산업설비 부식공학

Crevice Corrosion에서 산소농도 차이가 부식전지를 형성하는 과정 같은 금속인데 왜 틈새 안쪽만 집중적으로 부식될까? 스테인리스강은 일반적으로 부식에 강한 금속으로 알려져 있다. 표면에 형성되는 수동피막(Passive Film) 이 금속의 용해반응을 억제하기 때문이다. 그런데 이상한 현상이 발생할 수 있다. 금속 표면 전체가 같은 물에 노출되어 있는데도 가스켓 아래, 볼트와 금속판 사이, 겹침부, 플랜지, 침전물 아래처럼 좁은 틈새에서만 부식이 집중되는 것 이다. 이 현상이 바로 틈새부식(Crevice Corrosion) 이다. 틈새부식의 중요한 출발점 가운데 하나가 바로 산소농도 차이(Differential Aeration) 다. 틈새 바깥쪽은 공기와 접촉하면서 산소가 비교적 쉽게 공급된다. 반면 좁은 틈새 안쪽은 외부와 물질교환이 제한되어 산소가 빠르게 고갈될 수 있다. 그러면 같은 금속 표면에서 산소가 풍부한 영역 과 산소가 부족한 영역 사이에 전기화학적 차이가 만들어진다. 이 차이가 금속 표면의 양극과 음극 반응을 공간적으로 분리하면서 하나의 부식전지(Corrosion Cell) 가 형성될 수 있다. 1. Crevice Corrosion이란 무엇인가? 틈새부식은 금속과 금속 또는 금속과 다른 재료 사이에 형성된 좁은 틈에서 발생하는 대표적인 국부부식이다. 대표적인 발생 위치는 다음과 같다. 가스켓 아래 와셔 아래 볼트와 너트 주변 플랜지 접합부 겹침 이음부 용접 구조 주변 금속판 사이 침전물 아래 보온재와 금속 사이 들뜬 도막 아래 공통점은 하나다. 외부 환경과 완전히 차단되지는 않았지만 물과 이온, 산소의 이동이 제한되는 공간 이라는 것이다. 이런 공간에서는 틈새 내부와 외부의 환경이 점점 달라진다. 처음에는 틈새 안과 밖의 산소농도가 비슷할 수 있다. 하지만 시간이 지나면서 틈새 내부의 산소가 부식반응에 소비되고, 외부에서 새로운 산소가 틈새 깊숙이 공급되는...

산소농도차전지(Differential Aeration Cell)가 국부부식을 발생시키는 과정 산소가 부족한 곳에서 금속이 더 빨리 녹는 이유 금속이 부식되려면 반드시 산소가 많아야 할까? 직관적으로 생각하면 “산소가 많을수록 금속이 더 빨리 녹을 것”이라고 생각하기 쉽다. 그런데 부식공학에서는 정반대의 현상이 나타나는 경우가 있다. 금속 표면의 한쪽은 산소에 충분히 노출되어 있고, 다른 한쪽은 틈이나 침전물 때문에 산소가 부족한 상황을 생각해보자. 놀랍게도 산소가 부족한 부분에서 국부부식이 집중적으로 진행될 수 있다. 이 현상을 설명하는 대표적인 전기화학적 개념이 바로 산소농도차전지(Differential Aeration Cell) 다. 산소농도차전지는 금속 표면의 산소 농도가 균일하지 않을 때 형성되는 전기화학적 농도전지다. 특히 배관의 틈새, 볼트와 너트 주변, 가스켓 아래, 침전물 밑, 보온재 아래 등에서 국부부식의 중요한 원인이 될 수 있다. 1. 산소농도차전지란 무엇인가? 산소농도차전지를 이해하려면 먼저 금속 표면의 산소 분포가 균일하지 않을 수 있다는 사실 을 알아야 한다. 금속 전체가 똑같은 환경에 노출되어 있다고 생각하기 쉽지만 실제 산업설비에서는 그렇지 않다. 예를 들어 금속 표면에 물이 얇게 퍼져 있다고 하자. 한쪽은 공기와 직접 접촉하고 있어 산소가 충분히 공급된다. 반면 다른 한쪽은 다음과 같은 구조로 막혀 있다면 산소 공급이 제한될 수 있다. 틈새 안쪽 침전물 아래 가스켓 아래 겹쳐진 금속 사이 보온재 아래 도막이 들뜬 부분 결국 같은 금속 표면에서도 산소가 많은 영역 ≠ 산소가 부족한 영역 이라는 차이가 발생한다. 이 작은 환경 차이가 전기화학적 부식전지를 만들어낸다. 2. 산소가 많은 곳과 적은 곳에서는 무슨 일이 일어날까? 여기서 부식의 핵심인 양극과 음극 이 등장한다. 산소가 많은 부분 산소가 충분한 부분에서는 대표적인 음극 환원반응이 일어날 수 있다. O₂ + 2H₂O + 4e⁻ → 4OH⁻ 즉, 산소가 환원반응에 참여하면서 전...