화재의 영향을 고려한 열사이클 재현된 구조용강재의 안전성 평가

Abstract

일반 구조용 강재로서 널리 사용되고 있는 탄소강(SS400) 및 스테인리스강(STS304)을 이용하여 화재에 의한 강의 열영향부를 재현할 목적으로 국부적으로 열사이클 재현을 하였다. 열사이클 재현된 시험편을 이용하여 그 기계적 특성 및 미세조직관찰, 부식특성, 그리고 잔류응력과 초음파탐상을 통한 비파괴 평가를 실시한 결과 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다. (1) SS400강의 경우, 열사이클 재현 온도 800℃에서 재결정에 의한 페라이트+펄라이트 조직이 미세화 되고, 이후 온도가 증가할수록 펄라이트의 조대화가 일어나며, 800℃이상인 경우 각 온도구역에서 표면부와 중심부의 조직적인 차이는 거의 찾아볼 수 없다. 인발 후 전열처리를 행하고 열사이클 재현한 모재와 450℃에서는 페라이트가 다소 증가되고 펄라이트가 다소 미세화 되었고, 열사이클 재현 온도 800℃ 이상의 조직은 인발 후 열사이클 재현한 조직과 비교하여 거의 차이점을 발견할 수 없었다. (2) STS304강의 경우, 100℃이상 열사이클 재현 온도에서 재결정을 확인할 수 있었고, 1100℃보다 높은 온도인 1300℃로 열사이클 재현하였을 경우 결정립이성장하여 조대화된 것을 확인할 수 있었다. 전열처리 후 모재 및 450℃, 750℃까지로 열사이클 재현한 경우에는 조직에 큰 변화가 없었으나, 1100℃이상으로 열사이클 재현 한 경우 결정이 다소 조대화된 것을 알 수 있다. (3) 인발 후 열사이클 재현을 실시한 시험편 및 인발 후 전열처리를 행하고 다시 열사이클 재현을 실시한 시험편 모두에서 목적온도 도달 후 냉각이 완료된 시점에서는 대부분 인장의 열응력이 잔류하였다. (4) SS400강의 인장강도는 인발 후 열사이클 재현한 경우에는 모재 및 450℃로 열사이클 재현한 시험편은 내부조직이 섬유상으로 신연되어 강도가 크게 나타났고, 낮은 연신율을 보였다. 800℃로 열사이클 재현한 경우 최대인장응력의 감소를 보였다. 1100℃와 1300℃는 조직이 조대헤지고 있는 것에 비하여 인장강도는 미미하게 증가하고 있는 양상을 나타내었다. 또한, 잔류응력제거 처리 시험편의 부분재가공 후 실시한 인장시험 결과, 열사이클 재현 온도가 낮을수록 인장강도가 낮게 나타났다. (5) STS304강의 인장강도는 인발 시험편의 경우 열사이클 재현 온도 750℃ 이상에서 급격한 인장강도의 감소를 보인다. 전열처리 후 1300℃로 열사이클 재현 한 경우에서 가장 낮은 인장강도를 나타내는데 이는 다른 열사이클 재현된 시험편보다 결정립이 다소 조대화되었기 때문이다. (6) SS400강의 경도는 인발 시험편의 경우 열사이클 재현 온도 800℃ 이상에서 경도의 급격한 저하는 재결정에 따른 재료의 연화에 기인되며, 잔류응력제거 처리 후 열사이클 재현한 시험편의 경우 열사이클 재현 온도가 높을수록 경도가 증가하였다. (7) STS304강의 경도는 인발 시험편의 경우에는 열사이클 재현 온도에 따라 경도의 값에 변화가 나타났지만, 잔류응력제거 처리 시험편은 열사이클 재현을 하더라도 잔류응력제거 열처리시의 조직의 재결정화 때문에 경도의 변화가 거의 없었다. (8) SS400강의 경우에는 A1변태점 이상의 온도로 열사이클 재현을 하였을 경우에는 압축잔류응력이 상당히 감소했다. 이것으로부터 SS400강의 인발 후 열사이클 재현한 시험편의 인장강도가 최고가열온도 800℃에서 급격한 저하를 나타낸 원인으로 잔류응력이 영향을 주었다. 또한, 잔류응력을 완화하기 위해 열처리를 실시한 경우의 결과는, 열처리 후 모재 및 800℃로 열사이클 재현한 경우 모두에서 비슷한 응력을 나타내었다. 