소재 선정은 엔지니어링 설계에서 주요 부식 제어 방법입니다. 프로젝트 비용의 효과적인 추정, 건설 일정, 안전한 운영에 중요한 역할을 합니다.
소재 선정의 기본 개념에는 다음이 포함됩니다:
산업에는 많은 엔지니어링 소재가 있습니다. 여기에서는 가장 일반적인 것들의 특성을 살펴보겠습니다.
탄소강은 2% 미만의 탄소를 함유한 철 기반 금속 계열을 말합니다. 탄소강은 제작 용이성, 저비용, 가용성, 고강도 덕분에 가장 많이 사용되는 소재입니다. 탄소강은 구조 부품부터 고압 장비까지 광범위한 응용 분야에 사용됩니다.
크롬, 몰리브덴, 바나듐, 니오븀을 소량 합금화한 탄소강은 저합금강으로 간주됩니다. 합금 원소는 미세 구조에서 탄화물을 형성하여 고온에서 소재의 강도와 신뢰성을 증가시킵니다(발전소 보일러 등).
영하 온도에서 탄소강은 인성이 낮아지므로 니켈을 첨가하여 인성을 유지합니다. 더 많은 니켈 양으로 더 낮은 온도 범위가 가능해지며, 특히 액화 천연가스(LNG) 및 액화 석유가스(LPG) 장비의 취성 파손을 방지하기 위한 액체 가스 응용 분야에 중요합니다.
주철은 2% 이상의 탄소를 함유한 철 기반 금속입니다. 저렴하고 탄소 함량을 줄이기 위한 추가 처리가 필요하지 않습니다. 그러나 부서지기 쉽고 용접성이 제한적입니다. 물 펌프와 파이프의 비중요 부품에 사용되며, 탄소강과 유사한 내식성을 가집니다. 회주철과 구상흑연/덕타일 주철이 가장 일반적인 주철 유형입니다.
스테인리스 강은 니켈, 몰리브덴, 질소와 결합하여 최소 11%의 크롬을 함유한 강철 유형입니다. 스테인리스 강은 다양한 에너지, 화학, 석유화학 산업에서 부식성 환경에 신뢰성 있게 사용됩니다. 합금 함량과 미세 구조에 따라 여러 유형의 스테인리스 강이 있습니다.
참고: 스테인리스 강 소개
페라이트 스테인리스 강
페라이트 스테인리스 강은 가장 경제적인 유형이며 니켈 함량이 매우 낮습니다. 민감화에 취약하고 용접이 어려워 비용접 부품에 사용됩니다. 중간 수준의 내식성에도 불구하고 페라이트 스테인리스 강은 염화물 보조 응력 부식 균열(SCC)에 강합니다.
마르텐사이트 스테인리스 강
마르텐사이트 스테인리스 강은 낮은 니켈 함량을 가지며 페라이트 스테인리스 강과 유사한 용도 범위를 가집니다. 높은 강도를 가지며 많은 파이프라인이 마르텐사이트 스테인리스 강으로 제작됩니다. 높은 경도로 인해 침식에 대비하여 선호됩니다.
오스테나이트 스테인리스 강
오스테나이트 스테인리스 강은 산업에서 가장 일반적으로 사용되는 스테인리스 강입니다. 더 높은 니켈로 좋은 내식성을 가지며 쉽게 제작할 수 있습니다. 환경의 부식성에 따라 선택할 수 있는 다양한 등급의 오스테나이트 스테인리스 강이 있습니다. 일부 저합금 등급은 염화물 SCC에 대한 저항성이 낮습니다. 오스테나이트 스테인리스 강은 극저온 응용 분야에 광범위하게 사용됩니다.
참고: 오스테나이트 스테인리스 강에 대해 알아야 할 12가지
이중(듀플렉스) 스테인리스 강
듀플렉스 스테인리스 강은 페라이트와 오스테나이트의 이중 미세 구조를 가지며 결합된 특성을 가집니다. 높은 강도와 매우 좋은 내식성을 가지며, 특히 염화물 보조 SCC에 강해 해양 응용 분야에 적합합니다. 그러나 듀플렉스 스테인리스 강은 페라이트 상의 낮은 강도를 물려받습니다.
석출 경화 스테인리스 강
석출 경화 스테인리스 강은 열처리에 따라 오스테나이트, 반오스테나이트, 마르텐사이트 미세 구조에서 높은 강도와 인성을 가집니다. 좋은 용접성을 가지지만 용도가 제한적입니다(고성능 스프링 등).
합금은 서로 다른 금속을 결합하여 다양한 특성을 허용합니다. 여기에는 가장 일반적인 합금과 그 핵심 특성이 있습니다.
