ASTM A249 TP316H 열처리 스테인리스강 - 고온 크리프 강도용 오스테나이트계 강관
개요
ASTM A249 TP316H는 고온 열교환기, 보일러, 과열기 튜브용 오스테나이트계 스테인리스강 강관 규격에서 고온 크리프 강도를 위해 탄소 함량을 0.04~0.10%로 조정한 H-그레이드(High Carbon) 316 강종입니다. 몰리브덴 2~3% 함유로 304H 대비 고온 강도와 내식성(특히 염화물 환경 점식/틈새 부식)이 우수합니다.
화학 조성
| 원소 | 함량 (%) |
| 탄소 (C) | 0.04~0.10 |
| 크롬 (Cr) | 16.0~18.0 |
| 니켈 (Ni) | 10.0~14.0 |
| 몰리브덴 (Mo) | 2.0~3.0 |
| 망간 (Mn) | 2.0 최대 |
| 실리콘 (Si) | 1.0 최대 |
| 인 (P) | 0.05 최대 |
| 황 (S) | 0.03 최대 |
| 질소 (N) | 0.10 최대 (일부 규격) |
H-그레이드 의미: 탄소 0.04% 이상으로 고온 크리프 파단 강도 확보. ASME BPVC에서 538°C(1000°F) 이상 사용 시 H-그레이드 필수.
기계적 특성 (상온, 23°C, 용체화 처리 후)
| 특성 | 값 | 비고 |
| 인장 강도 | 515 MPa 이상 | 최소값 |
| 항복 강도 | 205 MPa 이상 | 최소값 |
| 신율 (A50) | 35% 이상 | |
| 로크웰 B 경도 | 90 HRB 이하 | 최대값 |
| 비커스 경도 | 200 HV | 일반값 |
| 탄성 계수 | 195 GPa | |
| 전단 계수 | 77 GPa | |
| 푸아송 비 | 0.3 | |
물리적 특성
| 특성 | 값 (23°C 기준) |
| 밀도 | 7.9~8.2 g/cm³ |
| 열전도율 | 11~21 W/(m·K) |
| 비열 용량 | 440 J/(kg·K) |
| 열팽창 계수 | 1.7~1.9 × 10⁻⁵ 1/K |
| 용융점 | 1230~1480 °C |
| 전기 저항률 | 8.5 × 10⁻⁷ Ω·m |
열처리: 용체화 처리
- 온도: 1040~1120°C (통상 1065~1100°C)
- 냉각: 수냉 또는 강제 공랭 (두께 ≤ 3mm 공랭 가능)
- 목적: 탄화물(Cr₂₃C₆, Mo₂C) 완전 용해, δ-페라이트 제어, 오스테나이트 단일상, 내식성/크리프 강도 극대화
- 주의: 탄소 0.04% 이상으로 냉각 속도 느리면 입계 탄화물 석출 위험 → 급랭 필수
고온 크리프/파단 강도 (TP316H 핵심 데이터)
| 온도 (°C) | 10만 시간 크리프 파단 강도 (MPa) | ASME BPVC 허용 응력 (MPa) |
| 538 (1000°F) | ~140 | 96.5 (S) |
| 593 (1100°F) | ~80 | 55.2 |
| 649 (1200°F) | ~45 | 31.0 |
| 704 (1300°F) | ~25 | 17.2 |
| 760 (1400°F) | ~14 | 9.7 |
| 816 (1500°F) | ~8 | 5.5 |
※ ASME Section II Part D Table 1A 기준. TP304H 대비 전 온도 구간에서 20~30% 높은 크리프 강도 (Mo 효과).
고온 산화/내식성
- 산화 저항 (공기 중): 연속 ~925°C, 순환 ~870°C (310S보다 낮음)
- 염화물 환경 점식/틈새 부식: Mo 2~3%로 304H 대비 월등히 우수 (PREN ≈ 24~28)
- 황산/인산/아세트산 환경: 304H 대비 우수
- 응력 부식 균열(SCC): 고온 고농도 염화물/알칼리 환경에서 감수성 있음 → 응력 완화 열처리 권장
주요 용도
- 발전소: 초초임계압(USC) 보일러 과열기/재열기 튜브 (550~650°C)
- 석유화학: 고온 반응기 튜브, 열교환기 튜브 (부식+고온 복합)
- 폐열 회수 보일러(HRSG) 과열기 튜브
- 해수 담수화 플랜트: 고온 염수 열교환기 튜브 (Mo 효과)
- 화학 공정: 고온 유기산/할로겐산 환경 배관/튜브
- ASME B31.3 고온 배관, ASME BPVC 압력 용기 노즐/튜브
TP316H vs TP316L vs TP304H 비교
| 특성 | TP316H | TP316L | TP304H |
| 탄소 | 0.04~0.10% | ≤0.03% | 0.04~0.10% |
| 몰리브덴 | 2.0~3.0% | 2.0~3.0% | 없음 |
| 크리프 강도 (600°C) | 우수 | 낮음 | 보통 |
| 용접 후 입계부식 | 감수성 있음 | 저항 우수 | 감수성 있음 |
| 점식/틈새 부식 | 우수 (PREN~26) | 우수 | 보통 (PREN~19) |
| 최대 사용 온도 | 816°C (ASME) | 425°C (크리프 제한) | 816°C |
| 주 용도 | 고온 고압 튜브/배관 | 용접 구조물, 저온 배관 | 고온 배관 (비부식) |
용접 및 제작 가이드
- 용접재: ER316H (과매칭), ER316L (일반적, 크리프 강도 저하), ER309L (이종 금속)
- 예열: 불필요 (오스테나이트계)
- 층간 온도: ≤150°C (입계 탄화물 석출 방지)
- 후열처리(PWHT): 일반적으로 생략 (오스테나이트계). 단, SCC 방지나 치수 안정 위해 400~450°C 저온 응력 완화 가능 (크리프 강도 저하 주의)
- 용접 후 산세/패시베이션: 필수 (용접 열변색 제거, 내식성 회복)
적용 규격 및 품질 보증
ASTM A249/A249M, ASME SA-249, ASME BPVC Section II Part D (Table 1A). 필수: 화학 분석(C 0.04% 미만 불합격), 인장 시험, 평탄/플레어링/확관, 수압/ET/UT, 경도(≤90 HRB), 미시 조직(오스테나이트+δ-페라이트 0.5~5%), 입계 부식 시험(A262 Practice E, 선택), 크리프 시험(선택, 고온 설계 시).