KR102309369B1 - 금속의 수소취성 시험장치 - Google Patents

Abstract

금속의 수소취성 시험장치가 개시된다. 본 발명에 따른 금속의 수소취성 시험장치는, 내부에 제1,2 공간으로 구분된 원형의 작동공간이 관통 형성된 하우징; 금속시험시편의 일단이 고정되도록 구성된 일단이 상기 제1 공간 쪽에 위치하고 반대쪽은 상기 하우징의 외부에 위치하는 시편 고정부재; 상기 시편 고정부재가 기밀을 유지하여 관통 결합되고 상기 작동공간의 상기 제1 공간 쪽을 밀폐하도록 상기 하우징에 결합되는 제1 커버부재; 상기 금속시험시편의 타단이 고정되도록 구성되고 상기 시편 고정부재와 마주보도록 상기 작동공간에 설치되어 제1 영역은 상기 제1 공간에 위치하고 제2 영역은 제2 공간에 위치하며 상기 제1,2 공간을 연통시키기 위한 적어도 2개 이상의 밸런스홀들이 관통 형성된 피스톤; 상기 제2 공간을 폐쇄하도록 상기 하우징에 결합되는 제2 커버부재; 및 일단이 기밀을 유지하여 상기 제2 커버부재를 관통하여 상기 피스톤에 결합되고, 타단은 상기 제2 커버부재의 외부에 위치하여 인장시험기와 연결되는 연결부재를 포함하고, 상기 제1 공간의 내경은 상기 제2 공간의 내경보다 작게 형성되어 상기 제1 공간에 위치하는 상기 피스톤의 제1 영역의 단면적이 상기 제2 공간에 위치하는 상기 제2 영역의 단면적보다 작게 형성되되, 상기 제2 영역의 단면적은, 상기 제1 공간에 위치하는 상기 제1 영역의 단면적과 상기 제2 공간에 위치하는 상기 연결부재의 단면적의 합과 같도록 형성되어, 상기 제1 공간으로 수소를 공급하였을 때, 상기 금속시험시편에 작용하는 인장압력과 압축압력이 평형을 이루도록 된 것을 특징으로 한다.

Description

금속의 수소취성 시험장치{TEST DEVICE FOR METALLIC MATERIALS RESISTANT TO HYDROGEN EMBRITTLEMENT}

본 발명은 금속의 수소취성 시험장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 고온 고압의 가스 또는 저온 고압의 수소가스가 금속에 취화되어 발생되는 금속의 특성 변화를 측정할 수 있고, 하우징 내부의 온도를 조절할 수 있으며, 시험장치의 무게와 부피 및 부속품 등을 현저하게 줄일 수 있고, 설치시간을 단축할 수 있으며, 가스의 누설 위험성을 감소시킬 수 있을 뿐만 아니라, 시험시 공급되는 수소가스의 압력 변화시에도 시편의 인장시험을 정확하게 수행할 수 있는 금속의 수소취성 시험장치에 관한 것이다.

일반적으로, 고압수소나 액체수소에 노출된 금속소재는 수소의 금속 내 침투 및 게재물이나 불순물과의 반응에 수반되는 기포 발생 등으로 금속조직이 손상을 입게 된다. 손상 정도의 직접적인 측정을 위해서는 수소 분위기 내에서 소재역학시험을 수행하는 방법이 일반적이다. 즉 고압의 수소 분위기가 형성된 용기 내에 시험편을 장착하고, 시험편의 양단은 푸쉬-풀 로드(push-pull rod)를 결속하여 외부에 존재하는 만능 재료 시험기로부터 압축 혹은 인장하중을 시험편에 전달할 수 있도록 된 형태가 일반적이다.

고압의 수소가스를 포함하고 있는 용기의 푸쉬-풀 로드는 오링이나 밀폐제 등으로 기밀(sealing)이 잘 된 상태에서 용기와 로드 사이의 마찰로 인한 하중손실 없이 재료 시험기에서 발생된 하중을 장착된 시험편에 전달할 필요가 있고, 하중손실이 불가피할 경우에는 하중에 대한 보상을 필요로 한다. 따라서 정밀한 기계적 하중 전달과 기밀 문제의 상충으로 인해 100MPa 이상의 고압시험을 하기 위해서는 고가의 만능 시험기 융합형태의 오토클레이브(autoclave)와 같은 시스템이나 고도의 수소압력 및 기계적 부하 정밀 제어와 같은 복잡한 시험장비 및 기법이 필요하다.

이에 대한 해결책으로 앰풀형 시험편을 이용하여 소량의 수소를 충전한 이후 시험편의 거동을 살펴보는 연구가 진행된 바 있다. 그러나 이러한 종래의 수소 충전식 앰풀형 시험편을 이용하면 시험편의 내면은 수소 가스와 상호작용이 일어나지만 외면은 공기 중에 노출되어 수소 분위기와는 다른 변형 거동이 나타나는 단점이 있다.

