KR102513693B1 - 수소가스환경에서의 취화거동에 대한 정량평가용 인장시험장치 및 이에 사용되는 시험편 - Google Patents
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Abstract
수소가스환경에서의 취화거동에 대한 정량평가용 인장시험장치 및 이에 사용되는 시험편이 개시된다. 본 발명에 따른 수소가스환경에서의 취화거동에 대한 정량평가용 인장시험장치는, 상부고정단에서 길이방향을 따라 하부고정단까지 중공이 관통형성된 시험편; 상기 하부고정단과의 탈착결합에 따라 상기 중공의 하부개구를 밀폐하며, 상기 시험편을 고정하는 하부지그; 상기 상부고정단과 탈착결합에 따라 상기 중공의 상부개구를 밀폐하고, 직선구동하는 액추에이터에 의해 상하로 작동하며 상기 시험편을 인장시키는 상부지그; 및 밀폐된 상기 하부개구와 연통되도록 상기 하부지그에 관통형성된 공급라인과 연결되어 다양한 가변압으로 소정의 가스를 상기 중공에 충진하는 가스공급부를 포함하는 것을 특징으로 한다. 본 발명에 의하면, 소형 펀치 시험에 의한 시험편의 압입굽힘변형이 아니라 시험편의 인장변형에 기반하여 시험편의 취화거동에 대한 평가 데이터가 직접적으로 획득될 수 있고, 적은 비용과 소규모 설비로 통상의 연구실 단위에서 손쉽게 운용될 수 있으며, 고압가스에 대한 규제 등의 제한 없이 가스의 일부 누출에도 안전하게 다양한 연구개발을 수행할 수 있다.
Description
본 발명은, 수소가스환경에서의 취화거동에 대한 정량평가용 인장시험장치 및 이에 사용되는 시험편에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 수소, 천연가스, 기타 침식성 가스 등을 취급하는 가스환경(온도,압력)하에서 금속 또는 비금속 재료의 취화거동(Embrittlement)을 간편하게 정량 평가할 수 있는 소규모의 인장시험장치 및 이에 사용되는 시험편에 관한 것이다.
온실가스와 지구온난화 등으로 야기되고 있는 심각한 기후문제의 긴급한 해결을 위해, 세계 각국은 화석에너지 위주의 발전체계를 신재생에너지 위주로 전환하는 각종 규제를 마련하는 한편, 다양한 재정 지원 정책을 제안하여 시행하고 있다.
신재생에너지 중 수소에너지 기술은, 탄소 중립을 달성하는 의미 있는 기술적 해결책이자, 각종 오염물질과 미세입자 등을 저감하기 위한 방안으로 인식되어 최근 수년간 자동차 분야 등에서 활발한 연구와 개발이 이루어지고 있다.
자동차 기술을 선도하는 한국, 미국, 일본, 독일 등은, 자동차에 장착되는 수소 연료전지(fuel cell, FC)에 대한 연구 개발은 물론, 수소 연료전지차(fuel cell electric vehicle, FCEV)의 상용화와 보급 확대를 위해 수소 충전 시스템, 수소의 생산, 저장 및 수송에 이르는 수소 생태계 전반에 대한 연구개발에도 다양한 노력을 기울이고 있다.
다만, 대량으로 생산된 수소는 폭발성이 강한 가연성의 기체이고 효율성을 위해 고압 처리된 후 저장 및 수송되는 특성으로 인해, 수소를 취급하는 설비의 내구성과 안정성은 반드시 고려되어야 하는 중요한 사항으로 취급되고 있다.
따라서 고압 수소의 저장과 수송에 대한 기술은, 저장매체인 고압용기 또는 수송용 배관 등의 구조적인 안정성과, 고압 수소 등의 저장과 수송에 사용되는 재료 내지 소재의 수소취화(hydrogen embrittlement: HE)에 따른 역학적 특성을 평가하는 연구 등에 관심이 집중되고 있다.
여기서 수소취화(HE)란, 크기가 매우 작은 수소 원자가 고압의 환경에서 재료 내부로 침투 및 확산되어 재료의 연성을 크게 감소시키는 현상으로, 감소된 재료의 연성은 본래의 기계적 성능을 크게 저하시켜 조기 균열발생 등과 같은 심각한 손상을 유발하게 된다.
따라서 수소환경에서 사용되는 재료의 적합성을 판단할 때 수소취화(HE)에 따른 역학적 특성은 반드시 검증이나 평가가 필요하고, 수소를 취급하는 사용환경(압력 및 온도 조건)에 따라 재료에 대하여 특이적으로 발생하게 되므로, 다양한 사용환경에서의 수소취하 특성을 정확하게 평가할 수 있는 시험방법이나 시험설비가 필요한 실정이다.
위와 같은 다양한 사용환경에 대응한 종래의 수소취하(HE) 평가시험은, 온도 설정이 가능한 챔버에 장입된 재료에 대하여 수소 등을 설정된 압력으로 투입하여 시험을 수행하는 고압유지장치(autoclave)를 주로 이용하여 이루어졌었다.
그러나 수소 등과 같은 폭발성 가스에 대한 시험의 경우, 필수적인 안전장치의 확보를 위해 시험설비 자체가 복잡한 구조로 대형화될 수밖에 없고, 설비의 운용과 안전관리가 어려워 통상의 연구실 단위에서 사용하기 곤란한 문제가 있었다.
위와 같은 문제를 해소하고 통상의 연구실 단위에서의 연구와 개발을 촉진하기 위해, 본 발명의 출원인은 대한민국등록특허 제10-1177429호(등록일: 2012년08월21일)와 같은 간편시험법을 제안한 바 있다.
상술한 종래 간편시험법에 따르면, 짧은 시간 내에 재료별 취화거동에 대한 다양한 데이터가 동시에 확보될 수 있어서 가스환경하에서 재료의 취화거동이 신속, 간이하게 평가될 수 있는 장점이 있다.
