KR19990037108A - 부식 검사법 - Google Patents

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Abstract

판형 시험 쿠폰(1)은 실제 플랜트의 금속 부재와 동일한 재료로 제조한다. 시험 쿠폰(1)은, 접착제(5)에 의해 시험 쿠폰(1)의 전체 이면에 결합된 시트형 가열 부재(4)를 갖추고 있다. 시트형 가열 부재(4)는, 지그재그 형태로 배열된 얇은 금속박(金屬箔)으로 제조된 가열 저항기(2) 및 절연성 합성 수지(4a)를 포함하는 판으로서, 상기 저항기(2)는 합성 수지(4a) 내에 봉입된다. 또한 2개의 피복된 도선(3)의 단부도 합성 수지(4) 내에 봉입된다. 피복된 도선(3)의 중심부는 피복된 부분의 바깥쪽까지 연장되어 가열 저항기(2)의 양쪽 단자에 각각 연결된다. 시험 쿠폰(1)은 실제 장치 내의 부식액과 접촉시키고, 시험 쿠폰(1)이 검사 대상과 동일한 열 전달 조건에 놓이도록 가열 저항기(2)로 흐르는 전류를 제어한다.
실제 플랜트에서 부식 문제가 일어나기 쉬운 환경을 모의한 조건하에서 검사할 수 있도록, 금속 단편(21,21')은 스폿 용접부(23)에서 용접되며, 금속 단편(21,21') 사이에는 극간이 존재한다. 전위 측정을 위한 피복된 도선(26)의 단부는 연질 납땜 등에 의해서 금속 단편(21)에 접속되며, 접속된 부분은 절연성 재료에 의해 피복된다. 시트형 가열 부재(22)는 접착제에 의해 금속 단편(21)의 외면에 결합되며 절연성 재료(25)에 의해 피복된다. 시험 쿠폰(31)을 시험용 물에 침지시키고, 참조 전극(33)과 시험 쿠폰 간의 전위를 측정하여 부식을 검사한다.

Description

부식 검사법
본 발명은 화학 플랜트 등에 사용된 금속 부재의 부식을 검사하기 위한 방법, 시험 쿠폰, 및 장치, 구체적으로는 열 전달 조건 하에 금속 부재의 부식을 검사하기 위한 방법 및 장치에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 발명은, 금속 부재와 동일하거나 또는 유사한 재료로 된 시험 쿠폰을 제조한 후, 이 시험 쿠폰의 부식 정도를 측정함으로써 금속 부재의 부식을 검사하는 방법 및 장치에 관한 것이다.
본 발명은 또한 물과 접촉하고 있는 금속 열 교환기 튜브 등의 금속 부재의 부식을 검사하기 위한 시험 쿠폰, 이 시험 쿠폰을 사용하는 부식 검사법 및 장치에 관한 것이다. 보다 상세히 설명하면, 본 발명은 용접부, 극간(隙間, crevice) 또는 갭(gap) 및 열 전도성 부분을 갖춘 물과 접촉된 상태의 금속 시험 쿠폰, 및 금속 열 교환기 튜브 등의 금속 부재의 부식을 빠르면서도 정확하게 예측할 수 있는 부식 검사 방법 및 장치에 관한 것이다.
화학 플랜트에는 다양한 재료 및 형태로 된 금속 부재들이 구조 부재로 사용된다. 이들 금속 부재의 부식은 궁극적으로는 침투 사고를 유발시키며, 이로써 플랜트의 작동 중지, 제품의 오염 등과 같은 심각한 문제점이 발생한다. 화학 플랜트의 구조 부재의 부식 반응 및/또는 부식율을 측정하기 위한 기술이 요구되고 있으며, i) 일본 특허 출원 공개 제5-322831호, ii) 미국 특허 제4,098,662호(1978.7.4), iii) 미국 특허 제4,686,854호(1987.8.18)를 비롯한 부식 반응 및/또는 부식율을 측정하기 위한 각종 방법이 이미 시험되었다. 상기 i)에는 부식 전위를 측정하여 실제 파이프 관의 피팅(pitting) 부식도를 측정하는 방법이 개시되어 있다.
금속의 부식율은, 액체와 접촉하고 있는 금속의 부식율이 온도가 상승함에 따라 증가하는 방식으로 온도에 따라 변화한다. 화학 플랜트의 구조 부재로서, 온도가 상승하는 금속 부재의 예로는 가열된 액체가 통과하는 열 교환기, 파이프 및 탱크 등이 있다. 상기 ii) 및 iii)에는 열 전달 조건 하에서 액체계 중의 부식도를 검사하는 어셈블리가 개시되어 있는데, 이 어셈블리는 튜브형 전극 및 이 전극 내의 전기 가열기를 포함한다.
상기 방법 i) 내지 iii)은 다음의 문제점을 갖는다.
상기 방법 i)에서는, 실제 장치에 사용된 것과 동일한 금속 재료를 사용하긴 했으나 가열 및 열 전달은 실시하지 않았다. 따라서, 실제 장치에 있어 가장 부식되기 쉬운 열 전달부의 부식을 검사하기가 어렵다. 또한 표면 마무리 처리를 실시하였기 때문에, 표면 조건이 실제 장치와는 다르므로 정확한 검사가 어렵다. ii)와 iii)의 검사용 어셈블리는 복잡하고, 열전쌍 등의 온도 센서를 사용하기 때문에 가열 제어부의 파손시 과열의 위험이 있다. 이 어셈블리는 실제 플랜트에 사용하는 데 있어 한계가 있다.
상기 iii)에 개시된 방법은, 열 교환시 튜브 내에 전기 가열기를 삽입하여 열 전달 조건을 조성시키기 때문에 상기 튜브로부터 액체를 유출시키기 위한 장치가 필요하며, 따라서 장치의 제조 비용이 상승한다. 또한 추가의 설치 작업이 필요하다는 문제점이 있다. 또한, 부식 검사를 위한 금속 단편이 상기 튜브의 형태를 제한시키며, 부식도의 평가가 튜브의 외면 주위에서만 이루어진다는 문제점도 있다.
통상적으로 스텐레스 스틸 등의 내부식성 금속은 신선한 물(예, 냉각 수계)에서 비활성을 나타내므로 내부식성 물질로서 공지되어 있다. 그러나, 오염에 의해 발생한 구조적 극간 또는 균열이 존재하기 때문에, 극간 부식 및 피팅 부식 등의 국소 부식을 일으킬 수 있도록 염화 이온과 같은 부식성 이온을 축합시킬 수 있어야 한다.
이러한 조건에서, 인장 응력을 가하면 출발 시점의 극간 부식 및 피팅 부식에 의해 응력 부식 균열이 이루어질 가능성이 존재한다(마사히로 나카하라의 문헌 ["Zairyo-to-Kankyo" 41(1), 56, 1992] 참조). 그러한 응력 부식 균열은, 염화 이온 함량이 일정한 경우 고온 조건 하에서 이루어지기 쉬운 것으로 알려져 있다{도모요시 니시노 및 마모루 후지사키에 의한 저널 오브 재패니스 페트롤륨 인스티튜트(13,555, 1970) 참조}.
통상, 내부식성 금속(예, 스텐레스 스틸)의 응력 부식 균열을 평가하는 공지된 방법 중 하나는, 용접에 의해 접합된 2개의 금속 단편으로 구성된 시험 쿠폰을 시험용 물 내에 장시간 동안 침지시키는 단계, 및 그 후에 용접부 주변부에서 부식 상태를 관찰하는 단계를 포함한다{도시오 아다치의 문헌 ["Zairyo-to-Kankyo" 43(3), 126, 1994] 참조}.
국소 부식의 진행에 따라 예를 들면 열 교환기에 사용된 파이프 재료에서 균열 또는 침투가 야기되면, 장치의 중단과 같은 심각한 문제가 발생한다. 따라서, 부식 발생을 예측하기 위한 검사 기술이 중요하다. 금속의 부식을 검사(관찰 또는 예측)하는 통상의 방법 중 하나로는, 물과 금속이 서로 접촉하는 시스템 중에서 금속의 부식 전위를 검사하는 방법이 공지되어 있다(일본 특허 공개 제5-98476호 참조).
일반적으로, 검사하고자 하는 수계 내에 판형 시험 쿠폰을 침지시켜서 통상의 부식 검사법을 실시한다. 그러나, 시험 쿠폰은 균일한 금속 표면을 가지며, 극간 부식 및 피팅 부식이 이루어지기 쉬운 구조적 극간이나 균열에 필요한 인장 응력 하의 부분은 전혀 사용하지 않는다. 시험 쿠폰은 극간 부식 및 응력 부식 균열 등의 국소적 부식에 대한 부식 감도가 낮다는 문제가 있다.
