후열처리(PWHT)의 개념과 필요성 : 잔류응력 제거와 균열 방지를 위한 핵심 공정

후열처리(PWHT)의 개념과 필요성 : 잔류응력 제거와 균열 방지를 위한 핵심 공정

 

 

 

 

 

1. 개요

 

- 후열처리(Post Weld Heat Treatment, PWHT)는 용접 후 발생하는 잔류응력(Residual Stress)을 제거하고,

  용접부의 기계적 성질을 개선하기 위해 시행하는 열처리 과정입니다.

- 용접 시 발생하는 급격한 온도 변화로 인해 금속 내부에 응력이 축적되는데, 이는 균열, 취성, 피로파괴 등의

  원인이 될 수 있습니다. PWHT는 이러한 문제를 예방하고 용접부의 내구성을 향상시키는 중요한 공정입니다.

- PWHT는 용접 구조물의 사용 조건, 재료 특성, 설계 사양 등에 따라 반드시 수행해야 하는 경우가 있으며,

  국제 표준 및 법규에 의해 요구되기도 합니다.

- 대표적으로 ASME Section VIII, IX, API 650, AWS D1.1 등의 코드에서 특정 재질 및 용접 조건에 따라

  PWHT 요구사항을 명시하고 있습니다.

 

 

 

 

2. 후열처리의 목적

 

1) 잔류응력 제거
  - 용접 시 급격한 열 팽창과 냉각 과정에서 내부에 높은 응력이 발생하게 됩니다
  - PWHT를 통해 금속 내부의 응력을 완화시켜 구조적 안정성을 증가시킵니다

 

2) 용접부의 균열 방지
  - 높은 잔류응력은 용접부에서 균열(Cracking)을 발생시킬 수 있는 주요 원인입니다
  - 특히, 수소취성(Hydrogen Embrittlement) 및 응력 부식 균열(Stress Corrosion Cracking, SCC)을 방지하는 데

  필수적인 공정입니다

 

3) 금속 조직의 미세화 및 강도 회복
  - 용접으로 인해 발생한 조직 변화(예: 마르텐사이트 변태)를 완화하고, 원래의 금속 특성을 복원하는 역할을 합니다
  - 특히, 탄소강과 저합금강의 경우, 용접부가 너무 경화되는 것을 방지하고 연성을 회복하기 위해 PWHT가 필요합니다

 

4) 내구성 및 피로 수명 연장
  - 잔류응력이 제거된 용접부는 외부 하중 및 열 변화에 대한 저항성이 증가합니다
  - 이는 용접 구조물의 피로 수명을 연장하고, 장기적인 안정성을 확보하는 데 기여합니다

 

 

 

 

3. 후열처리의 적용 대상

1) 고압, 고온 환경에서 사용되는 용접 구조물
  - 압력용기(Pressure Vessel), 배관(Piping), 보일러(Boiler) 등

 

2) 두께가 두꺼운 용접부
  - 일반적으로 용접부 두께가 19mm~38mm 이상일 경우 PWHT를 요구하는 경우가 많음

 

3) 고탄소강 및 저합금강(High Carbon Steel & Low Alloy Steel)
  - 특정 재질(예: P91, P22 등)은 경화 경향이 높아 PWHT가 필수적임

 

4) 응력 부식 균열(SCC) 방지가 필요한 경우
  - 해양 플랜트, 화학 공장, 정유 공장의 배관 및 장비 등

 

 

 

 

4. 후열처리의 주요 방법

1) 로 열처리(Furnace Heating)
  - 용접 후 전체 구조물을 산업용 열처리로(Furnace)에 넣어 일정 온도에서 열처리를 진행
  - 균일한 온도 분포를 유지할 수 있지만, 크기가 큰 구조물의 경우 적용이 어려움

 

2) 국부 가열(Localized Heating)
  - 용접부 주변을 전기 히터(Electric Resistance Heater) 또는 가스 버너(Gas Burner)로 가열하여 수행
  - 플랜지, 배관, 대형 구조물 등 일부 구역만 열처리할 때 사용
  - 전기 저항 가열(Electrical Resistance Heating)과 유도 가열(Induction Heating) 방식이 많이 사용됨

 

3) 가스불꽃 가열(Gas Flame Heating)
  - 가스 버너(Propane, Oxy-acetylene 등)를 이용하여 용접부를 가열하는 방법
  - 온도 조절이 어렵고, 균일한 가열이 어렵다는 단점이 있음

 

4) 유도 가열(Induction Heating)
  -교류 전류를 이용해 유도 가열하는 방식으로, 빠르고 균일한 가열이 가능함
  - 특히, 현장 작업에서 빠르게 적용할 수 있는 장점이 있음

 

 

 

 

5. 후열처리의 주요 변수

1) 가열 온도(Heating Temperature)
  - 일반적으로 550~750°C에서 수행됨
  - 탄소강(Carbon Steel): 600~650°C
  - 크롬 몰리브덴강(Cr-Mo Steel): 700~750°C

 

2) 보유 시간(Holding Time)
  - 용접부의 두께에 따라 일정한 시간 동안 유지해야 함
  - 일반적인 기준: 25mm 두께당 1시간
  - 예를 들어, 50mm 두께의 용접부라면 약 2시간 유지해야 함

 

3) 가열 속도(Heating Rate)
  - 급격한 온도 변화는 구조물에 추가적인 잔류응력을 발생시킬 수 있음
  - 일반적으로 100~200°C/hr 이하로 설정

 

4) 냉각 속도(Cooling Rate)
  - 급격한 냉각을 방지하기 위해 100~150°C/hr 이하의 속도로 냉각
  - 실내온도까지 천천히 냉각하는 것이 중요

 

 

 

 

6. 후열처리의 적용 사례

1) 압력용기(Pressure Vessel)
  - 석유화학 공장, 발전소 등에 사용되는 압력용기의 용접부는 반드시 PWHT를 수행해야 함
  - ASME Section VIII에 따라 적용 기준이 정해져 있음

 

2) 배관(Piping)
  - API 570 및 ASME B31.3에서 PWHT 요구사항이 명시됨
  - 특히, 크롬 몰리브덴 강으로 제작된 고온 배관은 반드시 PWHT 필요

 

3) 보일러 및 열교환기(Boilers & Heat Exchangers)
  - 높은 온도와 압력에 노출되므로 PWHT를 적용하여 내구성을 확보

 

4) 해양 플랜트 및 조선업
  - 해양 구조물의 경우, 응력 부식 균열을 방지하기 위해 필수적으로 PWHT 적용

 

 

 

 

7. 결론

 

- 후열처리(PWHT)는 용접 후 발생하는 잔류응력을 제거하고, 균열 방지 및 기계적 성질 개선을 위해

  필수적인 공정입니다.

- 특히, 고온·고압 환경에서 사용되는 배관, 압력용기, 보일러 등의 용접부에서는 PWHT가 법적·기술적 요구사항으로

  적용되며, 국제 규격(ASME, API 등)에 따라 엄격히 관리됩니다.

- 적절한 온도, 시간, 냉각 속도를 준수하여 수행해야 하며, 이를 통해 용접 구조물의 장기적인 안정성과 내구성을

  확보할 수 있습니다