해양 등급 합금: 조선 및 해양 플랫폼

해양 및 해양 응용 분야에 적합한 합금을 선택하는 것은 조선 및 플랫폼 건설에서 가장 중요한 엔지니어링 결정 중 하나입니다. 해수, 염수 분무, 고압, 산성 가스(H2S) 및 극한의 기계적 부하에 대한 끊임없는 노출로 인해 일반 탄소강을 훨씬 뛰어넘는 재료가 필요합니다.

이 가이드에서는 가장 널리 사용되는 해양용{0}}등급 스테인리스강과 니켈 합금을 소개하고 주요 특성을 쉬운 말로 설명하며 각 합금을 최고의 성능과 장기적인 가치를 제공하는 특정 선박 구성 요소 및 해양 플랫폼 부품에 매핑합니다.-

노련한 야금학자, 조달 전문가, 업계에 처음으로 진출하는 학생 모두에게 이 참고 자료는 명확하고 데이터 기반의 기반을 제공할 것입니다.-해양 환경에서의 재료 선택.

일반 강철이 바다에서 실패하는 이유

표준 탄소강은 해양 환경에서 빠르게 부식됩니다. 바닷물은 중량 기준 약 3.5%의 염화나트륨(NaCl)으로 구성되어 있으며, 이 염-풍부 전해질은 담수 조건보다 1,000배 빠른 속도로 전기화학적 부식을 가속화합니다. 해양 플랫폼과 선박도 다음과 같은 상황에 직면해 있습니다.

플랜지 및 조인트와 같은 제한된 공간에서 염화물-로 인한 공식 및 틈 부식

부식성 환경과 결합된 인장 응력으로 인해 발생하는 응력 부식 균열(SCC)

밸러스트 탱크의 황산염-감소 박테리아로 인한 미생물 영향 부식(MIC)

침식{0}}해수 냉각 루프와 같은 고속-유체 시스템의 부식

해저 유정 및 라이저의 고압 및 고온-서비스 조건

황화수소(H2S)와 이산화탄소(CO2)가 포함된 산성 서비스 환경

해결책은 크롬(Cr), 몰리브덴(Mo), 니켈(Ni)과 같은 원소로 제조된 -특수 가공 합금 - 스테인리스강 및 니켈 합금 -을 사용하여 부동태 산화막을 생성하여 부식을 크게 늦추는 것입니다.

내부식성 이해: PREN 지수

피팅 저항 등가수(PREN)는 해수와 같은 염화물 환경에서 피팅 부식에 대한 합금 저항성을 비교하기 위해 엔지니어가 사용하는 표준 미터법입니다. 다음과 같이 계산됩니다.

PREN=%Cr + 3.3 × %Mo + 16 × %N

PREN 값이 높을수록 공식 및 틈새 부식에 대한 저항성이 더 우수함을 의미합니다. 경험상:

PREN < 25: 약한 부식성 또는 대기 해양 환경에만 적합

PREN 25-40: 스플래시 구역, 데크 하드웨어 및 담수 시스템에 적합

PREN > 40: 지속적인 해수 침수, 해저 서비스 및 공격적인 화학 환경에 권장됩니다.

해양 등급 합금 개요

다음 표에는 조선 및 해양 플랫폼 응용 분야에서 가장 일반적으로 사용되는 11개의 합금이 요약되어 있습니다. 각 합금은 일반 상표명이나 제품군, 표준화된 UNS(통합 번호 체계) 지정 및 주요 해양 용도로 식별됩니다.

표 1: 해양 등급 합금 개요 및 주요 응용 분야

화학성분 참고

화학적 조성은 합금의 부식 거동, 강도 및 용접성을 직접적으로 좌우합니다. Chromium은 패시브 레이어를 구축합니다. 몰리브덴은 구멍과 틈새 공격에 대한 저항력을 강화합니다. 니켈은 오스테나이트 구조를 안정화시키고 저온에서 인성을 향상시킵니다. 아래 표는 가장 일반적인 해양 합금에 대한 대략적인 공칭 구성 범위를 제공합니다.