통상적인 방법 중 또 다른 하나로는, 검사 시스템 중에 물이 유동하는 동안 시험 쿠폰 또는 시험 튜브의 부식 전위의 변화를 참조 전극을 기준으로 하여 검사하는 방법이다. 이 방법에서, 시험 쿠폰 주변의 수온은, 예를 들어 실제 열 교환기 내에서 내부식성 금속의 국소 부식이 이루어지기 쉬운 열 전도성 부분의 온도보다 낮은 경우가 많다. 이것은, 부식 문제가 일어나기 쉬운 환경에서 평가가 이루어지지 않음을 의미한다.
도 1a는 부식 검사용 시험 쿠폰(coupon)의 평면도이다.
도 1b는 부식 검사용 시험 쿠폰의 측면도이다.
도 2a는 부식 검사용 시험 쿠폰의 평면도이다.
도 2b는 부식 검사용 시험 쿠폰의 측면도이다.
도 3a는 부식 검사용 시험 쿠폰의 평면도이다.
도 3b는 부식 검사용 시험 쿠폰의 측면도이다.
도 4a는 부식 검사용 시험 쿠폰의 평면도이다.
도 4b는 부식 검사용 시험 쿠폰의 측면도이다.
도 4c는 도 4a의 선 IVC-IVC을 따른 단면도이다.
도 5a는 부식 검사용 시험 쿠폰의 평면도이다.
도 5b는 도 5a의 선 VB-VB를 따른 단면도이다.
도 5c는 도 5a의 선 VC-VC을 따른 단면도이다.
도 5d는 전도체 패턴의 도식이다.
도 6은 본 발명의 시험 쿠폰을 나타낸 개요도이다.
도 7a 내지 도 7d는 본 발명의 시험 쿠폰의 한 실시예를 도시한 구조도이다.
도 8은 도 7a 내지 도 7d에 도시한 시험 쿠폰을 사용하는 부식 검사법의 한 실시예를 예시한 설명도이다.
도 9는 도 8의 측정 결과를 나타낸 그래프이다.
도 10은 부식 검사를 실시하는 파일럿 플랜트의 수계(water system)를 나타낸 개요도이다.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
1: 시험 쿠폰
2: 가열 저항기
3: 피복 도선
4a: 절연성 합성 수지
5: 접착제
21: 금속 단편
22: 가열 저항기
23: 용접부
24: 극간
본 발명의 목적은, 열 전달 조건하에 실제 플랜트 내에서 부재의 부식을 요이하게 검사(관찰)할 수 있는 부식 검사 방법 및 장치를 제공하는 것이다.
또한,본 발명의 목적은 실제 플랜트에서 부식 문제가 발생하기 쉬운 환경을 모의한 조건하에 검사를 실시하는 것이다.
제1 특징의 부식 검사법은, 부식액과 접촉하는 동안에 부식이 발생하는 열 전달 조건 하에서 금속 부재의 부식을 검사하는 방법이다. 이 방법은, 금속 부재와 동일한 재료로 제조된 시험 쿠폰의 한 표면을 시트형 가열 부재에 의해 가열하는 단계, 시험 쿠폰의 다른 한 표면의 적어도 일부를 부식액과 접촉시키는 단계, 시험 쿠폰의 부식도를 검출하는 단계, 및 검출 결과에 근거하여 금속 부재의 부식을 검사하는 단계를 포함한다.
제2 특징의 부식 검사법은, 부식액과 접촉하는 동안에 부식이 발생하는 열 전달 조건 하에서 금속 부재의 부식도를 검사하는 방법이다. 이 방법은, 반대 전극 또는 참조 전극을 부식액에 침지시키는 단계, 금속 부재와 동일한 재료로 제조된 시험 쿠폰의 한 표면을 시트형 가열 부재에 의해 가열하는 단계, 시험 쿠폰의 다른 한 표면의 적어도 일부를 부식액과 접촉시키는 단계, 시험 쿠폰과 반대 전극 또는 참조 전극 간의 전기 신호를 측정하는 단계, 및 측정 결과에 근거하여 금속 부재의 부식을 검사하는 단계를 포함한다.
제3 특징의 부식 검사 장치는, 부식액과 접촉하는 동안에 부식이 발생하는 열 전달 조건 하에서 금속 부재의 부식도를 검사하는 장치이다. 이 장치는, 금속 부재와 동일한 재료로 제조된 시험 쿠폰, 시험 쿠폰의 한 표면을 가열하기 위한 시트형 가열 부재, 및 시험 쿠폰의 다른 한 표면의 적어도 일부를 부식액과 접촉시켰을 때 시험 쿠폰의 부식 상태를 검출하는 검출 수단을 포함한다.
제4 특징의 부식 검사 장치는, 부식액과 접촉하는 경우에 부식이 발생하는 열 전달 조건 하에서 금속 부재의 부식도를 검사하는 장치이다. 이 장치는, 부식액 내에 침지시키고자 하는 반대 전극 또는 참조 전극, 금속 부재와 동일한 재료로 제조된 시험 쿠폰, 시험 쿠폰의 한 표면을 가열하기 위한 시트형 가열 부재, 및 시험 쿠폰의 나머지 면의 적어도 일부를 부식액과 접촉시켰을 때 시험 쿠폰과 반대 전극 또는 참조 전극 간의 전기 신호를 측정하는 측정 수단을 포함한다.
가열 부재는 온도 제어 수단을 통해 그 온도를 제어될 수 있다.
본 발명의 방법 및 장치에 따르면, 금속 부재가 실제 플랜트 내에 배치된 경우와 동일한 조건으로 시험 쿠폰을 부식시키고 시험 쿠폰의 부식도를 직접 측정하므로, 실제 플랜트 내 금속 부재의 부식도를 정확히 검사할 수 있다. 시험 쿠폰은 실제 부재와 동일한 열 전달 조건 하에 배치되므로, 실제 부재의 부식도를 상당히 정확히 검사할 수 있다.
본 발명은 또한 금속 부재의 부식도 검사를 위한 시험 쿠폰도 제공한다. 이 시험 쿠폰은 금속 부재와 동일한 재료로 제조되며, 용접부, 극간 및 열 전달부를 갖추고 있다.
시험 쿠폰의 구체예는, 서로 포개져 스폿 용접에 의해 부분 연결되어, 이 스폿 용접부 이외의 부분에는 공간이 존재하는 복수개(예: 2개)의 금속 단편을 포함한다.
본 발명의 검사 방법 및 장치는 용접부, 극간, 및 열 전달부를 갖춘 상기 시험 쿠폰을 사용하므로, 시험 쿠폰의 부식 전위의 변화를 검사함으로써, 실제 플랜트 내 금속 부재의 부식 문제를 야기하는 국소적 부식도를 정확히 검사할 수 있다.
본 발명에서, 시트형 가열 부재는 시험 쿠폰의 한면에 부착하는 것이 바람직하다. 검사는, 시트형 가열 부재로 시험 쿠폰을 가열하면서 수행하므로, 실제 플랜트 내 고온부에서 이루어지는 국소적 부식을 정확히 검사할 수 있다.
바람직한 구체예
지금부터는 본 발명의 구체예를 도면을 참고하여 상세히 설명할 것이다.
도 1a 및 도 1b의 구체예
도 1a는 본 발명의 구체예에 따른 검사 방법에 사용하고자 하는 시험 쿠폰의 평면도이고, 도 1b는 그 측면도이다.
판형 시험 쿠폰(1)은 실제 플랜트의 금속 부재와 동일한 재료로 제조한다. 시험 쿠폰(1)은, 접착제(5)에 의해 시험 쿠폰(1)의 전체 이면에 결합된 시트형 가열 부재(4)를 갖추고 있다. 시트형 가열 부재(4)는, 지그재그 형태로 배열된 얇은 금속박(金屬箔)으로 제조된 가열 저항기(2) 및 절연성 합성 수지(4a)를 포함하는 판으로서, 상기 저항기(2)는 합성 수지(4a) 내에 봉입된다. 또한 2개의 피복된 도선(3)의 단부도 합성 수지(4) 내에 봉입된다. 피복된 도선(3)의 중심부(도시하지 않음)는 피복된 부분의 바깥쪽까지 연장되어 가열 저항기(2)의 양쪽 단자에 각각 연결된다.
시험 쿠폰(1)은 실제 장치 내의 부식액과 접촉시키고, 시험 쿠폰(1)이 실제 플랜트 내의 검사 대상으로서의 금속 부재와 동일한 열 전달 조건에 놓이도록 시험 쿠폰(1)으로 흐르는 전류를 조절한다.
시험 쿠폰(1)을 전술한 조건으로 유지시키면서 시험 쿠폰(1)의 부식 상태를 연속적으로 또는 간헐적으로 측정한다. 측정 결과에 준하여 실제 플랜트 내 부재를 검사한다.
시험 쿠폰의 부식 상태를 측정하는 방법으로는 육안 검사법 및/또는 부식율 측정법이 있다. 육안 검사법으로는, 시험 쿠폰이 부식되었는지의 여부 및 부식 형태(예, 피팅 부식, 극간 부식, 응력 부식 균열 등의 국소 부식 형태)를 판별할 수 있으며, 부식율을 대략적으로 측정할 수 있다.
