스테인리스강 용접부의 부식과 그 보수용접기술
1. 서 론
용접구조물이 각종 환경에서 사용 중 피팅(pitting), 부식피로, 응력부식균열과 같은 부
식현상에 기인한 시간 의존형의 손상과 파괴현상은 이전보다 더욱 중요한 관심사항이
되고 있다. 이것은 각종 용접구조물의 사용 환경이나 부하조건이 더욱 가혹 화하고 있
기 때문이다. 용접부에는 용접 열에 의해 모재와는 다른 조직의 용착금속과 열영향부가
형성되고, 모재의 인장강도에 필적한 잔류응력이 존재하기 때문에 용접구조물에 있어서
용접부는 부식에 가장 민감한 부분이다. 또한 이러한 용접부의 부식 민감성은 용접시공
단계에서 모재의 종류나 용접조건, 용접부의 건전성에 크게 영향을 받는다.
석유화학플랜트를 위시한 발전 플랜트, 가스 플랜트 등의 각종 플랜트의 부식에 의한
손상이나 열화는 종국에는 내부 유체의 누설, 폭발, 화재 등의 심대한 재해를 가져올 수
있기 때문에 설계, 제작 단계에서 내식성에 대한 충분한 배려와 주의가 필요하다. 따라
서 각종 플랜트 설비의 주 재료로 내식성이 탁월한 스테인리스강이 사용되고 이의 용접
조립에 있어서는 그 내식성을 해치지 않는 용접기술을 적용해야 한다. 그러나 이러한
스테인리스강재에서도 여러 가지 요인으로 부식손상이 발생할 수 있으며, 특히 용접부
에서의 부식이 문제로 되어 있다. 이러한 관점에서 이 해설에서는 스테인리스강을 중심
으로 스테인리스강 용접부의 부식기구와 부식사례, 그리고 그 대책 및 보수용접 방법에
대해 서술한다.
2. 스테인리스강 용접부의 부식기구
약 12% 이상의 Cr을 포함하는 스테인리스강은 대부분의 부식환경 아래에서 우수한 내
식성을 갖는다. 이것은 Cr에 의한 부동태피막을 형성하여 부식의 진행을 저지하기 때문
이다. 이러한 부동태 피막이 건전한 한 용접부에서의 선택적인 부식은 일어나지 않는다.
부동태 피막이 국부적으로 파괴됨에 따라 입계부식, 피팅, 틈새부식, 응력부식균열, 또는
황화물 부식이 일어난다. 스테인리스강 용접부의 부식 손상 형태를 발생위치에 따라 모
식적으로 나타내면 <그림 1>과 같다1). 그림과 같이 용접부의 부식은 용접 비드부의
부식, 용접비드와 모재와의 경계부에서의 부식, 용착금속에서 4mm 정도 떨어진 열영향
부(Heat-affected zone : 이하 HAZ)에서의 입계부식이나 응력부식균열 등 여러 가지가
있다.
2-1. 입계부식
오스테나이트계 스테인리스강 용접부의 열영향부는 약 1000℃ 이상으로 가열된 조립역
(coarse grain zone)의 용체화부와 500～850℃정도로 가열된 탄화물 석출부로 구분된다.
500～850℃정도로 가열된 Cr탄화물 석출 영역에서는 <그림 2>에 나타낸 것과 같이 결정
립계에 Cr 탄화물이 석출하여 결정립계 부근에는 Cr 결핍층이 생기게 된다. 따라서 결
정립계 부근이 선택적으로 부식되어 입계부식이 생기기 쉽다.
Cr 탄화물이 결정립계에 생성되어 입계부식 감수성이 커지는 현상을「예민화
(sensitization)」라고 하며, 500～850℃에서 유지하거나 냉각속도가 느리게 되면 예민화가
일어난다. STS304계와 STS316계 스테인리스강의 예민화는 탄소함량이 0.03% 이하로 낮
게 되면 잘 일어나지 않는다.
이러한 입계부식은 <그림 1의 (C)>에서 보이는 웰드디케이(weld decay)형태로 나타난다.
