N3-0730분
PWHT(용접후열처리) 심화
온도 기준, 열전대, Temper Bead, 코드 요건
🟡Referenced — 전문가 참조
🟡 Referenced
PWHT(Post Weld Heat Treatment, 용접후열처리)는 용접 완료 후 용접부를 특정 온도로 가열·유지·냉각하여 잔류응력 제거, 경도 감소, 인성 향상을 달성하는 열처리 공정입니다.
PWHT의 4대 목적:
1. 잔류응력 제거(Stress Relief): 용접 수축에 의한 인장 잔류응력을 항복점 이하로 감소
2. 경도 감소: HAZ의 마르텐사이트를 템퍼링(Tempering)하여 연화 → 저온균열·SCC 위험 감소
3. 인성 향상: 조직 안정화로 충격 인성 개선
4. 수소 방출: 잔류 확산성 수소를 외부로 방출 (단, DHT와는 구별)
PWHT vs DHT(Dehydrogenation Heat Treatment):
- DHT: 200~300°C, 2~4시간. 수소 방출이 주목적. 용접 직후 실시
- PWHT: 550~760°C, 두께별 유지시간. 잔류응력 제거 + 조직 개선이 주목적
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PWHT 온도 기준 (코드별)
ASME Sec.VIII Div.1 (UCS-56):
| P-Number | 재료 | PWHT 온도 범위 | 최소 유지시간 |
|---|---|---|---|
| P-1 (탄소강) | SA-516 Gr.70 등 | 593~649°C (1,100~1,200°F) | 25mm당 1시간 (min 1hr) |
| P-3 (합금강) | SA-387 Gr.11 등 | 593~718°C | 25mm당 1시간 |
| P-4 (Cr-Mo강) | SA-387 Gr.22 (2.25Cr-1Mo) | 677~746°C (1,250~1,375°F) | 25mm당 1시간 |
| P-5A | SA-387 Gr.5 (5Cr-0.5Mo) | 677~746°C | 25mm당 1시간 |
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PWHT 면제 조건 (ASME):
- P-1 그룹 1: 두께 ≤ 32mm이고, 예열 95°C 이상이면 PWHT 면제 가능
- 단, Sour Service(H₂S 환경, NACE MR0175)에서는 두께에 관계없이 PWHT 필수
AWS D1.1:
- 탄소강: PWHT 온도 593°C (1,100°F) 이상, 1시간/25mm
- 면제: 두께 ≤ 38mm이고 예열 95°C 이상인 경우
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PWHT 가열 사이클 관리
승온(Heating):
- 300°C 이상에서 승온 속도 제한: ≤ 200°C/hr × (25/최대 두께 mm) 또는 ≤ 330°C/hr 중 작은 값
- 균일 가열이 핵심. 온도 편차가 크면 추가 열응력 발생
유지(Holding/Soaking):
- 규정 온도 범위 내에서 필요 시간 유지
- 유지 중 기록된 모든 열전대 온도가 규정 범위 내여야 함
- 유지시간: 두께 25mm당 1시간 (최소 1시간, 최대 규정에 따름)
냉각(Cooling):
- 300°C까지: 승온 속도와 동일한 제어 냉각
- 300°C 이하: 대기 중 자연 냉각 가능 (보온재로 서냉 권장)
- 급냉 금지 — 새로운 열응력 유발
보온(Insulation):
- 가열 밴드 외부에 충분한 보온 폭 확보 (최소 가열 밴드의 2~3배)
- 바람, 비, 눈 등 외부 환경으로부터 차폐
PWHT 최대 위험: Cr-Mo-V 강에서 PWHT 승온 중 재열균열(Reheat Cracking)이 발생할 수 있습니다. 특히 V(바나듐) 함량이 높은 재료에서 위험합니다. 승온 속도를 엄격히 관리하고, ΔG = Cr + 3.3Mo + 8.1V − 2 > 0인 재료는 특별 주의가 필요합니다.
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열전대(Thermocouple) 배치와 기록
열전대 종류:
- Type K (Chromel-Alumel): 가장 범용. 사용 온도 ~1,260°C. PWHT에서 가장 많이 사용
- Type J (Iron-Constantan): 사용 온도 ~760°C. 산화 환경에서 수명 짧음
부착 방법:
- 직접 부착: 콘덴서(Capacitor Discharge) 용접으로 열전대 와이어를 모재에 직접 부착. 가장 정확
- 열전대 팁이 모재 표면에 완전히 밀착되어야 함. 들뜸 시 실제보다 낮은 온도 표시
배치 위치:
- 용접부 중심 + HAZ + 모재부에 각각 배치
- 원주 용접: 최소 12시, 3시, 6시, 9시 방향에 배치 (4점 이상)
- 가열 밴드 양 끝에도 배치하여 온도 구배 확인
- 배치 간격: 코드에 따라 다르지만, 일반적으로 가열 구역 길이 3m당 최소 1개
기록: 차트 레코더 또는 디지털 데이터 로거로 전 과정을 연속 기록. 이 기록은 품질 문서로 보관됩니다.
