선박 해수배관에서 용접봉의 종류에 따라 직류 아크 용접한 용접부위의 부식특성에 관한 전기화학적 평가

Electrochemical Evaluation of Corrosion Property of Welded Zone of Seawater Pipe by DC Shielded Metal Arc Welding with Types of Electrodes

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J. Ocean Eng. Technol. 2013;27(3):79-84
Corresponding author Jin-Gyeong Kim: +82-51-621-5791, jg21kim@naver.com
Received 2013 April 01; Accepted 2013 June 12; Revised 2013 June 12.

Trans Abstract

The seawater pipes in the engine rooms of ships are surrounded by severely corrosive environments caused by fast flowing seawater containing chloride ions, high conductivity, etc. Therefore, it has been reported that seawater leakage often occurs at a seawater pipe because of local corrosion. In addition, the leakage area is usually welded using shielded metal arc welding with various electrodes. In this study, when seawater pipes were welded with four types of electrodes(E4311, E4301, E4313, and E4316), the difference between the corrosion resistance values in their welding zones was investigated using an electrochemical method. Although the corrosion potential of a weld metal zone welded with the E4316 electrode showed the lowest value compared to the other electrodes, its corrosion resistance exhibited the best value compared to the other electrodes. In addition, a heat affected zone welded with the E4316 electrode also appeared to have the best corrosion resistance among the electrodes. Furthermore, the corrosion resistance of the weld metal zone and heat affected zone exhibited relatively better properties than that of the base metal zone in all of the cases welded with the four types of electrodes. Furthermore, the hardness values of all the weld metal zones were higher than the base metal zone.

1. 서 론

최근 산업사회의 급격한 발전으로 용접으로 제작한 육해상의 각종 강구조물 설비는 빠른 속도로 증가하고 있으며 따라서 용접의 중요성은 널리 인지되어 오고 있는 실정이다. 그리고 이들 강구조물의 용접부위에 대한 물리적 기계적 성질 등의 변화에 관한 연구가 많이 보고되고 있다(Ahn et al., 2005; Kim et al., 2006a; Kim et al., 2006b; Oh et al., 2007; Jang and Jeon, 2006; Shin, 1984). 또한 이들 강구조물이 가혹한 부식 환경하에 있을 때, 용접부위가 부식으로 인한 경제적 손실과 안전재해 사고를 유발 할 수 있으므로 강의 용접부식에 대한 연구 결과(Bilmes et al., 2006; Jeon, 1985; Jones, 1998; Lee et al., 2003; Moon et al., 2003; Raja et al., 1998; Tsay et al., 1997)도 다소 있으나, 선박 기관실에 있는 해수배관 용접부위의 부식에 대한 연구는 그렇게 많지 않는 것으로 사료된다.

선박 기관실에 있는 해수 배관의 보수용접은 자체 내에서 실시하며, 전체 보수용접 중 약 70% 정도를 차지하는 것으로 알려져 있다. 그리고 해수배관의 파이프 내부에는 부식성이 강한 할로겐족인 Cl 이온이 함유된 염분(NaCl)이 포함된 해수가 최대 3m/s의 유속으로 유동하며, 2kgf/cm2 ~ 3kgf/cm2의 수압을 받고 있으므로 항상 가혹한 부식 환경에 노출되어 있다. 따라서 최근에는 해수배관의 내부를 폴리에틸렌(Polyethylene)으로 피복한 강관이 있지만, 일반 선박에서는 아직 상용화되지 못하고 있는 실정이다. 본 연구는 선박 해수 배관의 보수용접에 사용하는 몇 종류의 피복아크용접봉을 선택하여 용접한 후 각 용접부위에 대한 조직과 경도의 측정 및 부식특성을 전기화학적 방법으로 비교 고찰하여, 용접부위의 부식특성 및 상대적으로 우수한 해수 배관 용접재료를 규명하고자 한다. 따라서 본 연구결과는 해수 배관 사용 수명의 연장과 효율적인 보수용접을 위한 유익한 참고 자료가 되리라 기대된다.

2. 사용 재료 및 실험 방법

2.1 용접 재료 및 용접방법

실험에 사용한 해수 배관용 강관은 중국에서 사용하는 중국규격 GB/T 8163-2008의 심리스 파이프(Seamless pipe)이며, 그 화학성분과 기계적 성질은 Table 1과 같다. 그리고 치수는 ϕ 76×6T×100L이며 Fig. 1과 같이 기계 가공하여 맞대기 용접을 2층으로 한 후 용접부위에 대한 시험편을 제작하였다.

