스테인리스강이 파손되었나요? 재료 결함 대 설계/사용 결함 판단을 위한 포렌식 엔지니어 가이드

스테인리스강이 파손되었나요? 재료 결함 대 설계/사용 결함 판단을 위한 포렌식 엔지니어 가이드

스테인리스강 부품이 파손, 점식 부식 또는 급격한 파단 등으로 인해 고장이 발생했을 때 가장 먼저 떠오르는 질문은 다음과 같습니다. '문제가 재료 자체에 있었는가, 아니면 적용 방식에 있었는가?' 법과학 엔지니어로서 이러한 원인을 구분하는 것은 책임 소재를 파악하고, 재발을 방지하며, 향후 사용할 재료를 적절히 명시하는 데 매우 중요합니다. 다음은 근본 원인을 판단하기 위한 체계적인 방법론입니다.

? 1. 초기 고장 평가: 현장 기록하기

증거 보존하기

• 다양한 각도에서 고장 부위를 촬영하고, 파면의 전반적인 모습과 근접 촬영 사진도 포함합니다.

• 환경 조건을 기록합니다. 온도, pH, 염소 농도, 화학 물질 노출 여부 등을 확인하세요.

• 작동 하중을 기록합니다: 정적 하중, 주기적 하중, 열 순환 등을 포함합니다.

샘플 수집

• 파면 표면을 손상시키지 않도록 주의하여 고장 난 부품을 추출합니다.

• 비교를 위해 주변의 영향을 받지 않은 재료도 함께 채취합니다.

⚠️ 2. 스테인리스강에서 흔한 고장 유형

A. 재료 기반 고장

이러한 문제는 강철 자체의 고유한 결함에서 비롯됩니다.

1. 잘못된 등급 선택

   • 예시 : 316이 필요한 고염소 이온 환경에서 304를 사용하는 경우.

   • 입증 사례 : 공격적인 매체에서 균일한 피팅 또는 틈 부식 발생.

2. 금속학적 결함

   • 포함 사항 : 황화물 또는 산화물 개재물이 응력 집중원 역할을 함.

     • 입증 사례 : 주사전자현미경(SEM)을 통해 균열 시작 지점에서 MnS 줄무늬를 확인할 수 있음.

   • 시그마상 취성화 : 부적절한 열처리로 인해 이중상 스테인리스강(예: 2205)에 침전물 생성.

     • 입증 사례 : 충격 인성 저하(샤르피 시험), 입계 파단 발생.

3. 위조 또는 잘못 라벨링된 재료

   • 예시 : 304 제품이 316으로 판매됨.

   • 입증 사례 : XRF 분석에서 낮은 몰리브덴(Mo) 함량 확인 (316 기준 <2.1%).

B. 응용 기반 고장

재료 품질과 관련되지 않은 외부 요인으로 인해 발생함.

1. 응력부식균열(SCC)

   • 이유 : 인장 응력, 염소이온, 온도가 동시에 작용함.

   • 입증 사례 : 현미경으로 관찰 시 가지 모양 균열 (염화물 SCC 특징).

2. 갈바닉 부식

   • 이유 : 전해질에서 스테인리스강을 더 양극성인 금속(예: 탄소강)과 결합함.

   • 입증 사례 : 접촉 지점에서 국소적인 부식 발생.

3. 부적절한 제작

   • 용접 결함 :

     • 퓨르징 부족(뒷면 당화 현상)

     • 열변색(산화피막) 제거하지 않아 크롬이 고갈된 영역 생성

   • 냉간 가공 : 잔류응력을 유발하여 응력부식균열(SCC)을 촉진함.

4. 부적절한 유지보수

   • 예시 : 탄소강 공구로 인한 철 이물질 오염 제거하지 않아 피팅 부식 발생

? 3. 과학수사 기법

시각적 및 현미경적 검사

• 입체 현미경 검사 : 파단 유형 확인 (연성 대 취성).

