KR101902009B1 - 해양플랜트 냉각 해수 배관의 복합유지관리 시스템 - Google Patents

해양플랜트 냉각 해수 배관의 복합유지관리 시스템 Download PDF

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홍창호
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Abstract

본 발명은 해양플랜트 냉각 해수 배관의 복합유지관리 시스템에 관한 것이다.
종래 선박 및 해양 구조물의 부식방지장치는 해수에 노출되는 선체 외판 및 철 구조물의 부식방지 목적으로 설치되는 외부전원식 음극방식(ICCP)과 희생양극식 음극방식(SACP)만 적용되고 있고, 배관의 내면에 대한 부식방지장치는 제한적으로 사용되고 있는 실정이다.
따라서, 본 발명은 많은 양의 해수를 기기의 냉각수로 사용하는 발전소, 제철소, 석유화학시설, 선박 등의 냉각시스템 내에 조류나 어패류 등의 번식으로 인해 계통 내부가 막히는 문제를 해결하기 위하여 차아염소산(HOCl)을 생산하고 해수 취수구에 주입함으로써, 해수 중에 있는 어패류 및 기타 해양생물의 성장을 억제시키고 사멸하는 해수전해장치와 배관 내면에 불용성 양극이 설치된 외부전원식 음극방식시스템(ICCP system)에 의해 배관의 부식을 방지하는 부식방지설비가 하나의 조절 시스템으로 구성되어 있기 때문에 시스템 전체에 여러 구간으로 분류된 불용성 양극(Anode)과 배관에 직류 전류를 직·간접적으로 가감함으로써 전체 배관의 부식전위를 불활성 상태(Immunity)의 전위까지 음극 분극시켜 배관 내부 전 영역의 부식을 억제시킨다.
또한, 해수를 전기 분해하여 차아염소산(HOCl)을 발생시켜 해양 생성물을 살균함으로써 배관 내면에 부착되는 것을 막는 독자적인 방오 및 부식방지 복합 시스템 설비를 개발하는 것이다.
이를 위하여 본 발명은, 배관 내면에 설치된 양극과 배관 금속간에 전기적 접촉이 발생하지 않도록 불용성 양극의 표면에 이온이 투과되는 다공성 절연재를 시공한다.
또한, 냉각수 배관 계통의 경우 배관 금속, 밸브, 열교환기 등 설비의 특성상 스틸, 동합금, 스테인리스 스틸 등 다양한 종류의 금속이 사용된다.
즉, 이종 금속들 중 활성 금속에서 선택적으로 부식이 집중되는 갈바닉 부식이 발생하는데, 정전위 방식을 적용하여 이종 금속들에 적절히 방식전류를 조절하여 공급함으로써 갈바닉 부식을 막을 수 있다.

Description

해양플랜트 냉각 해수 배관의 복합유지관리 시스템{COMBINED MAINTENANCE MANAGEMENT SYSTEM OF COOLING SEA WATER PIPE IN OFF-SHORE PLANT}
본 발명은 해양플랜트 냉각 해수 배관의 복합유지관리 시스템에 관한 것이다.
종래 선박 및 해양 구조물의 부식방지장치는 해수에 노출되는 선체 외판 및 철 구조물의 부식방지 목적으로 설치되는 외부전원식 음극방식 장치(ICCP)와 희생양극 음극방식 장치(SACP)만 적용되고 있고, 배관의 내면에 대한 부식방지장치는 제한적으로 사용되고 있는 실정이다.
따라서, 본 발명은 많은 양의 해수를 기기의 냉각수로 사용하는 발전소, 제철소, 석유화학시설, 선박 등의 냉각시스템 내에 조류나 어패류 등의 번식으로 인해 계통 내부가 막히는 문제를 해결하기 위하여 차아염소산(HOCl)을 생산하고 해수 취수구에 주입함으로써, 해수 중에 있는 어패류 및 기타 해양생물의 성장을 억제시키고 사멸하는 해수전해장치와 배관 내면에 불용성 양극이 설치된 외부전원식 음극방식시스템(ICCP system)에 의해 배관의 부식을 방지하는 부식방지설비가 하나의 조절 시스템으로 구성되어 있기 때문에 시스템 전체에 여러 구간으로 분류된 불용성 양극(Anode)과 배관에 직류 전류를 직·간접적으로 가감함으로써 전체 배관의 부식전위를 불활성 상태(Immunity)의 전위까지 음극 분극시켜 배관 내부 전 영역의 부식을 억제시킨다.
또한, 해수를 전기 분해하여 차아염소산(HOCl)을 발생시켜 해양 생성물을 살균함으로써 배관 내면에 부착되는 것을 막는 독자적인 방오 및 부식방지 복합 시스템 설비를 개발하는 것이다.
이를 위하여 본 발명은, 배관 내면에 설치된 양극과 배관 금속간에 전기적 접촉이 발생하지 않도록 불용성 양극의 표면에 이온이 투과되는 다공성 절연재를 시공한다.
또한, 냉각수 배관 계통의 경우 배관 금속, 밸브, 열교환기 등 설비의 특성상 스틸, 동합금, 스테인리스 스틸 등 다양한 종류의 금속이 사용된다.
즉, 이종 금속들 중 활성 금속에서 선택적으로 부식이 집중되는 갈바닉 부식이 발생하는데, 정전위 방식을 적용하여 이종 금속들에 적절히 방식전류를 조절하여 공급함으로써 갈바닉 부식을 막을 수 있다.
최근 과학기술의 발달로 해양 산업 및 조선 기자재 관련 산업이 급속한 성장을 거듭하고 있고, 산업의 규모가 대형화되고 있다.
우리나라의 세계 해양플랜트 시장 점유율은 세계 1위를 차지하고 있으나 기자재 설비 및 관련 핵심 설비의 기술은 대부분 수입에 의존하고 있는 상황이다.
이에 따라, 중공업, 조선소 등 보일러 및 플랜트 사업 부문에서 전문성과 경쟁력을 바탕으로 한 국내 기업의 플랜트 설비 기술력 및 품질의 향상 등 플랜트 설비 제작 능력의 급속한 성장세를 보이고 있다.
