일반적인 금속재료의 성질

2.2 일반적인 금속재료

2.2.1 탄소강 (Carbon Steel)

화학공장에 가장 널리 이용되는 재료로 부식저항/산화저항/고온강도/인성이 상대적으로 낮고 황화합물/가성소다/아민 수용액중에서 응력부식균열을 일으킨다. Hydrogen Attack 이나 Graphitation에도 민감하다.

2.2.2 킬드강(Killed Carbon Steel)

제조공정중에 Si, Mg, Al을 첨가하여 녹아있는 산소가스를 완전히 제거한 탄소강으로 다음경우에 사용한다.

1) 유체중에 수소분압이 50psia를 넘을 경우

2) 수용액중에 H2S농도가 0.3mol % 이상이거나 물중에 H2S가 10ppm이상으로 존재할 때

3) 유체중에 HF, BF3가 포함되어 있을경우

4) 용액중에 아민(MEA/DEA/TEA)의 농도가 5wt%를 넘을 때

5) 장비의 설계온도가 482℃를 넘을 경우

2.2.3 저합금강 (Low Alloy Steels)

크롬을 첨가하여 고온강도와 산화/황화/수소취성에 대한 저항을 높인 것으로 일반탄소강에 비해 용접이 어려우므로 사전 및 사후 열처리가 필요하다.

1) C-0.5Mo & Mg-0.5Mo

고온에서 탄소강대신 사용하거나 중간온도에서 Hydrogen-Attack이 예상되는 곳에서 사용한다. 최대사용가능온도는 킬드강과 같이 538℃이나 371℃이상의 온도에서 킬드강보다 강도가 크다.

2) 1Cr-0.5Mo & 1.25Cr-0.5Mo

고온에서 Hydrogen-Attack 혹은 황부식(Sulfur Corrosion)이 예상되는 곳에서 이용된다.

3) 2.25Cr-1Mo & 3Cr-1Mo

고온에서의 Hydrogen-Attack이 예상되거나 고온강도가 요구되는 곳에 이용한다.

4) 5Cr-0.5Mo

550℉(288℃)이상의 온도에서 복합적인 Sulfur Attack이 예상되는 곳에 자주 이용 된다.

5) 7Cr-0.5Mo

용액중에 아민(MEA/DEA/TEA)의 농도가 5wt%를 넘을 때나 Crude & Vacuum 장치의 가열로 튜브에 이용된다.

6) 9%-1%

황함량이 높은 고온유체(가열로 튜브)에 적용된다.

7) ANSI 4140 (0.95Cr-0.3Mo), ANSI4340 (1.83Ni-0.8Cr-0.25Mo)

압축기 임펠러와 축에 이용하기 위해 강도를 증가시킨 것으로 황에 대한 응력부식균열을 예방하기 위해 특별한 열처리가 필요하다.

2.2.4 Ferritic & Martensitic스테인레스강

황화/산화/수소공정에 대한 저항이 크고 염소에 의한 응력부식균열이 민감하지 않다. 다만 염소/황화합물 수용액에 대한 저항, 용접성, 고온강도가 낮다. 885℉(474℃)에서 σ-phase문제로 깨질 수 있다.

1) Type 405 & 410s (12Cr)

주로 Clad Lining 재료로 이용되며 중간온도에서 저농도 황화수소에 대한 저항이 좋다.

2) Type 410s (13Cr)

밸브와 펌프의 Trim과 Tray에 널리 이용되며 유체중에 수소분압이 50psia를 넘을 경우에 열교환기 튜브로 쓰인다.

2.2.5 Austenite스테인레스 강

산화/황화에 대한 저항이 크다. 316은 Naphthenic Acid에 대한 저항이 크고 321 & 347은 Polythionic산에 의한 응력부식균열에 대한 저항이 크다. 염소수용액에 의한 응력부식 균열에 민감하다.

