수소는 미래의 연료입니다-. 그러나 이는 또한 금속 재료에 있어서 가장 가혹한 환경 중 하나이기도 합니다. 석유, 천연가스, 심지어 이산화탄소와는 달리, 수소 가스는 금속 벽을 예측 가능한 속도로 단순히 부식시키지 않습니다. 이는 훨씬 더 위험한 일을 합니다. 금속의 결정 구조에 침입하여 원자 사이의 결합을 대체하고 연성이 있고 견고한 스테인레스 스틸을 예고 없이 유리처럼 깨질 수 있는 깨지기 쉬운 재료로 변화시킵니다-. 이러한 현상을 HE(수소 취화)라고 하며, 이는 수소 경제에서 가장 중요한 재료 고장 메커니즘입니다.
오스테나이트계 스테인리스강(304L, 316L)은 HE-내성이 가장 높은 스테인리스 등급이지만 면역성이 없습니다. - ASME B31.12에 따라 60도 이상의 저압 수소 가스(1MPa 이하)로 제한됩니다.- 고압-수소 저장 및 운송(1MPa 이상)을 위해서는 니켈 합금(인코넬 625, 합금 825)이 필요합니다. 듀플렉스 및 페라이트계 스테인리스강은 일반적으로 가압 수소 서비스에 적합하지 않습니다.
전 세계가 수소 충전소, 친환경 수소 생산 시설, 수소 파이프라인을 건설하기 위해 경쟁하는 가운데 엔지니어와 조달 팀은 다음과 같은 중요한 질문에 직면합니다. 특정 응용 분야의 압력과 온도에서 수소를 안전하게 처리할 수 있는 스테인리스강 등급은 무엇입니까? 대답은 간단하지 않습니다. - 304, 316, 321, 347, 430, 2205 및 2507은 각각 수소에 매우 다르게 반응하며 잘못된 등급을 선택하면 몇 년이 아닌 몇 달 안에 치명적인 고장이 발생할 수 있습니다. 이 가이드는 완전한 정량적 답변을 제공합니다.
수소가 스테인레스강을 취약하게 만드는 방법
수소 취성은 수소 원자(분자가 아님)가 스테인리스강을 관통하여 내부 결함에 축적되어 취성 균열을 일으키는 엄청난 내부 압력을 생성할 때 발생합니다. - 인장 연성을 ~60%에서 10% 미만으로 감소시키고 소성 변형 없이 갑작스럽고 치명적인 파손을 일으킵니다.
실온에서 수소 가스(H2)는 안정적입니다. - H2 분자는 금속을 관통하지 않습니다. 침투하는 것은 원자 수소(H)이며, 이는 H2 분자가 금속 표면에서 해리될 때 형성되며, 이 과정은 자발적으로 발생합니다. (1) 높은 온도(200도 이상에서는 열 해리가 중요해짐); (2) 고압 하에서(수소 압력은 표면 흡착 속도를 증가시킵니다); (3) 황화수소 존재 시(H2S는 촉매로 작용하여 금속 표면에서 수소 원자 생성을 극적으로 가속화합니다. - 사워 가스 및 해상 수소 응용 분야에서 중요한 "수소 투과" 현상) (4) 전기도금, 음극 보호 또는 산 세척과 같은 전기화학적 공정 중(이러한 공정은 금속 표면에서 직접 원자 H를 생성합니다).
원자 수소가 스테인리스 스틸 표면에 들어가면 결정 격자를 통해 확산됩니다. 수소 원자는 작습니다. - 철-니켈-크롬 매트릭스를 통해 빠르게 이동합니다. 확산 속도는 결정 구조에 따라 크게 달라집니다. 오스테나이트(면-면심 입방체, FCC, 304/316/321/347에서 발견)는 수소 확산 속도가 낮고(D ⁻1² m²/s) 수소 용해도는 높습니다(격자에 수소를 가두어 둠). 페라이트(체-체 중심 입방체, BCC, 430에서 발견되고 듀플렉스 2205/2507의 페라이트 상에서 발견됨)는 높은 수소 확산 속도(D ⁻11 m²/s - 약 10배 더 빠름)와 낮은 수소 용해도(수소가 빠르게 통과함)를 갖습니다. 이러한 구조적 차이는 오스테나이트계 스테인리스강이 페라이트계 또는 이중 등급보다 HE에 더 잘 견디는 근본적인 이유입니다.
