KR100662696B1 - 에프알피 소형선박의 부식방지용 축계 - Google Patents

에프알피 소형선박의 부식방지용 축계 Download PDF

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KR100662696B1
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강대선
박정대
김기준
이명훈
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선박검사기술협회
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    • B63H23/00—Transmitting power from propulsion power plant to propulsive elements
    • B63H23/32—Other parts
    • B63H23/36—Shaft tubes

Abstract

본 발명은 선박의 축계에 관한 것으로, 에프알피(FRP) 소형선박의 스테인리스강 축계에서 발생하는 부식문제를 근본적으로 해결하기 위한 에프알피(FRP) 선박의 축계에 관한 것이다.
에프알피(FRP) 소형선박(10) 내부의 메인엔진(12)에 연결되어 리그남바이티 베어링(15)으로 사용하는 선미관(13)과 선체외판(11)을 관통하여 해수부(100)로 돌출되는 프로펠러(16)가 결합된 스테인리스 축(14)의 부식방지 장치에 있어서, 상기 스테인리스 축(14) 일측에 희생양극 부재를 설치하여 스테인리스 볼트(20)로 체결한다.
따라서, 본 발명은 해수에 그대로 노출된 에프알피(FRP) 소형선박의 스테인리스 축에 희생양극을 간편하게 설치함으로써 최소비용으로 부식을 방지할 수 있으며, 선박의 종류와 특성에 따라 희생양극 부재의 설치위치를 특정부분에 한정하지 않고 여러 위치에 따라 다양하게 설치할 수 있는 효과가 있다.
에프알피(FRP) 소형선박, 선미관, 스테인리스 축, 희생양극

