전기방식설계Cathodic Protection DesignCathodic Protection Design

이선엽이선엽

부식 부식:자연스러운현상

양극:M→Mn ne‐ 음극: 2H 2e‐ → H 음극:2H 2e →H2 음극:O2 2H2O 4e‐ →4OH‐

부식의 4대요인양 양극 anode

음극 cathodic 전자전도체 금속 이온전도체 전해질 이온전도체 전해질

폐쇄회로

전위 철강의자연전위 토양중 :‐0.3V~‐0.7V

매설배관의사고원인통계 1985‐2001,ASME

ASME Causes of Gas Transmission Incidents

External Corrosion

Third Party Damage

ASME Causes of Gas Transmission Incidents

Misc

Natural Forces

Internal Corrosion

C t /I t l

Other Failures

Unknown

Incorrect Operation

Non-PipePipe

Malfunction

Prev. Damgd Pipe

Mfr

Constr/Instalp

0 0 5 0 10 0 15 0

Vandalism

Stress Corrosion Cracking

Malfunction

0.0 5.0 10.0 15.0

방식防蝕방식防蝕CURRENTCURRENT

종류 피복 coating & lining 음극방식 (전기방식) CP 양극방식 anodic protection 양극방식 anodic protection 부식억제제 corrosion inhibitor 재료 선정 material selection

SACRIFICIALSACRIFICIALANODEANODE

매설배관의 방식 피복(코팅)+전기방식

ANODEANODE

PowerSource

+

전기방식의 종류희생양극법 M Al Z 등

CURRENTCURRENT

+-

CURR

ENT

CURR

ENT

희생양극법: Mg, Al, Zn 등 외부전원법: 정류기, 양극

PERMANANTPERMANANT

TT

PERMANANTPERMANANTANODEANODE

토양부식성

매설배관부식의필수조건토양부식성

SOIL CORROSIVITY

피복손상부가 존재할 것

주변 토양 부식성 클 것

(방식을 실시한다면) 전기방식상태가 양호하지 않을 것 방식기준 미달방식기 미

피복손상부 전기방식

토양부식성이작은경우토양부식성이작은경우

피복손상부 존재피복손상부 존재전기방식 불량 구간토양부식성 작음(~8,000 Ωcm)

No corrosion !!

최대부식속도와토양부식성 비저항

고압가스배관의 사례 (한국)

토양비저항분포예1.E+06

1 E+051.E+05

ty (Ω

.cm

)

1.E+04

Soil

Res

istiv

it

1.E+03

S

corrosive

1.E+020 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130

Distance (km)

전기방식이양호한경우전기방식이양호한경우

피복손상부 존재피복손상부 존재토양부식성 큼전기방식 양호

No corrosion !!

수도관누수와전기방식의관계 미국통계자료

특별한 방식조치가 없거나 방식관리(정밀검사) 정밀검사후 관리개선이 필요한 배관에 대해서특별한 방식조치가 없거나 방식관리(정밀검사)가 미흡한 경우 수도관의 파손빈도변화 사례

정밀검사후 관리개선이 필요한 배관에 대해서적절한 전기방식조치를 실시한 경우 파손빈도변화 사례 (방식조치후 사고발생 0건)

전기방식의효과 수 관부식실험세 수자원공사전기방식의효과 수도관부식실험세트,수자원공사 실험장소

위치 : 영산강 하구둑 인근, 서남권 도수관로 매설지역

미방식 시험관(A) 간섭 시험관(B) 방식 시험관(C)

관리번호 : 목포계통 Sta.No. 621+00

실험세트

실험관 : 300[mm] PE코팅 강관 3[m] × 3 세트

D1

- 미방식 실험관[A] (매설깊이 : 2.5m)

- 미방식, 간섭영향 실험관[B] (매설깊이 : 5m)

- 방식 시험관[C] (매설깊이 : 4.5m, B관과 교차하여 매설)

D2

D3D3

D4

D5평균두께 최대두께 평균부식 최대부식

D6

설명 감육(mm)

감육(mm)

속도(mm/y)

속도(mm/y)

미방식(A) 1.75 3.0 0.48 0.82

간섭(B) 1 74 3 8 0 47 1 04결과 부식발생 부식발생 부식미발생

간섭(B) 1.74 3.8 0.47 1.04

방식(B) 0 0 0 0

전기방식과부식속도 탄소강58

35.234.23125 4

100

CP Criteria 3125.4

10

e

11rrosio

n Ra

te

11

Relat

ive C

or 자연전위

0.1

R

0.040.018

0 010.01-1000 -800 -600 -400 -200 0 200

Potential (mV/CSE)

