1. 서 론
선박 및 해양구조물에서 일반 bolted flange의 경우, 고압 및 대형 사이즈로 변경될수록 크기 및 중량이 급격히 증가하며 체결하는 bolt의 숫자도 많아지기 때문에 체결 및 해체하는 작업에 많은 시간이 소요된다. 따라서 hub flange는 고압 및 대형 사이즈에서 사용되는 일반 flange 대비하여 상당한 중량 절감 효과 및 빠르고 효율적인 기밀성 등의 장점으로 널리 활용된다. 그러나 시공과정에서 일반 flange의 연결 보다 자재의 관리 및 설치가 까다로워 이를 위한 검토가 설계단계부터 면밀하게 이루어져야 한다.
일반적으로 hub flange는 Fig. 1과 같이 shop이나 site에서 pipe와 hub flange의 연결 용접(①) 후에 hub face의 평탄도 기준을 만족한 후, clamping(②)으로 연결하는 작업을 수행한다. Hub flange와 연결 배관의 용접으로 Fig. 2의 (b)에 표시된 hub face의 flatness 및 평행도(Perpendicularity) 변형이 발생한 경우, clamp를 억지로 체결하더라도 leakage가 발생하고 이는 공정 지연으로 이어져 막대한 생산비용 손실을 초래한다. 따라서 설계 단계 뿐만 아니라 생산 공정 단계에서 hub flange 설치 시 변형에 관련된 예측, 관리 및 제어 기술 개발이 요구된다.
배관 및 일반 flange의 용접 변형 특성과 관리 및 제어 기술에 관한 연구1)는 활발하게 진행되어 있지만, hub connector의 경우 특정 업체에서 자체 개발하여 사용하는 기성품 이므로 업체마다 조금씩 디자인이 다르다. 또한, hub flange가 특허 제품이므로 용접 변형 및 제어 기술에 관한 연구는 비공개 되어 매우 부족한 실정이다.
이에 본 연구에서는 생산 현장의 hub flange 체결 시 다양한 용접 조건을 고려하여 각 변수가 hub flange의 제작 허용 criteria에 기여하는 영향도를 파악하고 그에 따른 용접 변형 특성에 대한 분석을 수행하였다. 또한, 수치해석으로 예측하여 최소 변형을 제어하기 위한 체결 용접 방안을 제안하였다.
아래 Fig. 1은 본 연구에서 분석된 hub flange의 주요 구성품을 나타낸다. 배관과 용접되는 welding neck hub와 gasket 역할을 하는 seal ring, hub를 바깥에서 고정해주는 clamp와 clamp를 조립하는 bolt, nut로 구성되어있다. Bolting의 체결력이 clamp로 전달되고 clamp가 조여지면 hub를 미는 힘으로 바뀌게 되고, seal ring이 hub face에 안착이 되는 구조이다. 본 연구에서는 배관 spool의 site 설치 시 배관과의 연결 용접에 의해 평행도 변형이 발생하는 hub sealing face의 평행도를 수치해석으로 예측하여 변형을 완화하는 방법을 제안하였다.
2. 용접 변형 특성
2.1 수치해석 대상
열탄소성 유한요소해석을 위해 범용 비선형 유한요소 코드인 MSC. MARC (2014)를 이용하였다. 주요 해석 대상인 용접 수축에 의한 평행도 변형은 일반적으로 알려진 기존의 MARC 옵션인 weld flux, filler 및 3D weld-path를 이용하였다. 아래 두 가지 크기의 hub flange와 배관에 대하여 3-D weld path 해석을 진행하였다. Hub flange의 크기는 clamp와 연결되는 외경과 seal ring과 연결되는 내경에 의해 결정된다. 그래서 hub flange의 크기는 clamp와 seal ring의 조합으로 표기되며, 브랜드마다 표기 방식이 조금 다르다. 아래는 대표적인 업체인 GRAYLOC3)의 표기 방법을 따른 것이다. 일반적으로 아래 두께에서 root gap은 3mm로 시공된다.
Hub flange와 배관의 연결 시, 실제 용접 단면과 동일한 bead를 구현하여 3-D weld path 해석을 수행하였다. GTAW 공법을 적용할 경우, 6inch hub flange는 20-pass로 용접되고, 10inch는 37-pass로 용접된다.