인발에 의해 발생한 잔류응력을 완화하기 위한 열처리 효과로부터 모재와 800℃ 열사이클 재현한 시험편의 잔류응력의 차는 거의 나타나지 않았다. 그리고, 모재 및 800℃ 열재현한 경우 모두에서, 인발 후 열재현한 경우보다 잔류응력 완화 후 열재현한 경우에 잔류응력이 낮게 나타났다. (9) STS304강의 경우에는 인발 후 모재에 비해 인발 후 1100℃에서 열재현한 시험편에서 표면은 거의 동일한 잔류응력을 나타내지만 최중심부 영역에서는 잔류응력이 완화되고 있음을 알 수 있다. 또한, 잔류응력 완화 열처리 후의 모재의 표면은 거의 변화가 없었으나 내부로 옮겨 갈수록 응력의 완화가 많이 일어났다. 반면 1100℃의 경우에는 열처리 후 표면에서는 응력완화가 많이 발생하였으나 내부에서는 거의 비슷한 값을 나타내었다. (10) SS400강의 부식전위는 인발 후 열사이클 재현을 실시한 경우에 비해 인발 후 전열처리를 행한 다음 열사이클 재현한 경우에 있어서 전반적으로 열사이클 재현전의 열처리에 의해 다소 귀전위 방향으로의 부식전위를 나타내고 있다. 그리고 부식전류밀도에서는 큰 차이가 나타나지 않았다. SS400강의 무게감소률 및 부식속도에 있어서는, 인발 후의 열사이클 재현한 경우 및 인발 후 전열처리를 행한 다음 재차 열사이클 재현한 시험편들보다 인발 된 모재에서 무게감소률 및 부식속도가 높게 나타났다. (11) STS304강의 인발 후 열사이클 재현 및 인발 후 전열처리를 한 다음 열사이클 재현한 두 경우, 모재 및 각 최고가열온도에서의 분극특성에는 큰 차이가 나타나지 않았다. STS304강의 인발 된 모재의 무게감소율 및 부식속도가 가장 크게 나타나고 있고 450℃에서는 무게감소률 및 부식속도가 다소 저하하고 있으나, 750℃에서 재차 무게감소률 및 부식속도가 증가하였다. 이후 1100℃, 1300℃로 최고가열온도가 높아질수록 무게감소률 및 부식속도가 재차 저하하고 있다. 750℃ 및 1100℃에서는 오히려, 450℃보다도 더 많은 무게감소률 및 부식속도를 나타내고 있다. 전열처리를 행한 경우에도 전반적으로 비슷한 양상을 보이고 있으나, 750℃ 및 1300℃로 가열한 경우 전열처리를 행하지 않은 시험편보다도 무게감소률 및 부식속도가 다소 높게 나타났다. (12) SS400강의 인발시편의 모재 및 450℃에서 감쇠가 크게 나타났다. 초음파속도에 있어서는 인발된 모재에서 가장 낮게 나타났으며, 다른 온도 영역에서는 유사한 값을 나타내었다. 열사이클 재현한 경우에는 800℃에서 감쇠계수가 낮게 나타났으나, 변태점온도 이상으로 목적온도가 높아짐에 따라 결정립의 조대화가 나타났고 이는 감쇠계수가 소폭이나마 상승한 결과를 가져온 것으로 판단된다. 잔류응력 완화처리 시편에서는 초음파 속도에는 거의 변화가 나타나지 않았으나, 인발된 시편에 비해 다소 낮게 나타났다. 감쇠계수는 A1변태점 온도 이상인 800℃부터 증가하고 있는 양상을 나타내었고, 목적온도 800℃ 이상에서 인발된 시험편은 목적온도 800℃이상의 감쇠계수에 근접하는 값을 나타내었다. (13) STS304강에 대한 초음파의 속도와 감쇠계수의 결과는 전반적으로 SS400강과 유사한 경향을 나타내었다. (14) 인발된 시험편에 비하여 잔류응력 완화처리한 시험편의 초음파 속도와 감쇠계수가 모두 낮은 값을 가지는데, 이것으로부터 잔류응력이 초음파 속도와 감쇠계수에 영향을 미치는 것을 알 수 있다. (15) 화재 등의 경우 일반적으로 화재의 최성기 때의 위험물 탱크 등의 중심부의 온도를 예상하여 적용한 각각의 목적하는 열사이클 최고가열온도에 대한 기계적 성질, 부식특성 및 초음파에 의한 비파괴평가의 결과는 현장에서 적용 가능한 데이터로서 사용 가능할 것으로 판단된다. 이는, 구조용강으로 제작된 각종 소방방재 시설물의 안전성을 유지하지하기 위한 기초 자료로서 사용 가능할 것이며 사전예방의 차원에서 효과가 있을 것으로 사료된다.