니켈 합금은 일반적으로 몰리브덴과 결합하여 첨가되는 높은 니켈 함량으로 인해 뛰어난 내식성을 가지지만 비쌉니다. 하스텔로이(Hastelloy), 인콜로이(Incoloy), 모넬(Monel) 등 브랜드명으로 지정된 많은 유형의 니켈 합금이 있습니다. 이 이름들은 만료된 특허에 관련되지만 명명 유산은 남아 있습니다. 니켈 합금은 염화물 보조 SCC와 황화물 보조 SCC에 강합니다.
웨비나: 니켈 합금의 내식성
알루미늄 합금은 우수한 강도-중량비와 좋은 내식성을 가집니다. 그러나 철 기반 금속과 접촉할 때 갈바닉 부식에 취약합니다. 알루미늄은 낮은 융점을 가지므로 알루미늄 합금의 응용은 저온 용도로 제한됩니다. 뛰어난 열 성능과 연성 유지로 인해 알루미늄 합금은 LNG 산업의 열교환기와 같은 극저온 응용 분야에 사용됩니다.
구리 합금은 해수 환경과 열교환기에 일반적으로 사용됩니다. 특히 미세 파울링과 정체 조건으로 인한 국부 부식, 과도한 유동 관련 부식에 대해 높은 바이오파울링 저항성을 가집니다. 일부 구리 합금은 암모니아를 포함하는 환경에서 SCC에 취약합니다.
티타늄 합금은 우수한 강도-중량비와 고염화물 환경에서 높은 내식성을 가집니다. 그러나 비싸고 제작이 어렵습니다. 비합금 티타늄은 산업에서 일반적으로 사용되며 다른 티타늄 등급보다 경제적입니다.
참고: 티타늄 부식에 대해 알고 이해해야 할 5가지
부서지기 쉬운 특성 때문에 높은 내식성에도 불구하고 세라믹은 압력 용기 장비에 사용되지 않습니다. 세라믹은 고온 장비와 부품(내화물 등)에 사용되며 마모 방지용으로 사용됩니다. 내화물용 세라믹은 일반적으로 알루미늄, 마그네슘, 실리콘 산화물의 조합으로 구성됩니다. 내마모성용으로는 탄화물이나 질화물로 구성됩니다.
폴리머는 열가소성, 열경화성, 엘라스토머로 사용됩니다. 대부분의 폴리머는 많은 내식성 합금보다 훨씬 더 내식성이 뛰어납니다. 그러나 폴리머는 낮은 강도, 낮은 융점, 제한된 자외선 저항성을 가집니다. 부식성 고압 응용 분야에서 폴리머는 금속 표면의 내식성 라이너로 사용될 수 있습니다. HDPE, PVC, PTFE는 열가소성의 예이지만 같은 그룹에 속해도 서로 다른 특성과 응용 분야를 가집니다. 열경화성 수지는 일반적으로 고체 소재로 사용되지 않고 코팅이나 복합재의 매트릭스로 사용됩니다. 엘라스토머는 독특한 기계적 특성을 가지며 많은 가압 응용 분야에서 씰링 구성 요소로 사용됩니다.
참고: 폴리머 소재의 부식
복합재는 두 가지 이상의 소재를 결합하여 둘 다의 특성을 달성함으로써 특정 응용 분야에 최적의 특성을 얻습니다. 산업에서 가장 일반적인 복합재는 폴리머 매트릭스의 유리 섬유 강화와 콘크리트 매트릭스의 강철 강화입니다. 섬유는 높은 강도를 주고 매트릭스는 인성을 주어 응력을 균일하게 분배합니다. 강화 섬유는 유리, 금속, 탄소, 아라미드와 같은 다른 폴리머로 만들 수 있습니다. E-유리는 일반적으로 사용되는 섬유이며, 화학적 저항성을 위한 C-유리나 피로 저항성을 위한 R-유리 등 다른 유형의 유리도 있습니다. 열경화성 폴리머는 제조가 쉽고 좋은 기계적 및 내식성 특성을 가지는 일반적으로 사용되는 복합재 매트릭스입니다. 열가소성 폴리머는 열경화성 폴리머만큼 일반적으로 사용되지 않으며 높은 연성을 위해 스풀러블 파이프에 사용되는 경향이 있습니다.
강철 강화 콘크리트는 중요한 구조 소재이며, 해수 및 폐수와 같은 부식성 환경에서 강철 부식이 발생합니다. 코팅, 음극 보호, 스테인리스 강 사용이 부식을 완화하는 데 사용됩니다.
일반적으로 소재에 대해 고려되는 주요 요소에는 다음이 포함되지만 이에 국한되지 않습니다:
하중 지지 응용 분야의 경우 기계적 특성을 확인하여 구조적 무결성을 보장합니다. 엔지니어링 소재의 기계적 특성은 미세 구조, 화학 조성, 제조 공정에 따라 크게 다릅니다. 종류는 ASTM, ISO, JIS와 같은 관리 기관에 의해 국제적 또는 지역적으로 표준화됩니다. 기본 기계적 특성에는 다음이 포함되지만 이에 국한되지 않습니다:
이 특성은 일반적으로 제조 공정의 시편 파괴 시험에서 얻으며 결과는 소재 인증서에 명시됩니다. 그러나 구매자와 제조업체 간의 분쟁을 피하기 위해 전문적인 기계적 시험이 미리 수행됩니다.
