수소(H2)의 위험성과 취급시 안전조치 사항 확인

 

1. 수소(H2) 취급 설비의 위험 요인  

  1) 초고압 저장 압력

• 수소 트레일러와 수소 전기차의 탱크에는 보통 700 bar 로 압축된 수소가스가 저장되어 있고, 수소 충전소의 압축기는 수소 가스를 800 bar까지 압축한다. 
• 높은 압력의 수소는 압력에 비례하여 압축 에너지를 가지고 있고, 압축 에너지가 방출되면 화재로 이어지지 않더라도 방출 속도에 따른 강한 압력 발생시킬수 있다.

과압 (kPa  /  psi  / bar)			영향
0.2	0.03		유리창 일부 파손
1	0.15		유리파열 압력
5	0.7		주택의 구조물 파손
18	2.5		주택의 블록이 50% 정도 파손
20	3		건축물의 철 구조물이 손상되며 기초에서 이탈
30	4		공장 건물의 파손
35	5		나무 기둥이 부러짐
35~50	5~7		주택의 완파
50~55	7~8		두께 20~30 cm의 벽돌벽의 붕괴
70	10		대부분의 건축물 전파

 

  2) 초저온 액화수소 취급

   (1) 액화수소는 주변 열로 인해 액체가 기체로 변하면서 부피가 증가하는 과정에서 위험요소 발생/ 증가  

• 누출된 액화수소는 빠르게 끓거나 증발하여 기체로 변하는데, 만약, 밀폐된 곳에서 액화수소가 누출되면 기체로 변하는 과정에서 매누 옾은 압력으로 이어질수 있음  
• 액화수소의 상변화는 부피의 증가와 가열된 가스의 팽창으로 저장 용기나 배관과 같은 설비를 수 초 만에 파열 압력까지 상승할 수 있음
• 특히, 배관에 설치된 두 개의 밸브 사이에 액화수소 또는 저온의 수소 가스가 정체되어 갇히게 되었을 때 사고로 발전할 수 있는 가능성이 있음 

 

   (2) 초저온의 액화수소는 헬륨을 제외한 모든 기체를 액체로 만들고(응축), 고체로 만들 수 있어(응고) 공기, 질소 또는 기타 가스가 액화수소에 직접 노출되지 않도록 관리

• 고체화된 가스로 인한 배관 막힘, 밸브 고착 현상 발생
• 응축 가스의 부피가 감소하여 훨씬 더 많은 가스를 끌어 들일 수 있는 진공 상태를 만듬
• 보온이 안 된 액화수소 배관과 저장 용기는 공기를 외부 표면에 고체와 액체 형태로 응축함
• 산소는 질소(-196℃)다 비등점(-183 ℃) 이 높기 때문에 농축되어 52%까지 고농도의 산소가 포함된 응축 공기를 형성 가능하고, 조연성 가스인 산소의 과잉은 보통 때는 타지 않는 재로도 타게 만들 정도로 높은 화재 위험성이 있음

 

  3) 수소 설비 부식

   (1) 수소 부식의 개요 (수소 손상 : Hydrogen damage)

• 수소에 노출되어 금속에 작은 균열과 같은 기계적 손상을 주는 현상을 말함 
• 장기간에 걸쳐 수소 설비를 오랜 시간 사용하였을 때 발생하는 부식 형태이며, 금속 재료의 손상으로 균열이 생겨 누출이 발생할 경우 누출된 수소 가스의 점화로 화재·폭발 발생 가능 
• 수소 유도 균열 (Hydrogen induced cracking), 수소 블리스터링 (Hydrogen blistering), 고온 수소 침식 (High Temperature Hydrogen attack)으로 구분

금속 내부로 침입하는 수소 원자 (출처 : 안전보건공단)

 

 (2) 수소 유도 균열 (Hydrogen induced cracking)

• 응력이 가해지는 금속에 수소 원자가 침입, 확산되어 발생하는 현상
• 산세정, 전해, 부식 등에 따라 생기는 수소가 침입하는 경우나 고온에서 수소와 접촉한 금속 등에 생길 수 있음 

수소 유도 균열로 손상된 금속 재료 (출처 : 안전보건공단)

 

   (3) 수소 블리스터링 (Hydrogen blistering)

• 금속 내부에 수소가 침투해서 축적된 결과로 금속에 심한 변형을 일으키는 현상을 말하며, 간극에 축적된 수소가 내부에서 금속을 변형시킴
• 황화수소가 포함된 유정이나 저합금강으로 제작된 석유 정제 설비 및 산세정 설비, 수소를 취급하는 전해조에서도 발생할 수 있음

 

   (4) 고온 수소 침식 (High Temperature Hydrogen Attack, 탈탄 현상)

• 고온·고압 상태의 수소에 의한 침식 현상을 말하며, 상온 부근에서 발생하는 수소 유도 균열이나 수소 블리터러링과는 발생 기전이 다름
• 고온·고압 조건에서 수소가 철 합금에 침입, 반응하여 메탄 가스를 발생시키며, 철강 재료에 포함된 탄소 함량을 줄이고, 재료가 손상되는 현상을 말함 

 

---

2. 수소(H2) 부식 방지 

  1) 재질 선정

   (1) 적합 재질

• 300계열의 오스테나이트계 스테인레스강은 수소 설비에 가장 적합한 재질이다.
• 특히, 304 스테인레스강은 상온에서 취급하는 수소에서부터 초저온 액화 수소를 취급하는 경우에도 적합하다.

