배관 재료의 성질 및 해당 ASTM
1. 탄소강
1)탄소강의 분류 및 합금 원소에 따른 일반적 특성
강(Steel)은 0.01%~2%의 탄소와 적어도 0.25% 이상의 망간 원소를 함유한 합금철(Iron Base Alloy)이라 할 수 있다.
불순물(인,황)의 양은 최소한으로 제한되고 기타 다른 원소가 첨가되면 합 금강이 된다. 합금강의 Type, Grade 들은 첨가되는 원소와 그 양에 의해서 결정된다. 예를 들면 니켈, 크롬, 바나듐, 텅스텐, 니오붐(Nb)등의 원소가 5% 이하 첨가되면 저합금강이 되고 12% 이상 첨가되면, Stainless Steel이 된다. 합금원소가 계속 첨가되어 50% 이상되어 철(Fe)의 함량보다 많아 지 면 강으로 분류되지 않는다.(비철금속이라 총칭함)
탄소강은 탄소, 망간, 황, 인, 실리콘 이외의 다른 합금 원소를 함유하지 않은 강이다.
탄소는 강의 강도에 중요한 영향을 미친다. 탄소는 0.15% 에서 0.8% 까지 변할 수 있지만 일반적으로 용접성 그리고 기타 여러 가지 이유 때문에 그 범위는 0.15%에서 0.3%로 제한된다.
망간의 함유량은 주로 0.25%에서 1.65% 이다.(이 보다 함유량이 많으면 합 금강이라 한다. 망간 역시 강의 강도를 결정하는데 필요한 영향을 미치고, 금속 내에서 황과 결합하여 열취성, 입간균열을 방지한다.
인과 황의 함량은 0.04%로 제한되는데 보다 나은 절삭성이 요구될 때는 예
외 이다.
실리콘은 탈산제로서 이용되는데 그 함량은 0.1%에서 0.3% 범위 까지 변한 다.
구리는 일반적으로 적은 양이 존재하는데 대기 부식에 의한 저항력을 증대
시키기 위해 첨가될 수도 있다.
2)탄소강의 종류
강은 제조 과정에서 실리콘이나 알루미늄 같은 탈산제를 용융금속에 첨가하
여 얼마만큼 탈산을 시켰느냐에 따라 다음과 같이 구분된다.
(1)Killed Steel
Killed Steel은 실리콘 또는 알루미늄에 의해 완전히 탈산된 강이며, 그 결 과 금속입자는 잘고 깨끗해 지면서 저온 인성(Toughness)이 증대된다.
탈산제는 응고 과정에서 서로 반응하지 않도록 충분히 첨가하여야 한다.
(2)Semi Killed Steel
알루미늄 또는 실리콘에 의해 부분적으로 탈산된 강이다.
화학 조성이 Killed Steel 만큼 균일하지는 않고, Killed Steel에 비해 입자
가 조대하며 저온 충격치가 떨어진다.
(3)Rimmed Steel
약간 탈산된 강이며, 화학조성이 불균일하다. 하지만 표면의 질이 좋기 때
문에 표면 결함이 있어서는 안되는 곳에 사용된다.
3)강의 호칭
강은 여러 가지 방법으로 불리워 진다. 미국에서는 ASTM, ASME, AISI, SAE
ACI 명명법이 공통적으로 사용되나, 당사에서는 ASTM을 사용한다.
ASTM 명명법은 ASTM A335 P11과 같이 Spec. No.에 의해 특정 지어진다. 이 번호는 제품의 형태를 규정하는데, 이러한 경우 A335는 제품의 형태 및 재질(Pipe , 고온용)을 가리키고, “P”는 Pipe, 11은 합금 유형을 의미한다. 다른 ASTM Code Symbol로는 T 는Tube, F는 Forging 등이 있다.
