KR880000473B1 - 방오금속판이 부착된 수중구조체 및 그 부착방법 - Google Patents

Abstract

내용 없음.

Description

방오금속판이 부착된 수중구조체 및 그 부착방법

제1도는 해수사용 구조체의 단락사고와 방식의 모양을 표시한 외판모형의 단면도.

제2도는 전위경사도가 있는 해수속에 있어서의 금속판속의 미주(迷走) 전류의 경로를 표시한 외판모형의 단면도.

제3도는 신체에 발생하는 전류(미주전류)경로의 일례를 표시하는 선박의 측면도.

제4도는 본 발명의 제1실시예를 실시한 선박의 측면모식도.

제5도는 제4도의 (V-V)선 단면도.

제6도는 본 발명의 제2실시예를 실시한 선박의 측면모식도(방오금속판 일부생략).

제7도는 넓은 방오금속판과 구조체의 단락에 의한 부식과 방식의 설명을 위한 외판모형의 단면도.

제8도는 본 발명의 제3실시예의 단박시의 설명을 위한 외판모형의 단면도.

제9도는 본 발명의 작용을 설명하기 위한 외판모형의 단면도.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

1 : 구조체 2 : 절연층

3 : 방오금속 4 : 물(해수 또는 담수)

6 : 단락부 7 : 방식아연

본 발명은, 방오금속판이 부착된 선박, 돌핀, 게이트, 수중구조물 등의 금속구조체의 수중생물부착방지(방오라고 함) 및 그 방오금속판의 부착방법에 관한 것이다.

또한, 방오의 문제가 중요한 것은 특히 해수와 접하는 구조물이므로, 이하에 해수속의 경우를 예로들어서 설명한다.

종래의 방오는 오러지 방오도료에 의존해왔다. 이 방오도료는, 예를 들면 이산화등, 혹은 유기주석동의 금속을 함유하고 있어, 이들이 서서히 용출되므로서 방오의 목적을 달성하고 있다. 이러한 방오도료를 사용하는 방오방법의 결점은, 1~2년마다 수중구조체등을 도크에 넣어서 도료를 다시 칠할 필요가 있다는 것이다. 특히 선박의 경우 이산화동 등의 금속이 용출량을 제어하는 목적으로 로진(rosin)과 함께 용출하나, 그 용출된 뒤에 남는 스켈리턴(Skeletoon)이 절차 용출을 저해하게 되어 방오효과가 차차 저하되고 또 이 스켈리턴에 의해서 선체표면의 거칠음이 증가되며, 이로 인해서 선체저항이 증가하는 것 등이 결점이다.

이 때문에 방오성이 있고 또한 내식성이 있는 금속재료로 선체를 덮는 것이 연구되어, 현재, Cu-Ni로 선체를 만들어 방오를 도모한 소형선이 유럽에서 건조되고 있으며, 문헌등으로도 보고되고 있다. 그러나 이 경우는, 강과 Cu-Ni이 해수속으로 전기적으로 결합되는 상태에서 강이 전기침식에 의해서 심하게 부식된다. 그래서, 흘(吃)수부전면을 Cu-Ni로 덮거나, 또는 Cu-Ni과 부분을 완전히 전기적으로 절연하는 등의 대책이 행해지고 있다. 선박뿐만아니라 해수속에서 사용되는 구조체도 마찬가지로, 이것들이 방오금속제보다 전위가 낮은 경우와 전위가 높은 경우에 따라서 선박 또는 해수속에서 사용되는 구조체가 부식의 위험에 노출되는지, 방오금속제의 부식이 촉진되는지가 결정된다. 일반적으로 방오금속제보다 전위가 낮은 금속이 선박, 또는 기타의 구조제로서 사용되고 있으며, 양자간 완전절연 또는 방오금속에 의한 완전 피복은 필수조건이다. 그러나, 이와같은 경우, 일부라도 부적합한 부분이 있어 방오굼속과 구조체가 전기적으로 단락하면, 부식은 비정상적으로 급속하게 촉진된다.

