재료 선택에 대한 심층 분석

재료 선택은 엔지니어링 설계의 주요 부식 제어 방법입니다. 프로젝트 비용, 건설 일정 및 안전한 운영의 효과적인 추정에 역할을 합니다.

재료 선택의 기본 개념은 다음과 같습니다.

자료 유형 :선택할 수 있는 광범위한 자료를 다룹니다.
재료 속성 :이것은 특정 응용/용도에 대한 요구 사항을 충족하는 기계적, 물리적 및 내식성 특성을 검사하는 것과 관련이 있습니다.
물질 경제학: 이는 다양한 재료의 소유, 자본, 유지 관리 및 운영 비용과 관련이 있습니다.

일반 자료 개요

업계에는 많은 엔지니어링 재료가 있습니다. 여기에서 가장 일반적인 속성 중 일부를 살펴보겠습니다.

탄소강

탄소강은 탄소가 2% 미만인 철 기반 금속 계열을 나타냅니다. 탄소강은 제조 용이성, 저렴한 비용, 가용성 및 높은 강도 덕분에 가장 많이 사용되는 재료입니다. 탄소강은 구조 부품에서 고압 장비에 이르기까지 다양한 용도로 사용됩니다.

크롬, 몰리브덴, 바나듐 및 니오븀이 약간 첨가된 합금 탄소강은 저합금강으로 간주됩니다. 합금 원소는 미세 구조에서 탄화물을 형성하여 발전소 보일러와 같은 고온에서 재료의 강도와 신뢰성을 높입니다.

영하의 온도에서 탄소강은 인성이 떨어지므로 인성을 유지하기 위해 니켈이 첨가됩니다. 니켈 함량이 높을수록 낮은 온도 범위가 증가하며 특히 액화 천연 가스(LNG) 및 액화 석유 가스(LPG) 장비의 취성 골절을 방지하기 위한 액체 가스 응용 분야의 경우가 그렇습니다.

주철

주철은 탄소가 2% 이상 함유된 철 기반 금속입니다. 가격이 저렴하고 탄소 함량을 줄이기 위한 추가 처리가 필요하지 않습니다. 그러나 부서지기 쉽고 용접성이 제한됩니다. 수도 펌프 및 파이프의 중요하지 않은 부품에 사용되며 탄소강과 유사한 내식성을 가지고 있습니다. 회주철과 구상흑연주철은 가장 일반적인 유형의 주철입니다.

스테인리스 스틸(SS)

스테인리스강은 니켈, 몰리브덴 및 질소와 함께 크롬이 11% 이상 함유된 강철 유형입니다. 스테인리스강은 다양한 에너지, 화학 및 석유화학 산업의 부식성 환경에서 안정적으로 사용됩니다. 합금 함량과 미세 구조에 따라 여러 유형의 스테인리스강이 있습니다.

읽기: 스테인리스강 소개

페라이트계 스테인리스강
페라이트계 스테인리스강은 가장 경제적인 유형이며 니켈 함량이 매우 낮습니다. 감도에 민감하고 용접이 어려우므로 용접되지 않은 부품에 사용됩니다. 중간 정도의 내식성에도 불구하고 페라이트계 스테인리스강은 염화물 보조 응력 부식 균열(SCC)에 내성이 있습니다.

마르텐사이트 스테인리스강
마르텐사이트계 스테인리스강은 니켈 함량이 낮으며 페라이트계 스테인리스강과 유사한 용도로 사용됩니다. 그들은 강도가 높으며 마르텐사이트 스테인리스강으로 제작된 많은 파이프라인이 있습니다. 높은 경도로 인해 부식 방지용으로 선호됩니다.

오스테나이트계 스테인리스강
오스테나이트계 스테인리스강은 산업계에서 가장 일반적으로 사용되는 스테인리스강입니다. 더 높은 니켈을 사용하면 내식성이 우수하고 쉽게 제작할 수 있습니다. 환경의 부식성에 따라 선택할 수 있는 다양한 등급의 오스테나이트계 스테인리스강이 있습니다. 일부 낮은 합금 등급은 염화물 SCC에 대한 내성이 낮습니다. 오스테나이트계 스테인리스강은 극저온 응용 분야에서 광범위하게 사용됩니다.

