강관의 제조 및 가공 과정에서 내부의 불균일한 변형 및 온도 변화로 인해 외부 힘이 없어도 자체 균형을 이룰 수 있는 일종의 응력이 내부에 형성됩니다.- 이것이 잔류응력입니다.
🔍 강관의 잔류 응력: 원인, 영향 및 제거 전략
🔬 잔류 응력의 정의 및 원인
잔류 응력은 금속 내부에 남아 있으며 외력이 제거된 후 자체 평형 상태에 있는 응력을 의미합니다.- 그 출현은 주로 제조 과정에서 발생하는 다양한 물리적 현상의 불균일성에서 비롯됩니다.
• 고르지 못한 냉각:
열간 압연 공정 중에 강관이 고온 상태에서 냉각될 때-단면의 여러 부분의 냉각 속도가 일정하지 않으면-비동기 수축이 발생하여 내부에 자체 균형 잔류 응력이 형성됩니다.- 일반적으로 형강의 단면 크기가 클수록- 잔류 응력도 커집니다.
• 고르지 못한 소성 변형:
냉간 압연 및 냉간 인발과 같은 냉간 가공 공정에서 금속 재료는 롤에 의해 압출되고 소성 변형됩니다. 강관 내층과 외층의 변형 정도가 일정하지 않으면-응력 분포가 균일하지 않게 됩니다.
• 용접 공정:
직선 심 용접 파이프 또는 나선형 용접 파이프의 제조에서 용접 부위의 금속은 집중적인 국부 가열 및 냉각을 겪습니다. 이 과정에서 용접심 수축으로 인한 국부적인 변형이 항복점 변형의 몇 배에 달하는 경우가 많아 용접 잔류응력이 크게 발생합니다.
⚠️ 잔류 응력의 주요 영향
잔류 응력의 존재는 강관 내부에 "숨겨진 위험의 씨앗"을 뿌리는 것과 같으며, 강관의 성능과 수명에 다양한 위협을 가하고 있습니다.
1. 변형 및 치수 불안정의 원인:
잔류 응력은 강관 내부의 기계적 균형을 깨뜨려 후속 가공, 보관 또는 사용 중에 구부러지거나 비틀리는 등의 변형을 초래할 수 있습니다. 잔류응력이 재료 항복강도의 15%를 초과하면 완성된 강관의 직진도 오차가 30% 이상 급격하게 증가하여 제품의 치수 정밀도에 심각한 영향을 미칠 수 있습니다.
2. 피로 수명과 하중-지탱 능력을 줄입니다.
잔류 응력, 특히 인장 응력은 강관의 피로 저항을 크게 감소시킬 수 있습니다. 반복 하중 하에서 잔류 인장 응력이 있는 영역은 피로 균열이 발생하고 전파가 가속화되기 쉽기 때문에 부품의 조기 파손이 발생하고 서비스 수명이 단축됩니다.
3. 균열 위험 증가:
용접 강관의 경우 용접 이음새 부분에 존재하는 잔류 응력이 3{0}}방향 응력 상태를 나타내는 경우가 많아 균열 위험이 크게 증가합니다. 강철 자체에 박리가 있는 경우(개재물이 얇은 시트로 압착됨) 잔류 응력으로 인해 용접 이음새가 수축될 때 층간 찢어짐이 발생할 수도 있습니다.
4. 입계 부식 강화:
잔류 응력은 금속의 화학 반응성을 향상시킬 수 있습니다. 잔류 인장 응력의 작용으로 강관(특히 스테인리스 강관)은 특히 입계 부식 균열이 발생하기 쉽습니다. 즉, 결정 경계에서 부식되어 내식성에 심각한 영향을 미칩니다.
