[논문]장기 저장연료의 열안정성 및 연료접촉 고무오링의 수명예측 연구

정근우; 홍진숙; 김영운; 한정식; 정병훈; 권태수; 서동욱; 성민준; 권영일

doi:10.9725/kts.2018.34.5.197

Abstract ▼ AI-Helper

Thermal deterioration of fuel due to long-term storage influences engine performance and causes malfunctions. Fuel stability is usually evaluated via heat resistance and thermal stability during a brief heat shock at high temperature; storage stability in this scenario means that there is very littl...

Thermal deterioration of fuel due to long-term storage influences engine performance and causes malfunctions. Fuel stability is usually evaluated via heat resistance and thermal stability during a brief heat shock at high temperature; storage stability in this scenario means that there is very little change in the quality of the fuel during long-term storage. In addition, rubber-based products such as oil seals, O-rings, and rubber hoses can influence the quality of the fuel. When these rubber products are in contact with fuel, they can swell, mechanically weaken, and occasionally crack, thus leaking low molar weight rubber and additives including plasticizer and antioxidant into the fuel to degrade its properties and shorten its useful lifetime. This study determines the thermal stabilities of three kinds of synthetic fuels by evaluating their low temperature kinematic viscosities, chemical composition changes via GC analyses, gross heat of combustion, and color changes. We evaluate the compression set of O-rings by immersing one NBR and two FKM rubber O-rings in the three synthetic fuel samples in airtight containers at variable storage temperatures for six months; from this, we estimate the lifetimes of the O-rings using the Power law model. There were very little changes in the chemical compositions and gross heat of combustion after six months of the experiment. The lifetimes are thus dependent on the materials of the rubber products, and in particular, the FKM O-ring was calculated to have a theoretical lifetime of 200 to 5,700 years. These results indicate that the synthetic fuels maintain their physical properties even after long-term storage at high temperatures, and the FKM O-ring is suitable for long-term sealing of these fuels.

주제어

표/그림 (21)

그림 Fig. 1. Diagram of compression set.
표 Table 1. Determination of gross heat of combustions and kinematic viscosity for SF
표 Table 2. Determination of gross heat of combustions and kinematic viscosity for TSF-1 & 2
표 Table 3. Determination of Saybolt color for TSF-1 & 2
그림 Fig. 2. Change of component ratio for TSF-1.
그림 Fig. 3. Change of component ratio for TSF-2.
그림 Fig. 4. Change of component ratio for SF.
그림 Fig. 5. Graph of compression set for NBR O-ring (●: 2 M, ■: 4M, ◆: 6M).
그림 Fig. 6. Graph of compression set for FKM O-ring-1 (●: 2M, ■: 4M, ◆: 6M).
그림 Fig. 7. Graph of compression set for FKM O-ring-2 (●: 2M, ■: 4M, ◆: 6M).
그림 Fig. 8. Chemical structure of NBR (a) and FKM (b) rubber.
표 Table 4. Determination of compression set for NBR and FKM rubber O-ring immersed at SF fuel
그림 Fig. 9 Plot of Compression set vs storage time.
그림 Fig. 10. Power Law model plot of FKM O-ring-1.
표 Table 5. Results of regression analysis for FKM O-ring-1
표 Table 6. Values of b and acceleration factor AF for selected temperatures
표 Table 7. Predicted service life for FKM O-ring-1
그림 Fig. 11. Power Law model plot of FKM-O-ring-2.
표 Table 8. Results of regression analysis for FKM O-ring-2
표 Table 9. Values of b and acceleration factor AF for selected temperatures
표 Table 10. Predicted service life for FKM O-ring-2

AI 본문요약
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문제 정의

따라서 본 연구에서는 연료에 대한 열화현상을 크게 두 가지로 나누어, 연료 자체의 가속 열화시험을 통해 열안정성 평가를 하고자 하였으며 또 하나는 연료에 고무 오링재료를 침적시킨 상태에서 일정 온도, 일정 기간 저장 후 고무 물성의 경시변화를 측정하고 고무 오링의 물성변화를 추적하여 이를 바탕으로 고무 오링의 수명을 예측하고자 하였다.

