해양플랜트용 460 MPa급 후판강의 CGHAZ 조직변태기구 및 저온충격인성에 대한 연구

Abstract

최근 북극권의 자원개발 심화로 최근 북극 지역에서의 자원 탐사 및 개발로 최저 영하 60℃의 저온 환경에서 운영되는 해양플랜트의 수요가 증가하고 있다. 극지에서 운영되는 해양플랜트의 구조용 강재는 저온환경에서의 유빙 충돌 및 심해저의 높은 압력을 견디기 위해 높은 항복강도와 우수한 저온충격인성을 갖추는 한편, 용접성을 위해 낮은 탄소 당량이 요구된다. 또한 시설물의 효율적인 운용을 위해 시설물의 크기가 커져 더 두꺼운 두께의 강재를 사용을 요구하고 있다. 강재의 두께가 두꺼워질 수록 제조공정의 냉각공정에서 강의 표면부와 중심부 간의 온도 구배가 더 크게 형성되어, 두께 위치 별로 미세조직이 달라져 물성의 편차가 발생할 수 있다. 그리고 모재의 물성이 우수하더라도 용접과정에서의 입열로 열영향부(HAZ, heat affected zone)가 형성되어 충격 인성이 저하되는 문제가 있다. 특히 열영향부는 미세조직 제어가 어렵고, CGHAZ (Coarse grain HAZ)가 균열에 취약한 영역으로 작용하는 문제가 있는 것으로 알려져 있다. 실용접 시 형성되는 열영향부 미세조직과 충격인성의 상관관계를 규명하는 연구가 중요함에도 불구하고, 선행된 연구는 강재 두께 50 mm이하에 특정 열영향부 미세조직 모사 시험 위주로 이루어졌다. 따라서 두께 50 mm를 초과하는 후판에서의 실용접 시 미세조직과 저온충격인성의 상관관계를 규명하는 연구는 더 많이 필요하다. 본 연구에서는 두께100 mm항복강도 460 MPa급의 TMCP 후판의 두께 위치 별 모재 미세조직과 7±2 kJ/cm의 입열량으로 FCAW한 열영향부 미세조직을 분석하여 두께 위치 별 미세조직 형성과정에 대해 고찰했다. 또한 선급 규정 상의 저온충격인성을 평가방법에 따라 -20, -40, -60℃에서 두께 위치 별, 용융선에서 각각 0, 2, 5 mm 떨어진 거리 별로 저온 샤르피 충격 시험 하였다. 이를 통해서 열영향부 미세조직과 저온충격인성의 상관관계를 규명하고자 하였다.|Due to the recent expanding of resource development in the Arctic region, demand for offshore plants operating in a low temperature environment of minus 60 ℃ is increasing due to resource exploration and development in the Arctic region. Structural steels for offshore plants operating in polar regions have high yield strength and excellent low temperature impact toughness to withstand drift ice impact at low temperatures and high-water pressure at deep seabed, while maintaining low carbon equivalents. In addition, for the efficient operation of the facility, the size of the facility is enlarged, and more improved steel is used. As the steel material gets thicker, steel temperature gradient from surface to center of steel are formed in the accelerated cooling stage of the manufacturing process. In addition, although the physical properties of the base material are excellent, there is a problem that impact toughness is degenerated due to the formation of the HAZ (heat affected zone) by heat input during the welding process. In particular, HAZ is difficult to control the microstructure, and it is in the case of multi-layer welding. Problem areas with ICCGHAZ (Intercritically reheated coarse grain HAZ) and CGHAZ (Coarse grain HAZ), which are repetitively acting welding heat. Although it is important to investigate the correlation between the microstructure of the HAZ during actual welding and the impact toughness, the previous studies focused on the simulation of a specific heat input HAZ microstructure at thickness of 50 mm or less. Therefore, more studies are needed to clarify the correlation between microstructure and low-temperature impact toughness during actual welding in thick plates exceeding 50 mm. In this study, the microstructure of each position of the TMCP thick plate steel with a yield strength of 460 MPa of 100 mm and the microstructure of the FCAW with a heat input of 7 ± 2 kJ/cm was analyzed to investigate the microstructure formation process by thickness position. In addition, in accordance with the method of evaluating the low-temperature impact toughness in accordance with the rules of classification, low-temperature Charpy tests are performed at -20, -40, and -60 ℃ for each location and 0, 2, 5 mm away from the fusion line, respectively. Try to clarify the correlation between the HAZ microstructure and low- temperature impact toughness and present the optimal microstructure conditions to improve the low-temperature impact toughness.