KR20220085899A - 외부전원을 이용한 하이브리드 음극 방식 시스템 및 그 제어 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 하이브리드 음극 방식 시스템 및 그 제어 방법에 관한 것으로서, 더 상세하게는, 외부전원식 음극 방식 기술과 희생양극식 음극 방식 기술을 선택적으로 이용하기 위하여, 현재 적용하던 방식법에 문제가 생겼을 경우 타방식법을 거의 시간 지연없이 방식체에 적용할 수 있는 하이브리드 음극 방식 시스템 및 그 제어 방법에 관한 것이다.

Description

외부전원을 이용한 하이브리드 음극 방식 시스템 및 그 제어 방법{Cathodic protection system and the method thereof}

본 발명은 하이브리드 음극 방식 시스템 및 그 제어 방법에 관한 것으로서, 더 상세하게는, 현재 적용하던 방식법에 문제가 생겼을 경우 타방식법을 거의 시간 지연없이 방식체에 외부 전원을 적용할 수 있고, 경우에 따라 외부 전원을 차등적이고 미세하게 조절하여 적용할 수도 있으며, 외부에서 외관을 관찰하여 학습 데이터를 만들어 개선할 수 있는 하이브리드 음극 방식 시스템 및 그 제어 방법에 관한 것이다.

일반적으로 어떤 물질이 주위 환경과 반응하여 의도하지 않은 화학 또는 전기화학 반응에 의한 물질의 열화 또는 파괴 현상을 부식이라고 한다.

금속부식은 재료와 부식 환경 매질 사이의 계면에서 일어나는 반응이다. 이 전해질/전극 계면 반응은 전기화학반응(전하이동반응)일 수도 있고, 응력부식, 피로부식 또는 마찰과 마모같은 기계화학적 반응일 수도 있다.

전하이동반응에 따른 부식은 금속에서 자유롭게 운동하는 전자들이 전해질과 접촉하여 전기화학적 반응, 즉 전자의 이동이 포함된 반응에 의한 것으로서, 양극(anode), 음극(cathode), 전류 경로(금속 경로), 이온 경로(전해질)의 4가지 요소를 만족시켰을 때에 발생한다.

여기서 양극은 전자를 잃는 산화반응이 일어나는 극이며 음극은 전자를 받아 환원반응이 일어나는 극을 의미하며, 극성을 나타내는 +극과 -극과는 상관이 없는 용어이다.

금속구조물은 부식이 진행되면서 부식 전지상태가 되어 부식전위가 발생되고 일정한 부식 전류가 금속물로 흐르게 된다.

이 때 발생되는 전류를 갈비닉 전류 (Galvanic current) 또는 부식전류 라고 하며 상기한 4가지 요소로 구성된 조합을 부식전지 또는 갈바닉전지 (Galvanic cell) 라고 한다.

이 전지의 양극에서 산화반응이 일어나므로 부식은 양극에서 발생한다.

해수와 같은 전해질에 잠긴 종류가 다른 두 개의 금속을 도선으로 연결하면 어느 한 쪽이 양극이 되고 나머지 한쪽이 음극이 되는데, 이 극을 결정하는 것은 금속이 환원되려는 경향 또는 이온화 경향을 세기 순으로 나타낸 것을 전기화학계열 또는 기전력계열(EMF series)이라고 한다.

각 물질의 전기화학계열의 전위를 수소환원전위를 0V로 정한 표준전극전위와 상대 비교하여 나타낸 것이 전극 전위 (electrode potential)이다.

이 전위는 물질 고유의 성질이며 전해질의 조건에 따라 변한다. 전극 전위가 낮을수록 즉 전자를 잘 잃어버리게 되므로 두 물질중 전극 전위이 낮은 물질이 양극이 되어 산화 반응이 일어나며 부식되고 전위가 높은 물질이 음극이 되어 환원 반응이 일어나며 부식이 되지 않는다.

예를 들어 전해질인 해수에 잠긴 철(Fe) 와 아연(Zn)을 고려하면 전기화학계열 전위가 각각 ??0.45 ~ 0.65 V, ??1.0 V이므로 전위가 낮은 아연이 산화 반응이 일어나는 양극이 되고 철이 음극이 된다.

실제 상황에서 토양도 비저항이 높은 전해질 역할을 하므로, 토양속이나 수중에 설치된 철근 콘크리트 나 금속으로 이루어진 가스관, 수도관 등과 같은 금속 구조물이 부식 전지 상태가 되어 부식 전류를 발생시키며, 전위가 낮은 쪽이 양극이 되어 부식된다.

이 경우 금속 표면에서 전해질을 통해 전류가 외부로 유출되는 지점에서 부식이 발생한다. 따라서, 부식검사 대상물인 금속구조물의 기준전극에 대한 자연전위를 측정하여 부식을 감지할 수 있다.

한편 부식은 높은 에너지 준위에서 더 안정한 낮은 에너지 준위로 내려가려는 자연현상이므로 부식을 영원히 막을 수는 없지만 느리게 할 수는 있다.

일반적으로 부식을 막는 방식(防蝕)은 상기 부식 전류를 일으키는 4 가지 요소를 인위적으로 제거하거나 억제함으로써 이루어지며 일반적으로 방식 분야에서는 부식 억제제, 절연판 또는 다른 방법을 이용하여 양극 또는 음극 반응을 억제하거나 전자 또는 이온의 흐름을 차단하는 방법을 택하고 있다.

실생활에서 부식이 문제가 되는 금속구조물로는 해안부두, 교각 및 교량, 철근 콘크리트 등의 콘크리트 관련 구조물과, 강교 또는 강구조물 등의 부식 환경에 직접 노출되어 있는 장치 또는 구조물 등이 있다.

금속 구조물의 부식은 토양이나 해수와 같은 전해질내에서 양극반응과 음극반응에 의해 발생하므로, 금속구조물의 표면을 전해질과 차단, 양극부와 음극부를 분리, 또는 양극반응의 진행을 억제함으로써 부식을 방지하는 기본적인 방식법이 된다.

