스크랩 Re: 전기방식자료

[금방~산]

안녕하세요.

다움이[전석진]입니다.

이종금속부식에 관한 좋은 사례를 알려주셨어 감사합니다.

아래 도움이 될 만한 전기방식자료를 올려드립니다.

1. 전기방식의 역사

전기방식은 처음으로 1824년 영국의 Humphry Davy에 의하여 영국해군 선박에 아연판을 설치한 것이 시작이며 그후로 발전을 거듭하여 수십 년간 각종함선에 이용되고 있으며, 현재는 해안시설, 항만시설, 제품부두, 해중배관, 설비 등에까지 이용되고 있다.

지하매설 배관에 대한 최초의 전기방식은 미국의 New Orieans주의 Robert.J.Kuhn 이 1928년 장거리 지하가스관을 외부전원법으로 방식한 것으로, 이것의 우수성을 인정받아 현재 전세계의 기준으로 책정되었다.
국내에서의 전기방식적용은 1940년대부터 부식관계에 대한 연구가 부분적으로 이루어졌으나, 본격적인 연구 및 시공은 1970년대부터 이루어졌다

2. 전기방식의 펼요성

대부분의 금속은 자연상태에서 산화물이나 황화물 등의 광석으로 존재하며, 여기에 많은 에너지를 가해 환원작용으로 정련하여 금속으로 취하는 것이 보통이다.
따라서 이러한 금속은 자연상태에서 불안정한 상태에 있다고 보아야 하므로, 그 안정한 상태인 광석중의 산화물이나 황화물로 돌아가려는 자연발생적인 본능이 있으며, 이에 의하여 금속은 부식생성물인 녹을 형성하기도하고 때로는 용해해서 소모되기도 한다.
부식은 선체, 기관, 보일러, 해양구조물, 지하매설물, 화공장치, 원자력 발전소의 냉각수 계통 등에서 완만하게 일어나고 있으며 철의 생산량의 10∼20% 가 부식에 의해서 소모되고 있고 그 경제적 손실은 선진공업국에서도 GNP의 2∼3% 에 도달한다고 한다.

표 2.1에 나타낸 금액은 방식대책에 소요되는 직접손실 금액이며 부식사고로 인한 조업단축, 기계장치의 효율저하, 안정성 때문에 고가재료를 써야하는 소위 과잉설계에 따른 장치비등을 고려한다면 부식으로 인한 손실은 실로 막대하다고 볼 수 있다.

국 명	년 도	년간 부식손실액 (억불/년)	GNP에대한 비율(%)	절감 가능액의 비율(%)
영 국	1969	32	3.5	23
미 국	1975	700(간접손실포함)	4.2	15
서 독	1969	60	3	25
호 주	1973	5.5	1.5	-
소 련	1969	67	2	-
일 본	1974	92	1.8	-

<표 2-1> 각국의 년간 부식 손실액

또한 이상의 경제적 손실뿐만 아니라 성수대교붕괴, 가스누출 및 폭발사고, 당산철교의 철거 등도 시설물에 대한 방식대책을 소홀히 하므로 써 초래된 대형재해라 볼 수 있다.
따라서 이러한 부식손실을 줄이기 위해 현재까지 개발된 방식기술을 적용하면 약 25%정도를 절감할 수 있다고 Hoar의 보고서에 나와있다.
물이나 토양과 같은 전해질 속의 구조물에 대한 부식대책으로는 도장을 주로 사용해 왔으나 도장만으로는 구조물을 100% 방식하는 것이 불가능하므로 전기방식을 함께 적용함으로써 부식으로부터 완전히 벗어날 수 있다.

수리부분	RUDDER	STRUT	CHEST	HULL	계
도장방식	6,784	2,135	9,712	6,704	25,315
전기방식병용	1,338	874	2,760	708	5,680
유지비 차	5,446	1,261	6,952	5,996	19,635
절약율(%)	80	59	72	89.5	77.5

<표 2-2> 미구축함체의 평균 년간유지비($)(10척 평균 1척분)   3. 전기방식의 개요  

가. 금속의 부식

1) 금속의 부식

부식이란 금속의 분자가 주위환경과의 화학적 및 전기 화학적 반응에 의하여 나타난다. 즉, 금속은 에너지의 관점에서 더욱 안정된 화합물로 자연히 환원하면서 에너지를 방출한다. 그 에너지는 금속이 형성되면서 받았던 에너지를 의미한다. 이때 물의 존재 하에서 발생되는 부식을 습식, 물이 접하지 않는 상태에서 발생되는 부식을 건식이라 하여 구분한다. 여기서 건식은 고온에서 일어나는 것으로 가열시간이 길어지면 강철이 소비되어 두꺼운 막(Fe₃O₄)이 생성된다. 이러한 형태의 부식을 건식이라 하며, 습식은 수중, 토중 및 대기중에서와 같이 자연상태에서 일어나는 것으로 금속의 거의 모든 부식이 습식이며 이러한 형태의 부식을 자연부식이라 한다. 여기서는 주로 자연부식에 대하여 논하기로 한다.

2) 이종금속부식

양극 및 음극 : 다른 종류의 금속들이 서로 전기적으로 연결되어서 전해질 속에 들어있을 때 상대적으로 저전위 금속은 부식하고 고전위 금속은 방식 된다. 그림 3-1은 철과 동의 이종금속접속부식의 예이다.

철은 동보다 저전위 금속이므로 철의 양이온은 전해질로 들어가고 철의 전자는 연결부를 통하여 동으로 들어간다. 따라서 철은 부식하게 된다. 이 환경에서 저전위 금속인 철은 양극이 되고 귀금속인 동은 음극이 된다.

