수소취성

왜 배우는가: 수소취성은 고온·고압 수소를 취급하는 석유화학·정유 설비에서 배관과 용기가 예고 없이 취성 파괴되는 대표적 재료 손상이다. 수소경제 확대로 수소 취급 설비가 늘면서 재질 선정 기준이 더 중요해졌고, 기출에서도 원인·방지대책과 재질 선정 조건을 묻는 형태로 반복 출제되었다.

출제 이력: 제119회 4교시 2번, 제111회 2교시 1번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

수소취성은 금속 내부로 흡수된 확산성 수소가 연성과 인성을 떨어뜨려 응력이 낮은 상태에서도 취성 균열이 생기는 현상이다.

• 수소취성(hydrogen embrittlement, HE)
• 확산성 수소(diffusible hydrogen)
• 수소유기균열(hydrogen-assisted cracking, HAC)
• 수소유도균열(hydrogen-induced cracking, HIC)
• 고온수소취화(high-temperature hydrogen attack, HTHA)
• 킬드강(killed carbon steel)
• 수소경제(hydrogen economy)

2. 개념 풀이

쉬운 말로 하면, 수소가 쇠 속에 스며들어 쇠를 물러지게 만드는 현상이다. 수소 원자는 매우 작아 고체 금속 격자 사이를 통과할 수 있다. 금속 속으로 들어간 수소는 결함이나 결정립계 근처에 모여 균열이 시작되고 전파되는 데 필요한 응력을 낮춘다.

정식 정의는 다음과 같다. 수소취성은 흡수된 수소로 인해 금속의 연성이 감소하여 균열이 시작되고 전파되는 현상이다. 수소 원자가 금속 내부에서 확산 가능한 상태로 존재해야 하며, 여기에 인장응력 같은 기계적 응력이 함께 작용해야 발생한다.

확산성 수소는 격자 간격에 용해되어 이동할 수 있는 수소다. 트랩(trap) 자리에 머무르는 수소보다 취성 민감도에 더 큰 영향을 준다. 수소는 전착, 산세척, 부식 반응, 고압 수소 분위기 등에서 금속 내부로 들어간다.

수소유기균열(HAC)은 응력이 작용하는 상태에서 수소에 의해 지연 균열이 생기는 형태를 가리키며, 수소유도균열(HIC)은 압연 과정에서 생긴 개재물 주변에 수소가 모여 계단형으로 갈라지는 형태를 가리킨다. 두 용어는 원인 기구가 다르므로 구분해 쓴다.

고온수소취화(HTHA)는 수소 취성과 다른 현상이다. 고온에서 강 속 탄소가 수소와 반응해 메탄으로 빠져나가 탈탄과 강도 저하가 생기는 손상이다. 상온 부근에서 일어나는 수소취성과 온도 조건이 다르므로 답안에서 혼동하지 않도록 한다.

3. 등장 배경과 필요성

수소 취성의 기본 현상은 19세기부터 알려졌다. 산업적으로 문제가 된 계기는 정유 공장의 수소화 분해·수소화 탈황 공정이 늘어나면서부터다. 이들 공정은 고압 수소를 고온에서 다루므로 설비 재질과 운전 조건을 함께 관리해야 한다.

최근에는 수소경제가 성장하면서 수소 생산·저장·운송 설비가 빠르게 늘고 있다. 수소경제는 수소를 주요 에너지원으로 쓰는 경제산업구조를 말하며, 이 용어는 1970년 존 벅크리스(John Bockris)가 처음 사용했다. 수소를 다루는 설비가 많아질수록 수소취성에 의한 배관·용기 파손 위험도 함께 커진다.

수소취성은 설계 단계에서 재질을 잘못 고르면 운전 중 예고 없이 취성 파괴로 이어진다. 따라서 화학설비 배관에서는 수소 분위기와 응력 조건을 먼저 평가하고, 그에 맞춰 재질·용접·열처리 기준을 정하는 것이 필요하다. 수소 분위기 운전 설비는 재질 선정의 출발점이다.

