강관 PILE 용접부에 대한 질의 응답





요즘은 구조물 기초에 강관 PILE을 쓰는 경우가 늘고 있습니다. 특히 심도가 깊을 경우 PILE 중간에 용접에 의한 연결부를 가지게 되며, 이때 발생하는 용접부의 건전성에 관한 문제입니다.

(사용강관은 재질-SS400, 직경500mm, 두께10mm 이며, 사용 용접봉은 FCAW(AWS:E71T-1)를 사용).




1. 위 조건일 경우 확산성 수소에 의한 균열을 고려해야 하는지?




2. 고려한다면, 수소 방출 시간(수소에 의한 균열 발생시간)이 어느정도 인지?

- 건설기술관리법에 의거 10%에 대해 비파괴 시험을 실시하며, 확상성수소에 의한 균열을 확인하기 위하여 24시간 이후에 검사를 하게 되어 있습니다. 제가 알기로는 연강(두께 20mm)의 경우 수소에의한

지연 균열 잠복 추정 시간이 약 24시간 정도로 알고 있는데 재질별, 두께별, 사용용접봉별로 관련 DATA가 있는지?




3. 수소가 잔류하고 있을 경우 외부 충격(강관 PILE 항타에 의한 충격)에 의한 용접부 영향.

- 국내 규정이 없어 실제 현장에서 감리 및 시공사측과 마찰이 많이 발생하는 부분입니다. 일본 도로협회 항기초편람편을 보면 "용접 완료후의 타입(항타)에 있어서는 용착금속의 급냉을 피하기위해 적어도 200℃정도까지 자연 방냉시킨후에 행한다" 라고 되어 있는데 용접 완료후 200℃까지는 1～2분 정도만 경과해도 식는 온도로 알고 있습니다. 온도가 200℃까지 식는동안 어느 정도의 수소가 방출되는 지는 모르겠으나, 24시간 규정을 보면 남아 있다고 보아야 할 것 같은데 이때 충격(항타)을 가해도 괜찮은지요?




4. 3항의 일본 규정과 관련해서 200℃ 이하일때는 급냉을 시켜도 된다는 것으로 해석이 가능한데 괜찮은지요?

- 대부분 현장에서는 PILE 하부에 진흙 및 흙탕물입니다. 실제 항타를 하게 되면 용접부가 물속에 잠기는 경우와 같다고 볼수 있습니다.




5. 마지막으로 용접부 냉각 사이클(시간 경과에 따른 온도 변화)이 있으면 자료 부탁드립니다.




질문자체가 성립이 되는지 모르겠습니다. 용접에 대해서는 아직 잘 모릅니다. 아무쪼록 용어 선택등 다소 틀린 부분이 있더라도 잘 봐주시고 도움 부탁드립니다. ......




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아마도 항만 공사등에 사용되는 강관을 의미하시는 것으로 판단됩니다.

질문에 대한 답변에 앞서서 우선 확산성 수소에 대해 간단하게 말씀드리겠습니다.

확산성 수소는 사실 문제가 되는 것이 아닙니다.




말 그대로 Diffusible Hydrogen이므로 열을 가하거나 하면 자연스럽게 빠져 나가는 것이지요.

실제로 강 용접부에 문제가 되는 것은 잔류 수소(Residual Hydrogen)입니다.

그런데 이 잔류 수소는 측정이 사실상 불가능합니다.

그래서 그 대안으로 나온 측정 방법이 확산성 수소의 측정입니다.




용접부에 잔류하는 수소는 금속 조직이 외부 응력에 유연하게 대응할 수 있는 능력을 저하하고 용접부 응고 과정에서 결국은 균열을 일으키게 합니다.




다른 균열과는 달리 용접부 잔류 응력과 수소의 의한 조직의 고착이 서로 힘을 겨루다가 한쪽이 판정승하게 되는 약 24 시간에서 혹은 72시간 경과후에 용접부 밑에서 균열이 발생하게 됩니다. (잠복기라는 표현은 적절하지 않습니다.)




