KR100362258B1 - 구조물의 외부 금속표면의 음극화 보호 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 구조물과 그 아래의 지반 사이에 양극층을 직접 배치함으로써 구조물에 음극화 보호를 제공하는 방법에 관한 것이다. 이러한 방식으로 보호될 구조물은 특히 지상 저장 탱크와 같은 매우 큰 구조물을 포함한다. 바람직한 일양태에서, 양극층은 전류 수율과 극성을 최적화하고 제조가 용이하도록 첨가된 마그네슘(0.05 내지 6%), 아연(0.1 내지 8%), 인듐(0.005 내지 0.03%), 및 주석(0.05 내지 0.2%)과 같은 다른 합금 성분 및 85% 이상의 알루미늄으로 구성된 판재를 포함한다. 바람직한 실시예의 다른 양태에서, 양극층은 두 개 이상의 겹침 판재를 포함한다.

Description

구조물의 외부 금속표면의 음극화 보호 방법{METHOD OF PROVIDING CATHODIC PROTECTION TO AN EXTERIOR METALLIC SURFACE OF A STRUCTURE}
전해질 특성을 갖는 매개물과 접촉하게 되는 모든 금속 구조물이 부식 현상에 민감하다는 것은 공지되어 있다. 이러한 부식은 금속 구조물을 파괴하는 경향이 있으며, 특정 부식 조건에 따라 금속 구조물의 파괴가 장기간 또는 단기간 내에 발생할 수도 있다. 여러 예에서, 비록 금속 구조물이 아직 파괴되지 않았더라도 단기간 내에 금속 구조물이 현저하게 손상될 수도 있다.
다리, 관, 저장 탱크, 콘크리트 구조물 보강철, 구조철, 및 파일(pile)을 포함하는 많은 구조물들이 부식 손상되고 있다. 대부분의 경우에, 이러한 구조물에 대한 전해질은 소금이 용해된 물 및 습기성 토양을 포함한다.
부식을 감소시키기 위한 많은 기술이 개발되어 왔다. 아마도, 철의 부식을 최소화시키기 위한 가장 통상적인 방법은 페인팅일 것이다. 그렇지만, 페인트는 지하 및 침수 상태에 대해서는 완전히 효율적이지 못하는데, 이는 페인트의 내식성이 점진적으로 감소하여 부식 매개물로부터 기질 금속으로의 습기 침투와 핀-홀을 형성시키기 때문이다. 따라서, 페인트 처리된 철 또는 철을 포함하는 구조물에서의 부식 보호는 종종 음극화 보호(cathodic protection)로서 공지된 다른 방법을 사용하여 수행된다. 음극화 보호는 또한 페인트 처리되지 않은 표면에 대해서도 사용될 수 있다.
본 명세서에서 사용된 "음극화 보호" 라는 용어는 적어도 부분적으로 도전된 수단을 사용하여 물, 토양 또는 화학 용액과 같은 전해질에서 구조물의 부식을 방지하거나 감소시키는 모든 방법을 총칭한다.
일반적으로, 음극화 보호 시스템은 보호될 구조물과 전해질 사이의 부식 전류와 반대되는 전류를 사용하여 작동한다. 이와 같은 반대되는 전류를 발생시키기 위한 공지된 시스템으로서는 "희생양 시스템(sacrificial systems)" 및 "외부전원식 시스템(impressed current systems)을 들 수 있다. 희생양 시스템에서, 구조물의 금속 보다 갈바닉적으로 반응성이 강한(galvanically more reactive) 다른 금속에 의해 전류가 공급된다. 예컨대, 알루미늄, 마그네슘, 및 아연과 같은 금속은 철 보다 갈바닉적으로 보다 활성화되며, 철구조물을 보호하기 위한 "희생 양극(sacrificial anode)"으로서 사용된다. 외부전원식 시스템에서, 외부 소오스로부터 전해질로 공급되는 직류 전류를 방출하기 위해 소모성 금속이 사용되는데, 이러한 직류 전류는 보호될 구조물을 통과한다. 전류가 방출되는 부분을 "양극(anode)"이라 칭하고, 보호되는 구조물을 "음극(cathode)"이라 칭한다. 음극화 보호의 희생양 시스템 및 외부전원식 시스템 모두에서, 금속을 보호하기 위한 전류가 흐를 수 있도록 양극과 음극 사이의 금속 경로를 필수적으로 요구한다.
음극화 보호 시스템의 구성은 보호될 금속의 종류, 전해질의 (화학적, 물리적, 및 전기적)특성, 온도, 박테리아의 유무, 구조물의 형상, 구조물의 예상 수명, 조립성 및 보존성을 포함하는 여러 인자에 의해 영향을 받는다. 음극화 보호는 여러 금속 및 중합체로 제조된 웹(web), 테이프, 와이어, 리본, 및 바아(bar)를 보호될 금속 구조물에 적용함으로써 달성되었다. 예컨대, 카이저(Kaiser) 등에게 허여된 미국 특허 제 4,992,337호에는 마그네슘, 아연, 리튬, 및 알루미늄을 포함하는 금속 또는 합금을 도포하기 위한 개선된 아아크식(arc) 스프레이 공정이 개시되어 있다. 이 특허는 또한 제 7회 International Metal Spraying Conference(1974)에서 발표된 에이치. 디. 스테판(H.D. Steffan) 등이 기술한 "스프레이 코팅에 의한 부식 방지용 음극화 보호의 전기화학적 연구(Electrochemical Studies of Cathodic Protection Against Corrosion by Means of Sprayed Coatings)"라는 제목의 논문 123페이지에 기술된 내용을 참조하였는데, 여기에는 아아크식 스프레이의 도포와 아연, 알루미늄, 및 아연알루미늄 의사(pseudo) 합금 코팅의 부식 시험이 기술되어 있다. 또한, 상기한 미국 특허는 1987년 6월 재료학회에서 발표된 피. 오. 가트랜드(P.O. Gartland) 등이 기술한 "해수에서의 알루미늄 코팅된 강의 음극화 보호(Cathodic Protection of Aluminum Coated Steel in Seawater)"라는 제목의 논문 29페이지에 기술된 내용을 참조하였는데, 여기에는 5중량%의 마그네슘을 함유한 알루미늄으로 강을 아아크식 스프레이 코팅한 것을 고찰하고, 해수에서의 코팅의 성능을 요약하였다.
