해양구조물용 저온 고강도 소재 및 신개념 구조보강재 개발 연구

Abstract

본 연구에서는 해양구조물의 3대 메가트렌드인 대형화와 심해 및 -40℃ 이하 극해로 대변되는 극한환경에 적극적으로 대응하고, 복합다기능화를 실현하기 위한 기반기술 확보를 위해 두 가지 연구가 수행되었다. 구체적으로는 해양구조물용 강으로 적합한 원천소재의 경우 저온(-40℃), 저탄소(0.25% 이하), 고강도(Ref. 1 : 인장강도 550MPa 이상, 항복강도 355 MPa 이상, (Ref. 2 : 인장강도 620MPa 이상, 항복강도 430 MPa 이상)의 주조용 탄소강 소재를 얻기 위한 화학적 조성, 열처리 방법, 용접성능에 관한 표준 데이터를 확보하였다. 원천소재 개발이 완료된 후, 실재 주조용 특수 구조용 부품뿐만이 아니라, 표준화된 신개념 보강재(Bracket)에 최적형상을 설계하고 여기에 개발된 원천소재를 적용함으로써, 구조물 내부의 장비 및 의장품의 설치를 위한 공간적 효율 향상이 가능함을 평가를 통해 확인하였다. 첫째, 해양구조물용 저온 고강도 저탄소 주강 소재개발을 시도하였으며, 최종 이에 대한 기계적, 화학적 조성에 대한 성능을 평가하였다. 해양구조물용 응력집중부에 사용되는 저탄소 저온 고강도 Casting steel 부품 소재개발을 위해 탄소함유량을 3가지 조건으로 나누어 시편을 확보하였고, 열처리 조건 변화에 따른 화학적 조성 및 기계적 성질의 비교를 통해 다음 결론을 얻었다. (1) 개발소재는 탄소함유량 0.125%로 인장강도(600 MPa) 및 항복 강도(456 MPa)를 포함한 기계적 물성치가 우수하며 -40℃에서의 충격시험값 70J을 얻음으로써 해양구조물용 주강재료로 적합한 수준인 것으로 나타났다. (2) 열처리 조건에서 뜨임의 경우 580℃에서 5시간을 적용하였을 때 미세조직의 단면이 우수하고, 기계적 성질도 DNV-OS-B101의 NV 620 W에 능가할 정도의 우수한 것으로 밝혀졌다. (3) 개발소재는 탄소당량(CE) 0.411, 용접균열감수성지수(Pcm) 0.231로 용접성능 요구조건(ASTM A751)인 각각 0.490, 0.250 이하를 충족하였다. 개발소재는 포항산업과학원(RIST)로부터 시험인증을 실시하여 목표수준에 도달하였음을 확인하였다. 또한 인장강도를 항복강도를 500MPa(인장강도 620MPa) 수준으로 향상시키고 저온취성을 더욱 강화하기 위해 화학적 조성에 있어 Mn과 Ni, Mo, Cr, V 등 미량원소의 성분조성에 대해 부분적으로 재조합하는 연구가 보완할 계획으로 있다. 다음으로 개발된 소재를 활용하여 엄격한 중량관리와 공간의 효율적인 사용을 강조하는 해양구조물에 있어 Bracket의 최적형상을 얻기 위해 판재가공 방법이 아닌 압연 또는 주조공정을 이용한 신개념 표준 구조보강재인 Bulb bracket 개발을 시도하였으며, 다음과 같은 결론을 얻었다. (1) 여러 비교 케이스에 대한 구조해석 결과 Bracket의 최대응력 분포점은 사선부 형상을 이중 원곡선으로 개선할 경우 중심점 근처로 이동하게 되어 효과적이며, Built-up의 경우 측면보강재를 면재 형태보다는 사면부에 근접 설치하는 것이 효과가 큼을 확인할 수 있었다. 현장에서는 응력집중이 큰 개소에서 면재를 사면부에 설치할 경우 용접비드에 Tow grinding 또는 Ground tow와 같은 후속조치를 적용하고 있다. (2) 압연방식의 Bulb bracket은 Built-up bracket과 동일재질을 사용함에도 크기와 중량 감소 효과가 각각 약 40% 정도로 나타나 장비설치 효율을 대폭 높일 수 있으며, 대량생산방식 적용이 가능하기 때문에 높은 경제성을 기대된다. (3) 주조방식을 통한 Bulb bracket 제작은 응력작용 분포특성에 맞추어 부재두께의 조절과 성형이 판재를 사용한 Built-up이나 압연 방식에 비해 매우 자유롭고 특히, 사선부에 타원 또는 이중의 원곡선을 적용할 수 있으며 주조용 고강도 소재를 적용할 경우 압연방식에 비해 크기에서 약 20%, 중량에서 약 50% 감소효과가 기대된다. (4) 압연방식의 Bulb bracket 제작은 곡률을 반영한 형상 제작이 곤란하지만 돌기가 생성된 판재를 압연한 후 절단하는 방식으로 대량생산이 가능하여, 경제성 측면에서 매우 유리하다. (5) 주조 및 압연 공법 모두 Bulb bracket의 면재를 포함한 복부판에 설치되는 돌기의 자유로운 형상과 삭제가 가능하기 때문에 하중분포 특성에 따라 필요할 시 이들이 반영된 bulb bracket 또한 재료비를 제외한 별도의 추가적인 비용 부담없이 생산할 수 있다. 이상의 연구결과들은 3개의 특허출원[9][43][44]을 완료하였으며, 각각의 성과들은 대한조선학회 논문집을 통해 성과가 요약 발표[45][46]되었다. 향후 이들 성과들은 해양구조물의 응력집중부에 사용되는 기존 구조용 보강재의 국산화 및 Bulb bracket의 상용화 개발을 위한 기본 자료로 활용될 계획으로 있다. 또한 개발된 원천소재는 잠수함을 비롯한 방위산업용과 원자력 등의 발전설비용 부품 소재로 활용하기 위해 필요한 기계적 물성치 및 미량원소에 대한 화학적 조성비, 열처리 조건 등을 부분적으로 응용, 보강해 나갈 예정이다.

