용접 후 열처리(PWHT) 및 사전 열처리(PWHT)

PWHT 테스트는 석유 및 가스, 발전과 같은 산업에서 품질 보증의 필수 요소로, 열 피로에 대한 내성을 개선하고 신뢰성을 향상시킵니다.

표 1과 같이 압력 용기 및 배관 시스템을 제작할 때 비용과 전문성은 두 가지 주요 장애물입니다. 압력 용기 및 배관에 대한 제작 표준 간의 차이는 합리화를 위한 시도를 매우 어렵게 만들 수 있습니다.

용접 열처리

일반적으로 응력 완화라고 하는 용접 후 열처리는 용접으로 인한 잔류 응력을 줄이고 재분배하는 역할을 합니다. 이 프로세스에는 새로운 응력의 재유입을 방지하기 위해 용접물을 정확한 온도로 가열한 후 천천히 냉각하는 과정이 포함되며, 정확한 온도와 시간은 관련 규정에 따라 결정됩니다.

PWHT는 또한 템퍼링, 침전 및 노화와 같은 야금학적 변화를 유도하는 고온을 활용하여 일부 재료의 경도를 낮추고 연성을 개선하며 취성 파괴 위험을 최소화하는 템퍼링, 침전 및 노화 과정을 유도하여 용접 강도를 높이는 데 도움이 되는 고온을 활용합니다. 이 공정은 경도를 낮추는 동시에 연성을 개선하고 이러한 소재의 파단 위험을 줄이는 데 도움이 됩니다.

PWHT 테스트는 원자력 발전소, 석유 및 가스 파이프라인, 압력 용기 등 많은 산업과 애플리케이션에서 필수적입니다. PWHT는 이러한 중요한 장비의 용접부가 고온, 고압 및 부식이 심한 환경을 견딜 수 있는지 확인하기 위한 필수 요소입니다.

열전대와 함께 제어 가능한 저항 가열 시스템을 활용하여 용접부 온도를 정확하고 일관되게 모니터링하는 것은 정확하고 반복 가능한 결과를 생성하는 데 매우 중요합니다. 또한 기존의 잔류 응력이 단순히 이동하지 않도록 용접물 전체의 열 구배를 최소화할 수 있도록 담금 시간을 관리해야 합니다. 또한 예열은 처리되는 재료 유형과 두께에 따라 조정해야 효과를 극대화할 수 있습니다.

예열 전 처리

열처리는 용접 부품의 강도, 인성, 내식성 및 잔류 응력을 개선하는 데 사용되는 비용과 시간이 많이 소요되는 작업입니다. 많은 용접 적용 코드 및 표준에 명시되어 있으며, 예열 처리는 용접 공정 중 균열 위험을 줄이는 또 다른 필수 절차입니다.

일반적으로 세라믹 매트 히터 또는 전기 스트립 히터로 만들어진 용접 예열기는 용접 영역 내부 또는 인접한 곳에 배치하여 특정 온도 프로파일에 따라 가열할 수 있습니다. 예열 온도는 열전대와 데이터 기록 기능이 통합된 전자 컨트롤러를 통해 전자적으로 제어됩니다.

이상적인 예열 온도를 결정하려면 코드 요구 사항, 모재 화학, 단면 두께, 구속 수준, 주변 온도 및 용가재 확산성 수소 함량 등 여러 가지 요소를 고려해야 합니다. 용접 공정 및 단면 두께 조합 중에 용접 이음새의 균열을 방지하기 위해서입니다. 그러나 특정 모재 용접 공정 및 단면 두께 조합에 대한 안전 요건을 충족하지 않도록 최소값을 초과하는 것이 최선입니다.

예를 들어, 용접부 주변에 최소 2인치 이상의 국부 후열 처리가 필요한 ASTM A572-Gr50 맞대기 용접의 경우, 용접 중 균열을 방지하기에 충분한 예열 온도를 확보하고 용접 후 즉시 용접에 남아있는 수소를 배출하여 수소 관련 균열을 줄이려면 국부 후열 처리가 필요합니다.

후열 처리

열처리는 금속과 합금을 조심스럽게 가열한 다음 냉각하여 미세 구조를 변경하는 제조 공정으로, 기계적 특성에 직접적인 영향을 미치며 때로는 강도와 인성을 크게 향상시킬 수 있습니다.

후가열은 용접 절차에 포함될 수 있지만, 그 목적은 일반적으로 고객이 지정하며 코드에 의해 의무화될 수도 있고 그렇지 않을 수도 있습니다. 일반적으로 고객의 요구 사항에 따라 담금 온도와 시간이 결정됩니다. 코드 요구 사항으로 규정된 경우, 이 기간은 용접 금속과 양쪽 모재를 모두 포함해야 하며, 온도는 낮은 임계 온도 이하로 유지되어야 하고 이후에는 제어 냉각이 이루어져야 합니다.

HAZ 환경에서 발견되는 담금질 경화 재료와 같은 일부 저합금강은 강도와 인성과 관련하여 적절한 미세 구조를 달성하기 위해 용접 후 열처리가 필요합니다. 이는 코드 요건에서 요구할 뿐만 아니라 향후 수소 균열을 방지하기 위한 중요한 안전 관행이기도 합니다.

이러한 소재를 다루는 열처리 업체는 일반적으로 담금질 어닐링보다 용액 어닐링을 선호하는데, 이는 담금질 어닐링에서 형성될 수 있는 손상된 상이나 입자의 형성을 방지할 수 있는 더 높은 온도를 허용하기 때문입니다.

면제

PWHT는 비용이 많이 들 수 있으므로 제조 시 요구 사항을 면제하는 것은 중요한 문제입니다. 일부 제조 표준 및 검사 코드에서는 이 두께 임계값을 초과하는 용접부에 대해 PWHT 처리가 필요한 두께 임계값을 결정하는 것이 까다로울 수 있으며, 일부 제조 표준 및 검사 코드에서는 이를 필수 PWHT 처리로 규정하고 있습니다.

이 문서에서는 특정 두께 이상의 PWHT 요구 사항, 인성 테스트(Charpy 테스트) 요구 사항, BS 2633 [25], ASME VIII, ASME B31.1 및 B31.3 표준 간의 잠재적 합리화 가능성과 관련하여 다양한 제조 코드(주로 배관 및 압력 용기 표준)를 평가하고 비교합니다.

조사 결과, 고려 중인 다양한 제작 코드 간에 일부 유사성이 존재하지만, 재료 그룹화를 통한 정렬은 어느 정도의 합리화에 도달하는 데 적절한 접근 방식이 아닌 것으로 나타났습니다. 또한, 제작 코드 요구 사항의 이 영역에서 관찰된 일부 변칙을 제거하기 위해 테스트 프로그램을 구현해야 하며, 이 내용은 이 글의 2부에서 자세히 다룹니다.