부식및방식

소재의 부식 및 방식(Corrosion & Corrosion Control of Metallic Materials)

이 성 민

한국가스공사

연구개발원 배관연구센터

[email protected] www.cordoc.pe.kr

Materials & Corrosion Control

목차

부식의 이해

중요성

부식원리

부식유형

부식의 제어

제어의 원리

피복 및 음극방식


외부부식 내부부식 응력부식

기계적손상 지반이동

피로파괴 외부부식 내부부식 응력부식

기계적손상 지반침하/이동 타공사

매설배관의 위해 인자


부식(Corrosion)이란?

환경(environment) 속에 노출된 (금속)재료가 화학적으로또는 전기화학적으로 퇴화(degradation)되는 현상


부식현상의 응용 (I)A wise man can learn from everyone, a fool can learn from nobody.

구리지붕의 멋진 파티나(patina)

내화지지물 (Refractory support): Steel casing of refractory bricks

음극방식의 희생양극 (Sacrificial anodes)

은도금막대에서 살균작용의 은 이온(silver ions )의 방출 (외과용)

치과 치료시 아말감 (amalgam): 충진제 및 치아소재

칼라 anodizing, Al, Mg, Ti

PCB (Printed Circuit Boards) 제작

금속학적 에칭 (Etching)

해양용 방오 도료 (Antifouling coatings): poisonous copper ions.


부식현상의 응용 (II)A wise man can learn from everyone, a fool can learn from nobody.

내후성강 Weathering steel: steel develops the rust which acts as a protective coating.

콘크리트 철근의 녹 Rusting of concrete rebars: Rebars grip concrete better if their surface is slightly rusted before the concrete is procured. Actually this is one of the way of improving the ultimate stress of pre-stressed concrete.

하이드라진 부식억제제 Addition of Hydrazine to boiler water: It helps to form adherent and protective magnetite on exposed surface.

원자력 발전 Nuclear application: One can run water through the primary system before inserting fuel and initiating operation. It passivates the piping and remove any corrosion products formed before they are subjected to neutron field.


부식현상의 중요성

내구성 감소에 의한 경제적 손실

산업적, 사회적 안전성의 문제

천연자원의 고갈 문제환경보존


광석의 환원 및 부식


부식현상의 열역학과 속도론

GB

GA

A → B

∆G

∆G*A

B

• 반응의 자발성∆G = GB - GA

• 반응의 속도γA->B = k exp {-∆G*/RT}


부식은 왜 일어나나?

Presence of Water (dipole molecule)


기전력표(emf) series


기전력의 차이

• Cu/Cu+2, +0.337 V• Fe/Fe+2, - 0.440 V

Ref. emf series


부식의 요소


부식발생의 필요조건

Anode: oxidation reaction

M → M2+ + 2e-

Cathode: reduction reaction

O2 +2H2O +4e- → 4OH-

2H+ + 2e- → H2

Electronic Conductor: metal

Ionic Conductor: electrolyte

Closed Circuit Loop Thus ProtectionIs What?


전기화학적 반응과정

염산용액 내의 아연 Zinc in HCl solution

Zn + 2HCl → ZnCl2 + H2

- Overall: Zn + 2H+ + 2Cl- → Zn2+ + 2Cl- + H2- Oxidation: Zn → Zn2+ + 2e-

- Reduction: 2H+ + 2e- → H2

Anode: the place where oxidation reaction occursCathode: the place where reduction reaction occurs

Corrosion is an electrochemical process in nature (Wollaston, circa 1815)


금속용해(산화)시 환원반응

Hydrogen evolution: 2H+ + 2e- → H2

Reduction of oxygen (acidic): O2 +4H+ +4e- → 2H2O

Reduction of oxygen (neutral to alkaline):O2 +2H2O +4e- → 4OH-

Reduction of metallic ion: M3+ + e- → M2+

Deposition of metallic ion: M+ + e- → M


부식의 유형 Forms of Corrosion

Uniform Corrosion (general corrosion)Localized Corrosion

Stress-insensitive corrosionPitting corrosion, galvanic corrosion, crevice corrosion, intergranular corrosion, exfoliation, dealloying

Stress-induced corrosionErosion corrosion, corrosive wear or fretting, environmentally-induced crackings (SCC, CF, HAC)

Hydrogen blistering


균일 부식 General Corrosion


예측적이며, 설계시 두께로 반영하는 경향이 있음

공장의 입지조건 선정 관련 인자 Geographic location Plant preferably be sited upwind from stacks.

