수소 시스템과 고압 유체 장치에서 사용되는 밸브는 실제 운용 과정에서 진동, 열충격, 반복 내압이라는 세 가지 서로 다른 스트레스를 동시에 받는다. 이 복합 환경은 구조 부품에 다양한 비선형 변형을 유발하며, 단일 환경시험으로는 절대 확인할 수 없는 특유의 열화 패턴을 만들어낸다. 특히 수소 공급 밸브, 차단 밸브, 감압 밸브와 같이 높은 내구 신뢰성이 요구되는 장치에서는 이러한 복합적 거동을 이해하지 못하면 설계 단계에서부터 수명 예측오차가 발생하게 된다.
아래는 실제 현장 및 실험 데이터를 기반으로 정리한 복합 스트레스 환경에서 밸브 성능이 변화하는 7가지 대표 패턴이며, 모두 구조역학·재료역학·수소 환경 특성과 일치하는 사실 기반 내용이다.
1️⃣ 시트 밀봉력의 비대칭적 저하
밸브 시트와 팝펫 혹은 볼 타입 시트는 정상 상태에서는 균일한 접촉 압력을 유지하지만, 진동이 지속되면 접촉면의 미세 형태가 변형되고, 열충격 구간에서 금속이나 탄성체가 서로 다른 팽창률로 움직이면서 시트 접촉 압력이 좌우 혹은 상하로 비대칭하게 분포된다. 이 구조적 불균형은 미세 갭의 형성을 촉진하여 초기 누설의 시작점이 되며, 반복 내압에 의해 점차 누설량이 비선형적으로 증가하는 패턴으로 이어진다. 수소는 확산 속도가 매우 빠르기 때문에 이러한 시트 갭에서 헬륨보다 훨씬 민감하게 누설 증가가 나타난다.
2️⃣ 오링 탄성 저하 및 압축셋 증가
오링은 열충격에 노출될 때 재질 내부의 분자 이동성이 크게 변하면서 탄성 저하가 발생하고, 특히 저온 영역에서는 경도가 상승하여 밀봉 면에 미세 균열이 형성될 수 있다. 진동이 더해지면 오링 홈 내부에서 반복적인 미세 슬립이 발생하며, 단면 형상이 비대칭으로 변형되고 접촉 압력이 불균일해진다. 고온에서는 고무 사슬구조의 이완과 경년 변화가 가속되기 때문에 압축셋이 누적되고, 수소 환경에서는 투과성 영향으로 오링 내부 팽윤이 유도되며 Seal 기능 저하가 일반적인 가스보다 빠르게 진행된다.
3️⃣ 스템–가이드 마찰 증가 및 스틱션 현상
밸브 스템과 가이드 사이의 간극은 열충격으로 인해 반복적으로 팽창·수축하고, 진동에 의해 가이드 정렬이 미세하게 어긋나면서 마찰계수가 상승한다. 이 과정은 스틱션(Stiction) 증가로 이어지며, 개·폐 초기사출 토크가 설계값보다 높아지고 반응 시간이 지연되는 문제가 나타난다. 저온 구간에서는 윤활제 점도가 증가하여 마찰이 더 커지고, 고온에서는 윤활막이 약화되면서 금속–금속 접촉 빈도가 증가하여 개폐 특성이 더욱 불안정해진다.
4️⃣ 스프링 탄성력 저하와 개폐 압력 편차 발생
스프링은 반복 내압과 진동 하중에 매우 민감한 탄성부품이다. 장시간 사용될수록 탄성계수와 자유장이 변화하며, 열충격 구간에서는 항복강도 변화와 잔류응력 재배치가 동시에 일어나 스프링의 설정 하중이 시간이 지날수록 낮아진다. 이 변화는 개폐 압력 편차를 크게 만들고, 결국 밸브의 히스테리시스를 증가시키며 정상 제어가 어려워진다.
5️⃣ 금속 미세 균열 성장의 가속
용접부·브레이징 접합부·나사체결부와 같이 응력이 집중되는 영역에서는 진동 하중이 미세 균열 개시점을 앞당기고, 열충격은 균열 선단의 온도 구배를 크게 만들어 균열 성장속도를 비선형적으로 증가시킨다. 수소는 균열 선단에 집중해서 취성 파괴를 유도하는 성질이 있기 때문에 수소 환경에서는 금속 균열이 예상보다 빠르게 확장되며 지연 파괴 확률 또한 증가한다.
6️⃣ 유량계수(Cv)·압력손실 특성의 서서히 진행되는 변화
시트 마모, 오링 변형, 밸브 내부 금속 면의 미세 변위 등은 모두 밸브 내부 유동단면적을 서서히 바꾸며, 결과적으로 Cv 감소나 압력손실 증가로 이어진다. 이러한 변화는 개도와 무관하게 유량 반응성을 저하시키고, 시스템 제어 안정성을 떨어뜨린다. 열충격 동안 유동면이 반복적으로 수축·팽창하는 것도 장기적으로 유동 저항을 증가시키는 중요한 원인이다.
7️⃣ 누설량 증가의 S-커브 패턴화
복합 환경에서는 누설량이 선형 증가 패턴을 보이지 않는다. 일반적으로 초기에는 매우 완만한 증가를 보이지만, 시트 밀봉력 저하·오링 압축셋 증가·금속 균열 성장·재질 취성 증가가 특정 임계점을 넘어서는 순간 급격한 누설량 증가가 발생한다. 이후 재질이 더 이상 구조적 대응능력을 유지하지 못하면 다시 완만한 증가 구간으로 이동하는 S자형 곡선 형태가 나타난다. 특히 300bar 이상의 고압 수소 밸브에서는 이 S커브가 매우 뚜렷하다.