1. 서 론
페라이트 조직을 갖는 철강 재료로 기기를 제작 하거나 현장에 설치하는 과정에서 용접을 하는 경 우, 잔류 응력이 발생하므로 이를 줄이기 위하여 용 접후 열처리(PWHT; Post Weld Heat Treatment)를 수행한다. 용접후열처리를 하면 용접부의 물성은 개선되지만 주변 모재의 성질이 변화될 수 있다. 따 라서 기기 제작시 모재와 동일한 heat 시편을 제작 하여 모의 용접후열처리(Simulated PWHT)를 실시 해야 한다. 즉, 제작사는 제작과 시공과정에서 모재 가 받게 될 용접후열처리 시간과 온도를 감안하여 미리 모의 용접후열처리하고, 열처리 후에도 재료
규격을 만족하는지를 재료시험을 통해 확인한 후, 그 결과를 재료시험성적서에 기록하여 기기 납품시 함께 제출하여야 한다.(1)
최근 증기발생기 2차계통에 연결되는 일부 배관 과 밸브의 제작서류에 모의 용접후열처리 기록이 누락되어 있는 것을 발견하였다. 해당 배관과 밸브 는 제작 또는 시공 과정에서 용접후열처리를 실시 하였으나, 모재 시편에 대한 모의 후열처리와 물성 시험을 수행하지 않고 납품된 것이다. 표준형 원전 주급수 계통 설계시 탄소강 재질의 밸브나 배관에 서 발생하는 유동가속부식(FAC; Flow Accelerated Corrosion)을 방지하고자 기존의 탄소강 재료를 2.25% Cr과 1% Mo을 포함하는 저합금강으로 변경 하였다. 탄소강인 경우 P-Number가 1인 용접봉을 사용하고 기기의 공칭 두께가 2인치 이하이면 모의 용접후열처리가 면제된다. 그러나 2.25Cr-1Mo 저합 금강인 경우에는 P-Number가 5A인 용접봉을 사용
용접후열처리가 2.25Cr-1Mo 강 밸브 및 배관재 물성에 미치는 영향
김홍덕†· 이요섭*· 이재곤*· 이경수*
Effect of Post Weld Heat Treatment on the Mechanical Properties of 2.25Cr-1Mo Steels Valves and Piping
Hongdeok Kim†, Yoseob Lee*, Jaegon Lee* and Kyoungsoo Lee* (Received 12 June 2015, Revised 25 June 2015, Accepted 26 June 2015)
ABSTRACT
The effects of post weld heat treatment(PWHT) on the mechanical properties of 2.25Cr-1Mo steels were investigated.
As the PWHT temperature or holding time increased, the strength of low alloy steels progressively decreased due to softening process. After the conventional PWHT, the strength was larger than the minimum value of materials specification. The Charpy impact energy was hardly affected by the conventional PWHT. The trend of mechanical properties was analyzed in terms of tempering parameter. Most materials replaced from a power plant met the requirements of materials specification except for one heat. Same heat of materials with low impact energy were attributed to the voids formed during casting process.
Key Words : post weld heat treatment(PWHT) (용접후열처리), 2.25Cr-1Mo steels (2.25크롬-1몰리브덴 강), void (기공), tempering parameter (템퍼링 파라미터), softening (연화)
†
*
회원, 한수원 중앙연구원 kim.hongdeok@khnp.co.kr
TEL: (042)870-5531 FAX: (042)870-5930 한수원 중앙연구원
서 두께 1인치당 1시간을 유지해야 한다. 2.25Cr-1Mo 강 모재를 용접후열처리하면 템퍼링 열처리와 유사 하게 강도는 감소하지만 충격에너지 감소 여부는 확 실하지 않다.
본 논문에서는 발전소에서 사용하다가 교체된 밸 브 및 배관 모재에서 채취한 시험편과 새로 주조한 시험편을 다양한 조건에서 모의 용접후열처리한 후, 물성시험을 수행하여 모의 용접후열처리의 영향을 분석하였다.
2. 물성 시험
2.1 밸브 및 배관 재료
발전소에서 교체된 밸브는 ASME Section II Part A SA-217 Gr. WC9 재질이고, 배관은 SA-335 Gr.
P22 재질로써 모두 2.25%Cr과 1%Mo을 함유하는 저합금강이다.(2) SA-217 Gr. WC9 재질 밸브와 SA-335 Gr. P22 재질 배관의 물성 요건은 Table 1과 같다.
교체된 밸브와 제작사가 다른 밸브의 열처리 특성 을 분석하기 위하여 신규로 시험편을 주조하여 물성 시험에 사용하였다.
Table 1 Mechanical property requirements of SA-217 WC9 valve and SA-335 P22 piping
SA-217 WC9 SA-335 P22 YS (MPa) 275 min 205 min UTS (MPa) 485-655 415 min Elongation (%) 20 min 22 min Reduction of Area (%) 35 min -
Impact Energy (Joule) Average 27 Lowest 20 Lateral Expansion (mm) Average 0.51
Lowest 0.38
행하였다.