표 2: 주요 해양 합금의 대략적인 화학 조성(중량%)

*PREN=%Cr + 3.3×%Mo + 16×%N † 니켈- 기반 합금: PREN은 표준 측정항목이 아닙니다. 내식성은 합금-별 테스트 방법(예: ASTM G28, G48)으로 평가됩니다.

기계적 성질

내식성 - 해양 구조물 및 선박 선체는 일반적으로 25년이 넘는 설계 수명 동안 막대한 정적 하중, 동적 파력 및 주기적인 피로를 견뎌야 하기 때문에 기계적 성능도 마찬가지로 중요합니다. 아래 표는 이 가이드에서 논의된 주요 합금의 일반적인 기계적 특성 범위를 제공합니다.

표 3: 해양 등급 합금의 일반적인 기계적 특성(별도 언급하지 않는 한 어닐링 조건)

합금--부품 매핑: 조선

다음 표는 각 합금을 가장 일반적으로 지정되는 상업용 또는 해군 선박의 특정 구성 요소에 매핑합니다. 각 선택의 근거는 내식성, 기계적 강도, 용접성, 비용 및 적용 가능한 선급 협회 규칙의 균형을 반영합니다.

표 4: 조선 부품별 권장 합금

구성요소 매핑에-합금-: 해양 플랫폼

고정식 재킷 구조물, 반-잠수정, FPSO(부유식 생산 저장 및 하역 장치) 및 해저 설비를 포함한 해양 석유 및 가스 플랫폼-은 자재를 지구상에서 가장 가혹한 조건에 노출시킵니다. 산성 가스 서비스(H2S + CO2), 초-고압, 깊은 곳에서 지속적인 해수 침수를 위해서는 최고 성능의 합금이 필요합니다.-

표 5: 해양 플랫폼 구성 요소별 권장 합금

상세한 합금 프로파일

316L 등급해양 산업에서 가장 널리 사용되는 스테인레스 스틸입니다. 낮은 탄소 함량(0.03% 이하)은 용접 중 감작을 최소화하여 용접 열 영향을 받는 부분의 입계 부식을 방지합니다-. 약 24의 PREN을 사용하면 -수선 위의 응용 분야, 적당한 염도의 물을 운반하는 배관, 해수 물보라와 대기에 노출되는 모든 일반 해양 장비에 적합합니다.

가장 적합한 대상:데크 부속품, 난간, 패스너, 위생 배관, 비-침수 구조 구성 요소.

한정:추가적인 보호 조치 없이 고인 해수나 틈이 생기기 쉬운-기하학적 구조에 지속적으로 담그는 경우에는 권장되지 않습니다.

듀플렉스 2205 - 강도와 내식성이 만나다

듀플렉스 22052{0}}상 미세 구조(약 50% 오스테나이트 + 50% 페라이트)를 제공하여 유사한 내식성에서 316L 스테인리스 강의 항복 강도의 약 2배를 제공합니다. 약 35의 PREN은 해수 또는 기수를 처리하는 배관 시스템, 압력 용기 및 해양 플랫폼의 상부 구조 응용 분야에 적합합니다.

가장 적합한 대상:상부 배관, 압력 용기, 라이저 클램프, 담수화 플랜트 구성 요소, 스플래시 구역의 구조 보강재.

주요 장점:표준 오스테나이트 등급에 비해 우수한 응력 부식 균열(SCC) 저항성-은 따뜻한 염화물-함유수와 인장 응력이 일치하는 경우 중요한 장점입니다.