이를 방지하기 위해서는 구조체(이하 선박, 해수사용구조체 등을 이와같이 호칭함)와 방오금속보다 전위가 낮은 금속(예를 들면 아연, 알루미늄합금)으로 하거나, 혹은 외부로부터 전류를 공급할 수 있는 장치를 장비하는 것이 고려된다.

그러나, 이와같은 경우 다음과 같은 불합리한 점이 생긴다.

즉 제1도에 표시한 바와같이 구조체(1)와 절연층(2)을 게재해서 방오금속(3)으로 이루어진 것이 해수(4)와 방오금속(3)의 표면에 접촉되어 있는 경우, 피복불능하고, 더우기 절연층의 부적합부분(5)인 예를 들면 용접부의 돌기부분 등이 존재하므로, 예를 들어서 외력에 의해서 방오금속(3)과 구조체(1)가 접촉해서 단락부(6)를 만들었을 경우와 같은 어떠한 원인에 의해 상기 부적합부분(5)으로부터 방오금속으로 갤배닉전류(ig)가 흐르게 되어, 구조체(1)의 부식이 급속하게 진행된다.

이것을 방지하기 위해서는 방오금속(3)의 전위를 구조체(1)의 전위까지 인하하여서, 전위차를 해소하는 것이 필요하며, 이 때문에 구조체(1)와 전기적으로 접촉된, 예를 들어서 전위가 낮은 금속을 양극의 방식아연(7)으로 장비해두므로서, 양극의 방식아연(7)으로부터 방오금속(3)으로 전류(ip)가 흐르게 되므로, 원리적으로 방지할 수가 있다.

그러나, 이와같은 경우 방오금속(3)은 음극으로 분리되고, 방오에 필요한 방오이온이 공급이 중지되어(방오금속은 약간 금속이온을 방출하면서 부식되고 있다) 해양식물이 부착된다. 더우기 제1도에 표시한 바와같이 한장의 방오금속(전기적으로 접속되어 있다는 것을 의미함)으로 구성되어 있는 경우, 구조체(1)와 방오금속(3)사이의 어떠한 장소의 한군데에서라도 단락되면 방오금속 전체면이 이와같은 부적합상태가 되게되며, 더우기 방오금속전체면에 전류를 흐르게 하기 위해서는, 극히 다량의 아연을 장착해두어야 하는 불합리한 점이 있다.

그러나 이와같은 한장의 방오금속으로 구성된 구조물이 해수속에 있는 경우, 재래선박이나 해중구조체와 같은 도장된 금속구조물과의 다른 점은 접수표면의 전기저항(또는 전기화학저항)이 매우 낮다는 것이다. 이것은 전기에너지사용이 발달된 오늘날 극히 중요한 의미를 가지고 있다. 즉, 선박이 접안하는 안벽, 돌핀, 선박 등의 강철구조물은 반드시라고 해도 좋을 정도로 전기방식이 실시되고 있어, 그 부근에는 전류의 흐름(미주 전류라고 호칭함)에 의한 전장이 형성되어 있다. 비슷한 예로 철도궤도로부터의 누설전류등에 의한 전장의 형성이 있다.

이와 같이 전장속에 한장의 방오금속이 존재하면 전위가 높은 부분으로 전류가 유입되고, 전위가 낮은 부분에서 전류가 유출되어, 전류유출 부분이 부식되는 한편, 전류의 유입부분은 음극으로 분리되어 금속의 부식은 억제되지만 생물억제효과가 충분하지 않게 된다.

이 모양을 제2도에 표시하다. 도면은 전위경사도 V볼트/Lm의 해수속에 금속판(8)(길이 Lm)이 전위경사도의 방향과 평행으로 있을 경우를 표시한 것으로서 해수속에 전류I 암페어가 흐르고 있는 있는 경우를 표시한다. 이와 같은 경우 금속판(8)의 A부분에 전류를 유입하고 B부분에서 유출한다.

