KR20130046874A - 외부전원식 음극방식 및 희생양극식 음극방식 기술을 이용하는 해상 콘크리트 구조물의 하이브리드 음극 방식 시스템 및 방법 - Google Patents

외부전원식 음극방식 및 희생양극식 음극방식 기술을 이용하는 해상 콘크리트 구조물의 하이브리드 음극 방식 시스템 및 방법 Download PDF

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Abstract

수중부, 간만대, 비말대 및 대기부로 구분되는 해상 콘크리트 구조물의 하이브리드 음극 방식 시스템이 제공된다. 이 음극 방식 시스템은, 상기 비말대의 상부에 설치된 ICCP 양극을 포함하며, 상기 ICCP 양극에 직류 전력을 인가하여, 상기 해상 콘크리트 구조물 중 공기와 주로 접하는 부분을 음극 방식하는 외부전원식 음극 방식유닛과; 상기 수중부에 위치하는 희생양극을 포함하며, 상기 희생양극에 의해 상기 해상 콘크리트 구조물 중 해수에 잠긴 부분을 주로 음극 방식하는 희생양극식 음극 방식유닛을 포함한다.

Description

외부전원식 음극방식 및 희생양극식 음극방식 기술을 이용하는 해상 콘크리트 구조물의 하이브리드 음극 방식 시스템 및 방법{HYBRID TYPE CATHODE PROTECTION SYSTEM AND METHOD USING ICCP TYPE AND SACRIFICIAL ANODE TYPE CATHODE PROTECTION TECHNOLOGIES FOR MARINE CONCRETE STRUCTURE}
본 발명은 해상 콘크리트 구조물의 음극 방식 시스템에 관한 것으로서, 더 상세하게는, 외부전원식 음극 방식 기술과 희생양극식 음극 방식 기술을 복합적으로 이용하는 해상 콘크리트 구조물의 하이브리드 음극 방식 시스템 및 방법에 관한 것이다.
해상환경에 노출된 철 구조물이나 콘크리트 구조물(이하, '해상 콘크리트 구조물'이라 함)은 해수 속에 포함된 염소이온과 용존산소로 인해 빠른 부식이 발생하게 된다.
해상 콘크리트 구조물은 해수면에 대한 높이에 따라 크게 4개의 부분으로 나뉘며, 그 4개의 부분은 아래의 [표 1]과 같다.
구분 설명
수중부 * 해수면 아래에 항상 잠기는 부분
간만대 * 수중부 바로 윗 부분
* 조석 간만의 차에 의해 해수 침지와 공기 노출이 반복되는 부분
비말대 * 간만대 바로 윗 부분
* 해상 상태에 따라 파도에 의해 해수 또는 해수 비말이 묻는 부분
대기부 * 비말대의 바로 윗 부분
* 해수와 직접적인 접촉 없이 공기에 노출되는 부분
우리나라의 경우, 해역에 따라 그리고 절기에 따라 간만대 구간의 높이 차이가 존재한다.
이와 같은 해상 콘크리트 구조물의 금속을 부식으로부터 보호하기 위해 많은 기술이 제안되어 왔다. 콘크리트 구조물을 부식으로부터 보호하기 위한 방법으로는 도장과 같은 표면처리 기술과 음극 방식 기술이 대표적이다. 이들 중, 도장 등과 같은 표면 처리 기술은 도장 등 표면처리층이 열악한 부식 환경에 노출될 때 쉽게 열화되므로 많은 시간과 경비를 들여 주기적으로 보수를 해야만 하는 단점이 있다.
이에 반해, 음극 방식 공법은, 금속 부식을 방지하기 위한 방식 전류의 공급을 통해 금속 재료의 손상을 억제 또는 감소시키는 공법으로서, 제대로 설계와 시공이 이루어진다면 신뢰성이 높고 수명 또한 길다. 음극 방식 공법으로는 외부전원식 음극 방식 공법과 희생양극식 음극 방식 공법이 있다.
