Ⅲ. 전기방식기술의 적용 및 국내현황


1. 서 론

전기방식이란 기술적으로 음극방식을 의미하며, 이는 구조물의 전위를 인위적으로 조절하여 부식반응인 양극반응을 억제하는 방법이다.

다시 말해서 자연전위 혹은 그 이상의 전위에서 부식이 진행되고 있는 구조물에 인위적으로 전류를 가하여 전위를 낮추어 음극(cathode)화함으로써 부식반응인 양극반응을 억제하는 것이다.

지하에 매설된 배관의 보호를 위해 가장 널리 채택되고 있는 방식방법은 피복과 음극방식을 병행하는 것이다. 일차 방식효과는 피복층을 통해서 얻게 되나 피복은 자체적으로 pinhole, holiday와 같은 결함을 갖고 있을 뿐 아니라 작업중의 물리적 손상이나 사용중의 열화에 의해 어느 정도 금속표면이 토양에 노출된다. 이때 구조물에 음극방식을 실시하고 있다면 피복층은 큰 저항을 가지고 있으므로 방식전류는 피복의 결함부를 통하여 금속 구조물로 유입되고, 전류 유입에 따라 전위가 낮아지게 되어 방식효과가 나타난다. 한편 피복이 없는 구조물에 음극방식만 할 경우에는 방식대상 면적이 넓어 소요되는 방식전류량이 매우 커지게 되어 경제적으로 적절치 못하다. 결론적으로 피복과 전기방식을 병행하여 사용하여야만 경제적일 뿐만 아니라 보완적 방식을 행할 수 있다. 이번 호에서는 지하가스배관에 적용되고 있는 음극방식법에 대하여 설명하고자 한다.


2. 음극방식의 원리

그림 1-(a)과 같이 Fe와 Cu가 전기적으로 결합되어 부식전지가 형성된 경우, 전위가 낮은 Fe가 양극 (anode), 전위가 높은 Cu가 음극 (cathode)이 되어 부식전류가 양극에서 전해질을 통하여 음극으로 흐르게 된다.

다시 말해 Fe에서는 양극반응에 의해 다음과 같은 부식반응이 발생되며,

Fe → Fe2+ + 2e-

음극부인 Cu에서는 다음과 같은 환원반응이 진행된다.

O2 + 4H+ + 4e- → 2H2O

O2 + 4H+ + 4e- → 2H2O

2H+ + 2e- → H2

Mp+ + qe- → M(p-q)-

이 때 Fe의 부식속도는 부식전류량과 같다. 만일 그림 1-(b)에서 보는 바와 같이 외부에서 Fe와 Cu사이의 전위차보다 큰 전압을 인가하여 Fe를 충분히 음극화시켜주면 전류의 흐름방향이 바뀌어 전류가 유입되는 Fe는 방식되고 반대로 Cu는 양극반응에 의해 부식된다.

금속이 이러한 음분극상태에 있을 때의 부식속도를 최초로 정밀하게 측정하고자 한 사람은 McKubre였는데 그는 음분극의 크기가 150 mV보다 커지면 부식속도가 1/1,000 이하로 감소됨을 확인하였다.

이후 Srinivasan과 Murphy는 -775 mV일 때의 부식속도는 0.928 g/cm2/yr 이고, 음극방식 기준인 -850 mV에서는 5.33x 103g/cm2/yr 정도임을 측정하였다. 이들은 음분극에 따라 부식속도가 지수함수적으로 감소함을 확인하고 수소발생은 -950 mV부터 이미 상당량 발생하게 됨을 관찰하였다.

음극방식법은 방식전류를 인가하는 방법에 따라 크게 희생양극법과 외부전원법으로 나눌 수 있다. 희생양극 (sacrificial anode)법은 방식하고자 하는 금속보다 이온화경향이 큰 금속을 전해질 내에서 전기적으로 연결하여 양극으로 작용하게 함으로써 방식대상물을 상대적으로 음극화시킨다. 이 때 이온화경향이 큰 금속은 양극으로 이온화(부식)되어 소모되므로 이 방법을 ‘희생양극법’이라고 부른다.

