스테인리스 스틸을 이용한 폭발 클래딩: 압력 용기를 위한 경제적인 이종 금속 솔루션 가이드

스테인리스 스틸을 이용한 폭발 클래딩: 압력 용기를 위한 경제적인 이종 금속 솔루션 가이드

부식성이 강한 환경에서 작동하는 압력용기를 설계하는 엔지니어들은 항상 재료 선정에 어려움을 겪습니다. 부식 저항성과 고압을 견딜 수 있는 구조적 강도를 동시에 확보해야 하며, 예산 범위 내에서 해결해야 하기 때문입니다. 고체 스테인리스강이나 니켈 합금은 부식 저항성이 뛰어나지만 대형 용기에는 비용이 지나치게 많이 듭니다. 탄소강은 강도는 충분하고 가격이 저렴하지만 혹독한 환경에서는 금방 손상됩니다.

폭발 클래딩 이러한 문제를 우아하게 해결해 줍니다. 이는 스테인리스강과 같은 내식성 합금의 얇은 층을 구조용 탄소강 두꺼운 판 위에 압착하여 금속적으로 접합하는 일종의 고상 용접 공법으로, 이종금속판을 제작하여 두 소재의 장점을 동시에 제공합니다. 본 가이드에서는 압력용기용 경제적이고 우수한 솔루션인 이유를 설명합니다.

폭발 클래딩이란 무엇인가? 간단히 알아보는 공정

폭발 클래딩은 두 금속 간에 야금적 결합을 형성하기 위해 제어된 폭발을 이용하는 냉간 용접 공정입니다.

1. 설정: 그 베이스 플레이트 (예: 탄소강 A516 Gr. 70)는 견고한 기초 위에 놓입니다. 클래드 판은 클래드 판 (예: 316L 스테인리스강)은 바로 위에 평행하게, 그러나 약간 떨어진 거리를 두고 위치시킵니다. 클래드 판 위에 폭약 시트를 올려놓습니다.

2. 폭발: 폭약은 한쪽 끝에서부터 폭발합니다. 진행형 폭발은 클래드 판을 매우 빠른 속도와 압력으로 기판 위를 따라 아래로 밀어냅니다.

3. 결합: 이 충격은 두 판의 표면에서 불순물을 제거하는 플라스틱 상태의 금속 제트를 생성하고, 깨끗한 기저 금속이 거대한 압력 하에서 밀접하게 접촉할 수 있도록 합니다. 이로 인해 모재 금속을 용융시키지 않고도 강력한 야금적 결합이 형성됩니다.

4. 결과: 최종 제품은 단일 복합 판으로, 파형의 기계적 락 인터페이스를 가지며, 고체 용접만큼 강합니다.

왜 압력용기 제작에 폭발 클래딩을 선택해야 할까요?

1. 뛰어난 비용 효율성

이것이 주요한 이유입니다. 3mm 두께의 부식 방지층이 필요한 용기의 경우, 50mm 두께의 탄소강 쉘 위에 3mm 두께의 316L 스테인리스 스틸 클래드를 적용하면 됩니다. 이는 고체 53mm 스테인리스 스틸 용기 대비 ~95% 적은 비싼 스테인리스 스틸을 사용하므로 막대한 원자재 절감 효과가 있습니다.

2. 우수한 성능

• 진정한 금속적 결합: 루스 라이닝(loose lining)이나 기계적 라이닝과 달리, 이 결합은 구조적이고 영구적이라 효율적인 열 전달이 가능합니다. 이는 열교환기 및 반응기에서 매우 중요한 요소입니다.

• 설계 유연성: 노즐, 헤드 및 쉘에 클래드를 적용할 수 있어 용기 전체에 걸쳐 완전한 부식 보호를 제공합니다.

• 박리 위험 없음: 결합 강도는 일반적으로 약한 모재의 항복 강도를 초과합니다. 열 순환 또는 압력 하중 조건하에서도 분리되지 않습니다.

3. 제작 기술성

클래드 플레이트는 탄소강 작업에 익숙한 공장에서 일반적으로 사용하는 절단, 성형 및 용접됨 aSME Section VIII, Division 1과 같은 기존 규격을 따르는 기술로 가공할 수 있습니다.