매설배관부식사례매설배관부식사례

Microbiologically Influenced Corrosion stray current corrosion

C iAC-induced corrosion Crevice corrosion Corrosionunder disbonded coating

매설배관부식사례 미생물부식

지상저상탱크 바닥(토양쪽)면 부식지상저상탱크 바닥(토양쪽)면 부식

의의부식부식의의부식부식AbovegroundStorage Tank

Test / AccessStation

Storage Tank

Grade

Rim 25' Center 55' Rim

Reference CellMonitoring Tube

On -1411 -698 -404 -601 -1455Off -902 -664 -402 -578 -911

Potentials (mV)

방식기준방식기준

이론적인 기준po bai diag am에서 결정 pourbaix diagram에서 결정

E Log I 기준d 에서 f l l 이 시작되 전위 Evans diagram에서 Tafel slope이 시작되는 전위

기준전극에 의한 전위 기준 토양에서의 철 : -850mV vs CSE

분극변이(polarization shift) 기준 -100mV shift

과방식 기준과방식 기준

전기방식의원리 열역학적관점전기방식의원리 열역학적관점Fe의 PourbaixDiagram

전기방식의원리 속도론적관점

과방식기준과방식기준 과방식의 문제점 과방식의 문제점 음극부식 (Al, Zn, Pb) 수소발생반응: 피복의 열화 박리 수소발생반응: 피복의 열화, 박리 수소취성 (hydrogen embrittlement)

과방식기준 BS: 아스팔트 피복배관의 경우 -2 5VCSE BS: 아스팔트 피복배관의 경우 2.5VCSE

Saudi Aramco 기준: -5.0VCSE

한국: -5.0VCSE한국: 5.0VCSE

과방식기준 예과방식기준 예 Shell DEP 30.10.73.31: Design of Cathodic Protection Systems for Onshore

Buried Pipelines

방식전위측정방식전위측정 방식기준:‐850mVvsCu/CuSO4방식기 / 과방식기준:‐5,000mV P/S전위의측정

Pipe to Soil전위 관대지전위 전압계PipetoSoil전위 관대지전위 기준전극:Sat.Cu/CuSO4전극

Ag/AgCl전극 T/B에서측정

V기준전극

T/B에서측정 매 300m‐ 500m마다측정

활용 개략적인배관의방식상황판단개략적인배관의방식상황판단 다른방식시설물등에의한간섭여부판단 방식설계를위한기초자료 배관

분극전위측정분극전위측정 P/S 전위의 문제점/S 전위의 문제점

분극전위(배관 표면의 전위) + 토양저항에 의한 전압강하 정확한 배관전위 측정 불가

(기준전극을 배관 가까이 놓기 어렵다 )(기준전극을 배관 가까이 놓기 어렵다.)

분극전위의 측정 방법방식전류의 ff 방법 방식전류의 on, off 방법

Test coupon 사용 기준전극을 배관(방식대상물) 주변에 매설

전기방식으로 인한 전압강하current path

equipotentialsurface

24 of 162

분극전위측정분극전위측정 P/S전위의문제점/S전위의문제점

분극전위 배관표면의전위 토양저항에의한전압강하 정확한배관전위측정불가

기준전극을배관가까이놓기어렵다기준전극을배관가까이놓기어렵다.

분극전위의측정방법방식전류의 ff방법 방식전류의 on,off방법

Testcoupon사용 기준전극을배관 방식대상물 주변에매설

관대지전위대지 위()

mV) ON Potential

IR

tial

(-m

OFF Potential

IR

100 mV

“ON-IR” -850 mVCSE

“OFF” -850 mVCSE

Pote

nt Polarization

100 mV DepolarizationP

Native (Free Corroding Static) Potential

100 mV Depolarization

Time(+) Native (Free Corroding, Static) Potential

26 of 40

분극전위의측정 를사용한측정 예

P/S전위

분극전위

희생양극법희생양극법 SacrificialAnodeMethod

희생양극법이란 ? 희생양극법이란 ? 방식대상 구조물 대신에 희생 양극이 부식되어 구조물을 방식하는 방

법

희생양극법의 회로도 희생양극법의 회로도 양극 금속 사이의 연결선, Re금속 사이의 연결선, e

구조물 (음극) 용액, Ri

양극과 음극 사이의 전위차 E 양극과 음극 사이의 전위차, E

양극의 종류 양극 효율 양극 효율

양극에서 발생하는 전류 중 구조물 방식에 이용되는 전류의 비율

희생양극의종류희생양극의종류Mg 양극 Mg 양극 전위 : -1.55V, -1.75V 효율 : 50% 용량 : 1102 A-hr/kg용량 : 1102 A hr/kg 주 사용처 : 토양중의 철강구조물