2.2 경계 조건
Hub flange와 배관의 용접 해석은 아래와 같이 pipe spool이 이미 설치된 site에서 용접하는 구조적 경계조건으로 가정된다. 아래 Fig. 5에서 clamp가 체결되는 hub face는 free, 다른 배관과 연결된 배관 끝 단은 대칭(symmetry) 조건이다. 실제로 약 80% 이상의 hub connector가 pipe shop에서 제작된다. Pipe shop에서 작업 환경은 site 조건 보다 훨씬 우수하고 제작된 제품의 오작률도 매우 적다. 따라서 보수적인 site 조건의 용접 해석을 수행하였다.
용접 후 냉각 단계에서 상온의 온도는 25°C, 총 5시간 이상 상온에 노출된 모든 표면에 대하여 대류 조건을 적용하였다. 대류 냉각은 주변 공기에 의한 자연 대류 열전달을 고려하기 위해서 경막 계수(film coefficient)를 13으로 사용하였다6).
2.3 Heat source modeling
열원 모델은 Fig. 6과 같이 3차원 열원 모델 중 가장 arc 특성을 적합하게 반영하는 Goldak의 이중 타원 열원 모델을 이용하였다. 이는 아크 용접에서 가장 많이 사용되는 열 입력 모델로서 아크 용접 과정의 열을 용융풀과 같은 크기의 체적으로 분산시킨다. 열 유속(Weld volume flux)은 다음 식 (1), (2)와 (3)을 이용하여 이동하는 경계조건으로 가정하였다. 여기서 Q는 전력, η은 아크 효율, a는 용융부의 폭, b는 flux의 깊이, c는 flux의 전체 길이이며, cf, r은 heat flux의 전후 길이를 의미한다. 용접 속도는 실제 welding record를 그대로 적용하였으며 평균 1.9mm/s이다. Weld path로 용접선을 설정하고 weld filler로 용접 와이어가 모재로 이행되는 것을 구현하였다7).
GTAW와 FCAW의 용접 효율은 Atkins가 제안한 80%를 가정하였다. 그리고 해석에 사용한 입열 변수는 Table 2에 정리하였다. Heat flux의 각 길이는 실제 hub connector의 용접 현장에서 직접 계측하여 정하였다.
2.4 용접 조건에 따른 변수
본 연구에서는 hub flange와 배관의 연결 용접에서 냉각 5시간 후, 최종 평행도 변형량을 다양한 용접 변수에 따라 수치해석으로 구하여 변형이 감소되는 최적의 용접 조건을 도출하고자 하였다. Table 3과 같이 각 변형량을 최소로 하는 주요 공정변수인 용접 방향, 가접 유무, root gap, 용접 공법의 조건을 반영하여 6, 10inch hub flange에 대하여 수치해석을 수행하였다. 또한, 본 연구를 수행하면서 hug face의 leakage와 관련된 평행도 변형 뿐만 아니라 생산성과 용접 효율의 측면에서 실제 현장에서 본 연구결과를 활용한 변형 저감 관련 지침 등을 수립하는데 활용할 수 있도록 하였다.
2.5 Acceptance criteria
Hub flange와 배관의 용접으로 평행도 변형이 발생한 경우, ASME B16.5-20178) 규정에 따라 수정 여부가 결정된다. ASME B16.5는 가장 대표적인 flange 국제 규격으로 Class 2500 압력에서는 최대 12inch 까지만 규격을 제공한다. 따라서 12inch를 초과하는 경우 설계 및 생산 관점에서 적용성 검토가 수행되어야 한다. ASME B16.5의 “7.3 Facings”에서 제안하는 평행도 기준에 따르면, 해석 대상인 hub flange는 6, 10inch 이므로 face의 평행도가 0.5도 이하를 만족할 경우, leakage가 발생하지 않는다고 가정하고 leakage test 및 공사를 진행한다. Hub connector에는 2개의 hub face가 clamp로 체결되는 것이므로 한 면의 hub face는 0.5도의 반인 0.25도를 만족해야한다.
