이 개요에서는 수소 분배용 배관 시스템의 안전한 설계를 위한 권장 사항을 제공합니다.
수소는 휘발성이 매우 높은 액체로 누출될 가능성이 큽니다. 제어가 어려운 휘발성 액체라는 특성 때문에 매우 위험하고 치명적입니다. 이러한 특성은 재료, 개스킷, 밀봉재를 선택할 때뿐만 아니라 시스템 설계 시에도 반드시 고려해야 할 사항입니다. 본 논의는 기체 수소의 분배에 관한 것이며, 수소 생산, 액체 수소 또는 액체 수소(오른쪽 사이드바 참조)에 대한 내용은 다루지 않습니다.
수소와 H2-공기 혼합물을 이해하는 데 도움이 되는 몇 가지 핵심 사항을 알려드리겠습니다. 수소는 두 가지 방식으로 연소합니다. 바로 폭연과 폭발입니다.
폭연. 폭연은 화염이 혼합물을 통해 아음속으로 이동하는 일반적인 연소 방식입니다. 예를 들어, 수소-공기 혼합물의 자유 구름이 작은 점화원에 의해 점화될 때 발생합니다. 이 경우 화염은 초당 10피트에서 수백 피트의 속도로 이동합니다. 뜨거운 가스의 급격한 팽창은 구름의 크기에 비례하는 강도의 압력파를 생성합니다. 경우에 따라 충격파의 위력이 건물 구조물이나 경로상의 다른 물체를 손상시키고 인명 피해를 발생시킬 만큼 강력할 수 있습니다.
폭발합니다. 폭발이 일어나면 화염과 충격파가 초음속으로 혼합물을 통과합니다. 폭발파의 압력비는 일반 폭발보다 훨씬 큽니다. 이러한 증가된 힘 때문에 폭발은 사람, 건물 및 주변 물체에 훨씬 더 위험합니다. 일반적인 연소는 밀폐된 공간에서 점화될 때 폭발을 일으킵니다. 이러한 좁은 공간에서는 최소한의 에너지로도 점화가 가능합니다. 그러나 무한한 공간에서 수소-공기 혼합물이 폭발하려면 훨씬 더 강력한 점화원이 필요합니다.
수소-공기 혼합물에서 폭발파의 압력비는 약 20입니다. 대기압에서 20의 압력비는 300psi에 해당합니다. 이 압력파가 정지된 물체와 충돌하면 압력비는 40~60으로 증가합니다. 이는 정지된 장애물에 의한 압력파의 반사 때문입니다.
누출 경향. 수소 가스는 점도가 낮고 분자량이 작기 때문에 누출될 가능성이 높고, 다양한 물질에 스며들거나 침투할 수도 있습니다.
수소는 천연가스보다 8배, 공기보다 14배, 프로판보다 22배, 휘발유 증기보다 57배 가볍습니다. 따라서 실외에 설치했을 때 수소 가스는 빠르게 상승하여 확산되므로 누출 흔적을 거의 찾아볼 수 없습니다. 하지만 이는 양날의 검이 될 수 있습니다. 수소 누출 지점 위 또는 바람이 불어오는 방향에 있는 실외 설비에 용접 작업을 할 경우, 용접 전 누출 감지 조사를 하지 않으면 폭발이 발생할 수 있습니다. 밀폐된 공간에서는 수소 가스가 천장에서 상승하여 축적될 수 있으며, 이로 인해 지면 근처의 점화원과 접촉하기 전에 대량으로 축적될 가능성이 높아집니다.
우발적인 화재. 자연발화는 기체 또는 증기 혼합물이 외부 점화원 없이 자발적으로 발화하는 현상입니다. 이는 "자연 연소" 또는 "자발적 연소"라고도 합니다. 자연발화는 압력이 아닌 온도에 따라 발생합니다.
자동발화온도는 연료가 공기 또는 산화제와 접촉했을 때 외부 점화원 없이 자연적으로 발화하기 시작하는 최저 온도입니다. 단일 분말의 자동발화온도는 산화제가 없는 상태에서 분말이 자연적으로 발화하는 온도입니다. 공기 중 기체 상태의 수소(H2)의 자동발화온도는 585°C입니다.
