KR101822228B1 - 시변 전자기파를 사용하여 금속 구조물의 부식을 방지하는 시스템 및 방법 - Google Patents

시변 전자기파를 사용하여 금속 구조물의 부식을 방지하는 시스템 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은, 시변 전자기파를 사용하여 금속 구조물의 부식을 방지하는 시스템으로서, 시변 주파수를 구비하는 전자기파를 생성하는 생성기로서, 상기 생성기는 상기 금속 구조물에서 이격되어 위치된 제1 및 제2 여기 사이트와 각각 전기적으로 연결된 적어도 2개의 출력 단자를 구비하여, 상기 금속 구조물이 상기 전자기파에 노출될 수 있게 하는 생성기; 및 상기 생성기에 연결되고 상기 전자기파의 생성을 구동하는 구동 전압을 상기 생성기에 인가하는 전기 전력 소스를 포함하고; 상기 전자기파의 상기 구동 전압 및/또는 상기 주파수는 상기 금속 구조물이 상기 금속 구조물의 표면 상에 상기 금속의 수동 산화된 종을 제 자리에서 형성하도록 에너지 공급되도록 선택되고, 이 수동 산화된 종은 부식되지 않는 것을 특징으로 하는 시스템을 제공한다. 또한 본 발명은 시변 전자기파를 사용하여 금속 구조물의 부식을 방지하는 방법을 제공한다.

Description

시변 전자기파를 사용하여 금속 구조물의 부식을 방지하는 시스템 및 방법{SYSTEM AND METHOD FOR PROVIDING CORROSION PROTECTION OF METALLIC STRUCTURE USING TIME VARYING ELECTROMAGNETIC WAVE}
본 발명은 일반적으로 금속 구조물의 부식을 제어하는 분야에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 원하는 주파수에서 동작하고 원하는 구동 전압에 의해 생성된 시변 전자기파(time varying electromagnetic wave)를 인가하는 것에 의해 금속 구조물, 특히 파이프라인, 물 탱크와 같은, 침지된 및 매립된 금속 구조물의 부식을 방지하는 시스템 및 방법에 관한 것이다.
모든 금속은 산화되는 경향이 있는 것으로 알려져 있으므로 부식은 금속 구조물과 연관된 주요 문제 중 하나이다. 음극 보호(cathodic protection)는 금속 구조물을 보호하고 많은 산업에서 표준 부식 방지 실무로서 부식을 방지하는 하나의 방식이다.
음극 보호는 원칙적으로 전해질과 접촉하는 임의의 금속 구조물에 인가될 수 있다. 실제로, 그 주된 사용은 물에서 침지되거나 토양에 매립된 강철 구조물을 보호하는 것이다. 일반적으로 보호되는 구조는 파이프라인, 선박의 선체(hull), 방파제(jetties), 기초 파일(foundation piling), 강철 시트 파일(steel sheet-piling) 및 해상 플랫폼(offshore platform)의 외부 표면을 포함한다. 음극 보호는 물 저장 탱크 및 물 순환 시스템의 내부 표면에도 사용된다.
음극 보호에서, 보호되는 금속 구조물은 음극으로 작용하고, 소비성 양극, 반-소비성 양극 또는 영구적인 양극을 포함하는 양극으로부터 직류 전류를 수신한다. 음극 보호에 의해, 직류 전류만이 음극 표면에 들어가서 음극 표면으로부터 부식 전류가 떠나는 것을 억압하지만 임의의 보호 코팅이 형성되지는 않는다.
강철 구조물의 음극 보호에 요구되는 보호 전류 밀도는 그 표면 상태 및 노출되는 환경 상태에 의해 주로 결정된다. 피복이 없거나(bare) 또는 심하게 부식된 강철 표면은 더 높은 보호 전류를 요구하여 더 높은 에너지 비용을 요구하는 반면, 잘 코팅된 강철 표면은 훨씬 더 적은 보호 전류를 요구한다. 그러나, 침지된 구역(zone) 또는 매립된 구역에서는 강철 구조물에 코팅을 적용하는 비용이 높고, 또 일반적으로 이 코팅이 구조물의 수명이 다할 때까지 지속하지 않는다. 구조물의 수명 동안 코팅을 갱신하는 것이 훨씬 더 비싸다. 이 때문에, 많은 강철 구조물은 코팅되지 않은 채 남겨져 있어서, 높은 보호 음극 전류를 받아야 부식 방지를 할 수 있다.
침지된 또는 매립된 강철 구조물이 코팅되어 있거나 피복이 없는지 여부에 상관없이, 스트레이 전류(stray current) 또는 간섭 전류가 있을 때마다, DC 전류가 이하 수식에 따라 강철 표면을 떠날 때 전해질과 접촉하는 강철이 Fe 이온으로 용해될 수 있으므로 전해질에 침지된 강철 구조물은 간섭 부식을 받을 수 있다:
Fe → Fe++ + 2e-
그러나, 음극 보호는 다른 한계를 가지고 있다. 음극 보호 양극의 동작 전압은 전해질의 전도율에 의존한다. 강철 구조물이 강물 또는 하구물(estuary water)과 같은 낮은 전도율의 전해질에 노출될 때, 낮은 전도율의 물이 양극으로부터 전해질(즉, 물)까지 저항을 증가시키므로 양극으로부터 보호 전류를 몰아내는데 높은 구동 전압이 요구된다. 이것은 음극 보호 시스템에 높은 에너지 소비를 야기하고 적절한 음극 보호 방식(scheme)을 설계하는데 곤란함을 초래한다.
