빠른 정의: 수소 사용 가능 파이프라인: 고수소 혼합물의 용접 파이프 성능 비교 수소 사용 파이프라인은 20% H2를 초과하는 가스 혼합물에서 수소 취성에 저항하도록 설계된 특정 API 5L 등급(일반적으로 X52 이하)을 사용합니다. 이러한 시스템은 ASME B31.12 옵션 B 및 엄격한 파괴 역학 요구 사항(K1H)의 적용을 받습니다. 이는 친환경 에너지를 위해 천연가스 네트워크를 용도 변경하는 데 중요하지만 용접 열 영향부(HAZ)에 마텐자이트 구조 또는 과도한 경도(>250 HV10)가 포함되어 있으면 치명적인 실패를 초래합니다.
수소 서비스를 위한 파이프라인을 설계하거나 개조하려면 재료 공학 논리의 근본적인 변화가 필요합니다. 더 높은 항복 강도가 효율성과 동일한 천연 가스와 달리, 수소 서비스는 재료 강도를 문제로 바꿉니다. 원자 수소와 강철 미세 구조 사이의 상호 작용에 따르면 '수소 사용 가능'은 인증 라벨이 아니라 미세 구조, 경도 및 파괴 인성에 대한 엄격한 계산입니다.
강도 역설: 고급 철강이 하반기에 실적이 더 나빠지는 이유
수소 파이프라인 엔지니어링의 가장 직관에 반하는 측면은 고강도 저합금(HSLA) 강의 품질 저하입니다. 등급 X70 또는 X80 API 5L 파이프는 벽 두께를 줄이기 위한 최신 탄화수소 전송의 표준이지만 고압 수소에는 적합하지 않은 경우가 많습니다.
인장 강도가 증가하면 수소 취화 위험이 증가하는 이유는 무엇입니까?
수소 취성(HE)은 원자 수소가 강철 격자로 확산되어 전위, 결정립 경계 및 함유물과 같은 '트랩 사이트'에 축적되면서 발생합니다. 고장력강은 증가된 전위 밀도와 복잡한 미세 구조를 통해 그 특성을 달성합니다. 수소 환경에서 이러한 특징은 수소 저장소 역할을 하여 균열 시작 임계값을 크게 낮춥니다.
또한, 연구에 따르면 피로 균열 성장률(FCGR)은 H2 환경의 등급에 따라 유사하지만 파괴 인성(K1H) 은 X52보다 X70에서 훨씬 더 가파르게 저하됩니다. 이는 치명적인 지퍼 파손을 유발하는 결함 크기인 임계 균열 크기를 고강도 파이프에서 위험할 정도로 작은 수준으로 줄입니다.
인라인 기술 설명: Q: ASME B31.12에서는 X70 강철을 금지합니까?
A: 아니요. 하지만 처벌을 받습니다. 이 코드는 항복 강도를 기준으로 재료 성능 계수($M_f$)를 적용합니다. 더 높은 등급(예: X70)의 경우 $M_f$가 더 낮으므로 엔지니어는 벽 두께를 늘려야 하며, 이로 인해 애초에 고강도 강철 사용에 따른 비용 이점이 상쇄되는 경우가 많습니다.
용접심 무결성: 수소 서비스의 ERW 대 LSAW
세로 용접 이음매는 수소 파이프라인의 주요 취약 지점입니다. 파이프의 제조 공정에 따라 이 이음새의 미세 구조와 HIC(수소 유도 균열)에 대한 민감성이 결정됩니다.
ERW 파이프는 100% 수소 수송에 안전한가요?
ERW(전기 저항 용접) 파이프는 일반적으로 순수 수소 서비스, 특히 고압에서 주의 깊게 간주됩니다. ERW 공정에 내재된 급속 냉각은 이방성 인성을 지닌 접착 라인을 생성할 수 있습니다. 용접 후 열처리(PWHT)를 사용하더라도 접착 라인에는 HIC 또는 '홈 부식'의 시작 지점 역할을 하는 산화물과 개재물이 포함되는 경우가 많습니다. 중요한 클래스 3 또는 클래스 4 위치 또는 20%가 넘는 혼합물의 경우 ERW의 용가재 제어가 부족하기 때문에 심리스 또는 LSAW가 엔지니어링에서 선호됩니다.
LSAW는 수소 균열에 대한 탁월한 저항성을 제공합니까?
LSAW(Longitudinal Submerged Arc Welded) 파이프를 사용하면 용접 금속의 미세 구조를 제어하도록 설계된 특정 용가재를 도입할 수 있습니다. 침상 페라이트 형성을 촉진하고 베이나이트 또는 마르텐사이트를 억제하는 와이어를 활용함으로써 엔지니어는 자생 ERW 공정보다 용접 인성을 모재 금속에 더 효과적으로 맞출 수 있습니다. 그러나 플럭스 선택은 매우 중요합니다. 높은 산소 플럭스는 주요 수소 트랩인 산화물 함유물을 남길 수 있습니다.
인라인 기술 설명: Q: H2 용접의 '하드 스팟' 제한은 무엇입니까?
A: NACE MR0175는 산성 서비스에 대해 최대 22 HRC(약 248 HV10)를 허용하지만, 엄격하게 제어되는 수소 라인은 MA 성분을 포함하는 국부적인 취성 영역(LBZ)의 형성을 방지하기 위해 종종 최대 237 BHN(약 237 HV10)을 목표로 합니다.
수소 사용 파이프라인에 대한 일반적인 현장 질문: 고수소 혼합물의 용접 파이프 성능 비교
수소 혼합을 위한 기존 파이프라인을 어떻게 검증합니까?
