산업설비 부식공학

Erosion-Corrosion에서 유속과 난류가 금속 표면을 손상시키는 과정 물이 빠르게 흐르기만 해도 금속이 부식될 수 있을까? 금속은 물이나 액체와 접촉하면 부식될 수 있다. 그렇다면 액체가 빠르게 흐르면 어떻게 될까? 많은 사람들은 “물이 계속 흐르면 오히려 금속 표면이 깨끗해져서 부식이 줄어들 것”이라고 생각한다. 하지만 산업설비에서는 정반대의 현상이 나타날 수 있다. 유체의 속도가 높아지고 특정 위치에서 난류가 강해지면 금속 표면에 형성된 수동피막(Passive Film) 이나 보호성 부식생성물층이 반복적으로 손상될 수 있다. 피막이 제거되면 새로운 금속 표면이 유체와 접촉하게 되고 다시 전기화학적 부식이 진행된다. 이 과정이 반복되면 단순한 부식보다 훨씬 빠른 금속 손실이 발생할 수 있다. 이러한 현상을 Erosion-Corrosion(침식-부식) 이라고 한다. 즉, Erosion-Corrosion은 단순한 마모도 아니고 단순한 부식도 아니다. 유체의 기계적인 작용과 전기화학적인 부식이 서로 결합하면서 금속 손실을 증가시키는 현상 이다. 1. Erosion-Corrosion이란 무엇인가? Erosion-Corrosion은 유체의 흐름에 의해 금속 표면이 기계적으로 손상되는 동시에 전기화학적인 부식이 진행되면서 금속 손실이 증가하는 현상이다. 일반적인 부식에서는 금속 표면에 부식생성물이나 보호피막이 형성되면서 추가적인 금속 용출을 어느 정도 억제할 수 있다. 하지만 유체의 흐름이 강하면 이러한 보호층이 물리적으로 제거될 수 있다. 그러면 새로운 금속 표면이 노출되고 다시 부식반응이 시작된다. 이를 간단하게 표현하면 다음과 같다. 보호피막 형성 ↓ 유체 흐름에 의한 피막 손상 ↓ 새로운 금속 표면 노출 ↓ 전기화학적 부식 ↓ 부식생성물 형성 ↓ 다시 유체에 의해 제거 ↓ 반복적인 금속 손실 이것이 Erosion-Corrosion의 핵심적인 메커니즘이다. 2. 유속이 증가하면 왜 금속에 문제가...

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...

Pitting Corrosion에서 공식 핵생성부터 성장까지의 단계별 메커니즘 아주 작은 점 하나가 금속을 관통하는 부식구멍이 되는 이유 스테인리스강은 왜 잘 녹슬지 않을까? 그 이유 중 하나는 금속 표면에 형성되는 수동피막(Passive Film) 때문이다. 수동피막이 안정적으로 유지되면 금속의 양극 용해반응이 억제되어 일반적인 부식속도가 매우 낮아질 수 있다. 하지만 염화물 이온(Cl⁻)이 존재하는 환경에서는 이야기가 달라진다. 수동피막의 아주 작은 영역이 불안정해지고 국부적으로 파괴되면, 그곳에서 금속 용출이 시작될 수 있다. 처음에는 눈에 보이지 않을 정도로 작은 변화일 수 있다. 그런데 일부 부식 핵은 곧바로 다시 수동화되어 사라지는 반면, 특정 조건을 만족한 핵은 준안정 공식(Metastable Pit) 으로 성장하고 이후 안정 공식(Stable Pit) 으로 전환될 수 있다. 그리고 한번 안정적인 공식이 형성되면 공식 내부의 화학환경 자체가 부식을 지속시키는 방향으로 변한다. 결국 작은 표면 결함이 깊은 부식구멍으로 발전할 수 있다. 이것이 Pitting Corrosion, 즉 공식부식 이 산업설비에서 특히 위험한 이유다. 1. 공식부식(Pitting Corrosion)이란 무엇인가? 공식부식은 금속 표면의 매우 좁은 영역에서 부식이 집중적으로 진행되면서 깊은 구멍 형태의 국부부식 이 발생하는 현상이다. 일반적인 균일부식은 넓은 면적에서 비교적 고르게 금속이 소모된다. 반면 공식부식은 전체 표면 대부분이 비교적 정상적으로 보이더라도 특정 지점에서만 부식이 집중될 수 있다. 예를 들어 스테인리스강 표면의 대부분은 여전히 수동상태를 유지하고 있는데 한 지점에서만 수동피막이 파괴되었다고 생각해보자. 그 작은 영역이 양극이 되고 주변의 넓은 수동표면이 음극으로 작용하면 부식반응이 매우 좁은 영역에 집중될 수 있다. 따라서 공식부식은 넓게 녹스는 부식보다 작아 보여도 더 깊은 손상을 만들 수 있다. 특히 배관, 압력용...