KR20230103175A - Welded joint having high strength and superior toughness at ultra-low temperature and Liquefied gas storage tank having the same - Google Patents

Welded joint having high strength and superior toughness at ultra-low temperature and Liquefied gas storage tank having the same Download PDF

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KR20230103175A
KR20230103175A KR1020210193840A KR20210193840A KR20230103175A KR 20230103175 A KR20230103175 A KR 20230103175A KR 1020210193840 A KR1020210193840 A KR 1020210193840A KR 20210193840 A KR20210193840 A KR 20210193840A KR 20230103175 A KR20230103175 A KR 20230103175A
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Abstract

본 발명에 따른 극저온 인성이 우수한 고강도 용접이음부는, 중량%로, 탄소(C): 0.3 내지 0.5%, 실리콘(Si): 0.3 내지 0.6 %, 망간(Mn): 4 내지 12%, 크롬(Cr): 9 내지 13%, 니켈(Ni): 9 내지 15%, 몰리브덴(Mo): 1.0 내지 5.0 %, 황(S): 0.02% 이하, 인(P): 0.02% 이하, 타이타늄(Ti): 0.02 내지 0.1%, 질소(N): 0.05 내지 0.15 %, 및 잔부 철(Fe)을 포함할 수 있다.The high-strength welded joint with excellent cryogenic toughness according to the present invention, in weight%, carbon (C): 0.3 to 0.5%, silicon (Si): 0.3 to 0.6%, manganese (Mn): 4 to 12%, chromium ( Cr): 9 to 13%, Nickel (Ni): 9 to 15%, Molybdenum (Mo): 1.0 to 5.0%, Sulfur (S): 0.02% or less, Phosphorus (P): 0.02% or less, Titanium (Ti) : 0.02 to 0.1%, nitrogen (N): 0.05 to 0.15%, and the balance may include iron (Fe).

Description

극저온 인성이 우수한 고강도 용접이음부 및 이를 포함하는 액화가스 저장탱크{Welded joint having high strength and superior toughness at ultra-low temperature and Liquefied gas storage tank having the same}Welded joint having high strength and superior toughness at ultra-low temperature and liquefied gas storage tank having the same}

본 발명은 극저온 충격 인성이 우수한 고강도 용접이음부 및 이를 포함하는 액화가스 저장탱크에 관한 것이다.The present invention relates to a high-strength welded joint with excellent cryogenic impact toughness and a liquefied gas storage tank including the same.

최근 LNG 수요의 폭발적 증가로 인해 극저온 LNG의 수송ㆍ보관을 위한 수송설비와 저장 탱크에 대한 수요가 폭발적으로 늘어가고 있다. LNG를 수송하거나 저장하는 탱크는 필연적으로 LNG 온도인 -162℃ 이하의 온도에서 충격에 충분히 견딜 수 있는 구조와 소재로 이루어져야 한다. Due to the recent explosive increase in LNG demand, the demand for transportation facilities and storage tanks for transporting and storing cryogenic LNG is explosively increasing. A tank for transporting or storing LNG must inevitably be made of a structure and material that can sufficiently withstand impact at a temperature of -162 ° C or lower, which is the LNG temperature.

LNG 저장 탱크의 모재로, 극저온 온도에서의 충격인성이 높은 소재가 사용되고 있으며, 극저온에서의 충격 인성이 높은 소재로서 대표적으로 사용되는 것은 Al, 스테인리스스틸(이하 STS), 9% Ni강이다.As the base material of the LNG storage tank, materials with high impact toughness at cryogenic temperatures are used, and typical materials with high impact toughness at cryogenic temperatures are Al, stainless steel (hereinafter referred to as STS), and 9% Ni steel.

그러나 Al의 경우 낮은 인장강도로 인해 두꺼운 후판을 사용해야 하며 용접성이 불량하다는 문제점이 있으며, STS의 경우 높은 가격 및 높은 열변형율 등의 문제가 있다. However, in the case of Al, there is a problem that a thick thick plate must be used due to low tensile strength and poor weldability, and in the case of STS, there are problems such as high price and high thermal strain.

또한, 9% Ni강의 경우 그 자체로는 극저온용 소재로 사용될 수 있으나, 9% Ni강의 용접재료(Inconel 625 소재: Ni 50중량%이상, Cr 20중량%이상 함유)가 고가이며, 용접부 항복강도가 낮다는 문제가 있다. 이러한 문제로 인해, 극저온용 강인 9% Ni강에 사용될 수 있는 용접재료의 개발이 추진되고 있다.In addition, in the case of 9% Ni steel, it can be used as a material for cryogenic use by itself, but the welding material of 9% Ni steel (Inconel 625 material: containing more than 50% by weight of Ni and more than 20% by weight of Cr) is expensive, and the yield strength of the welded part There is a problem that is low. Due to these problems, development of a welding material that can be used for 9% Ni steel, which is a steel for cryogenic use, is being promoted.

한편, LNG 저장 탱크의 모재로 사용될 수 있는 소재로서, 극저온 온도에서의 충격인성이 높은 고망간강의 개발이 추진되고 있다. 극저온용 고망간강은 LNG 저장 탱크용으로 사용되는 9% Ni강, STS 304강 등을 대체하기 위해 망간을 높은 함량으로 첨가시킨 강으로서 극저온에서도 안정한 오스테나이트 조직을 형성해 추가 열처리 등이 실시하지 않아도 용접시 용접열영향부(HAZ, Heat Affected Zone)에서 인성 열화가 없는 특성을 보유하고 있는 것으로 알려져 있다.On the other hand, as a material that can be used as a base material for an LNG storage tank, the development of high manganese steel having high impact toughness at cryogenic temperatures is being promoted. High manganese steel for cryogenic use is a steel to which high manganese content is added to replace 9% Ni steel used for LNG storage tanks, STS 304 steel, etc. It is known to have the characteristic of no deterioration in toughness in the Heat Affected Zone (HAZ) during welding.