스테인레스강의 4가지 수소 취성 메커니즘
스테인레스 강의 수소 취성은 4가지 동시 메커니즘 - 수소-향상된 분리(HEDE), 흡착-유도 전위 방출(AIDE), 압력 이론 및 수소화물 형성 -을 통해 작동하며 모두 연성 및 강도를 감소시키지만 미세 구조 위치는 다릅니다. 지배적인 메커니즘은 합금 구성과 사용 온도에 따라 달라집니다.
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기구 |
작동 방식 |
영향을 받은 스테인리스강 |
온도 범위 |
심각성 |
|
HEDE(수소-향상된 분리력) |
H 원자는 결정립 경계 및 상 경계면에서 원자 결합 강도를 감소시켜 결정립 경계를 따라 균열 전파를 더 쉽게 만듭니다. |
모든 SS; 민감화된 304/316의 이전 오스테나이트 결정립계에서 특히 취약함 |
–100도 ~ +200도 |
높음 - 입계 균열 |
|
AIDE(흡착-유도 전위 방출) |
균열 팁에 흡착된 H는 표면 에너지를 감소시켜 전위 방출을 가능하게 하고 균열과 같은 분열-을 촉진합니다. |
오스테나이트계 SS(304L, 316L) - 변형- 유도 마르텐사이트 경로 |
–50도 ~ +100도 |
보통에서 높음 |
|
압력 이론(공허/함정 이론) |
H 원자는 MnS 개재물, 공극 및 2차- 입자로 이동합니다. H2 분자로 재결합하여 최대 1,000 MPa의 내부 압력을 생성하고 - 균열을 시작합니다. |
포함된 모든 SS(특히 표준 304/316의 MnS) 높은-황 등급에서는 더 나쁩니다. |
–50도 ~ +150도 |
높음 - 개재물 내부 균열 |
|
수소화물 형성 |
H 원자는 합금 원소(321의 Ti, 347의 Nb, 페라이트 SS의 Cr)와 반응하여 결정립 경계에서 부서지기 쉬운 금속 수소화물 상을 형성합니다. |
321(Ti-안정화), 347(Nb-안정화), 430(페라이트계 Cr 합금) |
150도 ~ 400도(수소화물 안정성 범위) |
보통 - 계면 균열 |
[출처] ASM 핸드북 Vol. 11: 고장 분석 및 예방(2002); San Marchi, C. 및 Somerday, BP "재료의 수소 호환성에 대한 기술 참조"(SAND2008-1163, Sandia National Laboratories, 2008).
결정 구조가 HE 저항의 핵심인 이유
오스테나이트 스테인리스강(FCC 결정 구조)은 다음과 같은 이유로 수소-취성-에 가장 강한 스테인리스강입니다. (1) 수소는 BCC 철보다 FCC를 통해 10배 더 느리게 확산됩니다. (2) 오스테나이트 격자는 수소를 고용체에 가두어 결함으로의 이동을 늦춥니다. (3) 높은 니켈 함량(304/316에서 8~10%)은 FCC 구조를 더욱 안정화시킵니다. BCC 페라이트는 수소의 빠른-확산 경로이기 때문에 페라이트계 스테인리스강(BCC) 및 이중강(페라이트 ~50% 함유)은 본질적으로 HE에 더 취약합니다.
The stacking fault energy (SFE) of the austenite phase is also critical. SFE measures the energy required to create a stacking fault (a plane where the regular crystal stacking sequence is interrupted) in the austenite lattice. High SFE austenite (>45 mJ/m²): 전위 교차-미끄러짐이 쉽고 연성 미세공극 유착에 의해 균열이 전파되며 - HE- 저항성이 더 높습니다. 낮은 SFE 오스테나이트(< 20 mJ/m²): planar slip predominates, localisation of strain into narrow bands, easier crack initiation - more HE-susceptible.