<그림 3-1 이종금속의 접촉부식>

가) 양극반응

Fe → Fe⁺⁺ + 2e ---------------------------------(1)
H₂O → H⁺ + (OH)^- -------------------------------(2)
Fe⁺⁺ + 2(OH)^- → Fe(OH)₂ -----------------------(3)
4Fe(OH)₂ + O₂ + 2H₂O → 4Fe(OH)₃ ------------------(4)

철의 결정은 자유전자로 포위된 철이온으로 되어있다. 철이 좀더 귀금속인 동에 전기적으로 연결되면 철 이온과 자유전자는 분리된다. 이 관계를 나타낸 식이 (1)식이다. 물의 일부는 항상 전기적으로 해리 되어 있다. 이 관계는 (2)식으로 표시된다. 철의 자유전자는 좀더 귀금속인 동에 의해 끌려가고(전류는 전자의 흐름과 반대로 흐름) 철의 양이온은 용액 속으로 들어가서 수산화이온(OH^-)과 반응하여 (3)식에 표시된 것과 같이 청색의 수산화 제1철 Fe(OH)₂ 가 된다.

물 속에 산소가 용해되어 있으면 (4)식에 표시된 반응이 일어나고 빨간색의 쇠녹인 수산화제2철 Fe(OH)₃ 가 된다. 이 쇠녹은 철표면에 단단히 밀착되지 못하는 관계상 부식을 억제하는 힘이 없다. 그러나 양극부근의 전해질 속의 수소이온 농도는 점차 커지게 된다.

주 : OH- 가 Fe++ 와 반응하여 소비되므로 아노드 주위는 H+ 가 집결되어 자연상태보다 산성이됨.

나) 음극반응

2H⁺ + 2e → 2H → H₂ ---------------------------(5)
2H + 1/2O₂ → H₂O ---------------------------(6)
1/2O₂ + H₂O + 2e → 2(OH)^- -----------------------(7)

물이 산성이 되면 (5)식과 같은 반응이 주로 일어나고 음극표면에 수소가 발생한다. 그러나 산소가 물 속에 용해되어 있으면 (6)식과 같은 반응이 일어나서 음극표면에는 수소가스가 발생하지 않는다.

중성 또는 알칼리성에서는 (7)식과 같은 반응이 주로 일어나고 수산화이온이 생성된다. 음극에 가까운 전해질은 반응결과 알칼리성이 된다

다) 분극(POLARIZATION)

전류가 양극과 음극사이에 흐르게되면 평형전위가 변화하게 된다. 이 경우를 분극되었다고하며 그림 3-2는 분극의 다이아그램이다.

E_A는 양극평형전위(개로전위)이고 Ec는 음극평형전위이다. E_A는 전류가 증가함에 따라 증가하며(즉, 좀더 귀금속 측으로 이동한다) 양분극선과 음분극선은 어떤전류치 Ic에서 교번한다. 이 점이 부식전류이다. 교번점의 전위 E_N가 부식전위(단일금속일 경우 자연전위가 된다.)를 나타내게 되며 E_A와 Ec 두 분극선의 기울기에 의하여 영향을 받게되고 여기서 음극반응이 (5)식에 의하여 결정될 경우 음분극선의 기울기는 크게되며 부식전류는 적어진다. 만약, 음극반응이 (6)식 또는 (7)식에 의하여 결정되면(산소가 용해질 속에 녹아있는 경우) 분극선의 기울기는 적어지며, 부식전류는 커진다. 산소 또는 음분극을 일으키는 이물질들은 필요인자중의 하나가된다.

분극선의 기울기는 여러 인자에 의하여 즉, 전극의 표면상태, 전해질의 PH, 산소 또는 다른 기체의 이온농도, 전해질의 온도속도 등에 영향을 받는다. 금속의 자연전위는 표준전위와 아주 다르며 그 부식은 그 금속의 자연전위에 따른다. 표 3-1에 몇 가지 물질 및 금속의 자연전위를 표시하였다.

METAL	POTENTIAL(V)	METAL	POTENTIAL(V)
Magnesium	-1.6	Hydreogen	-0.24
Zinc	-1.07	Brass	-0.20
Aluminum	-0.78	Copper	-0.17
Cadmium	-0.78	Bronze	0.14
Still, Iron	-0.45 -0.65	Stainless still	-0.08
Lead	-0.50	Silver	-0.05
Tin	-0.46	Gold	+0.18
Nickel	-0.24	Platinum	+0.33

<표 3-1 해수 속에서의 금속의 자연전위>
기준전극 S.C.E(포화 칼로멜 전극)기준

3) 단일금속의 부식

가) 국부부식

단일금속이 전해질 속에 있을 경우도 부식은 일어난다. 단일금속부식의 주된 원인은 금속표면의 미시적 및 거시적 불 균일성 때문이다. 구성성분, 불순물, 결정구조, 내부 응력, 표면상태 등에 있어 질의 불균일성이 존재하며 한편 전해질 속에도 많은 불균일성 즉, 이온의 농도, 산소, 함유된 다른 기체의 농도, 온도 등의 요소가 존재하게 된다. 따라서 금속이 전해질 속에 있을 경우 많은 미립의 이종금속접촉과 같은 현상이 되어 접촉부식전지가 형성되며 부식원리는 이종접촉부식과 같게 되어 금속표면에 서로 연속되어 있는 무수한 양극과 음극이 구성되는 것이다.

나) 통기차전지 및 농담전지

대기 중에는 산소가 존재하므로 대부분의 용액들과 토양은 다소간의 산소를 함유하고 있어 계층을 이루게 되며 따라서 산소의 농도가 다소라도 있는 곳이면 이러한 부식이 일어나게 된다. 통기차 전지는 국부부식을 일으키는 중요한 인자중의 하나이며 금속표면에 이온농도가 존재하는 곳이면 농담전지가 구성되고 국부부식의 원인이 되는 것이다.

