화학설비의 재질선정 기준

사업주가 재질의 부식 등으로 인한 위험물질의 누출을 방지하고 누출로 인한 폭발․화재 등을 사전에 예방하고자 하는데 화학설비 등에 사용하는 재질에 대한 선정 기준을 공유하고자 한다.

 

 

 

화학설비의 재질선정 기준

용어의 정의

 

"탄소강"이라 함은 철과 탄소의 합금으로 탄소 함유량이 0.02%～2%의 범위의 강을 말한다.

"킬드강(Killed steel)"이라 함은 실리콘이나 알루미늄 등으로 완전히 산소를 제거(Deoxidation)시킨 탄소강을 말한다.

"저합금강(Low Alloy Steel)"이라 함은 탄소강에 니켈, 크롬, 망간, 몰리브덴 등 합금원소를 소량 첨가하여 강도 또는 내식성을 증가시킨 것을 말하며, 고온강 또는 Cr-Mo강이라고도 말한다.

"수소취성"이라 함은 탄소강이 수소에 의하여 부풀음(Blistering) 또는 물러짐(Embrittlement) 등의 현상이 일어나는 것을 말한다.

"수소침식(Hydrogen attack)"이라 함은 고온에서 강중의 탄화물(Fe₃ C)이 수소에 의하여 환원되고 수소 또는 메탄가스가 발생되기도 하며, 주로 입계가 침식되는 현상을 말한다.

"넬슨선도(Nelson Curve)"라 함은 일반 탄소강에 Cr 혹은 Mo을 첨가한 저합금강이 수소 분위기에서 사용될 수 있는 임계온도와 수소분압의 관계를 실험식으로 구해진 것을 말한다.

 

 

재질선정 개요

 

● 압력에 의하여 응력을 받은 압력용기는 KS B 6750(일반산업용 압력용기 설계 및 제조일반) 및 부속서에서 달리 허용된 경우를 제외하고, KS B6750(또는 ASME Section Ⅱ)에 주어진 재료 규격 중의 하나를 사용해야 하며, 사용 재료의 종류와 관련된 규정에 적합하여야 한다.

 

● 스커트, 지지물, 배플, 러그, 클립 및 넓은 열전달 표면과 같이 비압력부품에 사용되는 재료는 이것이 부착되는 재료 규격 또는 전 항의 규격에서 허용하는 재료 규격에 만족할 필요는 없다. 그러나 용접에 의해서 압력용기에 부착한다면 용접 가능한 품질이어야 한다.

 

● 사용자는 압력 용기의 제작에 사용된 재료가 만족할 만한 기계적 성질을 가지고 사용하고자 하는 수명 동안 부식, 침식, 산화 및 기타 열화에 대한 저항력을 가지고 있어 목적하는 용도에 적합한지 확신할 수 있어야 한다.

 

 

재질 선정시 고려사항

 

● 저온 물질 취급(0℃이하)의 경우

 

(가) 일반적으로 탄소강과 저합금강은 대부분의 사용 환경에서 좋은 인성(Toughness)과 전연성(Ductility)를 갖지만, 0℃이하의 저온 물질 취급시에는 취성파괴(Brittle fracture)가 일어나기 쉽다. 따라서 이러한 저온에서 사용될 때는 관련 지침에 따라 적절한 충격 시험(Impact Test) 요구조건을 만족해야 한다.

(나) -45℃의 저온에서는 인성을 향상시키기 위해 노말라이징(Normalizing)열처리를 하여 사용한다.

(다) -45℃에서 -101℃까지의 온도에서는 3.5%의 니켈을 함유한 합금을 사용하며, -101℃이하에서는 9%의 니켈강이나 오스테나이트 스테인레스강을 주로 사용한다.

 

● 상온에서부터 고온까지 유체 취급의 경우

 

(가) 오스테나이트 스테인레스강은 현장에서 열처리시 예민화 온도(500 ～ 800℃)범위에 장시간 노출될 경우 입계부식(Intergranular corrosion)발생 가능성이 있으므로 현장에서 후열처리 하지 않는 것이 바람직하다.

(나) 고온강도가 요구되는 곳에서는 304H, 316H, 321H, 347H 같은 H 등급(Grade)의 스테인레스강을 주로 사용한다.

(다) 오스테나이트 스테인레스강은 용체화 풀림(Solution annealing)처리를 해야 하며, 이 처리는 일반적으로 1,150℃에서 약 10분 동안 유지한 후에 물속에 급랭한다. 안정화 열처리(Stabilizing heat treatment)는 일반적으로 885 ± 15 ℃에서 4시간 동안 유지한 다음 공기 중에서 냉각한다.

 

● 주요 재질의 사용 시 고려할 사항

 

(가) 오스테나이트 스테인레스강은 염화물(Chloride) 같은 유체에 노출되면 염화응력부식균열(Chloride stress corrosion cracking, CSCC)이 일어날 수 있으므로 가능한 이들 유체에 사용해서는 아니된다.

(나) 크롬을 포함하지 않은 니켈과 이들의 합금은 316℃이상의 온도에서 소량의 황(Sulfur)을 함유하고 있는 유체에 노출되면 입계부식을 일으키므로 이들 유체에서 사용해서는 아니된다. 니켈합금은 황산, 염산, 불화수소산, 가성소다 용액에 대해 내식성이 우수하다.

(다) 구리합금은 보통 260℃이하에 주로 사용되며, 구리와 이들 합금은 암모니아, 황화수소, 아세틸렌이나 아민을 포함하는 유체에 사용해서는 아니된다. 또한 티타늄과 그 합금은 316℃이상의 온도에서는 취성을 일으키므로 고온에 사용하지 않으며, 보통 260℃이하에서 사용된다.

(라) 주철은 취약하며 강도가 낮으므로 가연성의 탄화수소를 취급하는 압력이 포함된 설비에는 사용하지 않는다. 그러나, 주철은 경도가 높아서 충돌이나 침식, 케비테이션 같은 유속으로 인한 부식에 대한 영향을 감소시키므로 펌프, 밸브 등에 사용된다.

 

 

Reference : KOSHA GUIDE D-15-2012 화학설비의 재질선정에 관한 기술지침