슈퍼 듀플렉스 2507 - 해저의 일꾼

PREN이 42를 초과하고 크롬 함량이 25%인 경우,슈퍼 듀플렉스 2507Duplex 2205가 충분하지 않을 때 선택되는 합금입니다. 이는 해저 매니폴드, 엄빌리컬 튜브, 펌프 샤프트 및 음극 보호 제한 없이 수년간 연속 해수 침수를 견뎌야 하는 모든 장비에 광범위하게 지정됩니다.

가장 적합한 대상:해저 매니폴드, 제어 라인, 펌프 임펠러 및 샤프트, 고압 해수 주입 시스템, 유연한 라이저 장력 보호 장치.

합금 625(인코넬 625) - 해양 프리미엄 표준

합금 625뛰어난 강도, 가공성 및 내부식성을 갖춘 니켈-크롬-몰리브덴 합금입니다. 몰리브덴 함량(8~10%)과 니오븀 첨가로 염화물 매질의 공식 및 틈새 부식에 대한 뛰어난 저항성을 제공하는 동시에 높은 니켈 베이스는 염화물-유발 SCC에 대한 내성을 보장합니다. 또한 산성 가스 서비스에 대한 NACE MR0175/ISO 15156을 완벽하게 준수합니다.

가장 적합한 대상:해저 수원, 유연한 라이저 내부 라이너, 클래드 파이프라인, 플레어 시스템, 고압 흐름 제어 장비, 스플래시 구역 덮개.

특수 기능:탄소강 파이프라인의 용접 오버레이 클래딩 재료로 사용되어 견고한 합금 625 구조보다 저렴한 비용으로 부식 방지 내부 표면을 제공합니다.{0}}

합금 825(Incoloy 825) - 산과 해수 결합

합금 825산화 및 환원 환경 모두에서 부식에 저항하도록 특별히 설계되었습니다. 니켈(38~46%), 크롬(19.5~23.5%), 몰리브덴(2.5~3.5%), 구리(1.5~3.0%)의 조합으로 황산(H2SO4)과 인산(H3PO4)은 물론 뜨거운 바닷물의 공식 및 SCC에 특히 효과적입니다. 이는 생산된 수처리 및 해양 세정 시스템에 널리 사용됩니다.

가장 적합한 대상:FPSO의 열 교환기, 산성 가스 스크러버, 생산수 처리, 화학물질 주입 라인, 해양 담수화 장비.

합금 C-276(Hastelloy C-276) - 최대 내화학성

합금 C276시중에 판매되는 합금 중 내식성이-가장 뛰어난 합금 중 하나입니다. 매우 높은 몰리브덴 함량(15-17%)과 텅스텐 첨가로 인해 습식 염소, 염화 제2철, 염산 및 황 화합물을 포함한 산성 환경의 산화 및 환원에서 뛰어난 저항성을 제공합니다. 이는 해양 연도 가스 탈황(FGD) 시스템과 공격적인 생산수 환경에 선호되는 소재입니다.

가장 적합한 대상:연도가스 세정기, 습식{0}}가스 처리, 산성 가스 유정, 공격적인 화학 공정 라인, FPSO 및 화학물질 운반선의 산화 산성 서비스.

합금 400 및 K-500(모넬 계열) - 해수 전문가

Monel 계열의 니켈-구리 합금은 100년 넘게 해양 분야에 사용되어 왔습니다.합금 400해수 서비스 분야에서 뛰어난 실적을 보유하고 있으며 생물 부착에 저항하고 영하의 온도에서도 우수한 인성을 제공합니다-. 합금 K500은 석출 경화(알루미늄 및 티타늄 첨가를 통해)를 추가하여 우수한 해수 부식 저항성을 유지하면서 합금 400의 강도를 3배로 늘렸습니다-. 또한 비자성을 유지하므로-지뢰 제거 선박 및 민감한 계측 응용 분야에 유용합니다.

합금 400은 다음 용도에 가장 적합합니다.해수 배관, 밸브, 응축기 튜브, 펌프 케이싱, 프로펠러 샤프트 슬리브.

