Comparison of bending characteristics by analysis of wires for hydrogen-charging hose

Review Article
Youn-Kyou Kim1Byeng-Ju Kim1Guk-Hyun Kim1Woo-Won Youn1Chul-Min Son2

Abstract

In this study, in order to develop a hose with heat resistance, pressure resistance, and durability performance that can be used for hydrogen fuel, CAE was performed on the wire applied to the important braided layer in the internal structure. Based on the results of a tensile test performed on three types of wires, the oblateness and maximum stress generated when the hose is bent were confirmed through computational analysis. As a result of the comparison, the oblateness showed a difference of about 1% without having a large effect on the change in wire diameter, and the maximum stress generated a difference of about 19%. Therefore, it was decided that the diameter of the wire should be selected according to the application requirements of the hose.

Keyword



Introduction

태양광이나 풍력 등의 청정 에너지의 이용과 함께, 수소는 설치에 대한 갈등 요소가 상대적으로 적어 단점을 보완할 수 있는 에너지원이며, 정부는 2021년 ‘수소경제 육성 및 수소 안전관리에 관한 법률’에 대하여 시행에 들어가며 수소생태계를 형성하기 위해 노력하고 있다.

농업에서 수소는 모빌리티와 스마트팜에 우선 적용될 것으로 예상되며, 미국과 EU 등지의 농기계 업체들에서 수소연료전지 트랙터를 경쟁적으로 출시하고 있고, 농산물 운송용 트럭에도 그 적용이 증가하고 있다. 그리고 2021년 광주광역시 농업기술센터에서는 농업용 수소 드론의 시연회가 개최되었고, 강원도에서는 수소 연료전지 발전소에서 나오는 폐열을 농작물 재배에 활용하는 스마트팜을 시도 중에 있다(Lee, 2022).

현재 모빌리티와 관련하여 구축이 진행되고 있는 수소 인프라 중, 2022년 5월 기준으로 약 80개소의 충전소가 구축되어 있고 취급 시설에 대한 안전성 연구(Pyo, 2019) 또한 진행되고 있으나 주요 기자재들이 수입에 의존하고 있어, 기자재 생산에 대한 인프라 구축 및 실질적인 연구는 미비하여 관련 기자재 산업의 국산화 및 활성화에 빠른 진전을 나타내지 못하고 있는 실정이다.

따라서 수소 관련 드론과 트랙터 등 모빌리티에 대한 연구가 활발히 진행되고 있는 현재, 이와 연관된 인프라 구축도 같이 진행되어야 한다. 그 중 모빌리티 내부 또는 충전소 등에서 장치와 장치를 연결하여 수소가 이송하는 관로로 사용되는 호스는 국산화가 되지 않았고, 수입에 의존하고 있는 실정으로, 이러한 호스의 국산화를 위해 내열, 내압 성능과 사용 시 발생할 수 있는 레이아웃의 변화와 반복되는 장착 및 탈착에 의해 발생하는 굽힘에 대한 내구성이 확보되어야 하나, 이에 대한 연구 및 검토는 미비한 상황이다.

따라서 본 연구에서는 충전용 호스에 있어, 내압과 내구 성능에 큰 영향을 미치는 편조층에 사용되는 wire 선정에 필요한 인자를 찾고자 하였으며, 국내외 고압용 wire 3종과 그 내외면의 튜브는 동일하다는 조건에서 CAE를 통해 굽힘반경 시험에서 발생하는 해외 제품과 국내 제품에 대한 편평률과 응력을 비교하고, 향후 수소 모빌리티에 사용될 호스류의 개발에 대한 기초 자료로 삼고자 하였다.

Materials and Methods

Materials

수소 충전용 호스는 내면의 수지층, wire 편조 4층(layer), 외면의 수지층으로 구성되며, 본 연구에서 사용된 wire의 규격에 따른 층별 구성 치수를 Table 1에 나타내었다. 이 중 Fig. 1에 나타낸 기준으로 삼은 해외 P사에서 제조된 Φ0.36 mm wire를 사용한 호스의 제작 형태에 기초하여 동일 내경의 호스를 국내 제품인 Φ 0.30 mm (K사, 소재 중 구리 함량 67.03%), Φ 0.38 mm (H사, 소재 중 구리 함량 68.10%) wire를 사용하여 구성하였고, 동일한 두께의 내면 수지층을 구성하고, 사용된 wire의 굵기에 따라 편조층의 두께를 결정하였고, 동일한 외경을 취하기 위해 외면 수지층의 두께를 각기 다르게 구성하였다. 이중 wire로 구성된 편조층은 수소 충전 시 발생하는 내부압력과 충전을 위하여 호스를 굽힐 시 발생하는 응력을 버티며, 호스의 형상을 유지하는 가장 중요한 재료이다. 연구에 사용된 wire의 물성은 단축인장을 통해 값을 취득하였고, Fig. 2에는 시험에 사용된 wire 3종을 나타내었으며, Fig. 3에는 각 wire별 인장시험의 결과를 해석의 물성데이터로 사용하기 위해 가공한 것을 나타내었으며, 이를 기반으로 해석에 사용될 편조층의 직교이방성 물성치를 구하였다.

