KR20200016236A - 재료 샘플을 면내 파괴 인성 평가를 위한 표준 시험에서 시험하는 방법 및 장치 - Google Patents

재료 샘플을 면내 파괴 인성 평가를 위한 표준 시험에서 시험하는 방법 및 장치 Download PDF

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엘리아스 채트지도우로스
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Abstract

구조물의 벽에 사용된 유형의 재료 샘플을 면내 파괴 인성 평가를 위한 표준 시험에서 시험하는 방법. 본 방법은 구조물의 벽의 두께 보다 크기 않은 측방향 길이를 갖는 샘플을 획득하는 단계; 상기 샘플을, (a) 바닥면, (b) 중앙 노치를 갖는 윤곽 형성된 상부면, (c) 상기 중앙 노치의 제1 측면 상의 제1 결합 특징부, 및 (d) 상기 중앙 노치의 제2 측면 상의 제2 결합 특징부를 갖도록, 성형하는 단계; 상기 제1 결합 특징부에 제1 측면 연장부를 결합시키고 상기 제2 결합 특징부에 제2 측면 연장부를 결합시킴으로써 샘플의 폭을 상기 측방향 폭을 초과하게 증가시키는, 시편을 조립하는 단계; 및 샘플의 파괴 인성을 평가하기 위해 상기 조립된 시편 및 샘플에 표준 파괴 인성 시험을 적용하는 단계를 포함한다.

Description

재료 샘플을 면내 파괴 인성 평가를 위한 표준 시험에서 시험하는 방법 및 장치
관련 출원에 대한 교차 참조
본 출원은 2017년 12월 29일자로 출원된 미국 정식 출원 제15/858,273호 및 2017년 6월 15일자로 출원된 미국 가출원 제62/520,489호의 우선권을 주장하며, 이들은 그 전체가 본원에 기재된 것처럼 원용되어 포함된다.
기술분야
본 발명은 구조적 적합성을 위한 재료 시험에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 비교적 작은 두께의 재료 샘플을 면내 파괴 인성 평가(in-plane fracture toughness evaluation)를 위한 표준 시험에서 시험하는 방법 및 장치에 관한 것이다.
수소 유도 균열(HIC: Hydrogen-induced cracking)은 황화수소(H2S)농도가 높은 사워(sour) 환경에 있는 오일 및 가스 파이프 라인 및 관련 설비에서 직면하게 되는 것이다. 이러한 결함은 대부분의 강 안으로 들어가는, 사워 부식(sour corrosion)에 의해 생성된 원자 수소에 기인할 수 있다. 원자 수소는 미세 조직에 존재하는 비금속 공간의 계면에서 반응하고 재조합되어 고압 분자 수소 공동을 형성한다. HIC는, HIC에 의해 유도된 균열의 예를 도시하고 있는 도 1에 도시된 바와 같이, 파이프 벽에 평행한 면 내에서 전파되는 경향이 있다. 파괴 인성(FT) 시험은 균열 성장에 대한 재료의 저항을 측정하기 위한 표준화된 기계적 시험 설계이다. FT 시험에서, 사전 균열 시험편에 제어된 변위 속도 하에서 하중을 가하면서 합력을 측정한다. 평면 변형 응력 강도 계수(K) 및 J-적분(J)과 같은 FT 파라미터를 계산하는 데 힘-변위 곡선이 사용된다.
균열 전파에 저항하는 재료의 능력을 특징짓기 위한 파괴 인성(FT) 시험을 수행할 때 FT 시편의 치수와 방향은 중요하다. 직사각형 단조/압연 판 샘플의 치수들은 판 압연/단조 방향에 평행한 종 방향 치수(L), 횡단 치수(T), 및 짧은 횡단 치수 또는 두께 치수(S)로 정의된다. 이들 평면을 나타내는 샘플의 개략적 모델이 도 2에 도시되어 있다. 첫 번째 문자는 균열 평면에 수직인 방향(모델 I 파괴의 주 인장 응력의 방향과 일치)을 나타내며, 두 번째 문자는 균열 확장의 방향을 나타낸다.
HIC 균열 전파에 대한 관심 방향, 더 일반적으로 말하자면 단계적 균열에 대한 관심 방향은, 평행한 면내 균열들이 발생하는 방향인 도 2에 도시된 S-T 또는 S-L 방향이다. 가는 또는 비교적 얇은 파이프 라인(10-30 mm 벽 두께)에 있어서 이러한 방향에서의 파괴 인성(FT) 특성을 측정하는 것은 어려운 것으로 알려졌다. 이는 SL 및 ST 방향의 FT 값이 다른 방향(예를 들어, TL, LT)의 FT 값과 같지 않으므로 특히 문제가 되고, 따라서 상기 다른 방향에서 측정한 값을 SL 및 ST 방향의 FT 값에 대한 신뢰할 수 있는 추정값으로 사용할 수 없다.
ASTM(American Society for Testing and Materials) 1820 파괴 인성 시험 표준은 단일 에지 굽힘(SEB) 또는 컴팩트 인장(CT) 유형의 특정 시편을 사용해야 한다. 그러나 이러한 시편은 SEB 또는 CT 시편을 추출하기 위한 두께 방향의 재료가 충분하지 않기 때문에 S-T 및 S-L 방향의 FT 측정에는 적합하지 않다. 예를 들어, 두께가 10 밀리미터인 전형적인 SEB 시편을 가공하려면 약 90 밀리미터의 최소 플레이트 두께가 필요한데, 이는 석유 및 가스 산업에서 사용되는 파이프 설비의 일반적인 파이프 두께를 훨씬 상회한다.
면내 FT 데이터는 금속 조직의 파괴에 대비하여 설계하는 데에는 필요하지 않지만, 관심있는 설비가 HIC와 같은 면내 균열이 발생할 수 있는 경우에는 큰 관심을 끌게 된다. 이러한 데이터는 재료 선택 단계에서 상이한 유형의 강들 사이에서 상이한 제조업체가 제공하는 금속의 품질을 판별하는 데 도움이 될 수 있으며, 또한 사용 수명 동안의 균열 성장 속도와 설비의 잔존 무결성에 미치는 영향을 예측할 수 있게 한다.
따라서, 금속판의 면내 파괴 인성의 유효한(즉, 표준에 부합하는) 측정치들을 산출해낼 수 있는, 면내 파괴에 대한 FT 시험을 가능하게 하는 방법이 필요하다. 본원에서 개시되는 것은 이러한 고려 사항들과 그 밖의 다른 고려 사항들에 관련된 것이다.
본 발명의 실시예들은 면내 파괴 인성 평가를 위한 표준 시험에서 재료를 시험하는 방법을 제공하며, 여기서 재료 샘플은 구조물의 벽에 사용되는 유형의 것이다. 특정 실시 양태에서, 본 발명의 방법은 구조물의 벽의 샘플을 획득하는 단계; 상기 샘플을 노치 형성된 구성요소(notched component)로 성형하는 단계, 여기서 상기 노치 형성된 구성요소는 상기 구조물의 벽의 두께와 동일한 두께 치수를 갖는 평평한 바닥면 및 윤곽 형성된 상부면(profiled top surface)을 포함하고, 상기 윤곽 형성된 상부면은 상기 바닥면의 평면에 직각으로 배향된 중앙 노치, 중앙 노치의 제1 측면 상의 제1 소켓, 및 중앙 노치의 제2 측면 상의 제2 소켓을 가짐; 상기 노치 형성된 구성요소의 상기 제1 소켓에 제1 측면 연장부를 결합시키고 상기 제2 소켓에 제2 측면 연장부를 결합시킴으로써 샘플의 유효 두께를 노치 형성된 구성요소의 바닥면의 두께를 초과하게 증가시키는, 시편을 조립하는 단계; 및 면내 방향의 재료의 파괴 인성을 평가하기 위해 상기 조립된 시편(assembled test specimen)에 표준 파괴 인성 시험을 적용하는 단계를 포함한다. 시험할 구조물은 석유 및 가스 산업에서 널리 사용되는 강관과 같은 약 5 mm 내지 약 70 mm의 두께를 갖는 재료가 바람직하다.
일부 구현예들에서, 본 발명의 방법은 상기 노치 형성된 구성요소를 기계 가공하되 상기 중앙 노치가 표준 파괴 인성 시험에서 T-L 방향으로 개방되게 배향되도록 기계 가공하는 단계를 추가로 포함한다. 다른 구현예들에서, 본 발명의 방법은 상기 노치 형성된 구성요소를 기계 가공하되 상기 중앙 노치가 S-L 방향으로 개방되게 배향되도록 성형되게 기계 가공하는 단계를 추가로 포함한다.
표준 파괴 시험의 요구 사항을 충족시키기 위해, 제1 및 제2 측면 연장부의 길이와 노치 형성된 구성요소의 두께의 합이 상기 바닥면에서부터 상기 윤곽 형성된 상부면의 첨단까지 측정했을 때의 노치 형성된 구성요소의 폭의 4.5배 이상이 되도록, 제1 및 제2 측면 연장부를 형성하는 것이 바람직하다.