이러한 종류의 입계부식을 방지하기 위해서는 저탄소 스테인리스강(STS304L, STS316L)
또는 Nb나 Ti를 첨가한 안정화 스테인리스강 (STS347, STS321)의 사용이 바람직하다. 시
공 면에서는 용접 입열을 작게 하고 수냉 등을 통해 Cr탄화물이 석출하기 쉬운 예민화
온도역의 냉각속도를 빠르게 하는 것이 좋다. 입계석출이 일어난 경우에는 1000～110
0℃의 고온으로 재가열하여 Cr탄화물을 재고용시키는 고용화 처리를 실시한다.
한편 STS321이나 STS347 등의 안정화 스테인리스강 열영향부의 용체화부에서 발생하
는 입계부식은 <그림 1의 (d)>에서 보이는 것과 같이 나이프 어택(knife attack)이라고 한
다. 열영향부의 1100℃이상으로 가열된 좁은 영역의 용체화부에서는 NbC, TiC의 안정화
탄화물의 재고용으로 Cr의 안정화 효과를 잃게 되어 이 부분이 후속 층의 열싸이클이나
사용 중의 가열로 600～650℃로 가열되면 Cr탄화물이 입계석출 하여 <그림 2>와 같은
Cr 결핍층이 생기게 되고 따라서 입계부근이 부식되기 쉽게 된다. 이러한 나이프 어택
의 방지에는 용접 후 850～930℃에서 안정화 처리를 함이 유효하다.
용접금속은 δ 페라이트가 포함되기 때문에 일반적으로 모재보다도 예민화 온도역이
좁고 내입계부식성이 우수하다. 용접잔류응력 경감을 위해 용접후열처리를 실시하는 경
우가 있으나 용접후열처리가 예민화 촉진온도와 겹치는 경우가 있기 때문에 온도의 선
정에는 충분한 주의가 필요하다.
일반 페라이트계 스테인리스강의 열영향부는 매우 예민화가 쉬워 입계부식이 잘 일어
난다. 따라서 부식환경에서는 사용하지 않는다. 이것은 α 상 중에서의 C,N의 확산이
γ상보다도 매우 빨라서 925℃이상에서의 냉각속도를 실용적으로 가능한 한 빠르게 하
여도 예민화 하기 때문이다.
한편 C+N을 매우 낮게 억제한 고순도 페라이트계 스테인리스강에서는 부식에 견디는
용접부를 얻을 수 있다.
2-2. 피팅(pitting) 및 틈새부식
피팅은 자유표면의 특정 장소에 집중하여 부식이 집중적으로 진행되어 구멍을 형성하
는 부식형태이다. 부식분위기에서 금속의 표면 피막이 파괴되어 활성 면으로 되면 <그
림 3>과 같이 국부적인 부식전지가 형성되어, 활성경로부식(Active Path Corrosion)형태
로 진행된다. 이것이 피팅이 형성되는 기구이다. 틈새부식은 틈새 부(구조상의 틈새, 개
스킷(gasket)의 접촉면, 볼트 너트의 체결부위, 가공에 의한 요철부, 용접에 의한 산화 스
케일 등)에서 생기는 부식이다.
부식매체의 잔류 등에 의해 Cl-이온이 농축되면 Cl-에 의해 부동태 피막이 국부적으로
파괴되어 부식이 진행한다. Cr량의 증가, Mo이나 N의 첨가가 내피팅성, 내틈새부식성을
향상시키는데 효과적이다. 용접금속의 피팅 감수성은 용접입열량이 많고 냉각속도가 느
릴수록 커진다.
2-3. 응력부식균열(Stress Corrosion Cracking : SCC)
오스테나이트계 스테인리스강에서 응력부식균열을 일으키는 대표적인 물질은 Cl-이다.
균열의 형태는 보통 결정립내 균열이다. Cl-에 의한 균열은 온도가 높고 Cl-농도가 높을
수록 생기기 쉽다. 많은 균열 사례는 50～60℃ 이상의 온도에서 일어난다. 앞에서 언급
한 피팅의 진행에 따라 공의 내부의 pH값이 낮아지고 동시에 Cl-농도가 높아지게 된다.
