Grade 91 합금 재질의 용접 PART-2

 

Grade 91 합금 재질의 용접 PART-2 시작합니다.

 

 

PWHT (Post Weld Heat Treatment)

이 ASME Code에서 Grade 91 재질의 PWHT에 대한 1425°F (775°C)의 상부 온도 제한을 명기하고 있는 것을 인지하여야 합니다.  만약 이 온도를 초과한다면, Grade 91 재질에서의 효과는 극적인 변화를 줄 수 있어 보증을 위한 엄밀한 평가를 받아야 합니다.
Grade 91의 원조인 Cr-Mo steel를 포함하여 대부분의 재질은 하부임계온도를 초과한 후 냉각됐을 때 원래의 소재 물성치로 복원되기 때문에 상부임계온도 위로의 노출은 큰 영향을 주지 않습니다.
이전 Cr-Mo steels의 가장 안 좋은 시나리오는 하부임계온도 침범하였기 때문에 이 WPS를 재 검증하면 해결 될 것입니다.

하지만 Grade 91의 High-performance Cr-Mo steels은 Normalzing과 Tempering 공정으로 본래의 소재 물성치를 개선합니다. Normalzing과 Tempering은 고온에서의 우수한 소재 물성치를 부여하는 탄화물(carbide)의 석출(precipitation)의 결과를 줍니다.

 

만약 하부임계온도가 침범되었을 시(화학성분에 따라 다르며 1450°F (788°C) 만큼 낮을 수 있음), 소재의 이 탄화물 기지(carbide matrix)는 파괴되고 고온에서의 강도가 사라지게 됩니다.  
국부적인 열처리로 노멀라이징과 템퍼링이 완료된 조직을 회복시키는 것은 가능하지 않기 때문에(temperature gradient으로 인한) 과열된 조인트 양쪽의 각 모재 최소 75mm 포함하여 절단하여 교체하는 것이 필요합니다.

 

 

대안적인 방법은 전체 제품을 노말라이징과 템퍼링을 수행한 후 소재의 물성치를 검증하는 것입니다. 
(고객과 엔지니어의 승인 및 검토 필요 합니다. 예를 들어 Grade 91 대신에 더 낮은 재질인 Grade 9의 물성치로 허용 가능한지 여부를 확인할 수 있습니다.)

 

 

ASME Section I, PG-5.6과 PW-39-5 Table에서도 상기 내용과 유사한 PWHT 동안에 과열된 Grade 91에 대한 세부 요건을 명기하고 있습니다.

 

 

이종재질 용접의 탄소 이동 현상

높은 크롬의 합금과 (High-chromium alloys)와 낮은 크롬의 합금(lower-chromium alloys)이나 carbon steel을 용접할 때 lower-chromium steels에 있는 탄소는 PWHT 동안에 higher-chromium steel으로 이동합니다.
이 현상은 lower chromium steel에서 soft zone의 결과를 발생시킵니다.
그에 따라서 사용되는 용접봉은 둘 중 하나의 재질로 사용할 수 있고 이 선택으로 어떠한 쪽의 용접 금속의 탄소가 확산하는지 결정하지만, 그러나 용접부에 성능의 차이는 큰 영향을 주지는 않습니다. 
더 높은 온도로 PWHT 하고 더 오래 조인트를 PWHT온도에서 유지할수록 확산은 더 발생하고 soft zone은 점점 더 커지게 됩니다.
반면 Grade 91과 관련된 이종재질 PWHT와 Grade 91의 PWHT 온도의 최소 PWHT온도는 지난 수년 동안 증가되어 왔습니다만, 이종재질 용접부에 1300°F (705°C) 도의 열처리는(낮은 grade의 온도에 맞추는 것) 이러한 바람직하지 않은 효과를 감소시킵니다. Soft zone의 크기를 작게 하기 위해 이런 이종재질 용접부에 코드 적용되는 온도보다 많이 높은 온도와 긴 시간으로 열처리해서는 안됩니다. 최근에 소개된 stainless steel과 nickel alloy와의 P-91 용접을 위한 EPRI P87 용접봉은 충분하게 높은 탄소 함량을 가짐으로써 탄소 이동의 문제를 제거합니다.

 

경도시험 준비

두께가 얇은 tube에서의 너무 깊은 압흔을 남기는 경도 시험을 수행해서는 안됩니다. 경도시험을 수행할 때, 표면 준비를 적절하게 하는 것은 매우 중요합니다.

 

 

모재는 표면에 탈탄층을 형성하고 있을 수 있기 때문에 약 1/32inch의 두께를 그라인드로 제거한 후 120방으로 폴리싱을 하여야 합니다. 이 준비는 또한 경도시험 reading을 더 일관되게 하며 용접부의 경도시험에도 역시 동일하게 적용하여야 합니다.

 

Hot bending or Cold bending

Grade 91 소재는 furnace heating이나 induction heating을 사용하여 1600 ~ 2000°F 사이에서 열간벤딩을(Hot bending) 할 수 있습니다.  그러나 이 온도 범위에서 낮은 쪽의 온도가 선호됩니다. 열간벤딩되는 pipe는 두께의 인치당 30분으로 1900 ~1950°F 사이에서 full-furnace normalizing heat treatment가 되어야 합니다. 냉간벤딩되는 pipe가 만약 strain이 5%를 초과한다면 템퍼링 온도로 stress-relieving heat treatment가 수행되어야 합니다.
만약 strain이 20%를 초과하고 설계온도가 1200°F (540°C)를 초과한다면 이 벤딩 제품은 노멀라이징과 템퍼링을 수행하여야 합니다.