4) 배관 재료의 종류 (탄소강)
ASTM NO 명 칭 용 도
A53 GR”B” Specification for pipe, Steel, Black and Hot Dipped, Zinc-Coated, Weld and Seamless
Pipe
A106 GR”B”
Specification for Carbon Steel Pipe for High Temperature Service
Pipe
A105 Specification for Forgings, Carbon Steel for Piping Components
Flange, Valve Fitting
A216 WCB Specification for Steel Castings, Carbon, Suit- Able for Fusion Welding for high Temperature
Valve
A234 WPB Specification for Piping Fittings of Wrought Carbon Steel and Alloy Steel for Moderate And Elevated Temperature
Fitting
A672 B60 Specification for Electric Fusion Welded Steel Pipe for High Pressure Service at Moderate Temperature
Piping
2.저합금 고장력강
1)저온용 고장력강의 일반적인 특징
저합금 고장력강은 탄소함유량이 적고(0.25% 이하), 적은 양의 합금 원소를 함유한다. 이러한 종류의 강은 Structure , Ship, Storage Tank 등과 같이 용
접성과 강도가 중요시 되는 곳에 사용된다. 이러한 종류의 강에 대한 ASTM
Code는 A440, A514, A517등 이다.
저합금 열처리강은 높은 수준의 탄소(0.30%~0.80%)와 Ni, Cr과 같은 합금
원소를 함유하고 있다. 이러한 종류의 강은 보통 높은 항복강도(90,000 ~
150,000 psi)점 까지 Quenching & Tempering 또는 Tempering하여 인성을 갖게 된다.
전체 합금원소 함유량은 5%로 제한되며, Shaft, Gear, Impeller, Bolt, Casing, Tubing, Pressure Cylinder등에 이용된다. ASTM A193 과 A508이 이에 속 한다.
2)이 재질은 Piping에는 주로 사용하지 않음.
3.고온용 합금강
1)고온용 합금강의 일반적인 특성
고온강 합금강은 크롬과 몰리브덴을 함유한 강이며 상온에서부터 650
℃
온도 범위에서 Heater Tube, Pipe, Pressure Vessel류에 이용된다. 크롬은
강에 고온 강도와 Creep 파열에 견디는 성질을 부여하는 반면 몰리브덴은
강의 강도에 도움을 주고 취성에 대한 저항력을 증가 시킨다. 아래의 표는
이러한 종류의 강에 대한 여러가지 성분조성을 나타내는데 일반적으로 크 롬 양이 증가함에 따라 Hydrogen Attack이나 Sulfur Corrosion에 대한 저항 력이 증대된다.
Common Designation 크롬 함유량(wt %) 몰리브덴 함유량(wt %)
C – 1/2 Mo --- 0.45 – 0.65
1/2 Cr – 1/2 Mo 0.50 – 0.80 0.44 – 0.65
1 1/4 Cr – 1/2 Mo 1.00 – 1.50 0.44 –0.65
2 1/4 Cr – 1Mo 1.90 – 2.60 0.87 – 1.13
3 Cr – 1Mo 2.65 – 3.35 0.80 – 1.06
5 Cr – 1/2 Mo 4.00 – 6.00 0.45 – 0.65
7Cr – 1/2 Mo 6.00 – 8.00 0.45 – 0.65
Common Designation 크롬 함유량(wt %) 몰리브덴 함유량(wt %)
9 Cr – 1Mo 8.00 – 10.00 0.90 – 1.10
2) 배관 재료의 종류 (고온용 합금강)
ASTM No. Common
Designation
명 칭 용 도
A335-P5 5Cr – 1/2Mo Specification for Seamless Ferritic Alloy Steel for Temperature
Service
Pipe
A335-P11 1 1/4Cr - 1/2Mo 상 동 상 동
A335-P22 2 1/4Cr – 1 Mo 상 동 상 동
A182-F5 5Cr – 1/2Mo Specification for Forged or Rolled Alloy Steel Pipe Flanges, Forged Fittings, and Valves and Parts for High Temperature Service
Flange Fitting Valve
A182-F11 1 1/4Cr - 1/2Mo 상 동 상 동
A182-F22 2 1/4Cr – 1 Mo 상 동 상 동
A234-WP5 5Cr – 1/2Mo Specification for Piping Fittings of Wrought Carbon Steel and Alloy Steel for Moderate and Elevated Temperature
Fitting
A234-WP11 1 1/4Cr - 1/2Mo 상 동 상 동
A234-WP22 2 1/4Cr – 1 Mo 상 동 상 동
A217-WC6 1 1/4Cr - 1/2Mo Specification for Steel Casting, Martensitic Stainless and Alloy For Pressure Containing Parts, Suitable for High Temperature Service
Valve
A217-C5 5Cr – 1/2Mo 상 동 상 동
A217-WC9 2 1/4Cr – 1 Mo 상 동 상 동
4. Stainless Steel
1)Stainless Steel은 적어도 12%의 크롬과 니켈, 몰리브덴, 실리콘, 티타늄, 니오붐과 같은 다른 합금원소를 함유하고 있는 합금강의 일종이다. 이들
추가 원소는 각각 특정한 기능을 갖고 있다.
