정 대 호 경상대학교 나노신소재공학부 대학원생 ㅣ e-mail : [email protected]
권 재 기 한국지질자원연구원 광물자원연구본부 연구원 ㅣ e-mail : [email protected]
우 남 섭 한국지질자원연구원 광물자원연구본부 선임연구원 ㅣ e-mail : [email protected] 김 영 주 한국지질자원연구원 광물자원연구본부 책임연구원 ㅣ e-mail : [email protected]
우 타 관 성일엔케어(주) 대표이사 ㅣ e-mail : [email protected]
김 상 식 경상대학교 금속재료공학과 교수 ㅣ e-mail : [email protected]
이 글에서는 최근 해양구조용 소재에 대한 기술개발 동향과 신뢰성 확보 및 인증을 위한 물성 DB의 중요성 그리고 이와 관련한 국내 산업계의 실태에 대해 소개하고자 한다.
해양구조물 인증을 위한 소재 물성 평가 기법 개발 및 DB 구축의 필요성
해저의 천연자원을 채굴하거나 운송, 저장 등에 사용 하는 부유식 원유시추저장하역설비(FPSO), 고정식 플 랫폼 및 드릴십 같은 해양시추설비 그리고 유전, 정유 시설의 원유, 천연가스의 수송에 사용되는 line pipe 유 정용 강관(OCTG : Oil Country Tubular Goods) 및 해 양구조용 강관에 사용되는 강재는 극저온과 심해의 엄 청난 압력, 높은 부식성 등 극한의 환경에서 사용된다.
따라서 해양구조용 강재는 견고함과 고강도뿐만 아니 라 다양한 플랜트 부위에 적용할 수 있는 높은 가공성 과 극심한 해수 환경에서 견딜 수 있는 내부식, 내피로 및 내파괴 특성을 동시에 만족해야 한다. 최근에는 극 지에서의 자원 개발과 LNG 사용이 활발히 이루어지면 서 극저온에서 내피로 및 내파괴 특성을 가지는 강종이 나 유전가스 개발 시 또는 원유정제 과정에서 배출되는 황화수소가스 분위기에 대한 내sour 특성이 우수한 강 종에 대한 수요가 크게 증가하고 있다. 이러한 가혹한 조건에서 견뎌야 하는 해양구조용 강재는 매우 엄격한 국제적 안전기준과 품질조건이 요구되고 있다.
한편 우리나라가 오랜 동안 세계에서 조선 최강국으 로 자리매김하고 있고, 선박 및 해양을 망라하여 해양 에서 존재하는 모든 종류의 프로젝트를 생산할 수 있는 능력을 보유하고 있음에도 불구하고 해양 프로젝트에 소요되는 강재 중 많은 부분을 아직도 수입에 의존해야 하는 실정이다. 현재 우리나라의 철강산업은 세계적인 수준이며, 강재가 요구하는 물리적인 성질, 인장강도, 충격인성, 내피로성 등 물성분야와 치수, 표면상태 등 의 외관형상은 세계에서 앞선 수준에 있으면서도 고부 가가치 제품이나 물성이 까다로운 특수소재를 외산에 의존하는 이유로는, 소량 생산에 대한 부담감이 가장 큰 이유이며, 다음으로 재료 물성 DB와 관련한 평가 및 인증에 대한 인식과 기술력의 부족을 이유로 들 수 있 다. 이러한 해양구조용 소재에 대한 물성 DB와 인증에 대한 인식과 기술력 부속은 단순히 소재산업의 문제가 아니라 해양플랜트용 기자재 개발에 매진하고 있는 우 리나라 해양플랜트산업 전 분야의 발목을 잡을 수 있는 심각한 문제이다. 실제로 국내 중공업사들의 경우 표면 (topside) 역량에 비해 해저(subsea) 분야는 매우 낙후 되어 있으며, 해저시스템 기자재 국산화를 위해서는 소 재에 대한 제조 기술뿐만 아니라 극한 환경에서의 물성
위한 물성 DB 및 인증 동향
평가 및 인증 기술이 뒷받침해 주어야만 한다. 또한 앞 으로 북극을 포함한 극지로 그리고 수심 3,000미터 이
상의 심해로 자원개발이 진행되고 있는 현 실을 고려하면 소재의 사용 환경은 더욱 극 심해질 것으로 예상되며, 이에 따른 극한 환 경에서의 물성 평가 기법 개발 및 DB 구축 이 시급하다.
해양구조용 고강도 강의 사용 증대와 이에 따른 신뢰성 확보 전략
최근의 해양구조용 강재의 동향을 살펴 보면 고정식 플랫폼의 경우에는 항복강도 가 350MPa급인 중강도 강종들이 주로 사용 되어 왔으나, 최근 들어 시추용 잭업(jack- up) 등에 주로 550MPa급 이상의 고강도 강 종들이 사용되고 있다. 주기적으로 드라이 독(dry-dock)에서 검사가 가능한 이동식 잭 업의 경우에는 고강도와 함께 용접성, 파괴 인성 및 연성이 주로 요구되었으나 고정식 잭업의 경우에는 이외에도 피로, 부식피로 및 수소취성에 대한 특성이 동시에 요구되 고 있다. 이처럼 최근 해양구조용 강종의 개 발 추세는 구조물의 무게 및 원가 절감을 위 한 550MPa급 이상의 고강도 강종 사용이 대세를 이루고 있다.(표 1)
한편 해양구조물에 대한 인증을 위해서 는 그림 2에서 보는 바와 같이 소재에 대한 인증이 기본이 된다.