Table 1. Nominal diameter by layer set before analysishttp://dam.zipot.com:8080/sites/pastj/images/PASTJ_22-013_image/Table_PASTJ_22-013_T1.png
http://dam.zipot.com:8080/sites/pastj/images/PASTJ_22-013_image/Fig_PASTJ_22-013_F1.png

Fig. 1. Hydrogen fuel charge hose. (A) Hose layer structure, (B) Hose cross section.

http://dam.zipot.com:8080/sites/pastj/images/PASTJ_22-013_image/Fig_PASTJ_22-013_F2.png

Fig. 2. Test wire sample. (A) 0.30 mm wire, (B) 0.36 mm wire, (C) 0.38 mm wire.

http://dam.zipot.com:8080/sites/pastj/images/PASTJ_22-013_image/Fig_PASTJ_22-013_F3.png

Fig. 3. Graph of wire stress-strain.

호스의 wire 편조는 스파이럴(spiral) 형태로 직조되어 있으며, 편조층은 호스의 내압, 내구 성능을 위해 단위가닥의 wire로 구성되어 복합적인 형상과 각 축에 대하여 상이한 물성을 가진다. 따라서 이를 상세히 구현하기 위해 각각의 wire의 정확한 구조와 형상을 구현하여 주변부의 수지층과 함께 해석하는 것은 해석의 정확도를 높일 수 있는 방법이며, 사용된 재료의 평균적인 등가물성을 반영하는 것이 현실성이 있으므로, 본 연구에서는 wire의 편조가 가지는 인장, 압축 그리고 뒤틀림 등에 관련된 직교이방성 물성치에 대해서 등가물성을 구현하여 해석에 적용하였다.

직교이방성 물성치에 대한 계산 이론과 방법은 해석에 기반하여 차량에 사용되는 파워스티어링 호스의 내압을 연구한 결과를 바탕으로 하여 수행되었다(Cho et al., 2004) 직교이방성 물성에 대한 취득은 해석을 통하여 수행되었고, 실질적인 해석의 수행은 Midas IT사의 NFX 구조해석 프로그램에서 구동 되도록 개발하였고, 기존의 내연기관 차량의 브레이크 호스 사전평가 해석 등에 사용되고 있는 서브 프로그램을 이용하였다. Fig. 4에는 NFX상에서 직교이방성 물성치 해석프로그램의 구동 화면과 계산 결과의 취득 화면을 나타내었고, 구해진 직교이방성 물성치는 각 wire의 직경에 따라 Table 2에 나타내었다(MIDAS IT).

http://dam.zipot.com:8080/sites/pastj/images/PASTJ_22-013_image/Fig_PASTJ_22-013_F4.png

Fig. 4. Orthotropic material Property analysis program (sample windows). (A) Start the program, (B) Check calculation results.

Table 2. Nominal diameter by layer set before analysishttp://dam.zipot.com:8080/sites/pastj/images/PASTJ_22-013_image/Table_PASTJ_22-013_T2.png

호스의 굽힘 해석에 사용된 내면과 외면의 수지는 외면 PA 12 (Polyamide 12), 내면 POM (Polyoxymethylene)이며, 각각의 물성은 wire 편조층과 비교하였을 때 보호와 수소 누설 방지 측면과 다른 운동 역학적 관점에서는 큰 영향을 미치지 않는 것으로 판단하여, 해석프로그램에서 제공하는 각각의 물성에 대한 값을 적용하여 wire 편조층의 영향성을 중심으로 평가하였으며, 각각의 수지층에 대한 물성을 Table 3에 나타내었다(Hydrogen hose).

Table 3. Analysis used physical properties of resin materialshttp://dam.zipot.com:8080/sites/pastj/images/PASTJ_22-013_image/Table_PASTJ_22-013_T3.png

Methods

해석의 수행에 있어 굽힘의 구현은 국제 규격에서 제시된 시험법에 근거하였다(ISO 19880-5:2019). 굽힘 해석의 구현은 차량 등에서 사용되는 브레이크 호스의 변형, 해석에 기반한 유압 호스의 굽힘 강성 연구, wire의 편조에 따른 응력 변화 특성 연구를 분석하여 해석을 수행하였다(Kang, 2012; Seo et al., 2017; Song, 2004).