시험 쿠폰이 스텐레스 스틸, 구리 또는 구리 합금 등의 내부식성 금속으로 제조되었으나 부식되는 경우에는, 피팅 부식에 의해 형성된 피트(pit)의 수와 깊이를 육안으로 관찰하여 측정할 수 있다. 깊이를 측정하는 경우에는, 깊이 마이크로미터, 다이알 게이지, 초점 눈금을 갖춘 현미경, 또는 레이져 현미경을 사용하는 표면 조도 측정 장치를 사용할 수 있다.
부식율은, 부식액과 시험 쿠폰의 접촉 시간 및 접촉 전과 후의 중량 변화에 준하여 측정할 수 있다.
구체적으로 부식율 및 침투율은 다음 수학식 1 및 수학식 2를 통해 구할 수 있다.
상기 식 중,
M1은 시험 전의 시험 쿠폰 중량(mg)이고,
M2는 시험 후의 시험 쿠폰 중량(mg)이며,
S는 시험 쿠폰의 표면적(dm2)이고,
T는 시험에 소요된 일수이다.
침투율(mm/y) = (365·10-4/d)·(M1-M2)/(S·T)
상기 식 중,
d는 시험 쿠폰의 밀도(g/㎤)이고,
M1은 시험 전의 시험 쿠폰 중량(mg)이며,
M2는 시험 후의 시험 쿠폰 중량(mg)이고,
S는 시험 쿠폰의 표면적(dm2)이며,
T는 시험에 소요된 일수이다.
도 1a 및 도 1b에 제시된 구체예에서는 1종의 재료로 제조된 1개의 시험 쿠폰(1)이 절연성 합성 수지(4a)로 피복된 가열 저항기(2)의 한 표면에 부착되어 있으나, 가열부보다 표면적이 작은 복수개의 금속 재료(시험 쿠폰)를 가열 부재에 부착할 수도 있다. 복수개의 시험 쿠폰을 사용하는 경우 이들 시험 쿠폰이 금속 등의 전도체이면, 이들 시험 쿠폰들은 대개 서로 접촉하지 않도록 부착시킨다. 그러나, 도선 등의 특수한 전기 전도체를 사용하지 않더라도 모의 전촉(電觸)이 이루어질 수 있기 때문에, 이들을 고의로 서로 접촉시켜 전촉을 측정할 수도 있다.
도 1a 및 도 1b에 도시된 구체예에서는 가열 부재의 한 표면에만 시험 쿠폰이 구비되어 있으나, 시험 쿠폰을 가열 부재의 양면에 모두 구비시킬 수도 있다. 이러한 경우, 시험 쿠폰은 동일한 재료 또는 다른 재료로 제조할 수도 있다. 이러한 경우에는 또한 시험 쿠폰이 가열 부재의 영역 내에 존재하는 한, 시험 쿠폰의 수에는 제한이 없다. 도 1a 및 도 1b에 제시된 구체예에서는, 시험 쿠폰(1)이 접착제(5)에 의해 저항기(2)를 포함한 시트형 가열 부재에 접착되어 있으나, 시험 쿠폰과 가열 저항기는 일체적으로 성형될 수도 있다.
접착제로는 열 전달 계수가 큰 접착제를 사용하는 것이 바람직할 수 있다. 그러나 접착제의 열 전달 계수를 조절함으로써, 동일한 가열 부재를 사용하는 경우에도 시험 쿠폰의 온도를 변화시킬 수 있다.
시험 쿠폰의 표면은 필요에 따라 절연체로 부분 피복할 수도 있다. 예를 들어, 실제 플랜트에서 절단한 금속 재료를 시험 쿠폰으로 사용하고 절단 가장자리 및 절단 중에 손상된 부분이 평가에 영향을 미치는 경우에는, 이들 부분을 필요에 따라 절연체로 피복한다.
시트형 가열 부재의 치수와 형상에는 특별한 제한이 없다. 시트형 가열 부재의 치수와 형상은, 시트형 가열 부재가 부착된 시험 쿠폰의 치수와 형상에 상응하도록 고안하는 것이 바람직하다. 시트형 가열 부재가 그 양면 상에 열 전도성 부분을 가질 경우에는, 시험 쿠폰을 시트형 가열 부재의 양면에 부착시킬 수 있다. 시험 쿠폰이 이와 같은 시트형 가열 부재의 단 한 면에만 부착된 경우에는, 열 절연 물질을 다른 한 표면에 부착시키고 그 표면에는 시험 쿠폰을 부착시키지 않음으로써, 시험 쿠폰이 부착되지 않은 상기 표면으로부터 산란을 통해 열이 방사되는 것을 방지할 수 있다. 시트형 가열 부재로서 열 전도성 표면은 가요성 재료로 제조되거나 사전에 소정의 형태로 형성시킴으로써, 곡면을 가진 시험 쿠폰에도 부착시킬 수 있도록 되어 있다.
시험 쿠폰은 실제 플랜트의 부식성 환경으로서 파이프 또는 탱크에 직접 배치할 수 있다. 부식액이 부식의 원인이 될 경우에, 부식액을 별도의 탱크에 수용하고 본 발명의 장치를 그 액체에 침지시킬 수 있다.
본 발명에 의하면, 부식성 환경의 온도가 낮은 경우에도, 열 전달 표면에 대한 평가를 수행할 수 있다. 이는 고온 플랜트 설비 또는 시스템과 떨어진 비교적 안전한 위치에서 부식을 평가함으로써 안전하게 부식을 검사할 수 있음을 의미한다.
시험 쿠폰은 부식 재료를 샘플링하여 다른 장소로 또는 실험실 내의 모의된 부식 상황인 열 전달 조건 하에 부식을 평가하기 위해 운반할 경우에는, 열 전달 조건 하의 부식 평가에 사용될 수 있다.
도 2a와 도 2b의 구체예
도 2a와 도 2b는 전기 화학 신호에 의해 시험 쿠폰의 부식 검사를 실시할 수 있는 시험 쿠폰을 도시한 평면도와 측면도이다. 도 2a와 도 2b의 시험 쿠폰은 도 1a와 도 1b에 도시한 시험 쿠폰과 동일하고, 다만 피복된 도선(6)을 갖는다는 점에서 상이하다. 피복된 도선(6)의 한 단부는 내부식성 수지 틀(7)에 의해 시험 쿠폰(7)에 고정된다. 피복된 도선(6)의 중심부는 시험 쿠폰(1)에 연결된다. 기타 구성은 도 1a 및 도 1b에 도시한 것과 동일하다.
도 2a와 도 2b의 시험 쿠폰은 도 1a와 도 1b의 시험 쿠폰과 동일한 방식으로 부식액과 접촉하게 된다. 이러한 구체예에서, 시험 쿠폰과 참조 전극(도시 생략함) 간의 부식 전위는 피복된 도선(6)을 통해 측정할 수 있다. 전위의 측정은 전위차계, 디지탈 멀티미터, 시험기 또는 전압 입력용 A/D 전환기를 사용하여 수행할 수 있다. 참조 전극의 예로는 Ag/AgCl/포화 KCl 전극, SCE 전극, Cu/CuSO4전극 및 Hg/Hg2SO4전극을 들 수 있다.
일반적으로, 금속 재료의 부식 전위가 높을수록 피팅 부식 및/또는 극간 부식의 가능성은 더 크다. 부식 전위의 측정은 금속 재료의 부식 경향을 파악함으로써 검사하고자 하는 금속 재료의 부식 발생을 예측하는 데 효과적인 방법 중 하나이다. 부식 검사법은 부식 검사를 연속적으로 측정하기 위한 컴퓨터와 같은 데이터 로깅 장치를 사용함으로써 보다 효율적으로 수행할 수 있다.
도 2a와 도 2b의 시험 쿠폰을 사용한 검사 방법에 있어서, 시험 쿠폰(1)은 부식액에 별도로 배치된 시험 쿠폰(1)과 참조 전극(도시 생략함) 사이에 편극화시킴으로써 마이크로 전류 또는 마이크로 전위 변화에 따라 부착된다. 형성되는 전위 응답 또는 전류 응답을 측정함으로써, 금속 재료의 편극화 저항을 측정할 수 있다. 편극화 저항은 하기 수학식 3의 스턴(Stern) 방정식에 근거하여 하기 수학식 4와 수학식 5에 따라 부식율 또는 침투율로 전환시킬 수 있다.
Rp=(δΔΕ/δΙ) ΔΕ→0
상기 식 중, Rp = 단위 면적당 편극화 저항(Ω㎠)이고,
ΔΕ = 부식 전위로부터 얻은 편극화 전압(V)이며,
Ι = ΔΕ에서 전류 밀도(A/㎠)이다.