Description

에프알피 소형선박의 부식방지용 축계{Shaft of FRP Ship for Corrosion Protection}
도 1은 본 발명에 따른 에프알피(FRP) 소형선박의 측면도.
도 2는 도 1에 도시된 A부분의 단면도.
도 3은 본 발명에 따른 선미관 내부 축에 설치되는 희생양극 테이프의 실시예.
도 4는 도 3의 전자 및 전류의 흐름원리에 대한 회로도.
도 5는 본 발명에 따른 리그남바이티 베어링과 프로펠러 사이 축에 설치되는 희생양극 링의 실시예.
도 6은 도 5의 전자 및 전류의 흐름원리에 대한 회로도.
도 7은 본 발명에 따른 브러쉬와 축연결선으로 연결되어 선박 후미 수중 부분에 설치되는 희생양극 판의 실시예.
도 8은 도 7의 전자 및 전류의 흐름원리에 대한 회로도.
도 9는 알루미늄 희생양극의 음극방식과 무방식에 따른 스테인리스 축의 실험비교 참고사진.
도 10은 실제 소형선박 축에 알루미늄(Al) 희생양극을 설치한 참고사진.
<도면의 주요 부분에 대한 부호 설명>
10 : 소형선박 11 : 선체외판
12 : 메인엔진 13 : 선미관
14 : 스테인리스 축 15 : 리그남바이티 베어링
16 : 프로펠러 20 : 스테인리스 볼트
30 : 희생양극 테이프 40 : 희생양극 링
50 : 희생양극 판 60 : 슬립링
61 : 브러쉬 62 : 축연결선
71 : 전류흐름 72 : 이온화
73 : 전자흐름 74 : 산소
75 : 수산기 이온
본 발명은 선박의 축계에 관한 것으로, 더욱 세부적으로는 에프알피(FRP) 소형선박의 스테인리스강 축계에서 발생하는 부식문제를 근본적으로 해결하기 위한 에프알피(FRP) 소형선박의 축계에 관한 것이다.
소형선박의 축계는 1종축과 2종축으로 나누어지는데, 선박기관 기준에서의 1종축은 프로펠러축의 해수에 노출되는 부분을 일체의 슬리브 또는 2개 이상의 슬리브를 열박음이나 압입하기 전에 동질의 재료로 용접 또는 땜질한 슬리브라고 정의 되며, 2종축은 1종축 이외의 프로펠러축이라고 단순하게 정의하고 있다. 그리고 현행 규정에 1종축과 2종축의 재질에 관한 규정이 명확하지 않아 현행 선박기관기준으로 제1종축에는 스테인리스강(STS) 630만이 있고, 제2종축에는 304 스테인리스강 및 316 스테인리스강이 속해 있으며, 슬리브를 장착하지 않는 2종축의 경우 축계부근의 해수침입에 따른 부식 등의 제반 문제에 대한 자세한 규정이 없어 현재 운항되고 있는 에프알피(FRP) 소형선박의 스테인리스강 축계(대부분 STS304)에는 심각한 이상 부식현상이 발생되고 있다.
상기 에프알피(FRP) 소형선박 스테인리스강 축계의 국부부식으로 인한 이상부식은 상당히 오랫동안 문제점으로 지적되고 있으며, 일반적으로 스테인리스강은 내식성이 높은 재료로 청수에서는 특별한 문제가 없는 한 거의 반영구적으로 사용이 가능하다. 이것은 스테인리스강 표면이 공기 중에서 부동태(Passive Film)라는 산화피막을 치밀하게 형성하여 더 이상의 부식이 내부 소지금속으로 침입하지 못하게 막고 있기 때문이다. 그러나, 해수와 같이 염화물이 존재하는 환경에서는 스테인리스강 표면의 부동태피막이 염화물에 의해 파괴되면서 더 이상의 보호성능을 가지지 못한다. 즉, 국부적으로 부동태막이 파괴되는 부분은 공식이나 틈부식의 형태로 부식하게 되며, 염화물 즉 염소이온이 존재하는 한 국부부식은 계속해서 일어나게 된다. 이러한 국부부식은 환경적인 고립상태를 만들어 국부부식 내의 환경을 더욱 산성화하면서 부식을 가속화 시키게 된다.
현재 운항중인 에프알피(FRP) 소형선박의 대표적 축계부는 선미관(Stern Tube) 내부 전후단에 리그남바이티(Lignumvitae) 베어링이 설치되어 있으며, 상기 리그남바이티는 열대성 목재로 내부에 수지분을 많이 함유하고 있어 축이 회전하면서 온도가 상승하면 목재 내에 함유하고 있던 수지분이 스며 나오면서 윤활을 하고, 주위의 해수에 의해 냉각을 하는 베어링이다. 따라서, 해수가 리그남바이티 베어링의 틈을 타고 내부로 흘러 들어가게 되며, 선미관내에는 해수가 차 있게 되고, 정박 중 선미관내의 해수는 거의 정체상태로 있으며 운항 할 때는 축의 회전으로 선미관 외부와 내부사이에 회전력이 발생하면서 일부의 해수 이동이 일어나게 된다. 해수에 의해 축계의 여러 곳이 심한 부식으로 움푹움푹 패인 공식형태의 부식은 축 둘레 전체에 걸쳐 일어나는 것이 아니라 한쪽 면에만 집중적으로 발생하게 되므로, 현재는 전혀 부식에 대한 방지책이 없는 문제점이 있다.
상술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명은 1종축계와 같이 슬리브를 끼우거나 윤활유를 선미관에 설치하여 축의 부식을 방지하는 것이 아니라, 해수에 그대로 노출된 2종선박의 축에 희생양극을 설치하여 최소비용으로 부식을 방지하는 에프알피(FRP) 소형선박의 축계를 제공하는데 목적이 있다.
상기와 같은 부식을 방지하기 위해서는 스테인리스 축계 재료의 최적 방식 전위의 결정이 무엇보다 중요하다.
