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Steel Corrosion

Abstract

Corrosion is a natural process that occurs when materials, particularly metals, react with their environment. It involves the deterioration or degradation of a material due to chemical or electrochemical reactions with substances such as water, oxygen, acids, or salts.
In the case of metals like iron, corrosion is commonly referred to as rusting. When iron is exposed to oxygen and moisture, it undergoes oxidation, resulting in the formation of iron oxide or rust. This process weakens the metal, leading to its eventual breakdown.
Corrosion can occur in various forms, including uniform corrosion, localized corrosion, galvanic corrosion, and stress corrosion cracking. Uniform corrosion happens when the entire surface of a metal corrodes at a relatively even rate, causing a general loss of material thickness. Localized corrosion, on the other hand, occurs in specific areas, leading to pitting or crevice corrosion.
Galvanic corrosion happens when two dissimilar metals are in contact in the presence of an electrolyte, such as moisture. The more active metal experiences accelerated corrosion while the less active metal is relatively protected. Stress corrosion cracking is a phenomenon where a combination of tensile stress and a corrosive environment leads to the formation of cracks in the metal.
Corrosion has significant implications in various industries, particularly in infrastructure, transportation, and manufacturing. It can compromise the structural integrity of buildings, bridges, pipelines, and vehicles. In addition to the financial costs of repairing or replacing corroded materials, corrosion can also pose safety hazards and environmental concerns.
To mitigate corrosion, several preventive measures are employed. Protective coatings such as paint, enamel, or corrosion-resistant alloys can be applied to metals to create a barrier between the metal and the corrosive environment. Cathodic protection techniques, such as sacrificial anodes or impressed current systems, are used to control corrosion by directing the flow of electrons. Proper design, material selection, and regular inspection and maintenance are also crucial in managing and minimizing corrosion-related issues.
Overall, understanding the causes, types, and preventive measures of corrosion is essential for preserving the integrity and longevity of materials, ensuring safety, and reducing economic and environmental impacts.

Ⅰ.부식(Corrosion)

1. 부식이란?

부식이란 금속재료 (Metallic Materials)가 그 주변 환경 (Environment)과의 사 이에서 화학적 혹은 전기화학적(Electrochemical)으로 반응하여 손실되는 현상이다. 부식으로 발생되는 직․간접적인 경제적 손실은 GNP의 3~5%로 추정되고 있다.
철(Fe)에서의 부식작용은 에너지 보존의 법칙을 적용하여 보면 쉽게 이해할 수 있는데, 즉 수백 년 또는 수천 년 동안 안정된 상태에서 잠자던 철광석을 뜨거운 용광로에 넣고 에너지를 가하여 돌에서 철을 강제로 분리시킴으로 인하여 철은 자연계 이상의 에너지를 함유하여 불안정한 상태가 되고, 안정된 상태로 변하기 위하여 에너지를 방출하려는 자발적인 과정이 부식이다.
이처럼 철의 관점에서 보면 원래의 상태인 산화철(철광석)로 환원되려는 극히 자연스러운 현상이지만, 인간의 관점에서 보면 철광석을 어렵게 제련하여 쓸만한 철을 만들어 놨는데 시간이 흐르면서 소모되고 변질되는 현상으로 보일 것이다.
부식을 예방하기 위해서는 건설단계에서부터 사용 유체와 환경에 적합한 재질선정과 유지관리과정에서의 적정 방식 방법을 적용하여 지속적으로 유지관리 되어져야 한다.

(STS 316L 부식 및 밸브 부식 )

(전면부식과 국부부식 분류)

2. 부식작용의 메카니즘

부식작용의 메카니즘은 전기화학작용, 미생물작용 및 전식작용(누설전류작용) 등으로 분류되는데 이들 중 대부분의 부식은 전기화학작용에 기초를 두고 있다.

1) 메카니즘별 특징

(1)전기화학작용에 의한 부식 : 관로에서 관종간, 금속 표면 상태, 토양 통기도 등에 의해 관로 표면에서 전위차가 발생하여 양극(+)과 음극(-)으로 작용하는데 양극부가 되는 금속표면에서 부식되는 현상으로 거의 모든 부식작용 메카니즘의 기초가 된다.

