재열균열

왜 배우는가: 재열균열은 HT-80강, Cr-Mo강 같은 고강도 저합금강 용접부에서 용접 후 열처리 중 생기는 대표적인 균열이다. 원인이 잔류응력, 구속도, 불순물 편석, 열처리 조건에 걸쳐 있어 여러 교시에 걸쳐 반복해 묻는 주제이다.

출제 이력: 제126회 1교시 9번, 제123회 3교시 2번, 제101회 4교시 4번, 제92회 2교시 3번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

재열균열은 재가열 시 잔류응력이 완화되면서 생긴 소성변형이 응력 집중부에 쌓여 발생하는 입계균열이다.

답안 첫 줄에는 이 정의를 쓰고, 아래 키워드를 본문에서 하나의 흐름으로 설명한다. 핵심 키워드는 다음과 같다.

• 재열균열(Reheat Cracking): 용접 후 재가열 과정에서 발생하는 균열이며 SR균열(Stress Relief Crack)이라고도 한다.
• 잔류응력: 용접 후 부재 안에 남아 있는 응력으로 재열균열의 구동력이 된다.
• 응력완화: 고온에서 응력이 시간에 따라 낮아지는 현상으로, 이 과정에서 소성변형이 함께 일어난다.
• 소성변형률: 항복 이후 영구적으로 남는 변형의 양이며, 응력 집중부에 쌓이면 균열의 출발점이 된다.
• 열영향부(HAZ): 용접 열을 받아 조직과 성질이 변한 모재 부분이다. 재열균열은 주로 이 부분의 조립역에서 시작된다.
• 용접 후 열처리(PWHT): 용접 뒤 잔류응력을 줄이기 위해 부재를 가열, 유지, 냉각하는 열처리이다.

이 여섯 용어는 원인, 조건, 발생 위치가 서로 이어지는 하나의 현상을 이룬다. 답안에서는 잔류응력이 응력완화와 함께 소성변형을 만들고, 그 변형이 열영향부 조립역에 쌓인다는 순서로 연결해 쓰는 것이 기본이다.

2. 개념 풀이

재열균열은 잔류응력이 존재하는 용접부가 용접 후 열처리 또는 후행 비드 용접에 의해 다시 가열될 때, 응력이 완화되면서 생긴 소성변형이 응력 집중부에 축적되어 발생하는 균열이다. 주로 HT-80강, Ni-Cr-Mo강, Cr-Mo강, Ni기 초합금 등 고강도 저합금강과 내열 합금에서 나타나며, 균열이 생기는 장소는 열영향부의 균열과 언더 클래드 비드 균열로 대별된다.

재열균열의 원리는 응력 완화와 변형 집중이 같은 자리에서 동시에 일어나는 데 있다. 가열되면 잔류응력은 풀리지만 구속된 부재는 완전히 변형되지 못하므로, 그 변형이 결정립 경계 근처에 몰린다. 이때 결정립 경계의 강도와 연성이 낮으면 변형을 견디지 못하고 균열이 생긴다. P, S, As, Pb 같은 불순물 원소가 많을수록 입계가 약해져 발생 가능성이 커진다.

재열균열의 발생 조건은 잔류응력, 구속도, 불순물 편석의 세 가지가 겹치는 것이다. 저합금강에서는 500~700°C 구간에서 주로 발생한다. 이 구간은 응력 완화가 활발하면서 열영향부의 크리프 연성이 떨어지는 온도대이다. 재열균열은 열처리 중에만 생기는 것이 아니라 고온 사용 중에도 같은 기구로 생길 수 있으므로 설계 온도 범위를 함께 고려해야 한다.

핵심 용어는 다음과 같이 풀이한다.

• 구속도: 용접부가 주변 구조물에 의해 변형을 억제받는 정도이다. 구속도가 클수록 잔류응력이 높아져 재열균열 가능성이 커진다.
• 크리프 연성: 고온에서 장시간 하중을 받을 때 변형을 견디는 능력이다. 열영향부의 크리프 연성이 낮으면 재열균열이 생긴다.
• 입계파괴: 균열이 결정립 경계를 따라 진행하는 파괴 형태이다. 재열균열의 파면은 대부분 이 형태를 보인다.

전파 경로도 중요한 특징이다. 균열은 열영향부 조립역의 구 오스테나이트 결정립 경계를 따라 진행하고, 인성이 큰 세립역에서 정지한다. 세립역에서는 거의 발생하지 않으므로 조립역의 조직 제어가 방지의 핵심이 된다.

3. 등장 배경과 필요성

재열균열이 공학적 문제로 부각된 배경은 고강도 저합금강과 내열강의 사용 확대이다. 이 강종들은 강도와 내열성을 얻기 위해 Cr, Mo, V 등의 합금원소를 첨가하며, 그 결과 용접 열영향부가 재가열에 민감해진다. 두꺼운 압력용기와 배관은 잔류응력을 줄이기 위해 용접 후 열처리를 거치는 경우가 많으므로, 열처리 자체가 균열을 만드는 조건이 되는 문제가 생겼다.

필요성은 설계와 시공 단계에서 미리 막아야 한다는 데 있다. 재열균열은 한번 발생하면 보수가 어렵고, 가동 중 고온에서 나타나면 설비 정지와 안전사고로 이어질 수 있다. 따라서 재료 선정, 불순물 관리, 용접 순서, 열처리 조건을 함께 관리해야 한다는 인식이 자리 잡았다.

재열균열은 열처리 재가열뿐 아니라 후행 비드 용접에 의한 재가열까지 포함하는 말로 쓰는 것이 정확하다. 열처리 중에 발생하는 경우를 특히 SR균열이라고 부른다. 재열균열 감수성은 재료 성분과 열처리 조건으로 결정되는 재료의 성질이므로, 같은 용접 조건에서도 강종에 따라 차이가 크다.