미래 수소경제시대에 가장 효과적이고 안전한 수소공급방안으로 배관이 적용될 것으로 예측되는데, 우선 첫 단계에서는 기존 가스배관의 수소공급배관 적용 가능성을 평가하는 것이 필요하다. 또한 국내 천연가스배관에 수소가 일부 포함된 대체천연가스가 주입되는 기존 가스배관의 건전성에 미치는 영향을 파악해야만 한다. 수소가 포함된 천연가스를 공급하는 배관에서는 수소취성, 피로파괴, 수소누설 등에 대한 검토가 이루어져야 한다. 본 논문에서는 고압천연가스배관 건전성에 미치는 수소의 영향 평가 작업의 하나로서. 배관재료의 기계적 특성 변화에 미치는 수소의 영향을 거시적으로 평가하기 위하여 인장시험을 수행하여. 수소 주입 전 후의 항복강도 및 인장강도의 변화를 측정하였고, 연성, 가공경화 지수, 항복비의 변화를 알아보았다.
미래 수소경제시대에 가장 효과적이고 안전한 수소공급방안으로 배관이 적용될 것으로 예측되는데, 우선 첫 단계에서는 기존 가스배관의 수소공급배관 적용 가능성을 평가하는 것이 필요하다. 또한 국내 천연가스배관에 수소가 일부 포함된 대체천연가스가 주입되는 기존 가스배관의 건전성에 미치는 영향을 파악해야만 한다. 수소가 포함된 천연가스를 공급하는 배관에서는 수소취성, 피로파괴, 수소누설 등에 대한 검토가 이루어져야 한다. 본 논문에서는 고압천연가스배관 건전성에 미치는 수소의 영향 평가 작업의 하나로서. 배관재료의 기계적 특성 변화에 미치는 수소의 영향을 거시적으로 평가하기 위하여 인장시험을 수행하여. 수소 주입 전 후의 항복강도 및 인장강도의 변화를 측정하였고, 연성, 가공경화 지수, 항복비의 변화를 알아보았다.
One of the important topics to prepare the up-coming era of so-called ‘hydrogen economy’ is hydrogen transmission. Pipeline is conceivably the most economic way to consistently and safely transport a large amount of hydrogen over a long distance, which may be strongly requested in hydrogen economy e...
One of the important topics to prepare the up-coming era of so-called ‘hydrogen economy’ is hydrogen transmission. Pipeline is conceivably the most economic way to consistently and safely transport a large amount of hydrogen over a long distance, which may be strongly requested in hydrogen economy era. As a good starting point for the purpose, one might wonder whether conventional API pipeline steels as designed for natural gas transmission can be used as the hydrogen pipeline materials or not. To answer the question, here we performed a series of micro-/nano-indentations together with tensile tests on the hydrogen-charged API X65, X70 and X100 steels having different strength level. In this paper, from the results of tensile tests, the hydrogen effects on the mechanical behavior in the API steels are systematically evaluated.
One of the important topics to prepare the up-coming era of so-called ‘hydrogen economy’ is hydrogen transmission. Pipeline is conceivably the most economic way to consistently and safely transport a large amount of hydrogen over a long distance, which may be strongly requested in hydrogen economy era. As a good starting point for the purpose, one might wonder whether conventional API pipeline steels as designed for natural gas transmission can be used as the hydrogen pipeline materials or not. To answer the question, here we performed a series of micro-/nano-indentations together with tensile tests on the hydrogen-charged API X65, X70 and X100 steels having different strength level. In this paper, from the results of tensile tests, the hydrogen effects on the mechanical behavior in the API steels are systematically evaluated.
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문제 정의
본 논문은 고압 천연가스배관의 건전성에 미치는 수소의 영향 평가에 대한 첫 번째 결과로서. 배관재료의 기계적 특성 변화에 미치는 수소의 영향을 거시적으로 평가하기 위하여 인장시험을 수행하여. 수소 주입 전 후의 항복강도 및 인장강도의 변화를 파악하고, 연성, 가공경화 지수, 항복비, 파단면의 변화를 알아보았다.
본 논문은 고압 천연가스배관의 건전성에 미치는 수소의 영향 평가에 대한 첫 번째 결과로서. 배관재료의 기계적 특성 변화에 미치는 수소의 영향을 거시적으로 평가하기 위하여 인장시험을 수행하여.
제안 방법
그림 2에서 수소주입을 4시간과 10시간 수행하였을 때 2시간 경우와 비교한 결과, 응력-변형률 곡선에서 큰 차이를 보이지 않았다. 따라서 실험 효율성을 위하여 수소주입 시간을 2시간으로 정하였다.