4) Pourbaix Diagram (전위 - PH 도)

최근에 가장 현저한 발전의 하나가 금속부식에 영향을 미치는 화학평형과 PH사이의 Diagram의 작성이다. 이 Diagram의 특성은 영역을 "안정태역", "부식역", "부동태역"으로 구분하고 있다. 이 Diagram은 M. Pourbaix 가 연구 발명한 것으로 그림 3-3에 철의 성질에 대한 Pourbaix Diagram을 표시한다. 그림 3-3과 같이 중성용액중의 철편의 전위와 그 용액의 pH가 0점으로 표시되면 그 철편에는 산소 소모형 부식이 일어난다. 철편의 전위와 용액의 pH가 그림 3-3에서 0의 위치에 있을 때 그 철편의 방식법으로는 전위를 낮춰서 안정태역으로 가져가는 ①의 방법, 전위를 높여서 부동태역으로 가져가는 ②의 방법 및 그 용액의 pH를 높여서 부동태역으로 가져가는 ③의 방법등 세가지를 들수 있다. 이들의 방식법은 모두 실제 방식법으로서 많이 활용되고 있으며, ①은 피방식체를 음극으로 해서 방식이 이루어지는 음극방식법, ②는 피방식체를 양극으로 해서 방식이 이루어지는 양극방식법, 그리고 ③은 용액중에 부동태화제를 첨가함으로서 이루어지므로 부동태화제법이라 한다.
만일 Stray Current가 금속으로 들어가서 어떤 점에서 유출된다면 유출지점은 부식하게되며 부식율은 금속에 유출되는 전류의 량에 비례하게 될 것이다.

나. 전기방식의 원리

1) 전기방식의 일반적 개념

<그림 3-4 전기방식의 원리>

그림 3-4은 외부전원식 전기방식의 원리를 그림으로 나타낸 것으로서 피방식체는 직류전원의 (-)극에 연결되고 양극은 (+)극에 연결된다. 피방식체는 무수한 국부음극과 국부양극으로 구성되나 여기서는 편의를 위해 1개의 국부양극과 2개의 국부음극을 도시하였다. 국부음극의 전위는 국부양극의 전위보다 높으므로 전자는 전선을 통하여 음극부로 가게된다. (전위가 높은 측으로 전자가 간다고 본다) 즉, 전류가 전해질을 통하여 음극부로 유입하는 것과 같으며 전류의 흐름에 의하여 음극의 전위는 양극의 전위와 평형을 유지할 수 있는 전위까지 낮아질 것이다.

다시 말하면, 음극과 양극의 전위가 동전위가 되고 부식은 정지하는 것이다. 더 나아가 전류를 증가시키면 금속전위가 더욱 낮아지나 이것은 부식제어에는 별 도움을 주지 못한다. 여기서 국부양극과 동전위가 되는 국부음극의 전위를 "부식전위"라 하고 방식전위에 도달하기 위하여 필요한 전류를 "방식전류"라 칭한다. 또 "방식전류밀도"란 실제음극방식에 필요한 단위면적당 전류의 양을 말한다.

2) 방식전위

방식전위는 금속의 최저 양극전위와 일치하고 주위환경 즉 전해질의 종류가 정해지면 수식적으로 계산이 가능하다. Pourbaix Diagram에서 "부식역"과 "안정태역"간의 수평선이 방식전위이고 음극방식이 가능한 금속은 안정태역에 있게되며 방식전위는 실험 또는 경험에 의하여 알 수 있다. 부식율을 금속의 전위에 의하여 측정할 경우 부식율은 금속전위가 감소함에 따라 감소할 것이며 결국 어떠한 전위에서는 부식율은 영이 되고 만다. 이 전위를 방식전위라 하게 되며 표 3-2에 몇 가지 금속에 대한 방식전위를 예로서 표시한다.

기준전극재료	Cu/CuSO4 (포화황산동전극)	Ag/AgCl/해수 (해수염화은전극)	Ag/AgCl/포화 KCl	Zn/해수 (해수아연전극)
강	-0.85 -0.95	-0.8 -0.9	-0.75 -0.85	+0.25 +0.15
연 동계합금 알루미늄	-0.6 -0.5 ∼ -0.65 -0.95 ∼ -1.2	-0.55 -0.45 ∼ -0.60 -0.90 ∼ -1.15	-0.50 -0.40 ∼ -0.55 -0.85 ∼ -1.10	+0.5 +0.60 ∼ +0.45 +0.15 ∼ -0.10

<표 3-2 영국의 음극방식 기준전위> CP 1021(V)

금속의 방식전위를 모를 경우에는 그 금속의 자연전위에서 0.2 ∼ 0.3V 강하시키면 방식이 되며 방식효율을 금속의 전위측정으로 곧 알 수 있는 방식법이 음극방식인 것이다. 다른 방식방법을 이용할 경우에는 결과를 아는데 상당한 시간을 필요로 한다.

