도장에 관한 이야기 3 - 부식과 음극보호

부식과 음극 보호

 

부식

정의

금속 사이에서의 전기 화학적인 반응으로 그 금속 고유의 특성을 떨어뜨리는 과정 (녹: 부식의 산물)

부식의 발생 원인

순수한 철광석에서 철을 추출하면 더 이상 안정적인 상태가 지속되지 않고 금속이 산소 습도와 반응하여 부식 발생

 

⊙ 부식의 3대 요인: 금속, 습기 (전해질), 산소  ← 이 요인 중 한 가지만 제거하여도 부식을 방지할 수 있다.

이론

① 대부분의 금속은 어떤 조건에서 부식이 발생한다.

백금, 금 같은 금속은 물(전해질)에서 전자를 방출하는 경향 (이온화 경향)이 아주 작고 Al, Zn, Mg 같은 비금속은 물(전해질)에서 전자를 방출하는 경향이 높다.

② 전해질 용액에 두 금속이 있다면 두 금속 모두 어떤 다른 부식들도 부식된다. 만약 다른 두 금속이 각각 접촉된다면 부식 속도는 이온화 경향이 큰 금속은 증가하고 이온화 경향이 적은 금속은 감소한다.

부식 속도에 영향을 주는 요인

① 금속의 형태

② 환경적인 요인

③ 다른 금속과의 접촉

④ 금속의 표면 막

⑤ 온도

양극과 음극

전해질 속에 Zn이 입혀진 STEEL이 있다면 Zn은 양극을 보내면서 부식하고 STEEL은 음극을 받으면서 안정된다. (부식이 방지된다)

 

● 부식은 항상 양극(ANODE)에서 발생한다.

부식의 종류

GENERAL CORROSION

금속표면의 화학적 전기화학적 반응에 의한 부식.

균일하게 표면 넓게 진행되어 금속이 얇아지며 금속을 못쓰게 됨.

 

방지/예방

◈ 금속의 바꿈

◈ 보호막이나 도장

◈ 억제제의 사용(SYS 내 액체와 더불어)

 

GALVANIC CORROSION : 이온화 경향에 의한 부식

금속이나 합금이 동일 부식환경(전해질)에서 서로 간에 또는 전도성의 비금속(가령 탄소나 MILL-SCALE 같은)과 짝을 이루며(서로가 전기적으로 연결) 발생.

 

다음과 같은 인자에 영향을 받는다.

◈ 연결되지 않은 금속이나 합금 간의 부식도 차이

◈ 음극(CATHODE)과 양극(ANODE) 부위의 표면 면적

◈ 음극과 양극 간의 거리

◈ 전류 순환의 전기적 저항(페인트 도막의 사용)

 

방지/예방

◈ GALVANIC SERIES(전기적 이온화 경향과 동일)에서 성질 차이가 큰 금속(전위차가 큰) 간의 연결을 피함

◈ 부식환경의 변화(억제제)

◈ 도료의 사용

◈ 적절한 용접봉의 사용(전위차가 적은 용접봉)

◈ 설계

◈ 금속 간의 INSULATION

◈ 금속 위에 부식성이 적은 금속의 놓임을 금함

 

↑부식성이 다른 두 금속에서 부식성이 큰 금속(이온화 경향이 큰 : 전위차가 적은 금속)에서 부식이 발생된다. 그림에서 보듯이 Cu보다 Fe가 부식성이 크므로 STEEL 내에서 부식이 발생되었다. 

 

↑AL이 BRASS(황동)보다 부식성이 크므로(전위차가 적다) 부식이 발생했으며, 이 그림의 반대로 BOLT가 부식성이 큰 금속이며 부식이 발생했다면, 면적이 적은 BOLT에서 부식이 더욱 촉진된다. 

PITTING CORROSION

이 부식은 금속의 기공(HOLE)에서부터 발생된다.

넓은 면적의 발청이 아니더라도 깊이 파고들어 구멍을 내기 때문에 장비에 심각한 문제를 야기할 수 있다.

 

방지/예방

◈ 금속소재의 바꿈

◈ 전해질의 온도 강하(바닷물)

◈ 전해질 속에 침체되어 있는 것을 금함.

CREVICE CORROSION

부식성 액체에 노출된 금속표면의 틈이나 감싸진 보호물 사이에서 일어나는 부식

구멍이나 틈, GASKET 표면과 같이 용액이 머물 수 있는 곳에서 발생된다.

