독창적인 아이디어가 연구의 지름길이 된다!
ReSEAT 전문연구위원
유호천
유정제, 석유화학 플랜트 등에 설치되어 있는 압력용기용 강은 몇 개월에서 수년 이내에 용접부나 모재에 수소유기 균열이 발생해 폭발이나 유출 위험성을 가지고 있다. 그래서 이는 사회적인 문제로 대두되고 있다. 어느 정도의 시간이 흐른 뒤 나 타나는 경년적 재질 취화에 대해서는 설비의 안정관리상 반드시 해결해야 할 중대한 문제이다. 이런 문제를 해결하기 위해 가스조성 중에 함유된 유화수소에 의한 수소유기균열(HIC)과 유화물응력부 식균열(SSCC)에 대한 수소취성파괴 연구를 활발히 진행했다. 그 러나 다양한 소재나 사용환경이 연관되어 있어 근본적인 해결은
쉽지 않은 상황이었다.
60kg/mm2급에 있어서 사용 중 균열이 발생하지 않는 강은 고탄소강이 아닌 저탄소강으로 설계된 것도 있었다. 하지만 합금원소 혹은 불순물 원소의 배합비의 설정이 잘못되어 있었다. 그런 탓에 용접열영향부의 경도가 너무 높아지면서 충격인성치가 저하되거나 취성 용접열영향부의 경도치가 낮아져 연화현상이 일어났다. 이 뿐만 아니라 황화물응력 부식으로 인한 수소유기균열이 손쉽게 발생하는 결점까지 안고 있어서 수소유기균열이 일어나지 않는 새로운 강을 개발하는 일에 대한 열망은 매우 높았다. 수소유기균열 감수성이 낮은 60kg/mm2급 압력용기 용강을 제조하기 위하여, 합금설계의 기준이 되는 미량원소 첨가, 열간압연 및 열처리 조건의 영향을 파악하고, 종래강보다 탄소당량과 용접부 저온균열감수성이 낮고, 강도, 충격인성, 경도 및 내수소유기 균열성이 보증되는 60kg/mm2급 압력용기용 강재의 자체개발 및 현장 제조기술을 확립하고자 했다.
나는 이 연구과제의 책임자로 지명 되었다. 예전에 응력부식균열에 대한 연구과제를 수행한 경험이 있었기 때문이다. 수소유기균열에 대한 표준 시험방법이나 장치가 없었기 때문에 내 나름대로 수소유기균열에 대한 시험방법을 구축해나갔다. 수소유기균열에 대한 개척자라는 긍지를 가질 수 있지만, 한편으로는 수소유기균열 시험방법에 대한 완전무결한 장치를 개발해내야 하는 막중한 임무가 주어진 것이다.
당시 가장 큰 문제점은 연구기간이었다. 일단 연구과제에 대한 문헌 예비조사가 선행되어야 한다. 그리고 진공유도용해로에 의한 강괴제조,
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강재의 산성 환경에 대한 신뢰성 평가를 위한 수소유기균열시험법이 오래전부터 개발되어 왔다. 실험을 위한 용액은 일반적으로 규격화된 BP용액과 NACE용액을 사용해왔다. 그러나 이런 침지법에서는 균열 임계농도를 정량화하는 것은 불가능에 가까울 정도로 힘들고, 발생과 전파를 분리하는 일도 매우 어렵다고 알려져 있다. 다양한 환경에 대비 하여 연구자들은 간편성, 재현성, 가속성 등이 우수한 침지시험법을 선택해야 한다. 나 역시 수소유기균열에 대한 감수성을 평가하기 위한 적합한 시험법을 찾는데 꼬박 일주일의 시간이 걸렸다.
마침내 용접부의 수소유기균열에 대한 감수성을 평가하기 위한 내 나름대로의 방법을 찾아내는데 성공했다. 1차로 9mm까지 굴곡하고 황화수소(H2S)가 포화된 인공 해수에 96시간 동안 담가두었다. 계속 해서 응력부식균열시험을 실시하기 위하여 수소취화된 시험편을 21mm 깊이까지 2차 굴곡을 하였다. 인장시험기로 1차 및 2차 굴곡시험을 진행했다. 그리고 하중-변위 곡선이 나타났다. 이는 수소취성에 대한 정략적인 분석이 가능하다는 사실이었기 때문에 이루 말할 수 없는 기쁨을 느꼈다.
본인의 독창적인 방법으로 예상과 일치하는 시험결과를 얻을 수 있었기 때문에 더욱 자신감을 갖게 되었다. 본인이 고안된 장치 덕분에 불과 3개월 만에 모든 시험이 끝났다. 연구 도중에 수소유기균열 생성 유무를 판단하기 위한 장치제작에 많은 어려움을 겪었다. 실패도 더러 경험했다. 하지만 마침내 자체제작에 성공하였고, 수소유기균열 감수성
독창적인 아이디어가 연구의 지름길이 된다! •49 평가를 정량적으로 할 수 있는 성과를 거두어 흐뭇한 마음을 감출 수 없었다. 만약 새로운 시험 장치를 자체제작 하길 포기했더라면, 이 시험은 18개월이 걸려도 끝내지 못했을 거다. 그럼 당연히 기한 내 보고서도 완성하지 못했을 거란 생각을 하니 아찔했다. 연구추진 중에 연구원의 독창적인 아이디어가 절대적으로 필요하다는 교훈을 얻을 수 있었다.
자체개발 된 내수소유기균열성을 측정 장치는 그 다음 해 한국특허청에 실용신안으로 등록되었다. 또한 본 연구결과로 인하여 Ni, Mo 등의 값비싼 원소를 절감하고 대신에 Ca, Nb, B, Ti 등의 미량원소들을 복합첨가하여 모재 및 용접부의 품질특성을 향상시킴으로써 원가절감 에도 기여할 수 있었다. 뿐만 아니라 용접부 내수소유기균열성이 보장된 강재의 생산기술 확립, 품질보증을 인정받아 석유저장·정제설비에 대한 수요확대까지 이뤄낸 값진 경험이었다.