LNG용 BELLOWS의 대체 재질 개발

2013. 12

본 분석물은 미래창조과학부 과학기술진흥기금과

복권기금을 지원받아 작성되었습니다.

머 리 말

LNG용 BELLOWS는 LNG(Liquified Natural Gas; 액화천연가

스)의 수송용 선박이나, 저장 설비의 배관용 부품으로, 실온에서

액화천연가스 온도인 ー163℃ 사이의 냉온과정에 따른 수축과 팽

창을 배관이 대응하도록 일정한 위치에 설치하는 부품입니다.

LNG용 BELLOWS는 액화천연가스의 유동과 압력 조건에서 실

온 이상 +80℃부터 ー163℃의 냉온과정을 최소 8000싸이클 이상

지탱할 수 있는 내피로 특성과 내식성을 필요로 하는 부품으로

가스배관 규격이나 각국의 선급과 같은 엄격한 규격으로 그 품질

이 관리되고 있는 부품입니다.

이러한 BELLOWS의 구성 소재는 GTT( GAZTRNSPORT &

TECHNGAZ )규격에 의거 STS316L과 INCOLOY825 소재가

내피와 외피로 이종 2겹 또는 3겹으로 사용되고 있습니다. 그러

나 INCOLOY825소재는 국내생산이 되지 않으며 가격이 매우 고

가이고, 제품제작 상 연신율이 낮아서 BELLOWS상태로 성형하

는데 문제가 많습니다. 따라서 INCOLOY 소재를 대체할 수 있는

새로운 재료를 개발할 필요가 있습니다.

LNG는 환경부하가 적은 청정에너지로 최근 들어 세계적으로

LNG의 수요가 크게 증대함에 따라 LNG의 운반선, LNG저장 탱

크, LNG 수송 배관 등 LNG관련 구조물, 설비의 수요가 급격히

증대하고 있으며, 따라서 LNG용 BELLOWS의 수요도 크게 증가

하고 있습니다.

지원기업체인 주(한조)에서는 LNG용 BELLOWS의 새로운 대체

재료를 개발하여 이 재료에 의해 LNG용 BELLOWS를 제작함으

로써 외국제품과의 차별화로 가격과 제품 품질에서 경쟁력을 강

화하고자 합니다.

이 보고서는 「ReSEAT 프로그램 사업」의 일환으로 저희 한국

과학기술정보연구원 ReSEAT 프로그램에 참여하신 김영식 전문

연구위원이 작성한 것으로, 필자의 노고에 감사드립니다. 아울러

본고의 내용은 필자의 사견일 뿐 저희 연구원의 공식견해가 아님

을 밝혀둡니다.

2013년 9월

한국과학기술정보연구원

원 장 박 영 서

목 차

제1장 개 요·············································································· 1

1. 정보지원의 필요성 ·························································· 1

2. 정보지원의 목적 ······························································ 2

3. 참여연구원 ······································································· 3

제2장 지원 내용 ······································································· 4

1. 정보지원 업체의 요구사항 ·············································· 4

2. 정보지원의 범위 및 내용 ················································ 5

제3장 지원 프로세스 ······························································ 13

1. 1차 지원 ········································································· 13

2. 2차 지원 ········································································· 14

3. 3차 지원 ······································································· 16

4. 4차 지원 ······································································· 17

5. 5차 지원 ······································································· 18

.

6. 6차 지원 ······································································ 19.

7. 7차 지원 ······································································ 21.

8. 8차 지원 ······································································· 22

9. 9차 지원 ······································································· 23

10. 10차 지원 ··································································· 25

11. 11차 지원 ··································································· 26

12. 12차 지원 ··································································· 27

13. 13차 지원 ··································································· 28

14. 14차 지원 ··································································· 30

15. 15차 지원 ··································································· 31

16. 16차 지원 ··································································· 32

제4장 결 론············································································ 34

1. 지원 결과 종합 ······························································· 34

2. 지원의 한계 ···································································· 35

3. 기대효과 ········································································· 35

참고문헌 ················································································ 37

표 목차<표 1> 참여연구원 ··········································································· 3

그림 목차<그림 1> Erichsen 시험결과의 1예 ················································ 6

<그림 2> 300A벨로즈의 200만 싸이클 피로시험 모습 ·················· 7

<그림 3> 600A 벨로즈의 Lateral 피로부하 시험 모습 ·················· 8

<그림 4>벨로즈 규격시험 인증을 위한 로이드 선급검사관 입회

모습 ·················································································· 9

<그림 5> INCOLOY825소재와 STS 316L 소재의 챔버 안에서의

염수분무시험 모습 ································································ 10

<그림 6>염수분무 시험 후의 양극분극측정결과와 표면성상 비교 11

<그림 7>STS 316L단독소재로 제작된 100A, 200A 규격의 제 품············ 12

1

제 1장

개 요

1. 정보지원의 필요성

○ LNG용 BELLOWS는 LNG의 수송용 선박이나, 저장 설

비의 배관용 부품으로, 실온에서부터 액화천연가스 온도

인 ー163℃ 사이의 냉온과정에 따른 수축과 팽창을 배관

이 대응하도록 일정한 위치에 설치하는 부품이다.

○ LNG용 BELLOWS소재는 GTT( GAZTRNSPORT &

TECHNGAZ )규격에 의거 STS316L과 INCOLOY825 소재

가 내피와 외피로 이종 2겹 또는 3겹으로 사용되고 있다.

그러나 INCOLOY825소재는 국내생산이 되지 않으며 가

격이 매우 고가이고, 제품제작 상 연신율이 낮아서

BELLOWS상태로 성형하는데 문제가 많다.

