고장 ․ 불량 원인 분석 사례

글 ｜ 한국화학융합시험연구원 녹색기술본부 기술컨설팅팀 이종민

※ 본 뉴스레터의 내용은 의뢰된 고장원인분석보고서를 일부 발췌 / 요약한 내용입니다.

보고서내용에 문의사항이 있으시면 담당자(이종민 : 02-2164-0169)로 연락바랍니다.

1. 개 요

열병합 발전소의 설비에 사용되는 파이프(ASTM A691-1.1/4Cr_CL42, Φ863, 9.52t)에 용접부 균열

이 용접비드와 평행하게 발생하여 원인 분석을 실시함.

그림 1. 균열이 발생한 의뢰제품

2. 분석 내용

용접부의 균열원인을 확인하기 위하여 배관이 규격에 적합한지 성분분석을 통해서 확인하고, 실체

현미경을 통한 배관의 균열양상파악 및 배관의 용접부/열영향부/모재를 광학현미경과 SEM-EDS로

미세조직 관찰함. 또한 부분별 경도측정을 실시하여 균열요인이 있는지와 파면관찰을 통하여 외부적

인 요인유무를 확인함.

1) 성분조성분석

▶ 결 과 (단위 : %)

구 분 C Si Mn P S Cr Mo Cu

ASTM A691※0.05~

0.17

0.50~

0.80

0.40~

0.650.035↓ 0.035↓

1.00~

1.50

0.45~

0.65-

정상품➀모 재 0.16 0.69 0.52 0.012 0.005 1.25 0.54 -➁용접부 0.10 0.50 0.57 0.011 0.009 1.25 0.50 0.22

사고품 ➀모 재 0.15 0.68 0.52 0.007 0.005 1.27 0.53 -➁용접부 0.07 0.42 0.46 0.009 0.011 1.15 0.45 0.24

- 성분조성분석 결과 의뢰샘플 성분조성은 ASTM 성분기준을 만족함.

2) 사고배관 내부의 용접부를 육안으로 관찰한 결과 정상품의 경우 두개의 용접 비드가 일정

하게 용접방향에 따라 형성되어있으나, 사고품의 경우(그림2) 용접 비드가 접합부에 일정하게 존

재하지 않고 균열이 있는 부분에서는 용접비드가 없는 것(붉은 원)으로 관찰됨.

그림 2. 사고배관 내부 용접부

그림 3. 단면 관찰 사진 (좌 : 사고품, 우 : 정상품)

그림 4. Neuber's micro-support concept in weld joint

- 용접부 단면을 저배율로 관찰한 결과(그림 3) 정상품의 경우 얇은 파이프와 두꺼운 파이프

사이에 용접비드가 정상적으로 형성되었으나, 사고품의 경우 용접비드가 정상적으로 형성

되어 있지 않으며 응력이 집중되는 파이프 안쪽에서 균열이 시작되어 밖으로 진행된 것으로

관찰됨. 또한 용접결함인 기공(Blow Hole)이 용접비드 내에 관찰됨. 용접부와 모재의 교선

각도를 보면 정상부는 모재와 용접부의 각도가 크지만, 사고품은 그 각도가 수직에 가까우며

이로 인하여 이곳에 응력이 집중되어 균열이 시작되어 위쪽으로 진행하는 원인이 됨(그림4).

정 상 품 사 고 품

(a) 모 재 (b) 모 재

(c) 열영향부 (d) 열영향부

(e) 용접부 (f) 용접부

그림 5. 조직관찰 사진 (배율:500배, 계속)

- 조직분석 결과 모재의 조직은 동일하게 관찰되나 용접으로 변형된 조직인 열영향부와 용접

부는 정상품과 사고품의 조직이 상이하게 관찰됨. 이는 용접시에 사고품이 정확한 용접을

실시하지 않아 정상품에 비하여 입열량이 적어 차이가 발생한 것으로 보임.

- 균열 시작부의 파면을 SEM-EDS 분석한 결과, 재질 성분이외의 SCC 원인이 되는 Cl, S는

검출되지 않음.

원 소 C O Si Mn Fe 계

함량(%)

7.45 27.38 0.67 0.62 63.88 100

(a) 파면 관찰부 (b)EDS 데이타

그림 5. 파면 SEM-EDS 결과

3. 분석 결론

▶ 용접부 단면을 저배율로 관찰한 결과 사고품의 경우 용접비드가 정상적으로 형성되어 있지

않으며 응력이 집중되는 파이프 안쪽에서 균열이 시작되어 밖으로 진행된 것으로 관찰되며 이

는 용접불량으로 인한 응력 집중부에서 발생한 균열(Toe crack)로 판단됨.

▶ 정상품과 사고품의 조직분석 결과 용접부, 열영향부가 상이하게 관찰되었으며 이는 용접시

에 사고품이 정확한 용접을 실시하지 않아 정상품에 비하여 입열량이 적어 차이가 발생한 것

으로 추정됨.

▶ 결론적으로 사고품의 손상은 용접불량으로 인한 응력집중으로 배관내부에 균열(Crack)이 발

생하여 외부로 진행된 것으로 판단됨. 끝.

이 보고서는 한국화학융합시험연구원의 용역시험결과입니다. 이 기술 내용을 대외적으로

발표할 때에는 반드시 한국화학융합시험연구원의 용역시험결과임을 밝혀야 합니다.

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