그런데, 고망간강의 상온항복강도는 400~800MPa이므로 상온항복강도가 360MPa 이하인 용접재료를 적용하면 용접이음부의 강도를 높이기 위해 강판의 두께를 두껍게 해야하는 문제가 있다. However, since the room temperature yield strength of high manganese steel is 400 to 800 MPa, when a welding material having a room temperature yield strength of 360 MPa or less is applied, there is a problem in that the thickness of the steel plate must be thickened to increase the strength of the welded joint.

강판의 두께를 늘리지 않고, 상기 문제를 해결하기 위해서는 상온항복강도가 400MPa 이상인 용접재료가 필요하게 된다. 상온항복강도가 400MPa 이상인 소재로는 기존에 Ni 및 Cr 함량이 높은 소재(Ni 50중량%이상, Cr 20중량%이상 함유)가 사용되었으나, Ni이 고가이므로 용접이음부의 소재로는 적절하지 않았다.In order to solve the above problem without increasing the thickness of the steel sheet, a welding material having a yield strength at room temperature of 400 MPa or more is required. As a material with a yield strength at room temperature of 400 MPa or more, a material with high Ni and Cr content (containing more than 50% by weight of Ni and more than 20% by weight of Cr) was previously used, but since Ni is expensive, it was not suitable as a material for welded joints. .

또한, Ni 및 Cr 함량이 높은 소재는 균열 및 희석 문제로 고전류 또는 고입열로 용접할 수 없으므로, 용접개선면을 한번 지나가면서 용접을 완료하는 단일 패스 용접법이 적용될 수 없다.In addition, since materials with high Ni and Cr contents cannot be welded with high current or high heat input due to cracking and dilution problems, a single pass welding method in which welding is completed by passing through the weld improvement surface once cannot be applied.

이와 같은 소재들은 대부분 플럭스 코어드 아크 용접(FCAW; Flux Cored Arc Welding)또는 서브머지드 아크 용접(SUBMERGED ARC WELDING, SAW)에 사용되는데, FCAW 나 SAW에 사용되는 용접부는 용접 입열(외부에서 용접부에 주어지는 열량)이 30kJ/cm를 넘기기 어렵고, 단일 패스로 용접 그루브(개선, 용접으로 접합하려는 부재의 홈)를 다 채울 수 없다는 한계가 있고 이로 인해 용접 능률의 저하가 불가피하다.Most of these materials are used in Flux Cored Arc Welding (FCAW) or SUBMERGED ARC WELDING (SAW). Heat given) is difficult to exceed 30 kJ / cm, and there is a limit that welding grooves (improvement, grooves of members to be joined by welding) cannot be filled with a single pass, and this inevitably reduces welding efficiency.

따라서 오스테나이트 안정화 원소로서 Ni 대비 저가이면서도 단일 패스 용접이 가능한 극저온용 고망간계 용접이음부의 개발이 요구되고 있다.Therefore, as an austenite stabilizing element, there is a demand for the development of a high-manganese welded joint for cryogenic use that is inexpensive compared to Ni and capable of single-pass welding.

본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점을 해결하고자 창출된 것으로서, 본 발명의 목적은, 일렉트로 가스 용접(Electro Gas Welding, EGW)으로 30kJ/cm 이상의 고입열로 용접할 수 있어, 단일 패스로 용접되는 용접이음부를 제공하는 것이다.The present invention was created to solve the problems of the prior art as described above, and an object of the present invention is to weld with a high heat input of 30 kJ / cm or more by electro gas welding (EGW), welding in a single pass It is to provide a welded joint that is.

본 발명의 과제들은 이상에서 언급한 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.The tasks of the present invention are not limited to the tasks mentioned above, and other tasks not mentioned will be clearly understood by those skilled in the art from the description below.

본 발명에 따른 극저온 인성이 우수한 고강도 용접이음부는, 중량%로, 탄소(C): 0.3 내지 0.5%, 실리콘(Si): 0.3 내지 0.6 %, 망간(Mn): 4 내지 12%, 크롬(Cr): 9 내지 13%, 니켈(Ni): 9 내지 15%, 몰리브덴(Mo): 1.0 내지 5.0 %, 황(S): 0.02% 이하, 인(P): 0.02% 이하, 타이타늄(Ti): 0.02 내지 0.1%, 질소(N): 0.05 내지 0.15 %, 및 잔부 철(Fe)을 포함한다.The high-strength welded joint with excellent cryogenic toughness according to the present invention, in weight%, carbon (C): 0.3 to 0.5%, silicon (Si): 0.3 to 0.6%, manganese (Mn): 4 to 12%, chromium ( Cr): 9 to 13%, Nickel (Ni): 9 to 15%, Molybdenum (Mo): 1.0 to 5.0%, Sulfur (S): 0.02% or less, Phosphorus (P): 0.02% or less, Titanium (Ti) : 0.02 to 0.1%, nitrogen (N): 0.05 to 0.15%, and the balance iron (Fe).

구체적으로, 상기 극저온 인성이 우수한 고강도 용접이음부는, 0.3 ≤ 탄소(C)+질소(N) ≤ 0.6 관계식을 만족한다.Specifically, the high-strength welded joint having excellent cryogenic toughness satisfies a relational expression of 0.3 ≤ carbon (C) + nitrogen (N) ≤ 0.6.

구체적으로, 상기 극저온 인성이 우수한 고강도 용접이음부는, 30 kJ/cm 이상의 입열량의 용접 조건에서 용접이 이루어진다.Specifically, the high-strength welded joint having excellent cryogenic toughness is welded under a welding condition of a heat input of 30 kJ/cm or more.

구체적으로, 상기 극저온 인성이 우수한 고강도 용접이음부는, 일렉트로 가스 용접(Electro Gas Welding, EGW)으로 용접이 이루어진다.Specifically, the high-strength welded joint having excellent cryogenic toughness is welded by electro gas welding (EGW).

구체적으로, 상기 극저온 인성이 우수한 고강도 용접이음부는, 고망간강 또는 9% Ni강의 모재에 용접이 이루어진다.Specifically, the high-strength welded joint having excellent cryogenic toughness is welded to a base material of high manganese steel or 9% Ni steel.

본 발명에 따른 액화가스 저장탱크는, 상기 극저온 인성이 우수한 고강도 용접이음부를 포함한다.The liquefied gas storage tank according to the present invention includes a high-strength welded joint having excellent cryogenic toughness.