조선 산업의 경우 해운 및 조선 경기에 많은 영향을 받을 수 있으나, 선박 평형수 처리 기술과 같은 여러 가지 해양환경 분야에 적용할 수 있으며, 관련 산업의 특징인 해양환경 보호를 위한 환경산업으로 국제협약의 발효가 예상되고 있어 신조 선박뿐만 아니라 협약 발효 이후의 혼잡을 피하기 위하여 기존 선박에 대한 수주가 증가되기 때문에 향후 성장세가 유지될 것으로 예상된다.
따라서, 선박, 해양 구조물을 포함함 해양 관련 시설물의 대형화, 고부가가치화 되고 있을 뿐만 아니라 장 수명화가 요구된다.
이러한 해양 구조물에 관련하여, 에너지 설비 기반 시설의 경우 구조물의 특성상 운전 및 작동을 하기 위해서는 설비의 냉각을 위해 해수를 냉각수로 사용하기 때문에 반드시 해안가 근처에 위치하고 있다.
해수를 냉각수로 사용하기 때문에 [표 1]과 같이 냉각수 배관 내부에 해양생물의 서식으로 배관이 막혀 냉각수의 공급량이 감소되어 냉각계통에 냉각 저하 등 문제가 빈번하게 발생하고 있다.
Figure 112018032708665-pat00001
이는 해수의 염분, 유속 증가, 냉각 불량으로 기인된 냉각관의 온도 상승 등 부식성이 강한 인자들로 인해 냉각수 배관 계통에서 부식손상부위 및 파공 부위 발생하는 것이다.
이러한 배관에 부식이 발생하여 파공되는 등 부식 손상으로 인한 문제가 발생하는 경우에는 선박의 운항 불능 상태, 발전 중단, 플랜트 설비의 시스템 중단과 같은 사태가 발생하게 된다.
이와 같이, 설비의 시스템이 중단되면 보일러 증기 압력의 과도한 상승으로 인한 폭발, 발전 중단으로 인하여 전력공급에 차질이 발생하게 되고, 선박의 경우 악천후 상황에서는 추진력 상실로 인하여 침몰의 위험에 직면하게 된다.
또한, 시스템 재가동을 위해 많은 시간과 노력이 요구되는 등 직·간접적으로 사회적 및 경제적 막대한 손실이 발생하게 된다.
그럼에도 불구하고, 여전히 선박 및 에너지 플랜트 설비의 해수 냉각 배관 계통의 용접 부위 및 배관 내면의 결함 부위에서 부식으로 인한 파공 부위가 발생하여 갑작스럽게 전체 시스템의 가동이 중단되는 사고가 빈번히 발생하는 실정이다.
또한, 배관 내부에서 따개비, 어패류 등과 같은 해양 생물이 다량 부착되어 냉각수 배관이 막혀 냉각 불량으로 시스템을 중단해야 하는 비상 상황 발생 및 냉각 불량 부위의 잦은 소제 등 유지관리 보수비용이 증가하고 있다.
따라서, 해수로 냉각하는 배관 내면에서 발생하는 부식을 친환경적으로 예방하고, 해양생물의 생성을 억제하기 위한 냉각수 배관의 부식 방지 및 해양 생성물 부착 방지를 위한 설비의 개발이 시급한 상태이다.
또한, 기존의 해수전해설비는 비전문가에 의해 차아염소산 농도를 수동으로 측정하여 공급전류를 조절하고 있기 때문에 전류가 약할 경우 배관 내에 해양 생물이 과도하게 부착되어 냉각관이 폐색되는 사고가 빈번히 발생하였고, 이를 방지하기 위해 전류를 과도하게 공급할 경우에는 냉각수 배출구 주변 양식장 어패류가 폐사하는 피해로 인해 어민들과의 분쟁문제가 발생하는 등 생태계가 파괴되는 심각한 문제가 발생하고 있으나 정량적인 피해정도가 파악되지 않고 있다.
이러한 문제점을 해결함으로써, 배관 내면을 방식하여 부식 파공으로 인한 누수 사고를 예방할 수 있고, 해양생물의 서식에 의해 냉각관이 폐색(閉塞)되어 발생하는 대형사고를 예방할 수 있고,
또한, 냉각수 배관의 유지 보수 주기를 획기적으로 늘림으로써 보수비용을 절감할 수 있으며, 손상된 시스템의 복구 및 재가동을 위하여 필요한 많은 시간과 노력 등 사회적, 경제적 손실을 예방할 수 있을 것으로 기대된다.
종래 기술을 살펴보면, 선박 및 해양 구조물의 부식방지장치는 해수에 노출되는 선체 외판 및 철 구조물의 부식방지 목적으로 설치되는 외부전원식 음극방식 장치(ICCP)와 희생양극 음극방식 장치(SACP)만 적용되고 있고, 배관의 내면에 대한 부식방지장치는 제한적으로 사용되고 있는 실정이다.
또한, 선박의 해양생물 억제 장치(MGPS)는 구리 양극을 용해시켜 해양생성물의 부착을 방지하는 장치와 차아염소산염을 분사하여 해양생성물을 억제하는 장치가 사용되고 있다. 구리 양극을 용해시키는 타입의 경우에는 용해된 구리 이온이 배관 금속에 석출되어 갈바닉 부식을 야기시켜 배관의 부식을 촉진시키고, 차아염소산염을 분사하는 타입의 경우에도 과다한 염소이온의 농도로 인하여 배관의 부식속도를 빠르게 증가시키는 문제가 발생하고 있다.
다른 한편, 공개특허공보 제10-2015-0114737호의 해양구조물의 차아염소산 생산 시스템이 기재되어 있다.
상기 기술은, 담수화장치에 의해 배출되는 고농도의 농축 브라인 워터(brine water)를 제공함으로써 일반 해수 공급 대비 높은 농도의 차아염소산을 대량 생산하여 생성 효율을 증대시키는 특징이 있고, 해양생물 부착 방지시스템 및 이를 이용한 해수공급시스템 특허기술은 제어수단을 이용하여 전위차가 0.7~1.2V가 되도록 제어하여 취수구에 해양생물 부착을 방지하고, 취, 배수구의 어류의 사멸을 방지하는 특징이 있다. 또한 구리 전극을 용해시키는 형식인 선박의 해수유량 변경에 따른 MGPS 아노드 전류조절 시스템 및 방법, 그리고 이를 포함하는 선박 특허기술 및 선박의 해양생물 증식방지 장치 특허기술은 공통적으로 해양생물 증식방지용 전극에 의해 해수를 처리하는 것을 기재하고 있다.