수소취성은 강철, 철, 니켈, 티타늄, 코발트 및 그 합금에서 두드러지게 나타난다. 구리, 알루미늄, 스테인리스강은 상대적으로 덜 민감하다. 고강도 재료일수록 취약하며, 상온 부근에서 민감도가 가장 크고 대부분의 금속은 상온보다 높은 온도에서 상대적으로 안전하다.

4. 구성요소·원리·절차

수소취성은 수소 원자가 금속 내부로 확산해 들어가고, 인장응력이 함께 작용할 때 균열이 시작되고 전파되는 현상이다. 수소가 없거나 응력이 없으면 성립하지 않으므로 두 요인을 함께 끊는 것이 방지의 출발점이다.

수소가 금속에 들어가는 경로는 두 가지다. 첫째는 부식 반응에서 생긴 발생기 수소(nascent hydrogen)가 표면에서 흡수되는 것이다. 황화물이나 시안화물이 있으면 수소 원자의 표면 재결합이 억제되어 흡수가 늘어난다. 둘째는 고온 고압의 수소 가스가 해리되어 금속에 들어가는 것이다. 이 경우는 고온 수소 침식(HTHA)과 구분해야 한다.

원리는 두 단계로 설명한다. 격자에 녹은 수소는 결함과 입계 같은 트랩 사이석으로 모이며, 응력이 집중된 곳에서 수소가 결합력을 떨어뜨린다. 그 결과 소성변형 없이 취성 파괴가 일어난다. 금속 내부에서 수소 기포가 만들어져 압력을 높이는 경로도 있다.

수소취성 방지 절차는 다음 순서로 적용한다.

• 수소 발생원과 환경(H2S, 산, 고압 수소)을 조사한다.
• 재질을 선정하여 감수성을 낮춘다. 저탄소 킬드강, 오스테나이트계 스테인리스강 등을 쓴다.
• 용접부와 성형부의 경도를 제한하고 용접 후 열처리를 실시한다.
• 잔류응력과 설계 응력을 낮춘다.
• 부식억제제, 도금 조건, 운전 온도를 관리한다.
• 점검 주기를 정해 균열 발생 여부를 비파괴검사로 확인한다.

다음 도식은 수소취성이 성립하는 조건과 방지 방향을 보인다.

5. 관련 법령·기준·표준

수소취성을 직접 규정한 국내 법령 조문은 확인되지 않는다. 다만 화학설비 배관과 밸브의 재질은 산업안전보건기준에 관한 규칙에서 규정한다. 이 규칙 제259조는 화학설비 또는 그 배관의 밸브나 콕에 개폐 빈도, 위험물질의 종류·온도·농도 등에 따라 내구성이 있는 재료를 사용하도록 한다. 재질 선정의 법적 근거는 이 조항이다. 구체적 재질 기준은 KGS, 설계 규격(ASME B31.3 등)과 사업장 재질 선정 기준에 따른다.

재질 선정 기준은 다음과 같이 정리한다.

위 표의 경도 기준은 습성 황화수소 환경에서 널리 쓰는 기준이다. 적용 여부는 설계 규격과 재질 검토서로 정한다.

이 절의 기준 수치는 다음과 같다.

• 용접부 경도는 관련 기준 이하로 제한한다(습성 황화수소 환경).
• 응력 제거 열처리 후 잔류응력을 설계 응력 이하로 낮춘다.
• 재질 선정 시 킬드강 또는 동등 이상의 재질을 쓴다.

개정 연혁으로는 제259조의 재질 규정이 화학설비 안전 기준의 기본 조항으로 유지되고 있다.

6. 유형과 비교

수소취성은 수소가 금속 내부로 들어가는 경로와 손상 형태에 따라 여러 유형으로 나뉜다. 시험에서는 수소취성(HE), 수소유기균열(HAC/HIC), 고온수소취화(HTHA)를 함께 묻는 경우가 많아 세 가지를 구분해 쓸 수 있어야 한다. 아래 표는 발생 온도, 손상 기구, 대표 대책을 나란히 정리한 것이다.