[2025. 4. 3.] [전문가 기고] 수소에너지 시대, ASME 압력용기 인증시스템의 이해
KOSORI | 25-04-10 14:20
안전하고 효율적인 압력용기 공급이 수소에너지사업 기초가 되기를
고압 수소 저장방식 금속, 비금속 재료
국내 많은 기업 개발 및 인증 획득 추진
많은 에너지 전문가들이 화석연료를 대체할 미래 에너지 시스템이 수소라는 것에 큰 이의는 없어 보인다. 정부에서도 수소 산업 육성 및 활성화를 위해 매년 수소 분야에 연구개발(R&D) 예산을 지원하고 있으며, 현대자동차는 2025년 5월에 넥쏘 후속을 7년 만에 출시할 계획을 발표함으로써, 수소 에너지가 조금 더 생활 속으로 들어올 것으로 기대하고 있다.
수소는 고압 수소, 액화 수소, 메틸 싸이크로 핵산(LOHC) 및 암모니아 형태로 대부분 저장하게 된다. 미국기계학회 ASME 코드에서는 수소 저장 형태와 무관하게 설계압력(Design Pressure 또는 MAWP, Max. Allowable Working Pressure), 최저설계온도(MDMT, Minimum Design Metal Temperature), 용접 기법, 비파괴 방법 및 범위, 시험 및 검사 등의 조건에 따라 압력용기 제작에 관한 기술 기준을 제시한다.
본 기고는 수소 생산, 운송, 저장 등의 분야에 적용되는 기술 기준을 ASME(American Society of Mechanical Engineers) 압력용기 규정을 중심으로, 수소 저장용 압력용기 개발 전에 관련 주요 규정을 사전 조사하고 검토함으로써 인증 획득에 도움이 되고자 한다.
고압 수소 압력용기
고압 수소 저장방식은 재료에 따라 크게 두 가지로 구분할 수 있는데 금속 재료와 복합 재료(금속 재료 포함)로 나눌 수 있다.
수소저장용 압력용기로 적용될 경우, 통상적으로 Class III를 적용해야 하며, 복합재 압력용기 일지라도 포터(보스) 부 또는 라이너(일부)는 금속재료를 적용해야 하므로 해당 금속재료는 ASME Section VIII Div.3 기술 기준으로 설계되어야 한다. 종합적으로 수소용 복합재 압력용기는 ASME Section X, Appendix 8 (또는 Appendix 10)과 ASME Section VIII Div.3를 동시에 만족해야 하며, ASME RP (Section X) 인증만으로도 해당 설계는 가능하다.
ASME Section VIII Div.3 적용 시 고려해야 할 부분은 그림 1의 KD-10 적용이며, 수소를 적용하는 압력용기의 압력 부품 또는 응력 부품은 지정된 피로 사이클에 대해 파괴 인성 요구 사항을 충족해야 한다는 점이다. 해당 시험을 진행할 국내 시험 기관도 드물고, 시험 비용과 시험 기간이 상당함으로 설계단계에서 ASME Code Case 2538과 KGS(한국가스안전공사) Code AC 111의 3.8.1 내수소취성 사항에 대해 충분히 검토할 것을 권장한다.
액화 수소 압력용기
액화 형태의 수소 저장 방법은 고압 기체에 비해 10배 이상의 저장 및 운송 능력을 가지고 있으며, 액화질소, LNG, LPG 등의 초저온 용기 기술과 유사하므로 이미 ASME 기술기준의 적용에는 익숙한 분야이다. 통상적인 액화수소 압력용기는 외부 진공이 내부의 초저온 온도를 유지하게 하는 이중 자켓 구조이다. -196℃ 이하 급 초저온 용기는 이미 상용화되어 있으나, -253℃를 유지해야 하는 액화 수소는 여전히 기술 개발 단계에 있다. 다수의 국내 기업들이 적용 재료, 용접 기법 및 단열재 개발 등에 연구를 지속하고 있다.
액화 수소 압력용기는 설계 압력이 그리 높지 않지만, -253℃ 이하의 최저 설계 금속 온도 (MDMT)의 설계 조건을 맞추기 위한 재료, 용접 절차 사양서(WPS), 용접 절차 인증 기록서(PQR) 개발에 많은 어려움을 겪고 있다. ASME Section VIII 기준에 따르면, 모재, 열영향부, 용접부, 용접재료 및 생산용접부에 대해 압력용기의 최저설계금속온도에서 충격 시험을 진행해야 하나, 국내 시험기관은 아직 -253℃ 이하 충격시험 설비를 갖추지 못하고 준비 중에 있다.
하지만, ASME Code에서는 Section VIII Div.1 UHA-51(a)(3)에 따라 예외 규정을 제시하고 있는데, 이를 간략하게 소개하면 다음과 같다. GTAW, FCAW, 또는 GMAW의 용접 기법으로 Type 316L 또는 Type 308L 용가재를 적용하고 페라이트 번호(FN)가 10보다 크지 않은 Type 316L 용가재 또는 페라이트 번호(FN)가 4에서 14인 Type 308L 용가재를 적용한 경우에는 최저 설계 금속 온도가 -253℃ 이더라도 -196℃에서 모재, 열영향부, 용접부의 충격 시험이 가능하다는 내용이다. 통상적인 초저온 용기는 Type 316L 또는 Type 308L을 적용하지만, 해당 규정을 인지하고 수소용 초저온 압력용기 개발에 착수해야 할 것으로 보인다.
수소 에너지 활용에 있어서 여러 분야에서 개발이 추진 중이나, 가장 흔한 수소의 활용이 그리 쉽지 않아 보인다. 고압 수소든지 액화 수소 압력용기이든 국내에서 많은 기업들이 활발하게 개발하고 인증 획득을 추진 중이며, 2024년 11월 국내 기업으로는 전북 부안에 있는 모 회사가 업계 최초로 ASME RP Class III (Section X) 인증을 획득하였다. 수입 위주였던 수소 충전소용 저장용기에 국내 기업이 새로운 도전장을 내민 셈이다. 보다 안전하고 효율적인 압력용기의 공급이 국내 수소에너지 사업의 기초가 되고, K-수소가 세계를 주도하는 날을 기대해 본다.
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김영득 공인 검사원
약 15년 동안 국제 코드, 표준 및 해외 현지 규정에 따라 원자재, 보일러, 압력용기, 열교환기 등 다양한 장비와 관련된 검사 업무를 수행하고 있는 공인 검사원이다. 현재 프랑스 파리에 본사를 둔 기술, 환경, 인적, 디지털 위험관리 글로벌 리더인 아파브 그룹의 한국법인에 근무하고 있다.
출처: [가스신문]