바그눌로(Bagnulo)에게 허여된 미국 특허 제 4,496,444호(1985)에는 알루미늄, 아연, 마그네슘, 또는 그의 합금들로 제조된 스트립 또는 밴드를 사용한 음극화 보호가 개시되어 있다. 유사하게, 고셋트(Gossett)에게 허여된 미국 특허 제 5,411,646호(1995)에는 혼합 금속산화물 코팅을 갖춘 편조된 양극(braided anode)을 사용한 음극화 보호가 개시되어 있고, 르구아더(LeGuyader)에게 허여된 미국 특허 제 5,547,560호(1996)에는 알루미늄 기질의 갈륨 및/또는 카드뮴 합금을 포함하는 포화된 칼로멜 전극(saturated calomel electrode)을 사용하여 해수에서 철 및 합금을 음극화 보호하는 것이 개시되어 있다.
제한된 환경에서의 포일(foil)의 사용은 또한 음극화 보호의 분야에서 공지되어 있지만, 종래 기술에 따른 포일의 사용들 중 어느 것도 특별히 유용하지 않다. 예컨대, 로빈스(Robbins)에게 허여된 미국 특허 제 5,167,352호에는 알루미늄 포일의 외부벽 외피가 미리 제조된 탱크 위에 설치되어 있는 이중벽 탱크의 구성이 개시되어 있다. 로빈스의 특허에서 사용된 알루미늄 포일은 자가 지지되지 않으며, 포일의 물리적 강도는 설치가 완료된 후에 도포되는 수지 코팅에 의해 일정하게 증가된다. 설치가 완료된 후에 코팅을 도포하는 것은 비교적 작은 탱크(100 피트 이하의 지름)에 대한 기술 적용을 매우 제한하는데, 이는 알루미늄 포일 외피를 적용하기 전에 탱크가 제조되고 수분측정이 이루어져야 하기 때문이다. 요구되는 연속 공정은, (1) 누수를 체크하기 위해 탱크를 물로 충진하는 단계와, (2) 탱크를 비우는 단계와, (3) 내부 부식을 방지하기 위해 탱크 내부를 건조시키는 단계와, (4) 외피를 형성하기 위해 탱크 바닥을 알루미늄 포일로 싸는 단계와, (5) 외피를 형성하는 동안 포일에 임시 물리적 지지물을 제공하고 탱크를 들어올리는 단계와, (6) 알루미늄 포일을 코팅하고, 겹침부를 밀봉하며, 탱크를 들어올리고, 기반 상에 탱크를 위치시키는 단계와, 그리고 (7) 포일 및 코팅층이 손상되지 않도록 주의깊게 포일의 임시 물리적 지지물을 제거하는 단계를 포함한다.
로빈스의 기술도 마찬가지로 다른 이유로 인해 제한된다. 무엇보다도 모든 알루미늄 포일의 겹침부는 완전히 밀봉되어야만 하는데, 이는 알루미늄 포일이 제 2오염물로써 작용하기 때문이다. 이는 제조를 매우 난해하게 한다. 또한, 로빈스의 기술은 부식된 바닥을 교체할 것을 요구하는 지상의 기존 저장 탱크에는 사용될 수 없다.
다른 음극화 보호 시스템은 스트립, 밴드, 및 포일을 대신하여 와이어 및 와이어 메쉬(wire mesh)를 사용한다. 예컨대, 크룬(Kroon)에게 허여된 미국 특허 제 5,340,455호(1994)에는 수평하게 배치된 음극화 보호 양극이 멤브레인과 탱크 바닥 사이에 위치되어 있으며, 여기서 양극은 코팅된 티타늄 와이어 또는 티타늄이 피복된 구리 와이어, 및 그러한 와이어들과 티타늄 바아 또는 리본이 전기적으로 상호 접속된 매트리스(matrix), 미로형, 또는 격자형의 형태를 갖는다. 와이어에는 혼합된 금속 산화물 또는 귀금속 코팅이 제공된다. 바아 또는 리본도 코팅될 수 있다. 바람직한 티타늄을 대신하여, 알루미늄, 탄탈륨, 지르코늄, 또는 니오븀, 및 그의 합금들과 같은 다른 적절한 금속이 사용될 수도 있다.
또다른 시스템은 지반의 조성을 변경시킨다. 예컨대, 루쎌(Russell)에게 허여된 미국 특허 제 5,174,871호(1992)에는 규산칼슘, 질산칼슘, 및 수산화칼슘 또는 수산화알루미늄과 같은 수산화물을 포함하는 고pH 충진제(backfill)를 사용하여 지하 구조물을 부식 보호하는 것이 개시되어 있다.
요약하면, 음극화 보호 시스템의 개발에 대한 수 년간에 걸친 노력에도 불구하고, 공지된 시스템으로는 균질의 보호가 불가능하다. 무엇보다도, 이러한 시스템은 다음과 같은 문제점을 계속해서 가지게 되었다.
