수소유기균열

왜 배우는가: 수소유기균열은 고장력강 용접에서 자주 문제가 되는 저온균열이며, 용접 후 시간이 지나서 나타나기도 하므로 검사에서 놓치기 쉽다. 발생원인, 3대 요인, 예열 등 방지대책은 시험에서 반복해 다뤄지는 주제이므로 정의와 원리를 정확히 익혀 두어야 한다.

출제 이력: 제135회 4교시 2번, 제134회 4교시 5번, 제129회 1교시 6번, 제126회 4교시 4번, 제125회 4교시 4번, 제114회 3교시 6번, 제111회 4교시 6번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

수소유기균열은 용접부에 들어간 확산성 수소가 경화조직과 잔류응력에 의해 저온에서 발생하는 지연균열이다.

수소유기균열은 용접 열영향부(HAZ)나 용접금속에서 생기는 균열 가운데 수소가 직접 원인이 되는 대표적인 형태이다. 고온에서 응고 과정에 생기는 고온균열과 달리 용접이 끝나고 온도가 충분히 내려간 뒤에 나타나므로 저온균열의 한 종류로 분류한다. 발생 시점이 용접 직후부터 상당 시간이 지난 뒤까지 늦춰질 수 있어 지연균열이라고도 부른다. 발생 위치는 열영향부의 토(toe) 부분이 가장 많고, 비드 아래나 루트 부분에서도 나타난다. 필릿용접에서는 균열이 용접선과 대체로 평행하게 진행하고, 맞대기용접에서는 용접 방향에 직각으로 진행하는 경우가 많다.

핵심 키워드는 다음과 같다.

• 수소유기균열(HIC): 수소가 원인이 되어 저온에서 생기는 균열의 정식 명칭이다. 답안 첫 줄에서 용어를 먼저 밝힌다.
• 확산성 수소: 상온에서도 금속 격자 안을 이동할 수 있는 수소이다.
• 경화조직: 냉각속도가 빨라 생긴 마르텐사이트 등 경도가 높고 취성이 큰 조직이다.
• 잔류응력: 용접 후 구속으로 남는 인장 성분의 응력이다.
• 저온균열: 수소유기균열이 속하는 상위 분류이다.
• 지연균열: 용접 후 시간이 지나 나타나는 균열을 가리키는 말이다.
• 탄소당량: 강의 화학성분이 경화에 미치는 영향을 탄소량으로 환산한 지표이다.
• 예열: 용접 전에 모재를 가열하여 냉각속도를 늦추고 수소를 방출시키는 조치이다.

2. 개념 풀이

수소유기균열은 용접 중 용융지에 녹아 든 수소가 응고 후 열영향부에 모이고, 그곳의 경화조직에 작용하는 인장응력과 결합하여 저온에서 생기는 균열이다. 정의는 수소, 조직, 응력, 온도의 네 조건을 함께 담고 있다.

원리는 다음과 같다. 용접금속은 액체 상태에서 수소 용해도가 고체보다 훨씬 커서 수소가 용융지로 모인다. 응고가 끝나면 수소의 일부는 대기 중으로 방출되지만, 나머지는 농도가 낮은 열영향부로 이동한다. 열영향부는 급랭되어 경화조직이 되고, 이 조직 속 수소가 결정립계나 개재물 주변에 모이면서 잔류응력과 함께 균열을 연다. 수소가 격자 안에서 기체 수소로 재결합하여 내부 압력을 만드는 것도 균열을 진전시키는 요인으로 설명된다.

수소유기균열의 3대 요인은 확산성 수소, 경화조직, 인장응력이다. 세 요인이 동시에 갖춰져야 균열이 생기므로 세 요인 중 하나만 제거해도 균열은 발생하지 않는다. 방지대책은 이 세 요인을 각각 줄이는 방향으로 짜여 있다.

세 요인에 냉각 조건이 더해져야 한다. 수소는 150°C 이상의 고온에서는 조직 안에서 쉽게 확산되어 빠져나가므로 균열이 잘 생기지 않는다. 반대로 150°C 이하로 냉각되면 수소의 확산이 크게 느려져 조직 안에 고립되고, 그 상태에서 균열이 발생한다. 즉 저온 조건은 수소가 고립되는 시점을 정하는 역할을 한다.

경화조직이 생기기 쉬운 정도는 강의 화학성분으로 평가하며, 그 대표 지표가 탄소당량이다. 널리 쓰이는 탄소당량 식은 다음과 같다.

$C_{eq} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$

여기서 C, Mn 등은 각 원소의 질량 백분율(%)이다. 탄소당량이 높을수록 경화능이 커져 용접 열영향부가 쉽게 경화되므로 용접성이 떨어진다.

3. 등장 배경과 필요성

고장력강은 같은 하중을 견디는 데 필요한 두께를 줄일 수 있어 교량, 건축 구조물, 압력용기, 선박, 해양구조물, 파이프라인 등에 널리 쓰인다. 강도를 높이기 위해 탄소와 크롬, 몰리브덴, 바나듐 같은 합금원소를 더하면 경화능이 커져 열영향부가 쉽게 경화된다. 강도를 얻은 만큼 용접 열영향부의 저온균열 감수성도 함께 커지는 구조이다.

고장력강에서 저온균열이 문제가 되는 배경은 보통강보다 탄소당량이 높아 용접 중 경화되기 쉽다는 점이다. 그래서 설계·시공 기준은 최소 예열온도, 층간온도 제한, 입열량 제한을 규정하여 경화와 수소 고립을 동시에 억제한다. 이 기준값은 강종, 판 두께, 탄소당량, 용접 방법에 따라 달라지므로 강재 성분을 기준으로 조건을 정하는 것이 원칙이다.

판 두께가 두꺼울수록 용접부의 구속도가 커져 인장응력이 높아진다. 따라서 후판 구조물일수록 수소유기균열의 위험이 커지며, 구속이 큰 이음부에서는 예열과 수소 관리의 필요성이 더 높아진다.

수소유기균열은 균열이 열영향부나 용접 루트에 숨어 있어 외관 검사로는 찾기 어렵다. 게다가 용접 후 상당 시간이 지난 뒤 나타날 수 있어 구조물이 사용 중에 갑자기 파손되는 원인이 된다. 따라서 수소유기균열은 사후에 찾아내기보다 시공 단계에서 원인을 차단하는 것이 가장 효과적이다. 그래서 용접 시공 기준은 발생원인과 방지대책을 함께 다룬다.