크롬은 산화 분위기에서 부식에 대한 저항력을 키워 주며, 강도에도 기여를
한다. 크롬은 얇은 산화막을 형성하게 하는데 이 산화막이 더 이상의
산화 진행을 방지해준다. 크롬의 양이 많아지면 산화에 대한 저항력이 증대 된다. 니켈은 Stainless Steel에 첨가되어 Austenite 조직을 생성하는데 이
조직은 고온에서 좋은 강도와 인성 그리고 내식성을 갖게 한다.
몰리브덴은Stainless Steel에서 Sulfur 와 Halogen Acid 부식에 저항력을 증 대시키고 공식(Pitting Corrosion)에 대한 저항력을 키우는데도 효과가 있다. 실리콘은 고온에서 산화되려는 성질을 감소시키기 위해서 첨가된다.
티타늄, 니오붐은 결정립계에서 탄화물이 석출되는 것(흔히 Sensitization이 라 함.)을 방지한다
2)마르텐사이트계 스테인레스 강은 11%~18%의 크롬을 함유며 열처리에 의 해 경화된 강이다. ASTM Type 410, 431, 440이 여기에 속한다. 이 합금은
산화 분위기에 저항력이 있으며 경도와 강도가 요구되는 곳, 즉 Valve Se-
at, Stem, Body에 많이 쓰인다.
이 합금의 결점은 용접 시 경화되어 취성이 있는 열영향부가 존재하게 되 어 용접후 응력제거 열처리를 해야 한다는 점이다.
3)페라이트계 스테인레스강은 11%~27%의 크롬을 함유하며 화학조절 때문에 현미경 조직은 페라이트 상태이다. 이 합금강은 ASTM Type 405, 430, 442, 446으로 대표되며 좋은 산화 저항력을 지니고 있어, Vessel Linning과 Inte-
rnal과 같이 비경화 재질이 바람직한 곳에 이용된다.
4)오스테나이트계 스테인레스강은 크롬 뿐 아니라 니켈도 함유한 강이다. 이 강은 뛰어난 부식 저항력과 고온강도를 지니고 있으며 용접성도 좋다. Type 304는 기본적으로 18Cr~8Ni 조성을 갖고 있고 Type 316은 Pitting Corrosi-
on에 대한 저항력을 개선시키기 위해 2%~3%의 몰리브덴이 첨가된다. Ty-
pe 321, 347은 Sensitization을 방지하기 위해 티타늄과 니오붐이 첨가된다. 일반적으로 High Cyclic Stress 또는 Severe Thermal Gradient에는 Type 3
47은 고온취성이 생기기 쉬우므로 사용을 피하여야 한다.
Type 309, 310은 25%의 크롬과 각각 12%와 20%의 니켈을 함유하고 있는 데 고온강도가 크다.
Type 304, 316은 쉽게 Sensitization이 되지 않는 저 탄소 “L “ Grade와 보 다 많은 탄소를 함유함으로써 고온강도가 더 높은 “H” Grade가 있다.
Type 200 Series는 망간을 소량의 니켈로 대체시킨 오스테나이트계 스
테인레스 강인데 부식 저항력이 Type 300 Series와 비슷한 보다 저렴한 가 격의 스테인레스강이다.
5)석출경화(Precipitation Hardening) 스테인레스강은 보다 적은 양의 니켈을 함 유하며 일반적으로 시효 열처리(Aging Heat Treatment)동안에 석출과 강화를 촉진 시키는 알루미늄, 구리, 몰리브덴, 니오붐이 첨가된다.
