전기방식 비교

전기방식 비교

 

1. 금속의 부식

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가 부식의 정의

금속이 물이나 토양과 같은 전해질 속에 놓이게 되면 그 표면의 용존산소, 농도차, 온도차 등 주위 환경 조건의 차이와 금속자체에 함유된불순물, 잔존 응력, 표면 부착물 등의 금속측 원인에 의하여 그 펴면에 국부적으로 전위차가 생기게 되고 그 결과 수많은 양극부와 음극부가 형성됩니다. 이때, 양극부에서 음극부로 전류(부식전류)가 흐르게 되는데 이 과정에서 양극부의 금속이 이온 상태로 용출 되어 점차 전해질 속으로 용해 되어간다. 이러한 전기화학 반응을 일반적으로 '부식'이라고 한다.

금속부분의 부식은 아래와 같이 설명된다.

 

- 에너지 방출 과정

(Process of energy discharge)

- 산화작용(Oxidation reaction)

- 전류방출(Electric current discharge)

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나. 전기방식의 종류

피방식체인 금속에 외부에서 인위적으로 전류(방식전류)를 유입시키면 전위가 높은 음극부에 전류가 유입되어 음극부의 전위가 차차 저하되다가 양극부의 전위에 가까워져서 결국 음극부의 전위와 양극부의 전위가 같아진다.

그 결과 금속 표면에 형성된 부식전류가 자연히 소멸되고 부식이 정지되어 피 방식체인 금속은 완전한 방식상태에 일게 된다. 이러한 원리를 응용한 방법을 전기방식법이라 하며, 방식전류의 공급방식에 따라 희생양극법과 외부전원법 두 가지 형태로 구분된다.

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다. 전기방식의 효과

○ 방식전류는 도장이 불가능한 환경이나 피방식체의 미세한 부분에 이르기까 지 유입 되므로 피방식체 전체에 대하여 완벽한 부식방지 효과를 얻을 수 있다.

○ 부식이 진행된 기존 시설물에 전기방식법을 적용하면 더 이상 부식이 진행되지 않는다.

○ 도장, 도금 등 다른 형태의 부식방지 비용보다 훨씬 저렴한 비용으로 더욱 큰 효과를 얻을 수 있다.

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2. 각종 전기방식의 특징

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가. 외부전원식

1) 정의

외부전원식은 희생양극의 이용 전압이 작아 방식범위가 제한적인 것을 보완하기 위하여 외부에서 A.C전원을 공급 받아 직류전원을 생산하는 정류기와 내소모성 양극(합금계통 : H.S.C.I등)을 방식에 적용하여 방식 범위를 넓혀 부식을 방지하는 방법이다.

개념도를 간략하게 설명하면 아래 그림에 나타나 있듯이 정류기나 발전기를 이용하여 그 DC 변환장치의 (+)단자에 내소모성 금속인 양극을 연결하고, (-)단자에 방식대상 금속을 연결하여 강제적으로 양극에서 음극으로 방식전류를 전해질을 통해서 공급하게 된다.

외부전원식 양극에 사용되는 양극에는 H.C.S.I(High Silicon Cast Iron), Graphite, Anodeflex, Pt-Ti, Pb-Ag, MMO-Ti있다.

 

2) 외부전원식 전기방식의 특징

○ 대용량 사용에 적합하다

○ 전류 및 전압 조절이 주위환경 변화에 따라 조절될 수 있다

○ 방식소요 전류의 대.소에 관계없이 설계될 수 있다

○ 규모가 큰 구조물도 하나의 방식 시설로 보호될 수 있다

○ 내소모성의 양극을 사용함으로써 양극의 수명을 길게 할 수 있다

○ 토양 비저항 값의 크기에 관계없이 적용된다

○ 자동화 방식이 가능하다.

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3) DEEP WELL (심매식/우물식)

양극 설치 후보지를 토양 종류와 토양 비저항 등 주변환경과 상태를 종합적으로 고려하여 방식대상물에 인접하게 선정한 후 선정 지점에 직경 8" 정도의 ANODE BED HOLE을 수직으로 설계 깊이로 천공한 후 최소 지하 15M이하부터 양극을 설치하는 방식이다.

 

 

장 점	단 점
○ 간섭이 적다. ○ 토목/기계공정과 무관하다. ○ 유지관리가 용이하다. ○ 토지 점용이 용이하다	○ 초기 투자 비용이 많다. ○ SYSTEM 설계가 복잡하다. ○ 현장 조사가 정밀해야 한다.

