국내 시제품과 비교를 위해 현재 국내 수소충전소에 주로 사용되고 있는 해외 선진사 제품 중 하나의 유량제어밸브를 선정하여 분석하였다.

해당 선진사의 제품은 유량제어밸브와 관련된 특허 출원에서 상위권을 차지하고 있는 회사의 제품으로, 초고압 수소 가스에 대한 정밀한 유량제어가 가능하여 국내 수소충전소에 사용 중인 제품이다. 설계 압력은 999 bar이고⁵⁾, 설계 사양은 Table 1에 나타내었다.

구조해석을 통하여 시험 기준에 따른 결과를 얻기 위해 Fig. 1과 같이 모델링 하였으며, 상용 구조해석 프로그램인 ABAQUS를 사용하여 모델링 및 해석을 진행하였다.

Fig. 1. 
Flow control valve model (example)

유량제어밸브의 시험 평가 해석 조건은 ‘수소 가스 충전소 밸브 KS B ISO 19880-3’⁶⁾의 내압 시험(Table 2) 기준에 만족하도록 적용하였다.

시험은 다음과 같이 진행된다. 밸브의 입구는 필요한 시험 압력을 공급할 수 있는 장치에 연결해야 하며, 시험 매체는 액체를 사용하는 것으로 정의되어 있다. 또한 밸브가 열려있는 상태에서 출구를 밀폐시키고, 밸브 시트 또는 내부 블록이 열린 상태로 설정한다. 압력은 부품 압력 등급의 150%까지 서서히 증가시켜 10분 동안 압력을 유지한 후 시험 중인 장치에 누출 여부를 확인했을 때 밸브에서 누출이 발생하지 않아야 한다.

효율적인 해석을 위해 유동구간에 포함되지 않고, 구조적으로 영향이 없는 밸브의 고정을 위한 나사산 부위를 생략하였으며, 사용한 재료는 STS316L^7,8)이고, 상세한 재료 물성은 Table 3과 같다.

격자의 종류는 Fig. 2와 같이 유체의 영향을 직접 받는 유동구간의 경우 3D상에 8개의 node와 1개의 적분 점으로 구성되어 있는 C3D8R 요소를 적용하였고, 요소의 개수는 총 437,352개이다(Fig. 3).

Fig. 2. 
Mesh type of parts

Fig. 3. 
Analysis result of flow control valve

구성 부품 간의 접촉이 발생하는 면은 모두 접촉 조건을 부여하였고, 접촉이 일어나는 모든 면에 마찰 조건이 부여되도록 general contact 조건을 부여하였고, 부품간 완전하게 체결되어 분리가 발생하지 않은 면은 영구 접합과 같은 tie constraint 조건을 적용하였다.

유동구간의 부품 압력 등급의 150%인 내부압력 1,500 bar를 부여하였으며, 출구를 밀폐하여 10분 동안 압력을 유지하는 것으로 가정하여 모든 유동 면에 동일한 압력을 부여하였다. Fig. 4에 나타난 결과와 같이 최대 Von Mises stress는 377.9 MPa은 replace seat의 내압에 의한 변형이 body와의 접촉 발생으로 판단하였다. 또한, 해당 재료인 STS316L의 항복 강도인 472 MPa^7,8)을 초과하지 않아 파손이 일어나지 않을 것으로 예상되었다.⁹⁾

Fig. 4. 
Flow control valve (HIFLUX^®). (a) Test product. (b) Assembly.

본 연구에서 선진사 제품 대비하여 향상시키고자 하는 설계 사양인 온도, 압력과 질량 유량값을 Table 4에 나타내었다. 개발품의 전체적인 형상은 Fig. 4와 같다. 또한, 수소의 취성과 밸브의 작동 온도에 적합한 재료를 사용하였으며, 내압시험 기준에 따라 압력에 의해 발생한 응력을 선진사 제품과 비교하여 내구성을 확인하기 위해 시제품 제작과 설계 및 해석을 진행하였다.