이 강은 열처리하여 200,000 psi까지 강도를 높일 수 있다. Alloy 17-4PH, 17 -7 PH 등이 이에 속한다.
6) 배관 재료의 종류 (스테인레스강)
ASTM No. Common
Designation
명 칭 용 도
A312 Tp304 18Cr-8Ni Tp 304
Specification for Seamless and Wel -ded Austenitic Stainless Steel Pipe
Pipe
A312 Tp304L 18Cr-8Ni Tp 304L
상 동 상 동
A312 Tp321 18Cr-8Ni-Ti Tp321
상 동 상 동
A182 F304 18Cr-8Ni Tp 304
Specification for Forged or Rolled Alloy Pipe Flanges, Forged Fitting And Valves and Parts for High Temperature Service
Flange Valve Fitting
A182 F304L 18Cr-8Ni Tp 304L
상 동 상 동
A182 F321 18Cr-8Ni-Ti Tp321
상 동 상 동
A403 WP304 18Cr-8Ni Tp 304
Specification for Wrought Austenitic Stainless Steel Piping Fittings
Fitting
A403 WP304L
18Cr-8Ni Tp 304L
상 동 상 동
A403 WP321 18Cr-8Ni-Ti Tp 321
상 동 상 동
A351 CF8 18Cr-8Ni Tp 304
Specification for Castings, Austenitic Ferritic(Duplex) for Pressure Contain- Ing Parts
Valve
ASTM No. Common
Designation
명 칭 용 도
A351 CF3 18Cr-8Ni Tp 304L
Specification for Castings, Austenitic Ferritic(Duplex) for Pressure Contain- Ing Parts
Valve
A351 CF8C 18Cr-8Ni-Ti Tp 321
상 동 상 동
5.주철(Cast Iron)
1)”Cast Iron”에는 회 주철(Gray), 백 주철(White), 칠드 주철(Chilled), 가단 주 철(Malleable) 그리고 구상흑연 주철(Ductile Nodular)이 있다.
이들 주철의 특징은 탄소 함유량이 높다는 것인데 보통 1.7%~4.5%의 탄소 를 포함하고 있다.
유리(遊離)탄소가 취하는 형태에 따라 주철의 종류와 성질이 결정된다. 주철
은 취성 때문에 보통 Process 의 Hydro Carbon이나 기타 다른 유해/유독성
물질을 취급하는 곳에는 사용하지 않는다.
일반적으로 주철은 기계부품, 펌프, Noncritical service에 쓰이는 Piping이나 Valve 등에 사용된다.
2)백 주철은 많은 양의 Cementite를 함유하고 있어서 대단히 경(硬)하고 취성
이 큰 구조를 하고 있기 때문에 원칙적으로 주형이나 내마모성 부품에 이용
된다.
3)가단 주철은 탄화철(Iron Carbide)이 열처리에 의해 유리된 구상 형태로 전환
됨으로써 연성과 강도가 개선된 특수한 주철이다.
4)칠드 주철은 회 주철과 백 주철을 혼합 시켜서 만든 것인데 보통 Roll, Whe- el 그리고 Wearing Plate를 만드는데 사용되고, 이 주철은 중심부가 회색이
고 표면은 회색이다.
5)구상 흑연 주철은 특정원소를 첨가해 구상화 시킴으로 연성을 보다 향상 시
킨 일종의 회 주철이다. 연성은 열처리에 의해서 개선될 수 있다. 오스테나 이트계 구상 흑연 주철은 보다 나은 연성을 얻기 위해 20%~30%의 니켈을 첨가한 것이다.
6) 배관 재료의 종류 (주철)
ASTM No. 명 칭 용 도
A126 Gr”B”
Specification for Gray Iron Castings for Valves Flange and Pipe Fittings.
Valve(Water Service용)
6.구리합금(Copper Alloys)
1)구리합금은 물과 Hydrocarbon에 대해 내부식성이 있으므로 Refinery Equ -ipment에 이용된다. 구리 합금은 또한 수산화 암모늄(Ammonium Hydrox
-de)를 제외한 비 산화성 산과 알카리에 대해서도 내식성을 갖고 있다.
구리 합금은 산화염 용액에 의해 부식이 되는데 특히 그 용액이 공기 중
에 노출되어 있을 때(즉 산화 작용이 일어나고) 부식이 잘된다.