또한, 상대적으로 소형의 시험편에 대하여 미량의 취급가스를 고압 제공하기 때문에 취급가스가 일부 누출되더라도 비교적 안전하고, 소규모의 설비와 비용으로 연구실 단위에서 다양한 가스환경에 사용되는 재료의 취화거동에 대한 평가 데이터를 소형 펀치 시험에 기반하여 손쉽게 획득할 수 있는 장점이 있다.
그러나 35MPa 내지 70MPa의 고압 수소환경에서 사용되는 재료의 취화거동 평가시 수소취화 등이 재료 자체의 인장강도(UTS)에 미치는 영향을 해당 소형 펀치시험으로는 직접적으로 확인하기 어렵고, 정량적인 데이터로서 획득할 수도 없는 문제가 있다.
또한, 상온이 아닌 저온 및 고온 환경에서 발생하는 재료의 특이적인 취화거동을 재료의 인장변형 등에 기반하여 평가할 수 없다는 점에서 종래 간편 시험법의 설비 자체에는 일정한 한계가 있다.
본 발명의 목적은, 수소를 포함하는 다양한 가스환경에서 사용되는 금속, 합금, 폴리머수지, 세라믹 등과 같은 각종 재료에 대한 취화거동이 재료 자체의 인장강도(UTS)에 미치는 영향을 직접적이고 정량적인 데이터로 획득할 수 있고, 가스가 충진되는 시험편 내측의 중공이 간편하게 밀폐될 수 있으며, 소규모의 설비와 비용으로 취급가스를 소량만 사용하여 연구실 단위에서 취화거동의 특성을 신속, 용이하게 평가할 수 있는 인장시험장치 및 이에 사용되는 시험편을 제공하는 것이다.
본 발명의 목적은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 이하의 기재로부터 명확하게 이해될 수 있다.
상기 목적은, 상부고정단에서 길이방향을 따라 하부고정단까지 중공이 관통형성된 시험편; 상기 하부고정단과의 탈착결합에 따라 상기 중공의 하부개구를 밀폐하며, 상기 시험편을 고정하는 하부지그; 상기 상부고정단과 탈착결합에 따라 상기 중공의 상부개구를 밀폐하고, 직선구동하는 액추에이터에 의해 상하로 작동하며 상기 시험편을 인장시키는 상부지그; 및 밀폐된 상기 하부개구와 연통되도록 상기 하부지그에 관통형성된 공급라인과 연결되어 다양한 가변압으로 소정의 가스를 상기 중공에 충진하는 가스공급부를 포함하는 것을 특징으로 하는 수소가스환경에서의 취화거동에 대한 정량평가용 인장시험장치에 의해 달성된다.
상기 하부지그는, 상기 하부고정단이 나사체결되도록 상단면에 오목하게 형성된 하단체결홈; 상기 하부개구의 외곽 둘레면과 상기 하부고정단의 외주면을 각각 밀폐하도록 상기 하단체결홈의 하부에 탈착가능하게 설치된 이중의 하단오링; 및 상기 하부지그의 외주면에서 측방으로 관통형성된 제1 관로와 상기 하부개구가 서로 연통되도록 상기 하단체결홈의 하부에 관통형성된 제2 관로로 이루어진 상기 공급라인을 포함할 수 있다.
상기 가스공급부는, 상기 제1 관로의 일측에 결합되어 외부에서 상기 제1 관로로 공급되는 가스의 유량을 조절하는 유량밸브; 및 상기 제1 관로의 타측에 결합되어 상기 제1 관로를 통해 상기 중공으로 유입된 가스의 압력을 측정하는 압력게이지를 포함할 수 있다.
상기 상부지그는, 상기 상부고정단이 나사체결되도록 하단면에 오목하게 형성된 상단체결홈; 상기 상부개구의 외곽 둘레면과 상기 상부고정단의 외주면을 각각 밀폐하도록 상기 상단체결홈의 상부에 탈착가능하게 설치된 이중의 상단오링; 및 상기 액추에이터의 작동단에 대하여 측방으로 탈착가능하게 걸림결합되어 회전하는 체결돌기를 포함할 수 있다.
상기 인장시험장치는, 상기 상부지그 및 상기 하부지그가 내부에 수용되도록 설치되는 단열용기; 상기 단열용기 내부의 온도와 상기 시험편의 온도를 측정하는 온도센서; 및 상기 상부지그 및 상기 하부지그의 외주면을 따라 권취되어 상기 시험편을 설정된 온도로 가열 또는 냉각시키는 열전달기를 포함할 수 있다.
상기 열전달기는, 내부에 저온의 냉매가 순환하는 냉각관 또는 제어전원의 인가에 따라 가열되는 열선일 수 있다.
상기 또 다른 목적은, 제1항에 따른 인장시험장치에 사용되는 시험편으로서, 상단부와 하단부 사이에서 상대적으로 얇게 형성되어 상기 인장시험장치의 작동에 따라 신장되며 파단되는 변형부; 상기 변형부보다 큰 직경으로 상기 변형부의 하단부에 형성되어 상기 인장시험장치의 하부지그에 나사체결되는 하부고정단; 상기 변형부를 기준으로 상기 하부고정단과 대칭되도록 상기 변형부의 상단부에 형성되어 상기 인장시험장치의 상부지그에 나사체결되는 상부고정단; 및 상기 상부고정단 또는 상기 변형부의 내측에서 상기 하부고정단까지 관통형성되어 다양한 가변압으로 소정의 가스가 충진되는 중공을 포함하는 것을 특징으로 하는 수소가스환경에서의 취화거동 평가용 시험편에 의해 달성된다.
본 발명에 의하면, 시험편의 내측에 관통형성된 중공의 하부개구를 밀폐하며시험편을 고정하는 하부지그에 대하여, 중공의 상부개구를 밀폐하도록 시험편의 상부고정단과 탈착결합되는 상부지그가 시험편을 인장시키고, 밀폐된 하부개구와 연통되는 하부지그의 공급라인과 연결된 가스공급부에 의해 소정의 가스가 다양한 가변압으로 중공에 충진됨에 따라, 시험편의 취화거동에 대한 평가 데이터는 소형 펀치에 의한 시험편의 압입굽힘변형이 아니라 시험편의 인장변형에 기반하여 직접적으로 획득될 수 있게 된다.
