산업설비 부식공학

Intergranular Corrosion에서 크롬 고갈 영역이 형성되는 과정 스테인리스강의 결정립계는 왜 특정 조건에서 선택적으로 부식될까? 스테인리스강은 일반적으로 부식에 강한 금속이다. 그 이유를 가장 간단하게 설명하면 크롬(Cr)이 금속 표면에 치밀한 수동피막을 형성하기 때문 이다. 그런데 스테인리스강을 용접하거나 특정 온도 범위에 장시간 노출시키면 상황이 달라질 수 있다. 금속 전체의 크롬 함량은 그대로인데도 결정립계 주변의 크롬 농도가 국부적으로 낮아지는 현상 이 발생할 수 있기 때문이다. 이것이 바로 Chromium Depletion, 크롬 고갈 이다. 크롬 고갈 영역이 형성되면 그 주변은 다른 부분보다 수동피막을 유지하기 어려워지고, 특정 부식환경에서는 결정립계를 따라 선택적으로 부식이 진행될 수 있다. 이 현상이 Intergranular Corrosion(IGC, 입계부식) 이다. 특히 오스테나이트계 스테인리스강에서는 열이력 → 탄소 확산 → 크롬 탄화물 석출 → 결정립계 주변 Cr 고갈 → 수동피막 안정성 저하 → 입계부식 이라는 연결고리를 이해하는 것이 매우 중요하다. 1. 결정립계란 무엇인가? 금속을 현미경으로 확대해서 보면 하나의 거대한 결정으로 이루어진 것이 아니라 수많은 작은 결정들이 모여 있는 구조라는 것을 알 수 있다. 이 작은 결정 하나하나를 결정립(Grain) 이라고 한다. 그리고 서로 다른 결정립이 만나는 경계가 결정립계(Grain Boundary) 다. 결정립계는 일반적인 금속 내부와 원자 배열이 조금 다르다. 원자 배열이 불규칙하고 에너지가 상대적으로 높은 영역이기 때문에 특정 원소의 확산이나 석출이 발생하기 쉬운 장소가 될 수 있다. 이 때문에 스테인리스강의 입계부식을 이해하려면 단순히 “금속 표면”만 볼 것이 아니라 금속 내부의 결정립 구조 까지 살펴봐야 한다. 2. 스테인리스강에서 크롬이 중요한 이유 스테인리스강의 내식성에서 크롬은 핵심적인 역할을 한다. 금속 표면에...

Heat Affected Zone(HAZ)의 Sensitization과 스테인리스강 입계부식 용접은 끝났는데 왜 용접부 주변에서 부식이 시작될까? 스테인리스강은 일반적으로 부식에 강한 금속으로 알려져 있다. 그런데 스테인리스강 배관이나 탱크를 용접한 뒤 시간이 지나면서 용접부 바로 옆의 열영향부(Heat Affected Zone, HAZ) 를 따라 부식이 집중되는 경우가 있다. 겉으로 보면 이상하다. 스테인리스강 자체는 내식성이 좋은데, 왜 용접을 했다는 이유만으로 특정 영역의 부식저항성이 떨어지는 것일까? 그 핵심에 있는 현상이 바로 Sensitization(감작) 이다. Sensitization은 오스테나이트계 스테인리스강이 특정 온도 범위에서 가열·냉각되는 과정에서 입계에 크롬 탄화물이 석출되고, 그 주변의 크롬 농도가 낮아지는 현상 이다. 결과적으로 입계 주변의 수동피막을 유지할 만큼 충분한 크롬이 부족해지면서 입계부식(Intergranular Corrosion, IGC) 에 민감해질 수 있다. TWI와 NASA 자료에서도 용접 HAZ에서 크롬 탄화물 석출과 인접 영역의 크롬 고갈이 입계부식의 주요 원인으로 설명된다. 1. HAZ란 무엇인가? HAZ는 용접 과정에서 녹지는 않았지만 용접 열의 영향을 받아 금속의 미세조직과 성질이 변화한 영역 이다. 용접부를 단순하게 나누면 다음과 같다. 용접금속(Weld Metal) → 실제로 녹았다가 다시 응고한 부분 HAZ(Heat Affected Zone) → 녹지는 않았지만 높은 열을 받은 부분 모재(Base Metal) → 상대적으로 용접 열의 영향이 적은 부분 문제는 HAZ가 모재와 완전히 동일한 상태가 아니라는 것이다. 용접 과정에서 HAZ는 짧은 시간 동안 높은 온도에 노출된 뒤 다시 냉각된다. 이 열이력에 따라 탄화물 석출 결정립 변화 석출상 형성 잔류응력 국부적인 크롬 농도 변화 등이 발생할 수 있다. 그중 오스테나이트계 스테인리스강에서 중...

용접부의 잔류응력이 Stress Corrosion Cracking에 미치는 영향 외부에서 힘을 가하지 않았는데 왜 용접부에서 균열이 발생할까? 스테인리스강이나 고합금강으로 제작된 배관과 압력설비를 보면 용접부가 유난히 중요한 검사 대상이라는 사실을 알 수 있다. 그런데 여기서 한 가지 의문이 생긴다. “설비가 운전 중 큰 하중을 받지 않는데도 왜 용접부에서 Stress Corrosion Cracking(SCC)이 발생할까?” 그 답을 이해하려면 잔류응력(Residual Stress) 이라는 개념을 알아야 한다. 용접은 단순히 두 개의 금속을 녹여 붙이는 작업이 아니다. 용접부 주변에서는 금속이 순간적으로 가열되고, 다시 냉각되면서 열팽창과 수축이 반복된다. 이 과정에서 금속 내부에 응력이 남을 수 있다. 이렇게 외부에서 하중을 제거한 뒤에도 금속 내부에 남아 있는 응력을 잔류응력 이라고 한다. 특히 잔류 인장응력이 존재하는 상태에서 염화물이나 H₂S와 같은 특정 부식환경이 결합하면 SCC가 발생할 가능성이 커질 수 있다. 즉, 용접 열사이클 ↓ 국부적인 팽창·수축 ↓ 잔류응력 형성 ↓ 부식환경과 접촉 ↓ 국부부식 또는 수동피막 손상 ↓ 응력집중 ↓ SCC 균열 핵생성 ↓ 균열 성장 이라는 연결이 만들어질 수 있다. 1. 잔류응력이란 무엇인가? 잔류응력은 외부에서 힘을 가하고 있지 않은 상태에서도 재료 내부에 남아 있는 응력이다. 쉽게 생각하면 금속 내부에 “지워지지 않은 힘의 흔적” 이 남아 있는 것이다. 용접부에서는 대표적으로 다음과 같은 과정이 발생한다. 가열 → 금속 팽창 → 용융 → 응고 → 냉각·수축 문제는 용접부 주변의 모든 금속이 동일한 속도로 팽창하고 수축하지 않는다는 것이다. 용접부는 매우 높은 온도까지 올라가지만 주변 모재는 상대적으로 차갑다. 따라서 용접부가 팽창하려고 할 때 주변 금속이 이를 구속한다. 이후 냉각 과정에서 용접부가 수축하려고 할 때도 주변 모재가 자유...