해석을 위한 응력저의

[Kim byoungil]

構造勿의 어떤 한 점에서의 應力狀態는 3개의 主應力(Principal Stresses)의 크기와 方向이 주어지면 完全히 決定됨을 材料力學의 基本 知識이다.

이때 재료의 한 點에서 降伏(Yielding)이 일어날 것인가를 判別하는 것, 卽, 降伏條件을 論하는것을 强度理論(Strength Theory) 또는 破損理論(Failure Theory)이라고 한다.

應力狀態가 一軸應力인 경우에는 그것이 引張試驗에서의 降伏强度(Yield Strength)에 도달하면 降伏할 것이라는 것을 알 수 있지만 二軸 또는 三軸 應力狀態와 같은 一般的인 應力狀態에서는 어떤 條件에 이르러야 降伏이 일어날 것인지를 결정하는 것은 쉽지 않다.

이러한 降伏理論에 대한 强度理論으로 여러 가지가 提案되고 있는데, 여기서는 ASME가 採擇하고 있는 Tresca의 最大剪斷應力理論을 소개하고 比較를 위하여 추가적으로 Von Mises의 剪斷變形에너지理論과 最大主應力理論에 대하여 設明하고자 한다.

1. 최대전단응력 이론

2. 최대 주응력 이론(Maximum Principal Stress Theory)

이 理論에 의하면 材料의 한 點에서의 最大主應力(S1)이 引張試驗에서의 降伏應力과 같을 때 降伏이 發生하며 다른 主應力(S1, S2)과는 無關하다는 理論이다.

즉, S1=Sy 일때 降伏이 일어난다.

이 理論은 脆性材料와 같이 큰 塑性變形이 일어나지 않는 경우에는 잘 適用될 수 있다. 그러나 延性材料의 降伏에서는 큰 塑性變形이 同伴되고, 이 때는 剪斷應力이 重要한 역활을 하므로 最大主應力 이외의 主應力도 降伏擧動에 影響을 미친다. 따라서 이 理論 은 最大主應力이 딴 主應力에 비하여 대단히 큰 경우 이외에는 適用하기가 곤란하다. 그러나 壓力容器의 圓筒部에서는 接線應力(Hoop Stress)이 最大主應力이 되고, 最小主應力인 두께방향의 應力이 이에 비해 매우 작으므로 이 理論을 適用하는 것이 매우 타당하며 또한 計算도 간단한 장점이 있다.

部品내에 생기는 應力을 모두 同一하게 취급하는 것은 合理的이지 못하며, 應力의 種類에 따라 이들이 部品의 破損에 미치는 重要度를 구별하지 않고서는 部品의 健全性에 대한 正確한 評價가 어렵다. 따라서 구해진(解析的으로 計算, 實驗的으로 計算) 應力의 값은 그 應力의 位置 方向 및 分布狀態 및 그 應力을 發生시킨 荷重의 種類와를 聯關시켜 생각하지 않는 한 意味가 없다. 예를 들어 壓力容器 벽내의 平均應力과 예리한 놋치(notch) 先端에서의 應力을 比較해 보자.

容器璧內의 平均接線應力이 降伏强度를 超過하게 할 만큼 內壓이 增加하면, 容器는 全體的으로 큰 變形을 일으키며 결국은 破裂하게 될 것이다. 따라서 內壓에 의한 龍器내의 平均接線應力은 降伏强度 이하로 維持시켜야 한다. 反面에 놋취先端에서는 應力集中 때문에 應力이 대단히 높을 수 있지만, 그 應力値가 降伏强度를 超過하더라고 材料가 延性이고 疲勞荷重이 걸리지 않는다면 安全하다고 볼 수 있다.

이것은 先端주변의 彈性嶺域에 있는 材料에 의해서 變形이 拘束을 받고 있기 때문에 놋취先端주변에만 局部的으로 큰 變形이 發生하기 때문이다.

이 예는 모든 應力을 同一하게 취급하여 一律的인 安全係數를 適用하는 것이 合理的이지 못하다는 것을 의미한다.

