가스배관의부식(가스21자료)

[그림자]

가스배관의 부식 1

부식(腐蝕)은 사회적으로 많은 문제의 원인이 되기도 하며, 인명과 금전적인 문제 그리고 안전에 관하여도 많은 문제가 야기되고 있다. 부식을 알고 나면 진행정도를 늦추거나, 건축물 등 설비의 사용기간을 늘려 우리에게 많은 이익을 안겨 줄 수 있을 것이다.

따라서 부식과 관련된 기본지식과 고급기술을 몇회에 결쳐 연재키로 하였다.

1. 부식(腐蝕)이란?

1) 부식의 가벼운 개념
부식이란 금속에 발생하는 노후 현상인데 이것을 우리가 어떻게 관리하는 가에 따라 부식의 정도를 줄일 수 있다. 금속이 부식된다고 하는 것은 금속이 자연 상태로 되돌아가는 과정이라고 할 수 있다. 즉, 부식은 금속의 산화과정을 말하는데, 모든 금속은 공기 중에 노출되면 표면에 산화막이 형성되고, 어떤 경우에는 막이 대단히 얇고 또한 금속 내부를 보호하여 금속 고유의 광택을 유지하기도 한다.

그러나 습기, 염소이온과 같은 음이온, 질소와 유황의 기체 산화물 등이 존재하면 부식이 쉽게 진행되어 금속을 완전히 망가뜨릴 수도 있다. 부식은 한 금속 조각이 다른 부분 사이, 또는 전해질로서 서로 접촉하고 있는 다른 금속 사이의 전자 이동에 의해 발생한다.

예를 들면 공기와 습기가 접촉하고 있는 철은 부식한다. 공기 중에서 알루미늄의 부식은 철의 부식보다 느리게 진행된다. 알루미늄의 표면에 형성된 막은 질기고 단단해서 산소를 더 이상 침투시키지 않기 때문이다.

부식된 금속은 금속 본래의 구조나 특성을 잃기 때문에 자발 과정인 부식은 경제적으로 손실을 가져오는데, 매년 생산되는 철과 강철의 약 1/4이 녹슨 것을 대치하는데 사용된다.

(수분 접속부의 부식)	(우기중의 볼트 부분 부식)

2) 그러면 부식을 방지하는 방법은 무엇일까요?
부식 방지는 천연 에너지자원과 천연 금속원을 보존하는 중요한 방법이다. 흔히 산소나 습기로부터 금속을 보호하기 위해 페인트나 금속 도금 등 얇은 막을 입히기도 한다. 크롬이나 주석은 견고한 산화 막을 형성하기 때문에 강철을 도금하는 데 많이 쓰인다.

전기 도금 법으로 강철에 막을 입히는 데 쓰이는 아연은 산화 막을 형성하지 않는다. 그러나 아연이 철보다 활성이 더 큰 금속이기 때문에 산화 반응이 발생하면 철보다 아연이 더 잘 녹슬게 된다. 따라서 아연은 철 표면에서 "희생 막"으로 작용한다.

땅에 묻혀있는 연료 탱크나 송수관 강철을 보호하는 데 흔히 쓰이는 방법이 음극 화 보호이다. 보호하려고 하는 송수관이나 탱크에 마그네슘과 같은 활성이 큰 금속을 전선을 통하여 연결한다.

철보다 마그네슘이 더 좋은 환원제이기 때문에 전자는 철이 아닌 마그네슘에 의해 공급되고, 철은 산화되지 않는다. 산화가 발생함에 따라 마그네슘 산화전극이 녹기 때문에 주기적으로 마그네슘을 바꿔 주어야 한다.

(설비의 부식 진행상태)	(저장탱크내의 부식 상태)

위와 같이 간단하게 부식에 대해서 알아보았는데, 다음에는 부식에 대한 좀더 깊이가 있도록 부식의 원리, 부식의 조건, 부식에 영향을 미치는 요인, 금속배관의 부식 종류, 방식의 기본원리, 부식방지 방법 등에 대하여 알아보도록 하겠다.

가스배관의 부식 2

저번 호에는 부식에 대해서 간단히 알아보았는데, 이번에는 부식의 원리, 부식의 조건, 부식에 영향을 미치는 요인 등에 대하여 알아보도록 하겠다.

2. 부식의 조건
금속은 대부분 산화물의 형태로 광석에 존재하는 것을, 여기에 에너지를 가하여(정련하여) 만들어 내는데, 이러한 금속은 화학적으로 불안정하여, 원래의 상태인 산화물로 되돌 아 가려고 하는 경향이 있다. 금속의 주위 환경과, 화학적 또는 전기 화학적 반응에 의해, 표면이 산화되어 소모되는 현상을 부식(Corrosion)이라 한다.



