스테인리스 파이프의 부식 균열: 전문가 분석
내구성으로 유명한 스테인리스 스틸 파이프가 부식 조건에서 때때로 고장 나는 이유는 무엇일까요? 이 기사에서는 스테인리스강 파이프의 부식 균열의 근본 원인에 대해 자세히 살펴봅니다.
스테인리스강에서 입계 부식은 정확히 무엇이며, 이를 관리하는 것이 왜 그렇게 중요한가요? 이 교활한 형태의 부식은 금속의 입자 경계를 따라 공격하며, 종종 눈에 보이는 경고 신호 없이 치명적인 고장으로 이어집니다. 이 글에서는 입계 부식의 메커니즘과 이를 악화시키는 환경 조건, 그리고 이를 방지하기 위한 모범 사례에 대해 살펴봅니다. 스테인리스 스틸 구조물을 보호하고 수명과 신뢰성을 보장하는 방법에 대한 포괄적인 이해를 얻을 수 있습니다.
통합 기술 규정에 따르면 일반적으로 입계 부식을 유발할 수 있는 환경에서 사용되는 오스테나이트 스테인리스 스틸 용기는 용접 후 반드시 고용체 또는 안정화 처리를 거쳐야 합니다. 이 요구 사항은 합리적입니다.
그러나 설계자가 도면의 기술 사양에 이 요구 사항을 포함하더라도 제조업체는 열처리 공정 매개변수 제어의 어려움 및 기타 예상치 못한 어려움으로 인해 이상적인 표준을 충족하기 어려운 경우가 많습니다. 실제로 오늘날 사용되는 대부분의 스테인리스 스틸 장비는 용접 후 열처리를 거치지 않고 사용됩니다.
오스테나이트 스테인리스강에서 가장 흔한 부식 형태인 입계 부식의 메커니즘은 무엇일까요? 입계 부식을 유발할 수 있는 환경 조건은 무엇인가요? 입계 부식을 예방하고 제어하는 주요 방법은 무엇인가요? 용접 후 입계 부식을 일으킬 수 있는 환경에서 사용되는 오스테나이트 스테인리스 용기에 열처리가 필요합니까?
이 글에서는 관련 표준, 사양 및 논문을 참조하고 제작 경험을 바탕으로 개인적인 의견을 제시하여 이러한 질문을 살펴봅니다.
입계 부식은 금속 또는 합금의 입자 경계를 따라 또는 입자 경계 부근에서 발생하는 국부 부식의 한 유형입니다. 이 부식은 입자 내부의 부식은 최소화하고 입자 경계를 따라 상당한 부식이 발생하여 입자 간의 결합을 약화시키는 것이 특징입니다.
입계 부식이 심하면 금속의 강도와 연성이 감소하여 정상 하중에서 고장을 일으킬 수 있습니다. 입계 부식의 두 가지 주요 이론은 크롬 함량이 낮다는 이론과 입자 경계에서 불순물이 선택적으로 용해된다는 이론입니다.
산화 또는 약산화 환경에서 일반적으로 사용되는 오스테나이트 계 스테인리스강의 입계 부식은 일반적으로 가공 또는 사용 중 부적절한 가열로 인해 발생합니다. 부적절한 가열이란 450~850°C의 온도 범위에서 강철을 가열하거나 천천히 냉각하는 것을 말하며, 이는 입계 부식에 취약하게 만듭니다. 따라서 이 온도 범위는 오스테나이트 스테인리스강에 위험한 것으로 간주됩니다.
오스테나이트 스테인리스 스틸은 공장에서 출고되기 전에 용액 처리를 거칩니다. 용액 처리에는 강철을 1050~1150°C로 가열한 다음 빠르게 냉각하여 균일한 고체 용액을 만드는 과정이 포함됩니다. 오스테나이트강은 소량의 탄소를 함유하고 있으며, 온도가 낮아질수록 고체 용해도가 감소합니다. 예를 들어, 0Cr18Ni9Ti에서 탄소의 고체 용해도는 1100°C에서 약 0.2%, 500-700°C에서 약 0.02%입니다.