상기한 4가지 요소를 막는 방법 중에서 전해질과 접촉을 차단하는 방법으로 폴리에틸렌 등의 철근 콘크리트 구조물을 합성수지로 코팅하며 현재 많이 사용되고 있으나 여러 가지 개선점이 요구된다. 양극과 음극의 분리는 현실적으로 매우 어렵게 때문에 실제로 거의 사용되지 않는다.

일반적으로 외부전원식 음극 방식 공법은 전원장치, 정류기 및 양극(anode)을 포함하는 음극 방식 시스템이 이용되며, 정류기에 의해 교류에서 직류로 변환된 전력을 콘크리트 구조물에 설치된 불용성양극에 인가하여 방식 전류를 발생시키고, 그 방식 전류에 의해 콘크리트 구조물 내 음극인 철근을 보호한다.

또한, 희생양극식 음극방식 공법은 콘크리트 구조물 내 철근보다 부식성이 큰 금속을 희생양극으로 이용하여 콘크리트 구조물 내 철근을 부식으로부터 보호한다.

전술한 철근과 황산동 기준전극을 예로 들면, -0.85 V 방식 기준전위인데 측정 전위가 -2.5 V보다 더 낮으면 심각한 과방식 상태가 되어 부식 뿐만 아니라 수소취성이 일어나 오히려 피방식체에 심대한 악영향을 끼치게 된다.

또한 여름철 낙뢰 등과 같은 자연적인 요인에서 전원이 상실되면 미방식 상태가 되어 피방식체가 부식되기 쉽다.

이 미방식에 의한 부식은 철근이 전해질인 해수에 노출되는 철 구조물은 특히 심각하여 짧은 시간 동안의 미방식이라도 심각한 타격을 입는다.

그러나 외부전원 인가 장치를 통해 양극의 전위를 필요시 조절하므로 방식 효율을 높일 수 있다.

희생양극법은 특별히 도선 부위가 물리적으로 단절되지 않으며 항상 방식 전류가 흐르나 전류 조절이 매우 힘들며 방식 효과 범위가 좁고 비저항이 높은 곳에서는 방식전류가 작아지므로 비효율적이다.

외부 전원법의 경우에는 방식 설계와 시공이 이루어진다면 희생양극법에 비해 신뢰성이 높고 수명 또한 길다.

그러나 외부전원 인가시 발생하는 미주전류(stray current)에 의한 타 시설물에 대한 간섭 문제가 심각해지면서 점점 외부전원법의 적용을 줄여가고 있다.

희생 양극법은 타 시설물에 대한 간섭 영향이 적고 설계수명 기간 동안 유지비가 적게 드나 설계와 달리 유지보수가 필요하거나 소모성 희생양극의 수명이 다할 경우, 도로나 철로 상에서 재시공해야 하는 불편이 있으며 교통이 복잡한 지역의 도로복개는 인간 생활에 미치는 부정적인 영향 때문에 점점 더 어려워진다.

최근 희생양극법 또는 외부전원법중 하나만을 선택하여 전반적으로 전기방식을 시행하는 종래의 기술에서 탈피하여 상기한 부식 차이에 대응하기 위하여 두 가지 방법의 장점을 조합하여 방식에 사용하는 기술들이 출원되었으나 이 두 방법을 단순히 병렬적으로 적용하는 형태였다.

결론적으로, 상기에 언급한 하이브리드방식법은 기술적인 약간의 진보는 있지만 여전히 피방식체 위치 및 부분적 환경 차이, 그리고 계절이나 상황에 따른 환경변화에 기인한 부식전류의 차이를 극복하지 못한다는 단점이 있다.

또한 현재 상용으로 사용되는 희생양극은 효율을 증대시키기 위해 인듐(In), 카드뮴(Cd) 및 납(Pb) 등의 중금속을 포함하고 있다.

하지만 이러한 중금속은 유해물질로 지정되어 인체 및 환경에 악영향을 미치므로 선진국을 중심으로 점차 사용이 규제되고 있는 실정이다.

이러한 점을 극복하기 위하여 환경영향이 적은 미세원소 첨가함으로써, 전기화학적으로 낮은 부식전위를 가지는 고효율 희생양극의 개발이 요구되어지고 있다.

한국공개특허 제2017-0104317호 한국공개특허 제2012-0077999호 한국공개특허 제2016-0041365호

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 이루어진 것으로서, 동일한 방식대상 부위에 희생양극식 음극방식공법과 외부전원식 음극방식공법을 결합한 시스템을 설치하고 희생양극에 의해 이루어지는 방식의 효율 여부를 판단하여 방식이 충분히 이루어지지 않을 경우 임시로 외부전원식으로 대체한 하이브리드 음극방식시스템을 제공하는 데에 그 주된 목적이 있다.

또한 본 발명에서는 효율성 높은 재료로 이루어진 희생 양극을 제공하는데 주된 목적이 있다.

상기 과제를 해결하기 위하여 본 발명은 적어도 하나 이상의 희생양극 또는 불용성양극을 포함하는 양극부; 전위 측정시 기준 전위를 제공하는 기준전극; 외부에서 공급되는 전원과 연결되어 직류 전류를 전기방식시스템에 공급하는 외부전원부; 및 상기 양극부에 있는 희생양극과 피방식체 사이의 전류 및 피방식체와 기준전극 사이에 인가되는 방식전압을 측정하고 기준전압과 비교하여 방식전압이 기준전압보다 높을 경우에는 상기 희생양극과 피방식체간 연결을 차단하는 제어부;를 포함한다.

또한 본 발명은 적어도 하나 이상의 희생양극 또는 불용성양극을 포함하는 양극부; 전위 측정시 기준 전위를 제공하는 기준전극; 외부에서 공급되는 전원과 연결되어 직류 전류를 전기방식시스템에 공급하는 외부전원부;를 포함하는 하이브리드 음극 방식 시스템을 이용한 방법에 있어서, 제어부가 상기 양극부에 있는 희생양극과 피방식체 사이의 전류 및 피방식체와 기준전극 사이에 인가되는 방식전압을 측정하고 기준전압과 비교하여 방식전압이 기준전압보다 높을 경우에는 상기 희생양극과 피방식체간 연결을 차단하는 단계;를 포함한다.