배관재료의 기계적 특성 변화에 미치는 수소의 영향을 거시적으로 평가하기 위하여 인장시험을 수행하여. 수소 주입 전 후의 항복강도 및 인장강도의 변화를 파악하고, 연성, 가공경화 지수, 항복비, 파단면의 변화를 알아보았다.
수소주입은 전기분해 방법으로 Hokuto Denko사 Potentiostat/Galvanostat HA- 151A장비(그림 1)를 이용하였다. 수소주입 시 전해액은 1N농도 황산용액(H2SO4)을 사용하였으며, 시험편 표면에서 발생하는 수소원자의 분자화를 막기 위하여 0.25g/L As2O3(recombi -nation poison)를 첨가하였다. 양극에는 직접 반응에 참여하지 않는 백금전극을 사용하였고, 음극에 시험편을 연결하였다.
수소주입 전 후의 인장시험 파단면을 주사전자현미경을 이용하여 관찰하였다. 그림 7은 수소를 주입하지 않은 경우의 파단면으로, 다수의 딤플이 관찰되는 전형적인 연성파단면 형태를 보이고 있다.
1mm/min 변형속도를 추가시험 하였다. 인장시험 인장시험은 Zwick사 Z100 Universal tensile test machine을 이용하여 상온에서 1mm/min 변형속도로 수행하였으며, 변형속도 영향을 평가하기 위하여 0.1mm/min 변형속도를 추가시험 하였다. 인장시험
인장시험은 Zwick사 Z100 Universal tensile test machine을 이용하여 상온에서 1mm/min 변형속도로 수행하였으며, 변형속도 영향을 평가하기 위하여 0.1mm/min 변형속도를 추가시험 하였다. 인장시험 인장시험은 Zwick사 Z100 Universal tensile test machine을 이용하여 상온에서 1mm/min 변형속도로 수행하였으며, 변형속도 영향을 평가하기 위하여 0.
인장시험편은 전체 길이가 100mm, 게이지부분 길이가 32mm, 두께가 2mm인 판상시험편을 사용하였다. 정확한 실험을 위하여 1000번 연마지까지 기계적 연마를 수행하여 불필요한 응력 집중부를 제거하였다. 수소주입 시에는 노출 표면적 최소화를 통한 수소주입 극대화를 위하여 게이지부분을 제외한 그립부분은 에폭시를 이용하여 전해액에 노출되지 못하도록 밀봉하였다.
천연가스배관의 건전성에 미치는 수소의 영향을 파악하기 위해, API X65, X70, X100 배관재료에 전기분해로 수소를 주입한 후 인장시험을 수행하여 각 배관재료의 수소취성 거동을 거시적으로 평가하였다.
효과적인 수소주입 시간을 결정하기 위하여 각기 다른 종류 시험편에 대하여 다양한 시간으로 수소를 주입하여 인장시험을 수행하였다. 그림 2에서 수소주입을 4시간과 10시간 수행하였을 때 2시간 경우와 비교한 결과, 응력-변형률 곡선에서 큰 차이를 보이지 않았다.
대상 데이터
수소주입 시에는 노출 표면적 최소화를 통한 수소주입 극대화를 위하여 게이지부분을 제외한 그립부분은 에폭시를 이용하여 전해액에 노출되지 못하도록 밀봉하였다. 배관방향에 따른 기계적 특성 변화를 평가하기 위하여 API X65, X70 재료는 배관 길이방향과 원주방향에 대해 각각 시험하였다.
25g/L As2O3(recombi -nation poison)를 첨가하였다. 양극에는 직접 반응에 참여하지 않는 백금전극을 사용하였고, 음극에 시험편을 연결하였다. 수소주입은 100mA/cm2의 일정한 전류밀도 조건으로 상온에서 수행하였다.
연구에 사용된 재료는 API 5L X65, X70, X100 가스 배관 재료이다. 인장시험편은 전체 길이가 100mm, 게이지부분 길이가 32mm, 두께가 2mm인 판상시험편을 사용하였다.
연구에 사용된 재료는 API 5L X65, X70, X100 가스 배관 재료이다. 인장시험편은 전체 길이가 100mm, 게이지부분 길이가 32mm, 두께가 2mm인 판상시험편을 사용하였다. 정확한 실험을 위하여 1000번 연마지까지 기계적 연마를 수행하여 불필요한 응력 집중부를 제거하였다.
이론/모형
수소주입은 전기분해 방법으로 Hokuto Denko사 Potentiostat/Galvanostat HA- 151A장비(그림 1)를 이용하였다. 수소주입 시 전해액은 1N농도 황산용액(H2SO4)을 사용하였으며, 시험편 표면에서 발생하는 수소원자의 분자화를 막기 위하여 0.