부식율(mdd)=89500·M·K/(n·Rp)
상기 식 중, M = 시험 쿠폰의 단위 원자량(mg)이고,
K = 전환 계수(V)이며,
n = 시험 쿠폰에 대한 부식 반응의 전자의 수이고,
Rp = 단위 면적당 편극화 저항(Ω㎠)이다.
침투율(mm/y)=3270·M·K/(d·n·Rp)
상기 식 중, M = 시험 쿠폰의 단위 원자량(mg)이고,
K = 전환 계수(V)이며,
D = 시험 쿠폰의 밀도(g/㎤)이고,
n = 시험 쿠폰에 대한 부식 반응의 전자의 수이며,
Rp = 단위 면적당 편극화 저항(Ω㎠)이다.
편극화 측정은 3개의 전극, 즉, 작용 전극으로서의 시험 쿠폰, 참조 전극 및 반대 전극을 사용하는 3-전극법에 의해서, 또는 반대 전극이 참조 전극으로서도 기능하는 2-전극법에 의해서 수행할 수 있다. 사용되는 전류는 직류 또는 저 주파수 교류인 것이 바람직하며, 일정한 전류 또는 일정한 전위 조건 하에서 측정을 하는 것이 바람직하다.
부식율과 침투율을 편극화 저항에 준하여 계산할 경우에는, 액체 저항을 측정하여 겉보기 저항의 측정치로부터 감산함으로써 실제 저항 측정치를 얻는 것이 바람직하며, 이러한 측정치를 부식율과 침투율을 측정하는 데 사용한다. 이와 같은 액체 저항 측정치에 의한 상쇄는 특히 검사하고자 하는 금속 재료가 침지된 부식액의 전도도가 작은 경우에 유효하다.
편극화 측정에 사용되는 장치로서, 정전류 장치 또는 정전위 장치와 같은 전원, 전류계와 고 입력 임피턴스 전압계의 조합체 또는 동일한 기능을 가진 장치가 사용된다. 편극화 측정에 의한 부식율 측정법에 의하면 측정 순간에 부식율을 측정할 수 있다. 즉, 온라인 부식 검사가 가능하다. 또한, 컴퓨터와 같은 데이터 로깅 장치를 사용함으로써, 부식율을 연속적으로 온라인 측정하는 연속적인 측정을 실시하고 부식 사고가 일어나기 쉬운 열 전달 표면 상의 부식 측정도 실시한다.
참조 전극과 반대 전극을 검사하고자 하는 시스템에 배치할 경우, 편극화 저항의 측정 외에도 전기 화학적 측정, 즉, 양극 편극화 측정, 음극 편극화 측정, 교류 임피던스 측정 등을 열 전달 조건하에 실시한다. 이와 같은 전기 화학적 측정에 의하면, 부식 반응 메카니즘, 피팅 부식 전위의 측정, 극간 부식 재 패시베이션(repassivation) 전위 등을 추정할 수 있으므로, 금속 재료의 부식 경향을 측정해서 열 전달 조건하에 부식 저항을 비교할 수 있다.
2가지 유형의 시험 쿠폰을 사용함으로써, 열 전달 조건하에 전촉을 측정할 수 있다. 예를 들면 상이한 유형의 재료로 제조된 2개의 시험 쿠폰을 도선을 통해 접속시킴으로써, 열 전달 조건하에 전촉을 검사할 수 있다. 이 경우에는, 부식 측정법에 의해서 단락된 도선을 통해 흐르는 전류, 즉, 소위 갈바니 전기 전류를 측정할 수 있고, 단락된(접속된) 전도체의 경우에 전위를 측정할 수 있으며, 접속되지 않은 도선의 경우에 각각의 부식 전위를 측정할 수 있다.
도 3a와 도 3b의 구체예
도 1a, 1b, 2a 및 2b의 시험 쿠폰을 시스템에 장착시켰을 때, 시트형 가열 부재(4)의 가열 저항기(2)로의 전류를 제어하거나, 검사하고자 하는 시스템 외부로 열을 방사시킴으로써 비정상적인 가열을 방지할 수 있다. 그러나, 가열 부재에 대한 온도 제어 기구를 포함하는 부식 검사 장치는 도 3a와 도 3b에 도시한 장치인 것이 더욱 바람직하다.
도 3a와 도 3b에 있어서, 절연체로 피복된 디스크형 2원 금속 자동 온도 조절 장치(8)이 가열 부재에 부착되어 온도를 제어한다. 피복된 도선(3) 중 하나는 가열 저항기(2)의 한 단자에 접속되고, 다른 하나의 피복된 도선(3)은 자동 온도 조절 장치 및 피복된 도선(3')를 통해 가열 저항기(2)의 다른 한 단자에 접속된다.
2원 금속 자동 온도 조절 장치 대신에, 액체 팽창 자동 온도 조절 장치를 사용할 수도 있다. 자동 온도 조절 장치 대신에, 열전쌍 및 열 조절체와 같은 온도 센서를 사용할 수도 있다.
도 3a와 도 3b에는 2원 금속 열전쌍(8)이 사용되고 있지만, 온도 센서와 열 조절체를 사용할 수도 있다. 온도 센서는 시트형 가열 부재와 시험 쿠폰 사이의 결합 표면에 대향하여 시험 쿠폰의 표면에 부착시키며, 절연체로 피복할 수도 있다. 온도 센서가 얇은 것일 경우에, 예를 들면 얇은 열전쌍을 온도 센서로서 사용할 경우에, 그 온도 센서는 가열 부재와 시험 쿠폰 사이의 절연체 내부에 배치될 수 있다.
도 1a, 1b, 3a, 3b에 있어서 가열 부재는 박막 형태로 도시되어 있지만, 그것은 단편형, 전선형 또는 시트형의 형상을 가질 수도 있다. 이러한 형상의 어느 것에 있어서도, 가열 부재는 온도가 균일한 시트형 부분을 갖는다. 가열 저항기의 재료는 니켈 합금, 탄소 등일 수 있으나, 특별한 제한은 없다. 박막형, 단편형, 전선형 가열 부재의 배선 형태에는 특별한 제한이 없다. 가열 부재는 시험 쿠폰을 전체적으로 가열할 수 있도록 배열되는 것이 바람직하다. 박막형 가열 부재의 배선 형태는 에칭 방법에 의해 형성할 수 있다.
가열 부재를 피복하는 데 사용되는 절연성 합성 수지는 부식액과 접촉할 경우에도 변성되지 않는 임의의 수지일 수 있다. 그 예로서는 폴리에틸렌과 같은 열가소성 수지 및 실리콘 수지와 같은 열경화성 수지를 들 수 있다. 접착제(5)로서 사용되는 접착제는 부식액과 접촉하는 경우에도 변성되지 않는다.
도선(3, 3', 6)을 절연성 재료와 접촉시킴으로써, 시험 쿠폰(1)을 수용액과 같은 전해질 중에 직접 배치할 수 있다. 시험 쿠폰(1)을 부식 검사를 요하는 시스템에 배치함으로써, 시험 쿠폰(1)을 부식액과 접촉시킨다. 이어서, 시험 쿠폰(1)을 검사하고자 하는 부분과 동일한 열 전달 조건에 부친다. 이러한 조건 하에서 부식 검사를 수행한다. 가열 부재로부터의 열 전달을 향상시키기 위해서, 작은 열 전도성 물체를 시험 쿠폰 측면에 대향하는 시트형 가열 부재의 표면 상에 부착시킬 수 있다.
시트형 가열 부재와 검사하고자 하는 금속 재료 사이에 배치된 절연체의 두께를 변화시킴으로써, 검사하고자 하는 금속 재료의 온도를 단지 시트형 가열 부재의 종류에 따라서만 변화시킬 수 있다. 두께를 변화시키는 대신에, 열 계수가 상이한 절연체를 제조함으로써, 검사하고자 하는 금속 재료의 온도를 동일한 방식으로 단지 시트형 가열 부재의 종류에 따라서만 변화시킬 수도 있다. 열 전도성 부분을 각각의 공정에 있어서 다양한 온도하에 검사해야 할 경우에는 이것이 유효한 방법의 하나가 된다. 열 전도성 부분을 각각의 공정에 대하여 다양한 온도에서 검사해야 할 경우에, 시트형 가열 부재의 조성 또는 공급하고자 하는 전기 에너지를 변화시킬 수 있다.
도 4a 내지 도 4c의 구체예
일반적으로, 시험 쿠폰의 외면 상에 온도 센서가 위치할 경우, 신뢰도가 열등한데, 그 이유는 온도 센서가 그것이 접촉하고 있는 부분에서만 온도를 검출하기 때문이다. 또한, 온도 센서는 파손되고, 과열이 발생함으로써 목적하는 부식 검사법을달성할 수가 없다.
도 4a 내지 도 4c의 시험 쿠폰은 이러한 문제점을 방지하기 위해서 PTC(양성 온도 계수) 가열기(10)을 구비한다.