이 방법은 설치시 외부전원이 필요 없는 등의 간편성때문에 널리 이용되고 있다.

그러나 방식출력전류에 제한이 있어 방식대상물이 대형인 경우에는 부적합하며, 양극의 지속적 소모로 일정한 수명을 가지므로 수시로 교체해 주어야 하는 등의 단점도 있다.

외부전원법은 직류전원장치 (정류기)의 (-)극을 방식대상물에 접속하고 (+)극을 양극에 접속한 후 전압을 인가하여 방식전류를 얻는 방법이다.

이 방법에서는 필요한 방식전류를 외부전원으로부터 얻게되므로 불용성의 양극을 사용하는 것이 일반적이다. 다시 말해서 양극자체는 전지반응에 참여하지 않고 단순히 전류원 (current source)으로서만 작용하게 된다. 따라서 양극의 수명이 길 뿐만 아니라 대형 구조물일 경우에도 충분한 방식전류를 얻을 수 있다는 장점이 있다. 한국가스공사 주배관의 경우에 건설중인 배관에 대하여는 희생양극법을, 건설후 운영되는 배관에는 외부전원법을 사용하여 방식하고 있다.

전기방식의 일반적인 방법은 아니지만 외부로부터 직류전류의 간섭이 있는 곳에는 배류법을 적용할 수 있다. 이것은 주로 전철에서의 누설전류에 의한 전기부식을 방지하기 위한 대책이다.

배류법에는 선택배류법과 강제배류법의 두 가지가 있으며, 음극방식법을 포함한 이들의 적용 개략도가 그림 2와 같으며, 이들의 특성을 표 1에서 잘 비교하고 있다.


3. 전기방식에 필요한 사항

전기방식적용에 있어서 고려되어야 하는 일반적인 사항들은 다음과 같다.


① 매설 경로에 따른 화학적 및 전기적 부식환경 조사: 지하수의 화학조성, 미생물의 존재여부, 토양의 pH, 통기도, 비저항 그리고 인접한 전철 및 다른 매설물의 존재를 확인한다.


② 매설관의 재료 및 피복의 종류: 피복에 대해서는 상세한 내용까지를 파악하는 것이 좋다. 특히 용접부에 적용되는 현장피복 및 전기방식 설비의 접점부위에 대한 피복의 시공관리를 철저히 하고 기록해 둘 필요가 있다.


③ 전기방식 설계를 위한 현장시험: 부식환경 이외에 관대지전위 측정(경우에 따라 레일대지전위를 동시 측정) 및 가통전시험이나 가배류시험 등을 행한다.


④ 적절한 전기방식법 검토 및 그에 따르는 설계: 우리 나라의 경우 전기방식을 시공함에 있어서 설계라는 개념이 거의 무시되고 있으나 부식환경을 고려한 설계가 반드시 고려되어야 한다.


⑤ 시공후 방식효과 확인조사 및 조정: 방식설비의 효과를 확인하기 위한 시험을 실시하고 특히 외부전원 및 배류법 시설에 대해서는 인접한 타시설물을 관리하는 기관에 알려준다. 일본이나 미국의 경우 전기방식관련 위원회가 구성되어 있으며 이곳에 통보하도록 하고 있다.


⑥ 방식시설의 정기적인 보수점검: 방식설비의 보수점검 및 부식상태 확인을 위한 정기조사가 필요하다.

특별히 다음과 같은 사항에 대해서는 방식설비의 설계, 시공, 유지단계에서부터 세심한 주의가 필요하다.


① 전철과의 근접 지역: 특히 궤도 횡단부와 차량기지 부근에서는 필요에 따라 관로의 절연, casing, 배류기 등 전기부식 방지를 위한 대책이 필요하다. 경우에 따라서는 차량기지에서의 누설전류 감소를 위해 차량기지 입출고선에 귀선자동개폐장치를 설치할 필요가 있다(우리 나라의 경우 차량기지에서의 누설전류량이 매우 큰 것으로 조사되고 있다).


