오동현 / 한국화학융합시험연구원 영남본부 금속플랜트 팀장 – “국내 최초 수소유기박리 시험 실시, 플랜트 기자재 건전성 향상 기대”

한국화학융합시험연구원(KTR)이 국내 최초로 수소유기박리시험기를 도입, 고온고압 가스 환경에서 바이메탈에 발생될 수 있는 수소에 의한 균열 유무를 확인할 수 있는 시험이 가능하게 되었다. 특히 고온고압 환경에 사용되는 플랜트 기자재의 안정성을 평가하기 위해서는 필수적인 시험이나 그동안 국내 시험 기관의 부재로 해외에서만 시험검사를 받을 수밖에 없어 많은 시간과 비용이 소요되었다. 이제 KTR의 이 시험 설비 구축으로 국내 플랜트 기자재 제조업계가 시간과 비용 부담을 줄일 수 있을 것으로 기대된다. 이 시험 서비스를 수행하는 KTR 영남본부 금속플랜트팀 오동현 팀장을 만나봤다. 오 팀장은 조선해양기자재 KOLAS 인증지원사업을 수행하고 있으며, 700bar 수소충전소용 안전밸브 및 볼밸브 국산화 기술개발에도 참여하고 있다.<편집자주>

한국화학융합시험연구원에서 플랜트 기자재 신뢰성에 중요한 금속재료 시험 업무를 맡고 있는 곳이 영남본부 금속플랜트팀이라고 들었다. 어떤 업무를 수행하고 있나.

울산에 위치한 한국화학융합시험연구원(이하 KTR) 기간산업연구소 내 금속플랜트팀은 조선, 자동차, 중공업, 건설 등 기간산업을 중심으로 국내 주요산업분야에서 요구하는 금속재료 시험 및 연구개발을 수행한다.

첨단 분석 장비 및 전문 인력 등 인프라와 노하우로 석유화학, 원자력, 풍력을 비롯, 국내외 주요 프로젝트의 지정 시험기관으로서, 기업 신뢰성 확보 및 수출에 기여하고 있다.

특히 영남지역 내 최대 국제공인시험기관으로 금속재료물성, 화학성분분석, 표면처리 및 부식관련 다양한 공인 시험방법으로 매년 만여개 기업에 3만건 정도의 시험성적서 및 연구보고서를 발행하고 있다. 이밖에 지역 기업 기술개발을 위한 다양한 정부과제도 수행 중이며, 지난해부터는 조선 및 플랜트 경기 둔화에 따른 지역기어의 어려움 극복을 직접 돕기 위해 “조선해양플랜트 기자재 KOLAS 지원사업”도 수행 중이다.

최근, 국내 최초로 수소유기박리시험기를 도입, 플랜트 기자재에 대한 수소유기박리 시험을 실시한다고 들었는데, 어떤 시험인가.

수소유기박리, HID(Hydrogen Induced Disbonding)란 내식 수명 향상을 위해 cladding 또는 용접 등으로 표면처리 된 제품이 HP/HT(High Pressure/High Temperature) 수소분위기 조건에서 수소가 표면처리 경계면에 침투하여 균열을 발생, 최종적으로 박리파괴되는 현상을 말한다.

KTR이 국내 최초로 도입한 수소유기박리시험기는 고온고압 수소분위기 노출을 위해 특수 제작된 압력용기, 고온로, 온도제어 및 모니터링 시스템, 안전장치 등으로 구성되며, 화학플랜트 및 발전관련 설비에서 고온고압 가스분위기의 바이메탈에 발생될 수 있는 수소에 의한 경계부 균열발생유무를 악조건 하에서 재현하여 재료의 안정성을 평가하는 장비다.

ASTM G146 “Standard Practice for Evaluation of Disbonding of Bimetallic Stainless Alloy/Steel Plate for Use in High-Pressure, High-Temperature Refinery Hydrogen Service”에 따라 바이메탈 재료를 최대 300bar & 500℃까지 일정시간 노출 후 자동초음파 장치를 통해 내부 결함유무를 확인한다. 박리면적 및 분포와 관련하여 A부터 E까지(면적의 경우), 1에서 5까지(분포의 경우) 등급을 결정하고, 다시 시험편을 절단 연마하여 확대 조직사진을 통해 수소유기박리의 발생유무를 최종적으로 확인하여 수소유기박리현상을 규명한다. 또한 여러 산업현장에서 발생될 수 있는 고온고압 수소분위기에서 수소취성에 의한 파괴원인규명 및 모사시험 평가가 가능하다.

바이메탈 소재에 대한 것이라면 구체적으로 어떤 플랜트 기자재가 해당되는지.

바이메탈은 고온고압 계통이나 화학적 내부식성이 요구되는 각종 화공 플랜트에서 주로 요구되는 사양이며 일반적인 강재 위에 내식성, 내화학적 특성, 내마모성 및 열적 특성이 우수한 재료를 맞붙여 만드는 것으로 제조방법에 있어서는 육성 용접, 폭발접합, 압연공정 등이 있다.

