브리넬, 로크웰, 비커스 등 다양한 시험 프로토콜은 시험 대상 프로젝트에 특화된 절차를 가지고 있습니다. 로크웰 T 시험은 튜브를 세로로 절단하여 외경이 아닌 내경에서 벽 두께를 측정하는 방식으로, 얇은 벽 튜브 검사에 적합합니다.
튜브를 주문하는 것은 자동차 대리점에 가서 자동차나 트럭을 주문하는 것과 비슷합니다. 오늘날에는 다양한 옵션 덕분에 구매자는 차량을 여러 가지 방식으로 맞춤 설정할 수 있습니다. 내외장 색상, 내부 트림 패키지, 외관 스타일링 옵션, 파워트레인 선택, 그리고 거의 가정용 엔터테인먼트 시스템에 버금가는 오디오 시스템까지 선택할 수 있습니다. 이렇게 다양한 옵션을 고려하면 기본 사양의 차량으로는 만족하지 못할 수도 있습니다.
강관은 말 그대로 강재입니다. 수천 가지의 옵션 또는 사양이 있습니다. 사양에는 치수 외에도 화학적 특성과 최소 항복 강도(MYS), 극한 인장 강도(UTS), 파괴 전 최소 연신율과 같은 여러 기계적 특성이 명시됩니다. 그러나 업계의 많은 사람들, 즉 엔지니어, 구매 담당자 및 제조업체는 "일반" 용접 파이프 사용을 요구하는 업계에서 통용되는 약어를 사용하며, 이 약어에서는 경도라는 한 가지 특성만 명시합니다.
자동차를 주문할 때 "자동 변속기 차량이 필요합니다"와 같이 단 하나의 특징만으로 주문하려고 하면 영업사원이 원하는 것을 얻기 어려울 것입니다. 영업사원은 다양한 옵션이 적힌 주문서를 작성해야 하기 때문입니다. 파이프도 마찬가지입니다. 용도에 맞는 파이프를 제작하려면 파이프 제조업체는 경도 외에도 더 많은 정보가 필요합니다.
경도가 다른 기계적 특성을 대체하는 지표로 인정받게 된 과정은 어떻게 될까요? 아마도 파이프 제조업체에서 시작되었을 것입니다. 경도 측정은 빠르고 간편하며 비교적 저렴한 장비만 있으면 되기 때문에 파이프 판매원들은 두 파이프의 품질을 비교하는 데 경도 측정을 자주 활용합니다. 경도 측정을 하려면 매끄러운 파이프와 시험대만 있으면 됩니다.
튜브 경도는 인장강도(UTS)와 상관관계가 높으며, 일반적으로 백분율 또는 백분율 범위는 최대 인장강도(MYS)를 추정하는 데 유용하므로 경도 테스트가 다른 물성을 대체하는 적절한 지표가 될 수 있음을 쉽게 알 수 있습니다.
또한, 다른 시험들은 상대적으로 복잡합니다. 경도 시험은 단일 장비에서 1분 정도밖에 걸리지 않지만, 최대 인장 강도(MYS), 인장 강도(UTS) 및 연신율 시험은 시료 준비와 대형 실험 장비에 대한 상당한 투자가 필요합니다. 비교하자면, 튜브 공장 작업자가 경도 시험을 수행하는 데는 몇 초밖에 걸리지 않지만, 전문 야금 기술자가 인장 시험을 수행하는 데는 몇 시간이 걸립니다. 경도 검사를 수행하는 것은 어렵지 않습니다.
그렇다고 해서 엔지니어링 파이프 제조업체들이 경도 시험을 전혀 사용하지 않는다는 것은 아닙니다. 대부분의 업체들이 경도 시험을 사용한다고 보는 것이 타당합니다. 하지만 그들은 모든 시험 장비에 대해 측정 반복성과 재현성 평가를 수행하기 때문에 경도 시험의 한계를 잘 알고 있습니다. 대부분은 생산 공정의 일부로 파이프 경도 측정을 하지만, 파이프의 물성을 정량화하는 데 사용하지는 않습니다. 이는 단순히 합격/불합격 여부를 판별하는 시험일 뿐입니다.