본 발명에 따른 극저온 인성이 우수한 고강도 용접이음부는, 고입열로 용접될 수 있어 단일 패스로 용접이 가능하며, 그에 따라 용접에 드는 시간과 비용을 줄일 수 있다.The high-strength welded joint having excellent cryogenic toughness according to the present invention can be welded with high heat input and thus can be welded in a single pass, thereby reducing the time and cost required for welding.

본 발명의 효과들은 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 청구범위의 기재로부터 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.The effects of the present invention are not limited to the effects mentioned above, and other effects not mentioned will be clearly understood by those skilled in the art from the description of the claims.

도 1은 본 발명의 용접이음부의 합금 조성에 따른 용접이음부의 입열량, 항복강도, 인장강도, 연신율 및 충격인성을 나타내는 표이다.
도 2는 본 발명의 용접이음부의 탄소와 질소를 합한 총 중량비에 따른 항복강도, 인장강도 및 충격인성을 나타내는 그래프이다.
1 is a table showing the heat input, yield strength, tensile strength, elongation and impact toughness of the welded joint according to the alloy composition of the welded joint of the present invention.
Figure 2 is a graph showing yield strength, tensile strength and impact toughness according to the total weight ratio of carbon and nitrogen of the welded joint of the present invention.

이하에서 다양한 도면 및 실시예를 참조하여 본 발명에 따른 기술구성을 보다 상세히 설명한다.Hereinafter, the technical configuration according to the present invention will be described in more detail with reference to various drawings and embodiments.

본 발명은 극저온용 고강도 고망간강 및 9% Ni강을 용접하여 얻어지는 용접이음부에 있어서, 상기 용접이음부는, 중량%로, C: 0.3 내지 0.5%, Si: 0.3 내지 0.6 %, Mn: 4 내지 12%, Cr: 9 내지 13%, Ni: 9 내지 15%, Mo: 1.0 내지 5.0 %, 황(S): 0.02% 이하, P: 0.02% 이하, Ti: 0.02 내지 0.1%, N: 0.05 내지 0.15 % 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 포함한다.The present invention relates to a welded joint obtained by welding high-strength high-manganese steel for cryogenic use and 9% Ni steel, wherein the welded joint contains, by weight, C: 0.3 to 0.5%, Si: 0.3 to 0.6%, Mn: 4 to 12%, Cr: 9 to 13%, Ni: 9 to 15%, Mo: 1.0 to 5.0%, sulfur (S): 0.02% or less, P: 0.02% or less, Ti: 0.02 to 0.1%, N: 0.05 to 0.15% balance Fe and other unavoidable impurities.

이하에서는 각 합금원소의 특성 및 조성 범위의 임계적 의의에 대해 간단히 설명한다.Hereinafter, the characteristics of each alloying element and the critical significance of the composition range will be briefly described.

탄소(C): 0.3 내지 0.5% 중량%Carbon (C): 0.3 to 0.5% by weight

탄소는 용접이음부의 강도를 확보하고, 용접이음부의 극저온 충격인성을 확보할 수 있는 오스테나이트 안정화 원소로서 현존하는 가장 강력한 원소이며, 본 발명에서는 필수적인 원소이다. 탄소 함량의 하한은 0.3 중량%로 한정하여도 충분하다. 그러나 탄소의 함량이 0.5 중량%를 초과하면 용접시 이산화탄소 가스 등이 발생하여 용접이음부에 결함을 유발할 수 있으며, 망간, 크롬 등의 합금원소와 결합하여 MC, M23C6 등의 카바이드를 생성하여 저온에서 충격인성이 저하되는 문제점이 있다. 따라서 탄소의 함량은 0.3 내지 0.5중량%로 제한하는 것이 바람직하다.Carbon is an austenite stabilizing element capable of securing strength of welded joints and cryogenic impact toughness of welded joints, and is the strongest existing element, and is an essential element in the present invention. It is sufficient to limit the lower limit of the carbon content to 0.3% by weight. However, if the carbon content exceeds 0.5% by weight, carbon dioxide gas may be generated during welding, which may cause defects in the welded joint, and it may combine with alloy elements such as manganese and chromium to create carbides such as MC and M23C6 at low temperatures. There is a problem in that the impact toughness is lowered. Therefore, the content of carbon is preferably limited to 0.3 to 0.5% by weight.

실리콘(Si): 0.3 내지 0.6 중량%Silicon (Si): 0.3 to 0.6% by weight

실리콘은 용접이음부내의 탈산효과 및 용접비드의 퍼짐성을 위해서 첨가시키는 원소이다. 이러한 실리콘의 함량이 불충분(0.3중량% 미만)하면 용접이음부의 유동성을 저하시킬 수 있으며, 반면에 실리콘의 함량이 0.6중량%를 초과하는 경우에는 용접이음부내의 편석 등을 유발하여 저온 충격 인성이 저하시키고 용접균열감수성에 악영향을 미치는 문제점이 있다. 따라서 본 발명에서는 상기 실리콘의 함량을 0.3 내지 0.6 중량%로 제한하는 것이 바람직하다.Silicon is an element added for the deoxidation effect in the weld joint and the spreadability of the weld bead. If the content of silicon is insufficient (less than 0.3% by weight), the fluidity of the welded joint may be reduced. On the other hand, if the content of silicon exceeds 0.6% by weight, segregation in the welded joint may occur, resulting in low-temperature impact toughness. There is a problem in that this degrades and adversely affects the weld crack susceptibility. Therefore, in the present invention, it is preferable to limit the content of the silicon to 0.3 to 0.6% by weight.