따라서 ASME Code Sec.VIII, Div. 2에서는 應力을 여러 가지 範疇(Stress categories)로 나누어서 각각에 대한 應力限界를 規定하고 있다.

여기서는 우선, 應力의 分類와 密接한 關係가 있는 構造物의 不連續部에 대해서 살편본 다음 각 應力範疇의 특성에 대해서 記述하고자 한다.

3. 구조물의 불연속부(Structural Discontinuity)

構造物의 不連續部에서는 應力集中이 發生하여 複雜한 應力分布 狀態가 된다.

ASME Code Sec.VIII, Div.2에서는 構造物의 不連續部位를 다음의 2가지로 區別하고 있다

1) 전체적인 불연속 구조(Gross Structural Discontinuity)

이 것은 壓力을 받는 容器璧에 있어서 전두께에 걸친 壓力이나 變形度의 分布에 影響을 주는 機何學的 또는 材料的인 不連續을 말한다.

全體的 不連續形 應力은 벽두께에 걸쳐 積分했을 때 실제 應力分布중, 굽힘력이나 膜應力을 주는 부분에 해당한다. 全體的 構造不連續의 例로서는 Head-Shell 및 Flange-Shell의 연결부, 노즐과 直經이나 두께가 다른 筒體간의 연결部를 들 수 있다.

2) 국부적인 불연속 구조(Local Structural Discontinuity)

이것은 璧두께의 일부분에서만의 應力이나 變形度의 分包에 影響을 주는 機何學的 또는 材料的 不連續을 말한다. 이에 의한 應力分布는 극히 局部的인 形態의 변위나 變形을 일으키며, Shell Type의 不連續變形에는 큰 影響을 미치지 않는다. 例로서는 작은 Fillet 半經 작은 부착물 및 部分浸透熔接등을 들 수 있다.

4. 응력의 구분

1) 1차 응력(Primary Stress) 

이것은 外部로부터 가해지는 힘 또는 모멘트와 平衡을 유지하기 위하여 發生하는 垂直應力이나 剪斷應力을 말한다. 이 應力의 特徵은 自律性(Selflimiting)이 없다는 것으로 이 一次應力이 降伏點을 넘으면 큰 塑性變形이나 破斷이 發生한다. 따라서 一次應力限界(Primary Stress Limit)은 塑性變形을 防止하기 위한 것으로 連性破裂應力(Ductile Burst Pressure)에 대한 公稱安全係數를 준다. 一次應力은 아래와 같이 다시 細分된다.

a. 일반 1차 막 응력(General Primary Membrane Stress : Pm)

斷面의 두께를 따라서 均一하게 分布되어 있는 두께를 통한 應力의 平均値이다.

一次應力중에서도 平價上 가장 嚴格한 制限을 받는 應力으로서 降伏이 일어나도 應力의 再分配가 不可能하기 때문에 큰 塑性變形을 일으키게 된다. 例로서는 內壓이나 分布荷重에 의해서, 圓筒形이나 球形筒體에 發生하는 膜應力을 들 수 있다.

b. 국부 1차 막 응력(Local Primary Membtane Stress : Pm) 

構造物의 不連續部에서 局部的으로 發生하는 膜應力을 말한다.

이 국부一次막應力은 주위의 拘束을 받는 卽, 自律性이 있는 應歷으로서 二次應力의 特徵을 가졌으나 應力再分配로 荷重을 주위에 傳達하는 동안 過大한 變形이 생기는 수가 있으므로 安全側으로 設計하기 위하여 一次應力으로 分類한 것이다. 膜應力强度가 1.1Sm을 초과하는 部位間의 거리가 자오선方向으로 보다 크지 않으면 이 부분은 局部로 간주된다. 여기서 R은 最小曲率半經, t는 最小두께, Sm은 設計應力强度 이다.

