KR100508877B1 - 전기화학적 임피던스 스펙트럼 측정 및 분석을 이용한지하매설배관의 피복 손상부 및 부식 위치 탐지 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 가스배관, 송유관, 상하수도관 등 지하매설배관의 피복 손상부 및 부식 지점의 정확한 위치를 전기화학적인 임피던스 측정을 통하여 탐지하는 방법에 관한 것이다.

본 발명에서는 가스배관, 송유관, 상하수도관 등 지하매설배관의 피복 손상부 및 부식 지점의 정확한 위치를 탐지하기 위한 방법은, 1) 매설배관의 길이 방향을 따라 지표면의 전극 위치를 옮겨가며 특정 주파수 영역에서의 임피던스 스펙트럼을 측정하고, 2) 측정한 임피던스 스펙트럼을 주파수에 따른 허수부와 실수부로 나누어 로그스케일의 주파수에 대한 허수부와 실수부를 각각 비교하여, 3) 허수부와 실수부 모두 최소가 되는 임피던스 스펙트럼의 측정 위치를 피복손상부 또는 부식 지점으로 결정한다.

Description

전기화학적 임피던스 스펙트럼 측정 및 분석을 이용한 지하매설배관의 피복 손상부 및 부식 위치 탐지 방법{method for detecting the coating defect and corrosion points of the pipelines in soil using the electrochemical impedance spectroscopy}

본 발명은 지하매설관의 피복손상 및 부식위치 탐지방법에 관한 것으로, 특히 전기화학적 임피던스 측정을 이용하여 가스배관, 송유관, 상하수도관 등 지하매설배관의 피복 손상부 및 부식 지점의 정확한 위치를 탐지하는 방법에 관한 것이다.

일반적으로 지하매설배관은 보통 배관 표면에 폴리에틸렌(polyethylene)과 같은 비전도성 물질을 피복하고 동시에 외부전원이나 희생양극을 이용한 음극방식을 병행하여 사용한다. 피복은 여러 가지 원인으로 인하여 손상되는데, 음극방식의 주된 목적은 이러한 피복 손상 부위가 부식되는 것을 막기 위해서이다. 음극방식이 제대로 수행되는가를 확인하는 기준은 여러 가지가 있는데, 그중 가장 널리 사용되는 방법은 관대지전위(pipe-to-soil potential)를 측정하는 것이다.

측정된 관대지전위가 포화황산동 기준전극(Sat. Cu/CuSO₄ reference electrode)으로 -850 mV 이하이면 음극방식이 원활히 수행되고 있다고 판단하는데, 실제로 방식전위 측정단자에서 측정된 관대지전위가 의미하는 정보는 측정지점 주위 배관의 겉보기 상태에 제한되며, 배관의 세부적인 상태를 판단하는 방법으로는 부적합하다. 실제로 배관의 방식상태 즉 방식전위가 양호하더라도 배관 피복에 손상부가 있고, 손상부를 통하여 배관과 피복재가 박리되어 있을 경우 박리된 틈새에는 방식전류가 못 미쳐 틈부식(crevice corrosion)이나 미생물부식(microbiologically influenced corrosion; MIC)이 발생할 가능성이 높다. 또한 지하철 간섭이 심한 도심지역에서는 지하철로부터의 미주전류(stray current)가 상대적으로 접지저항(grounding resistance)이 낮은 피복 손상부(coating defect, coating default)를 통하여 유출입하여 전기부식(electrolysis)을 일으키기도 한다.

부식 이외에도 배관 시공시의 부주의나 다른 공사로 인해 배관 모재 부위가 기계적 손상을 입었거나 소성변형(plastic deformation)되었을 경우에도 이곳은 반드시 피복재가 손상되었으므로 기계적 손상이나 변형이 진행되기 전에 피복 손상부를 찾을 수 있다면 누출사고를 미연에 방지할 수도 있다.

따라서 배관의 부식 또는 방식상태나 건전성을 판단하는데 있어서 피복 손상부의 위치와 크기를 파악하는 것은 필수적이다.