일반적으로, 음극 보호는 수동 보호 방법이고, 자체 보호 코팅을 생성할 수 없으나 외부에 인가된 보호 코팅에 따라 요구되는 보호 전류를 감소시키는 한편, 간섭 부식 전류에 취약하고 낮은 전도율 상태 하에서 동작하기 위해 높은 전압을 요구한다.
음극 보호 방법은 금속 구조물에 비해 상이한 전위를 구비하고 우선적으로 부식하는 양극을 제공하는 것에 의해 금속 구조물을 보호하는 데 광범위하게 사용되어 왔다. 2개의 유형의 양극, 즉 희생 유형(sacrificial type)과 외부-전류 유형(impressed-current type)이 이용가능하다. 전술된 단점과 결점에 더하여, 희생 양극 및 외부 전류 시스템(impressed-current system)은 이 기술 분야에 잘 알려진 각자의 한계를 가지고 있다.
현재, 폐루프(closed loop) 수처리 시스템에 사용되는 방법이 있는데, 이 방법은 강철 구조물을 직접 처리하는 대신, 맥동 전자기파(pulsating electromagnetic wave)를 사용하여 물을 처리하여 물 속에서 강철 구조물의 부식을 방지하는 것이다. 그러나, 이들 방법은 공해(open sea)에서 방파제 강철 파일과 같은 개루프(open loop) 물 시스템에서는 비효과적이고 비실용적이다.
그러므로, 금속 구조물이 토양에 매립되었거나 또는 물에 침지되었는지 여부에 상관없이 또는 금속 구조물이 폐루프 시스템 내에 있는지 또는 개방 시스템 내에 있는지 여부에 상관없이, 저비용으로 구조물을 직접 처리하는 것에 의해 금속 구조물의 표면에 장시간 지속되는 보호 코팅을 제공하지만, 구조물의 부식을 효율적으로 제어하고 부식을 방지할 수 있는 새로운 장치 및 방법에 대한 요구가 존재한다.
본 발명은 전술된 요구를 해결하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명의 제1 목적은 시변 전자기파를 사용하여 금속 구조물의 부식을 방지함으로써 낮은 유지보수율로 부식을 방지하는 기간을 연장하는 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 에너지를 상당히 더 절약하고 편리하게 사용할 수 있는 시변 전자기파를 사용하여 금속 구조물의 부식을 방지하는 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 강력하고 부식을 효율적으로 제어하고 방지할 수 있는 시변 전자기파를 사용하여 금속 구조물의 부식을 방지하는 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 이들 및 다른 목적 및 잇점은, 시변 전자기파를 사용하여 금속 구조물의 부식을 방지하는 시스템으로서,
시변 주파수를 구비하는 전자기파를 생성하는 생성기로서, 상기 생성기는 상기 금속 구조물에서 이격되어 위치된 제1 및 제2 여기 사이트(excitation site)와 각각 전기적으로 연결된 적어도 2개의 출력 단자를 구비하여, 상기 금속 구조물이 상기 전자기파에 노출될 수 있게 하는 생성기; 및
상기 생성기에 연결되고 상기 전자기파의 생성을 구동하는 구동 전압을 상기 생성기에 인가하는 전기 전력 소스를 포함하고;
상기 전자기파의 상기 구동 전압 및/또는 상기 주파수는 상기 금속 구조물이 상기 금속 구조물의 표면 상에 상기 금속의 수동 산화된 종(passive oxidized species)을 제 자리에서 형성하도록 에너지 공급되도록 선택되고, 이 수동 산화된 종은 부식되지 않는 것을 특징으로 하는 부식 방지 시스템을 제공하는 것에 의해 달성된다.
본 명세서에 사용된 "금속 구조물"이라는 용어는 금속 원소 구조물 및 금속 합금 구조물을 포함한다.
바람직하게는, 적어도 하나의 초저 주파수 에미터(ultra low frequency emitter)는 상기 전자기파를 보강하기 위해 상기 생성기에 전기적으로 연결될 상기 제1 및 제2 여기 사이트 중 하나 또는 둘 모두에 장착된다.
일부 경우에, 본 발명의 시스템은 상기 금속 구조물에 적용된 추가적인 음극 보호 시스템과 함께 사용되어, 상기 금속 구조물이 짧은 시간 기간 내에 전체 음극 보호 전위(full cathodic protection potential)를 가질 때까지 상기 금속 구조물의 전위를 보다 더 음으로 이동시킨다. 이 단계에서, 부식 반응에 대한 구동력이 제거되어, 이를 "전체 음극 보호"라고 언급한다. 본 발명의 시스템 및 추가적인 음극 보호 시스템은 동시에 또는 시퀀스로 인가될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 본 발명의 시스템은 철-기반 구조물, 보다 구체적으로, 강철 구조물의 부식을 방지하는데 사용된다. 일부 경우에, 인가된 전압 및 주파수는 풀베이 다이아그램(Pourbaix diagram)의 패시베이션 영역(passivation region)에서 철 전위 및 pH를 제어하여, 철-기반 구조물의 표면 상에 수동 자철석(passive magnetite)을 형성할 수 있도록 선택될 수 있다. 예를 들어, 철-기반 구조물이 물에 침지되거나 또는 토양에 매립되면, 인가되는 구동 전압은 5V 내지 50V의 범위에서 선택될 수 있고, 동작 주파수는 100Hz 내지 1MHz의 범위에서 선택될 수 있다.