설계 및 제작 시 주요 고려사항

1. 재료 조합

압력용기에서 가장 일반적으로 사용되는 클래딩/베이스 금속 쌍은 다음과 같습니다:

• 클래딩(부식 측): 304/L, 316/L, 321, 347, 듀플렉스 2205, 니켈 합금(Alloy 625, C-276), 티타늄, 지르코늄

• 베이스(구조 측): 탄소강(A516 Gr. 70), 저합금강(A387 Gr. 11), 고합금강

2. 클래드 플레이트 용접

이 단계가 가장 중요한 제작 공정입니다. 용접자는 탄소강 백킹을 결합하면서 동시에 내부 표면에 올바른 내식성 합금을 적층해야 합니다.

• 전이 이음부: 버트 용접의 경우 버터링 기법 이 사용됩니다. 탄소강 측면을 준비한 후 호환되는 용접 금속(예: 309L)으로 "버터링"하여 스테인리스 클래딩으로 전이시킵니다. 최종 용접 봉합은 클래딩과 일치하는 충전 금속(예: 316L)으로 수행합니다.

• 공정 적격성 검증: 용접 공정 사양(WPS)은 철저히 적격성을 검증받아야 하며 균열을 방지하고 내식성 용접 부위를 확보하기 위해 엄격히 준수되어야 합니다.

3. 비파괴 검사(NDT)

• 접합 신뢰성: 초음파 검사(UT)는 다음에 따라 수행됩니다. ASTM A578 인터페이스 전체에 걸쳐 100% 접합 품질을 보장하기 위함이며, 이는 규격 준수를 위한 필수 조건입니다.

• 용접 검사: 모든 용접부는 침투 탐상 검사(PT) 및 방사선 탐상 검사(RT) 또는 초음파 검사(UT)를 통해 점검됩니다.

4. 규격 준수

폭발 복합 방식의 압력용기는 주요 압력용기 규격에서 전적으로 인정받고 있습니다:

• ASME 보일러 및 압력용기 규격, 제8편, 제1분야: 복합강판(SA-263, SA-264, SA-265)을 사용하는 용기의 설계 및 제작 규정을 제시합니다.

• EN 13445: 유럽의 비가열 압력용기 표준입니다.

폭발 복합 기술 vs. 대체 기술: 어떤 경우에 유리한가?

경제적 전환 지점 폭발 클래딩이 용접 오버레이보다 저렴해지는 클래드 두께는 일반적으로 4-5mm 이상이거나 넓은 표면적의 경우이다.

엔지니어를 위한 실행 체크리스트

1. 환경 정의: 부식성 공정 유체, 온도 및 압력을 명확하게 명시하십시오.

2. 복합재료 선택: 부식 요구사항에 따라 스테인리스강 등급(또는 니켈 합금)을 선택하십시오. 부식 표를 참조하고 적합성 평가(Fitness-for-Service, FFS) 분석에 중요한 데이터를 제공합니다.

3. 플레이트 명시: 발주서(PO)에서 정확한 ASTM 표준을 참조하십시오:

   • SA-263 (스테인리스 복합재)

   • SA-265 (니켈/니켈합금 복합재)

   • 클래드 두께 공차 및 필요한 UT 검사 수준을 명시하십시오.

4. 제작을 위한 설계: 조기 제작업체와 협력하십시오. 용접 준비를 상세히 하고 전이 조인트의 용접 절차를 명시하십시오.

5. 검사 계획: 클래드 플레이트 수령 시 초음파 검사를 의무화하고 제작 계약서에 모든 용접부에 대한 상세한 비파괴 검사 요구사항을 포함하십시오.

결론: 핵심 자산을 위한 현명한 투자

폭발 클래드 플레이트의 초기 발주 비용이 탄소강 단독 사용에 비해 높지만, 이는 프로젝트가 할 수 있는 가장 효과적인 가치 공학적 결정 중 하나입니다. 이는 다음과 같은 방식으로 수명 주기 비용을 획기적으로 절감하기 때문입니다.

• 초기 재료비 절감 전체 합금 대비

• 정비 비용을 실질적으로 제거함 및 부식으로 인한 다운타임.

• 선체의 사용 수명 연장 수십 년 동안.