일반적으로 부식(Corrosion)이라고 하는 것은 금속표면 결정격자내의 원자가 이탈해서 환경성분과 전기 화학반응하는 것이라 할 수 있는데, 즉 단일금속인 경우에는 그 금속 자체의 내외적인 불균일 요인에 의해 미시적으로 보면 양극반응이 일어나는 영역과 음극반응이 일어나는 영역이 동시에 발생하면서 양극 영역을 중심으 로 부식이 진행된다. 또한 서로 다른 금속(이종금속)이 접촉되어 있는 경우에는 각 금속이 고유하게 지니고 있는 이온화 경향(M → Mn ++ ne_; 금속이 전자와 이온으로 분리되는 경향, 또는 전위(Potential ; E))의 차이에 따라서 양극반응이 일어나는 영역의 금속과 음극반응이 일어나는 영역의 금속으로 나누어지게 된다. 즉 이온화 경향이 큰 금속(전위가 작은 금속)은 접촉 연결되어 있는 이온화 경향이 작은 금속(전위가 큰 금속)의 영향으로 이온화 경향이 더욱 커지면서 활성적으로 양극반응이 진행되며 희생 부식(Sacrificial Corrosion)된다. 또한, 이와 동시에 이온화 경향이 작은 금속(전위가 큰 금속)은 이온화 경향이 큰 금속(전위가 작은 금속)의 양극반응으로부터 활성적으로 생성된 전자를 받음으로써 음극반응이 진행된다. 즉 음극 방식(Cathidic Protection, 전기방식)은 이와 같은 부식원리를 역으로 이용한 것으로, 결국 음극방식법은 피방식체를 음극으로 분극(Polarization)해서 금속을 안정역(Immunity)으로 이동하는 방법이며, 이때 양극측에는 피방식체보다 상대적으로 이온화 경향이 큰 금속(전위가 낮은 금속)을 연결하거나 혹은 이와 같은 원리로 외부전원을 이용하여 음극측에 전자를 공급할 수 있도록 하며, 여기서 피방식체보다 이온화 경향이 큰 금속(전위가 낮은 금속)을 연결하는 방법이 희생양극에 의한 음극방식법이다.
현재, 에프알피(FRP) 소형선박의 축계를 구성하고 있는 스테인리스 304강재의 부식문제를 해결하기 위하여, 여러 가지를 생각해 볼 수 있겠으나 가장 효율적이고 경제적인 방법은 이상에서 설명한 음극 방식원리를 응용한 방법이라 할 수 있 으며, 스테인리스 강재의 음극방식설계를 위해서는 우선적으로 이에 적합한 음극방식 전위값을 구해야 한다. 즉 피방식체인 스테인리스 304강의 음극방식 전위값을 알아야 여기에 조합가능한 희생양극을 선정하여 설계할 수 있다.
목적을 달성하기 위한 구성으로는,
에프알피(FRP) 소형선박 내부의 메인엔진에 연결되어 리그남바이티 베어링으로 사용하는 선미관과 선체외판을 관통하여 해수부로 돌출되는 프로펠러가 결합된 스테인리스 축의 부식방지 장치에 있어서, 상기 스테인리스 축 일측에 희생양극 부재를 설치하여 스테인리스 볼트로 체결한다.
본 발명의 다른 특징으로서, 상기 희생양극 부재는 선미관의 틈부식이 발생하기 쉬운 내부의 스테인리스 축 주위에 아연(Zn) 또는 알루미늄(Al) 합금의 희생양극 테이프를 부착한다.
본 발명의 또 다른 특징으로서, 상기 희생양극 부재는 해수부에 직접 노출되는 선체외판과 프로펠러 사이의 스테인리스 축 부분에 아연(Zn) 또는 알루미늄(Al) 합금의 희생양극 링을 연결한다.
본 발명의 또 다른 특징으로서, 상기 희생양극 부재는 메인엔진에 연결되는 스테인리스 축 부위에 슬립링과 브러쉬가 설치되고, 선박 후미의 수중 부분에 아연(Zn) 또는 알루미늄(Al) 합금의 희생양극 판을 설치하여, 상기 슬립링과 희생양극 판을 축연결선으로 연결한다.
도 1은 본 발명에 따른 에프알피(FRP) 소형선박의 측면도이고, 도 2는 도 1 에 도시된 A부분의 단면도이고, 도 3은 본 발명에 따른 선미관 내부 축에 설치되는 희생양극 테이프의 실시예이고, 도 4는 도 3의 전자 및 전류의 흐름원리에 대한 회로도이고, 도 5는 본 발명에 따른 리그남바이티 베어링과 프로펠러 사이 축에 설치되는 희생양극 링의 실시예이고, 도 6은 도 5의 전자 및 전류의 흐름원리에 대한 회로도이고, 도 7은 본 발명에 따른 브러쉬와 축연결선으로 연결되어 선박 후미 수중 부분에 설치되는 희생양극 판의 실시예이고, 도 8은 도 7의 전자 및 전류의 흐름원리에 대한 회로도이고, 도 9는 알루미늄 희생양극의 음극방식과 무방식에 따른 스테인리스 축의 실험비교 참고사진이고, 도 10은 실제 소형선박 축에 알루미늄(Al) 희생양극을 설치한 참고사진이다.
이하, 도면을 참고로 구성요소를 설명하면 다음과 같다.
도 1은 해수부(100)에서 운항중인 2종 에프알피(FRP) 소형선박(10)의 측면도로써, A부분의 확대단면도를 도 2에서 도시하고 있다. 상기 2종 에프알피(FRP) 소형선박(10)의 선미부 내부는 메인엔진(12)이 구비되고, 상기 메인엔진(12)에 연결되는 스테인리스 축(14)은 후미의 선체외판(11)을 관통하여 해수부(100)로 돌출되어 끝단에 프로펠러(16)와 연결하고, 상기 소형선박(10) 내부에 구비되는 스테인리스 축(14)에는 리그남바이티 베어링(15)이 결합된 선미관(13)이 감싸는 구성이다.