한편 1.1Sm을 초과하는 軸對稱膜應力分布를 가지는 局部一次應力强度區域들은 보다  

 가까이 있어서는 안된다

c. 1차 굽힘 응력 (Primary Bending Stress : Pb)

垂直應力(Normal Stress)중 두께를 따라 변하는 應力性分을 말하며 斷面의 圖心(Centroid)으로 부터의 거리에 比例한다. 평편한 Head의 中央部位에 發生하는 應力에 의한 굽힘應力의 한 例이다.

d. 2차 응력(Secondary Stress : Q)

二次應力은 構造物의 自己拘束(Self-Constraint) 또는 주변 部位에 의한 拘束에 의해서 생기는 應力이다. 이것은 外荷重에 대한 平衡을 이루기 위해서 생기는 것이 아니고 주어진 變形度形態를 만족시키기 위해서 생기는 應力으로 自律性(Self-Limiting)을 가진다.

이 應力의 原因은 構造的 不連續部나 熱膨脹등이고, 局部的인 降伏 또는 작은 變形이 생기는 應力이 유리하게 再分配되므로, 이 應力의 한번 作用으로는 破壞가 일어나지 않는다. 이 應力의 예로는 一反的인 熱應力 및 全體的 構造不連續部位(Gross Structural Discontinuity)에서의 굽힘應力등이 있다.

이러한 一次應力과 二次應力의 合에 대한 限界値는 塑性不安全에 의한 過度한 塑性變形을 防止하도록 하는 것이다.

e. 피크응력(Peak Stress : F)

이것은 構造物에서 생기는 最大의 應力으로 큰 變形을 일으키지는 않으나, 疲勞龜裂이나 脆性破壞 및 應力腐蝕의 原因이 된다.

예로서 局部的인 不連續部(놋취, 균열등)에서의 應力이나 膨脹이 抑制된 局不熱應力과 오오스테나이트 그래딩에 發生하는 熱應力, 熱衝擊에 의한 表面應力(Surface Stress)등을 들 수 있다. 

5. 응력강도 한계의 정의와 응력범위

ASME Code Sec.VIII, Div.2에서는 각 應力範疇(Stress Categolies)에 대하여 應力强度의 限界値를 規定하고 있다.

이러한 限界値는 工學的인 判斷과 安全側의 設計를 위하여 理想化한 極限設界理論(Limite Design Theoey)에 根據를 두고 있다. 종래의 設界는 彈性解析에 의하여 구해진 最大應力이 安全係數를 고려한 許容應力보다 크지 않으면 安全하다는 것이었다.

그러나 極限設計에서는 構造物의 崩壞時의 應力狀態를 極限解析(Limit Analysis)에 의해서 구해 놓고 실제로 構造物의 運轉中에 생기는 最大應力이 極限解析에서 구한 應力狀態에 安全係數를 고려한 값을 초과하지 않으면 安全하다는 것이다.

이와 같이 極限設計에서는 崩壞시의 應力狀態를 구하고 실제로 評價할 수 없는 因子만을 安全係數로써 고려하는 合理的인 設計에 의하여 安全係數를 낮출 수 있었다.

따라서 極限設計時에는 세심한 주의가 요구되지만 이렇게 함으로써 設計의 安全性을 보장할 수 있고 經濟的으로 有利한 設計가 된다.

a. 1차 응력 강도 한계

이것은 完全히 極限設計 그 根據를 두고 있으며 具體的인 理論적 背景은 다음과 같다.

材料를 그림의 應力-變形度曲線에서와 같이 變形硬度(Strain-Hardening)가 없는 彈性-完全塑性(Elastic-Perfectly Plastic)으로 擧動한다고 가정한다.

 실제 材料에서는 程度의 差異는 있으나 變形硬化가 있으므로 完全塑性으로 가정하면 許容應力에 있어 다소의 安全餘裕(Safety margin)을 갖게 된다.

彈性-完全塑性의 棒이 引張을 받고 있는 경우 降伏應力 Sy를 생기게 하는 하중은 이 棒을 崩壞(Collapse)시킬 수 있다. 그러나 굽힘을 받는 경우에는 荷重을 斷面의 形狀係數(Shape Factor)倍 만큼 증가시켜야 崩壞가 일어나며, 이 때 塑性힌지(Plastic Hinge)가 생긴다.

四角型斷面에 대한 形狀係數는 1.5인데 Sec.VIII에서는 주로 壓力容器와 같은 Shell 構造物의 應力評價를 다루고 있으며 이때의 단면은 四角에 가까운 中實斷面이므로 이들의 形狀係數는 1.5를 사용하는 것이 妥當하다고 생각된다.