성능/효과
반면에 수소주입으로 인하여 파단형태가 연성파괴 형태에서 취성파괴 형태로 변화되었으며, 파단면이 완전한 벽개파면 형태인 X70, X100과는 달리 X65의 경우 준벽개파면 형태를 보여 강도가 클수록 수소취성에 더 민감한 것을 알 수 있었다.
응력-변형률 곡선을 분석한 결과, 수소주입에 의해 수소취성 현상이 발생하여 연신율이 현저히 감소하였다. 수소 주입 후 항복강도는 미세하게 증가하였고, 인장강도는 거의 변화가 없었다. 원주방향 시험편의 경우가 길이방향 시험편과 비교하여 동일한 수소주입조건에서 연신율의 감소가 더 작게 나타났다.
항복비와 가공경화지수는 연신율과 더불어 재료 취화정도를 평가할 수 있는 지표로서 항복비가 높을수록 재료는 더욱 취화되었음을 의미하고, 가공경화지수는 낮을수록 더욱 취화된 것을 의미한다. 수소를 주입한 후 다섯 종류 시험편 모두 항복비는 높아지고, 가공경화지수는 낮아지고 있었다.
인장강도는 수소주입 전과 비교하여 소폭 감소하는 경향을 띠지만 그 감소량이 크지 않아 거의 변화가 없었다. 연신율은 수소주입 후 모든 경우에서 현저히 감소하였고. X65와 X70의 경우 길이방향에 비하여 원주방향 경우가 본래 연신율이 더 높으며, 수소주입 후 연신율 감소도 길이방향에 비하여 작았다.
응력-변형률 곡선을 분석한 결과, 수소주입에 의해 수소취성 현상이 발생하여 연신율이 현저히 감소하였다. 수소 주입 후 항복강도는 미세하게 증가하였고, 인장강도는 거의 변화가 없었다.
후속연구
미래 수소경제시대에 가장 효과적이고 안전한 수소공급방안으로 배관이 적용될 것으로 예측되는데, 우선 첫 단계에서는 기존 가스배관의 수소 공급배관 적용 가능성을 평가하는 것이 필요하다[1]. 또한 국내 천연가스배관에 수소가 일부 포함된 대체천연가스가 주입되는 경우 기존 가스배관의 건전성에 미치는 영향을 파악해야만 한다.
수소주입은 100mA/cm2의 일정한 전류밀도 조건으로 상온에서 수행하였다. 본 연구에서는 시험편에 장입된 수소의 정량분석은 수행하지 못하였다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
천연가스와 대체천연가스의 혼합수송을 이루기 위해 설정해야 하는 핵심 부분은 무엇인가?
국내 매설 가스배관을 통해 공급 중인 천연가스에는 수소가 포함되어 있지 않지만, 현재 플랜트건설이 추진 중인 석탄추출 합성천연가스나 바이오 가스와 같은 대체천연가스에는 불가피하게 수소가 포함되어 있다. 기존의 고압 천연가스 배관망에 의해 천연가스와 대체천연가스의 혼합수송이 실현되기 위해서는 가스품질 요건을 설정해야 되는데 그 중 핵심부분이 수소한계치이다. 대체에너지 이용을 활성화시키기 위해서 수소가 소량 포함되는 것이 가스배관의 구조적 안전성에 문제가 없다는 것을 확인해야만 한다[2,3].
미래 수소경제시대의 안전한 수소공급방안의 첫 단계는 무엇인가?
미래 수소경제시대에 가장 효과적이고 안전한 수소공급방안으로 배관이 적용될 것으로 예측되는데, 우선 첫 단계에서는 기존 가스배관의 수소 공급배관 적용 가능성을 평가하는 것이 필요하다[1]. 또한 국내 천연가스배관에 수소가 일부 포함된 대체천연가스가 주입되는 경우 기존 가스배관의 건전성에 미치는 영향을 파악해야만 한다.
참고문헌 (4)
Takeo Suzuki, Shin-ichiro Kawabata, Tetsuji Tomita, Present Status of Hydrogen Transport Systems Utilizing Existing Natural Gas Supply Infrastructures in Europe and the USA, IEEJ: October 2005
김우식, 2010년 대한기계학회 추계학술대회 발표논문집, 2010.11., 대한기계학회
한국가스공사 대학협력과제 연구보고서, "수소 수송용 배관재료에 대한 재질특성 요건 및 수소 취성 거동 연구", 2007.8, 한국가스공사
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