또한, 단순한 작동 구조의 상,하부지그와, 이에 손쉽게 탈부착되는 과정에서 간편하게 중공이 밀폐되는 시험편과, 소량의 가스만으로 시험편의 중공을 고압으로 충진시키는 가스공급부 등은 적은 비용과 소규모 설비로 구현가능하기 때문에 통상의 연구실 단위에서 손쉽게 운용될 수 있다.
또한, 상대적으로 작은 크기의 중공형 시험편에 대하여 소량의 가스만으로 고압의 가스 충진이 이루어지게 되므로, 고압가스에 대한 규제 등의 제한 없이 적은 시험비용(test cost)으로 다양한 연구개발을 자유롭게 수행할 수 있으며, 시험완료시 가스가 일부 누출되더라도 안전하고 신속한 대응이 이루어질 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 수소가스환경에서의 취화거동에 대한 정량평가용 인장시험장치 및 이에 사용되는 시험편의 사시도이다.
도 2는 도 1의 분해도이다.
도 3은 도 1의 단면도이다.
도 4는 도 3을 기준으로 중공에 대한 가스 충진과 시험편에 대한 인장 작동이 이루어지는 시험과정을 도시한 작동상태도이다.
도 5는 저온 시험환경을 조성하기 위해 단열용기, 온도센서 및 냉각관이 추가로 설치된 인장시험장치의 부분절개 사시도이다.
도 6은 고온 시험환경을 조성하기 위해 단열용기, 온도센서 및 열선이 추가로 설치된 인장시험장치의 부분절개 사시도이다.
도 7a는 도 1의 인장시험장치를 통해 동일 압력의 질소(N2)와 수소(H2)가 고압 충진된 시험편에 대하여 각각 수행된 인장시험(SSRT)에 따라 산출된 인장 응력-인장 변형률을 비교한 그래프이다.
도 7b는 도 7a에 따른 인장시험에 의해 파단된 시험편의 손상 및 파단양상을 각각 보여주는 파면상 이미지이다.
도 8은 본 발명의 변형예에 따른 수소가스환경에서의 취화거동에 대한 정량평가용 인장시험장치 및 이에 사용되는 일단이 막힌 시험편의 단면도이다.
도 2는 도 1의 분해도이다.
도 3은 도 1의 단면도이다.
도 4는 도 3을 기준으로 중공에 대한 가스 충진과 시험편에 대한 인장 작동이 이루어지는 시험과정을 도시한 작동상태도이다.
도 5는 저온 시험환경을 조성하기 위해 단열용기, 온도센서 및 냉각관이 추가로 설치된 인장시험장치의 부분절개 사시도이다.
도 6은 고온 시험환경을 조성하기 위해 단열용기, 온도센서 및 열선이 추가로 설치된 인장시험장치의 부분절개 사시도이다.
도 7a는 도 1의 인장시험장치를 통해 동일 압력의 질소(N2)와 수소(H2)가 고압 충진된 시험편에 대하여 각각 수행된 인장시험(SSRT)에 따라 산출된 인장 응력-인장 변형률을 비교한 그래프이다.
도 7b는 도 7a에 따른 인장시험에 의해 파단된 시험편의 손상 및 파단양상을 각각 보여주는 파면상 이미지이다.
도 8은 본 발명의 변형예에 따른 수소가스환경에서의 취화거동에 대한 정량평가용 인장시험장치 및 이에 사용되는 일단이 막힌 시험편의 단면도이다.
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.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 수소가스환경에서의 취화거동에 대한 정량평가용 인장시험장치 및 이에 사용되는 시험편의 사시도이고, 도 2는 도 1의 분해도이고, 도 3은 도 1의 단면도이고, 도 4는 도 3을 기준으로 중공에 대한 가스 충진과 시험편에 대한 인장 작동이 이루어지는 시험과정을 도시한 작동상태도이고, 도 5는 저온 시험환경을 조성하기 위해 단열용기, 온도센서 및 냉각관이 추가로 설치된 인장시험장치의 부분절개 사시도이고, 도 6은 고온 시험환경을 조성하기 위해 단열용기, 온도센서 및 열선이 추가로 설치된 인장시험장치의 부분절개 사시도이고, 도 7a는 도 1의 인장시험장치를 통해 동일 압력의 질소(N2)와 수소(H2)가 고압 충진된 시험편에 대하여 각각 수행된 인장시험(SSRT)에 따라 산출된 인장 응력-인장 변형률을 비교한 그래프이고, 도 7b는 도 7a에 따른 인장시험에 의해 파단된 시험편의 손상 및 파단양상을 각각 보여주는 파면상 이미지이고, 도 8은 본 발명의 변형예에 따른 수소가스환경에서의 취화거동에 대한 정량평가용 인장시험장치 및 이에 사용되는 일단이 막힌 시험편의 단면도이다.
발명의 설명 및 청구범위 등에서 방향을 지칭하는 상(위쪽), 하(아래쪽), 좌우(옆쪽 또는 측방), 전(정,앞쪽), 후(배,뒤쪽) 등은 권리의 한정의 용도가 아닌 설명의 편의를 위해서 도면 및 구성 간의 상대적 위치를 기준으로 정한 것으로, 3개의 축은 서로 대응되게 회전하여 바뀔 수 있으며, 특별히 다르게 한정하는 경우 외에는 이에 따른다.
본 발명에 따른 수소가스환경에서의 취화거동에 대한 정량평가용 인장시험장치(100)는, 시험편(110)의 취화거동에 대한 평가 데이터가 인장변형에 기반하여 획득되는 한편, 적은 시험비용과 설비비용으로 통상의 연구실 단위에서 다양한 연구개발이 자유롭게 수행되도록 하기 위해 안출된 발명이다.