읽기: 오스테나이트계 스테인리스강에 대해 알아야 할 12가지 사항

이중 스테인리스강
이중 스테인리스강은 결합된 특성과 함께 페라이트계 및 오스테나이트계의 이중 미세 구조를 가지고 있습니다. 특히 염화물 보조 SCC에 대해 강도가 높고 내부식성이 매우 우수하여 해양 분야에서 사용하기에 적합합니다. 그러나 이중 스테인리스강은 페라이트 상의 낮은 강도를 상속합니다.

석출 경화 스테인리스강
석출 경화 스테인리스강은 열처리에 따라 오스테나이트, 반오스테나이트 또는 마르텐사이트 미세 조직에서 높은 강도와 인성을 갖습니다. 용접성은 우수하지만 고성능 스프링과 같이 적용 범위가 제한적입니다.

합금

합금은 다른 금속을 결합하여 다른 특성을 허용합니다. 다음은 가장 일반적인 합금과 주요 특성입니다.

니켈 합금

니켈 합금은 내식성이 탁월하지만 일반적으로 몰리브덴과 같은 다른 합금 원소와 함께 첨가되는 니켈 함량이 높기 때문에 가격이 비쌉니다. Hastelloy, Incoloy, Monel 등과 같이 브랜드 이름으로 지정된 많은 유형의 니켈 합금이 있습니다. 이러한 이름은 만료된 특허와 관련이 있지만 이름 지정 유산은 남아 있습니다. 니켈 합금은 염화물 보조 SCC 및 황화물 보조 SCC에 내성이 있습니다.

웹 세미나: 니켈 합금의 내식성

알루미늄 합금

알루미늄 합금은 강도 대 중량비가 우수하고 내식성이 우수합니다. 그러나 철 기반 금속과 접촉하면 갈바닉 부식에 취약합니다. 알루미늄은 녹는점이 낮기 때문에 알루미늄 합금의 적용은 저온용으로 제한됩니다. 알루미늄 합금은 우수한 열 성능과 연성 유지로 인해 LNG 산업의 열교환기와 같은 극저온 응용 분야에 사용됩니다.

구리 합금

구리 합금은 일반적으로 해수 환경 및 열교환기에 사용됩니다. 그들은 생물 오손, 특히 미세 오손에 대한 저항성이 높고 국부적인 부식뿐만 아니라 과도한 흐름과 관련된 부식을 유발할 수 있는 정체 상태를 가지고 있습니다. 일부 구리 합금은 암모니아가 포함된 환경에서 SCC에 취약합니다.

티타늄 합금

티타늄 합금은 높은 염화물 환경에서 좋은 강도 대 중량 비율과 높은 내식성을 가지고 있습니다. 그러나 그들은 비싸고 제조하기가 어렵습니다. 비합금 티타늄은 산업계에서 일반적으로 사용되며 다른 티타늄 등급보다 경제적입니다.

읽기: 티타늄 부식에 대해 알아야 할 5가지 사항

도자기

부서지기 쉬운 특성과 높은 내식성에도 불구하고 세라믹은 압력을 유지하는 장비에 사용되지 않습니다. 세라믹은 내화물과 같은 고온 장비 및 부품 및 마모 방지용으로 사용됩니다. 내화물용 세라믹은 일반적으로 알루미늄, 마그네슘 및 실리콘 산화물의 조합으로 구성됩니다. 내마모성을 위해 세라믹은 탄화물 또는 질화물로 구성됩니다.