망간(Mn): 4 내지 12 중량%Manganese (Mn): 4 to 12% by weight

망간은 저온 안정상인 오스테나이트를 생성시키는 주요 원소로서, 오스테나이트 안정화 원소로서, 슬래그 유동성을 개선하여 비드 형상을 개선시키며 용접부의 적정 강도와 인성을 유지시키는 역할을 하는 성분이다. 또한, 망간은 본 발명에서 필수적으로 첨가되어야 하는 원소이며 니켈에 비해 매우 저렴한 원소이다. 만일 망간의 함량이 4 중량% 미만인 경우에는 충분한 오스테나이트가 생성되지 않아 극저온에서 인성이 매우 낮게 된다. 반면에 망간의 함량이 12 중량%를 초과하는 경우에는 급격한 인성저하가 유발될 수 있다. 따라서 망간의 함량은 4 내지 12 중량% 범위로 제한하는 것이 바람직하다.Manganese is a main element for generating austenite, which is a low-temperature stable phase, and as an austenite stabilizing element, it is a component that serves to improve slag fluidity to improve bead shape and maintain appropriate strength and toughness of a welded joint. In addition, manganese is an element that must be added indispensably in the present invention and is a very inexpensive element compared to nickel. If the content of manganese is less than 4% by weight, sufficient austenite is not formed, resulting in very low toughness at cryogenic temperatures. On the other hand, when the content of manganese exceeds 12% by weight, a rapid decrease in toughness may occur. Therefore, the content of manganese is preferably limited to 4 to 12% by weight.

크롬(Cr): 9 내지 13 중량%Chromium (Cr): 9 to 13% by weight

크롬은 페라이트 안정화 원소로서, 일정함량의 크롬을 통해 오스테나이트 안정화 원소의 함량을 낮출 수 있으며, 용접부의 강도를 향상시키는 역할을 하는 성분이다. 그러나 크롬은 9 중량% 미만이면 그 효과가 없고 13 중량%를 초과하게 되면 크롬탄화물이 과도하게 형성되어 인성이 저하되는 문제가 있다. 따라서 크롬의 함량은 9 내지 13 중량% 범위로 제한하는 것이 바람직하다.Chromium is a ferrite stabilizing element, and the content of the austenite stabilizing element can be lowered through a certain amount of chromium, and is a component that serves to improve the strength of a welded joint. However, if the amount of chromium is less than 9% by weight, the effect is ineffective, and if the amount exceeds 13% by weight, chromium carbide is excessively formed, resulting in a decrease in toughness. Therefore, the content of chromium is preferably limited to 9 to 13% by weight.

니켈(Ni): 9 내지 15 중량%Nickel (Ni): 9 to 15% by weight

니켈은 오스테나이트 안정화 원소로서, 오스테나이트 안정화 원소로 첨가되는 성분이다. 니켈을 첨가하게 되면 저온 충격인성은 매우 빠른 속도로 증가하게된다. 그러나, 니켈은 강도를 저하시키는 원소일 뿐만 아니라 용접재료의 가격을 증가시키는 원소이므로 15 중량% 이하로 유지하는 것이 보다 바람직하다.Nickel is an austenite stabilizing element, and is a component added as an austenite stabilizing element. When nickel is added, the low temperature impact toughness increases very rapidly. However, nickel is not only an element that lowers the strength but also an element that increases the price of a welding material, so it is more preferable to keep it below 15% by weight.

몰리브덴(Mo): 1.0 내지 5.0 중량%Molybdenum (Mo): 1.0 to 5.0% by weight

몰리브덴은 용착금속의 강도, 충격 인성을 향상시킬 수 있는 원소이다. 또한 오스테나이트계 용접재료에서 시공시에 고액공존 구간을 좁혀 고온 Crack 발생을 억제하는 역할을 할 수 있다. 다만 몰리브덴의 함량이 5.0 중량%를 초과하는 경우에는 몰리브덴 탄화물이 과도하게 생성되어 극저온 인성을 저하시키는 단점이 있다. 따라서 몰리브덴의 함량은 1.0 내지 5.0 중량%로 한정하는 것이 바람직하다.Molybdenum is an element that can improve the strength and impact toughness of deposited metal. In addition, it can play a role in suppressing the occurrence of high-temperature cracks by narrowing the solid-liquid coexistence section during construction in austenitic welding materials. However, when the content of molybdenum exceeds 5.0% by weight, molybdenum carbide is excessively generated, thereby reducing cryogenic toughness. Therefore, the content of molybdenum is preferably limited to 1.0 to 5.0% by weight.

황(S): 0.02 중량% 이하Sulfur (S): 0.02% by weight or less

황은 MnS 복합석출물을 석출시키는 원소이나, 그 함량이 0.02 중량%를 초과하는 경우에는 FeS 등의 저융점화합물을 형성시켜 고온균열을 유발시킬 수 있기 때문에 바람직하지 못하다. 따라서 황의 함량은 0.02 중량% 이하로 제한하는 것이 바람직하다.Sulfur is an element that precipitates MnS composite precipitates, but when its content exceeds 0.02% by weight, it is not preferable because it can cause high-temperature cracking by forming low-melting compounds such as FeS. Therefore, it is preferable to limit the sulfur content to 0.02% by weight or less.

인(P): 0.02 중량% 이하Phosphorus (P): 0.02% by weight or less

인은 저온인성에 영향을 미치는 원소로서 결정입계에 취화한 인화합물을 생성시키므로, 그 상한을 0.02 중량%로 하는 것이 바람직하다.Phosphorus is an element that affects low-temperature toughness and forms embrittled phosphorus compounds at grain boundaries, so it is preferable to set the upper limit to 0.02% by weight.

타이타늄(Ti): 0.02 내지 0.1 중량%Titanium (Ti): 0.02 to 0.1% by weight

타이타늄은 산화물 혹은 질화물의 형태로 용접이음부로 들어가게 된다. 그런데 이들 산화물 혹은 질화물(혹은 탄질화물)은 결정립내에 존재하게 되며, 고온에서 응고시 핵생성사이트로 작용하여 오스테나이트의 결정입을 작게 만드는 역할을 하게 된다. 또한 타이타늄은 산화물 및 질화물(혹은 탄질화물)은 조직내에서 강도를 향상시키는 역할을 하게 된다. 타이타늄은 0.02 중량%만 첨가되어도 그 강도향상 효과가 나타난다. 반면, 타이타늄이 다량 함유된 경우에는 충격 인성이 저하되는데, 타이타늄이 0.1 중량%를 초과할 경우 강도향상효과는 크지만 저온인성을 저하시키는 원인으로 작용할 수 있다. 이를 고려하여, 본 발명에서는 상기 타이타늄의 함량을 0.02 내지 0.1 중량% 범위로 제한함이 바람직하다.Titanium enters the welded joint in the form of oxide or nitride. However, these oxides or nitrides (or carbonitrides) exist in the crystal grains, and act as nucleation sites during solidification at high temperatures to play a role in making the grains of austenite small. In addition, titanium oxides and nitrides (or carbonitrides) play a role in improving strength within the structure. Even if only 0.02% by weight of titanium is added, the strength improvement effect is shown. On the other hand, when a large amount of titanium is contained, impact toughness is lowered. When titanium exceeds 0.1% by weight, the effect of improving strength is large, but may act as a cause of lowering low-temperature toughness. Considering this, in the present invention, it is preferable to limit the content of titanium to the range of 0.02 to 0.1% by weight.