여기에 응력이 걸리면 원자면의 슬립(slip)이 생겨 활성 면이 되어 다시 부식이 진행된
다. 이와 같은 과정의 반복으로 진행되는 것이 응력부식균열이다. 따라서 응력부식 균열
은 피팅이나 결정립계부식을 기점으로 해서 진전하는 경우가 많다. 응력부식 균열은 오
버레이(overlay)를 포함하여 스테인리스강의 용접부에서 운전개시 후에 가장 많이 발생
하는 문제이다. 오스테나이트계 스테인리스강 용접금속에서는 δ 페라이트가 균열의 전
파를 저지하는 효과가 있어 일반적으로 모재에 비해 응력부식균열이 발생하기 어렵다.
또한 오스테나이트 ․ 페라이트계 스테인리스강 (2상 스테인리스강)에서는 내응력부식 균
열성이 매우 좋다4).
3. 스테인리스강 용접부의 부식 사례
3-1. 용접부에서의 녹(rust)의 발생5)
건축부재 등에서 자주 발생하는 문제로 스테인리스강 용접부에서 녹이 발생하는 경우
가 있다. STS 304강재 파이프를 L자 형으로 용접하여 용접 시의 열에 의해 변색된 표면
을 건식 그라인더로 연마제거한 부위에만 <그림 4>에 나타낸 것처럼 녹이 발생하였다.
이러한 녹이 발생한 원인으로는 다음과 같은 가능성을 상정할 수 있다. ① 연마공구로
부터의 철분이 부착하여 그 철분이 녹이 되었다. ② 연마한 표면의 표면조도가 녹 발생
<그림 5>와 <그림 6>에 의하면 용접 비드는 건전하나 용접비드를 따라 모재에 다수의 부식
이 발생되어 있다. 온수에 접하고 있는 표면에는 피팅이 보이고 있어 이것을 기점으로 균열
이 전파되고 있다. 맞대기 접합된 판재가 굽어 있는 것이 보이고 있어 용접시공에 의한 잔류
응력이 매우 높게 남아 있을 것이라는 것을 생각할 수 있다. 즉 피팅 발생과 잔류응력으로
인해 피팅을 기점으로 한 응력부식균열이 발생한 사례이다
3-3. 2상 스테인리스강제 해수냉각 재킷 용접부의 피팅 발생
사례5)
2상 스테인리스강 STS329J4L제 관의 외면에 동종 강판(두께 4mm)으로 GTAW 용접된
재킷 내에 해수를 이용하여 관 외면으로부터 냉각하는 <그림 7>과 같은 구조에서 약 2
년간 사용 후 해수의 누수가 발생하였다. 누수가 일어난 부위를 세밀하게 관찰하여 해
수 측 용접부인 용접금속에서 선택적으로 피팅이 진행하여 관통구멍으로 발전하여 누수
가 일어났음이 밝혀졌다.
피팅의 발생 원인은 현미경 조직 검사 결과, 용접금속 중의 페라이트 비율이 매우 높아
서 내피팅성이 열화하여 발생한 것으로 추정되었다. 일반적으로 2상 스테인리스강의 용
접금속은 응고 직후에는 페라이트 단독 상으로 되나 냉각과정에서의 고상변태에 의해
오스테나이트상이 생성 성장하여 페라이트 상의 과잉이 개선된다. 그러나 이 용접금속
에서는 페라이트 상의 비율이 매우 높은 것으로 나타났다.
용접금속에서의 피팅을 방지하기 위해서는 용접금속의 조직을 1:1의 비율에 가깝게 하
는 것이 유효한 대책이다. 용접금속에서 페라이트량이 과잉으로 되는 원인은 오스테나
<그림 7> 해수냉각 재킷구조(a)와 용접부의 용접금속에서의 피팅발생 양상 (b)6)
이트 생성원소인 Ni 및 N량의 부족에 기인한 것으로 판단된다. 따라서 모재에 비해 Ni 량이
많은 용가재를 충분히 첨가하는 것이며, 제살용접을 피하는 것이 좋다. 또한 용접 중 N의 이
탈을 억제하는 의미에서 GTAW용접에서의 실드가스에 2% 정도의 N2를 첨가한 혼합가스를
첨가하는 것도 대책이다.