3) 방식전류밀도

피방식체의 부식이 큰 경우에는 많은 방식전류밀도를 필요로 하며 방식전류의 양은 부식전류의 약 1.2배 정도이다. 방식전류밀도는 금속표면상태 즉 도장상태 등의 조건에 의해 결정된다. 만일 해수중에서 방식전류를 공급하면 음극주변의 PH는 커지고 (알카리성) 다음과 같은 반응이 일어나게 된다.
Mg⁺⁺ + 2(OH)^- → Mg(OH)₂ --------------------------- (8)
Ca⁺⁺ + HCO₃ + (OH)^- → CaCO₃ + H₂O ----------------- (9)

Mg(OH)₂와 CaCO₃는 물에 난용성이므로 금속표면에 부착할 경우 엷은 막으로써 그 표면을 보호하게 된다. 즉 이런 현상을 "ELECTRO COATING"이라 한다. 이런 현상에 의하여 장시간 방식전류를 공급할 경우 ELECTRO COATING은 초기의 전류밀도보다 감소하게 되어(약50%까지 감소) 소요전류를 작게 하는 것이다. 예로서 0.5A/M₂정도의 전류밀도로 폐쇄된 곳에서 약1주일, 개방된 곳에서는 약2주일 정도 공급하면 효과적인 Electro Coating Film을 얻을 수 있다. 방식전류는 많은 요인의 작용에 의하여 달라지므로 방식전류밀도를 결정하기 위해서는 깊은 연구와 풍부한 경험을 필요로 한다.

4) 외부전원법

그림 3-3에서 외부전원방식법의 원리를 보인 것과 같이 전원은 반드시 직류로서 공급원은 정류기나 직류발전기를 사용한다. 일반적으로 실리콘 정류기가 사용되며 양극의 종류는 여러 가지가 있으나 국내에서는 주로 H.S.C.I ANODE, M.M.O ANODE, Pb-Ag ANODE, Pt-Ti ANODE등이 많이 사용되고 있다.

외부전원 방식에 사용되는 양극
외부전원방식은 직류전원을 이용해 보조전극을 정극으로, 피방식체를 부극으로 통전하는 방법이다.
보조전극으로는 흑연, 납합금, 고규소철, 산화철, 백금도금티타늄 등이 이용된다.

직류전원에는 교류전원을 이용한 실리콘 정류기가 많이 이용되는데 소비전력이 작은 경우에는 연료발전기, 풍력발전기, 태양전지등을 이용하기도 한다. 또한 환경의 변화에 따라 소요방식전류가 변동하는 경우나 과방식의 위험이 예상되는 경우에는 방식전류를 자동조절할 수 있는 정전위장치가 사용된다.

5) 희생양극법

피방식체가 그보다 저전위 금속에 연결되면 방식 된다.
그림3.1에서 보인 것과 같이 동은 철에 의하여 방식이 이루어지며 철은 철보다 저전위 금속인 아연이나 알루미늄, 마그네슘등에 연결되면 방식이 가능하게 되어진다. 이러한 원리를 이용한 것이 희생양극법이며 양극의 종류로는, 마그네슘합금, 고순도 아연, 알루미늄 합금 양극 등이 많이 사용된다.

1. 희생양극의 종류

희생양극은 사용기간중 피방식체에 대한 유효한 전위차를 가지며, 단위중량당의 발생전 기량이 크고 용해가 균일한 것이 바람직하다. 실용되고 있는 희생양극재료는 아연, 마그네슘 및 알루미늄 금속 또는 합금으로 이들의 대표적인 것으로는 아래와 같다.
(1) 마그네슘계 양극 마그네슘 양극에서는 양극성능에 미치는 합금원소 및 미량의불순물의 영향이 연구된 결과, Fe, Ni, Cu의 미량불순물은 전위와 효율을 악화시키지만 Mn의 첨가는 Fe의악영향을 억제하는 것으로 판명되어 상기 불순물이 극히 적은 고순도 Mg, Az63 합금 혹은 Mg-Mn 합금이 사용된다.
. 마스네슘계 양극은 자기부식성이 크고, 효율이 낮은 반면 가장 낮은 전위이므로 저항율이 높은 토양중이나 담수중에서 많이 사용된다.

(2) 알루미늄계 양극 알루미늄계 양극은 1964년경부터 각국에서 연구개발이 진행되었다.
알루미늄계 양극에서는 Al이 부동태화하기 쉽고, 불순물(Fe, Cu)이 성능에 악영향을 미치므로 이것을 방지하기 위해서 비교적 고순도의 Al-Zn이나 Al-Zn-Mg에 적당량의 In, Si, Hg, Ti, Ca, Ga, Sn, Bi 등을 첨가한 여러종류의 합금이 있다.
이들의 대표적 조성 예를 표 3에 나타냈다. 알루미늄 합금양극은 발생전기량이 마그네슘 합금의 2배, 아연 합금의 3배로 크기 때문에 경제성이 뛰어나다.

(3) 아연계 양극 아연계 양극은 160년 전부터 이용되어 오다가 제 2차대전후 불순물인 Fe가 양극성능을 악화시키는 것으로 밝혀지면서 당초 Fe 함유량 0.0015% 이하의 고순도 아연에서 아연에 0.2∼0.5%의 Al 및 적당량의 Cd, Si 등을 첨가한 합금이 균일 용해성이 우수한 것이 판명되자 현재 이 Zn-Al-Cd 합금이 해양환경에서 널리 사용되고 있다. 단,고온환경(＞50℃)에서는 Zn-Al-Cd 합금은 입계부식을 일으키는 경향이 있어 순아연 또는 Cd를 포함하지 않는 Zn-Al 합금을 사용한다.

