구리-니켈 배관 용접: 부식 저항성을 파괴하는 5가지 실수(그리고 이를 피하는 방법)

소개

구리-니켈 파이프는 해수 환경에서 사용 시 가장 흔히 한 가지 이유로 실패한다: 용접부. 기재 금속은 거의 문제가 되지 않는다. 합금 자체 — 90/10 또는 70/30 Cu-Ni — 는 수십 년간 흐르는 해수에도 견딜 수 있는 보호성 산화막을 형성하도록 설계되었다. 그러나 용접 공정은 균일하던 재료에 세 가지 서로 다른 미세조직 영역을 도입한다: 용접부(WZ), 열영향부(HAZ), 그리고 비영향 기재 금속(BM). 각 영역은 서로 다른 미세조직과 전기화학적 전위를 갖는다. .

이러한 이질성이 부식의 시작점이다.

연구 결과는 반복적으로 HAZ가 용접 열 입력으로 인해 조대한 입자 구조를 형성함에 따라 Cu-Ni 용접 이음부에서 가장 낮은 부식 저항성을 보인다고 입증하였다. 다른 연구에서는 특정 조건 하에서 용접 부위 자체가 초기에는 보호된 음극이었으나 가속화된 양극으로 전환될 수 있으며, 세 구역 중 부식 전류 밀도가 가장 높아진다는 사실을 밝혀냈다. .

합금 자체가 문제가 아니다. 문제는 용접이다. 다음은 구리-니켈 배관 용접에서 부식 저항성을 지속적으로 파괴하는 다섯 가지 실수와 이를 방지하기 위한 구체적인 작업 방법이다.

실수 1: 임계 패스 간 온도 초과

구리-니켈 합금은 사전 가열이 필요하지 않으므로, 많은 용접 기술자들이 이 합금이 열적으로 관대하다고 오해한다. 그러나 사실은 그렇지 않다. 패스 간 온도 — 즉 다음 패스를 용입하기 직전의 용접 부위 온도 — 는 매우 좁은 범위 내에서 엄격히 관리되어야 한다.

90/10 및 70/30 구리-니켈 합금의 경우 최대 패스 간 온도는 150°C (300°F) 대부분의 프로젝트 사양 하에서, AWS 가이드라인은 종종 더욱 엄격한 상한선을 권장한다. 100°C 일부 용접 참고 자료는 용접 사이 온도를 최대 65°C(150°F) 까지 제한하여 희석을 최소화하고 열균열을 방지할 것을 제안한다.

이 한계를 초과하면 부식 저항성을 감소시키는 세 가지 영향이 발생한다.

HAZ 내 결정립 구조가 거칠어진다. 열영향부(HAZ)는 이미 Cu-Ni 용접에서 가장 약한 부분이다. 높은 용접 사이 온도는 결정립의 성장을 허용하여 HAZ의 국부 부식 및 미생물 유도 부식(MIC)에 대한 민감성을 증가시킨다. 황산염 환원균(SRB) 존재 시, 부식은 잔류 응력과 변화된 결정립 구조로 인해 양극 활성이 증가하는 HAZ에서 선호적으로 발생한다. .

기공 형성을 촉진한다. 기체의 용해도는 용융 용접 풀 내에서 온도가 상승함에 따라 증가한다. 용접부가 냉각될 때 이 기체들이 배출되는데, 냉각 속도가 지나치게 빠르거나 풀의 온도가 과도하게 높았을 경우 기공으로 갇히게 된다. 구리-니켈 합금의 경우, 기공은 단순한 외관상 결함이 아니라 해수 정체를 유발하는 틈새를 만들어 피팅 부식을 촉진시킨다.

보호막 형성을 손상시킨다. 보호성 산화막(니켈과 철이 포함된 Cu₂O)은 합금 표면과 해수 사이의 제어된 반응을 통해 수 주간에 걸쳐 형성된다. 과열된 용접부는 적정 온도에서 용접된 것과 달리 표면 화학 조성과 미세 구조가 다르며, 결국 형성되는 막은 더 얇고, 밀도가 낮으며, 보호성이 떨어질 수 있다.

예방 방법:

• 모든 용접 패스 전에 접촉식 열화상계 또는 온도 지시 크레용을 사용하여 패스 간 온도를 측정하라. 육안 추정에 의존하지 말 것.

