海水環境 중 스테인리스 鋼의 腐蝕 및 實用防蝕에 관한 硏究

Abstract

최근 과학과 기술의 급격한 발달로 조선 및 해양 관련산업은 급속한 성장을 거듭하고 있다. 이에 따라 선박 및 해양구조물을 포함한 해양 관련 시설물 등은 점점 대형화, 고부가가치화 되고 있을 뿐만 아니라 장 수명화가 요구되고 있다.

그 중에서도 LNG 선박(LNG ship) 및 드릴 쉽(drill ship), FPSO(floating production storage offloading, 부유식 원유저장설비)와 같은 고 부가가치의 선박 및 해양시설물 등에 사용하는 각종 배관(piping line)이나 의장품 등의 재질은 주로 일반적인 탄소강 계통의 금속재료에 도장 등의 표면처리를 하여 사용되고 있다. 그러나 최근에는 근본적으로 해수환경 중 부식을 방지하며 유지관리 비용을 절감 한다는 차원에서 스테인리스강을 많이 사용하는 추세에 있다. 일반적으로 스테인리스강은 철의 주성분에 크롬(Cr) 등을 첨가시켜 그 금속표면에 형성된 부동태 산화피막(Cr2O3)으로 인해 녹이 잘 슬지 않아서 탄소강이나 알루미늄 등의 범용 재료보다 내식성이 우수하고, 고 내식성인 티타늄(Ti) 등의 금속에 비해서 가격이 저렴하다. 또한 이것은 가공성도 우수하여 일상 생활용품이나 건축물의 내, 외장용 자재 등 여러 가지 용도로도 아주 유용하게 사용되고 있다. 특히 이 스테인리스강은 열거한 많은 장점 중 부식되지 않는 금속이라는 인식이 지배적이어서 별도의 방식처리 없이 대부분 사용하는 경우가 주요한 특징을 갖는다.

한편 최근 해양환경 중 선박이나 해양 시설물 등에 사용되고 있는 스테인리스강에서는 극심한 공식 부식 등으로 인해 곤란 및 문제가 제기되고 있다. 이것은 스테인리스강이 일반적인 육상 환경과 같은 중성분위기 환경 중에서는 Cr2O₃라고 하는 치밀한 부동태 산화피막(20~40Å)으로 인해 안정하게 사용되나 중성 환경이라고 할지라도 Cl&#8315

할로겐 이온이 존재하는 해양 분위기에서는 산화피막이 파괴되어 국부부식(localized corrosion)이 일어날 수 있다는 것을 간과했기 때문이다. 이러한 국부부식 중 스테인리스강과 같이 표면에 부동태 산화피막을 가지고 있는 금속에서 주로 일어나는 부식은 틈부식(crevice corrosion)과 공식(pitting)이다. 이 틈부식과 공식은 진행속도가 대단히 빠르기 때문에 짧은 시간에 금속 내부로 뚫고 들어가 금속을 부식시킨다. 이들은 깊이 방향으로 가속해서 발생하기 때문에 구조물 또는 기계를 천공하여 조기에 사용불능 상태에 이르게 하거나 사용안전에 위협을 주게 된다. 그러므로 틈부식과 공식은 스테인리스강 부식의 종류 중 가장 치명적인 부식이라 할 수 있다. 특히 해수와 같이 염분이 있는 환경에서 Cl-이온은 스테인리스강 표면의 부동태 산화피막을 파괴하는 주된 역할을 하기 때문에 해수환경에서는 틈부식과 공식에 의한 스테인리스강의 피해가 더욱 커질 것으로 사료 된다

따라서 해수환경 중 사용되는 스테인리스강의 부식 방지를 위한 효율적인 방식 방법이 적용되어야 할 것으로 사료되며, 여러 가지 방식방법 중 스테인리스강에 음극방식을 채택하는 방법이 가장 적용하기 간단함은 물론 경제적이고 효율적이라고 판단된다. 물론 스테인리스강을 음극방식하기 위하여 적용 하는 방식기준전위는 경험적으로 보통강의 경우와 유사하게 유지하는 것으로 보고 되고 있으나 아직 체계적으로 입증 된 것은 거의 없는 실정이어서 이 방법을 적용하는데 있어서는 충분한 실험적 근거가 필요할 것으로 사료된다. 따라서 본 연구에서는 해수환경 중 사용되는 스테인리스강의 실용방식을 위한 일환으로 음극방식법을 선정하고, 그 음극방식 적용을 위한 최적 음극방식 전위의 범위를 결정한 후 선별된 Zn 및 Al 합금 등의 희생양극에 의한 음극방식 적용 시뮬레이션을 통하여 음극방식의 유효성을 검증하고자 하였다. 이때 무 방식한 스테인리스강에 대한 시뮬레이션도 추가 병행하여 시험함으로써 그 부식발생 원인 및 방식 유무에 따른 비교 평가도 실시하였다. 본 연구에서는 자연해수에 침지한 스테인리스강 재료별 시험편의 자연전위 변화 및 전기화학적 분극과 정 전위 측정을 통하여 스테인리스강 재료별 부식경향 및 부식속도를 비교 하였고 스테인리스강 음극방식을 위한 응용기준 및 음극방식 적용을 위한 최적음극방식 전위의 범위를 결정하였다. 또한, 시뮬레이션 실험을 통해 재료별 외관 관찰, 전위측정 변화 및 방식, 무 방식 조건의 스테인리스강 상태를 비교 평가함으로서 스테인리스강의 부식원인을 해석 함은 물론 스테인리스강의 부식문제를 해결할 수 있는 가장 경제적이고 효율적인 음극방식방법에 대해 고찰하였다.

본 스테인리스강의 부식 시뮬레이션 실험에 의하면, 스테인리스강의 주요한 부식의 원인은 축 내부에는 용존산소 환원반응에 의해 형성되는 OH- 보다 해수 중 용존 하는 Cl- 가 상대적으로 많아져서 일어나는 틈부식이 주요한 원인으로 확인 되었다. 또한, 여기서 발생한 틈부식은 축의 틈 내부와 외부간의 용존산소 농담차에 의한 갈바닉 부식 작용으로 더욱 가속화 한 것으로 해석 되었다. 또한, 300일 동안 시뮬레이션 시험 종류별 방식 및 무방식 조건에 대한 스테인리스강의 상태를 비교 분석한 결과에 의하면, 무 방식한 것은 상기에서 언급한 바와 같은 틈부식 등의 영향으로 부식이 진행되었으나, 음극방식한 경우에는 부식이 전혀 발생하지 않았다. 이것은 음극방식 한 스테인리스강의 표면에 희생양극에 의한 음극방식 전류의 영향으로 양극 반응이 억제되었기 때문이라고 정리 되었다. 따라서 향후에는 스테인리스강 재질을 사용하고 있거나 적용하려고 하는 선박이나 해양구조물에 상기 음극방식 방법을 선정 하여 실용방식 효과를 확인함은 물론, 그 구체적 조건에 따른 정량적 효과 및 효율 그리고 경제적인 응용개발을 통한 보급이 주요한 과제라고 사료 된다