부식성 환경에서의 재질 선정 기준

사업주가 재질의 부식 등으로 인한 위험물질의 누출을 방지하고 누출로 인한 폭발․화재 등을 사전에 예방하고자 하는데 화학설비 등에 사용하는 재질에 대한 선정 기준을 공유하고자 한다.

 

 

 

부식성 환경에서의 재질 선정 기준

수소 가스

① 수소를 포함하고 있는 유체에서 수소가스의 부분압력이 7.0 MPa을 넘고 220℃이상의 수소 취급조건에서 탄소강이나 저합금강이 사용되면, 표면 탈탄(Decarburization)이나 수소침식(Hydrogen attack)이 일어날 수 있다. 탈탄으로 탄소의 함량이 줄어들게 되면 재질의 강도가 떨어지게 되고, 여기에 수소부식까지 일어나게 되면 사용 재질의 수명이 현저히 떨어지게 된다. 따라서 220℃이상의 온도에서는 탄소강을 사용 해서는 아니 되며, 크롬과 몰리브덴이 함유된 저합금강을 사용하거나 오스테나이트 스테인레스강을 사용해야 한다.

② 수소 취급조건 에서는 가능하면 이음매가 없는(Seamless)파이프를 사용하고, 크롬-몰리브덴 합금강은 후열처리(PWHT)를 실시한다.

 

습성 산성유체 (Wet Sour Service)

① NACE MR0175 에 정의된 습성산성유체란 액체인 물을 포함하고 있으며, 가스 내의 황화수소의 부분압력이 0.35 KPa를 넘고 가스의 전체 압력이 0.456 MPa이상인 유체를 말한다

② 이러한 유체에서 금속이 사용될 때는 황화응력부식균열(Sulfide stress corrosion cracking, SSCC)을 일으킨다. 사용 환경이 위의 조건에 해당되면 재질선정 시에 NACE MR0175(Sulfide Stress Cracking Resistant Metallic Materials for Oilfield Equipment)를 참고한다.

 

 

아민 및 암모니아 유체(Amine Service, Ammonia Service)

① 아민은 탄소강에서 응력부식균열(SCC)을 야기 시킬 수 있다. 이를 방지하기 위해서는 탄소강의 용접부위는 운전온도에 상관없이 후열처리를 해야 한다. 아민 유체에서 재질을 선정할 때는 API 945(Avoiding Environmental Cracking in Amine Units)를 참조한다.

② 0.2% 이상의 물을 함유하지 않은 무수 액화 암모니아(Anhydrous Liquefied Ammonia)는 탄소강에 응력부식균열(SCC)를 야기 시킬 수 있다. 이를 방지하기 위해서는 탄소강의 용접부위를 후열 처리한다.

 

가성소다(Caustic Service)

가성소다란 수산화나트륨(NaOH)나 수산화칼륨(KOH)의 농도가 1%이상인 수용액이며, 탄소강에 응력부식균열(SCC)를 야기 시킬 수 있다. 이러한 유체 에서는 농도와 온도의 관계에 따라서 탄소강의 용접 부위를 응력제거 열처리를 한다. 이를 위해서는 NACE (caustic soda service graph)를 참조한다.

 

<표1> 가성소다(NaOH)의 농도와 온도에 따른 탄소강의 응력제거 열처리 유무

 

 

수소 취성 재질

 

다음 각호의 1에 해당하는 경우에는 킬드강 이외의 탄소강을 사용하여서는 아니되며, 킬드강 이상의 성능을 갖는 재질을 사용하여야 한다.

(가) 운전조건에서 수소의 분압이 0.35 MPa 이상이 되는 압력용기 및 배관류

(나) 액체상태에서 몰분율로 0.3% 이상의 황화수소(H2S)를 포함하고 있는 위험물질을 취급하는 용기류 및 배관류

(다) 10ppm 이상의 황화수소를 포함하고 있는 수용액(Sour water)를 취급하는 용기류 및 배관류

(라) 무게분율로 5% 이상의 알카놀아민류(Alkanolamines)를 포함하고 있는 위험물질을 취급하는 용기류 및 배관류

(마) 농도에 관계없이 불화수소산, 삼불화보론(BF3) 및 삼불화보론(BF3)화합물을 포함하는 유체를 취급하는 배관

(바) 수소저장설비의 설계 ․제작 및 시험은 지침에 따른다.

 

 

고온수소취급

 

(가) 수소가 포함된 위험물질을 고온에서 취급하는 압력용기 및 배관류에는 수소취급설비의 재질선정기준에 의하여 선정된 재질 이상의 성능을 갖는 것을 사용하여야 한다.

(나) 수소 취급시 재질을 선정할 때는 넬슨 선도(Nelson curve)를 사용해야 하며, 이를 위해서는 API 941 (Steels for Hydrogen Service at Elevated Temperatures and Petroleum Refineries and Petrochemical Plants)를 참조한다.

 

<그림 1> 수소취급설비의 재질 선정기준

 

Reference : KOSHA GUIDE D-15-2012 화학설비의 재질선정에 관한 기술지침