• 얇은 벽 파이프(≤3 mm)의 경우, 패스 간에 접합부를 자연 냉각시킬 수 있다. 두꺼운 부위의 경우 강제 공기 냉각을 허용하되, 절대 물 냉각을 사용해서는 안 된다.

• 채택하다 스트링어비드 기법 열 입력을 조절하고 HAZ 온도를 높이는 넓고 뜨거운 용접 풀이 형성되지 않도록 아크 길이를 최소화한다.

실수 2: 부적절한 백 퍼지 — 보이지 않는 부식 유발 요인

이것은 구리-니켈 파이프 용접에서 가장 치명적인 실수이며, 용접 과정 중 용접공에게는 보이지 않는다.

구리-니켈 파이프 용접 시 내면 표면이 공기에 노출되면, 열로 인해 내면 표면이 산화된다. 그 결과 내부 용접 루트에 검은색 또는 청색 산화 피막 층이 형성되며, 용접공들은 이를 종종 ‘벗겨진’ 또는 ‘타버린’ 외관이라고 묘사한다. 이 산화층은 주변 베이스 메탈과 화학적으로 다르며, 기계적 강도도 낮다.

부식 결과는 심각하다. 제대로 퍼지지 않은 루트는 인접한 베이스 금속과 다른 전기화학적 전위를 갖는 표면을 형성한다. 해수 환경에서는 이 차이가 갈바니 부식을 유발한다. 산화된 루트 영역은 양극이 되어 우선적으로 부식된다. 이 문제는 내부 표면이 지속적으로 흐르는 전해질에 노출되는 해수 시스템에서 더욱 악화되며, 일단 루트에서 부식이 시작되면 용접선을 따라 전파되어 결국 관통 부식으로 이어진다.

구리-니켈 배관에 대한 산업 현장 경험은 이를 확인해 준다. 용접 포럼 자료에 따르면, 적절한 백 퍼지가 없을 경우 내부 표면에 ‘벗겨지는 흔적, 마치 구리 층이 타버린 것처럼 보인다’는 기술이 있으며, 이는 부식 저항력 상실을 직접적으로 보여주는 시각적 징후이다. 권장되는 절차는 산소 농도를 약 100ppm(백 ppm) 용접 중 파이프 내부 또는 최소한 용접 전에 배면의 산소 농도를 2% 미만으로 유지하십시오 .

예방 방법:

• 용접 퍼지 모니터를 사용하십시오. 가스 유량 시간만으로 퍼지 품질을 추정하지 마십시오. 중요 접합부에는 10ppm까지 측정 가능한 산소 모니터가 표준입니다.

• 퍼지할 때는 99.9% 아르곤 또는 질소를 사용하십시오 아크를 발생시키기 전에 산소 농도가 지정된 기준치 이하로 떨어질 때까지 퍼지 가스를 공급하십시오. 퍼지 가스는 파이프 구간 내부에서 약 6회 분의 체적 교체 이 완료될 때까지 계속 공급하십시오 .

• 퍼지 유량은 동안 용접 중에도 — 단지 용접 전에만이 아니라 — 지속적으로 유지하십시오. 퍼지는 루트 부위가 산화 임계 온도 이하로 냉각될 때까지 계속되어야 합니다.

• 사용 알루미늄 테이프 링 전체 파이프 구간을 퍼지하는 대신, 접합 부위에 퍼지 가스를 담기 위해 수용성 퍼지 필름을 사용한다. 이를 통해 가스 소비량을 줄이고 퍼지 일관성을 향상시킬 수 있다. .

• 적합 트레일링 실드 용접 토치 하단에 부착하여 루트 상부를 냉각 중에도 보호한다. .

실수 3: 잘못된 용가재 사용

구리-니켈 용접은 표준 용가재가 아니요 기재 조성과 일치하지 않는다는 점에서 특이하다. 이는 착오가 아니라 의도적인 설계이다.

90/10 Cu-Ni 용접에 적합한 올바른 용가재는 ERCuNi (AWS A5.7 등급 ERCuNi)로, 약 65% Cu, 30–32% Ni, 그리고 0.20–0.50% 티타늄을 함유한다. 티타늄은 중요한 기능을 수행한다. 즉, 탈산제 역할을 하여 용접 금속 또는 열영향부에서 기공 형성과 산소 취성 발생 가능성을 방지한다. .