소재에 대한 인증을 위한 가이드라인은 여러 코드
Type of structure Strength levels used (MPa) Process route
Jacket structures and topsides 350 ~ 500 Normalized Q&T TMCP
Pipelines 350 ~ 550
(X52) ~ (X80) TMCP
Jack-ups/Moorings 500 ~ 850 Q&T
표 1해양구조물용 고강도 강종의 강도 범위와 생산 공정(출처: HSE book, 2003) 그림 1550MPa급 이상의 고강도 강종이 사용된 고정식 잭업
그림 2해양구조물의 선급 인증 체계(출처 : DNV 해양구조물 선급)
(code), 스 탠 더 드 (standard) 및 설 명 서 (specification)에 규정되어 있다. 이 중에서도 해양 구조용으로 사용되는 강종에 대한 규정을 살펴보 면 현재 중강도의 강재에 관해서는 이를 이용한 구 조물 설계를 위한 마스터 물성 DB가 여러 코드와 스탠더드에 수록되어 있다. 그러나 550MPa급 이 상의 고강도 강에 대한 마스터 물성 DB는 거의 존 재하고 있지 않다. 예를 들어 영국 산업안전기구 (HSE : Health Safety Executive)가 1974에 최초로 발행한 해양구조물에 관한 가디언스에서 고강도 강재의 물성과 이로 이루어진 구조물의 성능에 대 해 규정하고 있으며, 비록 제한적이기는 하나 2종 의 ASTM 스탠더드(A808, A514)가 고강도 강종의 요구사항에 대해 규정하고 있다. NORSOK 스탠더 드의 경우에는 성능에 따라 5등급의 강재로 구분 하고 있으나, 항복강도가 500MPa급 이상인 고강 도인 강종에 대해서는 사용 시에 타당성을 확인하 도록 되어 있다. DNV 해양구조용 강재 스탠더드 의 경우 강종을 항복강도가 420~690MPa급을 포함 한 3grade로 분류하고 있으나, 용접성과 충격인성을 포 함한 요구도는 500MPa급 미만의 강종에 대해서만 규정 하고 있다. ISO 스탠더드의 경우에는 강종을 항복강도 는 최대 500MPa까지인 5종으로 구분하고 있으며, 이후 물성DB가 확보되면 새로운 그룹으로 분류가 가능하다 고 규정하고 있다. ISO 스탠더드에서는“500MPa 이상 의 항복강도를 가지는 강종이 현재 생산되고 있음에도 불구하고, 고정식 플랫폼 구조물에 상용할 수 있는 규 정이 현재 존재하지 않다. 따라서 이러한 강종은 현재 고정식 플랫폼에 사용할 수 있는 강종으로 분류되어 있 지 않으며, 사용을 위해서는 연성, 파괴인성 및 용접성 에 대해 적절한지에 대해 사용자가 확인하여야 한다.
특히 고강도 강은 수소취성이나 응력부식균열에 더욱 취약하므로 피로와 부식에 관한 주의가 요구된다. 특히 합금성분에 의해 고강도를 얻는 강종에 대해서는 더욱 이러한 주의가 요구된다”라고 규정하고 있다. 실제로
ISO의 이러한 규정은 그림 3에서 보는 바와 같이 고강 도 강의 SCC와 피로균열전파에 대한 저항성이 항복강 도 증가에 따른 급격히 감소한다는 점을 고려하면 매우 의미가 있다.
해양구조용 고강도 강종과 관련한 규정
이러한 코드와 스탠더드를 해양구조용 강종에서 요 구되는 재료 물성을 대별하면 표 2와 같다.
이 중에서 특히 중요한 피로, 파괴인성, 수소균열과 방식에 관한 규정을 살펴보면, 피로의 경우에는 대부분 의 해양구조물에 대한 코드와 스탠더드에 항복강도가 500MPa급 미만인 강종에 대하여 설계를 위한 마스터 피로 DB를 제공하고 있다. 일반적으로 피로 현상은 노 출된 소재의 환경(예: 해수, H
2S, 저온)에 의해 큰 영향 을 받는다. 그러나 500MPa급 이상의 강종에 대한 마스
그림 34340 steel의 항복강도 변화에 따른 SCC 저항성 변화 (출처 : STP821, ASTM, 1984)
터 피로 DB 특히 극한 환경에서의 피로 또는 파괴 DB 와 용접부가 극한 환경에 노출되었을 때의 DB는 거의 존재하지 않거나 매우 제한적으로 수록되어 있다. 예를 들어 성일엔케어(주)가 한국지질자원연구원과 경상대 학교와 공동으로 개발하고 있는 심해용 드릴라이저용 소재의 물성의 경우에도 여러 관련 규정에서 표 3과 같 이 다양한 물성을 요구하고 있다.