본 발명의 다른 특정 실시예에서, 본 발명의 시스템은 구리-기반 구조물, 보다 구체적으로, 구리 합금 구조물의 부식을 방지하는데 사용된다. 일부 경우에, 인가되는 전압 및 주파수는 풀베이 다이아그램의 패시베이션 영역에서 구리 전위 및 상기 pH를 제어하여, 구리-기반 구조물의 표면 상에 수동 부착성 제일구리 산화물(cuprous oxide)을 형성할 수 있도록 선택된다. 예를 들어, 구리-기반 구조물이 물에 침지되거나 또는 토양에 매립되면, 인가되는 구동 전압은 5V 내지 50V의 범위에서 선택되고, 동작 주파수는 100 Hz 내지 1 MHz의 범위에서 선택된다.
철 또는 구리 원소에 대한 풀베이 다이아그램이 제시하는 것보다 더 넓은 pH 범위에서 수동 자철석 또는 제일구리 산화물이 형성될 수 있다는 것이 주목된다. 특정 철-기반 합금의 일부 구현예에서, 자철석은 더 낮은 pH 레벨에서 합금 구조물의 표면 상에 형성될 수 있다. 또한, 금속 구조물이 본 발명에 따른 시변 전자기파 처리를 받아 수동 금속 산화물을 형성할 수 있는 한, 자철석과 다른 수동 금속 산화물이 풀베이 다이아그램의 패시베이션 영역보다 더 넓은 전위 범위에서 또는 더 넓은 pH 범위에서 형성될 수 있다.
본 발명의 시스템은 금속 구조물이 개루프 또는 폐루프 시스템에 배치되는지 여부에 상관없이 금속 구조물에 적용될 수 있다.
본 발명의 다른 측면은, 시변 전자기파를 사용하여 금속 구조물의 부식을 방지하는 방법으로서,
시변 주파수를 구비하는 전자기파를 생성하는 생성기를 제공하는 단계; 및
상기 금속 구조물을 상기 생성된 시변 주파수 전자기파에 노출하는 단계를 포함하고;
상기 전자기파의 생성을 구동하기 위해 상기 생성기에 인가되는 구동 전압 및/또는 상기 전자기파의 주파수는 상기 금속 구조물이 상기 금속 구조물의 표면 상에 상기 금속의 수동 산화된 종을 제 자리에서 형성하도록 에너지 공급되도록 선택되고 이 수동 산화된 종은 부식되지 않는 것을 특징으로 하는 방법을 제공하는 것이다.
폐루프 물 시스템에서 구조물의 부식을 방지하기 위해 전자기파를 사용하여 물을 처리하는 종래의 음극 보호 시스템 또는 일부 방법과는 달리, 본 발명의 핵심은 시변 맥동 전자기파를 사용하여 구조물 그 자체에 에너지를 공급하여, 금속 구조물 상에 금속의 수동 산화된 종을 제 자리에서 형성할 수 있고, 이 수동 산화된 종은 부식되지 않는 것이다. 수동 산화된 종은 구조물 표면 상에 보호 코팅을 형성하고 보호 코팅으로 작용하여, 이 보호 코팅은 낮은 유지보수율로 자체 수리(self repairing)되는 잇점을 구비하고, 금속 구조물이 시변 맥동 전자기파의 처리를 받는 한, 금속 구조물의 수명 동안 지속될 수 있다. 이렇게 현장에서 생성된 능동 부식 보호 코팅은 종래 기술에 알려지거나 제안되지 않은 것이다.
종래의 음극 보호 시스템은 전해질의 전도율에 의존한다. 전해질의 전도율이 낮을수록, 더 높은 구동 전압이 요구된다. 이에 반해, 본 발명의 시스템은 전해질의 전도율에 독립적이고, 수동 산화된 종을 형성하는 구동 전압은 매우 작을 수 있다.
예를 들어, 침지되거나 또는 매립된 강철 구조물 상에 자철석 보호 코팅을 형성하는 구동 전압은 구조물이 노출되는 환경과 독립적으로 5V 내지 50V일 수 있다.
본 발명을 더 잘 이해하기 위하여 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 이하 상세한 설명 및 실시예를 설명한다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따라 구성된 시변 전자기파를 사용하여 금속 구조물의 부식을 방지하는 시스템의 개략도.
도 2는 본 발명의 제2 실시예에 따라 구성된 시변 전자기파를 사용하여 금속 구조물의 부식을 방지하는 시스템의 개략도.
도 3은 25℃에서 철에 대한 풀베이 다이아그램.
도 4는 25℃에서 구리에 대한 풀베이 다이아그램.
본 발명은 바람직한 실시예에 도시되고 설명되지만, 시변 전자기파를 사용하여 금속 구조물의 부식을 방지하는 시스템은 많은 상이한 구성, 사이즈, 형태 및 물질로 제조될 수 있다.
시변 맥동 전자기파는 여러 산업 분야에서 광범위하게 사용되는 것으로 알려져 있다. 본 발명자는, 금속 구조물이 시변 맥동 전자기파에 직접 노출된 경우, 금속 구조물의 전위를, 예를 들어, 이 금속 또는 금속 합금에 대한 풀베이 다이아그램의 패시베이션 구역에 들어가도록 적절히 제어하는 것에 의해, 금속 구조물의 표면 상에, 패시베이션을 야기하는 산화 처리를 저하시키는, 금속의 수동 산화된 종의 층이 제 자리에서 형성되는 것을 발견하였다. 본 발명은 이 발견에 기초한다.