그리고 본 발명에 따른 시험편(110)은, 상술한 정량평가용 인장시험장치(100)에 직접 탈착가능하게 체결되어 재료 자체의 취화거동에 대한 평가 데이터 획득에 사용되도록 안출된 발명이다.
상술한 바와 같은 기능 내지 작용을 구체적으로 구현하기 위해, 본 발명의 실시예에 따른 정량평가용 인장시험장치(100)는, 도 1 내지 도 3에 도시된 바와 같이 시험편(110), 하부지그(120), 상부지그(130) 및 가스공급부(140)를 포함하여 상온(常溫)의 시험편(110)을 사용하는 제1 형태와, 도 5 및 도 6에 도시된 바와 같이, 제1 형태에 단열용기(150), 온도센서(160) 및 열전달기 등을 더 포함하여 가열 또는 냉각된 시험편(110)을 사용하는 제2 형태로 구성될 수 있다.
이하에서는 상술한 각 구성들에 대하여 구체적으로 설명하기로 한다.
먼저, 시험편(110)은, 본 발명의 인장시험장치(100)에 탈착가능하게 장착된 상태로 밀폐된 내부에 소량의 가스(G)가 고압으로 충진되어 인장변형이 이루어지는 구성요소로서, 금속, 합금, 폴리머수지 또는 세라믹 등과 같이 수소 등을 포함하는 가스환경에 사용될 수 있는 다양한 재료로 제작될 수 있다.
이러한 시험편(110)은, 인장시험을 위한 장착과 가스(G) 충진을 위한 밀폐된 공간의 형성을 위해 도 1 및 도 8의 확대도에 도시된 바와 같이, 변형부(116), 하부고정단(112), 상부고정단(114) 및 중공(S) 등을 포함하여 구성될 수 있다.
여기서 변형부(116)는, 본 발명의 인장시험장치(100)의 작동에 따라 시험편(110)이 신장되며 파단되도록 유도하기 위해 시험편(110)의 상단부와 하단부 사이에서 얇은 직경으로 형성되는 구성요소로서, 상술한 바와 같이 다양한 재료를 사용하여 후술할 하부고정단(112) 및 상부고정단(114)과 일체로 제작될 수 있다.
하부고정단(112)은, 상술한 변형부(116)보다 큰 직경으로 변형부(116)의 하단부에 형성되어 본 발명에 따른 인장시험장치(100)의 하부지그(120)(하단체결홈(124))와 탈착가능하게 결합되는 구성요소이다.
이러한 하부고정단(112)의 외주면에는, 도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이 하단체결홈(124)의 내주면에 형성된 암나사산에 나사결합되는 수나사산이 형성될 수 있고, 하부고정단(112)의 상단부에는, 토크렌치 또는 스패너 등의 공구가 삽입되는 조임조절홈(112a)이 형성될 수 있다.
상술한 바와 같은 구조의 하부고정단(112)으로 인해, 하부지그(120)와의 나사결합력은 시험조건 등에 따라 외부에서 정밀하게 조절될 수 있고, 본 발명에 따른 인장시험장치(100)의 작동에도 시험편(110)이 견고하게 고정될 수 있게 된다.
상부고정단(114)은, 상술한 변형부(116)보다 큰 직경으로 변형부(116)의 상단부 즉, 변형부(116)를 기준으로 상술한 하부고정단(112)과 대칭된 위치에 형성되어 본 발명에 따른 인장시험장치(100)의 상부지그(130)(상단체결홈(134))와 탈착가능하게 결합되는 구성요소이다.
이러한 상부고정단(114)의 외주면에도, 도 3에 도시된 바와 같이 상단체결홈(134)의 내주면에 형성된 암나사산에 나사체결되는 수나사산이 형성될 수 있고, 상부고정단(114)의 하단부에는, 토크렌치 또는 스패너 등의 공구가 삽입되는 조임조절홈(114a)이 형성될 수 있다.
상술한 바와 같은 구조의 상부고정단(114)으로 인해, 상부지그(130)의 나사결합력은 시험조건 등에 따라 외부에서 정밀하게 조절될 수 있고, 본 발명에 따른 인장시험장치(100)의 작동시 시험편(110)이 견고하게 상방으로 견인될 수 있게 된다.
중공(S)은, 시험편(110)의 재료가 사용되는 가스환경과 동일한 조건에서 가스(G)와 시험편(110) 간의 고압 접촉 및 취화거동이 이루어지도록 하기 위해 시험편(110)의 내측에 마련된 빈공간으로, 후술하는 바와 같이 연결된 가스공급부(140)를 통해 다양한 가스(G)가 가변압으로 충진될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 중공(S)은, 도 3에 도시된 바와 같이, 상술한 상부고정단(114)에서 하부고정단(112)까지 길이방향을 따라 관통형성되어 위쪽에 상부개구(S2)가 형성되고, 아래쪽에 하부개구(S1)가 형성될 수 있다.
다만, 이러한 중공(S)은, 도 8에 도시된 바와 같이, 위쪽이 막힌 형태 즉, 변형부(116)의 내측에서 길이방향을 따라 하부고정단(112)까지 관통형성되어 하부개구(S1)만이 형성된 막힌 구조로 이루어질 수도 있다.
이러한 변형된 시험편(110)의 구조는, 상부고정단(114)에 대한 시험편(110)의 탈착결합시 중공(S)의 밀폐작업을 단순화하여 시험의 간편성과 효율성을 제고하는 한편, 가스(G) 누출의 위험성을 보다 저감하기 위함이다.
이상에서 살펴본 본 발명의 실시예에 따른 시험편(110)은, 침식성의 수소에 대한 직접 수송 및 저장의 용도로 적합한 원유 또는 가스 수송용의 API(American Petroleum Institute) X70 강관과 동일한 소재로 제작하게 된다.
이때, 시험편(110)은 구체적으로, 통상의 연구실에서 취급이 용이하도록, 길이 33mm, 변형부(116) 외경 6.35mm, 중공(S) 2mm의 소형 규격으로 제작하고, 상부고정단(114) 및 하부고정단(112)의 외주면에는 M12(12mm) 규격의 나사산을 형성하여 이루어질 수 있다.