용접공이나 제작자가 ‘일치하는’ 90/10 충전재를 대체로 사용하거나, 더 나아가 ERNiCu-7 같은 니켈계 충전재를 사용할 경우, 용접부의 부식 저항 성능이 변화한다. ERNiCu-7(니켈 65%, 구리 27%)은 일부 구리-니켈 용접 응용 분야에 적합한 충전재이며 이종 금속 접합부 제작 시 흔히 사용되지만, ERCuNi와는 다른 전기화학적 전위를 갖는 용접 용융금속을 생성한다. 해수 사용 환경에서 용접부가 기본 재료와 동일한 환경에 노출될 경우, 부적절한 충전재는 접합부 내부 자체에 갈바니 쌍을 유발할 수 있다.

반면, ERCuNi로 용접한 금속은 종종 더 좋네요 보호막 형성 능력 및 부식 저항성이 열영향부보다 뛰어나다. 이는 충전재의 높은 니켈 함량이 더욱 강건한 보호성 산화막 형성을 촉진하기 때문이다. 이것은 HAZ가 올바르게 용접된 구리-니켈 이음매에서 일반적으로 파손 위치가 되는 이유 중 하나이다.

예방 방법:

• 지정하십시오 ERCuNi(AWS A5.7) 해수 서비스용 모든 구리-니켈 배관 용접에 대한 필러 금속으로 사용한다. WPS에는 AWS 분류를 반드시 명시한다.

• 중요한 용접의 경우, 필러 금속 인증서에 티타늄 함량이 0.20–0.50% 범위 내에 있음을 확인한다.

• WPS가 특정 이음매 구성에 대해 명시적으로 허용하지 않는 한, ERNiCu-7 또는 ERNi-1을 대체해서는 안 된다.

• 필러 와이어는 원래 포장 상태로 보관하고 대기 오염으로부터 보호한다. 구리-니켈 필러는 습기를 흡수하기 쉬워 기공 발생을 유발한다.

실수 4: 용접 전 세정 및 용접 후 열변색 제거 소홀

구리-니켈은 표면 오염에 매우 민감하다. 맞물리는 면이나 필러 와이어에 있는 기름, 그리스, 수분, 산화막이 용접 풀로 직접 이동하여 기공과 개재물을 유발하며, 이는 부식 시작 지점이 된다.

더 심각하게는, 가열 변색 용접면과 인접한 열영향부(HAZ)에 형성되는 이 산화층은 단순히 외관상의 문제가 아니다. 이는 합금이 실제 사용 중에 자연스럽게 형성하는 보호막과 화학적으로 다른 산화층이다. 열변색 영역은 깨끗한 베이스 금속과 전기화학적 전위가 달라, 해수 환경에서 우선적으로 부식된다.

B10 구리-니켈 용접 엘보의 실패 분석 결과도 이를 확인해 준다. 즉, 유체 흐름 속으로 용접 재료가 돌출된 엘보의 용접 이음매 근처 영역 — 특히 열변색이 가장 흔히 발생하는 곳 — 이 침식-부식에 취약한 주요 위험 구역으로 판정되었다. .

예방 방법:

• 이음부 영역 — 그루브 면과 양쪽으로 각각 20 mm — 를 기계식 연마재(스코치브라이트 또는 스테인리스 강사 브러시)로 세척한 후 아세톤 또는 이소프로판올로 용제 닦기를 실시한다 . 이 작업은 용접 직전에 수행해야 하며, 수 시간 전에는 절대 하지 않는다.

• 필러 와이어 끝단을 사용 전에 절단하여 산화된 불순물이 루트로 유입되는 것을 방지한다 .

• 용접 후 모든 열변색을 제거한다 용접 캡 및 열영향부(HAZ)에서 피클링 페이스트, 전해 세정 또는 구리-니켈에 승인된 기계적 방법을 사용하여 제거하십시오. 열변색을 그대로 두지 말고, 서비스 중에 ‘자연 패시베이션’될 것이라고 가정하지 마십시오. 그렇게 되지 않습니다.

• 배관 내부의 경우, 퍼징 후 루트가 밝은 금속 광택(검정색 또는 청색이 아님)을 띠는지 확인하십시오. 루트가 변색된 경우, 해수 서비스용으로는 용접이 허용되지 않습니다.