또한, 미국 등록특허공보 제08557089호에는 Cathodic protection system for marine applications와, 미국 공개특허공보 제2008-0105562호에는 Systems and methods for underwater impressed current cathodic protection이 기재되어 있다.
상기 기술들은, 공통적으로 교류를 직류로 변환하여 방식전류를 공급하는 외부전원법을 이용한 음극방식기술로 해양구조물의 부식을 방지하는 것을 기재하고 있다.
그러나 상기 기술들은 모두, 구리 양극을 용해시키는 방오설비는 LNG기지, 발전소 및 해양플랜트와 같이 냉각수 수량이 많은 대용량 유체의 흐름에는 부적합하다. 이에 비하여 차아염소산염 분사형은 거대오염물 및 미세오염물 등에 좋은 효과를 나타내지만 염화물의 농도가 증가하는 경우 냉각 배관 계통에 부식 손상을 일으킨다. 즉, 기존에 사용되고 있는 제품들은 방오성능이 미약하거나 배관 계통에 부식 손상을 일으키는 등 방오 및 부식 양 측면 모두 많은 문제점들이 보고되었다.
다른 한편, 등록특허공보 제10-0811808호에는 전기충격을 통한 해양생물의 부착 생장을 방지할 수 있도록 된 오탁방지막이 기재되어 있다.
상기 기술은, 막체 표면에 부착되어 서식하게 되는 해양생물을 전기 충격과 전기분해에 의하여 막체 표면에서 발생되는 차아염소산에 의한 화학적 충격을 통한 이동을 유도하여 이의 서식을 방지함으로써 막체의 손상을 예방할 수 있도록 한 것이고, 또한 이러한 차아염소산의 발생은 바닷물에 함유되어 막체의 눈막힘의 원인이 될 수 있는 오염물질을 산화 작용으로 해양 오염물질의 간접적 처리가 가능하도록 한 것으로서,
통상의 오탁방지막에 사용되는 막체는 투수성이 거의 없어 막체의 표면에 해양생물이 부착되어 서식하게 됨으로서 막체를 손상시키는 문제점이 있고, 이러한 문제점의 해결을 위하여 막체의 표면에 접촉매체를 형성시켜 막체 표면에 충격을 주는 방안이 있으나 이때 사용되는 접촉매체의 구조 상 오히려 해양생물의 서식처가 될 수 있어 별다른 효과를 얻을 수 없었던 것이었으나.
상기 기술은 미소한 전류에도 민감하게 반응하는 생물체의 속성에 착안하여 해양생물이 전기자극을 피하도록 함으로써 해양부착생물의 생장을 방지할 수 있도록 한 것이다.
이를 위하여, 상기 기술의 오탁방지막은 막체의 양면에 외부로부터의 전원 공급 시 막체의 표면으로 (+)전극과 (-)전극이 흐르는 한쌍의 전극형성라인을 형성시킬 수 있도록 하여 전원 공급 시 전극형성라인을 따라 흐르는 전류에 의한 전기 충격이 가능하도록 한 것이고, 이러한 전극형성라인에 의하여 막체 표면에서 바닷물의 전기분해가 이루어져 산화력이 강한 차아염소산이 발생되도록 한 것이다.
그러나 상기 기술 역시 여전히 본 출원인이 해결하고자 하는 과제의 해결이 어렵다.
즉, 현재까지 배관 내부의 부식을 방지할 뿐만 아니라 해양자생물이 배관에 착생하는 것을 방지하는 해양 생물 생성 억제 성능이 복합적으로 설치된 설비는 전 세계적으로 아직까지 미개발된 상태이다.
공개특허공보 제10-2015-0114737호(2015.10.13.) 미국 등록특허공보 제08557089호(2013.10.15.) 미국 공개특허공보 제2008-0105562호(2008.05.08.) 등록특허공보 제10-0811808호(2008.03.10. 공고)
본 발명의 목적은, 배관 내면에 설치된 양극과 배관 금속간에 전기적 접촉이 발생하지 않도록 불용성 양극의 표면에 이온이 투과되는 다공성 절연재를 시공하고, 배관, 밸브 및 열교환기와 같이 냉각수 배관 계통 설비의 금속으로 사용되는 탄소강, 동합금강, 스테인리강들 중 활성 금속에서 선택적으로 부식이 집중되는 갈바닉 부식의 발생을, 정전위 방식을 적용하여 이종 금속들에 적절히 방식전류를 조절하여 공급함으로써 방지할 수 있는, 해양플랜트 냉각 해수 배관의 복합유지관리 시스템을 제공하는데 있다.
본 발명의 다른 목적은, 해수전해장치를 통해 배관을 유동하는 해수에 포함된 차아염소산 농도를 조절함으로써, 배관 내부의 부식 방지뿐만 아니라 해양생물의 방오 성능의 효과를 촉진할 수 있는, 해양플랜트 냉각 해수 배관의 복합유지관리 시스템을 제공하는데 있다.