이때의 A부분, B부분에서는 일반적으로 다음의 반응이 일어난다.

A부분

………………………………①

B부분

M→Mⁿ⁺+ne………………………………………………………②

금속판으로서 구리를 사용했을 경우에 대해서 설명하면, 이 금속판의 해양생물부착방지효과는 구리가 부식해서 생성되는 동이온에 의한 것으로서, ② 식에 의한 금속 동이온의 생성은 방오효과의 관점에서는 바람직한 것이나. A부분에서 일어나는 반응은 동이온의 생성과 관계가 없는 것으로, OH-(수산기이온)의 생성은 구리의 부식을 억제하여, 생물부착억제의 면에서는 바람직하지 못한 현상이다.

일반적으로, 해수속의 금속판은 ①, ②식의 반응점이 금속판표면에 균일하게 발생하고, 이 발생하는 부분을 시시각각 교체하는 것이 바람직하므로, 이 조건이 충족되면 금속판은 균일하게 부식하게 되어, 방오상 극히 바람직한 금속제라고 말할 수 있다. 금속재에 필요한 또 하나의 요건은 방식에 유효한 금속이온을 발생하는 정도의 부식속도를 가진다는 것이며, 과도한 용출은 내구성면에서는 바람직하지 않다.

이와 같은 조건을 갖춘 방오에 극히 유효한 금속판 또는 재료를 얻었다고 해도 선박은 원래부터 상기한 전장 해면의 환경하에서 사용되는 것이다.

도전성이 좋은 금속재료를 선박과 같은 장대한 것에 사용할 경우에 균일한 금속의 용해를 저해하는 원인은 상기한 외부의 원인뿐만 아니라 다음에 설명하는 것과 같은 것이었다.

ⓐ 매클로우셀전류발생

선체 각부와 접하는 해수속의 용존산소농도의 불균일, 온도차, 유속등의 차가 멀리 떨어진 장소 사이에 상기 ①, ②식의 반응이 발생한다.

ⓑ 선박추진기는 구리합금으로 이루어지며 선체(철강)와의 갤베닉부식을 방지하기위해서 유전양극(아연)또는 외부전원방식에 의한 전기방식의 실시가 필요하나, 이 때문에 선체에 전위분포가 발생한다.

ⓒ 선박의 정박시 제3도에 표시한 바와같이 닻을 내린 경우의 선미부에 부착된 방식아연으로부터의전류가 발생한다.

제3도 (9)는 철강제의 선체, (7)은 방식아연, (11)도는 구리합금제 추진기, (12)는 철강제의 닻이다. 이 도면에서 볼 수 있는 바와같이 방식아연(7)과 닻(12)사이의 전위차 약 400mV에 의해서 화살표의 방향으로 전류가 흐른다.

원유 수송선, 벌크 화물선 등의 대형선은 선박의 길이가 200~300m까지 되므로, 1mV/m의 약간의 전위경사도로도 100m에서는 0.1V의 전위경사도가 되며, 이와같은 경우 실제측정결과는 10μA/cm²의 유입, 유출전유가 관찰되었다.

이에 따라. 전류유출부분(제2도 B부분)의 구리의 부식속도는 1μA/cm²의 전류가 하루동안 흘렀다고 하면 6.1×10^-5mm판두께가 감모(減耗)하므로 1년간에는 전류가 흐르지 않는 경우의 자연부식을 0.005mm/년이라고 하면,

약 40배의 가속이 된다.

이와같이 약간의 전위경사도의 존재로 하나의 방오금속판으로 덮은 대형선박에서는 극히 큰 영향을 받는다.

본 발명은 상기의 결점을 해소한것을 목적으로 한 것으로서, 전기적 방식방법 혹은 전기화학적 방식방법으로 방식하는 수중구조체의 접수면에, 이 접수면과 수직방향에는 전기절연층을 개재하고, 이 접수면의 면방향에는 상호접촉하지 않도록 방오금속판을 세분화하여 피복하는 것을 특징으로 하는 수중구조체에의 방오금속판 부착방법과, 전기적방식방법 혹은 전기화학적 방식방법으로 방식하는 수중구조체의 홀수부 외판과, 이 외판과 물과의 도통을 차단하도록 홀수부외판의 표면에 형성된 전기절연층과, 이 전기절연층상에 상호 접촉되지 않도록 부칙된 새문화된 방오금속판을 구비한 것을 특징으로 하는 수중구조체를 그 요지로 한 것이다.

