개발되지 않은 전 세계 원유 및 가스의 13%와 30% 정도가 북극에 매장되어 있는 것으로 보고되고 있다(Oxford Institutes for Energy Studies, 2014; Wilson Center, 2015). 지구 온난화는 북극의 해빙을 가속화 시키고, 따라서 북극 자원 탐사/개발 및 북극 항로 이용이 향후 가속화 될 것으로 예측된다. 급격한 북극 해빙은 특히 세계 에너지 산업의 변화도 동반할 것으로 예측된다. 석유 자원 탐사, 개발, 생산에 관련한 상류 섹터 (Upstream sector)의 많은 석유 관련 다국적 기업(Global oil company)과 국영 기업(National oil company)들은 이미 이러한 기후 변화에 따른 북극 자원의 선점을 준비하고 있다.

반면 해상 운송 섹터(Marine transportation sector)에서도 북극 항로 즉 북극해 항로(NSR, Northern Sea Route)과 북서 항로(Northwest Passage)를 통한 수송 원가 절감 및 연중 교역 기간 증가를 기대하고 있다.

사실 북극 항로를 이용하는 것은 교토 의정서(Kyoto protocol)의 온실 가스 감축(Greenhouse gas reduction)을 위한 매우 확실한 방법으로 간주되기도 한다. 특히 공동 이행 제도(Joint implementation, JI)나 배출권 거래 제도(Emission trading, ET)와 같은 교토 의정서의 다양한 이행 체계(Kyoto mechanism)는 선진국이 북극해 해로에 관심을 가지는 동기가 되어왔다.

따라서 조선소는 향후 북극 항로를 연중 운항할 수 있는 쇄빙가능 선박의 발주가 활성화될 것으로 예측하고 있다. NSR은 운항 거리를 35-60%정도 단축할 수 있는 것으로 알려져 있기 때문에, 조선소는 특히 쇄빙 상선(Icebreaking commercial vessel)의 수요가 증가할 것으로 예측하고 있다.

이러한 항로를 운항하는 선박은 필연적으로 소규모 유빙(Growler)나 중규모 유빙(Bergy-bit) 등과의 잦은 충돌이 발생할 것이다. 선박과 유빙의 충돌(Ship-to-ice collision)은 선박의 흘수선 부근 선수부에서 발생하지만, 선측부의 충돌도 자주 발생하는 것으로 알려져 있다(Min, 2011). 북극 항로 중의 대기 온도를 감안한다면, 흘수선 이상에서 외기에 노출된 선측 외판에도 얼음과의 충돌로 인한 충격력이 가해지는 상황을 예측할 수 있다. 따라서 쇄빙선과 같은 극한지 선박에 사용되는 강재는 고강도이어야 하고, 저온 내충격성(Crashworthiness)이 높아야 하고, 인성(Toughness)도 상온 대비 변동성이 적어야 한다.

일본의 한 철강 회사는 항복 강도(Yield stresngth) 500MPa급 극지용 고장력강의 개발 사례를 발표한바 있다(Terada et al., 2003; Nagai et al., 2004). 그들은 극지용 고장력강을 개발하면서, 균열 선단 개구 변위(CTOD, Crack tip opening displacement)를 향상시키는데 주력하였다.

인성은 CVN(Charpy V-notch) 실험과 CTOD 실험을 통하여 평가된다. 통상 CVN 실험을 통하여 얻어지는 인성은 동하중에 대한 인성으로서 충격 인성(Impact toughness)으로 불리며, 저온 강재의 저온 충격 인성은 산업 규격이 요구하는 요구 충격인성에 비하여 큰 여유를 가진다. CVN 충격 인성 기준으로 분류한 E 등급 및 F 등급 강재는 대표적인 극한지용 강재이며 저온에서 높은 충격 인성을 가진다(DNV, 2009). 반면 CTOD 실험을 통하여 얻어지는 인성은 동하중에 대한 인성으로서 파괴 인성(Fracture toughness)으로 불리며, CTOD 값은 균열 진전 평가를 위한 피로 물성치로 사용되기도 한다.