외부전원식 음극 방식 공법은 일반적으로 전원장치, 정류기 및 양극(anode)을 포함하는 음극 방식 시스템이 이용되며, 정류기에 의해 교류에서 직류로 변환된 전력을 콘크리트 구조물에 설치된 양극에 인가하여 방식 전류를 발생시키고, 그 방식 전류에 의해 콘크리트 구조물 내 철근을 보호한다. 또한, 희생양극식 음극 방식 공법은 콘크리트 구조물 내 철근보다 부식성이 큰 금속을 희생양극으로 이용하여 콘크리트 구조물 내 철근을 부식으로부터 보호한다.
해상 콘크리트 구조물의 위치에 따른 부식 정도를 비교하여 보면, 해수에 간헐적으로 접촉하는 수상부, 즉, 비말대와 간만대가 가장 심하다. 하지만, 수중부는, 비말대와 간만대에 비해 부식이 심하지 않지만, 수분에 의해 비저항이 낮아져 다른 부분들, 즉, 간만대, 비말대 및 대기부에 비해, 균일한 방식이 어렵다.
종래의 음극 방식 시스템은, 비저항이 낮은 수중부와 그렇지 않은 다른 부분들을 포함하는 해상 콘크리트 구조물에 대해, 외부전원식 음극 방식 공법과 희생양극식 음극 방식 공법 중 어느 하나만을 획일적으로 채택하여 이용함으로써, 부분적으로 서로 다른 환경 조건에 놓인 해상 콘크리트 구조물의 서로 다른 부분들에 적절한 방식 전류를 공급하기 어려웠다.
위와 같은 이유로, 당해기술분야에는 하나의 해상 콘크리트 구조물에서 부분적으로 다른 환경 조건에 놓인 부분들에 대하여, 그에 적절한 방식 전류를 공급하는 기술의 필요성이 존재하고 있다.
따라서, 본 발명이 해결하려는 과제는, 부분적으로 환경 조건이 다른 부분들 각각에 그에 적합하도록 외부전원식 음극 방식 공법과 희생양극식 음극 방식 공법을 적용하여, 해상 콘크리트 구조물 전체를 거의 균일하게 방식 보호할 수 있는 하이브리드 음극 방식 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 일 측면에 따라 수중부, 간만대, 비말대 및 대기부로 구분되는 해상 콘크리트 구조물의 하이브리드 음극 방식 시스템이 제공된다. 이 음극 방식 시스템은, 상기 비말대의 상부에 설치된 ICCP 양극을 포함하며, 상기 ICCP 양극에 직류 전력을 인가하여, 상기 해상 콘크리트 구조물 중 공기와 주로 접하는 부분을 음극 방식하는 외부전원식 음극 방식유닛과; 상기 수중부에 위치하는 희생양극을 포함하며, 상기 희생양극에 의해 상기 해상 콘크리트 구조물 중 해수에 잠긴 부분을 음극 방식하는 희생양극식 음극 방식유닛을 포함한다.
일 실시예에 따라, 상기 외부전원식 음극 방식유닛은 교류 전력을 직류 전력으로 변환하여 상기 ICCP 양극에 공급하는 ICCP 정류기를 더 포함한다.
일 실시예에 따라, 상기 ICCP 양극은 Ti을 주재료로 포함하며, 메쉬 또는 리본 구조를 갖는 것이 바람직하다.
일 실시예에 따라, 상기 희생양극은 아연 벌크 양극인 것인 것이 바람직하다.
일 실시예에 따라, 상기 음극 방식 시스템은 상기 해상 콘크리트 구조물의 수중부 전위를 측정하는 제1 기준 전극과 수중부 밖 전위를 측정하는 제2 기준 전극을 더 포함한다. 이때, 상기 제2 기준 전극은 상기 비말대에 설치되는 것이 바람직하다.
일 실시예에 따라, 상기 ICCP 양극은 상기 비말대와 상기 대기부에 걸쳐 상기 해상 콘크리트 구조물에 메쉬 구조로 설치된다.