5. 기계적 특성 및 건축 안전에 미치는 영향:
나선형 용접 파이프를 예로 들면 나선형 선 분포의 균열 방향과 파이프 축(보통 30-70도) 사이의 각도와 전단 파괴 각도가 유사합니다. 이는 굽힘, 인장, 압축 및 비틀림 성능이 직선 솔기 수중 아크 용접 파이프보다 열등할 수 있음을 의미합니다. 또한 시공 과정에서 노드의 교차선 용접으로 인해 나선형 이음매가 절단되어 심각한 용접 응력이 발생하고 부품의 안전 성능이 약화될 수 있습니다.
💡 잔류 응력을 제거하는 주요 방법
잔류 응력을 극복하는 핵심 아이디어는 일반적으로 물리적 또는 열역학적 방법을 통해 "방출구"를 제공하는 것입니다. 다음 표에서는 세 가지 주류 제거 방법을 비교합니다.
| 제거 방법 |
핵심 원칙 |
적용 가능한 장면 | 제거 효과 | 주요 이점 |
|
열처리 |
가열함으로써 원자는 에너지를 얻어 스스로 재배열되고, 느린 냉각 과정에서 응력이 방출됩니다. | 고정밀도 및 응력이 높은-고-파이프 재료; 용접 후 스트레스 해소. | 가장 철저한 효과로 스트레스의 60%~90%를 제거할 수 있습니다. | 가장 철저한 효과를 가지며 업계의 주류 솔루션입니다. |
| 기계적 방법 | 진동이나 압력 등의 외력을 가함으로써 국부적인 소성변형이 발생하여 잔류응력이 상쇄되거나 감소됩니다. | 대형 파이프 자재,-현장 시공 및 난방이 불편한 시나리오. | 일반적으로 스트레스의 30~60%가 제거됩니다. | 유연하고 효율적이며 난방이 필요 없으며 비용이 저렴합니다. |
| 자연 노화 | 자연 환경의 장기적인 온도 변화와-미세한 진동을 이용하여 스트레스가 천천히 자연스럽게 해소됩니다. | 건설 기간에 대한 요구 사항이 엄격하지 않고 응력 수준이 높지 않은 저{0}}탄소 강관입니다. | 매우 오랜 시간(3~12개월)이 소요되어 20~30%만 제거됩니다. | 장비나 에너지가 필요하지 않아 비용이 매우 저렴합니다. |
🔍기계적 방법의 특정 응용 분야:
• 열처리 공정의 핵심 포인트:
일반적인 응력 완화 어닐링에는 강관을 특정 온도(보통 상변태 온도 또는 재결정 온도보다 낮은 온도(예: 500{2}}650도))로 가열하고 일정 시간 동안 유지한 다음 천천히 냉각하는 작업이 포함됩니다. 고-탄소강이나 합금강의 경우 경도를 크게 줄이지 않고 응력을 제거하기 위해 저온 템퍼링(150~250도)을 채택할 수도 있습니다.
• 기계적 방법의 특정 적용:
진동 응력 완화 : 가진기를 강관에 고정하고 특정 주파수의 진동을 가하여 공진시켜 응력을 균질화 또는 제거합니다. 이 방법은 에너지 소모가 적고 시간 소모가 짧지만, 열처리만큼 제거 효과가 좋지는 않습니다.
압력 교정: 강관의 구부러지거나 응력이 집중된 부분-에 유압 프레스를 통해 압력을 가하여 역소성 변형을 일으켜 응력의 균형을 맞춥니다.
• 프로세스 조합 적용:
실제 산업 생산에서는 특정 상황에 따라 이러한 방법을 결합하여 사용하는 경우가 많습니다. 예를 들어, 요구 사항이 매우 높은 강관의 경우 열처리 및 응력 제거 어닐링 후 진동 노화 처리를 보완하여 치수 및 응력 상태를 더욱 안정화시킬 수 있습니다. 압연 공정 매개변수 최적화, 금형 설계 개선, 지능형 제어 기술 도입을 통해 잔류 응력 발생을 원천적으로 줄일 수 있습니다.
