냉간 인발, 냉간 압연, 냉간 벤딩, 냉간 확장, 냉간 비틀림은 스테인리스강 파이프 또는 열교환기 등에 사용되는 내열강 파이프를 제조하는 데 일반적으로 사용되는 가공 방법입니다. 스테인리스강, 특히 오스테나이트계 스테인리스강은 뛰어난 가소성 덕분에 이러한 냉간 가공이 용이합니다. 그러나 용접과 마찬가지로 이러한 모든 냉간 가공은 스테인리스강 파이프의 성능, 특히 내식성이나 내열성을 손상시킬 수밖에 없습니다. 이러한 손상을 제거, 감소 또는 제어하는 것은 스테인리스강 파이프의 제조 및 후가공에서 항상 중요한 과제였습니다. 출하 전 최종 용체화 또는 어닐링 열처리는 위의 냉간 가공으로 인한 유해한 영향을 제거하는 가장 효과적인 방법입니다. 하지만 이 방법은 고온 가열 및 산세 처리가 필요하므로 제조 비용과 생산 주기가 크게 증가합니다. 또한, 산성 미스트와 같은 폐가스 및 폐수의 배출, 처리 및 평가와 같은 문제도 발생합니다. 따라서 일부 제조업체는 비용 절감이나 납기 준수를 위해 이 공정을 생략합니다. 일부 사용자는 비용 절감을 위해 이러한 제품을 구매하는데, 이는 매우 현명하지 못하고 수익성이 떨어집니다. 한편, 특정 제품이나 적용 조건에서는 이 공정을 적용하기 어려울 수 있습니다. 따라서 냉간 가공 정도(냉간 가공 변형) 제어와 국부 저온 응력 완화 어닐링은 유해한 영향을 줄이거나 제어하는 두 가지 실용적인 방법으로 떠오르고 있지만, 강종 차이를 포함한 적용 조건에 대해서는 여전히 논란이 있습니다.
1. 냉간 가공이 스테인리스강관 성능에 미치는 손상 및 제거
1.1 상온에서의 소성 변형에 의한 냉간 가공으로 스테인리스강 파이프의 성능이 손상되는 것은 냉간 가공 경화 현상 때문입니다. 즉, 재료의 경도와 강도가 증가하고 재료의 원래 소성이 부분적으로 또는 완전히 상실되어 재료의 내식성이나 내열성이 필연적으로 손상됩니다.
1.2 손상 제거 방법
오스테나이트계 및 듀플렉스계 스테인리스강 파이프의 출하 전 최종 용체화 열처리, 그리고 페라이트계 스테인리스강 파이프의 출하 전 최종 어닐링 열처리는 모두 앞서 언급한 냉간 가공, 용접 및 기타 열간 가공으로 인한 성능 저하를 효과적으로 제거하기 위한 것입니다. 이러한 이유로 대부분의 국가, 특히 유럽 통일 스테인리스강 파이프 규격에서는 모든 스테인리스강 무이음관을 용체화 또는 어닐링 처리된 상태로 공급하도록 규정하고 있습니다. 국내 사용자들은 316L 오스테나이트계 스테인리스강 무이음관이 해수에 침지되자마자 공식 부식이 발생하는 사례를 보고했습니다(316L은 해수 부식이나 침지에 이상적인 재질은 아니지만, 한 번 침지 후 공식 부식이 발생하는 것은 일반적인 현상이 아닙니다). 최종 용체화 처리가 제대로 이루어지지 않았거나 부적절하게 처리된 제품은 저가형 제품일 가능성이 높습니다. 최종 용체화 또는 어닐링 열처리는 스테인리스강 무이음관 제조에 있어 매우 중요하고 필수적인 공정입니다.
2. 스테인리스강관의 냉간 벤딩 및 응력 제거 열처리
냉간 벤딩은 스테인리스강 파이프에 흔히 사용되는 냉간 가공 방법으로, 강관 제조업체, 사용자 또는 전문 배관 부속품 제조업체에서 수행할 수 있습니다. 냉간 벤딩 후 응력 제거 열처리 시행 여부 및 열처리 방법은 주문 시 제조업체와 사용자 간에 종종 논쟁의 대상이 됩니다. 이 문제는 해외 배관 표준에 명시되어 있지만, 논의할 가치가 있는 몇 가지 사항이 있습니다.