1. 음극화 보호 시스템의 설계 단계에서는 알 수 없는 실제 저항율이 작동중에 시간 및 탱크 바닥에 의해 발생된 압력에 따라 변하기 때문에, 설계 계산은 전해질의 "가상"의 저항율로 수행된다
2. 양극의 간격은 "가상" 저항율에 의해 영향을 받는다.
3. 탱크 바닥판 상의 리본 및 와이어 시스템으로부터 전류 분포를 정확하게 예측할 수 있는 설계 방법이 개발되지 않았다. 탱크 바닥판 상에 분포된 양극으로부터의 전류 분포를 계산하기 위해 사용되는 방법의 정확성도 마찬가지로 의문시된다. "가상" 저항율이 정확하지 않다면, 시스템의 조절은 불가능할 수도 있다.
구조물 지반의 저항율은 10,000 오옴-cm 내지 300,000 오옴-cm 일 수 있으며, 저항율은 동일한 지반 내에서도 위치마다 일반적으로 변화된다. 전류 기술에 따라 지반에 내장된 경우에, 갈바닉 양극은 그 양극과 구조물 사이의 높은 전압 강하 때문에 만족스럽게 작용하지 않는다. 외부전원식 양극이 이러한 고저항성 매개물에서 사용될 수 있지만, 이러한 외부전원식 양극은 화학적 반응을 하는 동안 산소 및 염화 가스를 발생시키며, 이들 가스들은 구조물 아래에 수집된다. 산소 및 염화가스가 질소와 같은 불활성 가스로 완전하게 배출되지 않는다면, 피팅(pitting) 부식이 탱크 바닥에서 일어난다. 완전한 질소 배출 및 그러한 효과의 증명은 실용적이지 못하고 또한 경제적이지 못하다.
한편, 시험들은 외부전원식 음극화 보호 구성의 설치가 이중 바닥 저장 탱크의 환형 공간 내에서 사용될 수 없음을 알려주는데, 이는 외부전원식 양극 시스템에 의해 발생된 산소가 폐쇄된 시스템 내에서 유지되어서 연속적인 부식을 지원하기 때문이다(참조 : Rials S.R. and Kiefer J.H., Conoco Inc, Evaluation Of Corrosion Prevention Methods For Above ground Storage Tank Bottoms, Materials Performance, National Association of Corrosion Engineers, Jan 1993).
종래 기술에 따른 시스템의 다른 문제점은 양극 및 양극 접속부가 토양에 매설된 후에 손상될 가능성이 있다는 점이다. 구조물이 가라앉는 것을 방지하기 위해, 주변 토양은 일반적으로 압축되는데, 이러한 압축시에 양극 및 양극 접속부가 손상될 수 있다. 이러한 압축 방법은 음극화 보호 시스템의 설계시에 사용된 전기적 저항율과 상이할 수도 있는 전기적 저항율에 영향을 미친다.
이러한 문제점들은 석유화학 제품 저장 탱크와 같은 구조물을 보호할 때 특히 명백해지는데, 이는 보호될 표면적이 크고 구조물 및 지반의 건설과 관련된 난해함에 기인한다. 따라서, 개선된 음극화 보호 시스템을 필요로 하게 되었다.
본 발명은 일반적으로 부식 현상에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 부식 조건에 처한 금속 구조물 또는 표면을 보호하는 것에 관한 것이다. 특히, 지상의 저장 탱크 바닥부의 음극화 보호(cathodic protection)에 관한 것이다.
도 1a는 SALSASM시스템을 사용한 저장 탱크 및 지반의 개략적인 종단면도이다.
도 1b는 도 1a에 도시된 두 개의 양극 판재의 확대도이다.
도 1c는 탱크 바닥판 에지와 양극 판재의 접합부에 배치된 내후성 밀봉물의 개략적인 도면이다.
도 1d는 맞댐이음된 양극층의 양극 판재의 개략적인 도면이다.도 1e는 두개의 양극 판재의 겹쳐진 계면의 밀봉재를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 1f는 두 개의 양극 판재의 겹침부에서의 나사를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 2a는 선택적인 SALSASM시스템을 사용한 저장 탱크 및 지반의 개략적인 종단면도이다.
도 2b는 도 2a에 도시된 3개의 양극 판재의 확대도이다.
도 3은 저장 탱크, 부식된 탱크 바닥, 및 SALSASM시스템에 의해 보호된 탱크 바닥을 개략적으로 도시한 도면이다.
본 발명은 구조물과 하부 지반 사이에 직접 양극층을 배치함으로써 구조물에 음극화 보호를 제공하는 방법에 관한 것이다. 이러한 방식으로 보호될 구조물은 특히 지상의 저장 탱크와 같은 큰 구조물을 포함한다.
본 발명의 바람직한 일양태에 따르면, 양극층은 전류 수율과 극성을 최적화하고 제조가 용이하도록 첨가된 마그네슘(0.05 내지 6%), 아연(0.1 내지 8%), 인듐(0.005 내지 0.03%), 및 주석(0.05 내지 0.2%)과 같은 다른 합금 성분 및 85% 이상의 알루미늄으로 구성된 판재를 포함한다. 본 발명의 다른 바람직한 일양태에 따르면, 양극층은 두 개 이상의 겹쳐진 판재를 포함한다.
본 발명의 여러 목적, 특징, 및 장점들은 첨부된 도면을 참조하여 설명한 본 발명의 바람직한 실시예를 통해 보다 명백해질 것이다.