충격 인성과 파괴 인성과 더불어 저온에서 유동 응력 곡선(Flow stress curve)도 소재 차원에서 내충격 능력을 결정하는 소재 물성치 중의 하나이다. 여기서 유동 응력 곡선이라 함은 진 항복 강도, 진 인장 강도(True tensile strength), 소성 변형률 경화 지수(Plastic strain hardening exponent), 강도 계수(Strength coefficient) 등을 종합적으로 지칭한다. 또한 유동 응력 곡선은 준정적(Quasi static) 뿐만 아니라 빠른 인장 속도에서의 변형률 속도 효과(Strain rate effect)를 포함한 항복 응력 곡선을 의미한다.

최근 국내의 한 철강 회사는 항복 강도 기준 315MPa 및 CVN 인성 기준 F 등급의 극지용 고장력강을 개발한 바 있다. 본 논문에서는 이 강재를 대상으로 수행된 소재 차원의 연구(파괴 인성 및 유동 응력 특성)와 구조 차원의 연구(낙하 충격 실험)에 대한 실험적 연구를 소개하고자 한다. 실험 내용의 방대함으로 인하여 제1부에서는 소재 차원의 실험 연구를 주로 소개하며, 2부에서는 구조 차원의 실험 및 수치 해석적 연구가 설명될 것이다.

항복 강도 기준 315MPa 및 충격 인성 기준 E 등급 강재(이하 EH32로 통칭)와 항복 강도 기준 315MPa 및 충격 인성 기준 F등급 강재(이하 FH32로 통칭)의 두가지가 CVN 실험을 위하여 사용되었다. 원판의 두께는 모두 12mm였으며, 시편의 길이 방향이 원판의 가공 방향으로 배치되었다(파괴 방향은 원판 가공 직교 방향). Fig. 1에 보인 바와 같이 산업 규격(ASTM, 2012)에 의거하여 CVN 시편을 설계 및 제작하였다. 강재별로 제작 시편의 개수는 15개였다.

CVN 시편을 냉장고에 보관 후 진자형 CVN 실험기에 장착하고 충격을 가함으로서 CVN 실험이 이루어 졌다. 상온(약 25℃), -20℃, -40℃, -60℃, -80℃의 5개 실험 온도 수준에서 실험이 수행되었다. 25℃, -20℃, -40℃의 경우 2개의 성공적인 반복 실험이 수행되었다. -60℃, -80℃의 경우 4개의 성공적인 반복 실험을 목표로 하였으나, EH32의 -60℃ 실험의 경우 시편 부족으로 3개의 성공적인 반복 실험이 실시되었다.

실험 결과를 Fig. 2에 요약하여 나타내었다. FH32의 경우 모든 온도 수준에서 평균치와 최소치가 산업 규격(DNV-OS-B101) (DNV, 2009)의 –60℃ 최소 요구값인 31J(ASTM, 2014)의 경우 최소 요구값은 34J)을 훨씬 상회하는 결과를 얻을 수 있었다. EH32의 경우에도 –60℃까지는 충격 에너지가 급격하게 저하하는 현상을 관찰할 수 없었다. 그러나 –80℃에서는 충격 에너지의 평균이 25J로서 EH32의 경우 –60 ~ –80℃ 사이에서 급격하게 취성 재료로 천이하였다는 증거이다. 따라서 EH32의 경우 –60℃를 초과하는 온도에서 운용될 수 없다.

준정적 인장실험을 실시하기 위하여 ASTM(2015)에 근거하여, Figure 3 (a)와 같은 형상의 시편을 설계하였다. 설계된 시편을 가공하기 위하여 CVN 시편을 제작한 두께 12mm 원판에서 가공 직교 방향으로 두께 3mm 시편을 절단 가공하였다. 가공으로 인한 발열과 박판의 열변형을 방지하기 위하여 수냉식와이어 커팅(Wire cutting)을 실시하였다. Fig. 3 (b) 및 (c)에 EH32 및 FH32 시편의 사진을 나타내었다. 각 시편별 목표 두께는 모두 3.0mm였으며, 실측된 시편의 두께도 3.0mm를 거의 벗어나지 않았다.

실험을 실시하기 위한 온도는 CVN 실험과 동일한 상온(약 20℃), -20℃, -40℃, -60℃, -80℃였다. 단 준정적 인장 실험 시기가 CVN 실험 시기와 달라서 준정적 인장 실험 당시 상온은 약 20℃정도였다. 각 온도 수준 별로 2개씩의 시편이 가공되었고, 실험의 오류나 실패를 감안하여 5개의 시편을 추가 가공하였다(강재당 15개 가공).