또한, 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이 오토클래이브의 크기가 매우 크기 때문에 시험을 위한 준비과정 시간이 매우 길고 위험할 뿐만 아니라 오토클래이브의 체적이 크기 때문에 실링 부위에서 발생하는 누설 위험성 또한 크며, 복잡한 구조의 오토클래이브는 잦은 수리로 인한 고가의 소모품 교체 문제가 발생된다.

이러한 문제점을 해소하기 위한 종래기술로서, 대한민국등록특허 제10-1154189호(공고일 : 2012.06.18)에는 선상 수소재료 내장형 앰풀 시험편 및 이를 이용한 인장 시험 방법이 개시되어 있으나, 이러한 인장시험방법은, 시험온도를 설정할 수 없고, 공급되는 가스의 압력이나 누출 등을 감지할 수 없는 등의 문제점이 있었다.

. 대한민국등록특허 제10-1154189호(공고일 : 2012.06.18)

본 발명의 목적은, 고온 고압의 가스 또는 저온 고압의 수소가스가 금속에 취화되어 발생되는 금속의 특성 변화를 측정할 수 있도록 수소 분위기에 노출된 금속 시험시편을 인장 시험할 수 있는 금속의 수소취성 시험장치를 제공하는데 있다.

본 발명의 다른 목적은, 수소 분위기에 노출된 금속시험시편을 인장 시험할 때, 금속시험시편에 작용하는 압력이 항상 일정하도록 하여 시험의 정확성을 향상시킬 수 있는 수단을 제공하는데 있다.

또한, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

상기 목적은, 본 발명에 따라, 내부에 제1,2 공간으로 구분된 원형의 작동공간이 관통 형성된 하우징; 금속시험시편의 일단이 고정되도록 구성된 일단이 상기 제1 공간 쪽에 위치하고 반대쪽은 상기 하우징의 외부에 위치하는 시편 고정부재; 상기 시편 고정부재가 기밀을 유지하여 관통 결합되고 상기 작동공간의 상기 제1 공간 쪽을 밀폐하도록 상기 하우징에 결합되는 제1 커버부재; 상기 금속시험시편의 타단이 고정되도록 구성되고 상기 시편 고정부재와 마주보도록 상기 작동공간에 설치되어 제1 영역은 상기 제1 공간에 위치하고 제2 영역은 제2 공간에 위치하며 상기 제1,2 공간을 연통시키기 위한 적어도 2개 이상의 밸런스홀들이 관통 형성된 피스톤; 상기 제2 공간을 폐쇄하도록 상기 하우징에 결합되는 제2 커버부재; 및 일단이 기밀을 유지하여 상기 제2 커버부재를 관통하여 상기 피스톤에 결합되고, 타단은 상기 제2 커버부재의 외부에 위치하여 인장시험기와 연결되는 연결부재를 포함하고, 상기 제1 공간의 내경은 상기 제2 공간의 내경보다 작게 형성되어 상기 제1 공간에 위치하는 상기 피스톤의 제1 영역의 단면적이 상기 제2 공간에 위치하는 상기 제2 영역의 단면적보다 작게 형성되되, 상기 제2 영역의 단면적은, 상기 제1 공간에 위치하는 상기 제1 영역의 단면적과 상기 제2 공간에 위치하는 상기 연결부재의 단면적의 합과 같도록 형성되어, 상기 제1 공간으로 수소를 공급하였을 때, 상기 금속시험시편에 작용하는 인장압력과 압축압력이 평형을 이루도록 된 것을 특징으로 하는 금속의 수소취성 시험장치에 의해 달성된다.

상기 하우징의 내부에는, 상기 작동공간을 중심으로 사방에 열매체용 유로가 형성되고, 상기 유로의 입구와 출구는 열교환장치와 연결되며, 상기 열교환장치의 작동으로 열매체유가 상기 유로를 순환하면서 상기 작동공간 내의 시험온도를 조절하도록 구성될 수 있다.

상기 하우징에는, 상기 제1 공간의 온도를 감지하여 상기 제1 공간 내의 시험온도를 조절하도록 하기 위한 온도감지센서가 관통 설치될 수 있다.

상기 하우징에는, 상기 제1 공간으로 수소를 공급하기 위한 가스공급노즐이 관통 설치되고, 상기 가스공급노즐에는 압력센서가 구비될 수 있다.

상기 제1 공간과 제2 공간 사이의 상기 하우징에는, 상기 피스톤의 제1 영역에 마련된 기밀유지용 제1 오링과 상기 제2 영역에 마련된 기밀유지용 제2 오링 사이로 누출되는 가스를 누출가스감지센서로 감지하기 위한 누출가스 감지통로가 상기 작동공간과 연통 되도록 형성될 수 있다.