따라서 용액 처리된 강철의 탄소는 과포화 상태입니다. 강철을 450~850°C로 가열하거나 냉각하면 탄소가 용액 처리된 강철에서 침전될 수 있습니다. 오스테나이트 의 형태로 입자 경계를 따라 분포하며 (Fe, Cr) 23C6의 형태로 분포합니다. (Fe, Cr) 23C6의 크롬 함량은 오스테 나이트 계 매트릭스보다 훨씬 높으며, 그 침전은 입자 경계 근처에서 많은 양의 크롬을 소비하므로 확산을 통해 적시에 보충 할 수 없습니다. 크롬의 확산이 느리면 결정립 경계 근처의 크롬 함량이 패시베이션에 필요한 12% Cr 한계 이하로 떨어져 크롬이 부족한 영역이 생성되고 패시베이션 상태가 손상됩니다.
그러나 곡물 자체는 여전히 높은 전위를 가진 수동 상태를 유지합니다. 입자와 입자 경계는 큰 음극과 작은 양극을 가진 마이크로 갈바닉 배터리를 형성하여 입자 경계 영역에서 부식을 일으킵니다.
생산 실무에서 오스테나이트계 스테인리스강도 강한 산화 매체(예: 농축 질산)에서 입계 부식을 경험할 수 있지만 부식의 특성은 산화 또는 약산화 매체에서의 부식과 다릅니다. 강산성 매질에서의 입계 부식은 일반적으로 고용체 처리된 강철에서 발생하지만 민감성 강철에서는 발생하지 않습니다.
인이나 실리콘과 같은 불순물이 고용액에서 각각 100ppm 또는 1000-2000ppm에 도달하면 입자 경계를 따라 분리됩니다. 이러한 불순물은 강한 산화 매체의 작용에 의해 용해되어 입자 간 부식을 일으킵니다.
강철이 감응되면 인과 함께 (MP) 23C6이 형성되거나 탄소가 처음 분리되면 입자 경계에서 불순물의 분리가 제거되거나 감소하여 입계 부식에 대한 강철의 감응도가 제거되거나 약화됩니다.
입계 부식 메커니즘에 대한 이 두 가지 이론은 특정 합금과 매질의 구조적 상태에 적용되며 상호 배타적인 것이 아니라 상호 보완적인 이론입니다. 생산 실무에서 입계 부식의 대부분은 약한 산화 또는 산화 매질에서 발생하므로 저크롬 이론으로 설명할 수 있습니다.
오스테나이트 스테인리스강에 입계 부식을 일으키는 매체에는 크게 두 가지 유형이 있습니다. 첫 번째 유형은 산화 또는 약한 산화 매체이고 두 번째 유형은 농축 질산과 같은 강한 산화 매체이다. 첫 번째 유형의 매체가 더 일반적입니다.
다음은 오스테나이트 스테인리스강에서 입계 부식을 유발하는 일반적인 배지 환경 목록입니다:
G A. 넬슨이 작성한 "부식 데이터 차트"에는 오스테나이트 스테인리스강에서 입계 부식을 일으키는 일반적인 매질이 나열되어 있습니다:
입계 부식을 유발할 수있는 환경에서 오스테 나이트 계 스테인리스 강을 사용하는 경우 입계 부식 경향 테스트는 스테인리스 강의 입계 부식에 대한 GB4334.1 ~ GB4334 테스트 방법에 따라 수행해야합니다. 오스테나이트계 스테인리스강의 입계 부식 경향 시험 방법의 선택 및 자격 요건은 다음 기준을 충족해야 합니다:
(1) 온도 60°C 이상, 농도 5% 이상의 질산에 사용되는 농축 질산용 오스테 나이트 계 스테인리스 강 및 특수 스테인리스 강은 스테인리스 강의 65% 질산 부식에 대한 GB4334.3 테스트 방법에 따라 테스트해야 합니다. 5주기 또는 3주기 동안의 평균 부식 속도는 0.6g/m을 초과하지 않아야 합니다.2h(또는 0.6mm/a에 해당). 샘플은 사용 중이거나 민감하게 반응할 수 있습니다.