도 4a 내지 도 4c에 있어서, 피복된 도선(3,3')은 전도체(9,9')에 접속된다. PTC 가열기(10)과 전도체(9,9')은 절연성 합성 수지(4a)에 의해 봉입된다. 시험 쿠폰(1)은 접착제(5)에 의해 PTC 가열기(10)에 직면하는 부분에서 봉입된 판 부재에 결합된다.
PTC 가열기는 당분야에 알려진 바와 같이 양성 온도 특성을 갖는다. 양 측면 상에 배치된 전도체(9,9')를 통해 PTC 가열기에 전류가 가해질 때, PTC 가열기는 소정의 온도까지 가열된다. PTC 가열기의 저항은 큐리 온도를 초과한 이후에 급격하게 증가하기 때문에, PTC 가열기는 결코 소정 온도를 초과하는 일이 없다.
PTC 가열기를 가열 부재로서 사용할 경우에, 부식 검사 장치의 양 표면은 도 3에 도시한 구체예로서 외부 온도 센서를 사용하는 경우에 비하여 용이하게 편평한 형상 또는 곡면 형상으로 제조할 수 있다. 그러므로, 1종 이상의 금속 재료를 부식 검사 장치의 양 표면 상에 용이하게 배치할 수 있다.
가열 부재 자체가 온도 제어 기구를 갖기 때문에, 가열 부재로서 PTC 가열기를 이용하면, 장치의 구조를 간소화시키므로 제조 비용을 감소시킬 수 있다. 또한, 외부 온도 센서를 사용할 경우 온도 센서가 파손될 때 유발되는 과열의 위험이 없기 때문에 유리하다. 또한, PTC 가열기는 전체 가열 부재를 통한 온도 제어 기구를 갖기 때문에, PTC 가열기는 외부 온도 센서에 의한 온도 제어에 비해서 균일하게 시험 쿠폰을 가열할 수 있다.
PTC 가열기(10)을 구성하는 양성 특성의 저항기 성분은 미량의 희토류가 첨가된 바륨 티타네이트, 열가소성 수지와 전도성 재료와의 혼합물, 알킬렌 옥사이드를 단위 성분으로 하는 유기 화합물과 전도성 재료와의 혼합물 및 경화성 실리콘 고무와 전도성 재료와의 혼합물을 포함한다.
열가소성 수지와 전도성 재료와의 혼합물에 사용되는 열가소성 수지로는 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리비닐 클로라이드, 폴리에틸렌 테레프탈레이트, 폴리비닐리덴 클로라이드, 플루오로탄소 중합체, 폴리아미드 및 에틸렌 비닐 아세테이트 공중합체를 들 수 있다. 전도성 재료로는 탄소 입자, 탄소 알갱이(bean), 금속 분말, 탄소 스테이플 및 탄소 휘스커(whisker)를 들 수 있다.
양성 특성 저항기 성분으로서 알킬렌 옥사이드를 단위 성분으로 하는 유기 화합물과 전도성 재료와의 혼합물에 사용되는 알킬렌 옥사이드 기를 갖는 유기 화합물로는, 폴리에틸렌 글리콜, 폴리에틸렌 옥사이드, 폴리에틸렌과 폴리옥시프로필렌과의 공중합체(소위 Pluronic), 폴리옥시에틸렌 알킬 에테르, 폴리옥시에틸렌 알킬 알릴 에테르, 폴리옥시에틸렌 알킬 에스테르, 폴리옥시에틸렌 알킬 아민, 폴리옥시에틸렌 소르비탄 지방산 에스테르, 트리옥산 및 크라운 에테르를 들 수 있다. 전도성 재료로는 탄소 입자, 탄소 알갱이, 금속 분말, 탄소 스테이플 및 탄소 휘스커를 들 수 있다.
경화성 실리콘 고무와 전도성 재료와의 혼합물에 사용되는 경화성 실리콘 고무로는 분자 1개당 가수분해성 기에 결합된 3개 이상의 규소 원자를 가진 오르가노폴리실록산을 함유하는 실리콘 고무, 분자 1개당 가수분해성 기에 결합된 2개 이상의 실란올 기 또는 2개 이상의 규소 원자를 가진 오르가노폴리실록산을 함유하는 실리콘 고무 및 분자 1개당 평균적으로 가수분해성 기에 결합된 2개 이상의 규소 원자를 함유하는 유기 실리콘 화합물, 및 분자 1개당 규소 원자에 결합된 2개 이상의 알케닐 기를 가진 오르가노폴리실록산과 가교제로서 평균적으로 규소 원자에 결합된 2개 이상의 수소 원자를 갖는 오르가노폴리실록산과의 혼합물(백금 촉매를 경화제로서 첨가함)을 들 수 있다. 전도성 재료의 예로는 탄소 입자, 탄소 알갱이, 금속 분말, 탄소 스테이플 및 탄소 휘스커를 들 수 있다.
전술한 바와 같은 양성 특성 저항기 성분에 있어서, 성분 내의 화합물들의 비율을 변화시킴으로써 큐리 온도를 변화시킬 수 있다. 따라서, 본 발명에 있어서는 바람직한 조건을 달성할 수 있는 온도 특성을 가진 양성 특성 저항기 성분을 적절하게 선택할 필요가 있다.
도 5a 내지 도 5d의 구체예
도 5a 내지 도 5d에 나타낸 바와 같이, 피복된 도선(6)은 도 4a 내지 도 4c에 도시한 것과 동일한 구조의 시험 쿠폰(1)에 부착된다. 부식 검사는 시험 쿠폰(1)에 전압을 가하고/가하거나 마이크로 전류를 가함으로써 수행한다. 도 5a 내지 도 5d에 있어서, PTC 가열기(10)의 주위는 수지(4a)로 봉입된다. 전기 화학 측정을 수행하는 경우에, 검사하고자 하는 부분의 면적은 너무 크지 않은 것이 바람직한데, 예를 들면 10 cm2이하인 것이 바람직하다. 그러므로, 검사하고자 하는 금속 재료(1)는 검사되는 부분(개구)(11)을 제외하고는 절연성 합성 수지로 피복된다. 전도체(9,9')는 각각 빗과 같은 형상으로 형성됨으로써 PTC 가열기(10)을 전체적으로 균일하게 가열한다.
전술한 각각의 구체예에 있어서 시험 쿠폰(1)은 판과 같은 형상으로 형성되지만, 시험 쿠폰은 하나 이상의 편평한 표면 또는 곡면을 갖는 한 그 형상에 특별한 제한이 없다. 곡면을 갖는 형상의 예로서는 막대형, 튜브형, 반튜브형 및 원통형 형상을 들 수 있다.
극간에서 국소 부식을 검사하기 위한 극간을 모방하기 위해 용접된 2개의 판을 포함하는 물품까지도, 하나 이상의 편평한 표면 또는 곡면을 갖는 것인 한, 사용할 수 있다.
시험 쿠폰은 실제 플랜트에서 각종 공정에 사용하는 것과 동일한 재료 또는 실제 플랜트에서는 사용되지 않지만 사용할 가능성이 있는 임의의 재료로 제조될 수 있다. 각종 공정 유닛으로부터 절단하여 실제 플랜트의 부식성 환경에 노출시킨 단편을 사용할 수도 있다.
도 4a 내지 도 4c 및 도 5a 내지 도 5c에서 PTC 가열기(10)에 대해 하나의 시험 쿠폰을 배치하였지만, 2개 이상의 시험 쿠폰을 배치할 수도 있으며, 이 경우에 이들은 PTC 가열기(10)의 양 측면 상에 배치할 수 있다.
본 발명에 의하면, 다양한 재료와 다양한 형상으로 된 금속 단편을 실제 플랜트로부터 절단된 시험 쿠폰으로서 사용할 수 있도록 하나 이상의 편평한 표면 또는 곡면을 갖는 한, 시험 쿠폰의 재료와 형상에는 제한이 없다. 열 전달 조건 하에 정확한 부식 검사를 수행할 수 있다.
본 발명에 의하면, 열 전달 조건 하에서도 부식 검사를 용이하게 수행할 수 있으므로, 많은 금속 재료에 대한 부식 검사를 동시에 실시할 수 있다. 또한, 시험 쿠폰을 실제 플랜트의 부식성 환경에 용이하게 배치할 수 있으므로, 실제 부식성 환경에서 부식 검사를 실행할 수 있다.
본 발명에 의하면, 재료를 한정하지 않고 열 전달 조건하에 온라인 부식 측정을 수행할 수 있다. 본 발명은 실험실에서의 부식 평가에 적용할 수 있으므로, 열 전달 조건하에서 부식 평가 시험을 하는 데 유리하다.