3. 용접 변형 제어 기법
3.1 변수에 따른 용접 변형량
3.1.1 용접 방향
아래와 같이 용접 방향에 의한 hub face의 평행도 변형을 확인하기 위해서 6inch hub flange에 대하여 Fig. 8에 따라 weld-path를 2개, 4개, 4개 그리고 순서를 변경하여 해석을 수행하였다. (a)는 좌우 한번씩 번갈아 용접한 것이고 (b)는 path를 4개로 나누어 대각선으로 용접하였다. (c)는 4개 path로 나누어 아래부터 좌우로 용접하고 윗부분도 좌우로 용접하는 순서로 해석하였다. 용접 방향 외에 가접의 길이, 위치, 입열량, 구조적 경계조건 등을 포함한 다른 모든 매개변수는 아래 3가지 조건 모두 동일하다.
Fig. 9에서 확인할 수 있듯이 일반적인 배관의 표준과 마찬가지로 hub connector의 용접도 4등분의 대칭 용접법을 사용하는 것이 변형 측면에서 유리하다. 좌우 2-path로 나누어 용접하는 경우 허용 기준은 만족하지만 약 30%의 각변형이 더 발생하는 것을 확인할 수 있다. 다만, 2-path 용접의 경우, 생산성 측면에서 약 1.5배 유리하다. 따라서 실제 현장에서 본 연구 결과를 적용할 경우, path가 적어 입열량이 적은 소구경 배관에 대해서는 2가지 방안을 모두 고려하여 저감 관련 지침을 합리적으로 수립할 것을 권장한다.
3.1.2 가접(Tack welds) 유무
가접이 hub face의 평행도 변형에 미치는 영향을 검토하기 위하여 10inch hub flange에 대해 가접 40mm를 원주의 120도 간격으로 3곳 적용한 뒤 그대로 유지하여 초층을 구성하도록 용접한 것과 가접부의 강성을 최소로 낮춰 초층을 용접하는 해석 기법 두 가지 결과를 비교하였다. 실제로 현업에서 가접이 없는 경우, 초기에는 가접을 생성한 상태에서 가접을 하나씩 제거하면서 초층 용접을 진행한다. 가접은 그 길이가 본 용접에 비해 훨씬 짧기 때문에 열영향부가 경화되기 쉽고 가접의 시종단부는 결함 발생 가능성이 높으므로 가접을 제거하여 용접하는 것도 일반적인 공법이다.
가접이 있는 경우 해석 기법은 상용 프로그램인 MSC Marc (2014)의 deactivation 옵션9)을 초층용접에 적용하는 것이다. 이것은 요소망 생성 방법(element birth method)이라고도10) 하는데 실제 용접 과정과 유사한 장점이 있다. 가접부는 형상과 강성을 그대로 유지하고 있고 deactivation 된 초층을 해석 중에 생성하여 3회에 걸쳐 차례로 올리는 기법이다.
가접이 없는 경우는 가접부에 MSC Marc의 quiet weld filler 옵션9)을 적용하여 가접부의 형상은 유지하되 강성을 최소로 가정하여 용접하는 해석 기법을 적용하였다. 이 기법은 “평온 요소망 방법(quiet element method)”인데10) 용접 비드 형상을 추가적으로 제거 및 생성하지 않고, 임의의 온도(본 연구에서는 1500°C 부여)에서 감소된 재료 물성을 가지도록 설정한 뒤, 정상 온도 분포와 물성치를 순차적으로 부여하여 활성화 시키는 방법이다. 가접의 유무 외에 나머지 조건은 모두 동일하게 유지하였다.
Fig. 11에서 볼 수 있듯이 가접을 유지하여 용접하는 경우, 평행도 변형이 25% 적은 것을 확인할 수 있었다. 배관의 본 용접 전에 fit-up을 위해 가접을 하며, 가접에 의해 강성이 확보되면 용접에 의한 수축 변형을 억제하는 역할을 한다. 따라서 평행도 변형을 감소시키기 위해서는 가접을 적용하는 것이 효율적이다.
3.1.3 Root gap
Root gap이 hub face의 평행도에 미치는 영향을 검토하기 위하여 6inch hub flange에 대해 가접의 크기 및 위치, 입열량, 구조적 경계조건 등을 포함한 다른 모든 매개변수는 아래 3가지 조건에서 모두 동일하게 유지되고 Fig. 12와 같이 root gap의 거리만을 2, 3, 4mm로 변경하여 해석하였다.