 

방지/예방

◈ 금속 소재의 바꿈

◈ 부식환경의 개선

◈ 페인트나 도료의 사용

◈ 설계

◈ FLANGE나 BOLT사용 대신 용접

◈ 물의 침체 장소를 없앰

◈ 음극 보호 (CATHODIC PROTECTION)

EROSION CORROSION

전해질과 금속 표면 사이의 상대적 움직임에 기인되어 발생하는 부식

금속 표면이나 부식 산물이 전해질에 의해  제거됨

 

부식에 영향을 주기 쉬운 인자

◈ 파이프 내구경 또는 방향의 변화

◈ 다른 맞은편 매끄러운 금속 표면에 불연속성을 야기하는 잘못된 FITTING GASKET이나 JOINT

◈ 일부 유체를 주 유체의 바깥쪽으로 흐르게 하는 틈(균열) 

◈ 층류를 교란시키는 부식 산물이나 부착물

 

EROSION  CORROSION은 외관상 흠이나 작은 골짜기, 파도 물결, 둥글게 깎인 구멍과 같은 모습이나 특히 편자와 같은 특정 형태를 보임

 

방지/예방

◈ 소재의 바꿈

◈ 부식환경의 개선(물 흐름에서)

◈ 각진 BEND의 사용 자제

DEALLOYING CORROSION(SELECTIVE LEACHING OR PARTING)

대게 가장 활성화된 원자가 고체 합금에서부터 선택적으로 없어지게 됨

주로 특정한 경우에 있어서 제거되는 원소에 의해 명해진다. 즉, 황동의 DEZINCIFICATION(탈 아연-흔히 볼 수 있으며 아래 그림 참조), 알루미늄-구리에서의 DEALUMINIFICATION(탈 알루미늄)이 그 예이다.

 

SCC(STRESS-CORROSION-CRACKING)

부식을 야기시키기 쉬운 환경과 물질 장력과의 상호작용으로 인해 발생하며,

STAINLESS STEEL이나 알루미늄 합금의 경우 염소 화합물이 존재하는 부식 환경 내에서 SCC가 발생하며 온도에 비례관계를 보인다.

 

즉, 저온에선 부식이 일어나지 않는다.

해양 구조물의 경우, 특히 파이프나 TUBE의 경우 60°C나 그 이상 온도가 올라가는 경우가 많으므로 이러한 SCC를 최소화하기 위해 BLAST-CLEAN후에 에폭시 도장을 한다.

 

방지/예방

◈ 소재의 바꿈

◈ 차단제나 도장

◈ 금속 내의 장력을 없애기 위한 가열과 느린 냉각

◈ 아노드를 사용한 음극 보호

 

CATHODIC PROTECTION

선박이나 해양 구조물의 침수 부위에 있어 COATING SYSTEM 단독으로는 완전히 부식으로부터 보호되기 어렵다. M/DAMAGE에 의한 금속과 전해질(물)의 접촉이 언제나 존재하며, 물속에서의 효과적인 새로운 도장 시공 방법이 없기 때문에 CATHODIC PROTECTION(음극 보호)가 필요하며, 이 목적으로 ANODE나 강제 전류 SYSTEM이 필요한 것이다.

 

CATHODIC PROTECTION이란 부식성이 강한 금속을 사용, 보호하고자 하는 강재(STEEL)를 CATHODE로 만들어 부식을 방지하는 방법이다.

SACRIFICIAL ANODE SYSTEMS

보호하고자 하는 강재(STEEL)보다 IGNOBLE(이온화 경향이 큰, 부식성이 큰)한 금속의 외부 ANODE를 장착하여 보호 전류를 제공함으로써 부식을 방지한다.

 

즉, ANODE가 STEEL과 연결되어 충분한 전기적 에너지를 제공, STEEL을 보호하는 것이다.

 

 

                 K  Mg  Al  Zn  Cr  Fe  Ni  Sn  Cu  Ag  Pt  Au

MOST(IGNOBLE)------------------------------------------->LEAST(NOBLE)

                     ENERGY REQUIRED FOR CONVERSION

IMPRESSED CURRENT SYSTEMS

이 SYSTEM은 선박이나 해양 구조물의 선택적 전류를 직류 전압 전류기를 통해 전해짐으로 해서 보호 전류가 제공된다.

이 강제 전류는 자동제어 시스템에 의해 매시간마다 REFERENCE ELECTRODE에 대한 STEEL의 전위를 CHECK, 통제되어 만약 조금의 변화라도 발생하게 된다면 전류 역시 자동 변화된다.

여기에 사용되는 ANODE는 다소 화학적 저항이 좋은 MAGNETITE, PLATINUM, GRAPHITE, PLATINUM COATED TITANIUM과 같은 부식이나 소모가 거의 없고, 불활성적 금속 소재가 사용된다.

 

 

↑IMPRESSED CURRENT SYSTEM내에서 CATHODE와 ANODE에서의 반응 MECHANISM

 

CATHODIC DISBONDING : IMPRESSED CURRENT SYSTEM에서 강제 전류가 초과될 때 발생되는 많은 양의 HYDROXYLIC GAS가 도막의 부착 결함을 일으키게 하는 것.