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수소충전소 중압단(50㎫) 압력용기의 피로파괴역학에 따른 수소취성 대비 예상수명 계산
김정환(Jeong Hwan Kim),이민경(Min-Kyung Lee),이화영(Hwa Young Lee),길성희(Sung-Hee Kil),유근준(Geun-Jun Lyu) 한국신재생에너지학회 2021 한국신재생에너지학회 학술대회논문집 Vol.2021 No.7
수소산업 활성화정책 추진에 따라 수소충전소 시설이 가파른 속도로 증설되면서, 고압 저장탱크 수요가 증가하고, 고압수소 특화 안전검사가 필요하게 되었다. 미국 ASME Sec.VIII Div.3 KD-10 및 한국 KGS AC111에서는 운전압력 41MPa 이상 심리스 압력용기, 17MPa 이상 용접 압력용기가 수소를 내용물로 하면 수소취성 검사를 필수로 해야 한다. 수소취성 검사의 의의는 철계 압력용기는 수소에 의해 균열이 발생한다고 가정하고, 균열성장의 정도를 예상할 수 있는 범위까지만 사용하고자 함이다. 이때 수소분위기에서의 Threshold stress intensity factor(KIH)와 피로균열성장율(da/dN)를 구하고, 이로부터 한계균열깊이를 알아내면 컨트롤 가능한 균열 깊이와 피로 사이클(N)을 계산할 수 있다. 피로 사이클(N)에 안전율 도입하여 한계수명을 정할 수 있으며, 잔여수명을 예측할 수 있다. SA723 및 SA372 재료에 한해서 수소취성 시험 대신 오랫동안 쌓아온 데이터에 의해 ASME code case 2938 및 KGS AC111에서는 KIH값을 40MPa√m 이하로 정할 수 있고, da/dN의 식을 별도로 주어 사용할 수 있다. 이 값으로부터 50MPa 중압단 압력용기에 대하여 사용한도를 계산하는 과정을 보여주고 토의를 하고자 한다.
반타원형 균열을 가정한 파괴 및 피로역학에 의한 수소 압력용기의 예상 수명 계산과 두께와 내경이 미치는 영향 분석
김정환(Jeong Hwan Kim),이화영(Hwa Young Lee),이민경(Min-Kyung Lee),이재훈(Jae-Hun Lee),유근준(Geunjun Lyu) 한국가스학회 2021 한국가스학회지 Vol.25 No.6
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. 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.
Enhancement of the Thermostability of a Fibrinolytic Enzyme from Bacillus amyloliquefaciensCH51
Jieun Kim(김지은),Kyoung-Hwa Choi(최경화),Jeong Hwan Kim(김정환),Young-Sun Song(송영선),Jaeho Cha(차재호) 한국생명과학회 2013 생명과학회지 Vol.23 No.1
Bacillus amyloliquefaciensCH51은 분자량 27 kDa 크기의 subtilisin 타입의 혈전용해능을 지니는 단백질분해효소인 AprE51을 생산하였다. 이전연구에서 더 우수한 혈전용해 활성을 갖는 AprE51-6이 세포외 돌연변이법으로 생산되었으며, 본 연구에서는 이 개선된 효소인 AprE51-6의 열안정성을 증진시킬 목적으로 B. subtilissubtilisin E의 아미노산과의 상동성 분석을 통하여 두 아미노산인 Gly-166과 Asn-218이 치환되었다. 그 결과 G166R과 N218S 돌연변이체는 혈전용해능을 보이는 용해능 배지에서 원 효소보다 각각 1.8배와 4.5배 높은 혈전용해능을 보였다. 정제된 두 돌연변이효소인 AprE51-7과 AprE51-8는 원효소인 AprE51-6에 비하여 1.9 그리고 2.5배 높은 kcat값을 나타내었고, 2.1과 1.9배 낮은 기질친화력을 나타내는 Km값을 보여주었다. 특히 AprE51-8는 나토키나아제에 비하여 알칼리 pH 영역에서 높은활성을 유지하였고, 60℃에서 더 우수한 열안정성을 보여주었다. 열안정성의 정도를 나타내는 척도인 반감기 값에서도 AprE51-7과 AprE51-8는 50℃에서 21.5분과 27.3분으로 기존의 AprE51보다 2배 그리고 2.6배 더 긴 반감기를 보였다. AprE51 from Bacillus amyloliquefaciens CH51 is a 27 kDa subtilisin-like protease with fibrinolytic activity. AprE51-6 showing increased catalytic activity was produced previously. To enhance the thermostability of AprE51-6, 2 residues, Gly-166 and Asn-218 based on B. subtilis subtilisin E were mutated by site-directed mutagenesis. The results of the mutational analysis showed that substitution of arginine for Gly-166 (AprE51-7) increased the fibrinolytic activity 1.8-fold. An N218S mutant (AprE51-8) also increased the fibrinolytic activity up to 4.5-fold in a fibrin plate assay. Purified AprE51-7 and AprE51-8 mutants had a 1.9- and a 2.5-fold higher kcat, respectively, and a 2.1?1.9-fold lower Km, respectively. This resulted in a 3.8- and a 4.7-fold increase in catalytic efficiency (kcat/ Km), respectively, relative to that of wild-type AprE51. AprE51-8 had a broader pH range than AprE51-6 and nattokinase, especially at an alkaline pH value. In addition, AprE51-8 showed higher thermostability than AprE51-6 at 60℃. The half-lives of AprE51-7 and AprE51-8 at 50℃ were 21.5 and 27.3 min, respectively, which are 2.0 and 2.6 times longer, respectively, than that of the wild-type AprE51.
수소용 압력용기 안전성 확보를 위한 수소취성 검사방법 국제기준 분석 연구
이화영(Hwa Young Lee),이민경(Min Kyung Lee),김정환(Jeong Hwan Kim),길성희(Sung-Hee Kil),유근준(Geun-Jun Lyu),김영규(Young Gyu Kim) 한국신재생에너지학회 2021 한국신재생에너지학회 학술대회논문집 Vol.2021 No.7
친환경 연료 전환을 위해 정부에서는 산업부 수소경제 활성화 로드맵 수립(’19.1) 및 한국형 뉴딜정책을 발표(’20.7)하였다. 이와 관련하여 전국적으로 수소 인프라 구축을 위해 수소충전소 등 관련 시설들의 설치가 빠르게 확대되고 있다. 하지만, 시설 보급 속도에 비해 수소충전소용 설비의 안전성 확인에 대한 검사방법 및 국내 안전기준 제도화는 미진한 상황이다. 국내 수소충전소용 압력용기는 700 bar 이상의 압축수소를 저장하고 있다. 국제기준(ASME)에 따르면 이음매 없는 압력용기는 41 MPa 이상, 용접된 압력용기는 17MPa 이상의 압력으로 수소를 저장할 시 수소취성 검사를 수행해야한다고 규정하고 있다. 국내 수소충전소용 압력용기는 수소취성 검사대상이나 검사방법에 대한 안전기준 개발은 아직 초기단계인 상황이다. 따라서 안정적인 수소충전소 운영과 수소에 대한 국민 수용성 제고를 위해서는 수소용 압력용기의 수소취성을 평가할 수 있는 검사방법에 대한 기준 마련이 필요하다. 따라서, 본 연구를 통해 수소충전소용 고압 압력용기의 수소취성 판정과 관련하여 국제기준을 조사 및 분석하여 국내 안전기준 개발에 기초자료로 활용하고자 한다.