MYS, UTS 및 최소 신장률에 대해 알아야 하는 이유는 무엇입니까? 이러한 값들은 튜브가 조립 과정에서 어떻게 거동할지를 나타냅니다.
MYS(최소 인장 강도)는 재료에 영구적인 변형을 일으키는 최소 힘입니다. 옷걸이처럼 곧은 철사를 살짝 구부렸다가 놓으면 두 가지 현상이 나타납니다. 원래 상태(곧은 상태)로 되돌아오거나, 구부러진 상태로 남아 있는 것입니다. 만약 철사가 여전히 곧은 상태라면 MYS를 넘지 못한 것이고, 구부러진 상태라면 MYS를 초과한 것입니다.
이제 펜치를 사용하여 철사의 양쪽 끝을 잡으세요. 철사를 두 조각으로 찢을 수 있다면 인장강도(UTS)를 초과한 것입니다. 상당한 장력을 가했을 때 철사가 두 조각으로 찢어지는 것을 보면 얼마나 인장강도를 높였는지 알 수 있습니다. 철사의 원래 길이가 5인치이고, 파손 후 두 조각의 길이를 합했을 때 6인치가 된다면 철사는 1인치, 즉 20% 늘어난 것입니다. 실제 신장률 테스트는 파손 지점에서 2인치 이내에서 측정하지만, 어쨌든 이 당기는 철사 개념을 통해 인장강도를 쉽게 이해할 수 있습니다.
강철 현미경 사진을 촬영하려면 시편을 절단하고 연마한 다음, 약산성 용액(일반적으로 질산과 알코올(니트로에탄올))으로 에칭하여 결정립을 보이게 해야 합니다. 강철 결정립을 검사하고 결정립 크기를 측정하는 데에는 일반적으로 100배율이 사용됩니다.
경도는 재료가 충격에 어떻게 반응하는지를 측정하는 시험입니다. 톱니 모양의 턱이 있는 바이스에 짧은 파이프를 넣고 바이스를 돌려 조이는 상황을 상상해 보세요. 바이스의 턱은 파이프를 납작하게 만들 뿐만 아니라 파이프 표면에 움푹 들어간 자국을 남깁니다.
경도 시험은 그런 원리로 진행되지만, 생각처럼 거칠지는 않습니다. 이 시험은 충격 크기와 압력을 일정하게 유지하여 표면을 변형시키고, 그 결과 움푹 들어간 자국이 생깁니다. 이 자국의 크기 또는 깊이가 금속의 경도를 결정합니다.
강철의 경도를 평가하기 위해 일반적으로 사용되는 경도 시험으로는 브리넬, 비커스, 로크웰 시험이 있습니다. 각 시험에는 고유한 척도가 있으며, 로크웰 A, B, C처럼 여러 가지 시험 방법이 있는 시험도 있습니다. 강관의 경우, ASTM A513 규격에서는 로크웰 B 시험(HRB 또는 RB로 약칭)을 참조합니다. 로크웰 B 시험은 작은 예하중과 100kgf의 주하중 사이에서 직경 1/16인치 강구의 강철 관통 깊이 차이를 측정합니다. 일반적인 연강의 경우 HRB 60 정도의 결과가 나옵니다.
재료 과학자들은 경도가 인장강도(UTS)와 선형적인 관계를 가진다는 것을 알고 있습니다. 따라서 주어진 경도로 인장강도를 예측할 수 있습니다. 마찬가지로, 튜브 제조업체들은 항복강도(MYS)와 인장강도가 서로 관련되어 있다는 것을 알고 있습니다. 용접 파이프의 경우, 항복강도는 일반적으로 인장강도의 70%에서 85% 정도입니다. 정확한 비율은 튜브 제조 공정에 따라 달라집니다. HRB 60의 경도는 인장강도 60,000 PSI(제곱인치당 파운드)와 항복강도 80%, 즉 48,000 PSI에 해당합니다.
