P3-2822분
내열강(Cr-Mo) 용접
PWHT 균열, CREEP 취화, 강종별 후열처리 온도표
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내열강의 정의와 용도
내열강(Heat-Resistant Steel)은 고온(450℃ 이상)에서 장기간 사용되는 강. 주로 발전·정유·석유화학·보일러 산업에 적용. Cr·Mo가 주 합금원소로 작용합니다.
대표 합금강과 사용 온도
| 강종 | 조성 | 최대 사용 온도 | 적용 |
|---|---|---|---|
| C-½Mo | C-0.5%Mo | 525℃ | 보일러 강관 |
| 1Cr-½Mo | 1%Cr-0.5%Mo | 540℃ | 발전소 헤더 |
| 1¼Cr-½Mo | 1.25%Cr-0.5%Mo | 565℃ | 정유 반응기 |
| 2¼Cr-1Mo | 2.25%Cr-1%Mo | 580℃ | 수소화 반응기 (HIC) |
| 5Cr-½Mo (502) | 5%Cr-0.5%Mo | 600℃ | 내황 분위기 |
| 7Cr-½Mo | 7%Cr-0.5%Mo | 620℃ | |
| 9Cr-1Mo (P91) | 9%Cr-1%Mo + V, Nb, N | 650℃ | 최신 화력 보일러 |
| 12Cr (Type 410) | 12%Cr | 600℃ | 터빈 블레이드 |
| 9% Ni | 9%Ni | LNG 저온 −196℃ | LNG 저장 탱크 |
P91(9Cr-1Mo-V)은 화력발전 슈퍼크리티컬 보일러의 핵심 재료입니다.
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내열강 용접의 5대 문제점
1. 열영향부의 경화·연성 저하 — Cr-Mo가 담금질성 증가, 자경성으로 마르텐사이트 형성
2. 저온균열 — 합금원소 多 → 경화 多 → 확산성 수소 + 구속응력으로 지체균열
3. PWHT 균열 (재열균열, Reheat Cracking) — HAZ 조립부에서 PWHT 가열 중 균열
4. 파괴 인성치 저하 — 경화에 의해 천이온도 상승
5. 장시간 가열에 의한 CREEP 취화 — 입계 편석·탄화물 핵 VOID, 무석출대(PFZ) 형성
이 중 PWHT 균열과 CREEP 취화가 내열강 특유의 문제입니다.
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PWHT (응력제거 풀림) 권장 범위 — 시험 출제 단골
아래는 한국·일본 용접기술 교재의 권장 범위(PDF 출처). 실제 적용은 ASME B31.3 Table 331.1.1 / Section VIII UCS-56의 최소 온도가 우선이며 시방서·승인 PQR 우선:
| 재질 (P-No) | 권장 범위 (℃) | ASME 최소 |
|---|---|---|
| Carbon Steel (P-1) | 595~680 | 593℃ |
| C-½Mo (P-3) | 595~720 | 593℃ |
| 1Cr-½Mo / 1¼Cr-½Mo (P-4) | 620~730 | 650℃ |
| 2¼Cr-1Mo (P-5A) | 705~770 | 677℃ |
| 5Cr-½Mo (P-5B) | 705~770 | 677℃ |
| 7Cr-½Mo | 705~760 | 코드 확인 |
| 9Cr-1Mo / P91 (P-5C) | 730~780 | 732℃ |
| 12Cr (410, P-6) | 760~815 | 650℃ |
| 16Cr (430, P-7) | 760~815 | 650℃ |
| Low-Alloy Cr-Ni-Mo | 595~680 | — |
| 2~5% Ni | 540~595 | — |
| 9% Ni (LNG, P-10I) | 550~585 | 552℃ |
| Q-T 강 | 540~550 | 코드 확인 |
> ⚠ 신뢰도 경고: 위 권장 범위는 국내 용접기술 교재 출처로 실무 참고용입니다. 실제 적용 시 ASME B31.3 Table 331.1.1 또는 Section VIII UCS-56의 최소 온도와 시방서·승인된 PQR이 우선합니다. 특히 2¼Cr-1Mo·P91 등 고합금강은 EPRI·API 가이드라인도 함께 검토해야 합니다.
낮은 온도·긴 시간 환산식 — 600℃에서 10℃ 내려갈 때마다 20분 연장:
| 온도 (℃) | 25mm당 유지 시간 |
|---|---|
| 600 | 1 hr |
| 590 | 1 hr 20 min |
| 570 | 2 hr |
| 540 | 3 hr |
| 510 | 4 hr |
가열·냉각 속도 (강판 두께 T mm 기준)
- 가열속도 R = 200 × 25/T (℃/hr) — 두꺼울수록 천천히
- 냉각속도 R = 275 × 25/T (℃/hr)
- 300℃ 장입 → 가열 → 유지 → 400℃까지 노냉 → 이후 대기 방치 (영하 회피)
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PWHT 균열 (Reheat Cracking) — 내열강 특유의 골치
PWHT 가열 중 또는 직후 HAZ 조립부에 입계 균열이 발생하는 현상. 2¼Cr-1Mo 등 Cr-Mo-V 계열에서 특히 多.