 

   (2) 제한적 사용 가능 재질

• 킬드강 재질은 상온에서 수소 가스를 취급하는 경우에 한해 제한적으로 사용가능 하다
• 킬드강(Killed Carbon Steel) : 주석이나 알루미늄 등 강력 탈산제를 사용해서 산소 등 강재 속에 가스 잔류량을 완전히 줄인 탄소강 강재, 균일한 재료 특성으로 불순물이 적고, 용접성이 좋음 
• 취급하는 온도가 200 ℃를 초과하는 고온의 수소 분위기에서는 킬드강을 포함한 탄소강은 부적합하다. 

 

    (3) 부적합 재질 

• 길드강 이외의 탄소강, 회주철, 구상흑연주철 또는 가단 주철은 수소 취급 조건에 부적합하다.
• 알루미늄, 구리, 황동 및 청동 등과 같이 녹는점이 낮은 재질도 수소 취급 조건에서 부적합하다. 

 

  2) 수소 부식 방지 대책

   (1) 수소 유도 균열 (Hydrogen induced cracking) 방지 대책 

• 열처리를 통한 금속 재료 내부의 수소를 재료 밖으로 배출시킴 
• 적정한 재질로서 수소 원자의 확산 속도가 느린 금속을 첨가한 오스테나이트계 스테인레스강 재질 선정 (티타늄,Ti,을 첨가한 SUS 321과 나이오븀,Nb,을 첨가한 SUS 347이 적정함) 
• 용접시 수소 함량이 적은 용접봉을 사용하고, 용접봉을 작업 전에 건조하여 수분 제거, 용접 작업 중 습기가 없는 상태를 유지
• 부식 억제제를 첨가하여 부식 속도 감소
• 도색, 피복 또는 코팅 실시

 

   (2) 수소 블리스터링 (Hydrogen blistering) 방지 대책 

• 킬드강과 같이 내부 조성이 균일한 탄소강 재질, 니켈 합금과 같이 금속 재료 중에 수소 확산이 생기지 않는 재질 선정
• 부식 업제제를 첨가하여 부식 속도 감소
• 도색, 피복 또는 코팅 실시

 

   (3) 고온 수소 침식 (High Temperature Hydrogen Attack, 탈탄 현상) 방지 대책 

• 오스테나이트계 스테인레스강(STS 304, 316, 321, 347 등)이 대표적
• 온도, 압력 및 크롬, 몰리브덴 함량은 수소 침식에 대한 가장 큰 영향 요소
• 넬슨 선도(Nelson Chart)를 통해 적정 재질 선정

넬슨 선도 (Nelson Chart)

• 선도에서 설비의 온도 (세로축)와 수소 분압 (가로축)에 의한 점을 표시 (*설비의 온도에서 안전 마진으로 17 ~ 28℃를 더한 온도로 고려할 것) 
• 표시한 점 위에 있는 곡선에 해당하는 재질을 선택 (*만일, 표시한 점이 곡선 위에 위치하면, 그 위에 있는 곡선의 재질로 선정할 것)

 

---

3. 수소(H2) 누출 감지 및 방폭 설비

  1) 수소 감지 설비

• 수소는 누출되기 쉽고, 수소 가스와 화염은 눈으로 잘 보이지 않으므로 누출을 조기에 감지하는 것이 사고 예방 및 피해를 방지하기 위해 수소 감지기는 매우 중요하다. 
• 수소 감지 센서 선정시 측정 농도 범위, 사용 온도 및 압력 범위, 민감도, 응답시간, 안전성, 가격 등을 고려한다. 
• 미국 에너지부(DOE : United States Department of Energy)의 수소 센서에 대한 요구사항은 다음과 같다.

용도	사양
측정 범위	0.1 ~ 10%
온도 범위	-30 ~ 80 ℃
응답 시간	1초 이내
수명	10년
측정 환경	대기압, 상대습도 10 ~ 80%
정밀도	측정 범위의 5%

 

  2) 수소 화염(불꽃) 감지기

• 자외선(UV)와 적외선(IR) 파장을 감지하는 광학식 감지기가 필요하며, 적외선 파장만 검지하는 형태는 수소 불꽃을 감지하는데 제한적이다.
• 자외선식 감지기는 수소 화염을 감지하는데 사용될 수 있지만, 햇빛이나 용접 불꽃이 자외선 감지기에 영향을 미칠 수 있으므로 감지기 설치 위치 선정에 주의가 필요하며, 또한 태양광 또는 반사광에 의한 오작동을 방지하기 위해 후드를 부착하는 등의 추가 조치를 검토한다.