한편, 굽힘과 引張이 組合된 荷重을 받을 때의 極限荷重(Limit Load)은 引場荷重과 굽힘荷重의 比率에 따라 決定된다. 四角形斷面에 이와 같은 組合荷重이 作用하여 塑性힌지가 생기는 경우, 卽 崩壞시의 四角形斷面의 極限應力(Limite Stress)는 다음과 같이 구해진다.

우선 四角形斷面에 塑性힌지가 생겼을 때의 應力分布를 그림과 같이 引張應力(Pm)과 굽힘應力 (Pb)으로 나눈다.

引張應力 卽, 膜應力(Pm)이 0인 경우는 굽힘만 作用할 때로서 이때의 굽힘極限應力은 1.5Sy가 되므로 四角形斷面에 대한 形狀係數를 證明할 수 있다.한편 굽힘應力(Pb)이 0인 경우에는 膜應力(Pm)만이 作用할 때이고 이때의 極限應力은 豫想되는 바와 같이 Sy이다.

卽, Pm/Sy = 1인 경우에는 이미 膜應力(Pm)암으로 崩壞가 일어나므로 더 이상의 굽힘應力(Pb)가 作用할 수 없다.

이러한 관계를 그림으로 표시하면 우측과 같다.

膜應力과 굽힘應力의 상대적인 크기에 따른 極限應力을 주고있다.

極限解析에 의하여 그림과 같이 極限應力을 얻을 수 있는데 여기에 적절한 安全係數를 고려함으로써 一次應力에 대한 設計限界를 決定해 줄 수 있다. 여기서 膜應力(Pm)의 許容應力으로 (2/3)Sy를 취하고, 膜應力과 굽힘應力의 合(Pm+Pb)의 許容應力으로 Sy를 취하면 그림의 빗금친 부분으로 적절한 安全餘裕가 주어진 것으로 생각된다. 이렇게 하면, Pm이나 Pb만이 作用할 때의 降伏强度에 대한 安全係數는 1.5이지만 組合應力상태인 경우에는 安全係數가 一定하지 않다.

b. 2차 응력강도 한계

二次應力의 許容値, 또는 一次應力과 二次應力의 合에 대한 許容値로서는 彈性的으로 計算된 應力이 降伏强度의 2배까지로 制限하고 있으며, 二次應力이 反復的으로 作用할 때 熱應力 Ratchet에 의한 進行性變形(Progressive Deformation)을 방지하기 위한 제한이 加해지고 있다. 여기서는 2Sy까지를 許容하는 理由로서 "Shake-Down" 擧動에 대해서 살펴보고, 또한 熱應力 Ratchet의 槪念 및 設計基準에 대해서 設明하면 다음과 같다.

1. Shack-Down 擧動

 一次的으로 構造力學的 의미로서 Shack-Dwon은 주어진 荷重사이클에 對한 構造物의 變形사이클이 매 사이클당 構造物에 蓄積되는 內部에너지를 최소로 하는 狀態로 安定化하는 擧動을 말한다.

一次+二次應力에 對應하는 荷重사이클에 對하여 構造物의 變形사이클이 安定되어 塑性變

塑性變形을 동반하지 않는 彈性形사이클로 定着되는 構造物의 擧動을 意味하고 있다.

어떤 部材가 降伏點 이상으로 變形度 ε1만큼 引張을 받게되면 應力-變形度曲線은 그림(a)의 OAB와 같이 된다.

  이때 彈性論的으로 計算된 應力은 S=S1=Eε1이다.

그런데, 二次應力에 대해서 생각하면 作用荷重은 應力을 0 ->S1->0 으로 사이클시키는 것이 아니고 變形度를 0-> ε1->0으로 사이클 시키는 것으로 볼 수 있다.