일반 제조에서 가장 흔한 파이프 사양은 최대 경도입니다. 엔지니어는 크기 외에도 용접된 전기 저항 용접(ERW) 파이프를 양호한 작동 범위 내에서 지정하는 데 관심을 가졌으며, 이로 인해 부품 도면에 최대 경도 HRB 60이 표시될 수 있었습니다. 이러한 결정만으로도 경도를 포함한 최종 기계적 특성의 범위가 결정됩니다.
첫째, HRB 60의 경도는 우리에게 많은 정보를 제공하지 않습니다. HRB 60이라는 수치는 무차원 값입니다. HRB 59로 평가한 재료는 HRB 60으로 테스트한 재료보다 부드럽고, HRB 61은 HRB 60보다 단단하지만, 얼마나 단단한지는 알 수 없습니다. 부피(데시벨), 토크(파운드-피트), 속도(시간에 대한 거리), 인장강도(제곱인치당 파운드)처럼 정량화할 수 없습니다. HRB 60이라는 수치는 재료의 특성을 나타낼 뿐 물리적 특성은 아닙니다. 둘째, 경도 테스트는 반복성이나 재현성을 보장하지 않습니다. 테스트 시편의 두 위치를 측정할 경우, 측정 위치가 서로 가깝더라도 경도 측정값에 큰 차이가 발생하는 경우가 많습니다. 게다가 테스트의 특성상 한 위치를 측정한 후에는 다시 측정하여 결과를 검증할 수 없습니다. 결과. 테스트 반복성은 불가능합니다.
이는 경도 시험이 불편하다는 의미는 아닙니다. 실제로 경도 시험은 재료의 인장강도를 가늠하는 좋은 지표를 제공하며, 빠르고 간편하게 수행할 수 있는 시험입니다. 하지만 튜브의 사양을 정하고, 구매하고, 제조하는 모든 관계자는 경도 시험의 한계를 인지하고 있어야 합니다.
"일반적인" 파이프에 대한 명확한 정의가 없기 때문에, 필요에 따라 파이프 제조업체는 ASTM A513: 1008 및 1010에 정의된 가장 일반적으로 사용되는 두 가지 강관 유형으로 범위를 좁히는 경우가 많습니다. 다른 모든 튜브 유형을 제외하더라도 이 두 가지 튜브 유형의 기계적 특성은 매우 다양합니다. 실제로 이 두 가지 튜브 유형은 다른 어떤 유형보다도 가장 광범위한 기계적 특성 범위를 가지고 있습니다.
예를 들어, MYS 값이 낮고 연신율이 높으면 튜브를 연질이라고 하는데, 이는 상대적으로 MYS 값이 높고 연신율이 낮은 경질 튜브보다 인장, 처짐 및 변형률이 더 우수하다는 것을 의미합니다. 이는 옷걸이나 드릴과 같은 연선과 경선의 차이와 유사합니다.
연신율 자체도 중요한 배관 응용 분야에 상당한 영향을 미치는 요소입니다. 연신율이 높은 튜브는 인장력을 견딜 수 있지만, 연신율이 낮은 재료는 더 취성이 강해 치명적인 피로 파손이 발생하기 쉽습니다. 그러나 연신율은 인장강도(UTS)와는 직접적인 관련이 없으며, 인장강도는 경도와 직접적인 관련이 있는 유일한 기계적 특성입니다.
강관의 기계적 특성이 왜 그렇게 크게 차이가 날까요? 첫째, 화학적 조성이 다르기 때문입니다. 강철은 철과 탄소 및 기타 중요한 합금의 고용체입니다. 편의상 여기서는 탄소 함량만 다루겠습니다. 탄소 원자는 일부 철 원자를 대체하여 강철의 결정 구조를 형성합니다. ASTM 1008은 탄소 함량이 0%에서 0.10% 사이인 포괄적인 기본 등급입니다. 탄소 함량이 0%인 경우는 매우 특별한 수치로, 강철의 탄소 함량이 극히 낮을 때 독특한 특성을 나타냅니다. ASTM 1010은 탄소 함량을 0.08%에서 0.13% 사이로 규정합니다. 이러한 차이는 크지 않아 보일 수 있지만, 다른 부분에서 큰 차이를 만들어낼 만큼 충분히 큽니다.