상기와 같이 이루어지는 본 발명은 현재 적용하던 방식법에 문제가 생겼을 경우 타방식법을 거의 시간 지연없이 방식체에 외부 전원을 적용할 수 있고, 경우에 따라 외부 전원을 차등적이고 미세하게 조절하여 적용할 수도 있으며, 외부에서 외관을 관찰하여 학습 데이터를 만들어 개선할 수 있다.

또한 본 발명은 양극의 보충 시기를 놓치게 됨으로 인해 교각 철근에 부식이 발생하게 되는 우려가 있었던 종래의 희생양극법을 이용한 부식방지방법들의 문제점을 해결할 수 있다.

또한, 본 발명에 의하면, 하이브리드 방식시스템용 모듈을 제조할 수 있는 효과가 있다.

또한 본 발명은 피방식체 위치 및 부분적 환경 차이, 그리고 계절이나 상황에 따른 환경변화에 기인한 부식전류의 차이를 극복할 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 외부전원을 이용한 하이브리드 음극 방식 시스템의 개략적인 구성을 보여주는 도면이다.
도 2는 본 발명에 따른 외부전원을 이용한 하이브리드 음극 방식 시스템의 구체적인 구성을 보여주는 도면이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 희생양극으로서 Al 의 스캐닝 사진이다.
도 4는 Zn-Sn 합금의 실제 순수 Zn과의 비교로 얼마나 유효 용량(effective capacity)이 높은지 비교한 도면이다.
도 5는 시간이 흐름에 따라 아연 합금의 자연전위 변화를 보여주는 도면이다.

본 발명을 충분히 이해하기 위해서 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부 도면을 참조하여 설명한다. 본 발명의 실시예는 여러 가지 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 상세히 설명하는 실시예로 한정되는 것으로 해석되어서는 안 된다. 본 실시예는 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이다. 따라서 도면에서의 요소의 형상 등은 보다 명확한 설명을 강조하기 위해서 과장되어 표현될 수 있다. 각 도면에서 동일한 부재는 동일한 참조부호로 도시한 경우가 있음을 유의하여야 한다. 또한, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 기술은 생략된다.

이하, 도1에 도시된 바와 같이 본 발명이 예시적인 도면을 통해 상세하게 설명한다.

본 발명이 추구하는 하이브리드 양극방식법은 도1(a)에 도시되어 있는 희생양극법과 도1(b)에 도시되어 있는 외부전원법의 공통요소를 결합하여 시설비용, 운전 보수 비용 및 설치공간을 최소화하면서 두 방식법 중 하나를 부식환경별 상황에 맞도록 방식법을 선택적으로 적용하며, 현재 적용하던 방식법에 문제가 생겼을 경우 타방식법을 거의 시간 지연없이 방식체에 적용하여 부식을 방지하는데 주 목적이 있다.

본 발명의 개념을 명확히 하기 위한 도1(a)과 도1(b)에 대한 설명은 아래와 같다.

도1(a)는 기본적인 희생양극법을 예시한 것으로 해수와 같은 전해질에(도시 되지 않음) Al, Mg,Zn 등의 소재로 제작된 희생양극과 철근 등과 같은 금속구조물인 피방식체가 도선에 의해 전기적으로 연결되어 있다.

희생양극은 해수나 토양등 전해질 속에 있으며 철근은 전류가 통할수 있을 정도의 거리 내에 존재한다.

방식 수행 점검을 위해 피방식체에 걸리는 전위를 측정할 때는 도1(a)와 같이 희생양극 대신 기준전극을 + 극으로 하여 피방식체간 전위차를 전위계로 측정한다.

또한 피방식체에 흐르는 부식전류를 측정하기 위해 희생양극과 피방식체를 연결한 도선에 흐르는 전류를 전류계로 측정한다.

도1(a)에 도시된 바와 같이, 실제 상황에서는 이 전위 및 전류 측정을 용이하게 하기 위해서 테스트박스에서 측정한다.

도1(b)는 외부전원법을 예시한 것으로 직류전원의 양극이 불용성양극과 직류전원의 음극이 피방식체에 각각 전기적으로 연결됨으로써 기본적인 외부전원법을 구성한다.

도1(b)에서도 도1(a)의 설명과 마찬가지로 기준전극이 항상 직류전원부와 반드시 연결되어 있을 필요는 없고 제어에 의해 연결되어 전압과 전류를 측정할 수 있다.

직류전원부는 외부에서 들어오는 직류를 +극과 ??극에 연결하는 기능과 필요시 직류전원부에 설치된 릴레이 등을 이용하여 불용성양극, 피방식체, 기준전극을 전기적으로 연결하는 기능이 있어 도1(a)에서 설명한 바와 같이 전압계와 전류계를 이용하여 전압과 전류를 측정하며 실제 상황에서는 이 전위 및 전류 측정을 용이하게 하기 위해서 전술한 바와 같이 별도로 설치된 테스트박스에서 측정한다.

도1(a)와 도1(b)를 비교해보면 양극으로 작용하는 희생양극과 불용성양극이 서로 다르고 직류전원부가 도1(b)에만 있음을 알 수 있다.

이에 반해 도1(c)는 도1(a)와 도1(b)에 있는 요소들을 결합한 본 발명의 한 실시예인 하이브리드 형태의 방식시스템을 도시하였다.

상기 도1(c)에는 도1(b)에 있던 직류전원부 기능을 대신하는 외부전원부(140)와 상기 시스템에 주요요소들과 연결되어 제어하는 역할을 하는 제어부(150)가 도시되었다.

도1(d)는 희생양극과 불용성양극의 일단을 각각의 독립 단자에 연결하고 제어에 의해 두 단자 중 하나를 선택하여 제어부(150)에 연결하는 기능을 가진 양극부(190)를 도시한 것이다.