일 실시예에 따라, 상기 음극 방식 시스템은 상기 간만대에 설치되는 추가 희생양극을 더 포함할 수 있다. 이때 , 상기 추가 희생양극이 공기와 접촉할 때 건조를 막기 위해 수분을 제공하기 위한 수단을 더 포함한다. 상기 수분을 제공하는 수단은 수중부의 해수를 흡수하여 끌어올릴 수 있는 흡습성 섬유 재료를 포함할 수 있다. 또한, 흡습성 섬유 재료를 보호하기 위해 고무 패널과 같은 유전체층을 흡습성 섬유 재료 상에 설치하여 이용할 수 있다. 이때 고무 패널에는 흡습성 섬유층과 해수를 접촉시키도록 흡습성 섬유층을 노출시키는 그루브 패턴들이 형성될 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따라, 해상 콘크리트 구조물의 음극 방식 방법이 제공되며, 이 음극 방식 방법은 수중부에 희생양극을 배치하는 한편, 수중부 밖 해상 콘크리트 구조물에는 ICCP 양극을 설치하고, 상기 수중부에 제공된 전력으로 희생양극을 부식시켜 상기 수중부 내 해상 콘크리트 구조물의 부식을 억제하고, 상기 ICCP 양극에 직류 전력을 인가하여 해상 콘크리트 구조물 중 해수와 접촉하지 않는 부분의 부식을 억제한다.
일 실시예에 따라, 상기 해상 콘크리트 구조물이 차례대로 수중부, 간만대, 비말대 및 대기부로 구분되되, 상기 ICCP 양극을 상기 비말대와 상기 대기부에 걸쳐 상기 해상 콘크리트 구조물에 설치한다.
일 실시예에 따라, 상기 방법은 상기 해상 콘크리트 구조물을 흐르는 전류를 측정하여 상기 ICCP 양극 및 상기 희생양극에 인가되는 전력을 제어하는 것을 포함한다.
본 발명에 따르면, 해상 콘크리트 구조물의 환경 조건이 다른 부분들에 대하여, 그에 적합하게 외부전원식 음극 방식 공법과 희생양극식 음극 방식 공법을 각각 적용함으로써, 해상 콘크리트 구조물을 거의 균일하게 방식 보호할 수 있다는 장점이 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따라 외부전원식 음극방식 기술과 희생양극식 음극방식 기술을 이용하는 해상 콘크리트 구조물의 하이브리드 음극 방식 시스템을 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따라 외부전원식 음극방식 기술과 희생양극식 음극방식 기술을 이용하는 해상 콘크리트 구조물의 하이브리드 음극 방식 시스템을 설명하기 위한 도면이다.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 다음에 소개되는 실시예는 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 예로서 제공되는 것이다. 따라서, 본 발명은 이하 설명되는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 그리고, 도면들에 있어서, 동일한 참조번호는 동일한 구성요소를 나타내며, 구성요소의 폭, 길이, 두께 등은 편의를 위하여 과장되어 표현될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따라 외부전원식 음극방식 기술과 희생양극식 음극방식 기술을 이용하는 해상 콘크리트 구조물의 하이브리드 음극 방식 시스템을 설명하기 위한 도면이다.
도 1을 참조하면, 해상 콘크리트 구조물(2)이 수중부(A), 간만대(B), 비말대(C) 및 대기부(D)로 구분된다.
배경기술에서 언급한 바와 같이, 수중부(A)는 해수면에 완전히 잠겨 있는 부분을 의미하며, 간만대(B)는 수중부(A)의 바로 윗 부분으로서 조석간만의 차에 의해 해수 침지와 공기 노출이 반복되는 부분을 의미하며, 비말대(C)는 간만대(B)의 바로 윗 부분으로서 해상의 상태에 따라 파도에 의해 해수 또는 해수 비말이 묻는 부분을 의미하며, 대기부(D)는 비말대(C)의 윗 부분으로서 해수와의 직접 접촉 없이 공기에 노출되는 부분을 의미한다. 간만대(B)의 경우, 절기에 따라 그리고 해역에 따라 구간 높이가 달라질 수 있다. 한국 근해의 경우, 서해안의 간만대 높이는 5~8m이고, 남해안의 간만대 높이는 1~5m이고, 동해안의 간만대 높이는 0.5~1m이다.