2. 희생양극의 특성과 용도

희생양극은 500?·cm 이하의 비저항을 가진 수도수, 하천수 및 해수중에 Al 합금양극이 적당하고, 그 시판은 전류효율이 예외품을 제외하면 90∼95%이고, 해수중의 전위는 -1.05∼-1.15V(염화은전극)이며, 용량은 2700∼2800Ah/kg이다.
또 500?·cm 이상의 수도수, 우천수중에서는 Zn 합금이 적당하고, 그 시판품의 전류효율은 95%, 해수중의 해수는 -1.05V, 용량은 780Ah/kg 정도이다. Zn 합금양극은 해수중에서도 많이 사용되었으나 경제적 견지에서 점차로 Al 합금양극으로 대체 되고 있다. 1500?·cm 이하의 비저항을 가진 토양은 부식성이 강하며 이와 같은 곳에는 Zn 합금양극이 적합하다.
1500∼1600?·cm의 비저항을 가진 토양에는 Mg 합금양극이 적합하고 반드시 백필로 싸서 사용하여야 한다.유조선의 발라스트탱크와 같이 화재의 위험이 있는 곳의 방식에는 Zn 합금양극과 Al 합금양극이 사용되고 있으며, 특히 후자는 낙하시의 폭발위험 때문에 27.65kg·m 이하의 곳에만 붙이도록 제한되어 있다.

6) 외부전원법과 희생양극법의 비교

구 분	외부 전원법	희생(유전) 양극법
효과성	1. 대규모 구조물에 효과적 2. 효과 범위가 넓다 3. 인접 시설물에 전식 영향의 가능성이 있다	1. 소규모 구조물에 효과적 2. 효과범위가 좁다 3. 양극의 분산 설치가 가능하므로 전류 분포 균일 4. 인접한 타 시설물에 영향을 주지 않는다.
시공성	1. 협소한 장소에 설치 가능 2. 타 공사에 영향이 없다 (독립적 작업 가능)	1. 시공이 간단하고 편리 2. 타 공정에 영향을 줄 수 있다
경제성	1. 소규모 구조물 : 고비용 2. 대규모 구조물 방식시 초기투입비가 저렴 3. 지속적 전원공급을 요하므로 유지비 필요	1. 소규모 구조물 : 저렴 2. 대규모 구조물 : 양극당 출력 전류가 적어 많은 양을 설치해야 하므로 자재비, 인건비가 외부전원법 보다 많이 소요 3. 비저항이 높은 환경에는 비경제적
유지관리	1. 시공후 정류기 조정으로 전류 조정이 가능 2. 정류기 및 배관, 배선등 유지 관리 필요	1. 인위적인 유지관리 불필요 2. 전류 조절이 불가능

 

4. 전기방식의 응용

 

가. 항만시설

항만의 건설을 위하여는 Steel Pile, Sheet Pile, 철판, "ㄷ"형강, "ㄱ"형강, 환봉등 무한량의 철강이 쓰이며 이들은 해수, 토양중 혹은 습기가 많은 공기등 강한 부식성 환경에 놓이게 된다. 따라서 철의 부식율은 상당히 크게되며 해수나 토양중에 있는 철구조물 방식용 도장은 급격히 열화되므로 도장 한가지 방법 가지고는 완전한 방식을 기대 할 수 없다. 따라서 전기방식은 이들 구조물에 적용시켜 방식을 장기적으로 시행하게 된다. 최근에까지 항만시설 구조물에는 콘크리트 구조물을 많이 이용하여 왔으나 철구조물에 전기방식을 적용할 수 있게 된 이후로는 건설기간도 짧고 저렴한 철구조물을 많이 이용하게 되었다. 전기방식기술의 발달로 철구조물이 콘크리트 시설물과 비교할 수 있게 된 근대에는 항만시설의 대부분이 철구조물로 시공되고 있는 실정이다. 대기중에 노출되는 철구조물은 통상 콘크리트-그라우팅, 도장 혹은 방식용 테이프를 이용하고 있다. Splash Zone에 놓인 방법은 Zinc Rich Paint (아연페인트, 보통광명단, 테라스톤등으로 부름)로서 하부 도장을 하고 Epoxy Coal Tar로서 상부도장을 하는 것이 보통이다.

1) 외부전원식 전기방식 외부전원식을 이용할 경우는 아래와 같다.

가) 연 결

모든 철구조물은 직류전원의 (-)배선단자에 연결하게 되며 연결재로는 철환봉을 이용하고 Steel Pile이나 Sheet pile에 용접하게 된다. (-)배선단자는 적당한 지점의 배류점에서 Pile에 용접하게 되며 전위측정용 단자는 적당한 위치에서 Pile에 용접하면 된다. (-)배선단자와 측정용 단자는 공용하여서는 안 된다. 그 이유는 만일 (-)단자에서 음극전위를 측정하면 (-)배선중의 IR Drop (V=IR)에 의한 전압강하가 포함되어 오차를 수반하기 때문이다.

나) 방식전류밀도

해수 중에 설치된 철구조물의 적당한 방식전류밀도는 80 ∼ 120mA/㎡으로 하고 있으며 하구의 경우는 더 높은 전류밀도(120mA/㎡이상)를 소유하고 있다. 그 이유는 하구의 통기성은 통기차 전지나 이온 농도차 전지 현상관계로 단순 해수중의 부식성보다 크기 때문이다. 방식면적이 10,000㎡보다 큰 철구조물에 대하여는 80 ∼ 90mA/㎡정도의 전류밀도면 충분하고 보통 해수 중에서는 100mA/㎡을 기준으로 하고 있다. 해저상에 대하여는 보통 15 ∼ 20mA/㎡으로서 20mA/㎡을 기준으로 하고 토양 중에 존재하는 항만용 철구조물의 방식전류밀도는 5 ∼ 15mA/㎡기준으로 10mA/㎡을 택하고 있다. 이 전류치의 반은 해수측 전 극(양극)으로 공급 가능하고 잔여분은 토양측 전극에서 공급된다. 도장된 철구조물에 대하여는 나철 구조물의 경우보다 30 ∼ 50%로 하는 것이 보통이다.