질소(N): 0.05 내지 0.15 중량%Nitrogen (N): 0.05 to 0.15% by weight

질소는 탄소와 동일한 특성을 나타내는 원소이며, 타이타늄과 함께 질화물을 만드는 원소이다. 질소는 0.05 중량% 이상이 함유될 경우 크롬, 타이타늄과 함께 강도를 향상시킬 수 있으므로 0.05 중량% 이상 포함되는 것이 바람직하다. 반면에 질소의 함량이 0.15 중량%를 초과하는 경우에는 용접이음부내에서 기공이 발생하기 쉬우며, 타이타늄과 함께 질화물의 생성량을 증가시킴으로 극저온 충격인성을 저하시키기 때문에 상한은 0.15 중량%로 하는 것이 바람직하다.Nitrogen is an element that exhibits the same properties as carbon, and is an element that makes nitride together with titanium. When nitrogen is contained in an amount of 0.05% by weight or more, strength can be improved along with chromium and titanium, so it is preferably included in an amount of 0.05% by weight or more. On the other hand, when the nitrogen content exceeds 0.15% by weight, pores are likely to occur in the welded joint, and the cryogenic impact toughness is reduced by increasing the amount of nitride produced along with titanium, so it is recommended to set the upper limit to 0.15% by weight. desirable.

한편 상술한 합금성분 범위는 본 발명의 용접이음부에 바람직하게 적용될 수 있는 기본 성분계이며, 따라서 이하 설명되는 합금원소들의 첨가에 의하여 추가적으로 용접이음부에 더 우수한 물성을 부여할 수 있다.On the other hand, the above-mentioned alloy component range is a basic component system that can be preferably applied to the welded joint of the present invention, and therefore, better physical properties can be imparted to the welded joint additionally by the addition of the alloy elements described below.

텅스텐(W), 니오븀(Nb) 및 바나듐(V) 중 선택된 1종 이상의 합: 5 중량% 이하The sum of at least one selected from tungsten (W), niobium (Nb) and vanadium (V): 5% by weight or less

텅스텐(W), 니오븀(Nb) 또는 바나듐(V)은 상온 강도를 증가시키는 원소들로서 본 발명에서 선택적으로 함유될 수 있는 성분이다. 이들 원소는 용접이음부 내에 탄소와 결합하여 탄화물(혹은 탄질화물)을 생성시키고, 이 생성상에 의해서 상온 인장강도가 향상되는 효과를 발휘한다. 그러나 그 함량이 5 중량%를 초과하는 경우에는 크랙이 발생이 용이하며, 아울러, 극저온 충격인성을 저하시키는 원인으로 작용하게 된다. 따라서 본 발명에서는 텅스텐(W), 니오븀(Nb) 및 바나듐(V) 중 1종 이상의 합을 5 중량% 이하로 제한하는 것이 보다 바람직하다.Tungsten (W), niobium (Nb), or vanadium (V) are elements that increase room temperature strength and can be selectively contained in the present invention. These elements combine with carbon in the weld joint to generate carbides (or carbonitrides), and exhibit the effect of improving room temperature tensile strength by this formed phase. However, when the content exceeds 5% by weight, cracks are easily generated, and in addition, it acts as a cause of lowering the cryogenic impact toughness. Therefore, in the present invention, it is more preferable to limit the sum of one or more of tungsten (W), niobium (Nb), and vanadium (V) to 5% by weight or less.

이트륨(Y) 및/또는 희토류금속(REM): 0.1 중량% 이하Yttrium (Y) and/or rare earth metal (REM): 0.1% by weight or less

이트륨(Y) 및/또는 희토류금속(REM)은 본 발명에서 선택적으로 함유되는 원소로서, 고온에서 산화물로 생성되고 이들에 의해서 고온에서 응고시 핵생성사이트로 작용하여 오스테나이트의 결정입을 작게 만드는 역할을 하게 된다. 이로 인해서 강도를 향상시키는 역할을 하게 된다. 그러나 0.1 중량%를 초과하면 용접시 이음부에 결함 등을 발생시키는 역할을 하게 되므로 그 함량을 0.1 중량% 이하로 제어해야 한다. 따라서 본 발명에서는 이트륨(Y) 및/또는 희토류금속(REM)을 0.1중량% 이하로 함유함이 보다 바람직하다.Yttrium (Y) and/or rare earth metal (REM) are elements that are selectively contained in the present invention, and are formed as oxides at high temperatures and act as nucleation sites during solidification at high temperatures, thereby reducing grain size of austenite. will do This serves to improve strength. However, if it exceeds 0.1% by weight, the content should be controlled to 0.1% by weight or less because it plays a role in generating defects in the joint during welding. Therefore, in the present invention, it is more preferable to contain yttrium (Y) and/or rare earth metal (REM) at 0.1% by weight or less.