 

냉간벤딩 동안에 발생하는 냉간변형은 이 금속에 10%의 Strain을 초과해서는 안되며, 만약 초과한다면 그 부분은 노말라이징과 템퍼링 열처리가 되어야 합니다. 이 Strain 공식은 % strain = 100 r/R이며 R은 Bend의 반지름이며 r은 pipe의 반지름입니다.

 

열간벤딩된 pipe는 hot bending이 Grade 91의 enhanced creep properties를 갖게 하는 structure를 파괴하기 때문에 반드시 다시 노말라이징과 템퍼링 열처리 되어야 합니다. 
열간벤딩 후의 냉각속도는 일반적으로 너무 느려서 균일한 마르텐사이트 조직을 획득할 수 없습니다. 

또한 induction heating은 온도 구배로(temperature gradient) 인하여 overtempered 되는 pipe의 부분이 생기게 됩니다. 벤딩에 국부적으로 노말라이징과 템퍼링을 수행하게 된다면 동일한 문제가 발생됩니다. 벤딩된 주변만이 아닌 전체의 벤딩 제품을 노말라이징과 템퍼링 해야 합니다.

 

Stress-corrosion cracking

Grade 91 소재의 또 다른 이상한 현상은 열처리 전 용접된 상태에서(as welded condition) stress-corrosion cracking의 영향을 받는다는 것입니다. 이 원인은 아직까지 정확하게 밝혀지지는 않았지만 용접된 후 상온으로 냉각되어 며칠 동안은 발생되지 않다가 추후에 발생되는 것입니다.
이 stress-corrosion cracking은 또한 조인트가 축축해지거나 제품이 차갑고 그 제품 위에 수분이 응결된다면 발생하는 것으로 보입니다.  (이 cracking을 예방하기 위해 아직 PWHT가 수행되지 않은 조인트를 따뜻하고 건조하게 유지 요구)
특별한 우려는 열처리 전에 며칠 동안 shop 주변에 대기 중인 shop-fabricated pipe입니다.

Grade 91 재질은 용접 후에 가능한 한 빨리 열처리하여야 합니다.

황을 수반하는 혼합물을 가진 오염물질은(절삭유, 윤활제, 마카, 공기 응축, 새 분비물, 등등) 입계균열(transgranular cracking)에 영향을 줍니다. 그러므로 Grade 91의 열처리 전 용접부에 사용되어서는 안 됩니다.

 

곡직 작업을 위한 예열

Rosebud나 다른 가열 토치를 사용하는 곡직을 위한 국부 가열은 허용되지만 pipe가 하부임계온도 아래로 머물고 overtempering의 위험에서 벗어나기 위해  온도는 반드시 모니터링되어야 하고 1300 ºF (704℃)를 초과하지 않도록 하여야 합니다. 그러한 목적의 가열은 치수의 작은 변화에만 허용되어야 하며 큰 치수 변화가 필요하다면 조인트를 절단 후 재 용접하는 방향으로 진행되어야 합니다.

 

이종재질 용접

Grade 91과 더 낮은 chrome-moly steels과의 이종재질 용접에 대하여 둘 중의 재질과 맞는 용접봉을 사용하면 됩니다.

크롬에서의 큰 변화는 탄소를 낮은 크롬의 금속에서 빼앗는 현상으로, 더 낮은 크롬 금속의 조인트에서 탄소가 고갈되고 Grade 91 쪽의 조인트는 더 높은 탄소를 갖게 합니다. 이 현상은 용접 중에 발생하여 피할 수 없지만 그러나 PWHT의 사간과 온도가 과도하지 않는다면 크리프 능력에 큰 영향을 주지는 않습니다. 그래서 이종재질의 PWHT는 Grade 91에 초점을 두기보다는 낮은 Grade의 재질의 일반 열처리 조건을 적용하는 것이 추천됩니다. 용접봉의 탄소 함량도 low carbon grade보다 일반 carbon grade의 용접봉을 사용하는 것이 바람직합니다.

 

Grade 91과 오스테나이트 스테인리스와의 용접부에 대하여 ENiCrFe-2, ENiCrFe-3, ERNiCr-3와 같은 니켈 베이스의 용접봉을 사용하여야 합니다. 만약 이 스테인리스 스틸이 안정화 등급(stabilized grade)이나 저탄소강 등급이라면 완성된 조인트는 표준 PWHT를 수행할 수 있습니다.

만약 스텐인리스 스틸이 안정화 등급(stabilized grade)이나 저탄소강 등급이 아니라면 Grade 91 쪽의 조인트를 최소한 1/4"의 nickel-alloy weld metal으로 버터링 하고 일반적인 방식으로 PWHT를 하고 본 용접을 진행해야 합니다.

버터링 작업이 수행되고 PWHT가 완료된 끝단부는 예열이나 후속 열처리가 없이 nickel alloy filler metal을 사용하여 stainless steel과 용접을 할 수 있습니다. (단순 overlay 작업이 아닌 P91에 열영향부가 생기지 않도록 충분한 버터링 보호막 작업이 필요함)

 

수압시험

수압시험을 실시할 때 용접부에서의 결함이나 부적절한 인성(toughness)으로 인한 취성파괴의 위험이 항상 존재합니다.

용접부는 다른 여러 용접사들의 용접 테크닉의 변화와 용접부에서의 불연속 문제로 용접부의 인성값을 다소 예측하기 어렵습니다. 그에 따라서 Grade 91 재질은 용접부가 15 ft-lbs나 15 mils 가로변형량(lateral expansion)보다 큰 값을 가지도록 확실히 하기 위해 19도 보다 높은 온도로 수압시험을 하여야 합니다. 이것은 취성파괴(brittle failure)라기보다 파괴-전-누설(leak-before-break)에 의한 실패를 보장하기 위해 충분한 인성 값입니다.