○ 따라서 INCOLOY 소재를 대체할 수 있는 새로운 재료를

개발할 필요가 있다. 지원기업체인 ㈜한조에서는 LNG용

BELLOWS의 새로운 대체 재료를 개발하여 이 재료에

2

의해 LNG용 BELLOWS를 제작함으로써 외국제품과의

차별화로 가격과 제품 품질에서 경쟁력을 강화하고자 한

다.

○ 해당 기업체는 저온 환경과 피로하중이 부가되는 LNG선용

BELLOWS의 대체소재를 개발하는데 있어 소재선정, 특성

평가, 환경부하시험 등에 관한 지식과 기술이 매우 빈약한

상태에 있다. 따라서 한국과학기술정보연구원 ReSEAT 프

로그램 전문연구위원 김영식은 신청업체에 부족한 지식과

기술을 전수하고자 한다.

2. 정보지원의 목적

○ 본 정보지원의 목적은 LNG용 BELLOWS의 외피재료로

사용해 온 INCOLOY825소재의 대체 재질을 개발함에 있어

대체 소재의 기계적 특성과 성형특성을 연구하고, 피로시험

을 실시하여, 그 결과를 설계적으로 보완함으로써 품질과

가격 경쟁력을 갖춘 새로운 LNG용 BELLOWS 개발에 필

요한 지식과 기술정보를 제공함에 있다.

○ 대체소재로써 INCOLOY825 소재와 대등한 특성을 지닌

STS316L 소재를 선정하여 이 소재의 모재와 용접부에 대

한 강도, 연성 등의 기계적 특성과 피로시험 결과를 비교

3

분석하여 이를 토대로 기존의 설계를 보완하는 방법을 모

색한다.

3. 참여연구원

<표 1> 참여연구원

구분 성명 직위 전공 업무

ReSEAT

프로그램김영식 전문연구위원

재료,

용접

과제 책임자,

지식, 기술전수

4

제 2장

지원 내용

1. 정보지원 업체의 요구사항

○ 경제적이면서도 액화천연가스의 유동과 압력 조건에서 실

온 이상 +80℃부터 ー163℃의 냉온과정을 최소 8000싸이클

이상 지탱할 수 있는 내피로특성과 내식 특성을 지닌 최적

의 극저온용 재료 선정.

○ 극저온용 소재로써 INCOLOY825와 STS316L에 대한 기계

적 특성, 성형성, 부식특성의 비교 분석, 평가 방법.

○ 극저온용 박판 재료의 동종 간 및 이종 소재간의 최적 용접

방법 선정 과 구체적인 용접 공정 기술.

○ 스테인리스강, Inconel재료, Incoloy 재료 등 저온용 특수재

료에 관한 야금학적 기초지식과 용접기술에 관한 지식의

전수.

5

○ Max. 5 bar의 압력 조건에서 ―163℃와 +80℃의 냉온

과정을 8000 싸이클 이상의 피로 부하를 BELLOWS 시

제품에 실현 시킬 수 있는 실험방법에 관한 자문.

2. 정보지원의 범위 및 내용

○ INCOLOY 825소재와 STS316L 소재의 모재와 용접부의 기

계적 특성 비교, 분석 평가

- EXPANSION BELLOWS의 Outer Ply소재를 INCOLOY

825소재로부터 STS 316L 소재로 대체하기 위한 첫 단계로

양 소재의 인장특성을 파악하기 위해 모재와 용접부에 대한

인장시험을 실시하였다. 그 결과 INCOLOY소재의 Ϭy값은

310MPa, Ϭt값은 640MPa 이며 STS316L 소재의 Ϭy값은

172MPa, Ϭt값은 482MPa이 얻어졌다. 또한 각각의 용접시험

편은 인장시험 시 모재에서 파단이 일어나 용접으로 인한

문제는 없는 것으로 파악되었다. 이처럼 INCOLOY 소재와

STS316L 소재 간에는 인장특성에 차이가 있으므로 소재의

대체 시는 이를 설계에 반영하여 BELLOWS 형상으로 이를

보완할 필요가 있다.

○ INCOLOY 825소재와 STS316L 소재의 모재와 용접부의 성

형성 비교, 분석 평가

6

- 성형성은 Erichsen시험에 의해 평가할 수 있다. Erichsen시

험 결과의 1예로 STS316L 0.8t소재의 Erichsen시험 결과를

그림 1에 보인다.

그림1 Erichsen 시험결과의 1예

- INCOLOY 825소재와 STS316L 소재의 모재와 용접부에 대

한 Erichsen 시험결과 STS316L소재가 모든 시험편에서

INCOLOY 소재보다 양호한 결과를 보였다. 따라서 성형성

에 있어서는 STS316L소재가 보다 더 양호하다는 결론을 도

출하였다.

○ STS316L소재를 Inner Ply와 Medium Ply로 한 벨로즈 규격

300A시제품에 대한 200만회 피로시험 완료

- 벨로즈 300A시제품에 대한 내구성 보증을 위한 피로시험을

실시하였다. 그림 1에 그 시험 모습을 보인다. 벨로즈의 시

7

험규격인 인장 15mm, 압축 13mm의 변위제어방식으로 200만

싸이클의 부하시험을 완료하였다. 이 시험은 로이드 선급인증

의 절차로 로이드 선급 검사관의 입회아래 수행하여 시제품

의 내구성 보증을 확인하였다.

그림 2, 300A BELLOWS의 200만 싸이클 피로시험 모

습

○ 규격 600A 벨로즈 시제품에 대한 8000 싸이클 Lateral 피로

시험 중 파손이 일어난 사안에 대해 그 원인분석과 대책 수립.