구리합금은 또한 부착 물질이 존재할 때 Pitting Attack의 영향을 받기가 아주 쉽다. 이들 부착물은 Localized Galvanic Corrosion 또는 Oxygen cel
-l Corrosion)을 야기시키는데 이들 부착물이 비교적 부드러울 때는 빠른
속도 혹은 난류 흐름에서 Pitting Corrosion을 받기 쉽다.
2)15% 이상의 아연을 함유하고 있는 구리 합금은 Adminary Brass와 Allum
-inum Brass에 대해서 언급되는 바와 같이 억제제를 첨가하지 않으면 탈
아연 현상이 생기기 쉽다.
초기에는 구리와 아연 둘다 부식성 매체에 용해되지만 그 다음 구리는 재 석출되므로 부서지기 쉬운 다공질 물체가 된다. 이러한 부식 현상은 외부 에 노출되어 있는 넓은 면적에 걸쳐서 발생될 수 있고 또는 국부적으로 일어날 수도 있다. 이 현상은 일반적으로 황동이 어느 정도의 용존 산소 와 이산화탄소를 함유하고 있는 물과 접촉하고 있을 때 일어나며 온도가
높고, 유속이 느리거나 정체되어 있는 경우에 더 심하게 일어 난다.
수은 암모니아 용액은 구리 합금에 대해서 Stress Corrosion Cracking 현상 을 생기게 한다.
습기와 산소는 Stress Corrosion Cracking 을 가속화 시키는 경향이 있다. 15% 이하의 아연을 함유하고 있는 구리 합금은 이 Stress Corrosion Cr-
acking에 대해서 다른 구리 합금보다 더 우수한 저항력을 보인다.
3) 배관 재료의 종류 (구리 합금)
ASTM No. Common
Designation
명 칭 용 도
B 111 90-10 Cu-Ni Specification for Copper and Copper Tube
ASTM No. Common
Designation
명 칭 용 도
Alloy #706 (Cupro Nickel) Alloy Seamless Tubes and Ferrule Stock
B 466 Alloy #706
90-10 Cu-Ni (Cupro Nickel)
Specification for Seamless Copper Nickel Pipe and Tube
Pipe
B 111 Alloy #710
80-20 Cu-Ni (Cupro Nickel)
Specification for Copper and Copper Alloy Seamless Tubes and Ferrule Stock
Tube
B 466 Alloy #710
80-20 Cu-Ni (Cupro Nickel
Specification for Seamless Copper Nickel Pipe and Tube
Pipe
7.니켈합금(Nickel Alloys)
1)니켈합금 또는 고 니켈합금은 내열성과 내식성이 우수하다. 환원 조건하에 에서는 보통 고 니켈합금의 부식이 지연되지만 산화 조건하에서는 일반적
으로 부식이 빨리 진행된다.
니켈은 안정되고 단단하게 들러 붙은(Passive & Tightly Adherent) 산화막을
형성케 함으로써 약간 Mild한 산화 분위기 속에서의 부식을 어느 정도 방
지 한다. 또한 산화 저항력을 증대시키기 위하여 특정 합금원소를 첨가할 수 있다. 니켈합금은 값이 비싸기 때문에 보통 다른 재질의 사용이 만족스
럽지 못하다고 판명된 곳에 만으로 사용을 제한한다.
2)니켈은 물(염수,담수), 중성, 알카리성, 비산화성 산성 용액(Nonoxidizing Ac-
id Salt Solution)에는 내식성을 가지고 있지만 산화성 산성염에는 심각한 부
식을 초래할 수 있다.
니켈은 고 알리리성 용액에 내식성이 뛰어 나므로 가성소다 Service시 사
용되기도 한다. 그러나 산(Acid)이 산화되었다든지, 용해된 공기를 함유하
고 있을 때 부식이 된다.
온도가 232℃ 이상이고 황화물이 존재한다면 부식이 된다. 니켈은 값이 비 싸기 때문에 금속 표면을 부식으로부터 보호하기 위하여 피복(Lining)하는 방법으로 사용하기도 한다.