1)부식의 원리를 자세히 알아보면
모든 금속은 자체적으로 전위를 가지고 있는데, 이 전위는 금속이 처해있는 환경(전해질 이온농도, 용존산소 농도, 온도)이나, 재질 자체의 불 균일성 (결정방위, 잔류응력, 표면상태 등)에 의해, 차이가 생기게 된다 즉 전위 차가 형성되는 것이다. 전위 차가 형성이 되고, 양극(양극과 음극)이 전기적으로 연결되어 있으면, 전류가 흐르게 되는데, 이때 전류가 흘려 나가는 곳에서 부식이 발생한다.

금속의 이온화 경향이 클수록 부식이 잘되는데, 금속의 이온화 경향순서는 다음과 같다.

K(칼륨) 〉Na(나트륨) 〉Ca(칼슘) 〉Mg(마그네슘) 〉Al(알루미늄) 〉Zn(아연) 〉Fe(철) 〉Ni(니켈) 〉Sn(주석) 〉Pb(납) 〉Cu(구리) 〉Ag(은) 〉Pt(백금) 〉Au(금)

처음 나온 금속들의 이온화 경향이 크며, 부식이 잘 진행되는데, 이 순서를 보면, 부식이 잘되지 않는 구리(Cu), 백금(Pt), 금(Au) 등과 부식이 잘되는 마그네슘(Mg)등을 쉽게 확인할 수 있다.

가스배관에 사용하는 것들은 Fe(철)이 대부분인데, 이보다 이온화 경향이 큰 Mg(마그네슘)를 사용하여 피 방식체(강관)를 보호하는 희생양극으로 사용하는 것이다.

2) 부식의 발생조건
부식이 발생하기 위해서는 양극, 음극, 전해질 및 전기적 회로의 4가지 요소가 갖추어져야 한다.
①양극, 음극, 전해질 및 전기적 회로의 4가지 요소가 갖추어져야 한다.
②전해질: 관내 유체, 외부 기체, 토양(매몰의 경우) 등
③전기적 회로: 전해질을 매체로 전기회로 형성


[부식 개념도]

3. 부식에 영향을 미치는 요인
부식에 영향을 주는 것은 아주 많은데, 그 중에서 배관의 재질, 관내의 수온, 유속 및 수질 등에 영향을 받는 것이 가장 크다.

(1)온도의 영향
①일반적으로 온도가 상승하면, 부식속도는 증가한다(물이 활성화되므로)
②배관 계가 대기개방인 경우, 온도가 비등점 부근이 되면 수중의 용존 산소가 감소하기 때문에 부식량이 급격히 감소한다.

(2) 유속의 영향
유속이 증가하면 금속 면으로의 산소공급이 증가하여, 부식도 증가한다. 유속이 어느 값 이상이 되면, 수면에 의한 침식작용으로 보호 피막이 파괴되어, 부식이 더욱 증가한다(그러므로 관내유속을 일정 이하로 억제한다)

(3)수질의 영향
① pH : pH4이하에서는 수소발생을 동반한 전면부식이, pH6∼7의 중성 또는 약산성 환경에서는 공식, 응력 부식이 발생하기 쉽다.
② 경도 : 경도가 높으면 스케일의 부착이 일어나기 때문에, 부식은 일어나기 어렵지만, 스케일에 의한 장해에 주의해야 한다.
③ 염소이온: 보호피막을 파괴하는 성질이 있어, 공식의 원인이 된다.
④ 용존 산소 : 용존 산소가 적을수록 부식의 위험이 적다.
⑤ 전도도 : 전도도가 높을수록 부식성이 증가한다.

(4)토질의 영향
흙 속에 부식성 물질, 수분, 공기, 박테리아 등을 어느 정도 함유하고 있는가에 따라 부식성이 다르다.

(5)환경 차에 의한 영향
①동일한 금속이라도 환경에 따라 이온화 정도의 차이가 있어, 하나의 배관이 2개의 서로 다른 환경 하에 있으면, 그 양자간에 전위 차를 일으켜 갈바닉 부식과 동일한 부식을 일으킨다.
②환경 차에 의한 부식의 예로는 다음과 같은 것들이 있다.
-매설 관이 건물의 콘크리트를 관통하는 철근과 전기적으로 접촉하여 발생하는 부식(매설 관이 2∼3년 내에 구멍)
-매설 관이 점토와 모래 사이를 관통할 때 발생하는 부식(점토 쪽이 부식)


[배관손상시 코팅손상]

가스배관의 부식 3

저번 호에는 부식의 발생조건, 부식에 영향을 미치는 요인 등을 알아보았다. 이번에는 금속배관의 부식 종류, 방식의 기본원리, 부식방지 방법 등에 대하여 알아보도록 한다.

4. 금속배관의 부식 종류
부식의 종류를 크게 나누면 전면부식과 국부부식이 있다.

(1) 전면부식
- 전면부식은 부식 현상 중에서 가장 일반적으로 일어나며, 금속재료 표면 전체에 걸쳐 균일하게 발생한다.
- 전체에 균일하게 발생하므로 보통 주변에서 보는 부식이라 보면 된다.
- 제품 설계시 이를 감안하여 부식여유를 산정하여 설계한다.