제안 방법

지금까지 3종의 합성 연료에 대한 장기 저장에 따른 열안정성을 비교하고, 3종의 고무 오링을 사용하여 저장 온도와 저장 기간의 변화에 따른 압축영구줄음율 측정을 통해 고무 오링의 수명을 Power Law모형을 사용하여 예측하였다. 합성연료의 열안정성은 100℃ 이상의 높은 온도에서 6개월간 장기 저장 후에도 연료의 화학적 조성에는 변화가 거의 없이 안정하였으며 연료로서의 특성인 총발열량도 초기값에 비해 큰 차이가 없었고 동점도도 초기값과 유사한 측정치가 얻어졌다.

대상 데이터

고무 오링과 접촉하는 연료는 -18℃, 동점도가 7.3cSt, 총발열량 10,686 cal/g, Saybolt color +30의 무색투명한 1종의 액상 합성연료(Synthetic Fuel, SF)와 2종의 시험용 합성연료(Test Synthetic Fuel, TSF)로 본 논문에서는 TSF-1, TSF-2로 표기한다.
실험에 사용한 고무 오링은 NBR 고무 1종과 불소고무(Fluor℃arbon, FKM) 2종으로 NBR 고무 오링은 외경이 30 mm, 두께가 1.77 mm이며 FKM 고무 오링-1은 외경 35 mm, 두께 2.95 mm, FKM 고무 오링-2는 외경이 30 mm, 두께가 1.77 mm이다.

이론/모형

온도를 스트레스로 적용하는 가속열화시험에서 반응속도론에 근거한 수학적 열화모형들 중 본 실험의 데이터에 적합한 것으로 나타난 Power Law 모형을 적용하여 사용조건에서의 사용수명을 예측하였다. Power Law 모형은 선형열화모형을 일반화한 것이며, 다루기가 복잡한 다른 비선형 열화모형의 초기열화를 나타내는 근사적인 모형으로도 사용할 수도 있다.
한편 고무 오링에 대한 적합성 시험은 압축영구줄음율을 측정하여 평가하였으며 사용한 시험방법은 KS M6518:2006 가황고무 물리시험 방법을 참고하였으며 자세한 내용은 아래와 같다.

성능/효과

색변화의 경우에 고온에 장기간 노출될 수록 변화가 큰 것으로 나타났으며 이러한 색변화 원인에 대해서는 앞으로 계속적인 연구가 필요한 부분이다. SF연료에 침적시킨 고무 오링의 압축영구줄 음율 측정을 통한 수명예측 결과는 NBR 오링의 경우 예측이 불가능하였으나 FKM오링의 경우는 O-ring-1이 상온에서 약 200년, O-ring-2는 5700년이라는 수명이 계산되어 거의 영구적인 수명을 갖는 것으로 예측되었다. 또한 TSF-1, TSF-2연료에 침적시킨 경우 압축영구줄음율의 측정치가 SF 연료에 비해 작은 값을 나타내는 것으로 보아 고무 오링의 수명이 더 길 것으로 판단되었으며 본 연 구에서 검토한 합성연료는 열적으로나 화학적으로 매우 안정한 연료로 판단되었다.
SF연료에 침적시킨 고무 오링의 압축영구줄 음율 측정을 통한 수명예측 결과는 NBR 오링의 경우 예측이 불가능하였으나 FKM오링의 경우는 O-ring-1이 상온에서 약 200년, O-ring-2는 5700년이라는 수명이 계산되어 거의 영구적인 수명을 갖는 것으로 예측되었다. 또한 TSF-1, TSF-2연료에 침적시킨 경우 압축영구줄음율의 측정치가 SF 연료에 비해 작은 값을 나타내는 것으로 보아 고무 오링의 수명이 더 길 것으로 판단되었으며 본 연 구에서 검토한 합성연료는 열적으로나 화학적으로 매우 안정한 연료로 판단되었다.
지금까지 3종의 합성 연료에 대한 장기 저장에 따른 열안정성을 비교하고, 3종의 고무 오링을 사용하여 저장 온도와 저장 기간의 변화에 따른 압축영구줄음율 측정을 통해 고무 오링의 수명을 Power Law모형을 사용하여 예측하였다. 합성연료의 열안정성은 100℃ 이상의 높은 온도에서 6개월간 장기 저장 후에도 연료의 화학적 조성에는 변화가 거의 없이 안정하였으며 연료로서의 특성인 총발열량도 초기값에 비해 큰 차이가 없었고 동점도도 초기값과 유사한 측정치가 얻어졌다. 색변화의 경우에 고온에 장기간 노출될 수록 변화가 큰 것으로 나타났으며 이러한 색변화 원인에 대해서는 앞으로 계속적인 연구가 필요한 부분이다.