현재 전세계적으로 부식지점의 위치와 정도를 파악하기 위하여 활용되고 있는 피복 손상법은 크게 교류전류를 이용한 방법과 직류전류를 이용한 방법으로 대별된다. 교류전류를 이용한 방법중 대표적인 것은 피어슨(Pearson)법과 우드베리(Woodberry)법이 있으며, 직류전류를 이용한 방법중 대표적인 것은 관대지전위법(Pipe-to-Soil Potential method)과 직류 전위구배법(DCVG method; Direct Current Voltage Gradient method)이 있다.

피어슨 방법은 1941년 J. M. Pearson에 의해서 개발된 방법으로, 이 기술은 배관에 교류전류를 인가하고 인가된 교류전류가 피복 손상부로 유입되어 피복 손상부 주변에 전위구배를 형성하게 되면, 그 형성된 전위구배를 찾는 방법이다. 이때 사용하는 교류전류는 일반적으로 55 V 이상의 전압을 가진 약 1 kHz의 교류전류를 사용한다.

우드베리법은 기본적으로 피어슨 방법과 같이 교류전류를 배관에 인가하여 피복 손상부를 탐측하는 방법이다. 그러나 사용하는 교류전류는 10 ∼ 20 kHz의 큰 주파수를 갖는다. 이런 큰 주파수의 교류전류를 배관에 인가하면 배관을 따라 흐르는 교류전류에 의하여 배관 주변에 자기장(magnetic field)이 형성된다. 이 자기장은 배관을 따라 흐르는 교류전류의 크기에 비례하며, 배관을 따라 흐르는 교류전류는 피복 손상부를 지나면서 피복 손상부로 유입된 교류전류에 의해서 증가하게 되므로 피복 손상부 이전의 자기장과 이후의 자기장은 그 크기가 달라진다. 우드베리법은 배관을 따라 이러한 자기장을 측정하며 피복 손상부 전후에서 일어나는 자기장의 변화를 탐지하여 손상부의 위치를 결정한다.

관대지전위법은 긴 거리의 배관에 대한 관대지전위 분포상황을 상세히 제시해 줄 수 있는 방법으로 전기방식 상태 및 추후 전기방식 설계를 위한 기초적인 정보를 얻을 수 있다. 그러나 관대지전위는 기준전극 주변의 한정된 배관길이 만큼의 평균적인 전위값이므로 시험지점에서 상당한 거리가 떨어져 있는 지점에 피복결함이 있는 경우에는 이 결함부위를 감지할 수 없다. 따라서 되도록 많은 지점에 대한 전위 조사를 해야 하며, 1 ∼ 5 m 정도의 간격으로 배관길이 방향을 따라서 관대지전위를 측정하는 것이 일반적이다. 관대지전위는 피복 손상부 직상부에서 주변 전위에 비하여 양의 값을 가지므로 이러한 원리를 이용하여 피복 손상부를 탐측할 수 있다.

직류 전위구배법 또한 직류전류를 사용하는 방법이다. 직류전류법은 기본적으로 인가한 직류전류로 인해 배관주변에 발생하는 전위구배를 측정하여 피복 손상부를 탐측하는 방법으로 관대지전위법도 이 범주에 속한다. 그러나 가장 대표적인 직류전류를 사용한 방법은 바로 직류 전위구배법이다. 직류 전위구배법은 두 개의 포화황산동 기준전극을 사용하여 배관의 직상부를 따라 약 1 ∼ 2 m 정도 이격시켜 두 전극 사이의 전위차, 즉 지표면 전위구배를 측정하는 방법이다. 이때 배관에 가하는 방식전류를 주기적으로 on-off시키고, on일 때의 전위차에서 off일 때의 전위차를 보정하여 전위구배를 정확히 측정한다. 이때 방식전류는 저항이 가장 낮은 피복 손상부로 집중되고, 피복 손상부 주위에 큰 토양전위구배가 발생하게 된다. 따라서 두 개의 기준전극을 사용하여 지표면에서 배관길이 방향으로 배관을 따라 전위를 측정하면 손상부 주변에서 (on전위 － off전위)의 부호가 역전되는 현상이 발생하며, 이로써 역전지점이 손상부라는 것을 알 수 있다.

