[연재] (27) 석유에너지산업의 안전 및 건전성 확보 방안
[연재] (27) 석유에너지산업의 안전 및 건전성 확보 방안
  • 황무선
  • 승인 2007.09.03
  • 댓글 0
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코스틱(NaOH-caustic) 균열 현상
▲ 쉘 장치안전팀장 김동섭 박사
17년전 초보엔지니어 시절에 정유공장의 정수기간 중에 알키 유닛 한 용기에서 균열이 발생한 경우가 있었다. 균열을 제거하기 위한 그라인딩 작업을 진행하던 중 그 일부가 그라인딩에 의해 균열이 자라고 있다는 보고가 들어와 급히 현장으로 달려가 상황을 파악해 보았다. 항상 그렇듯이 급박한 문제들은 정수기간의 막바지에 발생한다. 그래서 모든 주위의 시선이 이곳으로 집중됐다.

대부분의 균열은 용접부 주위에 있었으며 아주 짧은 여러 균열들이 많이 발생한 상태였다. 그라인딩 작업을 통해 모든 균열을 제거했다고 생각하고 다시 자기형광검사를 하면 더 깊은 곳에 또 새로운 균열을 발견하곤 했다. 현지 검사원들은 이것이 그라인딩에 의해 균열이 자란 것이라고 판단했지만 새로 발견한 균열의 위치 등을 보면 그것은 그렇게 설득력이 있는 말로 들리지는 않았다. 몇 시간 고생 끝에 사용적정성 평가로 일부 작은 균열들은 그냥 두기로 하고 나머지는 용접, 보수키로 했다.

하지만 이 균열이 소위 말하는 Caustic SCC(Caustic은 프로세서 upset에 의한 것으로 추정)이어서 그냥 용접해 보수하기에는 용접할 때 발생하는 열과 열응력으로 인해 기존 균열들이 더욱 진전될 수 있는 위험을 가지고 있다. 고압 수압 청소기로 용기 내부를 깨끗이 청소한 후에 해당부위에 caustic 검지 용액을 반응시켜 중성임을 확인한 후에 용접 보수를 한 기억이 있다.

이 뿐만 아니라 Caustic에 의해 발생된 균열에 대한 사례는 아주 많다. Caustic upset으로 인해 열교환기 튜브 전량을 교체 했던 일, 또 이 프로세서가 steam drum까지 균열이 전파돼 드럼 용접부에 갑작이 스팀이 새어나오던 일들이 있었다. 미 서부지역의 파이핑 시스템 전 구간에 caustic/car bonate에 의한 균열이 발생했는데 특이한 것은 용접부에서 약 50~100mm 정도 떨어진 곳에서 균열이 검지됐다는 사실이다.

산화물 적체로 육안검사, Dye검사 ‘부적절’
자기형광검사나 eddy current 등 효과적

위에 나열한 대부분이 Caustic SCC라고 불리는 문제인데, SCC 즉 이를 응력부식에 의한 균열이라고도 하며 또 한편으로는 Caustic 취화현상(embrittlement)이라고도 불린다. 이 현상은 주로 H2S나 mercaptan을 제거하는 공정, 황산, HF 알키 유닛에 또는 가끔 클로라이드를 제거하기 위한 원유 정제 유닛에서도 볼 수 있다.

이 같은 균열은 적절한 온도 하에 응력(주로 용접에 의한 잔류응력)과 caustic 환경조건에 의해 발생함으로 steam tracing이나 heating coil이 있는 파이핑 시스템에서 자주 발생한다. 또 건조와 증발이 반복돼 국부 Caustic 농도를 높여주는 보일러 용수 파이프에서도 발생할 가능성이 있다. 균열은 그물 형태의 모습을 보이거나 일직선상으로 용접선과 평행하게 일어나 있는 것이 대부분이다. 이러한 균열은 균열 자체가 아주 타이트 하거나 산화물이 적체돼 있으므로 육안이나 dye검사는 적절치 않고 자기형광검사, eddy current, ACFMe 등이 효과적인 검사법이다.

그 다음은 이에 대한 해결책이다. 가끔 사용적정성 평가에 의한 방법을 사용하고 잔류 수명 평가법 및 초음파검사로 균열 진전을 모니터링하거나 100% 검사가 어려울 경우에는 Acoustic Emission에 의한 검사법도 시도되고 있다. 이러한 균열은 탄소강, 저합금강 심지어 스테인리스강에서까지 발생함으로 재질을 스테인리스로 변경하는 것은 효과적인 대응책이 아니다. 니켈 합금강에서는 그 효과를 볼 수 있으나 경제적인 측면을 고려할 때에는 좋은 해결책은 아니라고 본다.

가장 좋은 방법은 잔류응력을 없애주는 적절한 후열처리가 가장 효과적인 방법이다. 하지만 많은 공장에서 후열처리 한 파이프에서도 이러한 균열 발생 사례가 보고되고 있어 이에 대한 자세한 가이드라인, 특히 현장에서 적용되는 후열처리의 가이드라인이 필요하다.

대체적으로 탄소강의 경우는 620~650℃ 정도의 온도에서 후열처리를 실시하면 Caustic SCC의 발생확률이 아주 적다고 한다. 하지만 내 생각으로는 온도도 중요하지만 후열처리 과정 중에 냉각속도를 조절하는 것이 가장 적절한 방법이라는 생각이다. 대부분의 경우 현장 국부 후열 가열처리중 풀림에 의한 잔류응력이 제거가 되지만 그 이후에 부적절한 단열재 구격에 의해 냉각도중에 다시 잔류응력이 생성될 수 있기 때문이다. 그래서 국부 후열처리를 실시할 때는 반드시 AWS D10.10이나 파이프 국부 후열처리 기준을 잘 살펴보고 이를 만족시키는 후열처리를 하면 균열의 위험도는 아주 작아 질 것이라고 생각한다.

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