일부 실시예들에서 상기 제1 및 제2 소켓은 일부 실시예들에서는 상기 중앙 노치에 대해 대칭일 수 있는 반면, 다른 실시예들에서 상기 제1 및 제2 소켓은 상기 중앙 노치에 대해 비대칭일 수 있다. 시편은 노치 형성된 구성요소의 바닥면에 힘이 가해지도록 표준 파괴 인성 시험 장치에 배치될 수 있다. 노치 형성된 구성요소의 중앙 노치는 제1 폭을 갖는 제1 부분과, 상기 제1 부분 아래에 위치되며 상기 제1 폭보다 작은 제2 폭을 갖는 제2 부분을 포함하도록 성형될 수 있다. 노치 형성된 구성 요소의 상기 제1 및 제2 소켓은 엘보형 노치들을 형성할 수 있다.
일부 실시예들에서, 본 발명의 방법은 노치 형성된 구성요소에 대한 최적의 기하학적 파라미터를 결정하기 위해, 프로그래밍된 컴퓨터와 표준 파괴 인성 시험에서 나온 데이터를 사용하여 파괴 인성의 유한 요소 시뮬레이션을 수행하는 단계를 추가로 포함한다.
시편에 대한 가혹한 수소 환경의 영향을 조사하기 위해, 일부 실시예들에서, 본 발명의 방법은 표준 파괴 시험을 적용하기 전에 노치 형성된 구성요소에 수소를 담지시키는(charging) 단계를 추가로 포함한다. 이러한 실시예들에서, 노치 형성된 구성요소에 수소 농도가 원하는 수준에 도달할 때까지 소정의 지속 시간에 걸쳐 수소가 담지될 수 있다. 노치 형성된 구성요소에 목표 정상 상태 수소 농도가 담지되도록 하는 데 필요한 전류 밀도와, 복수의 수소 농도 레벨에서의 S-L 방향과 T-L 방향 사이의 파괴 특성의 차이가 결정될 수 있다.
본 발명의 실시예들은 또한 구조물의 벽에 사용되는 재료의 파괴 인성을 시험하기 위한 장치를 제공한다. 본 발명 장치의 실시예들은, 구조물의 재료의 샘플로 제조되며, (a) 구조물의 벽의 두께와 동일한 폭을 갖는 바닥면, (b) 중앙 노치를 갖는 윤곽 형성된 상부면, (c) 상기 중앙 노치의 제1 측면 상의 제1 소켓, 및 (d) 상기 중앙 노치의 제2 측면 상의 제2 소켓 특징부를 갖도록 성형된, 노치 형성된 구성요소; 상기 노치 형성된 구성요소의 상기 제1 소켓에 결합된 제1 측면 연장부; 및 상기 노치 형성된 구성요소의 제2 소켓에 결합된 제2 측면 연장부를 포함한다. 상기 제1 및 제2 측면 연장부는 표준 파괴 인성 시험에 사용하기에 충분한 길이의 조립된 시편을 제공할 수 있도록 노치 형성된 구성요소의 유효 폭을 연장시킨다. 상기 구조물은 X65와 같은 강으로 만들어진 파이프의 벽과 같이 약 5 mm 내지 약 70 mm의 비교적 작은 두께를 갖는 재료인 것이 바람직하다.
일부 실시예들에서, 노치 형성된 구성요소의 중앙 노치는 표준 파괴 인성 시험에서 T-L 방향으로 개방되도록 배향된다. 다른 실시예들에서, 노치 형성된 구성요소의 중앙 노치는 표준 파괴 인성 시험에서 S-L 방향으로 개방되도록 배향된다.
상기 제1 및 제2 측면 연장부는, 그 제1 및 제2 측면 연장부의 길이와 노치 형성된 구성요소의 두께의 합이 상기 바닥면에서부터 상기 윤곽 형성된 상부면의 첨단까지 측정했을 때의 노치 형성된 구성요소의 폭의 4.5배 이상이 되도록, 형성된다.
일부 구현예들에서, 노치 형성된 구성요소에 수소가 담지된다.
이들 및 다른 측면, 특징 및 이점은 본 발명의 특정 실시예 및 첨부된 도면 및 청구의 다음의 설명으로부터 이해될 수 있다. 도면은 예시적이고 모범적인 것으로서, 도시된 요소들을 절대적인 의미에서나 혹은 상대적 의미에서 반드시 정확하게 실척으로 나타내는 것은 아니다.
도 1은 수소-유도 균열(HIC)의 예를 도시하고 있다.
도 2는 파괴 인성 시험과 관련된 평면 방향에 대한 ASTM의 용어를 나타내는 개략적인 사시도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 노치 형성된 구성요소의 개략적인 사시도이다.
도 4a는 본 발명의 사전 조립에 따른 시편의 일 실시예의 개략적인 정면도이다.
도 4b는 본 발명에 따른 조립된 시편의 일 실시예의 개략적인 정면도이다.
도 5는 표준 3점 굽힘 시험을 받는 본 발명에 따른 조립된 시편의 일 실시예의 개략적인 정면도이다.
도 6은 본 발명에 따른 노치 형성된 구성요소의 일 실시예의 확대된 정면도이다.
도 7은 본 발명에 따른 노치 형성된 구성요소의 파라미터를 최적화하는 예시적인 방법의 흐름도이다.
도 8a는 본 발명의 일 실시예에 따른 기계 가공된 샘플의 기하학적 형상의 파라미터 값을 선택하기 위한 최적화 방법의 흐름도이다.
도 8a 내지 도 8d는 두 가지 상이한 두께의 일체형 시편(도 8a, 도 8b) 및 두 가지 상이한 두께의 조립된 시편(도 8c, 도 8d)에 대해 수행된 파괴 인성 시험의 개략도이다.
도 9a 및 도 9b는 각각 본 발명에 따른 유한 요소 시뮬레이션으로부터 얻어진 20 mm(도 9a) 및 10 mm(도 9b)의 일체형 시편과 조립된 시편에 대한 힘 대 하중 선 변위의 그래프이다.
도 10a 및 도 10b는 각각 본 발명에 따른 유한 요소 시뮬레이션으로부터 얻어진 20 mm(도 10a) 및 10 mm(도 10b)의 일체형 시편과 조립된 시편에 대한 폰 미제스 윤곽도(von Mises contour diagram)이다.
도 11은 본 발명에 따른 일체형 시편과 조립된 시편을 시험하는 데 사용되는 예시적인 파괴 인성 시험 장치의 사진이다.
도 12a 및 도 12b는 단일 노치 굽힘(SEB) 시편으로부터의 수소 탈착을 상이한 전류 밀도에서의 온도 함수로(도 12a), 그리고 상이한 전류 밀도에서의 시간과 온도 함수로(도 12b) 나타내는 열 탈착 분광법(TDS) 분광사진이다.
도 13a 내지 13h는 대기 환경과 수소 환경에서 S-L 및 T-L 방향으로 시험된 파괴된 시편의 균열에 대한 주사 전자 현미경(SEM)의 현미경 사진이다.
도 14a 및 도 14b는 대기 환경(도 14a) 및 수소 환경(도 14b)에서 시험된 X65 평행 (S-L) 샘플로부터 얻은 전자 백스캐터 회절(EBSD) 역극 맵을 보여주고 있다.
도 15a는 X65 시편에 대한 최대 응력 강도 계수(K) 대 벌크 수소 농도의 그래프이다.
도 15b는 T-L 방향으로 파단된 X65 시편에 대한 균열 첨단 개방 변위 대 벌크 수소 농도의 그래프이다.
도 16a 및 16b는 S-L 방향으로 파단된 X65 시편에 대한 균열 첨단 개방 변위 대 벌크 수소 농도의 그래프이다.
본 발명의 실시예들은 S-L 및 S-T 방향에서의 샘플의 FT 시험을 가능하게 하여 HIC 정보를 제공하는 방법 및 장치를 제공한다. 표준 파괴 인성 시험 요구 사항과 호환되며 부합되는 치수를 갖는 조립된 시편이 제공된다. 상기 시편은 S-L 또는 S-T 방향의 균열 방향과 일치하는 노치를 포함하도록 기계 가공된 관심 재료(예를 들어, 모재 강판)로부터 채취한 샘플을 포함한다.
