이 글의 목적은 배관 밀시트에 표기되는 항복점, 연신율, 인장강도의 의미와 시험 방법, 단위 변환, 설계 적합성 검토 절차를 체계적으로 정리하여 현장에서 바로 활용할 수 있도록 돕는 것이다.
1. 배관 밀시트에 적힌 기계적 성질의 기본 개념
항복점(항복강도, Yield Strength, ReH 또는 Rp0.2)은 금속이 탄성영역을 벗어나 영구 변형이 시작되는 응력을 말하며 설계 시 허용응력을 정하는 핵심 지표이다.
일부 강재는 뚜렷한 항복점이 나타나지 않아 0.2% 오프셋 항복강도(Rp0.2)로 정의하며, 이는 영구 변형률 0.2%가 발생할 때의 응력을 의미한다.
인장강도(최대 인장강도, Ultimate Tensile Strength, Rm)는 시편이 파단되기 전에 견딘 최대 응력으로 재료의 최대 저항 능력을 나타낸다.
연신율(Elongation, A)은 인장 시험 후 시편이 늘어난 비율로, 단면축소와 함께 재료의 연성을 정량화하는 지표이다.
밀시트에는 보통 항복강도, 인장강도, 연신율이 최소 보증값 또는 실측값으로 기재되며, 시험 방향(종방향·횡방향), 시편 규격, 시험 온도, 열번호(Heat No.) 등과 함께 제공된다.
2. 왜 항복점·인장강도·연신율이 중요한가
배관 설계에서는 내압, 온도, 하중 조건에서의 안전을 확보하기 위해 허용응력과 두께 산출을 수행하며, 이때 항복강도와 인장강도가 직접적으로 사용된다.
제작 및 시공에서는 굽힘, 확관, 용접 등 가공성 판단에 연신율이 중요하며, 연신율이 낮을수록 균열 위험이 커지므로 공정 조건을 보수적으로 설정해야 한다.
검수 단계에서는 밀시트 값이 해당 규격의 최소 요구치를 충족하는지 확인하여 불량 자재의 반입을 차단한다.
3. 시험 개요와 표기 읽는 법
인장 시험은 표준 규격에 따라 규정된 시편을 일정 속도로 인장하여 응력–변형률 곡선을 얻는 절차이다.
밀시트에서는 보통 다음 항목이 함께 제시된다.
- 시험 규격 예시: KS, JIS, ASTM, EN 중 해당 제품 규격의 인장 시험 요건이다.
- 시편 방향: Pipe의 경우 L(종방향), T(횡방향)로 표기하며 값이 다를 수 있다.
- 항복강도 표기: ReH 또는 Rp0.2로 표기하며 단위는 MPa가 일반적이다.
- 인장강도 표기: Rm 또는 UTS로 표기한다.
- 연신율 표기: A 또는 A5로 표기하며 게이지 길이 기준이 함께 명시될 수 있다.
- 시험 온도: 보통 실온이며, 고온 기계적 성질은 별도 시험이 필요하다.
4. 단위와 변환
항복강도와 인장강도의 단위는 보통 MPa를 사용하며, 1 MPa는 1 N/mm2와 동일하다.
ksi 단위를 사용하는 경우가 있어 변환이 필요하다.
| 항목 | 기호 | 주 단위 | 보조 단위 | 단위 변환 |
|---|---|---|---|---|
| 항복강도 | ReH, Rp0.2 | MPa | ksi | 1 ksi ≈ 6.895 MPa |
| 인장강도 | Rm, UTS | MPa | ksi | MPa = ksi × 6.895 |
| 연신율 | A, A5 | % | - | - |
5. 응력–변형률 곡선과 핵심 포인트
재료에 하중을 가하면 탄성영역에서 응력과 변형률이 비례하며 하중 제거 시 원상복귀한다.
항복점을 지나면 소성변형이 발생하고 하중 제거 후에도 변형이 남는다.
인장강도는 곡선의 최고점이며 이후 목(necking) 현상이 진행되다가 파단이 발생한다.
연신율은 파단 후 최종 게이지 길이와 초기 게이지 길이의 차이를 초기 길이로 나눠 백분율로 환산한다.
6. 항복강도와 인장강도의 관계
대부분의 강재에서 인장강도는 항복강도보다 높으며, 두 값의 비율(Rm/Re)은 재료의 균형 잡힌 강도와 연성의 지표로 활용한다.
비율이 지나치게 낮으면 연성 부족으로 취성 파단 위험이 증가하고, 지나치게 높으면 항복 여유가 부족하여 설계 허용응력이 제약된다.
7. 연신율과 성형성·취성 지표
연신율이 클수록 재료는 소성가공에 유리하며 균열 발생 가능성이 낮다.
저온 환경, 고탄소 함량, 미세조직 변화 등은 연신율을 감소시킬 수 있으므로 공정 조건과 사용 온도를 고려하여 자재를 선정해야 한다.