상기 금속의 수소취성 시험장치는, 시험을 자동으로 진행하기 위한 제어부를 더 구비하고, 상기 제어부는, 상기 누출가스감지센서가 누출가스를 감지하면, 가스 공급을 차단하고 상기 인장시험기의 작동을 중지시켜 시험진행을 중지시키도록 구성될 수 있다.

본 발명에 의하면, 고온 고압의 가스 또는 저온 고압의 수소가스가 금속에 취화되어 발생되는 금속의 특성 변화를 측정할 수 있도록 수소 분위기에 노출된 금속시험시편을 안정적이고 정확하게 인장 시험할 수 있는 효과를 제공할 수 있게 된다.

또한, 피스톤의 제2 영역의 단면적이, 제1 공간에 위치하는 제1 영역의 단면적과 제2 공간에 위치하는 연결부재의 단면적의 합과 같도록 형성됨으로써 수소 분위기에 노출된 금속시험시편을 인장 시험할 때, 금속시험시편에 작용하는 인장압력 및 압축압력이 항상 일정하도록 하여 금속시험시편의 수소 분위기에서 인장시험의 정확성을 향상시킬 수 있는 효과를 제공할 수 있게 된다.

도 1 및 도 2는 종래기술에 의한 인장시험장치를 도시한 사진이다.
도 3은 본 발명에 따른 금속의 수소취성 시험장치를 도시한 분해 사시도이다.
도 4는 도 3에 도시된 금속의 수소취성 시험장치의 결합상태 사시도이다.
도 5는 도 4에 도시된 금속의 수소취성 시험장치의 결합상태 단면도이다.
도 6은 도 4에 도시된 금속의 수소취성 시험장치의 작용을 설명하기 위한 개략적 단면도이다.
도 7은 도 4에 도시된 금속의 수소취성 시험장치의 작용을 설명하기 위한 개략적 블럭도이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 상세하게 설명하면 다음과 같다. 다만, 본 발명을 설명함에 있어서, 이미 공지된 기능 혹은 구성에 대한 설명은, 본 발명의 요지를 명료하게 하기 위하여 생략하기로 한다.

그리고, 본 명세서에서 사용된 용어는 실시 예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 '포함한다(comprises)' 및/또는 '포함하는(comprising)'은 언급된 구성요소는 하나 이상의 다른 구성요소의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.

첨부된 도면 중에서, 도 3은 본 발명에 따른 금속의 수소취성 시험장치를 도시한 분해 사시도이고, 도 4는 도 3에 도시된 금속의 수소취성 시험장치의 결합상태 사시도이며, 도 5는 도 4에 도시된 금속의 수소취성 시험장치의 결합상태 단면도이고, 도 6은 도 4에 도시된 금속의 수소취성 시험장치의 작용을 설명하기 위한 개략적 단면도이다. 그리고, 도 7은 도 4에 도시된 금속의 수소취성 시험장치의 작용을 설명하기 위한 개략적 블럭도이다.

도 3 내지 도 7에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 금속의 수소취성 시험장치(10)는, 고온고압의 수소 또는 저온고압의 수소를 금속시험시편(100)이 설치된 공간에 공급하여 금속시험시편(100)을 수소에 노출시킨 상태에서 인장시험을 실시하여 금속시험시편(100)의 수소취성을 시험하기 위한 것이다.

이러한 금속의 수소취성 시험장치(10)는, 내부에 제1,2 공간(22A,22B)으로 구분된 원형의 작동공간(22)이 관통 형성된 하우징(20)과, 금속시험시편(100)의 일단이 고정되도록 구성된 일단이 제1 공간(22A) 쪽에 위치하고 반대쪽 타단은 하우징(20)의 외부에 위치하는 시편 고정부재(30)와, 시편 고정부재(30)가 기밀을 유지하여 관통 결합되고 작동공간(22)의 제1 공간(22A) 쪽을 밀폐하도록 하우징(20)에 결합되는 제1 커버부재(40)와, 금속시험시편(100)의 타단이 고정되도록 구성되고 시편 고정부재(30)와 마주보도록 작동공간(22)에 설치되어 제1 영역(52A)은 제1 공간(22A)에 위치하고 제2 영역(52B)은 제2 공간(22B)에 위치하며 제1,2 공간(22A,22B)을 연통시키기 위한 적어도 2개 이상의 밸런스홀(57)들이 관통 형성된 피스톤(50)과, 제2 공간(22B)을 폐쇄하도록 하우징(20)에 결합되는 제2 커버부재(60)와, 일단이 기밀을 유지하여 제2 커버부재(60)를 관통하여 피스톤(50)에 결합되고, 타단은 제2 커버부재(60)의 외부에 위치하여 인장시험기(200)와 연결되는 연결부재(70)를 포함하여 구성된다.