또한, 여기서 전기적 방식방법이란, 방식하려고 하는 부분(구조체)을 음극으로하고, 흑연 또는 주철을 희생(犧牲) 양극으로 하여 직류전압을 걸거나, 백금도금티탄전극 또는 Pb-Ag합금 등의 불용성양극에 직류전압을 걸어서 구조체를 방식하는 방법으로, 구조체의 전위를 자동적으로 유지하는 자동전위제어장치도 포함하는 것이다.

또, 전기화학적 방식방법이라 함은 구조체의 재료보다 낮은 전위를 표시하는 금속(예를 들면 강철구조체에 대해서는 Zn, Al, Mn 및 그 합금, 순 Fe등)을 구조체에 접촉시켜서, 구조체/물/비금속의 전기회로를 형성하여, 비금속이 구조체 대신에 용출되므로 구조체를 방식하는 방법이다.

수중구조체라 함은 해수 혹은 담수에 접하는, 선박, 해양구조물을 포함하는 모든 구조체를 의미하며 접수면이라 함은 해수 혹은 담수에 접하도록 되는 구조부재의 면을 의미한다.

이하에, 문제점의 해석을 통해서 본 발명을 설명한다.

전위경사도에 의해서 발생하는 전류밀도는 본 발명자의 연구결과에 의하면 다음의 식에 의해 근사치로 할 수 있다.

……………………………③

여기서 i는 전류밀도(A/cm²), E는 단위 길이당의 전위경사도 (V/100cm)

L은 금속판길이

rC는 ①식의 전기화학반응저항(Ω-cm²),

n는 방오금속의 과전압(V), i는 전류밀도(A/cm²) ③ 식에서 명백한 바와 같이 유해한 전류를 작게하기 위해서는 rC를 크게하던가 L를 작게하는 것이 유효하다. 그러나 rc는 금속특성에 따르는 것으로서, 현실적인 해결책은 L을 작게하는 것이다.

구체적으로는 선체외판상의방오금속을 장대한 것이 아닌 작게 절단한 것을 사용하는 것이다.

금속판의 길이 L의 것을 n장 절단했을 때의 한장의 금속판의 부식전류밀도in은

………………………………④

이다.

③, ④ 식으로부터 전류밀도의 감소비율(f)은

…………………………………⑤

이와간이 (l/n)로 감소시킬 수 있다.

이 n의 값을 어느 정도로 택할 것인가 하는 것은 중요한 문제이지만 n의 값을 너무 크게 하는 것은 방오금속의 한변의 길이가 짧아져서, 절단부분(이음매부분의 시일 등이 필요)의 증가에 의한 시공의 번잡화와 공비의 증대, 이음매부분의 증가에 의한 마찰저항의 증대 등과 같은 불이익을 낳게한다. 일반적으로는 방오금속의 내용년수, 방오효과 등에의 영향을 고려해서 in가 자연부식속도와 대략 같은 정도를 허용전류밀도의 상한이 되도록 하는 것이 실용상 바람직하다.(부식속도가 2배로 된다.)

선박의 전장을 L, 절단한 한장의 방오금속의 길이를 ℓ, 허용전류밀도비[부식전류밀도(in)/자연부식전류밀도(io)]를 K,선박전장의 전위경사도를 VL볼트로하면 ⑥식이 성립된다.

l=k·io·L·rc/VL ………………………… ⑥

예를 들면 K=1, rc

10⁴Ω-cm², VL=0.4volt

io

0.25×10^-6A/cm²

로 했을 때의 절단한 방오금속의 한장의 길이에 미치는 선박길이의영향은 다음과 같이 된다.