This study consists of two main parts : the development of basic material and optimized structural design of a bracket for the offshore structures. The high-strength low-alloy (HSLA) steels have low carbon contents (0.05～0.20% C) in order to posses adequate formability and weldability, and they have manganese contents up to 1.7%. Small quantities of silicon, chromium, nickel, copper, aluminum and molybdenum are used in various combinations. The results contained in this paper can provide the valuable information on the development of -40℃ low temperature HSLA. Minimum Chemical composition of new material is consist of C 0.125%, Si 0.400%, Mn 1.160%, Cr 0.201%, Ni 0.924%, Cu 0.022%, Al 0.043%, Mo 0.053%, etc. CE and Pcm of new materials are 0.411, 0231 respectively, and the result of NDE is perfect. Mechanical properties of new material are 456MPa yield strength, 600MPa tensile strength, and 69.78J at the impact test condition of -40℃. Also, the new material has elongation of 24.5%, hardness of 67.2% and CVN value of 70J at the -40℃ impact test condition. Furthermore, the present experimental data will upgrade 620MPa tensile strength and provide important database for casting steel materials of the offshore structure. In other results of this study, optimized structural design of a bracket for the offshore structures has been carried out by the ANSYS program. A new bulb bracket type is suggested, which made by rolled and casting method comparing with conventional built-up type. Materials for new type bulb brackets is used -40℃ low temperature HSLA of 620MPa tensile strength and 450 yield strength.. For more optimized structural design of a bracket, we adopted a circular shaped stiffener at the diagonal surface line instead of faceplate. A new bulb shaped bracket made by rolled method is able to reduce size and weight by about 40% comparing to the built-up type. Another new type of bulb bracket made by casting method is able to reduce size by about 20% and weight by about 50% comparing to the rolled one. Also, production method for a rolled type bulb brackets is proposed.