이외에도 부식을 감지하는 방법으로는 음향을 반사시킨 다음 어레이 센서(array sensor)와 다채널 감지장치를 이용하여 음향을 수신하고 분석 처리하여 금속의 균열 및 이상 지점을 찾아내는 음향반사법, 금속의 부식으로 인해 줄어든 금속의 두께 변화를 감지하여 부식유무를 체크하는 초음파법 (PCT/US 88/03928), 전도성 유동체내에 시험용 탐침을 삽입시켜 선형 분극을 측정함으로써 순간적인 부식율을 알아내는 순시 부식율 측정법, 장시간 동안 부식으로 인한 저항변화를 감지함으로써 부식율을 알아내는 저항측정법 등이 있다.

또한 최근 전기화학 및 부식연구에 활용되고 있는 전기화학적 임피던스 측정방법(Electrochemical Impedance Spectroscopy; EIS)은 비파괴적이며 동시에 정량적인 분석 방법으로서 도장계의 부식성 평가에 효과적으로 사용할 수 있는 시험방법으로 알려져 있다. (대한금속학회지, Vol. 31, No. 11, pp 1374-1381 (1993)) 전기화학적 임피던스 측정방법에 의하면 외부환경에서 소지금속에 이르기까지의 물질 및 전하이동에 관한 임피던스 측정이 가능하며, 이런 측정한 임피던스 스펙트럼을 적절한 등가회로모형(equivalent circuit model)에 피팅(fitting)하여 분석함으로써 도막하 부식거동에 대한 많은 정보를 얻을 수 있다. (Corrosion Science, Vol. 39, No. 6, pp 1087-1092 (1997)) 전기화학적 임피던스 측정을 이용한 다른 방법으로, 미국특허 US 5,674,375에서는 얻어진 임피던스 스펙트럼의 Nyquist 도면에서의 모양이 반원이면 부식반응이 일어나지 않고 있으며, 직선 모양의 스펙트럼이면 부식반응이 일어나고 있다고 판단하는 방법을 제시하고 있다.

이러한 전기화학적 임피던스 측정방법에 의해 가스배관, 송유관, 상하수도관 등 지하매설배관의 피복 손상부 및 부식 지점의 위치를 정확하게 탐지하기 위한 기술이 요구되었다.

따라서 본 발명의 목적은 전기화학적 임피던스 스펙트럼 측정 및 분석을 이용하여 가스배관, 송유관, 상하수도관 등 지하매설배관의 피복 손상부 및 부식 지점의 정확한 위치를 탐지하는 방법을 제공함에 있다.

본 발명의 다른 목적은 비교적 높은 주파수 영역(10 Hz 이상의 주파수 영역)의 임피던스 스펙트럼을 측정하고 분석하여 그 임피던스 스펙트럼 측정시간을 단축시킬 수 있는 지하매설배관의 피복 손상부 및 부식 지점의 정확한 위치를 탐지하는 방법을 제공함에 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 임피던스 측정에 있어서도 포화황산동 기준전극과 같은 특별한 전극을 사용하지 않고, 매설배관의 피복 손상부 및 부식 지점의 위치를 빠른 측정시간에 간단하고 정확하게 탐지할 수 있는 방법을 제공함에 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 가스배관, 송유관, 상하수도관 등 지하매설배관의 피복 손상부 및 부식 지점의 정확한 위치를 탐지하는 방법은,

(a) 피복 손상부나 부식 지점의 정확한 위치를 탐지하기 위하여 매설배관의 길이 방향을 따라 지표면의 전극 위치를 옮겨가며 임피던스를 측정 : 임피던스 스펙트럼은 지표면의 전극 위치에 따른 임피던스 스펙트럼의 차이가 뚜렷이 나타나기에 적절히 넓은 주파수 범위(1 MHz ∼ 10 Hz)에서 구하고,

(b) 측정된 임피던스 스펙트럼을 주파수에 따른 허수부와 실수부로 나누어, 전극 위치에 따른 임피던스 스펙트럼의 로그스케일 주파수에 대한 허수부와 실수부를 각각 비교하며,

(c) 허수부와 실수부 모두 최소가 되는 임피던스 스펙트럼의 측정 위치를 피복 손상부 또는 부식 지점으로 결정함을 특징으로 한다.