1) Type 304 (18Cr-8Ni)

고온에서 H2와 H2S에 의한 공격이 예상되는 열교환기 튜브와 용접이 필요 없는 장치에 이용된다. Polythioic산과 염소에 의한 응력부식에 민감하다.

2) Type 316 (18Cr-8Ni-2.5Mo)

인산, Naphthenic산, 저농도의 황산과 같은 부식환경에 사용된다. 또한 고온 강도가 요구되는 곳에 이용하기도 한다. 유체중에 수소분압이 50psia를 넘을 경우에 427℃～871℃의 온도에서 Polythionic산에 노출될 경우 응력부식 균열이 일어날 수 있다.

3) Type 309 (25Cr-12Ni) & Type 310 (25Cr-20Ni)

1093℃까지 산화저항을 높인 것으로 고온용도와 가열로의 튜브지지대로 이용된다.

4) Type 321 & Type 347 (18Cr-10Ni)

Ti과 Cb (Columbium)을 첨가하여 조직을 안정화시키므로서 용접시 Carbide의 침전을 막아 경계면부식(Intergranular Corrosion)을 예방한다. Type 304와 마찬 가지로 황이 포함된 유체를 다루는 장비의 경우 표면이 황화되었기 때문에 공기와 접촉할 때는 소다재로 먼저 중화시켜야 한다.

5) Carpenter20 (20Cr-29Ni-2Mo-3Cu)

황산 혹은 염소에 의한 더 큰 저항을 위해 개발되었고 용접성이 낮은 편이다.

2.2.6 니켈합금

1) Monel (70Ni-30Cu)

Chloride & Fluoride공격이 예상되는 곳이나 바닷물에 널리 이용된다. 그러나 204℃이상의 온도에서 황화합물에 민감하다.

2) Inconel 600/625 (62～76Ni, 16～22Cr)

1093℃까지의 온도에서 높은 산화/환원저항이 요구되는 곳에 이용된다. 그러나 538℃이상의 Sulfur혹은 Sulfide분위기에서는 적당하지 않고 황산, 염산, 불산을 다루는 곳에서 Monel보다 성능이 떨어진다.

3) Incoly 800/825 (33～42Ni, 21～22Cr)

Austenite 스테인레스강과 비슷하나 Ni함량이 높아서 Chloride Stress Corrosion Cracking에 대한 저항이 크다.

4) Hastelloy B/C (59～65Ni, 16～30Mo)

매우 심한 부식환경에 이용된다.

2.2.7 구리합금

1) Admiralty (70Cu-29Zn-1Sn)

Water Condenser의 튜브재질로 이용된다. 204℃이상에서 강도가 떨어지고 pH8 이상에서 부식이 심하므로 암모니아를 포함한 용액에는 사용이 곤란하다. 용접하기 어렵고 바닷물에 대한 저항이 다른 구리합금에 비해 낮다.

2) Aluminum Brass (77Cu-21Zn-2Al)

Admiralty와 비슷하나 바닷물에 대한 저항이 더 커서 해수응측기로 이동된다.

3) Naval Brass (60Cu-Zn39-1Sn)

상기 1) & 2) 재료 사용할 때 튜브 Sheet로 이용된다.

4) 90Cu-10Ni

해수에 대한 저항이 크나 황하합물 수용액에 대한 저항이 낮다.

5) 70Cu-30Ni

해수에 대한 저항이 크고 암모니아에 의한 응력부식균열에 민감하지 않다. 강도가 크고 용접성이 좋으며 황화합물 수용액에 대한 저항도가 크다.

6) Aluminum Bronze (91Cu-7Al)

해수에 대한 저항이 크고 용접성이 좋으나 사후 열처리가 필요하다.

2.2.8 티타늄

Chloride Cracking/바닷물/Sour Water등에 의한 부식에 가장 뛰어난 저항을 보인다. 요즈음 니켈합금과의 가격 경쟁력이 향상되면서 심한 부식환경의 열교환기 튜브로 사용되는 경향이 증가하고 있다.