부식의 원인과 방지대책 Cathodic Protection

 

부식의 원인과 방지대책 

Cathodic Protection by Plant inside

초기에 말끔하게 건설된 플랜트 공장의 배관이나 기계 장치류들도 시간이 지나면 자연적 화학적 요인으로 인해 부식으로 인한 녹이 발생하고 외관상 보기 좋지 않을 뿐 아니라 실질적인 기능을 상실하고 이로 인한 손실을 복원하기 위해 적지 않은 비용이 발생하고 있습니다. 배관 내부에서 진행되는 부식은 맨눈으로 확인하기 어렵기 때문에 Pinhole 등의 형태로 문제점이 발생하였을 때 인지할 수 있을 정도로 초기에 발견하기가 어렵습니다. 이를 방지하기 위해서 내부식성 재질을 적용하고, 부식률을 고려한 두께를 적용하고, Cathodic protection, Rubber lining을 적용하는 등의 노력이 동반되고 있습니다. 이는 모든 플랜트산업에서 발생하는 공통적인 문제점으로 부식의 원인은 무엇이며 이를 방지하기 위한 효과적인 대안은 어떠한 것이 있을까요?

부식은 왜 생기는 것일까요?

모든 금속은 자연에서 생긴 광석으로부터 만들어집니다. 광석에 함유된 산소와 황을 제거한 후 정련한 것을 금속이라 하는데 인위적으로 만들어진 금속은 다시 자연상태로 돌아가기 위해서 산소와 반응하려 하고 이러한 부식 현상을 녹이라고 하는 형태로 보이는 것입니다.화학적, 전기화학 반응에 의한 물질의 점진적 파괴현상으로 말할 수 있지만 이를 예측하는 것은 쉽지 않습니다. 부식은 재료의 강성과 외관(표면)을 포함하여 재료가 가지고 있는 특성을 저하시키는 원인으로 부분적으로 발생하여 국지적 균열을 형성하거나 표면적에 넓게 형성하여 확장될 수 있습니다. 가장 일반적인 형태의 부식은 산소와 황과 같은 금속이 반응하여 전기화학적 산화를 예로 들 수 있으며 철 산화물로 인해 발생한 녹은 전기화학적 부식의 대표적 예 입니다. 부식으로 인해 표면ㅣ 산화되면서 금속 표면은 본연의 색을 잃고 녹과 같은 형태의 색상을 발생시킵니다.


공정 용해로나 보일러 연소 공정에서 이러한 현상을 종종 목격할수 있는데 이는 연소 과정에서 물질에 포함된 바나듐과 나트륨의 영향으로 인한 것이며 소금과 같은 염소성 물질은 내화 부식을 촉진시키게 됩니다. 

부식의 종류

Galvanic Corrosion (전해부식) 





Localized Corrosion (국부 부식)

• 일정 부위에 집중해서 발생해서 제한된 부위에 공동을 만들고 빠르게 진행되는 것으로 열교환기의 튜브나 Shell 부위, 배관 등에서 전면 부식 형태가 아닌 일부 형태의 국소 부위에서 발생해서 Pinhole 등과 같은 형태로 진행됩니다.  

 

 

General Corrosion (전면 부식)

• 국부 부식과 다르게 금속 표면에 널리 분포하여 전면적으로 발생하는 부식으로 한 예로 Vessel류의 표면에 녹과 같은 형태로 발생해서 두께를 얇게 하여 강도를 약하게 하므로 안전사고와 연관이 있습니다. 

Intergranular corrosion (입계 부식)

• 합금의 입계를 따라 발생하는 부식을 말합니다.

부식 방지대책

금속 표면의 부식은 필연적으로 발생할 수밖에 없습니다. 다만 이러한 현상을 얼마나 느리게 진행시키고 잠시나마 멈추게 할 수 있는지에 대한 대안은 현재에도 플랜트 현장에서 발생하고 있는 고민거리입니다. 

 

• Paint & Coating : 페인트와 코팅을 사용한 화학적 처리 방법은 가장 보편적이며 폭넓게 사용되는 가장 기본적인 부식 방지대책이라 할 수 있습니다. 일반적인 환경 즉 대기에 노출된 있는 모든 배관 및 장치류에 적용해서 탁월한 효과를 기대할 수 있습니다. 다만 내부 즉 배관 경의 안쪽과 장치류의 내부에 적용하기에 제한적이며 임시적으로 밖에는 사용할 수가 없습니다. 해상 운송되는 기자재의 내부에 방청유를 도포하여 부식을 임시로 예방하는 것을 한 예로 들 수 있습니다. 금속의 표면에 완벽하게 도포하였을 경우 산소나, 공기, 이온으로 인한 전류 이동의 저항성을 높여서 부식률을 낮추는 원리를 적용합니다. 일반적으로 하도(Primer) 중도(Intermediate coat), 상도(Top coat) 를 적용하며 각 층마다 부착력을 부여하고 표면의 산소와 이온의 침투를 막는 역할을 하게 됩니다.

