ⅱ. 냉동 설비의 부식관리
※냉동설비에서의부식에대하여 각종 기계설비에서 일어나는 부식으로 인한 손실은 개발도상국이나 선진국 등에서는 그 나라 GNP의 약 5%이상이 달하는 금액정도로 그 규모는 아주 크다 할 수 있다. 이는 공기조화설비에서도 예외는 아니며, 최근 웰빙 바람을 타고 더욱 깨끗한 조건을 바라고 있다. 이에 공기조화설비에서 발생되는 부식도 오염원의 일부로 규정하고 있으며, 공기조화설비 또한 아주 중요한 설비가 되고 있다. 공기조화설비의 에너지소비는 에너지 절약대상 건물의 연간에너지 사용량 중 가장 큰 비중을 차지하고 있고, 작동열매의 대부분 물을 많이 사용하므로 부식발생 등 유지관리에도 많은 주의가 요구되는 설비이다.
1. 부식(腐蝕)이란? 부식은 금속에 발생하는 노후 현상인데 이것을 우리가 어떻게 관리하는 가에 따라 부식의 정도를 줄일 수 있는데, 금속이 부식된다고 하는 것은 금속이 자연 상태로 되돌아가는 과정이라고 할 수 있다. 즉, 부식은 금속의 산화과정을 말하는데, 모든 금속은 공기 중에 노출되면 표면에 산화막이 형성되고, 어떤 경우에는 막이 대단히 얇고 또한 금속 내부를 보호하여 금속 고유의 광택을 유지하기도 한다. 그러나 습기, 염소이온과 같은 음이온, 질소와 유황의 기체 산화물 등이 존재하면 부식이 쉽게 진행되어 금속을 완전히 망가뜨릴 수도 있다. 부식은 한 금속 조각이 다른 부분 사이, 또는 전해질로서 서로 접촉 하고 있는 다른 금속 사이의 전자 이동에 의해 발생한다.예를 들면 공기와 습기가 접촉하고 있는 철은 부식한다. 공기 중에서 알루미늄의 부식은 철의 부식보다 느리게 진행된다. 알루미늄의 표면에 형성된 막은 질기고 단단해서 산소를 더 이상 침투시키지 않기 때문이다. 부식된 금속은 금속 본래의 구조나 특성을 잃기 때문에 자발 과정인 부식은 경제적으로 손실을 가져오는데, 매년 생산되는 철과 강철의 약 1/4이 녹슨 것을 대치하는데 사용된다.
2. 부식의조건 금속은 대부분 산화물의 형태로 광석에 존재하는 것을, 여기에 에너지를 가하여 만들어 내는데, 이러한 금속은 화학적으로 불안정하여, 원래의 상태인 산화물로 되돌아가려고 하는 경향이 있다. 금속의 주위 환경과, 화학적 또는 전기 화학적 반응에 의해, 표면이 산화되어 소모되는 현상을 부식이라 한다.
가) 부식의 원리를 자세히 알아보면 모든 금속은 자체적으로 전위를 가지고 있는데, 이 전위는 금속이 처해있는 환경(전해질 이온농도, 용존산소 농도, 온도)이나, 재질 자체의 불균일성(결정방위, 잔류응력, 표면상태 등)에 의해, 차이가 생기게 된다. 즉 전위차가 형성되는 것이다. 전위차가 형성이 되고, 양극(양극과 음극)이 전기적으로 연결되어 있으면, 전류가 흐르게 되는데, 이때 전류가 흘려 나가는 곳에서 부식이 발생한다. 금속의 이온화 경향이 클수록 부식이 잘되는데, 금속의 이온화 경향순서는 다음과 같다. ▶ K(칼륨) 〉Na(나트륨) 〉Ca(칼슘) 〉Mg(마그네슘) 〉Au(알루미늄) 〉Zn(아연) 〉Fe(철) 〉Ni(니켈) 〉Sn(주석) 〉Pb(납) 〉Cu(구리) 〉Ag(은) 〉Pt(백금) 〉Au(금) 처음 나온 금속들이 이온화 경향이 크며, 부식이 잘 진행되는데, 이 순서를 보면, 부식이 잘되지 않는 구리(Cu), 백금(Pt), 알루미늄(Al) 등과 부식이 잘되는 마그네슘(Mg) 등을 쉽게 확인할 수 있다. 가스배관에 사용하는 것들은 Fe(철)이 대부분인데, 이보다 이온화 경향이 큰 Mg(마그네슘)를 사용하여 피 방식 체(강관)를 보호하는 희생양극으로 사용하는 것이다.
나). 부식의 발생조건 부식이 발생하기 위해서는 양극, 음극, 전해질 및 전기적 회로의 4가지 요소가 갖추어져야 한다.- 양극, 음극, 전해질 및 전기적 회로의 4가지 요소가 갖추어져야 한다.- 전해질 : 관내 유체, 외부 기체, 토양(매몰의 경우)등- 전기적 회로 : 전해질을 매체로 전기회로 형성
3. 부식에영향을미치는요인
부식에 영향을 주는 것은 아주 많은데, 그 중에서 배관의 재질, 관내의 수온, 유속 및 수질 등에 영향을 받는 것이 가장 크다.