3-4. 스테인리스강 배관 분기관(branch pipe)용접부의 응력부식균열7)
해변에 설치된 화학플랜트의 상온 부위에 사용되고 있는 배관으로 외경 100mm의
STS316계 스테인리스강제 배관이 분기관을 통해 T자형으로 연결된 구조이다. 분기관은
STS316계 주강제로 외경 180mm, 내경 100mm로 <그림 8>과 같이 분기관 내경부에 배관
을 꽂아 넣어 필릿 용접된 구조로 되어 있다.
균열은 필릿용접부의 배관 분기관 측의 용접선에서 5mm 떨어진 용접열영향부에서 복
수의 균열이 발생하였다. 균열부의 미시조직을 관찰한 결과, 주조조직의 입계 또는 수지
상(dendrite)의 경계로 전파되어 있는 양상을 띠고 있었다.
배관과 분기관의 원주 필릿 용접된 부위의 외측면에는 용접 잔류응력이 용접선에서 조
금 떨어진 HAZ 측에 크게 남아 있을 수 있다. 따라서 이 균열은 용접잔류응력과 해변의
염해 입자로 인한 염화물 농도가 주 원인인 응력부식균열로 판단할 수 있다.
<그림 8> T형 배관 분기관과 균열 발생위치(a)와 균열부의 마크로 조직(b)7)
이의 방지대책은 용접잔류응력의 저감이 효과적이며 용접금속 및 HAZ부에 숏피닝
(shot peening) 처리가 대책이 될 수 있다. 응력부식균열은 HAZ부에서 발생하였으나 용
접잔류응력은 용접금속에 잔존하는 스트레인(strain)에 기인한 것이기 때문에 용접금속의
피닝이 효과적이다. 또한 해머 피닝도 후보로 될 수 있다.
부식환경의 요인에 대해서는 염화물의 차단이 필요하며, 구체적인 방법은 방식피복이
나 도장이 유효하다. 재질면에서는 오스테나이계의 저탄소화재인 L 그레이드로 변경하
거나 Ni량이 많은 스테인리스강이나 고합금강으로의 변경도 필요하다.
4. 보수용접 기술
플랜트 설비에서 손상이 발생한 경우에는 그 원인을 조사하고 그 결과에 기초하여 손
상부의 보수방법과 재발 방지책을 수립한다. 용접보수 시에는 국내외 협회나 학회의 규
격과 가이드라인 (예 : WES 7700-1～4)을 참고하여 진행할 필요가 있다. 압력 설비의
용접보수에 관하여 재료열화, 손상에 관한 진단과 관련하여 국내외에서 체계화된 보수
기준이 없었으나 2009년 일본용접협회에서 플랜트설비 용접보수지침(CP-0902)이 발
행되었다. 2012년에는 이 지침을 기본으로 WES 7700(압력설비의 용접보수)가 발행되
었다. 아울러 2015년에는 영문의 보수지침(CP-0902E)이 발행되어 미국 및 동남아시아
국가들로부터 주목을 받고 있다8).
용접보수를 포함한 보수안의 작성에 관해서는 고객요구를 고려하여 PWHT의 유무, 내
압시험의 유무, 비용, 보수작업의 실현가능성 등을 고려하여 종합적으로 검토한다. 보수
용접의 특징으로는 ① 전 자세 용접이 되는 경우가 많고 고도의 기량을 필요로 한다.
② 큰 구속 상태가 많으며, 적절한 시공관리가 필요하다. ③ 물리적으로 적정한 보수용
접을 할 수 없는 좁은 부분이 있다. ④ 시간적 여유가 많지 않으며 사용할 수 있는 설
비가 한정되고, ⑤ 화기 사용의 절차가 필요한 것 등이다.
<그림 8>에 보수용접의 종류와 그 형상을 나타내었다9).
오버레이 용접 보수는 손상부를 완전히 제거하고 엷어진 두께부분을 용접금속으로 오
버레이 하는 방법으로 균열이나 국부부식 등의 손상 정도가 비교적 경미한 경우에 적용
된다. 이 용접법의 적용에 있어서는 균열이 국소적으로 존재할 경우는 이들 균열을 전
부 제거하고 난 후 보수용접을 실시한다. 또한 미세한 균열은 비파괴검사로 검출되지
않는 경우가 있으므로 피용접부 주변의 표면을 용접 전에 연삭한다.