② 초고압 송전선과의 근접 지역: 특히 송전탑의 기초부 및 접지극 부근에서는 필요에 따라 shielding 이나 희생양극을 설치하는 등의 대책이 필요하다. 우리 나라의 경우 통신회사와 가스회사에서는 이러한 경우에 대한 대책을 명문화하고 있으나 이 분야에 대한 조사연구가 시급히 필요한 실정이다.


③ 배관이 교량 등에 인접하거나 매달기 등으로 첨가되는 경우: 배관이 교량의 강구조 부분이나 기초부 콘크리트의 철근과 전기적인 접촉상태가 되지 않도록 절연처리에 신중하여야 한다.


④ 강관 casing을 사용한 경우: 본관(carrier pipe)과 casing pipe가 접촉되지 않는 구조가 필요하다. 시공후 접촉판정을 위해 양쪽 방향에 측정용 터미널을 설치하는 것이 좋다.


⑤ 토양의 부식성이 강하거나 공장 폐수의 침투가 예상되는 지역: 토양 및 지하수의 부식성 및 피복에 대한 영향을 검토하고, 필요에 따라 토양교체, casing, 피복의 강화, 전기방식의 강화 등의 대책이 필요하다.

기타 지반의 침하나 이동의 우려가 예상되는 지역이나 교통량이 많은 도심지역에서는 각별히 보강대책 혹은 향후 관로 및 방식설비의 점검 및 보수가 어려운 점을 감안한 방식설계가 필요하다.


4. 음극방식 기준

음극방식 기준은 크게 전위기준과 전류기준으로 구분할 수 있다 (그림 3). 일반적으로 측정의 용이성 때문에 전위기준이 널리 사용되고 있다.

각각의 기준들은 장, 단점을 갖고 있으며 적용대상의 특성에 따라 선택하여 사용할 수 있다. 이 기준들을 적용함에 있어서 유의하여야 할 점은 이 기준들은 최소한의 방식조건을 설명하는 것이며, 방식되고 있는 구조물이 여러 가지의 기준을 동시에 만족해야하는 것이 아니라 여러 가지 기준들 중의 하나를 만족하면 된다는 점이다(alternate minimum criteria). 다시 말해 어떠한 기준이 만족되지 않더라도 다른 기준을 만족하게 되면 방식상태라고 판정할 수 있는 것이다. 다만 적용할 기준을 선정함에 있어서는 구조물의 방식상태, 피복유형 등을 고려하여 충분한 최적의 기준을 선정할 필요는 있다.

NACE의 기준에서도 어느 한가지의 기준이 모든 경우의 판단기준은 될 수 없고 두 가지 이상의 기준을 적용하여 방식여부를 판단하는 것이 좋다고 기술되어 있다. 이것 역시 상황을 고려한 기준선택의 중요성을 설명하고 있는 것이다.

여기에서는 여러 가지 기준가운데 특히 널리 사용되고 있는 고정전위기준 및 전위변화기준 등의 전위기준에 대해 설명하고자 한다.


4.1. 고정전위기준(-850 mV 기준)

전기방식시스템에서 전위측정은 비교적 용이하기 때문에 방식기준으로 가장 보편적으로 사용된다.

측정되는 전위가 가장 정적인 자연전위(부식전위)보다 약간 아래(음극방향)의 값을 나타내면 방식상태라고 판정하게 된다. 이 기준은 금속의 종류 및 환경에 따라 달라지며 토양분위기에서의 기준은 표 2와 같다.

방식 대상체의 온도가 제시된 온도(25℃)보다 높을 때에는 제시된 전위보다 더욱 낮은 전위를 계산하여 사용하는 경우가 있기는 하나, 일반적으로 제시된 온도 이하에서만 적용하는 것이 좋다. 또한 혐기성 박테리아의 서식이 예상되는 경우에도 100 mV 정도 낮은 전위가 사용된다.

이 기준을 적용하기 위해서는 방식전류가 흐르는 상태에서의 전위를 측정하여야 하는데, 이 때 측정되는 전위(Ep/s)는 분극량뿐 아니라 전류에 의한 IR 성분(VIR)을 포함하고 있다 (Ep/s = Ep + VIR).

