부식 방지 대책

화학설비 또는 그 배관은 위험물질 등에 의하여 그 부분이 부식되어 폭발·화재 또는 누출되는 것을 방지하기 위하여 위험물질 등의 종류·온도·농도 등에 따라 부식이 잘 되지 않는 재료를 사용하거나 도장(塗裝) 등의 조치를 하여야 한다.

 

 

 

부식 방지 대책

 

사업주는 화학설비 또는 그 배관(화학설비 또는 그 배관의 밸브나 콕은 제외한다) 중 위험물 또는 인화점이 60 ℃ 이상인 물질(이하 “위험물질등”이라 한다)이 접촉하는 부분에 대해서는 위험물질 등에 의하여 그 부분이 부식되어 폭발·화재 또는 누출되는 것을 방지하기 위하여 위험물질 등의 종류·온도·농도 등에 따라 부식이 잘 되지 않는 재료를 사용하거나 도장(塗裝) 등의 조치를 하여야 한다.

 

부식 방지 개요

 

반응기, 증류기 등의 화학설비나 이들의 배관에는 각종의 위험물질 등을 다량 취급하고 있을 뿐만 아니라 고온, 고압 등의 조건에서 운전되는 경우가 많다. 이러한 설비나 배관의 재질이 위험물질 등에 의해 국부적으로 또는 전체적으로 부식되어 기계적인 강도가 저하될 수 있다. 이 경우는 이러한 부분에서 위험물질 등이 누출되거나 공기, 물 등이 내부로 침입하게 되어 폭발이나 화재가 발생되는 위험성이 높다.

 

일반적으로 이러한 화학설비나 배관이 위험물질에 의해 부식이 되는 정도는 사용하는 위험물질 등의 종류, 농도 및 불순물 함유율과 온도, 압력, 유속 등의 운전조건에 따라 크게 달라진다. 따라서 화학설비나 이의 배관 등에 위험물질 등이 접촉하는 부분에는 폭발이나 화재를 방지하기 위해서 취급하는 위험물질 등의 종류, 온도, 농도 등을 고려한다. 그래서 내식성이 있는 재료로 제작하거나 내식성이 있는 재료로 내부를 라이닝 하거나 또는 방식도료를 도포하는 피복법, 부식환경을 억제시키는 환경처리법, 전기화학적 방식법 등의 조치를 한다.

 

화학설비는 최초 설계 및 제작할 때 최소두께에 부식여유를 주어 제작한다. 사용 중 부식으로 발생하는 두께 감소는 부식여유 내에서만 허용이 가능하다. 그리고 설비의 어느 한 부분이라도 부식여유를 초과하여 최소 두께 보다 얇은 경우는 사용할 수 없다.

 

부식은 최적의 부식환경이 조성되면 몇 시간 이내에도 부식이 일어나 수 있어 가능한 부식환경을 일으키지 않게 하는 것이 아주 중요하다. 예를 들어, 공장정비를 마치고, 운전을 시작할 때 탄소강 재질의 용기를 높은 온도에서 산성 분위기를 유지하면 단 몇 시간 내에 1 ㎜ 부식을 일으킬 수 있다. 또한, 오스테나이트강(Stainless steel)의 경우는 염소, 불소, 브롬 등의 할로겐족 원소가 함유된 물질은 건조한 상태에서는 핀홀부식 및 입계부식이 속도가 느리게 일어난다. 하지만, 운전 시 물 등의 유입으로 습한 상태와 온도에서는 급속히 부식이 발생하여 용기의 파손 및 누설위험이 발생할 수 있다. 각종 재질의 부식특성은 NACE (Nationalassociation of corrosion engineers) 자료를 참조한다.

 

부식이 잘 되지 않는 재료는 티타늄, 유리, 자기, 고무, 합성수지 등의 내식성 재료로 라이닝 한 것으로 연간 부식률이 0.025 ㎜/y 이하를 말한다. 도장 등이란 내식도료의 도포, 산화피막처리, 전기방식처리 등을 말한다. 그리고 내구연한을 적절히 정해 기간 내에 그 부분을 교환하는 것도 해석이 가능하다.

