음극방식(Cathodic Protection)

가공된 금속이 부식환경속에서 부식이 일어나지 않게 하든지 또는 부식속도를 느리게 하여 산업현장에서 원하는 수명기간동안 안전하게 사용할 수 있도록 하는 것이 방식(Corrosion Prevention)이다.

음극방식의 원리는 산용액속에서 금속의 용해를 고려하면 이해할 수 있다.

M → M⁺ⁿ+ ne ①

2H + 2e → H₂ ②

여기서 음극반응은 방식되어야 할 금속에 전자를 강제 공급하여 주어 ①반응을 억제, 즉 용해속도를 줄이는 것이다

즉 전류가 전해질에서 금속으로 들어가면 금속의 부식을 방지하고 반대로 금속에서 전해질로 들어가면 부식은 가속된다.

이와같이 전류가 강제로 전해질에서 금속으로 들어가도록 하는 음극방식에는 인위적인 “외부전원공급 방법”과 "Galvanic Couplin형성“의 2가지 방법이 있다.

아래 그림과 같이 외부 DC 전원공급이 배관에 연결하되(-)단자가 탱크에 연결되고 (+)단자가 인공의 불활성 양극 Graphite에 연결된다.

이때 전선은 전류의 누설이 없도록 절연되어야 하며 양극은 코크스분, 석고등으로 구성된 물질로 되메움(Backfill)하여 양극과 토양사이의 전기적 접촉을 향상시키도록 한다.

<그림 1> 외부전원 설치도

아래 그림은 보호되어야 할 금속재료와 마그네슙과 Galvanic Coupling을 형성하는 방법이다.

부식의 종류에서 언급하듯이 마그네슘은 탄소강보다 전위가 낮아 서로 접촉했을 때 우선적으로 용해된다.

이때 양극으로 작용하는 마그네슘을 희생양극(Sacrificial Anode)라 한다.

<그림 2> 희생양극 설치도(지하배관)

양극방식은 단순한 외부에서 인위적으로 주워지는 양극전류로 금속에 보호막을 형성하여 주는 것이다.

양극반응 M→M⁺ⁿ+ ne에서 보듯이 부식이 되는 양극의 금속에 양극전류를 주면 용해는 증가되고 수소발생 속도는 감소한다.

그러나 활성태-부동태 변화를 하는 Ni, Fe, Cr, Ti 과 그 합금(스테인레스강)은 양극전류를 조심스럽게 제어하면서 가하여 부동태 영역을 갖게되고 이 경우 금속용해속도는 크게 감소한다.

따라서 부동태 영역을 보이는 금속에는 “Potentiostat”로 일정한 전압을 금속에 보내어 유지시켜 주므로서 항시 부동태 영역에 존재하게 하는 것이다.

* Potentiostat는 반응 과정에 필요한 전기 에너지를 제공하기도 하고, 반응결과 출력되는 전압, 전류를 그래프로 가시화하며, 분석할 수 있도록 다양한 분석 도구를 제공하는 장치라고 이해하면 되겠다.

Reference : KOSHA 기술자료

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