Table 1

Chemical composition and mechanical property of base metal (GB/T 8163-2008)

Fig. 1

Schematic diagram of welding specimen of pipe

용접은 직류 피복아크용접(SMAW, shielded metal arc welding)이며, 용접봉은 중국규격 GB/T 5117-1995의 E4301, E4311, E4313 및 E4316 등 4 종류로 모두 ϕ 3.2를 사용하여 원주 방향으로 용접 길이 30mm를 용접하였다. 그리고 저수소계 용접 재료인 E4316은 사용하기 전에 300℃×1시간 다시 건조시킨 다음 사용하였다. 실험을 하기 위한 직류 피복아크용접의 용접 조건과 각 용접재료의 특성은 Table 2Table 3과 같다.

Table 2

SMAW welding condition for various electrodes

Table 3

Comparison of chemical composition and mechanical properties of electrodes

2.2 실험 방법

각각의 용접부위에 대한 경도와 부식에 대한 전기화학적 실험을 하기 위하여, 시험편을 용접선 방향과 직각 방향으로 모재 표면으로부터 깊이 20mm까지 기계 절단, 절삭 및 가공을 한 후 사포지(Sandpaper)로 2000번까지 연마한 다음, 각각 시험편을 에칭(Etching)하여 용접열영향부(HAZ, heat affected zone)와 용접금속(WM, weld metal)을 구분하였다. 용접부위의 경도는 용접금속 중심에서 모재 방향으로 1mm 간격으로 3회 측정하여 평균값을 구하였다. 부식특성 실험을 하기 위하여 필요한 표면적 0.25cm2만을 노출시키고 다른 부분은 에폭시로 절연한 후 각종 전기화학적 실험을 실시하였다.

전기화학적 실험은 해수를 3cm/s(PIV, Particle Image velocimetery로 측정)의 유동 상태에서 부식 전위 변화, 양극 및 음극 분극곡선(측정 장치: Won. A. Tech Garmy사의 CMS-100 시스템, 주사속도: 1mV/s 대극: 백금, 기준전극: SCE), 사이클릭 볼타모그램(주사속도: 30mV/s, 측정영역: -0.5V~1.5V) 등을 측정하였으며, 조직과 부식된 표면사진은 멀티미디어 영상현미경(Sometecht사, Model: SV35)으로 관찰하였다.

3. 실험결과 및 고찰

Fig. 2는 각각의 용접재료로서 용접한 용접금속에 대한 부식 전위 변화를 보여주고 있다. E4316으로 용접한 경우 용접금속의 부식전위가 가장 낮은(Less noble) 값을 나타내고 있으며, E4311로 용접한 용접금속의 부식전위가 가장 높은(Noble) 값을 나타내고 있음을 알 수 있다. 일반적으로 해수용액에서 부식전위는 표면처리나 도장을 하지 않는 강판의 경우에 낮은 값을 나타낼수록 내식성이 좋지 않는 경향이 있는 것으로 알려져 있다.

Fig. 2

Comparison of corrosion potentials of weld metal zones welded with various electrodes

본 실험의 결과 E4316 용접재료로 용접한 경우의 용접금속이 가장 낮은 값을 나타내므로 내식성이 좋지 않은 것으로 추측할 수 있다. 그러나 금속은 그 합금성분의 고유한 평형전위 값에 의해서 부식전위가 낮은 값을 나타낼 수도 있으며, 이 경우 반드시 내식성이 떨어진다고 단정하기는 어렵다고 생각된다. E4316 용접재료의 금속성분은 Table 3에서 알 수 있듯이 다른 용접재료에 비해서 Mn과 Si의 함량이 많고 P와 S의 함량이 적은 것을 알 수 있다. 이들 성분의 평형전위 식은 다음과 같이 나타낼 수 있다(Mulder and Pourbaix, 1966).

상기의 평형전위 식에서 Mn과 Si의 평형전위값은 다른 금속의 평형전위값에 비해서 낮은 값을 나타내고 있으며, P와 S의 평형전위값은 철의 평형전위(-0.44V)보다 높은 값을 나타내고 있다. 따라서 E4316 용접금속의 부식전위가 다른 용접재료에 비해서 낮은 것은 Mn과 Si의 합금성분의 평형전위 값의 영향에 기인한 것으로 생각된다. Fig. 3은 각각의 용접봉으로 용접한 후 용접금속의 양극 및 음극 분극곡선을 나타내고 있다. Fig. 3에서 알 수 있듯이 E4316의 용접금속이 정성적으로 가장 내식성이 우수하였으나, E4313의 용접금속의 내식성이 가장 좋지 않은 경향을 알 수 있다.

