냉간 인발, 냉간 압연, 냉간 굽힘, 냉간 팽창, 냉간 비틀림은 스테인리스 강관 또는 열교환기용 내열강관 등을 스테인리스 강심재/용접 강관으로 제조하는 일반적인 가공 방법입니다. 스테인리스 강, 특히 오스테나이트계 스테인리스 강의 우수한 가소성으로 인해 위의 냉간 가공(CW)은 일반적으로 쉽게 달성할 수 있습니다. 그러나 용접과 마찬가지로 이러한 모든 냉간 가공은 스테인리스 강관의 성능, 특히 내식성이나 내열성을 손상시킬 수밖에 없습니다. 이러한 손상을 제거, 감소 또는 제어하는 것은 스테인리스 강관의 제조 및 후속 가공에서 항상 중요한 관심사였습니다. 납품 전 최종 용액 처리 또는 어닐링 열처리는 위의 냉간 가공의 유해한 영향을 제거하는 가장 효과적인 방법입니다. 그러나 이 방법은 고온 가열 및 산세 처리가 필요하여 제조 비용과 생산 주기가 크게 증가합니다. 또한, 산미스트와 같은 폐가스 및 폐수의 배출, 처리 및 평가와 같은 문제도 있습니다. 따라서 일부 제조업체는 비용 절감이나 납기 준수를 위해 이 공정을 생략합니다. 일부 사용자는 비용 절감을 위해 이러한 제품을 구매하는데, 이는 매우 현명하지 못하고 수익성이 낮습니다. 반면, 특정 제품이나 적용 조건에는 이 공정을 적용하기 어려울 수 있습니다. 따라서 냉간 가공(냉간 가공 변형) 정도를 제어하고 국부 저온 응력 제거 어닐링을 수행하는 것이 냉간 가공의 유해한 영향을 줄이거나 제어하는 두 가지 실용적인 방법이 되었지만, 강종 차이를 포함한 적용 조건은 여전히 논란의 여지가 있습니다.
1. 스테인리스 강관의 성능에 미치는 냉간 가공의 손상 및 제거
1.1 실온에서 소성 변형으로 인해 냉간 가공으로 인한 스테인리스 강관의 성능 손상은 냉간 가공 경화를 초래합니다. 즉, 재료의 경도와 강도가 증가하고 재료의 원래 소성성이 일부 또는 완전히 손실되어 재료의 내식성이나 내열성이 필연적으로 손상됩니다.
1.2 손상 제거 방법
오스테나이트계 및 듀플렉스계 스테인리스 강관의 납품 전 최종 용체화 열처리와 페라이트계 스테인리스 강관의 납품 전 최종 어닐링 열처리는 모두 앞서 언급한 냉간 가공, 용접 및 기타 열간 가공으로 인한 성능 저하를 효과적으로 제거하는 것을 목표로 합니다. 이러한 이유로 대부분의 국가, 특히 유럽 통합 스테인리스 강관 규격은 모든 스테인리스 심리스 강관을 고용체 또는 어닐링 상태로 공급해야 한다고 규정합니다. 국내 사용자들은 316L 오스테나이트계 스테인리스 심리스 강관이 해수에 침지하자마자 공식 부식이 발생한다고 보고했습니다(316L은 해수 부식이나 침지에 적합한 소재가 아니지만, 한 번의 침지 후 공식 부식이 발생하는 것은 정상적이지 않습니다). 최종 용체화 처리 또는 부적절한 처리는 "저가 제품"일 가능성이 높습니다. 최종 용체화 또는 어닐링 열처리는 스테인리스 심리스 강관 제조에 매우 중요하고 필수적인 공정입니다.
2. 스테인리스 강관의 냉간 굽힘 및 응력 제거 열처리
냉간 굽힘은 스테인리스강 파이프의 일반적인 냉간 가공 방법으로, 강관 제조업체, 사용자 또는 전문 파이프 피팅 제조업체가 수행할 수 있습니다. 냉간 굽힘 후 응력 제거 열처리를 수행할지 여부와 열처리 수행 방법은 제조업체와 사용자 간에 종종 논쟁의 여지가 있습니다. 이 문제는 해외 파이프라인 표준에 명시되어 있지만, 실제로 논의할 가치가 있는 몇 가지 사항이 있습니다.
