KR100643005B1 - 전기 방식용 하이브리드 양극 구조 - Google Patents

Abstract

본 발명은 희생 양극식 전기 방식 시공시 전기 방식용 하이브리드 양극을 사용함으로써 소모성 희생 양극이 수명을 다한 후에도 코어로 사용된 불용성 양극을 이용한 전기 방식이 가능하도록 하는 전기 방식용 하이브리드 양극 구조를 제공한다. 이를 위해 본 발명은 전해질 내 금속 시설물에 적용되어 전기 방식을 수행하는 양극 구조에 있어서, 희생 양극식 전기 방식이 진행되도록 설치된 소모성 희생 양극부와, 상기 소모성 희생 양극부에 대해 코어로서 적용되어, 외부 전원식 전기 방식을 진행하도록 설치된 불용성 양극부 및, 상기 불용성 양극부를 방식 대상물과 전기적으로 접속시키기 위한 양극 리드선으로 구성된 것을 특징으로 한다.

전기 방식, 하이브리드, 희생 양극, 불용성 양극

Description

전기 방식용 하이브리드 양극 구조{HYBRID ANODE STRUCTURE FOR CATHODIC PROTECTION}

도 1은 본 발명에 따른 전기 방식용 하이브리드 양극의 구조를 상세히 나타낸 도면이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

1:불용성 양극부, 2:소모성 희생 양극부,

3:양극 리드선.

본 발명은 전기 방식용 하이브리드 양극 구조에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 불용성 양극재료에 소모성 희생양극의 코어를 적용하여 희생 양극식 전기 방식법에 의해 소모성 양극이 다 소모된 후에도 외부 전원식 전기 방식법을 통하여 양극의 재시공 없이 대상물에 대한 방식을 지속시킬 수 있도록 하는 전기 방식용 하이브리드 양극 구조에 관한 것이다.

일반적으로, 부식이라 함은 금속(물질)이 주위 환경과 반응하여 금속 자체가 변질되거나 혹은 금속의 특성이 변질되는 것을 칭하며, 이러한 부식은 대부분 전기화학적 반응(즉, 전자의 이동이 포함된 화학반응)에 의한 것으로서, 양극(anode), 음극(cathode), 전류 경로(금속 경로), 이온 경로(전해질)의 4가지 요소를 만족시켰을 때에 발생한다.

상기한 4가지 요소로 구성된 조합을 부식전지라고 하며, 부식전지가 형성되면 두 금속 중에서 더 활성적이고 전위가 낮은 금속이 양극화되어 부식한다. 이 부식전지의 음극→전류경로→양극→이온경로를 따라서 전류의 흐름이 생기고, 이 전류의 흐름에 따라 양극반응(산화반응)과 음극반응(환원반응)이 발생하게 되는 바, 이 경우에 양극에서는 부식이 발생한다.

한편, 금속 구조물의 부식은 토양이나 해수와 같은 전해질에 있는 상태에서 부식 메커니즘에 의한 양극반응과 음극반응에 의해 발생하므로, 첫 번째 방법으로 금속구조물의 표면을 전해질과 차단하거나, 두 번째 방법으로 양극반응의 진행을 억제하거나, 세 번째 방법으로 양극부와 음극부를 분리하는 것이 부식을 방지하는 기본적인 방식법이 된다.

상기한 방법 중에서 첫 번째와 세번째 방법은 현실적으로 완벽한 방식방법이 될 수 없기 때문에 두 번째 방법인 양극반응의 진행을 억제하는 방법이 가장 널리 이용되고 있으며 이를 전기 방식(cathodic protection)법이라고 한다. 금속구조물의 부식은 금속 표면에서 전해질을 통하여 전류가 유출될 때에 일어나는 현상이므로, 전기 방식법의 원리는 이와 반대로 전해질을 통하여 금속표면에 직류 전류(방식전류)를 유입시켜서 금속표면의 유출 전류(부식전류)를 소멸시켜 주어 부식이 방지되도록 하는 방법이다.

이러한 전기 방식법에는 방식전류의 공급방법에 따라서 크게 희생 양극법과 외부 전원법의 두 가지로 대별되는 바, 희생 양극법은 유전 양극법이라고도 하며 이종 금속간의 전위차를 이용하여 방식전류를 얻는 방법으로서, 방식 대상물보다 전위가 낮은 금속(예컨대, 알루미늄, 아연, 마그네슘 등)을 전해질 내에서 전기적으로 연결하면 전위가 낮은 금속이 양극(anode)이 되고 방식 대상물이 음극(cathode)이 되어 방식전류가 양극으로부터 전해질을 통하여 음극으로 흐르도록 되어 있다.