본 발명에 따른 방법을 포함하는 시스템은 일반적으로 SALSASM(SacrificialAluminumSheetAnode) 시스템으로서 언급될 수도 있다. 도 1a 및 도 1b에 도시된 이러한 시스템의 바람직한 실시예에서, 알루미늄 판재(10)의 두 개 이상의 양극층은 탱크(20)의 바닥(22) 아래에 위치되어 있다. 알루미늄 판재(10)는 플라스틱 라이너 또는 비교적 불침투성의 수분 차단부(35)를 포함하는 모래층(30) 상에 놓여져 있다.
본 명세서에서 사용된 "부식성 매개물(corrosive medium)"이라는 용어는 구조물의 금속 성분을 부식시키거나 부식을 촉진시키는 전해질을 포함하는 어떤 매개물을 의미한다. 부식성 매개물은 충진된 탱크의 중량을 지지하기 위해 강모래, 규사, 천연토양, 점토, 파쇄된 바위, 자갈, 및 소정의 매개물과 같은 지반 매개물을 포함한다. 모래는 가장 통상적으로 사용되는 지반 매개물 중 하나이며, 따라서 부식성 매개물을 나타내도록 여러 도면에서 사용되었다.
본 명세서에서 사용된 "구조물(structure)"라는 용어는 전해질과 장시간 동안 접촉하여 부식되는 금속 표면 또는 다른 성분을 갖는 구조물을 의미한다. 이러한 구조물로는 석유화학 제품 저장 탱크, 물저장 탱크, 상업용 빌딩, 산업용 빌딩, 주거용 빌딩, 및 다리 등을 들 수 있다. 특히, 단일 바닥을 갖춘 지상 저장 탱크를 포함하는데, 이러한 지상 저장 탱크는 부식된 플로어(floor) 및/또는 다중 바닥을 갖춘 기존의 지상 저장 탱크를 포함한다.
본 명세서에서 사용된 "양극층(anode layer)"이라는 용어는 갈바닉적으로 활성화되고 보호될 구조물과 부식성 매개물 모두로부터 구조적으로 분리된 단층(stratum)을 의미한다. 이러한 정의는, 만일 단층이 구조물에 볼트로 결합되거나 용접되더라도, 예컨대 포일, 판재 또는 바닥판, 또는 그의 조립체를 구비하는 단층을 포함하는 매우 광범위한 것이다. 실시예들은 하나 이상의 양극층을 가질 수도 있으며, 이러한 양극층은 접촉식으로 겹쳐지거나 겹쳐지지 않게 위치되거나, 지그재그(staggered)형 배열로 배치되거나, 겹침부에 밀봉재를 갖추고 있거나 갖추고 있지 않고 배치되거나, 또는 겹침부에 기계적 패스너를 갖추고 있거나 갖추고 있지 않은 상태로 배치될 수도 있다. 양극층의 또다른 예로는 상부에 금속 또는 금속 조성물이 증착된 플라스틱 판재 또는 다른 차단부; 알루미늄 도금된 플라스틱 판재; 및 아연 코팅된 철 판재를 포함한다. 이러한 양극층에서, 증착은 페인팅, 기체 증착, 열분사, 고온-딥 아연도금(hot-dip galvanizing), 전착, 기계적 아연도금, 플라즈마 코팅을 포함하는 적절한 수단에 의해 달성된다. 바람직한 실시예에서, 양극층 중 적어도 하나가 보호될 구조물 보다 더 갈바닉적으로 보다 활성화되는 금속으로부터 제조된다. 대부분의 탱크 바닥이 주로 철로 제조되고 또한 알루미늄이 철보다 갈바닉적으로 활성화되기 때문에, 양극층은 바람직하게는 알루미늄으로 제조된다. 비록 다른 금속(여기서는 합금을 포함함)이 철과 그리고 금속을 포함하는 철과 접촉할 때 알루미늄 보다 갈바닉적으로 활성될 수도 있지만, 알루미늄은 저비용, 경량, 가단성과 같은 다른 부가적인 장점을 가진다.
본 명세서에서 사용된 용어 "양극층"은 보호될 구조물 또는 부식성 매개물로부터 구조적으로 분리되지 않은 단층을 포함하지 않음에 주목해야 한다. 예컨대, 본 명세서에서 사용된 양극층은 보호될 구조물의 바닥 상으로 직접 분사되는 알루미늄 페인트를 포함하지 않는다. 이러한 페인트는 아마도 구조물 상에 강력하게 부착될 것이며, 따라서 구조물로부터 구조적으로 실질적으로 분리되지 않는다. 한편, "양극층"이라는 용어는 밀집된 모래 지반의 상부 표면과 혼합된 알루미늄 페인트를 포함하는데, 이는 양극층이 모래의 잔류부와 실질적으로 분리되어 있기 때문이다.
도 1a 및 도 1b에서, 알루미늄 판재(10)는 대략 36 또는 48인치의 폭, 약 0.020인치의 두께를 가지며, 최소 약 85%의 알루미늄을 함유한 알루미늄 합금 3003, 3004, 3005, 3105, 5005, 5010, 7006, 7011, 7075 및 7178(ASTM B-209)을 포함한다. 그렇지만, 다른 판재 개수, 판재 크기, 및 판재 조성물이 사용될 수도 있음에 주목해야 한다.
다른 실시예에서, 판재는 상이한 %의 알루미늄을 함유할 수도 있다. 또한, 여러 예에서 판재가 편평하고 평활해야 하더라도, 이러한 판재는 그 표면이 지진 발생 지역에서의 마찰을 증가시키기 위해 어느 정도 주름지거나 엠보싱 처리될 수도 있다. 폭 및 길이에 관하여, 판재는 알루미늄 공급자에 의해 제공된 표준으로부터 현저하게 변화될 수도 있다.
