1. 구조적 부식
- Graphite corrosion(흑연부식)
회주철에서 금속이온이 산화되어 흑연층을 형성하는 경우를 말한다. 이의 예방을 위해 주철에 소량의 합금성분(Alloy component)을 첨가하여 소재의 밀도를 강화하고 형성되는 흑연 막의 부식억제 효과를 증가시킨다. 탄소강의 경우에도 455℃이상의 온도에서 탄소가 유리되므로 Cr-Mo혹은 Cr-Ni을 첨가하거나 탄소의 함량을 크게 낮춘다.
- Parting(Dealloying) corrosion
합금을 구성하는 금속성분의 일부가 부식되는 현상으로, 아연의 함량이 15%를 넘는 청동의 경우 아연만 선택적으로 부식되어 구리만 남는 경우가 이에 해당된다. 이의 예방을 위해 비소, 안티몬 혹은 인을 소량 첨가시킨다.
- Biological corrosion
미생물의 신진대사 결과는 다음과 같이 직․간접으로 금속표면에 부식환경을 조성하여 탄소강 재질의 지하배관을 황화철로 만들거나 수압시험 후의 스테인리스 강을 부식시킨다. 직․간접적으로 부식환경을 만든다. 전해 농도 셀을 만든다. 피막 저항을 변경시킨다. 음극/양극 반응속도에 영향을 미친다. 주위 환경 조성을 바꾼다.
2. 부식에 영향을 미치는 것
- pH
철과 같이 산에 녹는 경우 pH 가 4～10의 범위에서의 부식률은 접촉하는 산화 제(용존산화)의 농도에 따라 달라진다. 또한 철은 양쪽성 금속이 아니지만 고온에서는 부식률이 염기도에 따라 증가한다.(그림 a) 알루미늄과 아연 같은 양쪽성 금속은 산 혹은 염기 용액 중에서 빠르게 용해된다.(그림 b) 금과 백금과 같은 귀금속은 pH에 영향을 받지 않는다. (그림 c)
- 산화제
실제적으로 관찰되는 부식 반응의 대부분이 수소와 산소와의 결합에 의해 물이 생성되는 반응과 연계되어 있다. 따라서 어떤 용액의 산화 능력이 부식에 관한 중요한 척도로 이용된다. 보통 산화제는 어떤 물질을 부식시키지만 스테인레스강의 산화크롬 막과 같이 형성된 산화물이 금속표면에 보호 피막을 형성하여 더 이상 부식이 진행되지 않도록 억제시키기도 한다.
- 온도
보통 온도가 높을수록 부식 속도가 증가한다. 온도는 산화제의 용해도를 증가시키거나 금속표면과 접촉하고 있는 용액의 상변화를 일으켜 부식환경을 변화시키기도 한다.
- 속도
금속표면 위를 흐르는 부식성 유체의 속도가 증가할수록 금속의 부식 속도는 증가한다. 이는 유체의 빠른 유동으로 인해 금속표면의 부식층이 빠른 속도로 벗겨져 나가 부식에 민감한 새로운 표면을 제공하기 때문이다.
- 피막(film)
부식이 일단 시작된 후의 부식 속도는 형성된 피막의 성질에 따라 달라진다. 금속표면 위의 피막이 부식성 유체에 녹지 않을 경우 더 이상의 부식은 진행되지 않지만 부식성 유체를 투과시키거나, 부식성 유체에 녹은 경우 합금이 되지 않은 탄소강 표면에 새로운 부식층이 형성되어 금속이 유실된다.. 또한 금속의 부식으로 인한 피막의 형성 외에 부식성 유체로부터 불용성 화학물 (예: Carbonate, Sulfate)이 형성되어 금속표면에 침전함으로써 금속표면이 보호되기도 한다. 이외 접촉 유체에 의하거나 혹은 의도적으로 금속표면에 형성된 오일막은 금속 표면에 부식을 예방하는 효과가 있다.
- 농도 및 시간
대부분의 부식환경에서 농도 및 시간이 중요한 역할을 할 수 있지만 부식 속도가 항상 농도와 시간에 정비례하지는 않는다. 따라서 어떤 금속에 대한 일부분의 부식실험자료를 근거로 다른 조건에서의 부식 상황을 예측할 때에는 주의하여야 한다. 다만 공장의 조업정지 시에는 농도가 중요한데 이는 금속표면과 접촉하고 있는 유체가 냉각수의 수분을 흡수하여 부식성 유체로 변할 수 있기 때문이다.
- 불순물
부식 성유 체중에 포함된 불순물은 부식 속도를 지연시키거나 촉진하기도 한다. 불순물이 부식을 초진할 경우 불순물 제거 공정의 장치부식 속도는 증가하므로 이에 대한 대비책이 있어야 한다. 또 염소이온은 스테인레스강 표면에 형성된 산화막을 파괴하므로 항상 유체 중의 염소농도를 점검해야 한다.
3. 부식 예방법
- 고온 부식 저항
금속재료가 Oxidation과 Scaling과 같은 고온 부식에 저항하는 능력은 그 재료의 화학적 조성에 따라 달라진다. 크롬은 550℃이상에서 이용되는 합금에 필수적으로 첨가되어 금속표면에 보호 산화막을 형성한다. 실리콘은 탄소강에 산화 저항성을 부여하고 크롬의 효과를 향상하기도 한다. 또한 일정한 수준의 크롬 함량에서 니켈 첨가량이 증가할수록 산화 저항이 증가한다. 연료가 알칼리금속이온, 바나듐 및 화합물을 포함할 경우 이들이 고온 연소 중에 용융 액체를 형성하여 스테인레스강 표면에 형성된 보호 산화막을 파괴하므로 재질 선정에 주의해야 한다.