8. 밀시트에서 자주 보는 재질 예시값
아래 값은 현장에서 자주 접하는 재질의 대표적 최소 요구치 또는 전형적 범위 예시이며, 실제 판정은 반드시 해당 자재의 밀시트를 기준으로 해야 한다.
| 재질·규격 예시 | 항복강도 최소 | 인장강도 최소 | 연신율 최소 | 비고 |
|---|---|---|---|---|
| 탄소강 배관용 A106 Gr.B | ≥ 240 MPa | ≥ 415 MPa | ≥ 20% 수준 | 두께·시편에 따라 연신율 기준 변동 가능 |
| 스테인리스 배관용 304(예: TP304) | ≥ 205 MPa | ≥ 515 MPa | ≥ 35% 수준 | 판재 규격에서는 연신율 40% 기준 사례도 존재 |
| 스테인리스 배관용 316(예: TP316) | ≥ 205 MPa | ≥ 515 MPa | ≥ 35% 수준 | Mo 첨가로 내식성 향상 |
| 저온용 탄소강(예: LTCS) | ≥ 240 MPa 수준 | ≥ 415 MPa 수준 | 샤르피 인성 별도 확인 | 저온 인성 요구사항 확인 필요 |
표의 수치는 대표 예시이며 제조사와 제품 규격, 두께, 시편 방향에 따라 상이할 수 있다.
9. 실제 밀시트 판독 절차
- 제품 규격과 등급 확인을 통해 요구 최소치가 무엇인지 파악한다.
- 항복강도 값의 표기 방식(ReH 또는 Rp0.2)과 단위를 확인한다.
- 인장강도 값이 최소 요구치 이상인지 확인한다.
- 연신율의 기준 게이지 길이(A, A5 등)와 최소 요구치 충족 여부를 확인한다.
- 시험 방향(L/T)과 두께 범주에 따른 기준 변화를 확인한다.
- 열번호, 로트, 치수, 열처리 상태, 비파괴검사 결과 등을 대조한다.
10. 허용응력과의 관계 정리
설계 코드에서는 보통 항복강도와 인장강도의 일정 비율을 취해 허용응력을 정한다.
예를 들어 허용응력 S를 항복강도의 일정 분수와 인장강도의 일정 분수 중 작은 값으로 선정하는 방식이 일반적이다.
이때 사용 온도가 높아지면 강도 저하가 발생하므로 고온 허용응력 표를 사용해야 한다.
11. 간단한 적합성 체크 예제
조건을 다음과 같이 가정한다.
- 배관 재질: A106 Gr.B
- 밀시트 값: 항복 285 MPa, 인장 470 MPa, 연신율 25%
- 설계 검토 기준: 항복 기반 허용응력 0.66·Re, 인장 기반 허용응력 0.25·Rm 중 작은 값 적용
항복 기반: 0.66 × 285 = 188.1 MPa이다.
인장 기반: 0.25 × 470 = 117.5 MPa이다.
허용응력은 두 값 중 작은 117.5 MPa로 결정되며, 실제 설계 응력이 이 값 이하여야 적합하다고 판단한다.
연신율 25%는 가공성 측면에서 일반 배관 제작에 무리가 없는 수준으로 해석한다.
12. 인장 시험 시편과 표기 차이
판재는 평행부 길이와 폭이 있는 판상 시편을 사용하고, 관재는 환형 또는 평편 시편을 사용한다.
연신율 표기에서 A5는 게이지 길이 5배 직경 기준, A는 표준 게이지 길이 기준을 나타낼 수 있으며 규격에 따라 정의가 다르므로 밀시트 각주를 반드시 확인해야 한다.
13. 항복점 결정 방식의 차이
상항복점과 하항복점이 명확한 저탄소강에서는 상·하항복 중 규격에서 정한 항목을 사용한다.
항복점이 모호한 재질은 0.2% 오프셋법(Rp0.2)을 사용하며 이 값은 실제 설계에 널리 쓰인다.
14. 제조 상태와 기계적 성질
열처리 상태(솔루션, 노멀라이징, 템퍼링 등), 냉간가공 여부, 용접 후 열처리(PWHT) 등은 항복강도와 연신율에 큰 영향을 준다.
냉간가공이 많을수록 항복강도는 증가하나 연신율은 감소하는 경향이 있으므로 시공 공정과의 균형이 중요하다.
15. 시편 방향과 두께 영향
관재는 종방향과 횡방향의 강도와 연신율이 다를 수 있으며 보통 횡방향 값이 낮게 나올 수 있다.
두께가 두꺼워질수록 연신율 최소 요구치가 낮아지는 표가 적용되는 경우가 있으므로 해당 범주를 확인해야 한다.
16. 검사·검증 체크리스트
| 항목 | 체크 포인트 | 판정 기준 |
|---|---|---|
| 규격·등급 | 제품 규격과 등급 일치 여부 확인 | 발주 사양과 동일해야 한다 |
| 항복강도 | ReH 또는 Rp0.2 표기·단위 확인 | 규격 최소치 이상이어야 한다 |
| 인장강도 | Rm 표기·단위 확인 | 규격 최소치 이상이어야 한다 |
| 연신율 | 게이지 길이 기준 확인 | 규격 최소치 이상이어야 한다 |
| 시험 방향 | L/T 구분 | 요구 방향 기준 충족 |
| 열번호 | Heat No.와 표기 일관성 | 자재 식별 추적 가능 |
| 비파괴검사 | UT·RT·PT 등 결과 확인 | 발주 요구 조건 충족 |
17. 자주 발생하는 오해와 오류
- 항복강도와 인장강도를 혼동하여 허용응력을 과대평가하는 오류가 있다.