전자기파를 금속 구조물에 인가하는 것에 의해 금속의 수동 산화된 종을 형성하는 것은 전해질의 전도율과 독립적으로 일반적으로 인가된 파동(wave) 주파수 및 구동 전압에 의존한다. 이 수동 산화된 종은 보호 능동 코팅 층으로 작용하고, 전자기파 처리가 수행되는 한, 구조물의 수명 동안 부식을 방지하는 역할을 한다. 이러한 코팅이 강철 표면 상에 형성된 것을 통해, 침지된 강철 구조물의 일반적인 부식 속도는 임의의 음극 보호 없는 폐루프 시스템에서 담수에서 2 mpy(mil per year) 미만으로 감소될 수 있는 것으로 발견되었다.
일반적으로, 해수에 대해 천연, 비보호된 및 피복이 없는 강철의 전위는 Ag/AgCl 기준 전극에 대해 일반적으로 -500 mV 내지 -650 mV의 범위에 있다. 잘 코팅된 강철에 대해서는, 이 전위는 일반적으로 -600 mV 내지 -700 mV의 범위에 있다. 이 전위에 의해, 물에 대한 강철의 전위가 음을 나타내면 나낼수록 강철 표면을 떠나는 부식 전류는 더 적어지는데, 즉, 부식 반응에 대한 구동력이 더 적어진다. 종래의 음극 보호 시스템에서는, DC 전류가 강철에 에너지를 공급하고, 또 강철 전위는 시간에 따라 점진적으로 더 음으로 되어서, 이에 대응하여 강철 표면을 떠나는 부식 전류가 감소된다. 이 전위가 Ag/AgCl 기준 전극에 대해 -780 mV에 도달하면, 강철 표면 상의 부식 전류는 완전히 중지된 것으로 고려되고, 부식 반응에 대한 구동력이 제거되어, 부식을 야기하지 않는다. 이것을 "전체 음극 보호(full cathodic protection)"라고 언급한다. 이 기술 분야에 통상의 지식을 가진 자라면 사용되는 기준 전극에 따라 이 전체 음극 보호 전위가 변할 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 본 명세서에서 사용된 "전체 음극 보호"란 부식 반응이 일어나지 않는 균일한 전위를 가지는 금속 구조물을 말한다.
이러한 음극 보호 원리는 본 발명에 따라 시변 맥동 전자기파 여기(excitation)를 사용할 때 적용가능하다. 해수에서 천연, 비보호된 및 피복이 없는 강철 구조물은 Ag/AgCl에 대해 -0.5 V 내지 -0.65 V의 일반적인 전위에서 시작한다. 전자기파가 인가되면, 해수에 대한 강철 전위는 음의 방향으로 점진적으로 이동하는데, 이는 자철석 코팅이 점진적으로 형성되는 것을 암시한다. 전형적으로, 강철 전위는 파동 에너지를 공급하기 수 일 내에 -750 mV보다 더 음으로 이동한다. 이 -750 mV 전위에서, 강철 구조물의 부식 방지는 잘 코팅된 것보다 더 우수하다. 나아가, 전자기파를 사용하여 강철 구조물에 에너지를 공급하는 것에 의해, 강철 전위는 훨씬 더 음으로 진행하고 궁극적으로는 -780 mV에 도달한다. 이 단계에서, 부식 반응에 대한 구동력이 제거되는데, 즉 "전체 음극 보호"가 달성된다.
자철석 코팅을 형성하기 시작하는 구동 전압은 매우 작을 수 있는데, 예를 들어, 수 볼트일 수 있다. 에너지를 더 절감하고 Ag/AgCl에 대한 음의 전위를, 예를 들어, -780 mV의 산업적으로 전체 음극 보호 기준으로 이동시키기 위하여, 시변 맥동 전자기파의 여기는 추가적인 음극 보호 시스템과 함께 사용될 수 있다. 이 조합은 구동 전압을, 예를 들어, 12V 이하로 더 감소시키고 강철 전위를 Ag/AgCl에 대해 -780 mV로 신속히 이동시킬 수 있다. 그리하여, 이 조합은 강철 구조물을 보다 더 음으로 전체적으로 분극(polarize)시키는데 요구되는 총 에너지를 더 감소시킬 수 있으면서, 자철석 코팅이 강철 표면 상에 신속히 형성될 수 있게 한다. 자철석은 자성이 있어서 강철 구조물 표면에 잘 부착된다.
이제 도면을 참조하면, 도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따라 구성된 시스템(100)을 제공한다. 이 실시예에서, 시스템(100)은 전원 유닛(110); 시변 주파수를 구비하는 전자기파를 생성하는 생성기(120); 일부분이 해수에 침지된 강철 파이프(130); 및 이 파이프(130) 상에 장착된 초저 주파수(Ultra Low Frequency: ULF) 에미터(140)를 포함한다.
전원 유닛은 생성기(120)에 전기적으로 연결된다. AC 전원이 전원 유닛(110)에 사용된다. 전원 유닛(110)은 원하는 AC 구동 전압을 생성기(120)에 공급하고 이 생성기(120)는 선택된 주파수에서 동작하는 시변 맥동 전자기파를 생성한다. 전원 유닛(110)은 바람직하게는 실제 응용에 따라 수 볼트 내지 수 백 볼트, 바람직하게는 5V 내지 50V의 구동 전압을 생성기(120)에 공급한다.