선박길이(Lcm) 방오금속의 길이l(cm)

200×10²125

100×10²62.5

50×10²31.5

10×10²6.25

여기서 표시한 수치는 선박의 선수~선미길이의 양단에 전위경사도 0.4V가 존재할 경우의 경향을 설명하기 위해서 표시한 것으로서, 실제로는 제3도에 표시한 방식아연의 부착위치, 수량, 선박의 길이, 추진기와의 관계로 전위경사도는 달라지며, 이런 것들을 고려하여 l의 길이를 결정할 필요가 있다.

상기의 설명은 선박의 길이방향에 대해서만 설명했으나 폭(횡단면방향)의 방향으로도 마찬가지로 설입한다. 그러나, 폭의 길이가 선수~선미길이에 비해서 몇분의 l이하라는 것과, 전위경사도의 영향을 받는 기간을 고려하면 안벽, 폰투운(pon·toon), 계류등의 외부의 원인보다도 상기한 ⓑ와 같은 선박 자체에 의한 원인쪽이 극단적으로 크다. 즉, 계류기간의 일수에 대해서, 선박 자체에 의해 기인되는 것을 항행, 정박을 불문하고 언제나 존재한다는 것과, 또한 폭방향에 대한 영향정도는, 선박구조상으로 보아 길이방향에 비해서 거의 없는 것과 같기 때문에 길이 방향만큼 l에 대해서는 큰 영향을 받지 않는다.

이와 같은 점을 고려해서 방오금속판으로 피복된 방오선박의 실시예를 제4도, 제5도 및 제6도에 표시한다.

제4도는 0.2~0.5mm 두께와, 길이ℓcm의 방오금속판(14A)이 선체(9)의 길이방향으로 간극(15)을 개재해서 부착된 것이고, 선폭방향으로 일부분을 절단한 예를 제5도에 도시하고 있다. 방오금속판(14A)의 이음매부(16)와 간극(15)의 간격은 될 수 있는 대로 좁게해서(수mm이하) 내수성 절연재로 시일할 필요가 있다. 방오금속판(14A)과 선체(9)는 적절한 절연층(13)을 개재해서 예를 들면 접착제로 접착한다.

제6도는 선박의 길이에 평행인 방향으로 작게 절단한 금속판을 붙인 예를 표시한 것이다. 선박의 크기에 따라서 적절히 선택할 수 있다.

여기서 어떠한 이유로 선체와 방오금속판이 전기적으로 단락하였을 경우, 선체와 방오금속사이에 갤베닉전류가 흘러 선체의 부식이 발생한다는 것은 이미 설명했다. 이것을 좀더 상세히 설명한다. 이와 같은 경우 제1도에 표시한 방식아연(7)의 판을 설치함에 의해 전류(ip)를 방오금속판으로 유입하여, 선체의 전위까지 방오금속판의 전위를 내려서 부식의 발생을 방지하도록 작용하지만, 방오금속판이 세분화되어 있지 않을 경우, 매우 큰 전류를 필요로 하며, 실용상의 방식은 불가능하게 된다. 이것은 선박의 안전상 극히 중요한 문제로서, 세분화되어 있으므로 전기적으로 단락한 방오금속판에만 전류를 공급하면 되고, 작은 전류로도 될 수 있기 때문에 선박의 안전을 용이하게 달성할 수 있다. 세분화되지 않는 경우, 방오금속과 선체의 한군데가, 어디서 접촉하든간에 부식을 발생하게 되지만, 방오금속판을 세분화한 경우, 그 위험성을 완전히 없앨수가 있다. 즉, 단락한 방오금속판의 주위에 있는 같은 형상의 세분화된 방오금속판은 해수보다도 양호한 전기전도체로서 작용하며, 신속히 전위를 저하시키는 작용을 한다.

그 모양을 제7도, 제8도를 사용해서 상세히 설명한다.