점화 에너지는 가연성 혼합물을 통해 화염이 전파되기 시작하는 데 필요한 에너지입니다. 최소 점화 에너지는 특정 온도와 압력에서 특정 가연성 혼합물을 점화하는 데 필요한 최소 에너지입니다. 1기압의 공기 중에서 기체 H2의 최소 스파크 점화 에너지는 1.9 × 10⁻⁸ BTU(0.02 mJ)입니다.
폭발 한계란 공기 또는 산소 내 증기, 미스트 또는 분진의 최대 및 최소 농도를 말하며, 이 농도에서 폭발이 발생합니다. 폭발 한계는 환경의 크기와 형태, 그리고 연료의 농도에 따라 결정됩니다. "폭발 한계"라는 용어는 때때로 "폭발 한계"와 동의어로 사용되기도 합니다.
공기 중 수소 혼합물의 폭발 한계는 18.3 vol.% (하한) 및 59 vol.% (상한)입니다.
배관 시스템을 설계할 때(그림 1), 첫 번째 단계는 각 유체 유형에 필요한 건축 자재를 결정하는 것입니다. 그리고 각 유체는 ASME B31.3 단락에 따라 분류됩니다. 300(b)(1)에는 "소유자는 또한 D급, M급, 고압 및 고순도 배관을 결정하고 특정 품질 시스템을 사용해야 하는지 여부를 결정할 책임이 있습니다."라고 명시되어 있습니다.
유체 분류는 필요한 시험의 정도와 유형뿐만 아니라 유체 범주에 따른 여러 요구 사항을 정의합니다. 이에 대한 책임은 일반적으로 발주처의 엔지니어링 부서 또는 외부 엔지니어에게 있습니다.
B31.3 공정 배관 코드는 특정 유체에 어떤 재료를 사용해야 하는지 명시적으로 알려주지는 않지만, 강도, 두께 및 재료 연결 요구 사항에 대한 지침을 제공합니다. 또한 코드 서문에는 다음과 같은 두 가지 사항이 명확하게 명시되어 있습니다.
위의 첫 번째 단락, 즉 B31.3.3 단락을 좀 더 자세히 살펴보겠습니다. 300(b)(1)에는 다음과 같이 명시되어 있습니다. "파이프라인 설치 소유자는 이 규정을 준수하고 파이프라인이 속한 모든 유체 취급 또는 공정에 적용되는 설계, 시공, 검사, 시험 요건을 수립할 전적인 책임이 있습니다." 따라서 책임에 대한 기본 규칙과 유체 서비스 범주를 정의하는 요건을 살펴본 후, 수소 가스가 어디에 적용되는지 알아보겠습니다.
수소 가스는 누출 시 휘발성 액체처럼 작용하기 때문에 액체 취급에 관한 B31.3 범주에서 일반 액체 또는 M급 액체로 간주될 수 있습니다. 위에서 언급했듯이 유체 취급 분류는 소유자의 요구 사항이며, B31.3 3항 300.2 "유압 서비스" 섹션의 정의에 설명된 선택된 범주에 대한 지침을 충족해야 합니다. 일반 유체 서비스와 M급 유체 서비스에 대한 정의는 다음과 같습니다.
"일반 유체 서비스: 이 규정의 적용을 받는 대부분의 배관에 적용되는 유체 서비스입니다. 즉, D, M 등급, 고온, 고압 또는 고청정 유체에 대한 규정의 적용을 받지 않습니다."
(1) 이 액체의 독성은 매우 강하여 누출로 인해 극소량의 액체에 한 번 노출되는 것만으로도 흡입하거나 접촉하는 사람에게 즉각적인 치료 조치를 취하더라도 심각하고 영구적인 손상을 초래할 수 있습니다.
(2) 소유자는 파이프라인 설계, 경험, 운영 조건 및 위치를 고려한 후, 유체의 정상적인 사용에 필요한 요건이 작업자를 노출로부터 보호하는 데 필요한 기밀성을 제공하기에 충분하지 않다고 판단합니다.