생성기(120)는 시변 주파수 전자기파를 생성할 수 있는 이 기술 분야에 알려진 임의의 유형의 수단일 수 있다. 예를 들어, 생성기는 회로 보드, 콘솔 카드 또는 코일이 주위에 감긴 페라이트 코어 안테나일 수 있다. 생성기(120)는 2개의 출력 단자(122, 124)를 구비하고, 단자(122)는 강철 표면에 위치된 제1 여기 사이트(132)와 전기적 연결되고, 단자(124)는 제1 여기 사이트(132)와 이격되어 강철 파이프(130)의 제2 여기 사이트 상에 장착된 ULF 에미터(140)에 전기적 연결된다. 제2 여기 사이트는 ULF 에미터가 바람직하게는 물 위에서 장착되도록 선택되고, 이는 ULF 에미터가 수중에 장착된 경우 필요할 수 있는 사람 다이버의 요구를 제거할 수 있다. 강철 파이프(130)의 표면 상에 자철석을 제조하기 위하여, 동작하는 파동 주파수는 바람직하게는 100 Hz 내지 1 MHz 범위에 있다. 시변 주파수 전자기파의 파동 형태는 정사각형, 삼각형, 사인 곡선 또는 다른 형태일 수 있다.
종래의 음극 보호에서는, 보호 전류가 강철 표면으로 들어가 양극으로부터 전해질을 통해 음극 강철 표면으로 진행하여 강철 전위를 전체 음극 보호를 위해 보다 더 음의 전위로 이동시킨다. 이에 반해, 본 발명의 파동 전류는 물 속에서 진행하지 않고, 대신 이 파동 전류는 생성기(120)로부터 ULF 에미터(140)로 진행하고 나서 물 위에서 직접 강철로 들어가고 나서 수중으로 진행한다. 100 Hz 내지 1 MHz의 범위의 동작 주파수에서, 전자기파는 전체 강철 파이프를 따라 진행할 수 있고 전체 강철 표면을 따라 자철석 코팅을 형성할 수 있다.
전술된 주파수 범위 및 구동 전압 조건 하에서, 강철은 관련 풀베이 다이아그램의 패시베이션 영역에 있도록 하기 위하여 해수 속에서 원하는 전위에서 평형 상태에 있도록 제어될 수 있다. 이 패시베이션 영역에서, 자철석(Fe3O4)은 강철 표면 상에 점진적으로 형성될 수 있다(도 3 참조). 전자기파를 연속적으로 적용하면 강철 파이프 표면의 전위가 분극되어 음의 방향으로 이동할 수 있다. 강철 파이프 전위가 자철석 형성 시작시에 Ag/AgCl에 대해 -750 mV에 용이하게 도달할 수 있는 것으로 발견되었다. 이 단계에서, 강철 파이프(140)의 부식 속도는 이미 최소이다. 그러나, Ag/AgCl에 대해 -750 mV로부터, 철의 전체 음극 보호를 위해 종래의 기준인 -780 mV로 전위를 이동시키는데 드는 시간은 더 긴 시간 기간이 들 수 있다.
필요한 경우 짧은 시간 기간에 전체 음극 보호 기준에 맞추기 위하여, 추가적인 음극 보호 시스템이 추가될 수 있다. 추가적인 음극 보호 시스템은 희생 양극 음극 보호 시스템 또는 외부 전류 유형의 음극 보호 시스템 또는 이 2개의 시스템을 혼합한 것일 수 있다. 도 1에 도시된 실시예에서, 추가적인 음극 보호 시스템은 해수에 침지되거나 양극으로 작용하는 S-에미터(150)를 포함하는 외부 전류 유형(impressed current type)이다. S-에미터(150)는 DC 전력 소스인 생성기(120)의 단자(126)에 연결된다. DC 전력 소스를 제공하기 위하여, 생성기의 내부 회로는 AC 전원을 DC 출력으로 변환하는 음극 보호 정류기를 포함한다. 다른 양극들이 더 추가적인 음극 보호 시스템에 가능하며, 이 기술 분야에 통상의 지식을 가진 자라면 가능할 수 있는 여러 형상 및 사이즈에서 선택될 수 있다.
도 1에 도시된 추가적인 음극 보호 시스템에서, DC 전류는 S-에미터(150)를 통해 강철 파이프(130)로 진행하여 음극 보호를 수행할 수 있다. 본 발명의 전자기파 처리를 사용하는 것으로 인해, 추가적인 음극 보호 시스템은 통상 음극 보호 방식 전류 밀도의 일부만을 요구한다. 메인 전자기파 시스템 및 추가적인 음극 보호 시스템이 동시에 또는 시퀀스로 스위치 온된 후, 강철 파이프(130)는 종래의 음극 보호 시스템에 비해 매우 낮은 에너지 소비로 훨씬 더 짧은 시간 기간에 전체 음극 보호 전위를 구비할 수 있다. 강철 전위가 전체 음극 보호 레벨에 도달하면, 추가적인 음극 보호 시스템은 스위치 오프되어, 동작시에만 메인 전자기파 시스템을 떠날 수 있다. 전체 보호 레벨에서 강철 전위를 유지하는 것만으로도 충분하다.
ULF 에미터(140)는 전체 강철 표면을 따라 자철석 코팅을 용이하게 형성하기 위하여 생성기(120)에 의해 생성된 전자기파를 최적화하고 보강하기 위해 제공된다. ULF 에미터(140)는 이 기술 분야에 잘 알려져 있어서 보다 상세히 설명되지 않는다.
