Grade 91 합금 재질의 용접 PART-1

 

Welding “Grade 91” Alloy Steel 

 

표제 관련한 "Sperko Engineering Services, Inc. May, 2007" Report를 번역하고 해석한 포스팅을 하겠습니다.

 

 

최근에 배관과 보일러 산업계에서 널리 사용되는 재질 중에 하나는 다양한 스펙에서 “T-91, “P-91, “F-91” and “Grade 91으로 거론되는 합금입니다. (T-91: Tube, P-91: Pipe, F-91: Forging)

이 합금 재질은 섭씨 540도 보다 높은 고온에서 잘 견딜 수 있도록 특수하게 개선되고 열처리 공정을 거친  9% chromium, 1% Molybdenum, Vanadium enhanced (9Cr-1MoV) steel입니다.

이 Grade 91 재질은 1980년대 중반에 처음 사용되었고 그 때 이후로 계속 선택되었습니다.

만약 여러분이 Grade 91 재질을 용접하고 제작을 한다면, Grade 91에 대한 역사는 그다지 오래되지 않았고 아직 경험을 쌓아가는 단계라는 것으로 인지할 필요가 있습니다.

 

Grade 91 재질의 개발은 breeder reactor를 위해 1978년 Oak Ridge 국립 실험실에서 시작됐고 그 이후 다른 연구진들에 의해 개발되기 시작했습니다.

 

Pipe와 Tube를 위한 Grade 91 재질은 Vanadium, nickel, aluminum, niobium, nitrogen와 같은 원소로 제작되었으므로 이는 매우 높은 경도를 갖게 했습니다. 이 금속에서 phosphorous, sulfur, lead, tin, copper, antimony, 기타 성분과 같이 떠돌아다니는 잔여 성분이 용접물에서 응고되는 동안에 입계로 분리되는 이 현상은 용접부를 매우 경도가 높게 합니다. 때문에 쉽게 깨질 수 있습니다. 따라서 이러한 잔여 성분을 소량 가지는 용접봉을 사용하는 것이 중요합니다.

 

                               JFE, A335-P91, SEAMLESS PIPE

    JFE, A335-P91, SEAMLESS PIPE

 

Welding Filler Metals

Welding Process	Electrodes	REMARK
GTAW	ER90S-B9
SMAW	E9015-B91	- EXX18과 달리 EXX15 type의 용접봉은 여분의 철분말이 미 포함되어 있음  (EXX15 type은 오염 물질의 원천을 제거한 게 특징). - EXX18 type 용접봉은 EXX15보다 clean하지 않아 사용 시 크레이터 크랙이(“solidification anomalies”이나 “rogue weld metal’") 발생될 확률이 높으므로 사용 시 주의하여야 함.
SAW	EB9	Oerlikon OP 76, Bohler Marathon 543, Metrode LA491, Kobelco PF-200S와 같은 FLUX가 추천됨.
FCAW	-	FCAW 용접부는 ASME에서 허용하는 최저 온도인 20도에서 적합한 충격 값을 제공하지 않을 수 있으므로 주의하여야 합니다. 또한 반자동 용접으로 용접 시 입열량 관리가 매우 중요함.

 

Chemical Analysis

Grade 91 재질의 성능은 용접부의 올바른 화학성분에 크게 좌우됩니다. Heat/lot에 대한 실제 화학분석을 수행하도록 발주하여 용접봉 성적서 확인될 수 있도록 하여야 합니다.

 

 

용접부의 Creep strengh를 위해 최소 Carbon 0.09%, niobium 0.03%, nitroge 0.02%가 명시될 필요가 있습니다. 약간의 낮은 Niobium 함량은 Titanium이 Niobium의 효과적인 대안제가 되기 때문에 Titanium이 추가된다면 허용될 수 있습니다. 하지만 Titanium은 Creep stregnth의 상승 인자인 Nitrogen과 결합하여 Nitrogen의 효과를 감소시키기 때문에 0.010%으로 제한되어야 합니다.

 

또한 망간과 니켈 함량의 합은 1.5%를 초과해서는 안됩니다. 

망간과 니켈은 하부임계온도를 낮추는 효과를 내며 1.5% 초과하면 1450 ºF (788 ℃) 아래로 하부임계온도가 떨어지게 됩니다. 

이는 용접후열처리 수행 시 안전한 온도 범위를 여유 없게 만듭니다. 이 Mf온도를 낮게 함으로서 용접후열처리 후에 잔류 오스테나이트를 갖게 할 가능성을 증가시킵니다.

