FAQ: 수소 취성을 방지하는 방법

FAQ: 수소 취성 및 기타 수소 취급 문제를 방지하는 방법

Buddy Damm, Swagelok 선임 과학자

화석 연료로부터 독립. 지정학적 충돌로 인해 발생하는 에너지 위기. 기후 변화에 대응해야 할 긴급성의 증가. 이는 실현 가능한 대체연료의 탐색을 촉진하는 몇 가지 이유 중 일부일 뿐입니다.

수소는 전도 유망한 해결책 중 하나입니다. 생산에서 최종 사용에 이르기까지 수소를 안전하고 신뢰성 높게 취급하는 것이 광범위한 애플리케이션에서 무공해 연료 공급원으로서 수소의 잠재성을 최대한 실현하는 데 핵심적인 요소입니다.

하지만, 수소의 밀폐와 운반에는 몇 가지 고유한 과제가 있습니다. 수소는 주기율표에서 첫 번째 원소로서, 양전하를 띠는 양성자 하나와 음전하를 띠는 전자 하나로 구성됩니다. 수소는 가장 작고 가벼운 원자입니다. 수소 경제를 개발하는 과정에서, 액체 상태와 기체 상태의 수소를 다루어야 합니다. 수소는 −252.9°°C에서 액화되며 액체 상태일 때 기체 상태보다 밀도가 약 140배 높습니다.−° 수소를 액체 상태로 운반하고 저장하는 것이 더 효율적이지만, 사용 시점에서 수소는 기체여야 합니다. 따라서, 수소 시스템에 사용되는 금속에 영향을 주는 현상이 두 가지 있습니다.

1. 저온 취성(Low-temperature embrittlement): 온도가 낮아질수록, 금속의 연성이 떨어집니다.
2. 수소 취성(Hydrogen embrittlement): 수소 원자가 금속 내부로 확산되어 취성을 발생시킬 수 있습니다.

여기에서, 취성(Embrittlement)이란 금속의 연성 감소와 대기 온도 및 실온 상태의 파괴 및 피로 내성에 비해 사용 환경의 파괴 및 피로 내성이 감소되는 것을 가리킵니다. 이 문제는 시스템 고장으로 이어질 수 있으며, 그 결과 안전 위협, 가동 중단 증가, 재정적 손실이 발생할 수 있습니다. 수소 산업이 계속 확장됨에 따라, 장기적이고 지속 가능한 연료 솔루션으로 수소가 폭넓게 도입되려면 이러한 시스템 구조 문제에 대응하는 것이 필수입니다.

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그렇다면, 수소 전문가는 어떻게 내구성 높은 수소 취급 시스템을 구축할 수 있습니까? 수소 밀폐에는 재질이 중요하다는 점을 반드시 기억해야 합니다. 특별한 조성의 고품질 스테인리스강으로 제조된 유체 시스템 은 수소 밀폐와 관련된 고유의 문제에 더 잘 대응할 수 있습니다. 다음 FAQ에서는 수소 밀폐 부품의 재질 선택에서 사용자가 고려해야 할 사항과 방법에 대해 설명합니다.

Q: 저온 취성이란 무엇입니까?

A: 저온 취성이란 온도가 낮아짐에 따라 연성, 인성 또는 피로 및 파괴 내성이 감소하는 것을 가리킵니다. 오스테나이트계(Austenitic) 스테인리스강은 저온 취성에 따른 피해가 미미하며, 페라이트계(Ferritic) 강철(저합금강 및 페라이트계 스테인리스강)은 더 취약합니다. 이러한 이유로, 액체 수소 시스템에서는 오스테나이트계 스테인리스강이 최적 표준입니다.

Q: 수소가 어떻게 금속에 침투합니까?

A: 수소 분자(H₂, 파란색)가 수소 원자(H, 빨간색)로 분리되어 금속에 침투할 수 있습니다. 수소 원자는 균열 선단과 같은 응력 집중점 또는 결정립계, 함유물 또는 침전물과 같은 미세구조 형상에 축적됩니다. 특정 상황에서 수소 원자는 이원자 수소로 재형성될 수 있습니다.

Q: 수소 취성이란 무엇입니까?

A: 수소 취성은 금속의 피로(fatigue) 내성과 파괴(fracture) 내성을 감소시키는 원인입니다. 초고강도 재질은 수소 취성에 더 심하게 영향을 받습니다.
 