부분갱신 용접보수는 배관의 경우에 배관을 절단하고 부분적으로 갱신하거나 배관 크
기가 클 때에는 국소적으로 창틀 형의 보수용접이 적용될 수 있다. 창틀 형 보수 시의
용접 순서는 구속응력을 저감시키는 순서로 하고 전장 다층 용접이 아닌 블록법 또는
가스케이드법(cascade sequence)을 적용한다.
용접방법은 GTAW용접방법을 적용하는 것이 쉬우나 구속조건이 큰 경우나 피용접부에
불순물이 많이 포함되어 있는 경우에는 피복아크용접을 적용함으로서 해결될 수 있다.
5. 결 론
스테인리스강은 내식성 강재로 부식분위기 중의 플랜트 구조물용으로 많이 사용된다.
그러나 스테인리스강의 경우에도 구조물의 운전 중 환경에 의한 손상과 열화현상이 일
어난다. 특히 용접부에서 부식민감성이 증대하여 피팅(pitting), 웰드디케이(welddecay),
응력부식균열, 황화물 응력균열(sulfide stress cracking)과 같은 부식손상과 수
소침식에 의한 수소유기균열과 같은 손상이 발생하는 경우가 많다. 이러한 손상과 균열
이 발생하지 않도록 하기 위해서는 설계 시공단계에서 야금학적인 여러 가지 현상을 고
려한 용접기술이 필요하며 운전 중에는 상시 모니터링을 통한 안전유지와 보수 관리 활
동이 필수적이다.
발생한 손상이나 부식이 일정 한계값 이상으로 판명되면 이들을 완전히 제거한 후에
용접에 의한 보수작업을 통해 복구되는 것이 기본이다. 또한 복구 후에는 규격에 입각
하여 적절한 PWHT(Post Weld Heat Treatment)를 시행하여야 하나 오스테나이트계
스테인리스강의 경우에는 PWHT 과정에서 예민화 현상이 일어 날 수 있기 때문에 주의
를 요하며, 따라서 피닝(peening)에 의한 기계적 응력 제거 처리를 수행해야 하는 경우
도 있다.
현재 국산의 발전 플랜트, 석유화학 플랜트, 해수 담수화 플랜트 등 각종 플랜트 구조
물 중에는 30~40년 된 노후 설비가 국내외에서 다수 가동되고 있다. 따라서 용접보수
에 대한 수요가 국내외적으로 많이 발생하고 있다. 국내의 조선 해양기자재 관련 중소
기업체에서도 선박의 보수뿐만 아니고 각종 플랜트 구조물의 보수작업에 많은 관심을
가질 필요가 있다고 생각한다.
<참고문헌>
1. 대한용접학회, 용접접합 편람 I (철강 및 비철재료), (2008) pp.143
2. 溶接學會, 溶接接合技術特論, (2010) pp.203
3. 김영식, Present & Future of Welding Technology, 2010년 대한용접접합학회 추계학술대
회 특별강연 자료 (2010)
4. WATANABE Hirohisa, Welding Consumables for Duplex Stainless Steel, Jnl. of Japan
Welding Soc. 80(2) (2011) pp. 142-146
5. TAKATANI Yasuyuki, Corrosion Protection on Welding of Stainless Steel, Jnl of Japan
Welding Soc. 77(7) (2008) pp.645-649
6. OKAWA Kazuhiro, “溶接部の腐蝕事例”, 溶接技術(日本), 64(7), (2016) pp.130∼134
7, 日本溶接協會特殊材料硏究委員會編, ステンレス鋼溶接トラブル事例集(2003) pp.120
8. SAKATA Gentaro, AKIDA Ken, プラント壓力設備の溶接補修, 溶接技術(日本) 64(5),
(2016), pp.78∼84
9. NAKANO Tadao, 配管の保全と補修溶接技術, 溶接技術(日本), 65(4), (2017) pp.62∼68