메커니즘
1. 용접 후 HAZ 조립부에 마르텐사이트·하부 베이나이트 형성
2. PWHT 가열 (450~700℃) 시 2차 경화 — V·Mo·Nb 미세 탄화물이 입내 석출
3. 입내가 경화되어 응력이 입계로 집중
4. 입계의 P·S·Sn 등 편석 원소 + 미세 VOID → 입계 균열
3대 감수성 저감 대책
1. 경화성 감소 — 2차 경화 원소(V, Nb) 양 줄이기
2. HAZ 조립화 억제 — 입열량 감소, 결정립 미세화
3. 응력 집중 경감 — Temporary Bead, Undercut 방지, Toe 형상 개선
예방 방법론:
- Step Cooling 검사 (J-인자, X-인자)
- 시험봉 (Step Test) — PWHT 균열 감수성 정량 평가
- 용접 입열 1~3 kJ/mm 범위 관리
**CREEP 취화 — 고온 장시간의 적** Cr-Mo 강에서 고온에서 장시간(10⁴~10⁵ hr) 사용한 후 발생하는 입계 균열. **원인 3종**: 1. **입계 편석** — P·S·Sn·As 등이 입계로 농축 2. **입계 탄화물 핵의 입계 VOID 생성** — M₂₃C₆ 주변에 미세 공동 3. **무석출대 (PFZ, Precipitate Free Zone)** — 입계 근방 탄화물이 입계로 빨려가 PFZ 형성 → 연질 → VOID 다발 생성 **대책**: - 청정 강재 사용 (J-인자, X-인자 ≤ 기준값) - Step Cooling 처리 (입계 편석 저감) - 합금 설계 시 Ti·Nb로 탄화물 안정화 CREEP 균열은 시운전부터 수년 후 발생하므로 **재료 인증 단계에서 차단**해야 합니다.
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시공 가이드 — 예열 + 후열 정석
저수소계 용접봉 건조: 300~400℃ × 1 hr (Cr-Mo 모재 일치 봉)
예열·층간온도 표
| 재질 | 예열 온도 (℃) | 층간 온도 (℃) |
|---|---|---|
| C-½Mo | 100~150 | 300 |
| 1¼Cr-½Mo | 150~200 | 300 |
| 2¼Cr-1Mo | 200~250 | 300 |
| 5Cr-½Mo | 250~300 | 300 |
| 9Cr-1Mo (P91) | 200~300 | 300 |
P91 추가 주의사항
- 층간온도 절대 350℃ 초과 금지 (탬퍼링 효과 방해)
- 용접 후 즉시 PWHT (저온균열 방지) — 본드 100℃ 이상에서 유지하다가 PWHT로 이행
- PWHT 760℃ 이하 절대 금지 (낮으면 마르텐사이트 잔존)
용접봉 선택
- 모재와 동일 조성 (Matching Filler)
- 또는 1단계 낮은 합금 (Under-Matching) — Cr-Mo에서는 권장하지 않음
- 이종 용접 시 BUTTERING (P3-15 참조)
1
재질 분류 + 용접봉 선정
강종 확인(C-½Mo / 1Cr / 2¼Cr / P91 등). Matching Filler 또는 코드 권장 봉 선정. 봉을 300~400℃ × 1 hr 건조.
2
예열 + 층간온도 관리
재질·두께·구속도로 예열 결정. 2¼Cr-1Mo 이상은 200℃+. P91은 200~300℃ + 층간 350℃ 절대 초과 금지. 예열 후 본드 100℃ 이상 유지.
3
용접 + 즉시 PWHT 또는 100℃ 유지
입열량 1~3 kJ/mm 범위로 결정. 저온균열 방지를 위해 용접 직후 PWHT 또는 본드 100℃ 이상 유지. 시간 경과 시 지연균열 발생.
4
PWHT 실시 + 검사
재질별 PWHT 온도·시간 표 적용. 가열·냉각 속도는 두께에 따라 결정. PWHT 완료 후 24~72시간 대기 후 UT/MT — 재열균열·지연균열 검출.
🎯 학습 확인 퀴즈⚠️ 자체 제작 문항1 / 7
2¼Cr-1Mo 강의 PWHT 온도 범위는?