불완전 용입 결함이 있는 탄소강관의 미세조직 및 기계적 특성 분석기술 개발

Abstract

요 지

본 연구에서는 시운전 과정에서 열 충격으로 심한 변형이 발생한 난방용 온수 운반 배관의 건전성을 평가하기 위해, 일반 비파괴검사(RT, UT, MT, PT)로 결함 발생 여부를 확인하고, 연속압입시험(continuous indentation testing)으로 배관 재료의 기계적 물성을 측정한 후, 최종적으로 응력해석과 파괴역학에 입각한 사용적정성평가를 수행함으로써 배관 설비의 재사용, 교체 혹은 개선 여부를 진단하였다. 용접부 내부에서 결함 발생 여부를 확인하기 위해 방사선투과시험을 적용하였고, 배관 및 배관 지지대의 용접부 표면과 표면 직하에서의 결함 발생 여부를 확인하기 위해 액체침투탐상과 자분탐상시험을 적용하였다. 방사선투과검사 결과 결함이 발견된 부위에 대해서는 결함 크기를 정밀 측정하기 위해 초음파시험을 적용하였다. 용접부 결함에 의한 구조물 건전성의 정확한 해석을 위해서는 그 재료에 대한 정확한 기계적 물성치가 필요하다. 특히, 구조물의 파괴를 예측하기 위해서는 재료의 유동응력(flow stress) 계산이 필수적이다. 본 연구에서는 유동응력을 탄소강 배관재료의 항복응력과 인장강도의 산술 평균치로 가정하였으므로[96], 배관 재료의 항복응력 및 인장강도를 측정하기 위하여 연속압입시험을 적용하였다. 유체가 흐르는 배관은 유체와 배관의 자중에 의한 영향을 받는다. 이를 해석적인 방법으로 평가하기 위해 양 끝단이 고정된 보(beam)로 이상화하였으며 자중에 의한 영향은 분포 하중으로 가정하였다. 또한 해석적 방법과 유한요소해석결과를 비교하기 위해 3차원 유한요소 해석을 수행하였다. 유한요소해석은 범용의 유한요소해석 프로그램 ABAQUS를 사용하였으며, 배관의 길이 을 변수로 하여 배관의 끝단에 걸리는 최대응력을 구하였다. 유한요소 모델은 대칭성을 고려하여 1/4 모델을 하였으며, 20절점 사각 요소를 사용하였다. 사용된 총 요소 수는 2400개이고 절점의 수는 11,935개이다. 재료의 탄성계수 = 200, =0.3을 사용하였으며, 자중은 체적력(body force)으로 가정하였다. 한편, 일반적으로 배관은 두께에 따라 크게 후판(thick walled cylinder)과 박판(thin walled cylinder)으로 구분할 수 있다. 후판의 경우 두께가 두꺼우며 박판의 경우는 후판에 비해 상대적으로 두께가 얇다. 일반적으로 R/t≥20 경우 박판으로 가정하여 응력해석을 수행한다. 이 경우 배관의 두께가 얇기 때문에 반경방향응력은 무시되며 R/t가 클수록 최대응력과 최소응력의 차는 작아진다. 3차원 유한요소해석의 경우 자중에 의한 응력해석모델과 같은 모델을 사용하였으며 하중조건은 배관 내벽에 내압을 작용시켰다. 자중에 의한 모멘트와 내압에 의한 응력들은 보통 1차 응력이라 부르며, 배관을 소성 붕괴시킬 수 있는 주된 응력이므로 배관 건전성 평가에서 중요한 응력들로 간주된다. 그러나 이들 응력 이외에, 해석 대상의 배관에는 두 가지 응력이 더 존재한다. 그 중 하나는 배관 내부 유체의 온도와 외부 온도와의 구배에서 발생하는 열응력이다. 하지만 해석 대상 배관이 박판이므로 정상 가동 상태에서는 온도 구배가 거의 생기지 않아 무시할 수 있다. 단지 초기 비정상 상태에서는 온도구배에서 발생하는 큰 열응력으로 인해 배관이 휘는 소성변형을 일으키는 주요 요인이 된다. 또 다른 응력은 용접 시 남아있는 용접잔류응력이다. 이러한 잔류응력은 균열 생성 혹은 부식 균열진전에 큰 영향을 미친다고 알려져 있다. 하지만 본 해석 대상의 경우 초기 비정상 상태의 큰 열응력으로 인한 배관의 소성변형으로 인해 잔류응력이 완화 되는 효과를 가져와 실제 배관에 존재하는 잔류응력은 극히 미미하다. 이는 압력용기의 수압 시험시 생기는 소성변형이 잔류응력과 피로균열 진전에 미치는 효과와 유사하다. 따라서 본 해석에서는 열응력과 잔류응력이 배관 건전성에 미치는 영향은 고려하지 않았다. 또한 배관재료의 파괴인성 물성치는 측정하지 않았다. 하지만 일반적인 탄소강의 경우 충분한 연성을 가지므로 재료의 유동응력만으로 건전성 평가가 가능하다고 알려져 있다. 따라서 본 연구에서는 파괴인성을 고려하지 않는 대신 충분한 안전계수를 도입하였다. 방사선투과시험을 적용한 결과 배관에는 제작 시 발생한 불완전 용입(Incomplete Penetration) 결함이 배관의 거의 모든 용접부에 존재하고 있음이 새로이 발견되었다. 초음파시험으로 불완전 용입 결함의 깊이를 측정한 결과 불완전 용입 결함의 길이는 배관 원주의 2/3에 이르렀고 깊이는 두께의 60%에 이르렀다. 연속압입시험으로 기계적 물성을 측정한 결과 재료 물성의 변화는 크지 않았다. 불완전 용입부에서 파괴의 가능성과 균열의 발생 및 전파 가능성을 조사하기 위해 불완전 용입 결함을 날카로운 노치로 가정하고 사용적정성평가(Fitness For Service)를 수행한 결과 안전 계수를 고려하더라도 현재의 운전 조건 아래에서는 사용이 가능함을 확인하였다.; ABSTRACT