그러므로 變形道가 ε에서 0으로 될 때는 BC를 따라 擧動하므로 S1-Sy만큼의 壓縮殘留應力이 생긴다. 따라서 다음번의 荷重이 作用할 때는 이 壓縮殘留應力을 극복한 후에 引場域으로 들어가게 되므로 壓縮部分에 彈性域이 S1-Sy 만큼 증가하게 되어 全變形사이클 範圍에서 彈性擧動을 하게된다.

이와 같이 彈性域이 最大로 증가할 수 있는 範圍는 S1=2Sy일 때로서 壓縮부분에 Sy만큼 彈性域이 증가하여 全彈性域이 2Sy가 된다.

그러나 S1>2Sy가 되면 그림(b)에서와 같이 매번 사이클마다 塑性變形이 생기게 된다. 그러므로 2Sy는 순수한 彈性域으로 Shack-Dwon할 수 있는 彈性的으로 計算된 最大應力이 되는 것이다.

이리하여 二次應力에 대한 設計限界値 또는 一次+二次應力의 限界値는 2Sy이다. 즉, Pm+Pb+Q<2Sy로 制限된다.

한편 局部 一次膜應力(Pl)의 경우에는 앞의 應力分類에서 이미 설명한 바와 같이 二次應力의 特性을 가졌으나 過度한 變形의 防止를 위하여 一次應力으로 分類한 바가 있으므로 그 設計限界値도 Sy로 規定하여 降伏을 防止하도록 하고 있다.

7. 熱應力 Ratchet

  一次應力은 一般的으로 安全餘裕를 가지고 崩壞限界이하로 制限되고 있기 때문에 부분적으로 塑性變形이 생기더라도 계속 累積되는 形態의 進行性變形을 야기시키지는 않는다. 그러나 一次應力에 二次應力이 추가되어 이것이 反復的으로 作用하는 경우, 構造力學的인 Ratchet 機構가 形成되어 進行性變形(Progressive Deformation)을 유발하는 수가 있다. 그 대표적인 예가 一次一般膜應力에 反復的인 二次應力으로서 熱應力이 어떤 限界 이상으로 추가하여 作用함으로써 생기는 進行性變形으로 이를 熱應力Ratchet(Thermal Stress Ratchet)라 한다.

a. 설계응력강도(Design Stress Intensity)

ASME Code Sec.VIII에서는 각각의 응력범주에 대하여 그 한계치로서 항복강도를 사용하는 것이 아니라 일반일차응력의 설계한계치인 Sm을 기준으로 하여 이 값의 몇 배한 것으로 설계치를 주고 있다.

여기서 Sm을 설계응력강도한계치(Design Stress Intensity Value)라 하며 각 재료에 대하여 ASME Code Sec.II, Part D에 표로 주어져 있다.

각 재료에 대하여 Sm을 결정하는데 있어 재료마다 항복강도의 비가 큰 재료에서는 항복강도만으로는 충분하지 않으므로 인장강도도 함께 고려하고 있다.

8. 파손원인 분석 및 사례

1) 파손 분석 개요

a. 목 적

    파손원인을 규명하여 향후 동일한 파손을 방지하여 경제적 이익 및 인명을 보호하기 위함이다.

b.  선진국의 파손 분석에 대한 연구

    미국 : NIST (구 NBS 국립표준연구소) 산하 MFPG (Mechanical Failure Prevention Group) 연구팀이 주축이 되어 1960년대부터 활발히 연구 활동을 하고 있다.     독일 : 1900년대 초기부터 독일 기술감리협회(TUV)가 주축이 되어 연구진행하고 있다.

c.  파손방지 기술

    1) 상태진단 기술 : 주기적으로 기계/구조물을 진단하여 결과에 따라 적절한 조치를 취하여 파손을 방지

    2) 결함 탐지 기술 : 비파괴를 이용한 재료 내의 결함을 탐지하여 파손을 방지

    3) 파손 분석 기술 : 파손이 일어난 원인을 규명하여 같은 파손을 방지

2) 파손원인분석순서

a. 파손사고와 관련된 문제점 인식

   파손분석 의뢰자 (Client)

   파손원인 분석자 (Failure analyst)

b. 파손사고와 관련된 자료의 수집

  파손사고의 배경에 대한 자료

- 파손발생 시간, 날씨 및 장소

- 파손기계 지시장치부의 지시값 또는 작동부의 위치

- 목격자의 증언

    파손부품의 제작 및 설계에 대한 자료

- 시스템의 사양 (Specification)