• SEM/EDS : 파단면의 원소 조성 분석 (예: 염화물 존재 여부).

재료 검증

• XRF 총 : 몇 초 만에 등급 조성 확인.

• 광학 방출 분광분석(OES) : 합금의 정밀 정량 분석.

기계적 및 부식 시험

• 경도 테스트 : 높은 경도는 열처리 불량을 나타낼 수 있음.

• 샤르피 V-노치 : 충격 인성 평가 (낮은 값은 취성화를 시사함).

• ASTM G48 시험 : 피팅 부식 저항성 평가 (부식과 관련된 손상일 경우).

시뮬레이션 시험

• 동일 배치에서 나온 시편을 이용해 실제 사용 조건(예: 작동 온도에서 염화물 노출)을 재현하여 시험.

? 4. 결정 트리: 재료 대 적용 분야

원인을 좁히기 위해 이 흐름도를 사용하세요:

1. 단계 1: 재료 등급 확인

   • XRF 분석 결과 성분이 잘못된 것으로 나타나면 → 재료 파손 .

   • 성분이 올바르면 → 단계 2로 진행하십시오.

2. 2단계: 파손면 검사

   • 연성 딤플(ductile dimpling)이면 → 과부하(적용 문제)

   • 입계 균열(intergranular cracking)이면 → 민감화(재료) 또는 SCC(적용 문제) 여부 확인

   • 점식 부식(pitting)이면 → 염화물(적용 문제) 또는 포함물(재료) 여부 확인

3. 단계 3: 제작 이력 확인

   • 용접부에 퍼지가스가 부족하거나 열변색(heat tint)이 발생했으면 → 적용(설계 등) 파손 .

   • 재료에 초기 결함(예: 균열이 있는 봉재)이 있었으면 → 재료 파손 .

?️ 5. 사례 연구: 파손된 스테인리스 스틸 펌프 샤프트

• 배경 : 해양 응용 분야에서 사용된 316L 샤프트가 6개월 후 파단됨.

• 조사 :

  • XRF 분석 결과 화학 조성은 정상임이 확인됨(Mo = 2.5%).

  • SEM 분석을 통해 피트(pit)에서 시작된 피로 스트라이에이션(fatigue striations)이 확인됨.

  • EDS 분석을 통해 피트 내부에서 염소(Cl) 농도가 높은 것이 탐지됨.

• 근본 원인 : 적용(설계 등) 파손 . 해수 중의 염화물이 부착물 아래에서 농축되어 피팅을 유발하였고, 이로 인해 피로 균열이 발생함.

• 고쳐 : 정체된 영역을 피하는 리디자인; 피팅 저항성 향상을 위해 2205 듀플렉스로 재질 변경.

✅ 6. 예방 전략

재료 파손에 대한 대응 방안

• ISO 9001 인증을 보유한 제조사에서 조달

• 모든 배치에 대해 밀 테스트 보고서(MTR)를 요구하십시오.

• 입고 검사(XRF, 경도 시험)를 수행하십시오.

적용 실패 시

• 재료 선정 전 부식 위험 평가를 수행하십시오.

• 패시베이션 및 가공 시 ASTM A380/A967을 준수하십시오.

• 용접자에게 스테인리스 특수 절차(예: 퍼지 가스 사용)에 대한 교육을 실시하십시오.

? 결론: 체계적인 접근법이 성공을 이끈다

실패는 흑백으로 명확하게 구분되는 경우가 드뭅니다. 종종 재료 결함과 적용 오류가 상호작용합니다. 엄격한 과학적 분석과 산업 표준을 결합함으로써 원인을 정확히 파악하고 효과적인 개선 조치를 실행할 수 있습니다.

전문가 팁 : 실패 사례 데이터베이스를 유지하십시오. 조사 내용을 문서화하면 향후 진단을 가속화하고 책임 클레임 협상에 도움을 줄 수 있습니다.