부식 방지

모든 금속 제품(특히 철 또는 강철에서 파생된 제품)은 시간이 지남에 따라 산소와 물과 접촉할 때 녹슬고 분해됩니다.

부식을 위하여 필요한 두 가지 유형의 반응이 있는데, 전자가 금속을 떠나면 금속이 부식되는 산화 반응과 전자가 물이나 산소를 수산화물로 변환하는 환원 반응입니다. 녹은 수산화물과 철 이온들이 결합할 때 형성됩니다. 금속이 부식됨에 따라 표면이 변하며 철 금속에서는 녹이 금속의 전체 표면으로 퍼집니다.

연안이나 오프쇼어 애플리케이션은 pH 중성 또는 약산성인 소금물에 노출되기 때문에 다른 애플리케이션보다 녹슬기 쉽습니다. 해안 근처에 있는 제품들은 조수간만시 해무뿐만 아니라 대기 중 염분의 영향을 받는데, 이는 표면 잔류물을 남깁니다. 대기의 염분 수치는 적도에 가까워질수록 더 높습니다.

하지만, 부식은 소금물에의 노출에만 국한되지 않습니다. 세정제, 높은 습도, 하수 및 광업과 같은 '더러운' 환경은 모두 부식 과정을 악화시킵니다. 이산화탄소가 풍부한 화학 공정 환경도 금속의 부식에 아주 치명적입니다.

Eva Coronado는 텍사스 휴스턴에 있는 Element Materials Technology의 부식 연구소 매니저입니다.

“부식은 특정한 습기, 온도, 대기 조건 하에서 발생하는 자연 현상입니다. 피할 수는 없고 완화될 뿐입니다."라고 그녀가 설명합니다. "부식은 제품을 약화시켜 기능 및 무결성에 영향을 미칩니다. 부식은 높은 경제적 비용 외에도 안전성에 영향을 미치고 제품의 미적 외관에도 영향을 미칩니다.”

부식 협회(Coosition Society) 중 전 세계 30,000명의 회원을 거느린 세계 최대의 권위있는 회사인 NACE International의 전 회장 Kevin Garrity는 38년 경력의 대부분을 부식 엔지니어링 분야에서 보냈습니다. "저는 전기 엔지니어로 시작했지만 부식이 응력, 전기 구성 요소, 화학 및 생물학적 반응 등 엔지니어링의 다양한 측면을 담당한다는 사실에 흥미를 느끼게 되었습니다."

그는 인간이 스틸을 목적에 맞게 사용하기 시작한 이후로 부식이 문제가 되어 왔다고 강조합니다.

그러면 어떻게 부식을 피할 수 있을까요? 간단한 대답은 당신이 할 수 없다는 것입니다. '보호'의 가장 좋은 형태는 제품 설계를 시작하는 순간부터 부식 영향을 고려하여 사용되는 재료의 용도 및 제품이 작동하는 환경에 최대한 내식성이 있는지 확인하는 것입니다. 그리고, 가장 중요한 것은, 사용된 금속들이 서로 반응함으로써 부식 과정을 가속화시키지 않도록 해야 한다는 것입니다 – 전기 화학의 거장 험프리 데이비 경이 갈바닉 전류의 수수께끼를 풀었을 때 탄생한 갈바닉 이론으로 더 잘 알려져 있습니다.

갈바닉 이론에 따르면 엔지니어와 제조업체는 갈바닉 부식의 발생을 제한하는 방식으로 재료와 제품을 배치해야 합니다. 예를 들어, 구리와 스테인리스 합금을 결합하려는 경우 부식을 줄이기 위해 보호 코팅이 필요합니다. 알루미늄 합금과 구리는 특히 환경의 염분으로 인해 pH가 높은 경우에는 결합하지 않아야 합니다. 또한 전극 전위 간의 차이는 적용처 또는 제품이 배치된 환경의 영향을 받는다는 점을 항상 기억하십시오.

갈바닉 반응에 대한 인식이 부족하면 비용 및 안전 측면에서 상당히 좋지 않은 영향으로 회사의 이미지를 손상시킬 수 있습니다. 미국의 한 정유소에서 부식 등으로 인한 심각한 균열이 발생하여 5억 달러 안팎의 비용이 발생하면서 큰 피해를 입었습니다.

Garrity는 NACE에서 일하는 동안 바람직하지 않은 갈바닉 반응을 꽤 많이 보아왔습니다. 미국 원자력 발전소에서 일어난 한 가지 사건이 떠오릅니다. "전기 고장 시 인력과 장비를 보호하기 위한 공장의 구리 접지 시스템은 삼중수소 기반 수도관 시스템과 연결되어 배터리와 같은 반응을 만들었습니다. 구리와 삼중수소 사이의 반응으로 인해 배관은 결국 구리로 부식되어 누출을 유발하고 저준위 방사성 물질이 누출될 위험이 있습니다."

제품 또는 응용 프로그램의 부식을 지연시키는 몇 가지 '규범'이 있습니다. 전극 전위가 유사한 재료를 선택하고, 보호 장벽을 만들기 위해 특수 페인트 또는 코팅 사용, 핵심 제품을 보호하기 위해 희생 양극 사용, 또는 전류를 도입하여 갈바닉 반응을 상쇄하는 것입니다.

사용되는 부식 방지제의 유형은 문제의 금속, 응용 프로그램의 사용, 사용 환경 및 회사가 기꺼이 비용을 지출할 의향에 따라 달라집니다.

코팅은 부식 방지의 표준이자 가장 저렴한 형태이지만 완전 방지는 아닙니다. 예를 들어, 해수 환경에서 부식 방지 코팅제를 사용할 경우 그리스 제거 용액에 대해 내성이 없을 수 있습니다.