양극부(190)는 단자(101, 102), 부도체 기판(103) 및 릴레이(104)를 포함하며, 부도체 기판(103)에 설치된 단자(101, 102)에 희생양극(100)과 불용성양극(110)의 일단을 각각 연결하고, 릴레이(104)로 두 단자 중 하나를 선택하여 제어부(150)에 연결하는 기능을 수행한다.

도1(e)는 상기 제어부(150)를 구성하는 모듈들을 도시한 것으로 설명은 아래와 같다.

제어부(150)는 도1(c)의 하이브리드 방식시스템 실시예의 제어기능을 담당하는 부분으로 전극모듈(151), 전위전류계측모듈(152), 전원모듈(154) 및 제어모듈(153)을 포함하며 구성된다.

전극모듈(151)은 양극부(190)에 있는 희생양극(100), 불용성양극(110), 피방식체부(130) 및 기준전극(120)간 선택적 연결을 수행하는 부분으로 적어도 하나 이상의 ??단자에 피방식체부(130), 제어모듈(153)의 적어도 하나 이상의 + 단자에 양극부(190), 별도의 + 단자에 기준전극(120)와 각각 연결되어 있다.

전위전류계측모듈(152)은 전극모듈(151)의 전기적 연결에 의해 발생하는 전위와 전류 측정을 수행하고 그 결과를 제어모듈(153)에 전달하는 역할을 한다.

전원모듈(154)은 외부전원부(140)와 제어부(150)를 전기적으로 연결하여 방식시스템 운영에 필요한 전기에너지를 공급하는 역할을 수행한다.

제어모듈(153)은 상기한 전극모듈(151), 전위전류계측모듈(152) 및 전원모듈(154)과 전기적으로 연결되어 있고 이 모듈들의 동작을 제어하며 신호를 기준치와 비교 판단하는 기능도 수행한다.

제어부(150)는 전극모듈(151)를 통해 양극부(190)의 희생양극(100)과 불용성양극(110)중 하나를 선택하여 피방식체부(130) 및 외부전원부(140)간 연결하는 역할을 한다. 또한 전극모듈(154)를 통해 방식전압 측정시 기준전극(120)와 피방식체부(130)를 연결하는 역할도 수행한다.

또는 상기 제어부(150)는, 상기 영상정보와 전위전류계측모듈의 전압과 전류신호를 통해 각 양극부의 전압과 전류에 따른 형상 변화에 따른 수명을 예측할 수 있다. 만일 각 양극부의 전압과 전류의 증가에 따른 형상의 변화율이 기준치 보다 적다면 기준 수명 보다 높다고 예측할 수 있다.

특히 상기 제어부는(150)는 종래 학습된 데이터베이스에 근거하여 방식 상태를 분석한 다음, 그 분석된 방식 상태에 따라 상기 예측된 수명을 보정하여 종합적인 수명예측치를 출력할 수도 있다.

또한 제어부(150)는 외부전원부(140)과 연결되어 전기에너지를 공급받는 기능도 가진다.

상기 제어부(150)의 기능에는 상기에 언급한 전극들과 피방식체 사이의 전위와 전류를 측정하고 전극들과 외부 전원을 연결하는 기능도 포함된다.

따라서 전위계와 전류계의 기능이 제어부(150)에서 수행하므로 별도의 기기를 구비하지 않아도 된다.

여기서 제어부(150)에 의해 양극부(190)의 희생양극(100)과 피방식체부(130)이 연결되면 희생양극법 방식이 되며, 반대로 양극부(190)의 불용성양극(110)이 외부전원부(140)의 +극에 피방식체(130)가 외부전원부(140)의 ??극에 각각 연결되면 외부전원법 방식이 된다.

본 발명의 바람직한 실시예에 따른 방식 방법을 희생양극법을 외부전원법으로 전환하는 제어 방법의 일예가 도2(a)에 도시되어 있다.

도2(a)을 참조하여 본 발명의 희생양극법을 외부전원법으로 전환하는 제어 방법을 설명하면, 희생양극법이 적용되고 있는 피방식체의 방식 상태를 파악하기 위해 전극모듈(200)의 양극부(190)의 희생양극(100)과 피방식체(130) 사이의 전류와 기준전극(120)과 피방식체(130) 사이의 전압을 제어부(150)의 전위전류계측모듈(230)에서 측정한다(S400). 일반적으로 측정 결과는 아날로그 값이므로 디지털 값으로 변환한다.

이때 측정값을 단수 또는 다수로 할 때는 그 전체 값들의 평균 또는 최소값 및 최대값을 제외한 값들의 평균과 기 입력된 기준값과 비교한다. 또한 미리 설정된 범위 내에 들어오는 측정값들만 평균값을 구해 기준치와 비교할 수도 있다.

상기의 방법들은 한정적이지 않으며 이외 다양한 방식으로 평균값을 계산할 수 있다.

이 작업의 수행 빈도는 임의로 설정할 수 있으며 피방식체의 상황과 전기에너지 상황을 고려하는 것이 바람직하다.

상기 제어부(150)에 포함되는 제어모듈(153)은 입력된 각 측정값을 미리 입력된 기준치 또는 외부에서 상황에 따라 입력되는 기준치와 비교하는 작업을 수행한다(S410).

만약 상기 비교에 따라 희생양극법에 의한 방식정도가 양호하다고 판명되면 기존 희생양극법에 의한 방식제어를 유지한다(S420).

만약 상기 비교에 따라 희생양극법에 의한 방식정도가 불량하다고 판명되면 희생양극(100)과 피방식체(130)간 연결을 차단한다(S440).

또한 S410 단계에서 사용된 측정값과 비교 결과를 데이터 저장장치로 보내 추후 분석에 사용하도록 한다(S430).

차단과 동시에 외부전원(140)의 + 단자를 양극부(190)의 불용성양극(110)에 연결하고 외부전원(140)의 ??단자를 피방식체(130)에 연결하고 전류를 인가한다(S450).

또한 차단과 동시에 S410 단계의 비교 결과와 측정치를 관리자나 관리기관에 유무선으로 통보하여 희생양극(100)에 관련된 점검을 요구한다(S460).