 

4) SHALLOW BED

방식대상으로부터 약 100m 이상의 거리를 이격하여 ANODE BED 지점을 확보한 후 그 지역에 설계 값 만큼의 양극을 심도 3 ～ 5m 깊이에 설치한 후 그 양극의 리이드선을 정류기 (+) Terminal 까지 연결되는 모선에 접속한 후 양극에 전압을 강제로 인가하여 전해질(토양)을 통해 방식대상으로 방식 전류를 공급하는 방식이다.

 

장 점	단 점
○ 양극 설치가 Deep Well법보다 비교적 간단하다. ○ 초기 투자비가 적다. ○ 토목/기계공정과 무관하다.	○ 전기방식 대상이 장거리 지하 수송 관로인 경우 관로 전기방식 전위의 거리별 편차가 있다. ○ ANODE BED 주변의 타시설물에 간섭이 발생할 수 있다. ○ ANODE BED가 넓은 후보지를 필요함으로 후보지 의 확보가 어렵다. ○ 전기방식 대상물로부터 100m 이상 이격하기 때문 에 CABLE의 배선 및 배관이 필요하다.

 

5) DISTRIBUTION

양극을 지하배관 주변에 등간격으로 설치하여 양극의 발생전류를 지하배관에 균등하게 분포하도록 하는 방식으로서 발전소 및 화학플랜트와 같은 제한된 지역에서 운영하기 적합하다.

 

장 점	단 점
○ 배관의 전위분포가 양호하다. ○ 양극의 발생전류를 조절할 수 있다. ○ 양극설치 지역 점용이 필요 없다.	○ 제한된 범위에 적용된다. ○ 케이블 단선시 유지보수가 어렵다.

 

6) LINE ANODE

기존에 사용되는 양극의 단점을 보완하기 위해 개발된 띠모양의 양극으로서 단위 미터당 발생 전류가 작아 다른 시설물에 영향이 거의 없고 방식 대상물의 방식전위가 고르게 분포하는 특성이 있다.

장 점	단 점
○ 전류분배가 양호하다. ○ 설치가 간단하다. ○ 방식 전류로 인한 타 시설물에 섭의 우려가 없다	○ 시공중 토목/기계 공정과 연관된다. ○ 유지 보수가 불가능하다. ○ 초기 투자 비용이 크다

 

7) MESH ANODE

콘크리트 구조물 내부의 철근 부식으로 인한 과도한 보수 비용 지출 및 붕괴 위험으로 보호하기 위해 콘크리트 구조물의 내부 환경에 적합하게 제작된 전기방식용 양극이 MSEH ANODE다.

MESH ANODE는 콘크리트 구조물 내부의 협소한 설치공간과 복잡하게 얽혀 있는 철근 및 보강재에 균일한 방식 전류를 공급하며, 콘크리트의 높은 비저항을 극복할 수 있는 발생 전기량을 갖도록 설계되었다.

 

나. 유전양극법(희생양극법)

 

피방식체보다 저전위의 금속을 피방식체에 직접 또는 도선으로 연결시키면 양 금속간에는 전기반응이 형성되고 저전위의 금속이온이 피방식체로 전류가 흐르게 됩니다. 이때 저전위의 금속은 피방식체 대신 희생적으로 소모되어 피방식체의 부식은 완전히 정지하게 되는데 이러한 전기방식법을 희생양극법 또는 유전양극법이라 한다.

일반 토양과 담수 계통의 희생양극식 전기방식에는 철에 대한 유효 전위차 크고 전기화학적 당량이 큰 Mg-ANODE가 사용됩니다. 담수 및 일반 토양은 토양비저항 및 해수 저항이 크기 때문에 AL-ANODE & Zn-ANODE를 사용할 수 없습니다.

따라서 Mg-ANODE는 지하배관과 소규모 TANK 방식에 대부분 백필하여 사용되며 설치법은 매설되는 형태에 의해 BED식(집중식)과 DISTRIBUTION식(분배식)으로 나뉘어 집니다.

※ 장점

○ 별도의 외부 전원이 필요없다.

○ 인접 시설물에 간섭현상이 거의 없다.

○ 전류 분포가 제한되어 대용량에 부적합하다.

