부식모니터링(Corrosion Monitoring)의 정의는 1979년 영국 부식산업위원회(Department of Industry Committee on Corrosion)에서 ‘부식과정을 이해하거나 부식과 그 일련의 과정을 제어하는데 사용될 정보를 얻을 목적으로 부품의 부식 또는 성능저하를 체계적으로 측정하는 것’이라고 정의하였다. 예를 들면 시간에 따라 부식률을 측정하고 이 정보를 이용하여 부식을 억제하기 위한 피드백 제어에 사용하는 것을 들 수 있다.
부식모니터링 기술은 여러가지 기법들이 있으므로 재료나 환경(유속, 열전달, Cyclic or Static Stress 등)에 따라 적절한 방법을 선택하여야 한다. 이렇게 선택된 방법은 부식의 종류(Pitting, Erosion, SCC, MIC 등) 뿐만 아니라 부식이 일어났는가? 일어날 것인가? 등을 규명하는데 중요한 정보를 운용자에게 알려줄 것이다. 최근 시설물 운용자들은 부식환경이 시간에 따라 급변하므로 현재의 부식유무, 부식상태, 부식률 등을 측정하여 부식억제에 활용하거나 더 나아가 수명예측에 활용하고 있으며 이를 실현하기 위해 실시간 원격 모니터링(Real Time On-Line Monitoring)시스템을 채택하는 추세에 있다.
따라서 본 세미나에서는 부식모니터링이 필요한 국내의 다양한 시설물 운용자들에게 적합한 모니터링 기법을 채택하여 활용할 수 있도록 도움을 주고자 부식모니터링 기법들의 원리와 장단점을 소개하고자 한다.
◎부식감시방법
ER(Electrical Resistance)
전기저항법은 액체(Oil), 가스분위기에서 부식 억제제(Inhibitor) 제어에 주로 광범위하게 사용하고 있는 방법으로써 부식으로 인한 양단저항의 변화를 측정하고 저항의 변화값을 누적 측정하여 부식률로 환산하는 방법이다. 이 방법은 시간에 따른 저항값의 기울기로부터 부식경향도 알 수 있으나 온도변화가 심한 곳은 측정이 불가능하며 한번 사용한 센서는 재사용할 수 없다. 또한 이 센서는 측정오차가 커 개략적인 부식률 측정에 많이 사용된다.
LPR(Linear Polarizaion Resistance)
선형 분극 저항법은 1960년대 이후 현재까지 논문이 가장 많이 발표되고 있고 실험실이나 현장에서 On-Line 부식모니터링으로 가장 많이 사용되고 있는 방법으로써 분극곡선을 해석하여야 하므로 DC 제어기술이 핵심기술이라 할 수 있다. 현재 상용 Probe도 많이 개발되어 있는 상태이다.
이 방법의 장단점은 아래와 같다.
<장 점>
무게감량법과 같은 재래식 방법에 의한 부식속도 결정에는 수일 또는 그 이상의 장기간이 소요되지만 선형 분극 저항법의 경우 수분에 걸친 짧은 실험으로 부식속도를 결정한다.
대단히 민감하기 때문에 부식속도를 증가시키기 위해 온도를 증가시키는 등의 촉진인자가 필요치 않다.
비파괴 시험이기 때문에 동일한 시험편으로 부식속도를 연속적으로 측정할 수 있다.
모두 저항성분으로 이루어져 있을 경우 유효한 방법이다.
균일부식 예측에 적합하다.
<단 점>
대부분의 실제 시편들 표면에서는 용량성분(Capacitive 성분, Double Layer 등)이 포함되어 있고 Scale 혹은 Deposit 부분들은 저항을 증가시키므로 정확한 측정에 오차가 발생한다.
국부 부식 감시에는 부적합하다.
ELS(Electrochemical Impedance Spectroscopy)
앞에서 언급한 선형 분극 저항법은 1970년 Epelboin과 Keddam에 의해 ‘부식과정이 활성 분극에 의해서만 지배되는 경우를 제외하고는 선형 분극 저항법에 의한 부식속도는 정확하게 측정할 수 없다’라는 주장에 의해 전기화학적 임피던스 스펙트럼 분광법을 이용한 부식속도 측정법이 대두되었다.
EIS라 함은 작은 진폭의 교류신호(약 10[mV] 이하)에 대한 부식전극의 반응을 여러 범위의 주파수(1[mHz]~20[kHz])에 걸쳐 전기화학적 스펙트럼 분광법(EIS, Electrochemical Impedance Spectroscopy)에 의해 분석하고 그 결과를 Nyquist Plot 또는 Bode Plot으로 나타내어 분극 저항값을 측정하는 것을 말한다.
이 방법은 부식 메카니즘에 용량 성분(Capacitive Component)이 있을 경우 매우 유효한 방법으로써 아래와 같은 장단점이 있다.
