Swagelok이 수소 취성에 대한 지식을 적용하는 방법

CRAIG GIFFORD:
Ask Swagelok에 오신 것을 환영합니다. 저는 Craig Gifford이며 오늘 Swagelok 선임 금속공학 과학자인 Buddy Damm이 함께 자리했습니다. 지금까지 수소 취성에 대해 설명을 드렸고, 오늘 논의할 내용 중 하나는 “Swagelok이 수소 취성에 대한 지식을 어떻게 활용하는가?”입니다.

BUDDY DAMM:
이는 정말 좋은 질문입니다. 첫 번째로 말씀드리고 싶은 것은 수소 경제와 시장이 매우 크게 발전하고 있다는 점입니다. 또한, 전 세계의 국책 연구소와 대학, 기업 내에서 연구 개발이 매우 역동적으로 진행되고 있습니다. 새롭게 발표되는 정보가 많으며, 이에 대해 잘 파악하려고 노력하고 있습니다. Swagelok은 고객과 면밀한 관계를 유지합니다. 또한, 수소 서비스에서 다수의 프로젝트 성공 사례가 있으며, 이를 통해 계속 배우고자 합니다.

재질을 선택하려고 시도할 때, 사용하는 도구 중 하나가 상대적 단면 감소율이라 부르는 방법입니다. 재질을 선택하여 파괴될 때까지 공기 중에서 인장력을 가하여 당기는 테스트를 진행하고, 단면적 감소율을 연성으로 측정할 수 있습니다. 수소 환경에서 같은 테스트를 반복하면 단면적 감소율이 더 낮아집니다. 수소 환경과 공기 사이의 이러한 상대적 차이를 백분율로 나타낼 수 있습니다.

예를 들어, 테스트 대상이 오스테나이트계 스테인리스강이라면, 이는 수소 서비스에서 가장 흔하고 유력한 합금입니다. 하지만 304 스테인리스를 테스트한다면, 상대적 단면 감소율이 약 50%밖에 되지 않을 것입니다. 316L을 테스트하면 실제로 약 80%가 될 것입니다. 이제 Swagelok에서는 합금 비율이 약간 더 높은 강화 316L을 사용하며 이는 상대적 단면 감소율이 90%까지 나옵니다.

CRAIG GIFFORD:
알겠습니다.

BUDDY DAMM:
다른 몇 가지 중요한 요소 중에서 용접이 있습니다. 고객 중 다수가 튜브를 서로 끝까지 용접합니다. 즉, 튜브를 Swagelok 부품에 용접합니다. 따라서, 그러한 용접에 따른 성능이 어떤지 이해해야 합니다. 수소 환경에서 용접을 테스트하면, 상대적 단면 감소율이 90%가 아니라 85% 정도가 됩니다. 그렇게 높다고 할 수는 없죠. 그래도 괜찮은 편입니다.

다른 우려 사항은 가공 경화입니다. Swagelok은 316 스테인리스강의 강도를 높이기 위해 가공 경화 또는 냉간 가공합니다. 이는 또한 더 높은 압력을 밀폐할 수 있기 때문입니다. 수소 환경에서 밀폐해야 하는 압력은 700 bar 또는 10,000 psi에 이를 수 있습니다. 냉간 경화된 Swagelok 제품을 테스트하면, 상대적 단면 감소율이 90%가 아니라 85%입니다.

CRAIG GIFFORD:
그럼 정말 좋군요.

BUDDY DAMM:
하지만, 당연히 실제 부품에서는 파괴가 발생할 때까지 하중을 받도록 설계하지는 않지요? 대신, 순환 압력 사이클이 외부에서 발생합니다. 순환 하중은 피로를 통해 손상을 누적시킵니다. 따라서, “수소가 피로에 어떤 영향을 주는가?”를 이해하는 것이 중요합니다.

304 스테인리스강을 테스트하여 공기 중과 수소 내에서 성능을 비교하면, 피로 사이클 수명의 약 90%가 손실됩니다. 합금 성분이 약간 더 좋은 316L을 테스트하면, 사이클 수명이 약 70% 손실됩니다.

CRAIG GIFFORD:
그럼 아직 상당하군요.

BUDDY DAMM:
하지만 큰 차이입니다. 응력을 관리할 수 있도록 적절한 구조 선택을 한다면, 이를 되돌릴 수 있습니다. 예를 들어, 응력을 적당히 줄인다면 사이클 수명이 10배까지 늘어납니다. 따라서, 진정한 게임 체인저가 될 수 있습니다.

CRAIG GIFFORD:
좋군요. 예. 설명해주셔서 감사합니다. 그리고 Ask Swagelok에 참여해주신 여러분께도 감사드립니다.