폴리머

폴리머는 열가소성 수지, 열경화성 수지 및 엘라스토머로 사용됩니다. 대부분의 폴리머는 내식성이 매우 높으며, 많은 내식성 합금보다 훨씬 더 강력합니다. 그러나 폴리머는 강도가 낮고 융점이 낮으며 UV 저항성이 제한적입니다. 부식성 고압 응용 분야에서 폴리머는 금속 표면의 부식 방지 라이너에 사용할 수 있습니다. HDPE, PVC 및 PTFE는 열가소성 수지의 예이지만 동일한 그룹에 있음에도 불구하고 특성과 용도가 다릅니다. 열경화성 물질은 일반적으로 고체 재료로 사용되지 않고 오히려 코팅 또는 복합 재료의 매트릭스로 사용됩니다. 엘라스토머는 고유한 기계적 특성을 가지며 많은 가압 응용 분야에서 구성 요소를 밀봉하는 데 사용됩니다.

읽기: 고분자 물질의 부식

컴포지트

복합 재료는 둘 이상의 특성을 모두 달성하고 특정 응용 분야에 대한 최적의 특성을 달성하기 위해 둘 이상의 재료를 조합한 것입니다. 업계에서 가장 일반적인 복합 재료는 폴리머 매트릭스로 강화된 유리 섬유와 콘크리트 매트릭스로 강화된 강철을 결합합니다. 섬유는 높은 강도를 제공하고 매트릭스는 인성을 제공하여 응력을 균일하게 분배합니다. 강화 섬유는 유리, 금속, 탄소 및 아라미드와 같은 기타 폴리머로 만들 수 있습니다. E-유리는 일반적으로 사용되는 섬유이며 내화학성을 위한 C-유리 또는 피로 저항을 위한 R-유리와 같이 다양한 용도에 적합한 다른 유형의 유리가 있습니다. 열경화성 폴리머는 일반적으로 사용되는 복합 매트릭스로 제조가 쉽고 기계적 및 내식성이 우수합니다. 열가소성 폴리머는 열경화성 폴리머만큼 일반적으로 사용되지 않으며 높은 연성 때문에 스풀링 가능한 파이프에 사용되는 경향이 있습니다.

철근콘크리트는 중요한 구조재로서 해수, 폐수 등의 부식성 환경에서 철강의 부식이 발생한다. 부식을 완화하기 위해 코팅, 음극 보호 및 스테인리스강 사용이 사용됩니다.

자재 선택 시 고려해야 할 요소

일반적으로 재료에 대해 고려되는 주요 요소는 다음을 포함하지만 이에 국한되지 않습니다.

기계적 특성
부식 특성
총 소유 비용
가용성
손쉬운 제작

하중을 지지하는 애플리케이션의 경우 구조적 무결성을 보장하기 위해 기계적 특성을 확인합니다. 엔지니어링 재료의 기계적 특성은 미세 구조, 화학 성분 및 제조 공정에 따라 크게 다릅니다. 품종은 ASTM, ISO 또는 JIS와 같은 관리 기관에 의해 국제적으로 또는 지역적으로 표준화됩니다. 기본 기계적 특성에는 다음이 포함되지만 이에 국한되지는 않습니다.

인장 강도
충격 에너지
신율
경도
피로
파괴 인성
크립
특정 애플리케이션에 따른 기타 요인

특성은 일반적으로 제조 공정에서 샘플의 파괴 테스트를 통해 얻어지며 그 결과는 재료 인증서에 명시되어 있습니다. 그러나 구매자와 제조업체 간의 분쟁을 피하기 위해 사전에 전문적인 기계적 테스트를 수행합니다.

재료는 부식이라고 하는 환경 유발 반응에 의해 시간이 지남에 따라 열화됩니다. 환경 부식성은 환경의 특성, 선택한 재료 및 응용 분야에 따라 다릅니다. 사용 기간 동안 신뢰성과 안전한 작동을 보장하려면 재료를 적절하게 선택해야 합니다.

부식은 대기, 토양, 물, 화학 물질, 오일 및 가스, 미생물 및 다양한 부식을 일으키는 다양한 부식제에 의해 유발될 수 있습니다. 부식 완화를 위한 재료 선택은 일반적으로 다음을 사용합니다.

