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고압수소가스하 in-situ SP시험법을 사용한 금속재료의 수소취화거동 평가기법 개발
Development of Evaluation Technique for Hydrogen Embrittlement Behavior of Metallic Materials Using in-situ SP Testing under Pressurized Hydrogen Gas Conditions 원문보기

大韓機械學會論文集. Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers. A. A, v.35 no.11, 2011년, pp.1377 - 1382  

신형섭 (안동대학교 기계설계공학과) ,  김기현 (안동대학교 기계설계공학과) ,  백운봉 (한국표준과학연구원) ,  남승훈 (한국표준과학연구원)

초록
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최근, 화석연료의 고갈과 환경오염의 문제로 인해 차세대 신재생 에너지에 대한 관심이 증대되고 있다. 그 중 수소연료는 친환경, 저장의 용이, 손쉬운 제조 등과 같은 장점에 반해 가연범위가 넓고, 폭발의 위험성이 단점으로 대두되고 있다. 본 연구에서는 간편한 SP 시험법을 이용하여 고압수소가스 분위기 하에서 in-situ 수소취화거동을 평가할 수 있는 시험기법을 확립하고자 한다. 그 적용성을 평가하기 위해서 수소저장용기 재료로 사용되는 스테인리스강(SUS316L)을 사용하여 대기압, 고압 헬륨 및 수소가스 분위기에서 시험하였다. 실험결과, 고압 수소가스 분위기에서는 수소 침투로 인해, 대기압 및 헬륨가스 분위기하에서와 달리, 시험편 표면에 미세균열 발생과 하중-변위 선도상 소성불안정 변형 영역에서 연신율 감소를 가져왔고, 파면관찰 결과 수소취화 균열이 관찰되어 SP시험법의 유효성을 나타내었다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

Recently, alternative and novel energy resources have been developed for use in the future because of the current environmental problems and exhaustion of fossil energy resources. Hydrogen energy has many merits, such as its environmental friendliness, easy storage, and easy production, but it also ...

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

  • 수소는 그 자체가 안전한 물질이 아님은 물론 고압으로 가압할 경우, 수소 자체의 폭발 위험도와 더불어 고압력이 발생시키는 위험도 고려하여야 한다. 따라서 본 연구에서 고안한 치구는 수소가스 폭발의 위험도를 최대한 억제하기 위하여 시험치구 하부 다이의 수소가스 충전부 챔버 체적을 최소화하여 고압가스 제조법에서 규정하는 범위내로 하였다. 또한 수소가스가 설정 목표 압력까지 가압 여부, 수소가스 가압후 유지시 수소 누출여부, SP시험도중 하중의 증가에 따라서 시험편에 균열발생에 기인하여 가스누출 개시 여부를 확인할 수 있도록, Fig.
  • 그러나 실제 천연가스 배관이나 수소스테이션에서 발생하는 수소취화 거동은 고압수소가스 분위기하에서 발생하는 것으로 수소챠-지후 대기중 평가시의 경우와 차이가 있다고 할 수 있다. 따라서 본 연구에서는 고압수소가스 분위기하에서 in-situ SP시험이 가능한 시험 장치를 개발하여, 그 적용성을 수소취화에 둔감하다고 알려진 스테인리스강(SUS316L)을 사용하여 검토하고자 한다.
  • 본 연구는 에너지 재료의 수소취화 특성을 평가하기 위해 기존 SP시험법을 개량하여 고압수소 가스 분위기하에서 시험이 가능한 in-situ SP시험용 치구 개발 및 시험기법을 확립하고자 하였다. 이를 위해 수소저장 용기 재료인 SUS316L강을 사용하여 대기압, 고압 헬륨가스 및 수소가스 분위기하에서 충전 압력 및 램속도를 달리한 SP시험을 통해 그 적용성을 확인할 수 있었다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
수소연료의 장점은? 최근, 화석연료의 고갈과 환경오염의 문제로 인해 차세대 신재생 에너지에 대한 관심이 증대되고 있다. 그 중 수소연료는 친환경, 저장의 용이, 손쉬운 제조 등과 같은 장점에 반해 가연범위가 넓고, 폭발의 위험성이 단점으로 대두되고 있다. 본 연구에서는 간편한 SP 시험법을 이용하여 고압수소가스 분위기 하에서 in-situ 수소취화거동을 평가할 수 있는 시험기법을 확립하고자 한다.
소형펀치 시험법은 무엇인가? 한편, 그간 소형시험편을 사용한 재료특성 평가 법으로 원자력 발전설비의 중성자 조사취화 및화력 발전설비의 경년열화 특성을 평가하기 위해 사용되고 있는 소형펀치(small punch :SP) 시험법을 들 수 있다. SP시험법은 얇은 두께의 시험편에 강구와 같은 볼을 중앙에 위치시킨 후 하중을 부가하면서 시험편이 파단에 이를 때까지 압입하여 얻어진 재료의 하중-변위 선도로부터 파단시 까지 흡수에너지를 계산하여 상대적인 취화여부를 평가하는 시험법이다. 최근 분극법으로 재료에 직접 수소를 장입한 시험편에 대하여 종래의 SP시험법을 이용한 수소취화거동 평가가 시도되 었다.
수소연료의 단점은? 최근, 화석연료의 고갈과 환경오염의 문제로 인해 차세대 신재생 에너지에 대한 관심이 증대되고 있다. 그 중 수소연료는 친환경, 저장의 용이, 손쉬운 제조 등과 같은 장점에 반해 가연범위가 넓고, 폭발의 위험성이 단점으로 대두되고 있다. 본 연구에서는 간편한 SP 시험법을 이용하여 고압수소가스 분위기 하에서 in-situ 수소취화거동을 평가할 수 있는 시험기법을 확립하고자 한다.
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참고문헌 (11)