이를 활용한 기자재는 대형 화학용 탱크, 유독성 가스난 산성 화학유체에 접촉되는 파이프류, 350℃ & 50bar 고온고압 수소분위기의 탈황설비 및 정련설비의 압력용기 등이 해당되는데, 스테인리스강 등 특수강재로 전체를 제조할 경우 고비용의 재료 부담이 들지만 직접적으로 극한환경에 노출되는 표면만 특수강재로 제작할 경우 원가 절감이 가능하다.

하지만 이러한 바이메탈의 제조과정에서 수소량 증가와  고온고압 수소분위기 등의 이유로 금속 내에서 용이하게 이동 가능한 확산성 수소가 결정입계나 비금속 개재물 등 내부 결함부에 집중되면서 미세균열 발생 및 성장을 일으키는 수소취성이 발생될 수 있으므로 이에 대한 세심한 주의가 필요하다.

특히 플랜트 기자재에 대한 수소유기박리시험의 중요성이 높은 이유는 무엇인가.

Refinery 또는 petrochemial 공정 등에서 고온고압 수소분위기 노출 및 냉각 반복으로 인한 수소에 의한 파괴 가능성을 평가하는 것은 안전성 측면에서 매우 중요하며, 대부분 해외 바이어들은 설계 및 제작단계에서부터 수소유기박리시험의 온도 및 수소 압력 조건을 제시하여 수소에 의한 결함발생 유무를 확인하도록 시방서를 통해 요구하고 있기 때문이다.

특히 국내의 경우에도 석유화학공장에서 배관 및 용기의 재질선정의 잘못으로 인한 수소취성에 의한 사고 발생 사례를 다수 확인할 수 있다.

이러한 수소취성을 막을 수 있는 재질 및 제조방법 선정으로 자칫 플랜트 현장에서 발생할 수 있는 대형사고를 예방할 수 있으며, 설비공정의 수명 및 고온고압 안전영역에 대한 lab스케일 정보 제공을 통한 안전성 확보가 가능하다는 점에서 그 중요성이 크다고 생각한다.

KTR의 이 시험서비스 개시로 기대할 수 있는 산업적 경제적 효과는.

화공 플랜트 기자재 업체가 주로 의뢰하는 이 시험서비스는 100% 수출목적이라고 할 수 있다. 하지만 지금까지 국내 시험 가능 기관의 부재로 모두 해외기관에 의뢰해 왔으며, 이에 따른 높은 비용은 물론, 의뢰-시험편처리-협의 등 시험과정에 적잖은 시간이 소요돼 관련기업이 어려움을 겪어 왔다.

때문에 지금까지 기업들은 관련 시험인프라 구축을 지속적으로 요청해 왔으며, KTR 영남본부는 “조선해양 도장표면처리 기반구축”사업을 통해 안전성이 확보된 최신 장비를 도입, 기업의 오랜 숙원을 해소할 수 있는 서비스가 가능하게 되었다.

KTR의 해당 시험 실시로 기업들은 기존 국외기관 이용 대비 약 절반 수준으로 비용절감이 가능해 졌으며 6주 이상 소요되는 기간도 4주 이내로 단축할 수 있게 되었다.

또 새로운 바이메탈 제조공법과 관련한 국내 연구개발 내용에 대한 정보 보안도 가능하게 되리라 생각한다.

무엇보다 수소유기박리시험기는 중소벤처기업부의 ‘연구장비 공동활용 지원사업’ 해당장비로 중소기업의 경우 바우처 구입을 통해 시험비용의 60∼70%까지 지원받을 수 있다.

다양한 시험인증이 필요한 플랜트 기자재 업체들에 당부하고 싶은 의견이 있다면?

발전설비, 플랜트, 조선 등 기자재의 설계수명을 보장하기 위한 수요자의 요구가 강화되고 있는 만큼, 재료선정 및 용접, 표면처리 제조공정 등의 부식문제, 수소취성 등 건전성 평가와 관련한 시험인증의 필요성은 앞으로 더욱 높아질 전망이다.

대부분 수출과 연관되는 플랜트 기자재의 시험인증 확대를 위해 KTR기간재산업연구소는 다양한 활동을 진행 중이다. 앞으로도 국내 최고 수준의 장비 및 전문 인력을 통해 새로운 국내외 기술규제에 적극 대응하고, 기업 어려움 해소를 돕기 위해 노력할 계획이다.

특히 ‘연구장비 공동활용 지원사업’을 통해 시험비용 지원도 받을 수 있는 만큼 우리 기업들의 많은 활용을 바란다.

개인적으로 이외에 하고 싶은 연구분야가 있다면?

기존 우리팀은 lab scale의 플랜트 설비 및 기자재 제조 관련 다양한 부식 및 수소 취성시험 중심의 업무를 수행해 왔지만, 장비 및 인력 투자를 통해 노후 플랜트 구조물들에 대한 field scale의 안전성 연구와 현장 부식 및 진단평가까지 업무영역을 확대 중이다.

이를 통해 국가 기간산업의 안전 확보에도 기여해 나가겠다는 목표를 가지고 있다.