스테인리스강이 일반적으로 대부분의 다른 금속보다 수소에 대한 호환성이 높지만, 수소 취성에 대한 내성이 모두 동일하지는 않습니다.

오스테나이트계 스테인리스강의 특징은 면심 입방 격자(FCC) 결정 구조와 적당한 강도, 본질적으로 높은 연성입니다. 또한, 일반적으로 대부분의 다른 금속보다 수소에 대한 호환성이 높지만, 수소 취성에 대한 내성이 모두 동일하지는 않습니다.

Q: 더 취약한 스테인리스강을 사용함에 따라 발생할 수 있는 결과는 무엇입니까?

A: 수소 취성에 더 취약한 재질을 선택하면 시스템 무결성이 손상될 가능성이 더 높아집니다.

피로 내성 감소(Fatigue capability reduction)가 연성 손실(ductility loss)보다 더 큰 문제입니다. 연성이란 재료가 파괴되기 전까지 인장 응력(tensile stress) 하에서 소성 변형(plastic deformation)을 견딜 수 있는 정도를 가리킵니다. 부품을 적절하게 설계하면 부품이 소성 변형으로 이어지는 응력에 노출되지 않습니다. 대신, 압력 사이클로 인한 주기적 부하, 진동 또는 기타 사용 부하는 피로(반복적인 응력 또는 부하로 인한 강철의 약화)로 인해 서서히 누적되는 손상 및 파괴를 일으킬 수 있습니다. 재질이 수분과 같은 부식성 환경 요인에 노출된다면 시스템 또는 부품의 고장 가능성이 더욱 높아질 수 있습니다.

물론, 부품 고장은 다음과 같이 여러 바람직하지 않은 결과로 이어질 수 있습니다.

Q: 고품질 스테인리스강과 품질이 낮은 제품을 어떻게 구분할 수 있습니까?

고품질 스테인리스강에는 더 높은 수준의 니켈이 함유되어 있어, 특히 긴 사용 기간 동안 H₂를 취급하는 데 훨씬 적합함이 검증되었습니다.

미국 재료시험협회(ASTM: American Society for Testing and Materials)는 316 스테인리스강 조성에 최소 10%의 니켈 함량을 요구하지만, 수소와 같은 특수한 환경에는 최소 12%의 니켈이 함유된 316 스테인리스강이 더 적합합니다. 니켈 성분은 스테인리스강의 미세 구조를 안정화함으로써 수소 취성에 대한 내성을 높여줍니다. Swagelok은 자체 테스트에서 니켈 함량 12%인 316 스테인리스강의 인장 연성에 대한 수소 취성의 영향이 미미함을 발견했습니다.

니켈 함량이 최소 12% 이상인 316 스테인리스강은 수소 고유의 문제에 대응하는 데 더 적합합니다.

니켈 함량이 높은 316 스테인리스강이 일반적으로 수소 시스템을 구축할 때 매력적인 선택이지만, 재질 강도 또는 부식 내성을 우선해야 하는 경우와 같은 특정 애플리케이션에서는 성능 기준에 따라 다른 재질을 선택하는 것이 더 나은 옵션일 수 있습니다. 이러한 경우 적절한 시스템 설계와 유지보수를 통해 취성을 방지할 수 있습니다. Swagelok은 수소가 다른 함금에 끼치는 영향을 지속적으로 연구, 파악하고 있으므로 귀사가 현명한 결정을 내리도록 도울 수 있습니다.

Q: 고품질 재질을 선택했다는 것을 어떻게 확신할 수 있습니까?

특히 발전하는 수소 업계에서 다양한 유체 취급 애플리케이션에 최적의 재질을 구분하는 것은 까다로울 수 있습니다. 하지만, 올바르게 선택하는 것이 중요합니다. 수소 취급 시스템에 어떤 재질을 지정하는지에 따라 장기적인 영향이 있습니다. 가장 중요한 점은 잘못 선택할 경우 더 깨끗하며 신뢰성 높고 실현 가능한 미래의 연료 공급원으로서 수소의 평판을 훼손할 수 있습니다.

재료과학에 대한 면밀한 지식을 검증할 수 있고, 수소 애플리케이션에 사용되는 제품을 성공적으로 개발해온 공급자를 찾으십시오. 도움이 필요하다면, Swagelok 수소 전문가 팀이 기꺼이 귀사 애플리케이션에 최적의 재질을 선택하고 귀사 요구 사항을 충족하는 솔루션을 찾을 수 있도록 지원할 것입니다.

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