다) 전 극(양극)

외부전원식 양극의 재료로서는 자성산화철, 연은합금, 고규소철 및 백금티타늄이 사용되며 일반적으로 전극의 설치방법으로는 길이방향으로 세워서 설치하는 방법을 주로 택하고 있다. 때때로 전극을 해저상에 설치하기도 하나 전극이나 연결전선이 준설시 파손되므로 각별한 주의를 필요로 한다.

라) 배관 및 배선

해수중에 사용되는 전선은 특수케이블을 사용하여야 하며 모든 연결부는 완전밀폐형으로 연결되야하고 만일 연결부의 절연이 불완전하게되면 그 부분에서 양극전류의 누출현상으로 인하여 단기간 내에 단선된다. 따라서 가능한 접속개소를 줄이도록 설계해야하며, 전선의 보호를 위하여 배관이나 특수케이블을 사용한다.
<그림 4-1 외부전원법 배선도>

2) 희생양극식 전기방식

 

희생양극식 경우에도 방식대상물의 소요전류밀도는 외부전원식과 동일하나 통상 희생양극 1개당 방식대상면적은 외부전원식에 비하면 상당히 적다. 발생전류 및 수명에 따라 양극의 수량을 계산에 의해 조정하며 경제성도 생각해야한다. 국내에서는 일반적으로 희생양극식이 많이 채용되고 있는 실정이며 사용양극으로는 아연, 아연합금, 알루미늄합금 등이 많이 사용된다.

나. 지하매설관 및 수중배관

지하매설관이나 수중배관의 방식은 주로 도장이나 Wrapping으로 하며 도장재료로는 보통 Coal Tar나 Asphalt이고 Wrapping재료로는 PE테이프, 마스틱 테이프 등이 사용된다. 관의 매설전 도장의 결함은 Holiday Detector (Pipe Line의 도장불량개소를 찾아내는 기구의 일종)등으로 점검하여 불량개소를 보완 후 매설하나 모든 결함이 완전히 제거되지는 않는다. 만일 이런 개소가 남아있을 경우에는 이런 부위가 양극으로 작용하여 국부부식을 일으키게 된다. 이러한 경우 대개가 배관의 손상부가 급속히 부식하여 구멍이 생기는데 이 경우 막대한 손실이 있으므로 Coating이나 Wrapping에 전기방식으로 보강하여 완전히 부식으로부터 보호될 수 있다.
1) 지하배관 방식시 예비조사

 

어떤 지하배관을 방식할때는 기초조사를 해야하며 조사할 사항은 토양의 비저항 및 토양내부의 누설전류의 변화, 방식 하려는 배관과 타배관이 교차 또는 병행하는지 여부, 인접개소에 지하철이 있는지 여부, 지하케이블의 현황, 도장상태 및 Wrapping의 종류 등을 조사한다.

2) 방식방법의 채택

조사결과 지하철의 간섭을 받을 경우 배류기를 설치토록 하며, 일반적으로 산이나 들에 매설된 배관은 외부전원법으로 하고 도심이나 인가가 인접된 지하철구조물이 있는 복잡한 도심에서는 희생양극식이 효과적이라 할 수 있다. 그 이유는 도심의 복잡한 지역에서 외부전원식으로 할 경우 타 배관 또는 케이블에 피해를 야기시킬지 모르기 때문이다.

3) 전류의 분포

 

전류의 분포는 파이프 코팅과 토양의 비저항에 의해 좌우되고 파이프 코팅이 양호한 경우는 코팅재질의 전기전도도에 의하여 달라지며 방식전류밀도는 시간의 경과에 따른 파이프 코팅의 열화에 의하여 그림 4-2에서 표시된 것과 같이 변화하기 때문에 파이프 코팅이 시간에 따른 열화 후 안정된 상태에서 필요로 하는 전류밀도를 고려하여야 한다. 그림 4-2에서 파이프라인코팅의 열화는 파이프 매설 후 약1년이 경과하여야 안정된다는 것을 알 수 있으며 기타 파이프 코팅에 대한 소요 전류밀도를 표 4-1에 표시하였다.

COATING 종류	비저항 (ohm-cm)	전류밀도 (mA/m2)
Bare STEEL	300 300 ∼ 1,000 1,000 ∼ 5,000 5,000 ∼	30 ∼ 50 20 ∼ 30 10 ∼ 20 5 ∼ 10
Asphalt		5 ∼ 15
Coal tar Enamel, Glass Mat		0.1 ∼ 0.3
Asphalt Mastic		0.05 ∼ 0.15

<표 4-1 배관도장상태에 대한 방식전류밀도>
 

외부전원식의 경우에는 배류점 사이의 거리가 대단히 먼 관계상, 전류의 분포와 Pipe Line의 전위가 균일함을 보여주지 않는다. Pile Line이 Pile Line을 따라서 놓여있는 몇 개의 Anode Bed (전극군)로 방식 되고 있다면 각 Anode Bed는 가까운 구간의 전위분포에 영향을 미치게 되고 가까운 구간의 전위분포에 영향을 미치게 되고 그 전위분포는 그림4-3과 같이 된다. 전위는 배류점의 최고치로부터 최소방식 전위치로 떨어지게 되고 그 지점에서 다음 Anode Bed에서 유출되는 전류와 마주치게 된다. 이런 것이 반복되어 다시 다음 Anode Bed의 배출점에서 최고치에 달할 때까지 점진적으로 상승하게 된다.

