스테인리스 파이프의 부식 균열: 전문가 분석
내구성으로 유명한 스테인리스 스틸 파이프가 부식 조건에서 때때로 고장 나는 이유는 무엇일까요? 이 기사에서는 스테인리스강 파이프의 부식 균열의 근본 원인에 대해 자세히 살펴봅니다.
316L 오스테나이트 스테인리스 스틸 알칼리 저장 탱크에 균열이 생기는 이유는 무엇인가요? 316L 강철은 내구성으로 유명하지만 특정 조건에서 균열이 발생할 수 있습니다. 이 글에서는 알칼리 환경에서의 응력 부식 균열, 용접 및 냉간 가공으로 인한 잔류 응력의 영향, 환경 요인 등 이러한 고장의 이면에 있는 놀라운 요인에 대해 살펴봅니다. 이러한 원인을 이해하는 것은 향후 문제를 예방하고 탱크의 수명을 보장하는 데 매우 중요합니다. 이 중요한 엔지니어링 과제에 대한 자세한 분석과 실용적인 솔루션을 알아보세요.
"알칼리 취성" 또는 "알칼리 균열"로도 알려진 알칼리 유발 응력 부식 균열은 수많은 문헌에 기록되어 있습니다. 그러나 대부분의 연구는 고온 조건에 초점을 맞추고 있으며, 중저온에서 스테인리스강의 알칼리 취성에 대한 연구는 상대적으로 적습니다.
고온 환경에서는 알칼리 취성으로 인한 고장이 발생할 수 있지만 중온 및 저온에서는 이러한 고장이 비교적 드물게 발생합니다.
국내 원자력 발전소의 수소 발생기용 저장 탱크는 316L 오스테나이트 스테인리스 스틸로 만들어졌으며 작동 압력은 700~800kPa의 KOH 용액이 들어 있었습니다. 8년 동안 사용 후 탱크의 하부 헤드에 균열이 발생했습니다.
균열의 원인을 파악하기 위해 탱크의 여러 영역에 대한 철저한 물리적, 화학적 검사 및 응력 상태 분석을 실시했습니다. 그 결과를 바탕으로 개선 방안을 제안했습니다.
누출 탱크는 실린더와 타원형 헤드로 구성되어 있으며 서로 용접되어 있습니다. 헤드는 그림 1a에 표시된 것처럼 직선 가장자리 부분과 곡선 부분으로 나눌 수 있습니다.
헤드 외벽에 관통 균열이 있으며 직선 가장자리에 위치합니다. 균열의 위쪽 끝은 용접선으로부터 약 8mm, 아래쪽 끝은 용접선으로부터 약 13mm 떨어져 있습니다. 균열의 총 길이는 약 5mm입니다.
탱크에 액체 침투 테스트를 실시한 결과 관통 균열을 제외하고는 탱크 외벽에 추가 균열이 없는 것으로 나타났습니다. 그러나 용접부 근처의 내벽 양쪽에서 여러 개의 균열이 발견되었습니다. 이러한 균열에는 그림 1b와 같이 용접부에 수직인 축 방향 균열과 용접부와 평행한 원주 방향 균열이 포함되었습니다.
축 방향 균열은 용접선으로부터 13mm 이내의 헤드의 직선 가장자리 부분에만 존재했습니다. 균열은 균일한 원주 분포와 다양한 길이를 가졌습니다. 더 긴 균열의 위쪽 끝은 용접선으로부터 1~2mm, 아래쪽 끝은 약 13mm 떨어져 있었습니다. 더 짧은 균열의 위쪽 끝은 용접선에서 약 4mm, 아래쪽 끝은 약 10mm 떨어져 있었습니다. 이 균열은 A형 균열로 분류되었고 관통 균열도 A형 균열로 분류되었습니다.
원주 균열은 용접선으로부터 1-3mm 떨어진 용접 양쪽에 위치했습니다. 실린더 쪽의 균열은 B1 등급 균열로, 헤드 쪽의 균열은 B2 등급 균열로 분류되었습니다.
누수 탱크의 균열 분포에 대한 거시적 다이어그램은 그림 2에 나와 있습니다.
스파크 직접 판독 분광기를 사용하여 실린더와 헤드 비금속의 화학 성분을 분석했습니다. 그 결과 두 화학 성분 모두 ASTM A473-2017 표준에 명시된 요구 사항을 충족하는 것으로 나타났습니다.
배럴과 헤드 모재에서 샘플을 채취하여 광학 현미경을 사용하여 금속학적 검사를 실시했습니다. 탱크 모재 금속의 미세 구조는 그림 3에 나와 있습니다.
배럴 모재 금속의 미세 구조는 다음과 같이 구성되는 것으로 밝혀졌습니다. 오스테나이트 소량의 어닐링된 쌍둥이로 6등급의 입자 크기를 가졌습니다. 한편 헤드 모재의 미세 구조는 다음과 같이 구성되었습니다. 오스테나이트 상당한 양의 변형 쌍둥이와 슬립 밴드가 있으며 입자 크기가 3.5입니다.