(2) 국부부식
금속의 일부가 국부적으로 부식 손상하여, 심각한 위험을 초래할 수 있다.

1) 수온상승에 의한 부식
일반적으로 물의 온도가 상승하면, 부식 속도가 빨라지는데 물의 온도가 50℃이상이 되면 OH기를 다량 발생시켜, 물이 활성화되어 부식작용을 촉진하고, 일반 강관에 빨간 녹물이 발생한다.

2) 아연으로 인한 철의 부식작용
백관 표면의 아연은, 물의 온도가 상승하면 물에 용해되어 나온다. 철과 아연이 전기적으로 연결되면 철이 부식된다. 아연의 강관 배관은 냉수계통에는 상관없으나, 온수 계통에는 사용이 부적합하다.(높은 온도에서 부식이 심함)

3) 갈바닉 부식
전해질이 다른 종류의 두 금속을 두 금속을 접촉시키면, 귀한 금속이 캐소드로 되고, 천한 금속이 아노드(anode)로 되어 천한 금속이 부식한다. 두 종류의 금속이 접속하면, 이온화 경향이 큰 것이 아노드가 되어 부식되고 작은 것이 케소드가 된다.

4) 용존 산소로 인한 부식
산소가 함유되어 있는 물을 가열하면, 산소는 기체로 되어 물에서 이탈되어 나오는데 물에서 유리되기 직전, 부근에 있는 금속, 특히 철 등의 표면을 부식시킨다. 배관회로 속에 대기압 이하가 되는 부분이 있으면  그 반응이 심하게 되는데, 실제로 공조시스템이나 급탕 시스템에서 배관회로 설계잘못으로 배관 내가 국부적으로 부압을 형성하고 있는 경우가 있다.

5) 응력부식
외부로부터 압축 응력, 인장 응력이 걸려있거나, 용접에 의해 내부 응력이 남아 있는 상태에서 부식작용이 일어나면 응력이 있는 부분은 특히 부식이 강하게 발생한다.

6) 동 이온으로 인한 부식
동도 물의 온도가 높으면 용출량이 증가한다. 이 용출된 동은 수중에서 동 이온이 되어 철을 부식시킨다.(철이 구리보다 이온화 경향이 크므로)

7) 유속으로 인한 부식
동판에서 많이 일어나는 부식으로 청녹색의 부식이 발생하고, 유속이 빨라지면 금속표면에 산화작용으로 생긴 피막이 박리된다. 이때 부식요인과 침식이 함께 작용하여 단시일 내에 구멍이 뚫리는 현상이다.

8) 농담전지 작용으로 인한 부식(극간 부식)
배관 접합부의 틈새, 벽면 관통부 틈새에 액이 고여 있을 경우 사이에 농도차가 생겨 농담전지를 생성하고, 부식작용을 일으키는 부식이다

9) 기포침식으로 인한 부식
캐비테이션 발생시 생기는 기포로 인하여 기계적 침식으로서, 부식이라고 하기에는 약간 문제가 있지만, 나타나는 현상은 부식과 동일하다. 펌프 임펠러 등과 케이싱에서 많이 일어나고 소음도 수반한다.

5. 방식의 기본 원리
금속의 부식은 토양, 물, 공기 등의 전해질이 존재하고 양극 - 음극 반응이 일어나면서 생기는 것으로 방식에는 다음과 같은 기본적인 방법들을 고려한다.

1) 금속표면과 전해질의 차단(도장)
 -자연전위가 낮은 금속(아연 등)에 의한 도금
 -콜타르, 아스팔트 등에 의한 도장

2)전위 차 즉 양극반응을 없애는 것(전기방식)
 -희생 양극 법(Mg가 방식금속(Fe 대신 부식되어 줌)
 -외부 전원 법(외부에서 방식전류 공급)

3)양극과 음극 분리(절연)

6. 부식 방지대책
 -부식성이 적은 배관재료를 선정하고, 급탕 배관에는 내식성재료 사용
 -수질관리 철저
 -온수 온도 조정
 -공기가 정체할 우려가 있는 부분 공기 벤트기 설치

7. 부식의 예
1)관의 상처에 의한 부식

위에서 보는 것처럼 상처가 있는 부분에서 녹이 발생한다.

2)다른 금속과 의 접촉에 의한 부식

중성환경에서 철은 스테인레스강, 황동 등에 대하여 양극(+극)이 된다. 예를 들면 땅속에 있는 강관 라인에 동 합금의 밸브를 부착하면 그 접속부 부근의 철 부분이 부식을 일으킨다.

이상 부식에 대하여 알아보았다. 다만 희생양극법의 방법과 외부전원법의 설명은 많은 자료들이 있으므로 참고하길 바라며, 최근 원자재 난으로 나라가 힘들다고 한다. 우리가 운영하고 있는 설비를 부식에서 벗어나는 것이 결국 국가적으로나 개인적으로 이익과 안전을 우리에게 안겨 줄 수 있다는 것을 알아야 할 것이다.