둘째, 강관은 7가지 서로 다른 제조 공정을 통해 제작되거나 제작 후 후속 가공될 수 있습니다. ERW 강관 생산과 관련된 ASTM A513은 7가지 유형을 나열합니다.
강철의 화학적 조성과 튜브 제조 공정이 강철의 경도에 영향을 미치지 않는다면, 무엇이 영향을 미치는 것일까요? 이 질문에 답하려면 세부 사항을 꼼꼼히 살펴봐야 합니다. 그리고 이 질문은 두 가지 질문을 더 불러일으킵니다. 어떤 세부 사항을 살펴봐야 하며, 얼마나 자세히 살펴봐야 할까요?
강철을 구성하는 결정립에 대한 자세한 설명이 첫 번째 해답입니다. 제철소에서 강철을 만들 때, 강철은 단일한 특징을 가진 거대한 덩어리로 식지 않습니다. 강철이 식으면서 강철 분자는 눈송이가 형성되는 방식과 유사하게 반복적인 패턴(결정)으로 배열됩니다. 결정이 형성된 후에는 결정립이라고 하는 덩어리를 이룹니다. 냉각이 진행됨에 따라 결정립은 성장하여 판재 전체에 걸쳐 형성됩니다. 마지막 강철 분자가 결정립에 흡수되면 결정립의 성장은 멈춥니다. 이 모든 과정은 미시적인 수준에서 일어나는데, 강철 결정립의 평균 크기는 약 64µm 또는 0.0025인치(약 1.5mm)이기 때문입니다. 각 결정립은 서로 비슷하지만 완전히 동일하지는 않습니다. 크기, 방향 및 탄소 함량이 약간씩 다릅니다. 결정립 사이의 경계를 결정립계라고 합니다. 강철이 피로 균열과 같은 파손으로 인해 파괴될 때, 일반적으로 결정립계를 따라 파손되는 경향이 있습니다.
입자를 식별하려면 얼마나 멀리 봐야 할까요? 100배 확대, 즉 사람 시력의 100배면 충분합니다. 하지만 처리되지 않은 강철을 100배 확대해서 보는 것만으로는 많은 것을 알 수 없습니다. 시료는 연마한 후 니트로에탄올 에칭액이라고 하는 산(일반적으로 질산과 알코올)으로 표면을 에칭하여 준비합니다.
강철의 충격 강도, 최소 인장 강도(MYS), 인장 강도(UTS) 및 파손 전 연신율은 결정립과 그 내부 격자 구조에 의해 결정됩니다.
강판의 열간 및 냉간 압연과 같은 제강 공정은 결정 구조에 응력을 가합니다. 만약 결정 구조가 영구적으로 변형된다면, 이는 응력으로 인해 결정 구조가 변형되었다는 것을 의미합니다. 강재를 코일로 감고, 풀고, 튜브 밀을 통해 강재의 결정 구조를 변형시키는 공정(튜브 성형 및 크기 조정) 또한 영향을 미칩니다. 맨드릴을 이용한 냉간 인발 공정이나 단부 성형 및 벤딩과 같은 제조 공정에서도 재료에 압력이 가해집니다. 이러한 결정 구조의 변화를 전위라고 합니다.
