耐Sour 라인 이 강재의 개발동향

용 부 Sour특성

김 훈․송 우 ․고 성 웅

大韓熔接․接合學 誌 第32卷 5號 別冊

2014. 10

This is an Open-Access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution Non-Commercial License(http://creativecommons.org/licenses/by-nc/3.0) which permits unrestricted non-commercial use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited.

Journal of Welding and Joining, Vol.32 No.5(2014) pp21-25

http://dx.doi.org/10.5781/JWJ.2014.32.5.21

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耐Sour 라인파이프 강재의 개발동향 및 용접부 Sour특성

김 훈*,†․송 우 *․고 성 웅**

*포스코 철강솔루션센터 합연구그룹**포스코 기술연구원 POSCOA 로젝트

Development Trend of Sour Resistant Linepipe Steel and its Sour Characteristics in Welded Joints

Young-Hune Kim*,†, Woo-Hyun Song* and Seong-Ung Koh**

*Welding and Joining Research Group, POSCO Steel Solution Center, Pohang 790-704, Korea**POSCOA Project Team, POSCO Technical Research Laboratories, Pohang 790-704, Korea

†Corresponding author : gogman@posco.com(Received October 16, 2014 ; Revised October 22, 2014 ; Accepted October 28, 2014)

Abstract Oil and gas fields were left unexploited which deemed too deep and sour. New developing markets are emerging in this part and pipe manufacturers need demanding requirements in the combination of sour service requirements with heavier wall thickness required to cope with increasing water depths. Whilst, the strength and fracture toughness needed to meet the strict requirements In order to deliver the optimum sour properties in the final pipe, attention needs to be paid to each stage throughout the process from steel making. The main key during steel making is strengthening, securing mechanical properties and suppression of center segregation by adding proper chemical elements and controlling water cooling and plate rolling. Additionally in welding, it is required to prevent HAZ softening by high heat input during welding of heavy thick pipes and hydrogen assisted cracking in high strength steels with hard phases. In this paper, we introduce markets of sour resistant linepipe steels and in response to this, have a look in the development trend of sour resistant linepipe steels and its sour characteristics in welded joints.

Key Words : Sour, Welded joints, Pipeline, API

ISSN 1225-6153

Online ISSN 2287-8955

1. 서 론

미국석유 회 (API, American Petroleum Institute)

에서 규정하는 API강재는 유 가스 에서의 시추

에서부터 장, 운송까지 사용되는 강재를 일컫는다.

규격체계는 Fig. 1과 같으며, 그 용도에 따라 크게 3

가지로 원유 천연가스의 시추 지상으로 반출하는

데 사용되는 유정용 강 (OCTG, Oil Country Tubular

Goods), 목 지까지 원유 천연가스를 수송하는데

사용되는 라인 이 (Linepipe), 해양구조물 시추

용 선박을 제조하는데 사용되는 해양구조물용 강 으로

구분된다.

라인 이 는 Table 1과 같이 항복강도(yield strength)

에 따라 pipe grade를 구분하며, 인장특성, 연신율,

충격인성 등 고객사에 따라 다양한 물성을 요구하게 된

다. 일반 으로 API강재에 요구되어지는 성능은 크게

4가지로 구분되며 고강도화, 고인성화, 고변형능화, 고

내식화가 그것이다. 강재요구 동향은 차 수송능력을

향상시키기 해 구경 강 의 요구가 증가하고 있으

며, 가혹한 환경에서도 충분한 강도 연성을 확보한

고강도 강을 요구하고 있다1-3). 이러한 요구물성의

응은 주로 TMCP(Thermo-Mechanically Controlled

Process)를 거친 HSLA(High Strength Low Alloy)

특집논문

김 훈․송 우 ․고 성 웅

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API 5 L - X 70

Specified minimum yield strength (ksi)Class : A/B - Refinery, X - Transmission

H/J/K/N-Oil country tubular goodsPurpose : L - LINE PIPE, H/W - Offshore structure

CT - CASING &TUBING

Group : 2-Offshore structure, 5-Pipe

Fig. 1 API System specification

Table 1 Requirements for tensile results (API 5L,

PSL 2 pipe)

Pipe

grade

Pipe bodyWeld

seam

YS(MPa) TS(MPa)YR

Ratio(%)TS(MPa)

Min. Max. Min. Max. Min. Max.