굽힘 치수에 대해서는 기준이 되는 0.36 mm wire가 적용된 호스를 제조하는 P사에서 제공하는 최소 굽힘 반경인 150 mm를 따라 총 600 mm의 호스를 굽히는 것으로 실시하였다. Fig. 5에는 해석에 사용된 각각의 호스의 단면 격자 구성과 그 치수를 나타내었다. 해석에서 모사된 호스의 형상은 내경 6.4 mm, 외경 13 mm으로 동일하며, 편조층의 두께에 따라 외면층의 두께를 다르게 주어 외경을 일치시켰다. 격자의 구성은 호스를 구성하는 소재에 따라 최소 2층 이상으로 쌓고, 원주방향으로는 24분할 하였으며, 길이 방향으로는 1 mm 간격으로 격자를 구성하여, node 기준 11만 개, element 기준 10만개 정도의 격자로 wire의 타입에 따라 해석 케이스 별로 구성되었다. 해석의 수행은 호스가 굽혀질 때 발생하는 특성을 파악하기 위해, 초기 형상인 직선 형태에서 구부려 U자 형태로 굽혀지도록 진행하였다.

http://dam.zipot.com:8080/sites/pastj/images/PASTJ_22-013_image/Fig_PASTJ_22-013_F5.png

Fig. 5.Hose Section mesh and Dimensions (A) Wire 0.30 mm used, (B) Wire 0.36 mm used, (C) Wire 0.38 mm used. (Blue value: External diameter of hose, Red value: External diameter of braided layer, military blue value: External diameter of inner resin, green value: Internal diameter of hose)

Results and Discussion

Results

편조층에 대하여 0.30 mm, 0.36 mm 및 0.38 mm wire를 적용한 수소용 호스를 NFX를 사용하여 U자 형태로 굽힘에 대한 전산해석을 실시하였으며, 그 결과를 Fig. 6에 나타내었다. B, C, D에는 해석 후의 외면 수지 형상, wire 편조층 형상, 내면 수지 형상을 각각 나타내었고, E는 굽힘 중심부 단면 형상에 대한 그림을 나타내었다.

3종의 호스에 대한 굽힘 시 발생하는 변형량의 해석결과를 Table 4에 나타내었고, 이를 바탕으로 층별로 발생한 편평도를 Table 5에 나타내었으며, 기준이 되는 해외 P사의 0.36 mm wire를 적용한 호스의 경우, 내면은 1.141%, 편조층은 0.849%, 외면은 0.702%로 나타났으며, K사의 0.30 mm wire를 적용한 호스는 1.215%, 0.946%, 0.739%로 나타났고, 국내 H사의 0.38 mm wire를 적용한 호스는1.174%, 0.862%, 0.726%로 나타났다.

http://dam.zipot.com:8080/sites/pastj/images/PASTJ_22-013_image/Fig_PASTJ_22-013_F6.png

Fig. 6. Bending analysis results. (A) Straight hose before analysis, (B) Hose outer surface resin shape, (C) Wire braid layer shape, (D) inner resin shape, (E) Banding center cross-sectional shape

Table 4. Deformed diameter by layer after analysishttp://dam.zipot.com:8080/sites/pastj/images/PASTJ_22-013_image/Table_PASTJ_22-013_T4.png
Table 5. Comparison of flat rates between analysis resultshttp://dam.zipot.com:8080/sites/pastj/images/PASTJ_22-013_image/Table_PASTJ_22-013_T5.png
Table 6. Maximum stress distribution by layerhttp://dam.zipot.com:8080/sites/pastj/images/PASTJ_22-013_image/Table_PASTJ_22-013_T6.png

층별 최대 응력 해석 결과를 Table 6에 나타내었으며, 0.36 mm wire 적용 호스는 내면이 32.800 N/㎟, 편조층이 995.657 N/㎟, 외면이 173.216 N/㎟으로 나타났고, 0.30 mm wire 적용 호스는 32.836 N/㎟, 1,231.080 N/㎟, 172.999 N/㎟로 나타났으며, 0.38 mm wire 적용 호스는 32.839 N/㎟, 1,233.530 N/㎟, 173.458 N/㎟로 나타났다.