Zn 양극 전위 : -1.1 V위 효율 : 90%, 95% 용량 : 738A-hr/kg 주 사용처 : 바다에 설치된 구조물

Al 양극 Al 양극 전위 : -1.1V 효율 : 85%, 95% 용량 : 2 500 – 2 800 A-hr/kg 용량 : 2,500 2,800 A hr/kg 주사용처 : 바다에 설치된 구조물

희생양극법희생양극법 희생양극의 시공 희생양극의 시공 직접연결 지상에서 연결 지상에서 연결

충전제의 사용 Mg 양극에 사용되는 backfill의 성분 Mg 양극에 사용되는 backfill의 성분 ground hydrated Gypsum : 75% powered bentonite : 20% p anhydrous sodium sulfate : 5%

Zn 양극에 사용되는 backfill의 성분 ground hydrated Gypsum : 75% powered bentonite : 20%

외부전원법외부전원법ImpressedCurrentCathodicProtection;ICCP 외부전원법이란?외부전원법이란?

정류기의 +를 양극에, -를 배관에 연결하고, 강제로 전류를 공급하여배관을 음극화시켜서 부식을 억제하는 방법

외부전원법 회로도 외부전원법 회로도 정류기 기전력 (V) 양극접지 저항 토양저항 배관접지저항 배관금속저항 배관금속저항 전선저항

외부전원법의 장단점

외부전원용 양극

외부전원용양극외부전원용양극 Graphite

건조한 토양에 적용이 좋음 염소 반응이 주음극반응인 바다에서 사용가능 산소발생반응에서는 소모율이 큼 깨어지기 쉬움 (brittle) 깨어지기 쉬움 (brittle)

고규소철 (high-silicon cast iron; HSCI) 조성: Si 14.2 - 14.75%, Cr: 3.25 - 5%, Mn: 1.5%, C: 0.75 -성 , , ,

1.15, Fe: 잔량

Platinized Niobium MMO (mixed-metal oxide) Polymer

방식설계공정 예

Choose BetweenGalvanic & Impressed

Current System

GalvanicGalvanic Impressed CurrentImpressed CurrentS t a r t

Choose Anode Type,Size, Weight &Arrangement

Current System

Evaluate All Pipelineand

E i t l F t

Choose Anode Type,Size, Weight &Arrangement

Calculate Resistanceof Anode orGroundbedDetermine Current

Environmental FactorsCalculate Resistance

of Anode orGroundbed

Choose Power Supply,T & R ti

Determine CurrentRequirements to Achieve

Desired CriterionCalculate Number

& Spacing ofType & Rating

CalculateCalculate

Anodes or Groundbeds

NoCalculate

System LifeIsDesign Acceptable?

CalculateSystem Life

Yes

33 of 139Estimate InstalledCost of System

Estimate InstalledCost of System

Yes

DESIGN COMPLETE

전기방식설계흐름전기방식설계흐름도

자료수집자료수집

소요전류량결정소요전류량결정

현장조사현장조사

방식방법결정방식방법결정

소요전류량결정소요전류량결정

상세설계상세설계

방식설계에필요한요소방식설계에필요한요소 방식기준방식기준 소요전류량 전기적인 연속성전기적인 연속성 전기적인 절연 타 시설에 의한 간섭타 시설에 의한 간섭 피방식 대상구조물의 예상수명 유지와 관리에 대한 계획유지와 관리에 대한 계획 전원 안전성안전성 경제성

자 수집자료수집 신규배관

배관 정보 관종, 관경, 길이, 공장피복, 현장피복, 절연물(절연플랜지 등), 케이싱 유무,관종, 관경, 길이, 공장피복, 현장피복, 절연물(절연플랜지 등), 케이싱 유무,

용접 혹은 접속, 배관의 상시 온도 배관 경로 정보

도심지, 하천, 해수 등 주변 시설물 정보 및 전기방식 정보

주변 배관 현황, 주변 시설물의 전기방식 설비 현황 지하철 현황, 고압철탑 현황

기 배관 기존배관 신규배관 정보 전기방식 시설 현황

TB 정보, 정류기 정보, Mg 양극 정보 과거 이력

방식전위 측정 데이터식 혹 설 이력 데이터 부식 혹은누설 이력 데이터

신규배관현장 사신규배관현장조사 배관 경로 확인 배관 경로 확인 타시설물 확인 주변 타배관 유무 타배관과의 이격 거리 교차 유무 주변 타배관 유무, 타배관과의 이격 거리, 교차 유무 타배관의 전기방식 설비