위의 M 정의에서 수소 가스는 독성 액체로 간주되지 않으므로 (1)항의 기준을 충족하지 않습니다. 그러나 (2)항을 적용하면, “…배관 설계, 경험, 작동 조건 및 위치…”를 적절히 고려한 후 유압 시스템을 M급으로 분류할 수 있습니다. 소유자는 정상적인 유체 취급을 결정할 수 있습니다. 이러한 요구 사항은 수소 가스 배관 시스템의 설계, 시공, 검사, 점검 및 시험에 있어 더 높은 수준의 안전성을 요구하는 필요성을 충족하기에 불충분합니다.
고온 수소 부식(HTHA)에 대해 논의하기 전에 표 1을 참조하십시오. 이 표에는 수소 취성(HE)에 관한 6개의 문서를 포함하여 관련 법규, 표준 및 규정이 나열되어 있습니다. 수소 취성은 HTHA를 포함하는 일반적인 부식 이상 현상입니다. 수산화 반응(OH)은 저온 및 고온에서 발생할 수 있습니다. 부식의 한 형태로 간주되는 수산화 반응은 여러 가지 경로로 시작될 수 있으며 광범위한 재료에 영향을 미칩니다.
수소 부식(HE)은 다양한 형태를 가지며, 수소 균열(HAC), 수소 응력 균열(HSC), 응력 부식 균열(SCC), 수소 부식 균열(HACC), 수소 기포 발생(HB), 수소 균열(HIC), 응력 방향성 수소 균열(SOHIC), 진행성 균열(SWC), 황화물 응력 균열(SSC), 연질대 균열(SZC) 및 고온 수소 부식(HTHA)으로 나눌 수 있다.
수소 취성은 가장 간단하게 설명하면 금속 결정립계를 파괴하여 원자 수소가 금속 내부로 침투함으로써 연성을 저하시키는 현상입니다. 이러한 현상이 발생하는 방식은 다양하며, 각각의 명칭으로 구분됩니다. 예를 들어 고온 고압 조건에서 수소 취성이 발생하는 고온수소 취성(HTHA)과, 산성 부식으로 인해 수소 원자가 기체 형태로 생성되어 금속 내부로 침투하는 고체상 수소 취성(SSC)이 있습니다. 하지만 모든 수소 취성 사례에서 나타나는 궁극적인 결과는 동일합니다. 즉, 취성으로 인해 금속의 강도가 허용 응력 범위 이하로 떨어지게 되고, 수소의 휘발성을 고려할 때 이는 잠재적으로 치명적인 사고로 이어질 수 있습니다.
벽 두께 및 기계적 접합 성능 외에도 수소 가스 서비스용 재료를 선택할 때 고려해야 할 두 가지 주요 요소가 있습니다. 1. 고온 수소(HTHA) 노출, 2. 잠재적 누출에 대한 심각한 우려. 이 두 가지 주제는 현재 논의 중입니다.
분자 수소와 달리 원자 수소는 팽창할 수 있어 고온 고압에 노출되면 고온고압 열화(HTHA)가 발생할 수 있습니다. 이러한 조건에서 원자 수소는 탄소강 배관이나 장비 내부로 확산되어 금속 용액 속의 탄소와 반응하여 결정립계에서 메탄 가스를 생성합니다. 빠져나갈 수 없는 이 가스는 팽창하면서 배관이나 용기 벽에 균열을 일으키는데, 이것이 바로 고온고압 열화(HTGA)입니다. 그림 2에서 8인치 배관 벽에 발생한 균열과 파손을 통해 HTHA 결과를 명확하게 확인할 수 있습니다. 이는 공칭 규격(NPS) 배관 중 이러한 조건에서 파손되는 부분의 모습입니다.
탄소강은 작동 온도가 500°F(260°C) 미만으로 유지될 경우 수소 환경에 사용할 수 있습니다. 앞서 언급했듯이, 고온 수소화 사고(HTHA)는 수소 가스가 높은 부분 압력과 고온 상태에 있을 때 발생합니다. 수소 부분 압력이 약 3000psi(1360psi)이고 온도가 약 450°F(232°C) 이상일 것으로 예상되는 경우(그림 2의 사고 조건)에는 탄소강 사용을 권장하지 않습니다.