도 3은 파괴 인성을 시험할 재료(예를 들어, 소정의 유형의 강)로 제조된 두께(T)의 판(100)를 도시하는 개략적인 사시도이다. 판(100)은 소정의 파이프의 샘플일 수 있거나, 그렇지 않으면 산업계에서 사용되는 파이프의 두께를 대표하는 두께인 약 10 mm 내지 약 30 mm의 두께를 갖는 샘플일 수 있다. 판(100) 내에, 본 발명에 따른 파괴 인성 시험에 적합한 2개의 예시적인 노치 형성된 구성요소(105, 110)가 개략적으로 도시되어 있다. 노치 형성된 구성요소(105, 110)는 밀링, 레이저 절단 등과 같은 절삭 기술(subtractive technique)에 의해 판으로부터 기계 가공될 수 있다. 나타낸 바와 같이, 구성요소(105, 110)의 각각의 전면(106, 112)에는 노치가 형성되고, 구성요소의 각각의 후면(108, 114)은 평평하다. 노치 형성된 구성요소의 전면 및 후면의 길이는 판(100)의 두께(T)와 정확하게 일치한다. 노치 형성된 구성요소(105)의 전면(106)은 판(100)의 평면에 평행하게, 즉 수평으로 배향된 중앙 노치(107)를 포함한다. 유사하게, 노치 형성된 구성요소(110)의 전면(112)은 판(100)의 평면에 평행하게 배향된 중앙 노치(111)를 포함한다. 중앙 노치(107, 111)는 판의 평면에 S-L 또는 S-T 방향으로 배향된 수소-유도 균열을 나타낸다. 도 3에 도시된 실시예에서, 시편의 전면(106, 112)은 추가적인 구성요소와의 용이한 기계식 조립을 가능하게 하기 위해 "W"형상의 윤곽을 가진다.
도 4a는 본 발명의 일 실시예에 따른 사전 조립된 시편(200)의 일 실시예의 정면도이다. 시편(200)은 3개의 구성요소, 즉 도 3에 도시된 바와 같은 노치 형성된 구성요소(예를 들어, 도면 부호 105로 표시된 것), 노치 형성된 구성요소(105)의 제1 측면에 견고하게 결합되도록 구성된 제1 측면 연장부(210), 및 노치 형성된 구성요소(105)의 제2 측면에 견고하게 결합되도록 구성된 제2 측면 연장부(220)를 포함한다. 상기 제1 및 제2 측면 연장부(210, 220)는 노치 형성된 구성요소와 동일한 재료(예를 들어, 동일한 원판으로부터 기계 가공됨) 또는 고강도 재료로 만들어진다. 노치 형성된 구성요소와 제1 및 제2 측면 연장부는 조립되었을 때에 시편의 유효 길이를 증가시킨다.
도시된 실시예에서, 노치 형성된 구성요소(105)에는, 중앙 노치(107) 외에도, 중앙 노치(107)에 인접하게 위치된 소켓(122)(암형 커넥터) 및 중앙 노치 반대편의 소켓(122)에 인접하게 위치된 상향으로 만곡된 후크형 탭(124)(수형 커넥터)으로 이루어진, "W" 형상 윤곽의 제1 절반부가 노치 형성된 구성요소의 제1 측면(도 4a의 좌측)에 형성된다. 중앙 노치(107)에 인접하게 위치된 제2 소켓(126) 및 중앙 노치 반대편의 제2 소켓(126)에 인접하게 위치된 제2의 상향으로 만곡된 후크형 탭(128)으로 이루어진, "W" 형상 윤곽의 제2 절반부가, 노치 형성된 구성요소의 제2 측면(도 4a의 우측)에 형성된다.
노치 형성된 구성요소(105)에 인접하게 도시된 제1 측면 연장부(210)의 단부는 노치 형성된 구성요소의 제1 소켓(122)에 정확하고 꼭 맞게 삽착되도록 구성된 하향 만곡된 후크형 탭(212)을 포함한다. 측면 연장부(210)의 탭(212)에는 노치 형성된 구성요소의 제1 탭(124)을 꼭 맞게 수용하도록 구성된 소켓(214)이 인접해 있다. 유사하게, 노치 형성된 구성요소(105)에 인접하게 도시된 제2 측면 연장부(220)의 단부는 노치 형성된 구성요소의 제2 소켓(126)에 정확하고 꼭 맞게 삽착되도록 구성된 하향 만곡된 후크형 탭(222)을 포함한다. 측면 연장부(220)의 탭(222)에는 노치 형성된 구성요소의 제2 탭(128)을 꼭 맞게 수용하도록 구성된 소켓(224)이 인접해 있다.
도 4b는 노치 형성된 구성요소의 탭(124, 128)이 제1 및 제2 측면 연장부의 각 소켓(214, 224)에 삽입됨과 동시에 제1 및 제2 측면 연장부(210, 220)의 탭(212, 222)이 노치 형성된 구성요소(105)의 각 소켓(122, 126)에 삽입됨으로써 조립된 시편의 정면도이다. 제1 및 제2 측면 연장부(210, 220)의 상부면이 도 4b에 도시된 바와 같이 노치 형성된 구성요소와 접촉하는 곳에 용접 접합부(232, 234)가 형성될 수 있다. 용접 접합부(232, 234)는 측면 연장부(210, 220)를 노치 형성된 구성요소(105)에 견고하게 고정시킨다. 일부 실시예들에서, 용접 접합부(232, 234)는, 시편에 아주 적은 열을 도입하고 균열 구역 주변의 영역(중앙 노치(111))에 영향(열 영향)을 미치지 않는 마이크로-레이저 용접에 의해, 생성될 수 있다. 용접이 중앙 노치(111) 주위의 영역에 열 영향을 미치지 않도록 하기 위해, 상업용 용접 시뮬레이션 툴(예를 들어, 프랑스 파리 소재의 EGI 그룹에서 생산한 SYSWELD)을 용접 프로세스 시뮬레이션에 사용하여서 마이크로 레이저 용접 동안에 사용할 실제 용접 파라미터(정확한 배치, 온도, 시간)의 추정치를 얻을 있도록 한다.
측면 확장부들의 길이는 조립된 시편이 표준 시험 요구 사항에 명시된 다음 식을 준수하도록 구성될 수 있다.
2L+T ≥ 4.5W (1)
여기서, L은 측면 연장부의 길이를 나타내고(연장부들이 동일한 길이인 실시예에서), W는 노치 형성된 구성요소의 전면(106)의 상단 가장자리에서부터 후면(108)의 후면 가장자리까지의 거리로서 측정된, 노치 형성된 구성요소의 폭이고, T는 위에서 언급한 바와 같이 구조 재료(예를 들어, 파이프)의 두께에 해당하는, 샘플의 두께이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 조립된 시편에 적용되는 표준 3점 굽힘 파괴 인성 시험의 개략도이다. 도시된 바와 같이, 조립된 시편은 상부 가장자리를 아래로 향하게 하여 수평으로 위치된다. 이 위치에서, 제1 측면 연장부(210)의 상부 가장자리는 고정된 볼 요소(242)(도 5에서 우측에 도시됨)와 접촉되어서 그에 의해 지지되며, 제2 측면 연장부(220)의 상부 가장자리는 고정된 볼 요소(244)와 접촉되어서 그에 의해 지지된다. 제3 볼 요소(246)는 노치 형성된 구성요소(105)의 상향하는 후면 상의 시험편의 뒷면에 배치된다. 시험하는 동안, 노치 형성된 구성요소의 후면에 압력을 가하는 제3 볼 요소(246)에 하향 힘이 가해진다. 이 힘은 노치 형성된 구성요소의 중앙 노치(111)에 의해 형성된 균열을 여는 경향이 있는 굽힘 모멘트를 일으킨다.
본 발명에 따른 시편은, 면내 파괴 인성(즉, S-T 및 S-L 방향)의 측정을 가능하게 하는 것 외에도, 추가적인 이점을 제공한다. 그 이유는, 관심을 두고 있는 소정의 구조 재료(예를 들어, "모재 판")에 있어서는 비교적 작은 노치 형성된 구성요소들만이 재료로부터 기계 가공되는 반면에 측면 연장부들은 관심을 두고 있는 원재료에 필적할 수 있는 기계적 특성(예를 들어, 탄성계수 및 강도)을 갖는 다른 구조물로부터 기계 가공될 수 있기 때문이다. 예를 들어, 관심을 두고 있는 구조물이 탄소강인 경우, 연장부도 강(예를 들어, HSLA, 탄소강, 연강)으로 만들어 져야하지 알루미늄과 같이 현저히 다른 특성을 갖는 금속으로 만들어서는 안 된다. 이러한 방식으로, 원재료가 절약될 수 있다. 예를 들어, 모재 판의 단위 면적에서 가공할 수 있는 최대 샘플 수는, T-L 구성의 경우 (1/4.5W * W)이고 L-S 구성의 경우 (1/4.5*W*B)인 경우와 비교되게, S-L 구성의 경우 약 (1/W*B)이고, 여기서 B는 표준 시험 요구 사항에 의해 규정된 상수이다. 일부 표준에서 B = 0.5W가 요구된다고 할 때, 이러한 방식으로 원재료를 절약함으로써 단위 면적당 최대 9개의 시편을 더 생산할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 시편은 환경 FT 시험에 특히 적합하다. 노치 형성된 구성요소는 별도로 기계 가공되므로, 가혹한 환경에서 FT 시험을 수행하는 데 있어서의 유연성이 더 높다. 예를 들어, 수소가 풍부한 환경에서 FT 시험을 수행하는 경우, 수소 취화를 기계 가공된 샘플에만 집중시키기 위해 수소 흡수에 대한 감도가 낮은 측면 연장부용 재료(예를 들어, 오스테나이트계 스테인리스 강)를 선택할 수 있다. 또한, 기계 가공된 노치 형성된 구성요소는 샘플을 측면 연장부 및 FT 시험에 결합시키기 전에 관심을 두고 있는 가혹한 환경에 노출될 수 있다.
