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크리프 수명 소비율 증가할수록

음속과 탄성계수는 감소하므로

SAUT로 크리프 손상 진단 가능

이성식 대표이사

보일러 튜브 등과 같은 고온고압 설비의 열화도 진단을 위해 비파괴검사 전문업체인 세이프텍(주)이 개발한 SAUT(Safety Assessment by Ultrasonic Technology) 기술은 수소를 저장하거나 운반하는 금속 용기의 취화(Brittleness) 상태를 진단하는 데 활용이 가능하고 개질 수소를 생산하는 리포머 설비의 크리프 손상(Creep Damage)의 진단에도 활용할 수 있다.

세이프텍(주)은 지난 8월 27~29일 2025 국제환경에너지산업전(ENTECH 2025)과 9월 17~19일 창원 CECO에서 개최된 국제수소전기에너지전시회에 참가하여 그간 개발해 온 노후화 설비 진단 기술인 SAUT, CATS 및 Corr. Keeper 제품을 전시하고 ‘수소 저장 설비의 신뢰성 확보를 위한 수소 취화 진단 기술, SAUT’를 주제로 발표했다. 전시 및 발표한 주요 내용을 소개하면 다음과 같다.

화력발전소 고온고압 설비의 안전 확보를 위한 SAUT 적용

보일러 튜브와 주 증기 배관과 같은 고온 고압의 관형 압력 용기에서는 내부에 작용하는 주응력이 재료의 항복 강도와 같아질 때 파괴(소성변형)가 일어난다. 내압에 의한 세 방향의 주응력만 고려한다면 Hoop 응력이 가장 크게 작용하므로 일반적으로 관은 길이 방향으로 변형되고 터지게 된다.

동일 외경의 관에서 작용 압력이 같다면, 관의 두께가 얇아질수록 Hoop 응력은 증가하는데 만약에 관에 균열과 같은 불연속부가 존재한다면 항복이 예상되는 임계 두께에 도달하기도 전에 그 불연속부에서 파괴가 일어나게 된다. 이 같은 이유로 중화학 플랜트에서는 주기적인 정비를 통해 두께 측정과 균열 등의 불연속부를 탐지하는 비파괴검사 과업을 진행하고 있다. 그러나 만약에 고온에 장시간 노출됨으로써 관 재료 자체의 기계적 강성이 저하되어 있다면, 정상적인 기계적 물성 조건에서 예상되었던 임계 두께보다 더 두꺼운 두께에서 소성변형이 발생하게 된다.

이 같은 배경으로 인해 플랜트 현장에서는 재질의 열화 수준을 확인하기 위하여 금속표면복제법(레프리카)과 경도시험 혹은 계장화압입시험 등을 시행해오고 있다. 그렇지만 이들 시험법의 문제는 금속 설비의 표면 정보에 제한된다는 것이 단점이며, 많이 활용되는 레프리카의 경우, 검사자의 기량에 따라 결과가 크게 좌우되고 정성적 평가로 귀결되어 설비 관리자들은 의사결정에 늘 혼란을 겪게 되는 것이다.

이러한 혼란은 대개는 기계적 물성이 어떤 수준으로 저하 되었는지를 정량적으로 알지 못하는 데서 비롯된 것이다. 계장화압입시험의 경우, 비록 표면 정보에 제한되기는 하나 항복 강도와 인장강도를 정량적으로 측정 가능하다는 점에서는 탁월하나 장비가 워낙 고가라서 현장에서 쉽게 활용하지 못하는 단점이 있다.

지금 소개하는 현장의 실제 사례는, 화력발전소에서 재질의 열화(thermal aging)를 진단하기 위해 금속표면복제법을 적용하였지만, 전체 설비의 건전성(Integrity) 판단은 설비의 두께와 재료의 기계적 물성 변화를 함께 고려해야 하지만 미시적인 금속 조직의 변화에만 집중함으로써 사실상 설비의 리스크 관리에 실패한 경우다.

아래의 금속 광학 현미경 조직을 보면, 8F 튜브와 비교하여 8.5F 튜브에서 고온 노출로 인해서 펄라이트가 분해되는 등 재질 열화(Thermal Aging)가 더 진행되었다. 그러나 내압에 의한 응력이 8.5F 튜브에 비교해 8F 튜브에서 1.33배 더 크게 작용한 결과 튜브의 파괴가 8F에서 발생하였다. 레프리카에 의한 미세조직 관찰만으로는 설비 관리자에게 교체 주기 판단에도 오판을 초래할 수도 있는 이러한 결과는 초음파 기술 기반으로 설비의 두께와 탄성계수 측정, 그리고 이에 기초한 설계 시의 안전계수(S) 대비 현재의 안전계수, Sd의 비교를 통해서 극복할 수 있다.

두께 감소와 재질 열화로 인한 안전계수, Sd가 낮을수록 설비의 파괴 가능성은 커지는데 파괴가 일어난 8F에서 Sd는 1.34까지 저하되어 있었다. 세이프텍이 제안하는 SAUT는 초음파가 설비 두께 내부를 왕복하기 때문에 표면이 아니라 소재 내부의 물성 상태를 반영합니다. 따라서 SAUT를 적용하면, 설계 및 제작 시의 두께와 탄성계수 및 안전계수와 대비할 수 있으므로 현재 가동 중 설비의 구조적 건전성 여부를 쉽게 판단할 수 있게 된다.

