석유화학 및 정유 산업에서는 고온 고압의 수소 환경에 노출되는 장치가 많습니다. 이 환경에서는 일반적인 탄소강 재질이 심각한 손상을 입을 수 있는 고온 수소 공격(HTHA: High Temperature Hydrogen Attack) 현상이 발생할 수 있습니다. 이 글에서는 HTHA의 정의, 손상 메커니즘, 영향을 받는 재료, 예방 방법 등에 대해 상세히 다루어 보겠습니다.
1. HTHA란 무엇인가?
1.1. 고온 수소 공격의 정의
HTHA(High Temperature Hydrogen Attack)는 고온(204°C 이상) 및 고압 수소 환경에서 금속 내부로 수소가 침투하고, 금속 내 탄소와 반응하여 메탄(CH₄) 가스를 생성함으로써 손상이 발생하는 현상입니다. 생성된 메탄은 금속 내부에 갇히면서 내부 압력을 형성하고, 이로 인해 미세 균열 또는 기공이 발생하게 됩니다.
1.2. 손상 발생 메커니즘
HTHA는 크게 두 가지 손상 메커니즘으로 설명됩니다.
- 표면 탈탄(Surface Decarburization): 수소가 금속 표면의 탄소와 반응하여 메탄을 형성하면서 표면의 탄소 농도가 감소하여 기계적 강도가 저하됩니다.
- 내부 손상(Internal Damage): 수소가 확산되어 내부 탄소와 반응, 형성된 메탄이 미세한 결정립계나 기공에 갇혀 고압을 형성하고, 이로 인해 재료 내부에 균열이 발생합니다.
이러한 손상은 시간이 지남에 따라 진전되며, 치명적인 기계적 파괴로 이어질 수 있기 때문에 조기 진단과 예방이 필수적입니다.
2. 영향을 받는 재료와 위험 환경
2.1. 주요 위험 재료
HTHA는 탄소강(Carbon Steel) 및 저합금강(Low Alloy Steel)에서 흔하게 발생합니다. 특히 고온과 고압의 수소 환경에 장시간 노출될 경우 위험성이 증가합니다.
반면, 크롬(Cr), 몰리브덴(Mo), 바나듐(V) 등이 포함된 고합금강이나 오스테나이트계 스테인리스강은 상대적으로 HTHA에 대한 저항성이 우수합니다.
2.2. 위험 환경
- 온도: 일반적으로 204°C 이상
- 수소 압력: 높은 수소 분압(PH₂)
이러한 조건은 정유 공정의 수소처리기기(Hydroprocessing Units), 수소화분해기기(Hydrocrackers), 고온 열분해 장치 등에서 흔히 존재합니다.
3. 예방 및 관리 방법
3.1. 설계 및 재료 선택
- API RP 941에서 제시하는 넬슨 커브(Nelson Curve)를 활용하여 HTHA 발생 위험이 없는 운전 조건을 설정합니다.
- 크롬 0.5% 이상, 몰리브덴 등 합금 원소가 포함된 재료 선택이 권장됩니다.
3.2. 비파괴 검사
- 초음파 탐상(UT)
- 위상 배열 초음파 검사(PAUT)
- TOFD(Time of Flight Diffraction)
이러한 비파괴 검사 기법은 HTHA로 인한 미세 손상을 조기에 탐지할 수 있으며, 정기적인 검사 계획 수립이 필수적입니다.
3.3. 운영 및 유지보수
- 실제 운전 조건이 설계 조건을 초과하지 않도록 주기적인 모니터링을 수행합니다.
- 플랜트 정기보수 시 관련 장비의 점검과 교체 계획을 수립합니다.
결론
HTHA는 일반적인 부식 현상과 달리 내부에서 발생하며 외부에서는 쉽게 식별되지 않기 때문에 매우 위험한 손상 메커니즘입니다. 따라서 적절한 재료 선택, 설계 기준의 준수, 정기적인 검사 및 유지보수 전략이 반드시 필요합니다. 특히 API RP 941에서 제시하는 자료를 기반으로 안전 운전 조건을 설정하고, 넬슨 커브를 참고한 설계는 HTHA 예방에 큰 도움이 됩니다.
화학공정 및 고온 수소 환경에서 안전성을 확보하기 위해서는 HTHA의 특성과 예방 대책에 대한 깊은 이해가 선행되어야 합니다. 이러한 이해를 바탕으로 효과적인 설계와 운영이 이루어져야 플랜트의 안전성과 신뢰성을 높일 수 있습니다.