쉬운 배수 조건을 갖춤 easy drainage산성증기응축 (acid-vapor condensation) 의 회피

Neutralization with ammonia or amminesMinimize collection of condensed vapor

대기 및 중부식성 용액의 탄소강 대책:Organic coating, metallic (Al, Zn) coating, cathodic protectionGalvanized steel, weathering steel

균일 부식 Uniform Corrosion


국부부식 Localized Corrosion

Pitting

Crevice corrosion


Very harmful due to its acceleration of corrosion.It usually occurs by the action of chloride ions.

Corrosion rate of tip of corrosion fissure > that of side wall.Breakdown of Passivity

Passive Film (Oxide Film): active-passive metalsFe, Ni, Cr, Co and their alloysStainless steels

Mechanism:Oxide film theory: increase in permeability of Cl- in oxide filmAdsorption theory: increase of hydration of Cl- adsorbed on metal surface

Removal of Chloride/Use of Resistant Materials

공식 Pitting Corrosion


Taken place at small gapsMost of metals are susceptible to this type of attack

Metals owe their resistance to protective film.Stainless steel, titanium, aluminum are more susceptible.

MechanismDeoxygenated due to initial corrosion in the creviceCathodic process moves outside the crevice, separating anode and cathode (Galvanic coupling effect due to oxygen concentration)Build up of chlorides and depressed pH in crevice solution may cause the breakdown of passive film.

Avoid small gaps: welding rather than riveting and bolting

틈부식 Crevice Corrosion


갈바닉 부식 Galvanic Corrosion


갈바닉표 Galvanic Series


갈바닉표

Consider the electrochemical state of the species.


• Insulate anode from cathode if possible.• Area ratio is important: avoid small anode to large cathode.• Understand “noble metal coating” concept.

갈바닉부식 Galvanic Corrosion

Initial Coupling

Later after Coupling



침식 부식 Erosion Corrosion

Turbulence

Cavitation


입계부식 및 합금분해 IntergranularCorrosion and De-Alloying


프렛팅 Fretting Corrosion


Stress Induced Corrosion


부식발생의 필요조건

Anode: oxidation reaction

M → M2+ + 2e-

Cathode: reduction reaction

O2 +2H2O +4e- → 4OH-

2H+ + 2e- → H2

Electronic Conductor: metal

Ionic Conductor: electrolyte

Closed Circuit Loop Thus ProtectionIs What?


부식제어 방법

내식성 소재의 선택

구조적인 설계

환경조절

음극방식: SA, IC

피복: 유기라이닝, 금속피복

부식억제제: 무기 및 유기 /음극 및 양극


철의 상태도 E-pH (Pourbaix)


부식과정 Corrosion Reaction

Cathode Anode

Mz+O2 OH-, O2-

H2H+

ze-

ELECTROLYTE

METAL

cationic current flowelectronic current flow

(CORROSION)

M → Mz+ + ze-


코팅의 적용 개념

격리 장벽 (separation)

유기물 코팅(고분자 코팅)

유전 장벽 (insulation)

산화피막 (유전체 피막)

희생 양극 (sacrificial)

※부식억제제 중 일부는 코팅의 역할


• Insulate anode from cathode if possible.• Area ratio is important: avoid small anode to large cathode.• Understand “noble metal coating” concept.

갈바닉부식 Galvanic Corrosion

Initial Coupling




전류의 흐름과 전자의 흐름

electron flow(negative ch)

(positive ch)current flow

직류부식


희생양극식 음극방식



외부전원식 음극방식



비교 항목 희 생 양 극 법 외 부 전 원 법

시공의 편리성 쉽다 어렵다(외부전원 및 양극부지 확보 필요)

유지보수성 쉽다 주기적인 유지, 보수가 필요함

출력/방식범위 방식전류가 작고 방식범위가 좁다

방식전류가 크고 방식범위가 넓다

토양의 영향 비저항이 큰 경우 비효율적임

비저항이 큰 경우에도 적용 가능

단위전류당비용 높다(양극 소모시 교체해야 함)

낮다(전기비용)

피방식물 상태 피복이 불량할 경우 비효율적임

피복이 불량할 경우에도적용가능

타시설물 관계 비교적 간섭을 유발하지않는다

간섭을 유발하는 경우가많다

기 타 기전력에 제한이 있다 과방식의 우려가 있다

전기방식법의 비교

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