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스테인레스 스틸 |
결정 구조 |
SFE(mJ/m²) |
Ni 함량(%) |
H 확산율(상대) |
HE 저항 순위 |
|
304L (S30403) |
FCC(오스테나이트) |
~45–55 |
8–10.5 |
낮음(기준=1x) |
🥇 최고의 SS 등급 |
|
316L (S31603) |
FCC(오스테나이트) |
~55–70 |
10–14 |
304L 이하 |
🥇 최고의 SS 등급 |
|
321 (S32100) |
FCC(오스테나이트) |
~40–50 |
9–12 |
낮은 |
🥈 좋음(TiC 위험) |
|
347 (S34700) |
FCC(오스테나이트) |
~40–50 |
9–12 |
낮은 |
🥈 좋음(NbC 위험) |
|
304 (S30400) |
FCC(오스테나이트) |
~45–55 |
8–10.5 |
낮음(C 위험 높음) |
⚠️ 주의 (감작) |
|
316 (S31600) |
FCC(오스테나이트) |
~55–70 |
10–14 |
낮음(C 위험 높음) |
⚠️ 주의 (감작) |
|
2205 (S31803) |
FCC + BCC 이중 |
~50(오스테나이트) |
4.5–6.5 |
높음(페라이트=10배 빠름) |
⚠️ 주의 (페라이트) |
|
2507 (S32750) |
FCC + BCC 이중 |
~50(오스테나이트) |
6–8 |
높음(페라이트=10배 빠름) |
⚠️ 주의 (페라이트) |
|
430 (S43000) |
BCC(페라이트) |
N/A |
< 0.5 |
최고(BCC=빠름) |
❌ 권장하지 않음 |
[출처] SFE 값: ASM 핸드북 Vol. 1(속성 및 선택: 철, 강철 및 고성능 합금); H 확산 비교: San Marchi & Somerday, Sandia SAND2008-1163.
스테인레스강 등급별 수소취성 저항성
316L(UNS S31603)은 저압 수소 가스 서비스를 위한 최고의 -다목적 스테인리스강입니다. 304L(UNS S30403)은 허용되지만 동일한 조건에서 약간 더 높은 HE 민감성을 가지며. 321 347은 수소 서비스에서 316L에 비해 HE 이점을 제공하지 않습니다. - 실제로 니오븀/티타늄 탄화물이 도입됩니다. HE{10}}민감한 인터페이스. 듀플렉스 2205/2507 및 페라이트계 430은 가압 수소 서비스에 적합하지 않습니다.
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등급 |
UNS |
C 최대(%) |
니 (%) |
크롬(%) |
모(%) |
H2 압력 한계 |
H2 사용을 위한 최소 T |
ASME B31.12? |
액체 H2(-253도)? |
전반적인 HE 등급 |
|
304L |
S30403 |
0.03 |
8–10.5 |
18–20 |
0 |
~1MPa(10bar) |
60도 |
✅ 조건부 |
✅ 예 |
⭐⭐⭐⭐ 좋음 |
|
304 |
S30400 |
0.08 |
8–10.5 |
18–20 |
0 |
허용되지 않음 |
N/A |
❌ 목록에 없음 |
✅ 예(그러나 304L을 선호함) |
⭐⭐⭐ 주의 |
|
316L |
S31603 |
0.03 |
10–14 |
16–18 |
2–3 |
~1MPa(10bar) |
60도 |
✅ 조건부 |
✅ 예 |
⭐⭐⭐⭐⭐ 베스트 SS |
|
316 |
S31600 |
0.08 |
10–14 |
16–18 |
2–3 |
허용되지 않음 |
N/A |
❌ 목록에 없음 |
✅ 예(그러나 316L을 선호함) |
⭐⭐⭐ 주의 |
|
321 |
S32100 |