이 제어 과정은 희생양극을 유지한다(S420)는 판단 또는 외부전원 가동한다(S450)는 판단이 나와 실행에 옮긴 후에 종료된다.

이 제어과정의 실행주기는 전기에너지 공급 정도와 환경요인 변화 정도에 따라 적절히 조절될 수 있다.

또는 외부에서 입력된 명령으로 임의의 시간에 상기 제어 과정을 실시할 수도 있다. 후자는 방식 시스템이 작용되고 있는 현장에서 방식 시스템 점검 시에 유용하게 사용될 수도 있다.

상기 제어부(150)에서 전위 전류 측정하면(S410) 일반적으로 그 측정 결과는 아날로그 값이므로 디지털 값으로 변환된다.

이때 측정값을 단수 또는 다수로 할 때는 그 전체 값들의 평균 또는 최소값 및 최대값을 제외한 값들의 평균과 기 입력된 기준값과 비교한다.

또한 미리 설정된 범위 내에 들어오는 측정값들만 평균값을 구해 기준치와 비교할 수도 있는 등 다양한 방식으로 평균값을 계산할 수 있다.

이러한 작업의 수행 빈도는 임의로 설정할 수 있으며 피방식체의 상황과 전기에너지 상황을 고려하는 것이 바람직하다.

측정값과 비교하는 상기의 기준치는 방식기준 전위인데 전술한 대로 철근과 황산동 기준 전극을 예로 들면, -0.85 V이다.

상기 측정값이 이 값보다 크면 방식이 부족하다는 것을 의미함으로 희생양극을 차단하고 외부전원을 연결하게 된다.

또한 기준값인 방식기준전위이 상황에 따라 변할 수 있으므로 정확한 비교를 위해 외부에서 조정할 수도 있다.

일반적으로 전류 측정시 전류가 매우 미약하거나 흐르지 않으면 양극과 피방식체간 단선되었을 가능성이 매우 높으므로 방식시스템에 대한 점검이 필요한 경우이다.

희생양극법을 사용할 때는 희생양극과 피방식체를 연결하는 선이 노후되거나 외력에 의해 끊겼을 가능성이 매우 높으며 외부전원법을 적용할 때는 낙뢰에 의해 기기 부위가 파괴되었을 가능성이 높다.

양극부(190)의 희생양극을 차단(S440)하는 명령이 실행되면 제어시스템(200)에 의해 외부전원이 공급되면서 외부전원법 방식으로 교체 수행된다.

이 교체 내용이 관련된 사람에게 유무선으로 전달되어 희생양극시스템을 점검하고 수리하게 하는 등의 후속 조치를 취하게 할 수도 있다.

외부전원법으로 부식을 억제하는 동안 희생양극을 보수하여 정상적인 희생양극방식이 이루어지도록 한 후 다시 희생양극법으로 전환하면 된다.

또는 희생양극법이 감당키 어려운 많은 방식 전류가 필요한 경우 외부전원법을 유지하여 대처할 수도 있다.

측정 결과 및 조치 기록을 자체 또는 외부 기기에 저장하여 추후 분석에 사용함으로써 환경변화에 따른 부식율의 변화나 방식시스템의 수리, 보강, 교체 시기를 예측하는데 도움을 줄 수도 있다.

희생양극법에서 외부전원법으로 전환하는 시기가 길어질수록 피방식체의 부식이 증가한다.

특히 해안이나 해중과 같이 직접적으로 해수와 접하는 시설물 중 노출된 철근이 방식이 되지 상태가 수 시간만 지속되어도 상당한 수준의 부식이 진행되므로 미방식 상태의 조기 해소여부가 피방식체의 수명에 막대한 영향을 미친다.

도2(b)은 도1(c)에 제시된 본 발명의 한 실시예인 하이브리드 방식시스템에 통신부(160), 센서부(170), 또는 디스플레이부(180)를 포함하는 본 발명의 바람직한 한 실시예이다.

도2(b)에 제시된 실시예는 부식 환경요소를 감지하여 제어시스템(200)에 전달하는 기능을 포함하는 센서부(170)와 외부에 있는 서버나 저장장치와 제어시스템간 통신 기능을 포함하는 통신부(160)와 기기에 부착되어 현장에서 확인할 수 있는 디스플레이부(180)를 포함하는 하이브리드 방식시스템의 개념도이다.

디스플레이부(180)는 하나 이상의 디스플레이기기를 포함하며 제어시스템(200)에 들어오는 신호와 제어시스템(200)에서 생산된 신호 중 하나 이상을 출력하고 소리를 내는 기능을 포함한다.

이 기능은 하이브리드 방식시스템이 설치된 현장에 있는 사람들에게 방식 상태와 환경을 알리는데 도움을 줄 수 있다.

외부 전원부(140)에서 전원을 공급받는 제어시스템(200)은 희생양극법에 의한 방식의 적정 여부를 방식전압과 방식전류의 측정을 통해 판단하고 부적정 판단이 내려지면 외부전원법으로 전환하며 그 측정 결과와 판단을 통신부(160)를 통해 외부에 송신하여 추가 작업에 진행할 수 있다.

또한 통신부(160)를 통해 외부에서 입력된 신호에 따라 제어시스템(200)가 방식전류량을 조절할 수 있다.

또한, 외부전원법으로 부식을 억제하는 동안 희생양극을 보수하여 정상적인 희생양극방식이 이루어지도록 한 후 다시 희생양극법으로 전환하면 된다.

또는 희생양극법으로는 감당키 어려운 많은 방식 전류가 필요한 경우 외부전원법을 유지하여 대처할 수도 있다.

여기서 주의할 점은 도1(c)에 제시된 본 발명의 한 실시예에서 도2(b)에 제시된 실시예에 추가된 통신부(160), 센서부(170) 및 디스플레이부(180)는 한 예시에 불과하며 추가 부분중 적어도 하나 이상의 부분이 추가되어 도2(b)의 실시예를 구성하며 또한 이에 한정되지 않고 실시예에 비록 도시되지 않았지만 통상의 지식을 소유한 자에 의해 다양한 방법으로 기능이 추가될 수 있다는 것은 명확하다.