본 실시예에 따른 하이브리드 음극 방식 시스템은 외부전원식 음극 방식유닛과 희생양극식 방식유닛을 포함하다. 그리고, 상기 하이브리드 음극 방식 시스템은 상기 방식유닛들을 동작시키기 위한 전원장치(10)를 포함한다. 상기 전원장치(10)는 방식 전류를 제어할 수 있는 컨트롤러 요소 또는 기능을 포함하는 것이 바람직하다.
외부전원식 음극 방식유닛은 외부전원용 양극(21; 이하, 'ICCP 양극'이라 함)을 포함한다. 상기 ICCP 양극(21)은 간만대(B)의 최고 부위 상부, 즉, 비말대(C)와 그 상부 부분에 설치된다. 본 실시예에 있어서는, 상기 ICCP 양극(21)이 비말대(C)와 대기부(D)에 걸쳐 설치되어 있다. 상기 ICCP 양극(21)은 장기적으로 안정적인 전력 공급을 위해 충분한 내구성을 가져야한다. 이를 위해, 상기 ICCP 양극(21)은 Ti(티타늄) 또는 Ti를 주성분으로 포함하는 합금 재료로 형성되며, 메쉬 (mesh) 구조 또는 리본(ribbon) 구조로 형성되는 것이 바람직하다. 더 나아가 상기 ICCP 양극(21)은 Ti 재료로 된 구조물에 특수 코팅(MMP, Mixed Metal Oxide)을 한 것이 이용될 수 있다.
상기 외부전원식 음극 방식유닛은 콘크리트 구조물(2)의 음극으로서의 역할을 하는 철근을 포함한다. 도면에는 콘크리트 구조물(2)로부터 대기부(D)의 측면 영역으로 철근 일부(22)가 노출되어 음극이 되는 철근과 전력선 사이의 연결부로 이용되고 있다.
또한, 상기 외부전원식 음극 방식유닛은 상기 ICCP 양극(21)에 직류 전력을 공급하기 위한 직류 전류 공급수단으로서 ICCP 정류기(23)를 포함한다. 상기 ICCP 정류기(23)는 전원장치(40)와 연결되며, 상기 전원장치(10)로부터 공급된 교류 전력을 직류 전력으로 변환하여 상기 ICCP 양극(21)에 공급한다. 상기 ICCP 양극(21)은 상기 정류기(23)의 (+) 단자에 전기적으로 연결된다. 상기 콘크리트 구조물(2) 내 철근이 음극이 되며, 콘크리트 구조물(2)의 측면으로 돌출된 철근의 일부(22)는 전력선을 통해 상기 ICCP 정류기(23)의 (-) 단자에 연결된다.
상기 ICCP 양극(21)이 해수와의 접촉이 잘 이루어지지 않은 비말대(C) 상부에 설치됨에도 불구하고, 외부전원식 음극 방식유닛은 방식 전류를 해상 콘크리트 구조물(2)에 원활하게 공급할 수 있다 또한, 외부전원식 음극 방식유닛은 유효 전위를 필요에 따라 조절할 수 있는 등의 이점을 갖고 있다.
본 실시예에 따르면, 해수에 항시 접촉하여 비저항이 낮고 외부전원식 음극 방식 공법으로는 균일한 방식이 어려운 콘크리트 구조물(2)의 수중부(A) 영역에 대해서는 희생양극식 음극 방식유닛에 의해 방식을 행한다.
상기 희생양극식 음극 방식유닛은 희생양극(31)을 포함하며, 상기 희생양극(31)은 수중부(A)에 배치된다. 수중부(A) 내에서 상기 희생양극(31)은 콘크리트 구조물(2)과 이격된 채 그 콘크리트 구조물(2)과 인접해 있다. 상기 희생양극(31)은 콘크리트 구조물(2) 내 피방식체 금속, 특히, 철근에 비해 부식성이 큰 재료로 이루어지며, 본 실시예에 있어서는, 아연 벌크 양극이 이용되었다. 상기 희생양극(31)은 추가로 제공된 별도의 단자함(33)의 (+) 단자에 연결되며, 이 단자함(33)도 전원장치(10)와 연결된다.