노치 형성된 구성요소의 기하학적 형상의 유한 요소 최적화
특정 실시예에 따른 노치 형성된 구성요소는 복잡한 "W" 형상을 가지므로, 시편이 측면 연장부와 완전히 조립된 때에 기계적 측면에서 단일 부품의 일체형 시편처럼 거동하는 것을 보장할 수 있도록 형상의 치수 파라미터들을 선택하는 것이 중요하다. 도 6은 본 발명에 따른 노치 형성된 구성요소의 일 실시예의 확대된 정면도를 도시하고 있다. 도 6은 특정 치수들, 즉 d1, d2, d3, d4, R1, R2, t, W 및 각도
Figure pct00001
를 포함하는, 노치 형성된 구성요소와 관련된 여러 기하학적 파라미터들을 예시하고 있다. 따라서, 도시된 노치 형성된 구성요소는 총 9개의 기하학적 파라미터를 특징으로 할 수 있으며, 그 중 두께(t)는 관심을 두고 있는 구조 재료의 두께에 기초하고, W는 시험에 의해 임의로 고정된다. R1이 R2와 같게 설정되면 6개의 변수로 줄일 수 있는 나머지 7개의 파라미터(d1, d2, d3, d4, R1, R2 및
Figure pct00002
)는 실험적 시험 또는 시뮬레이션 모델을 사용하여 최적화할 수 있는 변수이다.
다음의 논의는 컴퓨터 시스템의 프로세서에서 실행되는 프로그램 코드를 사용하여 본 발명에 따른 노치 형성된 구성요소에 대해 수행될 수 있는 예시적인 기하학적 파라미터 최적화를 설명한다. 최적화는, 6개의 시험된 파라미터들의 상이한 값들을 갖는 조립된 시편 및 일체형 시편의 파괴 인성 시험 하에서의 기계적 거동을 시뮬레이션하고 비교하는 유한 요소 분석을 사용한다. 최적화는 조립된 시편이 가능한 한 일체형 단일품 시편과 밀접하게 거동하게 되는 파라미터 값들을 찾으려는 것이다. 도 7은 본 발명에 따른 노치 형성된 구성요소의 기하학젓 변수들을 최적화하는 예시적인 방법의 흐름도이다. 단계 302에서, 방법이 시작된다. 단계 304에서, 선택된 디자인의 일체형 시편, 즉 본 발명에 따라 조립되지 않은 시편에 대해서 유한 요소 시뮬레이션이 수행된다. 유한 요소 시뮬레이션은 일체형 시편에 대한 힘 변위 곡선, Fin을 산출한다. 단계 306에서, 본 발명에 따른 조립된 시편의 노치 형성된 구성요소의 기하학적 파라미터를 포함하는 벡터를 당업계에 공지된 방법에 따라 초기화한다. 단계 308에서, 노치 형성된 구성요소 및 측면 연장부들을 포함하는 본 발명에 따른 조립된 시편에 대해서 유한 요소 시뮬레이션이 수행된다. 유한 요소 시뮬레이션의 결과는 조립된 시험편에 대한 힘 변위 곡선, Fas이다. 단계 310에서 힘 변위 곡선들, 즉 Fin과 Fas사이의 차이가 최소인지의 여부가 결정된다. 상기 차이가 최소가 아니라고 결정되면, 단계 312에서 기하학적 파라미터 벡터가 갱신되고, 본 방법은 갱신된 파라미터들에 대한 유한 요소 시뮬레이션을 다시 수행하기 위해 단계 308로 순환한다. 단계 310에서 힘 변위 곡선들, 즉 Fin과 Fas사이의 차이가 최소라고 결정되면, 본 방법은 노치 형성된 구성요소의 기하학적 구성요소의 최종 파라미터 벡터가 결정되는 314 단계로 들어간다. 본 방법은 단계 316에서 종료된다. 최적화 방법에는 구배 하강 기반 기술 및/또는 당업계에 알려진 그 밖의 다른 기술이 사용될 수 있다.
시뮬레이션 예
다음 예는 석유 및 가스 산업의 구조물에 공통적인 두께가 10 mm 및 20 mm인 두 개의 상이한 평면 구조물에 대한 파라미터 최적화를 설명한다. 파라미터 최적화는 컴퓨터 시스템에서 실행되는 유한 요소 시뮬레이션 프로그램(예를 들어 ANSYS® v16 "시뮬레이터")을 사용하여 얻어졌다. 시뮬레이션은 4개의 개별 모델을 생성했다. 그 모델들 중 두 모델은 일체형 단일품 시편을 나타내고, 이 중 하나는 10 mm 두께의 시편이고 다른 하나는 20 mm 두께의 시편이다. 그 모델들 중 두 모델은 본 발명에 따른 조립된 시편을 나타내고, 마찬가지로, 이 중 하나는 10 mm 두께이고 다른 하나는 20 mm 두께이다. 시편들이 각각의 수평 중심에 대해 대칭이기 때문에, 유한 요소 시뮬레이션은 중심에서부터 주변까지의 절반의 시편에서 수행되었다. 유한 요소 모델의 개략도가 도 8a 내지 도 8d에 도시되어 있다. 도 8a는 좌측 하부 정점에서 후면에 볼 요소(405)에 의해 압축력이 가해지고 롤러 볼 요소(410)에 의해 전면의 상단을 향해 지지되는 20 mm 두께의 일체형 시편(402)을 도시하고 있다. 도 8b는 좌측 하부 정점에서 후면에 유사한 볼 요소(405)에 의해 압축력이 가해지고 롤러 볼 요소(410)에 의해 전면의 상단을 향해 지지되는 10 mm 두께의 일체형 시편(404)을 도시하고 있다. 도 8c는 측면 연장부(414)와, 측면 연장부가 결합되는 노치 형성된 구성요소(416)의 절반부로 구성된, 20 mm 두께의 조립된 시편(412)의 유한 요소 모델을 도시하고 있다. 힘을 가하는 볼 요소(405)는 노치 형성된 구성요소(416)의 후면에 압축력을 적용하고, 측면 연장부(414)의 전면은 롤러 볼 요소(410)에 의해 지지된다. 도 8d는 측면 연장부(424)와, 측면 연장부가 결합되는 노치 형성된 구성요소(426)의 절반부로 구성된, 10 mm 두께의 조립된 시편(422)의 유한 요소 모델을 도시하고 있다. 힘을 가하는 볼 요소(405)는 노치 형성된 구성요소(426)의 후면에 압축력을 적용하고, 측면 연장부(424)의 전면은 롤러 볼 요소(410)에 의해 지지된다.
4개의 유한 요소 모델에서, 시뮬레이터는 일체형 및 조립된 FT 시편들 모두에 평면 변형 공식을 사용했다. 이 공식은 두 가지 유형의 시편의 힘-변위 곡선과 파괴 인성 파라미터 KQ를 비교하기 위한 공정한 근사화이다. 또한, 모든 모델에 대해, 큰 변위 이론을 사용하고 뉴튼-랩슨 증분 반복 체계를 사용하여 정적 비선형 분석을 수행했다. 일체형 시편의 경우, 8개의 노드 2D 구조 쉘 요소가 사용되었으며, 롤러 지지대는 강체로 모델링되었다. 시편과 롤러 지지대 사이의 접촉은 마찰계수가 약 0.3인 3개의 노드 2D 면대면 접촉 요소를 사용하여 모델링되었다.
시뮬레이터는 고강도 저합금강(HSLA: High Strength Low Alloyed steel)의, 더 구체적으로는, 페라이트-바이니틱 조직을 갖는 피로 균열 억제(FCA: Fatigue Crack Arrester) 강의 응력-변형 곡선을 사용하여 재료 거동을 모델링했다. 롤러에 경계 조건이 부과되었다. 구체적으로, 롤러 볼 요소에서의 x 방향(압축 방향) 또는 y 방향(시편의 길이를 따르는 방향)의 병진 운동은 회전이 허용된 상태에서 0으로 설정되었다. 볼 요소(405)의 적용 지점에서의 y 방향의 병진 운동과 회전은 0으로 설정되었다. 시뮬레이션으로부터 힘-변위 곡선을 도출하기 위해, 볼 요소(405)의 파일럿 노드(볼 요소(405)가 노치 형성된 구성요소와 접촉하는 지점)에 변위(Ux)가 부과되었다. 파괴 인성 KQ를 평가하기 위해, 볼 요소(405)의 파일럿 노드에 힘 하중(FX)이 부과되었다.