(2) 크롬 니켈 오스테 나이트 계 스테인리스 강 (예 : 0Cr18Ni10Ti, 0Cr18Ni9, 00Cr19Ni10 및 유사 강): 일반 요구 사항 : 스테인레스 스틸에 대한 GB4334.5 황산구리 황산염 부식 시험 방법에 따라 굽힘 시험 후 시료 표면에 입계 부식 균열이 없어야합니다. 더 높은 요구 사항: 평균 부식 속도가 1.1g/m을 초과하지 않아야 합니다.2h에 따라 스테인리스강에 대한 GB4334.2 황산제황산철 부식 시험 방법에 따릅니다.
(3) 몰리브덴 함유 오스테 나이트 계 스테인리스 강 (예 : 0Cr18Ni12Mo2Ti, 00Cr17Ni14Mo2 및 유사 강): 일반 요구 사항 : 스테인레스 스틸에 대한 GB4334.5 황산 구리 황산염 부식 시험 방법에 따라 굽힘 시험 후 시료 표면에 입계 부식 균열이 없어야합니다. 더 높은 요구 사항 : 스테인레스 스틸에 대한 GB4334.4 질산 불산 부식 테스트 방법에 따라 부식 비율이 1.5를 초과해서는 안됩니다. 평균 부식률은 1.1g/m을 초과하지 않아야 합니다.2h에 따라 스테인리스강에 대한 GB4334.2 황산제황산철 부식 시험 방법에 따릅니다.
(4) 매체에 특별한 요구 사항이 있는 경우 위에 명시된 것 이외의 입계 부식 시험을 수행할 수 있으며 해당 자격 요건을 명시해야 합니다.
부식 메커니즘에 따라 오스테나이트 계 스테인리스강의 입계 부식을 방지하고 제어하기 위해 다음과 같은 조치를 취할 수 있습니다:
(1) 초저탄소 스테인리스 스틸을 활용하면 탄소 함량 를 0.03% 이하로 낮춥니다.
예를 들어 00Cr17Ni14Mo2를 선택하면 강철에 (Fe, Cr) 23C6이 형성되고 크롬이 부족한 영역이 발생하는 것을 방지하여 입계 부식을 방지할 수 있습니다.
일반적으로 강도가 낮고 응력이 낮으며 가소성이 좋은 부품의 경우 비용 효율성이 높은 0Cr18Ni9를 선택할 수 있습니다.
(2) 안정화 스테인리스 스틸은 다음을 포함하는 스테인리스 스틸을 말합니다. 티타늄 및 니오븀.
강철을 생산하는 동안 특정 양의 티타늄과 니오븀이 첨가되며, 이러한 원소는 탄소와 강한 친화력을 가지고 있어 강철 내에서 틱 또는 NBC를 형성합니다.
또한, 틱 또는 NBC의 고체 용해도는 (Fe, Cr) 23C6보다 훨씬 작으며 다음에 거의 용해되지 않습니다. 오스테나이트 고용체 온도에서
이렇게 하면 감응 온도에 도달했을 때 결정립 경계에 (Fe, Cr) 23C6이 침전되지 않더라도 오스테나이트 계 스테인리스강의 입계 부식 가능성이 크게 감소합니다.
예를 들어 1Cr18Ni9Ti 및 1Cr18Ni9Nb와 같은 강철은 입계 부식 없이 500-700°C의 온도 범위 내에서 작동할 수 있습니다.
