ASME 제8편 제1부 규정에 따른 용접 후 열처리(PWHT) 요건

ASME 제8편 제1부(Section VIII, Division 1)는 압력 용기의 제작, 검사 및 인증에 대한 명확한 지침을 제시하는 중요한 공학 표준입니다. 이는 표준화된 공학 관행을 확립하는 동시에 다양한 산업 분야에서 안전성과 효율성을 향상시키는 데 기여합니다.

용접 후 열처리(PWHT)는 용접된 재료의 잔류 응력을 제거하기 위해 고안된 제어된 공정이며, 제331.11조 및 표 331.1.1.1과 331.1.3에 정의되어 있습니다. 이는 배관 적용에 대해 아래에 명시된 바와 같이 제331.11.1.2조에 규정된 요건을 준수해야 합니다.

최소 온도

용접 후 열처리(PWHT)는 용접 금속을 하한 임계 변태 온도 미만의 온도로 가열한 후 장시간 유지하는 공정입니다. 이는 용접으로 인해 발생하는 잔류 응력과 미세구조 변화를 줄이는 데 도움이 되지만, PWHT가 종종 제어되지 않은 상태로 수행되어 온도 구배가 발생하면 용접부에 손상을 입힐 수 있으며, 이로 인해 응력 균열이 발생하거나 취성 파손에 대한 취약성이 증가할 수 있습니다.

현재 발전소 배관에 대한 PWHT를 의무화하는 규정은 최소 PWHT 온도를 1100degF로 정하고 있는데, 이는 너무 낮아 조기 부식 손상을 초래할 수 있다. Souder, Lundin 및 Khan이 수행하고 EPRI가 후원한 연구에서는 이 온도를 1200degF로 상향 조정할 것을 주장하고 있으며, 이를 통해 용접 금속의 인성이 증가하고 경도가 감소하는 등 성질에 상당한 변화가 나타날 것으로 예상됩니다.

PWHT의 최소 온도를 낮추면 용접 금속의 연성-취성 전이 온도가 현저히 낮아질 수 있으며, 이로 인해 인장 강도와 연성이 허용할 수 없는 수준으로 저하될 가능성이 있어, 규격 인증을 받은 용기의 설계 압력을 높여야 할 뿐만 아니라 파이프 제조업체와 압력 용기 제조업체 모두에게 막대한 비용이 발생하게 됩니다. 따라서 제조업체들은 최소 PWHT 온도를 설정할 때 이러한 요구 사항들 간의 균형을 찾는 것이 필수적입니다.

최소 보유 기간

PWHT(용접 후 열처리)는 용접 금속의 잔류 응력과 미세구조 변화를 줄이기 위해 강재를 하한 임계 변태 온도까지 가열한 후 일정 시간 동안 그 온도를 유지하는 용접 후 열처리 공정입니다. PWHT는 압력 용기 및 파이프를 제작할 때 종종 요구되지만, 비용과 시간이 많이 소요될 수 있습니다. 비용을 절감하기 위해서는 가능한 경우 PWHT 적용 면제를 확보하는 것이 바람직할 수 있습니다.

압력 용기, 배관 및 저장 탱크는 제작 시 적용된 설계 규격에 따라 정해진 PWHT 요건을 충족해야 합니다. 이러한 규격에 따라 요건은 크게 상이합니다. 예를 들어, BS 2633의 요건은 최대 두께 한계를 32mm로 정하고 있는 ASME VIII Div 1 또는 B31.1/B31.3과 상당히 다릅니다. 또한 BS 5400/5750과 같은 일반 구조 규격 간에도 상당한 차이가 있을 수 있으며, 석유화학 및 발전 산업과 같이 PWHT 요건 면제를 요청하여 더 광범위한 면제를 얻어낸 산업 분야의 규격 간에도 상당한 차이가 있을 수 있습니다.

현재의 설계 규정은 샤르피 충격 시험 결과를 두께 제한 기준으로 삼고 있으나, 이러한 요구 사항이 제작에 사용되는 강재의 실제 인성 및 잔류 응력 데이터를 항상 반영하는 것은 아닐 수 있다.

최소 예열 온도

예열 온도는 용접 후 열처리(PWHT)의 성공에 필수적입니다. PWHT는 용접으로 인해 발생한 잔류 응력을 재분배하여, 용접 공정 중 발생한 잔류 응력을 완화하는 동시에 재료의 연성을 높이는 역할을 합니다. 또한, 용접 후 열처리는 용접 공정 중 용접부와 모재 간의 높은 온도 구배로 인해 발생한 미세구조 변화를 제거하는 역할도 합니다.

현재 대부분의 파이프 및 압력 용기 재료에 대해 PWHT 시험이 의무화되어 있으며, 해당 요구 사항은 일반적으로 샤르피(Charpy) 에너지 흡수 한계를 따릅니다. 따라서 석유화학 업계에서 사용하는 다양한 설계 규격에 따라 PWHT 면제 대상인 최소 두께에 상당한 차이가 발생할 수 있는데, 이는 해당 업계가 오랜 기간에 걸쳐 경험과 공학적 관행을 통해 규격을 발전시켜 왔기 때문입니다.

일부 요구사항은 기술적 관점에서 볼 때 그 중요성이 상대적으로 줄어들었으며, 특히 최소 PWHT 온도에 대한 검토가 이루어지고 있습니다. EPRI가 후원한 보고서(참고문헌 1)는 이 요건을 1100degF로 낮출 것을 제안했는데, 이는 용접 금속으로 사용되는 P No 4 재질에 대해 NBEP 및 B31.1 규격에서 모두 적용되는 최소 샤르피 에너지 흡수 한계에 근접하게 되는 수준입니다. 그러나 이러한 낮은 예열 온도는 용접 작업 중 용접 금속의 균열 발생 우려로 인해 재가열 균열이 발생할 수 있다는 이유로 미국 압력 용기 소위원회에 의해 거부되었습니다(참고문헌 1).

최소 예열 시간

ASME 코드 제VIII편 제1부 규정에 따라, 용접 후 열처리(PWHT) 면제 대상이 되려면 용접 조립체는 두 가지 기준을 모두 충족해야 합니다. 면제 자격을 얻으려면 최소 예열 온도와 유지 시간을 모두 충족해야 합니다. PWHT 처리는 용접 잔류 응력을 낮추어 취성 파단을 줄이고, 경도가 높고 잠재적으로 취성일 수 있는 미세구조를 연화시켜 잠재적인 파손 상황을 방지하는 데 도움을 줍니다.

제조 규격에 따라 강재에 적용되는 면제 요건이 각기 다릅니다. 일부 규격은 탄소 함량에 따라 다른 규격보다 더 얇은 용접부에도 PWHT를 요구하기도 합니다. 예를 들어, BS 1113 [23] 및 2633 [24]은 탄소 함량이 0.25%를 초과하는 용접부의 경우 PWHT를 의무화하지 않습니다.

PWHT는 일반적으로 잘 알려져 있지만, 그 정확한 요구 사항에 대해서는 여전히 논란이 있습니다. 특히 발전 분야에서는 PWHT의 필요성에 대한 논의가 이어지고 있습니다. 제작 규격별 PWHT 면제 요건의 차이는 각 전문 기관이 자체적인 경험을 바탕으로 규정을 제정했기 때문일 수 있다. 그러나 이러한 차이는 존재하며, PWHT 면제에 대한 단일한 통일된 요건이 마련될 가능성은 희박해 보인다. 본 논문은 이러한 유사점과 차이점을 살펴보고, 가능한 합리화 전략을 제안한다.