합금 K-500은 다음 용도에 가장 적합합니다.프로펠러 샤프트(특히 해군 선박), 해수 아래의 패스너, 해양 주입 시스템의 펌프 샤프트.

6Mo 스테인레스강(254 SMO) - 해수용 슈퍼 오스테나이트계

6% 몰리브덴 슈퍼 오스테나이트계 스테인레스강으로,254 SMO (UNS S31254)가장 널리 지정되어 있으며 표준 이중 합금과 니켈-기본 재료 사이의 격차를 해소합니다. 약 43의 PREN을 갖춘 254 SMO는 희석되지 않은 해수에서 공식 및 틈새 부식에 저항하며 일치하거나 전체 합금된 용가재를 사용하여 완전히 용접 가능합니다. 듀플렉스 등급에 비해 저온에서 우수한 인성을 제공합니다.

가장 적합한 대상:해양 해수 배관, 담수화 플랜트 배관, 화재 진압 수처리 시스템, 해양 데크 배관, FPSO 해수 리프트 펌프 케이싱.

적용 가능한 표준 및 인증

해양 및 해양 응용 분야에 사용되는 모든 합금은 국제적으로 인정된 재료 표준을 준수해야 하며 해당되는 경우 인정된 선급 협회(예: ABS, DNV, Bureau Veritas, Lloyd's Register 또는 ClassNK)의 승인을 받아야 합니다. 다음 표에는 가장 관련성이 높은 표준이 요약되어 있습니다.

표 6: 해양 및 해양 합금에 대한 주요 표준 및 인증

자주 묻는 질문(FAQ)

'L'은 저탄소(Low Carbon)를 의미합니다.. 316L은 표준 316의 0.08%에 비해 최대 0.03%의 탄소를 포함합니다. 탄소 함량이 낮으면 용접 중 결정립 경계에서 크롬 탄화물이 형성되는 것을 방지하여 열 영향부의 내식성이 감소합니다-. 해양 응용 분야에서는 용접 어셈블리의 경우 표준 316보다 316L이 거의 항상 선호됩니다.

Q: 해양 배관에 316L보다 듀플렉스 스테인리스 스틸을 선호하는 이유는 무엇입니까?

Duplex 2205는 316L보다 약 2배 높은 항복 강도를 제공하므로 더 얇은 벽 섹션을 지정할 수 있어 무게와 재료 비용이 절감됩니다. 또한 우수한 SCC 저항성과 316L의 경우 ~24에 비해 ~35의 PREN을 제공하므로 해수 구멍에 대한 저항성이 훨씬 더 높아집니다- 이는 해양 배관 서비스에서 결정적인 이점입니다.

Q: '클래드 파이프라인'은 무엇을 의미하며 Alloy 625를 사용하는 이유는 무엇입니까?

클래드 파이프라인은 탄소강으로 된 구조적 외부 쉘(강도 및 비용 효율성 제공)과 얇은 내부 라이닝(- 일반적으로 3~5mm -)이 용접 오버레이 또는 폭발 결합으로 적용되는 합금 625와 같은 내식성 합금으로 구성되어 있습니다. Alloy 625 내부 표면은 부식성 생성 유체(CO2, H2S, 염화물 및 물 포함)로부터 보호하는 반면 탄소강은 기계적 하중을 지탱합니다. 이 하이브리드 접근 방식은 훨씬 저렴한 비용으로 견고한 Alloy 625 파이프라인의 성능을 제공합니다.

Q: 스테인레스 스틸은 자성을 띠나요?

유형에 따라 다릅니다. 오스테나이트계 스테인리스강(예: 316L, 317L 및 6Mo 등급)은 어닐링된 상태에서 비자성입니다-. 듀플렉스 및 슈퍼 듀플렉스 등급은 페라이트 상 함량으로 인해 자성이 약합니다. Alloy 400과 같은 니켈-구리 합금은 비자성입니다.- 합금 K-500은 어닐링된 상태에서도 비자성입니다. 이는 자기장에 민감한 지뢰 제거 선박 및 장비에 중요한 장점입니다.