(전기화학작용에 의한 부식 메카니즘)


구 분	메카니즘
부식작용 (산화반응, Oxidation)	양극(Anode)에서 음전하인 전자(Electron)를 잃어버리는 반응으로 부식이 발생하는 반응. (ex) Fe → Fe 2++ 2e -
방식작용 (환원반응, Reduction)	음극(Cathode)에서 음전하인 전자를 얻는 반응으로 부식이 억제되는 반응 (ex) 2H ++ 2e -→ H 2,2H 2 +2 + 4e -→ 4OH -

(2) 미생물작용에 의한 부식 : 토양 또는 액체 중에 존재하는 미생물의 작용에 의해 발생 되는 부식현상으로 전기화학작용이 기본이 된다. 유황박테리아, 철박테리아 호기성미생물 및 황산염박테리아 메탄생성박테리아 등의 혐기성미생물의 신진대사 과정에서 부식을 유발시키며 상수도관로, 가스관로 등 매설관로에 발생한다.

(3)누설전류작용(전식작용)에 의한 부식 : 금속체나 토양 등의 양극과 음극형성이 불균일하게 이루어지거나 외부의 직류전원에 의해 발생되는 부식작용으로 전식이라 한다. 전식은 대부분 직류전철이나 지하철의 누설전류에 의해 발생되는 것이며 교류전류에 의한 전식은 거의 발생하지 않는다. 전식작용(누설전류작용)은 상수도관로, 가스관로 등 매설관로에 발생한다.

3. 부식의 형태 및 특징

1) 부식의 형태


구 분	특 징	분 류
습 식	상온 부식 (대기중 철부식)	전면부식	균일부식, 알카리부식, 저온부식
		국부부식	공(점)식, 극간(틈새)부식, 이종간부식, 입계부식, 응력부식균열, 부식피로 등
		기계적 작용을 수반하는 부식	침식(에로션 )부식 , 응력부식, 캐비테이션 손상, 부식피로
건 식	고온 상태 (할로겐기체 중 전구 필라멘트 소모)		고온산화, 고온부식, 황화부식

2) 부식 형태별 특징


부식 형태	부식 속도	발생빈도	위험성	비 고
전면부식	〈 0.1 ㎜/y	크다.	작다.	환경에 따라 국부적으로 진행
균열 동반 국부부식	최대 수㎜/y이상	비교적 큼	크다.
균열 동반 않는 국부부식	1 ㎜/y 정도	비교적 작음	중간
갈바닉 부식	1 ㎜/y 정도	작다.	중간	발생위치 한정됨
기계적 작용을 수반하는 부식	1 ㎜/y 정도	작다	크다.

※ 부식속도 mm/y는 1년간의 평균 침식 깊이를 의미하는데 중량을 체적으로 환산하여 단위시간당의 진행속도로 표시한 것으로 침식율을 의미한다.

(1) 전면부식(Uniform Corrosion)

전면부식은 금속 표면 전체에 걸쳐서 균일하게 발생하는 가장 일반적인 부식 형태로 재료의 수명 등을 예측할 수 있어 유지관리가 쉽고 위험도는 낮다.

(2) 국부부식(Localized Corrosion)

국부부식은 금속 일부분에서 집중적으로 발생하는 부식을 말하며,부식 부위나 정도를 예측할 수 없어 유지관리를 어렵게 할뿐만 아니라 위험도가 높다.

① 공식(Pitting Corrosion)

공식은 점식(點蝕)이라고도 하며, 벌레가 나무에 구멍을 파듯 금속표면의 어느 한 부분을 집중적으로 부식시켜 작은 구멍(Pit)을 만드는 형태의 부식으로 알루미늄 재료의 가장 일반적인 부식 형태이며 해수를 취급하는 스테인레스강에서도 발생된 다.

(스테인레스_STS 3016L공식)

② 극간(틈새)부식(Crevice Corrosion)

극간부식은 Flange 접합의 가스켓면, 금속간 접하는 면 등의 틈새에 먼지 또는 전해질 수용액이 고여 이온의 농도차로 발생하는 부식을 말하며, 스테인레스강과 같이 부동체로 내식성은 갖는 재료에 있어 가장 위험한 부식 형태이다.