그리고, 제1 공간(22A)의 내경(B1)은 제2 공간(22B)의 내경(B2)보다 작게 형성되어 제1 공간(22A)에 위치하는 피스톤(50)의 제1 영역(52A)의 단면적(S1)이 제2 공간(22B)에 위치하는 제2 영역(52B)의 단면적(S2)보다 작게 형성된다. 즉, 제2 영역(52B)의 단면적(S2)은, 제1 공간(22A)에 위치하는 제1 영역(52A)의 단면적(S1)과 제2 공간(22B)에 위치하는 연결부재(70)의 단면적(S3)의 합과 같도록 형성되어, 제1 공간(22A)으로 수소를 공급하였을 때, 금속시험시편(100)에 작용하는 인장압력과 압축압력이 평형을 이루도록 구성된 것이다.

이를 보다 구제적으로 설명한다.

하우징(20)은, 내경이 서로 다른 제1,2 공간(22A,22B)으로 구분된 원형의 작동공간(22)이 관통 형성된 구조를 갖는다. 또한, 제1 공간(22A)과 제2 공간(22B) 사이의 하우징(20) 몸체에는, 피스톤(50)의 제1 영역(52A)에 마련된 기밀유지용 제1 오링(54A)과 제2 영역(52B)에 마련된 기밀유지용 제2 오링(54B) 사이로 누출되는 가스를 누출가스감지센서(80)로 감지하기 위한 누출가스 감지통로(26)가 작동공간(22)과 연통 되도록 형성된다. 즉, 피스톤(50)이 작동공간(22)에 왕복운동이 가능하게 설치된 상태에서 제1 공간(22A)으로 수소가스가 공급되었을 때 기밀유지용 제1 오링(54A)과 기밀유지용 제2 오링(54B) 사이로 수소가 누출되면 정확한 시험이 불가능하게 되므로 가스 누출이 감지되면 시험을 중지하기 위한 것으로, 누출가스 감지통로(26)에 누출가스감지센서(80)가 설치될 수도 있고, 누출가스 감지통로(26)와 누출가스감지센서(80)가 튜브나 관 등에 의해 서로 연결된 구조로 구비될 수도 있다. 이와 같이 누출가스감지센서(80)와 연결된 누출가스 감지통로(26)가 하우징(20)에 마련됨으로써 시험오류를 줄여 보다 정확한 시험결과를 얻을 수 있게 된다.

전술한 제1 공간(22A)과 제2 공간(22B)의 내경은 서로 다르게 형성되는데, 제1 공간(22A)의 내경이 제2 공간(22B)의 내경보다 작게 형성된다. 이는 시험 진행시 고압의 시험가스(수소가스)가 공급되었을 때 금속시험시편(100)을 인장시키는 피스톤(50)에 인장력과 압축력이 동일하도록 하여 금속시험시편(100)의 인장시험을 정확하게 하기 위한 것이다. 보다 자세한 설명은 후술한다.

한편, 하우징(20)에는, 도 3 및 도 5에 도시된 바와 같이, 제1 공간(22A)으로 수소를 공급하기 위한 가스공급노즐(58)이 관통 설치되고, 가스공급노즐(58)에는 압력센서(58A)가 구비된다. 이 가스공급노즐(58)은 수소공급부(도시되지 않음)로부터 공급되는 고온고압의 수소 또는 저온고압의 수소를 제1 공간(22A)에 가압(공급)하기 위한 것이다. 그리고, 가스공급노즐(58)에는 공급되는 수소의 압력 또는 작동공간(22) 내의 압력을 감지하기 위한 압력감지센서(58A)가 구비된다.

그리고, 하우징(20)에는, 도 5에 도시된 바와 같이, 작동공간(22), 특히 제1 공간(22A)의 온도를 감지하여 제1 공간(22A) 내의 시험온도를 조절하도록 하기 위한 온도감지센서(90)가 관통 설치된다. 이 온도감지센서(90)는 제1 공간(22A) 내부의 온도를 감지하여, 제어부(400)가 온도감지센서(90)가 감지한 온도값을 토대로 열교환장치(300)을 제어하기 위한 것이다. 즉, 온도감지센서(90)가 감지한 작동공간(22), 특히 온도감지센서(90)가 감지한 온도값을 토대로 열교환장치(300)를 제어하여 작동공간(22)의 온도를 높이거나 낮출 수 있는 것으로, 이 구성에 의해 금속시험시편(100)의 시험온도를 제어할 수 있게 된다.