- 600A 벨로즈의 경우 규격인증을 위해서는 내부압력 5.0 Bar를

채우고 Lateral 방향으로 ±112.9mm의 반복변형 부하에서 8000

싸이클까지 파손이 없을 것이 요구됨. 600A 시제품에 대해 이

규격의 확인 시험 중 4000싸이클에서 파손이 일어남. 이를 개

선하기 위해 응력해석을 실시하여 벨로즈 산 수를 7산에서 10

8

산으로 증가시키고, 마찰 지그의 끝단부에 곡면을 형성하여 응

력집중을 완화시키는 방법으로 개선하여 규격에 맞는 제품을

완성함. 그림 3은 600A 시제품의 Lateral 피로 부하시험 모습

이며, 그림4는 동 시험의 로이드선급 검사관 입회 증명 모습임.

그림3, 600A BELLOWS의 Lateral 피로 부하 규격시험 모

습.

9

그림4, 벨로즈 규격시험 인증을 위한 로이드 선급 검사관 입

회(좌측 첫 번쨰) 모습

○ INCOLLOY 825소재와 STS316L 소재의 내부식성 비교시험

- LNG Carrier 용 EXPANSION 벨로즈는 해양환경에서 작동되

기 때문에 해양환경에서의 내부식성이 매우 중요하다. 벨로즈

의 Outer Ply소재로 고가의 INCOLOY소재를 사용하는 것은

해양환경에서의 내부식성을 보증하기 위함일 것으로 판단된

다. 따라서 이를 STS316L 소재로 대체하기 위해서는

STS316L 소재와 INCOLLOY 825소재의 내부식성을 비교분

석할 필요가 있다.

- 이를 위해 해수와 NaCl 3%의 인공해수를 이용하여 3개월

(2200 hr)간의 염수분무 시험을 실행하였다. 그 후 표면 부식

10

상태와 양극 분극 시험을 통해 두 소재간의 부식 특성을 비교

분석하였다. 그림 5는 분무시험모습을 보인 것이며, 그림 6은

양극 분극 시험결과를 보인 것이다.

그림 5, INCOLOY825소재와 STS316L 소재의 챔버안

에서의 염수분무 시험모습

그림 6, 염수분무 시험 후의 양극분극 측정 결과와 표면 성상모

습 비교

11

- 그림 6의 결과는 염수분무 시험에 의한 부식성 비교에서

INCOLOY825소재와 STS316L소재 간에 그 부식성이 거의

동등함을 보이고 있다. 따라서 LNG용 벨로즈 소재로

INCOLOY625소재 대신에 가격이 1/10정도 저렴한 STS316L

소재를 사용해도 그 내식성에는 문제가 없음이 확인되었다.

○ STS316L 단독 소재 벨로즈의 설계보완

- INCOLOY825소재를 STS316L소재로 대체하여 STS316L 단

독 소재의 Multi-ply 벨로즈를 개발하기 위해서는 양 소재간

의 기계적 특성의 차이를 보완한 벨로즈 설계 검토가 필요

하다. 이것은 각종 다양한 벨로즈 규격에 따라 벨로즈 형상

설계의 보완으로 가능하다.

○ STS316L 단독 벨로즈 제품 제작

- STS316L 소재의 100A, 200A 벨로즈 시제품을 완성하였다.

그림 7은 제품의 모습을 보인 것이다.

12

그림 7. STS316L 단독 소재로 제작된 100A, 200A 규격의 벨로

즈 시제품

13

제 3장

지원 프로세스

1. 1차 지원

○ 일시 및 장소 : 2013년 4월 5일(금요일), 14:00 ~ 17:00

(주) 한조 기술세미나실

○ 참석자 : 김평수이사, 오준석과장, 최호영주임, 이민욱

주임, 마제의반장

○ 주제 및 토의사항 : LNG용 BELLOWS소재의 외피재료

로써 INCOLOY 825소재의 특성에 대한 세미나.

- LNG용 BELLOWS는 액화천연가스의 유동과 압력 조건

에서 실온 이상 80℃부터 -163℃의 냉온과정을 최소

8000싸이클 이상 지탱할 수 있는 내피로특성과 해양환경

하에서의 충분한 내식성을 필요로 하는 부품이다.

14

- 이러한 특성을 구현하기 위해 극저온용 재료로써

INCOLLOY 825소재를 최 외피재료로 사용하도록 GTT(

GAZTRNSPORT & TECHNGAZ )규격으로 국제 규격화

되어 있다.

- 그러나 INCOLOY 825소재는 스테인리스강에 비해 10배

이상의 고가이고 외국산이기 때문에 주문에서 입수까지

수개월이 소요되어 지원기업체인 ㈜ 한조에서는 이를 대

체할 수 있는 새로운 재료를 선정하기로 하였다.

- 각종 자료를 통해 검토한 결과, INCOLOY 825소재와 대

등한 특성을 지닌 소재로써 STS316L소재가 적정하다는

결론을 도출하고, 이들 두 재료의 기계적 특성, 성형특성,

내부식특성을 비교 평가하는 방법에 대해 논의하고 실험

진행절차를 계획하였다.

- 시험방법으로는 모재와 용접부에 대한 인장시험을 통해

기계적인 강도, 연신율 등 기계적인 특성을 파악하고, 에

릭션(Erichsen)시험을 통해 성형성을 평가하기로 결정하였

으며, 이를 한국 화학융합시험 연구원(KTR)에 의뢰하기로

하였다.

2. 2차 지원

15

○ 일시 및 장소 : 2013년 4월 19일 (금요일), 10:00 ~ 17:00

부경대학교구조강도실험실

○ 참석자 : 김평수이사, 홍순혁(부경대) 책임연구원, 김영선

로이드선급 선임검사관

○ 주제 및 토의사항 : 규격 300A LNG용 BELLOWS에 대

한 200만 싸이클 피로시험 실행에 따른 문제점 논의.