MTS사의 25톤 만능 인장 실험기(Universal tensile test machine)의 유압식 지그(Jig)에 시편을 장착하고 시편과 지그를 감싸는 환경 챔버를 설치하였다. 액화 질소를 이용하여 환경 챔버 내부 온도를 강하시킨 후 준정적 저온 인장 실험을 실시하였다. FH32 강재를 대상으로 상온 및 저온(-80℃) 실험을 실시하는 사진을 예시적으로 Fig. 4 (a) 및 (b)에 각각 나타내었다.

유압식 지그에 의하여 고정된 시편의 표면에 50mm 신률계를 장착하여 시편 평행부 변위를 측정하였다. 대부분의 실험은 2회의 성공적인 데이터를 얻을 때까지 반복 수행이 되었으나 FH32 강재에 대한 –60℃ 실험의 경우 파단까지 실험이 진행되지 못하고 인장 강도에 상응하는 변형률을 초과한 후 신률계의 미끌림이 발생하였다. 이후 시편 부족으로 더 이상의 반복 실험이 진행되지 못하였다. 그러나 네킹 이후 미끌림이 발생하였기 때문에 식 (3)에 나타낸 n(소성 변형률 경화 지수, Plastic hardening strain exponent) 및 K(강도 계수, Strength coefficient)를 이용하여 네킹 이후의 준정적 유동 응력도 정상적으로 확보할 수 있었다.

본 연구는 쇄빙선과 같은 극한지 선박에 사용되는 강재의 내 충격 특성을 소재 및 구조 차원에서 종합적인 검증을 수행하기 위하여 실시되었다. 본 연구의 1부에서는 소재 차원의 연구를 다루고, 2부에서는 구조 차원의 연구 내용이 소개된다.

국내 철강사에서 제조한 EH32 및 FH32의 두가지 쇄빙선용 고장력강을 대상으로 5가지 온도 수준(20℃, -20℃, -40℃, -60℃, -80℃)에 따른 충격에너지 흡수 능력의 변화를 관찰하기 위하여 샤르피 충격 실험이 실시되었다. CVN 실험 결과 EH32 강재는 -60℃미만의 온도에서 취성화되는 것으로 판명되었으나, FH32 강재는 -80℃까지 충격 흡수에너지의 차이가 크지 않을 것으로 나타났다.

동일한 두가지 강재에 대하여 준정적 인장 실험이 5가지 온도 수준에 대하여 실시되었으며, 온도의 강하에 따라 소재의 유동 응력이 증가하는 것을 관찰할 수 있었다. 또한 온도의 강하에 따른 기계적 물성치의 변화를 관찰한 결과, FH32의 경우 온도의 강하에 따라 항복 강도, 인장강도, 소성 변형률 경화 지수, 강도 계수 등의 기계적 물성치가 선형적으로 향상됨을 확인하였다.

고속 인장 실험은 실험의 불확실성에 높아진 관계로 FH32 강재에 대하여 2가지 온도 수준(20℃, -60℃)에 대하여 2가지 변형률 속도(1s^-1, 100s^-1)의 변형 속도로 실험이 수행되었다. 소성 변형률 속도의 증가에 따른 유동 응력의 증가세가 뚜렷하게 나타났다. Choung et al.(2011)와 Choung et al.(2013)에 의하여 제시된 실험식을 Cowper-Symonds 구성 방정식에 적용하여 변형률 속도에 따른 유동 응력의 증가를 관찰한 결과 실험 결과에 상당히 일치하는 결과를 얻을 수 있었다.

향후 연구로서 강재의 내충격 물성치 확보를 위해서 좀 더 다양한 고속 인장 실험이 실시되어야 할 것이다. 다양한 변형률 속도 수준과 다양한 온도 수준에 대한 실험적 검증이 요구된다. 극한지용 선박에 사용되는 소재는 내충격 물성치 뿐만 아니라 균열 진전(Crack propagation)에 관한 재료 물성치도 매우 중요한 의미를 가진다. 특히 컨테이너선의 쇄빙 능력 확보를 위해서는 극후판의 CTOD(Crack tip opening displacement)와 균일 전파(Crack growth rate)와 같은 소재 물성치의 확보에 대한 연구가 필수적이다.