A Beginners Guide to Corrosion Protection of Buried Pipes

 

Beginner's Guide to Cathodic Protection 요약

소개

파이프라인 산업 분야의 부식 방지 기술인 전기방식(Cathodic Protection, CP)에 대한 초급자 가이드입니다 전기방식 시스템의 기본 원리와 적용 방법을 이해시키는 것을 목표로 합니다.

부식의 원인 및 비용

부식은 금속이 자연 상태로 되돌아가려는 에너지 보존 법칙에 의해 발생합니다. 전 세계적으로 연간 부식 비용은 약 2조 5천억 달러에 달하며, 기존 기술을 통해 80%를 예방할 수 있습니다. 따라서 적절한 부식 방지 시스템의 중요성이 강조됩니다.

부식 방지 시스템의 구성 요소

부식 방지 시스템은 일반적으로 다음과 같은 두 가지 주요 구성 요소로 이루어집니다:

• 코팅(Coatings): 파이프의 1차 부식 방지 수단으로, 파이프와 부식성 환경 간의 직접적인 접촉을 차단합니다. 코팅의 종류, 적용 방법, 보관 및 운송 중 손상 방지 등이 중요합니다.
• 전기방식(Cathodic Protection, CP): 코팅의 결함(holiday)이나 손상된 부위에서 발생하는 부식을 보완하거나 억제하는 데 사용됩니다.

전기방식의 기본 원리

전기방식은 전기화학적 프로세스인 부식을 전기적인 방법으로 제어합니다. 핵심 원리는 옴의 법칙(Ohm's law, I = V/R)을 이용하여 전압(V), 저항(R), 전류(I) 간의 관계를 이해하는 것입니다. 전류는 전자의 흐름이며, 전자가 금속 표면에서 빠져나가는 것을 방지하여 부식을 억제합니다.

전기방식 시스템은 기본적으로 전기 회로와 유사하며, 다음 요소로 구성됩니다:

• 전원(Power source): 희생 양극(Sacrificial anode) 또는 외부 전원(Impressed current anode)
• 전해액(Electrolyte): 토양 또는 물
• 보호 대상 금속 구조물(Protected metal structure): 파이프라인
• 회로 연결(Circuit connection): 전선을 통해 연결

전기방식의 종류

전기방식 시스템은 크게 두 가지 유형으로 나뉩니다:

• 갈바닉 방식(Galvanic or Sacrificial Anode CP):
  • 자연 전위가 낮은 금속(마그네슘, 아연, 알루미늄 등)을 양극으로 사용하여 파이프라인을 보호합니다.
  • 외부 전원 공급이 필요하지 않지만, 전류 용량이 제한적입니다.
• 외부 전원 방식(Impressed Current CP):
  • 외부 DC 전원 공급 장치(변압기 정류기)를 사용하여 양극에 전류를 공급합니다.
  • 다양한 재료(혼합 금속 산화물, 실리콘 철 등)의 양극을 사용할 수 있습니다.
  • 전류 용량을 조절할 수 있어 장거리 파이프라인에 적합합니다.

전기방식 시스템 설계

전기방식 시스템 설계는 다음과 같은 요소를 고려해야 합니다:

• 코팅 품질 및 손상 정도
• 총 표면적
• 토양 저항
• 설계 수명
• 전기적 간섭(DC 또는 AC)
• 인접 구조물 및 파이프라인
• 도로, 하천, 철도 횡단

양극의 위치는 전류 분포를 최적화하기 위해 신중하게 결정해야 합니다.

전기방식 효과 평가

전기방식 효과는 파이프의 전위를 측정하여 평가합니다. 일반적으로 구리-황산구리 기준 전극(Copper-Copper Sulfate Reference Electrode, CSE)을 사용하여 -0.85V ~ -1.2V 범위의 전위를 유지하는 것이 좋습니다. 하지만 전위 측정 시 다양한 요인(전극 위치, 토양 저항, 전기적 간섭 등)을 고려해야 합니다.

DC 및 AC 스트레이 전류의 영향

DC 스트레이 전류(Stray Current):

• 전기 철도, 용접 작업, 태양광 발전 시스템, 풍력 발전 단지 등에서 발생할 수 있습니다.
• 파이프라인 부식 속도를 크게 증가시킬 수 있습니다.
• 금속 손실은 전류량에 비례합니다(패러데이 법칙).

AC 스트레이 전류(Stray Current):

• 고전압 전력선에서 유도될 수 있습니다.
• 부식 위험을 평가하기 위한 계산이 복잡합니다.
• 터치 전위(Touch potential) 문제도 발생할 수 있습니다.

결론

부식 방지를 위해서는 코팅과 전기방식 시스템을 적절히 설계하고 운영하는 것이 중요합니다. 특히 스트레이 전류는 파이프라인 부식을 가속화할 수 있으므로 주의해야 합니다. 전기방식 시스템의 효과적인 관리를 통해 파이프라인의 안전성과 수명을 확보할 수 있습니다.

추가 학습 자료로 Chris Atkins의 프레젠테이션과 NACE(National Association of Corrosion Engineers) 및 영국 부식 연구소(UK Institute of Corrosion)의 교육 프로그램을 참고할 수 있습니다.