무예열 조건 P92강 인코넬 625 오버레이 용접부의 후열처리 유무에 따른 건전성 평가 = Effect of Post-Weld Heat Treatment on the Integrity of Inconel 625 Weld overlays on P92 Steel under No-Preheat Conditions

국문 초록 (Abstract)

초초임계압 화력발전 플랜트의 고온·고압 운전 조건이 강화됨에 따라 고온 부품의 내식성과 장기 건전성을 확보하기 위한 Ni 기반 오버레이 용접 적용이 확대되고 있다. 특히 P92강과 같은 9Cr계 마르텐사이트강은 우수한 크리프 강도를 가지나 용접 시 열영향부의 경화로 취성 균열 감수성이 증가할 수 있어 예열 및 용접후열처리가 통상적으로 요구된다. 그러나 현장 적용성 향상을 위해 무예열 조건 공정이 사용되기도 하며 이때 내부 순환수는 변형 억제를 위한 열관리 방안으로 고려된다. 따라서 내부 수냉이 수반되는 조건에서 PWHT 유무가 용접부 건전성에 미치는 영향에 대한 정량적 검증이 필요하다. 본 연구에서는 P92강 배관에 인코넬 625 합금을 사용하는 무예열 자동 오버레이 용접 공정에서 후열처리 유무가 용접부의 화학적 희석률, 미세조직, 기계적 성질 및 굽힘 건전성에 미치는 영향을 평가하였다.

실험 결과 성분 분석을 통해 확인된 오버레이층의 철 희석률은 열처리 유무와 관계없이 약 2.2~6.9% 수준으로 목표치인 10% 미만을 만족하였다. 이는 본 연구 조건에서 Fe 희석률이 10% 미만으로 유지되어 오버레이 조성 관리 측면에서 저희석 오버레이 공정이 유효함을 시사한다.

반면 기계적 특성과 굽힘 건전성은 후열처리 시행 여부에 따라 뚜렷한 차이를 보였다. 비열처리 시편인 NP-01은 열영향부에서 약 438 HV의 고경도가 관찰되었고 융합선 인근에서 Cr 등 합금 원소의 국부 편차가 확인되었다. 사이드 벤드 시험 결과 NP-01은 시편 2개 모두에서 FL/HAZ 인근 개방 불연속이 관찰되어 불합격하였다.

이와 대조적으로 740 °C에서 1시간 25분간 후열처리를 수행한 PW-01 시편은 열영향부 조직이 템퍼드 마르텐사이트로 천이되고 융합선 인근의 원소 분포가 균질화됨에 따라 경도가 약 312 HV 수준으로 안정화되었다. 굽힘 시험 결과 PW-01은 모든 시편에서 개방 불연속이 관찰되지 않아 합격하였다.

결론적으로 본 연구의 무예열 단층 1-pass 오버레이 조건에서 화학적 희석률은 안정적으로 확보되었으나 P92 HAZ의 인성 회복과 굽힘 건전성 확보 측면에서 PWHT 적용이 유효함을 확인하였다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

As operating conditions in ultra-supercritical (USC) coal-fired power plants become increasingly severe, Ni-based weld overlay has been increasingly applied to enhance corrosion resistance and long-term service integrity of high-temperature and high-pressure components. P92 steel, a 9Cr-based martensitic steel, provides excellent creep strength; however, welding can cause hardening in the heat-affected zone (HAZ), which increases susceptibility to brittle cracking and often necessitates preheating and post-weld heat treatment (PWHT). Recently, no-preheat overlay welding processes, sometimes accompanied by internal water circulation for thermal management, have been considered to improve field applicability. Under such cooling conditions, a quantitative assessment of the PWHT effect on weld integrity is required.

This study evaluated the effects of PWHT on chemical dilution, microstructure, hardness, and bend-test integrity for an automatic no-preheat single-layer, one-pass Inconel 625 overlay weld on P92 steel pipes. The Fe dilution in the overlay layer was 2.2 to 6.9% regardless of PWHT, satisfying the target requirement of less than 10%.

In contrast, mechanical integrity differed markedly depending on PWHT. The non-PWHT condition (NP-01) exhibited high HAZ hardness of approximately 438 HV and localized compositional heterogeneity near the fusion line (FL). In the side bend test, all NP-01 specimens failed, showing open discontinuities in the FL/HAZ region. The PWHT condition (PW-01), treated at 740 °C for 1 h 25 min, showed reduced HAZ hardness to approximately 312 HV and met the bend-test acceptance criterion with no open discontinuities observed.

In conclusion, while stable dilution control was achieved in the no-preheat overlay process, applying PWHT was effective in improving bend-test integrity of the P92 HAZ under the present conditions. This improvement indicates that PWHT contributed not only to hardness reduction but also to resolving chemical inhomogeneity near the FL and enhancing tolerance to microscopic defects that can act as crack initiation sites.

목차 (Table of Contents)

• 1. 서론 1
• 2. 이론적 배경 4
• 2.1 P92강의 특성 4
• 2.2 오버레이 용접 희석 4
• 2.3 Ni 기반 용가재 ERNiCrMo-3 6
• 2.4 GMAW 6
• 2.5 GTAW 7
• 2.6 P92강과 인코넬 625 오버레이 용접부의 PWHT 7
• 2.7 용접부 건전성 평가 기준 8
• 3. 실험 방법 9
• 3.1 시험편 및 재료 9
• 3.2 용접 및 열처리 조건 14
• 3.2.1 용접 공정 14
• 3.2.2 무예열 열관리 조건 17
• 3.2.3 PWHT 조건 19
• 3.3 시험 항목 및 방법 21
• 3.3.1 화학 조성 분석 21
• 3.3.2 희석률 산정 21
• 3.3.3 기계적 건전성 평가 23
• 3.3.3.1 비커스 경도 시험 23
• 3.3.3.2 사이드 벤드 시험 25
• 3.3.4 미세조직 및 성분 분석 25
• 3.3.4.1 시편 준비 및 관찰 영역 26
• 3.3.4.2 SEM 미세조직 관찰 26
• 3.3.4.3 EDS 성분 구배 및 원소 매핑 분석 27
• 3.3.4.4 광학 현미경 관찰 27
• 3.3.4.5 사이드 벤드 개방 불연속 분석 27
• 4. 실험 결과 및 고찰 28
• 4.1 PWHT 유무에 따른 화학 조성 및 희석률 28
• 4.1.1 벌크 화학 조성 28
• 4.1.2 Fe 기반 EDS 희석률 평가 31
• 4.2 PWHT 유무에 따른 기계적 건전성 평가 33
• 4.2.1 비커스 경도 결과 33
• 4.2.2 사이드 벤드 시험 결과 37
• 4.3 PWHT 유무에 따른 미세조직 및 성분 40
• 4.3.1 미세조직 분석(OM) 40
• 4.3.2 미세조직 분석(SEM) 42
• 4.3.3 화학 성분 분석(EDS) 47
• 4.4 고찰 53
• 5. 결론 54
• 참고 문헌 56
• Abstract 59