내 듀플렉스 강관은 왜 파손되었을까? 흔한 문제점과 예방 전략 살펴보기

내 듀플렉스 강관은 왜 파손되었을까? 흔한 문제점과 예방 전략 살펴보기

듀플렉스 스테인리스강은 두 세계의 장점을 제공합니다: 페라이트 강의 강도와 오스테나이트 계열의 내식성. 그러나 고장이 발생할 경우, 이는 대개 이러한 재료가 견딜 수 있는 것과 그렇지 못한 것에 대한 오해에서 비롯됩니다. 듀플렉스 파이프의 고장을 조사하고 있다면, 일반적이지만 예방 가능한 다음 문제 중 하나를 마주하고 있을 가능성이 큽니다.

듀플렉스의 약속: 기대가 현실과 만나는 지점

듀플렉스 스테인리스강 (2205, UNS S32205/S31803)은 매력적인 사양을 제공합니다:

• 항복 강도 304/316 스테인리스강의 약 두 배

• 우수한 염화물 응력부식균열(SCC) 저항성

• 좋은 피팅 및 틈새 부식 저항성 pREN 값이 35-40임

• 우수한 열팽창성 및 열전도성 특성

그러나 이러한 장점들은 설계자와 제조업체가 고장이 발생할 때까지 종종 간과하는 특정 가공 및 사용 조건에 대한 민감성을 동반한다.

일반적인 고장 메커니즘 및 그 징후

1. 염화물 응력부식균열(SCC)

이중상 스테인리스강은 오스테나이트계 강종에 비해 SCC 저항성이 우수하지만, 완전히 면역된 것은 아니다.

고장 시나리오:
화학 공장의 2205 이중상 파이프 시스템이 85°C에서 염화물 함유 냉각수를 운용한 지 불과 8개월 만에 고장났다. 균열은 인장 응력을 받는 외부 표면에서 시작되어 진행되었다.

근본 원인에 대한 분석

• 염화물 농도: 15,000ppm

• 온도: 지속적으로 80°C 이상

• 용접으로 인한 잔류 응력이 제거되지 않음

• 중요한 발견 : 이중상 스테인리스강은 304/316보다 SCC에 더 강하지만, 초과된 명확한 온도 한계가 존재함

식별:

• 현미경에서 관찰되는 가지 모양의 입자간 균열

• 균열은 일반적으로 피트 부위 또는 응력 집중 지점에서 시작됨

• 용접부의 열영향부(HAZ)에서 자주 발생함

2. 취성 상: 치명적인 미세조직의 숨은 원인

이중상 스테인리스강에서 가장 흔하면서도 예방 가능한 파손 메커니즘:

시그마 상 형성

발생 위치:

• 용접 열영향부

• 600-950°C 사이에서 장기간 노출된 부위

• 용접 또는 열처리 후 천천히 냉각된 부분

영향:

• 인성의 극심한 저하 (최대 90% 감소)

• 내식성의 급격한 감소

• 하중 하에서 취성 파괴

사례 예시:
정유소의 이중상 스테인리스 전이 배관이 용접 수리 후 압력 시험 중에 파열되었다. 금속조직 분석 결과, 열영향부에 시그마 상이 석출되어 충격 인성이 기대되는 100J 이상에서 15J 이하로 떨어진 것으로 확인되었다.

475°C 취성화

발생 시점:

• 300-525°C 사이의 장기 서비스 중

• 고온 환경에서 수년간 사용 후

• 특히 압력 용기 및 반응기에서 문제가 심각함

결과:

• 인성의 점진적 저하

• 치명적인 고장이 발생할 때까지 종종 미발견됨

• 교체가 필요한 비가역적 손상

3. 이중상 균형: 선택이 아닌 50 대 50 비율

오스테나이트 50%와 페라이트 50%의 균형은 단지 이상적인 것이 아니라 필수적입니다:

고장 양상:
해저 파이프라인이 2205 이중상으로 지정된 부위에서 예기치 않게 부식이 발생했다. 분석 결과, 미세조직 내 페라이트가 80% 포함되어 있어, 제대로 균형 잡힌 이중상에서는 영향을 받지 않아야 할 부식 메커니즘에 취약한 것으로 나타났다.

위상 불균형의 원인:

• 용해 어닐링 후 급속 냉각 : 페라이트 형성을 유리하게 함

• 부적절한 열처리 온도 : 용해 어닐링은 반드시 1020-1100°C 사이에서 수행되어야 함

• 부적절한 필러 금속 선택 용접 중

불균형의 결과:

• 페라이트 과잉: 인성 및 SCC 저항성 감소

• 오스테나이트 과잉: 강도 저하 및 부식 특성 변화

• 두 가지 시나리오: 예상된 재료 거동에서의 편차

4. 갈바닉 부식: 연결 문제

이중상 스테인리스강은 전기화학적 부식 시리즈에서 중간 위치를 차지한다:

문제 상황:
2205 이중상강과 니켈 합금을 연결한 배관 시스템에서 이중상강 쪽 이음부에서 심각한 부식이 발생했다.

현실:

• 이중상강은 니켈 합금에 대해 양극성 하스텔로이와 같은

• 전도성 매체에서 서로 연결될 경우, 이중상강이 우선적으로 부식된다

• 많은 엔지니어들이 모든 스테인리스강이 전기화학적으로 유사하게 작동한다고 잘못 이해하고 있습니다

5. 틈새 부식: 형상이 초래하는 함정

내식성이 우수하긴 하지만 이중상 스테인리스강에도 한계가 있습니다:

고장 조건:

• 정체된 염화물 용액

• 임계 점식 부식 온도 이상의 온도

• 개스킷 아래, 침전물 내부 또는 조임이 센 연결 부위

• 낮은 pH 환경

예방의 공백:
많은 설계자들이 이중상 스테인리스강을 그 성능 한계를 약간 초과하는 조건에서 사용하면서 '스테인리스'라는 분류에 의존할 뿐, 구체적인 부식 한계를 검증하지 않습니다.