상기 스테인리스 축(14) 일측에 희생양극 부재를 설치하여 스테인리스 볼트(20)로 체결하게 되는데, 설치되는 희생양극 부재는 유입되는 해수 환경 중 소형선박(10)의 스테인리스 축(14)을 대신하여 이온화 부식하면서 스테인리스 축(14)을 방식보호하는 역할을 하게 되며, 희생양극 부재는 에프알피(FRP) 소형선박(10)의 설치위치에 따라 도 3의 희생양극 테이프(30)와 도 5의 희생양극 링(40) 및 도 7의 희생양극 판(50)과 같이 3가지 타입으로 설치할 수 있다.
먼저, 도 3은 선미관(13)의 틈부식이 발생하기 쉬운 내부의 스테인리스 축(14) 주위에 아연(Zn) 또는 알루미늄(Al) 합금의 희생양극 테이프(30)를 부착하는 것으로, 도 4에서는 상기 도 3의 전자 및 전류의 흐름원리를 나타내고 있다.
도 5는 해수부(100)에 직접 노출되는 선체외판(11)과 프로펠러(16) 사이의 스테인리스 축(14) 부분에 아연(Zn) 또는 알루미늄(Al) 합금의 희생양극 링(40)을 연결하여 스테인리스 볼트(20)로 고정하는 것으로, 도 6에서는 상기 도 5의 전자 및 전류의 흐름원리를 나타내고 있다.
도 7은 메인엔진(12)에 연결되는 스테인리스 축(14) 부위에 슬립링(60)과 브러쉬(61)가 설치되고, 소형선박(10) 후미의 수중 부분에 아연(Zn) 또는 알루미늄(Al) 합금의 희생양극 판(50)을 스테인리스 볼트(20)로 고정하여, 상기 슬립링(60)과 희생양극 판(50)를 축연결선(62)으로 연결하는 것으로, 도 8에서는 상기 도 7의 전자 및 전류의 흐름원리를 나타내고 있다.
상기 도 4와 도 6에 있어서의 전자 및 전류의 흐름원리는 소형선박(10) 내부 스테인리스 축(14)으로 침입하는 해수 또는 해수부(100)에 노출된 스테인리스 축(14)에 설치되는 각각의 희생양극이 이온화(Mn +)(72)되면서, 희생양극 전류흐름(71)은 선미관(13) 내외부로 이동하게 되고, 전자흐름(73)은 스테인리스 축(14) 전체로 이동하여 산소(O2)(74)와 환원반응하여 수산기 이온(OH_)(75)을 하나씩 형성하게 되 며, 희생양극에서 발생된 이온은 스테인리스 축(14) 표면에 부착되어 표면을 보호하면서 부식을 방지하게 된다.
또한, 도 8에 있어서의 전자 및 전류의 흐름원리도 동일한 방법으로, 슬립링(60)과 연결된 희생양극 판(50)이 이온화(Mn +)(72)되면서, 희생양극 전류흐름(71)은 선미관(13) 내부로 이동하게 되고, 전자흐름(73)은 스테인리스 축(14) 전체로 이동하여 산소(O2)(74)와 환원반응하여 수산기 이온(OH_)(75)을 하나씩 형성하게 되며, 희생양극에서 발생된 이온은 스테인리스 축(14) 표면에 부착되어 표면을 보호하면서 부식을 방지하게 된다.
도 9는 소형선박 축의 알루미늄(Al) 희생양극의 음극방식과 무방식에 따른 스테인리스 축의 실험비교 참고사진으로써, 도 9(a)와 같이 구동축의 무방식인 시험편은 유속 및 산소 농담에 의해 축이 많이 부식되어 있는 것을 알 수 있으며, 도 9(b)와 같이 구동축의 알루미늄(Al) 양극을 부착한 시험편의 경우, 알루미늄(Al) 희생양극에 의한 음극 방식전류의 영향으로 Fe→Fe2 + + 2e의 양극반응이 억제되며, 축 음극 표면에 전체적으로 용출한 Al3+ 희생양극 이온이 Al(OH)3 생성물이 부착 보호되어 방식되며, 실제 에프알피(FRP) 소형선박의 스테인리스 축계에 이와 같은 원리의 음극 방식을 적용할 경우, 스테인리스 축계의 부식문제를 해결할 수 있다.
또한, 스테인리스 강재의 음극방식설계를 위해서는 이에 적합한 음극방식 전위값을 구해야 하는데, 상기 스테인리스 강의 최적방식 전위는 -825mV/SCE이고, 그 최적 방식 전위구간은 -775 ~ -950mV/SCE 정도로써, 2종 축계 STS 강재의 음극방식을 위해서는 상기 최적 방식 전위구간을 유지시킬 수 있는 아연(Zn) 또는 알루미늄(Al) 합금 희생양극(Sacrificial Anode)을 제작하여 적용하는 것이 바람직하다.
도 10은 본 발명에 따른 실제 소형선박 축에 알루미늄(Al) 희생양극을 설치한 참고사진으로, 도 10(a)는 축에 설치전 희생양극의 사진이고, 도 10(b)는 축에 설치된 상태의 희생양극을 나타낸 사진이다.
상기한 구성의 본원발명은 에프알피(FRP) 소형선박용 스테인리스 축을 방식하기에 적정한 이론적인 음극 방식 전위의 범위를 설정하고, 이에 적합한 음극 방식 전위값을 효율적으로 유지하는 아연(Zn) 또는 알루미늄(Al) 합금 희생양극의 개발(성분, 형상, 연결방식 등)하여 소형선박 종류에 따라 설계 및 설치하게 된다.
상기한 바와 같이, 본 발명은 해수에 그대로 노출된 에프알피(FRP) 소형선박의 스테인리스 축에 희생양극을 간편하게 설치함으로써 최소비용으로 부식을 방지할 수 있으며, 선박의 종류와 특성에 따라 희생양극 부재의 설치위치를 특정부분에 한정하지 않고 여러 위치에 따라 다양하게 설치할 수 있는 효과가 있다.