실수 5: 부적절한 용접 절차 적격성 검증 및 용접 후 검사 미실시

구리-니켈 용접은 탄소강 또는 스테인리스강에 사용되는 일반적인 용접 절차 사양(WPS) 템플릿으로는 다루지 못합니다. 이 합금은 고유한 특성을 고려한 절차 적격성 검증 이 필요합니다: 높은 열전도율(열입력 조건에 영향을 줌), 저융점 분리물로 인한 고온 균열 감수성, 그리고 1,470–2,010°F 온도 범위에서 발생하는 연성 저하 균열 .

90/10 구리-니켈 합금용으로 한 두께 범위 또는 한 용접 위치에 대해 개발된 용접 절차 사양서(WPS)는 자동으로 다른 두께 범위나 다른 용접 위치에 대해 승인되지 않는다. 필러 금속의 니켈 함량, 철 함량, 티타늄 함량은 모두 균열 발생 경향에 영향을 미치며, 90/10 합금에 적합한 용접 조건이 70/30 합금에는 적합하지 않을 수 있다.

부적절한 승인의 결과는 즉시 드러나지 않는다. 시각 검사 및 심지어 방사선 검사를 통과한 용접 부위에도 잠재적인 결함 — 예를 들어 뿌리부의 불완전 침투, 측면 벽부의 융착 불량, 또는 열영향부(HAZ) 내 미세 균열 — 이 존재할 수 있으며, 이러한 결함은 해수에 수개월간 노출된 후에야 누출로 나타난다. 한 조사 결과에 따르면 구리-니켈 배관 이음매의 누출 원인은 뿌리부의 불완전 침투였으며, 이는 응력 집중부와 피로 균열 시작 지점으로 작용하는 홈을 형성하였다.

예방 방법:

• 용접 절차 사양서(WPS)는 다음 기준에 따라 승인하여야 한다. ASME Section IX 또는 적용 가능한 프로젝트 표준에 따라, 실제 제작 두께 및 이음매 형상과 일치하는 시험 재료를 사용하여 승인한다.

• 구리-니켈 용접 전문 자격을 별도로 취득해야 한다. 스테인리스강 또는 탄소강 용접 자격만 있는 용접 기술자는 구리-니켈 용접 자격을 자동으로 부여받지 않는다.

• 작업을 모든 맞대기 용접부에 대한 100% 방사선 투과 검사(RT) 해수 사용 환경의 모든 맞대기 용접부에 적용한다. 중요 접합부의 경우, RT 외 추가로 침투 탐상 검사(PT) 마감 용접 전 뿌리 패스에 대해 실시한다.

• 배관 용접부의 경우, 다음을 수행해야 한다. 뿌리면 육안 점검 퍼징 후 — 접근이 가능한 경우 내시경 또는 직접 관찰로 점검한다. 변색된 뿌리는 불합격 사유가 된다.

• 포함하다 페록실(Ferroxyl) 시험 또는 각 생산 로트에서 채취한 시험 용접부에 대해 부식 저항성 검증(또는 이와 동등한 평가)을 실시해야 하며, 특히 열영향부(HAZ)의 부식 위험이 높은 프로젝트에서 반드시 시행해야 한다.

실용적인 용접 체크리스트

핵심 내용

열영향부(HAZ)가 가장 약한 부분이다. 모든 용접 결정 — 열 입력량, 이어받기 온도, 용접재 — 은 열영향부의 성능 저하를 최소화하는 것을 목표로 해야 한다. 열영향부는 용접 열로 인한 결정립 조대화 때문에 세 구역 중 부식 저항성이 가장 낮다.

백퍼지는 절대 생략할 수 없다. 산화된 루트는 곧 부식으로 이어질 실패 지점이다. 산소 농도를 반드시 측정하고, 추정해서는 안 된다.

표준 용접재는 ERNiCu-7이 아니라 ERCuNi이다. ERCuNi에 들어 있는 티타늄은 분명한 이유가 있다. 반드시 사용해야 한다.

열변색은 반드시 제거해야 한다. 이것은 미용적인 것이 아닙니다. 부식 거동이 다른 다른 재료입니다.

구리-니켈 전용 적격 절차를 수립하세요. 일반적인 용접 절차 사양(WPS) 템플릿은 신뢰할 수 있는 결과를 산출하지 못합니다. 구리-니켈은 고유한 균열 메커니즘, 고유한 열적 거동, 그리고 고유한 충전 금속 요구 사항을 갖습니다.