제작한 시제품의 수소충전소용 유량제어밸브는 설계 압력 1,000 bar, 사용온도 -40℃ to 85℃ 질량유량(수소) 120 g/s에 적합하도록 설계되었다. 사용된 재료로는 수소 취성에 대해 검증된 STS316L⁷⁾을 사용하여 제작하였으며, 기밀(sealing)의 역할을 하는 오링(O-ring)은 테프론(teflon) 대신 저온에서의 특성이 뛰어난 polyvinylidene fluoride (PVDF)¹⁰⁾의 재료로 변경하여 사용하였다. 또한, 유체를 흐르게 하거나 제어하기 위한 stem의 경우 내식성과 가공성이 좋으며 광범위한 사용온도 특성을 지니고 있는 STS304¹¹⁾ 재료를 사용하였다. 해당 물성은 Table 5에 나타내었다.

구성 부품의 실제 체결 상태¹²⁾를 고려하여 일반적인 접촉일 경우 general contact 조건을 부여하였고, 끼워 맞춤과 용접으로 완전하게 체결되는 부품은 tie constraint 조건을 적용하여 해석을 진행하였다. 이는 Fig. 5에 나타내었다.

Fig. 5. 
Contact conditions. (a) Tie constraint. (b) General contact.

격자의 타입은 앞서 해외 제품과 동일하게 진행하였으며, 유체의 영향을 직접적으로 받는 대표적으로 body, replace seat, O-ring, stem을 C3D8R로 적용하였다. 그 외 영향이 적고, 접촉 조건의 영향이 없는 부품의 경우 C3D10으로 생성하였다. 결과적으로 C3D8R은 846,434개 C3D10 29,627개를 생성하였다(Fig. 6).

Fig. 6. 
Element type of assembly (test product)

결과적으로 유량제어밸브 국내 시제품의 유동구간의 내압에 의해 발생한 최대 Von Mises stress는 332 MPa이 주변 영역에 비해 좁은 면적이 포함되어있는 replace seat에서 발생하였다. 해당 재료인 STS316L의 항복 강도 472 MPa^7,8)을 초과하지 않아 파손이 없음을 예측할 수 있었고, 항복 강도에 따른 안전율은 약 1.42로 확인할 수 있었다(Fig. 7).

Fig. 7. 
Structural analysis of flow control valve (test product)

또한, 선진사 제품 대비하여 동일한 내압에 의해 발생한 응력이 약 12% 감소하였다.

내압시험 기준에 따른 구조해석 결과 가장 큰 응력이 발생한 replace seat을 취약부위로 판단되어 fe-safe 프로그램을 이용하여 해당 부품의 최대 수명이 수소가스 압력 반복 시험 기준¹³⁾에 따른 102,000회의 반복에 손상이 없는지 해석을 통해 확인하였다.¹⁴⁾

구조해석 결과를 통해 피로 및 수명 알고리즘을 적용하여 결과를 도출하는 프로세스로 진행하였다¹⁵⁾. 해석을 진행하기 위해 주로 금속재료에 사용하며, 최대 전단 변형률과 변형률 진폭의 함수식으로 정의되어있으며, 상수 1.65와 1.75는 재료 파괴가 최대 전단 변형률의 평면에서 시작됨을 가정하는 다음의 Brown Miller-Morrow 알고리즘¹⁶⁾을 사용하였다.

• σ'f: 피로 강도 계수2Nf: 재료 파괴까지의 반복  수ϵ'f: 연성 계수b: 피로 강도c: 피로 연성 지수

탄성 응력 해석 결과를 하중 이력과 중첩하여 소성 변형률로 변환하며, 각 요소에서 발생하는 손상도를 계산하였다. 취약 부위의 피로물성은 Table 6에 나타내었다¹⁷⁾.

해석 결과로 취약 부위인 replace seat의 최소 반복 수명은 약 130,607회임을 확인할 수 있었다. 이는 반복 시험 기준인 102,000회 이상을 만족함을 확인하는 결과이다(Fig. 8).

Fig. 8. 
Fatigue analysis of flow control valve