(스테인레스파이프 극간부식)

③ 이종금속부식(Galvanic Corrosion)

이종금속부식은 갈바닉 부식이라고도 하며, 서로 다른 금속이 접촉하여 일방적으로 한쪽 금속의 산화(부식)를 촉진시킴으로써 발생하는 부식을 말한다. 예를 들어 철과 구리를 접하여 두면 철이 급속하게 부식되는 현상을 발한다.

(갈바닉 부식: 동관 + 아연도강관)

④ 입계부식(Intergranular Corrosion)

입계부식은 입자간 부식으로 불순물 또는 입계 영역에 한 합금 성분이 지나치게 많거나 혹은 지나치게 적을 때 발생하는 부식으로 스테인리스 알루미늄 등에 잘 나타나는 부식현상이다.

(3) 기계적 작용을 수반하는 부식

기계적 작용을 수반하는 부식은 유체의 흐름 작용에 의하거나 응력 작용 등에 의하여 물리적 또는 기계적인 작용으로 발생되는 부식을 말한다.

① 침식(Erosion Corrosion)

에로전(침식)은 펌프 또는 Pipe등에서 액체가 고속으로 유동하는 경우 유체가 금속면을 충돌하면서 금속면의 부동태 피막 등을 파괴시켜 부식이 촉진되는 현상으로 마모부식이라고도 한다.

(분말 이송에 따른 마모 부식)

② 캐비테이션(Cavitation) 손상

밸브, 스크류 등에서 처럼 고속으로 수류가 그 표면을 통과하는 장소에서는 유속이 국부적으로 높아지는 부분에서 음(-)압이 되어 비등현상이 발생하고 고압부위에서 기포가 부서지면서 금속면에 충격을 줄때 발생하는 금속면의 침식이다.

(케비테이션에의한 펌프 임펠러 및 밸브손상)

③ 응력부식 균열

응력부식균열은 응력을 받는 재료에서 부식 환경과 재료와의 특정한 조합 하에서 취성적으로 파괴되는 현상을 총칭하여 말한다.

(4) 매설관로에서의 부식 형태

상수도관로처럼 매설되어 있는 관에서 부식작용은 내부의 유체에 의한 관 내면부식 과 외부의 토양 및 누설전류 등에 의한 관 외면부식 이 있다. 내면부식은 수돗물에 포함되어 있는 잔류염소 등에 의한 산화작용에 의한 부식이 있으며, 외면부식은 콘크리트, 토양 등에서 산소 농도차에 의한 부식 및 이종금속간의 갈바닉 부식이 있다. 또한 전철 등에서 누설되는 미소 전류에 의한 전기 부식이 있다.
매설관로에서의 부식 작용은 전기화학작용, 미생물작용 및 전식작용(누설전류작용) 등으로 분류되는데 이들 중 대부분의 부식은 전기화학작용에 기초를 둔다.

(매설관로의 부식 형태)


구 분	분 류
자연부식 (전식 이외의 부식을 총칭 함)	마크로셀부식(Macrocell)	일반토양부식, 특수토질부식
자연부식 (전식 이외의 부식을 총칭 함)	마이크로셀부식(Microcell)	콘크리트/토양 마이크로셀 부식, 산소농담 (통기차 부식), 이종간부식
전기부식(전식)		미주전류, 간섭

(주철관및 강관 내부 부식)

① 마크로셀(Macrocell) 부식

마크로셀(Macrocell) 부식은 금속의 부분적인 전위가 천한부위(양급 부위)와 귀한부분(음극 부위)이 명확하게 구분되어 진행되는 부식을 말하며 토양부식의 자연부식은 마크로셀 부식에 의해 진행되는 경우가 많다.
양극의 부식은 양극의 면적에 비해 음극의 면적이 상대적으로 크면 빠 르게 진행되며, 부식 속도는 거의 “음극면적/양극면적”의 비에 비례한 다.

② 마이크로셀(Microcell) 부식

마이크로셀부식(Microcell)은 액중의 염류 농도 또는 산소량이 다른 경우, 토양의 산소농담 전위차 등으로 인하여 금속표면에 양극과 음극부분으로 형성되어 미세하게 분포된 국부전지에 의해 양극(+)부에 발생하는 자연부식이다.