가. 온도의 영향
(1)일반적으로 온도가 상승하면, 부식속도는 증가한다(물이 활성화되므로)
(2)배관 계가 대기개방인 경우, 온도가 비등점 부근이 되면 수중의 용존 산소가 감소하기 때문에 부식량이 급격히 감소한다.
나. 유속의 영향
(1) pH : pH4이하에서는 수소발생을 동반한 전면부식이, pH6~7의 중성 또는 약산성 환경에서는 공식, 응력 부식이 발생하기 쉽다.
(2) 경도 : 경도가 높으면 스케일의 부착이 일어나기 때문에, 부식은 일어나기 어렵지만, 스케일에 의한 장해에 주의해야 한다.
(3) 염소이온: 보호피막을 파괴하는 성질이 있어, 공식의 원인이 된다.
(4) 용존 산소 : 용존 산소가 적을수록 부식의 위험이 적다.
(5) 전도도 : 전도도가 높을수록 부식성이 증가한다.
다. 토질의 영향
흙 속에 부식성 물질, 수분, 공기, 박테리아 등을 어느 정도 함유하고 있는가에 따라 부식성이 다르다.
마. 환경 차에 의한 영향
동일한 금속이라도 환경에 따라 이온화 정도의 차이가 있어, 하나의 배관이 2개의 서로 다른 환경하에 있으면, 그 양자 간에 전위차를 일으켜 갈바닉부식과 동일한 부식을 일으킨다.
바. 환경 차에 의한 부식의 예로는 다음과 같은 것들이 있다.
(1)매설관이 건물의 콘크리트를 관통하는 철근과 전기적으로 접촉하여 발생하는 부식(매설관이 2~3년 내에 구멍).
(2)매설관이 점토와 모래 사이를 관통할 때 발생하는 부식(점토 쪽이 부식)
4. 금속배관의부식종류
부식의 종류를 크게 나누면 전면부식과 국부 부식이 있다.
가. 전면부식
- 전면부식은 부식 현상 중에서 가장 일반적으로 일어나며, 금속재료 표면 전체에 걸쳐 균일하게 발생한다.
- 전체에 균일하게 발생하므로 보통 주변 에서 보는 부식이라 보면 된다.
- 제품 설계 시 이를 감안하여 부식여유를 산정하여 설계함.
나. 국부부식 금속의 일부가 국부적으로 부식 손상하여, 심각한 위험을 초래할 수 있다.(1) 수온상승에 의한 부식일반적으로 물의 온도가 상승하면 부식속도가 빨라지는데 물의 온도가 50℃이상이 되면 OH기를 다량 발생시켜, 물이 활성화되어 부식작용을 촉진하고, 일반강관에 빨간 녹물이 발생한다. (2) 아연으로 인한 철의 부식작용 - 백관표면의 아연은 물의 온도가 상승하면 물에 용해되어 나온다. 철과 아연이 전기적으로 연결되면 철이 부식된다. - 아연의 강관배관은 냉수계통에는 상관이 없으나, 온수계통에는 사용이 부적합하다(높은 온도에서 부식이 심함) .
다. 갈바닉 부식
(1) 전해질이 다른 종류의 두 금속을 두 금속을 접촉시키면, 귀한 금속이 캐소드로 되고, 천한 금속이 아노드(anode)로 되어 천한 금속이 부식한다.
(2) 두 종류의 금속이 접속하면, 이온화 경향이 큰 것이 아노드가 되어 부식되고 작은 것이 케소드가 된다.
라. 용존 산소로 인한 부식
- 산소가 함유되어 있는 물을 가열하면, 산소는 기체로 되어 물에서 이탈되어 나오는데 물에서 유리 되기 직전, 부근에 있는 금속, 특히 철 등의 표면을 부식시킨다. 배관회로 속에 대기압 이하가 되는 부분이 있으면 그 반응이 심하게 되는데, 실제로 공조시스템이나 급탕 시스템에서 배관회로 설계 잘못으로 배관 내가 국부적으로 부압을 형성하고 있는 경우가 있다.
마. 응력부식
- 외부로부터 압축응력, 인장응력이 결려 있거나, 용접에 의해 내부응력이 남아 있는 상태에서의
부식작용이 일어나면 응력이 있는 부분은 특히 부식이 강하게 발생한다.
바. 동 이온으로 인한 부식
- 동도 물의 온도가 높으면 용출량이 증가한다. 이 용출된 동은 수중에서 동 이온이 되어 철을 부식시킨다(철이 구리보다 이온화 경향이 크므로 철이 부식된다).
사. 유속으로 인한 부식
- 동판에서 많이 일어나는 부식으로 청 녹색의 부식이 발생하고, 유속이 빨라지면 금속표면에 산화
작용으로 생긴 피막이 박리된다. 이때 부식요인과 침식이 함께 작용하여 단시일 내에 구멍이 뚫리는 현상이다.
