KR102244765B1 - 고압수소 환경에서의 피로시험 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 피로시험에 이용되는 일반적인 형태의 시편을 이용하는 대신 용기 형상의 시편을 이용하여 고압수소의 환경에서의 피로시험을 실시할 수 있도록 하는 피로시험 장치에 관한 것이다.
본 발명에 의한 상단으로부터 일정 깊이의 내입홈이 형성된 상태로 상단과 하단을 관통하는 복수 개의 공급홀이 형성된 덮개에 의해 개폐되는 내부 챔버, 내입홈에 내입된 상태로 유압에 의해 팽창 또는 수축하는 유압 튜브, 복수 개의 공급홀 중 어느 하나 이상을 통해 상기 내입홈에 수소를 주입하는 공급부, 다른 하나 이상의 공급홀을 통해 유압으로 상기 유압 튜브를 팽창 또는 수축시키는 유압 펌프 및, 내부 챔버가 내입되는 외부 챔버를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.

Description

고압수소 환경에서의 피로시험 장치{Fatigue test device in high pressure hydrogen environment}

본 발명은 고압수소의 환경에서의 피로시험을 위한 용도로 사용되는 장치에 관한 것으로써, 보다 상세하게는 피로시험에 이용되는 일반적인 형태의 시편을 이용하는 대신 용기 형상의 시편을 이용하여 고압수소의 환경에서의 피로시험을 실시할 수 있도록 하는 피로시험 장치에 관한 것이다.

일반적으로, 재료의 수소취성을 시험하기 위해서는 그 재료로 구성된 시편을 수소에 침지하는 등 고압수소 환경을 조성한 상태에서 인장시험기 등을 이용하여 그 시편에 외력을 가할 수 있어야 하나, 현재 국내에서는 관련 장비의 부족과 예산의 부족 등을 이유로 재료의 수소취성 시험의 실시가 가능한 기관의 수가 매우 적은 상태이다.

따라서, 기존의 수요에 더하여, 고압수소를 생산, 운송 또는 저장하기 위한 장치에 사용되는 재료에 대한 수소취성 시험의 수요가 증가하고 있는 현상황에서는 수소취성 시험의 즉각적이고 반복적인 실시가 어려운 실정이며, 이러한 상황과 관련하여 대한민국 등록특허공보 제10-2154632호의 “금속의 수소취성 시험장치”가 제안되어 공개된 바 있다.

구체적으로, 상기 대한민국 등록특허공보 제10-2154632호에는 하우징의 내부에 금속시험시편을 설치하고, 그 내부의 공간부로 고압의 수소를 공급하여 수소 분위기를 조성한 후 그 금속시험시편을 인장함으로써 수소 분위기에 노출된 금속의 금속의 특성 변화를 측정할 수 있도록 구성됨과 동시에 열교환장치의 작동으로 상기 공간부 내의 온도를 조절할 수 있도록 구성되어 다양한 실험조건을 조성할 수 있는 장치에 관한 발명이 제안되었다.

특히, 상기 발명은 본 발명의 출원인이 출원하여 특허 등록된 발명으로써, 재료의 수소취성을 안정적이고 효율적으로 시험할 수 있도록 하는 효과를 얻을 수 있고, 구조가 비교적 단순하게 구성되는 등 비용의 절감에도 효과가 있어 상기한 문제의 해결에 상당한 도움이 될 수 있다.

그러나 본 발명의 출원인은 재료의 수소취성을 안정적이고 효율적으로 시험할 수 있도록 하는 장치의 다양화를 도모하고자 하며, 그 방안 중의 하나로써, 피로시험의 실시에 사용되는 일반적인 형태의 시편을 대신하여 내부에 고압수소를 저장 가능한 챔버 형태의 시편을 피로시험의 실시에 이용하는 새로운 형태의 장치를 제시하고자 한다.

대한민국 공개특허공보 제10-2006-0030540호(2006. 04. 11)

본 발명에 의한 고압수소 환경에서의 피로시험 장치는 상기와 같은 문제점들을 해결하기 위해 제안된 발명으로써,

현재 국내에서는 관련 장비의 부족과 예산의 부족 등을 이유로 재료의 수소취성 시험의 실시가 가능한 기관의 수가 매우 적은 상태이므로, 기존의 수요에 더하여, 고압수소를 생산, 운송 또는 저장하기 위한 장치에 사용되는 재료에 대한 수소취성 시험의 수요가 증가하고 있는 현상황에서는 수소취성 시험의 즉각적이고 반복적인 실시가 어려운 문제가 있고,

상기한 문제의 해결과 함께 재료의 수소취성을 안정적이고 효율적으로 시험할 수 있도록 하는 장치의 다양화가 요구되고 있기 때문에, 이에 대한 해결책을 제시하는 것을 그 목적으로 한다.