본 발명의 시험 쿠폰에 사용되는 금속 재료에는 제한이 없으며, 본 발명은 특히 스텐레스 스틸, 니켈, 니켈 합금, 티탄, 티탄 합금, 알루미늄, 알루미늄 합금, 구리, 구리 합금, 크롬, 크롬 합금, 몰리브덴, 몰리브덴 합금, 텅스텐, 텅스텐 합금 및 망간 합금과 같은 내부식성 금속 재료의 부식 검사에 적용되는 것이 바람직하다.
도 7a와 도 7b는 본 발명에 의한 구체예에 따른 시험 쿠폰(31)을 도시한 정면도와 후면도이고, 도 7c와 도 7d는 각각 선 VIIC-VIIC 및 VIID-VIID를 따른 단면도이다.
스텐레스 스틸(일본 공업 표준 SUS304)로 제조된 금속 단편(21,21')은 스폿 용접에 의해서 스폿 용접부(23)에서 용접된다. 스폿 용접부(23) 이외의 부분에서 금속 단편(21,21') 사이에는 공간이 존재한다. 전위 측정을 위한 피복된 도선(26)의 단부는 연질 납땜 등에 의해서 금속 단편(21)에 접속되며, 접속된 부분은 절연성 재료(예를 들면 실리콘 수지)에 의해 피복된다. 시트형 가열 부재(22)는 접착제에 의해 금속 단편(21)의 외면에 결합된다. 시트형 가열 부재(22)에는 연속 상태를 이루도록 피복된 도선(27)이 연결된다.
시트형 가열 부재(22)는 양성 특성 저항기 성분으로 구성된 가열 부재이며, 절연성 재료(25)(예를 들면 실리콘 수지)로 피복된다.
시트형 가열 부재(22)의 치수는 금속 단편(21)보다 약간 더 작다. 시트형 가열 부재(22)는 전체적으로 밀봉되며, 시트형 가열 부재(22)의 외부에 위치한 금속 단편(21)의 주변 부분 또한 전술한 절연성 재료(25)에 의해 밀봉된다. 절연성 재료(25)는 또한 금속 단편(21)의 단부를 통해 금속 단편(21)의 내면(금속 단편(21)에 직면하는 표면)의 주변 부분을 덮는다.
용접에 의해 결합된 2개의 금속 단편의 형상은, 그 단편들이 동일한 재료로 제조된 것인한 제한이 없다. 단편들은 그 표면을 검사된 금속과 동일한 상태를 갖도록 처리한 후에 용접에 의해 결합시키는 것이 바람직하다.
용접에 대해서는 특별한 제한이 없으므로, 스폿 용접을 사용할 수 있다. 용접하는 동안에 배제되는 시험 쿠폰을 사용해서는 안된다. 2개의 금속 단편을 결합시키는 데 사용되는 용접 부분의 수에 대해서는 특별한 제한이 없지만, 금속 단편은 1 내지 3개의 부분에서 결합시키는 것이 적합하다. 용접부를 제외한 금속 단편의 표면적은 용접부의 면적보다 더 넓은 것이 바람직하다. 용접한 이후에는 용접부 주위에서 임의의 후처리(응력 이완)를 실시하지 않는다.
용접 조건은 검사하고자 하는 시스템의 부식율과 검사하고자 하는 금속의 부식 감도(잔류 응력, 감도 등), 따라서 극간이 개재하는 용접된 금속 단편들의 부식 감도에 따라 변화시킬 수 있으므로, 검사는 실제 플랜트와 상당히 유사한 조건 하에서 실시할 수 있다.
또한, 부식 감도는 감수성 부여(sensitization)에 의해 제어할 수 있다.
용접에 의해 결합된 2개의 금속 단편 사이의 극간은 극간 개구의 넓이(도 6의 a)가 극간의 깊이(도 6의 b)의 1/10 또는 그 이하가 될 수 있는 방식으로 설정되는 것이 바람직하다.
도 6은 금속 단편(21,21)이 스폿 용접 부분(23)에서 용접되고, 금속 단편(21,21) 사이에 극간(24)이 존재하는 본 발명의 시험 쿠폰의 한 실시예를 도시한 측면도이다.
시험 쿠폰에 피복된 도선을 연결시킴으로써, 피복된 도선을 통해 전위를 측정할 수 있다. 시험 쿠폰과 피복된 도선을 연결시키기 위한 방법에는 특별한 제한이 없다. 그 예로서는 크림프 스타일의 단자를 가진 피복된 도선을 나사에 의해 시험 쿠폰에 연결시키는 방법 및 연질 납땜에 의해 연결시키는 방법을 들 수 있다. 시험 쿠폰과 피복된 도선 사이의 연결 부분은 시험액에 침지시킬 경우에 부식을 방지하기 위해서 절연성 수지로 피복할 필요가 있다.
시트형 가열 부재는 용접된 금속 단편 외면의 넓은 쪽 표면에 부착된다. 2개의 금속 단편의 외면의 면적이 동일할 경우에, 가열 부재는 어느 하나의 단편에 부착된다. 시트형 가열 부재에 의하면 시험 쿠폰을 균일하게 가열할 수 있으므로, 열 전도성 표면의 환경을 모의할 수 있다.
시트형 가열 부재에는 특별한 제한이 없다. 시트형 가열 부재는 금속 단편과시트형 가열 부재 사이에 연속성을 갖지 않도록 하는 방식으로 극간이 개재하는 상태로 용접된 금속 단편에 결합시킬 필요가 있다. 이와 같은 목적을 달성하기 위한 한 방법으로서, 시트형 가열 부재의 외면을 절연성 수지로 피복할 수 있다.
시험 쿠폰은, 열 전도성 표면의 온도가 검사하고자 하는 열 전도성 표면의 온도와 동일하게 될 수 있는 방식으로 시트형 가열 부재에 의해 가열하는 것이 바람직하다. 그러므로, 시트형 가열 부재는 온도 제어 기구를 구비하는 것이 바람직하다. 온도 제어 기구로서는, 액체 팽창 자동 온도 조절 장치, 2원 금속 자동 온도 조절 장치, 열전쌍 온도 센서를 사용하는 제어 기구를 사용할 수 있다.
시트형 가열 부재로서 전기 저항이 온도 변화에 대하여 급변하는 특성을 갖는 PTC 가열기, 즉, 양성 온도 특성을 갖는 PTC 가열기를 사용함으로써, 장치를 보다 간단하게 제조할 수 있는데, 이 경우에는 가열 부재 자체가 온도를 제어하는 기능을 갖기 때문이다. PTC 가열기를 가열 부재로서 사용할 경우에는, 외부 온도 센서가 필요하지 않으므로, 장치 파손의 경우에 과열될 위험이 없다. 일반적으로, 외부 온도 센서에 의해 온도를 제어하는 경우와 비교하여 보다 적은 전기 에너지가 필요하므로, 에너지 보존 면에서도 유리하다.
PTC 가열기(10)을 구성하는 양성 특성 저항기 성분의 예로서는 미량의 희토류가 첨가된 바륨 티타네이트, 열가소성 수지와 전도성 재료와의 혼합물, 알킬렌 옥사이드를 단위 성분으로 하는 유기 화합물과 전도성 재료와의 혼합물 및 경화성 실리콘 고무와 전도성 재료와의 혼합물을 들 수 있다.
열가소성 수지와 전도성 재료와의 혼합물에 사용되는 열가소성 수지로는 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리비닐 클로라이드, 폴리에틸렌 테레프탈레이트, 폴리비닐리덴 클로라이드, 플루오로탄소 중합체, 폴리아미드 및 에틸렌 비닐 아세테이트 공중합체를 들 수 있다. 전도성 재료로는 탄소 입자, 탄소 알갱이, 금속 분말, 탄소 스테이플 및 탄소 휘스커를 들 수 있다.
양성 특성 저항기 성분으로서 알킬렌 옥사이드를 단위 성분으로 하는 유기 화합물과 전도성 재료와의 혼합물에 사용되는 알킬렌 옥사이드 기를 갖는 유기 화합물로는, 폴리에틸렌 글리콜, 폴리에틸렌 옥사이드, 폴리에틸렌과 폴리옥시프로필렌과의 공중합체(소위 Pluronic), 폴리옥시에틸렌 알킬 에테르, 폴리옥시에틸렌 알킬 알릴 에테르, 폴리옥시에틸렌 알킬 에스테르, 폴리옥시에틸렌 알킬 아민, 폴리옥시에틸렌 소르비탄 지방산 에스테르, 트리옥산 및 크라운 에테르를 들 수 있다. 전도성 재료로는 탄소 입자, 탄소 알갱이, 금속 분말, 탄소 스테이플 및 탄소 휘스커를 들 수 있다.