아. 농담전지 작용으로 인한 부식(극간 부식)
- 배관 접합부의 틈새, 벽면 관통 부 틈새에 액이 고여 있을 경우 사이에 농도 차가 생겨 농담전지를 생성하고, 부식작용을 일으키는 부식이다.
자. 캐비테이션(기포침식)으로 인한 부식
(1) 캐비테이션 발생 시 생기는 기포로 인하여 기계적 침식으로서, 부식이라고 하기에는 약간 문제가 있지만, 나타나는 현상은 부식과 동일하다.
(2)펌프 임펠러 등과 케이싱에서 많이 일어나고 소음도 수반한다.
5. 방식
1). 방식의 기본원리
금속의 부식은 토양, 물, 공기 등의 전해질이 존재하고 양극 - 음극 반응이 일어나면서 생기는 것으로 방식에는 다음과 같은 기본적인 방법들을 고려한다.
가. 금속표면과 전해질의 차단(도장)
- 자연전위가 낮은 금속(아연 등)에 의한 도금
- 콜타르, 아스팔트 등에 의한 도장
나. 전위 차 즉 양극반응을 없애는 것(전기방식)
- 희생 양극 법( Mg가 방식금속(Fe) 대신 부식되어 줌 )
- 외부 전원 법(외부에서 방식전류 공급)
다. 양극과 음극 분리(절연)
2). 부식 방지대책
가. 부식성이 적은 배관재료를 선정하고, 급탕 배관에는 아연도금 강관의 사용을 금지하고 스테인레스 등 내식성 재료 사용.
나. 부식방지제 투여: 세관 후 인산염계 등의 부식방지제를 투입하면 부식방지의 효과는 있으나, 약제의 투입량 및 수질관리에 조심해야 한다(스케일 생성 및 인체에 유해함).
다. 수질관리 철저
라. 온수 온도 조정: 온수 온도를 가능한 낮추면 부식속도를 줄일 수 있다.
마. 공기가 정체할 우려가 있는 부분은 공기빼기 벤트 설치
- 정체수나 공기유입을 배제할 수 있도록 물(급탕)을 계속 순환시키고, 공기정체의 우려가 있는 부분에는 자동 에어 벤트(Air Vent)를 설치한다.
바. 적절한 수질처리 수질분석 결과에 따라 적절한 수 처리를 한다(전문회사 협의 필요)
6. 부식의예
가. 토질차이에 의한 부식
- 점토와 모래 질 토양사이에 걸쳐서 배관 공사를 했을 때, 점토 중의 관이 부식하게 되는 경향이 있다.
- 건습의 차이, 포장의 유무에 의한 통기성의 차이 등에 의해서도 부식이 발생하는데, 이들은 어느 것 이든 용액(토양의 수분)중 산소농도의 차이에 기인하는 것으로서 통기 차 부식 또는 산소농담 전지 부식이라고하며, 통기성이 좋지 않은 산소농도가 작은 쪽이 부식하게 된다.
나. 콘크리트의 영향
- 콘크리트 속의 철은 중성 환경 중의 철에 비하여 높은 전위를 나타낸다. 따라서 콘크리트와 토양사이의 배관은 토양 중에서 부식을 일으킨다(콘크리트는 알칼리성이므로 부식을 잘 일으키지 않는다).
- 배관이 콘크리트에 접촉되지 않을 때에도 딴 금속체를 통하여 철근과 전기적으로 접속되어 있으면 똑같은 현상이 일어난다
다. 관의 재질, 신관과 기존 관에 의한 부식
- 주철관과 강관사이에는 작기는 하지만 전위차가 있어 강관이 양극(+극)으로 되어 부식한다.
- 같은 당관이라도 표면에 녹이 있는 강관과 녹이 없는 강관 사이에는 전위차가 있으며, 신관과 녹이 있는 기존 관에서는 신관 쪽이 부식한다
마. 관의 상처에 의한 부식
- 주로 전철에 의한 미주전류에 의한 부식이며, 전류가 인입되어 유출하는 곳에서 부식이 급지행된다.
- 전철쾌도 부근을 통과하는 도시가스 배관에서 특히 전기부식이 문제가 된다.
7. 부식에의한사고사례 □ 배관 부식에 의한 가스누출 사고
(1) 사고일시 : 1999. 3. 4(목) 10 : 00분경
(2) 사고장소: 서울 00구 00동 00얼음(주)
(3) 피해현황: 없음
(4) 시설현황: 냉동능력 총 100RT
(5) 사고내용: 에바콘에 설치된 배관이 노후로 부식되어 암모니아 가스가 누출된 사고임.
(6) 사고원인: 냉동제조시설의 에바콘 기체배관이 노후로 인해 부식된 부위에 약2mm 정도 기공이 발생하여 가스가 누출되자 이를 보수하기 위하여 용접작업중 배관이 4mm정도 손상되면서 암모니아 가스가 누출된 사고임.
(7) 문제점: 노후시설(배관, 에바콘, 밸브 등) 안전점검 미흡
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