재료硏, 무수 암모니아 SCC 통합평가 플랫폼 공동개발 착수
국산 고강도 강재의 암모니아 선박 적용 기반 확보, 국내 조선·철강산업의 경쟁력 향상 기대
차세대 친환경 선박인 암모니아 선박에 적용하는 철강재의 안전성을 입증할 수 있는 시험 평가 기준이 마련된다.
한국재료연구원(KIMS, 원장 최철진) 극한재료연구소 장영준 박사 연구팀이 차세대 친환경 선박인 암모니아 추진선에 고강도 철강재를 안전하게 사용할 수 있는지 검증하는 국내 최초의 ‘무수 암모니아 응력부식균열(SCC) 통합평가 플랫폼’ 개발에 착수했다. 암모니아 운반선에 적용하는 철강재 강도를 제한하는 국제 규제에 대응해, 국산 고강도 강재의 안전성을 국내 기술로 입증하고 이를 실제 선박에 적용할 수 있도록 국가 차원의 평가 체계를 구축하는 것이 핵심이다.
암모니아는 연소 과정에서 이산화탄소를 직접 배출하지 않아 차세대 친환경 선박 연료로 주목받고 있다. 하지만 암모니아 환경에서는 강재에 미세한 균열이 발생 및 점차 확산하는 ‘응력부식균열(SCC)’ 위험이 있다. 이에 암모니아 저장탱크의 안전성 검증이 상용화의 핵심 과제로 꼽힌다. 특히 항복강도가 높은 강재는 더 큰 힘을 견뎌 구조물을 얇고 가볍게 만들 수 있지만, 암모니아 환경에서의 균열 저항성까지 높아지는 것은 아니어서 별도의 검증이 필요하다.
현행 국제가스운반선규정(IGC Code)은 무수 암모니아와 접촉하는 강재의 항복강도를 440메가파스칼(MPa) 이하로 제한하고 있다. 그러나 이 기준은 지난 강재 사고와 시험자료에 기반하고 있어 최신 제조 기술로 강도와 용접성을 높인 TMCP 강재의 특성을 충분히 반영하지 못한다. 고강도 강재는 암모니아 탱크를 얇고 가볍게 만들어 연료 소비와 제작비용 절감 및 적재효율을 높일 수 있다. 하지만, 국내에는 440MPa를 넘는 강재의 안전성을 입증할 평가기술과 데이터가 부족해 실제 적용을 위한 독자적인 평가 체계 확보가 필요하다.
연구팀은 이를 해결하고자, 실제 암모니아 선박의 운용환경을 실험실에 구현하고, 고강도 TMCP 강재와 용접부에 균열이 언제, 어떤 조건에서 발생하는지를 종합적으로 평가하는 국내 최초의 통합 플랫폼 개발에 나섰다. 이 플랫폼은 무수 암모니아 환경 제어 기술과 응력 부여 시스템, 전기화학 분석, 실시간 균열 모니터링 기술을 하나로 통합해 실제 운용환경을 정밀하게 모사하는 게 특징이다. 연구팀은 이를 통해 국산 고강도 강재가 암모니아 환경에서도 안전하게 사용될 수 있는지 과학적으로 입증하고, 향후 국제 규제 개선과 선급 승인에 활용할 수 있는 핵심 근거를 확보하고자 한다.
또한 구축되는 플랫폼은 단순히 균열 발생 여부를 확인하는 데 그치지 않고, 재료·응력·암모니아 환경에 복합적으로 작용하는 실제 운용조건을 구현해 고강도 TMCP 강재와 용접부의 응력부식균열(SCC) 민감도를 정량적으로 평가한다. 또한 강재의 미세조직과 용접부 특성, 암모니아의 온도 등이 균열 발생과 진행에 미치는 영향을 규명하고, 전기화학 분석과 인공지능, 계산과학을 접목한 가속시험법을 개발해 다양한 운항 조건에서의 강재 수명과 손상 위험 또한 예측할 계획이다. 연구팀은 이에 더해 이러한 결과를 바탕으로 시험 결과와 손상 원인, 수명 예측 정보를 축적한 무수 암모니아 응력부식균열 데이터베이스를 구축하고 향후 평가 기준과 국내외 표준을 마련할 계획이다.
이번 연구는 국산 고강도 철강재의 안전성을 국내 기술과 데이터로 직접 입증해, 국내 조선·철강업계가 암모니아 추진선 관련 국제 규제 변화에 선제적으로 대응할 수 있는 기반을 마련한다는 점에서 의미가 있다. 이를 통해 국내 철강재의 선급 승인과 실제 선박 적용을 앞당기는 한편, 향후 국제규정 개정과 표준 제정 과정에도 우리 기술이 반영될 수 있을 것으로 기대된다. 나아가 고부가가치 친환경 선박과 철강재 시장에서 국내 조선·철강 산업의 경쟁력을 높이는 데 기여할 전망이다.
연구책임자인 KIMS 장영준 책임연구원은 “암모니아 저장탱크 규제 완화를 위해서는 더 강한 철강재를 개발하는 것뿐만 아니라, 해당 강재가 실제 무수 암모니아 환경에서도 안전하게 사용될 수 있음을 객관적으로 입증하는 평가기술이 필요하다”며 “평가기술을 확보하는 국가가 국제기준을 선도하는 만큼, 이번 연구가 우리나라의 독자적 평가기술과 신뢰성 데이터 확보로 이어지길 기대한다”고 말했다.
이번 연구에는 KIMS를 비롯해 포스코, 삼성중공업, 한화오션, 국립한국해양대학교, 국립창원대학교, 부산대학교, 조선대학교가 참여한다. 소재 공급부터 시험·평가, 해석, 선박 설계, 선급 인증 및 표준화까지 전 주기를 연계하는 산·학·연 협력체계를 구축한 것이 이번 과제의 핵심 강점이다. KIMS는 통합평가 플랫폼과 전기화학·인공지능(AI) 기반 진단기술 개발을 총괄하며, 포스코는 고강도 TMCP 강재 및 용접부 평가기술을, 참여 대학은 균열 원인 분석과 수명 예측, 평가기준 및 표준화를 담당한다. 삼성중공업과 한화오션은 실제 암모니아 추진선의 설계·운용조건을 반영해 개발기술의 산업 적용성을 검증할 예정이다.