그림 3의 수정된 Nelson 도표(일부 내용은 API 941에서 발췌)에서 볼 수 있듯이 고온은 수소 강제력에 가장 큰 영향을 미칩니다. 탄소강을 최대 500°F의 온도에서 사용할 경우 수소 가스 부분압은 1000psi를 초과할 수 있습니다.
그림 3. 이 수정된 넬슨 차트(API 941에서 발췌)는 다양한 온도에서 수소 서비스에 적합한 재료를 선택하는 데 사용할 수 있습니다.
그림 3은 작동 온도 및 수소 분압에 따라 수소 공격을 방지하는 데 적합한 강재의 종류를 보여줍니다. 오스테나이트계 스테인리스강은 고온 수소 공격(HTHA)에 둔감하며 모든 온도와 압력 조건에서 만족스러운 재료입니다.
오스테나이트계 316/316L 스테인리스강은 수소 관련 용도에 가장 실용적인 소재이며 검증된 실적을 보유하고 있습니다. 탄소강의 경우 용접 중 잔류 수소를 소성하고 용접 후 열영향부(HAZ) 경도를 낮추기 위해 용접 후 열처리(PWHT)가 권장되지만, 오스테나이트계 스테인리스강에는 필수 사항이 아닙니다.
열처리 및 용접으로 인한 열적 영향은 오스테나이트 스테인리스강의 기계적 특성에 거의 영향을 미치지 않습니다. 그러나 냉간 가공은 강도 및 경도와 같은 오스테나이트 스테인리스강의 기계적 특성을 향상시킬 수 있습니다. 오스테나이트 스테인리스강으로 파이프를 굽히거나 성형할 때 재료의 소성 감소를 포함한 기계적 특성 변화가 발생합니다.
오스테나이트계 스테인리스강에 냉간 성형이 필요한 경우, 용체화 열처리(약 1045°C까지 가열 후 급랭)를 통해 재료의 기계적 특성을 원래 값으로 복원할 수 있습니다. 또한 냉간 가공 후 발생하는 합금 편석, 민감화 및 시그마 상을 제거할 수 있습니다. 용체화 열처리를 수행할 때, 급속 냉각 과정에서 부적절한 처리가 이루어질 경우 재료에 잔류 응력이 다시 발생할 수 있으므로 주의해야 합니다.
H2 서비스에 적합한 재료 선택에 대해서는 ASME B31의 GR-2.1.1-1 배관 및 튜빙 조립체 재료 사양 색인표와 GR-2.1.1-2 배관 재료 사양 색인표를 참조하십시오. 파이프는 좋은 출발점입니다.
수소는 표준 원자량이 1.008 원자 질량 단위(amu)로 주기율표에서 가장 가볍고 작은 원소이기 때문에 누출될 가능성이 매우 높으며, 이는 잠재적으로 파괴적인 결과를 초래할 수 있습니다. 따라서 가스 파이프라인 시스템은 기계식 연결을 최소화하고 실제로 필요한 연결은 개선하는 방식으로 설계되어야 합니다.
누출 가능성을 최소화하려면 장비, 배관 요소 및 이음쇠의 플랜지 연결부를 제외하고 시스템 전체를 용접해야 합니다. 나사식 연결은 가능한 한 피해야 하며, 완전히 피하는 것이 좋습니다. 나사식 연결을 피할 수 없는 경우에는 나사산 밀봉제를 사용하지 않고 완전히 체결한 후 용접부를 밀봉하는 것이 좋습니다. 탄소강 파이프를 사용하는 경우 파이프 접합부는 맞대기 용접 후 용접 열처리(PWHT)를 해야 합니다. 용접 후 열영향부(HAZ)의 파이프는 상온에서도 수소 공격에 노출됩니다. 수소 공격은 주로 고온에서 발생하지만, PWHT 공정을 통해 상온에서도 수소 공격 가능성을 완전히 제거하거나 감소시킬 수 있습니다.