일반적으로 해양구조물의 하나인 부두시설용 강관 파일의 수중부분 방식에는 주로 알루미늄 합금 양극을 사용하고, 해저 배관에는 아연 합금 양극을, 일반 토양에 매설하는 배관에는 마그네슘 합금 양극을 주로 사용하고 있다.

상기 외부 전원법은 직류전원장치의 (+)극을 전해질 내에 설치한 양극에 접속하고, (-)극을 방식 대상물에 접속한 다음, 직류전원 장치에서 전원을 인가하여 방식전류를 흐르게 하는 방식방법을 말한다.

이러한 외부 전원법은 직류전원장치, 전극군(anode bed) 및 부속배선 설비로 구성되며, 사용되는 양극은 흑연(graphite), 고 규소철(high silicon cast iron), 연-은(Pb-Ag) 합금, 귀금속 및 강 등의 재료로 만들어지며, 고 규소철 양극, 연-은 합금 양극 및 백금-티탄(Pt-Ti(Nb/Ta/MMO)) 양극과 같은 불용성 양극들이 있다. 일반적으로 해수 중에 설치되는 방식 대상물에는 연-은 양극과 백금-티탄 양극을, 해토 중에 설치되는 방식 대상물에는 고 규소철 양극을 많이 사용한다.

상기 전기 방식법에 적용되는 희생 양극법과 외부 전원법에 대한 각각의 장단점을 비교하면 하기한 표 1과 같이 나타난다.

방식법	장 점	단 점
희생 양극법	1. 외부전원이 필요 없다. 2. 설치가 간편하고, 유지 보수가 용이하다. 3. 소규모 구조물의 방식에는 비용이 저렴하다. 4. 타 시설물에 미치는 간섭의 영향이 거의 없다. 5. 방식전위의 분포가 비교적 균일하며, 과방식의 염려가 없다. 6. 방식설비의 설치면적을 최소화할 수 있다. 7. 방식전류를 효과적으로 사용할 수 있다.	1. 양극의 기전력이 제한되어 있고, 출력전류가 작아서 장거리 방식 대상물에는 고가이다. 2. 방식효과 범위가 좁다. 3. 전압 및 전류의 출력조절이 어렵다. 4. 비저항이 높은 장소에 설치할 경우에는 비효율적이다. 5. 외부전원법에 비하여 단위 전류당 경비가 크다. 6. 강한 전식에서는 효과가 없다.
외부 전원법	1. 전압 및 전류의 조정범위가 넓어서, 장거리 방식 대상물에는 경제적이다. 2. 하나의 양극으로도 전류출력이 크다. 3. 방식효과 범위가 넓다. 4. 비저항이 높은 장소에서도 적용이 가능하다. 5. 전식에 대해서도 효과가 있다. 6. 양극의 소모가 적어서 희생양극식에 비하여 단위전류당의 경비가 작다.	1. 타 시설물에 간섭의 영향을 미치기 쉽다. 2. 외부전원 상실의 경우에는 미방식 상태가 된다. 3. 주기적인 유지 및 보수가 필요하다. 4. 외부전원이 필요하다. 5. 과방식의 우려가 있다. 6. 전력 요금 등의 유지비가 비교적 비싸게 소요된다. 7. 소규모 구조물의 방식에는 비용이 고가이다.

한편, 종래에는 소모성 희생 양극을 이용하여 전반적으로 희생 양극법으로 전기방식을 시행하거나, 불용성 양극을 이용하여 전반적으로 외부 전원법으로 전기방식을 시행하거나, 또는 이 두 방법을 단순히 병렬적으로 적용하는 형태였다.

그러나, 도시화 및 산업화가 급속하게 진행됨에 따라 지중 또는 수중과 같은 전해질에 설치되는 금속시설물의 활용이 급속도로 증가하고 있으며 타 기관 소유의 여러 시설들이 복잡하게 분포하게 됨에 따라, 이들의 부식을 억제하기 위한 전기방식법이 새로운 해결책을 요구하고 있다. 즉, 비교적 소규모인 구조물의 방식에 이용되어온 희생 양극법은 타 시설물에 대한 간섭 영향이 적은 반면, 유지보수가 필요하거나 소모성 희생양극의 수명이 다할 경우, 지상의 도로나 철로 상에서 재시공해야 하는 위험과 불편 및 고비용이 소요되게 되고, 도심과 같이 교통이 복잡한 곳 에서의 도로복개는 도시민의 생활에 미치는 부정적인 영향 때문에 점점 힘들어지고 있다.