결론

해양 및 해양 환경은 모든 엔지니어링 분야에서 가장 까다로운 환경 중 하나입니다. 재료 고장 - 구조적 붕괴, 환경 오염, 생산 손실 또는 인명 손실 -로 인해 합금 선택이 임무에 중요한 결정이 됩니다.-

이 가이드에 소개된 합금-은 주력 제품인 316L 스테인리스강부터 프리미엄 성능의 합금 625 및 하스텔로이 C276 -에 이르기까지 특히 해수, 산성 가스, 고압 및 기계적 피로 문제를 목표로 하는 수십 년간의 야금학적 개발을 나타냅니다. 이러한 재료를 올바르게 사용하면 선박 및 해양 플랫폼이 최소한의 유지 관리로 전체 25~30년 설계 수명 동안 안정적으로 작동할 수 있습니다.

이 가이드의 주요 내용:

PREN을 첫 번째{0}}통과 검사 도구로 사용하세요. - 지속적인 해수 침수 적용에는 PREN > 40이 필요합니다.

듀플렉스 및 슈퍼 듀플렉스 등급은 비슷한 가격으로 오스테나이트계 SS보다 더 높은 강도와 ​​더 나은 SCC 저항성을 제공합니다.

니켈 합금(합금 625, 825, C-276)은 산성 공격과 염화물 부식을 동시에 저항해야 하는 경우에 필수적입니다.

모든 Sour 서비스 애플리케이션에 대해 NACE MR0175/ISO 15156을 준수하는지 항상 확인하세요.

중요 부품에 대한 전체 재료 추적성을 위해 EN 10204 유형 3.1 또는 3.2 밀 인증을 요구합니다.

근해 탐사가 점점 더 깊은 물과 부식성이 강한 저수지 환경으로 이동하고 해양 산업이 더 가볍고 강하며 내구성이 뛰어난 선박을 요구함에 따라 고급 합금은 안전하고 지속 가능하며 경제적으로 실행 가능한 해양 작업을 가능하게 하는 데 계속해서 결정적인 역할을 할 것입니다.

주요 용어집

프렌(공식 저항 등가수): 염화물 환경에서 공식 부식에 대한 합금의 저항을 예측하는 계산된 지수입니다. 값이 높을수록 저항이 더 우수함을 나타냅니다.

SCC(응력 부식 균열): 인장 응력과 부식성 환경이 결합하여 두 가지 모두에 개별적으로 저항하는 재료에 균열을 일으키는 파손 메커니즘입니다.

신 서비스:민감한 합금에서 수소 취화 및 황화물 응력 균열을 유발하는 황화수소(H2S)가 포함된 환경. NACE MR0175/ISO 15156의 적용을 받습니다.

UNS(Unified Numbering System): ASTM International과 SAE International이 공동으로 관리하는 금속 및 합금에 대한 북미 표준 지정 시스템입니다.

FPSO:부유식 생산 저장 및 하역 장치(Floating Production Storage and Offloading Unit) - 생산된 탄화수소를 바다에서 처리하고 저장할 수 있는 해양 석유 및 가스 생산 선박의 일종입니다.

클래딩:내부식성 합금의 얇은 층을 구조적 모재(일반적으로 탄소강)에 결합하여 저렴한 비용으로 기계적 성능과 부식 방지를 모두 달성하는 프로세스입니다.

오스테나이트계/이중/페라이트계:스테인레스 강의 결정 미세 구조를 설명하는 용어입니다. 오스테나이트계(단-상, FCC)는 가장 연성이 있습니다. 페라이트계(단-상, BCC)는 자성이며 ​​비용이 저렴합니다. 듀플렉스는 강화된 강도와 SCC 저항을 위해 두 단계를 결합합니다.