하부지그(120)는, 상술한 시험편(110)의 하부고정단(112)과 탈착결합을 이루며 상술한 중공(S)의 하부개구(S1)를 밀폐하고, 시험편(110)을 고정하게 되는 구성요소로서, 도 1 및 도 3에 도시된 바와 같이, 하단오링(126), 하단오링(126) 및 공급라인(122) 등을 포함하여 구성될 수 있다.
여기서 하단오링(126)(124)은, 상술한 하부고정단(112)을 수용하도록 하부지그(120)의 상단면에서 오목하게 함몰형성되어 시험편(110)을 견고히 고정하는 구성요소로서, 내주면을 따라 형성된 암나사산은 상술한 하부고정단(112)의 수나사산과 나사결합을 형성하게 된다.
하단오링(126)은, 상술한 중공(S)의 하부개구(S1)를 이중으로 밀폐시키기 위해 상술한 하단체결홈(124)의 하부에 탈착가능하게 설치되는 구성요소로서, 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이 제1 하부오링 및 제2 하부오링을 포함하는 이중 구조로 이루어질 수 있다.
이때, 제1 하부오링은, 고무 또는 실리콘 등의 탄성소재로 제작되는 링형의 구성요소로서, 하단체결홈(124)의 하부면에 형성된 장착홈에 삽입설치되어 하부개구(S1)의 외곽 둘레면과 접하게 된다.
이러한 제1 하부오링은 상술한 하부고정단(112)의 나사체결의 진행에 따라 하부개구(S1)의 외곽 둘레면을 가압함으로써, 하부개구(S1)를 외부와 밀폐시키는 작용을 수행하게 된다.
그리고 제2 하부오링은, 고무 또는 실리콘 등의 탄성소재로 제작되는 링형의 구성요소로서, 하단체결홈(124)의 하부 내주면에 형성된 장착홈에 삽입설치되어 하부고정단(112)의 외주면과 접하게 된다.
이러한 제2 하부오링은 상술한 하부고정단(112)의 나사체결의 진행에 따라 하부고정단(112)의 외주면을 가압함으로써, 하부개구(S1)를 상술한 제1 하부오링과 함께 중첩적으로 밀폐시키는 작용을 수행하게 된다.
상술한 바와 같은 제1,2 하부오링은, 가스(G)(온도 및 압력 등)에 대한 시험조건에 따라 오링 자체의 온도 저항성, 내구성 및 경도 등을 고려하여 적절하게 교체사용됨으로써, 중공(S)에 충진된 가스(G)에 대한 견고한 밀폐력을 형성할 수 있게 된다.
공급라인(122)은, 하부고정단(112)의 나사체결의 진행에 따라 하단오링(126)에 의해 밀폐되는 하부개구(S1)와 외부에서 가스(G)를 제공하는 저장탱크가 서로 연통되도록 하부지그(120)에 관통형성되어 이루어지는 관로형상의 구성요소이다.
이러한 공급라인(122)은, 도 3 등에 도시된 바와 같이, 하부지그(120)의 몸체에 대한 드릴링 작업 등에 의해 형성되는 제1 관로(122b) 및 제2 관로(122a)를 포함하여 이루어지게 된다.
이때, 제1 관로(122b)는, 외부의 저장탱크 및 후술할 가스공급부(140) 등과 연결되는 관로형상의 구성요소로서, 하부지그(120)의 외주면에서 측방으로 관통형성되어 이루어질 수 있다.
그리고 제2 관로(122a)는 상술한 바와 같이 주변이 이중으로 밀폐된 하부개구(S1)와 상술한 제1 관로(122b)가 서로 연통되도록 하기 위해 형성되는 관로형상의 구성요소로서, 하단체결홈(124)의 하부에 관통형성되어 이루어질 수 있다.
상부지그(130)는, 상술한 상부고정단(114)과 탈착결합을 이루며 중공(S)의 상부개구(S2)를 밀폐하고, 직선구동하는 액추에이터(미도시)에 의해 상하로 작동하며 시험편(110)을 인장시키는 구성요소로서, 도 3 등에 도시된 바와 같이, 상단체결홈(134), 상단오링(136) 및 체결돌기(132) 등을 포함하여 구성될 수 있다.
여기서 상단체결홈(134)은, 상술한 상부고정단(114)을 수용하도록 상부지그(130)의 하단면에서 오목하게 형성되어 시험편(110)을 상부지그(130)에 견고히 고정하는 구성요소로서, 내주면을 따라 형성된 암나사산은 상술한 상부고정단(114)의 수나사산과 나사결합을 형성하게 된다.
상단오링(136)은, 상술한 중공(S)의 상부개구(S2)를 이중으로 밀폐시키기 위해 상술한 상단체결홈(134)의 상부에 탈착가능하게 설치되는 구성요소로서, 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 제1 상부오링 및 제2 상부오링을 포함하는 이중 구조로 이루어질 수 있다.
이때, 제1 상부오링은, 고무 또는 실리콘 등의 탄성소재로 제작되는 링형의 구성요소로서, 상단체결홈(134)의 상부면에 형성된 장착홈에 삽입설치되어 상부개구(S2)의 외곽 둘레면과 접하게 된다.
이러한 제1 상부오링은 상술한 상부고정단(114)의 나사체결의 진행에 따라 상부개구(S2)의 외곽 둘레면을 가압함으로써, 상부개구(S2)를 외부와 밀폐시키는 작용을 수행하게 된다.
그리고 제2 상부오링은, 고무 또는 실리콘 등의 탄성소재로 제작되는 링형의 구성요소로서, 상단체결홈(134)의 상부 내주면에 형성된 장착홈에 삽입설치되어 상부고정단(114)의 외주면과 접하게 된다.
이러한 제2 상부오링은 상술한 상부고정단(114)의 나사체결의 진행에 따라 상부고정단(114)의 외주면을 가압함으로써, 상부개구(S2)를 상술한 제1 상부오링과 함께 중첩적으로 밀폐시키는 작용을 수행하게 된다.