바람직하게, 도 1a 및 도 1b의 알루미늄 판재(10)는 지그재그형 결합부를 가지며 탱크 바닥판(22) 아래에서 지반 상에 놓여져 있다. 최하부 양극층(10A)에서의 판재는 지반 위에 직접 놓여져 있고, 토양 측 상에 중합체 코팅(에폭시 및 아크릴) 또는 플라스틱 적층물(TedlarTM)과 같은 수분 차단부(10P)를 갖출 수도 있다. 양극층(10A)의 상부측은 바람직하게는 어떠한 형태의 코팅도 가지고 있지 않다. 수분 차단부(10P)는 이러한 시스템의 기능에 꼭 필요한 것은 아니지만, 가격이 매우 싸고 양극의 수명을 연장시킬 수 있으므로 포함된다. 이러한 모든 수분 차단부(10P)는 선택적이다.
상부 양극층(10B)에서의 판재는 바람직하게는 전기 절연 재료를 갖추고 있지 않으면서 양 측부 평면을 갖추고 있다. 양극층(10B)에서의 판재는 양극층(10A)에서의 판재 바로 위에 배치되어야 하며, 양극층(10A)에서의 판재와 탱크 바닥판 모두와 직접 금속 대 금속식으로 접촉되어야 한다.
도 1d, 도 1e 및 도 1f는 각각의 양극층의 알루미늄 판재(10)의 여러 가지 가능한 배열을 도시하고 있다.
도 1d에서, 알루미늄 판재(10)는 겹침부 없이 서로 접하여 배치된다.
도 1e에서, 알루미늄 판재(10)는 겹침 형태로 배치되어 있으며, 겹침 영역에 선택적인 수분 저항성 밀봉재(10S)를 갖추고 있다.
도 1f에서, 알루미늄 판재(10)는 겹침 형태로 배치되어 있으며, 이러한 겹침부는 나사(10F)를 이용하여 기계식으로 고정되어 있다.
임의의 층에서의 알루미늄 판재(10)는 다른 층의 배열과 상이하게 배열될 수 있음에 주목해야 한다. 예컨대, 양극층(10A)의 알루미늄 판재(10)는 도 1e에 도시된 바와 같이 배열될 수 있으며, 양극층(10B)의 알루미늄 판재(10)는 도 1d에 도시된 바와 같이 배열될 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예에서, 양극층은 구조물이 놓여지는 부식성 매개물의 상부 영역의 100%를 덮도록 설치된다. 그렇지만, 구조물의 부분적인 음극화 보호가 허용된다면 부식성 매개물의 상부 영역의 100% 미만을 덮도록 양극층이 설치될 수도 있다.
도 2a 및 도 2b에서, 다수의 바닥 판재(10)는 모래(30)(부식성 매개물) 및 수분 차단부(35)를 포함하는 지반 상에 배치되어 있다. 상기한 바와 같이, 최하부의 양극층(10A)에서의 각각의 판재는 바람직하게는 대략 0.020인치의 두께를 가지며, 코팅된 측부가 아래를 그리고 코팅되지 않은 측부가 위를 향하도록 설치된다. 두 개 이상의 부가적인 양극층(10B,10C)의 알루미늄 판재는 또한 0.020인치의 두께를 가지지만, 양 측부 모두 평탄하며(어떠한 측부도 절연 재료를 갖추고 있지 않음), 최하부 양극층(10A)의 상부 상에 바람직하게는 약 24인치 정도 겹쳐진 상태로 지그재그식으로 설치된다. 최종 양극층(10C)의 판재는 탱크 바닥(22)과 접촉한다. 이러한 방식에서, 지반의 대부분 또는 모두는 알루미늄 판재로 덮혀지며, 탱크 바닥(22)의 대부분 또는 모두는 알루미늄 판재와 접촉된다.
특히 바람직한 실시예에서, 판재는 새로운 탱크에 대해 최소 1/4인치까지 탱크 바닥판 림(rim)을 초과하여 연장해야만 한다. 원한다면, 도 1c에 도시된 바와 같이, 선택적인 내후성(weather resistant) 코킹(caulking) 화합물(36)이 알루미늄 판재dhk 탱크 바닥판 림의 기후에 노출된 측부 상의 코너부에 적용되어서, 빗물이 양극층과 탱크 바닥판의 경계면 사이로 유입되는 것을 방지할 수 있다.
도 3에서는, SALSASM시스템이 기존 탱크와 지반과 함께 사용된다. 여기서, 탱크(130)는 쉘(131) 및 이미 설치된 부식된 플로어(132)를 갖추고 있다. 유전체 차단부(일반적으로 40 내지 80mils 두께의 폴리에틸렌 판재 또는 단일체 코팅)(134)가 부식성 플로어(132)의 상부에 놓여지며, 바람직하게 약 4 내지 6인치의 두께를 갖는 모래층(136)이 유전체 차단부(134)의 상부에 배치되어 있다. 하나 이상의 양극층의 알루미늄 판재(140)가 이후 모래층(136)의 상부 상에 배치되며, 최종적으로 새로운 탱크 바닥(150)이 알루미늄 판재(140)의 상부에 배치된다. 이러한 알루미늄 판재(140)의 배열은 도 1d 내지 도 1f에 도시된 알루미늄 판재(10)와 실질적으로 동일한 방식이다. 이러한 시스템은 약 1인치의 모래가 유전체 차단부의 상부에 배치되어 있는 공지된 시스템을 대체한다. 혼합된 산화금속 양극(리본, 격자, 또는 코일)으로 구성되는 종래의 음극화 보호 시스템이 모래 상에 배치되며, 이후 약 5인치의 모래층이 양극의 상부 상에 배치된다.
