특수금속, 지르코늄(Zirconium)의 용도와 Field Welding의 공정별 현장 사진과 핵심 정리 (2편)

1. 서론

지난 지르코늄(Zirconium)용접 1편에서는 지르코늄의 물성, 종류, 용접특성을 살펴보았고, 중동 현장에서 요용접 Supervisior로 일하면서 찍었던 사진을 중심으로 Shop Welding에 대해 알아 보았다. 이번편에서는 지르코늄의 용도와 Field Welding의 공정 절차 및 관련된 현장사진과 그 내용을 정리하도록 한다. 지르코늄은 원자력 발전에서 피복재로 가장 많이 사용하고, 화학공장이나 치과 임플란트용으로도 많이 사용된다. 그리고, 현장 용접 관점에서 살펴보면 안정적인 환경에서 진행하는 Shop Welding과 달리 Field Welding에서는 바람도 불고, 외기와 접할 수 있는 분위기가 훨씬 더 많을 뿐만 아니라 용접사의 자세도 잘 안나와서 상당히 난이도가 높은 작업이다.

현장 Supervisor 로 지르코늄의 Field Welding을 관리할때가 상당히 업무적으로 어려운 시기였던 것으로 기억된다. 현장에서 일할때는 어려움을 느꼈지만, 지금은 오히려 좋은 경험이었다는 생각으로 그 진행 과정을 기록해 보고자 한다.

2. Zirconium의 용도

1) 원자력 산업의 핵심 소재 (핵연료 피복재)

지르코늄(Zirconium) 수요의 약 80~90%가 이 원자력 산업 분야에서 발생한다. 특히, 원자로의 연료 피복재로서 많이 사용된다. 부식에 매우 강하면서 중성자를 흡수하지 않는 특성으로 원전의 핵심소재로 사용된다.

• 이유: 중성자를 거의 흡수하지 않고 그대로 통과시키면서도, 고온·고압의 냉각수 환경에서 부식되지 않고 잘 견디기 때문이다. 주로 지르칼로이(Zircaloy)라는 합금으로 이 분야에서 사용된다.
• 용도: 우라늄 핵연료를 감싸는 피복관(Cladding Tube) 및 원자로의 내부 구조물.

2) 부식성이 강한 환경의 화학 공정 장비

강한 산(Acid)성이나 강한 알칼리환경에서 최후의 보루로 사용되는 금속이다. 과거 근무했던 플랜트가 Acetic Acid를 생산하는 공장이라, 강산 환경의 공장이었고, 지르코늄(Zirconium) 뿐만 아니라 Hastelloy도 같이 사용되었다. 마그네슘이나 알루미늄 합금에 소량 첨가하면 내열성과 강도를 높여주는 역할을 하기도 한다.

• 이유: 염산, 황산, 질산 등에 대한 내부식성이 금속 중 최상위권이다.
• 용도: 화학 공장의 열교환기, 반응기, 밸브, 각종 배관 자재, 펌프 등 핵심 부품.

3) 세라믹 및 내화물 (지르코니아, ZrO₂)

금속 형태뿐만 아니라 산화물인 ‘지르코니아’ 형태로도 엄청나게 쓰이며 내마모성이 강하고 인체에 무해하고 거부 반응도 적어서 임플란트용이나 인공관절 소재로 많이 사용된다. 큐빅 지르코니아의 경우 다이아 모드와 모양도 비슷해서 보석의 대용품으로도 널리 사용된다.

• 이유: 녹는점이 2715°C 정도로 매우 높고 내마모성이 강하다.
• 용도: 치과용 임플란트(보철물), 인조 다이아몬드(큐빅), 고온 가열로의 내화 벽돌, 자동차 배기가스 제어용 산소 센서, SOFC (고체 산화물 연료전지)의 전해질 층의 주원료..

4) 군사 및 특수 산업

군수산업이나 특수산업에서도 지르코늄은 중요한 용도로 사용되어 지고 있다.

• 발화성(Pyrophoric): 지르코늄 분말은 공기 중에서 쉽게 불이 붙는 성질이 있어 박격포탄, 소강탄, 섬광 전구 등의 원료로도 쓰인다.
• 게터(Getter): 진공관 내부의 잔류 가스를 흡착하여 진공도를 유지하는 역할로도 쓰인다.

3. Zirconium의 Field Welding 공정별 사진과 내용 정리

이 글에서 소개하고 있는 Zirconium용접 뿐만아니라 다른 모든 Field 용접은 Shop 용접보다 훨씬 어려운 환경에서 용접을 진행해야 한다. Clean Room이 아닌 바깥 환경에서 바람의 부는 환경을 막기 위해서 Wind Protection을 준비해야 한다. 현장 Fit-up과 용접 모두 어려운 위치와 자세에서 진행해야 해서 Shop Welding에 비해 훨씬 어려운 조건에서 전반적인 용접 작업을 진행하게 된다.