한편, 도 5 및 도 6에 도시된 바와 같이, 작동공간(22)의 주변, 즉, 하우징(20)의 내부에는, 작동공간(22)을 중심으로 사방에 열매체용 유로(25)가 형성된다. 그리고, 유로(25)의 입구와 출구는 열교환장치(300)와 연결된다. 따라서 열교환장치(300)의 작동으로 열매체유가 유로(25)를 순환하면서 작동공간(22) 내의 시험온도를 조절할 수 있게 된다. 이때, 유로(25)는 도 4에 도시된 바와 같이 작동공간(22)을 감싸는 "ㄷ"자 형상을 갖는다. 이와 같이 유로(25)가 "ㄷ" 자 형상으로 형성됨으로써, 유로(25)의 가공이 용이하고, 또한 유로(25)가 작동공간(22)을 감싸는 구조를 갖음으로써 작동공간(22) 내부의 온도조절을 최적화시킬 수 있게 된다.

시편 고정부재(30)는, 금속시험시편(100)의 일단이 고정되도록 구성된 일단이 제1 공간(22A) 쪽에 위치하고 반대쪽 타단은 하우징(20)의 외부에 위치한다. 금속시험시편(100)과 시편 고정부재(30)는 체결구조로 결합된다.

제1 커버부재(40)는, 시편 고정부재(30)가 다수의 기밀유지용 오링을 구비하여 기밀이 유지되도록 관통 결합되고 작동공간(22)의 제1 공간(22A) 쪽을 밀폐하도록 하우징(20)에 볼트 등에 의해 결합된다. 이러한 제1 커버부재(40)의 탈거 및 결합에 의해 작동공간(22)의 제1 공간(22A) 쪽이 개방되거나 폐쇄될 수 있으며, 제1 커버부재(40)와 하우징(20)의 일단면에는 다수의 기밀유지용 패킹 또는 오링 등이 설치됨은 당연하다.

피스톤(50)은, 도 3, 도 5 및 도 6에 도시된 바와 같이, 금속시험시편(100)의 타단이 고정되도록 구성되고 시편 고정부재(30)와 마주보도록 작동공간(22)에 길이방향으로 왕복운동 가능하게 설치된다. 따라서, 피스톤(50)의 제1 영역(52A)은 제1 공간(22A)에 위치하고 제2 영역(52B)은 제2 공간(22B)에 위치하게 된다. 그리고 피스톤(50)에는 제1,2 공간(22A,22B)을 연통시키기 위한 적어도 2개 이상의 밸런스홀(57)들이 관통 형성된다. 즉, 인장시험기(200)가 작동하지 않은 상태에서 작동공간(22)의 제1 공간(22A)으로 고압의 수소를 공급하면, 고압의 수소가스가 피스톤(50)의 제1 영역(52A)에만 작용하여 피스톤(50)을 제2 커버부재(60) 쪽으로 밀어내는 압력을 가하는 상태가 되므로, 이를 해소하기 위하여 피스톤(60)에 연결부재(70)가 당기는 방향으로 밸런스홀(57)들을 관통 형성하여 작동공간(22)의 제1 공간(22A)로 공급된 고압의 수소 가스가 밸런스홀(57)들을 통하여 제2 공간(22B)으로 이동하여 피스톤(50)의 제2 영역(52B)에도 동일한 압력이 작용하도록 하기 위한 것이다. 다시 설명하면, 피스톤(50)에 의해 작동공간(22)이 제1 공간(22A)과 제2 공간(22B)으로 구분된 상태에서 제1 공간(22A)으로 공급된 고압의 시험가스가 밸런스홀(57)들을 통하여 제2 공간(22B)으로 이동하게 되므로 제1 공간(22A)과 제2 공간(22B)의 압력이 같게 되는 것이다. 따라서, 작동공간(22)의 제1 공간(22A)과 제2 공간(22B) 내부의 압력이 동일하게 된다. 이러한 밸런스홀(57)들은 다수개가 피스톤(50)의 중심을 기준으로 방사형으로 형성된다. 이와 같이 밸런스홀(57)들을 다수개 방사형으로 배치하는 것은 제1 공간(22A)으로 시험가스(수소가스 등)가 공급될 때 가스가 제2 공간(22B)으로 빠르게 이동하여 제1 공간(22A)과 제2 공간(22B)의 압력이 신속하게 같아지도록 하기 위한 것이다.

제2 커버부재(60)는, 도 3 내지 도 5에 도시된 바와 같이, 제1 커버부재(40)와는 반대 방향의 하우징(20)에 볼트 등으로 결합되어 제2 공간(22B)을 폐쇄하기 위한 것이다. 이러한 제2 커버부재(60)와 하우징(20)의 단부 사이에는 기밀유지용 패킹 등이 설치되어 제2 공간(22B)의 기밀이 유지되도록 한다.