- 조립과정에 대한 지침서

- 보수유지에 필요한 지침서

- 설계 근거 및 도면

- 제작공정기록-기계가공 공정, 열처리 공정 및 화학처리 공정

- 품질검사 과정 (또는 품질검사 성적서)

- 관련규격

 사용기록

- 파손사고정의 보수기록

- 파손사고시의 작동기록

c. 현장검사

- 파손품의 부품 수거 및 파손당시 상황파악

- 시스템의 개념 파악

- 근접촬영

- 파손품 수거

d. 파손원인 분석 절차

   ① 파면의 보존 및 예비검사

   ② 파면의 세척 및 절단

  세척

- 건조압축공기, 가는 붓

- 유기용제 침적 or 분사

- 약산, 약알칼리 표면세척

- 초음파 세척

- Replication technique

  절단

- 마찰열에 의한 미세조직의 변화가 없도록 충분한 거리유지

- 산소불꽃, 절삭톱, 기계톱, 다이아몬드 톱

   ③ 비파괴 시험

- 자분 탐상법 : 자성재료의 표면결함 or 표면 바로 밑 결함

- 형광 검사법 : 비자성재료의 표면결함 or 표면 바로 밑 결함

- 와전류 탐상법 : 교류코일을 시편에 근접시켜 와전류 흐름 현상 탐지

- 초음파 탐상법 : 고주파의 음파를 금속에 통과시켜 반사음파로 탐지.

- 방사선 탐상법 : 주조품, 단조품, 용접부의 내부결함

   ④ 역학물성 시험

- 경도, 인장, 충격, 파괴인성

- 파괴역학시험

   ⑤ 파면의 거시검사

- 육안이나 저배율에서의 파면관찰(파손양상이나 응력의 작용방향 추정)

-  균열진전 시작점, 균열성장방향

   ⑥ 파면의 미시검사

      광학현미경, 주사전자현미경, 투과전자현미경 등등 해석에 많은 경험과 파손기구에 대한 지식필요

- Dimple fracture : 연성금속의 파괴

- 벽개파괴(Cleavage facet) river mark, tongue : 취성금속의 입내 취성파괴

- Intergranular fracture : 입계응력부식, 수소취성

- Striation, beach mark : 피로파괴

   ⑦ 조직검사

      망상탄화물, 비금속개재물, 미세편석, 탈탄층, 미세균열, 비정상열처리조직, 소성경화층, 입계부식 등의 비정상층 침탄층 두께측정, 도금층 두께측정, 입계크기측정, 열영향부 측정,  파손부위와 파손이외의 부분 조직검사

   ⑧ 화학분석

      규격재질과의 미세한 차이에서 파손되는 예는 극히 적음

      파면근처의 침적물, 산화물 또는 부식물에서의 화학분석

   화학조성분석

- 정량발광, 분광분석, 발광분석, 원자흡광, 분광분석, 용존금속의 농도측정

- X선 형광분석  액체, 기체, 결정질, 비정질 고체 분석

- 적외선, 자외선 분광분석  유기물질

   표면 및 침적물의 분석

- 에너지 분산 분석장치, 파장 분산 분석장치 : 미세파면부위의 화학분석

- Auger 전자분광분석, 뫼스바우어 분광분석, 이온산란분광분석 : 얇은 표면층 분석

- 전자탐침분석장치  1  m이내의 면적분석

- 이온탐침분석장치  직경 수  m의 면적에서 거의 모든 원소의 100 ppm 까지 측정가능

f. 모의시험 및 파손방지대책 수립

   파손분석 결과, 분석자료 → 몇 가지의 파손과정 시나리오 완성 → 가장 가능성이 큰 형태의 모의시험  → 가속시험 → 가속시험의 유효성 입증 → 모의시험과정에서의 변수선택에 의한 파손방지대책 수립

g. 보고서 작성

   관찰사실과 공학원리가 일치하는지 재 검토 후 보고서 작성

9. 파손사례

파손분석 1 

◆ 시설/설비명 (Facility/Equipment) : 열교환기 튜브

◆ 시편특성 (Specimen specification) : Al Brass

◆ 사용기간(Service period) : 약 20년

◆ 사용환경(Service condition) :

   내부에는 수처리된 cooling water(담수) 가 흐르고 외부는 약 200℃ steam이 흐름.    

