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 Conditions원문보기
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.
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.
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 ...
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 has disadvantages, in that it is highly combustible and explosive. In this study, a test procedure using a simple SP test under highly pressurized hydrogen gas conditions was established. In order to evaluate its applicability, SP tests were carried out using a stainless steel (SUS316L) sample under atmospheric, pressurized helium, and pressurized hydrogen gas conditions. The results under the pressurized hydrogen gas condition showed fissuring and produced a reduction of the elongation in the plastic instability region due to hydrogen embrittlement, showing the effectiveness of the current in-situ SP test.
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 has disadvantages, in that it is highly combustible and explosive. In this study, a test procedure using a simple SP test under highly pressurized hydrogen gas conditions was established. In order to evaluate its applicability, SP tests were carried out using a stainless steel (SUS316L) sample under atmospheric, pressurized helium, and pressurized hydrogen gas conditions. The results under the pressurized hydrogen gas condition showed fissuring and produced a reduction of the elongation in the plastic instability region due to hydrogen embrittlement, showing the effectiveness of the current in-situ SP test.
* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.
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.
제안 방법
대기압 및 He가스 분위기하에서는 구와의 접촉계면상에서 최대전단 응력(τmax)을 나타내어, 원주방향으로 주균열이 발생한 후 구의 압입과 더불어 진전하였다.
1(b)에 보인 바와 같이 하부다이에 40 MPa급의 압력게이지를 장착하였다. 또한, 시험편의 안착부에 수소가스의 누출을 방지하기 위하여 시험편과 하부다이 사이에 오링을 삽입하였다. 상·하부 다이 재질은 압력용기용 재료인 구조용합금강(SCM4)를 사용하였다.
He가스를 참고가스로 선정한 이유는 수소가스와 마찬가지로 분자 크기가 작아 비슷한 시험환경을 제공한다는 점 때문이다. 본 연구에서는 소정의 고압으로 가압 후 유지 시간 없이 바로 소정의 변위속도(램 속도)에서 시험을 실시하였다.
이후 진공 펌프를 30분 이상 작동시켜 진공을 뽑은 후 수소가스를 충전하게 된다. 수소가스로 충전된 개별 SP시험치구를 충전시스템에서 분리한 후 유압식 만능재료시험기(Instron 8516; 5 kN)에 설치한 후 시험을 수행하였다. 압축하중이 펀치를 통하여 직경 3.
수소취화 거동의 평가에 앞서, 먼저 대기압하와 참고가스인 고압 He가스를 사용한 분위기에서 SP시험을 실시하였다. He가스를 참고가스로 선정한 이유는 수소가스와 마찬가지로 분자 크기가 작아 비슷한 시험환경을 제공한다는 점 때문이다.
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. 10 mass% Ni을 함유하는 SUS316L강의 경우, in-situ SP시험법을 사용하여 하중-변위선도의 IV영역에서 수소취화의 영향을 확인할 수 있었다.
대상 데이터
본 SP시험용 카트리지에 수소가스 충전은 한국 표준과학연구원(KRISS)에서 구축한 20 MPa급 수소가스 충전시스템을 사용하였다.(8) Fig.
본 연구에서 사용한 시험재료는 스테인리스강(SUS316L)으로 시험편의 크기는 10×10×t0.5 mm이다.
상·하부 다이 재질은 압력용기용 재료인 구조용합금강(SCM4)를 사용하였다.
Table 1과 2는 SUS316L강의 화학적 조성과 기계적 특성을 각각 나타내고 있다. 시험편은 wire-cut가공으로 압연방향에 평행하게 시험편을 채취하였고, wire-cut가공시 생성된 표면 가공 경질층의 영향을 제거하기 위해 #600 연마지로 연마 후 초음파 세정기를 사용하여 10분 동안 세정 후 SP시험에 사용하였다.
성능/효과
대기압 및 He가스의 경우는, 약 3 kN의 최대하중에 도달 후 파단에 이르기 전까지 다소 완만하게 신장한 후 파단에 이르지만, 고압 수소가스 분위기하의 경우는 IV영역에서 차이를 나타내, 최대하중에 도달한 직후 수소원자의 침투 및 확산에 의한 수소취화를 나타나 하중이 급격히 저하하는 거동을 보였고, 대기압 및 He가스 분위기하의 경우에 비해 상대적으로 작은 신장율을 나타내었다. 이때 급격한 하중저하시 수소가스 누출을 확인할 수 있었다.
따라서 본 in-situ SP시험법은 수소에너지 저장 및 수송용 구조재료의 수소취화거동 평가에 유효하게 적용할 수 있다는 것을 알 수 있다.
4의 1 mm/min의 경우보다, 고압수소 가스 분위기하의 영향이 명확하게 나타났다. 즉, IV영역에서 최대하중 도달직후 파단을 나타내, 대기압 및 He가스 분위기하의 경우보다 낮은 연신율을 나타내어 변위속도가 다소 현저하게 영향을 미치는 것을 알 수 있다. 이와 같이 SP시험시 램속도의 영향이 나타난다는 것을 고려하면, 향후 수소가스 분위기하 유지시간의 영향에 대한 검토 또한 필요하다.
후속연구
즉, IV영역에서 최대하중 도달직후 파단을 나타내, 대기압 및 He가스 분위기하의 경우보다 낮은 연신율을 나타내어 변위속도가 다소 현저하게 영향을 미치는 것을 알 수 있다. 이와 같이 SP시험시 램속도의 영향이 나타난다는 것을 고려하면, 향후 수소가스 분위기하 유지시간의 영향에 대한 검토 또한 필요하다.
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.
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.
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
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.
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.
Ogata, T., 2007, "Hydrogen Embrittlement Evaluation in Tensile Properties of Stainless Steels at cryogenic Temperatures," Adv. Cryo. Eng., Vol. 54, pp. 124-131
Ogata, T., 2008, "Evaluation of Hydrogen Embrittlement by Internal High-Pressure Hydrogen Environment in Specimen," J. Jpn. Inst. Met. Vol. 72, pp. 125-131.
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.
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.
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.
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.
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.