4mm 이하의 root gap은 축방향 변형 및 hub flange face의 기울기에 큰 영향을 미치지 않으며, 허용 criteria인 0.5도를 모두 만족하는 것을 볼 수 있다. Root gap이 2mm에서 4mm로 증가함에 따라 hub face의 기울기 변형이 증가한다. 이것은 아래 식 (4)으로 설명할 수 있다.
여기서 K는 강성, E는 Young’s modulus, A는 단면적, L은 길이 이다. 위의 정의와 같이 가접의 강성(K)은 가접의 축 방향 길이(L)와 반비례 한다. 가접의 축 방향 길이는 root gap에 따라 증가하므로 가접의 강성이 감소한다. 그리고 낮은 강성의 가접은 동일한 하중에서 더 높은 변형을 야기시킨다. 따라서 root gap이 증가할수록 hub face의 평행도 변형은 증가한다.
3.1.4 용접 공법
Fig. 14은 10inch hub connector의 용접 공법에 따른 비드 형상을 나타낸다. 이 형상은 실제 용접 단면을 참고하여 동일하게 모델링한 것이다. (a)는 10inch hub flange와 배관의 용접에서 순수하게 GTAW만을 적용한 것이고, (b)는 초층을 생성하는 3-pass는 GTAW를 적용하고 나머지 11-pass는 FCAW를 적용한 것이다.
일반적으로 GTAW는 FCAW 보다 동일 출력에너지에서 아크효율이 낮기 때문에 입열량이 동일하더라도 유효 입열량이 낮아 변형이 적게 발생하는 것으로 알려져 있다11). 유효 입열량이 적으면 용착속도가 높아 적당한 용착 단면적이 형성되고 변형을 줄일 수 있다. 하지만 hub flange 용접의 경우, GTAW의 용접 pass 수가 FCAW 공법 대비 23-pass로 압도적으로 많아 누적 입열량이 훨씬 많은 것으로 판단된다. Fig. 15에서 초층 생성을 위한 3-pass 까지의 GTAW 용접에 의한 평행도 변형은 거의 동일하나, 최종 용접 후, 변형량은 3.8배가 더 발생한 것을 확인할 수 있다. 특히, FCAW 공법으로 변경되는 4번째 pass에서 변형량이 점점 감소하는데, 이것은 FCAW의 유효입열량보다 GTAW의 용접 속도와 누적 입열량의 영향이 더 크기 때문이다. 따라서 각 pass의 유효입열량 보다 누적 입열량이 hub face의 변형에 더 지배적이므로 GTAW+FCAW가 변형을 줄일 수 있는 용접 공정으로 판단된다. 또한, 생산성 측면에서도 GTAW+FCAW 공법이 용접 속도를 고려하면, 약 3배 이상 빠른 것을 확인 할 수 있었다.
4. 결 론
해양 공사에서 널리 사용되는 hub flange와 배관의 연결 용접 시, 용접 수축에 의한 평행도 변형을 저감하는 공정 변수들의 효과를 수치해석을 통해 검증하였다.
1) 일반 배관의 용접과 마찬가지로 hub connector도 4등분 대칭 용접법(4-path diagonally)을 사용하는 것이 변형 측면에서 유리하다. 다만, 생산성의 효율을 고려한다면 입열이 적은 소구경 배관에서는 2등분 좌우 용접도 가능할 것으로 판단된다.
2) 가접에 의해 강성이 확보되면 용접 수축에 의한 변형이 억제되므로 평행도 변형의 감소를 위해 가접을 적용하는 것이 더 효율적이다.
3) Root gap 관련하여 용접부의 충분한 용입을 충족하기 위해 root gap은 최소화 되어야한다. Root gap이 크면 횡방향 수축이 증가하고 hub face의 직진도 변형이 커진다.
4) GTAW만 적용할 경우 누적 입열량이 증가하여 GTAW와 FCAW를 함께 적용한 경우 보다 약 3.8배 변형이 크게 발생하였다. 따라서 초층은 GTAW를 적용하고 나머지는 FCAW를 적용하여 생산성을 높이는 것이 훨씬 더 유리하다.
본 연구에서 해석된 공정 변수의 종류는 현재 조선소에서 주로 사용되는 것으로 본 연구 결과를 활용한 변형 저감 관련 지침 등을 수립하는데 활용 가능할 것으로 판단된다.
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