<그림 4-3 전 위 분 포 도>   4) 전기방식 설비 예   * 외부전원식 전기방식의 예를 그림 4-4에 표시한다.
( DEEP WELL ANODE BED )( SHALLOW ANODE BED ) <그림 4-4 지하배관의 외부전원식 전기방식 설치예>

 배류점 사이의 거리는 통상 5 ∼ 15KM정도로 하고 있으며 이 간격은 주로 코팅의 질에 의하여 좌우된다. 양극으로는 고규소주철양극(HIGH SILICON CAST IRON ANODE)에 COKE BREEZE로 BACKFILL하여 사용한다. GROUND BED의 위치선정은 한 구간에 있어서도 토양의 비저항이 가장 낮은 지점을 선택하여야 하고 SHALLOW BED인 경우는 배관에서 약 100 ~ 150M 정도 이격시켜야 한다.  

* 희생양극식 전기방식의 예를 아래와 같이 도시하였다. 보통 마그네슘양극의 백필제로는 벤토나이트, 망초, 석고를 혼합하여 사용한다.

  ( 수중부 설치도 )( 지중부 설치도 ) < 그림 4-5 희생양극식 전기방식 설치예 >
       

 

가. 관대지전위 측정법

 

1) 개요

전기방식이 적용된 시설의 전위측정은 방식상태의 판정뿐만이 아니라 과거의 결과와 비교 검토함으로써 추후의 방식상태 예상, 방식시설의 보수, 교체시기, 타시설물과의 간섭 여부 등을 알 수 있으므로 전기방식 시설의 유지보수를 위한 가장 기본이 되는 작업이다.

2) 측정방법

가) 관대지전위 측정의 가장기본이되는 경우는 아래그림과 같이 단독배관이 비포장 지역에 매설되어 있는 경우이다. 이 경우는 배관의 직상부의 목적하는 위치에 설치하고 전위를 측정하면 그 때의 전위가 바로 배관의 전위이다.

< 그림 5-1 비포장지역 관 대지전위측정 >

나) 관 대지전위 측정에서 방식담당자를 당황하게 하는 것 중 하나는 포장도로 또는 보도 블럭등의 하부에 배관이 매설되어있어 기준전극을 토양에 설치할 수가 없는 경우이다. 이 경우에는 기준전극을 측정함 내부에 노출되어 있는 토양에 접촉시키는 것이 가장 정확하나, 이 방법이 불가능할 경우에는 배관에서 가까운 토양(통상 30M이내)에 설치하여 전위를 측정한다.

이 때의 전위는 배관 직상부에서 측정한 전위보다 조금더 (-)방향의 전위가 나타나는 경우가 있으나 폴리에틸렌코팅이 된 배관에서는 별문제가 되지 않는 오차이다.

* PE코팅은 전기저항이 대단히 크므로, 기준전극을 배관의 직상부에 설치한 경우의 기준전극과 배관사이의 저항, 기준전극을 먼 곳에 설치한 경우의 기준전극과 배관사이의 저항이 별 차이가 없으므로 측정결과에는 큰 차이가 없다.

< 그림 5-2 포장지역 관 대지 전위측정 >

3) 방식전위 측정기준(Cu/CuSO₄ 기준전극 기준)

 

규 격 명	적정방식전위	과방식 한계전위
국 내 법 규 (상자부고시 제1993-42호)	-0.85V(-0.95V)이하	-2.5V
KOGAS (연구개발원)	-1.0 ∼ -2.0V	-2.5V
N A C E (Standard RPO169-92)	-0.85V(-0.95V)이하	알루미늄관 : -1.2V 강 관 : 규정없음
ARAMCO (Engineer Standard)	-0.85V(-0.95V)이하	-5.0V
B S I (Standard)	-0.85V(-0.95V)이하	-2.5V

5. 관리 유지

나. 관리요령

1) 개요

관 대지전위 측정결과로써 배관의 상태를 판단하고, 방식시설의 보수, 교체시기, 타시설물의 간섭여부 등을 예상하여 사전조치를 취하도록 한다.

2) 배관의 전위가 -0.85V보다 더 (+)방향인 경우

가) 희생양극인 경우

① 과거의 측정치가 서서히 (+)방향으로서 변화되었으면 양극의 수명이 다 된것으로 판단한다.
② 과거의 측정치가 -1,000mV보다 더 (-)방향으로서 충분한 전위여유가 있었는데, 갑자기 -850mV보다 (+)방향이면 양극의 절단, 비방식된 타배관의 접촉 등을 예상할 수 있는데 상당한 양의 양극이 절단된 경우가 아니면 배관의 전위가 -850mV보다 크게 (+)방향으로 되지는 않는다.
그러나 비방식된 타배관이 접촉하면 배관의 전위는 접촉초기에는 -500mV 정도 되는 경우도 있으나, 1개월 이내에 곧 -400mV보다 (+)방향으로 된다.
이 경우에는 타배관의 크기 및 코팅재질에따라 차이가 많으므로 정밀조사가 필요하다.
③ 배관의 전위가 처음부터 -850mV에 미달되는 경우는, 설계상 충분한 물량의 양극이 설치되었는데도 전위미달이면 근접하는 타배관에 접촉된 것이거나 절연에 문제가 있는 것이므로 타배관을 찾아서 분리하거나 절연상태등을 점검하여야 한다.

나) 외부전원법인 경우

① 외부전원법은 방식전류를 정류기를 통해서 조정이 가능하므로 정류기의 출력을 조정하여 방식전위가 -850mV 이하가 되도록 조정한다.
② 출력을 최대로 올렸는데도 방식전위가 요구치 이상 안나올 경우에는 먼저 설계서를 검토하여, 설계상의 방식소용전류와 실제 투입된 전류를 비교한다.
이때 실제 투입된 전류가 설계전류보다 많으면 근접한 타배관에 접촉된 것이거나 절연에 문제가 있는 것이므로 타배관을 찾아서 분리하거나.
절연상태 등을 점검하여 절연조치를 하여야 한다.
설계상의 전류보다 실제 흐르는 전류가 적은 경우는 설계나 시공이 잘못된 경우이므로 설계가 잘못된 경우는 현장여건에 맞게 재설계 하도록 하며, 시공이 잘못된 경우는 원인을 찾아서 보수를 하도록 한다.