Claims (4)

  1. 에프알피(FRP) 소형선박(10) 내부의 메인엔진(12)에 연결되어 리그남바이티 베어링(15)으로 사용하는 선미관(13)과 선체외판(11)을 관통하여 해수부(100)로 돌출되는 프로펠러(16)가 결합된 스테인리스 축(14)의 부식방지 장치에 있어서,
    상기 스테인리스 축(14) 일측에 희생양극 부재를 설치하여 스테인리스 볼트(20)로 체결하는 것을 특징으로 하는 에프알피 소형선박의 부식방지용 축계.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 희생양극 부재는 선미관(13)의 틈부식이 발생하기 쉬운 내부의 스테인리스 축(14) 주위에 아연(Zn) 또는 알루미늄(Al) 합금의 희생양극 테이프(30)를 부착하는 것을 특징으로 하는 에프알피 소형선박의 부식방지용 축계.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 희생양극 부재는 해수부(100)에 직접 노출되는 선체외판(11)과 프로펠러(16) 사이의 스테인리스 축(14) 부분에 아연(Zn) 또는 알루미늄(Al) 합금의 희생양극 링(40)을 연결하는 것을 특징으로 하는 에프알피 소형선박의 부식방지용 축계.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 희생양극 부재는 메인엔진(12)에 연결되는 스테인리스 축(14) 부위에 슬립링(60)과 브러쉬(61)가 설치되고, 소형선박(10) 후미의 수중 부분에 아연(Zn) 또는 알루미늄(Al) 합금의 희생양극 판(50)을 설치하여, 상기 슬립링(60)과 희생양극 판(50)을 축연결선(62)으로 연결하는 것을 특징으로 하는 에프알피 소형선박의 부식방지용 축계.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR101029678B1 (ko) 2010-01-22 2011-04-15 조영효 폴리에스테르수지를 충진한 선미 용골을 갖는 ｆｒｐ선박의 제작방법

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