경화성 실리콘 고무와 전도성 재료와의 혼합물에 사용되는 경화성 실리콘 고무로는 분자 1개당 가수분해성 기에 결합된 3개 이상의 규소 원자를 가진 오르가노폴리실록산을 함유하는 실리콘 고무, 분자 1개당 가수분해성 기에 결합된 2개 이상의 실란올 기 또는 2개 이상의 규소 원자를 가진 오르가노폴리실록산을 함유하는 실리콘 고무 및 분자 1개당 평균적으로 가수분해성 기에 결합된 2개 이상의 규소 원자를 함유하는 유기 실리콘 화합물, 및 분자 1개당 규소 원자에 결합된 2개 이상의 알케닐 기를 가진 오르가노폴리실록산과 가교제로서 평균적으로 규소 원자에 결합된 2개 이상의 수소 원자를 갖는 오르가노폴리실록산과의 혼합물(백금 촉매를 경화제로서 첨가함)을 들 수 있다. 전도성 재료의 예로는 탄소 입자, 탄소 알갱이, 금속 분말, 탄소 스테이플 및 탄소 휘스커를 들 수 있다.
전술한 바와 같은 양성 특성 저항기 성분에 있어서, 성분 내의 화합물들의 비율을 변화시킴으로써 큐리 온도를 변화시킬 수 있다. 따라서, 본 발명에 있어서는 바람직한 조건을 달성할 수 있는 온도 특성을 가진 양성 특성 저항기 성분을 적절하게 선택할 필요가 있다.
시트형 가열 부재의 치수와 형상에는 특별한 제한이 없다. 시트형 가열 부재의 치수와 형상은, 시트형 가열 부재가 부착된 시험 쿠촌의 치수와 형상에 상응하도록 고안하는 것이 바람직하다. 시트형 가열 부재가 그 양면 상에 열 전도성 부분을 가질 경우에는, 시험 쿠폰을 시트형 가열 부재의 양면에 부착시킬 수 있다. 시험 쿠폰이 이와 같은 시트형 가열 부재의 단 한 면에만 부착된 경우에는, 열 절연 물질을 다른 한 표면에 부착시키고 그 표면에는 시험 쿠폰을 부착시키지 않음으로써, 시험 쿠폰이 부착되지 않은 상기 표면으로부터 산란을 통해 열이 방사되는 것을 방지할 수 있다. 시트형 가열 부재로서 열 전도성 표면은 가요성 재료로 제조되거나 사전에 소정의 형태로 형성시킴으로써, 곡면을 가진 시험 쿠편에도 부착시킬 수 있도록 되어 있다.
시험 쿠폰과 시트형 가열 부재를 결합시키는 방법에 관해서는 특별한 제한이 없으므로, 접착제 또는 압감 접착제 양면 테이프를 사용할 수 있다. 그러나, 시트형 가열 부재에 의해 방사되는 열에 의해 영향을 받지 않는 특성을 가진 접착제 재료를 사용할 필요가 있다.
시험 쿠폰과 시트형 가열 부재는 물이 시험 쿠폰과 시트형 가열 부재 사이의 공간 내로 흐르는 것을 방지하도록 보호할 필요가 있다. 이와 같은 수단의 일례로서, 금속 시험 쿠폰과 시트형 가열 부재 사이의 공간을 절연성 물질로 밀봉하는 방법이 있다. 금속 시험 쿠폰과 시트형 가열 부재 사이의 공간 이외에 다른 부분, 즉, 검사하고자 하는 부분을 제외한 다른 부분도 밀봉할 수 있다.
절연성 재료로 만들어진 시험 쿠폰 홀더를 사용할 수 있는데, 이 홀더는 검사된 부분만을 시험용 물과 접촉시키는 개구를 갖고 다른 부분은 시험용 물과 접촉시키지 않도록 포장할 수 있는 것이다. 이 경우에, 홀더와 그 홀더의 개구를 따른 열 전도성 표면(금속 표면) 사이의 공간을 배제하여 이 부분 주위에서 극간 부식을 방지할 필요가 있다.
본 발명의 부식 검사 방법 및 장치는 전술한 바와 같은 본 발명의 시험 쿠폰을 검사하고자 하는 시스템의 물(시험용 물로도 언급함)과 접촉시키고, 그 시험 쿠폰의 부식 전위 변화를 측정하는 단계를 포함한다.
구체적으로, 예를 들면, 전술한 시험 쿠폰과 참조 전극(표준 전극)을 시험용 물에 침지시키고 시험 쿠폰과 참조 전극 사이의 전위차를 경시적으로 측정한다. 이 경우에, 피복된 도선을 시험 쿠폰에 연결시켜야 하며, 전위차는 그 피복된 도선을 통해 측정한다.
전위차 측정은 전위차계, 디지탈 멀티미터, 시험기 또는 전압 입력용 A/D 전환기를 이용하는 컴퓨터에 의해 수행할 수 있다. 참조 전극의 예로는 Ag/AgCl/포화 KCl 전극, SCE 전극, Cu/CuSO4전극 및 Hg/Hg2SO4전극을 들 수 있다.
시험 쿠폰을 시험용 물과 접촉시키는 방법에 대해서는 특별한 제한이 없다. 그 예로서는, I. 시험용 물을 검사하고자 하는 시스템의 파이프로부터 분지 파이프를 통해 작은 탱크로 운반시키는 단계 및 시험 쿠폰을 탱크 내에서 물(시험용 물)에 침지시키는 단계를 포함하는 방법, II. 시험 쿠폰을 검사하고자 하는 시스템에 배치된 배쓰(예: 냉각탑의 피트)에서 시험용 물에 침지시키는 단계를 포함하는 방법, III. 시험용 물을 검사하고자 하는 시스템의 파이프로부터 분지 파이프를 통해 칼럼으로 급송하여 시험용 물을 검사 기간 동안에 칼럼 내에서 유동시키는 단계를 포함하는 방법을 들 수 있다.
유동수 칼럼을 이용하는 상기 방법 III의 경우에, 검사하는 동안에 칼럼내의 유속을 일정하게 하기 위해 제어 밸브를 사용하는 것이 바람직하다. 또한, 검사하고자 하는 파이프(예를 들면 열 교환기의 파이프) 내부 또는 외부에서 유동하는 물의 유속을 제어함으로써, 더욱 정확하게 검사할 수 있다.
본 발명의 방법은 실험실에서 내부식성을 평가하는 데 사용하여 금속 재료를 특정 환경에 사용할 수 있는지의 여부를 결정할 수 있다. 이 경우에는, 검사용 용기(예: 비이커)에서, 평가하고자 하는 금속 재료로 제조된 시험 쿠폰과 참조 전극을, 그 금속 재료와 함께 사용될 수용액에 침지시킨다.
시험 쿠폰의 용접부와 시험 쿠폰의 용접부 주위의 열적 효과(감도)에 대해서는 제한이 전혀 없다. 시험 쿠폰은 검사하고자 하는 금속 재료의 추정된 조건 또는 열 처리에 의해 제어된 상태와 동일하거나 그보다 약간 잔류 응력이 높은 조건 하에서 용접하는 것이 바람직하다. 이로써, 금속 재료의 부식 가능성에 관한 정확한 예측을 할 수 있다. 다양한 잔류 응력과 열적 효과를 갖는 복수의 시험 쿠폰을 검사용 용액 중에 침지시킬 수 있다.
시험 쿠폰의 열 전도성 표면의 온도에 대해서는 특별한 제한이 없다. 열 전달 표면은 검사하고자 하는 열 교환기 튜브와 같은 금속 부재의 표면 온도와 동일하거나 약간 높은 온도를 가짐으로써 검사하고자 하는 파이프의 부식 가능성에 관하여 정확히 예측할 수 있도록 제어하는 것이 바람직하다. 다양한 온도 조건 하에서 각각의 열 전달 표면을 갖는 복수의 시험 쿠폰을 검사용 용액중에 침지시킬 수 있다.
검사는, 종래 기술의 검사법에 사용되는 균일한 금속 표면을 갖는 통상의 시험 쿠폰, 열 전달 표면을 갖도록 시트형 가열 부재가 부착된 통상의 시험 쿠폰, 또는 열 전달부가 없는 본 발명의 시험 쿠폰을 시험용 물에 침지시키고, 각각의 부식 전위 변화를 측정하는 방식으로 수행할 수 있다.
따라서, 시험용 물 내에서 금속 재료의 부식 가능성은 전술한 바와 같은 방식에 따라 얻어지는 시험 쿠폰의 전위의 변화 형태에 근거하여 예측된다. 전위의 측정은 전적으로 컴퓨터 또는 데이터 로깅 장치에 의해 수행할 수 있다. 백금 전극에 의해서 산화 환원 전위를 측정함으로써 시험용 물의 산화 경향을 동시에 평가할 수 있다.
실시예 1
도 8에 도시한 비이커 시험에 의해서, 도 7a 내지 도 7c에 도시한 시험 쿠폰(31)을 금속(본 실시예에서는 SUS304)의 부식 검사에 사용하였다.