유한 요소 시뮬레이터는 경계 조건과 재료 거동을 사용하여 각 시편의 균열 첨단 주변의 J 적분 파라미터를 평가했다. J-적분은 재료에서 변형 에너지 방출 속도, 또는 단위 파단 표면적 당 일(에너지)을 계산하는 방법을 나타낸다. J-적분은 J-적분 값의 수렴을 용이하게 하는 동일한 요소 가장자리 길이를 사용하여 균열 주위의 폐쇄 경로 주위의 적분을 통해 값이 구해졌다. 그 후, 파괴 인성 파라미터 KQ가 J 적분을 통해 평가되었다. J 적분은 다음 식에 따라 파괴 인성 파라미터로 변환될 수 있다.
J=KQ 2/(E(1-v2)) (2)
여기서 E는 FCA 재료의 재료 탄성계수이고, J는 J 적분이고, K는 파괴 인성 파라미터이다.
도 8c 및 도 8d에 도시된 조립된 시편에 대한 모델링은, 노치 형성된 구성요소와 사용하는 측면 연장부 사이의 가요성 접촉이 마찰계수가 0.3인 3개의 노드 2D 면대면 접촉 요소를 사용하여 모델링되었다는 점에서, 다소 다르다. 또한, 자유도가 일치하는 노드들을 20 mm 시편의 경우는 3 mm이고 10 mm 시편의 경우는 2.2 mm인 최대 균열 깊이까지(즉, d3은 최대 균열 깊이로 제한됨) 결합시킴으로써, 노치 형성된 구성요소와 측면 연장부 사이의 결합(예를 들어, 용접)을 시뮬레이션했다. 다른 측면에서, 조립된 시편들의 모델링은 요소 유형, 재료 모델, 경계 조건, 대칭 및 하중 등이 동일한 일체형 시편들의 모델링과 동일했습니다.
도 9a 및 도 9b는 예시적인 유한 요소 시뮬레이션의 결과를 나타내는 그래프이다. 도 9a는 20 mm 두께의 일체형 시편과 조립된 시편 모두에 대한 힘 대 하중 선 변위의 그래프를 나타내고 있다. 나타낸 바와 같이, 조립된 시편의 그래프는 일체형 시편의 그래프를 밀접하게 쫓아간다. 도 9b는 10 mm 두께의 일체형 시편과 조립된 시편 모두에 대한 힘 대 하중 선 변위의 그래프를 나타내고 있다. 도 9b에서도 조립된 시편의 그래프는 일체형 시편의 그래프를 밀접하게 쫓아간다. 힘-변위 곡선 결과는 볼 요소(405)의 파일럿 노드에 3 mm의 변위를 부과함으로써 얻어졌다. 일체형 시편 및 조립된 시편에 대한 거의 동일한 결과는 제안된 설계가 10 mm 및 20 mm 두께 모두에 대해 기계적 관점에서 수용 가능함을 증명하고 있다.
도 10a는 20 mm 두께의 시편의 유한 요소 모델로부터 얻은 폰 미제스 윤곽(von Mises contour)을 나타낸다. 폰 미제스 윤곽은 국소 응력을 나타낸다. 도 10a의 좌측의 윤곽(505)은 일체형 시편의 응력장을 나타내고, 우측의 윤곽(510)은 조립된 시편의 응력장을 나타낸다. 도 10b는 10 mm 두께의 시편의 유한 요소 모델로부터 얻은 위와 유사한 윤곽을 나타낸다. 도 10b의 좌측의 윤곽(515)은 일체형 시편의 응력장을 나타내고, 우측의 윤곽(520)은 조립된 시편의 응력장을 나타낸다. 이들을 함께 보면, 도 10a 및 도 10b의 폰 미제스 윤곽은, 본 발명에 따른 조립된 시편에 의해서는 균열 구역 주변의 국소 응력장이 잘 포착됨을 나타내고 있다.
표 1은 두 가지 두께의 일체형 및 조립된 모델에 대한 파괴 인성 시험의 유한 요소 시뮬레이션의 파괴 인성 파라미터 결과의 요약을 나타내고 있다. KQ결과는 10 mm 시편에 대해서는 2.2 kN의 가해진 힘 Fx과 4.1 mm인 노치와 균열을 더한 길이(a0)를 사용하여 얻어졌고 20 mm 시편에 대해서는 6.09 kN의 가해진 힘 Fx와 10 mm인 a0길이를 사용하여 얻어졌다. 표 1은 조립된 시편에 대한 예상 파괴 인성 지표(J 및 KQ)가 기존의 단일품 일체형 시편의 지표와 우수하게 일치한다는 증거를 제공한다.
[표 1]
Figure pct00003
실험적 시험
A. 제1 세트의 실험 - 보통(가혹하지 않은) 환경
유한 요소 연구 외에도 조립된 시편 설계를 검증하기 위해 물리적 시편에 대해 몇 가지 파괴 인성 시험이 수행되었다. 특히 FCA(Fatigue Crack Arrester) 강에 대해 파괴 인성 시험이 수행되었으며, 이도 또한 유한 요소 시뮬레이션에서 모델링되었다. FCA 강은 하기 표 2에 열거된 하기 조성을 갖는 고강도 페라이트-베이나이트 강이다.
[표 2]
Figure pct00004
유한 요소 시뮬레이션과 마찬가지로, 10 mm 및 20 mm 두께의 일체형 시편 및 조립된 시편 모두에 대해 총 네 가지의 시험이 수행되었다. 또한, FT 측정의 표준편차를 평가하기 위해 네 가지 시험 각각을 3회 반복하였다(총 12 번의 시험). 파괴 인성 시험 전에, 표준 ASTM E1820 시험 지침에 따라 기계 가공된 샘플에 노치를 형성하여 피로 사전 균열시켰다. 피로 사전 균열(fatigue pre-crack)의 길이를 MATELECT CM 7 ACPD(AC 전위 강하)를 사용하여 측정하였다. 모든 시험은 100 kN MTS 유압 시험기에서 수행되었다. 시험에 사용된 시험 장치(600)를 보여주는 사진을 도 11에서 보여주고 있다. 노치(605)를 갖는 일체형 시편(602)이 노치(시편의 전면)를 아래를 향하게 하여 장치(600) 상에 수평으로 배치된 것으로 보여주고 있다. 시편은 시편의 좌측 및 우측에 각각 위치된 2개의 볼 요소(610, 615) 상에 놓인다. 볼 요소(610)는 지지 블록(612)에 놓이고, 볼 요소(617)는 지지 블록(617)에 놓인다. 장치의 상부에서, 시편의 위쪽을 향한 표면의 중심과 접촉하는 상태로 위치된 볼 요소는 하향 힘을 가하여서 시편의 바닥에 있는 노치(605)가 넓어지게 한다. 이 시험은 힘-변위 곡선의 탄성 경사의 끝에서 최대 응력 강도 계수를 측정했고, 힘-변위 곡선의 최대 힘 지점에 해당하는 J0이라고도 알려진 최대 J 적분을 측정했다. 파괴 인성 파라미터의 모든 계산은 ASTM E1820 표준에 따라 이루어졌다.
표 3은 두께가 20 mm인 일체형 시편 및 조립된 시편에 대해 측정된 FT 값들을 목록으로 나타내고 있다. 표 4는 두께가 10 mm인 일체형 시편 및 조립된 시편에 대해 측정된 FT 값들을 목록으로 나타내고 있다. 표 3과 표 4는 일체형 시편과 조립된 시편의 FT 값들 간의 밀접한 일치를 보여주고 있다.
[표 3]
Figure pct00005
[표 4]
Figure pct00006
얇은 10 mm 시편과 관련하여, 표 3 및 표 4의 데이터는 일체형 시편과 조립된 시편의 평균 KQ값의 차이(ΔΚQ)가 0.08이고(표 4) 이는 일체형 시편의 표준편차(0.91)보다 실질적으로 작다는 것을 나타내고 있다. 이는 차이(ΔJ0)가 16.24이고 일체형 시편의 표준편차가 38.63인 J0적분의 값에 대해서도 마찬가지이다. 이러한 실험 결과는 본 발명에 따라서 노치 형성된 구성요소 및 조립된 시편 전체에 대해 구현된 기하학적 설계가 비교적 얇은 강판의 파괴 인성 특성을 평가하는 데 아주 적합하다는 것을 입증한다.
B. 제2 실험 세트 - 가혹한(H 2 S)환경 시뮬레이션
제2 실험 세트는 사용 중에 있는 파이프라인에서 지배적인 시뮬레이션된 H2S조건 하에서의 API X65 파이프라인 강의 파괴 인성 특성에 대한 수소의 영향을 결정하기 위해 수행되었다. 구체적으로, 대기 및 3 수준의 수소 중에서의 파괴 인성 특성 KIH 및 CTOD0는 S-L 및 T-L 균열 방향에 대한 연구였다. 현장의 파이프라인에서 추출한 300 mm 두께의 X65 저탄소 강에 대해 파괴 인성 실험을 수행했다. 먼저 표준 HIC 자격 시험이 수행되었고, 그 결과는 이 연구에 사용된 파이프라인 강이 HIC 저항성이 있음을 보여주었다.