본 발명은 구체적으로 미국 특허 출원 제 09/746,452호에 기술되어 있는 방법에 따라서 매설배관의 길이 방향을 따라 지표면의 전극 위치를 옮겨가며 1 MHz ∼ 10 Hz 주파수 영역에서 시험 측정한 지하매설배관의 임피던스 스펙트럼을 주파수에 따른 허수부와 실수부로 나누어 로그스케일의 주파수에 대한 허수부와 실수부를 각각 비교하여, 허수부와 실수부 모두 최소가 되는 임피던스 스펙트럼의 측정 위치를 피복 손상부 또는 부식 지점으로 결정하는 방법에 관한 것이다. 또한 본 발명은 기존의 관대지전위법이나 직류 전위구배법에서와 같이 포화황산동 기준전극 같은 비교적 복잡한 전극을 필요로 하지 않으며, 10 Hz 이상의 높은 주파수 영역만을 측정함으로써 지표면의 한 위치에서 약 1분 정도의 짧은 측정시간을 가지는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 구체적인 적용 예를 다음에 상세히 나타내었다.

(실시예 1)

도 1은 한쪽 면의 일부분의 피복이 벗겨지고 부식된 철판 시료를 토양 속에 묻어두고 지표면의 전극을 위치를 달리하며 임피던스 측정용 기기를 이용하여 본 발명을 실시하는 모형도이다.

여기서 1은 임피던스 측정 기기, 2는 임피던스 측정용 전극, 3은 측정하고자하는 시료를 나타내며, A, B, C, D는 임피던스 측정용 전극의 지표면에서의 위치를 나타낸다.

도 2는 한쪽 면의 일부분의 피복이 벗겨지고 부식된 철판 시료에 대한 임피던스를 광역 주파수 (1 MHz ∼ 10 Hz) 영역으로 도 1의 A, B, C, D 위치에서 측정하여 얻은 임피던스 스펙트럼을 Nyquist 도면에서 비교한 그래프이다.

도 3은 도 2의 Nyquist 도면에서 비교한 임피던스 스펙트럼의 실수부 만을 로그주파수에 대하여 비교한 그래프이다.

도 4는 도 2의 Nyquist 도면에서 비교한 임피던스 스펙트럼의 허수부 만을 로그주파수에 대하여 비교한 그래프이다.

(a) 한쪽 면의 일부분의 피복이 벗겨지고 부식된 철판 시료의 임피던스 스펙트럼을 측정하기 위하여 도 1에 나타낸 것처럼 시험 장치를 구성하였으며, 임피던스 측정용 전극으로는 구리판을 사용하였다. 철판 시료는 부식된 면을 제외한 어느 부분도 토양과 직접 연결되지 않도록 철저히 절연을 하였다. 임피던스 스펙트럼의 측정은 1 MHz ∼ 10 Hz의 주파수 영역에 대하여 실시하였으며, 미국 특허 출원 번호 09/746452호에 나타난 방법을 그대로 적용하여 실시하였다. 상기 임피던스 시험측정은 예를 들어 다중 사인파 (multi-sine wave) 푸리에 변환 임피던스 스펙트럼 시험 측정법이나 과도응답(transient response)의 라플라스 변환 임피던스 스펙트럼 시험 측정법을 이용한다. 상기 매설배관에 대한 임피던스 측정 시 2전극법을 사용하며, 상기 2극전극법은 일반적으로 전기화학분야에서 쓰이는 3극법이나 4극번과는 달리 기준전극(Reference electrode)이나 카운터전극(Counter electrode)을 사용하지않는 방법을 말하며, 지하에 매설된 배관을 하나의 전극으로 이용하고, 다른 하나의 전극은 지표면에 꽂은 금속판을 전극으로 하여 두 개의 전극을 사용한다. 이때 지표면에 꽂는 전극은 기준전극이나 카운터전극으로 쓰이는 전극 또는 물질이 아닌 알루미늄, 구리, 니켈, 백금 및 스테인레스 금속이 될 수 있다.