The structural steel must have enough strength of structure. But the mechanical properties of the welding joint have changed if it is welded. Therefore, the stability or life of the structure may be affected by the change of mechanical properties. The mechanical properties of the welded joint must be examined in order to the safety of the structure. In this study, SS400 steel and STS304 steel were used to estimate the mechanical properties of the thermal cycle simulated HAZ (heat affected zone). Therefore, the materials with two conditions were used to examine the weld thermal cycle simulated characteristic. The one is to the drawing with diameter of Φ10 and the other is to the residual stress removal treatment. To examine the mechanical properties by the thermal cycle simulation, the tensile test was carried out at room temperature in air. The cross head speed was 1 mm/min. Also, residual stress, corrosion characteristic and ultrasonic parameters of the thermal cycle simulated specimens were estimated. The temperature distribution in the weldment is not uniform because a weldment is heated locally. Thermal plastic deformation is results from the local expansion and shrinkage by heating and cooling for metal. Therefore, residual stresses and distortion occur in the weldment. In this study, the thermal cycle simulation that is supposed as the HAZ had conducted on SS400 steel and STS304 steel. In cases of drawing materials, the inner structures to axial direction of SS400 steels were ovaled by the drawing. The residual stresses were obtained from the drawing and the thermal stresses by thermal cycle simulation. The residual stresses were also estimated by X-ray diffraction. To remove the residual stress occurred by the drawing, the stress relief annealing was carried out. From the results, residual stresses of thermal cycle simulated specimens after the heat treatment were lower than that of the drawing. Above all, structures obtained by the drawing and the thermal cycle simulation were observed. Specially, in the case of SS400 steel the decarbonization was observed at the surface. When the thermal cycle simulation temperature after drawing or stress relief annealing is raised over the transformation point temperature, structures of SS400 steel and STS304 steel became coarse. Tensile strength and hardness of the SS400 steel and STS304 steel by the drawing decreased abruptly at 800 ℃ and 1100 ℃ of maximum heat temperature, respectively. On the other hand, when the thermal cycle simulation temperature increased over 800 ℃ and 1100 ℃ respectively, those value increased a few again. Also, In the specimen of SS400 steel and STS304 steel with the thermal cycle simulation after stress relief annealing, tensile strength and hardness had not almost variable. The residual stresses that obtained the drawing and the thermal cycle simulation were estimated by X-ray diffraction. From the results, residual stresses of thermal cycle simulated specimens after the stress relief annealing are lower than that of the drawing. Also, SS400 steel and STS304 steel were used to estimate the corrosion characteristic of the thermal cycle simulated HAZ. To evaluate the corrosion characteristic, also, the materials with two conditions were used in 3.5% NaCl. The one is to the drawing with diameter of Φ10 and the other is to the residual stress removal treatment. The electrochemical polarization test and immersion test were carried out. From test results, corrosion potential, corrosion current density, weight loss ratio and corrosion rate were measured. In the kinds of SS400 steels, corrosion potential of thermal cycle simulated specimens after the heat treatment showed somewhat the direction of noble potential. And in the base metal to be drawing weight loss ratio and corrosion rate occurred higher than the other kinds. In the kinds of STS304 steels, the result of base metal to be drawing was similar to results of SS400 steels, too. Two kinds of 750 ℃ and 1300 ℃ of thermal cycle simulation after the heat treatment were rather higher than the other kinds in weight loss ratio and corrosion rate. The ultrasonic test for the thermal cycle simulated specimens was carried out on SS400 steel and STS304 steel. And then the ultrasonic characteristics of SS400 steel and STS304 steel were evaluated by the ultrasonic parameters. In the case of SS400 steel with the drawing ultrasonic velocity had not almost variable, but attenuation coefficient decreased from base metal to 800 ℃ of maximum heat temperature. On the other hand, in the specimen with the thermal cycle simulation after stress relief annealing, ultrasonic velocity almost has constant and attenuation coefficient increased at the temperature region over 450 ℃ of maximum heat temperature. In the case of the STS304 steel shows the tendency which is similar as SS400 steel.