수소 손상, 수소유도균열, 수소기포화, 수소침식 알아보기

수소 손상(Hydrogen Damage)의 종류와 개념

수소 손상(Hydrogen Damage)은 수소존재하에 혹은 수소와 상호작용에 따라 금속에 기계적인 손상을 주는 현상으로 수소 유도 균열(HIC, Hydrogen Induced Cracking), 수소 기포화(Hydrogen Blistering), 수소 침식(Hydrogen Attack) 등으로 나뉜다.

 

산업 현장에서 수소 손상을 생각하지 않다가 추후 사고로 이어지거나 유지 보수 하는데 막대한 비용이 소모될 수 있기 때문에 주의가 필요하다. 특히 수소 손상과 관련된 조건의 환경에서 운영되고 있는 경우 배관 공사나 기타 공정에 많은 비용이 소모될 수 있으므로 주의가 필요하다. 

 

 

1. 수소유도균열(HIC, Hydrogen Induced Cracking)

수소유도균열이란 응력이 가해지고 있는 금속 중에 원자 상의 수소가 침입 후 확산하여 포성 파괴를 받는 현상을 말한다. 산세정, 전해, 부식 등에 따라서 생기는 수소가 침입하는 경우나 고온에서 수소와 접촉한 금속 등에 주로 발생한다.

 

주로 고장력강과 같은 미세조직을 가지고, 내부 응력이 높은 금속에는 이런 수소유도균열(HIC, Hydrogen Induced Cracking)이 발생하기 쉽다. 또한 수소유도균열은 -100℃~100℃에서 주로 발생하는 것으로 알려져 있다. 수소포화분할 시에는 인장 응력이 필요하며, 압축응력에서는 균열이 발생하지 않는 특징을 가지고 있다.

 

수소유도균열(HIC, Hydrogen Induced Cracking)을 방지하기 위해서는 SUS321 재질이나 SUS347 재질을 사용하기를 권고하며, 조직에 Inhibitor를 첨가하거나 카드뮴 등으로 금속 피복을 실시한다.

 

수소유도균열(HIC, Hydrogen Induced Cracking)

 

2. 수소 기포화(Hydrogen Blistering)

수소기포화란 금속 내부에 수소가 침투해서 축적된 결과 금속에 심한 변형을 일으키는 현상을 말한다.

 

주로 H2S가 존재하는 유정이나 수첨 탈황설비, 가스 흡수탑의 응축기 등에서 발생하며, 특히 저합금강에서 쉽게 발생하는 것으로 알려져 있다. 수소원자가 어떤 환경에서 강 중에 침입, 확산하게 되고, 비금속(MnS, Al2O3, SiO2 등)의 주변 틈에 수소분자로 석출한 경우에 발생한다.

 

이렇게 수소원자가 계속 들어가면 수천에서 수만 atm으로 압력이 높아지게 되며 외부 응력 없이도 최종적으로는 브리스터링 현상이 발생하게 되어 파괴된다.

 

수소브리스터링(Hydrogen Blistering)을 방지하기 위해서 킬드강 등 내부 조성이 균일한 재료를 사용하도록 하고 있으며, 니켈합금과 같은 금속 중에 수소 확산이 생기지 않는 재료를 사용하도록 한다.

또한, 페인트, 금속 코팅 등에 의한 피복을 하거나 음극 Inhibitor을 첨가한다.

 

3. 수소 침식(Hydrogen Attack)

수소침식이란 강 중의 탄화물(Fe3C)이 수소에 의해 환원되고, 메탄(CH4)이 발생되며 주로 입계가 침식하는 비가역적인 현상으로 금속의 강도, 탄성이 저하된다. 수소침식시 표면에서는 탈탄 현상이 일어나며, 내부에서는 수소가스 침투에 의한 메탄이 형성되며 지속적으로 피해를 입히게 된다.

 

주로 암모니아 합성공정, 석유화학공업의 수소첨가 공장에서 장시간, 고온고압의 수소에 접하는 탄소강이나 저 합금강에 생기기 쉽다.

 

가능한 Seamless 배관을 이용하여 용접부가 없는 관을 사용하도록 권고하고 있으며, 최근 Heavy Oil Desulfurization Unit Separator의 Down Sream pipe line에서 많이 발생한다고 한다.

 

따라서 수소침식은 압력과 온도가 높은 곳에서 심하게 발생되며, 탄소강이 200℃, 100Psi이상일 때 탄소강 속의 탄화철이 수소와 반응하여 고온 수소취성(High Temperature Hydrogen Attack)이 발생하게 된다.

 

이를 방지하기 위해 크롬(Cr), 몰리브덴(Mo) 등 탄화물 안정 원소를 첨가한 합금강을 사용하여 수소 침식을 방지/경감하도록 하고 있다.

 

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