음극방식기준으로서의 -850 mV는 엄밀하게 금속표면에서의 분극전위(Ep)를 의미하는 것이다. 전류흐름이 있는 경우에는 실제 분극전위보다 더욱 (-)값의 전위가 측정되므로 방식상태가 충분치 못한 구조물을 방식상태가 좋은 것으로 오판하는 경우가 발생하게 된다.

이와 같은 IR에 의한 전압강하 효과를 최소화하기 위해서는 전위측정시 기준전극을 가능한 한 구조물의 표면에 가까이 위치시킬 필요가 있다.

기준전극의 근접이 어려울 경우에는 원거리 대지법(remote earth), 전류차단법 (current interruption), 계단형 전류감소법 (step-wise current reduction) 등을 사용하여 가능한 한 IR 성분이 포함되지 않은 전위를 측정하여야 한다.


4.2. 전위변화기준 (300 mV voltage shift criterion)

이 방법에서는 방식전류가 인가된 상태에서 측정된 전위와 비방식상태의 전위인 자연전위를 비교하여 방식상태를 판정하게 되는데, 두 전위의 차이가 300 mV 이상이면 양호한 것으로 판단한다. 이 방법 역시 IR에 의한 전압강화 효과를 고려해야 하지만 실제로 적용되는 경우에는 IR 전압강하에 의한 전위보정을 실시하지 않는 것이 보통이다.

그러나 IR 전압강하에 대한 정보가 전혀 없을 때에는 이 기준의 신뢰성 자체가 떨어지게 되므로 몇 차례의 측정으로 분극전위에 포함되는 IR 성분에 대해서는 파악하고 있는 것이 좋다.

이 방법은 -850 mV 기준을 만족시키지 못하는 비피복관이나 피복상태가 불량한 배관 등에 많이 적용된다.

그리고 자연전위를 측정하기 위해서 방식전류 차단후 완전한 소극(depolarization)이 되기까지 충분히 오랜 시간을 기다려야 하기 때문에 신설된 구조물이나 이전에 음극방식되지 않던 구조물의 경우에 적용하는 경우가 많다. 마지막으로 이 기준은 상이한 종류의 금속이 공존하는 구조물에는 적용하지 않는 것이 좋다.


5. 부족방식 및 과방식의 문제

어떤 구조물의 방식상태가 이상에서 설명한 기준에 미달하는 경우에는 부식이 발생할 수 있다. 그러나 이 경우에도 방식전류에 의한 분극량 만큼은 부식속도가 감소할 것이다.

그러나 국부적으로 방식전류가 미치지 못하게 되는 부분이 존재하게 되면 방식효과는 거의 없는 것으로 추정하는 것이 합리적이라 하겠다.

한편 방식기준에서 자주 논의되는 것이 과방식(over-protection)에 관한 문제이다.

과방식은 금속자체에 손상을 미칠 수도 있으며 양극재료의 소모를 촉진하고, 전력을 낭비하며, 피복의 박리를 촉진하거나 수소에 의한 문제를 야기하는 등 결코 바람직하지는 않은 방식상태이다. 이러한 이유로 알루미늄이나 납 등에는 특정한 전위한계 이내에서 방식을 행하여야 한다.

알루미늄의 경우 -1200 mV 이하의 전위에서는 alkali corrosion이 발생하는 것으로 알려져 있다. 항복강도가 130,000 psi이상되는 고강도강의 경우일 수록 수소취성의 문제가 커지는 경향이 있다.

피복박리 영향을 고려하여 물탱크 등에서는 분극전위를 -1,120 mV(CSE) 이내로 제한할 것을 권장하고 있으나 매설배관처럼 토양조건에서는 피복박리에 의한 문제가 수용액상태와 비교하여 상대적으로 작다. 국내에서는 매설배관에 적용하기 위한 과방식기준의 타당성을 검증하기 위한 연구가 최근에 있었으며 연구결과로서 수소문제와 피복박리 문제 등을 고려하고 금속의 종류와 피복의 종류에 따른 과방식기준을 제시하기도 하였다.

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