③ 토양부식

토양부식이란 토양 중에 매설된 구조물의 부식을 지칭하는 것으로 토양 중에 함유된 수분이 전해질로 작용하여 발생하는 부식을 의미한다. 토양 부식은 토양의 특징에 따라서 다양한 형태로 발생하므로 토양의 성질에 크게 좌우되는 특징을 가지고 있다.

(매설관로 내면부식과 외면부식 유발 요인)


구 분	유발 요인
내면 부식 (수질에 기인)	-유리탄산 과다 함유 - pH 낮음(산성) 또는 낮은 알카리도 - 잔류염소 과다 - 철박테리아 등의 부식성 미생물 존재 등
외면 부식 (토양과 누설전류에 기인)	- 토양 또는 지하수 중 염분 과다 함유 - 토양 산성화 (산성의 공장폐수 오염) - 혐기성박테리아 작용 (매립지구 등) - 누설전류 (전철, 지하철궤도에서 누설된 직류 전류)

(토양의 비저항과 부식성,미국 국립표준기술연구소(NIST))


토양 비저항 (Ω-cm)	부 식 성
700 이하	매우 높다
700~2,000	비교적 높다
2,000~5,000	중간정도
50,000 이상	낮다

※ 토양 비저항이란 주어진 토양에서 단위 부피(1cm 3 )당 평균 전기 저항을 말한다.

Ⅱ. 방식(Corrosion Protection)

1. 방식이란

방식이란 부식으로 인하여 금속이 없어지지 않도록 지키는 일을 말하며, 철에 다른 안정된 금속을 첨가하여 합금시킴으로써 안정화하여 부식을 방지하는 합금 법과 금속 표면을 덮어 부식 환경에 접하지 않도록 차단시켜주는 피막법 및 철 보다 녹 발생이 쉬운, 즉 이온화경향이 큰 금속을 강관에 연결하여 철보다 먼저 소모되도록 하는 희생양극법 등의 있다.
철에 안정된 금속을 첨가하여 안정화시키는 대표적인 금속으로는 스테인레스강이 있으며, 철(Fe)에 니켈(Ni), 크롬(Cr), 몰리브덴(Mo) 등을 첨가한다. 또한 금속 표면을 덮어 부식 환경에 접하지 않도록 차단시키는 방법으로 페인트 등의에 의한 도장, 양철, 함석 등과 같은 금속도금,용융 금속을 고압 공기로 금속의 표면에 분사․밀착시켜 피막을 만드는 금속 용사 및 고무 또는 플라스틱 등의 내식성 재료를 코팅시키는 방법이 있다. 또한 희생양극법은 철보다 이온화 경향이 큰 마그네슘(Mg), 아연(Zn) 등을 연결하여 먼저 희생되도록 하는 방법이다.

2. 방식 방법 및 특징

1) 합금방식

합금방법은 예방적 방식법으로 금속 생산 단계에서부터 내식성이 우수한 Ni, Cr 등을 소량 첨가하여 부동태 피막을 형성시켜 부식을 방지하는 방법으로 합금을 통하여 금속의 성질이 완전히 달라진다. 예방적 방식법은 설계 단계에서부터 사용 유체와 환경을 고려하여 재료가 선정 되어져야 한다.

2) 피복방식

금속에 산소 및 물이 접촉을 차단하여 전기화학적인 반응이 발생하지 않도록 하는 방법으로 강관은 아스팔트, 콜타르 에나멜, 타르 에폭시 수지도료, 액상 에폭시 수지도료, 폴리에틸렌 등의 도복장 재료가 사용 된다

3) 음극방식(Cathodic Protection)

금속이 전해질 속에 놓이게 되면 전위차로 인하여 음극부와 양극부가 형성되고, 이때 양극부에서 음극부로 전류가 흐르며 전자가 이동하여 부식이 발생한다.
음극방식은 방식되어야 할 금속에 전자를 강제로 공급히여 금속을 인위적으로 음극(-)화하여 부식을 예방하는 방법으로 희생양극법(Galvanic or Sacrificial Anode System), 외부전원법(Impressed Current Cathodic Protection), 선택배류법, 강재배류법이 있다

(방식 방법)