상술한 바와 같은 상단오링(136)도 하부오링과 마찬가지로, 가스(G)(온도 및 압력 등)에 대한 시험조건에 따라 오링 자체의 온도 저항성, 내구성 및 경도 등을 고려하여 적절하게 교체사용됨으로써, 중공(S)에 충진된 가스(G)에 대한 견고한 밀폐력을 형성할 수 있게 된다.
다만, 도 8에 도시된 바와 같이 위쪽이 막힌 형태 즉, 변형부(116)의 내측에서 길이방향을 따라 하부고정단(112)까지 관통형성되어 하부개구(S1)만이 형성된 막힌 구조의 중공(S)의 경우에는, 상부개구(S2)에 의한 가스(G) 누출 위험이 없으므로, 상술한 상단오링은 생략될 수 있다.
체결돌기(132)는, 상하로 왕복 작동하도록 고정설치된 액추에이터의 작동단(10)에 대하여 상부지그(130)가 용이하게 분리되고 결합되도록 하기 위해 상부지그(130)의 상단부에 돌출형성되어 이루어지는 구성요소이다.
이러한 체결돌기(132)는, 도 2 등에 도시된 바와 같이, 측방으로 개구가 형성된 걸림홈이 마련된 액추에이터의 작동단(10)에 대하여 회전하며 탈착가능하게 걸림결합되는 돌기구조로 이루어지게 된다.
상술한 측방향 걸림구조의 체결돌기(132)로 인해, 상부지그(130)에 미리 나사체결된 시험편(110)은, 상부지그(130)가 작동단(10)에 측방으로 걸림결합된 후 상부지그(130)와 함께 상대회전하며 하부지그(120)와의 나사결합을 형성할 수 있게 되므로, 연구자는 시험편(110)을 보다 용이하게 탈부착할 수 있게 된다.
본 발명에서 액추에이터는, 후술할 가스공급부(140)를 작동제어하는 제어부(미도시)에 의해 상하방향으로 직선운동을 수행하는 상용화된 장치라면 어떠한 방식의 동력장치라도 무방하다.
일례로 액추에이터는, 강한 가압력으로 정확한 직선 제어가 가능한 유압실린더, 모터와 연결된 스크류축의 회전에 따라 직선구동하도록 나사결합되어 이루어진 볼스크류 등일 수 있다.
이러한 액추에이터의 작동단(10)에는, 상부지그(130)의 상방향 이동에 따라 시험편(110)에 인가되는 인장력을 실시간 측정하는 로드셀(미도시)이 구비되어 측정된 데이터를 제어부로 전송하게 된다.
본 발명에서의 제어부는, 액추에이터, 후술할 유량밸브(142), 압력게이지(144), 온도센서(160) 및 열전달기 등과 전기적으로 연결되어 이들의 작동을 제어하고, 생성된 데이터를 처리하는 구성요소로서, MCU(micro controller unit), 마이컴(microcomputer), 아두이노(Arduino), PLC (Programmable Logic Controller) 등과 같이 정보연산과 시퀀스 제어가 프로그래밍될 수 있는 정보처리유닛으로 구현될 수 있다
가스공급부(140)는, 밀폐된 하부개구(S1)와 연통되는 하부지그(120)의 공급라인(122)과 연결되어 다양한 가변압으로 소정의 가스(G)를 중공(S)에 충진하는 구성요소로서, 도 2 및 도 3 등에 도시된 바와 같이, 유량밸브(142) 및 압력게이지(144) 등을 포함하여 구성될 수 있다.
유량밸브(142)는, 상술한 제1 관로(122b)의 일측에 결합된 상태로 외부의 저장탱크와 연결되어 제1 관로(122b)로 공급되는 가스(G)의 양을 조절하는 구성요소로서, 상술한 제어부에 의해 개폐의 정도가 작동제어될 수 있다.
이러한 유량밸브(142)와 제어부로 인해, 중공(S) 내부에 충진되는 가스(G)의 양은 다양하게 조절될 수 있게 된다.
압력게이지(144)는, 상술한 유량밸브(142)의 반대편인 제1 관로(122b)의 타측에 결합되어 제1 관로(122b)를 통해 중공(S)으로 유입된 가스(G)의 압력을 측정하는 구성요소로서, 압력게이지(144)에 의해 실시간 측정된 가스(G) 압력에 대한 데이터는 제어부로 전송될 수 있다.
한편, 앞서 설명한 구성들을 포함하는 본 발명의 실시예에 따른 제1 형태는, 상온의 시험편(110)(가스환경)이 아니라 특정 온도로 가열 또는 냉각된 시험편(110)의 취화거동에 대한 평가 데이터를 획득하기 위해, 도 5 및 도 6에 도시된 바와 같이, 단열용기(150), 온도센서(160) 및 열전달기 등을 더 포함하는 제2 형태로 변형될 수 있다.
이때, 단열용기(150)는, 상부지그(130) 및 하부지그(120)가 내부에 수용되도록 설치되어 내부의 열이 외부로 방출되는 것을 억제하는 캡슐형상의 구성요소로서, 고온 및 저온환경에서 내구성이 있고, 외부로의 열손실을 방지할 수 있는 세라믹, 합성수지 또는 복합소재 등으로 제작될 수 있다.
이러한 단열용기(150)는, 상방으로 직선구동하는 상부지그(130)에 대한 간섭 없이 시험편(110), 상부 자기 및 하부지그(120) 전체를 감싸는 형태로 결합 또는 분리될 수 있는 구조이면 충분하므로, 그 구체적인 형상 등은 특별히 제한되지 않는다.
온도센서(160)는, 단열용기(150) 내부의 온도와 시험편(110)의 온도를 측정하기 위해 단열용기(150) 내부에 각각 한 쌍으로 마련되는 구성요소로서, 온도를 전압이나 저항변화와 같은 전기신호로 변환하는 상용화된 센서일 수 있다.