저장 탱크 바닥이 부식성 매개물 상에 배치되는 경우, 저장 탱크 바닥의 중앙이 탱크 바닥의 외부 에지 보다 더 부식성을 갖는 전기적 포텐셜을 가진다. 이러한 부식성 포텐셜에서의 변화를 보상하기 위해, 음극화 보호 시스템은 탱크 바닥의 둘레부에서의 음극화 보호 전류 보다 탱크의 중앙에 보다 많은 음극화 보호 전류를 제공하도록 설계되어야 하며, 이는 둘레부 보다 중앙에서의 양극의 크기를 크게함으로써 달성될 수 있다. 이러한 변화되는 양극량을 제공하기 위해, 적어도 100피이트의 밑면 직경을 갖는 대용량의 석유화학 제품 저장 탱크용 SALSASM시스템은 탱크의 중앙으로부터 측정된 반경방향 거리로서 25피이트 범위의 3개의 양극층, 25 내지 40피이트 범위의 2개의 양극층, 및 40 내지 50피이트 범위의 1개의 양극층을 포함하는 것이 바람직하다. 선택적인 실시예에서, 층의 개수보다 오히려 판재의 두께를 변화시킬 수도 있다. 양극 크기에 대한 이러한 변화의 설계에 영향을 미치는 일부 인자로는 탱크 크기, 양극 판재의 두께, 지반 토양, 강수량 및 탱크로부터의 배수량, 및 탱크의 설계 수명을 들 수 있다.
본 명세서에 기술된 SALSASM시스템은 종래의 공지된 시스템에 대해 현저한 장점을 갖는다. 무엇보다도, 알루미늄 판재는 필수적으로 방수성을 가져야 하며, 판재 겹침부를 제외하고 대지 수분의 구조물로의 이동을 방지해야만 한다. 겹침부를 통한 대지 수분의 이동을 방지하기 위해 판재 겹침부에서의 유기질 밀봉재(10S)가 사용될 수도 있다. 그렇지만, 이러한 밀봉재(10S)가 없더라도, 바닥판에 의해 알루미늄 판재 겹침부 상에 가해지는 압력이 판재 겹침부에서의 수분 이동을 방지할 것이다.
SALSASM시스템의 다른 장점은 알루미늄 판재가 탱크 바닥판의 100% 까지 직접 접촉하도록 위치될 수 있으며, 이에 의해 지반 저항율과 별개로 균일한 보호를 제공할 수 있다는 점이다. 알루미늄 판재와 탱크 바닥판 사이의 접촉 정도는, 탱크가 채워졌을 때 탱크 바닥에 가해지는 상당한 하중에 의해, 특히 탱크의 바닥판의 겹침 결합부에서의 알루미늄의 정합성에 의해 강화된다.
SALSASM시스템의 또다른 장점은 양극이 설치되기 전에 탱크의 완전한 제조 및 압력 시험이 필요없다는 점이다. 대신에, 탱크 플로어는 양극 판재의 상부 상에 직접 제조되거나, 또는 선택적으로 양극 설치 및 탱크 플로어 제조를 단계적으로 수행할 수도 있다.
SALSASM시스템은 또한 보호될 구조물이 무기질 또는 유기질 코팅으로 도포될 수도 있다는 장점이 있지만, 이는 반드시 요구되는 것이 아니다. 구조물에 대한 유기질 코팅은 대부분의 다른 공지된 음극화 보호 시스템에서 요구되며, 내부 음극화 보호 시스템의 플로어에 대한 부착부와 구조물 요소를 용접하는 중에 손상될 수도 있다. 첫 번째 문제점은 구조물 에지를 노출된 상태로 남겨둠으로써 완화될 수 있다. 그렇지만, 노출된 표면은 보다 많은 음극화 보호 전류를 요구하는 반면, 코팅된 표면은 보다 적은 전류를 요구하며, 공지된 음극화 보호 시스템에 의해서는 부가적인 음극화 보호 요구를 만족시키기가 어렵다. 두 번째 문제점은 내부 플로어 양극을 고정시키기 위한 부착부가 용접되는 곳에서의 유기질 코팅의 손상에 관한 것이다. 플로어 아래에서의 이러한 손상은 일반적으로 수리될 수 없으며, 탄화된 코팅은 음극으로서 작용하며, 충분한 음극화 보호 전류가 인가되지 않는다면 지반 측부로부터 플로어의 부식을 촉진시킬 것이다.
탱크 바닥판에 대한 다른 음극화 보호 기술이 요구되는 유기질 코팅은 또한 -1.2V(구리-황산구리 기준 전극에서 측정된) 이하의 음극화 보호 전압에서 기판 금속으로부터 음극 분리될 수도 있다는 문제점이 있다. 안전을 이유로, 휘발성 유체를 함유하는 탱크는 완전히 접지되어야 하며, 번개가 치는 동안 전기적 스파크를 방지하기 위해 노즐에서의 전기적 절연을 제거해야만 한다. 이러한 경우에, 접지 시스템은 종래의 음극화 보호 시스템으로부터 상당량의 전류를 끌어당기며, 이러한 전류의 단지 일부분만이 부식 보호를 위해 사용된다. 이러한 문제점을 해결하는 한가지 해결책은 정류기로부터 출력 전류를 증가시키는 것이다. 그렇지만, 정류기로부터의 출력 전류가 증가되는 경우, 양극에 인접한 구조물의 코팅된 영역은 과도한 음극화 보호 전압에 기인하여 음극 분리될 수도 있다. 분리된 코팅은 일반적으로 음극화 보호 전류로부터 기판 금속을 차폐시키는데, 이에 의해 음극화 보호의 유효성이 감소된다. 이러한 종류의 문제점은 SALSASM시스템에서는 제거되는데, 이는 구조물 상에 유기질 코팅을 요구하지 않고 또한 양극 판재가 코팅되지 않은 구조물과 직접 접촉하기 때문이다.