더욱이, 외부 전원법의 경우에는 방식 효과나 경제성, 시공성에 있어서 희생 양극법에 비해 효과적이지만 타 시설물에 대한 간섭 문제가 심각해지면서 현재 전세계적으로 외부전원법의 적용을 줄여가고 있는 실정이다.

따라서, 최근에는 지중 또는 수중의 금속 시설물에 대한 전기 방식법으로서 권장되고 있는 희생 양극법에 대한 기술보완 및 전기 방식법의 장점을 살릴 수 있는 새로운 기술 및 재료의 개발이 절실히 요구되고 있는 실정이다.

따라서, 본 발명은 상기한 종래의 사정을 감안하여 이루어진 것으로서, 그 목적은 희생 양극식 전기 방식 시공시 전기 방식용 하이브리드 양극을 사용함으로써 소모성 희생 양극이 수명을 다한 후에도 코어로 사용된 불용성 양극을 이용한 전기 방식이 가능하도록 하는 전기 방식용 하이브리드 양극 구조를 제공하는 것이다.

상기한 목적을 달성하기 위해 본 발명에 따르면, 지중 또는 수중과 같은 전해질 내 금속 시설물에 적용되어 전기 방식을 수행하는 양극 구조에 있어서, 희생 양극식 전기 방식이 진행되도록 설치된 소모성 희생 양극부와, 상기 소모성 희생 양극부에 대해 코어로서 적용되어, 외부 전원식 전기 방식을 진행하도록 설치된 불용성 양극부 및, 상기 불용성 양극부를 방식 대상물과 전기적으로 접속시키기 위한 양극 리드선으로 구성된 것을 특징으로 하는 전기 방식용 하이브리드 양극 구조를 제공한다.

이하, 상기한 바와 같이 구성된 본 발명에 대해 첨부도면을 참조하여 상세히 설명한다.

즉, 도 1은 본 발명에 따른 전기 방식용 하이브리드 양극의 구조를 상세히 나타낸 도면이다.

도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 전기 방식용 하이브리드 양극 구조는, 불용성 양극부(1)와, 소모성 희생 양극부(2) 및, 양극 리드선(3)으로 구성된다.

상기 불용성 양극부(1)는 코어를 이루는 고규소철 양극, MMO 양극, 백금-티탄 양극으로 이루어지는 바, 해당 불용성 양극부(1)의 크기와 형태는 원하는 양극의 수명에 따라 결정되며 봉 형상이나, 튜브 형상, 망 형상, 와이어 형상 등과 같이 다양한 형태로 제작이 가능하다. 상기 불용성 양극부(1)는 방식 대상물의 주변 환경에 따라 고 규소철 양극, MMO 양극, 백금-티탄 양극 등과 같이 외부 전원식 전기방식에 사용되는 불용성 양극 재료를 사용한다.

상기 소모성 희생 양극부(2)는 코어를 둘러싸는 알루미늄 합금 양극, 아연 합금 양극, 마그네슘 합금 양극으로 이루어지는 바, 해당 소모성 희생 양극부(2)의 크기와 형태는 원하는 양극의 수명에 따라 결정되며 각봉 형상이나, 반구 형상, 원통 형상 등과 같이 다양한 형태로 제작이 가능하다. 상기 불용성 양극부(2)는 방식 대상물의 주변 환경에 따라 알루미늄 합금 양극, 아연 합금 양극, 마그네슘 합금 양극 등과 같이 희생 양극식 전기방식에 사용되는 소모성 희생양극 재료를 사용한다.

상기 양극 리드선(3)은 상기 불용성 양극부(1)의 일측단에 연결되어 지상의 테스트 박스로 인출되도록 구성되는 바, 해당 양극 리드선(3)은 절연재료를 사용한 견고한 전선을 사용하는 것이 바람직하다.

본 발명에 따른 하이브리드 양극은 우선 불용성 양극부(1)를 코어에 사용할 수 있도록 제작하고, 그 양단 또는 한쪽 끝에 양극 리드선(3)을 연결한 후, 그 외측으로 소모성 희생 양극부(2)를 덧씌울 수 있도록 주조하여 제조한다.

상기 하이브리드 양극의 수명은 소모성 희생 양극부(2)와 불용성 양극부(1)의 수명에 의해 계산되는 바, 소모성 희생 양극부(2)의 수명은 하기한 수학식 1에 의해 구해진다.