X60 415 565 520 760 93 520

X65 450 600 535 760 93 535

X70 485 635 570 825 93 570

X80 555 705 625 915 93 625

X100 690 840 760 990 97 760

X120 830 1050 915 1145 99 915

Fig. 2 Nord stream pipeline project

Fig. 3 Rota 3 project

강으로 가능하며, 탄소함량을 낮추면서 Nb, V, Ti,

Mo 등의 합 원소를 통해 물성을 확보하게 된다4-7).

극한지의 가혹한 환경에서도 천연가스 수송용 이

라인이 건설됨에 따라 온인성을 확보한 강재 수요가

증가하고 있다. 한, 가혹한 환경이나 장의 시공조

건에 따라 이 라인에 소성변형을 유발시킨다. 특히,

지진활동이나 구동토층이 존재하는 지역에서의 이

라인은 지속 인 이 의 변형을 유발시키고, 이

라인의 원주방향뿐만 아니라 길이방향에 해서도 인

장, 압축변형에 한 고변형성능이 요구된다4-6).

내Sour강재는 기존 HIC(Hydrogen Induced Crac-

king)와 SSC(Sulfide Stress Cracking) 항성을

보증하는 것 뿐만 아니라, 에 지 자원의 개발이 차

북극 해 와 같은 보다 엄격한 품질이 요구되는 곳

으로 옮겨감에 따라 기존 HIC(hydrogen induced

cracking) 미발생 뿐만 아니라, 고강도, 고인성, 극후

물의 특성이 동시에 요구된다.

라인 이 강재의 고성능화에 함께 강 의 용 부에

한 요구수 도 높아지고 있다. 기존의 다량의 합 원

소를 첨가한 고합 고강도강재 비 TMCP강의 사용

으로 용 성이 향상되었지만, 용 부 강도 HAZ (Heat

Affected Zone) 인성은 오히려 하되는 특성을 가져

왔다.

본 논문에서는 후 내Sour 라인 이 강재 시장

황을 살펴보고, 이에 응하는 내Sour 라인 이 강

재 개발 황 용 부 Sour특성을 소개하 다.

2. 내Sour 라인 이 강재 시장 황

세계 으로 이 라인 건설 로젝트는 최근 경

기침체와 더불어 일부 지연 혹은 취소되는 구간들이 발

생하고 있지만, 주요 로젝트들은 꾸 히 지속 으로

진행되고 있다. 련된 주요 로젝트를 소개하면 아래

와 같다.

Nord Stream 로젝트는 Gazprom 등 5사의 컨소

시엄으로 구성되어 러시아 Vyborg와 독일 Greifswald

을 잇는 발틱해 해 경유 2단계(복선화) offshore 이

라인 건설 로젝트이다. 총 1,224km의 외경 48”

이 라인 건설로 라인당 연간 27.5 bcm(billion

cubic meters)의 천연가스를 운송을 계획하고 있다.

사용되는 주요 내Sour강재는 X70강도의 26.8mm에서

41mm의 후물재이다.

ROTA 3 Project는 라질 석유공사인 Petrobras

에서 발주한 로젝트로, 라질 SANTOS 유 에서부

터 Rio de Janeiro 내륙 정제시설까지 약 240km의

이 라인 건설 로젝트이다. 소요 내Sour강재는 외

경 22” ~ 29” 의 X65, X70강이다.

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UAE ZADCO 로젝트는 아부다비 해상 원유생산

설비 공 로젝트로, 기존 550 MSTBD(Thousand

Stock Tank Barrels Per Day)의 생산량을 750

MSTBD까지 증가시키는 것을 목 으로, 25개의 well-

head 랫폼 타워를 증설하고, 수백 km의 flow line

신설 이다. 소요 내Sour강재는 API-B grade의

Normalizing 열처리용 Sour강으로 9.5mm에서

44.45mm 두께의 강재를 사용한다.