 

 

부식의 형태

 

금속의 부식에는 산화, 질화 또는 수소취화의 같은 건조상태에서 생기는 건식(乾蝕, Dry Corrosion)과 습윤 상태에서 생기는 습식(濕蝕, Wet Corrosion)이 있다. 보통 열교환기에서 문제가 되는 부식은 대부분이 습식이며, 부식의 원인이나 양상은 사용 유체, 사용조건 또는 발생조건에 따라 달라져 매우 복잡하다. 화학장치용 기기의 부식형태 표시에는 여러 가지 방법이 있으며 일반적인 분류방식은 10 cm × 10 cm의 관찰 기준면을 고려하여 분류하는데, 전면부식, 부분부식, 국부부식, 공식부식, 응력부식균열, 박리부식 등이 있다.

 

재질 선정

 

화학설비의 재질을 선정할 때는 전술한 부식과 경제성을 고려해서 사용자가 내식성 재질이나 부식 여유 정도를 선정한다. 그러나 압력용기의 일반적인 내식성 판정기준은 다음 <표 1>과 같다. 하지만, 부식이 잘되지 않는 재료는 티타늄, 유리, 자기, 고무, 합성수지 등의 내식성 재료로 분류되는 재질도 어느 특정 물질, 온도, 함습 정도 및 압력에 따라 부식률이 아주 달라질 수 있다.

 

<표 1> 내식성의 판정기준 

내식성의 구분	부식률㎜/년	부식 여유 ㎜	부식의 상태
부식하지 않는 재료	0.025 이하		부식하지 않는다.
우수한 내식 재료	0.05 이하		거의 부식하지 않는다.
양호한 사용 재료	0.13 이하	1 이상	약간 부식한다.
	0.25 이하	2 이상	부식한다.
	0.50 이하	3 이상	상당히 부식한다.
사용해도 좋은 재료	1.25 이하	6 이상	상당히 부식한다.
사용하지 못하는 재료	1.25 이상		심하게 부식한다.

 

예를 들어, 97 % 이상의 황산은 일반 탄소강 재질도 내식성이 있다. 그러나 고농도의 황산을 저장하는 탱크에서 일교차에 의한 내부 공기의 수축, 팽창으로 통기구로 들어가고 나가는 공기 중에 함유된 습기가 저녁에 탱크 벽에 응축된다. 이 때 흘러내린 이슬이 황산 경계면에서 황산을 희석시켜서 농도가 95 % 이하로 떨어지면 부식률이 급격히 증가하여 국부적인 부식이 발생할 수 있다.

 

일반적으로 황산의 농도가 95 % 이하에서 탄소강 재질은 심하게 부식되어 사용이 불가하다. 유리는 일반적으로 내식성이 높지만 불산에 녹아 사용할 수 없고, 고무는 유기용제에 잘 녹아 사용할 수 없다.

 

 

일반적으로 스테인리스강은 내식성이 우수한 재질로 약 200년 전에 영국에서 개발되고, 1909년 독일에서 STS 304 제품이 개발되었다. 우리 생활 속에서도 많이 사용되고 있지만, 스테인리스강은 부동태(Passivation)에 의해 매우 높은 내식성(General corrosion resistance)을 가지고 있다. 그러나 금속의 조직 상태, 열처리 여부, 잔류 응력, 탄소 함유량, 미량의 첨가제, 사용하는 유체의 pH, 온도, 유속, 금속 전극과 그것이 침지(浸潰)된 전해질 사이에 생기는 전위차 등의 어떤 특정한 요인에 의해 부식이 일어나는 경우가 있다. 그리고 이러한 스테인리스강에서 일어나는 부식은 대개 매우 국부적으로 일어나므로 다음과 같은 특징이 있어 철강의 부식보다 오히려 치명적일 때가 많다.

 

가. 질량감소가 거의 없는 부식 기구여서 수명 예측이 매우 어렵다.