실제 플랜트에서의 냉각수를 모의한 합성 냉각수를 시험용 물로서 1리터 비이커 내에 주입하고 시험용 물 중의 염화 음이온 농도가 2000 mg Cl-/l가 될 수 있도록 염화나트륨을 첨가하였다. 합성 냉각수의 주요 성질은 다음과 같다: 칼슘 경도 280 mg CaCO3/l, M 알칼리도: 240 mg CaCo3/l 및 마그네슘 경도: 160 mg CaCO3/l. 물때가 형성되는 것을 억제하기 위해 합성 냉각수에는 합성 중합체를 첨가하였다.
시험용 물(합성 냉각수)를 함유하는 비이커(34)를 열중탕(36)에 넣고, 시험용 물이 40℃로 유지되도록 조절하였다.
본 발명의 시험 쿠폰(31) 및 비교용으로 종래 기술의 검사에 사용되는 것으로서 균일한 금속 표면을 갖는 통상의 시험 쿠폰(SUS304)을 시험용 물에 침지시키고, 참조 전극(Ag/AgCl/포화 KCl 전극)(33)을 기준으로 하여 전위를 검사하였다. 본 발명의 시험 쿠폰(31)의 열 전도성 표면의 온도는 70℃로 설정하였다.
도 9에 도시한 바와 같이, 본 발명의 시험 쿠폰의 전위는 침지시킨 후 단시간 내에 하강하였다. 반면에, 시험 기간 동안에 통상의 시험 쿠폰(32)에서는 전위 의 현저한 변화가 관찰되지 않았다.
침지 시험 이후에, 극간과 용접부 주위의 부분을 관찰하였으며, 그 결과 극심한 극간 부식과 응력 부식 균열이 있는 것으로 밝혀졌다. 반면에, 통상의 시험 쿠폰(32)에서는 부식이 전혀 없었다.
실시예 2
금속(본 실시예에서는 SUS304)의 부식 검사를 위해 실제 냉각 수계 모의한 파일럿 플랜트에서 실시예 1의 시험 쿠폰(31)을 사용하였다.
구체적으로, 실시예 1의 시험 쿠폰 및 비교용으로 종래 기술의 검사에 사용된 것으로서 균일한 금속 표면을 갖는 통상의 시험 쿠폰(SUS304)을 냉각탑의 피트 내의 물에 침지시켰다. 본 발명의 시험 쿠폰(31)의 열 전도성 표면의 온도를 70℃로 설정하였다.
시험 시스템의 배열을 개략적으로 도 10에 도시하였다. 도 10은 시험 시스템을 실제 플랜트에 적용할 경우를 나타낸 개요도이다. 이 시스템에서, 순환하는 물의 유속은 340 리터/분이고, 물 보유량은 310 리터이며, 열 교환기(40)의 주입구에서 냉각수의 수온은 30℃이고, 열 교환기(40)의 배출구에서 냉각수에 대한 수온은 40℃이다. 시험용 물로서 아츠기시의 수도물을 응축된 상태로 사용하였다. 실제 시스템으로부터 수집된 냉각 수계 내의 현탁된 고형물과 부착물을 연속적으로 시험용 물(35)에 첨가하였다.
본 발명의 시험 쿠폰(31)과 종래 기술의 검사에 사용된 균일한 금속 표면을 갖는 통상의 시험 쿠폰(SUS304)(32)의 전위를 전위차계(37)에 의해 참조 전극(Ag/AgCl/ 포화 KCl 전극)(33)을 기준으로 하여 검사하였다.
도 10에서, 도면 부호(38)은 냉각 탑 피트를 나타내고, (39)는 운반 펌프를, (42)는 팬을, 그리고 (43)은 충전재를 나타낸다.
본 발명의 시험 쿠폰(31)에 있어서는, 오염 물질이 부착되고 극간은 극심한 극간 부식을 나타내는 것으로 밝혀졌다. 반면에, 통상의 시험 쿠폰(32)에 있어서는 오염 물질이 부착되지만, 그 양이 소량이며, 극심한 극간 부식은 관찰되지 않았다. 실시예 1과 마찬가지로, 시험 기간 동안에 본 발명의 시험 쿠폰(31)의 전위는 하강하는 반면, 통상의 시험 쿠폰(32)의 전위에는 유효한 변화가 없었다.
전술한 바와 같이, 용접부, 극간 및 열 전도성 부분을 갖는 본 발명의 시험 쿠폰을 사용함으로써, 실제 플랜트에서 부식 문제가 극심한 모의된 조건 하에 검사를 실시할 수 있다. 그러므로, 본 발명에 의한 검사 방법은 종래의 검사법에 비해 부식 반응에 대하여 개선된 감도를 갖는다. 본 발명에 의하면, 종래 기술에서는 곤란하였던, 실제 플랜트 내의 금속 재료에 대한 부식 가능성에 관한 예측을 신속하고 정확하게 실시할 수 있다. 따라서, 실제 플랜트에서 극심한 부식의 진행을 사전에 예방 조치할 수 있다.

Claims (14)

  1. 부식액과 접촉하는 경우에 부식이 발생하는 열 전달 조건하에 금속 부재의 부식을 검사하기 위한 부식 검사 방법으로서,
    - 금속 부재와 동일한 재료로 제조된 시험 쿠폰의 한 표면을 시트형 가열 부재에 의해 가열하는 단계,
    - 시험 쿠폰의 다른 한 표면의 적어도 일부를 부식액과 접촉시키는 단계,
    - 시험 쿠폰의 부식 상태를 검출하는 단계, 및
    - 검출 결과에 근거하여 금속 부재의 부식을 검사하는 단계
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 부식 검사 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 가열 부재는 그 온도가 제어된 것인 부식 검사 방법.
  3. 제2항에 있어서, 상기 가열 부재가 PTC 가열기를 포함하는 것인 부식 검사 방법.
  4. 부식액과 접촉하는 경우에 부식이 발생하는 열 전달 조건하에 금속 부재의 부식을 검사하기 위한 부식 검사 방법으로서,
    - 반대 전극 또는 참조 전극을 부식액에 침지시키는 단계,
    - 금속 부재와 동일한 재료로 제조된 시험 쿠폰의 한 표면을 시트형 가열 부재에 의해 가열하는 단계,
    - 시험 쿠폰의 다른 한 표면의 적어도 일부를 부식액과 접촉시키는 단계,
    - 시험 쿠폰과 반대 전극 또는 참조 전극 간의 전기 신호를 측정하는 단계, 및
    - 측정 결과에 근거하여 금속 부재의 부식을 검사하는 단계
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 부식 검사 방법.
  5. 부식액과 접촉하는 경우에 부식이 발생하는 열 전달 조건하에 금속 부재의 부식을 검사하기 위한 부식 검사 장치로서,
    - 금속 부재와 동일한 재료로 제조된 시험 쿠폰,
    - 시험 쿠폰의 한 표면을 가열하기 위한 시트형 가열 부재, 및
    - 시험 쿠폰의 다른 한 표면의 적어도 일부를 부식액과 접촉시켰을 때 시험 쿠폰의 부식 상태를 검출하는 검출 수단
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 부식 검사 장치.
  6. 제5항에 있어서, 가열 부재의 온도를 제어하기 위한 수단을 더 포함하는 것인 장치.
  7. 제6항에 있어서, 상기 가열 부재의 온도를 제어하기 위한 수단이 PTC 가열기를 포함하는 것인 장치.
  8. 부식액과 접촉하는 경우에 부식이 발생하는 열 전달 조건하에 금속 부재의 부식을 검사하기 위한 부식 검사 장치로서,
    - 부식액 내에 침지시키고자 하는 반대 전극 또는 참조 전극,
    - 금속 부재와 동일한 재료로 제조된 시험 쿠폰,
    - 시험 쿠폰의 한 표면을 가열하기 위한 시트형 가열 부재, 및
    - 시험 쿠폰의 다른 한 표면의 적어도 일부를 부식액과 접촉시켰을 때 시험 쿠폰과 반대 전극 또는 참조 전극 간의 전기 신호를 측정하는 측정 수단
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 부식 검사 장치.
  9. 금속 부재의 부식을 검사하는 데 사용되는 시험 쿠폰으로서, 열 전달 조건하에 상기 금속 부재와 동일한 재료로 제조된 것이며, 용접부와 극간을 갖는 것임을 특징으로 하는 시험 쿠폰.
  10. 제9항에 있어서, 상기 쿠폰에 부착된 시트형 가열 부재에 의해 열 전달이 제공되는 것인 시험 쿠폰.
  11. 제10항에 있어서, 상기 부재가 PTC 가열기를 포함하는 것인 시험 쿠폰.
  12. 제9항에 기재된 시험 쿠폰을 사용하여 그 시험 쿠폰의 부식 전위 변화를 측정하는 것이 특징인 부식 검사 방법.
  13. 제8항에 기재된 시험 쿠폰 및 그 시험 쿠폰의 부식 전위 변화를 측정하기 위한 수단을 포함하는 것이 특징인 부식 검사 장치.
  14. 제13항에 있어서, 상기 시험 쿠폰이 PTC 가열기를 포함하는 것인 부식 검사 장치.
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