본 발명이 추구하는 하이브리드 방식시스템은 설치 시와 다른 부식환경이나 애초부터 국소적으로 다양한 부식환경에 놓인 철근 콘크리트 구조물이나 철근 구조물의 효과적인 방식을 위해 국소적으로 적절한 방식방법을 선정하여 사용하는 목적도 있다.

방식에 필요한 전원은 직류이지만 전력회사에서 공급되는 외부전원은 교류가 대부분이므로 교류를 직류로 변환하는 정류자가 필요하다.

따라서 외부전원방식에서 기존의 많은 선행 기술들이 정류자를 사용하여왔다. 그러나 애초부터 직류를 공급받는 방법도 최근 사용하기 시작했다.

대표적인 직류전원은 태양광전지인데 현재 외부전원방식에 사용하는 경우가 증가하고 있다. 이런 이유로 본 발명에서 정류자를 표시하지 않고 단순히 외부전원부(140)으로만 표시하였다.

태양광전지의 장점은 많으며 국소적인 전력공급을 위해 태양광 발전에 의해 생성된 전기에너지를 저장하는 장치가 외부전원부(140)에 추가될 수 있다.

또한 대용량 전지를 외부전원부(140)로 사용할 수도 있으며 통상의 전기 지식을 가진 자가 이해하고 변형할 수 있는 다양한 방법이 있을 수 있다.

도2(c)은 도2(b)에 도시된 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 제어시스템(200)의 상세 구성을 도시하는 블록도이다.

도2(b)에 게시한 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 방식 제어시스템(200)은 전극 모듈(310), 저장 모듈(320) 전위전류 계측 모듈(330), 전원 모듈(340), 제어 모듈(153), 통신 모듈(360), 센서 모듈(370), 디스플레이 모듈(380) 및 입출력 모듈(390)을 포함한다.

먼저 전극 모듈(300)은 도2(b)에 예시되어 있는 바와 같이 양극부(190), 기준전극(120) 및 피방식체(130)와 각각 전기적으로 연결되어 있으며, 제어 모듈(153)의 제어에 따라 상기 희생양극(100), 불용성양극(110), 피방식체(130), 기준전극(120)을 서로 연결하기 위한 다수의 릴레이와 스위치를 포함한다.

저장 모듈(320)은 입출력 모듈(390)에서 보내준 데이터를 저장하는 기능을 하며, 전원 모듈(340)은 제어 모듈(153)과 전기적으로 연결되어 있으며 직류 전원을 받아 방식에 필요한 직류를 공급하고 제어시스템 및 전체 방식 시스템 운용에 필요한 전기에너지를 공급하는 기능을 포함하며, 낙뢰와 같은 전기 충격에 대응할 수 있는 구조를 가진다.

통신 모듈(360)은 입출력 모듈(390)의 신호를 외부로 전송하는 기능과 외부 신호를 입출력 모듈 (390)에 전달하는 기능을 수행한다.

통신 모듈(360)의 바람직한 예로 전기 소모가 적고 데이터 전송량이 많지 않은 상황에 적합한 저전력 광역 네트워크 (LoRa) 통신 방법을 택할 수 있으나 이에 한정하지 않는다.

센서 모듈(370)은 다수의 센서를 포함하며 제어 모듈(153)에 연결되어 있으며, 부식에 관계되는 환경변수인 온도, 습도, PH, 풍속, 진동 등의 물리적, 기계적, 화학적 신호를 제어 모듈(153)에 전달하는 기능을 포함하며, 단일 또는 복합 기능을 가진 센서들에 의해 환경변수를 감지한다.

센서 모듈(370)에 의해 수집된 정보들은 제어 모듈(153) 또는 외부에서 해석되어 부식 요인 파악, 부식량 예측 등의 효율적인 방식작업에 사용될 수 있으나 이에 한정하지 않는다.

전위전류 계측 모듈(330)은 전극 모듈(300)과 제어 모듈(153)과 연결되어 있으며 전극 모듈(300)에서 발생한 신호를 측정하고 기준값과 비교하여 그 결과를 제어 모듈(153)에 전달하는 기능을 포함한다.

디스플레이 모듈(380)은 적어도 하나 이상의 디스플레이기기를 제어할 수 있는 기능을 포함한다.

입출력 모듈(390)은 제어 모듈(153)과 통신 모듈(360)을 연결하며 제어 모듈(153)에서 발생한 신호를 통신 모듈(360)에 전달하고 통신 모듈(360)에서 입수한 외부 신호를 제어 모듈(153)에 전달하거나, 제어 모듈(153)에서 발생한 신호를 저장 모듈(320)로 보내며, 디스플레이 모듈(380)에 출력 신호를 전달한다.

제어 모듈(153)은 상기에 언급한 전극 모듈(300), 전위전류 계측 모듈(330), 센서 모듈(370), 전원 모듈(340) 및 입출력 모듈(390)과 직접적으로 연결되어 있으며, 입출력 모듈(390)을 통해 통신 모듈(360), 데이터 저장 모듈(320) 및 디스플레이 모듈(380)을 제어한다.

또한 제어 모듈(153)은 상기 모듈들에 의해 발생한 신호를 평가하고 명령을 내리는 중앙처리장치를 포함한다.

제어 모듈(153) 기능의 한 예를 보면, 제어 모듈(153)의 명령에 의해 전위전류 계측 모듈(330)이 전극 모듈(300)에 있는 기준전극(120)과 피방식체(130)간 방식전압을 측정하고 그 결과를 제어 모듈(153)으로 보낸다.

제어 모듈(153)은 그 결과를 기준치와 비교하여 희생양극법과 외부전원법중 하나의 방식법을 선택하여 방식에 적용한다.

또한 방식전류를 측정하기 위해 희생양극법 적용시 전극 모듈(300)의 희생양극(100)과 피방식체(130)간 전류을 측정하며 외부전원법 적용시 전극 모듈(300)의 불용성양극(110)과 피방식체(130)간 전류을 각각 측정한다.