부식 방지 코팅의 환경 친화성은 특히 자동차 산업 내에서 널리 논의되고 있습니다. 일부에서는 밀폐된 환경에서 사용되는 강력한 부식 방지 방법을 사용하는 것이 더 낫다고 주장합니다. 이는 제품이 더 친환경적인 코팅으로 된 방식보다 3배 더 오래 지속되지만 제품 수명 동안 부품을 3번 교체해야 하기 때문입니다.

갈바닉 반응으로부터 보호하는 또 다른 방법은 마그네슘, 알루미늄 또는 아연 블록, 로드, 플레이트 또는 압출된 리본과 같은 희생적 또는 갈바닉 양극 금속을 도입하여 금속 구조 또는 용도를 보호하는 것입니다. 산화 반응을 흡수하여 구조의 주요 부분을 공격하는 것을 방지하여 음극 보호막 역할을 합니다. 이를 위해서는 양극과 금속 사이에 전선 또는 직접 접촉과 같은 전자 경로가 있어야 합니다. 또한 물이나 축축한 토양과 같은 산화제와 음극 사이에 이온 경로가 있어야 폐쇄 회로를 형성할 수 있습니다.

마그네슘, 알루미늄 및 아연은 가장 일반적으로 사용되는 갈바닉 양극입니다. 경량 알루미늄은 해수 및 선박 선체, 해상 파이프라인 및 저장 탱크와 같은 해상 용도의 일반적인 선택이지만, 녹슨 표면에 닿으면 불꽃과 반응할 수 있기 때문에 폭발성 환경에서는 신뢰성이 떨어집니다. 반면에 마그네슘은 가장 음의 전위 양극이며 종종 지하 및 토양 관련 용도로 사용됩니다.

제품을 설계하거나 개발할 때 적절한 조치를 취했다면 많은 부식 사례를 피할 수 있었을 것입니다. "NACE에서는 매년 약 12,000명의 부식 분야 엔지니어를 교육합니다. 하지만, 아마도 세계에는 350만 명 이상의 엔지니어가 있기 때문에, 아직 너무나 큰 갭이 있지만요."라고 그는 말합니다.

그러나 기업과 기관들은 부식 방지에 투자하는 것이 초기에는 비용이 더 많이 들 수 있지만 장기적으로 비용을 절감한다는 사실을 인식하기 시작했다고 Garrity는 말합니다.

투자 수익률을 계산하기 위해 위험 매트릭스를 설정할 것을 권장합니다. "구조물 또는 설비의 중요도에 따라 잠재적 부식 위험을 우선시하고 이 관점에서 리스트 가장 하위 항목까지 검토를 진행합니다.”

볼트는 시공 과정에서 작은 구성 요소일 수 있지만 주의하여 설계해야 합니다. 볼트가 부식되면 더 큰 구조물이나 제품이 무너질 위험이 있습니다.

"현대 생활의 필수적인 부분인 고정 장치는 신뢰할 수 있어야 합니다."라고 Coronado는 말합니다. "고정 장치가 부식되면 금속이 손실되고 고장이 발생할 수 있을 뿐만 아니라 고강도 고정 장치, 균열 및 갑작스러운 고장이 발생할 수 있습니다. 부식 방지 파스너를 사용하는 것이 항상 실용적인 것은 아니므로, 이를 보호하기 위해 코팅과 같은 다른 부식 완화 방법이 사용됩니다."

Delta Protect® 또는 Delta-Tone®과 같은 아연 플레이크 코팅은 현재 강철 볼트 및 와셔에 가장 널리 사용되는 보호막입니다. 이러한 코팅은 페인트처럼 도포된 후 열을 가하여 층을 만듭니다. 더 많은 층이 추가되면 코팅은 마찰 방지 코팅 역할도 합니다. 다른 옵션으로는 테프론 코팅 및 용융 아연도금 등이 있습니다.

Nord-Lock의 서비스 매니저인 Franz Raymann은 볼트에 적합한 재료와 부식 방지 장치를 선택하는 것이 중요하다고 말합니다. "고객들은 종종 우리가 그들이 사용하는 재료와 제품이 사용될 환경에 대해 왜 그렇게 많은 질문을 하는지 이해하지 못합니다. 하지만 올바른 볼트를 공급하려면 이 모든 세부 사항을 알아야 합니다."라고 그는 말합니다.

그는 4개의 다리로 매달려 있고 16개의 거대한 볼트로 함께 고정되어 있는 4,000톤의 해상 플랫폼을 말합니다. "만약 이 볼트들이 부식된다면, 플랫폼에 있는 모든 사람들은 결국 북해에 남을 수 밖에 없게 됩니다.”

"전략적 위치의 볼트는 부식 여부를 정기적으로 점검해야 합니다. 볼트에 부식이 발견되면 상황의 심각도에 따라 제거 및 세척, 균열 여부 확인 및 재코팅, 볼트 전체를 교체합니다.”

부식성 환경의 설계 방법

• 부식성 환경 및 요구 사항을 분석합니다.
•  충분한 내식성(및 유사한 갈바닉 전위)을 가진 재료를 선택합니다.
•  물과 먼지가 모이거나, 응력 집중 포인트, 혹은 침식을 일으키는 기하학적 설계를 피하십시오.
•  적절한 부식 방지 방법(표면 코팅, 희생 양극, 직류 등)을 선택합니다.
•  요구 사항을 정의합니다. 예를 들어, ISO 9227 염분 분사 부식 시험, 스테인리스강의 경우 ASTM G48 전기화학 부식 시험, 부식성 환경의 경우 ISO 12944 부식 등급 등이 있습니다.

부식성 환경의 분류