1) Field Welding 준비 작업

Field Welding에 들어가기에 앞서 바람에 의해 Argon 가스의 Shielding 작업이 방해 받지 않도록 바람보호천막(Wind Protection)을 준비해야 하고, 용접기 활용을 위한 전기의 공급 및 Beveling 작업과 Field Fit-up작업을 위한 Scaffolding 및 각종 장비를 준비해야 한다.

아래 사진은 현장에서 바람으로부터 최대한 용접에 지장이 없도록 Wind Protection을 설치한 장면이다.

[Wind Protectin for Field Welding]

Field Welding을 진행하기 위해서 Spool을 공중에 걸어야 하는데 Scaffolding 설치 작업도 필요하다. 아래 사진은 Scafolding을 설치하는 장면이다.

[Scaffolding work at site]

2) 용접을 위한 Beveling 과 Field Fit-Up 작업

Field Welding을 하기 위해서 Wind Protection을 준비하고 난 후 처음 할 일은 Field Beveling Work이다. 현장에 기계장치가 설치된 이후 Spool 맞춤 작업을 진행해야 하는데, 보통 ISO 도면과 Dimension이 정확하게 맞지는 않아서, 일단 현장 Dimension을 Check한 이후 그 Dimension에 맞게 배관의 Cutting을 실시하고 Beveling 작업을 진행하게 된다. 아래 사진은 Field Beveling 장면이다.

[Field Beveling Work usion grinder]

아래 사진은 Field 에서 용접을 하기 전에 Fit-up 작업을 하는 것이다. 기계가 설치된 이후의 작업이다보니, Shop welding에서의 Fit-up 작업보다는 훨씬 어려운 조건에서 작업이 진행되게 된다.

[Field Fit-up work]

Field Fit-up 작업에서는 이미 제작된 배관 Spool을 현장에서 맞추다 보니, 일반적인 도구로는 잘 안되고 아래 사진과 같은 Fit-up 도구를 이용해서 작업하는 경우가 많다.

[Field Fit-up work using fit-up device]

3) Field Wording 작업

아래 사진은 Fit-up 이후 Field Welding 을 진행하는 장면이다. 여기서도 외기에 접촉되지 않도록 Argon Gas의 Shielding 이 매우 중요하다. Horizontal 배관을 용접하는 장면으로 고소에서 작업중이다.

아래 사진도 바닥에서 Horizontal 상태로 아래보기 자세의 GTAW 용접을 하고 있다.

[Welding at ground]

아래 사진은 Vertical Pipe의 Field Welding 을 GTAW 용접으로 진행하는 과정이다. Wind Protection 안에서 작업을 진행하고 있으며, Welding Zig를 이용해서 Gas Shielding을 철저히 하는 것이 매우 중요하다.

[Welding of Vertical Piping]

4) 현장 용접 마무리

배관의 용접을 마무리하고 나면 배관에 지지하기 위한 Support 용접을 하게 된다. 아래 사진은 엘보에 붙이는 서포트인 Elbow Stanchion을 Spot welding을 이용해서 Fit-up 한 장면이다.

[배관 지지대_ Elbow stanchion]

아래 사진은 Field Welding을 모두 마무리 하고 현장 설치된 장면이다. Field Welding을 완료한 이후에 Field joint의 NDT와 함게 Hydrotest까지 완료가 되어야 배관 설치가 완성되는 것이다.

4. 2편을 마무리 하며

1편에서는 Zirconium의 특성과 용접성 및 Shop Welding까지의 용접 과정을 현장 사진을 통해서 알아 보았고, 이번편에서는 Zirconium의 용도와 Field Welding에 대해 정리하였다. 두편의 글을 통해서 알아본 바와 같이 Zirconium 재질과 같은 특수금속 용접에서는 Clean room수준의 깨끗한 환경에서 실내에서 하든가, 외부에서 작업을 한다면 최대한 바람이 없는 환경에서 용접작업을 하는 것이 중요하며, 외기를 최대한 차단할 수 있는 차폐가스(아르곤가스)의 순도가 매우 중요하게 된다. 용접 방법으로서는 보통 GTAW(TIG)용접으로 이루어지는데, 경험많은 용접사도 구하기가 쉽지 않아서, 이러한 용접사를 구하는 것이 또한 용접 성공의 주요한 요소가 된다. 특수 금속의 용접에서는 WPS를 미리 준비하고, 현장에서 발생할 수 있는 다양한 문제들을 미리 준비해야 하며, 발생했을 경우 적극적으로 대처하고 해결하는 것이 중요하다고 할 수 있다.

• 참조자료: 위키백과_지르코늄

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