상술된 목적을 달성하기 위하여 안출된 것으로 본 발명에 따른 해양플랜트 냉각 해수 배관의 복합유지관리 시스템에 의하면, 해수를 냉각수로 사용하는 해양플랜트 냉각 해수 배관의 복합유지관리 시스템에 있어서,
상기 해양플랜트 냉각 해수 배관의 복합유지관리 시스템은,
차아염소산(HOCl)을 통해 해수 중에 있는 어패류 및 기타 해양생물의 성장을 억제 및 사멸시키고,
배관 내면에 불용성 양극이 설치된 외부전원식 음극방식시스템에 의해 배관의 부식을 방지하는 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 해양플랜트 냉각 해수 배관의 복합유지관리 시스템은,
방식전류를 공급하는 다채널 전원 공급장치와, 해수를 유입하는 필터가 구비된 해수상자와, 쿨러와, 응축기와, 다수의 배관들과, 차아염소산(HOCl)의 농도를 조절하는 해수전해장치와, 해수상자, 배관 및 해수전해장치로 펌핑 기능을 수행하는 막힘 방지 장치를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 다수의 배관들 일측에는 체크밸브가 구비되되,
상기 체크밸브는,
해수상자에서 유출되는 배관 일측과, 해수전해장치에서 해수상자로 유입되는 일측과, 해수상자에서 유출된 후 3분기로 나뉘어지는 배관 일측과, 쿨러의 해수가 유출 및 유입되는 배관 일측과, 쿨러의 해수가 유출 및 유입되는 배관을 가로질러 응축기 측 배관에 연결되는 배관의 일측 중 쿨러의 해수가 유출 및 유입되는 배관 사이 일측과, 응축기로 해수가 유입되는 배관 일측과, 응축기로부터 해수가 유출되는 배관 일측과, 응축기로부터 해수가 유출되는 배관 일측 중 선체 외부로 해수가 배출되도록 하는 영역 일측과, 응축기로부터 해수가 유출되는 배관 일측 중 해수전해장치로 이어지는 배관으로 분기되는 일측에 구비되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 해수전해장치는,
해수를 수집하기 위한 수집구성과, 해수의 어패류 및 박테리아 포집정도를 분석하는 분석구성과, 전원 공급 장치의 전원에 의해 생성된 차아염소산(HOCl)의 농도를 측정 및 판단하는 판단구성과, 전원 공급 장치로부터 공급받은 전력의 세기를 조절하는 제어구성과, 차아염소산을 생성하는 생성구성과 해수가 유입되는 유입구와, 해수를 배출하는 배출구를 포함하되,
상기 판단구성은 차아염소산의 농도의 판단을 위하여 해수의 유량, pH 및 온도를 동시에 측정하는 것을 특징으로 한다.
한편, 해양플랜트 냉각 해수 배관의 복합유지관리 시스템은,
외부의 해수를 유입하는, 해수유입단계;
상기 해수유입단계에서 유입된 해수가 배관을 따라 유동하는, 해수유동단계;
상기 해수유입단계에서 유입된 해수가 배관을 따라 유동할 수 있도록 펌핑을 수행하는 펌핑단계;
상기 해수유동단계에서 해수가 유동되는 배관으로 전원 공급 장치를 이용하여 전류를 공급하는, 전류 공급단계;
상기 해수유동단계 후 수행되는 단계로서, 해수상자를 통해 유입된 해수가 배관을 유동할 때, 유동하는 해수를 수집하는, 해수수집 단계;
상기 해수수집단계 후 수행되는 단계로서, 수집된 해수에 포함된 차아염소산을 측정하는, 차아염소산 측정단계;
상기 차아염소산 측정단계를 통해 측정된 결과를 기반으로, 해수전해장치에서 배출되는 해수의 차아염소산 농도가 환경기준인 0.2 ppm을 초과하지 않도록, 해수전해장치 내에서 공급되는 전류를 조절하는 전류조절단계;
상기 전류조절단계를 통해 전류조절에 따라 차아염소산의 농도가 변환된 해수를, 해수전해장치로부터 배출하는, 해수전해장치의 해수 배출단계; 및
상기 해수유동단계, 펌핑단계, 방식전위 공급단계 및 해수전해장치의 해수 배출단계 중 선택된 어느 하나의 단계가 수행된 뒤의 각 배관 내에 존재하는 해수를 선체 등의 외부로 완전히 배출하는, 해수 완전 배출단계;의 과정으로 냉각을 수행하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 해양플랜트 냉각 해수 배관의 복합유지관리 시스템에 의하면, 해수가 유동하는 배관에서 활성 금속에서 선택적으로 부식이 집중되는 갈바닉 부식이 발생되는 것을 방지할 수 있는 효과를 갖는다.
도 1은 본 발명에 따른 해양플랜트 냉각 해수 배관의 복합유지관리 시스템에서 배관 내면의 설비 구조를 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명에 따른 해양플랜트 냉각 해수 배관의 복합유지관리 시스템의 구조를 나타낸 것이다.
본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 안되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
따라서 본 명세서에 기재된 실시 예와 도면에 도시된 사항은 본 발명의 가장 바람직한 실시 예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형 예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
이하, 도면을 참조하여 설명하기에 앞서, 본 발명의 요지를 드러내기 위해서 필요하지 않은 사항 즉 통상의 지식을 가진 당업자가 자명하게 부가할 수 있는 공지 구성에 대해서는 도시하지 않거나, 구체적으로 기술하지 않았음을 밝혀둔다.
본 발명은 해양플랜트 냉각 해수 배관의 복합유지관리 시스템에 관한 것이다.
종래 선박 및 해양 구조물의 부식방지장치는 해수에 노출되는 선체 외판 및 철 구조물의 부식방지 목적으로 설치되는 외부전원식 음극방식(ICCP)과 희생양극식 음극방식(SACP)만 적용되고 있고, 배관의 내면에 대한 부식방지장치는 제한적으로 사용되고 있는 실정이다.
따라서, 본 발명은 많은 양의 해수를 기기의 냉각수로 사용하는 발전소, 제철소, 석유화학시설, 선박 등의 냉각시스템 내에 조류나 어패류 등의 번식으로 인해 계통 내부가 막히는 문제를 해결하기 위하여 차아염소산(HOCl)을 생산하고 해수 취수구에 주입함으로써, 해수 중에 있는 어패류 및 기타 해양생물의 성장을 억제시키고 사멸하는 해수전해시스템과 배관 내면에 불용성 양극이 설치된 외부전원식 음극방식시스템(ICCP system)에 의해 배관의 부식을 방지하는 부식방지설비가 하나의 조절 시스템으로 구성되어 있기 때문에 시스템 전체에 여러 구간으로 분류된 불용성 양극(Anode)과 배관에 직류 전류를 직·간접적으로 가감함으로써 전체 배관의 부식전위를 불활성 상태(Immunity)의 전위까지 음극 분극시켜 배관 내부 전 영역의 부식을 억제시킨다.