열역학적 부식 도표/차트
부식 모델
화학적 호환성 표
실험실 테스트(전위 역학 분극, 침지, 전기화학적 임피던스 분광법, 응력 부식 균열)
기술 라이선스 제공자 권장 사항
운영 피드백

열역학적 부식 도표/차트

부식 도표/차트는 실험실 테스트 및/또는 현장 성능에서 수집한 데이터를 기반으로 합니다. 수집된 데이터는 실험실 테스트 또는 현장 테스트에서 연구된 매개변수를 기반으로 합니다.

부식 모델

부식 모델은 실험 공식을 기반으로 부식 속도를 예측하는 데 사용됩니다. 모델은 독점 소프트웨어 프로그램의 형태로 사용되거나 입력 매개변수가 입력된 Excel 시트에서 사용됩니다. CO₂용 모델이 있습니다. 부식, 산소 부식 및 균열 성장 속도. 모든 부식 매개변수가 실험적으로 얻은 데이터에서 경험적으로 생성된 모델에 포함될 수 있는 것은 아니기 때문에 모델의 정확도는 다양할 수 있습니다.

화학물질 적합성 표

화학적 호환성 표 또는 차트는 환경 조건과 응용 분야에 대해 선택한 재료 간의 호환성을 결정하는 데 사용되는 정성적 도구입니다. 어떤 상황에서는 선택한 재료의 호환성을 더 잘 결정하기 위해 추가 조사와 테스트가 필요합니다.

실험실 테스트

실험실 테스트는 시뮬레이션된 환경 조건에서 선택한 재료의 성능을 평가하기 위해 분석 데이터가 필요한 경우에 수행됩니다. 환경 조건, 실험실 설정 및 실험 조건은 얻은 데이터가 효과적이고 적합한 재료 선택에 사용되는 매개변수를 나타내도록 표준화된 실험실 환경에 배열됩니다.

기술 라이선스 제공자 권장 사항

일부 처리 기술은 독점이며 노하우 배열은 라이선스 제공자가 소유합니다. 라이선스 제공자가 선택한 자료는 종종 보증 목적을 위한 최소 요구 사항을 나타냅니다.

운영 피드백

실제 경험에서 얻은 운영 피드백은 실시간 현장 기반 데이터를 제공하므로 가치가 있습니다. 이력 데이터 수집(작동 매개변수 변경, 재료 인증서, 용접 절차 사양(WPS)/절차 적격성 기록(PQR), 검사 보고서, 실패 분석 보고서 등)은 적절한 재료 선택을 보장하는 데 중요합니다.

자재 선택 결정 비용 평가

비용은 재료 선택에 있어 가장 중요한 고려 사항이며 자본 지출(CAPEX)과 운영 비용(OPEX)의 균형이 중요합니다. 재료 및 부식 엔지니어는 성능은 물론 예산과 비용을 고려하여 재료를 선택해야 합니다. CAPEX의 중요성은 선택한 벌크 재료뿐만 아니라 제조 공정 및 제품 형태에도 있습니다. OPEX의 영향은 부식된 재료의 수리 및 교체, 부식 제어, 부식 모니터링 및 부식 억제제 주입에 있습니다. 탄소강을 사용하면 CAPEX는 낮지만 OPEX는 높을 수 있으며 스테인리스강을 사용하면 각각 반대 방향으로 영향을 미칩니다.

재료 가용성은 특히 프로젝트 일정과 관련하여 중요한 역할을 합니다. 예를 들어 독점 자재를 사용하는 경우 공급업체와 관련된 제한, 소량 또는 최소 주문량이 필요한 재고로 인해 비용이 증가할 수 있는 상황에서 배송이 평소보다 더 오래 걸릴 수 있습니다.

제작하기 어려운 자재는 특히 대량으로 사용되는 경우 조기에 계획하지 않으면 프로젝트 일정에 상당한 영향을 미칠 수 있습니다. 예를 들어, 용접 후 열처리(PWHT)가 필요한 재료는 PWHT 요구 사항을 수용하기 위해 수천 시간의 인력뿐만 아니라 석유 및 가스 시설에서 수천 개의 용접물이 필요할 수 있습니다. 용접이 어려운 재료는 용접 속도를 늦추고 수리율을 높일 수 있습니다.