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재료硏 등, 암모니아 선박용 고강도 강재 평가기술 개발 착수
▲ (첫 번째 줄 左 네 번째부터) KIMS 이창훈 부원장, 장영준 책임연구원을 비롯한 산·학·연 공동연구기관 관계자들이 ‘항복강도 440MPa 이상 강재의 무수 암모니아 선박 적용을 위한 재료 건전성 평가기술 개발’ 국가연구개발사업 착수회의에서 기념촬영을 하고 있다.
국내 연구진이 친환경 선박 시장 확대에 대응해 암모니아 운반선의 경량화와 적재효율 향상에 유리한 고강도 강재의 적용 가능성을 확보하기 위해 실제 운용환경을 반영한 안전성 검증체계 구축에 나선다.
한국재료연구원(KIMS, 원장 최철진)은 극한재료연구소 장영준 박사 연구팀이 국내 최초로 무수 암모니아 응력부식균열(SCC) 통합평가 플랫폼 개발에 착수했다고 지난 5일 밝혔다.
이번 연구는 암모니아 운반선에 적용되는 고강도 강재의 안전성을 국내 기술과 데이터로 검증하고, 향후 선급 승인과 국제 규제 개선에 활용할 수 있는 평가체계를 구축하는 데 목적이 있다.
암모니아는 연소 과정에서 이산화탄소를 직접 배출하지 않는 특성으로 차세대 친환경 선박 연료로 주목받고 있다. 이에 따라 암모니아를 연료로 사용하는 추진선과 암모니아를 운송하는 선박 시장 확대가 예상되면서 저장탱크와 연료탱크에 사용되는 소재의 안전성 확보가 주요 과제로 부상하고 있다.
암모니아 환경에서는 강재에 미세한 균열이 발생하고 성장하는 응력부식균열(SCC)이 나타날 수 있다. 이에 따라 강재의 기계적 강도뿐 아니라 실제 암모니아 환경에서 균열이 발생하고 진행되는 특성을 별도로 확인해야 한다.
현행 국제가스운반선규정(IGC Code)은 무수 암모니아와 접촉하는 강재의 실제 항복강도를 440MPa 이하로 제한하고 있다. 해당 기준은 과거 강재 사고와 시험자료를 기반으로 마련돼 최신 제조기술을 적용한 고강도 TMCP 강재의 특성을 충분히 반영하지 못한다는 한계가 있다.
고강도 강재는 동일한 구조 강도를 유지하면서 선박 구조물의 두께와 중량을 줄일 수 있어 연료 소비 및 제작비 절감과 적재효율 향상에 유리하다. 하지만 국내에서는 440MPa를 초과하는 강재가 무수 암모니아 환경에서도 안전하게 사용될 수 있는지를 객관적으로 입증할 시험기술과 데이터가 부족해 선박 적용에 제약이 있었다.
연구팀은 실제 암모니아 선박의 운용환경을 실험실에서 구현하고 고강도 TMCP 강재 및 용접부의 SCC 발생과 진행 특성을 종합적으로 평가할 수 있는 통합 플랫폼을 개발한다. 플랫폼에는 무수 암모니아 환경 제어기술을 비롯해 응력 부여 시스템, 전기화학 분석, 실시간 균열 모니터링 기술 등이 통합된다. 이를 통해 재료 특성, 응력 및 암모니아 환경이 복합적으로 작용하는 실제 운용조건을 정밀하게 구현하고 강재와 용접부의 SCC 민감도를 정량적으로 평가할 계획이다.
또한 강재의 미세조직과 용접부 특성, 암모니아 온도 등 주요 변수가 균열 발생과 진행에 미치는 영향을 규명한다. 전기화학 분석과 인공지능(AI), 계산과학을 접목한 가속시험법을 개발해 다양한 운항조건에서 강재의 수명과 손상 위험을 예측하는 기술도 확보할 예정이다.
연구팀은 시험 결과와 손상 원인, 수명 예측정보 등을 축적한 무수 암모니아 SCC 데이터베이스도 구축한다. 이를 통해 고강도 강재의 안전성 평가에 필요한 신뢰성 데이터를 축적하고 향후 평가기준과 국내외 표준 마련을 위한 기술적 근거를 확보한다는 계획이다.
이번 연구에는 재료연을 비롯해 포스코, 삼성중공업, 한화오션, 국립한국해양대학교, 국립창원대학교, 부산대학교, 조선대학교가 참여한다. 재료연은 통합평가 플랫폼과 전기화학·AI 기반 진단기술 개발을 총괄하며, 포스코는 고강도 TMCP 강재 및 용접부 평가기술을 담당한다. 참여 대학은 균열 원인 분석과 수명 예측, 평가기준 및 표준화를 담당하며, 삼성중공업과 한화오션은 실제 암모니아 추진선의 설계 및 운용조건을 반영해 개발기술의 산업 적용성을 검증한다.
장영준 한국재료연구원 책임연구원은 "암모니아 저장탱크 규제 완화를 위해서는 더 강한 철강재를 개발하는 것뿐만 아니라 해당 강재가 실제 무수 암모니아 환경에서도 안전하게 사용될 수 있음을 객관적으로 입증하는 평가기술이 필요하다"며 "평가기술을 확보하는 국가가 국제기준을 선도하는 만큼 이번 연구가 우리나라의 독자적 평가기술과 신뢰성 데이터 확보로 이어지길 기대한다"고 말했다.
개발된 통합평가 플랫폼은 향후 암모니아 추진선 실증과 선급 승인, 한국산업표준(KS) 제정, 국제규정 개정 대응 및 국산 고강도 철강재 적용 확대를 위한 핵심 기술 인프라로 활용될 전망이다.
특히 소재 공급부터 안전성 평가, 선박 설계, 선급 인증 및 표준화까지 산·학·연 전 주기를 연계해 국산 고강도 강재의 선박 적용을 앞당기고 국내 철강·조선업계의 소재 경쟁력을 높이는 기반이 될 것으로 기대된다.
한편, 이번 연구는 산업통상부와 한국산업기술기획평가원의 조선산업기술개발사업 지원을 받아 수행된다.