연결부재(70)는, 일단이 기밀유지용 오링이나 패킹 등을 구비하여 기밀이 유지되도록 제2 커버부재(60)를 관통하여 피스톤(50)에 체결구조로 결합되고, 타단은 제2 커버부재(60)의 외부에 위치하여 인장시험기(200)와 연결된다.

전술한 인장시험장치(200)는 연결부재(70)를 당겨 금속시험시편(100)을 인장시험하기 위한 것으로, 이러한 인장시험장치는 공지된 기술이므로 상세한 설명은 생략한다.

이와 같이 구성된 금속의 수소취성 시험장치(10)는, 피스톤(50)의 제2 영역(52B) 단면적(S2)은, 제1 공간(22A)에 위치하는 제1 영역(52A)의 단면적(S1)과 제2 공간(22B)에 위치하는 연결부재(70)의 단면적(S3)의 합과 같도록 형성된다.

즉, S2 = S1 + S3 가 된다.

여기서, S1 : 제1 영역(52A)의 단면적, S2 : 제2 영역(52B) 단면적, S3 : 연결부재(70)의 단면적이다.

따라서, 제1 공간(22A)으로 고압의 시험가스로서 수소를 공급하였을 때, 금속시험시편(100)에 작용하는 인장압력과 압축압력이 평형을 이루게 되고, 인장시험기(200)의 인장력만이 금속시험시편(100)에 작용하게 되므로 정확한 시험결과를 얻을 수 있게 된다.

한편, 하우징(20)의 양쪽이 제1,2 커버부재(40,60)에 의해 개폐 가능하게 되므로, 작동공간(22)에 피스톤(50)을 설치하는 작업이나 기타 정비 작업이 신속하고 용이하게 이루어질 수 있게 된다.

이하에서는 전술한 바와 같이 금속의 수소취성 시험장치(10)의 작용을 설명한다.

먼저, 금속시험시편(100)의 일단은 시편 고정부재(30)의 일단에 결합하고, 타단은 피스톤(50)에 결합한 후, 시편 고정부재(30)의 타단을 작동공간(22)로 삽입하여 제1 커버부재(40)를 관통시켜 고정한다. 이때, 시편 고정부재(30)의 타단을 별도의 고정장치에 고정하는 것이 바람직하고, 인장시험기(200)의 하단 블럭에 고정할 수도 있다. 또한, 제1 커버부재(40)를 관통하여 외부로 노출된 시편 고정부재(30)의 타단에 너트를 체결하여 시편 고정부재(30)를 하우징(20)에 견고하게 고정할 수도 있다.

이어서, 작동공간(22)에 삽입된 피스톤(30)의 제2 영역(52B)에 연결부재(70)를 체결하여 고정한다. 이때, 연결부재(50)는 피스톤(50)을 작동공간(22)에 삽입하기 전에 피스톤(50)에 조립할 수도 있다.

금속시험시편(100)이 결합된 피스톤(50)과 시편 고정부재(30)의 조립이 완료되고 연결부재(70)가 피스톤(50)에 결합되면, 제2 커버부재(60)를 하우징(20)의 제2 공간(22B) 쪽에 볼트 등으로 체결하여 결합한다. 이때, 연결부재(70)의 타단이 외부로 노출되도록 한다.

한편, 하우징(20)에 온도감지센서(90)와 가스공급노즐(58)을 설치하고, 가스공급노즐(58)에는 압력센서(58A)를 설치한다.

또한, 하우징(20)에 마련된 가스누출 감지통로(26)는 누출가스감지센서(80)와 연결시키며, 유로(25)는 열교환장치(300)의 각 라인과 연결한다.

이 과정으로 금속의 수소취성 시험장치(10)의 조립이 완료된다. 이러한 조립은 금속의 수소취성 시험장치(10)의 구성요소가 적고 소형이며 조립구조가 단순하므로 금속시험시편(100)를 설치하거나 조립하는 작업이 신속하고 용이하게 이루어질 수 있다.

이어서, 연결부재(70)의 타단을 인장시험기(200)이 상부에 고정하고, 시편 고정부재(30)의 타단을 인장시험기(200)의 하부에 연결 고정하여 금속의 수소취성 시험장치(10)를 인장시험기(200)에 설치한다.

본 실시예에서는 연결부재(70)와 시편 고정부재(30)를 각각 인장시험기(200)의 상부와 하부에 각각 고정하였으나, 이에 국한되는 것은 아니고, 인장시험기(200)의 구조에 따라 그 고정위치가 달라질 수 있다.