- 규격 300A의 BELLOWS 시제품에 대해 부경대 구조역

학 실험실에서 선급인증을 획득하기 위한 200만 싸이클

피로시험을 시작함.

- 피로시험은 변위제어방식을 채택하고 GTT규격에 입각

하여 수직 인장 변위 +15.6mm, 압축변위 –13mm의 인

장-압축 변위조건으로 실행하였다.

- 실험 중 BELLOWS 각 산에서의 응력변화를 파악하기

위해 BELLOWS의 응력집중이 최대인 지점에 Strain

Gage를 부착하여 응력과 변위의 연속적인 변화거동을

파악하도록 하였다.

- 변위속도 1.5 Hz로 하여 200만 싸이클의 피로시험을 끝

내기 위해서는 2주일 간 연속해서 시험기가 가동하도록

16

하였으며 매 50만 싸이클마다 시험기를 중단하고 응력변

화와 변위거동, 균열발생 유무를 조사하도록 하였다.

3. 3차 지원

○ 일시 및 장소 : 2013년 4월 25일 (목) 10:00 ~ 13:00

부경대학교구조강도 실험실

○ 참석자 : 김평수이사, 홍순혁(부경대) 책임연구원, 김영선

로이드선급 선임검사관

○ 주제 및 토의사항 : BELLOWS시제품에 대한 50만 싸이

클 피로시험 중간 점검 및 그에 따른 문제점 논의.

- 지난 4월 19일부터 시작해서 가동 중인 피로시험의 50만

싸이클 부가후의 중간 점검으로 피로시험을 일시 중지하

고 전반적인 응력변화와 균열발생 유무를 조사하였다.

- 조사 결과, 변위는 처음 조정상태에서 유지되고 있었으며,

응력은 인장변위 +15.6mm에서 +4.4KN, 압축변위 –

13mm에서 –3.6KN을 나타내고 있어 처음과 같은 상태로

17

유지되고 있었다.

- 구조체 전반에 걸쳐 이동식 마이크로 스코프를 이용하여

손상 또는 균열 발생유무에 대해 조사한 결과, 손상부위

는 없었으며, 온전한 상태가 유지되고 있었다.

- 피로시험 중의 응력과 변위의 변화거동이 피로파괴에 미

치는 영향에 대해 연구원들에게 설명하고 Low Cycle

Fatigue에서 발생하는 Cyclic Hardening, Cyclic

Softening현상에 대해 설명함.

4. 4차 지원

○ 일시 및 장소 : 2013년 5월 6일 (월) 10:00 ~ 12:00

부경대학교구조강도 실험실

○ 참석자 : 김평수이사, 홍순혁(부경대) 책임연구원, 김영선

로이드선급 선임검사관

○ 주제 및 토의사항 : 300A 규격 BELLOWS의 인장-압축

피로시험 중의 100만 싸이클 중간 점검

18

- 200만 싸이클 피로시험 중 절반인 100만 피로싸이클을

부하한 상태에서 피로시험을 일시 중지하고 구조체의 피

로 진행과정을 조사 점검함.

- 변위제어 조건, 인장 변위 +15.6mm, 압축변위 –13mm의

압축 변위의 조건에서 벨로즈 각 산에서의 Strain값은 균

일하게 나타나고 있고 압축과 인장 싸이클 동안의

Strain-Stress 곡선의 모양에도 변화가 나타나지 않아

Cyclic Hardening 또는 Cyclic Softening 거동이 없음을

확인함.

- 이동식 마이크로 스코프를 이용하여 구조체의 응력집중

부 및 용접부를 중심으로 면밀히 조사한 결과 아직 손상

부나 균열 발생이 없이 건전함을 확인함.

5. 5차 지원

○ 일시 및 장소 : 2013년 5월 20일 (월) 14:00 ~ 17:00

부경대학교구조강도 실험실

○ 참석자 : 김평수이사, 홍순혁(부경대) 책임연구원, 김영선

19

로이드선급 선임검사관. 김종진사원, 박정흠사원

○ 주제 및 토의사항 : 규격 300A BELLOWS시제품에 대한

200만 싸이클 피로시험 완료에 따른 구조체 상태 점검.

- 규격 300A BELLOWS시제품에 대해 GTT규격 및 로이드

선급 인증 획득을 위한 200만 싸이클 피로 시험을 성공

적으로 완료하고 로이드 선급 검사관의 입회하에 구조체

전반에 걸쳐 손상상태를 점검하였다.

- 이동식 마이크로 스코프를 이용한 응력집중부와 용접부의

상태를 점검한 결과, 규정 변위제어의 200만 싸이클 피로

부하상태에서 벨로즈 구조체는 손상이나 균열 발생 없이

건전함을 확인하였다.

- 이 시험 결과 ㈜한조에서 시험 제작한 규격 300A의

BELLOWS는 200만 싸이클 무내압 피로시험 규격에 합

격하였음이 확인되어 이를 근거로 인증 획득절차를 진행

할 것이다.

6. 6차 지원

20

○ 일시 및 장소 : 2013년 5월 29일 (수) 14:00 ~ 17:00

㈜한조 기술 세미나실

○ 참석자 : 김평수이사, 오준석과장, 최호영주임, 이민욱주

임, 김종진사원, 박정흠사원,

○ 주제 및 토의사항 : 규격 600A BELLOWS에 대한

Lateral Cyclic Fatigue Test에 따른 문제점 논의.

- 규격 600A BELLOWS에 대한 GTT규격 및 로이드 선급

인증 획득을 위해서는 8000 싸이클의 Lateral 방향

Cyclic Fatigue 시험이 요구됨.

- ㈜ 한조에서 시험 제작한 규격 600A의 Lateral Cyclic

Fatigue 시험을 실행하기 위해서는 구조체를 시험기에

장착하는데 필요한 지그 제작이 필요하다. 따라서 구조체

를 지지하고 반복 피로하중이 부가되는 동안 마찰을 최

소화할 수 있는 형상의 지그를 설계하고 이를 현장에서

제작하도록 주문하였다.