또한, 해수를 전기 분해하여 차아염소산을 발생시켜 해양 생성물을 살균함으로써 배관 내면에 부착되는 것을 막는 독자적인 방오 및 부식방지 복합 시스템 설비를 개발하는 것이다.
이를 위하여 본 발명은, 배관 내면에 설치된 양극과 배관 금속간에 전기적 접촉이 발생하지 않도록 불용성 양극의 표면에 이온이 투과되는 다공성 절연재를 시공한다.
또한, 냉각수 배관 계통의 경우 배관 금속, 밸브, 열교환기 등 설비의 특성상 스틸, 동합금, 스테인리스 스틸 등 다양한 종류의 금속이 사용된다.
즉, 이종 금속들 중 활성 금속에서 선택적으로 부식이 집중되는 갈바닉 부식이 발생하는데, 정전위 방식을 적용하여 이종 금속들에 적절히 방식전류를 조절하여 공급함으로써 갈바닉 부식을 막을 수 있다.
이는 도 1을 참조할 수 있는데, 도 1은 본 발명에 따른 해양플랜트 냉각 해수 배관의 복합유지관리 시스템에서 배관 내면의 설비 구조를 나타낸 것이다.
첨부된 도면의 도 1과 같이 배관 내면에 불용성 양극을 설치함으로써 배관 내면에 발생하는 부식을 원천적으로 차단할 수 있다.
이러한 배관 내면의 설비 구조를 채용한, 본 발명에 따른 해양플랜트 냉각 해수 배관의 복합유지관리 시스템은 첨부된 도면의 도 2를 참조한다.
도 2는 본 발명에 따른 해양플랜트 냉각 해수 배관의 복합유지관리 시스템의 구조를 나타낸 것이다.
첨부된 도면의 도 2에 따르면 본 발명은,
필터가 구비된 해수상자(Sea Chest Strainer)를 통해 유입된 해수는 각 배관에 구비된 체크밸브를 통해 배관 내로 유입되고, 쿨러(Cooler), 응축기(Condenser)를 통해 흘러 선체 외부로 배출된다.
이때, 유입된 해수에 의해 배관의 부식이 진행될 수 있는데,
이는 다채널(6채널 이상) 멀티 전원 공급 장치를 이용하는 것으로, 선박의 기관실 배관 개략도와 같이 냉각수 시스템 입구 배관, 기기의 연결부위, 중간 배관, 그리고 출구 배관 등 각각의 냉각수 배관 내면의 부식전위 및 방식전위를 실시간으로 모니터링 함으로써 해당 배관의 전위를 최적 방식 전위 구간에 유지할 수 있도록 방식전류를 자동으로 조절한다.
이에 따라, 도 2에 도시된 전원 공급 장치(Power Supply Unit)를 통해 발생된 전원을 이용하여 각 배관 일측마다 설치된 불용성 양극을 통해 방식전류를 공급함으로써, 스틸, 동합금, 스테인리스 스틸 등의 다양한 종류의 금속으로 이루어진 배관 내의 갈바닉 부식을 막을 수 있다.
또한, 도 2에 따르면 막힘 방지 장치(Anti-fouling Analyzer)가 구비되어, 해수의 펌핑 작용을 유도하는데, 이는 해수상자, 배관 일측 그리고 후술되는 해수전해장치(Seawater electrochlorination system)로 연결되어 펌핑시켜 해수가 막힘없이 유동될 수 있도록 돕는다.
또한, 상술된 체크밸브는 해수상자에서 유출되는 배관 일측과, 해수전해장치에서 해수상자로 유입되는 일측과, 해수상자에서 유출된 후 3분기로 나뉘어지는 배관 일측과, 쿨러의 해수가 유출 및 유입되는 배관 일측과, 쿨러의 해수가 유출 및 유입되는 배관을 가로질러 응축기 측 배관에 연결되는 배관의 일측 중 쿨러의 해수가 유출 및 유입되는 배관 사이 일측과, 응축기로 해수가 유입되는 배관 일측과, 응축기로부터 해수가 유출되는 배관 일측과, 응축기로부터 해수가 유출되는 배관 일측 중 선체 외부로 해수가 배출되도록 하는 영역 일측과, 응축기로부터 해수가 유출되는 배관 일측 중 해수전해장치로 이어지는 배관으로 분기되는 일측에 구비됨이 바람직하다.
한편, 상술된 해수전해장치는 다채널 멀티 전원 공급 장치에 의해 일부 차아염소산을 생성하고 부족한 차아염소산농도를 해수전해장치를 이용하여 해수를 전기분해 함으로써 해양생물의 부착 방지를 위한 적정 농도로 차아염소산 농도를 조절하는 기능을 한다.
이러한 해수전해장치(Hyperchlorite unit)는, 출구에서 시료를 실시간으로 채취하여 생성된 차아염소산 농도가 어패류 및 박테리아를 사멸할 수 있을 정도인지를 실시간으로 판단하여 자동으로 출력전류를 조절한다.
이를 위하여 해수전해장치는, 해수(시료)를 수집하기 위한 수집구성과, 해수의 어패류 및 박테리아 포집정도를 분석하는 분석구성과, 전원 공급 장치의 전원에 의해 생성된 차아염소산의 농도를 측정 및 판단하는 판단구성과, 전원 공급 장치로부터 공급받은 전력의 세기를 조절하는 제어구성과, 차아염소산을 생성하는 생성구성을 포함한다. 또한, 연결된 배관으로부터 해수를 유입시키고 배출하기 위한 유입구 및 배출구를 포함함은 당연하다.
이때, 상기 판단구성은 차아염소산 농도의 오차를 최소화하기 위하여 해수의 pH 및 온도를 동시에 측정함으로써, pH 및 온도 변화에 대한 차아염소산 농도의 정확한 측정이 가능하도록 한다.
이에 따라, 해수전해장치는 배출구에서 시료를 실시간으로 채취하며 차아염소산 농도를 측정하고, 배출구의 농도가 환경기준인 0.2 ppm을 초과하지 않도록 전류를 자동으로 조절하고, 차아염소산의 농도를 묽게 희석시켜 배출함으로써, 배관의 부식을 방지하도록 한다.