 

출처 : 한국방폭인증센터

 

  3) 가스 누출 감지기

• 수소가 누출될 가능성이 높은 곳, 체류할 가능성이 높은 곳과 환기구 등에 고정식 가스 누출 감지기를 설치한다. (*고정식 감지기의 경우 주전원이 차단되어도 30분 이상 작동될 수 있도록 비상 전원 공급장치를 연결한다.)
• 수소를 취급하는 장소라면 어디든지 감지기를 사용하는 것이 바람직하며, 특히, 수소 공장 운전원들은 설비 운전 및 작업 시 휴대형 수소 가스 감지기를 항시 휴대한다. (*휴대형 감지기의 경우 현장에서 4시간 이상 사용할 수 있도록 배터리를 충전 상태를 확인한다.)
• 감지기의 경보 장치는 연소하한값(LEL)의 25% 이하에서 설정한다. (*1차/ 2차로 2중으로 설정하는 경우 1차 경보는 연소하한값의 25% 이하, 2차 경보는 연소하한값의 50% 이하로 설정할 것을 권고한다.)

휴대형 또는 고정식 감지기를 사용하여야 하는 장소

1. 수소가 누출될 수 있는 장소  2. 정상 작업시 탈착되는 수소 연결 설비 (예:수소 충전 접속구) 3. 수소가 상시 축적된 장소 4. 만약, 수소가 건물 내로 침입할 수 있다면, 공기 흡입구 안쪽 5. 만약, 수소가 건물 내부에서 방출된다면, 건물의 통풍구 출구 안쪽

 

  4) 방폭 설비의 기본 원리

방폭 구조	주요 내용
내압 (d)	- 전기 설비 외함 내부에서 폭발이 일어나도 폭발 화염 등이 외함 밖으로 나가지 않는 구조
본질 안전 (i)	- 매우 낮은 수준의 전류를 사용하는 등 가연성 혼합기에 발화 능력이 없는 장치나 배선 시스템으로 적용하여 폭발을 방지하는 구조
안전증 (e)	- 전기 설비에서 발생할 수 있는 과열이나 스파크 등의 점화원이 발생할 가능성을 없애기 위해 구성 부품의 안전성을 높인 구조
압력 (p)	- 가연성 혼합기 등이 유입되지 않도록 전기 설비 외함 내부의 압력을 충분히 높은 수준으로 유지시키는 구조
몰드 (m), 오일 (o), 비점화 (n)	- 가연성 혼합기와 점화원과의 접촉을 방지하도록 설계한 구조

 

  5) 방폭 설비 폭발 등급 (가스 그룹)

• 방폭 설비는 화염 전파 한계(틈) 및 최소 점화 전류비에 따라 3개 그룹으로 구분한다.
• 수소는 II C 그룹에 해당하나 II B, II B+H2 그룹의 방폭 설비도 적용 가능하다. 

기기 그룹	주요 내용
그룹 I	- 폭발성 갱내 가스에 취약한 광산에서 사용하는 기기
그룹 II	- 그룹 I 외 폭발성 가스가 존재하는 장소에서 사용하는 기기   - 내압(d) 및 본질 안전(i) 방폭 구조의 경우 그룹 II에서는 인화성 가스에 따라    아래와 같이 3가지로 구분한다.     ① II A : 프로판    ② II B : 에틸렌    ③ II C : 수소, 아세틸렌
그룹 III	- 그룹 I 외 폭발성 분진이 존재하는 장소에서 사용하는 기기

 

  6) 방폭 설비 온도 등급 

• 방폭 설비는 최고 표면 온도가 인화성 가스의 최소 발화 온도에 도달하지 않는 것으로 선정하여 설치한다.
• 수소의 최소 발화 온도는 571℃ 로서 T1 ~ T6까지 모든 온도 등급의 방폭 설비를 적용할 수 있지만, 안전을 위해 T3 ~ T6의 온도 등급 범위의 방폭 설비를 선정한다.  

방폭 설비의 온도 등급	인화성 가스의 최소 발화 온도 ( ℃)	사용 가능한 온도 등급
T1	450 초과	T1 ~ T6
T2	300 초과, 450 이하	T2 ~ T6
T3	200 초과, 300 이하	T3 ~ T6
T4	135 초과, 200 이하	T4 ~ T6
T5	100 초과, 135 이하	T5 ~ T6
T6	85 초과, 100 이하	T6

 

출처 : 한국방폭인증센터