3. 내Sour라인 이 강재 개발 동향

3.1 고품 내Sour강 제조기술

원유 천연가스내 함유된 황화수소(H2S)는 H+의

원자상태로 강재표면 흡착을 통해 강재 내부의 결함,

편석 혹은 개재물에 분자형태로 집 되어 HIC, SSC

의 개시 역할을 하게 된다8). 내Sour강재의 경우, 기

본 으로 강도, 연성, 인성 등의 물성을 만족시켜야 함

과 동시에 내Sour특성 확보를 해 개재물, 편석 의

감을 통한 수소유기균열발생 방지를 최소화해야 한

다. 이를 해서는 강재 제조단계에서의 수많은 공정인

자들의 최 화 기술이 필요하다. 가장 기본 으로는 주

편 자체의 청정도 향상, 개재물 형상 제어(구상화),

심편석 제거 최소화가 이루어져야 하고, KR 비

처리를 통한 탈황을 진시켜 불순물인 황(S)을 제거하

여 MnS의 편석 를 제거해야 한다. 한, LF(Ladle

Furnace)공정에서 Ca를 첨가하여 MnS를 체한 구

형의 CaS개재물을 생성시킴으로써, 내Sour특성을 향

상시킨다.

3.2 극후물 내Sour강 제조기술

차 심해 건설이 증가함에 따라 기존 제조가 용이

한 사이즈의 내Sour강재 개발에서 극후물강재의 요구

가 증가하고 있다. 40mm두께내외의 극후물 내Sour강

제조의 핵심기술은 내sour특성 확보기술로, 심부 MnS

편석 정출을 억제하기 한 최 경압하가 필요하

다. 한 기존 성분계로는 극후물강재에 한 강도확보

가 불가능함으로써, C함량을 낮추고, 경화성원소(V,

Mo 등)를 첨가한 신성분계 도출을 통한 강도확보가 필

요하다.

3.3 열처리형 내Sour강 제조기술

내Sour 극후물재의 강 제조를 한 방안은 강도

후물재의 조 후 열처리(QT, Normalizing etc.)를 통

한 강 제조 방법이 있다. 실제 해외 철강사에서는 55t

이상의 내Sour강재를 생산하고 있으며, 이를 활용한 내

Sour강 이 제작되고 있다. 이는 이 라인 뿐만 아니

라 해양구조물에도 활용됨으로써, 그 활용범 를 확 하

고 있다.

3.4 고강도 내Sour강 제조기술

일본 유럽 철강사를 심으로 이미 X80 내Sour

강재 개발완료한 것이 논의되었고 X100 강재에 해서

도 내Sour특성에 한 연구가 진행되고 있다9-10). 이는

단순히 고강도의 확보뿐만 아니라 요구되는 내Sour특

성까지 확보해야 함으로써 상징 인 의미를 가진다.

재 시장에서는 X70 내Sour강재는 리 용되고 있으

며, 이와 더불어 X80 내Sour강재에 한 수요도 차

나타나고 있는 수 이다.

4. 내Sour 라인 이 용

4.1 용 성

TMCP강재는 강재 제조시 가속냉각 압연을 통한

강도를 확보하고, C함량을 낮춤으로써, 강재의 용 성

균열감수성을 감시키는 특성을 가지게 된다.

Sour특성 한 합 성분의 함량을 낮춰 경화성 원소로

발생할 수 있는 개재물 심편석(MnS), 경화조직

(hard phase) 발생량을 감소시킴으로써, 내Sour특성

확보에 용이하다. 그러나, 후물재의 경우 용 입열량

이 증가함에 따라 모재 희석에 의한 용 속의 강도가

하되고, 열 향부의 확 로 국부열화 상이 증가하므

로 한 용 재료 선정 용 로세스 용이 필요

하다.