붕소(B): 0.001 내지 0.01 중량%Boron (B): 0.001 to 0.01% by weight

붕소는 본 발명에서 선택적으로 함유되는 원소로서, 결정입계에 편석이 되는 특성을 나타낸다. 편석된 붕소는 결정입계의 강도를 향상시키는 역할을 하게 되는데, 이로 인해서 강도를 향상시키는 효과를 나타낼 수 있다. 이러한 효과는 붕소의 함량이 0.001 중량%만 첨가되어도 충분히 나타내고 있다. 그러나 0.01 중량% 이상이 첨가될 경우 강도향상효과는 크지만 저온인성에 저하시키는 원인으로 작용하게 된다. 따라서 본 발명에서는 상기 붕소의 함량을 0.001 내지 0.01 중량%로 제한하는 것이 바람직하다.Boron is an element that is selectively contained in the present invention and exhibits a property of being segregated at grain boundaries. The segregated boron serves to improve the strength of the grain boundary, which can show the effect of improving the strength. These effects are sufficiently exhibited even when only 0.001% by weight of boron is added. However, when 0.01% by weight or more is added, the effect of improving strength is large, but it acts as a cause of lowering low-temperature toughness. Therefore, in the present invention, it is preferable to limit the boron content to 0.001 to 0.01% by weight.

상기 조성 이외에 나머지는 Fe 및 불가피한 불순물을 포함한다. 다만, 이로 인해 다른 조성의 첨가를 배제하는 것은 아니다.In addition to the above composition, the remainder includes Fe and unavoidable impurities. However, this does not preclude the addition of other components.

또한, 특히 용접이음부의 적정한 기계적 물성(항복/인장강도 및 충격인성)을 확보하기 위해서는 하기 관계식을 따르는 것이 더욱 바람직하다. In addition, in order to ensure proper mechanical properties (yield/tensile strength and impact toughness) of the welded joint, it is more preferable to follow the following relational expression.

탄소(C) + 질소 (N): 0.3 내지 0.6 중량%Carbon (C) + Nitrogen (N): 0.3 to 0.6% by weight

탄소 및 질소는 앞서 각 개별 원소의 효과를 상술한 바와 같이, 용접이음부의 강도와 극저온 충격인성을 확보할 수 있는 원소이다. 탄소 및 질소의 함량의 합이 일정 범위 내에 있을 경우, 용접이음부의 강도와 저온 충격인성이 최적화될 수 있다. 탄소와 질소를 합한 함량이 0.3 중량% 미만이면, 충분한 강도를 확보하기 어렵고, 탄소와 질소를 합한 함량이 0.6 중량%를 초과하면 다량의 석출물로 인해 저온에서 충격인성이 저하될 수 있다. Carbon and nitrogen are elements capable of securing the strength and cryogenic impact toughness of a welded joint, as described above for the effect of each individual element. When the sum of the carbon and nitrogen contents is within a certain range, the strength and low-temperature impact toughness of the welded joint can be optimized. If the combined content of carbon and nitrogen is less than 0.3% by weight, it is difficult to secure sufficient strength, and if the combined content of carbon and nitrogen exceeds 0.6% by weight, impact toughness at low temperatures may be reduced due to a large amount of precipitates.

한편 본 발명의 용접이음부는 극저온에서 고강도와 저온인성이 요구되는 다양한 고망간강에 적용될 수 있으며, 특정한 용접모재 조성에 제한되지 않는다.Meanwhile, the weld joint of the present invention can be applied to various high manganese steels requiring high strength and low temperature toughness at cryogenic temperatures, and is not limited to a specific weld base material composition.

이하, 바람직한 실시예를 통해 본 발명을 상세히 설명한다. 다만, 하기의 실시예는 본 발명을 예시하여 보다 상세하게 설명하기 위한 것일 뿐, 본 발명의 권리범위를 한정하기 위한 것이 아니라는 점에 유의할 필요가 있다. 본 발명의 권리범위는 특허청구범위에 기재된 사항과 이로부터 합리적으로 유추되는 사항에 의해 결정되는 것이기 때문이다.Hereinafter, the present invention will be described in detail through preferred embodiments. However, it should be noted that the following examples are only for illustrating the present invention in more detail, and are not intended to limit the scope of the present invention. This is because the scope of the present invention is determined by the matters described in the claims and the matters reasonably inferred therefrom.

(실시예 1)(Example 1)

표 1은 본 실시예에 따른 일렉트로가스 아크 용접용 플럭스 충전와이어에서 강재 외피의 조성을 나타낸 표이며, 외피의 용접물 대비 50 내지 80 중량%일 수 있다.Table 1 is a table showing the composition of the steel sheath in the flux-filled wire for electrogas arc welding according to this embodiment, and may be 50 to 80% by weight compared to the welded product of the sheath.

구분division C
(wt%)
C
(wt%)
Si (wt%)Si (wt%) Mn (wt%)Mn (wt%) P
(wt%)
P
(wt%)
S
(wt%)
S
(wt%)
Ni (wt%)Ni (wt%) Cr (wt%)Cr (wt%) Mo (wt%)Mo (wt%) Fe (wt%)Fe (wt%)
함량1Content 1 0.0100.010 0.40.4 1.01.0 0.0100.010 0.0030.003 1010 18.518.5 -- 잔부balance 함량2content 2 0.0100.010 0.40.4 1.01.0 0.0100.010 0.0030.003 1212 18.518.5 2.52.5 잔부balance

이때, 이용된 일렉트로가스 아크 용접용 플럭스 충전와이어 조성은 중량%로, C: 0.3 내지 0.5%, Si: 0.3 내지 0.6 %, Mn: 4 내지 12%, Cr: 9 내지 13%, Ni: 9 내지 15%, Mo: 1.0 내지 5.0 %, S: 0.02% 이하, P: 0.02%이하, Ti: 0.02 내지 0.1%, N: 0.05 내지 0.15 % 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 포함하고, 필요에 따라 텅스텐(W), 니오븀(Nb) 및 바나듐(V) 중 1종 이상: 5% 이하, 이트륨(Y) 및/또는 희토류금속(REM)을 1% 이하를 함유할 수 있다.At this time, the composition of the flux filling wire for electrogas arc welding used is, by weight%, C: 0.3 to 0.5%, Si: 0.3 to 0.6%, Mn: 4 to 12%, Cr: 9 to 13%, Ni: 9 to 15%, Mo: 1.0 to 5.0%, S: 0.02% or less, P: 0.02% or less, Ti: 0.02 to 0.1%, N: 0.05 to 0.15%, the balance including Fe and other unavoidable impurities, and, if necessary, tungsten ( W), at least one of niobium (Nb) and vanadium (V): 5% or less, and yttrium (Y) and/or rare earth metal (REM) 1% or less.