제2 실험 세트의 첫 번째 절차는 시편에 수소를 담지시킴으로써 사용 시의 가혹한 환경 조건을 시뮬레이션하는 것이었다. 30gm NaCl과 3gm NH4SCN의 수용액 중에서 백금을 양극으로 한 상태에서 X65 강 시편을 음극 역할을 하여서 전해에 의해 수소를 담지시킴으로써 세 가지 상이한 수소 농도(CH)를 확립했다. NH4SCN을 수소 재조합 독으로서 사용하였고, 수소를 담지시키는 동안 용액을 N2로 탈기시켰다. 수소 사전 담지(Hydrogen pre-charging)는 파이프라인 강의 금속 격자에서 안정된 수소 농도를 달성하기에 충분한 것으로 밝혀진 48시간의 지속 시간 동안 수행되었다.
담지 시험의 이러한 초기 설정은 X65 샘플에서 원하는 CH를 생성할 수 있는 전류 밀도를 결정한다. 노치 깊이가 5 mm인 20 mm 길이, 20 mm 폭 및 10mm 두께의 노치 형성된 X65 시편에서 수소 함량이 측정되었다. X65 강 샘플들을 600 등급 금강사지(emery paper)를 사용하여 연마하고, 증류수와 아세톤으로 세척하여, 건조시켰다. 이러한 현장 밖 수소 담지 프로토콜은 현장의 석유 및 가스 파이프 라인에서의 균열 시작 및 전파와 관련된 실제 조건을 나타낸다. 상기 담지 프로토콜은 노치 형성된 X65 내에서의 느린 수소 흡수 및 확산을 허용함으로써, X65 강 재료의 대부분에서의 흡수와 석유 산업 현장에서 발생하는 느린 수소 축적 속도를 시뮬레이션한다.
X65 강 시편에 48시간 동안 수소를 담지시킨 후, 그 강을 빠른 수소 탈착을 피하기 위해 액체 질소(77K)에 침지시킨 다음 열 탈착 분광법(TDS) 측정 셀로 옮겨서 노 안에 삽입하였다. 아르곤 유동(약 60 ml/분)이 공급되었고, 분광계 신호 모니터링이 시작되었다. 질소 조 안에 침지시킨 때로부터 신호 모니터링까지의 지속 시간은 약 10분이었다. 작동(액체 N2 조에서 신호의 MS 모니터링까지)은 약 10분 동안 지속되었다. 유량/압력 평형이 이루어지도록 하기 위해 샘플 신호를 실온에서 6분 동안 기록하였고, 즉 샘플을 실온에서 6분 동안 유지시켰고, 그 후 700℃까지의 온도 상승(3 ℃/분)을 시작했다. 700℃에 도달한 후, 샘플을 그 온도에서 약 3시간 동안 유지시켰다. 3시간의 기간이 끝난 때에, 노를 껐고, 자연 냉각이 시작되었다. TDS 측정 결과는 목표 벌크 수소 농도를 달성하는 데 필요한 전류 밀도를 설정하는 데 사용된다.
X65 시편에 수소를 담지시킨 후, X65 강의 대부분에 정상 상태 CH를 확립시킴으로써 사용 시의 상태를 시뮬레이션했다. pH 및 H2S분압에 기초하여 하여 수소 담지를 결정한 후, 다음의 실험식을 사용하여 강의 대부분 내의 정상 상태 CH를 평가하였다.
Figure pct00007
(2)
여기서, CH측정치의단위는 ppmw이고, H2S의 분압 pH2S는 MPa로 표시된다.
H2S분압 및 pH의 세 가지 레벨은 ISO 15156-2에 규정된 환경 심각도의 세 가지 상이한 환경 영역을 커버하도록 선택되었다.
이 연구에서 선택된 환경 심각도의 세 가지 수준에 대한 수소 농도는 표 5에 나타내었다. pH 및 H2S분압의 세 가지 수준에 대한 평가 후의 제안된 수소 농도 값은 0.5 ppmw에서 CH-1,ppmw에서 CH-2,및 2 ppmw에서 CH-3이다.
[표 5]
Figure pct00008
현장 밖 파괴 인성 시험을 하기 전에, 세 가지 목표 CH 수준에 대응하는 현재 밀도(TDS에 의해 확립됨)를 사용하여 파괴 인성 SEB(Single Edge-notch Bending) 시편에 48시간 동안 사전 담지시켰다. 전류 밀도를 결정하기 위해 TDS 실험을 수행하였다. 상기 실험에서, 전류 밀도는 0.2 mA/cm2에서 5mA/cm2로 변화되었다. 도 12a는 단일 노치 굽힘(SEB) 시편으로부터의 수소 탈착을 상이한 전류 밀도에서의 온도 함수로 나타낸 TDS 분광사진이고, 도 12b는 상이한 전류 밀도에서의 수소 탈착을 시간과 온도 함수로 나타내는 TDS 분광사진이다. TDS 농도 측정으로부터 다음의 선택이 이루어졌다: 파괴 인성 시험편에 2ppmw의 CH를 담지시키기 위해서는 5mA/cm2,1ppmw의 CH를 담지시키기 위해서는 2mA/cm2,0.5ppmw의 CH를 담지시키기 위해서는 0.5mA/cm2.
T-L 방향의 X65 시편의 파괴 인성 시험에서, 대기 중에서의 파괴 인성 시험에 있어서는 파라미터 KQ가 최대 응력 강도 인자로 사용되었고, 수소 사전 담지된 시편의 응력 강도 인자의 최대 값에 대해서는 KIH가 사용되었다. 또한, K 값은 수소 농도를 명시하는데, 예를 들어, 0.5ppmw 수소 농도로 수소 담지된 시편의 경우에는 KIH0.5로, 1ppmw 수소 농도로 수소 담지된 시편의 경우에는 KIH1로, 그리고 끝으로 2ppmw 수소 농도로 수소 담지된 시편의 경우에는 KIH2로 명시하였다. 유사하게, 최대 균열 첨단 개방 변위(CTOD: crack tip opening displacement) 파라미터는 이러한 방식으로 구별되었다. 대기 중에서 시험된 X65 시편은 평균 KQ=50.38MPam1/2및 CTOD0=0.78mm를 산출하였고; 0.5ppmw 수소 농도를 갖는 X65 시편은 평균 KIH0.5=50.78MPam1/2및 CTOD0H0.5=0.52mm를 산출하였고; 1ppmw CH를 갖는 X65 시편은 평균 KIH1=50.99MPam1/2및 CTOD0H1=0.17mm를 산출하였고; 2ppmw CH를 갖는 X65 시편은 평균 KIH2=50.36MPam1/2및 CTOD0H2=0.14mm를 산출하였다. 유사하게, S-L 방향으로 배향된 균열과 관련하여, 대기 중에서 시험된 X65 시편은 평균 KQ=52.43MPam1/2및 CTOD0=0.98mm를 산출하였고; 0.5ppmw 수소 농도를 갖는 X65 시편은 평균 KIH0.5=47.25MPam1/2및 CTOD0H0.5=0.90mm를 산출하였고; 1ppmw CH를 갖는 X65 시편은 평균 KIH1=46.81MPam1/2및 CTOD0H1=0.32mm를 산출하였고; 2ppmw CH를 갖는 X65 시편은 평균 KIH2=45.96MPam1/2및 CTOD0H2=0.39mm를 산출하였다.
수소 유도 파괴로 인한 파손 메커니즘을 보다 잘 이해하기 위해, S-L 및 T-L 방향으로 파괴된 X65 강의 파괴 표면을 주사 전자 현미경(SEM)을 사용하여 분석하였다. 대기 및 극한 수소 환경(2PPM)에서 시험된 시편들을 SEM 분석을 위해 선택했다. 도 13a 및 도 13b는 각각 대기 중에서 S-L 방향으로 파괴된 X65 시편의 파괴 표면의 저배율 및 고배율 현미경 사진이다. 도시된 바와 같이, 도 13a의 상대적으로 낮은 배율에서는, 파괴 표면이 가시적인 2차 균열로 매끄럽게 보이는 반면, 도 13b의 고배율에서 현미경 사진은 균열 표면 전체에 아주 미세한 줄무늬(해안 자국)가 존재함을 보여주고 있다. 상기 해안 자국(beach mark)은 연성 파손의 상징이다. 도 13c 및 도 13d는 각각 수소 환경(2ppm) 중에서 S-L 방향으로 파괴된 X65 시편의 파괴 표면의 저배율 및 고배율 현미경 사진이다. 도 13a의 현미경 사진과 대조적으로, 도 13c의 현미경 사진은 큰 연속적 2차 균열이 있는 거친 표면 특징을 나타내고 있다. 도 13d에 도시된 고배율에서는, 담지된 수소의 존재로 인해 움푹 패인 것(pitting)이 관찰될 수 있다. 도 13e 및 도 13f는 각각 대기 중에서 T-L 방향으로 파괴된 X65 시편의 파괴 표면의 저배율 및 고배율 현미경 사진이다. 도 13e 및 도 13f의 현미경 사진은, 대기 중에서 T-L 방향으로 시험된 X65의 파괴 표면은 더 많은 줄무늬가 존재한다는 것을 제외하면 대기 중에서 S-L 방향에서 얻어진 파괴 표면과 대체로 유사하다는 것을 증명하고 있다. 도 13f의 청색 화살표는 해안 자국을 가리키고, 적색 화살표는 2차 균열을 강조하고 있다. 도 13e 및 도 13f는 각각 수소 환경(2ppm) 중에서 T-L 방향으로 파괴된 X65 시편의 파괴 표면의 저배율 및 고배율 현미경 사진이다. S-L에서 관찰된 파괴 표면과 대조적으로, 수소 환경(2PPM)에서 T-L 방향으로 시험된 X65의 파괴 표면은 2차 균열이 거의 없고 부식(피트)의 명확한 증거가 없는 매끄러운 표면 특징을 나타내고 있다. 그러나 줄무늬는 대기 중에서 T-L 방향으로 시험된 X65 샘플에서 관찰된 것에 필적하며 눈에 보인다.