검증에는 ASME B31.12 요구 사항에 대한 원본 밀 테스트 보고서(MTR)의 '간격 분석'이 필요합니다. 가장 중요한 누락 데이터 포인트는 일반적으로 탄소 등가물(CE)과 용접 HAZ의 인성입니다. MTR을 사용할 수 없는 경우 경도 및 화학 분석을 위한 현장 비파괴 검사(NDT)가 필수입니다. 탄소당량이 0.43을 초과하면 용접성 및 HE에 대한 민감성이 주요 문제가 됩니다.
용접 파이프의 피로 수명에 수소가 미치는 영향은 무엇입니까?
수소는 공기에 비해 피로 균열 성장을 10배 정도 가속화합니다. 용접된 파이프에서는 용접 토우와 루트의 응력 집중으로 인해 이러한 현상이 더욱 악화됩니다. 표준 피로 설계 곡선(SN 곡선)은 H2 서비스에서는 유효하지 않습니다. 운영자는 용접부에 결함이 이미 존재한다고 가정하고 H2 관련 FCGR 데이터를 기반으로 한 파괴 역학을 사용하여 파이프라인을 모델링해야 합니다.
수소 개조 시 단일 패스 필렛 용접이 위험한 이유는 무엇입니까?
단일 패스 용접은 빠르게 냉각되어 열 영향부(HAZ)에 단단하고 강화되지 않은 마르텐사이트 미세 구조를 생성합니다. 수소 서비스에서 이 하드 HAZ는 시한폭탄입니다. 수소 원자가 이 영역으로 이동하여 지연 균열(냉간 균열)이 발생합니다. 경도를 줄이고 입자 구조를 미세화하려면 다중 패스 용접 또는 템퍼 비드 기술이 필요합니다.
부정적인 제약: 엔지니어링 '하지 말아야 할 일'
하지 마십시오 . API 5L PSL 2 'Sour Service' 규정 준수가 자동으로 '수소 서비스' 규정 준수와 동일하다고 가정 Sour 서비스는 H2S(Sulfide Stress Cracking)를 처리하고, Hydrogen Service는 순수 HE를 처리합니다. 메커니즘은 중복되지만 동일하지는 않습니다.
하지 마십시오 . 파손 전 누출 동작을 입증하는 특정 엔지니어링 중요 평가(ECA) 없이 수소 전송에 등급 X80을 사용
하지 마십시오 . 표준 B31.3이 허용하더라도 수소 서비스에서 벽 두께가 19mm를 초과하는 경우 용접 후 열처리(PWHT)를 면제 강화되지 않은 마르텐사이트의 위험이 너무 높습니다.
수소 사용 파이프라인을 위한 엔지니어링 솔루션: 고수소 혼합물의 용접 파이프 성능 비교
올바른 파이프 제조 방법을 선택하는 것은 수소 취성에 대한 첫 번째 방어선입니다. 대구경 수소 전달의 경우 제어 화학 LSAW 파이프 또는 고인성 심리스 파이프는 필요한 미세 구조 균질성을 제공합니다.
권장 제품 사양:
주 전송 라인(고압)의 경우: 탄소 등가물이 제한된(<0.10 Pcm) 및 진공 탈가스 강철을 사용하여 LSAW에 우선순위를 부여하여 함유물을 최소화합니다. 카탈로그 보기: 수소 서비스용 용접 라인 파이프(LSAW)
열 영향부(HAZ)에서는 마르텐사이트-오스테나이트(MA) 섬을 형성할 수 있는 열 순환이 발생합니다. 이러한 미세한 단단한 점은 매우 부서지기 쉽고 수소에 대한 우선적인 트랩 역할을 하여 모재 금속이 연성을 유지하는 압력에서 입계 파괴를 초래합니다.
내부 코팅이 수소 취성을 방지할 수 있습니까?
일반적으로 그렇지 않습니다. 원자 수소는 대부분의 폴리머 기반 코팅과 라이너에 침투할 만큼 작습니다. 코팅은 흐름 효율성을 향상시키고 대기 부식을 방지할 수 있지만 수소가 강철 기판에 도달하는 것을 방지하는 주요 장벽으로 의존해서는 안 됩니다.
CVN(Charpy V-Notch) 테스트가 H2 검증에 불충분한 이유는 무엇입니까?
표준 CVN 테스트는 충격 에너지를 측정하는데, 이는 수소 환경의 파괴 인성(K1H)과 완벽하게 상관관계가 없습니다. 강철은 공기 중에서 높은 CVN 에너지를 가질 수 있지만 H2에서는 인성이 크게 감소합니다. 가압된 H2 환경에서의 파괴 역학 테스트(예: CTOD)는 유일하게 정확한 검증 방법입니다.
ASME B31.12에는 용접 후 열처리(PWHT)가 필요합니까?
B31.12는 PWHT가 경도 값을 237 BHN 미만으로 낮추도록 강력히 권장합니다. 용접 절차를 통해 경도를 제어할 수 있는 경우 모든 단일 두께에 대해 필수는 아니지만 HAZ가 강화되고 수소 균열에 대한 저항성을 갖도록 하는 가장 신뢰할 수 있는 방법입니다.
'재료 성능 계수'는 파이프 선택에 어떤 영향을 줍니까?
ASME B31.12의 재료 성능 계수($M_f$)는 H2에서 감소된 인성을 설명하기 위해 고강도 강철에 허용되는 설계 압력에 페널티를 줍니다. 예를 들어, X52의 $M_f$는 1.0(페널티 없음)일 수 있지만 X70은 등급이 낮아져 더 두꺼운 벽을 사용하여 상위 등급의 무게 절감 효과를 효과적으로 무력화할 수 있습니다.