2.1 스테인리스 강관의 냉간 굽힘 및 응력 제거 열처리
냉간 굽힘은 스테인리스강 파이프의 일반적인 냉간 가공 방법으로, 강관 제조업체, 사용자 또는 전문 파이프 피팅 제조업체가 수행할 수 있습니다. 냉간 굽힘 후 응력 제거 열처리를 수행할지 여부와 열처리 수행 방법은 제조업체와 사용자 간에 종종 논쟁의 여지가 있습니다. 이 문제는 해외 파이프라인 표준에 명시되어 있지만, 실제로 논의할 가치가 있는 몇 가지 사항이 있습니다.
2.2 순환 하중이나 응력 부식 환경을 견뎌야 하는 응용 분야의 경우
반복 하중이나 응력 부식 환경을 견뎌야 하는 용도와 관련하여 유럽 및 미국 표준의 규정은 약간 다릅니다. 미국 표준은 충격 시험 요건이 있는 재료의 경우, 굽힘 후 최대 계산된 섬유 신장률이 5%이거나 기타 요건이 있는 경우 응력 제거 또는 고용체 처리를 수행해야 한다고 규정합니다. 고온 고압의 물/증기 매체에서 작동하는 발전소의 급수 가열기 및 응축기와 같은 열교환기에 사용되는 U자형 관은 매체 내 염화물 이온과 산소 함량으로 인해 응력 부식 균열에 민감합니다. 따라서 급수 가열기용 스테인리스 강 이음매 없는 용접 강관에 대한 두 가지(세계 유일) 미국 ASTMA688/A688M 및 A803/A803M 표준과 보일러 및 열교환기용 스테인리스 강관에 대한 일본의 JISG3463 표준은 사용자가 U자형 관이 굽힘 후 국부 응력 제거 열처리를 받도록 요구할 수 있다고 규정합니다. 프랑스 원자로 제조 표준인 RCC-M3319에서는 U자형 튜브가 굽힘 가공 후 응력 제거 열처리가 필요한지 판단하기 위해 굽힘 가공 후 MgCl2 응력 부식 시험을 통과해야 한다고 규정하고 있습니다.
3. 꼬인 튜브 및 꼬인 열교환기
해외에서는 꼬인 튜브(twisted cold-worked tube, TwistedTube)로 구성된 열교환기가 사용되고 있습니다. 이 열교환기의 특징은 하나의 강관이 피치당 60°씩 꼬여 7개의 강관이 꼬인 열교환기 유닛을 형성한다는 것입니다. 컴팩트한 구조, 높은 열효율, 그리고 외부 유동 정체로 인한 사각지대 감소가 장점으로 알려져 있습니다. 좁은 공간의 열교환기에 이상적인 구조입니다. 계산 및 분석 결과, 꼬임 냉간 가공에 따른 소성 변형률은 4~14%에 불과하며, 작동 온도는 540℃ 이하입니다. "ASME 보일러 및 압력 용기 코드" 규정에 따라 응력 제거 어닐링은 필요하지 않습니다. 그러나 ASTMG36 표준에 따른 응력 부식 시험을 거친 결과, 316 및 321 오스테나이트계 스테인리스강 꼬임관은 우수한 응력 부식 저항성을 얻기 위해 응력 제거 어닐링 또는 용액 어닐링을 거쳐야 하며, 321 스테인리스강 파이프의 성능이 316 스테인리스강 파이프보다 훨씬 우수하다는 것이 증명되었습니다.
4. 듀플렉스 스테인리스 스틸 꼬임 튜브 및 U-튜브
해외 시험 결과, 듀플렉스 스테인리스강 트위스트 튜브 또는 U자형 튜브에 응력 제거 어닐링을 실시하는 것은 적합하지 않은 것으로 나타났습니다. 현재 시험 결과에서는 2205 듀플렉스 스테인리스강 파이프의 경우 R≥5.33d0가 필요하지만 2507 슈퍼 듀플렉스 스테인리스강 파이프의 경우 R≥1.5d0가 필요합니다. 그 이유는 다음과 같습니다. ① 듀플렉스 스테인리스강은 피팅 및 응력 부식에 대한 저항성이 우수하며 피팅 당량 PRE 값이 높을수록 재료의 응력 부식 저항성이 더 좋습니다. ② 국부적인 저온 응력 제거 어닐링은 매트릭스의 상 평형 및 금속간 화합물에 영향을 미치므로 취성상의 석출로 인해 내식성이 더 크게 손상됩니다. 이러한 연구 결과는 듀플렉스 스테인리스강 파이프가 열교환기에 더 적합한 재료일 수 있음을 보여주며, 미국 용접 협회와 ASMEB31.3 표준이 열처리 규정에 대해 매우 신중한 근거이기도 합니다.