2.1 스테인리스강관의 냉간 벤딩 및 응력 제거 열처리
냉간 벤딩은 스테인리스강 파이프에 흔히 사용되는 냉간 가공 방법으로, 강관 제조업체, 사용자 또는 전문 배관 부속품 제조업체에서 수행할 수 있습니다. 냉간 벤딩 후 응력 제거 열처리 시행 여부 및 열처리 방법은 주문 시 제조업체와 사용자 간에 종종 논쟁의 대상이 됩니다. 이 문제는 해외 배관 표준에 명시되어 있지만, 논의할 가치가 있는 몇 가지 사항이 있습니다.
2.2 반복 하중 또는 응력 부식 환경을 견뎌야 하는 용도
반복 하중이나 응력 부식 환경에 노출되는 용도와 관련하여 유럽과 미국의 표준 규정은 약간의 차이가 있습니다. 미국 표준은 충격 시험 요건이 있는 재료의 경우, 굽힘 후 계산된 최대 섬유 연신율이 5% 이상이거나 기타 요구 사항이 있을 때 응력 완화 또는 고용체 처리를 수행해야 한다고 규정하고 있습니다. 고온·고압의 물/증기 환경에서 작동하는 발전소의 급수 가열기 및 응축기와 같은 열교환기에 사용되는 U자형 튜브는 매체 내 염화 이온 및 산소 함량으로 인해 응력 부식 균열에 취약합니다. 따라서 급수 가열기용 스테인리스강 이음매 없는 강관 및 용접 강관에 대한 미국의 ASTMA688/A688M 및 A803/A803M 표준과 보일러 및 열교환기용 스테인리스강관에 대한 일본의 JISG3463 표준(세계 유일)에서는 사용자가 U자형 튜브에 대해 굽힘 후 국부적인 응력 완화 열처리를 요구할 수 있도록 규정하고 있습니다. 프랑스 원자력 발전소 제조 표준인 RCC-M3319는 U자형 튜브가 굽힘 후 MgCl2 응력 부식 시험을 통과해야 하며, 이를 통해 굽힘 후 응력 완화 열처리가 필요한지 여부를 판단해야 한다고 규정하고 있습니다.
3. 나선형 튜브 및 나선형 열교환기
해외에서는 꼬임관(꼬임 냉간 가공관, TwistedTube)으로 구성된 열교환기가 널리 사용되고 있습니다. 이 열교환기는 하나의 강관을 피치당 60°로 꼬아 7개의 강관을 연결하여 꼬임 열교환기 유닛을 형성하는 것이 특징입니다. 구조가 콤팩트하고 열효율이 높으며 외부 유동 정체로 인한 사각지대를 줄일 수 있다는 장점이 있어 협소한 공간에 설치되는 열교환기에 이상적인 구조입니다. 계산 및 분석 결과, 꼬임 냉간 가공으로 인한 소성 변형률은 4%~14%에 불과하고, 작동 온도는 540℃를 넘지 않습니다. 따라서 "ASME 보일러 및 압력 용기 규격"에 따라 응력 완화 열처리가 필요하지 않습니다. 그러나 ASTMG36 표준에 따른 응력 부식 시험 결과, 316 및 321 오스테나이트 스테인리스강 연질관은 우수한 응력 부식 저항성을 얻기 위해 응력 완화 열처리 또는 용체화 열처리를 거쳐야 하며, 321 스테인리스강관의 성능이 316 스테인리스강관보다 훨씬 우수하다는 것이 입증되었습니다.
4. 듀플렉스 스테인리스강 트위스트 튜브 및 U자형 튜브
해외 시험 결과에 따르면 듀플렉스 스테인리스강 연질관이나 U자형관에 응력 완화 열처리를 하는 것은 적절하지 않은 것으로 나타났습니다. 현재 시험 결과에서는 2205 듀플렉스 스테인리스강관의 경우 R≥5.33d0, 2507 슈퍼 듀플렉스 스테인리스강관의 경우 R≥1.5d0를 요구하고 있습니다. 그 이유는 다음과 같습니다. ① 듀플렉스 스테인리스강은 공식 및 응력 부식에 대한 저항성이 우수하며, 공식 등가 PRE 값이 높을수록 재료의 응력 부식 저항성이 더욱 향상됩니다. ② 국부적인 저온 응력 완화 열처리는 기지 내 상평형 및 금속간 화합물에 영향을 미쳐 취성상 석출을 유발하고 내식성을 더욱 저하시킵니다. 이러한 연구 결과는 듀플렉스 스테인리스강관이 열교환기에 더욱 적합한 재료일 수 있음을 시사하며, 미국 용접 학회(AWS) 및 ASMEB31.3 표준에서 열처리 규정에 대해 매우 신중한 접근을 요구하는 근거가 됩니다.