0.08 |
9–12 |
17–19 |
0 |
~1MPa(제한된 데이터) |
60도 |
✅ 조건부 |
✅ 예 |
⭐⭐⭐⭐ 조건부 |
|
347 |
S34700 |
0.08 |
9–13 |
17–19 |
0 |
~1MPa(제한된 데이터) |
60도 |
✅ 조건부 |
✅ 예 |
⭐⭐⭐⭐ 조건부 |
|
2205 |
S31803 |
0.03 |
4.5–6.5 |
21–23 |
2.5–3.5 |
< 0.1 MPa (1 bar) |
주변 |
❌ 목록에 없음 |
⚠️ DBTT 우려사항 |
⭐⭐ 권장되지 않음 |
|
2507 |
S32750 |
0.03 |
6–8 |
24–26 |
3–5 |
< 0.1 MPa (1 bar) |
주변 |
❌ 목록에 없음 |
⚠️ DBTT 우려사항 |
⭐⭐ 권장되지 않음 |
|
430 |
S43000 |
0.12 |
< 0.5 |
16–18 |
0 |
< 0.01 MPa |
N/A |
❌ 목록에 없음 |
❌ 아니요(RT 위의 DBTT) |
⭐ 피하세요 |
[출처] ASME B31.12-2019 표 IV-1(수소 배관 및 배관 재료). 압력 및 온도 제한은 절대적인 재료 제한이 아닌 서비스 조건입니다. 항상 프로젝트 사양을 확인하십시오. DBTT 데이터: ASM 핸드북 Vol. 1.
수소에서 저-탄소 등급(304L, 316L)이 필수인 이유
수소 서비스에서는 항상 304L 및 316L을 지정하세요. - 절대 304 또는 316 -를 지정하지 마세요. 탄소 차이(최대 0.03% 대 최대 0.08%)는 부식(L 등급의 일반적인 이유)에 관한 것이 아니라 수소 취성에 관한 것입니다. 표준 304/316의 탄소 함량이 높을수록 용접 또는 고온 서비스 중 결정립계의 크롬 탄화물(Cr²₃C₆) 밀도가 증가합니다.{11}} 이러한 탄화물 석출물은 주변 매트릭스에서 크롬을 고갈시켜(감작) 수소 축적 및 결정립계 균열에 선호되는 크롬- 고갈 영역을 생성합니다. L- 등급의 0.03% 탄소 제한은 이를 방지합니다.
엔지니어링 규칙 1 -수소 서비스에서는 항상 L-등급 스테인리스강(304L, 316L)을 지정하세요. 304와 304L(또는 316과 316L) 사이의 0.05% 탄소 차이는 용접이나 서비스 중에 입자 경계 크롬 탄화물이 형성되는지 여부를 결정합니다. 수소에서는 이러한 탄화물-풍부 결정립 경계가 균열 시작 지점입니다. 이 규칙은 압력이나 온도에 관계없이 모든 수소 서비스에 적용됩니다. - 수소와 접촉하는 스테인리스강에 대해서는 협상이 불가능합니다.-
321 및 347 - 티타늄 및 니오븀 안정화 등급은 어떻습니까?
321(티타늄-안정화) 및 347(니오븀-안정화) 오스테나이트 스테인리스강은 수소 서비스에서 316L보다 우수하지 않습니다. 이 물질은 304/316보다 감작에 잘 저항하지만 탄화티타늄(TiC)과 탄화니오븀(NbC)은 추가적인 2차-단계 입자/매트릭스 경계면-을 생성하고 수소 원자는 모든 2차상 경계면에 축적됩니다-. 인터페이스가 많을수록=수소 포집 장소가 많을수록=HE 위험이 높아집니다. 316L이 더 나은 선택인 일반 수소 서비스에는 사용하지 말고 높은-온도 강도(425도 이상)가 필요한 경우에만 321/347을 사용하세요. -
수소에서 321의 합법적인 응용 분야 중 하나는 425도 이상의 고온 기체 수소 서비스입니다. 여기서 TiC 침전물은 316L에 비해 우수한 크리프 강도를 제공합니다. 이러한 온도에서는 고온이 격자 밖으로 수소 확산(열 탈착)을 촉진하기 때문에 수소 취성이 덜 심각합니다. 그러나 425도 이하의 서비스에는 316L이 선호됩니다.