5. U형 튜브의 응력 완화를 위한 어닐링 방법
국내외 방법 모두 U자형 튜브에 국부 응력 제거 어닐링을 수행하기 위해 로에서 저항 가열 또는 국부 가열을 사용하지만 어느 방법이 더 효과적이거나 합리적인지는 종종 논란의 초점이 됩니다.미국의 최신 연구 결과에 따르면 저항 가열이 더 합리적이고 효과적인 방법입니다.이유는 다음과 같습니다.① 전원 주파수 교류 전류는 클램핑 전극을 통해 250mm 떨어진 U자형 튜브 절단 지점에서 직접 유입될 수 있으며 구부러진 튜브 섹션은 단시간(약 10초)에 1010~1065℃까지 가열될 수 있으며 에너지 소비가 매우 낮습니다.② 광학 고온계를 사용하여 가열 구역의 온도를 자동으로 제어할 수 있습니다.③ 내벽은 산화를 효과적으로 방지하기 위해 Ar 가스로 채워집니다.④ 가열 후 강제 공랭을 사용하여 2~3분 이내에 425℃ 이하로 빠르게 냉각되어 노란색 또는 하늘색의 얇고 치밀한 산화 피막이 나타나 산세척 없이 높은 표준 사용 요구 사항을 충족할 수 있습니다.
6. 결론
(1) 냉간 인발 및 냉간 압연과 같은 냉간 가공은 스테인리스강, 특히 오스테나이트계 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 악영향을 효과적으로 제거할 수 있습니다. 따라서 오스테나이트계 스테인리스강 이음매 없는 강관과 심냉 가공 스테인리스강 용접 강관은 내식성을 효과적으로 보장하기 위해 용체화 또는 어닐링 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 방법입니다. 특히 어닐링이 어려운 냉간 굽힘 및 냉간 팽창과 같은 국부적인 냉간 가공의 경우 더욱 중요합니다. 오스테나이트계 스테인리스 강관의 냉간 굽힘 반경이 1.5d0 이상으로, 페라이트계 및 듀플렉스계 스테인리스 강관의 냉간 굽힘 반경이 2.5d0보다 크면 일반적으로 냉간 굽힘 후 응력 제거 어닐링을 수행할 필요가 없습니다.
(3) 고온 고압의 물 또는 증기 조건에서 작동하는 열교환기용 U자형 오스테나이트계 스테인리스강 굽힘재와 같이 응력부식균열에 대한 저항성이 요구되는 굽힘재의 경우 냉간굽힘반경의 크기에 관계없이 냉간굽힘 후 효과적인 응력제거 어닐링을 실시해야 합니다.
(4) 06Cr19Ni11Ti(321) 스테인리스강은 316L보다 응력부식균열에 대한 저항성이 우수하여 U자형 열교환기에 더 적합한 오스테나이트계 강관 소재입니다. 듀플렉스 스테인리스강 U자형 튜브는 냉간 굽힘 또는 비틀림 가공 후 국부 응력 제거 어닐링을 실시하기에 적합하지 않으며, 따라서 이를 실시해서는 안 됩니다.
(5) 냉간 꼬임 스테인리스 강관은 구조가 치밀하고 열교환 효율이 더 높은 신형 열교환기를 형성할 수 있어 관련 설계 및 응용 부문의 주의 깊은 탐색과 개발이 필요합니다.
(6) 이중 스테인리스강 U형관은 냉간 굽힘 또는 비틀림 후 국부 응력 제거 어닐링을 실시하기에 적합하지 않으며, 이를 실시해서는 안 됩니다.
(7) 저항가열은 로내 간접가열보다 에너지 절약과 시간 절약이 가능한 국부응력 해소 열처리 방법으로 자동제어가 용이하여 우선적으로 추진해야 할 방법이다.
(8) 유럽 및 미국 파이프라인 표준(ASMEB31.1-2012, ASMEB31.3-2012, BSEN13480-4:2012)에는 냉간/열간 성형 후 스테인리스 강관의 열처리에 대한 최신 및 세부 규정이 일부 포함되어 있어 높은 관심을 기울여야 합니다.
게시 시간: 2024년 11월 6일