Journal of the Korean Institute of Gas (한국가스학회지)

The Korean Institute of GAS (한국가스학회)
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Calculation of Expected Life of Hydrogen Pressure Vessels by Fracture and Fatigue Mechanics assuming Semi-elliptical Cracks and Analysis of the Effect of Thickness and Radius

반타원형 균열을 가정한 파괴 및 피로역학에 의한 수소 압력용기의 예상 수명 계산과 두께와 내경이 미치는 영향 분석

  • Kim, Jeong Hwan (Institute of Gas R&D, Korea Gas Safety Corporation) ;
  • Lee, Hwa Young (Institute of Gas R&D, Korea Gas Safety Corporation) ;
  • Lee, Min-Kyung (Institute of Gas R&D, Korea Gas Safety Corporation) ;
  • Lee, Jae-Hun (Institute of Gas R&D, Korea Gas Safety Corporation) ;
  • Lyu, Geunjun (Institute of Gas R&D, Korea Gas Safety Corporation)
  • 김정환 (한국가스안전공사 가스안전연구원) ;
  • 이화영 (한국가스안전공사 가스안전연구원) ;
  • 이민경 (한국가스안전공사 가스안전연구원) ;
  • 이재훈 (한국가스안전공사 가스안전연구원) ;
  • 유근준 (한국가스안전공사 가스안전연구원)
  • Received : 2021.11.15
  • Accepted : 2021.12.22
  • Published : 2021.12.31
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Abstract

While the hydrogen refueling station is rapidly expanded and installed, the safety inspection of the hydrogen pressure vessel in the station should be very important. Of these, according to ASME, hydrogen embrittlement tests must be performed for hydrogen vessel that store hydrogen above a certain pressure. The main test method for hydrogen embrittlement inspection is to carry out fracture tests and fatigue fracture tests in a high pressure hydrogen atmosphere, which allows the durability limit of the pressure vessel to be measured and the endurable limit to be determined in the hydrogen atmosphere. In detail, the critical crack depth can be calculated by the stress intensity factor(K), and the service life can be determined by da/dN (fatigue growth rate). API579-1/ ASME FFS-1 part 9 exemplifies the calculation method according to the mode of crack-like flaws, but for various shapes such as plates and cylinders, there are about 55 modes according to the shape and location of the crack. Due to the fairly complex formula, it is not easily accessible. In this study, we will show you how to calculate fracture mechanics numerically via Excel and VBA. In addition, this was applied to analyze the effects of the thickness and inner diameter of the pressure vessel on the service life.

수소충전소의 빠른 확장 및 설치와 동시에 수소충전소의 고압수소 충전 압력용기에 대한 안전 검사가 매우 중요하게 이루어져야 한다. 이 중 ASME에 따르면 일정 압력 이상의 수소를 보관하는 용기에 대해서는 수소 취성 검사를 반드시 해야 한다. 수소취성 검사의 주된 시험방법으로 고압의 수소분위기에서 파괴시험 및 피로 파괴시험을 실시해야 하며, 이를 통해 수소 분위기에서 압력용기의 내구한계를 측정하고, 사용한계를 결정하도록 되어 있다. 세부적으로 stress intensity factor(K)로부터 한계균열깊이를 계산하고, da/dN(피로성장율)로부터 사용수명을 결정할 수 있다. API579-1/ ASME FFS-1 part 9에서 crack-like flaws의 모드에 따른 계산방법을 예시하고 있으나, 플레이트, 실린더 등 다양한 형태의 형상에 대하여 균열의 형상, 위치 등에 의하여 대략 55개 모드가 있고, 상당히 복잡한 수식으로 인하여 쉽게 접근을 못한다. 본 연구에서는 엑셀 및 VBA를 통하여 수치해석적으로 파괴역학계산하는 방법을 소개하고자 한다. 또한, 이를 적용하여 압력용기의 두께와 내경이 수명에 미치는 영향을 분석해 보았다.

Keywords

Acknowledgement

본 연구는 산업통상자원부(MOTIE)와 한국에너지기술평가원(KETEP)의 지원을 받아 수행한 연구 과제입니다. (No. 20215810100090)

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