Fig. 3

Variation of polarization curves of weld metal zones welded with various electrodes

Fig. 4는 각각의 용접봉으로 용접한 경우 용접열영향부의 양극 및 음극 분극곡선을 나타내고 있다. Fig. 4에서도 알 수 있듯이 E4316으로 용접한 경우에 용접열영향부의 내식성이 상대적으로 양호한 경향을 알 수 있다. 그리고 Fig. 5에서는 모재의 양극 및 음극 분극곡선을 나타내고 있다. 용접봉의 종류를 달리하고 용접조건이 다소 다르지만 피복용접실험에 사용한 모재금속은 동일 종류이다. 따라서 Fig. 5의 분극곡선의 형태는 전체적으로 같은 양상을 나타내고 있음을 알 수 있다.

Fig. 4

Variation of polarization curves of heat affected zones welded with various electrodes

Fig. 5

Variation of polarization curves of base metal zones welded with various electrodes

Fig. 6은 E4311으로 용접한 경우 각 용접부위의 분극곡선을 비교하여 나타내고 있으며, Fig. 7은 E4316용접봉에 대한 각 용접부위의 분극곡선을 나타내고 있다. Fig. 6Fig. 7에서 알 수 있듯이 용접금속의 내식성이 모두 가장 우수하고 용접열영향부 모재의 순으로 내식성이 좋지 않은 경향을 알 수 있다. E4301 및 E4313 용접봉으로 용접한 경우에도 같은 경향을 나타내었다.

Fig. 6

Comparison of polarization curves of each welding zone welded with E4311 electrode

Fig. 7

Comparison of polarization curves of each welding zone welded with E4316 electrode

지금까지 각각의 용접봉으로 용접한 경우 각 용접부위의 분극 곡선에서 Stern-Geary식에 근거한(GMS-100프로그램)에 의해서 구한 각 용접부위의 부식전류밀도를 Table 4에 정리하였으며, Fig. 8Table 4의 값을 알기 쉽게 그래프로 나타내었다. 결과적으로 본 실험에 사용된 용접봉으로 용접하였을 경우 모재에 비해서 용접열영향부와 용접금속의 내식성이 우수한 결과를 얻을 수 있었다. 그리고 E4316 용접봉의 경우 용접금속과 용접열영향부의 내식성이 다른 용접봉에 비해서 우수한 실험결과를 얻을 수 있었다. E4316용접봉은 전술한 바와 같이 Mn과 Si의 함량이 높고 P와 S의 함량이 적은 특징을 가지고 있었다. 따라서 부식전위는 낮은 값을 나타내지만 Mn과 Si에 의한 치밀한 산화피막의 형성과 전기화학적으로 양극으로 작용하는 P와 S에 의한 산화물이 적기 때문에 내식성이 다른 용접재료에 비해서 우수한 것으로 판단된다.

Table 4

The data of corrosion current densities (A/cm2) of each welding zone welded with various electrodes

Fig. 8

Comparison of corrosion current densities of each welding zone welded with various electrodes

Fig. 9는 분극곡선 측정후의 용접금속의 부식된 표면을 나타내고 있다. E4316 용접금속의 표면이 다른 부식된 표면에 비해서 붉은 산화피막의 형성이 다소 약한 경향을 알 수 있으며, E4313과 E4301의 경우 표면이 심하게 부식되어 붉은 산화피막의 형성이 뚜렷함을 알 수 있다.

Fig. 9

Morphologies of corroded surfaces of weld metal zones after measured polarization curves(x100)

Fig. 10은 용접열영향부의 부식된 표면을 보여주고 있다. 역시 E4316 용접봉으로 용접한 경우가 표면에 붉은 산화피막의 형성이 다소 적은 경향을 알 수 있다.

Fig. 10

Morphologies of corroded surfaces of heat affected zones after measured polarization curves(x100)

지금까지 각 용접봉으로 해수 배관을 용접하였을 경우 부식전위와 분극곡선 및 표면사진을 통해 각각의 용접재료와 용접부위의 부식특성 즉, 내식특성을 비교 고찰하여 보았다. 이 경우 실제적으로 표면의 조직 변화와 경도가 각 용접부위의 내식특성에 미치는 영향에 대해서 비교고찰 할 필요가 있다고 생각된다.

Fig. 11은 각 용접봉으로 용접하였을 경우 용접금속의 표면조직을 나타내고 있다. E4311과 E4316의 용접금속의 표면은 조직이 미세한 경향을 나타내고 있으며,

Fig. 11

Variation of microstructures of weld metal zones with various electrodes(x100)

E4313과 E4301의 표면은 다소 조대화가 된 경향을 나타내고 있음을 알 수 있다. 따라서 조직이 미세할수록 내식성이 좋으며 조대화가 될수록 내식성이 감소하는 경향을 알 수 있다.

