배관 용접 퍼지(purge) /용접 퍼징(purging)

왜 용접 퍼지(purging)를 해야 할까요?

스테인리스 스틸, 티타늄과 다른 부식 저항 금속에 용접 시, 가장 중요한 완전한 용접 환경을 만들기 위해 그 금속의 본연의 목적인 부식 저항 성질을 살리기 위해 퍼징이 필요합니다.

 

 

만약 퍼지가 제대로 이뤄지지 않는다면 용접 중의 용접 열로 인한 용접심은 산소와 산화물에 노출되게 됩니다.
산화(Oxidation)는 반드시 미리 방지되거나 추후에 처리되어야 합니다. 성공적인 용접은 적절한 퍼징 장비와 테크닉이 중요합니다.

 

 

산화 방지(Preventing Oxidation)

금속의 용접 중에 용접 심의(Weld seam) 산화는 산소가 이 용접이 이뤄지는 곳에서 방지가 되지 않는다면 발생하게 됩니다.  이러한 상황은 티타늄, 지르코늄, 몰리비늄과 다른 가스 반응을 잘하는 금속과 합금에 더 민감하게 됩니다. 결과물인 산화된 표면은 더 이상 지속적으로 산화 저항성을 띄지 않게 하고 추가적인 처리(treatment)가 필요하게 됩니다.

 

그라인딩으로 산화된 부분을 제거하는 것은 또한 부식에 저항하는 금속의 자신의 수동적인 방어(passive protection)를 제거합니다. 다른 기계적인 절차인 브러시(brushing), 블라스팅(blatsting), 산세(pickling)는 산화를 제거하고 이 공정은 부식 저항을 증가시킬 수 있습니다.

그러나 배관 용접의 경우에는 용접 후에 산화면을 제거하는 것은 어렵거나 불가능할 경우가 발생합니다. 용접 중에 발생한 산화물은 보통 거의 접근이 불가능한 곳에 위치하게 됩니다.  예를 들어서 3m의 4인치 pipe의 내부 용접부의 접근은 불가능할 것입니다. 산세(pickling)는 부식 저항을 증가시키지만 시간이 걸리고 특히 현장의 사이트의 멀리 떨어진 작업장에서는 더욱이 불가능할 것입니다.

 

 

산화 부분을 제거하는 대신에 또 다른 방법은 애초에 산화를 방지하는 것입니다. 필수적으로 이것은 퍼지가 성취하고자 하는 본연의 목적입니다. 퍼지로 가스는 용접심(weld seam)을 산화가 더 이상 발생되지 않을 때까지 냉각하여 보호하기 위해 사용됩니다. 보통 공기보다 더 무거운 비활성 기체(inert gas)인 아르곤 가스(Ar)를 사용합니다. (하기 그림 1 참조)

 

다른 퍼지 가스인 nitrogen과 nitrogen/hydrogen 혼합물이 또한 사용될 수 있습니다.

 

 

퍼지 장비(Purging Equipment)

끝 부분을 테이프로 밀봉하고 배관 길이 전체를 퍼징 하는 것이 일반적인 접근 방법입니다. 그러나 이러한 방법은 시간 소모적일 수 있고 비 경제적인 방법은 퍼징 가스를 낭비하는 결과, 비 생산적인 노동 시간과 덜 바람직한 결과를 야기 할 수 있습니다.

 

적절한 퍼징 장비와 액세서리는 다음을 포함하여야 합니다.

  1. A purging unit.(퍼징 장비)
  2. Aluminum tape. (용접부 GAP을 막는 용도)
  3. An oxygen indicator.(산소 측정기)
  4. A tungsten electrode grinder. (GTAW 텅스텐 전극봉 그라인드할 용도)

 

Purging unit는 퍼지 양을 감소시켜야 하고(내부 산소 제거) 잘 밀봉된 공간을 제공하고 오염물질을 만들어내지 않아야 합니다. 퍼징 가스는  아르곤과 산소 혼합을 감소시키고 퍼징 작업 품질의 주요 요인인 빠져나오는 대류를 감소시키기 위해서 퍼징 되는 공간(purging chamber) 안에서 적절한 속도로 느리게 주입되어야 합니다. 동시에 퍼징 되는 곳은 산소의 추가적인 유입을 방지하기 위해 밀봉되어야 합니다. 퍼지 시간의 속도를 증가시키기 위해 아르곤 가스의 손실을 최대한 감소시켜야 하고 용접 장소로 들어가는 새로운 산소를 막아야 합니다.

 

Pipe의 조인트의 외부는 용접 온도를 견딜 수 있고 할로겐이 미포함되어 있는 알루미늄 테이프를 사용하여 밀봉되어야 합니다. 일반적인 테이프는 부착물질에 할로겐이 포함되어 있고, 특히나 염소(chlorine)가 포함되어 있기 때문에  사용해서는 안됩니다. 수소와 산소와 마찬가지로 염소(chlorine)는 고온에서 반응성 금속에 의해 흡수되면서 용접부 표면에서 취화(embrittlement)를 야기합니다. 따라서 이 퍼징 기구의 제조에 사용되는 모든 부품들은 할로겐이 없어야 하고 열을 잘 견뎌야 하며 이종재질의 금속이 포함되어는 안됩니다. 산소 배출 구멍은 퍼징 환경으로부터 산소가 배출되고 퍼징 가스가 들어가기 위해 포함되어야 합니다.

 

Corrosion-resistant materials의 용접과 퍼징을 할 때 다음을 구성하여야 합니다.