(b) 도 1의 A, B, C, D 위치에서 얻어진 임피던스 스펙트럼을 도 2에서처럼 Nyquist 도면에서 비교해보면 다소 복잡해 보이나 지표면의 전극 위치가 철판 시료의 직상부에 가까워질수록 전체적인 스펙트럼이 왼쪽으로 옮겨감을 알 수 있다.

(c) 지표면의 전극 위치와 임피던스 스펙트럼 사이의 상관관계를 좀 더 명확히 알아보기 위하여 임피던스 스펙트럼을 허수부와 실수부로 나누어 로그스케일의 주파수에 대하여 임피던스 스펙트럼의 허수부와 실수부를 비교한 도면을 도 3과 도4에 나타내었다. 임피던스 스펙트럼의 허수부와 실수부 모두 철판 시료의 직상부인 D 위치에서의 임피던스 스펙트럼이 모든 주파수 영역에서 최소값을 보임을 알 수 있다. 따라서 허수부와 실수부 모두 최소가 되는 임피던스 스펙트럼의 측정 위치를 피복 손상부 또는 부식 지점으로 결정할 수 있다.

(실시예 2)

도 5a와 도 5b 및 도 5c는 각각 정상 피복 철판, 피복 손상 철판, 피복 손상 및 부식 철판에 대한 광역 주파수 (1 MHz ∼ 10 Hz) 영역으로 측정하여 얻은 임피던스 스펙트럼을 Nyquist 도면에서 비교한 그래프이다. 각각의 철판 시료에 대한 임피던스 측정에 사용한 전극은 구리판이며, 구리판과 각 철판 시료 사이의 거리는 일정하게 유지하여 측정하였다.

도 5a를 보면 정상 피복 철판의 임피던스가 너무 크기 때문에 피복 손상 철판과 피복 손상 및 부식 철판의 임피던스는 한 점으로 나타나는 것을 알 수 있다. 그렇기 때문에 피복 손상 철판과 피복 손상 및 부식 철판의 임피던스 차이를 비교하기 위하여 피복 손상 철판과 피복 손상 및 부식 철판의 임피던스를 Nyquist 도면에서 비교한 그래프를 도 5b에 따로 표시하였으며 피복 손상 및 부식 철판의 Nyquist 도면에서의 임피던스 그래프는 도 5c에 나타내었다. 도 5a와 도 5b 및 도 5c의 결과로부터 각각의 철판 시료에 대한 임피던스 스펙트럼의 크기 차이가 극명함을 알 수 있다. 따라서 임피던스 스펙트럼의 크기로 피복 손상 여부와 피복 손상부에서의 부식 여부 및 부식 정도를 알 수 있다.

상술한 바와 같이 본 발명은 매설배관의 길이 방향을 따라 지표면의 전극 위치를 옮겨가며 1 MHz ∼ 10 Hz 주파수 영역에서 시험 측정한 매설배관의 임피던스 스펙트럼을 주파수에 따른 허수부와 실수부로 나누어 로그스케일의 주파수에 대한 허수부와 실수부를 각각 비교하여, 허수부와 실수부 모두 최소가 되는 임피던스 스펙트럼의 측정 위치를 피복 손상부 또는 부식 지점으로 결정하여 매설배관의 피복손상부 및 부식지점을 정확하게 탐지할 수 있는 이점이 있다.

