산업설비 부식공학

Crack Initiation과 Crack Propagation으로 분석하는 응력부식균열의 성장 과정 작은 결함 하나가 치명적인 균열로 성장하는 이유 금속설비에서 응력부식균열(Stress Corrosion Cracking, SCC)이 무서운 이유는 부식과 균열이 서로 영향을 주면서 진행된다는 것 이다. 일반적인 부식은 금속 표면이 서서히 얇아지는 형태로 나타나는 경우가 많다. 반면 SCC는 겉으로 보이는 부식 손상이 크지 않아도 특정 위치에서 균열이 시작되고, 이후 금속 내부로 깊게 성장할 수 있다. 특히 SCC는 인장응력 + 부식환경 + 민감한 재료 가 동시에 존재할 때 발생할 수 있다. 여기서 응력은 외부에서 가해지는 하중뿐 아니라 용접·가공·성형 과정에서 남은 잔류응력 도 포함한다. 따라서 SCC를 제대로 이해하려면 단순히 “균열이 생겼다”라고 보는 것이 아니라, Crack Initiation(균열 핵생성) 과 Crack Propagation(균열 전파) 이라는 두 단계로 나누어 살펴볼 필요가 있다. 1. SCC의 시작에는 무엇이 필요한가? SCC는 일반적인 균열과 조금 다르다. 금속에 인장응력만 있다고 해서 반드시 SCC가 발생하는 것은 아니다. 반대로 부식환경에 노출되었다고 해서 항상 SCC가 발생하는 것도 아니다. 일반적으로 다음 세 가지 조건이 중요한 출발점이 된다. ① SCC에 민감한 금속 또는 미세조직 ② 부식성 환경 ③ 인장응력 이 세 가지가 적절한 조건에서 결합하면 국부부식이나 미세결함을 시작점으로 균열이 발생할 수 있다. AMPP는 SCC를 인장응력과 부식환경의 복합적인 영향으로 발생하는 균열 로 설명하며, 인장응력에는 외부 하중뿐 아니라 잔류응력도 포함될 수 있다고 설명한다. 2. Crack Initiation이란 무엇인가? Crack Initiation 은 금속 표면이나 내부의 특정 위치에서 안정적으로 성장할 수 있는 미세균열이 형성되는 과정이다. 처음부터 눈에 보이는 큰 균열이 만들어지는...

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...