 

 1. 용접 시의 퍼징 가스 함량

 2. 내부 가스 공급 라인을 통한 산소 침투와 확산, 가스 호스, 밀봉 기구, 용접기기와의 연결을 포함한 연결 기구, 조절기, 퍼징 기구들, 용접 간격

 

 

잔여 산소는 최종적인 측정이 용접되는 조인트에서 측정되어 Hose/regulator connection에서의 미량의 누수나 용접되는 갭(welding gap)을 통한 혼입으로 미량의 산소 함량이 포함될 수 있습니다. 이 때문에 oxygen indicator(산소 측정기)와 관련한 절차서를 수립하는 것이 중요합니다. 이 Oxygen indicator의 센서는 PPM 단위의 산소를 측정할 수 있을 정도로 정확할 수 있어야 합니다. oxygen indicator가 0.1 percent (1,000 PPM)나 0.01 percent (100 PPM)을 측정 가능한 수준이라면 대부분의 용접 수준이 70 PPM 아래에서 잘 수행될 수 있으므로 충분하게 정확한 수준이 아닐 수도 있습니다. 높은 정확도는 각 추가적인 산소의 함량을 원인을 찾아낼 수 있게 하고 용접 실패나 재 작업을 방지할 수 있습니다.

 

최적의 용접품질을 보장하기 위해, gas tungsten arc welding (GTAW) electrodes는 원주로 전면부로 길게 그라인드 되어야 합니다. 그라인드 된 팁의 형상은 높은 수준의 마무리로 되어야 적합한 아크 안정성을 보장하는데 도움을 줍니다.

 

Diamond wheel과 함께 tungsten electrode grinder으로 그라인드 된 전극봉(Electrode)은 더 좋은 아크 침투로 인하여 더 오래 지속되게 하며 최적의 용접 품질을 만듭니다.

 

 

퍼징 기술(Purging Techniques)

퍼징에 대한 공통적인 문제는 용접사가 퍼징 하는 유량(flow rate)에 관한 것입니다. 이 유량은 실제로 퍼지 되는 양에 크게 좌우됩니다.

 

실제로 용접사는 산소가 순순히 배출되는 흐름을 유지하기 위한, 그리고 퍼지 되는 곳은 외부보다 내부의 압력을 강하게 유지하는 충분한 흐름을 위해 노력해야 합니다. 이러한 행동은 용접되는 용접심을 통하여 새로운 산소가 유입되는 것을 방지하고, 동시에 용접 아크를 불안정하게 하는 과잉 대류 현상을 최소화하게 합니다.

 

 

또 다른 공통적인 문제는 퍼지 시간의 길이에 관한 것입니다. 퍼지 시간을 결정하기 위한 실무적인 경험을 사용할 뿐만 아니라 용접사는 용접하는 정확한 순간을 찾기 위해 계산된 많은 공식들을 사용할 수 있습니다. 그러나 용접 품질은 실제로 몇 가지 만을 고려할 게 아닌 습기, 양, 자재와 같은 많은 요소들에 의존합니다.

 

일반적인 퍼지 시간의 올바른 길이는 스테인리스 스틸(stainless steel)의 경우는 산소측정기로 70 PPM 밑까지이고 티타늄은 50 PPM 밑입니다. 이 경우 purging unit을 사용했을 때 2 ~ 4 여분의 시간이 걸릴 수 있습니다.(Size에 따라 다르겠지만) 
Semi-conductor와 같은 다른 산업계에서는 10 PPM 밑의 수준을 요구합니다. 이러한 범위를 도달하기 위해 더 오랜 시간이 걸릴 것입니다.

 

용접 변수(welding parameters)는 용접 엔지니어에 의해 결정되어야 하고 품질 검사자에 의해 모니터링 되어야 합니다. 또한, 퍼징은 산화가 더 이상 진행되지 않도록 하기 위하여 용접심(weld seam)은 충분히 냉각되어야 합니다. 다수의 용접 층으로 구성된 조인트의 경우, 특별한 용접 절차서와 소재의 탄성(elasticity)에 따라 weld seam이  3/8 ~ 1/2inch 두께까지 Purge gas flow가 유지되어야 합니다.

 

고온으로 예열되는 pipe는 chrome oxides의 형성을 만들기 위해 때때로 100 PPM 밑의 잔여 산소 함량을 높게 추천되기도 합니다.

 

산소 가스 호스와 공급 라인의 누수를 면밀히 모니터링하여야 합니다. 산소에 의해 수반되는 습기는 가스 공급 라인을 투과시킬 수 있고 code와 specification에서 요구하는 깨끗한 공정을 준수하지 못하게 할 수 있습니다. 퍼지 가스 라인이 상당 기간 사용되지 않았을 때나 습한 환경에서 사용되는 경우에 특히 발생할 수 있습니다. 이러한 경우에 적합한 가스 흐름을 위해 용접 전에 잔여 가스를 배출 후 사용하여야 합니다.

 

 

용접 품질(Weld Quality)

원자력, 정유화학, 의약품, 반도체, 항공우주, 음식료 산업의 stainless steel, titanium, nickel, zirconium, molybdenum, tantalum과 이러한 합금의 효과적인 용접을 위해 완전한 용접 환경을 만들기 위한 적절한 도구들이 필요합니다.

 

퍼징 장비와 이러한 적절한 사용은 최종 용접 품질을 개선하고 산화를 방지하기 위한 주요한 인자가 될 수 있습니다.

 

개별 Code의 Purging process 언급

1. API RP582-2001, para. 7.3

  Required for more than 2-1/4% Cr contained steels unless the joint is groud or back gouged to sound metal.

 

2. AWS D10.8-1996, para. 4.2

  Not required for under 4% Cr contained steels.