위의 과정들은 강철의 연성을 감소시키는데, 연성이란 인장(늘어나올 때 벌어지는) 응력을 견디는 능력을 말합니다. 강철은 취성이 생겨 계속해서 가공 작업을 하면 파손될 가능성이 더 높아집니다. 연성은 연신율과 압축성을 포함한 여러 요소로 구성됩니다. 파손은 대부분 인장 응력 하에서 발생하며 압축 응력 하에서는 거의 발생하지 않는다는 점을 이해하는 것이 중요합니다. 강철은 상대적으로 높은 연신율 덕분에 인장 응력에 매우 강합니다. 하지만 강철은 압축 응력 하에서는 쉽게 변형되는데, 이것이 바로 강철의 장점입니다.
콘크리트는 압축 강도는 높지만 연성은 낮습니다. 이러한 특성은 강철과는 정반대입니다. 그래서 도로, 건물, 보도 등에 사용되는 콘크리트에는 종종 철근이 들어갑니다. 그 결과, 인장력에는 강철처럼 강하고, 압력에는 콘크리트처럼 강한 두 가지 재료의 장점을 모두 갖춘 제품이 만들어집니다.
냉간 가공 과정에서 강철의 연성은 감소하는 반면 경도는 증가합니다. 즉, 경화되는 것입니다. 상황에 따라 이는 이점이 될 수도 있지만, 경도가 높아질수록 취성이 커지기 때문에 단점이 될 수도 있습니다. 강철이 경도가 높아질수록 탄성이 떨어지므로 파손될 가능성이 더 커집니다.
즉, 각 공정 단계마다 파이프의 연성이 일부 소모됩니다. 가공될수록 파이프는 단단해지고, 너무 단단해지면 사실상 쓸모가 없어집니다. 경도가 높아진다는 것은 취성이 커진다는 것을 의미하며, 취성이 강한 파이프는 사용 중에 파손될 가능성이 높습니다.
이 경우 제조업체에게 어떤 선택권이 있을까요? 간단히 말해서, 있습니다. 그 선택권은 열처리인데, 완전히 마법은 아니지만 마법에 가장 가까운 방법입니다.
쉽게 말해, 어닐링은 금속에 가해진 물리적 응력의 모든 영향을 제거하는 공정입니다. 이 공정은 금속을 응력 완화 또는 재결정 온도까지 가열하여 전위를 제거합니다. 어닐링 공정에 사용되는 특정 온도와 시간에 따라 금속의 연성이 일부 또는 전부 회복됩니다.
어닐링과 제어된 냉각은 결정립 성장을 촉진합니다. 이는 재료의 취성을 줄이는 것이 목표라면 유익하지만, 제어되지 않은 결정립 성장은 금속을 지나치게 연화시켜 원래 용도로 사용할 수 없게 만들 수 있습니다. 어닐링 공정을 중단하는 것 또한 거의 마법과 같은 일입니다. 적절한 온도에서 적절한 담금질제를 사용하여 적절한 시기에 담금질하면 공정이 급격히 중단되어 강철의 회복 특성을 얻을 수 있습니다.
경도 규격을 폐지해야 할까요? 아닙니다. 경도 특성은 강관 규격을 정할 때 중요한 참고 자료입니다. 유용한 측정 기준인 경도는 강재 주문 시 명시하고 수령 시 검사해야 하는 여러 특성 중 하나이며, 각 출하 시마다 기록해야 합니다. 경도 검사가 검사 표준으로 사용될 경우, 적절한 척도 값과 관리 범위를 설정해야 합니다.
하지만 이는 재료의 적합성(합격 또는 불합격)을 판단하는 진정한 시험은 아닙니다. 제조업체는 경도 외에도 튜브의 용도에 따라 최대 인장 강도(MYS), 인장 강도(UTS) 또는 최소 연신율과 같은 기타 관련 특성을 확인하기 위해 출하된 제품에 대한 시험을 주기적으로 실시해야 합니다.
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Tube & Pipe Journal은 1990년에 금속 파이프 산업만을 전문으로 다루는 최초의 잡지가 되었습니다. 오늘날에도 북미에서 유일하게 이 산업에 특화된 간행물이며, 파이프 전문가들에게 가장 신뢰받는 정보원으로 자리매김했습니다.
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