본 발명은 상기와 같은 목적을 실현하고자,

상단으로부터 일정 깊이의 내입홈이 형성된 상태로 상단과 하단을 관통하는 복수 개의 공급홀이 형성된 덮개에 의해 개폐되는 내부 챔버; 상기 내입홈에 내입된 상태로 유압에 의해 팽창 또는 수축하는 유압 튜브; 상기 복수 개의 공급홀 중 어느 하나 이상을 통해 상기 내입홈에 수소를 주입하는 공급부; 다른 하나 이상의 공급홀을 통해 유압으로 상기 유압 튜브를 팽창 또는 수축시키는 유압 펌프; 및, 상기 내부 챔버가 내입되는 외부 챔버; 를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 고압수소 환경에서의 피로시험 장치를 제시한다.

본 발명에 의한 고압수소 환경에서의 피로시험 장치는,

피로시험의 실시에 사용되는 일반적인 형태의 시편을 대신하여 내부에 고압수소를 저장 가능한 챔버 형태의 시편을 피로시험의 실시에 이용하는 새로운 형태의 장치를 제시하여, 수소취성 시험의 즉각적이고 반복적인 실시가 어려운 문제를 해결함과 동시에 장치의 형태를 다양화할 수 있는 효과가 발생한다.

도 1은 본 발명에 의한 고압수소 환경에서의 피로시험 장치의 외부 사시도.
도 2a 및 도 2b는 본 발명의 내부 챔버의 내부에서 유압 튜브가 팽창하는 모습을 나타낸 예시도.
도 3은 본 발명의 공급부와 유압 펌프의 구성을 나타낸 구성도.
도 4는 본 발명의 내부 챔버가 외부 챔버에 내입된 상태를 나타낸 예시도.

본 발명은 고압수소의 환경에서의 피로시험을 위한 용도로 사용되는 장치에 관한 것으로써,

상단으로부터 일정 깊이의 내입홈이 형성된 상태로 상단과 하단을 관통하는 복수 개의 공급홀이 형성된 덮개에 또의해 개폐되는 내부 챔버(100); 상기 내입홈에 내입된 상태로 유압에 의해 팽창 는 수축하는 유압 튜브(110); 상기 복수 개의 공급홀 중 어느 하나 이상을 통해 상기 내입홈에 수소를 주입하는 공급부(120); 다른 하나 이상의 공급홀을 통해 유압으로 상기 유압 튜브(110)를 팽창 또는 수축시키는 유압 펌프(130); 및, 상기 내부 챔버(100)가 내입되는 외부 챔버(140); 를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 고압수소 환경에서의 피로시험 장치에 관한 것이다.

이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 상세히 설명하고자 한다.

우선, 도 1에 도시된 바와 같이, 상기 내부 챔버(100)는 용기 형상의 구성물로써 상단으로부터 일정 깊이의 내입홈이 형성된 본체가 덮개에 의해 개폐될 수 있는 형태로 구성되어 그 내부에 수소와 유압에 의한 고압수소 환경이 형성될 수 있도록 한다.

따라서, 상기 내부 챔버(100)는 본체의 상단에 플랜지가 형성되고, 덮개의 하단에는 플랜지가 형성되어 그 둘의 일체화와 기밀성의 확보를 위한 용도로 사용될 수 있으며, 볼트와 너트를 이용한 방식 등으로 본체와 덮개가 일체화된 상태에서 그 내부에 고압수소 환경을 형성하기 위한 복수 개의 공급홀이 덮개의 상단과 하단을 관통하는 형태로 형성된다.

또한, 상기 유압 튜브(110)는 튜브형 구성물로써, 도 2a 및 도 2b에 도시된 바와 같이 상기 내입홈에 내입된 상태로 유압에 의해 팽창하거나 수축하며 수소가스의 유입에 의한 고압수소 환경의 형성을 더욱 가속화하거나 그 고압의 상태를 저압의 상태로 완화시킬 수 있도록 한다.

즉, 상기 내부 챔버(100) 내부에 형성되는 고압수소 환경은 그 내부 챔버(100)의 내부로 주입되는 수소가스와 상기 유압 튜브(110)의 팽창에 의해 형성되며, 이와 같은 구성은 도 3에 도시된 바와 같이 내부 챔버(100)의 덮개에 형성되는 복수 개의 공급홀 중 어느 하나 이상을 통해 상기 내입홈에 수소가스를 주입하는 공급부(120)와 다른 하나 이상의 공급홀을 통해 유압으로 유압 튜브(110)를 팽창 또는 수축시키는 유압 펌프(130)를 통해 실시될 수 있다.