자철석은 우수한 보호 코팅으로 작용하고 자체 수리 및 낮은 유지보수율의 잇점을 제공한다. 자철석 층의 자체 수리 특성은 고유한 것이다. 자철석 코팅이 사용 동안 손상되면, 새로운 자철석 층이 새로이 노출된 피복이 없는 강철 표면 상에 재형성될 수 있다. 그 결과, 강철 구조물의 유지 보수율이 낮다. 자철석 층은 자철석 양극과 유사한 특성을 구비한다. 강철 표면 상에 형성된 자철석 층은 전도성이고, 전기 전류가 자철석 층의 표면을 떠날 때, 자철석 층은 자철석 양극과 유사하게 실제로 소비되지 않는다. 이것은 간섭 부식 전류가 자철석 코팅된 강철 구조물의 표면을 떠나는 경우에도, 강철 파이프의 간섭 부식 문제가 완화되는 것을 의미한다.
본 발명의 전자기파 시스템의 다른 특징은 파동이 표피 효과(skin effect)를 통해 강철의 전체 단면에 걸쳐 강철 표면 상에 진행하는 경향이 있다는 것이다. 이 표피 효과에 의해, 자철석 층이 강철의 일반적인 외부 표면 상에 형성됨은 물론, 음극 보호 전류가 도달하지 못하는 강철의 피트(pit), 크랙(crack) 및 크레비스(crevice) 내에도 형성된다. 이것은 종래의 DC 음극 보호 전류 및 종래의 코팅 물질이 통상적으로 도달하지 못하는 응용에서도 우수한 부식 방지 방법을 제공한다.
전도체 또는 금속 내에 진행하는 전류가 옴의 법칙을 따라 및 물질의 전기 저항율에 구속되어 시간에 따라 변치 않을 수 있는 종래의 DC 또는 고정된 주파수 AC 전류 회로에서는 발견될 수 없는 특별한 애벌란치 전류 효과(avalanche current effect)가 구동 전압이 충분히 주어진 상태에서 전자기파 여기를 통해 일어날 수 있다는 것이 주목된다. 전자기파의 여기의 경우에, 구동 전압이 특정 임계 전압에 도달하는 경우, 전류는 더 이상 옴의 법칙을 따르지 않는다. 금속 내 전자(electron)는 파동 생성기로부터 멀어져 진행할 때 전류가 지수적으로 증가하는 반도체에서와 유사한 애벌란치 크래시 효과(avalanche crashing effect)를 받는 것으로 생각된다. 이론적으로, 이러한 거리는 무한대에 도달할 수 있으나 증가하는 전류는 파동 생성기의 퓨즈를 용융시킬 수 있다. 그리하여, 전류 제어 조절기가 애벌란치 전류를 제어하는데 요구된다. 하지만 이 전류 제어 조절기를 통하면, 전자기파가 도달할 수 있는 거리가 제한될 수 있다.
대안적으로, 구동 전압이 자철석의 형성을 촉진할 만큼 충분함에도 애벌란치 전류가 발생하지 않도록 구동 전압은 애벌란치 효과 임계 전압에 근접하지만 그 임계 전압보다는 미만인 레벨로 제어될 수 있다.
이제 도 2를 참조하면, 본 발명의 제2 실시예에 따라 구성된 시스템(200)이 도시된다. 도시된 바와 같이, 시스템(200)은 해수에 침지된 2개의 강철 파이프 상에 자철석 층의 형성을 동시에 여기시키는데 사용되고 시스템(200)의 배열은 전술된 시스템(100)과 구조적으로 유사하다. 구체적으로, 시스템(200)은 전원 유닛(210); 상기 전원 유닛(210)에 전기적으로 연결되고 시변 주파수를 구비하는 전자기파를 생성하는 생성기(220); 일부분이 해수에 침지된 부분을 각각 갖는 2개의 강철 파이프(230); 및 물 위에서 상기 파이프(230) 각각에 장착되고 상기 동일한 생성기(220)의 각 출력 단자와 전기적으로 연결된 2개의 초저 주파수(ULF) 에미터(240)를 포함한다. 2개의 파이프(230)는 전자기파에 의해 에너지 공급되어 자철석 코팅을 형성할 수 있다. 시스템(200)은 수중에서 2개의 강철 파이프(230)들 사이에 배열된 S-에미터(250)를 포함하는 추가적인 음극 보호 시스템을 더 포함한다.
전원 유닛(210), 생성기(220), ULF 에미터(240) 및 추가적인 음극 보호 시스템의 설명은 제1 실시예에 설명된 대응하는 유닛을 참조할 수 있으므로 여기서는 생략된다.
도 2는 콘크리트 보강용 강철봉(rebar) 또는 와이어와 같은 전기 전도체(260)를 사용하여 2개의 파이프를 전기적으로 연결하여, 2개의 파이프들이 메인 전자기파 여기 시스템 및 추가적인 음극 보호 시스템으로부터 균일하게 분포된 부식 방지 효과를 가질 수 있는 것을 도시한다.
폐루프 물 시스템에서, 2개의 강철 파이프(230)에 에너지 공급하는데 사용되는 에너지의 일부는 물에 발산되어 물을 또한 여기할 수 있다. 그 결과, 폐루프 물 시스템에서 강철 파이프를 보호하는데 요구되는 에너지는 개루프 물 시스템보다 훨씬 더 적다. 이것은 폐루프 냉각수 또는 냉각수 시스템에 강철 부재를 보호하는데 특히 유용하다.