방식의 효과를 알 수 있는 방법 중의 하나인 복극량 측정시 전극 모듈(300)의 양극(100, 110)과 피방식체(130)간 단락을 제어 모듈(153)의 명령에 의해 이루어진다.

앞에서 설명한 바와 같이 제어 모듈(153)의 기능 중의 하나인 희생양극법을 외부전원법으로 전환하는 제어 방법의 일 예를 나타내는 흐름도는 도1(a)에 도시 되었다.

제어부(150) 또는 제어시스템(200)을 통해 전극부에 있는 희생양극과 불용성 양극, 기준 전극과 피방식체간의 전위와 전류를 측정함으로써 방식 제어에 필요할 데이터를 수집하여 기준치와 비교하여 희생양극법과 외부전원법중 하나를 선택하게 한다는 기술적 사상에 특징이 있으며, 측정된 측정값을 이용하여 방식 제어를 수행하는 과정은 일 예에 불과할 뿐, 본 발명이 이에 한정되는 것이 아님을 주의하여야 한다.

실제 방식현장에서 일어나는 현상을 보면 설계 기대수명보다 빨리 희생양극이 소모되는 경우가 있어 미방식이 일어나 피방식체 부식을 막을 수 없게 된다.

상기 문제는 본 발명이 추구하는 하이브리드 방식법을 채용함으로써 해결될 수 있다. 전술한 대로 외부전원법의 문제 중 하나는 낙뢰에 의한 전기, 기계적 결합이 발생하여 미방식이 발생한다.

희생양극은 상기에 언급한 낙뢰에 의한 미방식은 거의 발생하지 않는 장점이 있다. 따라서 낙뢰가 발생할 가능성이 높은 장마철에는 제어 시스템을 통해 희생양극법을 적용하여 미방식 가능성을 줄일 수 있다.

한편 종래 발명은 환경 조건이나 부분별 부식 정도의 변화에 대응하지 못하여 방식 전류를 과하게 인가하여 수소취성과 같은 부작용을 유발하거나 방식 전류가 부족할 수 있는 데, 이를 재료를 통해 보완할 수도 있다.

상기 희생 양극 또는 불용성양극은 아연(Zn), 알루미늄(Al), 구리(Cu), 및 마그네슘(Mg)을 포함하며, 용해된 알루미늄에 마그네슘을 장입하여 알루미늄-마그네슘 2원계 합금을 형성하여 제조한다.

또는 상기 과정을 거친 희생 양극 또는 불용성양극을 합금으로 제조할 수 있는 데, 예를 들어 상기 아연(Zn)은 Zn-Bi 또는 Zn-Bi과 Al, Mg 중에서 선택된 적어도 하나로 이루어진 아연 합금을 이용할 수도 있다. 이 때 상기 Bi는 전체 100중량부에서 0.05~0.3중량부, 상기 Al은 0.05~0.2중량부임이 바람직하다.

또한 도 3에 도시된 바와 같이 본 발명에 따른 희생 양극으로 Al-3Zn, Al-3Zn-0.6Mg, Al-3Zn-0.6Mg-0.4Ce, Al-3Zn-0.6Sn 합금을 사용할 수 있는 데 알루미늄 합금의 양극 성능실험 결과, 3wt.% Zn가 합금화됨으로써 양극 성능이 Pure Al에 비해 약 10%이상 증가하였으며, 마그네슘(Mg), 칼슘(Ca), 주석(Sn) 미량 첨가에 의해 양극의 효율이 조금 더 향상되었다.

또한 도 4에 도시된 바와 같이 희생 양극으로 Zn-Sn 합금의 실제 순수 Zn과의 비교로 얼마나 유효 용량(effective capacity)이 높은지 비교하였다.

또한 도 5에 도시된 바와 같이 시간이 흐름에 따라 아연 합금의 자연전위 변화를 보여주고 있다.

특히 상기 희생 양극으로 아연(Zn)은 Sn-Zn-Bi로 이루어진 합금이고, 상기 희생 양극 전체 100중량부에서 상기 Bi는 0.05~0.3중량부 또는 Sn은 0.6 중량부가 합금화된다. 즉 본 발명은 0.6wt.% Sn 첨가에 의해 매우 우수한 양극 효율을 나타내었다.

또한 아연 합금의 양극 성능실험 결과, 주석(Sn)이 합금화됨으로써 양극 효율은 지속적으로 증가하였고, 3wt.% Sn 첨가에 의해서도 종래 보다 우수한 양극 효율을 나타낼 수 있었다.

본 발명은 다른 실시예로서 상기 희생양극을 근접해서 촬영하게 되는 카메라와, 희생양극을 보호하는 하우징에 설치되어 카메라와 연결되고, 상기 카메라들로부터 희생양극 영상정보를 전달받게 되며, 전달받은 희생양극 영상정보를 외부로 전송하게 되는 통신모듈을 더 포함할 수도 있다.

그리고, 상기 영상정보를 통해 각 양극부의 수명을 예측하고, 종래 학습된 데이터베이스에 근거하여 방식 상태를 분석한 다음, 그 분석된 방식 상태에 따라 상기 예측된 수명을 보정하여 종합적인 수명예측치를 출력할 수 있다.

한편, 상기 제어모듈은 전위전류계측모듈에서 측정된 전압 전류 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하고, 상기 디지털 신호를 전압 전류값으로 연산하여 입력된 알고리듬을 통해 기 입력된 기준치와 측정치를 비교하여 희생양극법과 외부전원법 중 하나를 선택적으로 적용할 수 있다.

상기 제어모듈은 상기 양극부에 있는 희생양극과 피방식체 사이의 전류 및 피방식체와 기준전극 사이에 인가되는 방식전압을 측정하고 기준전압과 비교하여 측정치가 기준전압보다 10% 이상 높을 경우에는 외부전원법을 선택하여 적용할 수도 있다.

상기 희생양극과 피방식체간 연결하는 릴레이를 순차적으로 오프시킴으로서 차단하여 피방식체 위치 및 부분적 환경 차이, 그리고 계절이나 상황에 따른 환경변화에 기인한 부식전류의 미세한 차이를 정밀하게 보상할 수가 있다.