나, 예상하지 않은 운전 실패로 플랜트에 큰 타격을 줄 우려가 있다.

다. 비자성체로 비파괴(NDT) 기술로 부식 진행을 찾아내기 어렵다.

 

 

부식률 결정

 

부식률은 다음과 같이 일정 시간당, 단위 면적당 감소된 무게를 구하여 산정하거나 적어도 3개월 이상 일정기간 동안의 측정 두께 감소율로 계산한다.

부식률은 부식의 정도를 나타내거나 잔여수명을 예측하고, 일정 또는 여러 환경 하에서의 각각의 재질에 대한 부식 속도를 비교하거나 적정 재질을 선택하는 데 사용된다.

 

- 부식률 계산

1. 무게 감량에 의한 부식률 산정법

 부식률(㎜/yr) = [87.6W / DAT] 또는 [87,600W / DAT]

 여기에서 W : 무게감소(㎎), D : 밀도(g/㎥), A : 면적(㎡), T : 시간(hr)

 

2. 두께 감소에 의한 부식률 산정법

 부식률(㎜/yr) = [(최초 측정 두께 - 최종 측정 두께) / 검사기간] 또는 [(공칭 두께 – 측정 두께) / 사용년수]

 

- 부식률의 상대비교

 

<표 2> 부식률의 상대비교

Source : M. G. Fontana, Corrosion Engineering 3rd ed, Mcgraw-Hill, P.172, 1986.

 

 

부식방지방법

금속의 부식방지를 위한 부식방지대책으로 내식성 재료를 사용하는 방법, 금속이나 비금속의 피복법, 환경 처리법, 전기화학적 방식법, 잔류 응력을 제거하기 위한 열처리 등의 여러 가지의 부식방지방법이 있다. 

 

여러 가지의 부식방지방법 중에서 전기화학적 방식법은 고부식성의 환경에 있는 대형금속구조물의 수용액부식에 대해서 효과적이고 경제적인 방식법 이므로 수중의 금속구조물, 땅속의 매설관 및 화학장치 등의 방식에 광범 위하게 사용할 수 있다.

 

부식방지를 위해 고려할 조건

(1) 특정 물질에 대한 적절한 재질 선정

재질과 물질의 안전성 상관관계는 운전온도 및 압력 등 운전조건에 따라 차이가 날 수 있으므로 재질 선정 시 주의하여야 하며 기본적인 재질선정 기준은 다음과 같다.

   (가) 스테인리스강 - 질산

   (나) 니켈 및 니켈합금 - 염기성

   (다) 모넬 - 플루오르화수소산

   (라) 하스테로이 - 강염산

   (마) 납 - 희석황산

   (바) 알루미늄 - 오염되지 않는 대기조건

   (사) 주석 - 증류수

   (아) 티타늄 - 고온 강 산화용액

(2) 금속 순도 유지

(3) 비금속 재질 사용

(4) 환경의 개선

   (가) 가급적 유체의 온도를 낮춘다.

   (나) 유속을 낮춘다.

   (다) 액체로부터 산소를 제거한다.

   (라) 이온농도를 낮춘다.

(5) 부식억제 약제 주입

(6) 신뢰할 수 있는 부식 데이터를 적용한 살두께

(7) 설계기준 준수

   (가) 두께를 고려 - 기계적 강도와 더불어 부식의 침투작용의 고려

   (나) 균열부식을 줄이기 위하여 리벳보다는 용접시공

   (다) 전기적 접촉의 방지 - 이종금속접촉 부식(Galvanic corrosion)

   (라) 응력부식균열(Stress corrosion cracking)을 방지하기 위하여 과다한 응력 과 응력집중 방지

   (마) 유체가 흐르는 곳에서 가급적 굽힘부의 곡률반경을 크게 할 것

(8) 전기방식

(9) 코팅(Coating)

 

 

부식진단 방법

 

부식진단의 목적은 기기 및 배관에서 발생되고 있는 부식정도를 직접 및 간접적으로 조사하여 설비의 내구성을 추정하거나 보수 및 교체시기를 결정하는데 이용하는 동시에 차기의 설계, 제작 및 조업에 참고하여 설비 전체의 안전성을 높이기 위함이다.