Analysis on microstructures & mechanical properties of steel pipes with incomplete penetration flaws.

Soo - Keun Park

Directed by Prof. Tae-Woon Nam Department of Metallurgy and Materials Engineering

To observe the soundness of pipes transporting hot water for heating, which can be seriously deformed during the trial operation, we checked the existence of flaws using normal non destructive inspection methods, such as radiographic testing, ultrasonic testing, magnetic particle testing and penetration testing, and measured the mechanical property of the pipe material using continuous indentation test. The radiographic testing was applied to check the existence of defects in a welding zone and the liquid penetration testing and the magnetic particle testing were applied to find out the existence of defects on the surface of the pipes and the welding surface of supporting pipes. The ultrasonic testing was carried out to measure the size of flaws precisely in the area found by the radiographic testing. Finally, we carried out the evaluation of the fitness for service based on stress analysis and fracture mechanics as a means of diagnosis whether to reuse, replace or repair the pipe facilities. In order to make a correct interpretation for structure soundness on the welding zone, the exact mechanical properties of the pipe material should be required. In particular, it is essential to calculate the flow stress of the material for the destruction prediction of the pipes. In this study, the flow stress of carbon steel was calculated on the basis of the arithmetical mean values of yield strength and tensile strength. A continuous indentation test was carried out to measure the yield and tensile strength of the pipe material. The load of pipes, where the fluid flows, are affected by fluid and pipe weight. To evaluate this effect analytically, it was assumed that both the ends of the pipe was fixed and the weight was evenly distributed. A 3-dimensional finite element analysis was also carried out to compare the results between the analytical method and the finite element analysis. For the finite element analysis, an ABAQUS program was used. With the variations of the pipe length, it was confirmed that the maximum stress was found on the end of pipe. Due to the symmetry morphology of the pipe, the quarter of the pipe body was used for the finite element analysis. The system contained 2,400 elements and 11,935 nodes; a rectangular element with 20 nodes was used. For elastic properties, E = 200 GPa and = 0.3 were taken. The pipe can be commonly categorized into thick-walled cylinder and thin-thinwalled cylinders. Generally, in case of R/t > 20 (R is bend radius, t is thickness of the pipe), it is assumed as a thin-walled cylinder. In this case, the radial stress can be ignored because of the thin thickness of the pipe. In addition, the more the R/t ratio increases, the less the difference between maximum and minimum stress becomes. For the 3-dimensional finite element analysis, the same stress analysis model described in the previous analysis was used when the internal pressure applied to the interior wall of the pipe. This stress caused by the internal pressure and the pipe weight momemtum are commonly called as the primary stress, which can result in the plastic collapse. Except these stresses, however, there are two more stresses to be analyzed in this study in order to increase the prediction accuracy. One of them is the thermal stress which arises from the fluid temperature difference between inside and outside of the pipe. In a thin-walled cylinder, the difference of significant temperature does not exist in the normal operation status, which can be ignored. However, at the initial operation of heating, the abnormally high thermal stress can be the main cause of the plastic collapse which deforms the shape of pipe. The other stress is the welding residual stress that is a well known fact for its great influence on the crack initiation, the erosion or the crack propagation. In this analysis, the plastic deformation resulted from the thermal stress at the initial abnormal status alleviated the residual stress. Thus, the actual residual stress remained in the pipe seems to be insignificant. This is very similar to the effect of plastic deformation arising at the time of water pressure test of pressure vessel on the residual stress and growth of fatigue crack. Therefore, the effects of thermal stress and residual stress on the soundness of pipe were not taken into consideration. The fracture toughness of the pipe material was not also measured because it is known that the soundness can be evaluated with only the flow stress of the material due to the sufficiently high ductility of carbon steel. Therefore, this research employed a sufficient safety factor instead of considering fracture toughness. It was newly found by the radiographic testing that incomplete penetration flaws exist on every welding zone, which had been generated during the process of production. Ultrasonic testing showed the length of the incomplete penetration flaws reached 2/3 of circumference and its depth reached up to 60% of width. The mechanical property of material was found to be uniform along the tube by the continuous indentation test. The incomplete penetration flaws were assumed to be a keen notch, and the fitness for service was examined to observe the possibility of breakage crack and spread of crack in incomplete penetration area. As a result, it was observed to be usable under an current operating condition, even in considering the safety factor.