- ksi와 MPa 변환을 누락하여 판정을 그릇되게 하는 사례가 있다.
- 연신율 기준의 게이지 길이 차이를 무시하여 부적합 자재를 합격 처리하는 문제가 발생한다.
- 시험 방향을 확인하지 않아 실제 사용 방향에서 요구 성능을 확보하지 못하는 사례가 있다.
18. 용접과 기계적 성질
모재의 항복강도와 인장강도는 용접부의 설계와 검증에 직접 영향을 미친다.
용접재 선정 시 모재보다 낮거나 동등한 강도의 용가재를 사용하여 균열 위험을 낮추는 전략을 고려한다.
용접 후 열처리는 잔류응력을 완화하지만 과도한 열처리는 연신율과 강도에 영향을 줄 수 있어 절차별 검증이 필요하다.
19. 고온·저온에서의 성능
고온에서는 항복강도와 인장강도가 감소하므로 고온 허용응력 자료를 사용해야 한다.
저온에서는 연신율과 인성이 저하될 수 있어 충격 시험 결과와 함께 종합 판단한다.
20. 실무 적용 예시: 배관 두께 검토의 입력치
내압 두께 계산에서 허용응력 S를 결정하는 입력으로 항복강도와 인장강도가 사용된다.
동일 재질이라도 밀시트 실측값이 규격 최소값 대비 충분히 높다면 일부 코드에서는 더 높은 허용응력을 적용하지 않고 규격 표에 정해진 값을 따른다.
따라서 밀시트 실측값은 적합성 확인의 근거로 사용하고 허용응력은 코드 표를 우선 적용한다.
21. 품질 문서 일치성 확인
밀시트, 수입신고서, 치수검사표, 열처리 기록, NDE 성적서의 열번호와 로트가 상호 일치해야 한다.
일치하지 않는 경우 추적성 결여로 판정 보류하는 것이 안전하다.
22. 신속 판정 요약표
| 질문 | 확인 방법 | 합격 기준 |
|---|---|---|
| 항복·인장 최소치 충족 여부 | 밀시트 수치 vs 규격 최소치 비교 | 모두 이상이어야 한다 |
| 연신율 기준 충족 여부 | 게이지 길이 기준 확인 | 기준 이상이어야 한다 |
| 단위 혼용 여부 | ksi↔MPa 변환 확인 | 단위 일관성 유지 |
| 시험 방향 일치 여부 | L/T 표기 확인 | 요구 방향 충족 |
| 추적성 확보 여부 | 열번호·로트 매칭 | 문서 간 완전 일치 |
23. 실무 팁
- 발주 단계에서 규격, 등급, 시험 항목, 시험 방향, 고온·저온 요구사항을 명확히 지정한다.
- 입고 검수 시 항복·인장·연신율을 1차로 확인하고, 비파괴검사 성적서와 상호 대조한다.
- 가공 전 공정검토 회의에서 연신율과 가공성 한계를 공유한다.
- 용접 절차 승인 시 모재와 용가재의 기계적 성질 매칭을 검토한다.
- 설계 변경 시 허용응력 재산정으로 과소두께 위험을 방지한다.
FAQ
항복강도와 0.2% 오프셋 항복강도는 무엇이 다른가
명확한 항복점이 나타나는 재질은 상·하항복점 중 규정된 값을 사용하고, 항복점이 뚜렷하지 않은 재질은 영구 변형률 0.2% 지점의 응력을 Rp0.2로 사용한다.
연신율 A와 A5 표기 차이는 무엇인가
게이지 길이 기준이 다르다는 의미이다. A5는 직경의 5배 길이를 기준으로 하며, A는 규격에서 정한 표준 게이지 길이를 따른다. 밀시트 각주에서 기준을 확인해야 한다.
ksi로 표기된 값을 MPa로 어떻게 바꾸나
MPa = ksi × 6.895이다. 예를 들어 70 ksi는 약 483 MPa이다.
밀시트 값이 규격 최소치보다 높으면 허용응력을 올릴 수 있나
대부분의 설계 코드는 허용응력을 코드 표에 따라 정하며, 실측값이 높아도 허용응력 상향을 인정하지 않는 경우가 많다. 해당 코드 조항을 따라야 한다.
시험 방향은 왜 중요한가
재료의 이방성으로 인해 종방향과 횡방향의 강도와 연신율이 달라질 수 있기 때문이다. 사용 방향 기준으로 판단해야 한다.
고온 사용 배관의 강도 평가는 어떻게 하나
실온 기계적 성질 대신 고온 허용응력 자료를 사용해야 한다. 고온에서 강도는 낮아지므로 별도 표를 따라야 한다.