도 1은 본 발명의 용접이음부의 합금 조성에 따른 용접이음부의 입열량, 항복강도(Y.S), 인장강도(T.S), 연신율(EL) 및 충격인성을 나타내는 표이다.1 is a table showing the heat input, yield strength (Y.S), tensile strength (TS), elongation (EL) and impact toughness of the welded joint according to the alloy composition of the welded joint of the present invention.

상기 용접용 와이어를 이용하여 고망간강과 9% Ni 강을 기본조성으로 하는 극저온 고망간강을 용접모재로 이용하여 용접을 실시하였다. 이때의 용접은 DC로 대략 200 내지 300A의 전류, 25 내지 40V의 전압, 8 내지 20 CPM의 용접속도의 조건 하에서 이루어졌다. 그리고 용접은 대략 30kJ/cm 이상의 입열량 조건으로 실시되었다.Using the welding wire, welding was performed using cryogenic high manganese steel having a basic composition of high manganese steel and 9% Ni steel as a welding base material. The welding at this time was performed under the conditions of a DC current of about 200 to 300 A, a voltage of 25 to 40 V, and a welding speed of 8 to 20 CPM. And welding was performed under a heat input condition of about 30 kJ/cm or more.

도 1을 참고하여 보면, 비교예 1 내지 5 및 발명예 1 내지 5는 9% Ni 강의 모재에 본 발명에 따른 용접이음부를 실험한 것이고, 비교예 6 내지 8 및 발명예 6은 고망간강의 모재에 본 발명에 따른 용접이음부를 실험한 것이다.Referring to Figure 1, Comparative Examples 1 to 5 and Inventive Examples 1 to 5 are experiments on the welded joint according to the present invention on a base material of 9% Ni steel, and Comparative Examples 6 to 8 and Inventive Example 6 are high manganese steel The welded joint according to the present invention was tested on the base material.

극저온 영역인 -196℃ 이하에서 용접구조물의 안정성을 확보하기 위해서는 27J 이상의 충격인성을 나타내는 용접이음부 확보가 필수적이다. 그에 따라 본 발명에 따른 용접이음부의 충격인성을 평가하기 위하여 샤르피 충격시험(-196℃)을 실시하여 그 결과를 도 1에 나타내었다.In order to secure the stability of the welded structure in the cryogenic region below -196 ℃, it is essential to secure a welded joint that exhibits an impact toughness of 27J or more. Accordingly, in order to evaluate the impact toughness of the welded joint according to the present invention, a Charpy impact test (-196 ° C) was performed, and the results are shown in FIG.

본 발명의 실시예에 따른 용접이음부는, 30 kJ/cm 이상의 고입열량에서도 항복강도(YS)가 360MPa 이상, 인장강도(TS)가 640MPa 이상, 충격인성(CVN, Charpy V Notch)이 27J 이상(-196℃ 이하)의 물성을 확보할 수 있었다. 하기에 각 실시예에 대한 자세히 명기하도록 한다. The welded joint according to the embodiment of the present invention has a yield strength (YS) of 360 MPa or more, a tensile strength (TS) of 640 MPa or more, and an impact toughness (CVN, Charpy V Notch) of 27 J or more even at a high heat input of 30 kJ/cm or more. (-196 ℃ or less) was able to secure the physical properties. In the following, each embodiment is described in detail.

비교예 1은 탄소와 질소 함량이 적정범위 수준에 미달되어 강도는 미달되고, 충격인성은 만족하였다.In Comparative Example 1, the strength was insufficient and the impact toughness was satisfactory because the carbon and nitrogen contents were not within the appropriate range.

비교예 2는 탄소가 적정범위 수준에 미달되었으나, Cr함량이 높아 강도는 만족하였으나, Mn함량이 적어 충분한 오스테나이트를 만들지 못해 충격인성이 미달되었다. In Comparative Example 2, the carbon content was not within the appropriate range, but the strength was satisfied due to the high Cr content, but the impact toughness was insufficient because sufficient austenite was not formed due to the low Mn content.

비교예 3은 성분은 적정범위 수준이나, 탄소+질소 함량이 높아 강도는 만족하나, 충격인성이 미달되었다. In Comparative Example 3, the components were in an appropriate range, but the strength was satisfactory due to the high carbon + nitrogen content, but the impact toughness was insufficient.

비교예 4는 질소 및 탄소+질소가 적정범위 수준을 초과하여, 충격인성이 미달되었다.In Comparative Example 4, nitrogen and carbon+nitrogen exceeded the appropriate range, and impact toughness was insufficient.

비교예 5는 탄소 및 탄소+질소가 적정범위 수준을 초과하여, 충격인성이 미달되었다.In Comparative Example 5, the carbon and carbon+nitrogen content exceeded the appropriate range, and the impact toughness was insufficient.

비교예 6은 탄소, 실리콘, 망간, 니켈이 적점범위 수준을 초과하고, Mo이 적정범위 수준 미달하여, 연신율이 굉장히 낮게 나오고 충격인성도 미달되었다. In Comparative Example 6, carbon, silicon, manganese, and nickel exceeded the dropping point range, and Mo was below the appropriate range, so the elongation was very low and the impact toughness was insufficient.

비교예 7은 탄소와 질소 함량이 적정범위 수준에 미달되어 강도는 미달되고, 충격인성은 만족하였다.In Comparative Example 7, the strength was insufficient and the impact toughness was satisfactory because the carbon and nitrogen contents were not within the appropriate range.

비교예 8은 탄소와 질소 함량이 적정범위 수준에 미달되고, Ni 및 Mo을 증대하였으나, 강도를 만족하기 어려웠다.In Comparative Example 8, the carbon and nitrogen contents were below the appropriate range, and Ni and Mo were increased, but the strength was difficult to satisfy.

도 2는 앞서 표기한 도 1의 결과를 탄소와 질소를 합한 함량에 따라 항복강도(Y.S), 인장강도(T.S) 및 충격인성을 나타내는 그래프이다.2 is a graph showing yield strength (Y.S), tensile strength (TS) and impact toughness according to the result of FIG. 1 shown above according to the content of carbon and nitrogen.