고압철탑 현황 고압철탑 현황 고압철탑과의 이격거리, 고압선의 정격

토양비저항 토양비저항 관로의 토양비저항

외부전원용 양극 매설지점의 토양비저항 외부전원용 양극 매설지점의 토양비저항

토양비저항토양비저항 토양비저항 측정의 목적토양비저항 측정의 목적

토양비저항이 낮은 곳은 부식의 가능성이 큼 (< ~5,000 ohm.cm) 토양비저항에 따라 방식소요전류량이 달라짐

토양비저항에 따라 양극 매설 형태 및 깊이가 달라짐 토양비저항에 따라 양극 매설 형태 및 깊이가 달라짐

비저항 [ h ]부식성

비저항 [ohm-cm]

Waters Applegate Romanoff

대단히 높다 0～900 0～1,000 <700

비교적 높다 900～2,300 1,000～5,000 700～2,000

중간 정도 2,300～5,000 5,000～10,000 2,000～5,000

낮다 5,000～10,000 10,000～100,000 >5,000

아주 낮다 >10,000 >100,000

토양비저항토양비저항 측정 방법측정 방법

Wenner의 four pin Method 배관 심도에 따른 측정 및 계산이 필요

500 간격으로 비저항 측정 500m 간격으로 비저항 측정

계산 ρ = 4 x π x a x R ρ = 4 x π x a x R

토양비저항토양비저항 심도에 따른 토양비저항 계산심도에 따른 토양비저항 계산

기존배관현장 사기존배관현장조사 배관의 P/S전위 측정 배관의 P/S전위 측정

배관의 현상태에 대한 판단 TB 전위 측정 V

전압계

기준전극 전체적인 방식 상태 파악 On 전위Off 전위 측정

기준전극

Off 전위 측정 분극전극

배관

Close Interval Potential Survey Close Interval Potential Survey 일정간격으로 배관의 상세 전위 측정 On전위 off 전위 On전위, off 전위 타시설 간섭 측정 국부 부식지점 확인 국부 부식지점 확인

-600

-500

-1000

-900

-800

-700

CP criteria

TB 4TB 5

TB 315.4mA

TB 80 mAtia

l (m

V CSE

)

-1400

-1300

-1200

-1100 TB 126.8mA

TB 255mA

TB 414.7mA

11.4mA

TB 619.2mA

TB 734.3mA

0 mA

TB 925.2mA

P/S

pote

nt

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10-1500

Distance (km)

기존배관현장 사기존배관현장조사 배관 전류 측정배관 전류 측정 측정방법 V = IR Clamp-on meter Clamp on meter

활용 타시설과의 접촉 확인 방식전류의 분포 확인 방식전류의 분포 확인 미주전류 흐름도 확인

pH 측정 pH 측정 현장에서 채취 후 실험실에서 분석 antimony 전극과 황산동 전극 사용

H 측정자료의 활용 pH 측정자료의 활용 배관의 피복 재질의 선정 방식소요전류밀도의 추정

현장 사항목현장조사항목 혐기성세균(SRB)에 의한 부식 가능성 혐기성세균(SRB)에 의한 부식 가능성

산소환원전위(Redox 전위)의 측정

POTENTIAL [mV] SEVERITY

<100 Severe

100 - 200 Moderate

200 - 400 Slight

배관 상태의 육안 관측(bellhole 실험) 가장 취약하다고 추정하는 부분을 직접 파서 육안 관측

> 400 None

가장 취약하다고 추정하는 부분을 직접 파서 육안 관측 간섭의 유무 및 정도 측정

지하철간섭지하철간섭 지하철 레일에서 회귀 전류가 토양으로 유출되어 인지하철 레일에서 회귀 전류가 토양으로 유출되어 인

근 배관에 영향을 주는 간섭

DCSubstation

+ _Overhead Positive Feeder

Load Current Required to Operate Train

Tracks Negative Return

Operate Train

Moving Current Pickup Area Current Discharge

Area Due to Corrosion

Current Flowing Around High- Resistance or Insulating Joint

광역상수도관지하철간섭3000

2000

stray current outSE

)

0

1000

al (m

V/C

S

-1000

0

l Pot

entia

-2000

pe-to

-soi

l

-4000

-3000 stray current inPip

0 10 20 30 40 50 60

Distance (km)