수소의 이중 및 페라이트계 스테인리스강
듀플렉스 스테인리스강(2205, 2507)은 염화물 응력 부식 균열 저항성이 우수함에도 불구하고 오스테나이트 등급보다 수소 취성에 더 취약합니다. 이중 스테인리스강의 페라이트 상은 수소 원자의 빠른-확산 고속도로 역할을 하며 페라이트에 농축된 수소는 일부 테스트에서 연성을 극적으로 감소시키며 - 수소 환경에서 페라이트-상 연성은 60~80% 감소합니다. ASME B31.12에는 이중 스테인리스강이 수소 배관에 허용되는 것으로 나열되어 있지 않습니다. 대신 오스테나이트계 등급이나 니켈 합금을 사용하십시오.
문제는 이중 미세구조 자체입니다. 대략 50%의 오스테나이트(FCC, 수소-저항성)와 50%의 페라이트(BCC, 수소-민감성)가 나란히 존재합니다. 페라이트 상을 통해 확산되는 수소 원자는 오스테나이트/페라이트 상 경계에 축적됩니다. 오스테나이트는 수소 용해도는 높지만 확산성은 낮기 때문에 - 수소 트랩 역할을 합니다. 오스테나이트/페라이트 계면은 농축된 수소 영역이 되어 상 경계를 따라 HEDE-형 입계 균열을 촉진합니다. 고압 수소 가스(최대 69MPa)의 2205에 대한 연구는 테스트된 모든 온도(–50도 ~ +100도)에서 연성이 크게 감소한 것으로 나타났습니다.
|
상태 |
304L 연성 손실 |
316L 연성 손실 |
2205 연성 손실 |
해석 |
|
기체 H2, 1MPa, 25도 |
낮음(~5~10% RA 손실) |
매우 낮음(~2~5% RA 손실) |
높음(~30~50% RA 손실) |
오스테나이트계 SS가 선호됨 |
|
기체 H2, 10MPa, 25도 |
보통(~15~25% RA 손실) |
낮음(~10~15% RA 손실) |
심각(~60~80% RA 손실) |
오스테나이트 필수; 이중 실패 |
|
기체 H2, 1MPa, 60도 |
매우 낮음(< 5% RA loss) |
최소(< 3% RA loss) |
보통(~25~40% RA 손실) |
온도는 오스테나이트를 보호합니다. 양면이 아닌 |
|
액체 H2, –253도, 1atm |
최소(순수한 H2, 해리 없음) |
최소(순수 H2) |
알 수 없음/측정할 수 없음 |
액체 H2에는 오스테나이트계를 사용하십시오. |
|
H2 + H2S(신맛), 모든 압력 |
중간 HE(H2S는 H 진입을 가속화함) |
중간 HE |
중증 HE(페라이트+H2S) |
니켈 합금 필요(ISO 15156) |
[출처] San Marchi, C. et al. "오스테나이트계 스테인리스강 유형 316 및 316L의 수소 호환성", Sandia National Laboratories SAND2007-7994(2008). 듀플렉스 2205 HE 데이터: Somerday, BP 외, ASTM STP 1517(2011).
수소 함유 페라이트계 스테인레스강(430) - 심각한 제한
페라이트계 스테인리스강 430(UNS S43000)은 0.01 MPa(0.1 bar) 이상의 압력에서 가압 수소 가스 서비스에 사용해서는 안 됩니다. BCC 결정 구조(높은 H 확산), 매우 낮은 니켈 함량(< 0.5%), and the absence of any FCC phase means hydrogen atoms diffuse rapidly through 430 and accumulate at chromium carbide grain boundaries. Additionally, 430 has a ductile-to-brittle transition temperature (DBTT) above room temperature - meaning it is already brittle at 20°C in the notch-impact test, before any hydrogen exposure. In hydrogen, its ductility drops to essentially zero.