또한 본 발명은 기존의 관대지전위법이나 직류 전위구배법에서와 같이 포화황산동 기준전극 같은 비교적 복잡한 전극을 필요로 하지 않으며, 10 Hz 이상의 높은 주파수 영역만을 이용하여 매설배관의 임피던스 스펙트럼을 측정함으로써 지표면의 한 위치에서 약 1분 정도의 짧은 측정시간을 가지도록 하여 임피던스 측정시간을 단축시킬 수 있는 이점이 있다.

도 1은 한쪽 면의 일부분의 피복이 벗겨지고 부식된 철판 시료를 토양 속에 묻어두고 지표면의 전극을 위치를 달리하며 임피던스 측정용 기기를 이용하여 본 발명을 실시하는 모형도이다.

도 2는 한쪽 면의 일부분의 피복이 벗겨지고 부식된 철판 시료에 대한 임피던스를 광역 주파수 (1 MHz ∼ 10 Hz) 영역으로 도 1의 A, B, C, D 위치에서 측정하여 얻은 임피던스 스펙트럼을 Nyquist 도면에서 비교한 그래프이다.

도 3은 도 2의 Nyquist 도면에서 비교한 임피던스 스펙트럼의 실수부 만을 로그주파수에 대하여 비교한 그래프이다.

도 4는 도 2의 Nyquist 도면에서 비교한 임피던스 스펙트럼의 허수부 만을 로그주파수에 대하여 비교한 그래프이다.

도 5a와 도 5b 및 도 5c는 각각 정상 피복 철판, 피복 손상 철판, 피복 손상 및 부식 철판에 대한 광역 주파수 (1 MHz ∼ 10 Hz) 영역으로 측정하여 얻은 임피던스 스펙트럼을 Nyquist 도면에서 비교한 그래프이다.

Claims (7)

1. 매설배관의 피복 손상부 또는 부식 지점의 위치를 탐지하는 방법에 있어서,

   (a) 상기 매설배관의 길이 방향을 따라 지표면의 전극 위치를 옮겨가며 2전극법을 사용하여 임피던스를 측정하는 단계;

   (b) 상기 측정한 임피던스 스펙트럼을 주파수에 따른 허수부와 실수부로 나누어 전극 위치에 따른 임피던스 스펙트럼의 로그스케일 주파수에 대한 허수부와 실수부를 각각 비교하는 단계;

   (c) 상기 허수부와 실수부 모두 최소가 되는 임피던스 스펙트럼의 측정 위치를 피복 손상부 또는 부식 지점으로 결정하는 단계를 포함함을 특징으로 하는 전기화학적 임피던스 스펙트럼 측정 및 분석을 이용한 지하매설배관의 피복 손상부 및 부식 위치 탐지 방법.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 매설배관이 가스배관, 송유관 및 상하수도관인 것을 특징으로 하는 전기화학적 임피던스 스펙트럼 측정 및 분석을 이용한 지하매설배관의 피복 손상부 및 부식 위치 탐지 방법.
3. 제 1 항에 있어서,

   상기 임피던스 스펙트럼 시험 측정은 다중 사인파 (multi-sine wave) 푸리에 변환 임피던스 스펙트럼 시험 측정법인 것을 특징으로 하는 전기화학적 임피던스 스펙트럼 측정 및 분석을 이용한 지하매설배관의 피복 손상부 및 부식 위치 탐지 방법.
4. 제 1 항에 있어서,

   상기 임피던스 스펙트럼 시험 측정은 과도 응답 (transient response)의 라플라스 변환 임피던스 스펙트럼 시험 측정법인 것을 특징으로 하는 전기화학적 임피던스 스펙트럼 측정 및 분석을 이용한 지하매설배관의 피복 손상부 및 부식 위치 탐지 방법.
5. 제 1 항에 있어서,

   상기 주파수는 1MHz 내지 10Hz인 것을 특징으로 하는 전기화학적 임피던스 스펙트럼 측정 및 분석을 이용한 지하매설배관의 피복 손상부 및 부식 위치 탐지 방법.
6. (삭제)
7. (삭제)