디지털 비커스 경도계를 사용하여 탱크의 여러 부분의 경도를 측정했습니다. 그 결과 배럴과 헤드 모재의 경도는 각각 165 HV와 248 HV로 나타났습니다.
용접부의 경도, 실린더 측면 열 영향 구역, 헤드 측 열 영향 영역은 각각 171 HV, 188 HV, 165 HV였습니다. 실린더 측면과 헤드 측면의 평균 두께는 각각 3.71mm와 4.24mm였습니다.
실린더는 다음과 같이 만들어졌습니다. 316L 스틸 일반 용액 어닐링 상태에서. 316L 강철의 경도는 ASTM A473-2017 표준에 명시되어 있지 않습니다. 그러나 표준 냉간 압연 스테인리스 강판 및 스트립(GB/T 3280-2015)에 따르면 316L 강철의 경도는 220 HV를 초과해서는 안 됩니다.
구조에 상당한 양의 변형 트윈과 슬립 밴드가 존재하는 것과 관련된 헤드의 높은 경도는 냉간 가공 경화 상태의 316L 강철이라는 사실에 기인할 수 있습니다.
1.5.1 균열 표면 분석
탱크 내벽의 경우, 분석을 위해 클래스 A 및 클래스 B 표면의 균열을 샘플링해야 합니다. 샘플 위치는 그림 4에 나와 있습니다.
아크 표면법을 사용하여 샘플을 평평하게 만들고 연마하고 에칭한 후 광학 현미경을 사용하여 검사합니다. 미세한 형태는 그림 5에 설명되어 있습니다.
두 가지 유형의 균열 모두 표면의 결정 구조 방향으로 확장되는 것이 분명합니다.
A형 균열의 중앙 부분은 넓고 양쪽 끝은 좁습니다.
머리 쪽의 열 영향 영역은 거친 입자 영역과 미세 입자 영역이 모두 나타나며, 총 길이는 약 4mm입니다.
실린더 쪽의 열 영향 영역에는 약 0.8mm 길이의 거친 입자 영역만 표시되고 미세 입자 영역은 표시되지 않습니다.
헤드 쪽의 모재는 높은 변형과 왜곡이 특징인 변형 쌍둥이와 슬립 밴드가 상당수 나타납니다. 정적 재결정은 용접 프로세스 가열로 인해
용접부 근처의 고온으로 인해 재결정화 후 입자 성장이 발생하여 거친 입자 영역을 형성합니다.
용접에서 멀리 떨어진 영역에서는 정적 재결정화만 일어나고 입자가 자라지 않아 미세한 입자 영역이 생깁니다.
실린더 측의 모재는 용액 어닐링 상태로 변형과 왜곡이 제한되고 재결정화 추진력이 충분하지 않습니다.
용접부 근처의 높은 온도로 인해 입자가 직접 성장하여 거친 입자 영역이 형성됩니다.
용접에서 떨어진 영역의 온도가 입자 성장 온도보다 낮기 때문에 재결정화 없이 회수만 일어나고 헤드 쪽과 유사한 미세 입자 영역이 없습니다. 따라서 열 영향 영역의 범위를 직접 확인할 수 없습니다.
배럴과 헤드 모재는 모두 다음과 같이 만들어집니다. 316L 스테인리스 스틸와 열전도율이 비슷합니다. 용접 양쪽의 열 영향을 받는 영역의 범위는 거의 동일합니다.
헤드 쪽의 열 영향 영역의 범위를 기준으로 배럴의 열 영향 영역 폭이 약 4mm인 것으로 추론됩니다.
일부 A형 균열의 한쪽 끝은 열 영향 구역에, 다른 쪽 끝은 헤드의 직선 모서리 부분에 위치하며 중앙은 헤드의 직선 모서리 부분에 위치한 것으로 관찰됩니다.
A형 균열의 나머지 부분은 머리의 직선 가장자리에 있습니다.
모든 B형 균열은 용접 양쪽의 열 영향 영역에 위치합니다.
1.5.2 균열 단면 분석
그림 6과 그림 7은 벽 두께 방향으로 두 가지 유형의 균열의 미세 구조를 보여줍니다.
A형 균열은 탱크의 내벽에서 외벽까지 크리스탈을 따라 다양한 깊이로 이어집니다. 이러한 균열의 심한 부분은 거의 탱크의 전체 벽 두께에 걸쳐 있으며, 균열 끝과 입자 경계가 두 갈래로 갈라져 있어 민감하지 않습니다. 이러한 균열은 입계 응력 부식 균열의 전형적인 특성을 가지고 있습니다.
유형 B1 및 B2 균열은 주로 용접 양쪽의 열 영향 영역에서 발견됩니다. 이러한 균열은 입자를 따라 확장되며, 균열 끝이 갈라지고 입자 경계가 민감하지 않아 입계 응력 부식 균열의 전형적인 특성을 나타냅니다.