SALSASM시스템은 아연 리본과 같은 아연 함유 양극을 사용하는 시스템과 비교하여 특별한 장점을 갖는다. 아연 양극 시스템은 140℉ 미만의 온도에서 작동되도록 제한되는데, 이는 수분이 존재하는 경우 140 내지 250℉의 온도에서 아연의 극성이 전환되기 때문이다. 아연은 그의 극성이 전환되는 경우에 철의 부식을 촉진시키며, 따라서 약 250℉의 온도에서 작동하는 고온의 탄화수소(잔여물)를 가지는 탱크를 보호하는데 사용될 수 없다. 알루미늄은 이와 같은 극성 전환이 일어나지 않으며, 1200℉까지의 모든 온도에서 사용될 수 있다. 또한, 외부전원식 양극 시스템은 고온 구조물 아래에서 사용되어서는 안되는데, 이는 고온에서 요구되는 높은 출력 전류가 다량의 산소를 발생시키기 때문이다. 구조물의 피팅 부식은 산소의 증가에 따라 증가한다. SALSASM시스템에 의해 발생되는 산소는 별로 많지 않기 때문에 외부전원식 양극 시스템과 비교할 때 SALSASM시스템은 보다 양호하다.
전술한 바와 같이, SALSASM시스템은 토양 또는 다른 지반 조건으로부터 독립적이기 때문에 다른 시스템과 비교하여 여러 장점을 갖는다. 예컨대, 다른 시스템이 지면 수분이 구조물로 도달하는 것을 방지하는 못하는 반면, SALSASM시스템에서의 양극 판재는 완전하게 방수될 수 있다. 유사하게, 다른 시스템은 토양 저항율이 구조물 아래에서 균일하고 또한 탱크의 모든 철 면적이 균일한 전류 밀도를 수용한다는 가정 하에서 설계된다. 이에 반해, SALSASM시스템에서는, 전류 유동이 토양 저항율과 별개이므로 이러한 가정은 관련이 없다. 양극 접속부의 연소, 전류 감쇠, 및 전기적 접지는 또한 SALSASM시스템에서 무관하다. 유사하게, 기준 전극을 필요로 하지 않으며, 바람직하게는 SALSASM시스템에 설치되지 않는다.
SALSASM시스템은 또한 공지된 시스템에 대해 또다른 장점을 가진다. 예컨대, 외부전원식 시스템은 탱크 링벽의 보강용 봉을 손상시킬 수 있는 표유 전류(stray current)를 발생시키는데, 이러한 문제점은 SALSASM시스템에서는 발생되지 않는다. 다른 장점은 작업(engineering) 및 구조에 관한 것이다. 예컨대, SALSASM시스템의 작업 시간(engineering time)은 한시간 또는 두시간으로 감소되는데, 이는 다른 시스템 보다 적은 시간이다. SALSASM시스템은 또한 설치를 위해 숙련된 기술자를 요구하지 않으며, 이러한 시스템은 탱크 바닥판을 설치지점으로 선적하기 위한 스케쥴을 개선시키는데, 이는 구조물에 대한 페인팅 공정이 감소되기 때문이다. 또한, 적절한 알루미늄 판재를 용이하게 이용할 수 있고, 또는 주문으로부터 도달까지의 시간(lead time)을 줄일 수 있다. 전력 케이블, 시험 스테이션(test station) 등이 요구되지 않는다. 또한, 양극 설치 및 플로어 제조가 연속적이 아닌 동시에 행해질 수 있다. 이는 2 내지 3주의 제조 시간을 절감시킬 수 있다.
SALSASM시스템은 또한 작동에 대해서도 장점을 가지고 있다. 예컨대, SALSASM시스템은 자동적으로 작동하며, 바닥판이 알루미늄 판재 상에 배치되는 즉시 바닥판을 보호한다. 또한, 음극화 보호 또는 임시 보호를 위한 과정을 시작할 필요가 없다. 또한, 구조물의 전체 표면적이 지반 토양으로부터 격리되어 있기 때문에, 시험 스테이션이 요구되지 않는다.
이와 같이 SALSASM시스템의 특별한 실시예와 적용을 기술하였다. 그렇지만, 본 발명의 범위 내에서 많은 개조 및 변형이 이루어질 수 있음을 당업자들은 이해할 것이다. 따라서, 이하의 청구범위의 사상을 제외하고 본원 발명의 청구 대상은 제한되지 않는다.

Claims (25)

  1. 매개물로부터 부식될 구조물의 외부 금속 표면에 대한 음극화 보호 방법으로서,
    상기 금속 표면 보다 갈바닉적으로 더 활성화되는 양극층을 제공하는 단계와,
    상기 매개물과 상기 구조물 사이에 상기 양극층을 배치하는 단계와, 그리고
    상기 양극층이 상기 구조물의 상기 금속 표면과 직접 전류 접속되도록 상기 금속 표면을 위치시키는 단계를 포함하는 구조물의 외부 금속 표면에 대한 음극화 보호 방법.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 구조물이 금속 바닥을 갖춘 지상 저장 탱크를 포함하는 구조물의 외부 금속 표면에 대한 음극화 보호 방법.
  3. 제 1항에 있어서, 상기 양극층 아래에 토양, 모래, 점토, 및 자갈 중 하나 이상을 포함하는 지반을 제공하는 단계를 더 포함하는 구조물의 외부 금속 표면에 대한 음극화 보호 방법.