• Design 조건 변경 : 부식을 발생시키는 영향 중에는 속도와 온도라는 잠재적 요인들이 있습니다. 예를 들어 열교환기 튜브의 경우 관내 유체의 속도가 기준치를 초과할 경우 공동현상이 발생할 수 있습니다. 이러한 경우 튜브의 관경을 키워서 속도를 늦추는 설계 조건의 변경이 필요하다고 할 수 있습니다.

• Rubber lining : Storage tank나 열교환기의 Shell, Chamber 의 부식성 유체와 맞닿는 표면적에 일정 두께 이상의 고무를 도포하여 직적 접인 Corrosion 유체의 접촉 및 Attack을 피하는 방법이 있습니다. 경제성과 효율이 우수하나 고무가 가지고 있는 특성(경화)으로 인해서 작업시 표면의 도포 정도와 부착력(Adhesion)이 장치의 수명 및 부식성을 결정하게 됩니다. 따라서 해당 업체의 기술력과 노하우 스킬이 요구되는 사항입니다. 

• 내부식성 재질의 선택 : FRP, GRP 는 우수한 내부식성을 가지고 있으며 해수를 사용한 유체를 이송하는 배관 라인에 많이 사용됩니다. Metal 에서는 대표적으로 Titanium과 Stainless Steel 을 예로 들 수 있습니다. 다만 보편적인 재질 대비 고가이므로 설계과정에서 경제성을 평가해야 합니다. 

Cathodic Protection (음극화 보호)

 

플랜트 산업의 배관 및 장치류(기계)는 혹독한 환경에서 노출되는 경우가 많습니다. 예를 들어 Offshore (해양플랜트) 의 경우 바닷물이 가지고 있는 염소에 극한으로 노출되기 때문에 부식방지 대책이 가장 절실히 필요한 분야라 할 수 있습니다. 음극화 보호 방식은 해양 구조물이나 Vessel ,열교환기, Storage tank 의 내부의 부식을 방지 할 수 있습니다. Cathodic Protection은 금속 표면의 부식을 관리하는데 잘 알려진 기술입니다. 다만 설치 및 유지 보수 비용이 발생하기 때문에 설비의 수명과 경제성을 동시에 평가해서 적용해야 합니다. 음극화 보호를 적용하였을 때 플랜트 설비와 배관이 부식으로 인해 생기는 누수 및 파손이 큰 폭으로 감소하고 그로 인한 보수 비용의 절감 효과를 기대할 수 있습니다. 

 

 

Impressed current cathodic protection. (외부 강압 전류에 의한 부식 방지)

 

Impressed current cathodic protection
protects metal surfaces from corrosion via principles of electrochemistry
Natural loss of electrons of environment (Oxidation) Causes corrosion
Protected pipes are the cathodes of electrochemical circuit
Cathodes receive electrons
anodes are the system's more highly active metal surfaces
anodes readily donate their electrons to the cathode through the circuit
the system's D/C power source pushes the electric current along
Electrons are returned to the protected surface (Cathode)
A neutral flow of electrons prevents corrosion of protected surface.

 

전기 화학 원리를 사용해서 금속 표면을 부식으로부터 보호하는 방법입니다.
자연 이온의 손실이 부식의 원인입니다. 배관은 전기회로의 음극으로 보호를 받고 있습니다. 음극은 전자를 받아들입니다. 금속 표면에서 양극이 활성화되어 있습니다. 양극은 회로를 통해서 음극으로 전자를 제공합니다. 시스템에 D/C전원을 사용해서 전류를 투입합니다.
이를 통해 전자는 표면으로 되돌아가게 됩니다. 이러한 전자의 자연적 흐름을 만들어서 표면의 부식을 방지하게 됩니다.

Cathodic Protection - Galvanic / Sacrificial (자기 희생 방식)

https://www.youtube.com/watch?v=RAlC75xG4qU

 

 

Protected metal 과 Anode 가 있습니다. 

 

Protected metal 은 Less active metal (More positive 양극) Anode는 More active metal (More negative 음극) 금속 연결체를 사용해서 Anode의 전자를 보호하고자 하는 Metal 에 흘립니다. 알루미늄은 활동적인 금속이므로 보다 많은 전자를 잃게 되고 결과적으로 알루미늄 (Anode) 은 부식이 진행되게 됩니다.  따라서 음극은 양극에서 흘러나와서 구조물로 들어가게 되고 이로 인해서 보호를 시작하게 되는 것입니다. 이러한 전자의 흐름은 결과적으로 구조물의 양극을 형성하게 되고 이로 인해서 화학적 반응으로 인한 부식을 방지하게 되는 것입니다. CP (Cathodic protection) 을 위한 Sacrificial anode의 종류는 다양합니다. 금, 은, 동, 설비의 환경과 부식 정도에 따라서 적합한 재질을 선택해야 합니다. 

이상 Plant Inside 였습니다.

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