<사진. S고크롬강 용접부의 손상 형태
출처.  KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』>

고크롬강 용접단수에 대한 크리프 수명평가법의 개발

고크롬강은 종래 강과 비교하여 상당히 우수한 고온 강도(크리프 강도)를 가지고 있지만, 장시간 영역에서는 당초 상정한 것보다 크리프 강도가 낮은 경향이 있다고 밝혀졌다. 특히 이 경향은 용접단수의 경우에 뚜렷하며, 모재와 비교하여 대폭적으로 수명이 짧게 되는 데이터가 복수의 기관에서 취득되었다. 때문에 일본 국내의 관련된 전체 기관이 모여 고크롬강의 장시간 크리프 강도의 재평가를 실시하였다.

한편, 현재 고효율 화력발전 플랜트에서 사용되고 있는 고크롬강 배관의 대부분은 재평가 전에 제조된 것으로, 그 여수명을 높은 정밀도로 평가, 진단할 필요가 있다. 배관형상을 모의한 시험편에 내압 크리프 시험을 실시한 결과, 고크롬강의 손상은 종래 강과 같이 관외 표면부터 진행하는 것이 아니라, 관 내부부터 진행한다는 것을 알았다. 그래서 전력중앙연구소는 이 내부 손상도 평가할 수 있도록 해석에 의한 크리프 수명 평가법을 개발하였다.

용접부는 모재, 용접금속 및 두 개 사이에 형성되는 용접 열 영향부로 구성된다. 각 구성재료의 화학성분은 동일하지만, 각 재료의 변형저항 및 크리프 수명은 크게 다르다. 이것은 용접 시에 각 재료가 받는 온도이력에 따라 금속조직이 각각 달라지기 때문이다. 따라서 용접부는 다른 재료로 이루어진 일종의 복합재료이다. 때문에 한 방향으로만 하중을 받더라도 용접부는 다양한 방향에서 응력을 받는 상태가 된다. 이 응력의 다축성이 용접부의 크리프 강도에 큰 영향을 미칠 가능성이 지적되었다.

그래서 전력중앙연구소는 9Cr강 및 12Cr강 용접단수에 관한 다축 응력상태가 되는 내압 크리프 시험을 실시하여 다축 응력하의 파괴형태 및 강도특성을 조사하였다. 그리고 이 시험에 대한 상세한 수치해석 결과 등을 검토하여 고크롬강 용접단수에 대한 고정밀도 크리프 수명평가법을 개발하였다.

내압 크리프 시험은 고온하에서 밀폐한 관 안에 고압의 압력매체를 부하하여 파단(증기 누설)시키는 시험이다. 이 내압에 의해 관은 원주방향 및 축방향에 인장 하중을 받는다. 본 연구에서는 축방향에 용접선을 가진 9Cr강, 12Cr강제 관을 내압 크리프용 시험편으로서 이용하였다. 증기 누설 후 시험편을 관찰한 사진을 보면, 시험편 자체는 거의 변형되지 않고, HAZ(Heat affected zone)에서 축방향 균열이 확인되었다. 바깥 표면에 균열이 없었던 장소에서 시험편을 절단하여 단면을 관찰한 결과, 균열은 시험편 표면이 아니라 시험편 중앙부에 발생하였다. 이 부분을 전자현미경으로 관찰한 결과, 크리프 손상의 실태인 공동이 다수 확인되었다.

내압 크리프 시험에서 얻어진 수명을 별도 실시한 단축 크리프시험 데이터와 비교한 결과를 보면, 동일한 시험조건에서 내압 하의 경우가 단축 하보다 짧은 파단시간이 되며 내압 하에서는 설계 등에서 이용되는 평가식으로 산출한 값보다 높은 응력이 작용하고 있다는 것을 나타내었다.

내압 크리프 시험편을 대상으로 용접부의 각 재료특성을 고려한 상세한 응력해석을 실시한 결과, (1) 크리프 변형은 HAZ에서 집중적으로 진행한다. (2) 응력은 HAZ의 내부 중앙부에서 높게 된다. (3) 위장소에서는 삼방향에서 인장의 응력을 받는다.

이러한 시험결과 및 해석결과에 기초하여 고크롬강 용접부에 대한 크리프 수명평가법을 제안하였다. 본 수명평가법은 HAZ 내 어느 장소의 변형이 응력의 다축성애 대응한 변형의 한계치에 달하면 재료는 파손된다고 생각되었다.

본 평가법의 이용하여 내압 크리프 시험편의 수명을 예측한 결과를 보면, 크리프 수명에 관한 예측 결과와 실험결과는 양호한 정밀도로 일치하고 있으며, 수명평가의 정밀도는 예측결과/실험결과의 비가 1/1.5~1.5배의 범위 내에 있다. 이상의 결과로부터 본 연구에서 제안한 크리프 수명 평가법은 고크롬강 용접관에 대해 타당하다고 생각된다.

■ KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』 http://mirian.kisti.re.kr