부식진단 측정방법은 운전상태(운전 중과 운전정지 후)에 따라 구분되며 <표 3>와 같다  

 

<표 3> 부식진단 측정방법의 분류 

 

 

부식방지 관리

 

부식방지 관리는 부식원인을 검토하는 데는 반드시 원인이 존재한다는 것을 고려해서 가장 간단하면서 확실한 진단 방법을 찾아야 한다. 부식방지 관리는 일반적으로 운전을 정지해서 기기 및 배관의 내면을 체크하고, 원인규명에서 대책까지 일련의 처리과정으로 이루어진다. 그러나 사전에 부식의 진전 상황을 예측하여 예방정비를 준비하기 위해서는 운전상태에서 부식의 모니터링을 실시한다.

 

부식 모니터링은 대상 기기 및 배관의 부식·방식상황을 집중 관리할 수 있고, 부식손상에 의한 장해를 사전에 방지할 수 있다. 그러므로 사용효율이 향상되어 유지관리 일수를 대폭 줄일 수 있다. 또한, 부식에 관한 정보를 얻어 차기 계획에 유효하게 사용할 수 있다.

 

 부식진단의 정보에서 부식방지대책에 이르는 흐름도는 <그림 1>과 같이 사전에 확립하여 놓아야 한다. 이를 위해서는 데이터의 통계처리 및 기타 방식대책(부식억제제, 내식금속, 환경개선 등)을 포함한 지속적인 방식관리의 검토가 필요하다.

 

<그림 1> 부식 모니터링에서 방식대책까지의 흐름도

 

 

압력용기 검사

 

압력용기 사용 중 검사는 KS B 6755:2005 압력용기 - 사용 중 검사(Pressure vessel – In - service inspection) 6.4에서 부식률을 근거한 검사주기는 다음과 같다.

잔여수명의 1/2 또는 8년 중에서 짧은 주기, 잔여수명이 4년 미만인 경우는 2년을 초과할 수 없다고 규정하고 있다. 이 때 압력용기가 비연속 사용조건이고 부식환경에 노출되지 않도록 불활성 가스, 비부식성 탄화수소 등으로 충전된 경우는 8년이라 함은 실제 누적 운전기간이 8년을 의미한다.

 

압력용기와 관련한 사용 중 검사는 산업안전보건법을 적용받는 경우는 법에서 정한 주기를 초과할 수 없고, 사용 중 검사는 제278조와 기타 자세한 사항은 KS B 6755을 참고한다.

 

압력용기는 KS B 6750:2012 “압력용기-설계 및 제조 일반”에서 운전 중에 두께를 측정해 항상 다음과 같이 최소 두께 이상으로 규정하고 있다. 이것이 압력용기 안전검사에서 합격/불합격의 판정기준이 된다.

 

1. 계산두께(요구두께)

2. 용접이 음식 압력용기의 최소 두께(부식 여유 제외)

가. 탄소강, 저합금 강판 : 1.5 ㎜

나, 고합금 강판, 비철금속 : 1.5 ㎜

다. 동체, 경판의 최소 두께㎜

라. 비직화식 보일러 동체, 경판 : 6 ㎜

마. 단 압축공기, 증기, 용수용 압력용기는 2.5 ㎜ 이상

바, 열교환기 튜브는 제외

3. 국부적인 얇은 부위[Local Thin Areas(LTA)] 이상

 

추가적인 사항은 제277조를 참고하고, 보다 더 상세한 판정기준은 KS B6750:2012 “압력용기-설계 및 제조 일반”에서 부속서 29(규정)를 참조한다.

 

Reference : 1. KOSHA 화공안전 기술편람

               2. KOSHA GUIDE M - 116 - 2012 기기 및 배관의 부식관리 기술지침