이러한 해수전해장치는, 기존의 해수전해설비에서 수동으로 측정하며 차아염소산 농도를 조절하기 때문에 발생된 문제점들을 극복할 수 있는 장점이 있다.
이러한 해수전해장치의 차아염소산을 생성하는 생성구성은 [표 2]와 같이 차아염소산을 생성하도록 한다.
Figure 112018032708665-pat00002
즉, 차아염소산은 Cl2 + H2O = OCl + 2H+ + Cl- = HOCl- + H+ + Cl-의 생성반응을 통해 생성되는 것이다.
상술된 해양플랜트 냉각 해수 배관의 복합유지관리 시스템의 구조에 있어서, 방식전위를 통해 전류를 인가하는 방식이 해수 배관의 부식을 방지할 수 있는지의 실험을 수행하였다.
(실험방법)
해수 배관을 절단 후 동일한 면적을 노출시켜 부식성 환경의 변화(청수, 해수, 유속 및 온도)에 따른 전기 화학적 특성을 측정한다.
이때, 실험은 Gamry Instrument 사의 Reference 600을 사용하여 부식성 환경별 양극분극, 음극분극, 정전류 및 정전위 실험을 진행하였다.
실험 대상이 되는 해수 배관은, 상부에 구멍이 뚫려 있는 수조배관을 제작하여 구멍위치에 시험편을 올려 놓고 Clamp Tool로 압착시킨 후 수조배관에 해수를 순환 시킨다.
또한, MMO 양극의 위치와 종류를 변경하면서 방식 전류를 조절 하여 방식 전류의 도달거리를 측정하고, 이종금속을 설치하여 갈바닉 부식 및 방식특성을 실험한다.
이때, 실험 대상이 되는 실험편인 해수 배관은 [표 3]과 같다.
Figure 112018032708665-pat00003
또한, 실험을 위한 분극실험장치는 [표 4]와 같다.
Figure 112018032708665-pat00004
(실험결과)
양극 분극실험 결과는 [표 5]와 같다.
Figure 112018032708665-pat00005
FW-NF : 청수, 유속 無 / SW-NF : 해수, 유속 無 / SW-F50 : 해수, 유속 有
[표 5]에 따르면, 먼저 좌측의 청수 및 해수 환경에서는 양극분극 실험시 해수환경일 때 청수에 비해 낮은 방식 전위를 나타냈다. 또한 전위가 높아질수록 해수 환경의 시험편에서 전류밀도가 약 100배 높게 측정되었다.
또한, 우측의 해수 및 유속이 있는 해수 환경에서는, 유속이 없는 해수환경에서 낮은 방식전위를 나타냈다. 또한, 유속이 있는 환경에서 해수에 용해된 이온들의 활동도가 증가하기 때문에 전위가 높아진다.
음극 분극실험의 결과는 [표 6]과 같다.
Figure 112018032708665-pat00006
[표 6]을 참조하면, 좌측은 청수 및 해수 환경에서 음극 분극실험시 해수 환경일 때 약간 낮은 전위를 나타낸다. 또한, 전위가 낮아질수록 해수 환경의 시험편에서 전류밀도가 약 10~100배 높게 측정되었다.
우측을 참조하면, 유속이 없는 해수환경일 때 낮은 전위를 나타냈다. 또한, 유속이 존재하는 환경에서 해수에 용해된 이온들의 활동도가 증가하기 때문에 전위가 높아졌다. 이때 방식전위구간은 -1200~1300mV/SSCE이다.
정전류 분극실험은 [표 7]을 참조할 수 있다.
Figure 112018032708665-pat00007
[표 7]을 참조하면, 좌측은 설정 전류량이 증가할수록 방식전위가 안정화되는 시간이 빠르게 단축되었다. 또한, 방식전위가 과도하게 낮은 경우에는 Hydrogen Evolution에 의한 수소 취화 발생이 우려된다.
우측을 참조하면, 해수환경에서 설정전류 0.5mA로 정전류 분극 실험을 300초 시행해 본 결과, 유속이 존재하는 경우, 유속에 의한 영향으로 방식전위값이 약간 높게 나타났다.
정전위 분극실험은 [표 8]을 참조할 수 있다.
Figure 112018032708665-pat00008
[표 8]을 참조하면, 좌측은 초기에 방식전류가 높게 흐르고, 시간의 경과에 따라 서서히 전류밀도가 감소하는 것으로 나타났다. 또한, 청수 환경보다 해수 환경에서 전류밀도값이 지속적으로 높게 나타났다.
우측을 참조하면, 실험초기 50초까지는 온도가 높은 조건에서 높은 방식전류가 공급되었는데, 실험 50초 이후부터는 유속이 빠른 조건에서 높은 방식전류가 공급되었다.
이하에서는, 해수배관을 설비하여 방식전류의 도달거리를 측정하도록 한다.
실험은 [표 9]와 같이 해수배관을 설비하여 수행하였다.
Figure 112018032708665-pat00009
실험결과 중 배관실험에 따른 음극방식 실험결과는 [표 10]을 참조한다.
Figure 112018032708665-pat00010
[표 10]의 좌측결과에 따르면, Rod type Anode를 설치 후 설정전위를 조절하여 방식전위에 따른 방식전류의 도달거리를 측정한 결과, 방식전위가 낮아질수록 방식전류의 도달거리가 증가하였다. 그러나 방식전류의 도달거리는 N0.5. 시험편까지 제한적으로 나타났다.
우측을 참조하면, Copper(2번), STS 304(4번)의 이종금속을 설치한 결과, 갈바닉 전류가 발생할 경우, 3번 및 5번 시험편에서 갈바닉 부식으로 부식이 촉진되는 것을 확인하였다.
또한, 배관실험에 따른 갈바닉 부식방식실험에 대한 결과는 [표 11]을 참조할 수 있다.
Figure 112018032708665-pat00011
[표 11]의 좌측에 따른 결과를 보면, 방식전위가 낮아질수록 방식전류의 도달거리가 증가하는 것으로 나타났다. 그러나 방식전류의 도달거리는 제한적이고, Rod Anode 1개, -900mV 설정전위로 방식하여 5번째 시험편까지 부식을 억제할 수 있었다.
