응력부식균열 (SCC; Stress Corrosion Cracking)

 

1. 개요

 

1) 응력부식균열(SCC; Stress Corrosion Cracking) 정의

인장에 의한 변형과정과 특별한 부식이 동시에 작용했을 때 일어나는 균열을 말한다. 인장응력과 산소와 부식환경이 공존하는 경우에 응력부식균열이 발생한다. 그리고 전면(全面)부식이 적은 환경에서 균열이 발생하기 쉽다. 극히 적은 성분 또는 불순물이 합금의 균열 감수성을 증가하며 더욱이 열처리에 의한 조직변화, 소성변형 등이 영향을 준 결과라고 한다. 현재로서는 타당한 이론이 체계화되어 있지 않은 것이 현상이므로 과거의 실적, 문헌 등을 참고로 해서 방지대책을 수립하여야 한다.

해당 현상은 연성 재료의 급작스러운 파단을 야기할 수 있음 
재질과, 환경의 조합에 따라 응력부식균열이 발생할 수도 있고 발생하지 않을수도 있음 

응력부식균열이란..?

 

2) 응력부식균열, 응력에 의한 부식 원리 

응력(stress)을 받은 부분은 다른 부분보다 에너지가 높음 
따라서, 다른 원소와 화합하려고 하는 힘이 커서 상대적으로 양극이 되고, 전해질 내부에 있으면 전자를 잃어 소멸한다 

결정입계는 용체에서부터 결정이 생길때 응력을 받고 있기 때문에, 내부 금속보다 높은 위치에너지 (자유에너지)를 가지고 있어, 양극이 되어 부식되어감 
또한, 기계적으로 응력을 받은 부분도 양극이 되어 부식됨

재질 내부에 응력이 공존하게 되면, 급격하게 부식되거나 갈라짐(균열) 현상이 생김 
응열부식균열은 인장응력과, 부식환경, 그리고 민감한 재질이 겹쳐졌을때 나타난다 

응력에 의한 부식

잔류응력의 영향, 잔류응력 해소법

 

(1) 응력부식균열 메커니즘

더 낮은 pH (산의 환경)는 수소의 반으을 촉진하여 SCC를 촉진함 
특정 오스테나이트계 STS, 알루미늄 합금은 염화물 환경에서 응력부식균열이 발생할수 있음 
산성용액 중 부식은 이온화 경향 크기로 수소보다 전용압이 큰 금속에 경우 수소이온과의 치환에 의해 발생함 

• 메탄올, 물, 포름산, 포름알데히드 등의 영향이 탄소강의 부식을 유발 
• 잔류응력이 높은 용접부위에서 균열이 발생

(2) 응력부식균열 영향 요인

• 작동 온도 : 고온이 부식 속도를 가속화
• 부식 환경 : 수소 황화물, 이산화탄소 등 다른 부식 화학물질의 존재 유무 
• 합금 조성 : 특정 합금은 메탄올 등에 의한 SCC에 더 취약

응력부식균열

 

 

3) 응력부식균열 예방 및 완화 전략 

• 부식 억제제 사용 : 질산 나트륨, 몰리브데이트 나트륨, 벤조트리아졸 등이 메탄올 SCC를 예방하는 데 사용.
• 수분 농도 제어 : 메탄올 시스템에서 수분 농도를 낮추어 부식 예방.
• 온도 제어 : 메탄올의 끓는점 이하로 온도 유지.
• 기계적 응력 회피 : 고응력 상태를 피함으로써 메탄올 SCC 위험 감소.
• 산소 수준 제어 : 산소 수준을 낮추기 위해 산소 스캐빈저 사용.
• 응력제거풀림(SRA) : 풀림열처리를 통한 잔류응력의 제거 

 

2. 응력부식균열 발생 조건 

 

1) 재료 (Materials) 

(1) 스테인리스강

• 오스테나이트계 STS는 염화물, 가성소다(수산화나트륨) 등의 환경에서 SCC를 겪음
• 탄소함량이 0.03% 이상인 오스테나이트계 스테인리스강을 예민화구간에서 가열하면 크롬 탄화물이 생기면서 응력부식균열 감수성을 높임. 
• 이는 자유 크롬 함량이 급격히 감소하며 선택적 용해에 취약해 짐 

(2) 구리 및 구리 합금

• 비오는 계절, 암모니아 환경에서 황동의 계절적 균열 또한 SCC의 전형적인 예
• 비오는날 황동 탄약에서 해당 현상을 발견
• 알파황동은 Cu-Zn 합금으로, Zn 함량에 따라 암모니아 용액 환경에서 균열 발생 가능 

(3) 알루미늄 합금

• 알루미늄합금은 특정 환경과 충분한 응력에 동시 노출될때 결정립 경계를 따라 균열 발생 가능
• 2000, 5000, 7000계열 등 열처리형 알루미늄 합금은 SCC에 취약함 

(4) 탄소강

• 탄소강 및 저합금강은 강한 가성 용액, 인산염, 질산염, 탄산염, 에탄올 및 고온수 환경에서 SCC를 보임. 

 

2) 환경 (Environments)

SCC가 발새하기 위해서는 부식 환경이 필요함 
보호피막을 발달시키는 재료에는 공격적인 이온이 있어야 SCC가 발생하며, 염화물, 가성소다,폴리싸이온산등이 이에 해당함 

• 오스테나이트계 STS 시리즈는 염화물이 포함된 환경에서 더 취약함 
• 염화물은 수용액이 없으면 SCC르 발생시키지 않음 
• 염화물에 의한 SCC는 일반적으로 70도 이상의 온도에서 발생. 
• 가성환경에서의 SCC도 오스테나이트계 스테인리스에 문제 야기함 

3) 응력부식균열 예시

순환 열교환기 (히터)에서 누수가 발생하여 메탄올 공장 비상 정지 
확인 결과 용접부위에서 광범위한 균열 확인 

(1) 재료 및 환경

• 열교환기는 오스테나이트계 스테인리스강으로 제작 
• 장비는 380도의 고온 개질 가스를 처리수와 열교환하여 170도 부근으로 냉각
• 가스는 수소, 메탄, 질소가스 등이 있음 

(2) 원인

• 작동이 멈추면서, 튜브 시트 상단에 침전물이 형성됨 
• STS316L 재료가 해당 침전물에 의해 단열되어, 서비스 중 과열됨
• 황이 포함된 가스가 폴리싸이온산을 형성, 폴리싸이온산에 의해 SCC가 유발함
• 과도한 기계 가공과 잔류응력이 SCC를 촉진함

(3) 대책

• 침전물 형성 방지
• 잔류응력 제거 (응력제거풀림 등)
• 공급가스의 호아 함량을 줄임 (폴리 싸이온산 형성 예방)

Stress Corrosion Cracking Damages, Alireza Khalifeh

 

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