ASME B31 3에서 삭제된 PWHT 요건

2014년판 ASME B31.3 공정 배관 규격에서는, 파단 역학 시험 및 분석을 통해 확인된 바와 같이, 다중 패스 용접 기법을 사용하고 온도가 95°C(200°F) 이상인 경우, 탄소강 용접 재료에 대한 PWHT 요건을 삭제했습니다. 이러한 변경 사항은 파단 역학 분석 결과를 반영한 것입니다.

예열 온도

예열 온도는 균열을 효과적으로 제어하기 위한 핵심 요소이며, 산화를 방지하고 냉각을 지연시키며 용접금속에 적절한 인성을 부여할 수 있을 만큼 충분히 높아야 합니다. 용접 규격 및 단면 두께 요건에 따라 예열 온도를 설정하는 데에는 다양한 방법이 있습니다.

용접 규격서에는 종종 용접 공정 사양서(WPS) 문서에 예열 온도 규정이 명시되어 있으므로, 이러한 지침을 준수하는 것이 매우 중요합니다. 예열 온도는 용접 이음매 바로 주변에서 측정해야 하며, 가능하다면 이음매의 두께 전체에 걸쳐 측정해야 합니다. 예열은 가스 버너, 산소-가스 화염, 전기 담요 또는 전자식 유도 가열 방법을 통해 수행할 수 있으며, 균일한 결과를 보장하기 위해 신중하게 관리해야 합니다.

예열 온도를 확인하기 위해서는 Tempilstik과 같은 온도 표시 크레용을 사용해야 하며, 예열이 의도한 대로 이루어졌는지 확인하기 위해 열전대나 접촉식 온도계를 통해 검증해야 합니다. 또한 예열 방법을 선정할 때는 가열 장비의 크기와 가용성도 고려해야 합니다. 대량 생산 용접품의 경우, 종종 다수의 가열 토치나 전기 스트립 히터가 필요하므로 이 점도 반드시 고려해야 합니다. 소형 용접품은 용광로나 저항 가열 시스템을 사용하여 가열할 수 있습니다. 예열 온도는 용접 공정 전반에 걸쳐 지속적으로 모니터링해야 하며, 열영향부 및 모재 모두에서 균열을 최소화하기 위해 작업 공정 사양서에 명시되어야 합니다. 이를 위해 인접 재료에 미치는 균열 영향을 최소화할 수 있도록 예열 온도를 최소 패스 간 온도보다 낮게 설정해야 합니다.

PWHT 온도

많은 규격 및 표준에서는 강관 원주 용접부와 같은 특정 용접 구조물에 대해 용접 후 열처리(PWHT)를 의무화하고 있습니다. PWHT는 용접 부위의 인장 잔류 응력을 줄이고, 미세 구조를 안정화하며, 연성과 항복 강도를 향상시키는 데 도움이 됩니다. 요구 사항은 재료의 종류와 두께에 따라 다르며, 일반적으로 탄소-망간강은 저탄소 용접 재료에 비해 더 높은 PWHT 온도를 필요로 합니다.

PWHT는 배관 시스템 제작 과정에서 필수적인 단계이지만, 수행하는 데 비용과 시간이 많이 소요될 수 있습니다. PWHT와 관련된 비용을 최소화하기 위해서는 온도 설정을 최적화하는 것이 핵심이며, 여기에는 적절한 가열/냉각 속도의 선정은 물론 PWHT에 적합한 장비와 시설을 사용하는 것도 포함됩니다.

압력 용기 및 배관 업계의 현행 설계 규정은, 모재의 샤르피 에너지 흡수 시험 특성 및 사용 온도 요건을 바탕으로 정해진 기준 두께를 초과하는 용접부에 대해 PWHT를 의무화하고 있습니다. 이러한 관행은 수십 년 동안 널리 시행되어 왔으며, 경제적·기술적 측면 모두에서 타당성을 인정받고 있습니다.