급전전류 누설전류급전전류 누설전류FeedingCurrent,LeakingCurrent

• 서울지하철 9호선 1단계서울지하철 9호선 1단계• 약 25km, 변전소 9개

• 서울지하철 7호선 2단계• 약 10km, 변전소 3개

변전소 간격 3k• 변전소 간격: ~3km

40

8

10

A)

주간 변전소feeding current (예)

20

30

4

6

age

Curr

ent,

I l''' (

A

Il '''/I (%)

0 2 4 6 8 100

10

0

2

Tota

l Lea

ka

)

2000A 부하에서leaking current

Substation Spacing, L (km)leaking current

급전전류 배관전위

P/S IR-free CP criteria

지하철간섭대책지하철간섭대책 선택배류법 Rectifier

+ 선택배류법 강제배류법

Rectifier

Controller

PipelineStationary Reference Electrode

간섭조사2

T1-17

3

-2

-1

0

1

Pote

ntia

l, V C

SE

-0.83V

T1-15광역상수도관

정류기

T1-18T/B

T1-18-1 -6

-5

-4

-3

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180Time, s

-4.93V

T1-11

T1-12

T/B

T1-10T1-13

T1-16

광역상수도관고압가스배관

간섭측정점(EPR)T

도시가스배관상수도배관 (급수관)

양극 (수자원) -1

T1-14양극 (수자원)수자원T/BT/B

-2

1

oten

tial,

V CSE

-2.66V

-4

-3

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180

Po

Time, s

-3.00V

소요전류량소요전류량 소요전류량 구하는 방법소요전류량 구하는 방법

1) 구조물 주변의 정보를 얻는다2) 정보에 알맞은 소요전류밀도 데이터를 찾는다.

만일 데이터가 없으면 현장 실험 혹은 실험실 모3) 만일 데이터가 없으면 현장 실험 혹은 실험실 모사 실험을 통해서 소요전류밀도를 구한다.

4) 구조물 중 방식이 필요한 부분의 면적을 계산한) 구 물 중 방식이 필 한 부분의 면적을 계산한다.

5) 전체 소요전류량을 계산한다. I = A x i I = A x i

소요전류량의 현장 측정 피복의 상태를 이용한 소요전류량 계산 피복 저항 데이터 사용

소요전류량의평가소요전류량의평가 소요전류량에 영향을 주는 요인 소요전류량에 영향을 주는 요인

구조물의 표면적 피복재의 절연 특성 시공 중 피복재의 손상정도 피복재의 예상 수명 과거의 경험에 의한 데이타과거의 경험에 의한 데이타 환경에 따른 소요전류밀도

토양의 pH 토양비저항 토양비저항

온도

산화물

용액의 움직임, 등

소요전류량의 계산

방식소요전류량방식소요전류량비저항 (ohm-cm) 희생양극식 (mA/M2) 외부전원식 (mA/M2)

300 이하 30 - 50 40 - 65

300 - 1,000 20 - 30 25 - 40

1,000 - 5,000 10 - 20 15 - 25

5,000 - 30,000 5 - 10 7 - 15

30,000 이상 방식여부판단 방식여부판단

문헌상의 소요전류밀도Current Density Environmental

Conditions mA/m2 mA/ft2 Conditions mA/m mA/ft Immersed in Seawater(a)

Stationary Well coated 1 to 2 0.1 to 0.2 Poor or old coating 2 to 20 0.2 to 2 Uncoated 20 to 30 2 to 3

Low Velocity(b) Well coated 2 to 5 0.2 to 0.5 P ti 5 t 20 0 5 t 2Poor coating 5 to 20 0.5 to 2Uncoated 50 to 150 5 to 15

Medium Velocity(c) Well coated 5 to 7 0.5 to 0.7 Poor coating 10 to 30 1 to 3Poor coating 10 to 30 1 to 3Uncoated 150 to 300 15 to 30

High Velocity(d) Poor coating or uncoated 250 to 1000 25 to 100

Buried Underground(e)

Soil Resistivity 0.5 to 5 ohm-m 1 to 2 0.1 to 0.2 5 to 15 ohm-m 0.5 to 1 0.05 to 0.1 15 t 40 h 0 1 t 0 5 0 01 t 0 05

58 of 139

15 to 40 ohm-m 0.1 to 0.5 0.01 to 0.05

(a)Structures or vessels (d)Turbulent flow (b)0.3 to 1 m/s (1 to 3 ft/s) (e)Pipelines or structures, coated or wrapped (c)1 to 2 m/s (3 to 7 ft/s)