DBTT 문제는 간과되는 경우가 많지만 매우 중요합니다. 430의 표준 샤르피 V-노치 충격 테스트에서는 동일한 온도에서 304L/316L의 충격 에너지가 200~300J인 것과 비교하여 20도(실온)에서 ~50~60J의 충격 에너지를 보여줍니다. 0도에서는 430 충격 에너지가 ~20–30 J - 경계선으로 떨어집니다. -20도(냉수 수소 서비스에서 가능)에서 430은 부서지기 쉽습니다. 수소 노출은 DBTT를 30~50도 위로 이동시킵니다. - 즉, 20도에서 거의 허용되지 않는 430 구성 요소가 수소 노출 후 30도에서는 위험할 정도로 부서지기 쉽습니다. 이것이 바로 수소 저장 및 운송 코드에서 430이 금지된 이유입니다.
표준 및 코드
ASME B31.12-2019는 수소 배관 시스템의 기본 설계 코드입니다. 이는 오스테나이트계 스테인리스강(304L, 316L, 321, 347)을 약 1MPa(1,000kPa, ~10bar)를 초과하지 않는 압력과 60도 이상의 온도에서 기체 수소 서비스로 제한합니다. 이는 수소 내 스테인리스강에 대한 가장 제한적인 표준이며, 미국 및 대부분의 국제 시장의 모든 수소 배관 프로젝트에 대한 최소 준수 요구 사항입니다.
|
합금 |
UNS |
ASME B31.12 등재? |
최대 H2 압력 |
최소 온도 |
메모 |
|
304L 스테인레스 스틸 |
S30403 |
✅ 예 |
~1MPa(10bar) |
60도(화씨 140도) |
최저 비용의 오스테나이트계 H2 등급 |
|
316L 스테인레스 스틸 |
S31603 |
✅ 예 |
~1MPa(10bar) |
60도(화씨 140도) |
H2 - Mo에 대한 BEST SS가 저항을 향상시킵니다. |
|
321 스테인레스 스틸 |
S32100 |
✅ 예 |
~1MPa(10bar) |
60도(화씨 140도) |
Only if high-T strength (>425도) 필요 |
|
347 스테인레스 스틸 |
S34700 |
✅ 예 |
~1MPa(10bar) |
60도(화씨 140도) |
Only if high-T strength (>425도) 필요 |
|
304 스테인레스 스틸 |
S30400 |
❌ 아니요 |
N/A |
N/A |
목록에 없음 - 304L 사용 |
|
316 스테인레스 스틸 |
S31600 |
❌ 아니요 |
N/A |
N/A |
목록에 없음 - 316L 사용 |
|
2205 듀플렉스 스테인레스 |
S31803 |
❌ 아니요 |
N/A |
N/A |
목록에 없음 - HE 문제 |
|
2507 슈퍼 듀플렉스 |
S32750 |
❌ 아니요 |
N/A |
N/A |
목록에 없음 - HE 문제 |
|
430 페라이트계 스테인레스 |
S43000 |
❌ 아니요 |
N/A |
N/A |
목록에 없음 - HE + DBTT 문제 |
|
인코넬 625 |
N06625 |
✅ 예(ISO 15156을 통해) |
무제한 |
-196도 |
고압-H2(1 MPa 이상)에 가장 적합 |
|
합금 825 |
N08825 |
✅ 예(ISO 15156을 통해) |
무제한 |
-196도 |
H2용 비용-효율적인 니켈 합금 |
[출처] ASME B31.12-2019, 표 IV-1(수소 배관 및 튜브 재료). 참고: 1MPa ≒ 10bar ≒ 145psi. 항상 프로젝트 사양과 비교하여 ASME B31.12의 최신 버전을 확인하십시오.
ISO 15156 / NACE MR0175
ISO 15156은 황화수소(H2S)와 수소를 모두 포함하는 환경인 신맛 -에 대한 오스테나이트 또는 이중 스테인리스강의 자격을 부여하지 않습니다. 산성 가스정과 해양에서 생산된 유체에서 수소는 부식 반응(H2S + Fe → FeS + 2H)의 부산물로 존재하며, 이 원자 수소는 순수 수소 가스보다 10~100배 더 높은 속도로 H2S-촉매 경로를 통해 강철로 들어갑니다. 산성 수소 서비스의 경우 ISO 15156 표 5에 따라 자격을 갖춘 니켈 합금(인코넬 625, 합금 825)이 필요합니다(- 스테인레스강이 아님).