소재는 환경 유도 반응인 부식에 의해 시간이 지남에 따라 저하됩니다. 환경 부식성은 환경의 성격, 선택된 소재, 응용 분야에 따라 다릅니다. 소재는 응용 분야 수명 동안 신뢰성과 안전한 작동을 보장하기 위해 적절하게 선정되어야 합니다.
부식은 대기, 토양, 물, 화학 물질, 오일 및 가스, 미생물에 의해 유도될 수 있으며, 다른 부식제에 의해 다른 유형의 부식이 발생합니다. 부식 완화를 위한 소재 선정에는 일반적으로 다음이 사용됩니다:
부식 다이어그램/차트는 실험실 시험 및/또는 현장 성능으로부터의 데이터 수집을 기반으로 합니다. 수집된 데이터는 실험실 시험 또는 현장 시험에서 연구된 매개변수를 기반으로 합니다.
부식 모델은 경험적 공식을 기반으로 부식률을 예측하는 데 사용됩니다. 모델은 입력 매개변수가 입력된 독점 소프트웨어 프로그램이나 엑셀 시트 형태로 사용됩니다. CO₂ 부식, 산소 부식, 균열 성장률 모델이 있습니다. 모델의 정확도는 다양할 수 있습니다. 모든 부식 매개변수가 모델에 포함될 수 없기 때문입니다. 모델은 실험적으로 얻은 데이터로부터 경험적으로 생성됩니다.
화학적 적합성 표 또는 차트는 응용 분야의 환경 조건과 선택된 소재 간의 적합성을 결정하기 위한 정성적 도구입니다. 일부 상황에서는 선택된 소재의 적합성을 더 잘 결정하기 위해 추가 조사와 시험이 필요합니다.
실험실 시험은 시뮬레이션된 환경 조건에서 선택된 소재의 성능을 평가하기 위해 분석 데이터가 필요한 경우에 수행됩니다. 환경 조건, 실험실 설정, 실험 조건은 실험실 환경에서 표준화되어 효과적이고 적합한 소재 선정을 위한 매개변수를 나타내는 데이터가 얻어지도록 합니다.
일부 가공 기술은 독점적이며 노하우 계약은 라이선스 제공자가 소유합니다. 라이선스 제공자가 선택한 소재는 종종 보증 목적을 위한 최소 요건을 나타냅니다.
실제 경험으로부터의 운영 피드백은 실시간 현장 기반 데이터를 제공하므로 가치가 있습니다. 이력 데이터 수집(운영 매개변수 변경, 소재 인증서, 용접 절차 사양(WPS)/절차 자격 기록(PQR), 검사 보고서, 파손 분석 보고서 등)은 적합한 소재 선정을 보장하는 데 필수적입니다.
비용은 소재 선정에 있어 주요 고려 사항이며, 자본 지출(CAPEX)과 운영 비용(OPEX)의 균형이 중요합니다. 소재 및 부식 엔지니어는 예산 및 비용 고려 사항뿐만 아니라 성능을 충족하는 소재를 선택해야 합니다. CAPEX의 중요성은 선정된 벌크 소재뿐만 아니라 제작 공정과 제품 형태에도 있습니다. OPEX의 영향은 부식된 소재의 수리 및 교체, 부식 제어, 부식 모니터링, 부식 억제제 주입에 있습니다. 탄소강 사용은 낮은 CAPEX지만 높은 OPEX일 수 있으며, 스테인리스 강 사용은 그 반대의 영향을 미칩니다.
소재 가용성도 프로젝트 일정과 관련하여 중요한 역할을 합니다. 예를 들어 독점 소재 사용은 공급업체 제한, 소량, 최소 주문 수량을 요구할 수 있는 재고 등으로 인해 평소보다 배송이 더 오래 걸릴 수 있으며, 이는 비용을 증가시킬 수 있는 상황입니다.
제작이 어려운 소재는 초기에 계획되지 않으면 프로젝트 일정에 상당한 영향을 미칠 수 있습니다. 특히 대량으로 사용될 때 그렇습니다. 예를 들어, 용접 후 열처리(PWHT)가 필요한 소재는 오일 및 가스 시설에서 수천 개의 용접부가 필요할 수 있으며, PWHT 요건을 수용하기 위해 수천 명의 인시가 필요할 수 있습니다. 용접이 어려운 소재는 용접 속도를 늦추고 수리율을 높일 수 있습니다.
소재 선정은 다양한 엔지니어링 분야 간의 협력뿐만 아니라 파손 취약성과 부식 제어 방법에 대한 이해를 요구하는 복잡한 절차를 포함합니다.
복합재료
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