이때, 상기 공급부(120)에 의한 수소가스의 공급과 상기 유압 펌프(130)에 의한 유압의 형성은 모두 별도의 공급관을 통해 실시되며, 각 공급관에는 수소가스의 공급을 중단함과 동시에 수소가스의 역류를 방지하고, 유압을 유지할 수 있도록 하는 밸브가 구비되어야 하고, 상기 복수 개의 관통홀과 상기 유압 튜브(110)에는 모두 틈새를 통한 수소가스의 유출이나 유압의 감소를 방지하기 위한 기밀 구조가 반드시 형성되어야 한다.

한편, 상기 유압 펌프(130)에 의한 유압의 형성이 선행되거나 상기 공급부(120)에 의한 수소가스의 주입과 유압 펌프(130)에 의한 유압의 형성이 동시에 발생하게 되는 경우에는 상기 내부 챔버(100)의 내부로 충분한 양의 수소가스가 주입될 수 없기 때문에, 내부 챔버(100)의 내부에 고압수소 환경을 형성하는 방식으로는 공급부(120)에 의한 수소가스의 주입이 선행되고, 유압 펌프(130)에 의한 유압의 형성이 후행되는 것이 바람직하다.

따라서, 상기 내부 챔버(100)의 내부에는 그 내부를 가득 채운 수소가스에 의한 고압의 상태에서 유압에 의한 압력이 더욱 가중됨에 따라 850 내지 1,000bar의 고압수소 환경이 형성될 수 있으며, 이러한 상태에서는 내부 챔버(100)가 그 내부 챔버(100)를 구성하는 재질의 물성에 따라 고압의 상태를 견디지 못하고 파괴될 수 있다.

또한, 도 5에 도시된 바와 같이, 상기 외부 챔버(140)는 상기 내부 챔버(100)가 내입되는 용기 형상의 구성물로써, 그 내부 챔버(100)가 내부의 압력에 의해 파괴될 때 비산되는 고속의 파편으로부터 사용자 등을 보호하기 위한 용도로 사용된다.

즉, 일반적인 피로시험의 경우에는 그 시험에 사용되는 통상의 시편이 외력에 의해 파단되도록 구성되나, 본 발명은 외력이 아닌 내부 압력에 의하여 챔버 형태의 시편, 즉, 상기 내부 챔버(100)가 폭발하도록 구성되므로 그 폭발에 의한 내부 챔버(100)의 파편이 사방으로 비산할 수 있어, 이에 대한 보호책이 반드시 요구된다.

따라서, 상기 외부 챔버(140)는 상기 내부 챔버(100)의 폭발에 의한 파편으로부터 주변의 사용자나 시설물을 보호하기 위한 용도로 설치되며, 고속의 파편과의 충돌에 의한 크랙의 발생이나 파손을 방지하기 위한 목적으로 금속 재질로 구성되는 것이 바람직하고, 그 종류로는 알루미늄, 강, 마그네슘 등 단일 종류의 금속이 이용되거나 합금이 이용될 수 있다.

이에 더하여, 상기 외부 챔버(140)의 내부면에는 완충을 위한 탄성 재질의 보호층이 구비되거나 질화강 재질로 질화 처리된 구성의 보호층이 형성될 수 있다.

구체적으로, 상기 외부 챔버(140)의 내부면에 형성되는 보호층은 질화강 재질로 질화 처리된 것일 수 있고, 상기 질화강은 C : 0.05 ~ 0.3 중량%, Al : 0.2 ~ 0.5 중량%, Cr : 0.35 ~ 0.8 중량% 및 잔부의 Fe를 포함하며, Al 및 Cr은 0.5% < 1.9Al + Cr < 1.75%의 관계식을 만족하는 것을 특징으로 한다.

이때, 상기 질화강의 구성성분 중 탄소(C)는 상기 외형부(120)의 내부면의 강도 및 경도를 결정하나, 저탄소강의 영역인 0.05 중량% 미만에서는 상기 라이너(100)의 충분한 강도를 얻기 어렵고, 0.3 중량%를 초과하는 경우에는 강도 및 경도가 과도하게 높아져 인성 및 가공성에 영향을 미치게 되므로 0.05 ~ 0.3 중량%가 되도록 하는 것이 바람직하다.

이때, 상기 질화강의 구성성분 중 알루미늄(Al)은 제강시 유효한 탈산제로써, 질소(N)와 결합하여 질화물을 형성하고, 결정립을 미세화하여 질화층의 강도 및 경도를 향상시키나, 0.01 중량 % 미만에서는 상기 라이너(100)의 보호에 충분한 질화층의 경도를 얻기 어렵고, 0.5 중량% 이상에서는 그 효과가 반감되므로, 이를 고려하여, 0.2 ~ 0.5 중량%가 되도록 하는 것이 바람직하다.