일실시예로서, 상기 복수개의 릴레이에서 방식에 소비되는 전력의 10% 내지 20% 감지 시 순차적으로 릴레이를 하나씩 오프시킴으로서 외부전원법을 선택하여 미세하게 전력을 올리거나 내리면서 적용할 수 있다.

예를 들어 상기 제어부(150) 또는 제어시스템(200)이 외부에서 공급되는 외부전원부(140)의 11% 필요시 첫 번째 릴레이를 on하고, 12% 필요시 두 번째 릴레이를 on하여, 마지막 20% 필요시 마지막 10번째 릴레이를 on하여 외부전원을 차등하여 공급 할 수 있다.

이 때 방식 기준치는 10% 이하이거나 20% 이상으로 설정할 수도 있다.

이러한 방식은 외부 전원을 무조건 투입하는 것보다 희생양극에 의해 이루어지는 방식의 효율 여부를 정밀하게 판단하여 이에 따라 차등적으로 외부전원을 투입할 수 있어 전력 소모를 낮추고, 시스템 내구성을 높일 수 있다.

100: 희생양극
101 : 단자
103 : 기판
104 : 릴레이
110 : 불용성양극
120 : 기준전극
130 : 피방식체, 피방식체부
140 : 외부전원부
150 : 제어부
151 : 전극모듈
152 : 전위전류계측모듈
153 : 제어모듈
154 : 전원모듈
160 : 통신부
170 : 센서부
180 : 디스플레이부
190 : 양극부
200 : 제어시스템
310 : 전극 모듈
320 : 저장 모듈
330 : 전위전류 계측 모듈
340 : 전원 모듈
360 : 통신 모듈
370 : 센서 모듈
380 : 디스플레이 모듈
390 : 입출력 모듈

Claims (8)

1. 적어도 하나 이상의 희생양극 또는 불용성양극을 포함하는 양극부;
   전위 측정시 기준 전위를 제공하는 기준전극;
   외부에서 공급되는 전원과 연결되어 직류 전류를 전기방식시스템에 공급하는 외부전원부; 및
   상기 양극부에 있는 희생양극과 피방식체 사이의 전류 및 피방식체와 기준전극 사이에 인가되는 방식전압을 측정하고 기준전압과 비교하여 방식전압이 기준전압보다 높을 경우에는 상기 희생양극과 피방식체간 연결을 차단하는 제어부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 외부전원을 이용한 하이브리드 음극방식시스템.
2. 제1항에 있어서,
   상기 희생양극을 근접해서 촬영하게 되는 카메라와, 희생양극을 보호하는 하우징에 설치되어 카메라와 연결되고, 상기 카메라들로부터 희생양극 영상정보를 전달받게 되며, 통신모듈이 전달받은 희생양극 영상정보를 외부로 전송하는 것을 특징으로 하는 외부전원을 이용한 하이브리드 음극방식시스템.
3. 제1항에 있어서,
   상기 희생 양극으로 아연(Zn)은 Sn-Zn-Bi로 이루어진 합금이고, 상기 희생 양극 전체 100중량부에서 상기 Bi는 0.05~0.3중량부 및 Sn은 0.6 중량부가 합금화되는 것을 특징으로 하는 외부전원을 이용한 하이브리드 음극방식시스템.
4. 제1항에 있어서,
   상기 제어모듈은 전위전류계측모듈에서 측정된 전압 전류 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하고, 상기 디지털 신호를 전압 전류값으로 연산하여 입력된 알고리듬을 통해 기 입력된 기준치와 측정치를 비교하여 희생양극법과 외부전원법 중 하나를 선택적으로 적용하고,
   상기 희생양극과 피방식체간 연결하는 릴레이를 순차적으로 오프시킴으로서 피방식체 위치 및 부분적 환경 차이, 및 계절이나 상황에 따른 환경변화에 기인한 부식전류의 미세한 차이를 정밀하게 보상할 수 있는 것을 특징으로 하는 외부전원을 이용한 하이브리드 음극방식시스템.
5. 적어도 하나 이상의 희생양극 또는 불용성양극을 포함하는 양극부; 전위 측정시 기준 전위를 제공하는 기준전극; 외부에서 공급되는 전원과 연결되어 직류 전류를 전기방식시스템에 공급하는 외부전원부;를 포함하는 하이브리드 음극 방식 시스템을 이용한 방법에 있어서,
   제어부가 상기 양극부에 있는 희생양극과 피방식체 사이의 전류 및 피방식체와 기준전극 사이에 인가되는 방식전압을 측정하고 기준전압과 비교하여 방식전압이 기준전압보다 높을 경우에는 상기 희생양극과 피방식체간 연결을 차단하는 단계;를 포함하는 외부전원을 이용한 하이브리드 음극 방식 시스템를 이용한 제어 방법.
6. 제5항에 있어서,
   상기 제어모듈은 전위전류계측모듈에서 측정된 전압 전류 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하고, 상기 디지털 신호를 전압 전류값으로 연산하여 입력된 알고리듬을 통해 기 입력된 기준치와 측정치를 비교하여 희생양극법과 외부전원법 중 하나를 선택적으로 적용하는 단계;를 더 포함하는 외부전원을 이용한 하이브리드 음극 방식 시스템를 이용한 제어 방법.
7. 제5항에 있어서,
   상기 희생양극과 피방식체간 연결하는 릴레이를 순차적으로 오프시킴으로서 피방식체 위치 및 부분적 환경 차이, 및 계절이나 상황에 따른 환경변화에 기인한 부식전류의 미세한 차이를 정밀하게 보상하는 단계;를 더 포함하는 외부전원을 이용한 하이브리드 음극 방식 시스템를 이용한 제어 방법.
8. 제5항에 있어서,
   통신모듈이 카메라들로부터 희생양극 영상정보를 전달받아, 전달받은 희생양극 영상정보를 외부로 전송하는 단계;를 더 포함하는 외부전원을 이용한 하이브리드 음극 방식 시스템를 이용한 제어 방법.

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