가스설비 금속재료의 저온특성(탄소강 저온특성, 저온장치 재료특성)과 고온특성에 대하여 설명하시오.

가스설비 금속재료의 저온특성(탄소강 저온특성, 저온장치 재료특성)과 고온특성에 대하여 설명하시오.

1. 개 요
가스설비의 금속재료는 사용온도에 따라 적절한 재료를 선택하여 사용하여야 한다. 저온장치용으로 사용되는 금속에서는 저온도에서 금속재질이 취약해지는 저온취성 현상을 고려하여야 하며, 고온장치용으로 사용되는 금속에서는 고온, 고압의 가스에 의한 부식과 같은 고온부식, 수소를 취급하는 장치인 경우 고온, 고압하에서 수소에 의한 탈탄작용에 의한 수소취성 및 높은 온도에서 항복점보다 낮은 응력에서도 금속이 변형되어 응력이 걸리는한 파단될때까지 계속 변형되는 크리프 현상을 고려하여야 한다.

2. 금속재료의 저온특성
화학플랜트에서는 설비들이 상당히 저온도에서 조작되고, 저온물질을 취급하는 경우가 많다. 그러므로 설비의 구성재료는 저온에서 기계적 성질이 뛰어난 것이어야 한다. 일반적으로 저온장치용으로 사용되는 금속의 문제점은 저온도에서 금속 재질이 취약해지는 저온취성 현상이다.

1) 저온장치의 재료특성
o 철강재료인 경우
- 인장강도, 항복점은 온도가 저하됨과 동시에 증대하고 경도도 증대한다.
- 신장, 교축 및 충격치가 온도 저하와 더불어 감소하고, 어떤 온도이하에서는 거의 제로가 되어 소성변형 능력을 잃게 되는 저온취성 현상이 발생한다.
o 비철금속재료인 경우
- 구리, 니켈, 황동 등의 비철금속은 온도 저하화 함께 인장강도, 경도 등이 증대하고, 신장 및 교축은 일정하게 되어 저온취성 현상이 일어나지 않는다.

2) 탄소강의 저온특성
탄소강은 저온도가 될수록 인장강도나 항복점은 증대하나, 이에 반해 신장, 교축, 충격치 등이 감소하고 어느 온도이하에서는 급격히 감소되어 거의 제로가 되어 재질이 몹시 취약해지는 저온취성이 나타난다. 이러한 온도를 천이온도(임계취성온도, 임계대취점)라 한다.

o 천이온도
일반적으로 대부분의 금속 재료에서는 어느정도까지 온도가 저하하면 급격히 취성이 증가한다. 이러한 취성이 증대되는 온도를 말하며 임계대취점, 임계취성온도라고도 한다. 이러한 천이온도의 유무는 금속의 결정격자와 밀접한 관계가 있다. 양심입방격자(면심입방격자)에 속하는 금속은 없고, 그밖의 금속은 있다. 이러한 천이온도가 존재하지 않는 금속 또는 합금에는 Cu, Ni, Al, Pb 및 합금 또는 오스트나이트계 스테인레스강 등이 있으며, 초저온의 재질에 사용 가능하다.

3. 금속재료의 고온특성

1) 고온부식
일반적으로 부식이란 금속의 화학적 또는 전기 화학적인 작용에 의하여 금속 표면이 소모되는 현상을 말하는데, 이러한 부식현상은 고온, 고압 하에서 활발하게 발생할 수 있다. 이화같이 고온가스에 의한 부식을 고온부식이라 한다. 따라서 고온도에서 사용되는 재료는 고온부식에 대한 내식성과 열안정성에 대하여 특히 주의하여야 한다.

o 고온부식의 종류
- 산화
- 황화
- 침탄 및 카르보닐화
- 질화
- 수소취성
- 바나듐어택

2) 크리프 현상
일반적으로 금속은 낮은 온도에서 응력이 항복점보다 낮으면 응력이 제거된 후 원래 형태로 되돌아오고, 항복점보다 높으면 영구변형을 일으킨다. 이때 응력을 계속 가해도 추가적인 변형은 없다. 그러나 높은 온도에서는 항복점보다 낮은 응력에서도 금속은 변형되고, 응력이 걸리는 한 파단될 때까지 계속해서 변형된다. 이와 같이 금속이 일정한 하중 하에서 시간이 경과함에 따라 변형이 증대되는 현상을 크리프 현상이라 한다.

o 크리프 진행단계
- 1단계(감속 크리프)
하중이 가해지는 순간에 볼수 있으며, 크리프 속도가 줄어드는 단계이다. 비교적 작으며 때때로 전혀 존재하지 않는 경우도 있다.( 대부분의 스테인레스강)
- 2단계(정상 크리프)
크리프 속도가 대략 일정한 단계로 크리프 현상이나 변형의 크기가 작고 직선적으로 증가한다.
- 3단계(가속 크리프)
크리프 속도가 증가하여 결국 파단에 이르는 단계로 비교적 짧으며, 변형의 크기가 크고 변형이 급격하게 증가한다.

o 영향인자
- 온도 : 온도가 증가할수록 속도가 증가한다.
- 응력 : 응력이 증가할수록 속도는 증가하나 온도의 영향보다 작다.
- 시간 : 하중이 가해지는 시간이 길수록 크리프 현상이 길며 어느순간 크리프 속도가 갑자기 증가한다.
- 반복하중 : 반복하중이 증가할수록 속도는 증가하며, 금속의 수명은 급격히 감소한다.

3) 수소취성(HTHA ; High Temperature Hydrogen Attack)
수소는 상온·상압 하에서는 금속재료에 대한 부식문제가 없으나, 고온·고압 하에서 는 탄소강에 침투하여 강재속의 탄소와 결합하여 탈탄작용을 일으켜 강의 재질을 취약하게 만드는데 이러한 현상을 수소취성이라 한다.

o 영향인자
- 온도 : 온도가 높을수록 현저하게 나타난다.
- 압력 : 압력이 높을수록 현저하게 나타난다.
- 강제 조성 및 조직 : 탄소량이 많을수록 현저하게 나타난다.

4. 결 론
금속재료는 취급하는 물질의 온도 상태에 따라 많은 다른 특성을 나타낸다. 그 중에서 저온장치에 사용되는 금속재료에는 저온취성 현상이 발생하며, 고온장치용에 사용되는 금속재료에는 고온부식, 크리프현상, 수소취성 등의 현상이 발생한다. 이와 같은 특성을 고려하여 장치용 금속재료를 선정할 때 사용목적에 맞게 안전한 재료를 선택하여 사용하여야 한다.