2.3 인장 및 충격시험
인장 및 충격 시험편은 용접부와 인접한 모재의 두께 중앙(½t)에서 길이 방향으로 채취하였다. 인장 시험은 표점거리 50 mm 표준 봉형 시험편으로 가공 하여 상온에서 시험하였다. 충격시험은 Charpy 표준 시험편을 사용하여 1.7℃(35°F)에서 시험하였다.
3. 물성시험결과
3.1 교체된 배관 물성시험 결과
발전소에서 사용하던 배관 3개를 교체하여 물성시 험을 수행한 결과, SA-335 Gr. P22 배관 재료의 규격 을 모두 만족하였다. 특히 Charpy 충격시험에서는 200J 이상의 높은 충격흡수에너지가 측정되었다. 재 료시험성적서에 비하여 인장강도는 감소하였으나 충격에너지는 오히려 증가하였다. Fig. 1과 같이 교 체된 배관을 715℃에서 추가 후열처리하면 인장강 도는 약간 감소하였으나 재료규격의 하한치보다는 큰 값을 유지하였다. 한편, 추가 후열처리한 시편의 Charpy 충격흡수에너지는 열처리 시간의 증가에 따 라 400J 근처까지 증가한 후 거의 일정하게 유지하 였다.
Tempering Parameter(TP)를 사용하면 템퍼링 온도 와 시간의 영향을 한 개의 변수로 표현할 수 있다.(3) 최종적인 물성은 템퍼링 및 PWHT 영향이 누적되어 나타나므로 템퍼링 온도와 시간, PWHT 조건의 영향 을 TP로 통합하여 물성 변화 추세를 분석하였다.
TP = T[°K] × (20+log t[hr]) / 103
Fig. 2에 교체된 배관의 인장강도와 충격흡수에너 지를 측정한 결과를 TP의 함수로 나타내었다. TP의
증가 즉, PWHT 온도 또는 유지시간 증가에 따라 인 장강도는 감소하는 추세를 보였다. 배관의 충격흡수 에너지는 초기에 급격히 증가하다가 400J 정도에서 포화되었다. 이는 배관 제조시 연속 열처리로 인하 여 템퍼링 시간이 부족하여 충격에너지가 낮았지만 추가 후열처리에서 보상되어 충격에너지가 향상되 는 것으로 판단된다.
3.2 신규 주조품 물성시험 결과
새로 주조한 밸브 시험편을 909~914℃에서 5시간 30분 동안 유지한 후 공기 중에서 냉각하는 노말라 이징과, 743~755℃에서 6시간 유지 후 다시 공기중 에서 냉각하는 템퍼링 열처리를 수행하였다. 용접후 열처리는 현장에서 수행하는 PWHT 온도 중에서 가 장 낮은 온도인 685℃와 가장 높은 온도인 730℃에 서 20시간까지 수행하여 후열처리 시간의 영향을 분 석하였다. 또한 현장 시공시 가장 많이 사용하는 온
도인 715℃에서 최대 60시간까지 유지한 후 물성시 험을 수행하였다. 물성시험을 수행한 결과를 Fig. 3 에 나타내었다.
685℃에서 20시간동안 후열처리를 하더라도 강도 는 노말라이징 및 템퍼링 상태(N&T)와 거의 유사하 였다. 715℃에서 5시간 후열처리하면 N&T 상태에 비하여 강도는 약간(~10MPa) 감소한 후, 추가적인 강도 감소는 매우 천천히 진행되어 60시간을 유지하 여도 항복강도와 인장강도 하한치보다 높은 값을 유 지하였다. 730℃에서 5시간 후열처리하면 N&T에 비 하여 인장강도가 34MPa 감소한 후 추가적인 강도 변화는 거의 없었다.
743~755℃의 고온에서 6시간 템퍼링 열처리하면 연화 반응이 충분하게 진행되었기 때문에 템퍼링 온 도보다 60℃ 정도 낮은 685℃에서 후열처리를 하면 추가적인 연화 반응이 일어나기 어렵기 때문에 강도 변화가 거의 없는 것으로 분석되었다. 템퍼링 온도 보다 15~30℃ 낮은 715℃와 730℃에서 후열처리를 (a)
(b)
Fig. 1 (a) Yield Strength(YS) and UTS(Ultimate Tensile Strength), and (b) Charpy V-Notch(CVN) impact energy of replaced piping as a function of PWHT time
(a)
(b)
Fig. 2 (a) YS and UTS, and (b) CVN impact energy of replaced piping as a function of tempering parameter
하면 초기에는 강도가 감소하지만 추가적인 연화 반 응이 매우 천천히 일어날 것이다.