여기서, Y₁는 소모성 희생 양극부(2)의 수명[y], C_a1는 소모성 희생 양극부(2)의 전류 용량[A·y/kg], W_t1는 소모성 희생 양극부(2)의 중량[kg], f₁는 소 모성 희생 양극부(2)의 이용률, I_t1는 양극의 출력 전류[A]를 나타낸다.

또한, 상기 불용성 양극부(1)의 수명은 하기한 수학식 2에 의해 구해진다.

여기서, Y₂는 불용성 양극부(1)의 수명[y], W_t2는 불용성 양극부(1)의 중량[kg], f₂는 불용성 양극부(1)의 이용률, I_t2는 불용성 양극부(1)의 출력 전류[A], C_r2은 불용성 양극부(1)의 소모율[kg/A·y]을 나타낸다.

상기한 바와 같이 구성된 본 발명에서는 기존의 희생 양극식 전기 방식법에 의한 수명과 추가적인 양극설치 공사비용 없이 불용성 양극부(1)의 수명(Y₂) 만큼 양극의 수명을 연장시킬 수 있다.

한편, 본 발명은 전술한 전형적인 바람직한 실시예들에만 한정되는 것이 아니라 본 발명의 요지를 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지로 개량, 변경, 대체 또는 부가하여 실시할 수 있는 것임은 당해 기술분야에 통상의 지식을 가진 자라면 용이하게 이해할 수 있을 것이다. 이러한 개량, 변경, 대체 또는 부가에 의한 실시가 이하의 첨부된 특허청구범위의 범주에 속하는 것이라면 그 기술사상 역시 본 발명에 속하는 것으로 보아야 한다.

이상과 같이 본 발명에 따르면, 전기방식 공사시 소모성 희생양극 대신에 전기방식용 하이브리드 양극을 사용함으로써 초기에는 희생 양극을 이용하여 방식을 시키다가, 희생 양극이 다 소모하면 추가적인 양극설치 공사비용 없이 남아있는 코어인 외부 전원용 양극을 사용함으로써, 별도의 비용을 들여서 재시공할 필요성이 없이도 금속 구조물에 대한 방식을 지속적으로 시행할 수 있다는 효과를 갖게 된다.

Claims (8)

1. 지중 또는 수중과 같은 전해질 내 금속 시설물에 적용되어 전기 방식을 수행하는 양극 구조에 있어서,

   희생 양극식 전기 방식이 진행되도록 설치된 소모성 희생 양극부와,

   상기 소모성 희생 양극부에 대해 코어로서 적용되어, 외부 전원식 전기 방식을 진행하도록 설치된 불용성 양극부 및,

   상기 불용성 양극부를 방식 대상물과 전기적으로 접속시키기 위한 양극 리드선으로 구성된 것을 특징으로 하는 전기 방식용 하이브리드 양극 구조.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 소모성 희생 양극부는 상기 불용성 양극부의 코어를 둘러싸고서 설치된 것을 특징으로 하는 전기 방식용 하이브리드 양극 구조.
3. 제 1 항에 있어서,

   상기 소모성 희생 양극부는 알루미늄 합금 양극이나, 아연 합금 양극, 마그네슘 합금 양극 중에 어느 하나의 양극 재료로 이루어진 것을 특징으로 하는 전기 방식용 하이브리드 양극 구조.
4. 제 1 항에 있어서,

   상기 소모성 희생 양극부의 크기와 형태는 원하는 양극의 수명에 따라 결정되는 것을 특징으로 하는 전기 방식용 하이브리드 양극 구조.
5. 제 4 항에 있어서,

   상기 소모성 희생 양극부는 각봉 형상이나, 반구 형상, 원통 형상 중에 어느 하나의 형태로 제작되는 것을 특징으로 하는 전기 방식용 하이브리드 양극 구조.
6. 제 1 항에 있어서,

   상기 불용성 양극부는 고 규소철 양극이나, MMO 양극, 백금-티탄 양극 중에 어느 하나의 불용성 양극재료로 이루어진 것을 특징으로 하는 전기 방식용 하이브리드 양극 구조.
7. 제 1 항에 있어서,

   상기 불용성 양극부의 크기와 형태는 원하는 양극의 수명에 따라 결정되는 것을 특징으로 하는 전기 방식용 하이브리드 양극 구조.
8. 제 7 항에 있어서,

   상기 불용성 양극부는 봉 형상이나, 튜브 형상, 망 형상, 와이어 형상 중에 어느 하나의 형태로 제작되는 것을 특징으로 하는 전기 방식용 하이브리드 양극 구조.

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