또한, 우측에 따른 결과를 보면, Rod Anode를 추가로 설치함으로써, 미방식되었던 6번째 내지 10번째의 시험편도 전체적으로 균일하게 방식전류가 공급되는 것을 확인하였다.
따라서, Rod Anode 2개, -900mV 설정전위로 방식하는 경우 부식을 억제할 수 있는 것으로 확인되었다.
또한, 배관실험에 따른 음극방식실험은 [표 12]를 참조할 수 있다.
Figure 112018032708665-pat00012
[표 12]에 따른 좌측의 결과를 참조하면, Ribbon type Anode를 삽입 후 설정전위를 방식전위에 따른 방식전류의 도달거리를 측정하였는데, 설정전위가 낮아질수록 시험편에 공급되는 방식전류량이 증가하였다. 이때 5번째 실험편까지만 방식전류가 공급된 것을 확인할 수 있었다.
또한, 우측의 결과를 참조하면, Copper(2번), STS 304(4번)의 이종금속을 설치한 경우, Ribbon Anode 1개, -800mV 설정전위로 방식하여 5번째 시험편까지 부식을 억제할 수 있었다.
마찬가지로, 갈바닉 부식방식실험을 수행하였고, 이는 [표 13]을 참조할 수 있다.
Figure 112018032708665-pat00013
[표 13]의 좌측을 참조하면, 1번째 내지 5번째까지는 Ribbon Anode에 의해 방식전류를 공급하고, 6번째 앞에 Rod Anode를 삽입하였다. 이로 인해 Rod 양극의 저항으로 인하여 대부분의 방식전류가 Ribbon type으로 집중된 것을 확인하였다.
우측을 참조하면, Ribbon Type Anode에 500Ω 저항을 설치하여 5번째 내지 10번째 시험편까지 방식전류가 균일하게 공급되도록 하였다.
이때, Copper(2번), STS 304(4번) 시험편은 탄소강 시험편들에 비해 방식전류가 적게 공급되는 것을 확인할 수 있었다.
종합적으로, 양극분극실험결과, 청수환경보다 해수환경에서 실험한 시험편의 부식속도가 약 100배 이상 높게 증가되었고, 균일부식이 진행되었다. 또한 유속이 존재하는 환경에서 부식전위가 높아지는 경향을 확인할 수 있었다.
또한, 음극분극실험결과, 청수환경보다 해수환경에서 부식전위가 약 100 mV 높게 측정되었고, 유속이 존재하는 환경에서 전류밀도가 약 3 배 이상 높게 증가되었다. 또한 유속이 존재하는 해수환경에서의 한계확산전류밀도는 7~20 mA/cm2, 최적방식전위는 -1,200~-1,300 mV/SSCE 범위임을 확인할 수 있었다.
또한, 정전류 음극분극 실험결과, 방식전류의 공급량이 증가할수록 방식전위가 낮아지는 경향을 확인할 수 있었고, 유속이 정지 중인 해수환경에서 최적방식전위 범위까지 방식하기 위해서는 약 2~5 mA/cm2의 전류밀도가 필요한 것을 확인하였다.
또한, 정전위 음극분극 실험결과, 온도 및 유속의 증가 등 부식성이 강한 환경일수록 방식전위를 유지하기 위해 소요되는 방식전류가 증가함을 확인할 수 있었다.
또한, Rod 양극 및 Ribbon 양극의 경우 방식전류가 증가할수록 방식전류의 도달거리가 증가하고, 방식전위가 낮아지는 경향을 확인하였으며, 방식전류의 도달거리는 No.5 시험편(약 60 cm)까지로 제한되었다. 즉, 배관 내면의 미방식 문제를 해결하기 위해서는 양극간 배치간격을 60 cm 이내로 해야 균일한 방식이 가능한 것을 알 수 있었다.
또한, 동합금 및 스테인리스강 등 이종금속이 탄소강 배관과 연결된 경우에는 갈바닉 전류가 발생하여 활성금속인 탄소강에서 부식이 촉진되는 갈바닉 부식이 발생하였다. 그러나 -900 mV/SSCE(Rod 양극), -800 mV/SSCE(Ribbon 양극) 이하로 방식전위를 설정하여 음극방식을 적용함으로써 갈바닉 부식 문제를 해결할 수 있었다.
또한, 외부전원식 음극방식에서 저항이 다른 Rod 양극과 Ribbon 양극을 혼합하여 설치하는 경우에는 상대적으로 저항이 낮은 리본 양극에 방식전류가 집중되는 현상이 발생하기 때문에 리본 양극에 적절한 용량의 저항을 설치함으로써 방식전류가 편중되지 않고 균일하게 분배될 수 있었다.
한편, 상술된 구조를 갖는 해양플랜트 냉각 해수 배관의 복합유지관리 시스템의 유지관리 방법은 다음과 같이 이루어질 수 있다.
가. 해수유입단계
해수유입단계는, 해양플랜트 냉각 해수 배관의 복합유지관리 시스템이 구비된 선체 저면 등으로부터 외부의 해수를 유입하는 단계이다.
이때, 유입되는 해수는 거름망에 의해 부피가 큰 부산물(이물질)을 걸러낼 수 있다.
나. 해수유동단계
해수유동단계는, 해수유입단계에서 시스템 내부로 유입된 해수가 각 배관을 따라 유동하면서 냉각을 수행하는 단계이다.
다. 펌핑단계
펌핑단계는, 해수유입단계에서 유입된 해수가 배관을 따라 유동할 수 있도록 펌핑을 수행하는 단계이다. 이러한 펌핑단계는 해수유입단계 후 수행되며, 해수유동단계와 동시에 수행될 수 있다.
라. 전류 공급단계
전류 공급단계는, 해수유동단계에서 해수가 유동되는 배관으로 전원 공급 장치를 이용하여 전류를 공급하는 단계이다.
이러한 전류의 공급에 의하여, 배관 내부벽이 부식되는 것을 방지할 수 있다.
마. 해수수집단계
해수수집단계는, 해수유동단계 후 수행되는 단계로서, 해수상자를 통해 유입된 해수가 배관을 유동할 때, 유동하는 해수를 수집하는 단계이다.
이러한 해수의 수집은 해수전해장치를 통해 수행된다.