- 피로시험은 300A BELLOWS 때와 같이 부경대학교 구

조체 피로시험기를 이용하기로 하고 변위 제어형 피로시

험 시 응력과 변위관계를 검토하여 적정 부하조건으로

21

Lateral 방향의 압축과 인장변위를 결정하였다.

7. 7차 지원

○ 일시 및 장소 : 2013년 6월 14일 (금) 10:00 ~ 17:00

부경대학교구조강도실험실

○ 참석자 : 김평수이사, 홍순혁(부경대) 책임연구원, 김영선

로이드선급 선임검사관. 김종진사원, 박정흠사원.

○ 주제 및 토의사항 : 규격 600A의 BELLOWS에 대한

8000싸이클 Lateral Fatigue 시험 시작.

- 벨로즈 구조체를 피로시험기에 장착하고 Lateral방향 피

로시험을 시작하였다. 내부압력을 5.0 Bar의 공기압으로

채우고 변위속도 0.02Hz의 느린 속도로 인장과 압축변형

량을 ±112.9mm로 조정하였다.

- BELLOWS 구조체의 좌측과 우측의 벨로즈 산과 곡에

Strain Gage를 부착하고 Cyclic 부하에 따른 응력변화를

측정한 결과 ±540MPa의 응력이 걸리고 있는 것으로 계

22

산되었다.

- 시험 중 마찰음이 심하여 마찰부에 윤활제로 그리스 유

제를 충분히 주입하도록 하여 다소 개선되었으나 여전히

마찰이 발생하여 이를 개선하는 방안을 검토하기로 하였

다.

8. 8차 지원

○ 일시 및 장소 : 2013년 6월 17일 (월) 10:00 ~ 17:00

부경대학교구조강도실험실

○ 참석자 : 김평수이사, 홍순혁(부경대) 책임연구원, 김영선

로이드선급 선임검사관. 최호영주임, 박정흠사원.

○ 주제 및 토의사항 : 600A Lateral Cyclic Test 중간점검

및 그에 따른 문제점 논의.

- 600A의 BELLOWS에 대한 Lateral Cyclic Fatigue 8000

싸이클 시험 중 4000싸이클에서 시험기를 멈추고 구조체

의 손상 상태를 점검한 결과 BELLOWS첫번째 골에 4곳

23

의 균열이 발생하였음을 발견하였다.

- 원인을 분석한 결과, 반복 부하 응력이 INCOLOY 825소

재의 항복응력이상으로 작용하고 있는 것으로 판단되었

다. 즉 INCOLOY 825 소재의 인장강도는 758MPa, 항복

강도는 421MPa 로 제시되어 있으나, GTT규격의 반복

변위는 ±112.9mm로서 실제로 구조체에 부가되는 응력은

±540MPa의 응력이 부하되는 결과로 되어 있다.

- 따라서 매 싸이클마다 항복강도 421MPa이상의 응력이

부가되는 결과로 되어 매 싸이클마다 소성변형이 발생하

고 이것이 축적되어 균열로 발전되는 것으로 판단되었다.

- 이를 개선하기 위해서는 GTT규격의 반복 부하 변위조

건에서 응력을 저감시키는 것이 필요하다. 또한 지그의

마찰면이 수직면이기 때문에 반복 싸이클 동안 구조체에

실제로 걸리는 응력은 3축 응력 상태로 되어 과도한 응

력이 작용하는 것으로 판단되었다.

- 따라서 벨로즈 구조체의 산수를 증가하는 방법과 지그의

마찰면을 곡면으로 하는 방법을 검토하고 이를 설계에

반영하여 벨로즈 구조체와 지그를 다시 제작하기로 하였

다.

24

9. 9차 지원

○ 일시 및 장소 : 2013년 6월 24일 (월) 10:00 ~ 15:00

부경대학교구조강도실험실

○ 참석자 : 김평수이사, 홍순혁(부경대) 책임연구원, 김종진

사원, 박정흠사원.

○ 주제 및 토의사항 : 2Ply 300A BELLOWS의 내압 조건

에서의 GTT규격 8000싸이클 피로시험에 대한 논의.

- GTT규격에 2Ply 300A BELLOWS의 경우 내압

5Kg/cm2상태에서 8000싸이클의 Axial방향 인장-압축 피

로시험이 규정되어 있다. 이를 구현하기 위해서 축방향으

로 신축이 가능한 지그를 설계, 제작하여 구조체에 장착

하고 내부에 공기압을 규정 데로 채우고 피로시험을 실

행 하였다.

- 시험조건은 0.05Hz, 인장변위 +27.2mm, 압축변위

-50.9mm로 변위제어조건으로 설정하였다. 이때 부가되는

응력은 최대하중, 47.5KN, 최소하중은 9.8KN으로 평가되

어 편진 반복 인장 하중상태로 시험하였다.

25

- 내압과 반복하중을 받는 상태에서 응력집중부나 용접부에

서의 변형집중현상을 면밀히 관찰한 결과, 변형은 전 벨

로즈에 걸쳐 균일하게 발생하였다. 진동이나 소음이 다소

발생하였으나 시험 진행에 문제가 없다고 판단되어 시험

절차를 진행하였다.

10. 10차 지원

○ 일시 및 장소 : 2013년 6월 26일 (수) 10:00 ~ 14:00

부경대학교구조강도실험실

○ 참석자 : 김평수이사, 김평수이사, 홍순혁(부경대) 책임연

구원, 김종진사원, 박정흠사원.

○ 주제 및 토의사항 : 2Ply 300A BELLOWS의 8000싸이클

Axial 피로시험 후의 구조체 점검 및 시험후의 문제점

논의.