유형 A, B1 및 B2 균열의 미세 경도는 각각 242 HV, 171 HV 및 157 HV입니다.
B2 유형 균열 영역에서 경도가 급격히 감소하는 것은 정적 재결정화 후 용접 프로세스를 사용하여 원래의 변형된 오스테나이트 입자를 변형합니다.
탱크 내벽의 A형 균열의 원점 위치에 대한 추가 정보를 얻기 위해 균열의 길이 방향을 따라 중앙과 양쪽에서 균열의 깊이를 절개하여 측정했습니다. 결과는 그림 8에 나와 있습니다.
벽 두께 방향을 따라 균열의 가장 깊은 부분이 가운데에서 발견되며, 이는 A형 균열의 원점이 길이 방향의 중앙에 있으며 내벽 표면에서 양쪽으로 뻗어 있음을 나타냅니다.
그리고 잔여 스트레스 분석기는 용접부를 경계로 하여 실린더와 헤드의 잔류 응력을 평가하는 데 사용됩니다. 테스트는 0°(용접 방향과 평행)와 90°(용접 방향과 수직)의 두 가지 방향으로 수행되며, 결과는 그림 9에 나와 있습니다.
실린더 측면의 0° 및 90° 방향 잔류 인장 응력 영역은 용접 중심선으로부터 각각 약 20mm 및 12mm 떨어져 있습니다. 헤드 측에서 0° 및 90° 방향의 잔류 인장 응력 영역은 용접 중심선에서 각각 약 17mm 및 15mm 떨어져 있습니다.
유형 A 및 유형 B 균열은 잔류 인장 응력 영역 내에 위치합니다.
탱크의 잔류 인장 응력 영역에서 유형 A 및 유형 B 균열이 발견되며, 둘 다 결정 방향으로 내벽에서 외벽까지 벽 두께를 따라 이어집니다.
A형 균열은 헤드의 모재 영역에서 시작하여 양쪽 용접부에 수직인 표면을 따라 퍼져나갑니다.
B형 균열은 용접 양쪽의 열 영향 영역에 위치하며 표면을 따라 용접과 평행하게 확장됩니다.
헤드는 콜드 스탬핑 공정을 통해 제조됩니다.
헤드의 직선 가장자리는 다음과 같이 형성됩니다. 플랜지 원본 시트의 가장자리를 안쪽으로 향하게 하여 상당한 소성 변형과 잔류 인장 응력을 초래합니다.
초기 냉간 가공 잔류 응력, 65-70℃의 온도 및 KOH 알칼리 용액의 사용 조건이 장기간 영향을 미치면 용접부에 수직으로 입계 응력 부식 균열이 발생합니다.
열 영향 영역에서 용접 후 오스테나이트 입자의 회복 및 재결정화로 인해 원래의 잔류 응력은 사라집니다.
용접 잔류 인장 응력은 오스테나이트 입자의 냉각 수축으로 인해 열 영향 영역에서 생성됩니다. 이 응력은 주로 용접부에 수직으로 발생하며, 65-70℃에서 KOH 알칼리 용액의 사용 조건이 장기간 지속되면 용접부와 평행한 입계 응력 부식 균열이 발생합니다.
탱크의 균열 메커니즘은 알칼리 유발 응력 부식 균열의 막 균열 이론으로 설명할 수 있습니다.
KOH 알칼리 용액 환경에서는 탱크의 내벽 표면에 패시브 필름이 형성되지만 높은 잔류 인장 응력으로 인해 파손됩니다.
패시베이션 필름이 파손되면 파손 부위의 금속 표면에서 즉시 재형성되지 않습니다.
그런 다음 베어 메탈이 KOH 잿물과 접촉하면 표면 파단 영역에 OH-가 농축되어 베어 메탈과 반응을 일으킵니다.
노출된 금속은 농축된 잿물과 반응하여 금속 산화막을 형성하지만, 이 막은 스트레스를 받아 다시 깨지면서 부동태화-파괴 사이클을 반복하여 균열이 계속 확장되고 확장됩니다. 결국 탱크에 균열이 생기고 누수가 발생합니다.
(1) 저장 탱크 내벽의 원주 및 축 균열은 알칼리 유발 응력 부식 균열로 인해 발생합니다.
원주 균열은 주로 용접 잔류 인장 응력에 의해 발생하며 축 방향 균열은 주로 헤드의 직선 모서리에 냉간 가공 잔류 인장 응력에 의해 발생합니다.
(2) 원주 균열을 방지하려면 다음을 제어하는 것이 중요합니다. 용접 열 입력 및 용접 잔류 응력을 줄입니다.
축 방향 균열을 방지하려면 응력 완화 프로세스를 추가해야 합니다. 냉간 성형 를 사용하여 냉간 작업의 잔류 스트레스를 줄입니다.
(3) 장비의 안전한 작동을 보장하기 위해 작동 중 침투 테스트와 같은 비파괴 검사 조치를 강화하여 보호 기능을 강화해야 합니다.
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