상기 희생양극(31)의 크기 및 형상은 사용 수명과 콘크리트 구조물(2)의 종류에 따라 결정된다. 예를 들면, 간만대(B) 및/또는 수중부(A)가 과도하게 긴 경우, 간만대(B)에 별도의 희생양극을 추가로 더 설치하는 것을 고려할 수 있는데, 이 경우, 상기 희생양극이 공기 중에 노출되어 있는 동안 건조되지 않도록 조처해야 된다. 예컨대, 수분 또는 전해질을 지속적으로 간만대의 희생양극에 제공하는 추가적인 수단을 마련하는 것이 고려될 수 있다. 상기 수단은 예를 들면 수중부의 물을 흡수하여 간만대 또는 그 위쪽까지 끌어올 수 있는 흡습성 섬유층을 포함할 수 있다. 또한, 흡습성 섬유층을 보호하기 위한 고무 패널이 추가로 더 제공될 수 있다.
이에 더하여, 방식 전류의 측정이 필요한 경우, 션트 저항을 사용할 수 있으며, 이에 따른 단자를 추가로 설치하는 것이 고려될 수 있다. 전위 측정용 기준전극을 추가로 더 둘 수 있으며, 이 전위 측정용 기준전극은 수중 설치, 일정 기간 마다 수동 측정하는 것이 고려될 수 있다.
도 2는 본 발명의 다른 실시에 따른 해상 콘크리트 구조물의 하이브리드 음극 방식 시스템을 설명하기 위한 도면이다.
도 2를 참조하면, 본 실시예에 따른 하이브리드 음극 방식 시스템은 해상 콘크리트 구조물(2)에 대한 방식 전류를 해당 위치에서 지속적으로 모니터링하기 위한 전위 측정용의 제1 기준 전극(52)과 제2 기준 전극(54)을 추가로 포함한다.
본 실시예에 있어서, 상기 제1 기준 전극(52)은 수중부(A)에 설치되어 희생양극식 음극 방식 공법에 의한 방식 전위를 측정하고, 상기 제2 기준 전극(54)은 비말대(C)에 설치되어 외부전원식 음극 방식 공법에 의한 방식 전위를 측정한다. 상기 제1 기준 전극(52)과 상기 제2 기준 전극(54)은 전원장치(10)에 연결되며, 상기 전원장치(10)는 상기 제1 기주 전극(52)과 상기 제2 기준 전극(54)으로부터 측정된 전위를 기초로 하여 해상 콘크리트 구조물의 해수 접촉 부분과 공기 접촉 부분에 대한 방식 전류를 제어할 수 있도록 구성된다.
전술한 시스템을 이용한 해상 콘크리트 구조물의 음극 방식 방법에 대해 간단하게 설명하면 다음과 같다.
먼저, 해상 콘크리트 구조물(2)을 해상에 설치할 때, 해수와의 접촉이 실질적으로 없는 비말대(C)의 상부에 ICCP 양극(21)을 설치하는 한편, 수중부(A)에는 희생양극(31)을 배치한다. ICCP 양극(21)과 희생양극(22)에 직류 전력을 인가하여 해당 위치에 방식 전류를 발생시킨다. ICCP 양극(21)이 설치된 해상 콘크리트 구조물(2)의 비말대(C) 상부는 ICCP 양극(21)을 통한 방식 전류에 의해 부식이 억제되며, 수중부(A)에 놓인 해상 콘크리트 구조물(2)의 하부는 희생양극(31)의 부식에 의한 방식 전류에 의해 부식이 억제된다. 이때, 수중부(A)와 비말대(C) 및/또는 대기부(D)에서 기준 전극들에 의해 전위를 측정하여, 그 측정된 전위로부터 해상 콘크리트 구조물의 부식 또는 방식과 관련된 전류 및/또는 전위 정보를 획득하고, 이 획득된 정보를 기초로 하여 ICCP 양극(21) 및 희생양극(31)에 가하는 전력을 제어한다.