왜 용접부가 아니고 용접부 밑인가에 대해서는 본 사이트 자료 사진 부분에 보면 용접부의 수소 용해도 곡선을 참조하세요.




응고 과정에서 가장 늦게 까지 Austenite조직이 남아 있게 되는 HAZ부 쪽으로 수소가 집중하게 되어 결국은 용접 열영향부(HAZ)에 균열이 일정 시간 지난 후에 발생하게 되는 것이지요.







질문에 대해 하나씩 답변.

1. FCAW 용접시에 가장 많이 우려되는 것은 확산성 수소에 관한 문제점과 용접부 조대화 그리고 열처리 이후에 충격치가 저하되는 문제점입니다.

용접부의 강도를 중시하신 다면 고려하시는 것이 좋겠습니다.




2. 이에 관한 자료는 객관적으로 제시할 수 있는 것이 거의 없습니다.

탄소강의 경우에 수소의 확산 속도는 이미 결정된 것이므로 강종별로 큰 차이를 느낄 정도는 아닙니다. 중요한 것은 확산성 수소의 양이 아니라 그 강의 인장 강도가 더 중요하겠지요. 유연성이 약한 고인장 강의 경우라면 수소의 문제점이 더 크게 작용할 것입니다. 수소에 의한 용접부 균열을 확인하기 위해 각 Job Spec.에 따르면 대개 24시간에서 많게는 72시간이 경과한 후에 NDE를 실시하라고 되어 있습니다.




3. 앞서 설명드린 바와 같이 수소가 있으면 외부 응력에 혹은 충격에 저항하는 유연성이 떨어 집니다. 따라서, 항타시에 발생하는 충격에 의해 용접부에 균열이 발생할 수 있겠지요. 이러한 문제점에 대한 보증은 WPS 작성시에 실시하는 PQ Test를 통해 항타시의 예상 온도 구역에서 Impact Test를 실시하여 검증합니다.




4. 문제의 내용을 정확하게 이해 할 수 없습니다. 아마도 항타시의 조건이 물이 많고 습한 곳이기에 급냉을 고려하신 것으로 판단됩니다.

하지만, 용접부는 이미 항타하기 전에 상온까지 충분하게 냉각되었다고 판단해도 충분합니다. 제가 생각하기에는 급냉에 의한 문제점을 해결하기 위해서는 약 200℃ 정도까지 서냉을 하는 작업이 필요합니다.

일부 Spec.에서는 용접후에 Hydrogen Evolution을 위해 용접부를 서냉하고 냉각후에 다시 200℃ 정도로 가열하여 수소가 빠져나갈 수 있도록 요구 합니다. 따라서, 지금 고려하시는 작업 조건에 의한 급냉에 의한 문제점은 주 고려 대상이라고 하기 어렵습니다.

그리고, 어떤한 용접부이던 간에 Austenite Stainless Steel등 일부 강종을 제외한 거의 모든 용접부는 급냉을 피하는 것이 좋습니다.




5. 용접부의 냉각 사이클을 시간에 따른 용접부의 온도 변화로 제시된 Data를 원하시는 것으로 판단됩니다.

이런 Data는 객관적으로 제시된 것을 찾을 수 없으면, 찾더라도 별 도움이 않됩니다. 왜냐하면 예열과 층간 온도 및 전체 입열에 따라서 용접부의 응고 과정이 달라지게 되고 열 분포도 틀려지게 됩니다.




용접봉 예열이나, 후열, 층간온도의 조정, Multi-Pass 용접 등의 일련의 용접 변수 조정을 통해 용접부 잔류 수소에 의한 문제점을 최소화 할 수 있습니다.




제 생각에는 용접부 지연 균열에 의한 문제점의 원인과 대안에 대한 폭넓은 이해를 하시고 그 원인이 되는 수소에 의한 문제점을 줄일 수 있는 방안에 대해 숙지하시는 것이 필요합니다.