(3) 전기 아크로 오스테 나이트 계 스테인리스 강을 용접 할 때 아크 풀의 온도는 1300 ° C까지 올라갈 수 있으며 용접 양쪽의 온도는 거리가 증가함에 따라 감소하여 감응 온도 영역이 생성됩니다.
오스테나이트 스테인리스 스틸은 감응 온도 범위 내에서 가능한 한 천천히 가열 및 냉각하는 것이 이상적입니다.
입계 부식 경향의 경우 불안정한 스테인리스 스틸을 밀리미터당 1-2분 동안 1000-1120°C로 가열한 다음 담금질해야 합니다.
안정화된 스테인리스 스틸의 경우 950~1050°C로 가열하는 것이 좋습니다.
용액 처리 후 강철이 감응 온도에서 가열되면 결정립 경계를 따라 크롬 카바이드가 다시 침전될 수 있으므로 이를 방지하는 것이 중요합니다.
(4) 올바른 용접 방법을 선택하는 것은 다음과 같은 감도를 줄이는 데 중요합니다. 용접 조인트 입자 간 부식을 유발합니다. 작업이 변경되지 않거나 용접 재료 가 너무 두꺼우면 용접 시간이 길어질수록 민감 온도 영역에 머무를 가능성이 높아집니다.
용접된 조인트의 민감도를 최소화하려면 용접 시 라인 에너지의 입력을 최소화해야 합니다.
일반적으로 말하자면, 아르곤 아크 용접 는 전기 아크 용접에 비해 입력 라인 에너지가 낮기 때문에 용접 및 수리에 더 적합한 선택입니다.
부품을 용접할 때는 초저탄소 스테인리스 스틸 또는 티타늄과 니오븀과 같은 안정화 요소가 포함된 스테인리스 스틸을 사용하는 것이 좋습니다. 또한 초저탄소 용접봉 또는 니오븀 함유 용접봉을 사용하는 것이 좋습니다.
아르곤 사용 시 아크 용접용접 조인트의 과열을 방지하기 위해 작업을 빠르게 진행해야 하며 용접 후 용접 양쪽의 모재를 빠르게 냉각하여 감응 온도 범위 내에서 소요되는 시간을 최소화해야 합니다.
용접 후 열처리가 용접 부위에서 항상 우선순위가 되는 것은 아닙니다.
일반적으로 고용체 처리는 1100~1150°C의 온도 범위에서 일정 시간 동안 수행한 후 담금질합니다. 925~540°C 범위 내에서 3분 이내에 냉각을 완료한 후 425°C 이하로 급속 냉각해야 합니다.
안정된 처리를 위해 공작물은 850~880°C의 온도 범위에서 몇 시간 동안 유지한 후 공랭식으로 냉각해야 합니다.
용접 후 열처리의 효과는 용광로 온도, 온도 상승률, 온도 상승 중 공작물의 여러 부분 간의 온도 차이, 용광로 분위기, 유지 시간, 보온 중 여러 부분 간의 온도 차이, 냉각 속도 및 용광로 온도와 같은 주요 공정 파라미터에 따라 크게 달라집니다.
입계 부식을 일으킬 수 있는 오스테나이트 계 스테인리스 용기의 경우 용액 처리 또는 일반 부품의 안정화 처리를 수행할 수 있습니다. 그러나 전체 용기(일반적으로 열교환기)의 용접 후 열처리는 많은 어려움이 있습니다.
이러한 유형의 처리는 국부적인 용접 후 열처리가 아니라 전체 용접 부품 또는 용기에 대한 용접 후 열처리입니다.
일반적으로 사용되는 쉘 및 튜브 열교환기와 같은 대부분의 화학 용기는 구조와 형태가 복잡하기 때문에 용접 후 고체 용액 또는 전체 쉘 및 튜브 열교환기의 안정화된 처리를 위한 주요 공정 파라미터를 제어하는 것은 용접 후 열처리 품질을 보장하는 것은 물론 거의 불가능합니다.