수소 설비의 취성(Brittleness) 진단을 위한 SAUT 적용

국내외 선행 연구자들에 의하면, 수소가 금속의 결정립계와 전위 등에 축적되면서 농도가 증가하면 결정립계에 균열(fissure)이 발생하여 재료 강도와 인성을 떨어뜨리는 것으로 보고되고 있다. 이러한 수소 손상이 가속화되는 것을 탐지하기 위해 초음파 기술이 적용되고 있다. 선행 연구자들의 보고에 의하면, 수소 농도가 높아질수록 초음파 횡파 속도를 종파 속도로 나눈 Velocity Ratio (βa)가 급격히 증가한다. 지수함수적으로 감소하는 이 방법을 보완하기 위해 수소 효과에 의한 초음파 감쇠계수(αHA)를 함께 측정하여 설비의 수소 손상을 관리할 것을 권장하고 있다.

최근 우리나라에서도 탈탄소 사회를 위한 여정의 일환으로써 LPG에 수소를 혼입해서 사용하고 있으며, 안전을 고려하여 최대 20%까지 수소 혼입을 허용하는 것으로 되어 있다. 수소 운반 배관을 대상으로 현장에서 측정한 결과, LPG저장용기에서 혼입 수소 농도가 15%일 때, 그리고 15%에서 20%로 높였을 때 전반적으로 βa가 증가하는 경향을 보였다. 이는 연신율 저하로 균열 발생 민감성이 커진 것을 의미한다.

만약 설비의 내부 압력이 높고 겨울철과 같이 기온이 낮아질 때는 균열 발생 민감성이 더욱 커지므로 설비 관리에 주의가 요구된다. 비록 간단한 실험으로 SAUT를 활용 시 수소 손상의 예지적 관리 가능성은 확인하였지만, 수소 에너지 시대에 안전한 환경 확보를 위해서는 향후 설비 온도와 압력 및 수소의 혼입량을 다르게 하였을 때 재료 강도와 연성의 변화를 비파괴적으로 측정하여 예지 관리할 수 있도록 재료의 연성 변화 대비 βa와 αHA의 함수 관계에 대한 연구가 필요하다.

수소를 생산하는 리포머 튜브(개질로)의 크리프 손상 진단

정유공장에서 개질수소를 생산하는 개질로(리포머 튜브)는 증기 개질을 위한 흡열 반응 시에는 증기를 약 700~1000°C의 온도까지 가열시킨다. 따라서 개질 공정에서의 문제는 주로 촉매(리포머) 튜브 및 피그 테일을 포함하는 출구 매니폴드시스템의 구성품 고장으로 인해 발생한다. 이들의 내부 압력은 대략 2000~3500㎪ 사이이며 운전온도 범위는 800~900°C이므로 이 구성품들의 금속 재료는 고온 크리프 손상이 일어날 수 있는 가혹한 조건에 놓여 있다고 할 수 있다.

고온 크리프 손상이 발생하면 설비의 치수가 변형하게 되고 재료 내부에는 결정립계 등에서 구멍(cavity)이 발생하고, 성장하면서 이들의 합체가 일어나 결국에는 균열로 성장하여 설비의 파손을 초래하게 된다. 온도와 압력이 높을수록 이러한 경향은 가속화되어 설비의 기대 수명을 크게 단축하게 된다.

한편, 금속 재료가 고온에 장기간 노출된 상태에서는 탄성계수가 저하되어 재료의 기계적 강성이 크게 저하된다. 정비를 위해 설비를 상온으로 떨어뜨리더라도 고온을 경험한 재료의 미세조직은 가역적으로 정상의 조직 상태를 회복되지 못한다. 따라서 탄성계수 또한 낮아진 상태로 존재하게 될 것이다.

그런데 재료의 탄성계수가 감소했다는 것은 그 재료를 전파하는 탄성파의 속도가 저하된다는 것을 의미한다. 따라서, 고온을 경험한 재료의 초음파의 속도를 측정할 수 있다면 동 재료가 입은 고온에 의한 열 손상을 평가할 수 있다. 그러나, 금속 설비가 고온에 장시간 노출되면 크리프 손상이 발생하며 손상이 누적될수록 초음파의 속도가 느려지는 것은 선행 연구자들에 의해 잘 알려져 있으나 안타깝게도 이 기술은 현장에서 상용화되지 못하였다.

그 이유는 원심주조의 오스테나이트 조직으로 인해서 초음파의 감쇠가 커 측정 자체가 어려웠기 때문이며, 또한 초음파 속도를 측정하기 위해서는 두께를 정확히 알고 있어야 한다는 선입견에 의해 현장 설비를 대상으로는 적용할 수 없다고 생각해왔기 때문이다. 따라서 이러한 이유로 실험실에서 두께를 측정할 수 있는 작은 시편을 대상으로만 주로 연구가 이뤄져 왔다.

최근 세이프텍은 이러한 오랜 선입견을 극복하여, 출력이 우수한 초음파 장비를 활용하여 리포머 튜브 사용재를 대상으로 초음파 종파 및 횡파 속도의 변화를 측정하는 데 성공하였다. 아래의 실제 사례에서 볼 수 있듯이 18,000h, 70,000h 사용한 리포머 튜브를 대상으로 SAUT로 측정한 초음파 종파 및 횡파 속도, 탄성계수 값을 표준값으로 정규화하여 도시한 결과, 18,000h 사용재와 비교하여 70,000h 사용재에서 1 이하로 떨어지는 경향이 증가하는 것을 확인하였다.

이는 장시간 고온에 노출된 금속 재료의 기계적 강성이 상온에서 저하된 상태로 유지되고 있음을 의미한다. 고온 열 영향으로 탄성계수의 값이 저하되면 재료의 기계적 강성은 떨어지고 이는 설비의 기계적 건전성을 훼손시킬 것이다. 이처럼 크리프 수명 소비율이 증가할수록 음속과 탄성계수가 감소하는 것은 선행 연구 결과와도 경향적으로 잘 일치하는 것이므로 SAUT를 활용하면 크리프 손상의 진단이 가능하다.

출처 : 가스신문(https://www.gasnews.com/)