산업설비 부식공학

CO₂ 환경에서 탄산(H₂CO₃) 형성과 탄소강 배관의 Sweet Corrosion 눈에 보이지 않는 CO₂가 탄소강 배관을 부식시키는 이유 탄소강 배관을 부식시키는 물질이라고 하면 흔히 산이나 염산처럼 강한 산성물질을 떠올린다. 그런데 석유·가스 산업에서는 CO₂가 포함된 물 만으로도 탄소강 배관의 내부부식이 상당히 진행될 수 있다. 이러한 CO₂에 의한 부식을 일반적으로 Sweet Corrosion 또는 CO₂ Corrosion 이라고 한다. 여기서 중요한 것은 CO₂ 자체가 강한 산이라는 뜻이 아니다. CO₂가 물에 녹으면 수용액의 산-염기 평형에 영향을 주고 일부가 탄산계 화학종으로 전환되면서 탄소강 표면의 전기화학적 부식반응을 촉진할 수 있는 환경 을 만든다. 따라서 Sweet Corrosion을 이해하려면 단순히 “CO₂가 물에 녹아서 산성이 된다.” 라고 끝내서는 안 된다. 실제로는 CO₂ 용해 ↓ 탄산계 화학종 형성 ↓ pH 감소 ↓ 탄소강 표면의 음극반응 변화 ↓ 철의 용출 ↓ 부식생성물 형성 ↓ 보호막의 안정성에 따른 부식속도 변화 라는 일련의 과정으로 이해해야 한다. EPRI 자료에서도 CO₂가 수분이 존재하는 환경에서 탄산을 형성해 부식에 영향을 줄 수 있으며, 탄소강의 부식생성물과 수질환경이 부식거동에 중요한 역할을 한다고 설명한다. 1. Sweet Corrosion이란 무엇인가? Sweet Corrosion 은 주로 CO₂가 존재하는 습윤 환경에서 탄소강이 부식되는 현상을 의미한다. 특히 다음과 같은 산업설비에서 중요하다. 원유 생산 배관 천연가스 배관 가스-액체 분리설비 생산수 배관 석유·가스 처리설비 CO₂가 포함된 습윤 공정배관 반면 H₂S가 주요 부식성 가스로 작용하는 환경은 일반적으로 Sour Corrosion 이라고 구분한다. 즉, CO₂ 중심 → Sweet Corrosion H₂S 중심 → Sour Corrosion 이라는 구분이 기본적...

배관 내부의 Multiphase Flow가 Internal Corrosion을 복잡하게 만드는 이유 기름과 가스와 물이 함께 흐르면 왜 부식 예측이 어려워질까? 산업용 배관에서는 항상 하나의 유체만 흐르는 것은 아니다. 특히 석유·가스 생산 및 운송설비에서는 원유, 천연가스, 물 이 동시에 이동하는 경우가 많다. 여기에 경우에 따라 모래나 고형입자까지 섞인다. 겉으로 보면 단순히 여러 유체가 함께 흐르는 것처럼 보이지만, 실제 배관 내부에서는 각각의 유체가 서로 다른 위치에 존재하고 끊임없이 형태를 바꾼다. 어떤 순간에는 물이 배관 바닥에 모이고, 어떤 구간에서는 기름 속에 작은 물방울 형태로 분산되며, 또 다른 구간에서는 물과 기름이 층을 이루기도 한다. 가스가 포함되면 상황은 더욱 복잡해진다. 이처럼 서로 다른 상(Phase)이 동시에 존재하면서 이동하는 흐름 을 Multiphase Flow(다상유동) 라고 한다. 문제는 부식이 단순히 “물이 존재한다”는 이유만으로 발생하는 것이 아니라는 것이다. 물이 실제로 금속 표면을 젖게 하는가? 그리고 그 물이 어느 위치에 얼마나 오래 머무르는가? 가 매우 중요하다. 연구에서도 오일·가스·물 다상유동에서 상의 공간적 분포와 물의 벽면 젖음(Water Wetting)이 내부부식 위험을 결정하는 중요한 요인으로 보고된다. 1. Multiphase Flow란 무엇인가? Multiphase Flow는 말 그대로 두 개 이상의 서로 다른 상이 동시에 흐르는 유동 이다. 배관에서는 대표적으로 다음과 같은 조합이 나타난다. Oil + Water Gas + Water Gas + Oil Gas + Oil + Water Oil + Water + Sand Gas + Water + Solid particles 특히 석유·가스 배관에서는 Gas–Oil–Water 3상 유동 이 중요한 문제가 된다. 각각의 상은 밀도와 점도, 속도, 표면장력 등이 서로 다르다. 따라서 배관 내...