문헌상의 소요전류밀도Current DensityEnvironment mA/ft2 mA/m2

Neutral soil 0.4 to 1.5 4.3 to 16.1 Highly acidic soil 3 to 15 32.3 to 161Heated soil 3 to 25 32.3 to 269 Moving fresh water 3 to 6 32.3 to 64.6 Fresh water, turbulent, with dissolved oxygen 3 to 15 32.3 to 161.4 Hot water 3 to 15 32.3 to 161.4 Seawater 3 to 15 32 3 to 161 4Seawater 3 to 15 32.3 to 161.4Chemicals, acid or alkaline solution in process tanks 3 to 15 32.3 to 161.4 Wet concrete 3 to 15 32.3 to 161.4

59 of 139

가통전시험가통전시험 가통전시험의 정의 가통전시험의 정의 임시로 배관에 방식전류를 인가하여 배관의 방식 정

도를 확인하는 시험 방식영향범위 측정

활용 방식소요전류량 결정 전기방식방법 결정소요장비 소요장비 이동용 정류기 이동용 발전기 이동용 발전기 임시 양극

방식방법의결정방식방법의결정 희생양극-양극집중배치법희생양극 양극집중배치법

희생양극-양극분산배치법

외부전원-양극분산배치법

외부전원-양극집중천매배치법

외부전원-양극집중분산배치법

선택배류법 선택배류법

강제배류법

기타

희생양극법의종류희생양극법의종류 희생양극 분산배치형 희생양극 분산배치형 Ductile and cast Iron Distribution piping 천해의 구조물 천해의 구조물 천해의 배관 hot spot (위험지역) hot spot (위험지역)

희생양극 집중배치 희생양극 집중배치 외부와 절연, 소요전류량이 작음 절연된 피복강관 절연된 피복강관 절연된 피복 tank

희생양극분산배치 집중배치희생양극분산배치 집중배치

집중배치집중배치

분산배치

외부전원법전기방식의종류외부전원법전기방식의종류 외부전원 집중배치 (천매) 외부전원 집중배치 (심매)외부전원 집중배치 (심매) 지하의 토양비저항이 낮을 때 복잡한 지역의 피방식구조물복잡한 지역의 피방식구조물 양극설치 부지가 없을 때

외부전원법전기방식의종류외부전원법전기방식의종류 외부전원 분산배치형 외부전원 분산배치형

소요전류량이 많음, 타시설물과 절연되지 않음 공단내 구조물공단내 구 물 해수 강관 파일 피복되지 않고 절연되지 않은 배관

매설된 저장탱 매설된 저장탱크

외부전원시스템의종류외부전원시스템의종류 외부전원 집중배치(천매) 외부전원 집중배치(천매) 외부전원 집중배치(심매)

지하의 토양비저항이 낮을 때 지하의 토양비저항이 낮을 때 복잡한 지역의 피방식구조물 용지가 없을 때

외부전원시스템의종류외부전원시스템의종류 외부전원 분산배치형 외부전원 분산배치형

소요전류량이 많음, 타시설물과 절연되지 않음 공단내 구조물공단내 구 물 해수 강관 파일 피복되지 않고 절연되지 않은 배관

매설된 저장탱 매설된 저장탱크

전기방식 균일전류분전기방식 균일전류분포

R t thRemote earth

전체회로의 저항은 증가하지만 전류분포는 균일해짐

방식설계를 위한 저항 계산방식설계를 위한 저항 계산 양극과 토양 사이의 접지저항양극과 토양 사이의 접지저항

가장 중요한 인자 양극이 원거리 대지에 위치하여야 한다 (remote earth).

전류가 토양을 통과하는 저항 토양이 무한이므로 아주 작음

토양과 구조물 사이의 접지저항 토양과 구조물 사이의 접지저항 구조물 면적이 크므로 상대적으로 작음

전선 및 배관 저항 배관 전위 분포에 중요한 역할을 함

배관 표면에서의 분극에 의한 저항 작음 최대 1V 이내 작음, 최대 1V 이내

양극과토양사이의접지저항양극과토양사이의접지저항 수평 천매 구조의 양극저항수평 천매 구조의 양극저항 Dwight 공식 R = (0.005ρ/πL)[Ln(4L/d) + Ln(L/h) - 2 + (2h/L)]

양비저항 (Ω ) ρ: 토양비저항 (Ω-cm) L: 양극의 길이 (m) d: 양극의 직경 (m) h: 매설깊이 (m)