제7도는 방오금속판이 세분화하지 않은 경우에 선체와 단락하는 예를 간략화해서 표시한 것으로서 (9)는 선체이고, (13)은 전기절연층이고, (14)는 방오금속이고, (7)은 선체보다 전위가 낮은 금속으로 예를 들면 방식아연, 방식알루미늄 등이고, (17)은 방오금속(14)과 선체(9)의 단락부분이며, (18)은 선체의 도장 등에 의한 결합부분을 표시한다. 이와 같은 경우, 선체보다 전위가 낮은 금속, 예를 들면 방식아연(7)으로부터 방오금속(14)으로 전류(ip)가 유입하여(ig)(선체도장 등에 의한 결함부(18)로부터 방오금속(14)으로의 부식 전류)의 발생을 억제하도록 작용하지만 방오금속(14)에 다량의 전류가 필요하게 되며, 단락부분(7), 선체도장등에 의한 결합부(18)의 상대위치에 따라서는(ig)의 발생을 억제할 수 없다.

제8도는 제7도의 방오금속판(14)을 세분화한 방오금속판(14A)으로 바꾸어 놓은 경우이고, 방오금속(14B)의 면적에 상당하는 단락부분(17)만의 전류(ip)로 충분하며, 전류경로도 전기정항이 높은 해수속보다 전기저항이 낮은 방오금속판(14A)등을 순차적으로 통과하여 신속하게 방오금속(14B)의 전위를 저하시켜 신체도장등에 의한 결함부(18)로부터의 발생전류(ig)를 소실시킨다.

이상과 같이, 본 발명은 금속제의 선박, 물에 접하는 구조체의 접수면에 전기절연층을 개재해서 방오금속판을 독립세분화해서 피복하여, 선박, 해수사용구조체와 그것보다 낮은 전위를 나타내는 금속을 접촉시켜 놓으므로서, 전위경사도하의 방오금속판의 이상부식과, 방오효과의 불완전함을 방지함과 동시에 방오금속판과 구조체 및 선박본체와의 접촉사고로 인한 본체의 이상부식의 발생을 방지할 수 있도록 한 것이다.

또한, 전위를 나타내는 금속대신에 백금도금의 티탄전극과, 납-은합금등의 불용성 양극과 직류전원을 사용해도 좋으며, 또 구조체의 전위를 자동적으로 유지하는 자동전위제어장치를 사용해도 그 작용효과는 원리적으로 동일한다.

본 발명을 보다 유효하게 실시하기 위해서는 선박, 해수사용구조체를 둘러싸도록 상기한 전위가 낮은 금속을 부착하는 것이 극히 바람직하다. 이것은 제9도에 표시한 바와 같이 전장인 해면에 구조체가 노출되어 있을 때는 미주하고 있는 전류(is)의 바이페스 효과가 생김과 동시에 구조체상의 전위분포를 평탄하게 하는 효과를 생기게 하기 때문이다.

이상의 효과는 선박과 같은 장대한 것에 한정되지 않고, 장대한 수문게이트, 혹은 길이방향으로 긴 해안구조물 등에도 마찬가지로 유효하다.

또한, 방오금속으로서의 실시에는 판의 접착에 한정되지 않고, 용사, 도금 등 어느것에 의해서도 될 수 있는 것은 말할것도 없다.

Claims (2)

1. 전기적 방식방법 혹은 전기화학적 방식방법으로 방식하는 수중구조체의 접수면에, 이 접수면과 수직방향에는 전기절연층을 개재하고, 이 접수면의 면방향에는 상호 접촉하지 않도록 방오금속판을 세분화하여 피복하는 것을 특징으로 하는 수중구조체에의 방오금속판 부착방법.
2. 전기적방식방법 혹은 전기화학적방식방법으로 방식하는 수중구조체의 홀수부외판과 이 외판과 물과의 도통을 차단하다록 홀수부외판의 표면에 형성된 전기절연층과, 전기절연층상에 상호접촉되지 않도록 부착된 세분화된 방오금속판을 구비한 것을 특징으로 하는 수중구조체.

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