○ 토양비저항이 높은 곳에서는 비경제적일 수 있다.

○ 유효 전위가 제한되어 있다.

○ 양극 수명동안 유지보수가 거의 필요없다.

 

1) BED식(집중식)

양극을 한곳에 집중적으로 설치하여 설치개소를 줄여서 설치하는 방식

2) DISTRIBUTION식(분배식)

관로와 병행하여 등간격으로 배분하여 설치하는 방식 (Mg Line식 포함)

 

 

- AL anode

 

해수 중 염분의 농도, 용존 산소의 농도, 불순물의 양, 유속, 온도등에 의해 해수 중의 금속체는 치명적인 부식환경에 노출된다.

따라서, 기전력이 큰 저전위 금속을 방식대상 금속과 전기적으로 연결하여 방식전류를 공급하여 부식 진행을 방지 및 예방한다.

 

일반적으로 Al을 이용한 희생양극식(유전양극법) 전기방식을 많이 사용하고 있다. 사용되는 Al은 합금상태로 이용되며 합금의 종류는 Al-Zn-Hg계, Al-Zn-In-Cd계, Al-Zn-In-Sn계, Al-Zn-Mg-In-Ca계 이다.

 

순수한 알루미늄이 사용되지 않는 이유는 순수한 Al은 쉽게 산화되어 부동태화하기 때문에 합금 상태로 사용되어 한다.

 

 

※ AL합금양극의 특성

○ 비중이 작아 양극을 수명이 긴 대형 양극 제작에 용이하다.

○ 단위 중량 당 전류발생량이 크다.

○ 양분극 현상이 극히 적어 안정된 방식 전류를 공급한다.

○ 전위차가 적당하여 과방식 현상이 없다.

○ 양극소모가 일정하다.

○ 수소가스 발생으로 인한 피해가 없다.

 

- Zn anode

 

아연은 철 기타의 구조용 금속 재료보다 약간 귀금속으로 자연 환경에서는 비교적 좋은 내식성을 보인다. 그 때문에 철강 등의 피복 재료나 전기 방식용 유전 양극으로서 광범위하게 사용되고 있다. 아연 양극은 희생양극식 전기 방식에 사용되는 양극중 효율이 가장 우수하지만, 알루미늄에 비해 비중이 크고 재질의 강도가 약하여 수명이 긴 대형 제품에는 적합하지 않다. 하지만 충격시 아크가 발생하지 않는 이유로 인화성 가스가 발생하는 지역에 사용하기 적합하며 해양 구조물, 지하배관, 저장탱크에 적용되는 해수, 해토에 쓰이는 사용되고 육토에서는 양극 주위를 백필하여 사용한다.

 

※ Zn 합금양극의 특성

○ 전류 효율이 95%로 대단히 높다.

○ 충격시 아크가 발생하지 않는다.

○ 안정적인 방식전류를 유지한다.

○ Zn의 생성물은 부식 억제 역할을 한다.

 

3. 전기방식의 간섭에 따른 부식현상

 

가. 간섭 부식

주로 직류전원을 사용하는 시설물에서 누설전류가 생길 때 그 누설 전류가 지중의 철 시설물에 유입되고 방출될 때 일어나는 현상으로 유입된 간섭전류는 필연적으로 전류 발생지점으로의 회귀를 수반하기 때문에 어느 지점에선가 간섭 전류가 방출되는데 이 방출지점에서 간섭 부식이 발생되게 된다.

 

나. 간섭 발생원인

 

대개 전기방식의 외부전원식 시설과 D.C 지하철, 광산시설 , 직류 용접기 사용장소 등으로 파악된다.

 

다. 간섭에 의한 부식 영향 및 대책

 

전식 영향을 미치는 원인에 따라 부식의 거동은 '누설전류에 의한 전식'과, '간섭에 의한 부식', 'JUMPING 부식'으로 나뉘어 진다.

특히, 현대 산업 발달로 인하여 대부분 신규 플랜트 건설에는 지하배관과 저장 TANK 방식에 전기 방식이 대부분 적용하고 있기 때문에 이에 따른 간섭현상은 주의 깊게 관찰되어야 한다.

 

간섭에 의한 부식 대책으로는 배류기 설치, RESISTANCE BOND BOX 설치, Mg 양극의 설치, 전기적 차폐막 설치가 있다.

 

 

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출처 : 한국석유공사