완전 용접 시스템의 약점은 플랜지 연결부입니다. 플랜지 연결부의 높은 밀폐성을 확보하기 위해 Kammprofile 가스켓(그림 4) 또는 다른 형태의 가스켓을 사용해야 합니다. 여러 제조업체에서 거의 동일한 방식으로 생산하는 이 패드는 내구성이 매우 뛰어납니다. 부드럽고 변형 가능한 밀봉재 사이에 톱니 모양의 금속 링이 끼워져 있는 구조입니다. 톱니는 볼트의 하중을 작은 영역에 집중시켜 스트레스를 줄이면서도 견고한 결합을 제공합니다. 또한 플랜지 표면의 불균형이나 변동하는 작동 조건에도 대응할 수 있도록 설계되었습니다.
그림 4. 캄프로파일 개스킷은 금속 코어가 부드러운 충전재로 양면에 접착되어 있습니다.
시스템의 안정성에 있어 또 다른 중요한 요소는 밸브입니다. 스템 씰과 바디 플랜지 주변의 누출은 심각한 문제입니다. 이를 방지하기 위해 벨로우즈 씰이 있는 밸브를 선택하는 것이 좋습니다.
아래 예시에서는 ASTM A106 Gr B에 따른 제조 공차, 부식 및 기계적 공차를 고려하여 1인치 School 80 탄소강 파이프를 사용하며, 최대 허용 작동 압력(MAWP)은 최대 300°F의 온도에서 두 단계로 계산할 수 있습니다. (참고: "...최대 300°F의 온도에서..."라는 이유는 ASTM A106 Gr B 재료의 허용 응력(S)이 온도가 300°F를 초과하면 저하되기 시작하므로 방정식 (1)을 300°F 이상의 온도에 맞게 조정해야 하기 때문입니다.)
공식 (1)을 참조하면 첫 번째 단계는 파이프라인의 이론적 파열 압력을 계산하는 것입니다.
T = 파이프 벽 두께에서 기계적, 부식 및 제조 공차를 뺀 값(인치).
이 과정의 두 번째 부분은 방정식 (2)에 따라 결과 P에 안전 계수 S f를 적용하여 파이프라인의 최대 허용 작동 압력 Pa를 계산하는 것입니다.
따라서 1인치 스쿨 80 재질을 사용할 경우 파열 압력은 다음과 같이 계산됩니다.
ASME 압력용기 권고사항 섹션 VIII-1 2019, 8항에 따라 안전계수 Sf 4가 적용됩니다. UG-101은 다음과 같이 계산됩니다.
결과적으로 최대 허용 작동 압력(MAWP) 값은 810psi입니다. 인치는 파이프에만 해당됩니다. 시스템에서 가장 낮은 정격을 가진 플랜지 연결부 또는 구성 요소가 시스템의 허용 압력을 결정하는 결정적인 요소가 됩니다.
ASME B16.5에 따르면, 150 탄소강 플랜지 피팅의 최대 허용 작동 압력은 -20°F ~ 100°F에서 인치당 285psi입니다. 클래스 300의 최대 허용 작동 압력은 740psi입니다. 이는 아래 재료 사양 예시에 따른 시스템의 압력 제한 계수가 됩니다. 또한, 수압 시험에서만 이러한 값은 최대 허용 작동 압력의 1.5배를 초과할 수 있습니다.
기본 탄소강 재질 사양의 예로, 설계 압력 740psi/인치 미만의 주변 온도에서 작동하는 H2 가스 서비스 라인 사양에는 표 2에 표시된 재질 요구 사항이 포함될 수 있습니다. 다음은 사양에 포함해야 할 주의가 필요한 유형입니다.
배관 자체 외에도 배관 시스템을 구성하는 요소는 이음쇠, 밸브, 라인 장비 등 다양합니다. 이러한 요소들은 나중에 자세히 다룰 예정이지만, 이 글에서는 모두 설명하기에는 지면이 부족합니다. 따라서 본 글에서는 이러한 요소들을 중점적으로 살펴보겠습니다.