이러한 온도센서(160)와 전기적으로 연결된 제어부는 온도센서(160)에서 실시간 측정된 온도 데이터를 제공받고, 전송된 온도 데이터에 기초하여 후술할 열전달기의 작동을 제어하게 된다.
열전달기는, 상부지그(130) 및 하부지그(120)의 외주면을 따라 구비되어 시험편(110)을 설정된 온도로 가열 또는 냉각시키는 구성요소로서, 내부에 저온의 냉매(R)가 순환하는 냉각관(170a) 또는 제어전원의 인가에 따라 가열되는 열선(170b) 등으로 구성될 수 있다.
여기서 시험편(110)과 단열용기(150) 내부를 냉각하기 위한 냉각관(170a)은, 압축기, 응축기 및 증발기 등으로 구성되는 상용화된 냉각시스템에서 증발기에 대응하는 구성일 수 있다.
냉각관(170a)은, 도 5에 도시된 바와 같이, 단열용기(150) 내부에서 하부지그(120)와 상부지그(130)를 감싸는 코일 형태로 배치된 후, 제어부에 의한 작동제어에 따라 외부로부터 저온의 냉매(R)를 제공받아 단열용기(150) 내부를 설정된 온도로 냉각시키게 된다.
열선(170b)은, 도 6에 도시된 바와 같이, 단열용기(150) 내부에서 하부지그(120)와 상부지그(130)를 둘러싸는 패드형태로 설치된 후, 제어부에 의한 작동제어에 따라 제어전원을 인가받아 단열용기(150) 내부를 설정된 온도로 가열하게 된다.
이상에서 살펴본 바와 같은 본 발명의 실시예에 따른 정량평가용 인장시험장치(100)를 이용하여 일련의 과정을 수행(저속도변형률 인장시험(SSRT, Slow Strain-Rate Tensile Test))하게 되면, 상온, 저온 또는 고온의 가스환경에 대한 시험편(110)의 취화거동은 각각 도 7a의 그래프와 같은 형태(평가 데이터)로 확인될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 정량평가용 인장시험장치(100)를 이용한 일련의 인장시험 과정은 다음과 같다.
먼저, 분리된 하부지그(120) 및 상부지그(130)에 시험편(110)을 각각 나사체결하여 하부개구(S1) 및 상부개구(S2)를 밀폐시키는 과정이 수행될 수 있다.
이때, 하부지그(120)에 대한 시험편(110)의 나사체결에 따라 하부개구(S1)에 대한 밀폐가 이루어지도록 한 후, 상부지그(130)를 회전시켜 체결하는 과정이 수행될 수 있다.
다음으로, 가스공급부(140)를 통해 중공(S) 내부로 설정된 압력의 가스(G)를 충진시키는 과정이 수행될 수 있다. 이때, 수소가스의 충진은 개방되거나 방폭설비가 갖추어진 공간에서 실시한다.
다음으로, 시험편(110)이 나사체결된 하부지그(120) 및 상부지그(130) 조립체를 통상의 실험실에 반입하여 액추에이터의 작동단(10)과 하단의 베이스프레임(20)에 각각 걸림고정되도록 체결하는 과정이 수행될 수 있다.
이때, 설정된 저온 또는 고온의 가스환경을 구현하기 위해 온도센서(160)에서 측정된 온도에 기초하여 열전달기의 작동을 제어하는 과정이 선택적으로 이루어질 수 있다.
다음으로, 중공(S)에 가스(G)가 설정된 압력으로 충진된 상태에서 시험편(110)이 파단될 때까지 상부지그(130)를 상방으로 이동시키는 과정이 수행될 수 있다.
마지막으로, 상부지그(130)의 상방 이동에 따라 시험편(110)에 가해진 인장 응력을 로드셀을 통해 측정하고, 시험편(110)의 인장 변형률을 측정하여 도 7a에 도시된 형태로 그래프화하는 과정이 수행될 수 있다.
이렇게 본 발명의 실시예에 따른 정량평가용 인장시험장치(100)를 통해 획득된 도 7a의 그래프와 도 7b의 시험완료 후 시험편(110)의 파단양상 및 파단면에 대한 관찰(전자현미경)에 의하게 되면, 다음과 같은 평가 데이터의 도출과 효과가 기대될 수 있다.
첫째, 시험편(110)에 대한 인장 응력-인장 변형률 그래프(도 7a 참조)와 시험완료 후 시험편(110)의 파단양상 및 파단면에 대한 관찰(도 7b 참조)을 상호 연계하게 되면, 정성적으로 내(耐)수소취화 정도를 확인할 수 있고, 시험온도에 따른 시험편(110) 재료의 취화에 따른 연성-취성 천이 거동에 대한 구분이 가능하게 된다.
둘째, 본 발명을 이용한 인장시험(SSRT) 전과 후의 시험편(110) 파단부 단면적을 측정하여 산출되는 시험편(110)의 단면수축률(reduction of area: RA)을 질소가스, 아르곤 또는 헬륨 등의 비활성가스와 수소 등과 같은 시험 대상 가스에 대하여 각각 계산(RAH2, RAN2)한 후, 이들의 비율인 상대 단면수축률(relative reduction of area: RRA)을 아래와 같이 도출하게 되면, 내수소취성 재료를 선별할 수 있는 하나의 지표로써 활용할 수 있게 된다.
* RRA = RAH2/RAN2 (RAH2: 수소가스(H2)환경에서 구한 단면수축률, RAN2: 비활성가스(N2)환경에서 구한 단면수축률)
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 안 되며, 변형된 실시예들은 본 발명의 특허청구범위에 속한다 하여야 할 것이다.