이러한 관련 규정을 만족하기 위해서는 그림 4와 같 은 드릴라이저용으로 사용되고 있는 API X80 강재의 해수/음극방식 환경에서의 피로균열전파 곡선과 같은 다양한 물성이 요구된다.
이처럼 해양구조물의 안정에 매우 중요한 물성임에
도 불구하고 500MPa급 이상의 고강도 강에 대한 해수/
음극방식 환경에서의 피로 DB와 해수/자유부식전위 환경에서의 모재 및 용접부 피로 DB가 특히 부족한 현 실이다. 이러한 극한 환경의 경우 HSE 가디언스에서는 인증된 실험 절차를 통해 얻은 적절한 S-N 피로 DB와 파괴역학적 물성 DB를 사용하도록 권고하고 있다.
DNV 규정에서도 항복강도 500MPa 미만인 강종에 대 해서만 S-N 피로 DB와 파괴역학적 물성 DB를 제공하 고 있다. 예를 들어 DNV-RP-C203(Fatigue Design of Offshore Steel Structures) 스탠더드에 수록된 해수/음 극방식 및 해수/자유부식전위 환경에서의 피로 DB는 550MPa급 이상의 고강도 강에 대해서는 적용되지 않는
Offshore Hazard Materials Performance
Requirement Codes & Standards for HSS Comments
Structural Failure
Materials specifications
Welding specifications
Fracture toughness of steels
Hydrogen Embrittlement
Fatigue of welded joints, members
ASTM standards, A514, A808 DNV Standard
ASW Code
IACS recommendations
HSE Guidance, DNV Rules Limited
DNV code covers steel grades up to 690MPa
Covers steel grades up to 690MPa
Minimum Charpy values of YS/10 Control of hydrogen assisted cracking is best described in HSE Guidance Notes
Most codes provide a limit of 500MPa on yield strength (YS) for applicability.
Specific tests are proposed for high strength steels (HSS) to develop data to support application
표 2해양구조용 강종에서 요구되는 재료물성과 이와 관련한 코드와 스탠더드(출처 : HSE book, 2003)
Static strength of tubular joints
Defect acceptance criteria
Corrosion protection
Inspection & repair
Factor to be applied for higher strength steels in several standards, including draft ISO
BS7910
Limited, HSE Guidance, DNV code
Very limited -
Modified factor, based on yield ratio (under discussion in draft ISO standard)
Data available for HSS (yield strength up to 600MPa) Most data provided for medium strength steels
다고 규정하고 있다. NORSOK 스탠더드 또한 항복강도 가 최대 500MPa인 강종에 대해서만 대기와 해수 분위 기에서의 S-N 피로 DB만을 제공하고 있다. 이보다 고 강도인 강종에 대해서는 사용 여부에 대한 실험적 검증 을 권고하고 있다. ISO 스탠더드에서는 항복강도가
540MPa 미만인 강종으로 제작된 판조인트(plate joint) 의 경우와 항복강도가 최대 700MPa인 강종으로 제작된 튜버러 조인트(tubular joint)의 경우 해수/음극방식 환 경에서의 피로 특성과 해수/자유부식전위 환경에서의 피로 특성은 중강도 강재의 피로 특성과 유사하다고 간
그림 4(a) 해수/음극방식 환경에서의 피로 시험 장비와 (b) 드릴라이저용 API X80 강의 피로균열전파 곡선 Microstructural
examination
Hardness
Tensile properties
Fracture toughness (Charpy V-notch)
S-N fatigue
Fatigue crack propagation
Minimum requirements Reference
Microstructures of the base metal (BM), weld metal (EM), heat affected zone (HAZ) and fusion line (FL) under microscope.
Vickers hardness test. (not allowed conversion data from Rockwell or Brinell hardness)
Transverse weld tensile tests should not fail in the WM.
- Yield stress, ultimate tensile stress, elongation Test temp.
- LAST if not girth welded
- LAST-36oF (-20℃) if girth welded S-N fatigue curves for BM and WM.
- Under freely-corroding or unprotected conditions in seawater, the basic S-N curve should be reduced by a factor of 2 on life
Fatigue crack grwth rates (da/dN vs. △K) for planar flaws on BM, WM and HAZ.
Assessment outlined in BS: PD6493 Test parameters
- Cycling frequency, microstructural features, R-ratio (mean stress level), test specimen configuration
API RP 2RD
API RP 2RD, ASTM E92
API RP 2RD, ASEM E8M
API RP 2RD, ASEM E1290, E992, E399, E813
RP-DNV-RP-C203, API RP 2RD, ASTM E466
RP-DNV-RP-C203, API RP 2RD, ASTM E399
표 3드릴라이저용 강종의 요구 물성