전술한 과정으로 금속의 수소취성 시험장치(10)의 설치가 완료되면, 도 6 및 도 7에 도시된 바와 같이, 열교환장치(300)를 작동시켜 열매체가 유로(25)를 순환하도록 하여, 금속시험시편(100)이 위치한 작동공간(22)의 온도를 설정된 온도로 상승시키거나 하강시킨다. 이는 온도감지센서(90)가 감지한 작동공간(22)의 온도값을 토대로 제어부(400)가 열교환장치(300)를 제어하여 열매체의 순환을 제어함으로써 달성될 수 있다. 특히, 유로(25)가 작동공간(22)을 감싸는 형태로 구비됨으로써 작동공간(22)의 온도 조절이 보다 효율적으로 이루어질 수 있게 된다.

전술한 과정으로 작동공간(22)의 온도가 시험온도로 되면, 가스공급노즐(80)을 개방하여 고압의 수소를 작동공간(22)의 제1 공간(22A)으로 공급하여 금속시험시편(100)을 수소에 노출시킨다. 이때, 제1 공간(22A)으로 공급된 수소 가스는 각각의 밸런스홀(57)들을 통하여 제2 공간(22B)에 채워지게 되므로, 제1 공간(22A)과 제2 공간(22B)에는 동일한 압력이 작용하게 된다.

특히, 제1 공간(22A)의 내경보다 제2 공간(22B)의 내경이 크게 형성되고, 제2 공간(22B)에 위치하는 제2 영역(52B)의 외경이 제1 영역(52A)보다 더 크게 형성되어, 피스톤(50)의 제2 영역(52A) 단면적(S2)이, 제1 영역(52A)의 단면적(S1)과 제2 공간(22B)에 위치하는 연결부재(70)의 단면적(S3)의 합과 같도록 구성됨으로써, 제1 공간(22A)으로 노출된 제1 영역(52A)의 단면(52A-1)과 연결부재(70)에 작용하는 인장력(금속시험시편을 제2 공간 쪽으로 당기는 힘)과, 제2 공간(22B)으로 노출된 제2 영역(52B)의 단면(52B-1)에 작용하는 가압력(피스톤을 금속시험시편 쪽으로 가압하는 힘)이 평형을 이룰 수 있게 된다. 따라서, 고압의 가스가 작동공간(22)으로 공급되었을 때 금속시험시편(100)에는 인장력과 가압력(압축력)이 평형을 이루어 영향을 미치지게 않게 된다.

이어서, 인장시험기(200)를 작동시켜 인장시험기(200)가 연결부재(70)를 당기도록 한다.

이 과정으로 작동공간(22)에 위치한 금속시험시편(100)은 고압의 수소에 노출된 상태에서 인장시험이 이루어질 수 있다. 물론, 수소 분위기 내에서 소정의 시간이 경과한 후 인장시험이 이루어지도록 할 수도 있다.

이때, 금속시험시편(100)에는 인장력과 가압력(압축력)이 평형을 이루어 영향을 미치지게 않게 되므로, 인장시험기(200)의 인장력만 작용하게 된다. 따라서, 수소 분위기에서 금속시험시편(100)의 인장 시험의 정확한 결과값을 얻을 수 있게 되어 시험 신뢰도를 현저하게 향상시킬 수 있게 된다.

한편, 인장시험기(200)의 작동으로 금속시험시편(100)에 인장이 가해져 파단되면, 금속시험시편(100)의 소수 분위기 내에서 금속시험시편(100)의 손상 거동을 측정한다.

전술한 시험이 진행되는 과정에서, 누출가스 감지통로(26)로 수소가 누출되는 경우에 누출가스감지센서(80)가 이를 감지한다. 제어부(400)는 누출가스감지센서(80)가 수소를 감지하는 경우에 인장시험을 종료(중지)하도록 한다.

이상에서와 같이, 본 발명에 따른 금속의 수소취성 시험장치(10)는, 시편 고정부재(30)와 금속시험시편(100), 피스톤(50) 및 연결부재(70)를 차례로 조립하여 하우징(20)의 내부에 설치하고, 제1,2 커버부재(40,60)를 하우징(20)에 결합하는 조립 과정이 신속하게 용이하게 이루어질 수 있다.

또한, 하우징(20)의 유로(25)에 열매체유를 순환시켜 금속시험시편(100)이 위치한 작동공간(100)의 시험온도를 조절할 수 있음으로써 보다 정확한 수소 분위기 내에서 금속시험시편(100)의 인장시험이 가능하게 된다.

또한, 고압의 수소 가스를 작동공간(22)에 공급하였을 때 금속시험시편(100)에 작용하는 인장력과 가압력(압축력)이 평형을 이루도록 하여, 금속시험시편(100)에 인장시험기(200)의 인장력만 작용하도록 함으로써 금속시험시편(100)의 인장시험 결과값의 정확도를 현저하게 향상시킬 수 있고, 시험의 신뢰도를 향상시킬 수 있게 된다.