2: 해상 콘크리트 구조물 10: 전원장치
21: ICCP 양극 31: 희생양극
22: 노출된 철근 일부 23: ICCP 정류기
52, 54: 기준 전극 A: 수중부
B: 간만대 C: 비말대
D: 대기부

Claims (12)

  1. 해상 콘크리트 구조물의 음극 방식 시스템으로서,
    적어도 비말대를 포함하는 해상콘크리트 구조물의 비말대의 상부에 설치된 ICCP 양극을 포함하며, 상기 ICCP 양극에 직류 전력을 인가하여, 상기 해상 콘크리트 구조물 중 공기와 주로 접하는 부분을 음극 방식하는 외부전원식 음극 방식유닛과;
    수중부에 위치하는 희생양극을 포함하며, 상기 희생양극에 의해 상기 해상 콘크리트 구조물 중 해수에 잠긴 부분을 음극 방식하는 희생양극식 음극 방식유닛을 포함하는 것을 특징으로 하는 해상 콘크리트 구조물의 하이브리드 음극 방식 시스템
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 외부전원식 음극 방식유닛은 교류 전력을 직류 전력으로 변환하여 상기 ICCP 양극에 공급하는 ICCP 정류기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 해상 콘크리트 구조물의 하이브리드 음극 방식 시스템
  3. 청구항 1에 있어서, 상기 ICCP 양극은 Ti을 주재료로 포함하며, 메쉬 또는 리본 구조를 갖는 것을 특징으로 하는 해상 콘크리트 구조물의 하이브리드 음극 방식 시스템
  4. 청구항 1에 있어서, 상기 희생양극은 아연 벌크 양극인 것을 특징으로 하는 해상 콘크리트 구조물의 하이브리드 음극 방식 시스템
  5. 청구항 1에 있어서, 상기 해상 콘크리트 구조물의 수중부 방식 전류 또는 전위를 측정하는 제1 기준 전극과 수중부 밖 방식 전류 또는 측정하는 제2 기준 전극을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 해상 콘크리트 구조물의 하이브리드 음극 방식 시스템
  6. 청구항 5에 있어서, 상기 제2 기준 전극은 상기 비말대에 설치되는 것을 특징으로 하는 해상 콘크리트 구조물의 하이브리드 음극 방식 시스템
  7. 청구항 1에 있어서, 상기 ICCP 양극은 상기 비말대와 상기 대기부에 걸쳐 상기 해상 콘크리트 구조물에 메쉬 형태로 설치된 것을 특징으로 하는 해상 콘크리트 구조물의 하이브리드 음극 방식 시스템.
  8. 청구항 1에 있어서, 상기 간만대에 설치되는 추가 희생양극을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 해상 콘크리트 구조물의 하이브리드 음극 방식 시스템.
  9. 청구항 8에 있어서, 상기 추가 희생양극이 공기와 접촉할 때 건조를 막기 위해 수분을 제공하기 위한 수단을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 해상 콘크리트 구조물의 하이브리드 음극 방식 시스템.
  10. 해상 콘크리트 구조물의 음극 방식 방법으로서,
    수중부에 희생양극을 배치하는 한편, 수중부 밖 해상 콘크리트 구조물에는 ICCP 양극을 설치하고,
    상기 수중부에 제공된 전력으로 희생양극을 부식시켜 상기 수중부 내 해상 콘크리트 구조물의 부식을 억제하고,
    상기 ICCP 양극에 직류 전력을 인가하여 해상 콘크리트 구조물 중 해수와 접촉하지 않는 부분의 부식을 억제하는 것을 특징으로 하는 해상 콘크리트 구조물의 하이브리드 음극 방식 방법.
  11. 청구항 10에 있어서,
    상기 해상 콘크리트 구조물이 차례대로 수중부, 간만대, 비말대 및 대기부로 구분되되,
    상기 ICCP 양극을 상기 비말대와 상기 대기부에 걸쳐 상기 해상 콘크리트 구조물에 설치하는 것을 특징으로 하는 해상 콘크리트 구조물의 하이브리드 음극 방식 방법.
  12. 청구항 11에 있어서, 상기 해상 콘크리트 구조물을 흐르는 방식 전류 또는 전위를 측정하여 상기 ICCP 양극 및 상기 희생양극에 인가되는 전력을 제어하는 것을 특징으로 하는 해상 콘크리트 구조물의 하이브리드 음극 방식 방법.
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