수소가 금속에 미치는 영향: 수소 취성

기체 수소: 시험 요구사항과 저장 및 운송 과제.

수소 기술이 계속 발전하면서 재료 물성 시험은 새로운 과제에 부딪힙니다. 운송과 저장 과정에서 수소가 금속 재료에 미치는 영향(수소 취성) 때문에 수소는 반드시 종합적인 시험을 거쳐야 합니다. 파이프라인과 탱크는 기체 수소를 운송하는 주요 방법입니다. ASME B31.12는 수소 운송 파이프 및 파이프라인 시험의 최고 표준으로서 재료 물성 시험에서 중심적인 역할을 합니다.

기체 수소는 운송 전 또는 저장 목적으로 수소 탱크나 수소 실린더에서 압축(200~700bar)됩니다. 이 압력 수준에서 최대 안전성을 보장하려면 수소 취성에 대한 재료의 기계적 안정성이 보장되어야 합니다. 안전 요구사항을 최대한 충족하기 위해서는 사용하는 재료의 특성을 규명해야 합니다.
다량의 수소를 장거리로 운송하는 데는 파이프라인이 이상적입니다. 기존의 천연가스 파이프라인을 개조하면 효율적인 수소 운송 솔루션이 됩니다. 천연가스와 수소 모두에서 기존 인프라 최적의 사용을 위한 안전 기준 충족에서는 재료 특성 규명이 중요한 역할을 합니다. 수소를 천연가스와 혼합하는 것도 가능합니다. 새로운 인프라를 개발하고 적용할 때 수소 취성 성질 측면에서 사용되는 부품의 강도를 아는 것이 중요합니다.

수소 취성과 고압 수소 환경에서의 재료 거동은 새로운 재료의 품질 관리 및 개발에서 핵심적인 요소입니다.

표준화된 방법 압축 수소 환경에서의 시험 솔루션 안전 기준 흥미로운 고객 프로젝트

ZwickRoell 시험 솔루션

재료 물성시험을 위해서는 정적 시험기와 최대 100kN의 서보유압 시험 시스템을 사용하여 수소 환경에서 최대 1000bar의 압력에서 인장 시험, 피로 시험 및 파괴 역학 조사를 수행합니다. (온도: -85° ~ +150°C).
또한, 액체 수소에서 재료의 파괴 거동은 저온(약 22K)에서 정적, 진동 및 크리프 하중을 가하며 측정해야 합니다. 이때 정적 시험기, 피로 시험기, 크리프 시험기를 사용합니다. 크리프 시험에 관한 상세정보.

ZwickRoell 시험 솔루션

수소의 영향을 받는 금속의 거동을 측정하기 위해 규격화된 시험법이 다수 사용됩니다. ZwickRoell은 이러한 유형의 시험에 적합한 시험 솔루션을 제공합니다.

ASTM F519 규격에서는 수소의 영향을 받는 고강도 금속 재료의 거동 (수소 취송, 도금 공정)을 평가하기 위해 지속적으로 하중을 가하는 기계적 시험법을 설명합니다.
ASTM F1624 규격에서는 수소의 영향을 받는 시간 지연 장애에 대한 고강도 금속 재료의 취약성을 측정하는 가속 시험법을 설명합니다.
ASTM E1681 규격에서는 금속 재료의 환경 기인 균열에 대한 하한계 응력확대계수를 정의합니다. 이 시험법은 ASME B31.12 규격에도 수소 환경에서의 파이프 시험 및 파이프라인 시험과 관련하여 명시되어 있습니다.

다음의 규격 시험은 기타 조건 중에서도 수소 환경에서 수행됩니다.

인장 시험: ASTM E8 금속 인장 시험 (ISO 6892-1도 적용)
크리프 시험: 금속 재료의 크리프, 크리프 파단, 응력-파단 시험을 위한 ASTM E139 가이드라인, 장력 상태에서의 ISO 204 단축 크리프 시험, 금속의 크리프 크랙 성장 시간 측정을 위한 ASTM E1457 규격 표준 시험법
SSRT (슬로우 스트레인 레이트 시험): ASTM G129, ASTM G142
크리프 피로/크리프 피로 크랙 성장 ASTM E2714, ASTM E2760
파괴 역학: ASTM E399 K1C 임계 응력 강도 계수, ASTM E1820, BS8571, ASTM E647 크랙 성장률
저주기 피로 / LCF: ASTM E606
고주기 피로 / HCF: DIN 50100, ASTM E466-15, ISO 1099
ISO 9015와 같은 시험– 아크 용접 조인트 경도 시험, ISO 22826 – 비커스 및 누프, ISO 2639 시험법에 따른 레이저 및 전자 빔으로 용접한 좁은 조인트의 경도 시험 – 탄화 및 경화 사례의 깊이 측정 및 확인

ASTM E1681

ASTM E1681에 따른 KIH 시험은 수소 환경에서 금속 재료의 하한계 응력확대계수 (KIH)를 측정하는 파괴 역학 시험입니다.

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ASTM F1624

ASTM F1624 표준은 수소 취성으로 인하여 시간 경과에 따른 파손에 대한 고강도 금속 재료의 취약성을 측정하는 가속 시험법을 설명합니다.

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ASTM F519

ASTM F519 표준은 고강도 금속 재료의 기계적 수소 취성 평가를 위한 시험법을 설명합니다.

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압축 수소 환경 시뮬레이션을 위한 시험 시스템 및 옵션

ZwickRoell은 파이프라인과 탱크가 수소로 인한 균열에 얼마나 취약한지를 정확하게 측정할 수 있는 솔루션을 제공합니다. 시험과 조사에서 알아낸 사실과 결과값은 수소 운송/저장 인프라의 파괴 역학 기반 설계 방법에 통합되어 구조 재료의 안전성을 최대로 보장합니다.

이러한 시험에서는 크리프 시험기, 정적 시험기, 최대 100kN의 서보 유압 시험 시스템을 사용합니다. 여러 시험 중 일부가 인장 시험, 피로 시험, 파괴 역학 조사입니다. 이들 시험은 수소 오토 클레이브(최대 400bar, 특수 버전은 최대 1,000bar) 또는 중공 시편 어댑터 (중공 시편 기술, 최대 200bar)를 통한 수소 환경에서 최대 압력 1,000bar, 온도 -85°C ~ +150°C에서 수행됩니다.

오토 클레이브 기술과 중공 시편 방법 비교

	오토 클레이브	중공 시편
장점	입증된 방법 표준화된 시편으로 시험	비용 절약 시험 시간 단축
단점	높은 비용 특히 고압, 저온에서 긴 시험 시간	시편 형태가 아직 표준화되지 않음 오토 클레이브 결과와의 상관관계를 측정해야 함