Fig. 3 (b)에서 충격 에너지는 715℃에서 60시간 유지 후에도 재료규격보다 큰 값을 유지하였다. 30 시간까지는 후열처리 시간 증가에 따른 충격에너지 변화 경향은 불명확하지만 건전한 소재를 사용하여 제작된 기기는 통상적인 후열처리 조건(730℃ 이하, 10시간 이하)에서 충격흡수에너지의 저하를 우려할 필요는 없다고 판단된다. 한편, 685℃와 730℃에서 후열처리한 시험편의 초기 값, 즉 N&T 상태 충격에 너지가 715℃ 후열처리 시편보다 낮은데 이것은 다 른 Heat로 제작되었기 때문이다.
신규 주조품에 대한 물성 측정 결과를 TP의 함수 로 분석하였다. Fig. 4에서와 같이 TP의 증가에 따라 인장강도가 명확하게 감소하였다. PWHT 이전의 N&T 상태의 강도가 높은 경우에는 TP 증가에 따라 강도가 빠르게 감소하였다. 그러나 템퍼링이 충분히 진행되어 N&T 상태의 강도가 낮거나 TP가 큰 경우 에는 강도가 완만하게 감소하였다. 가장 높은 PWHT
온도인 730℃에서 20시간동안 유지하거나 통상적인 PWHT 온도인 715℃에서 60시간을 유지하여 TP가 21.5를 초과하여도 강도는 하한치 이상을 유지하고 있다.
TP에 따른 신규 주조품의 충격흡수에너지 변화 추 세는 명확하지 않으나 N&T 상태의 충격흡수에너지 수준이 중요하다고 판단된다. N&T 조건의 충격흡수 에너지가 높으면 21.5 이상의 TP에서도 하한치보다 높은 충격흡수에너지를 확보하고 있다. 그러나 N&T 조건의 충격흡수에너지가 낮으면 PWHT 후에도 낮 은 충격흡수에너지 값을 유지하고 있다. 즉 PWHT에 의하여 강도가 감소하여도 충격흡수에너지는 향상 되지 않은 것으로 판단된다.
3.3 교체된 밸브 물성시험 결과
발전소에서 사용하던 밸브를 교체한 후, 물성시험 을 수행한 결과, 대부분의 밸브는 재료 규격을 만족 하였다. Fig. 5와 같이 715℃에서 추가 후열처리를 하 면 강도는 감소하였으나 재료규격의 하한치보다는
(a) (b)
Fig. 3 (a) YS and UTS, and (b) CVN impact energy of new castings as a function of PWHT time
(a) (b)
Fig. 4 (a) YS and UTS, and (b) CVN impact energy of new castings as a function of tempering parameter
큰 값을 유지하였다. 후열처리에 따른 충격에너지의 변화는 뚜렷하게 나타나지 않았다. Fig. 6과 같이 TP 에 따른 교체 밸브의 물성 변화는 교체 배관과 신규 주조품의 추세와 유사하였다. 즉 TP가 증가하면 강도 는 감소하지만 충격치 감소는 뚜렷하지 않다.
주사전자현미경으로 충격시험편의 파면을 관찰하
였다. Fig. 7(a)와 같이 충격흡수에너지가 높은 시험 편에서는 dimple이 많이 관찰되어 주로 연성파괴가 진행된 것으로 보였다. 노치 앞부분에서 기공이 일 부 발견되었지만 크기는 작고 숫자도 적었다. (b)와 같이 충격흡수에너지가 낮은 시험편에서는 취성 파 괴가 진행되었고 균열이 발생하여 성장하는 노치 앞
(a) (b)
Fig. 5 (a) YS and UTS, and (b) CVN impact energy of replaced valves as a function of PWHT time
(a)
(b)
Fig. 6 (a) YS and UTS, and (b) CVN impact energy of replaced valves as a function of tempering parameter
(a)
(b) Fig. 7 SEM micrographs showing (a) ductile fracture and (b) cleavage fracture
2.25Cr-1Mo 강에 속하는 SA-217 Gr. WC9 소재로 제작된 밸브와 SA-335 Gr. P22 소재로 제작된 배관 을 대상으로 교체된 제품 및 시험을 위해 새로 제작 한 시험편을 사용하여 다양한 조건의 모의 용접후열 처리를 수행한 후 인장시험과 충격시험을 수행하여 다음과 같은 결과를 얻었다.
1) 밸브 및 배관을 후열처리하면 강도는 감소하지 만 재료규격 하한치 이하로 감소하지 않았고, 충격
(1) ASME, 1998, "Rules for Construction of Nuclear Facility Components," ASME B&PV Sec. III, Div.1, Sub. NC.
(2) ASME, 2004, "Materials," ASME B&PV Sec. II.
(3) Sinha, A. K., 1989, Ferrous Physical Metallurgy, Butterworth Publishers, 556.