- 8000싸이클 피로시험 후 이동식 마이크로 스코프에 의한

구조체 전체의 면밀한 검사결과 벨로즈 곡에서 균열이

발생하였다. 따라서 GTT규격의 압력과 반복변위 조건에

26

부응하는데 있어서 현 상태의 구조체로서는 미흡한 결과

로 나타났다.

- 이를 개선하기 위해서는 각 벨로즈에 걸리는 응력을 완

화시키는 것이 필요하게 되어 현재의 벨로즈 산 수를 증

가시키는 방법을 검토하였다.

- 현재의 상부측 벨로즈 산수 6개, 하측의 벨로즈 산수 5개

총합 11개의 벨로즈 산수에서 하측의 벨로즈 산수를 1개

추가하여 12개의 벨로즈 산수를 설계하여 다시 제작할

것을 주문하였다.

11. 11차 지원

○ 일시 및 장소 : 2013년 7월 1일 (월) 10:00 ~ 14:00

한국해양대학교부식시험실

○ 참석자 : 이명훈 한국해양대 교수, 김평수이사, 최호영주

임, 이민욱주임,

○ 주제 및 토의사항 : STS316L 소재와 INCOLOY825 소재

의 부식성 시험방법에 관해 논의함.

27

- BELLOWS 외피재료로 사용되고 있는 INCOLOY825소재

를 STS316L 소재로 대체하기 위해서는 기계적 특성, 성

형성, 용접성 외에 해양환경에서의 내부식성이 매우 중요

하다. 따라서 위의 2재료에 대한 내부식성을 평가하기 위

한 시험방법을 ㈜한조 연구소 팀과 한국해양대학교 부식

전공 이명훈교수와 함께 논의하였다.

- 그 결과, 먼저 하중이 부가되지 않는 무부하상태에서 2

소재에 대해 해수분무와 3%인공해수 분무환경에서 부식

성을 비교평가하기로 하였다. 시험기간을 3개월로 하고

매 10일마다 분무상자에서 시험편을 꺼내어 표면성상 관

찰, 양극분극시험을 통해 부식성을 비교 평가하기로 하였

다.

- 밀폐형 분무상자 안에 STS316L 소재와 INCOLOY 825소

재의 시험편을 넣고 일정한 분무조건으로 해수 및 인공해

수를 분무하여 부식시험을 시작하였다.

12. 12차 지원

○ 일시 및 장소 : 2013년 7월 11일 (목) 14:00 ~ 17:00

㈜한조 기술세미나실

28

○ 참석자 : 김평수이사, 오준석과장, 최호영주임, 이민욱주

임

○ 주제 및 토의사항 : Austenite계 스테인리스강의 종류와

열처리에 관해 강의함

- 현장 기술자들을 대상으로 Austenite 계 스테인리스강에

관한 기본적인 지식에 대한 강의 요구를 받고 스테인리

스강의 제조공정, 그 종류, 열처리특성, 용접성 등에 관한

전반적인 내용을 강의하고 현장기술자들과 질문 토론시

간을 가졌다.

- STS316L 소재를 상온에서 스프링 상태로 변형시켰을 때

대단히 강성(Stiffness)이 커지는 현상에 대한 질문을 받

고 오스테나이트 조직의 변형 마르텐사이트 변태현상에

대해 설명하였다. 변형된 상태에서 강성을 완화시키는 방

법으로 1050℃의 온도에서 어닐링처리를 할 것을 주문하

였다.

29

13. 13차 지원

○ 일시 및 장소 : 2013년 7월 19일 (금) 10:00 ~ 15:00

부경대학교구조강도실험실

○ 참석자 : 김평수이사, 홍순혁(부경대) 책임연구원, 오준석

과장, 최호영주임, 이민욱주임

○ 주제 및 토의사항 : 규격 600A BELLOWS의 설계를 변

경한 제품의 Lateral 방향 8000싸이클 피로시험 시행에

따른 문제점 논의

- 지난 6월 17일의 8차 지원에서 600A BELLOWS의

Lateral 방향 8000싸이클 시험 중 4000싸이클에서 균열로

소상된 구조체에 대해 설계변경을 실시하여 새로이 제작

한 제품에 대한 재시험을 시행함.

- 벨로즈 산수를 좌측과 우측에서 각각 7산에서 10산으로

증가시켜 설계변경 후 다시 제작한 벨로즈 구조체에 대

해 내부압력을 5.0 Bar의 공기압으로 채우고 변위속도

0.02Hz의 느린 속도로 인장과 압축 변형량을 ±112.9mm

로 조정하였다.

30

- 또한 지그의 설계변경으로 상하 마찰면을 곡면으로 바꾸

어 소음과 진동이 크게 개선되어 원활한 피로시험이 진

행되도록 하였다.

- 1400싸이클의 반복 피로하중 부가후의 벨로즈 산에서의

Strain값은 종전의 3000×10-6에서 1400×10-6으로 저하되

어 부가응력은 ±540MP에서 ±252MPa로 저하되는 결과

를 나타내었다. 따라서 벨로즈 소재의 항복응력이하의 응

력이 반복되는 결과로 되어 규격의 8000싸이클 까지의

반복피로에서 구조체의 손상이 나타나지 않을 것으로 판

단되었다.

14. 14차 지원

○ 일시 및 장소 : 2013년 8월 19일 (월) 10:00 ~ 15:00

한국해양대학교부식실험실

○ 참석자 : 김평수이사, 이명훈 한국해양대학교 교수, 최호

영주임, 이민욱주임, 이기명주임,

○ 주제 및 토의사항 : STS316L소재와 INCOLOY825소재의

31

부식시험 중간결과의 해석과 검토

- STS316L과 INCOLOY825 소재의 부식성을 비교 검토하

기 위해 50여일 간 해수와 인공해수 분무상자 안에서 2

소재를 부식시키고 그 표면에 대한 육안 관찰과 양극 분

극시험 결과를 비교 검토하였다.