  1. http://www.nedo.go.jp/informations/other/200716_1/200716_1.html. 

  2. Michler, T., Lee, Y., Gangloff, R. P. and Naumann, J., 2009, "Influence of Macro Segregation on Hydrogen Environment Embrittlement of SUS 316L Stainless Steel," Int.J. Hydrogen Energy, Vol. 34, pp. 3201-3209. 

  3. Zhang, L., Wen, M., Imade, M., Fukuyama, S. and Yokogawa, K., "Effect of Nickel Equivalent on Hydrogen Gas Embrittlement of Austenitic Stainless Steels based on Type 316 at Low Temperatures," Acta Mater., Vol. 56, pp. 3414-3421 

  4. Jang, S.-Y. and Yoon, K.-B., 2009, "Study on Hydrogen Embrittlement for API 5L X65 Steel Using Small Punch Test I : Base Metal," Journal of Energy Engineering, Vol. 18, No. 1, pp. 49-55. 

  5. Jang, S.-Y. and Yoon, K.-B., 2009, "Study on Hydrogen Embrittlement for API 5L X65 Steel Using Small Punch Test I : Weld Metal," Journal of Energy Engineering, Vol. 18, No. 1, pp. 56-62. 

  6. Ogata, T., 2007, "Hydrogen Embrittlement Evaluation in Tensile Properties of Stainless Steels at cryogenic Temperatures," Adv. Cryo. Eng., Vol. 54, pp. 124-131 

  7. Ogata, T., 2008, "Evaluation of Hydrogen Embrittlement by Internal High-Pressure Hydrogen Environment in Specimen," J. Jpn. Inst. Met. Vol. 72, pp. 125-131. 

  8. Lee, Y.-H., Lee, H. M., Kim, Y.-I. and Nahm, S.-H., 2011, "Mechanical Degradation of API X65 Pipeline Steel by Exposure to Hydrogen Gas," Metals Materials Int., Vol. 17, pp. 389-395. 

  9. Kim, J. K., Lee, J. K., Yoon, K. B. and Chung, S. H., 1991, "Study on Evaluation by Small Punch Test for Material Degradation of Steam Tubes of Fossil Electric Power Plant," Trans. of the KSME, Vol. 15, pp.1665-1673. 

  10. Fujii, H. and Ohmiya, S., 2009, "Effects of Ni and Cr Contents on Hydrogen Environmental Embrittlement in Type 316 based Stainless Steels," J. High Pressure Institute of Japan, Vol. 47, pp. 85-94. 

  11. Michler, T. and Naumann, J., 2009, "Coatings to Reduce Hydrogen Environment Embrittlement of 304 Austenitic Stainless Steel," Surface and Coatings Technology, Vol. 203, pp. 1819-1828. 

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