컴퓨터 모델링을 통한 海洋構造物과 船舶의 陰極防蝕 設計및 診斷에 관한 硏究

Abstract

철강 재료는 조선분야 뿐만 아니라 전반적인 산업분야에서 가장 많이 사용되고 있는 재료이다. 그러나, 이 철강재는 지구환경에 가장 부식이 잘되는 금속중의 하나이다. 많은 과학자와 기술자들은 금속을 사용할 때 발생하는 부식문제를 해결하기 위해 노력해왔다. 현재 널리 사용되고 있는 방식방법으로는 paint coating, 금속 표면처리, 그리고 음극방식법이 있는데, 이중 조선분야에서 효과적인 방식법으로 paint coating과 음극방식법을 병용하는 방법이 경제성과 실용성면에서 최적으로 알려져 있다. Paint coating은 holiday, crack, 음극박리 등과 같은 불완전성을 가지고 있지만, 강과 전해질사이의 장벽 역할을 함으로써 방식에 가장 큰 몫을 담당하고 있다. 음극방식법은 coating의 불완전한 부분에 필요한 방식 전류를 인가함으로써 방식한다.

음극방식법에는 강제전류인가법 ICCP(Impressed Current Cathodic Protection, ICCP) 과 희생양극법 SACP(Sacrificial Anode Cathodic Protection, SACP)으로 나뉜다. ICCP는 직류정류기의 전류를 불용성 양극을 통하여 방식체에 인가하는 방법이다. SACP는 음극방식을 하고자 하는 금속(철강)보다 더 부식성이 높은 금속(희생금속, 아연, 마그네슘 또는 알루미늄)을 서로 전기적으로 연결함으로써 방식하는 방법이다. 따라서, 희생양극법에는 양극을 주기적으로 교체해야한다는 단점이 있다. 이 모든 음극 방식법은 방식체의 전위를 비교적 부식속도가 적은 전위로 이동시키는 분극을 하기 위한 것이다.

기존의 음극방식설계에서는 방식체에 균일한 방식전류가 도달하는지에 대한 고찰이 불가능하였다. 단순히 구조물의 면적, 방식에 필요한 전류 그리고 양극의 접지저항만을 가지고 대수적인 계산밖에는 할 수 없었다. 더군다나 최근 외국의 선주와 대형 석유시추선을 건조하는 석유회사에서 방식설계에 타당한 근거제시를 요구하고 있는 추세에서 수치해석에 의한 방식설계가 시도되고 있다.

경계요소법(Boundary Element Method, BEM)은 문제의 지배미분방정식을 그 기본해 혹은 특이해를 이용하여 경계적분방정식으로 변환시킨 후, 이것을 유한요소법적 수법에 의해 이산화하여 근사해를 구하는 일련의 과정이다.

이 연구는 방식공학 분야에서 어떻게 방식전위해석을 하는가와 그 적용 가능성을 시도 하였다. 컴퓨터 수치해석으로 방식체에 균일한 방식전위인가를 위한 최적의 양극배치를 결정할수 있었으며 효율적인 음극방식설계를 위한 기법을 마련하였다. 또한 페인트된 선체의 방식전위 수치 해석을 위한 경계조건을 어떻게 설정하는 것이 가장 현장조건의 재현성이 있는지도 본 연구에서 제시하였다.

본 연구에서 얻은 결론은 다음과 같다.

1) 정전위 시험에서 얻은 전위값과 이를 컴퓨터 해석한 전위값의 차이가 15mV 이내로 수치해석의 정확도를 확인하였다.

2) 방식체 표면 전위분포의 IR drop 크기는 전류밀도와 비저항에 비례함을 알 수 있었다.

3) 기존 수동 방식설계와는 달리 컴퓨터 수치해석에 의한 방식설계는 전해질내의 IR drop을 고려하여 설계해야 함을 확인하였다.

4) ICCP를 적용하는 선체 외판의 해석에서 도장 노화에 따라 방식소요전류밀도가 증가하게 되며, 선체의 방식전위분포가 불균일하게 됨을 알 수 있었으며, 희생양극을 보강함으로서 방식상태가 개선됨을 알 수 있었다.

이상의 연구로 수치해석에 의한 선박과 해양구조물의 음극방식설계 개선이 효과적으로 수행 가능함을 확인하였으며, 도장 노화를 포함한 경계조건에 대한 데이터베이스가 충분히 구축될 수 있다면 더욱 정확한 음극 방식설계가 가능하리라 판단된다.