4.2 내Sour 강재 용 부 균열 특성

라인 이 는 강 제작 혹은 시공시 용 이 필수

으로 수행되며, 용 에 의한 열 향부에서는 경화조직

이 나타나고, 용 부 잔류응력이나 용 결함 등 응력이

집 될 수 있는 국부 역이 형성되기 때문에SSC가

발생할 수 있다(Fig. 3). 용 속 근처는 높은 경도

를 나타내는 큰 결정립의 CGHAZ(Coarse Grain Heat

Affected Zone)을 가지며, 이 부분은Type II SSC에

상당히 민감하게 되어 부가된 응력(hoop stress)에 수

직으로 균열이 되는 형태를 나타낸다. 이를 방지하

기 해서는 강재 제조시 심편석 개재물을 감

시키고, 용 시 결함을 최소화하는 기술이 필요하다11-13). 그리고 모재와 가까운 ICHAZ(Intercritical Heat

Afftected Zone)나 SCHAZ(Subcritical Heat Afftected

김 훈․송 우 ․고 성 웅

454 Journal of Welding and Joining, Vol. 32, No. 5, 2014

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5 mm5 mm

(a) SSC in ICHAZ (Type I)

5 mm5 mm

(b) SSC in Fusion Line (Type II)

5 mm5 mm

(C) SSC in Seam Weld (Type II)

Fig. 4 SSC at welded joints

Zone)는 미세하고 균일한 조직의 연화역을 형성시키고

이 부분에서는 Type I SSC가 일어나기 쉽다. 이를 제

어하기 해서는 강재제조시 연화를 최소화할 수 있는

Ti, B, V 등의 성분을 첨가하거나 용 시 용 조건을

최 화(입열량 감, 후처리) 함으로써, 그 발생 가능

성을 감시키는 기술이 필요하다14-17).

4.3 극후물재 용

강 사의 생산성을 높이기 해서는 조 용 공

정시 그 시간을 단축시키는 방안이 필요하다. 이에

표 인 조 방법이 UOE 로세스로써, 정형화된 툴의

사이즈에 따라 동일한 사이즈의 량생산이 가능해 다

른 조 (JCOE, Roll Bending) 로세스 비 단시간

내에 이 제작할 수 있다. 한, 4 극 혹은 5 극

을 활용한 다 극 용 시스템은 1 극 혹은 2 극으로

다층용 시 발생할 수 있는 시간을 단축시킴으로써, 생

산성을 제고시킬 수 있다.박물 후물재의 경우 다

극 용 을 통한 물성확보가 가능하나, 극후물재의 경우

는 입열량이 격히 증가함에 따라 용 속 HAZ

물성의 확보가 난이하다. 특히, 내Sour강재의 경우,고

입열량으로 인한 HAZ연화 상이 심각한 상태에 이르

러Sour특성의 격한 하를 래한다.국내 강 사의

경우, 다량의 물량에 한 조 용 시스템이 아닌

소량 물량의 다양한 사이즈의 제품을 생산하는 특성으

로 인해, JCOE 혹은 Roll bending 조 다층용

방식을 채택하고 있으나, 생산성 향상 시장 유율

확보를 한 조 로세스 다 극 용 시스템 도입

의 검토도 필요하다.

5. 결 론

본 논문에서는, 후 내Sour 라인 이 강재의 최

근 개발동향과 용 성에 해서 소개하 다. 내Sour

라인 이 강재는 해외 철강사를 심으로 한 고강도

내Sour강재를 개발완료하 으며, 기존 상업화된 내

Sour강재에 한 연구자료 데이터베이스를 활용한

로젝트 발주처 홍보를 극 으로 추진하고 있다. 국

내 철강사 강 사의 경쟁력 확보 시장 유율 증

를 해서는 국내 철강사의 극 인 강재개발

DB구축, 국내 강 사의 국내 고 API강재의 요구

활용처 다변화를 통한 끊임없는 상호신뢰체제 구축되었

을 때 국내 철강 강 산업의 밝은 미래를 내다볼 수

있을 것이다.

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