가공의 함정: 대부분의 문제가 시작되는 지점

용접 문제: 가장 흔한 고장 지점

고장 조사에서 확인된 부적절한 용접 작업 사례:

1. 패스 간 온도 제어 미준수

   • 최대: 표준 듀플렉스 강의 경우 150°C

   • 현장: 현장 용접 시 종종 크게 초과됨

   • 결과: 시그마상(σ상) 생성 및 내식성 저하

2. 부적절한 필러 금속 선택

   • 2209 필러 대신 309L을 사용하면 위상 균형이 변함

   • 부적합한 조성으로 인한 내식성 저하

3. 불충분한 가스 보호

   • 변색은 단순한 외관상의 문제가 아니라 산화물 형성을 나타냅니다

   • 산화물은 용접 부위에서 부식 저항성을 감소시킵니다

4. 불충분한 열입력

   • 너무 낮을 경우: HAZ 내 페라이트 과다 형성

   • 너무 높을 경우: 입자 성장 및 석출물 생성

열처리 오류

용해 어닐링 오류:

• 온도가 너무 낮을 경우: 석출물의 불충분한 용해

• 온도가 너무 높을 경우: 냉각 후 페라이트 함량 과다

• 냉각 속도가 너무 느릴 경우: 금속간 상의 석출

예방 전략: 실패를 설계로 방지하기

설계 단계에서의 개입

온도 및 환경 한계:

• 염화물 내에서의 최대 사용 온도 : 2205 이중상 스테인리스강의 경우 80-90°C

• pH 모니터링 : 최적의 성능을 위해 pH 3 이상 유지

• 염화물 농도 한계치 : 2205는 한계가 있음을 인지하고, 절대적인 내성을 가정하지 말 것

응력 관리:

• 지정하십시오 용접 후 열처리 극한 작동 조건용

• 설계 목적 잔류 응력 최소화

• 피하는 것 응력 집중부 방향 변화 지점에서의

제조 품질 보증

용접 절차 준수:

- 충전재 금속: 2205 모재용 2209 - 이음 용접 온도: 연속 모니터링된 ≤150°C - 보호 가스: 아르곤 99.995% 순도에 헬륨 30-40% 혼합 - 열입력: 두께에 따라 0.5-2.5 kJ/mm 

검증 시험:

• 페리토스코프 측정 용접부 내 페라이트 허용 범위: 35-65%

• 부식 시험 용접 시편의 시험 방법: ASTM G48 Method A

• 침투 탐상 검사 : 모든 용접 부위, 예외 없음

운전 중 모니터링 및 유지보수

중요 파라미터 추적:

• 설계 한도 이상의 온도 이탈

• 염화물 농도 증가

• 운전 범위를 벗어난 pH 변동

• 저유속 조건을 나타내는 침전물 형성

예방적 점검 프로그램:

• 주요 부위의 정기적인 초음파 두께 측정

• 균열 검사를 위한 습식 형광 자기입자 검사

• 문제가 알려진 부위의 핵게이지 측정

고장 분석 프로토콜: 실제 원인 파악

고장이 발생했을 때 체계적인 조사로 근본 원인을 밝혀냅니다:

1. 시각 검사 고장 위치의 기록 및 문서화

2. 화학 분석 재료 조성 확인을 위해

3. 금속조직학 미세구조 및 상 균형 분석을 위해

4. 파면학 균열의 시작과 전파를 식별하기 위해

5. 부식 생성물 분석 환경 요인을 식별하기 위해

6. 기계적 테스트 특성 열화를 확인하기 위해

7. 제조 기록 검토 및 용접 절차

재료 선정: 더블렉스가 해답이 아닐 때

때로는 최선의 예방법이 다른 재료를 선택하는 것입니다:

다음과 같은 경우 슈퍼 더블렉스(2507)를 고려하세요:

• 염소 이온 농도가 2205의 한계를 초과할 때

• 고온 환경을 피할 수 없을 때

• 강화된 강도가 필요함

다음과 같은 경우 니켈 합금을 고려하십시오:

• 고온 및 염소 조건이 극심할 때

• 환원성 산이 존재할 때

• 기존 이중상 스테인리스의 고장이 지나치게 열악한 환경을 나타낼 때

신뢰할 수 있는 이중상 스테인리스 성능을 위한 길

이중상 스테인리스의 고장은 일반적으로 이론적 능력과 실제 적용 한계 사이의 격차에서 비롯됩니다. 이 소재는 가공 공정에 민감하므로 적절한 제조가 필수입니다. 취성 상 생성, 염화물 스트레스 부식균열(SCC), 갈바닉 부식, 상 균형 불량과 같은 일반적인 고장 메커니즘을 이해함으로써 엔지니어는 이중상 스테인리스가 약속한 성능을 달성하기 위해 필요한 특정 관리 조치를 시행할 수 있습니다.

이중상 스테인리스강(드уп렉스)의 성공과 실패를 가르는 요소는 대부분 그 가공 조건을 준수하고, '스테인리스'라는 것이 '파손 불가능'을 의미하지 않는다는 점을 이해하는 데 달려 있습니다. 적절한 사양 설정, 제조 공정 관리 및 정해진 한계 내에서의 운전이 이루어진다면 듀플렉스 강은 뛰어난 성능을 제공합니다. 그러나 이러한 관리가 없다면 고장은 단순히 가능성의 문제가 아니라 예측 가능한 결과입니다.