고압 사이클 시험 50,000 cycle은 수소 시스템 밸브·레귤레이터·피팅 등 고압 구성품의 내구성을 정량적으로 검증하는 핵심 절차다. 수소 환경에서는 금속 피로, 수소 취성, 오링 탄성 저하, 시트 마모, 균열 전파 등 복합적인 열화 기구가 동시에 발생하기 때문에, 시험 설계 품질이 곧 실제 수명 예측 정확도로 직결된다.
따라서 이 시험은 단순한 내구 평가가 아니라 부품의 구조적 약점과 열화 경로를 규명하는 고급 공학적 도구라고 이해해야 한다.
1. 고압 사이클 시험 설계의 핵심 기술 요소
1) 압력 프로파일 구성
압력 프로파일은 시험 설계의 중심이다.
일반적으로 0~최대사용압력(MOP)까지 반복적으로 상승·하강하며, 이때 압력 상승속도(ramp rate), 하강속도, 정압 유지시간은 금속의 균열 개시와 응력 집중 특성을 직접 결정한다.
- Ramp rate가 너무 빠르면 균열선단 응력확대계수(KI)가 급격히 증가하여 피로 손상 속도가 빨라진다.
- Ramp rate가 너무 느리면 실제 차량의 비선형 압력 거동을 재현하지 못해 시험의 현실성이 저하된다.
또한 압축기 재시동 상황, 순간 압력 스파이크, 요동 압력(ripple)과 같은 실제 차량 패턴을 반영해야 정확한 내구 데이터가 얻어진다.
2) 온도 사이클 설정
수소 시스템은 -40℃~+85℃의 폭넓은 온도를 경험하므로, 온도 사이클은 시험에서 매우 중요한 요소이다.
- 저온(-40℃): 오링이 유리전이 영역에 접근하면서 탄성이 급격히 저하되고 초기 누설이 발생하기 쉽다.
- 고온(+85℃): 금속 항복강도가 감소하고 응력 완화가 진행되어 피로 균열 성장 속도가 예측과 다르게 나타난다.
- 온도 교번은 구조체 전체의 잔류응력을 재배치하여 설계 안전율과 실제 내구 결과에 큰 차이를 만들 수 있다.
3) 시험 매질 선정 – Helium vs Hydrogen
안전한 시험 운영을 위해 헬륨이 많이 사용되지만, 헬륨과 수소는 명확한 물성 차이가 있다.
| 특성 | 헬륨(He) | 수소(H₂) |
| 분자 크기 | 매우 작음 | 더 작음 |
| 확산 속도 | 빠름 | 훨씬 빠름 |
| 금속 취성 영향 | 없음 | 있음 |
| 시트·오링 투과성 | 낮음 | 높음 |
수소는 금속 내부로 빠르게 확산되며 수소 취성(Hydrogen Embrittlement)과 지연 파괴(Delayed Fracture)를 유발한다. 또한 오링·시트의 투과성도 높아 헬륨 시험과 완전히 동일한 내구 결과를 보장할 수 없다.
따라서 가능하다면 수소 환경 데이터를 함께 확보해야 정확한 내구 예측이 가능하다.
4) 시험 장비 응답 특성
시험 장비의 압력 제어 응답은 고압 사이클 시험에서 매우 중요한 영향을 미친다.
- 제어 밸브 응답성이 느리면 설계한 압력 파형을 정확히 재현하지 못한다.
- 응답성이 너무 빠르면 차량에서는 존재하지 않는 충격성 압력이 발생해 과보수적 결과가 나타난다.
- 센서 샘플링 속도가 낮으면 스파이크 압력이나 미세요동을 포착하지 못해 정확한 피로 분석이 불가능하다.
장비 튜닝은 고압 시험의 기본이 아니라 반드시 선행되어야 하는 필수조건이다.
5) 구조체의 잔류응력 변화
나사 체결부, 용접부, 브레이징 접합부는 반복 압력 사이클에 의해 잔류응력이 재분배된다.
이 변화는 균열 개시 위치와 시간을 변경시키며, 설계 단계에서 예측한 내구 수명과 실제 시험 결과가 다르게 나타나는 주요 원인이다.
특히 초기 결함이 미세할수록 50,000 cycle에서 급격하게 성장하는 경향이 있다.
이 때문에 FEA(구조해석)와 CFD(유동해석)를 결합한 모델 기반 시험 설계(MBD) 가 매우 중요한 역할을 한다.
2. 고압 사이클 내구에서 실제로 발생하는 주요 문제
1) 오링 압축셋 증가 → 초기 누설
저온에서 탄성 저하가 크고, 수소는 투과성이 높아 초기 누설이 빠르게 나타난다.
2) 시트 마모 → Seal 성능 저하
압력 반복에 따라 시트 접촉면 마모가 누적되며,
미세 누설 → 단계적 누설 증가 → 구조적 누설로 이어진다.
3) 금속 균열 + 수소 취성의 복합 작용
금속 내부 균열 선단에 수소가 집중되면 국부 인성이 감소하고 균열 성장 속도가 가속된다.
헬륨에서는 문제가 없던 부품이 수소 시험에서 갑작스레 Fail 되는 대표적 원인이다.
4) 헬륨 시험 통과 → 수소 시험 Fail
수소 특유의 확산성·취성·투과성 때문에 동일 구조라도 결과가 완전히 달라질 수 있다.
그래서 수소 부품 개발에서는 수소 내구 시험이 선택이 아니라 필수가 된다.
3. 정확한 50,000 Cycle 내구 설계를 위한 기술적 해법
1) 비선형 압력 파형 설계
실차 환경은 선형 패턴이 아니라
- 압축기 재시동
- 압력 스파이크
- 요동 압력(Ripple)
- 온도 변화에 따른 압력 Drift
와 같은 비선형 특징을 가진다.
이 요소를 반영해야 시험 데이터 현실성이 높아진다.
2) FEA + CFD 기반 구조/유동 예측
- FEA: 응력 집중 지점·균열 개시 가능 영역 파악
- CFD: 가압·감압 속도, 내부 유동 패턴 평가
이 두 해석을 결합하면 시험 파형 최적화와 수명 예측 정확도가 크게 좋아진다.
3) 수소 환경 데이터 병행 확보
헬륨 시험만으로는 부족하다.
수소 환경의 실제 열화 데이터를 확보하면 정확한 내구 모델을 구축할 수 있다.
4) 시험 장비 튜닝
- 제어 응답 속도 보정
- Overshoot 최소화
- 센서 샘플링 최적화
- 시험 라인 용적/체적 튜닝
이 과정을 거쳐야 시험이 설계 의도대로 재현된다.
4. 결론
고압 사이클 시험 50,000 cycle은 단순한 내구 확인 절차가 아니라
구조적 약점 분석 + 열화 메커니즘 규명 + 수명 예측 모델 구축을 위한 핵심 공학 시스템이다.
설계의 정밀도가 높을수록 실제 차량에서의 내구 신뢰성은 더 높아지고,
수소 밸브 및 고압 구성품의 품질 수준을 근본적으로 향상시킬 수 있다.