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Temper Bead 기법 — PWHT 대체
현장에서 PWHT가 불가능한 경우(가동 중 보수, 대형 구조물 등), Temper Bead Welding 기법으로 PWHT 효과를 대체할 수 있습니다.
원리: 다층 용접에서 후속 패스의 열이 이전 패스의 HAZ를 템퍼링하는 효과를 의도적으로 극대화합니다.
절차:
1. 1st 패스: 모재에 용접 → HAZ에 경화 조직 형성
2. 2nd 패스: 1st 패스 위에 정확히 겹쳐 용접 → 1st 패스의 CGHAZ를 Ac₁ 이상으로 재가열하여 결정립 미세화
3. 3rd 패스: 2nd 패스 위에 용접 → 2nd 패스의 CGHAZ를 Ac₁~Ac₃ 사이로 가열하여 템퍼링
4. 최종 패스(Reinforcement cap): 마지막 HAZ를 템퍼링하기 위해 약간 높은 입열로 캡 패스 시공 후 그라인딩으로 제거
코드 요건: ASME Sec.IX QW-290, AWS D1.1 Clause 5.27에서 Temper Bead 절차를 규정. 별도의 PQR이 필요하며, 경도 시험이 필수입니다.
적용 제한: 높은 기량이 요구되며, 모든 재료·상황에 적용 가능한 것은 아닙니다. P-4, P-5A 재료에서 주로 적용.
PWHT와 예열/DHT의 목적 구별 (시험 빈출): 예열 → 냉각속도 감소(마르텐사이트 억제) + 수소 확산 시간 확보. DHT(200~300°C) → 수소 방출. PWHT(600~750°C) → 잔류응력 제거 + 경도 감소 + 인성 향상. 세 가지는 목적과 온도가 모두 다릅니다.
현장 PWHT 장비: 국부 PWHT는 전기 저항 가열 패드(Ceramic Pad Heater)와 보온재로 수행합니다. 로(Furnace) PWHT는 전체 구조물을 넣을 수 있는 대형 가열로에서 수행하며, 가장 균일한 가열이 가능합니다. 배관의 경우 유도가열(Induction Heating)도 사용됩니다.
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코드 요건 확인·온도 결정
적용 코드(ASME/AWS)와 P-Number에 따라 PWHT 필요 여부, 온도 범위, 유지시간을 결정합니다. PWHT 면제 조건에 해당하는지도 확인합니다.
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열전대 부착·가열 장비 설치
Type K 열전대를 용접부, HAZ, 모재에 콘덴서 용접으로 부착합니다. 가열 패드를 설치하고 보온재로 감싸 온도 구배를 최소화합니다.
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승온·유지·냉각 실행
승온 속도(≤200°C/hr×25/t)를 준수하여 가열하고, 규정 온도에서 필요 시간(25mm/hr) 동안 유지합니다. 300°C까지 제어 냉각 후 서냉합니다.
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기록 검토·경도 시험
PWHT 차트 기록을 검토하여 온도·시간이 코드 요건을 충족하는지 확인합니다. 용접부 경도 시험으로 템퍼링 효과를 검증합니다 (Sour Service: ≤248HV).
PWHT 시험 함정 5종 1. "DHT vs PWHT — 온도와 목적?" → DHT 200~300°C 수소방출, PWHT 550~760°C 잔류응력 제거. 2. "ASME UCS-56 PWHT 유지시간?" → 25mm당 1시간(최소 1h). 50mm 두께 = 2h, 75mm = 3h. 3. "PWHT 승온속도 한계?" → ≤ 222°C/hr × (25/t) 또는 ≤ 330°C/hr 중 작은 값. 두꺼울수록 느리게. 4. "Temper Bead 기법?" → PWHT 불가 시 다층 용접으로 HAZ 자체 템퍼링. ASME Sec.IX QW-290. 별도 PQR + 경도 시험 필수. 5. "재열균열(Reheat Crack) 위험 재료?" → Cr-Mo-V 강 (2¼Cr-1Mo, P91 등). PWHT 승온 중 입계 균열. 승온속도·예열 엄격 관리.
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