5. U자형 튜브의 응력 완화를 위한 어닐링 방법
국내외 모두 U자형 튜브의 국부 응력 완화 열처리에 저항 가열 또는 국부 가열 방식을 사용하지만, 어떤 방식이 더 효과적이고 합리적인지에 대한 논쟁이 끊이지 않습니다. 최근 미국에서 진행된 연구 결과에 따르면 저항 가열 방식이 더 합리적이고 효과적인 것으로 나타났습니다. 그 이유는 다음과 같습니다. ① 전력 주파수 교류 전류를 U자형 튜브 절단 지점에서 250mm 떨어진 클램핑 전극을 통해 직접 인가하여 굽은 튜브 부분을 단시간(약 10초) 내에 1010~1065℃까지 가열할 수 있으며, 에너지 소비가 매우 낮습니다. ② 광학 고온계를 사용하여 가열 영역의 온도를 자동으로 제어할 수 있습니다. ③ 내부 벽면에 아르곤 가스를 충전하여 산화를 효과적으로 방지할 수 있습니다. ④ 가열 후 강제 공랭을 통해 2~3분 내에 425℃ 이하로 급속 냉각할 수 있으며, 산세척 없이도 얇고 치밀한 황색 또는 연한 청색의 산화막이 형성되어 높은 사용 기준을 충족할 수 있습니다.
6. 결론
(1) 냉간 인발 및 냉간 압연과 같은 냉간 가공은 스테인리스강, 특히 오스테나이트 스테인리스강의 냉간 경화를 유발하고 격자 전위, 마르텐사이트 상변태, 탄화물 석출, 자성 증가 및 잔류 응력을 유발하여 내식성을 저하시킵니다. 냉간 가공 후 어닐링 또는 용체화 열처리를 통해 이러한 부작용을 효과적으로 제거할 수 있습니다. 따라서 오스테나이트 스테인리스강 무봉강관 및 심냉간 가공 스테인리스강 용접관은 내식성을 효과적으로 확보하기 위해 용체화 또는 어닐링 처리된 상태로 공급되어야 합니다.
(2) 응력 부식 균열 및 교번 응력으로 인한 부식 피로 위험이 있는 환경 조건 외에도 냉간 가공 정도를 제어하는 것은 그 악영향을 피하는 또 다른 방법이다. 이는 특히 어닐링이 어려운 냉간 벤딩 및 냉간 팽창과 같은 국부 냉간 가공에 중요하다. 오스테나이트계 스테인리스강관의 냉간 벤딩 반경이 1.5d0 이상이고 페라이트계 및 듀플렉스계 스테인리스강관의 냉간 벤딩 반경이 2.5d0보다 크면 일반적으로 냉간 벤딩 후 응력 완화 어닐링을 수행할 필요가 없다.
(3) 고온 고압수 또는 증기 조건에서 작동하는 열교환기용 U자형 오스테나이트 스테인리스강 벤드와 같이 응력 부식 균열에 대한 저항이 필요한 벤드의 경우 냉간 벤딩 반경의 크기에 관계없이 냉간 벤딩 후 효과적인 응력 완화 어닐링을 수행해야 합니다.
(4) 06Cr19Ni11Ti(321) 스테인리스강은 316L보다 응력 부식 균열에 대한 저항성이 더 우수하며 U자형 열교환기에 더 적합한 오스테나이트계 강관 재료입니다. 듀플렉스 스테인리스강 U자형 튜브는 적합하지 않거나 냉간 굽힘 또는 비틀림 후 국부 응력 완화 어닐링을 적용해서는 안 됩니다.
(5) 냉간 압연 스테인리스강관은 컴팩트한 구조와 높은 열교환 효율을 갖는 새로운 유형의 열교환기를 형성할 수 있으므로 관련 설계 및 응용 부서의 탐색 및 개발에 주목할 가치가 있습니다.
(6) 듀플렉스 스테인리스강 U형 튜브는 냉간 굽힘이나 비틀림 후 국부 응력 완화 어닐링에 적합하지 않거나 적용해서는 안 됩니다.
(7) 저항 가열은 노내 간접 가열보다 에너지와 시간을 절약할 수 있는 국부 응력 완화 열처리 방법이며 자동 제어가 용이하므로 우선적으로 장려해야 합니다.
(8) 유럽 및 미국 파이프라인 표준(ASMEB31.1-2012, ASMEB31.3-2012, BSEN13480-4:2012)에는 냉간/열간 성형 후 스테인리스강관의 열처리에 관한 최신 및 상세 규정이 포함되어 있으며 이는 매우 주목할 만합니다.
게시 시간: 2024년 11월 6일