Fig. 12는 E4316의 용접봉으로 용접한 경우, 각 용접부의 조직변화를 보여주고 있다. 모재는 원형의 큰 조직입자를 나타내고 있으며, 한편으로 용접열영향부와 용접금속은 침상조직을 나타내고 있다. 그리고 용접열영향부보다 용접금속이 덴드라이트(Dendrite) 조직으로 변하면서 결정입자의 조대화와 함께 경도가 상승한다는 연구결과(Ahn et al., 2005; Shin, 1987)가 있으나 본 실험의 결과 용접금속이 용접열영향부에 비해서 다소 미세한 양상을 나타내고 있음을 알 수 있다. 그리고 조직이 미세할수록 내식성이 우수한 경향을 재확인 할 수 있었다.

Fig. 12

Comparison of microstructures of each welding zone with E 4316 electrode(x100)

Fig. 13은 각 용접부의 경도변화를 나타내고 있다. 용접봉의 종류에 관계없이 용접금속의 경도가 높고 용접열영향부 모재로 갈수록 경도가 낮아지는 경향을 나타내고 있다. 그리고 E4316 용접봉으로 용접한 경우가 모든 용접부에서 경도가 높은 경향을 보여주고 있음을 알 수 있다. 일반적으로 단층 용접의 경우 용접열영향부(HAZ, Heat affected zone)가 급랭에 의한 담금질 효과로 경도가 상승하고 용접금속의 경도는 상대적으로 낮아진다. 그러나 본 용접은 2층 용접을 하였으므로 1층의 용접 열이 미처 냉각하기 전에 2층 용접을 하였기 때문에 용접열영향부에 대한 경도는 용접부위의 화학성분으로 볼 때 용접금속의 경도가 높게 유지될 것이라고 생각된다. 따라서 Fig. 13의 경도 측정 결과는 어느 특정의 용접열영향부가 존재해서 경도가 상승하지는 않았으며, 오히려 용접금속의 경도가 높고 용접열영향부, 모재로 갈수록 경도가 저하하는 경향이 있었다. 그리고 어느 특정 지점에서 오히려 경도가 낮아지고 다시 경도가 상승하는 경향도 있었다. 또한 본 실험의 결과 경도가 높을수록 내식성도 좋아지는 실험결과를 얻을 수 있었다.

Fig. 13

Variation of vickers hardness of welding zones in the case of welded with various electrodes

4. 결 론

지금까지 해수 배관 보수용접을 위해 4종류의 용접재료로 직류 피복아크용접을 실시한 결과 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.

(1) E4316 용접봉으로 용접한 경우 용접금속부의 부식전위는 다른 용접재료에 비해서 가장 낮은 값을 나타내었으나 내식성은 가장 우수하였다.

(2) 용접재료에 관계없이 모든 용접금속부와 열영향부는 모재금속에 비해서 양호한 내식성을 나타내었다.

(3) 모든 용접금속의 경도는 모재에 비해서 비교적 높은 경향을 나타내었으며, 특히 E4316 용접봉으로 용접한 경우 각 용접부의 경도가 다른 용접봉으로 용접한 용접부에 비해서 높은 경도를 나타내었다.

(4) 표면의 조직이 미세할수록 내식성은 양호한 경향을 나타내었다.

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Table 1

Chemical composition and mechanical property of base metal (GB/T 8163-2008)

Table 1

Fig. 1

Schematic diagram of welding specimen of pipe

Table 2

SMAW welding condition for various electrodes

Table 2

Table 3

Comparison of chemical composition and mechanical properties of electrodes

Table 3

Fig. 2

Comparison of corrosion potentials of weld metal zones welded with various electrodes

Fig. 3

Variation of polarization curves of weld metal zones welded with various electrodes

Fig. 4

Variation of polarization curves of heat affected zones welded with various electrodes

Fig. 5

Variation of polarization curves of base metal zones welded with various electrodes

Fig. 6

Comparison of polarization curves of each welding zone welded with E4311 electrode

Fig. 7

Comparison of polarization curves of each welding zone welded with E4316 electrode

Table 4

The data of corrosion current densities (A/cm2) of each welding zone welded with various electrodes

Table 4

Fig. 8

Comparison of corrosion current densities of each welding zone welded with various electrodes

Fig. 9

Morphologies of corroded surfaces of weld metal zones after measured polarization curves(x100)

Fig. 10

Morphologies of corroded surfaces of heat affected zones after measured polarization curves(x100)

Fig. 11

Variation of microstructures of weld metal zones with various electrodes(x100)

Fig. 12

Comparison of microstructures of each welding zone with E 4316 electrode(x100)

Fig. 13

Variation of vickers hardness of welding zones in the case of welded with various electrodes