중요한 차이점: 순수 수소 가스 서비스(수소 충전소, 수소 파이프라인) → ASME B31.12 사용 → 한도 내에서 허용되는 오스테나이트 스테인리스강. 산성 수소/H2S-함유 수소 서비스(해외 생산 유체, 산성 가스 유정, H2S가 포함된 정제소 수소 흐름) → ISO 15156 사용 → 니켈 합금 필요, 스테인리스강은 등재되지 않음. 이 두 범주 사이의 경계는 이 임계값보다 높은 0.05psia(0.0003MPa) - 이상의 H2S 분압이며, H2S는 수소 유입을 촉매하고 HE를 극적으로 가속화합니다.
API 620 / API 650 - 수소 저장 탱크
API 620 Annex Q는 저압 수소 저장 용기의 설계를 관리합니다.- 오스테나이트 스테인리스강(304L, 316L)은 API 620에 따라 액체 수소 저장(–253도) 및 저압 기체 수소 저장(최대 ~1.7 MPa)에 허용됩니다. 고압 기체 수소 저장(1.7 MPa 이상)의 경우 API 620에서는 ASME VIII Division 1 또는 2에 따른 압력 용기 설계가 필요하며 ASME에 따라 재료가 선택됩니다. B31.12. API 650은 가압 수소에 적용할 수 없는 대기-압력 저장 탱크-를 다룹니다.
자주 묻는 질문
Q: 304 스테인리스 스틸을 수소 서비스에 사용할 수 있나요?
A: 표준 304 스테인리스 스틸(UNS S30400)은 가압 수소 서비스에 권장되지 않습니다. 탄소 함량(최대 0.08%)으로 인해 용접 또는 고온 서비스 중에 감작(입계 크롬 탄화물 석출)에 취약해지며, 이로 인해 수소 노출 시 우선적으로 균열이 시작되는 크롬- 고갈 영역이 생성됩니다. 대신 304L(UNS S30403, 탄소 0.03% 이하)을 사용하세요. 304L도 ASME B31.12에 따라 약 1MPa 및 60도 이상의 온도로 제한됩니다. 더 높은 압력의 경우 316L(동일한 한계) 또는 Inconel 625(무제한 압력)로 업그레이드하십시오.
Q: 316L 스테인리스강의 수소 취성 임계값은 얼마입니까?
A: 316L 스테인리스강(UNS S31603)은 ASME B31.12-2019 표 IV-1에 나열된 대로 최대 약 1MPa(10bar) 및 60도 이상의 온도에서 기체 수소 서비스에 허용됩니다. 1 MPa 초과 또는 60도 미만에서 316L은 측정 가능한 연성 손실을 보여줍니다. - 신장률은 고압 수소에서 표준 ~60%에서 30-40%로 떨어질 수 있습니다. 316L의 몰리브덴(2~3%)은 주로 수소 보조 표면 균열에 대한 향상된 저항을 통해 수소 서비스에서 304L에 비해 약간의 이점을 제공합니다. 1 MPa 이상의 수소 압력의 경우 Inconel 625(UNS N06625)가 표준 업그레이드이며 ISO 15156에 따라 수소 서비스에서 무제한 압력 및 온도에 대한 인증을 받았습니다.
Q: 듀플렉스 스테인리스강(2205, 2507)이 수소에 권장되지 않는 이유는 무엇입니까?