수직 천매 구조의 양극저항 R = (0 005ρ/πL)[Ln(8L/d) 1 + (2L/S)Ln(0 656N) R = (0.005ρ/πL)[Ln(8L/d) - 1 + (2L/S)Ln(0.656N)

S: 양극간의 간격 (m) N: 양극의 갯수

심매구조의 양극저항 R = (0.005ρ/πL)[Ln(8L/d) - 1]

양극과토양사이의접지저항양극과토양사이의접지저항

배관에서의저항배관에서의저항 구조물과 토양 사이의 접지저항구조물과 토양 사이의 접지저항

R = w/A w : 음극의 누설저항 (Ω/m) A : 단면적 (m2) A : 단면적 (m )

배관 자체의 저항

장거리 배관에서는 배관과 토양 사이의 접지저항과 배관 자체의저항에 의한 전류 감쇠(current attenuation)를 고려하여 저항을계산해야 한다.

도선의 저항 도선의 저항

양극의수명양극의수명 희생양극 희생양극 Alife = (Ca x W x f)/I A : 양극의 수명 (year)Alife: 양극의 수명 (year) Ca: 양극의 전류용량 (A-y/kg) W: 양극의 무게 (kg) f: 효율 I: 양극의 출력 (A)

외전용 양극 A = ( W x f)/(I x C ) Alife = ( W x f)/(I x Cr) Cr: 양극의 소모율 (Lb/A-y)

희생양극의종류희생양극의종류M 양극 Mg 양극

전위 : -1.55V, -1.75V 효율 : 50% 용량 : 1102 A-hr/kg용량 : 1102 A hr/kg 주 사용처 : 토양중의 철구조물

Zn 양극 전위 : -1.1 V전위 효율 : 90%, 95% 용량 : 738A-hr/kg 주 사용처 : 바다에 설치된 구조물

Al 양극 Al 양극 전위 : -1.1V 효율 : 85%, 95% 용량 : 2534 - 2833 A-hr/kg용량 : 2534 2833 A hr/kg 주사용처 : 바다에 설치된 구조물

시공시공 희생양극의 시공 희생양극의 시공

직접연결 지상에서 연결

충전제의 사용 Mg 양극에 사용되는 backfill의 성분

Ground hygrated Gypsum (CaSO4): 75% Powdered bentonite (clay): 20% Powdered bentonite (clay): 20% Anhydrous sodium sulfate (Na2SO4): 5%

Zn 양극에 사용되는 backfill의 성분 Ground hygrated Gypsum: 50% Powdered bentonite: 50%

전류효율 향상 전류효율 향상 국부적인 부식 가능성 해소

양극 주변에 항상 습기가 있도록 유지 양극 주변에 항상 습기가 있도록 유지 유효양극면적의 증가

외부전원용양극외부전원용양극 Graphite Graphite 건조한 토양에 적용이 좋음 염소 반응이 주인 바다에서 사용가능염 반응이 주인 바다에서 사용가능 산소발생반응에서는 소모율이 큼 깨어지기 쉬움

고규소철 (high silicon cast iron; HSCI) 조성 : 규소 (Si) : 14.2 - 14.75%, 크롬 (Cr) : 3.25 -

5% 망간 (Mn) : 1 5% 탄소 (C) : 0 75 1 15 철5%, 망간 (Mn) : 1.5%, 탄소 (C) : 0.75 - 1.15, 철(Fe) : 잔량

Platinized Niobium (Chloride환경) Platinized Niobium (Chloride환경) MMO (mixed-metal oxide)

MMO Anodes

Graphite HISI

N i l C t D itNominal Current Density: Soil/fresh water, A/m2 2 – 10 2 – 5 (A/ft2) (0.2 – 1) (0.2 – 0.5) Carbon backfill, A/m2 5 – 10 5 – 10

2 (A/ft2) (0.5 – 1) (0.5 – 1) Seawater A/m2 5 – 10 10 – 50 (A/ft2) (0.5 – 1) (1 – 5)

C ti R tConsumption Rate: Soil/fresh water, kg/A-yr 0.5 – 0.9 0.1 – 0.5 (lb/A-yr) (1 – 2) (0.2 – 1.2) Carbon backfill, kg/A-yr 0.1 – 0.2 0.05 – 0.3 (lb/A-yr) (0.2 – 0.5) (0.1 – 0.7) Seawater, kg/A-yr 0.1 – 0.3 0.3 – 0.5 (lb/A-yr) (0.2 – 0.7) (0.7 – 1)