3)모넬합금(Monel Alloys)
니켈에 약 30% 정도의 구리 그리고 소량의 알루미늄, 실리콘을 첨가하여
만든 합금이다. 이 합금은 비합금 니켈보다 약간 강도가 세고 비슷한 내
식성을 갖고 있다. 즉 내식성을 요하면서 비합금 니켈보다 큰 강도를 필요
로 한 곳에 사용된다.
Monel 400(67% Ni ~ 30% Cu)은 황산 및 염산에 좋은 내식성을 지니고 있 어 Refinery Plant 특히 PH가 7.5 이하인 상압증류탑의 상부 부분과 Ove-
rhead Condensor에 널리 쓰인다. 이 합금은 대부분의 부식 조건 하에서
Mist Pad, Valve Trim, Thermowell과 같은 계기류 부품, Expansion Joint 등 에 쓰인다.
K Monel (66% Ni ~ 29% Cu ~ 3% Al)은 내부식력과 용도면에서 Monel 400 과 비슷하지만 보다 높은 강도와 스프링 성질을 얻기 위하여 시효경화처리 한 것이다. 황화물이 존재하는 분위기에서는 Monel 사용은 260℃ 이하로 제한하여야 한다.
4)Inconel Alloy
Inconel은 72% Ni ~ 15% Cr ~ 8% Fe로 구성된 합금이다. 크롬을 첨가하면 산화 저항력이 증대된다. 산화성 산 및 산화성 염 용액(Oxidizing Acids and Oxidizing Salt Solution)에 대해서는 니켈 보다 뛰어난 내 부식력을 보이고 있지만 산화성 할로겐염(Hydrochloric Acid and Oxidizing Halogen Salts)에
대해서는 대단히 부식이 잘된다.
Inconel의 황하물에 대한 저항력은 비합금 니켈과 Monel에 비해 다소 우
수하기 때문에 황화물 분위기에서 370℃의 온도까지 사용 된다.
5)Hastelloy Alloy
기본적으로 Ni – Mo합금이며, 주로 산에 의한 부식을 견디기 위한 곳에 사 용된다. Hastelloy B는 30%의 Mo을 함유하고 있는 반면 Hastelloy C는 16 % Mo, 16% Cr, 4% W을 함유한다.
Hastelloy B는 농축된 염산과 황산에 대해 뛰어난 내식성을 보이지만 산화
성 산성염 용액에는 부식된다.
Hastelloy C 는 농축산에 대한 내부식력이 다소 떨어지지만 산화성 욤용액
에는 일반적으로 효과적이다.
6) 배관 재료의 종류 (니켈합금)
ASTM No. Common
Designation
명 칭 용 도
A744 Gr “M-35-1”
Monel Specification for Castings, Iron-Chro- mium-Nickel, Corrosion-Resitant, for Severe Service
Valve
B165 Monel Specification for Nickel-Copper Alloy Seamless Pipe and Tube
Pipe
B564 Alloy Ni-Cu
Monel Specification for Nickel Alloy Forging Flange Valve Fitting B366
Gr”WPNC”
Monel Specification Factory-Made Wrought Nickel and Nickel Alloy Welding Fitting
Fitting
B167 Inconel 600 (Ni-Cr-Fe)
Specification for Nickel-Chromium –Ir- On Alloy Seamless Pipe and Tube
Pipe
A744 Gr”CY-40”
Inconel 600 (Ni-Cr-Fe)
Specification for Castings, Iron-Chro- mium-Nickel, Corrosion-Resitant, for Severe Service
Valve
B564 Alloy Ni-Cr-
Fe
Inconel 600 (Ni-Cr-Fe)
Specification for Nickel Alloy Forging Flange Valve Fitting B366
Gr”WPNIC”
Inconel 600 (Ni-Cr-Fe)
Specification Factory-Made Wrought Nickel and Nickel Alloy Welding Fitting
Fitting
A494 N-12M-1
Hastelloy B
Specification for Primary Zirconium Valve
B355 Hastelloy
B
Specification for Nickel-Coated Soft Or Annealed Copper
Flange Valve Fitting B366
Gr”WPHB”
Hastelloy B
Specification Factory-Made Wrought Nickel and Nickel Alloy Welding Fitting
Fitting