Conclusion

농업용 그린 모빌리티의 적용이 활성화됨에 따라, 동력원으로 수소 연료의 적용에 있어 관련 기자재에 대한 연구 및 인프라의 보급이 진행 중에 있으나 국산화는 아직 미비한 상황이며, 그 중 트랙터 등의 모빌리티 내외부에서 수소 연료의 이동에 필요한 호스는 전량 수입에 의존하고 있어, 기존 산업용 호스와는 차이가 나는 구조를 가진 편조층의 개발에 필요한 wire의 선정이 중요하므로, 전산해석을 통해 충전과 이동 시 발생하는 굽힘 특성에 대한 검토를 통하여 해외 제품과 국내 제품을 비교하고, 향후 수소 모빌리티에 적용 가능한 호스의 개발에 적용할 수 있는 기초 자료로 삼고자 하였다.

내면 수지층과 wire 편조층 및 외면 수지층으로 구성된 호스를 대상으로 하였으며, wire는 해외 P사의 지름 0.36 mm를 기준으로 삼고, K사의 0.30 mm, 국내 H사의 0.38 mm wire를 적용하여 최소 굽힘 반경인 150 mm를 따라 600 mm의 호스를 U자 형태가 되도록 Midas IT사의 NFX를 사용하여 해석을 실시하고 호스의 편평률과 응력을 조사하였다.

편평률에서 기준이 되는 0.36 mm wire 적용 호스는 외측 0.702%, 편조층 0.849%, 내측 1.141%로 최소값을 나타냈으며, 0.30 mm wire 호스는 외측 0.739%, 편조층 0.946%, 내측 1.215%가 발생하여 최대값을 나타내었다.

최대 응력에서 0.36 mm 적용 호스는 995 N/㎟로 나타났으며, 0.30 mm와 0.38 mm 적용 호스에서는 약 1,230 N/㎟ 로 나타났다.

굽힘 해석에서 발생한 편평률은 기준과 비교하여 모두 1% 내외로 나타났고, 최대 응력에서는 약 19%의 높은 값을 나타내어, 비슷한 직경의 고압용 wire를 적용하여도 해외 제품과 차이가 없는 굽힘 성능을 나타내는 것으로 확인되었다.

따라서 수소 연료를 사용하는 트랙터 등의 농업용 모빌리티 연구와 개발에서, 해석에 기반하여 평가 하였을 때, 내외부에 적용할 호스용 wire는 기존 적용된 규격과 유사한 고압호스용 wire를 적용하여도 굽힘 측면에서는 문제가 없을 것으로 판단되나, 추후 실제 제품을 제작하여 시험을 통해 검증 함으로써 해석과 시험의 경향성과 추종성을 검토해 볼 필요가 있으며, 이를 통하여 실제 시험을 최소화 할 수 있는 형태로 연구를 지속해 나갈 필요가 있다. 그리고 시작품의 제작에 있어 편조 등의 제조 공정 특성을 충분히 고려한 wire의 선택이 중요할 것으로 판단되며, 이를 위해 추가적인 연구가 진행되어야 할 것으로 판단된다.

Acknowledgements

본 연구는 산업통상자원부 한국산업기술평가관리원(Korea Evaluation Institute of Industrial Technology)의 소재부품기술개발사업(20017444)으로 수행되었습니다.

References

1 Lee JR. 2022. Agricultural Energy Transition and Hydrogen Economy. Newspaper of Agrinet. 25 Feb. 2022. P. 5. [in Korean]  

2 Kang MW. 2012. A Study on Prediction of the Brake Hose Deformation Associated with a Vehicle Motion. SAE International. doi:10.427/2012-01-0224.  

3 Seo YS, Choi MH, Lim MH, Kim JJ. 2017. Computing Optimal Bending Stiffness of Hydraulic Hoses for Various Patterns to Increase the Accuracy of Hose Routing Using Analytic Methods. Society for Computational Design and Engineering. Korean Journal of Computational Design and Engineering 22(4):445-454.  

4 Cho JR, Jeon DH, Roh GT. 2004. Finite Element Analysis of Power Steering Hose Subject to Internal Pressure. KSME. Journal of KSME A. 28(1):181-188.  

5 Pyo DY. 2019. A Study on the Safety Assessment for Fire and Explosion in Hydrogen Handling Facility. M.A., University of Ulsan, Ulsan, Korea. [In Korean]  

6 Song JI. 2004. Finite Element Analysis of Power Steering hose Considering Detailed 3-D Vraid Layer Model. M.A., Pusan National Univ., Busan, Korea. [In Korean]  

7 Hydrogen hose. https://ph.parker.com.  

8 ISO 19880-5:2019 Gaseous hydrogen — Fueling stations — Part 5: Dispenser hoses and hose assemblies.  

9 MIDAS IT. midas NFX Analysis Manual. [in Korean]