10: 액추에이터의 작동단 20: 베이스프레임
100: 수소가스환경에서의 취화거동에 대한 정량평가용 인장시험장치
110: 시험편 112: 하부고정단
112a,114a: 조임조절홈 114: 상부고정단
116: 변형부 S: 중공
S1: 하부개구 S2: 상부개구
120: 하부지그 122: 공급라인
122a: 제2 관로 122b: 제1 관로
124: 하단체결홈 126: 하단오링
130: 상부지그 132: 체결돌기
134: 상단체결홈 136: 상단오링
140: 가스공급부 142: 유량밸브
144: 압력게이지 G: 가스
150: 단열용기 160: 온도센서
170a: 냉각관(열전달기) R: 냉매
170b: 열선(열전달기)
100: 수소가스환경에서의 취화거동에 대한 정량평가용 인장시험장치
110: 시험편 112: 하부고정단
112a,114a: 조임조절홈 114: 상부고정단
116: 변형부 S: 중공
S1: 하부개구 S2: 상부개구
120: 하부지그 122: 공급라인
122a: 제2 관로 122b: 제1 관로
124: 하단체결홈 126: 하단오링
130: 상부지그 132: 체결돌기
134: 상단체결홈 136: 상단오링
140: 가스공급부 142: 유량밸브
144: 압력게이지 G: 가스
150: 단열용기 160: 온도센서
170a: 냉각관(열전달기) R: 냉매
170b: 열선(열전달기)
Claims (7)
- 상부고정단에서 길이방향을 따라 하부고정단까지 중공이 관통형성된 시험편; 상기 하부고정단과의 탈착결합에 따라 상기 중공의 하부개구를 밀폐하며, 상기 시험편을 고정하는 하부지그; 상기 상부고정단과 탈착결합에 따라 상기 중공의 상부개구를 밀폐하고, 직선구동하는 액추에이터에 의해 상하로 작동하며 상기 시험편을 인장시키는 상부지그; 및 밀폐된 상기 하부개구와 연통되도록 상기 하부지그에 관통형성된 공급라인과 연결되어 다양한 가변압으로 소정의 가스를 상기 중공에 충진하는 가스공급부를 포함하고,
상기 하부지그는, 하단의 베이스프레임에 대하여 탈착가능하게 걸림결합되도록 형성되고,
상기 상부지그는, 상기 액추에이터의 작동단에 대하여 측방으로 탈착되며 회전가능하게 걸림결합되는 체결돌기를 포함하고,
상기 시험편이 결합된 상기 하부지그 및 상기 상부지그 조립체는,
개방되거나 방폭설비가 갖추어진 공간에서 상기 가스공급부를 통해 상기 중공 내부로 설정된 압력의 가스를 충진받은 후, 반입되어 상기 작동단과 상기 베이스프레임에 각각 고정되도록 체결되는 것을 특징으로 하는 수소가스환경에서의 취화거동에 대한 정량평가용 인장시험장치. - 제1항에 있어서,
상기 하부지그는,
상기 하부고정단이 나사체결되도록 상단면에 오목하게 형성된 하단체결홈;
상기 하부개구의 외곽 둘레면과 상기 하부고정단의 외주면을 각각 밀폐하도록 상기 하단체결홈의 하부에 탈착가능하게 설치된 이중의 하단오링; 및
상기 하부지그의 외주면에서 측방으로 관통형성된 제1 관로와 상기 하부개구가 서로 연통되도록 상기 하단체결홈의 하부에 관통형성된 제2 관로로 이루어진 상기 공급라인을 포함하는 것을 특징으로 하는 수소가스환경에서의 취화거동에 대한 정량평가용 인장시험장치. - 제2항에 있어서,
상기 가스공급부는,
상기 제1 관로의 일측에 결합되어 외부에서 상기 제1 관로로 공급되는 가스의 유량을 조절하는 유량밸브; 및
상기 제1 관로의 타측에 결합되어 상기 제1 관로를 통해 상기 중공으로 유입된 가스의 압력을 측정하는 압력게이지를 포함하는 것을 특징으로 하는 수소가스환경에서의 취화거동에 대한 정량평가용 인장시험장치. - 제1항에 있어서,
상기 상부지그는,
상기 상부고정단이 나사체결되도록 하단면에 오목하게 형성된 상단체결홈; 및
상기 상부개구의 외곽 둘레면과 상기 상부고정단의 외주면을 각각 밀폐하도록 상기 상단체결홈의 상부에 탈착가능하게 설치된 이중의 상단오링을 포함하는 것을 특징으로 하는 수소가스환경에서의 취화거동에 대한 정량평가용 인장시험장치. - 제1항에 있어서,
상기 인장시험장치는,
상기 상부지그 및 상기 하부지그가 내부에 수용되도록 설치되는 단열용기;
상기 단열용기 내부의 온도와 상기 시험편의 온도를 측정하는 온도센서; 및
상기 상부지그 및 상기 하부지그의 외주면을 따라 권취되어 상기 시험편을 설정된 온도로 가열 또는 냉각시키는 열전달기를 포함하는 것을 특징으로 하는 수소가스환경에서의 취화거동에 대한 정량평가용 인장시험장치. - 제5항에 있어서,
상기 열전달기는,
내부에 저온의 냉매가 순환하는 냉각관 또는 제어전원의 인가에 따라 가열되는 열선인 것을 특징으로 하는 수소가스환경에서의 취화거동에 대한 정량평가용 인장시험장치. - 제1항에 따른 인장시험장치에 사용되는 시험편으로서,
상단부와 하단부 사이에서 상대적으로 얇게 형성되어 상기 인장시험장치의 작동에 따라 신장되며 파단되는 변형부;
상기 변형부보다 큰 직경으로 상기 변형부의 하단부에 형성되어 상기 인장시험장치의 하부지그에 나사체결되는 하부고정단;
상기 변형부를 기준으로 상기 하부고정단과 대칭되도록 상기 변형부의 상단부에 형성되어 상기 인장시험장치의 상부지그에 나사체결되는 상부고정단; 및
상기 상부고정단 또는 상기 변형부의 내측에서 상기 하부고정단까지 관통형성되어 다양한 가변압으로 소정의 가스가 충진되는 중공을 포함하는 것을 특징으로 하는 수소가스환경에서의 취화거동 평가용 시험편.
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| JP2017161468A (ja) | 2016-03-11 | 2017-09-14 | 株式会社Ihi | 引張試験用治具ユニット及び引張試験方法 |
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