3) 배관의 전위가 심하게 움직이는 경우

① 전철과 같은 변동하는 전원에 의해 영향을 받기 때문이며 이 경우는 전류가 누출되는 지점에서 심한 부식이 예상되므로 긴급히 조치를 취해야 한다.
② 배관에 교류가 혼입되는 경우로 대부분 인접부근에 변전소나 철탑, 특고압 전주등이 위치해 있으며, 이 경우는 전문회사에 의뢰해서 조치하는 것이 좋다.

4) 정류기 점검

외부전원법에 의해 토양중 시설물을 전기방식을 하는 경우에는 자동, 수동에 관계없이 전압은 법규에 의해서 60V를 초과할 수 없으며, 사용전압 및 전류도 정상적인 상태에서는 거의 변화가 없다.

① 전압은 변화가 없는데 전류가 갑자기 감소한 경우
- 수동 정류기 : (+),(-) 전선의 절단이 예상된다.
- 자동 정류기 : 자동장치의 고장이 아니면 타 전원에 의한 전류가 유입되어 전위 분포에 변화가 있으므로 전위의 정밀조사를 시행하고 타 전원의 유입을 차단시켜야 한다.
② 전압은 변화가 없는데 전류가 갑자기 증가한 경우
- 수동 정류기 : 양극에 타시설물이 접촉되어 그 시설물이 양극으로 작용하고 있거나, 피방식체가 소규모였는데 규모가 증가한 경우
- 자동 정류기 : 피방식체가 소규모인 경우만 해당되며 피방식체의 증가 또는 타시설물이 피방식체에 접촉 방식면적 증가로 인한 소요전류 증가 또는 환경(계절, 날씨등)의 변화로 인하여 전위분포에 변화가 있을 수 있다.
③ 전류는 변화가 없는데 전류가 갑자기 증가한 경우
- 수동 정류기 : 있을 수 없는 현상으로 정류기 고장
- 자동 정류기 : 양극이 부분적으로 절단되었거나 수명이 다 되었다.
④ 전류는 변화가 없는데 전압이 감소하는 경우
- 수동 정류기 : 있을 수 없는 현상으로 정류기 고장
- 자동 정류기 : 양극에 타시설물이 접촉되어 그 시설물이 양극으로 작용하고 있다.
⑤ 전압, 전류가 증가하는 경우
- 수동 정류기 : 있을 수 없는 현상으로 정류기 고장
- 자동 정류기 : 피방식체의 면적이 증가하는 경우로 피방식체를 조사할 필요가 있다.
⑥ 전압, 전류가 감소하는 경우
- 수동 정류기 : 있을 수 없는 현상으로 정류기 고장
- 자동 정류기 : 피방식체의 면적이 감소하는 경우로 피방식체를 조사할 필요가 있다.

다. 절연후렌지의 절연상태 점검방법

방식기술자가 MEGGER TESTER를 가지고 기시공된 배관의 절연측정을 하려고 한다면 잘못된 방법이다.
왜냐하면 절연부분의 양쪽배관이 어떤 형태로든 땅과 전기적으로 연결되어 있으므로 절연부분이 아무리 완벽해도 MEGGER TESTER의 양단에 걸리는 전압은 최소 500V 이상이 걸리므로 토양을 통해 회로가 구성되어 완벽한 결과를 얻을수 없다.
따라서 전기방식에서의 절연측정은 직류전압을 측정할 수 있는 일반 멀티테스터기로 절연후렌지 양단의 전위차를 측정하여 전위차가 나타나면 절연이 양호한 것으로 판단하는 것이 정확하다.
① 절연후렌지의 절연상태가 불량하다고 판단되는 것은 극히 드문 예지만 조사가 용이하기 때문에 우선 절연가스켓의 이상유무를 조사한다.
이 조사는 육안으로 양쪽 후렌지의 면이 서로 접촉되지 않았는지 확인하는 것으로 완결된다.
② 가스켓에 이상이 없으면 절연볼트를 조사하여야 한다.
절연볼트의 조사는 일반테스터기 또는 메가테스터기를 사용하여 조사할 볼트와 후렌지 사이의 저항을 측정하여서 저항이 1M- 이하인 것을 하나씩 교체해 나간다. (이 수치는 규정은 없으나 송유관의 경우는 자체적으로 10,000-을 기준으로 사용한다.)
③ 가스켓과 볼트의 절연이 완벽한데도 절연이 불량한 상태로 나타나는 예는 극히 드물므로 절연부분의 좌우가 타시설에 의해서 접촉되지 않았나를 조사하는 것이 순서이다.

라. DIODE BOX 점검방법

이 장치는 내전압이 낮으므로 600V 이상의 전압이 유입되면 파손될 수 있다. 그러므로 점검을 자주 해야 하나, DIODE가 손상되었다고 해서 순간적으로 큰 문제가 발생하는 것은 아니고, 단지 절연을 하지 않은 것과 같은 상태가 되므로 방식범위가 넓어져 방식배관의 전위가 불량해진다.
DIODE BOX의 손상여부는 우선 배관에 연결된 전선을 분리시키고 그 전선이 연결되었던 두 단자사이의 저항을 체크하여 저항이 수십- 이하로 나타나면 적어도 어느 한개의 DIODE가 손상된 것이므로 하나씩 분리시켜 점검한다.