Comments / Limitations: Avoid: Avoid:Comments / Limitations: Avoid:Low pH

High sulfate Temp. > 50° C

Consider:

Avoid:Dry soils High pH

High sulfate Consider:

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End effect Treatment

Brittle

End effect Brittle

Chrome alloy - halides

Carbon Backfill High

Current

Special

Fresh Water

Brackish Water Seawater Mud

Saline Current Special

Current Density, A/m2

(A/ft2)

83-140 (7.7-13)

35-40

(3.3-3.8)

83-170 (7.7-16)

83-260 (7.7-24)

480-610 (45-57)

83-240 (7.7-22) (A/ft ) (7.7 13) (3.3 3.8) (7.7 16) (7.7 24) (45 57) (7.7 22)

Life, yrs 20 20 20 15 15 15 Comments: Above ratings do not apply to Expanded Mesh Anodes.

Current densities must be dearated at temperatures below 5-10° C. Electrolyte impurities can affect ratings. Mixed-metal oxide surface is susceptible to abrasion damage. Attenuation should be considered in long, thin wires & rods.

General guidelines only.

양극 면에서의 전형적인 반응양극표면에서의 전형적인 반응

Electrolysis of water: 2H2O 4H+ + O2 + 4e

Oxidation of chloride ion: 2Cl Cl2 + 2e

Oxidation of carbon: C + 2H2O 4H+ + CO2 + 4e

C + H2O 2H+ + CO + 2eoror

결과(1) 물의 소비

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(1) 물의 소비(2) 기체 발생(3) pH 감소

성분성분 Carbon 입자

기능 양극의 면적을 넓힘으로써 양극과 토양과의 접지저항을

줄여준다. 양극의 면적이 넓힘으로써 양극의 분극량을 감소시킨다 양극의 면적이 넓힘으로써 양극의 분극량을 감소시킨다 양극의 반응을 backfill 표면으로 분산시킴으로써 양극의

수명을 증가시킨다. 양극반응으로 발생하는 가스를 빨리 배출하여 준다.

전류전달경로Electronic: carbon을 통해서 (반응은 C의 표면에서) Electronic: carbon을 통해서 (반응은 C의 표면에서)

Ionic: pore water를 통해서 (기체발생, 양극소모)

양극 면의전류전달경양극표면의전류전달경로

WaterWater

AnodeSurfaceSurface

ElectronicElectronic CarbonCarbonParticleParticle

IonicIonicParticleParticle

전원전원 정전압형 정류기 정전압형 정류기 정전류형 정류기

정전위형 정류기 정전위형 정류기

정전위형정류기정전위형정류기

Is

PotentialControlledRectifier

Is

structure buried referencestructure electrode

정전위형정류기정전위형정류기

Test Box Test Box 양극

영구기준전극 영구기준전극 절연시설물 타시설물과 교차할 때 전류량을 측정하는 장치

사례시공전 굴착 케이블 포설

Splice kit 조립 양극 설치 1차 되메움

전선관 설치 경고띠 포설 되메움

전신주 설치 양극매설지 복구완료 정류기 설치 안내문 설치

자재자재

정류기 양극 벤트 파이프

HMWPE케이블 22mm2ELP 주름관 28Φ매설용 기준전극 접지봉, GV 케이블

절연 파이프 케이싱 관

시공전 시험 굴착 Boring

양극 시공양극 시공

케이블 포설 Splice kit 연결 1차 되메움

경고 테이프 설치 심도 측정 되메우기 및 복구 완료

외부전원법 심매양극설치작업외부전원법 심매양극설치작업

시험 굴착 보링 (1차 10m 절연용) 보링 (2차 35m 케이싱용) 보링후 심도 측정

양극 투입 Coke breeze 투입

배관 본딩 케이블 전선관 매설 Junction box 설치/결선 정류기

의파손사례의파손사례

해양강파일 희생양극법해양강파일 희생양극법

출처: www.ntac.co.jp

사례 콘 리트구 물 출처: 일본 엘가드협회사례 콘크리트구조물 출처: 일본 엘가드협회

사례 댐구조물사례 구

귀수문(miter gate)의 부식피로(below a water line)

사례 댐구 물사례 댐구조물

Whitten lock of a miter gate in Tenn-Tom waterway

하류수문 (lower gate), 1956년 서비스 시작전기방식+coating

시공 10년차 배수후 검사, 상태 양호이후 dewatering하지 않고 운용

출처: US Army Corps of Engineer, Mobile Districthttp://www.sam.usace.army.mil/en/cp/photographs.htm