많은 경우, 이러한 처리는 용접 구조를 개선하지 못할 뿐만 아니라 모재 구조를 불필요하게 악화시키는 역효과를 초래할 수도 있습니다.
따라서 입계 부식 환경에서 사용되는 90% 이상의 오스테나이트계 스테인리스 스틸 화학 용기는 용접 후 열처리를 거치지 않고 용접 후 상태 그대로 사용되고 있습니다.
크롬 니켈 오스테나이트 스테인리스 스틸은 가장 널리 사용되는 내식성 소재이며, 입계 부식은 크롬 니켈 오스테나이트 스테인리스 스틸 용기에서 가장 흔하게 발생하는 고장 형태입니다.
입자 간 부식은 입자 사이의 결합을 현저히 약화시키고 심한 경우 기계적 강도를 완전히 제거할 수 있습니다. 이러한 유형의 부식을 겪은 스테인리스 스틸 표면은 밝게 유지되지만 가볍게 두드리면 미세한 입자로 쉽게 부서질 수 있습니다.
입자 간 부식은 감지하기 어렵기 때문에 갑작스러운 장비 손상으로 이어질 수 있으므로 심각하게 고려해야 합니다.
크롬 니켈 오스테나이트 스테인리스 스틸 용기는 일반적으로 용접을 통해 형성되며 용접 조인트의 양면은 입계 부식 민감 영역으로 모재에 비해 부식 손상에 더 취약합니다.
용접 후 열처리는 입계 부식에 대한 내성을 향상시킬 수 있습니다. 용접 영역 를 모재와 동일한 수준으로 끌어올립니다. 이것이 용접 후 열처리의 궁극적인 목표입니다.
그러나 실제로는 용접물의 복잡한 전체 구조와 모양 등 고려해야 할 요소가 많아 용접 후 열처리의 공정 파라미터를 보장하기 어렵습니다.
그 결과, 대부분의 현업 크롬 니켈 오스테나이트 스테인리스강은 용접 후 사용됩니다.
입계 내식성을 위해 사용되는 크롬 니켈 오스테나이트 스테인리스 용기의 용접 부위가 고용체 처리 또는 안정화 처리를 거치는지 여부는 일반화할 수 없습니다. 용기의 구조적 형상을 분석하여 열처리가 효과적으로 수행될 수 있는지 여부를 결정해야 합니다. 그렇지 않으면 용접 후 열처리가 필요하더라도 원하는 결과를 얻지 못할 뿐만 아니라 모재 구조에도 영향을 미치는 등 부작용이 발생할 수 있습니다.
크롬 니켈 오스테 나이트 계 스테인리스 강 용기의 입계 내식성을 향상시키기 위해서는 특정 부식 환경과 메커니즘에 따라 초 저탄소 스테인리스 강과 안정화 스테인리스 강을 선택하고 용접 중에 올바른 용접 방법을 선택하고 앞서 언급 한 예방 및 제어 조치를 적절하게 결합하여 좋은 결과를 얻어야합니다.
고체 용액에 의존하거나 용접 후 안정화 처리를 하는 것만으로는 충분하지 않습니다.
MachineMFG의 창립자인 저는 10년 넘게 금속 가공 산업에 종사해 왔습니다. 폭넓은 경험을 통해 판금 제조, 기계 가공, 기계 공학 및 금속용 공작 기계 분야의 전문가가 될 수 있었습니다. 저는 이러한 주제에 대해 끊임없이 생각하고, 읽고, 글을 쓰면서 제 분야에서 선두를 유지하기 위해 끊임없이 노력하고 있습니다. 저의 지식과 전문성을 귀사의 비즈니스에 자산으로 활용하세요.
KO 
EN 
AR 
DE 
ES 
FR 
IT 
JA 
NL 
PT 
PT_BR 
RU