본 발명의 시스템 및 방법은 철-기반 구조물과 다른 금속 구조물에도 적용가능하다. 예를 들어, 구리 합금 구조물이 시변 맥동 전자기파에 노출될 때, 전자기파의 주파수를 5V 내지 50V의 범위에서 동작하도록 적절히 제어하고 구동 전압을 100 Hz 내지 1 MHz의 범위에 동작하도록 제어하여, 구리 합금 전위를, 예를 들어, 관련 풀베이 다이아그램의 패시베이션 영역에 들어가도록 하는 것에 의해 수동 제일구리 산화물(Cu2O)의 보호 코팅이 구조물의 표면 상에 형성되고 나서 이 표면에 잘 부착될 수 있다(도 4 참조). 또한, 이 수동 산화된 종은 구리 합금 구조물이 부식되는 것을 방지하는데 매우 효과적인 부식 방지 코팅이다.
본 발명에 따라, 시변 맥동 전자기파를 사용하여 부식을 방지하는 시스템 및 방법은 방파제, 부두, 강철 옹벽(steel retaining wall), 앵커 파일(anchor pile), 오일 플랫폼, 오일 장비(oil rig), 웰헤드(well head), 탱크 내부, 탱크 외부, 풍차 기초 파일(wind mill foundation pile), 교량 기초 파일(bridge foundation pile), 부표, 육상 및 해상 강철 또는 금속 파이프 내부 및 외부 표면, 중량 콘크리트 코팅 파이프라인, 냉각수 강철 파이프 내부, 냉각수 입구 구조물, 스크린, 게이트, 스톱 로그(stop log), 콘크리트 내 강철을 포함하는 모든 침지되거나 또는 매립된 강철 구조물을 포함하나 이들로 제한되지 않는 여러 응용 범위에 사용될 수 있다.
본 발명은 시변 전자기파를 사용하여 금속 구조물의 부식을 방지하여 매우 간단하고 에너지를 절감하며 금속 구조물의 부식을 효율적으로 방지하는 시스템 및 방법을 제공한다. 본 발명에서, 시변 전자기파를 사용하여 금속 구조물 표면 상에 금속의 수동 산화된 종을 제 자리에서 형성하는 것은 금속 구조물 그 자체이다. 이 수동 산화된 종이 형성된 후에는 부식이 일어나지 않는다. 이것이 본 발명이 종래 기술과 차별화되는 가중 중요하고 고유한 특징이다.
전자기파를 사용하여 금속 구조물에 에너지를 공급하는 것으로 인해, 요구되는 추가적인 음극 보호 전류가 상당히 감소되어, 음극 보호 전류를 전달하는데 필요한 구동 전압이 매우 낮다. 게다가, 추가적인 음극 보호 시스템은 금속 구조물이 전체 음극 보호 전위에 도달한 후 스위치 오프되어, 동작시에만 주된 전자기파를 떠나므로, 이것으로 에너지 비용을 더 절감할 수 있다.
본 명세서에 설명된 실시예는 예시적인 부식 방지 시스템 및 방법으로 의도된 것이지만, 이 기술 분야에 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명은 도시된 실시예로 제한되지 않는다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 이 기술 분야에 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 범위를 벗어남이 없이 이 기술 분야에 통상의 지식을 가진 자의 일반적인 지식 내에서 많은 다른 변경과 변형이 가능할 것이라는 것을 인식할 수 있을 것이지만, 이러한 변경과 변형은 본 발명의 범위 내에 있다.

Claims (27)

  1. 시변 전자기파를 사용하여 금속 구조물의 부식을 방지하는 시스템으로서,
    시변 주파수를 구비하는 전자기파를 생성하는 생성기로서, 상기 생성기는 상기 금속 구조물에서 이격되어 위치된 제1 및 제2 여기 사이트(excitation site)와 각각 전기적으로 연결된 적어도 2개의 출력 단자를 구비하여, 상기 금속 구조물이 상기 전자기파에 노출될 수 있게 하는 생성기; 및
    상기 생성기에 연결되고 상기 전자기파의 생성을 구동하는 구동 전압을 상기 생성기에 인가하기 위해 상기 생성기에 연결되는 전기 전력 소스를 포함하고;
    상기 전자기파의 상기 구동 전압 및/또는 상기 주파수는 상기 금속 구조물이 상기 금속 구조물의 표면 상에 상기 금속의 수동 산화된 종(passive oxidized species)을 제 자리에서 형성하기 위해 에너지 공급되도록 선택되고, 이 수동 산화된 종은 부식되지 않으며,
    상기 금속 구조물에 적용되는 추가적인 음극 보호 시스템과 함께 사용되는 것을 특징으로 하는 시스템.
  2. 제1항에 있어서, 적어도 하나의 초저 주파수 에미터는 상기 전자기파를 보강하기 위해 상기 생성기에 전기적으로 연결될 상기 제1 및 제2 여기 사이트 중 하나에 장착되는 것을 특징으로 하는 시스템.