   내부에 단단한 deposits가 형성되어 있다.

◆ 파손 유형(Failure type) :

   파손은 내부에서 외부로 약 3mm지점에서 layer type의 형태로 파손됨. 균열은 입계균열로 발생하였으며, deposits와 접한 부분에서는 탈아연 현상이 발생하였다.

◆ 원인 및 대책 (Causes and remedial action) :

   튜브내부에 Deposits가 형성되어 그 부분에서 부식이 발생해 IGSCC (Intergranular Stress Corrosion Cracking)로 발달해 파손됨.

   적절한 운전조건 및 튜브의 유속을 일정하게 하여 deposits의 형성을 억제하여 부식환 경의 집중을 막음.

파손사례2.

◆ 시설/설비명 (Facility/Equipment) : 보일러 튜브

◆ 시편특성 (Specimen specification) : A209-T1(0.5Mo강)

◆ 사용기간(Service period) : 약 8년

◆ 사용환경(Service condition) : 사용연료는 벙커C유이고 사용온도는 350℃에 서 사용되는 튜브임.

◆ 파손 유형(Failure type) :

   파손은 U Bend부 외부에서 시작하여 넓게 개방되 어 있었으며 파손시 압력으로 튜브들이 심하게 굽어져 있음. 파손된 튜브는 thick lip으로 보아 취성파괴 형상을 나타냄.

◆ 원인 및 대책 (Causes and remedial action) :

   흑연화 현상이 발생되었으며, 흑연화 현상이 발생한 주위에서 균열이 발생하였다. 균열들은 흑연과 흑연사이에 연결이 되어 있었으며, 이 균열에는 산화 스케일이 존재하고 있는 것으로 보아 그 형성 시기가 오래된 것으로 생각됨. 또한, 파손부 근처에서 베이나이트 조직이 관찰되는 것으로 보아 갑작스런 온도상승이 있었던 것으로 생각된다. 따라서 이 튜브의 파손은 흑연화에 의해 이미 균열이 존재하고 있었으며, 갑작스런 온도 상승으로 인하여 튜브의 파손이 촉진된 것으로 생각됨. 흑연화 현상은 Cr이 0.5%이상 이면 발생하지 않음. A209T1을 A213-T11로 교체하는 것이 바람직할 것으로 판단되며, 수압시험 후 완전 drain이 될 수 있게 설계를 변경할 것.

파손사례3.

◆ 시설/설비명 (Facility/Equipment) : Drum Vessel

◆ 시편특성 (Specimen specification) : SUS 304

◆ 사용기간(Service period) : 약 3개월

◆ 사용환경(Service condition) : 사용온도는 상온이며, 사용압력은 5kg/cm2임.

   사용 분위기는 H2S gas가 약 98% 정도이고 기타 gas가 약 2%정도를 포함하 고 있었으며, 수분이 Vessel내에 존재하고 있었다.

◆ 파손 유형(Failure type) :

   4개의 관통균열이 발생하였으며, 그 위치는 용접부위에서 약간 떨어진 위치에서 발생함. 발생한 균열은 모두 열열향부에서 발생하였고, 열영향부와 직각방향으로 균열이 발생함. 균열은 모두 End cap부에서 발생함.

◆ 원인 및 대책 (Causes and remedial action) :

   End cap 가공시 발생한 가공 에 의해 금속조직이 마르테사이트로 변태되었다. 가공경화에 의해 발생한 응 H2S gas가 수분, 공기(O2)와 반응하여 폴리티온산 H2SxO6, x=2∼5이 되고,  이것이 균열(TGSSCC)를 발생시킴. SUS304L를 사용하되 cap부위 가공 후 소둔처리 및 용접 후 응력을 제거하기 위해 후열처리를 실시할 것.