앞에서, 본 발명의 특정한 실시예가 설명되고 도시되었지만 본 발명은 기재된 실시예에 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 다양하게 수정 및 변형할 수 있음은 이 기술의 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 일이다. 따라서, 그러한 수정예 또는 변형예들은 본 발명의 기술적 사상이나 관점으로부터 개별적으로 이해되어서는 안되며, 변형된 실시예들은 본 발명의 특허청구범위에 속한다 하여야 할 것이다.

10 : 금속의 수소취성 시험장치 20 : 하우징
30 : 시편 연결부재 40 : 제1 커버부재
50 : 피스톤 60 : 제2 커버부재
70 : 연결부재 90 : 온도감지센서
100 : 금속시험시편 200 : 인장시험기
300 : 열교환장치 400 : 제어부

Claims (6)

1. 내부에 제1,2 공간으로 구분된 원형의 작동공간이 관통 형성된 하우징; 금속시험시편의 일단이 고정되도록 구성된 일단이 상기 제1 공간 쪽에 위치하고 반대쪽은 상기 하우징의 외부에 위치하는 시편 고정부재; 상기 시편 고정부재가 기밀을 유지하여 관통 결합되고 상기 작동공간의 상기 제1 공간 쪽을 밀폐하도록 상기 하우징에 결합되는 제1 커버부재; 상기 금속시험시편의 타단이 고정되도록 구성되고 상기 시편 고정부재와 마주보도록 상기 작동공간에 설치되어 제1 영역은 상기 제1 공간에 위치하고 제2 영역은 제2 공간에 위치하며 상기 제1,2 공간을 연통시켜 상기 제1 영역과 제2 영역에 동일한 압력이 작용하도록 하기 위한 적어도 2개 이상의 밸런스홀들이 방사형으로 관통 형성된 피스톤; 상기 제2 공간을 폐쇄하도록 상기 하우징에 결합되는 제2 커버부재; 및 일단이 기밀을 유지하여 상기 제2 커버부재를 관통하여 상기 피스톤에 결합되고, 타단은 상기 제2 커버부재의 외부에 위치하여 인장시험기와 연결되는 연결부재를 포함하고,
   상기 제1 공간의 내경은 상기 제2 공간의 내경보다 작게 형성되어 상기 제1 공간에 위치하는 상기 피스톤의 제1 영역의 단면적이 상기 제2 공간에 위치하는 상기 제2 영역의 단면적보다 작게 형성되되, 상기 제2 영역의 단면적은, 상기 제1 공간에 위치하는 상기 제1 영역의 단면적과 상기 제2 공간에 위치하는 상기 연결부재의 단면적의 합과 같도록 형성되어, 상기 제1 공간으로 수소를 공급하였을 때, 상기 금속시험시편에 작용하는 인장압력과 압축압력이 평형을 이루도록 구성되고,
   시험을 자동으로 진행하기 위한 제어부를 더 구비하고,
   상기 하우징에는, 상기 제1 공간의 온도를 감지하기 위한 온도감지센서가 관통 설치되고,
   상기 하우징의 내부에는, 상기 작동공간을 중심으로 사방에 상기 작동공간을 감싸도록 "ㄷ"자 형상의 열매체용 유로가 형성되고, 상기 유로의 입구와 출구는 열교환장치와 연결되며,
   상기 제어부가 상기 온도감지센서가 감지한 온도값을 토대로 상기 열교환장치를 작동 제어하여 열매체유가 상기 유로를 순환하면서 상기 제1 공간 내의 시험온도를 조절하도록 구성되며,
   상기 제1 공간과 제2 공간 사이의 상기 하우징에는,
   상기 피스톤의 제1 영역에 마련된 기밀유지용 제1 오링과 상기 제2 영역에 마련된 기밀유지용 제2 오링 사이로 누출되는 가스를 누출가스감지센서로 감지하기 위한 누출가스 감지통로가 상기 작동공간과 연통되도록 형성되는 것을 특징으로 하는,
   금속의 수소취성 시험장치.
2. 삭제
3. 삭제
4. 제1항에 있어서,
   상기 하우징에는,
   상기 제1 공간으로 수소를 공급하기 위한 가스공급노즐이 관통 설치되고, 상기 가스공급노즐에는 압력센서가 구비되는 것을 특징으로 하는,
   금속의 수소취성 시험장치.
5. 삭제
6. 제1항에 있어서,
   상기 제어부는, 상기 누출가스감지센서가 누출가스를 감지하면, 가스 공급을 차단하고 상기 인장시험기의 작동을 중지시켜 시험진행을 중지시키도록 구성되는 것을 특징으로 하는,
   금속의 수소취성 시험장치.
   
   
   

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