바. 차아염소산 측정단계
차아염소산 측정단계는, 해수수집단계 후 수행되는 단계로서, 수집된 해수에 포함된 차아염소산을 측정하는 단계이다.
사. 전류조절단계
전류조절단계는, 차아염소산 측정단계를 통해 측정된 결과를 기반으로, 해수전해장치에서 배출되는 해수의 차아염소산 농도가 환경기준인 0.2 ppm을 초과하지 않도록, 해수전해장치 내에서 공급되는 전류를 조절하는 단계이다.
아. 해수전해장치의 해수 배출단계
해수전해장치의 해수 배출단계는, 전류조절단계를 통해 전류조절에 따라 차아염소산의 농도가 변환된 해수를, 해수전해장치로부터 배출하는 단계이다.
자. 해수 완전 배출단계
해수 완전 배출단계는, 해수유동단계, 펌핑단계, 방식전위 공급단계 및 해수전해장치의 해수 배출단계 중 선택된 어느 하나의 단계가 수행된 뒤의 각 배관 내에 존재하는 해수를 선체 등의 외부로 완전히 배출하는 단계이다.
상기에서 도면을 이용하여 서술한 것은, 본 발명의 주요 사항만을 서술한 것으로, 그 기술적 범위 내에서 다양한 설계가 가능한 만큼, 본 발명이 도면의 구성에 한정되는 것이 아님은 자명하다.

Claims (5)

  1. 해수를 냉각수로 사용하는 해양플랜트 냉각 해수 배관의 복합유지관리 시스템에 있어서,
    상기 해양플랜트 냉각 해수 배관의 복합유지관리 시스템은,
    (a) 차아염소산(HOCl)을 통해 해수 중에 있는 어패류 및 기타 해양생물의 성장을 억제 및 사멸시키고,
    (b) 배관 내면에 불용성 양극이 설치된 외부전원식 음극방식시스템에 의해 배관의 부식을 방지하며,
    (c) 방식전류를 공급하는 다채널 전원 공급장치와, 해수를 유입하는 필터가 구비된 해수상자와, 쿨러와, 응축기와, 다수의 배관들과, 차아염소산의 농도를 조절하는 해수전해장치와, 해수상자, 배관 및 해수전해장치로 펌핑 기능을 수행하는 막힘 방지 장치를 포함하되,
    상기 다수의 배관들은,
    해수상자와 해수전해장치를 연결하는 제1 배관과,
    출구와 응축기를 연결하는 제2 배관과, 상기 제2 배관 일측과 해수전해장치를 연결하는 제3 배관과,
    상기 제3 배관 일측에서부터 해수상자까지 연결되는 제4 배관과,
    상기 제4 배관 일측에서부터 응축기까지 연결되는 제5 배관과,
    복수 개의 쿨러를 연결하는 제6 배관을 포함하고,
    다수의 배관들 일측에는 체크밸브가 구비되고,
    상기 체크밸브는,
    해수상자에서 유출되는 배관 일측과, 해수전해장치에서 해수상자로 유입되는 일측과, 해수상자에서 유출된 후 3분기로 나뉘어지는 배관 일측과, 쿨러의 해수가 유출 및 유입되는 배관 일측과, 쿨러의 해수가 유출 및 유입되는 배관을 가로질러 응축기 측 배관에 연결되는 배관의 일측 중 쿨러의 해수가 유출 및 유입되는 배관 사이 일측과, 응축기로 해수가 유입되는 배관 일측과, 응축기로부터 해수가 유출되는 배관 일측과, 응축기로부터 해수가 유출되는 배관 일측 중 선체 외부로 해수가 배출되도록 하는 영역 일측과, 응축기로부터 해수가 유출되는 배관 일측 중 해수전해장치로 이어지는 배관으로 분기되는 일측에 구비되며,
    상기 해수전해장치는,
    해수를 수집하기 위한 수집구성과, 해수의 어패류 및 박테리아 포집정도를 분석하는 분석구성과, 전원 공급 장치의 전원에 의해 생성된 차아염소산의 농도를 측정 및 판단하는 판단구성과, 전원 공급 장치로부터 공급받은 전력의 세기를 조절하는 제어구성과, 차아염소산을 생성하는 생성구성과 해수가 유입되는 유입구와, 해수를 배출하는 배출구를 포함하되,
    상기 판단구성은 차아염소산의 농도의 판단을 위하여 해수의 pH 및 온도를 동시에 측정하고,
    (d) 외부의 해수를 유입하는, 해수유입단계;
    상기 해수유입단계에서 유입된 해수가 배관을 따라 유동하는, 해수유동단계;
    상기 해수유입단계에서 유입된 해수가 배관을 따라 유동할 수 있도록 펌핑을 수행하는 펌핑단계;
    상기 해수유동단계에서 해수가 유동되는 배관으로 전원 공급 장치를 이용하여 전류를 공급하는, 전류 공급단계;
    상기 해수유동단계 후 수행되는 단계로서, 해수상자를 통해 유입된 해수가 배관을 유동할 때, 유동하는 해수를 수집하는, 해수수집 단계;
    상기 해수수집단계 후 수행되는 단계로서, 수집된 해수에 포함된 차아염소산을 측정하는, 차아염소산 측정단계;
    상기 차아염소산 측정단계를 통해 측정된 결과를 기반으로, 해수전해장치에서 배출되는 해수의 차아염소산 농도가 환경기준인 0.2 ppm을 초과하지 않도록, 해수전해장치 내에서 공급되는 전류를 조절하는 전류조절단계;
    상기 전류조절단계를 통해 전류조절에 따라 차아염소산의 농도가 변환된 해수를, 해수전해장치로부터 배출하는, 해수전해장치의 해수 배출단계; 및
    상기 해수유동단계, 펌핑단계, 방식전위 공급단계 및 해수전해장치의 해수 배출단계 중 선택된 어느 하나의 단계가 수행된 뒤의 각 배관 내에 존재하는 해수를 선체 등의 외부로 완전히 배출하는, 해수 완전 배출단계의 과정으로 냉각을 수행하는 것을 특징으로 하는, 해양플랜트 냉각 해수 배관의 복합유지관리 시스템.
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