  4. 제 1항에 있어서, 상기 양극층이 다수의 겹쳐진 판재를 포함하는 구조물의 외부 금속 표면에 대한 음극화 보호 방법.
  5. 제 1항에 있어서, 상기 양극층이 포일, 판재, 및 바닥판 중 하나 이상을 포함하는 구조물의 외부 금속 표면에 대한 음극화 보호 방법.
  6. 제 1항에 있어서, 상기 구조물이 상기 매개물과 나란히 위치된 중앙부 및 둘레부를 갖추고 있고,
    상기 양극층은 상기 중앙부와 나란히 위치되어 x 단위의 음극화 보호 전류를 생성하기 위한 양극 판재를 포함하며,
    상기 양극층은 상기 둘레부와 나란히 위치되어 y 단위의 음극화 보호 전류를 생성하기 위한 양극 판재를 포함하며,
    상기 x가 상기 y보다 더 큰 구조물의 외부 금속 표면에 대한 음극화 보호 방법.
  7. 제 1항에 있어서, 상기 양극 코팅이 부식성 매개물 측부를 갖추고 있고, 상기 부식성 매개물 측부 상에 내식성 코팅을 제공하는 단계를 더 포함하는 구조물의 외부 금속 표면에 대한 음극화 보호 방법.
  8. 제 1항에 있어서, 상기 양극층을 상기 구조물과 직접 접촉하도록 배치하는 단계를 더 포함하는 구조물의 외부 금속 표면에 대한 음극화 보호 방법.
  9. 제 1항에 있어서, 상기 매개물로부터 상기 구조물로 전해질이 이동하는 것을 방지하는 차단부로서 상기 양극층을 사용하는 단계를 더 포함하는 구조물의 외부 금속 표면에 대한 음극화 보호 방법.
  10. 제 1항에 있어서, 상기 구조물이 하중 지지 요소를 가지고 있고, 상기 구조물을 상기 양극층 상에 제작하는 단계를 더 포함하는 구조물의 외부 금속 표면에 대한 음극화 보호 방법.
  11. 제 1항에 있어서, 상기 양극층이 겹쳐지는 부분을 포함하는 구조물의 외부 금속 표면에 대한 음극화 보호 방법.
  12. 제 11항에 있어서, 상기 겹쳐지는 부분은 겹침부를 한정하며, 상기 겹침부를 밀봉하는 단계를 더 포함하는 구조물의 외부 금속 표면에 대한 음극화 보호 방법.
  13. 제 11항에 있어서, 상기 겹쳐지는 부분은 겹침부를 한정하며, 상기 겹침부를 기계식으로 고정시키는 단계를 더 포함하는 구조물의 외부 금속 표면에 대한 음극화 보호 방법.
  14. 제 1항에 있어서, 상기 양극층에 도전성 코팅을 제공하는 단계를 더 포함하는 구조물의 외부 금속 표면에 대한 음극화 보호 방법.
  15. 제 1항에 있어서, 상기 양극층을 알루미늄, 아연, 및 마그네슘 중에서 선택된 하나 이상의 금속을 주로 포함하는 다수의 적어도 부분적으로 겹쳐진 판재로서 제공하는 단계를 더 포함하는 구조물의 외부 금속 표면에 대한 음극화 보호 방법.
  16. 제 15항에 있어서, 상기 양극층이 주로 알루미늄을 포함하며, 인듐, 마그네슘, 주석, 및 아연의 합금 원소 중 하나 이상을 더 포함하는 구조물의 외부 금속 표면에 대한 음극화 보호 방법.
  17. 제 15항에 있어서, 상기 양극층이 주로 아연을 포함하는 구조물의 외부 금속 표면에 대한 음극화 보호 방법.
  18. 제 15항에 있어서, 상기 양극층이 주로 마그네슘을 포함하는 구조물의 외부 금속 표면에 대한 음극화 보호 방법.
  19. 제 15항에 있어서, 상기 양극층과 상기 구조물 사이의 마찰을 증대시키는 표면 형상을 상기 양극층에 제공하는 단계를 더 포함하는 구조물의 외부 금속 표면에 대한 음극화 보호 방법.
  20. 제 19항에 있어서, 상기 양극 판재들 사이의 마찰을 증대시키는 표면 형상을 상기 양극층에 제공하는 단계를 더 포함하는 구조물의 외부 금속 표면에 대한 음극화 보호 방법.
  21. 제 15항에 있어서, 서로 접촉되고 겹쳐진 다수의 판재 및 포일을 상기 양극층에 제공하는 단계를 더 포함하는 구조물의 외부 금속 표면에 대한 음극화 보호 방법.
  22. 제 1항 내지 제 21항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 구조물이 이중 바닥 탱크를 포함하는 구조물의 외부 금속 표면에 대한 음극화 보호 방법.
  23. 제 1항 내지 제 21항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 구조물이 탱크 유체와 접촉하는 바닥판을 갖춘 탱크를 포함하며, 상기 바닥판 아래에 상기 양극층을 배치하는 단계를 더 포함하는 구조물의 외부 금속 표면에 대한 음극화 보호 방법.
  24. 제 1항 내지 제 21항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 탱크 바닥 표면의 적어도 일부를 상기 지반 아래로 위치시키는 단계를 더 포함하는 구조물의 외부 금속 표면에 대한 음극화 보호 방법.
  25. 제 1항 내지 제 21항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 구조물이 중량을 가지며, 상기 금속 표면과 상기 양극층 사이에 전기적 접속이 일어나며, 상기 전기적 접속이 상기 구조물의 중량에 의해 실질적으로 유지되는 구조물의 외부 금속 표면에 대한 음극화 보호 방법.
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