대기 및 수소 환경에서 시편이 파괴되는 메커니즘을 추가로 조사하기 위해, 노치 형성된 영역의 가장자리와 균열 전파 경로에서 전자 역산란 회절(EBSD: electron backscatter diffraction) 매핑이 수행되었다. 대기 중에서 시험된 것이든지 수소 담지된 것이든지 간에 시험된 모든 샘플들은 유사한 균열 전파 특징을 보였고, 파괴의 주 균열이 무작위 방향의 입자를 통해서 그리고 미세 입자 조직의 존재 하에서 전파된다는 것을 확인해주었다. 도 14a는 대기 중에서 시험된 X65 평행(S-L) 샘플로부터 취한 EBSD 역극 맵을 나타내고 있는 것으로, 입자의 분포 및 배향을 보여주고 있다. 도 14a는 모든 입자를 가로지르는 균열 첨단 가장자리의 지그재그 형태를 나타내고 있다. 도 14b는 수소 환경(2 ppm)에서 시험된 X65 평행(S-L) 샘플로부터 취해진 EBSD 역극 맵을 나타내고 있다. 도 14b도 모든 입자를 가로지르는 균열 첨단 가장자리의 지그재그 형태를 나타내고 있다. 도 14a 및 도 14b의 EBSD 맵은 균열 경로 부근에서의 균열 전파 방식이 2개의 상이한 환경 사이에서 차이가 없음을 보여주고 있다. 모든 입자들은 그들의 배향, 형상, 또는 크기에 관계없이 교차된다.
X65 시편의 노치 형성된 영역의 부근과 이로부터 떨어진 원위에서의 시편의 경도 특성을 밝히기 위해, 파괴 인성 시험 전에 시편에 대해 미세 압입 시험을 수행하였다. 얻어진 결과는 매트릭스 영역(노치로부터 떨어진 원위부)의 비커스 경도가 약 236이고, 노치 영역에서의 비커스 경도가 약 193임을 나타내고 있다. 이들 값은 표준편차와 관련하여 동일한 크기 수준 내에 있으므로, 공기 중에서 시험된 것이든지 또는 수소가 담지된 것이든지 간에 시험된 시편들의 비커스 경도에 있어서는 현저한 변화가 없다고 결론지을 수 있다.
도 15a는 최대 응력 강도 계수 K 대 벌크 수소 농도(CH)의 그래프이다. 도 15a에서, 2ppmw까지의 CH는 T-L 방향의 균열 평면에 있어서는 K에 영향을 미치지 않는 것으로 관찰되었다. 도 15b는 균열 첨단 개방 변위(CTOD) 대 CH의 대응하는 그래프를 도시한다. 도 15b는 수소 농도가 최대 CTOD 값을 감소시키는 데 중요한 역할을 한다는 것을 보여주고 있다. 예를 들어, 수소 농도가 0.0(CTOD0)에서 0.5 ppm(CTOD0H0.5)으로 증가함에 따라 CTOD가 33.4% 감소하고, CTOD0H1(1ppm)에서는 CTOD가 77.7% 떨어지고, 마지막으로 CTOD0H2(2ppm)에서는 82.3% 감소한다(모두 CTOD0과 비교한 것임). 도 16a 및 도 16b는 S-L 방향의 균열 평면을 갖는 시편에 대한 K 및 CTOD 대 수소 농도의 위와 유사한 그래프이다. 도 16a는 CH가 증가함에 따라 K가 서서히 감소하는데, KIH0.5는 9.9% 감소하고, KIH1은 14.4% 감소하고, KIH2는12.4% 감소하는 것을 보여주고 있다(모두 KQ와 비교한 것임). 같은 방식으로, 도 16b는 수소 농도가 최대 CTOD 값을 감소시키는 데 중요한 역할을 한다는 것을 나타내고 있다. 최대 CTOD가 감소하는데, CTOD0H0.5에서는 7.5% 감소하고, 이어서 CTOD0H1에서는 극적으로 67.7% 감소하고, CTOD0H2에서는 60.45% 감소한다(모두 CTOD0와 비교한 것임).
전체적인 결과는 X65 강철의 대부분에서 CH를 증가시킴으로써 T-L 방향과 S-L 방향 모두에서 최대 CTOD가 감소하고 이는 T-L 방향에 있어서는 더욱 현저하다는 것을 증명하고 있다. 한편, 최대 K는 CH를 증가시킴으로써 T-L 방향에서는 영향을 받지 않는 반면, S-L 방향에서는 CH를 증가시킴으로 인해 K가 현저히 감소되는 것으로 관찰되었다. 또한, 파괴 인성 결과를 두 방향 사이에서 비교할 때, 대기 중 측정에 있어서는 T-L 방향과 S-L 방향 사이에서 최대 KQ가 3.9%의 차이를, 최대 CTOD0가 20%의 차이를 보였다. 최대 K가 T-L 방향에서는 감소가 없었지만 S-L 방향에서는 14.4%까지의 감소가 있는 수소 담지 시편에 대해서도 위와 유사한 경향을 분명히 알 수 있다. 상이한 방향들에서의 최대 CTOD 값들을 비교할 때에 동일한 경향을 알아챌 수 있다. 그 값들은 두 방향 모두에서 감소되었지만 각 방향마다 상이한 감소율을 갖는다. 많은 공학적 한계분석(ECA: Engineering Critical Assessment) 도구에서 리밍(reaming) 수명 또는 한계를 평가하기 위해 가장 널리 사용되는 파괴 인성 파라미터는 응력 강도 계수(예를 들어, 임계 응력 강도 계수 또는 최대 K)라고 지적하는 것에 주목할만 하다. 그럼에도 불구하고, 이 연구에서는 시험에서 최대 K는 영향을 받지 않는 채로 있지만 CTOD는 크게 줄어드는 것으로 나타났다. CTOD가 최대 K를 포함하기 때문에 상기 공학적 한계분석 도구에서 수소 환경의 완전한 효과를 평가하기 위해 CTOD를 그 ECA 도구에 수용시키는 것이 매우 흥미롭다. 결론적으로, 수행된 실험은 S-L 방향의 균열이 다른 방향들과는 다른 독특한 특성을 가지고 발생한다는 것을 보여주었다. 따라서, 이 방향에서의 수소 유도 파괴를 시험하기 위한 조립된 시편 타겟의 개발은 가혹한 환경 내의 파이프 금속의 상태를 평가하기 위한 중요한 도구이다.
본원에 개시된 임의의 구조적 및 기능적 상세 사항은 시스템 및 방법을 제한하는 것으로 해석되는 것이 아니라, 오히려 그 방법을 실시하는 하나 이상의 방식을 당업자에게 교시하기 위한 대표적인 실시예 및/또는 배치로서 제공된다는 점이 이해되어야 한다.
도면에서 유사한 숫자는 다수의 도면에 걸쳐 유사한 요소를 나타내고, 도면을 참조하여 기술되고 도시된 모든 구성요소 및/또는 단계가 모든 실시예 또는 배치에 필수적인 것이 아니라는 점도 또한 이해되어야 한다. 간결성을 위해, 많은 수가 존재하는 특정 요소는 어두에 "예를 들어"라는 말을 사용하는 것을 포함하는 부분집합에 의해 언급되었으며, 이는 후속하는 경우에서는 "예를 들어"라는 말을 사용하지 않고 언급된다. "예를 들어"라는 말에 의해 언급되는 부분집합은 모든 유사한 요소들을 지칭하며, "예를 들어"라는 말이 없이 그 뒤에서 사용되는 부분집합은 제한적인 것이 아니라 그러한 모든 유사한 요소들을 나타내는 것으로 이해되어야 한다.