<장 점>
용액저항에 의한 옴 간섭을 보정한 분극저항 및 부식속도를 정확하게 측정할 수 있다.
감도가 우수하다.
비파괴 시험이며 현장에서 쉽게 측정 가능하다.
실험을 위한 인위적인 가속인자(온도, 농도 증가)가 불필요하다.
인가 주파수 범위가 넓을수록 직류 측정에서 얻을 수 없는 기본역학에 관한 정보를 얻을 수 있다.
LPR보다 전도도가 낮은 전해질에서도 유효하다.
코팅 성능 평가에 매우 유효한 방법이다.
<단 점>
장치가 비싸다.
작동 및 유지가 어렵다.
자료분석이 애매하거나 어려운 경우가 많다.
HA(Harmonic Analysis)
하모닉 해석법은 EIS를 확장한 방법으로써 E/i의 곡선은 항상 곡선도가 있으며 Tafel 상수에 따라 변하므로 정현파 전압을 가하여 전류응답중 기본파와 2, 3차 차수 Harmonic성분을 가지고 해석하는 방법이다.
이 방법은 Tafel 상수나 Polarization Constant가 항상 일정하지 않은 분야에도 적용 가능하며 주로 인도나 헝가리에서 연구 개발되고 있다.
EN(Electrochemical Noise)
전기화학적 잡읍(EN)은 ‘부식 진행과정에서 부식전위와 부식전류가 낮은 주파수와 적은 크기로 Random하게 자발적으로 변하는 신호’를 말한다. 모든 반응들은 확률적이며 전체과정에 관여하는 미세한 에너지의 폭발현상들을 포함하고 있다. 이러한 폭발현상들은 전기화학적 잡음을 발생시키며 이 잡음은 30년 동안 전기화학자들에게 이론적으로나 실제적으로 관심의 대상이 되어 왔다.
1971년 V.A. Tyagai는 Langevin Procedure를 이용하여 전기화학적 열역학과 관련시켜 모델링하여 해석하였고 이 모델링은 1986년 C. Garbrielli 등에 의해 철의 부동태 해석으로 확장되었다. 그후 1986년 Seralathan과 Rangarajan에 의해 이론적으로 완성되었다.
FSM(Field Signature Method)
FSM은 감시대상물의 임의의 구간에 직류전류를 흘리고 감시대상물 표면에 취부된 센서를 통하여 작은 전위변동차에 의한 전계의 패턴을 감지함으로써 원하는 부식 두께 등의 정보를 구조물 외부에서 측정하는 기법이다.
즉 내부의 부식모니터링을 비탐침법(Non Intrusive Techniques)으로 배관 등의 구조물 외부에서 할 수 있는 유효한 기법이다.
이 방법은 1986년에 노르웨이의 ‘Center for Industrial Research’에서 최초로 개발하여 특허권을 가지고 있으며 1990년 CorrOcean社에서 상품화를 하여 주로 해저배관에 응용하고 있다.
<장 점>
가혹한 환경에서도 노출되는 측정 부속설비(Components)들이 없어 안정하다.
타 시설물이 새로이 가까이 설치되어도 위험성이 적다.
소모성이 없다.
누설에 대해 안정하다.
실 현장에서 측정이 가능하다.
감도가 높고 신뢰성이 있다.
평소 사람이 접근 불가능한 구간에서도 응용이 가능하다.
균열(Crack)도 감시 가능하다.
<단 점>
감시 구간이 비교적 짧다.
최근 이 방법은 해양고물(Offshore Structure), 해저구조물(Subsea Structure), 육상구조물(Onshore Structure), 화학공장(Chemical Plants), 원자력발전소(Nuclear Power Plants) 및 기타 산업시설물 등에 광범위하게 응용되고 있는 추세에 있다.
Coupons
쿠폰은 부식모니터링 대상물과 동일한 재질을 Strip 또는 Disc형으로 만든 것을 말한다. 이 쿠폰은 표유전류(Stray Current)가 있거나 희생양극이 설치되어 있는 시설물에 대한 부식 유무를 판단하거나 노출시간(1, 2, 6, 12개월)을 달리하여 시료의 부식률을 측정할 때 주로 사용하고 있다. 이 방법은 실험의 재현성을 위해 전처리, 취급, 설치위치 등에 세심한 주의가 필요하다.
◎맺음말
이상에서 살펴본 부식모니터링 방법을 종합하면 아래와 같이 정리할 수 있다.
·전술한 모든 방법들이 장단점이 있으므로 응용분야별로 적절히 사용되어야 한다.
·부식모니터링 방법을 선택하기 전에 경제성 평가를 하고 결정하여야 한다.
·성공적인 부식감시를 위해 높은 기술력과 운용자의 적극적인 동기유발이 중요하다.
<한국전기연구소 지중시스템연구그룹 배정효 선임연구원>
<정책자료>
가스뉴스
kgnp@gasnews.com
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