도 2에서 알 수 있듯이, 탄소와 질소를 합한 함량이 0.3중량% 미만이면 고강도화가 어렵고, 0.6중량%를 초과하면 극저온 영역인 -196℃ 이하에서 27J 이상의 충격인성을 확보하기가 어려웠다. As can be seen in FIG. 2, if the content of carbon and nitrogen combined is less than 0.3% by weight, it is difficult to increase the strength, and if it exceeds 0.6% by weight, it is difficult to secure impact toughness of 27J or more in the cryogenic region below -196 ° C.

이와 같이 본 발명에 따른 용접이음부는, 일렉트로 가스 용접(Electro Gas Welding, EGW) 방식을 사용하여 30kJ/cm 이상의 고입열로 용접될 수 있어, 단일 패스로 용접될 수 있다.As such, the welded joint according to the present invention can be welded with a high heat input of 30 kJ / cm or more using an electro gas welding (EGW) method, so it can be welded in a single pass.

다만, 본 발명에 따른 용접이음부는 단일 패스로 용접될 수 있으며, 추가적인 패스를 통해 용접이 이루어질 수 있음은 당연하다.However, it is natural that the welded joint according to the present invention may be welded in a single pass and may be welded through an additional pass.

또한, 본 발명에 따른 용접이음부는, 일렉트로 가스 용접을 사용하여 용접되는데, 일렉트로 가스 용접은 입향상진용접(Vertical up welding)을 위해 플럭스 코어드 와이어 용접보다 단일용접으로 용접효율이 높으므로, 일렉트로 가스 용접을 사용하여 액화저장탱크 제조공정시간을 단축하고, 제조공정비용을 절감할 수 있다.In addition, the welded joint according to the present invention is welded using electrogas welding. Since electrogas welding has a higher welding efficiency than flux-cored wire welding for vertical up welding, the electrogas Gas welding can be used to shorten the manufacturing process time of the liquefaction storage tank and reduce the manufacturing process cost.

본 발명은 상기에서 설명한 실시예로 한정되지 않으며, 상기 실시예들의 조합 또는 상기 실시예 중 적어도 어느 하나와 공지 기술의 조합을 또 다른 실시예로서 포함할 수 있음은 물론이다.Of course, the present invention is not limited to the above-described embodiment, and may include a combination of the above embodiments or a combination of at least one of the above embodiments and known technology as another embodiment.

이상 본 발명을 구체적인 실시예를 통하여 상세히 설명하였으나, 이는 본 발명을 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명은 이에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상 내에서 당해 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 그 변형이나 개량이 가능함은 명백하다고 할 것이다.Although the present invention has been described in detail through specific examples, this is for explaining the present invention in detail, the present invention is not limited thereto, and within the technical spirit of the present invention, by those skilled in the art It will be clear that the modification or improvement is possible.

본 발명의 단순한 변형 내지 변경은 모두 본 발명의 영역에 속하는 것으로 본 발명의 구체적인 보호 범위는 첨부된 청구범위에 의하여 명확해질 것이다.Simple variations or modifications of the present invention all fall within the scope of the present invention, and the specific protection scope of the present invention will be clarified by the appended claims.

Claims (6)

중량%로, 탄소(C): 0.3 내지 0.5%, 실리콘(Si): 0.3 내지 0.6 %, 망간(Mn): 4 내지 12%, 크롬(Cr): 9 내지 13%, 니켈(Ni): 9 내지 15%, 몰리브덴(Mo): 1.0 내지 5.0 %, 황(S): 0.02% 이하, 인(P): 0.02% 이하, 타이타늄(Ti): 0.02 내지 0.1%, 질소(N): 0.05 내지 0.15 %, 및 잔부 철(Fe)을 포함하는 극저온 인성이 우수한 고강도 용접이음부.By weight, carbon (C): 0.3 to 0.5%, silicon (Si): 0.3 to 0.6%, manganese (Mn): 4 to 12%, chromium (Cr): 9 to 13%, nickel (Ni): 9 to 15%, molybdenum (Mo): 1.0 to 5.0%, sulfur (S): 0.02% or less, phosphorus (P): 0.02% or less, titanium (Ti): 0.02 to 0.1%, nitrogen (N): 0.05 to 0.15 %, and a high-strength welded joint with excellent cryogenic toughness containing the balance iron (Fe). 제 1 항에 있어서,
0.3 ≤ 탄소(C)+질소(N) ≤ 0.6 관계식을 만족하는 극저온 인성이 우수한 고강도 용접이음부.
According to claim 1,
A high-strength welded joint with excellent cryogenic toughness that satisfies the relationship 0.3 ≤ carbon (C) + nitrogen (N) ≤ 0.6.
제 1 항에 있어서,
30 kJ/cm 이상의 입열량의 용접 조건에서 용접이 이루어지는 극저온 인성이 우수한 고강도 용접이음부.
According to claim 1,
A high-strength welded joint with excellent cryogenic toughness that is welded under welding conditions of heat input of 30 kJ/cm or more.
제 1 항에 있어서,
일렉트로 가스 용접(Electro Gas Welding, EGW)으로 용접이 이루어지는 극저온 인성이 우수한 고강도 용접이음부.
According to claim 1,
A high-strength welded joint with excellent cryogenic toughness, which is welded by Electro Gas Welding (EGW).
제 1 항에 있어서,
고망간강 또는 9% Ni강의 모재에 용접이 이루어지는 극저온 인성이 우수한 고강도 용접이음부.
According to claim 1,
A high-strength welded joint with excellent cryogenic toughness that is welded to a base material of high manganese steel or 9% Ni steel.
제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 따른 상기 극저온 인성이 우수한 고강도 용접이음부를 포함하는 액화가스 저장탱크.A liquefied gas storage tank comprising the high-strength welded joint having excellent cryogenic toughness according to any one of claims 1 to 5.
KR1020210193840A 2021-12-31 2021-12-31 Welded joint having high strength and superior toughness at ultra-low temperature and Liquefied gas storage tank having the same KR20230103175A (en)

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