응력부식균열·피로균열

응력부식균열(SCC, Stress Corrosion Cracking)과 피로균열(Fatigue Cracking)은 사용 중(In-Service) 발생하는 대표적인 균열입니다. 용접 시에는 없었지만 운전 환경에서 시간이 지남에 따라 발생하므로, 설계 단계에서의 예방이 중요합니다.

응력부식균열(SCC)의 3대 조건

SCC는 다음 3가지 조건이 동시에 충족될 때 발생합니다:

1. 인장응력(Tensile Stress)
- 외부 하중에 의한 응력 또는 용접 잔류응력
- PWHT로 잔류응력을 제거하면 SCC 위험 크게 감소

2. 부식 환경(Corrosive Environment)
- 재료마다 특정 부식 환경에서 SCC 발생
- 환경-재료 조합이 핵심

3. 민감 재료(Susceptible Material)
- 특정 미세조직이나 합금 조성이 SCC에 취약
- 예민화(Sensitization), 경화 조직 등이 위험 요소

대표적 SCC 사례

1. 염화물(Cl⁻) SCC — 오스테나이트계 STS
- 오스테나이트계 STS(304, 316)가 Cl⁻ 이온 + 고온(>60°C) + 인장응력 조건에서 발생
- 플랜트 보온재 하부(CUI: Corrosion Under Insulation)에서 빈번
- 방지: 듀플렉스 STS 사용, PWHT, 보온재 관리

2. H₂S 환경 SCC (SSC) — 고강도 탄소강
- Sour service(H₂S 함유 환경)에서 고강도/고경도 재료에 발생
- NACE MR0175/ISO 15156: 사워 환경용 재료 요건 규정
- 경도 제한: 22 HRC (248 HV) 이하 — 가장 중요한 기준
- 방지: 경도 관리, PWHT 필수, 적합한 재료 등급 선택

3. 알칼리(Caustic) SCC — 탄소강
- NaOH 농축 환경 + 고온 + 응력
- 보일러, 증발기에서 발생
- 방지: PWHT, 적정 NaOH 농도 관리

피로균열(Fatigue Cracking)

반복 하중(Cyclic Loading)을 받는 구조물에서 시간 경과에 따라 균열이 발생·성장하여 최종 파단에 이르는 현상입니다.

피로 과정:
1. 균열 개시(Initiation): 응력 집중부(용접 토우, 언더컷, 기공)에서 미세 균열 발생
2. 균열 성장(Propagation): 반복 하중에 의해 균열이 점진적으로 성장. 파면에 비치 마크(Beach Mark) 형성
3. 최종 파단(Final Fracture): 잔여 단면이 하중을 견디지 못해 급속 파단

S-N 곡선 (응력-수명 곡선):
- 반복 응력 크기(S)와 파단까지의 반복 횟수(N)의 관계
- 응력이 낮을수록 수명(N)이 길어짐
- 탄소강은 피로 한도(Endurance Limit) 존재 — 이 응력 이하에서는 무한 수명
- 알루미늄, 스테인리스강은 피로 한도가 없어 모든 응력 수준에서 피로 파괴 가능

용접부 피로 수명 향상법

용접부는 구조물에서 피로 파괴가 가장 빈번한 위치입니다. 용접 토우(Toe)에 응력이 집중되기 때문입니다.

개선 방법:
- 토우 그라인딩(Toe Grinding): 비드 토우를 매끄럽게 연마하여 응력 집중 완화
- TIG Dressing: GTAW 아크로 토우부를 재용융하여 곡률 반경 증가
- 해머 피닝(Hammer Peening): 토우부에 압축 잔류응력 부여
- 숏 피닝(Shot Peening): 표면에 강구를 투사하여 압축 잔류응력 형성

PWHT와 피로 수명:
PWHT는 잔류 인장응력을 제거하여 SCC 방지에는 효과적이지만, 피로 수명 향상 효과는 제한적입니다. 피로 수명은 주로 형상적 응력 집중에 의해 결정되므로, 비드 형상 개선(토우 그라인딩 등)이 더 효과적입니다.