PWHT 온도 인하를 지지하는 다양한 주장이 제기되고 있으며, 본 논문에서는 이러한 주장들을 검토하고 그 주장이 왜 타당하지 않은지 설명하고자 한다. 본 백서는 B31.1 및 B31.3 규격 조항 개정을 위한 이니셔티브의 일환으로 제출될 예정이지만, 다른 보일러 및 압력 용기 규격 조항에도 유사하게 적용될 수 있습니다.

PWHT 시간

ASME B31.3는 공정 배관 시스템의 설계, 제작, 조립 및 설치에 대한 지침을 제공합니다. 이 표준은 설계자, 발주자 측 검사관, 제작업체, 시공업체 및 부품 제조업체 등 이 과정에 참여하는 다양한 당사자들에게 지침을 제공하는 역할을 합니다. 또한, 이 표준은 재료 선정, 허용 응력 한계, 검사 요건 등 다양한 주제를 다루고 있습니다.

용접 공정의 일환으로 용접 부위에 잔류 응력이 발생하는데, 이 응력은 용접 재료의 항복 강도에 근접할 수 있어 환경 유발 균열(EAC) 발생 가능성을 높입니다. PWHT는 이러한 잔류 응력을 감소시켜 용접 강구조물에서 EAC를 방지하는 데 도움을 줍니다.

PWHT 시간은 용접 열처리를 성공적으로 수행하는 데 있어 필수적인 요소입니다. PWHT를 더 오래 유지할수록 결과가 더 좋아질 가능성이 높으며, 또한 더 높은 온도를 사용할수록 PWHT의 효과가 높아집니다.

EPRI의 수리 및 교체 응용 센터(Repair and Replacement Applications Center)는 최근, 다른 규격 조항의 요구 사항과 더욱 일관성을 갖기 위해 B31.1 및 B31.3 규격 조항에서 PWHT 온도 요구 사항을 완화할 것을 권고했습니다. 본 논문에서는 이러한 변경이 필요한 이유와 기대되는 이점을 살펴보고, 위원회를 통해 이 변경안을 추진할 수 있는 방법을 개략적으로 제시할 것입니다. 이러한 변경안 추진에 도움을 주신 미시간주 칼라마주에 위치한 플레너 엔지니어링 서비스(Flenner Engineering Services)의 필 플레너(Phil Flenner) 님께 감사를 드립니다.

PWHT 두께

공정 배관의 제작, 조립, 설치, 검사, 점검 및 시험을 규정하는 규격들에는 사소한 차이점과 잠재적인 안전 문제 측면에서 상당한 차이를 보이는 다양한 PWHT 요구 사항이 포함되어 있습니다. 이러한 상당한 불일치는 프로젝트가 운용 조건을 충족하는 능력은 물론 비용 및 성능 목표 달성에도 차질을 빚을 수 있습니다. 각 규격의 세부 사항은 재료 사양과 용접 매개변수, 그리고 구조상 발생할 수 있는 고장 메커니즘에 따라 달라지는 경향이 있습니다.

탄소강에 대한 용접 후 열처리(PWHT)는 BS 1113 [22], BS 2633 [24], PD 5500 [25] 및 Pr EN 13445 [27]과 같은 여러 표준 및 규정에 명시되어 있습니다. 최근 B31.3 규격에는 표 331.1이 추가되어, 제작 과정에서 예열 온도를 95°C로 유지하고 다중 패스 용접 기법을 사용하는 경우, 특정 P No 1 탄소강에 대해서는 의무적인 용접 후 열처리 요건이 면제되도록 규정하고 있습니다.

Tomerlin 등은 최근 연구를 통해 고품질 용접 이음부의 경우, 벽 두께가 두꺼운 파이프라 하더라도 PWHT가 종종 불필요하다는 사실을 입증했습니다. 위험을 최대한 줄이고 내구성을 확보하기 위해서는 적절한 PWHT 온도를 선정해야 하므로, 구조물의 설계, 제작, 설치 및 운영 시 세심한 주의를 기울여야 합니다. 최적의 온도를 달성하면 재료 특성의 저하, 인성 또는 강도의 약화, 그리고 피로 저항성 문제의 위험을 최소화할 수 있습니다.