 

실제로 하기 ASME code에서 P-No. 15E, Group 1의 PWHT 온도에 대하여 Ni + Mn contents 함량에 따른  최대 PWHT 온도 제한을 제시하고 있습니다. PWHT 시 800 ℃를 초과 시 허용되지 않으며 해당 자재는 폐기하거나 절단 후 재 Normaling + Temerping을 수행하여야 합니다. (실제 재열처리로 인한 소재 물성치 변경됨에 따라 추가 검증을 위하여 고객과 협의되어야 함)

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ASME B31.1-2016 - Table 132 Postweld Heat Treatment

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SAW 사용 시 Basic flux가 선호됩니다. 다른 Flux type은 Carbon을 소진시킬 수(burn out) 있고 용접부의 강도와 인성을 감소시키는 Oxygen과 Nitrogen 함량을 증가시킬 수 있습니다. 

 

Grade 91 재질은 매우 경화되기 쉬운 합금강이기 때문에 수소균열(hydrogen cracking)에 취약합니다.

E9015-B9-H4의 용접봉을 구매하는 게 추천됩니다. 이 "H4" 명칭의 의미는 용접부의 100 gram 당 수소의 함량을 4 ml 아래로 제한한다는 것입니다. 이것은 극도로 수소 함량을 제한하여 Grade 91과 같은 매우 경화되기 쉬운 합금강의 용접부에 최적의 조건을 부여합니다. 이러한 특수 제어된 용접봉을 사용한다 할지라도 불출된 용접봉은 일반적인 방법이 아닌 가열된 휴대용 오븐 박스로 보관되어 불출되어 관리되어야 합니다. SAW wire/flux combinations과 FCAW wires는 H4 designation으로 주문되어야 하며 FCAW wire가 H-8 designation 밖에 시중에 없다 할지라도 H4로 구매되어야 합니다.

 

Preheat and interpass temp.

예열과 층간온도는 매우 중요합니다. 400 ℉(205 ℃) ~ 550 ℉ (288 ℃) 사이의 온도에서 용접이 추천됩니다.

 

용접이 완료된 후 용접부는 PWHT(post weld heat treatment) 전에 모든 오스테나이트 조직이 마르텐사이트로 변태가 완료될 수 있도록 200 ℉ 아래로 서서히 냉각되어야 합니다.

 

 

만약 그렇기 않게 된다면 PWHT 후에 마르텐사이트 변태에 대한 위험으로 hard 하고 brittle 한 용접부가 만들어질 것입니다. 금속학적으로 Mf 온도는 212° (100 ℃) 위입니다. (각 조직의 Grain size에 따라 조금씩 다름)

 

 

Welding technique

용접 테크닉 또한 중요합니다. 약간의 weave 테크닉으로 빠른 이행 속도가 추천됩니다. 높고 좁은 비드는 크랙을 생성시킬 수 있는 우려가 있습니다. 오목한 비드는 특히 SAW 용접부에서 피해야 합니다. 

SMAW와 FCAW의 비드 두께는 바로 이전 용접된 비드에 TEMPERING 효과를 주기 위하여(마치 열처리를 수행한 것과 같은 효과를 주기 위해) 1/8 인치를 초과해서는 않아야 합니다. 이러한 용접 조건들은 용접사를 힘들게 하는 것이 아닌 올바른 지침을 주기 위한 이유로 WPS에 정확히 명시하여야 합니다. 이러한 요건들은 단지 형식적인 것이 아닌 특별한 요건들로 용접사를 훈련하고 관리되어야 함을 알아야 합니다.

 

PWHT(post weld heat treatment)

최종적으로 Grade 91 steel에 PWHT는 constructio code 요건과 상관없이 반드시 수행되어야 합니다. 유지 온도는 1375 °F (746 ℃) ~ 1425°F (774 ℃)으로 최소 2시간 유지시간으로 수행되어야 합니다. 

작은 superheater tube라고 할지라도 수압시험 중에 적절한 인성을 보장하고 적합한 서비스 환경을 보장하기 위한 요구되는 용접 조직을 형상하기 위해 2시간 이상의 PWHT는 필요합니다.

 

하부임계온도(lower transformation temperature)는 1450°F (788 ℃) 보다 낮을 수 있습니다. 만약 PWHT 동안에 이 온도를 초과하게 된다면 용접부는 바로 200°F 밑으로 냉각한 후 추가적인 열처리를 수행하거나 해당 용접부는 경도 시험으로 평가하여야 합니다. 

 

 (AWS D10.10, Recommended Practice for Local Heating of Welds in Piping and Tubing: 만약 로컬 열처리(예열, 직후열, 후열처리 등)를 수행한다면 열전대 부착 위치, 보온재의 양, 가열 코일의 배치에 대한 훌륭한 지시를 이 코드에서 참조 가능합니다.)

 

참조문헌
  1. © Sperko Engineering Services, Inc. May, 2007
  2. ASME B31.1-2016