- 재질선정
공정조건을 만족하는 재질을 가장 경제적으로 선택하기 위해서는 유사한 기존 공정에 대한 자료를 참고하는 것이다. 이러한 자료가 없을 경우 실험실 부식실험자료, Bench 플랜트 혹은 Pilot 플랜트부터 얻은 자료를 바탕으로 재질의 적합 유무를 판단해야 한다. 이때에는 정적인 실험실 자료와 동적인 플랜트 운전 자료의 차이, 미량으로 존재하는 불순물의 영향, 여러 국부 부식의 가능성 등이 검토되어야 한다. 허용 가능한 부식 속도는 장치 설계에 중요한 인자이고 장치마다 달라진다. 탱크와 배관은 상당한 부식 여유를 가질 수 있지만 오리피스. Mesh-screen 등은 조그만 치수의 변화가 장치 성능에 큰 영향을 미치므로 부식 여유를 두어서는 안 된다. 비금속 재료는 때때로 경제성 및 재료 성능에 비해 금속재료에 뒤지지 않으므로 그들의 사용 가능성이 검토되어야 한다.
- 적정 설계
부식 가능성을 최소화하기 위해 각 장치의 적절한 배수(Drainage), 틈새(Crevice) 최소화, 검사 및 정비의 용이, 가능한 맞대기 용접 방식 채택을 해야 한다. 가능한 서로 다른 금속의 접촉을 피하고 부득이한 경우 절연 조치를 해야 한다. 보온재는 습기를 흡수해서는 안되며 금속재료는 적절한 열처리와 표면처리를 실시한다.
- 부식환경 변화
유체 중의 산소함량 변화, 불활성 가스 치환, 수분 제거, 온도/pH 변화에 의해 부식 속도가 큰 차이가 있다. 한 예로 산용액을 다루는 시스템에서 불활성 가스 치환에 의한 산소함량의 감소로 구리 혹은 니켈 합금을 보호할 수 있다.
- 부식방지제(Inhibitor)
부식방지제는 폐쇄회로시스템에 투여할 경우 가장 경제적이지만 개방 시스템에서도 종종 이용된다. 수용액 중의 철강재의 부식을 억제하기 위해 Chromates, Phosphates 및 Silicates가 이용되며, 산 용액 중에서는 Sulfide와 Amine이 이용된다. 또한 묽은 황산에 Copper Sulfate를 첨가하면 고온에서 스테인레스강의 부식을 억제하기도 한다. 보통 부식방지제의 농도가 높을수록 부식억제 효과가 증가하지만 경제성을 고려하여 0.1 wt.%이하의 농도로 유지한다. 그러나 부식방지제의 농도가 너무 적을 경우 재료 일부분에서 국부 부식을 일으켜 역효과가 날 수 있으므로 주의해야 한다.
- 음전기 보호(Cathodic protection)
이 전기 화학적 방법은 지하에 설치되어 토양과 접촉하고 있는 탄소 강재의 배관 혹은 탱크에 적절히 이용될 수 있다. 또한 물과 접촉하고 있는 배, 해안 구조물 및 탱크에도 적정히 이용될 수 있다. 음전기 보호법 중 Sacrificial-Anode법은 아연, 마그네슘, 혹은 알루미늄을 땅에 묻던지 보호되는 장치의 표면에 부착하여 양극(Anode)으로 사용함으로써 이들의 부식에 의해 필요한 전류가 발생된다. Impressed emf방법은 탄소, 백금 기타 난부식성재료를 땅에 묻던지 표류(수용액의 경우)시켜 양극으로 사용하고 직류전기를 외부에서 공급하는 방법이다.
- 유기물질 도장(organic coatings)
부식성유체에 견딜 수 있는 유기물질을 일정두께(0.75mm)이상으로 금속표면에 도포하거나, 고분자 물질을 여러 겹으로 (2.5mm 이상) 덧 씌움으로써 표면을 부식으로부터 보호하는 방법이다. 이 경우 코팅된 lining을 정기적으로 검사하여 균일하게 도포되었는지를 확인해야 한다.
- Glass-lined steel
특수 유리를 적절한 방법으로 강재에 1.5～2.5mm의 두께로 덧씌운다. 이 방법은 부식성이 큰 산용액을 취급하는 장치에 주로 이용되며 덧씌움 막이 깨지기 쉬우므로 라이닝의 설치, 검사, 유지보수에 각별한 신경을 써야 한다.
- Cladding & Overlay
부식에 견디는 물질을 모재에 적절한 방법(Hot rolling혹은 Pressure weld)으로 압착시키는 방법을 Cladding이라 하고, 부식에 견디는 물질을 용접봉으로 사용하여 모재에 용접층을 형성하는 방법을 Overlay라 한다.
- Metallic Lining
부식환경이 대단히 심각하지 않은 경우 모재 표면에 아연, 주석, 카드뮴, 납 및 알루미늄을 코팅하여 코팅된 물질의 순수한 부식 저항뿐만 아니라 모재와의 전기화학적 성질(보통 코팅물질이 양극으로 작용)을 이용한다.
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