A: 이중 스테인리스강 2205(UNS S31803) 및 2507(UNS S32750)은 염화물 응력 부식 균열 저항성이 우수함에도 불구하고 오스테나이트 등급 304L 또는 316L보다 수소 취성에 더 취약합니다. 페라이트 상(체심 입방 결정 구조, 미세 구조의 ~50%)은 오스테나이트 - 수소 원자가 페라이트를 통과하여 오스테나이트/페라이트 상 경계에 축적되는 것보다 약 10배 더 높은 수소 확산 속도를 갖습니다. 이러한 상 경계는 수소 노출 시 균열 시작 지점이 됩니다. 연구에 따르면 동일한 조건에서 316L의 5~25%에 비해 고압 수소(69MPa)에서 2205 연성 손실이 60~80%인 것으로 나타났습니다.{16}} ASME B31.12에는 이중 스테인리스강이 수소 배관에 허용되는 것으로 기재되어 있지 않습니다. - 오스테나이트 스테인리스강 또는 니켈 합금을 대신 사용해야 합니다.
Q: –253도에서 액체수소를 저장하는 데 가장 적합한 스테인리스강은 무엇입니까?
A: 304L 및 316L 오스테나이트 스테인리스강은 액체 수소 저장(-253도, 약 1atm)을 위한 표준 재료입니다. 극저온에서 액체 수소는 본질적으로 순수한 분자 H2입니다. - 원자 수소 해리가 발생하지 않아 주요 취성 메커니즘이 제거됩니다. 304L과 316L은 모두 -253도(일반적으로 150-250J, PSL-2 서비스의 최소 41J보다 훨씬 높은)의 우수한 Charpy V-노치 충격 인성을 가지며 ASME VIII Division 1 및 API 620 Annex Q에 따라 액체 수소 저장에 허용됩니다. 페라이트계 스테인리스강 430은 극저온 수소 서비스에 사용해서는 안 됩니다. - 연성-취성 전이 온도(DBTT)는 실온보다 높아 수소에 노출되기 전에 부서지기 쉽습니다.
Q: 수소 서비스에서 스테인레스 스틸에 적용되는 표준은 무엇입니까?
A: 수소 서비스의 스테인리스강에는 세 가지 표준이 필수입니다. (1) ASME B31.12-2019 - 수소 배관 및 배관 코드: 압력 및 온도 제한이 있는 허용 가능한 재료(304L, 316L, 321, 347 오스테나이트 SS)를 나열합니다. (2) ISO 15156 / NACE MR0175 - H2S- 베어링 서비스용 재료: 오스테나이트 또는 이중 스테인리스강을 나열하지 않습니다. 니켈 합금(인코넬 625, 합금 825)은 산성 수소 서비스에 적합한 재료입니다. (3) API 620 Annex Q / ASME VIII Division 1 - 저장 탱크 및 압력 용기: 수소 저장 탱크에 대한 재료 요구 사항을 관리합니다. 특정 프로젝트 관할권 및 애플리케이션에 적용 가능한 표준을 항상 확인하십시오.
Q: 수소가 스테인리스강을 부서지기 쉬운 이유는 무엇입니까?
A: 수소 취성은 3단계로 발생합니다. (1) 수소 가스(H2 분자)는 스테인레스 스틸 표면에서 원자 수소(H)로 해리됩니다. - 이는 고압, 고온 또는 H2S 존재 하에서 발생합니다. (2) 원자 수소 원자는 스테인레스 스틸 결정 격자로 확산됩니다. - 철-니켈-크롬 매트릭스를 통해 이동하여 결함 부위(결정립 경계, MnS 함유물 및 2차-상 입자 경계면)에 축적됩니다. (3) 이러한 트랩 사이트에서는 두 개의 수소 원자가 재결합하여 하나의 H2 분자를 형성합니다. H2 분자는 미세한 공극을 빠져나올 수 없어 10,000기압에 해당하는 최대 1,000MPa-의 내부 가스 압력을 생성합니다. 이 압력은 금속이 결정립 경계를 따라 균열되도록 합니다(HEDE 메커니즘). 결과: 연성은 ~60% 신장률에서 10% 미만으로 떨어집니다. 최대 인장 강도가 떨어집니다. 파손이 임박했음을 경고하기 위해 소성 변형 없이 파손이 약해집니다-. 이것이 바로 수소 취화가 특히 위험한 이유입니다. 치명적인 파손이 발생하기 전에는 아무런 경고도 제공하지 않습니다.