  3. 삭제
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 추가적인 음극 보호 시스템은 희생 양극 음극 보호 시스템 또는 외부 전류 유형(impressed current type)의 음극 보호 시스템 또는 이 2개의 시스템을 혼합한 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
  5. 제1항에 있어서, 상기 금속 구조물은 철-기반이고, 상기 인가되는 전압 및 상기 주파수는 상기 철-기반 구조물의 표면 상에 수동 자철석을 형성하도록 선택되며, 상기 철-기반 구조물은 물에 침지되거나 또는 토양에 매립되고, 상기 구동 전압은 5V 내지 50V의 범위에서 인가되고, 상기 주파수는 100Hz 내지 1MHz의 범위에서 동작하는 것을 특징으로 하는 시스템.
  6. 삭제
  7. 제5항에 있어서, 초저 주파수 에미터는 상기 전자기파를 보강하기 위해 상기 생성기에 전기적으로 연결될 상기 제1 및 제2 여기 사이트 중 하나에 장착되는 것을 특징으로 하는 시스템.
  8. 제5항 또는 제7항에 있어서, 상기 철-기반 구조물에 적용되는 추가적인 음극 보호 시스템과 함께 사용되는 것을 특징으로 하는 시스템.
  9. 제1항에 있어서, 상기 금속 구조물은 구리-기반이고, 상기 인가되는 전압 및 상기 주파수는 상기 구리-기반 구조물의 표면 상에 수동 제일구리 산화물을 형성하도록 선택되며, 상기 구리-기반 구조물은 물에 침지되거나 또는 토양에 매립되고, 상기 구동 전압은 5V 내지 50V의 범위에서 인가되고, 상기 주파수는 100 Hz 내지 1 MHz의 범위에서 동작하는 것을 특징으로 하는 시스템.
  10. 삭제
  11. 제9항에 있어서, 초저 주파수 에미터는 상기 전자기파를 보강하기 위해 상기 생성기에 전기적으로 연결될 상기 제1 및 제2 여기 사이트 중 하나에 장착되는 것을 특징으로 하는 시스템.
  12. 제9항 또는 제11항에 있어서, 상기 구리-기반 구조물에 적용되는 추가적인 음극 보호 시스템과 함께 사용되는 것을 특징으로 하는 시스템.
  13. 삭제
  14. 시변 전자기파를 사용하여 금속 구조물의 부식을 방지하는 방법으로서,
    시변 주파수를 구비하는 전자기파를 생성하는 생성기를 제공하는 단계; 및
    상기 금속 구조물을 상기 생성된 시변 주파수 전자기파에 노출시키는 단계를 포함하고;
    상기 전자기파의 생성을 구동하기 위해 상기 생성기에 인가되는 구동 전압 및/또는 상기 전자기파의 주파수는 상기 금속 구조물이 상기 금속 구조물의 표면 상에 상기 금속의 수동 산화된 종을 제 자리에서 형성하기 위해 에너지 공급되도록 선택되고, 이 수동 산화된 종은 부식되지 않으며,
    상기 금속 구조물에 적용되는 추가적인 음극 보호 시스템과 함께 사용되는 것을 특징으로 하는 방법.
  15. 제14항에 있어서, 상기 전자기파를 보강하기 위해 상기 생성기에 전기적으로 연결되는 상기 금속 구조물 상에 적어도 하나의 초저 주파수 에미터를 장착하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  16. 삭제
  17. 제14항 또는 제15항에 있어서, 상기 추가적인 음극 보호 시스템은 희생 양극 음극 보호 시스템 또는 외부 전류 유형의 음극 보호 시스템 또는 이 2개의 시스템을 혼합한 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  18. 제14항 또는 제15항에 있어서, 상기 금속 구조물이 전체 음극 보호 전위에 도달한 후 상기 추가적인 음극 보호를 스위치 오프하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  19. 제14항에 있어서, 상기 금속 구조물은 철-기반이고, 상기 인가되는 전압 및 상기 주파수는 상기 철-기반 구조물의 표면 상에 수동 자철석을 형성하도록 선택되며, 상기 철-기반 구조물은 물에 침지되거나 또는 토양에 매립되고, 상기 구동 전압은 5V 내지 50V의 범위에서 인가되고, 상기 주파수는 100Hz 내지 1MHz의 범위에서 동작하는 것을 특징으로 하는 방법.
  20. 삭제
  21. 제19항에 있어서, 상기 전자기파를 보강하기 위해 상기 생성기에 전기적으로 연결되는 상기 철-기반 구조물의 표면 상에 초저 주파수 에미터를 물 위에서 장착하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  22. 제19항 또는 제21항에 있어서, 상기 철-기반 구조물에 적용되는 추가적인 음극 보호 방법과 함께 사용되는 것을 특징으로 하는 방법.
  23. 제14항에 있어서, 상기 금속 구조물은 구리-기반이고, 상기 인가되는 전압 및 상기 주파수는 상기 구리-기반 구조물의 표면 상에 수동 제일구리 산화물을 형성하도록 선택되며, 상기 구리-기반 구조물은 물에 침지되거나 또는 토양에 매립되고, 상기 구동 전압은 5V 내지 50V의 범위에서 인가되고, 상기 주파수는 100 Hz 내지 1 MHz의 범위에서 동작하는 것을 특징으로 하는 방법.
  24. 삭제
  25. 제23항에 있어서, 상기 전자기파를 보강하기 위해 상기 생성기에 전기적으로 연결되는 상기 구리-기반 구조물의 표면 상에 초저 주파수 에미터를 물 위에서 장착하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  26. 제23항 또는 제25항에 있어서, 상기 구리-기반 구조물에 적용되는 추가적인 음극 보호 시스템과 함께 사용되는 것을 특징으로 하는 방법.
  27. 삭제
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