도움이 되시길 바랍니다.

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pile의 연결을 위해서 FCAW를 적용해서 용접한후 10% 비파괴시험해서 다시 사용하는 문제인 것 같군요. 그 때 비파괴시험의 시기와 재작업시기에 대한 논쟁이 종종 있는 것 같은데, 이것이 확산성 수소와 관련된 것이기 때문이겠지요.


일단 귀하가 질문하신 두께 10mm의 SS400소재는 정상적인 온도 즉 0도씨 이상의 온도에서 용접작업을 한다면 확산성 수소로 인한 균열의 우려는 거의 없다고 할 수 있습니다. 물론 확산성 수소가 전혀 없다고 하는 말은 아니고, 있다고 하더라도 구속도가 작아서 즉 구속응력이 작아서 균열을 잘 발생시키기 어렵다는 이야기입니다. 참고로 용접시의 확산성 수소로 인한 저온균열(통상 300도씨이하에서 자주 발생하는 균열)의 기본 개념을 간단히 말씀드리겠습니다. 철강용접부의 저온균열(지연균열 delayed crack, 냉간균열 cold crack)에 대한 3대 요소를 들면 다음과 같습니다.


1) 모재의 탄소당량 Ceq(%) : 대체로 0.4%이상이면 저온균열의 가능성 높아짐. SS400은 통상 탄소당량이 0.4%이하임.

2) 확산성 수소 : 일반 피복아크용접봉으로 건조한 것은 용착금속 100g당5ml정도, 저수소계 용접봉은 2ml이하의 확산성 수소가 발생됨. 플럭스코어드 와이어는 당연히 저수소계 용접봉보다는 많은 양의 확산성 수소가 발생되지만, 솔리드와이어는 거의 저수소계 용접봉정도의 확산성 수소가 발생하므로 유리해짐(비드외관 등은 나빠지겠지만).




일반적인 규정에서는 확산성 수소는 50도씨의 글리세린에 용접 시험편을 48시간 담그어서 발생되어 나오는 확산성 수소(용접비드표면에서 거품 같이 수소가 뽀글뽀글 스며나옴)를 모아서 그 부피를 용착금속 100g당으로 환산함.

3) 구속도 : 모재의 두께가 커지면 구속도는 증가하게 되며, 일반 연강은 통상 1.5인치(약38mm)이상이면 구속도가 커져서 용접후 냉각시에 구속응력이 커지므로 저온균열이 자주 생길 수 있게 되므로 예열을 하도록 요구하게 됨.




귀하가 현장에서 파일 연결용접해서 사용하는 도중에 저온균열 때문에 실제로 문제시 된적이 있다면, 좀 더 심각하게 생각해야 되겠지만, SS400에서 그정도의 두께라면 거의 문제시 되지 않을 것으로 판단됩니다. 그러나 중요한 것은 용접이음부의 설계, 용접 와이어의 선택 및 예열 등 일 것 같군요. 즉 저온균열의 발생을 억제하기 위해서는 예열을 해서 서서히 냉각되도록 하여 확산성 수소가 충분히 빠져나갈 수 있는 시간적 여유를 주고 용접부에 경화조직이 잘 생기지 않도록 하는 것이 좋습니다.




특히 강도상 문제시 되어 파손의 우려가 있는 곳이라면 용접이음부의 그루브형상과 용입특성 및 용접 와이어(실드가스포함)등을 충분히 고려해서 시공할 수 있도록, PQR, WPS를 준비해야겠지요. 분명한 것은 WPS 없이 현장에서 적당히 작업하려면 항상 감리측과 다투는 일이 있겠지요. 물론 용접부의 설계와 WPS승인 받을 때 여러가지 균열이나 강도상의 배려는 모두 해야 겠지요.

많은 발전있기를 기원합니다. 감사합니다.