- 그 결과, 표면 부식 상태나 양극분극 시험결과에서 2 소

재 간에 그림 6에서 제시하였던 것과 같이 거의 차이가

나타나지 않았다. 따라서 지금까지의 부식시험 결과로서는

해수 분위기 중에서의 STS316L소재의 내부식성은

INCOLOY825소재와 대등함이 입증되고 있다.

15. 15차 지원

○ 일시 및 장소 : 2013년 8월 23일 (금) 10:00 ~ 15:00

㈜한조 기술세미나실

○ 참석자 : 김평수이사, 오준석과장, 최호영주임, 이민욱주

임, 이기명주임,

32

○ 주제 및 토의사항 : 규격 300A, 규격 600A BELLOWS제

품의 피로시험 결과의 종합 분석 및 인증 절차논의

- 300A 제품에 대한 무압력 200만 싸이클 Axial 방향 피로

시험은 성공적이었으나 5Kg/cm2의 내압조건에서 8000싸

이클 피로시험은 시험 후 균열이 발생하였다. 따라서 산

수를 증가하여 다시 설계, 제작하여 8000싸이클의 규정

피로시험을 통과 할 수 있었다.

- 600A 제품에 대한 Lateral 방향 내압 8000 싸이클 피로

시험은 4000 싸이클에서 균열이 발생하였다. 따라서 산수

를 증가하여 다시 설계, 제작하여 8000싸이클의 규정 피

로시험을 통과 할 수 있었다.

- 이러한 결과를 종합하여 GTT규격과 로이드 선급 인증

획득을 위한 서류절차에 대해 논의하고 금후 이 절차를

진행하기로 하였다.

16. 16차 지원

○ 일시 및 장소 : 2013년 9월 10일 (금) 14:00 ~ 17:00

㈜한조 기술세미나실

33

○ 참석자 : 김평수이사, 오준석과장, 최호영주임, 이민욱주

임, 이기명주임,

○ 주제 및 토의사항 : 극저온 용 소재로써 오스테나이트계

스테인리스강, Invar, Inconel, Incoloy소재의 야금학적 특

성과 그 용접방법에 대해 강의함.

- 극저온용 소재의 성분과 이들 성분과 Fe와의 2원계, 또

는 3원계 평형 상태도에 대해 설명하고 각 성분변화와

온도변화에 따른 조직변화에 대해 설명함.

- 극저온용 재료로써 갖추어야할 필요조건은 극저온에서의

인성과 온도변화에 따른 열팽창 특성이다. Membrane 형

LNG탱크 제작 시를 예로 들어 인성평가방법과 온도변화

에 따른 열팽창에 대처하는 방법에 대해 설명하였다.

- 극저온용 박판소재의 접합방법으로 CMT(Cold Metal

Transfer)용접방법에 대해 그 특성과 용접방법에 대해 설

명하였다.

34

제 4장

결 론

1.지원결과 종합

○ STS316L소재는 INCOLOY825소재와 대등한 기계적특성

과 성형특성, 용접성 및 해양환경에서의 내부식특성을 지

니고 있음이 확인되었다. 따라서 LNG 배관용 핵심부품

인 벨로즈의 외피재료로 사용되는 INCOLOY825소재의

대체재료로 STS316L 소재를 사용할 수 있음이 증명되었

다.

○ 규격 300A 및 규격 600A의 BELLOWS 시제품에 대해

200만 싸이클의 Axial 피로시험과 8000싸이클의 Lateral

피로시험에서 산수의 설계변경으로 규정 반복 싸이클 시

험을 통과할 수 있었다.

○ 현재 이들 시제품과 INCOLOY825 소재를 STS316L로

대체한 시제품에 대해 선급인증, GTT인증 획득을 위한

35

절차를 진행하고 있다.

2.지원의 한계

○ 현재 시제품이 개발된 상태로 국제적으로 LNG용 설비규

격으로 통용되고 있는 GTT 규격 (GAZTRNSPORT &

TECHNGAZ)인증과 각종 선급 규격 인증을 위한 피로시

험과 부식시험 등 여러 가지 절차를 진행하기에는 6개월

의 지원기간으로는 한계가 있다.

○ 개발된 시제품에 대한 각종 인증 획득을 위한 절차진행

을 위해서는 LNG 배관 환경인 -163℃의 극저온과 해양

환경에서의 피로특성 및 내부식특성을 보증할 수 있는

보강시험이 필요하여, 금후에도 각종 절차에 대한 정보

지원을 계속할 것이다.

3.기대효과

○ (주)한조에서는 LNG의 극저온용 BELLOWS로서 기존의

고가인 INCOLOY소재를 대체하여 STS316L 소재를 사

용한 새로운 제품을 개발함으로써 생산기술 향상과 더불

36

어 국제적인 경쟁력을 갖는 새로운 고부가가치 사업 창

출이 이루어지게 되었다.

○ 일반 LNG선박에 1척당 100여개 이상의 EXPANSION

BELLOWS가 소요되고 있어 향후 국내 LNG선박 건조

가 증대할 것을 예상하면 이 부품의 개발로 연간 수십억

의 새로운 수익창출이 기대된다.

○ 국내 조선산업은 LNG선 또는 해양플랜트와 같은 고부가

가치 선박산업으로 빠르게 전환되고 있다. 따라서 LNG

와 같은 극저온에서 사용되는 각종 부품에 대한 수요가

급격히 커질 것으로 예상되나 국내에서의 이 분야의 기

술개발 활동이 저조한 현상에 있다. 따라서 이번 국내에

서의 LNG용 BELLOWS의 새로운 개발은 국내의 조선,

해양플랜트 기자재 산업의 활성화에 크게 기여할 것이다.