이때, 상기 질화강의 구성성분 중 크롬(Cr)은 탄소(C) 및 질소(N)와 함께 탄질활물을 형성하여 경화층을 강화시키는 구성성분이나, 0.35 중량 % 미만에서는 상기 라이너(100)를 안정적으로 지지하기 위한 경화층을 얻기 어렵고, 0.8 중량 % 이상에서는 경화층의 두께가 얇아지는 문제가 있으므로, 0.35 ~ 0.8 중량%가 되도록 하는 것이 바람직하다.

이때, 상기 질화강의 구성성분 중 질소(N)는 비조질강 중에서 알루미늄(Al)과 결합하여 질화물을 형성시켜 결정립 미세화에 의한 강도 및 인성 향상에 기여하는 구성성분이나 과잉으로 첨가되면 효과에 변화가 없으므로 상기 범위내로 첨가량이 제한되는 것이 바람직하다.

이때, 상기 질화강의 구성성분 중 Al 및 Cr은 0.5% < 1.9Al + Cr < 1.75%의 관계식을 만족하도록 함유되는 것이 바람직하다.

한편, 상기 내부 챔버(100)의 내벽에는 그 내벽의 두께를 기준으로 하여 5 내지 40％ 범위 내의 깊이를 가진 다수의 크랙이 일정길이 이상 형성될 수 있으며, 이와 같은 다수의 크랙은 내부 챔버(100)의 내구도에 불균형을 형성함으로써 그 내부 챔버(100)가 고압의 상태를 견디지 못하고 폭발하는 형태로 파괴될 때, 파편이 비산하는 방향이 대부분 측방으로만 형성될 수 있도록 한다.

즉, 내벽의 전체 또는 일부에 다수의 크랙이 형성된 상태인 상기 내부 챔버(100)는 그 다수의 크랙이 형성된 부분의 내구도가 크랙이 미형성된 부분의 내구도에 비하여 약하게 형성되는 것이 자명하고, 이는 내부 챔버가 내부의 고압에 의해 파괴되는 형태를 일정한 형태로 강제할 수 있게 된다.

따라서, 상기 내부 챔버(100)의 상단을 구성하는 덮개와 하단을 구성하는 바닥을 제외한 측면을 구성하는 내벽의 전체 또는 일부에는 다수의 크랙이 형성되어 파편이 비산하는 방향이 주로 측방으로만 형성될 수 있도록 하며, 이와 같은 구성에 의하여 상기 외부 챔버(140)는 상기 내부 챔버(100)의 상방과 하방을 모두 커버할 필요가 없게되므로 상단과 하단이 모두 개방된 형태로 구성되거나 상단만이 개방된 형태로 구성될 수 있다.

위에서 소개된 실시예들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명의 기술적 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해, 예로써 제공되는 것이며, 본 발명은 위에서 설명된 실시예들에 한정되지 않고, 다른 형태로 구체화 될 수도 있다.

본 발명을 명확하게 설명하기 위하여 설명과 관계없는 부분은 도면에서 생략하였으며 도면들에 있어서, 구성요소의 폭, 길이, 두께 등은 편의를 위하여 과장 또는 축소되어 표현될 수 있다.

또한, 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조 번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다.

100 : 내부 챔버
110 : 유압 튜브
120 : 공급부
130 : 유압 펌프
140 : 외부 챔버

Claims (2)

1. 상단으로부터 일정 깊이의 내입홈이 형성된 상태로 상단과 하단을 관통하는 복수 개의 공급홀이 형성된 덮개에 의해 개폐되는 시편용 내부 챔버(100);
   상기 내입홈에 내입된 상태로 유압에 의해 팽창 또는 수축하는 유압 튜브(110);
   상기 복수 개의 공급홀 중 어느 하나 이상을 통해 상기 내입홈에 수소를 주입하는 공급부(120);
   다른 하나 이상의 공급홀을 통해 유압으로 상기 유압 튜브(110)를 팽창 또는 수축시키는 유압 펌프(130); 및,
   상기 내부 챔버(100)가 내입되는 외부 챔버(140); 를 포함하여 구성되고,
   상기 내부 챔버(100)는 내부 압력에 의해 폭발하도록 구성되고,
   상기 내부 챔버(100)에는,
   그 내벽의 두께를 기준으로 하여 5 내지 40％ 범위 내의 깊이를 가진 다수의 크랙이 일정길이 이상 형성되는 것을 특징으로 하는 고압수소 환경에서의 피로시험 장치.
   
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