 5.0% 이하, 티타늄(Ti), 니오븀(Nb) 및 바나듐(V) 중 1종 이상이 1.0% 이하, 나머지는 Fe와 불가피한 불순물을 포함하는 고망간강을 이용한 슬러리 파이프 제조방법.
청구항 1에 있어서,
상기 내주면을 용접하는 단계는 1-패스(pass) 용접으로 행하는 고망간강을 이용한 슬러리 파이프 제조방법.
청구항 1에 있어서,
상기 외주면 용접시 용접 입열량은 3.5KJ/㎜ 이상인 고망간강을 이용한 슬러리 파이프 제조방법.
청구항 1에 있어서,
상기 내주면을 용접하는 단계 및 외주면을 용접하는 단계에서 사용되는 용접재료는 중량%로, 탄소(C): 0.2~0.6%, 실리콘(Si): 0.2~0.8%, 망간(Mn): 18~26%, 인(P): 0.01% 이하, 황(S): 0.005% 이하, 니켈(Ni): 5.0% 이하, 크롬(Cr) 및 몰리브덴(Mo) 중 1종 이상이 5.0% 이하, 티타늄(Ti), 니오븀(Nb) 및 바나듐(V) 중 1종 이상이 1.0% 이하, 나머지는 Fe와 불가피한 불순물을 포함하는 고망간강을 이용한 슬러리 파이프 제조방법.
청구항 1에 있어서,
상기 가용접은 플럭스 코어드 아크 용접(Flux Cored Arc Welding) 방법으로 행하는 고망간강을 이용한 슬러리 파이프 제조방법.
청구항 1에 있어서,
상기 내주면의 용접과 외주면의 용접은 서브머지드 용접(Submerged Welding, SA) 방법으로 행하는 고망간강을 이용한 슬러리 파이프 제조방법.
청구항 1에 있어서,
상기 방법으로 제조된 맞대기부의 용접 비드는 깊이(D)에 대한 폭(W)의 비(W/D)가 1.4 이상인 고망간강을 이용한 슬러피 파이프 제조방법.
청구항 8에 있어서,
상기 용접 비드는 철(凸)형 비드인 고망간강을 이용한 슬러피 파이프 제조방법.