37

참고문헌

1) Failure Analysis of Expansion Joint Bellows of Gas

Pipelines, Lu, Z. ; Li, Z. ; Zhu, C. | Pressure

vessels and piping; PVP2011 , 2012 , pp.891 – 894

2) インバー合金を用いたLNG配管の開発 (第1報) 本郷 ;

進 ; 山本 修二 ; 壓力技術 = Pressure engineering

: journal of High Pressure Institute of Japan v.41

no.3 , pp.96 - 105 , 2003

3) 지상식 LNG 탱크의 용접기술 현황과 향후 동향

Kouzuki Haruya ; Ogawa Tsuneshi ; | 大韓溶

接學會誌 = Journal of the Korean Welding

Society v.13 no.3 , pp.18 - 33 , 1995

4) Innovative Pipe System for Offshore LNG Transfer,

Frohne C. ; Harten F. ; Schippl K. ;

Offshore technology; Waves of change 2008

5) Qualification of a Flexible Pipe for use in a Transfer

System for LNG Between Two Floating Vessels in

Harsh Environment, Eide J. ; Holden H. ;

Steen K. E. ; Natural gas utilization 2003 , pp.321 -

335 , 2003

38

6) Analysis Points To Pipe Alloy For Safe And More

Economical LNG Transport, Pipeline &gas journal

v.235 no.11 , pp.66 - 71 , 2008

7) DNV certifies pipe for LNG projects, The Oil and

gas journal v.105 no.19 , pp.62 - 63 , 2007

8) NEW METHOD FOR JOINTING OF ALUMINUM

AND STAINLESS STEEL PIPES Takada K. ; Ozaki

K. ; Koike S. ; | 神戶製鋼技報 = Kobe steel

works engineering reports v.28 no.1 , pp.89 - 92 ,

1978

9) Influence of Gas Tungsten Arc Welding Parameters

on the High-Temperature

Erosion-Corrosion Resistance of Incoloy 800

Cladded by Stellite 12 for the Application as

Thermowell, Promdirek P. ; Chandra-Ambhorn S. ;

Prasong R. ; | International Symposium on

High-temperature Oxidation and Corrosion 2011 ,

pp.248 - 253 , 2011

10) Numerical Simulation and Experimental Investigation

of Residual Stresses in the Circumferential Butt

GTAW of Incoloy 800H Pipes, Purmohamad H. ;

Kermanpur A. ; Shamanian M. ; | Journal of

materials engineering and performance v.19 no.1 ,

pp.13 - 21 , 2010

39

11) WELDING OF SUS304 NOZZLE AND MULTI-

LAYER DISSIMILAR STEEL BELLOWS Zhou Baojin

; Li Xiangyang ; Li Wei ; | 焊接 = Welding

&joining 2005 v.12 , pp.34 - 36 , 2005

12) 핵융합로 초전도자석의 관내연선도체용 Incoloy alloy

908 및 STS 316LN의 용접성 연구, 이광태 ; 송

광용 ; 김성연 ; | 대한용접접합학회 1999년도 특별강

연 및 춘계학술발표대회 개요집 1999 May 01 , pp.91 -

92 , 1999

13) Research on Optimization Design of Expansion Joint

Bellows, Yang Ling ; Xie Shouyong ; Yang

Mingjin ; | 農業機械學報 =

Transactions of the Chinese society of agricultural

machinery v.37 no.9 , pp.153 - 156 , 2006

14) Failure of 304 stainless bellows expansion joint, Guan

K. ; Zhang X. ; Gu X. ; Engineering failure

analysis v.12 no.3 , pp.387 - 399 , 2005

15) REVIEW OF THE WELDABILITY OF INCOLOY

ALLOY 800, Sundar L. ; Achar D. R. ; | Indian

welding journal : official journal of the Indian

Institute of Welding v.16 no.3 , pp.81 - 86 , 1984

16) CORROSION OF INCOLOY 800 AND NICKEL

BASE ALLOY WELDMENTS IN STEAM,

Hammond J. P. ; Patriarca P. ; Slaughter G. M. ;

40

| Welding journal v.52 no.6 , pp.268 - s -280-s , 1973

17) Effect of welding structure and δ-ferrite on fatigue

properties for TIG welded austenitic stainless steels

at cryogenic temperatures Yuri T. ; Ogata T. ;

Saito M. ; | Cryogenics v.40 no.4/5 , pp.251 - 259 ,

2000

18) Failure Analysis of Cracking of Expansion Joint of

Incoloy 800 Bellows Ma L.-q. ; | 材料保護 =

Materials protection = Cailiao baohu v.42 no.12 ,

pp.63 - 64 , 2009

19) 용접재료, 세아 ESAB,

20) 조선선재용접재료, 조선선재,

21) 溶接 接合技術特論, 일본 용접학회,

41

저자소개

김 영식

․ 한국해양대학교 교수

․ 한국해양대학교 대학원장

․ 대한용접학회 회장

․ 한국 마린 엔지니어링학회 회장

․ 현 한국과학기술정보연구원(KISTI) 전문연구위원

․ 실적 : 마그네슘합금의 Nd:YAG 레이저용접시 결함제어 연

구(대한용접접합학회지, 29(3), 2010

CMT용접방법에 의한 엔진밸브 오버레이 공법개발

(KISTI)

․저서 : 해양플랜트의 설계와 용접공학 (다솜출판사, 2010년)

최신기계재료학 (형설출판사, 2008년)

용접접합편람(공저, 대한용접접합학회, 2008)

용접 접합용어사전 (주관, 대한용접접합학회, 2000)