후속연구

합성연료의 열안정성은 100℃ 이상의 높은 온도에서 6개월간 장기 저장 후에도 연료의 화학적 조성에는 변화가 거의 없이 안정하였으며 연료로서의 특성인 총발열량도 초기값에 비해 큰 차이가 없었고 동점도도 초기값과 유사한 측정치가 얻어졌다. 색변화의 경우에 고온에 장기간 노출될 수록 변화가 큰 것으로 나타났으며 이러한 색변화 원인에 대해서는 앞으로 계속적인 연구가 필요한 부분이다. SF연료에 침적시킨 고무 오링의 압축영구줄 음율 측정을 통한 수명예측 결과는 NBR 오링의 경우 예측이 불가능하였으나 FKM오링의 경우는 O-ring-1이 상온에서 약 200년, O-ring-2는 5700년이라는 수명이 계산되어 거의 영구적인 수명을 갖는 것으로 예측되었다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	수송용 연료의 특징은?	일반적으로 수송용 연료는 정유공장에서 생산되어 엔진에서 소비될 때까지 저장에 따른 안정성 유지라는 문제가 항상 제기되고 있으며 특히 군용으로 사용되는 수송용 연료의 경우, 전쟁이라는 특수한 환경 때문에 품질에 대한 고도의 신뢰성을 요구한다. 연료의 장기저장에 따른 품질저하는 엔진고장이나 오작동을 유발하는 등엔진 성능에 어떠한 형태로든 영향을 미치게 된다.
	색이 검게 변하는 색변화의 문제점은 무엇인가?	연료의 색이 검게 변하는 색변화는 실제 연료 물성에 미치는 영향 면에서 그다지 중요하지는 않지만 물성변화의 신호역할을 하는 항목으로 연료를 선택하는데 중요한 가이드 역할을 한다. 또한 연료의 산화에 의해 생성되는 용해성 검은 특별히 문제를 야기하지 않지만 불용성 검은 필터 막힘을 유발하며 엔진 노즐이나 인젝터부분의 오작동을 유발시킬 수 있으므로 연소실로 들어가기 전에 필터를 통해 제거해야 한다.
	연료의 장기저장에 따른 품질저하는 어떤 영향이 있는가?	일반적으로 수송용 연료는 정유공장에서 생산되어 엔진에서 소비될 때까지 저장에 따른 안정성 유지라는 문제가 항상 제기되고 있으며 특히 군용으로 사용되는 수송용 연료의 경우, 전쟁이라는 특수한 환경 때문에 품질에 대한 고도의 신뢰성을 요구한다. 연료의 장기저장에 따른 품질저하는 엔진고장이나 오작동을 유발하는 등엔진 성능에 어떠한 형태로든 영향을 미치게 된다. 연료의 안정성은 장기간에 걸친 저장 중에 연료의 품질변화가 없어야 하는 저장 안정성을 의미하는 것으로 일반적으로 짧은 기간 동안 높은 온도에서 열충격을 가했을 때 견디는 열적 안정성으로 평가한다.

참고문헌 (6)

Anderson, R. P., Brinkman, D. W., Goetzinger, J. W., "Long Term Storage Stabilities of Liquid Fuels," Proc. of the 2nd International Conference on, Stavinoha, L. L., Ed.; pp. 25-38. 1986.
Yim, E. S., Min, K. I., Jung, C. S, Na, B. K., Kim. J. K., "Study on oxidation properties of biodiesel blended fuels according to storage circumstances", J. of the Korean Oil Chemist, Vol. 30, No. 4, pp. 701-714, 2013.

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Meeker, W. Q., Escobar, L.A., "Statistical Methods for Reliability Data", John Wiley & Sons, New York, 1998.
Nelson, W., Accelerated Testing: Statistical Models, Test Plans, and Data Analyses, John Wiley & Sons, New York, 1990.
Meeker, W. Q., Escobar, L. A., and Chan, V, "Using Accelerated Tests to Predict Service Life in Highly Variable Environments", Service Life Prediction: Methodologies and Metrologies, Bauer, D. R., and Martin, J. W., Editors, American Chemical Society: Washington, 2001.
Alan, F., Larry, P., Fuel and Fuel System Material Compatibility Test Program for a JP-8+100 Fuel, Vol. 1, pp. 18, AFRL-PR-WP-YR-2000-2015, Air Force Resear- ch Laboratory, Ohio, USA, 2001.

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