구 분		방식법
예방적 방식법	합금 방식 (금속 성질 개선)	내식성 금속 첨가, 성질개량 → 완전 다른 금속화 ex) 스테인레스=철+Ni, Cr 등(산화크롬 피막 형성) 황동=구리+아연, - 백동=구리+니켈
치료적 방식법	피복 방식 (물과 공기 차단)	금속 표면 페인트 칠 금속 표면에 내식성 금속 씌우기 ex) 양철 = 철+주석)
	음극 방식 (전기 방식)	보호금속을 음극으로 유지시켜 부식을 방지 - 희생양극법, 외부전원법, 선택배류법, 강재배류법
	양극 방식	금속에 양극전위 가해 부동태막 형성

① 희생 양극법(Galvanic or Sacrificial Anode System)

희생양극법은 이종간금속의 부식을 역으로 응용한 것으로 보호하고자 하는 금속보다 전위가 높은 금속(부식성이 더 큰 금속)을 전선으로 연결하여 보호금속을 음극(-)이 되도록 하여 전위가 높은 금속을 희생시키는 방법이다.
Anode 재료는 Mg, Zn, Al 등이 사용되는데 일반적으로 Mg은 매설된 관로에 사용하고, Zn과 Al은 선박 등 해수에 많이 적용한다. 동합금의 수도메타와 연결된 아연도강관의 부식 또는 선박에서 동합금의 Screw 주위 선체에 심한 부식이 발생하는데 이것을 막기 위하여 Zn을 부착시켜 이를 방지한다.

(희생양극방식 설치)

(희생양극법의 장단점)


장 점	단 점
전원 공급 불필요하다.	대용량 부적합 (양극 출력전류 한계)
설계 및 설치가 용이하다.(구조 간단)	토양 비저항이 큰 경우 비경제적
유지보수 불필요(유지관리비 적다)	유효전위가 제한적이다
과방식 우려 없다.	수명 한정적(긴 수명 요하는 곳 불리)
전위차 낮아 간섭영향 적다.	산성 환경에서는 수명이 급감된다.

② 외부전원법 (Impressed Current Cathodic Protection)

외부전원법은 토양 또는 수중의 관로에 직류(DC) 전원의 음극(-)을 직접 연결하여 주위에 양극(+)을 두어 조호관로가 항상 음극(-)을 유지시키는 방법이다. Anode 재료에는 고규소철, Pt-Ti, Pb-Ag 등이 있으며, Anode 설치 방법에는 Shallow Bed 방식, Deep Well 방식, Distribution 방식 등이 있다.
전기방식 선정 시에는 방식에 따른 소요전류의 크기, 배관 표면이 코팅 되어 있는지 또는 누두관인지 및 코팅이 종류 설치물로부터 요구되는 전류의 양과 Anode 설치 장소 및 보호대상관의 거리 타시설물이 존재 여부 등을 고려하여야 한다.

(외부전원법 설치도)

(외부전원법의 장단점)


장 점	단 점
대용량 적합 (효과 범위 넓다)	전원 공급 필요하다.
전류/ 전압 조절 가능	설계 및 설치가 복잡하다
토양 비저항에 무관하게 사용 가능	주기적인 유지관리 필요
내소모성 양극 방식으로 수명 길다	설치비 비싸다.(초기 투자비 크다)
자동화 방식 가능	과방식의 소지가 있다.
장거리 배관에 적합	넓은 설치 공간 소요된다.

③ 직접배류법

직접배류법은 피방식구조물과 전철변전소의 부극 혹은 레일 사이를 직접 도체로 접속하는 방법

④ 선택배류법

선택배류법은 지하철 레일을 통해전류가 유입 될 경우(레일의 전압이 낮은 경우) 전류를 선택배류기를 통하여 직접레일에 귀류시키고 레일의 전압이 높을 경우 관로로 전류가, 역류하는 것을 막는 방법이며 레일의 미주전류가 강한지역에서 배류방식을 적용하는 것이 가장 적절하다.

⑤ 강제배류법

강제배류법은 직류 전원장치에의 해전류를 레일로 강제로 배류시키는 것으로서 선택배류법과 외부전원법의 중간개념의 방식방법이다.

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Ⅰ.부식(Corrosion)

1. 부식이란?

2. 부식작용의 메카니즘

3. 부식의 형태 및 특징

Ⅱ. 방식(Corrosion Protection)

1. 방식이란

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