본 명세서에서 사용된 용어는 특정 실시예를 단지 설명하기 위한 목적이며 본 발명을 제한하기 위한 것은 아니다. 단수형태 "a", "an" 및 "the"는 문맥상 달리 명확하게 나타내지 않는 한, 복수 형태를 또한 포함하는 것으로 의도된다. 본 명세서에서 사용될 때 용어들 "포함한다" 및/또는 "포함하는"은 언급된 특징, 정수, 단계, 작동, 요소 및/또는 성분의 존재를 명시하지만, 하나 이상의 다른 특징, 정수, 단계, 작동, 요소, 성분, 및/또는 이들의 군의 존재 또는 첨가를 배제하지는 않는 것으로 추가로 이해될 것이다.
배향의 용어들은 본 명세서에서 단지 컨벤션 및 참조의 목적으로 사용되며 제한적인 것으로 해석되어서는 안된다. 그러나, 이들 용어들은 관찰자와 관련하여 사용될 수 있는 것으로 인식된다. 따라서, 어떠한 제한도 암시되거나 추론되지 않는다.
또한, 본 명세서에 사용된 어법 및 용어는 설명의 목적을 위한 것이며 제한하는 것으로 간주되어서는 안된다. 본 명세서에서 "포괄하는", "포함하는" 또는 "갖는", "함유하는", "관련하는" 및 그것의 변형의 사용은 그 이후에 열거된 항목 및 그것의 등가물뿐만 아니라 추가의 항목을 포괄하기 위한 것이다.
본 발명이 예시적인 실시예들을 참조하여 설명되었지만, 당해 기술분야의 숙련인들은 본 발명의 범위를 벗어나지 않고 다양한 변화들이 이루어질 수 있고 등가물들이 그들의 구성 요소들을 대체할 수 있음을 이해할 것이다. 또한, 당해 기술분야의 숙련인들은 본 발명의 본질적인 범위를 벗어나지 않으면서 특정 기기, 상황 또는 물질을 본 발명의 교시에 적응시키기 위한 많은 변형을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명은 본 발명을 수행하기 위해 고려된 최상의 방식으로 개시된 특정한 실시예에 제한되지 않고, 본 발명은 첨부된 청구항들의 범위 내에 속하는 모든 실시예를 포함할 것으로 의도된다.

Claims (22)

  1. 구조물의 벽에 사용된 유형의 재료 샘플을 면내 파괴 인성 평가를 위한 표준 시험에서 시험하는 방법으로서,
    구조물의 벽의 샘플을 획득하는 단계;
    상기 샘플을 노치 형성된 구성요소로 성형하는 단계, 여기서 상기 노치 형성된 구성요소는 상기 구조물의 벽의 두께와 동일한 두께 치수를 갖는 평평한 바닥면 및 윤곽 형성된 상부면을 포함하고, 상기 윤곽 형성된 상부면은 상기 바닥면의 평면에 직각으로 배향된 중앙 노치, 중앙 노치의 제1 측면 상의 제1 소켓, 및 중앙 노치의 제2 측면 상의 제2 소켓을 가짐;
    상기 노치 형성된 구성요소의 상기 제1 소켓에 제1 측면 연장부를 결합시키고 상기 제2 소켓에 제2 측면 연장부를 결합시킴으로써 상기 샘플의 유효 두께를 상기 노치 형성된 구성요소의 상기 바닥면의 두께를 초과하게 증가시키는, 시편을 조립하는 단계; 및
    면내 방향의 재료의 파괴 인성을 평가하기 위해 상기 조립된 시편에 표준 파괴 인성 시험을 적용하는 단계를 포함하는 방법.
  2. 제1항에 있어서, 노치 형성된 구성요소를 기계 가공하되, 상기 중앙 노치가 표준 파괴 인성 시험에서 T-L 방향으로 개방되게 배향되도록, 기계 가공하는 단계를 추가로 포함하는 방법.
  3. 제1항에 있어서, 노치 형성된 구성요소를 기계 가공하되, 상기 중앙 노치가 표준 파괴 인성 시험에서 S-L 방향으로 개방되게 배향되도록 성형되게, 기계 가공하는 단계를 추가로 포함하는 방법.
  4. 제1항에 있어서, 상기 제1 및 제2 측면 연장부의 길이와 노치 형성된 구성요소의 두께의 합이 상기 바닥면에서부터 상기 윤곽 형성된 상부면의 첨단까지 측정했을 때의 노치 형성된 구성요소의 폭의 4.5배 이상이 되도록, 상기 제1 및 제2 측면 연장부를 형성하는 단계를 추가로 포함하는 방법.
  5. 제1항에 있어서, 상기 제1 소켓과 상기 제2 소켓이 상기 중앙 노치에 대해 대칭인, 방법.
  6. 제1항에 있어서, 상기 제1 소켓과 상기 제2 소켓이 상기 중앙 노치에 대해 비대칭인, 방법.
  7. 제1항에 있어서, 상기 표준 파괴 인성 시험은 노치 형성된 구성요소의 바닥면에 힘을 가하는, 방법.
  8. 제1항에 있어서, 상기 노치 형성된 구성요소에 대한 최적의 기하학적 파라미터를 결정하기 위해, 프로그래밍된 컴퓨터와 표준 파괴 인성 시험에서 나온 데이터를 사용하여 파괴 인성의 유한 요소 시뮬레이션을 수행하는 단계를 추가로 포함하는 방법.
  9. 제1항에 있어서, 상기 노치 형성된 구성요소의 중앙 노치는 제1 폭을 갖는 제1 부분과, 상기 제1 부분 아래에 위치되며 상기 제1 폭보다 작은 제2 폭을 갖는 제2 부분을 포함하는, 방법.
  10. 제1항에 있어서, 상기 제1 소켓과 상기 제2 소켓이 엘보형 노치인, 방법.
  11. 제1항에 있어서,
    표준 파괴 인성 시험을 적용하기 전에, 노치 형성된 구성요소에 수소를 담지시키는 단계를 추가로 포함하는 방법.
  12. 제11항에 있어서, 상기 노치 형성된 구성요소에 수소 농도가 원하는 수준에 도달할 때까지 소정의 지속 시간에 걸쳐 수소가 담지되는, 방법.
  13. 제11항에 있어서, 상기 노치 형성된 구성요소에 목표 정상 상태 수소 농도가 담지되도록 하는 데 필요한 전류 밀도를 결정하는 단계를 추가로 포함하는 방법.
  14. 제11항에 있어서, 복수의 수소 농도 레벨에서의 S-L 방향과 T-L 방향 사이의 파괴 특성의 차이를 결정하는 단계를 추가로 포함하는 방법.
  15. 제1항에 있어서, 상기 구조물은 약 5 mm 내지 약 70 mm 범위의 두께를 갖는, 방법.
  16. 구조물의 벽에 사용되는 재료의 파괴 인성을 시험하기 위한 장치로서,
    상기 구조물의 재료의 샘플로 제조되며, (a) 상기 구조물의 벽의 두께와 동일한 폭을 갖는 바닥면, (b) 중앙 노치를 갖는 윤곽 형성된 상부면, (c) 상기 중앙 노치의 제1 측면 상의 제1 소켓, 및 (d) 상기 중앙 노치의 제2 측면 상의 제2 소켓 특징부를 갖도록 성형된, 노치 형성된 구성요소;
    상기 노치 형성된 구성요소의 상기 제1 소켓에 결합된 제1 측면 연장부; 및
    상기 노치 형성된 구성요소의 상기 제2 소켓에 결합된 제2 측면 연장부를 포함하고,
    상기 제1 및 제2 측면 연장부는 표준 파괴 인성 시험에 사용하기에 충분한 길이의 조립된 시편을 제공할 수 있도록 상기 노치 형성된 구성요소의 유효 폭을 연장시키는 것인, 장치.
  17. 제16항에 있어서, 상기 노치 형성된 구성요소의 상기 중앙 노치는 표준 파괴 인성 시험에서 T-L 방향으로 개방되도록 배향되는, 장치.
  18. 제16항에 있어서, 상기 노치 형성된 구성요소의 상기 중앙 노치는 표준 파괴 인성 시험에서 S-L 방향으로 개방되도록 배향되는, 장치.
  19. 제16항에 있어서, 상기 제1 및 제2 측면 연장부는, 그 제1 및 제2 측면 연장부의 길이와 노치 형성된 구성요소의 두께의 합이 상기 바닥면에서부터 상기 윤곽 형성된 상부면의 첨단까지 측정했을 때의 노치 형성된 구성요소의 폭의 4.5배 이상이 되도록 형성된, 장치.
  20. 제16항에 있어서, 상기 구조물은 약 5 mm 내지 약 70 mm 범위의 두께는 갖는, 장치.
  21. 제16항에 있어서, 상기 벽 구조는 X65 강으로 만들어진 파이프를 포함하는, 장치.
  22. 제16항에 있어서, 상기 노치 형성된 구성요소에 수소가 담지되는, 장치.
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