① 패턴 1 — 미세조직 경계 기반 균열(Grain Boundary Assisted Cracking)
수소취성이 실제 고압 부품에서 가장 먼저 드러나는 패턴은 입계(grain boundary) 기반의 미세균열 발생이다.
현장 설비에서 분해했을 때 발견되는 특징적 형태는 다음과 같다.
- 균열이 금속 조직 내부보다 입계에서 우선적으로 연결됨
- 선형(linear)보다는 산발(sparse) 형태로 퍼짐
- 기계적 과부하가 없었음에도 ‘마치 오래된 유리처럼’ 잘게 산란된 파괴면이 나타남
이는 수소가 입계에 축적되며 결합력을 느슨하게 만들기 때문이다. 특히
고강도 스틸(>900 MPa) 계열에서 확률이 크게 증가한다.
• 현장 예방 설계 포인트
입계 강화 요소(예: Ti, Nb, V 미세탄화물) 첨가, 저온 단조 공정 활용, 과도한 열처리 방지.
② 패턴 2 — 국부 하중 집중부(Local Stress Spot)에서의 ‘핀포인트 취성’
압력용기·밸브·피팅류에서 자주 발견되는 패턴이다.
수소 분위기에서 오랜 시간 운전한 부품을 CT 스캔하면 특정 위치만 파괴가 집중된 형태가 확인된다.
대표적인 위치:
- 나사산의 첫 번째·두 번째 치
- 밸브 팁과 시트 접촉부
- 굴곡진 파이프 곡률부의 내부 반경
여기서 수소는 응력구배(stress gradient)가 가장 큰 위치로 우선적으로 확산되는 경향을 보인다.
• 현장 예방 설계 포인트
FEA 기반으로 응력 집중부를 사전 분석하고,
필요하다면 국부 압축잔류응력(shot peening, laser peening) 를 부여해 확산을 억제한다.
③ 패턴 3 — 마찰·슬라이딩 부품에서의 ‘HELP 기반 미세 단층 파괴’
도시형 수소밸브, 고압 펌프, 레귤레이터 스템 등 슬라이딩이 발생하는 부품에서만 나타나는 특별한 취성 패턴이다.
HELP(Hydrogen Enhanced Localized Plasticity) 메커니즘이 실제 설비에서 재현되는 대표적 사례인데,
- 표면에 단층 미끄러짐(banding) 흔적이 생기고
- 이 밴드가 확대되어 얕은 피로균열로 성장
- 최종적으로 금속 표면이 ‘층층이 벗겨지는’ 형태로 파괴
기계적 마모와 헷갈리지만, 단면을 보면 균열 방향이 응력 방향과 일치하지 않는 것이 특징이다.
• 현장 예방 설계 포인트
DLC·Si-DLC·MoS₂ 기반 코팅 적용,
초기 표면조도 관리,
스템 직경 최적화(너무 가늘면 HELP 취성 가속).
④ 패턴 4 — 잔류응력과 결합한 ‘Time-Delayed Fracture’
수소취성 중 가장 위험한 패턴이다.
설치 후 멀쩡히 운전되다가 며칠에서 몇 달 후 느리게 파괴가 발생한다.
주요 특징은 다음과 같다.
- 파단면에 ‘파우더 파편’ 같은 취성 파괴 흔적
- 눈에 띄는 기계적 과부하 흔적 없음
- 치수가 조금이라도 과도하게 절삭된 영역에서 집중 발생
• 현장 예방 설계 포인트
- 가공 후 스트레스 릴리프 열처리
- 용접부는 PWHT(Post Weld Heat Treatment) 준수
- S-N 곡선보다 K_ISCC(Stress Corrosion Cracking K-value) 기반 설계로 전환
⑤ 패턴 5 — 수소 농도 변화에 따른 계단식 균열(Stepwise Cracking)
고압 시스템(350bar·700bar) 운전 중
압력 변동폭이 큰 설비에서 주로 나타나는 패턴이다.
특징은 다음과 같다.
- 균열이 **연속적이지 않고 ‘계단식’**으로 확장
- 압력 사이클과 균열 성장 속도가 정비례
- 표면 경계에서 내부로 갈수록 균열 간격이 일정하게 좁아지는 경향
이 패턴은 수소 확산 속도와 압력 펄스 응력 시퀀스가 결합하여 발생한다.
• 현장 예방 설계 포인트
실제 운전 프로파일 기반 랜덤 압력 사이클 시험 수행,
표면 경화(shot peen / carburizing) 금지 — 확산 경로가 악화됨.
⑥ 패턴 6 — 제조 공정 결함과 결합된 ‘Hybrid Crack Mode’
완전히 수소취성만의 문제라고 착각하기 쉽지만,
실제 산업 현장에서 가장 흔한 문제는 수소취성과 제조 결함의 결합 모드다.
대표적 사례:
- 단조 내부 미세 기공과 HE의 결합
- 선반가공 tool mark + HE
- 용접 언더컷 + HE
이 모드는 파괴가 비선형적이고, 파단면도 전형적인 HE 파괴 패턴이 나오지 않아 진단이 어렵다.
• 현장 예방 설계 포인트
제조공정 품질을 HE 관점에서 재평가해
초기 표면결함 허용 기준을 더 엄격하게 가져간다.
⑦ 패턴 7 — 극저온·고온 열화와 결합된 복합 취성(Hybrid Environmental Embrittlement)
수소 시스템은 -253°C(액화수소)부터
120°C 이상(연료전지 밸브 주변)까지 극단의 환경을 경험한다.
이 온도 변화는 수소취성 메커니즘을 더욱 복잡하게 만든다:
- 극저온에서는 연성 저하 + HELP 가속
- 고온에서는 수소의 탈착과 재흡착 반복
- 온도 변화가 주기적일수록 입계 확산이 더 불규칙해짐
• 현장 예방 설계 포인트
저온 충격 인성 확보 재질(SUS316L, A286 기반 합금) 채택,
고온 구간에는 내부 코팅 적용.
■ 금속 수소취성 예방을 위한 실질적 설계 기법 7가지
현장에서 실제 효과가 입증된 방법만 정리하면 아래와 같다.
1) 수소 확산 제어용 표면 코팅
DLC·CrN·Si-DLC·TiCN 등
수소 확산계수를 10~100배까지 차단.
2) 잔류응력 최적화 설계
국부 압축잔류응력 부여,
용접부 PWHT 수행.
3) 용접 금속의 수소 투과도 관리
Ni·Mo 합금을 적정 비율로 조정하여
입계 확산 속도 제어.
4) 미세조직 제어
입계 강화, 결정립 미세화,
고강도 스틸의 경도 상한 설정(HRC 35 이하 권장).
5) 실제 운전 프로파일 기반 시험 적용
ISO19881 등 기존 표준만으로 부족하기 때문에
랜덤 로드 프로파일 시험(RLP Test) 수행이 반드시 필요.
6) 스마트 모니터링 도입
Acoustic Emission(AE) 기반
수소취성 초기 균열 감지 시스템 적용.
7) FEA 기반 확산-응력 연계 시뮬레이션
단순 구조해석이 아닌,
수소 확산 방정식(Fick’s Law)과 응력장을 함께 고려한 시뮬레이션 필요.