1. 부식이란?
장치 재료를 선정하는 데 있어 시스템 특성 특히 부식에 영향을 미치는 모든 인자가 고려되어야 한다. 또한 우리가 평소 장치 재료들의 일반적인 특성과 여러 부식 환경에 대한 이들의 반응을 알고 있다면, 시스템 부식에 대한 상세한 정보가 입수되기 전에 가능성 있는 재료를 빠른 시간 안에 선정할 수 있다.
- 금속재료
순수한 금속과 그들의 합금은 부식물질중의 어떤 원소와 화학적으로 결합하여 자연에서 발견되는 물질과 비슷한 안정한 화합물을 만든다. 이런 식으로 금속이 모체에서 손실될 때 우리는 금속표면이 부식되고 있다고 말한다. 부식은 여러 형태로 진행될 수 있는 복잡한 현상으로 금속표면(일반부식)뿐만 아니라 금속조직의 경계(Grain Boundary)나 기타 약한 부분을 따라 진행되기도 한다. 대부분의 수용액 중에서 부식반응은 양극 부분과 음극 부분으로 나누어지며 금속표면의 여러 부분에서 반응하면서 동시에 진행된다. 이때 양극으로부터 음극으로의 전류의 이동이, 단일금속 혹은 이종금속 사이에 형성된 국부 전지(Local cell)에 의해 일어날 수도 있다.
- 비금속재료
금속재료의 부식은 화학적 혹은 전기 화학적 반응에 의해 진행되나, 비금속 재료는 팽창(Swelling), 균열(Cracking) 및 연화(Softening)와 같은 물리 화학적 반응에 의해 물리/화학적 성질이 변한다. 이러한 성질 변화는 극단적인 면이 있어 부식환경에 노출되었을 경우 비교적 짧은 시간 안에 그 재료의 물리화학적 성질이 변할 수도 있고, 다른 경우에는 전혀 영향을 받지 않는다.
2. 국부 부식
- Pitting corrosion (공식 부식 혹은 점식 부식))
금속표면의 국부 지역에서 진행되는 부식으로 금속표면에 구멍을 만든다. 이는 염소를 포함하는 수용액 중의 알루미늄 혹은 스테인리스 합금 등에서 발생하며 부식방지제를 투입하여 억제할 수 있다.
- Crevice corrosion(틈새 부식)
동종 혹은 이종 물질의 접촉 시 형성된 틈새 혹은 근처에서 발생되며, 이는 틈새의 산소 결핍, 산도(acidity)변화산도 변화, 이온축척, 부식 방지제 농도 부족 등에 의해 진행된다.
- Oxygen-concentration cell(산소 농도 전지)
용액 내의 산소농도가 주위보다 적은 경우 발생한다. Stuffing Box 내부, 가스켓 접촉면, 퇴적물이 쌓인 금속표면에서 일어나며 이를 피하기 위해서는 재설계하거나 역학적(Mechanical) 조건을(Mechanical) 변화시켜야 한다.
- Galvanic corrosion(등전기 부식)
서로 활성이 다른 금속을 접촉시킬 경우 활성이 큰(anode) 금속으로부터(anode) 상대적으로 활성이 적은(cathode) 금속으로 전류가 흘러 부식이 더 빨리 진행되는 것으로 이를 방지하기 위해 가능한 활성 차가 적은 금속을 이용하거나 보호 산화피막을 형성, 혹은 금속 사이의 절연 방법이 이용된다. Galvanic corrosion은 면적 효과가 중요하여 음극과 양극의 면적비가 클수록 부식이 더 빨리 진행된다. 예를 들면 구리판에 강철리벳이 강판에 구리 리벳보다 부식 정도가 심하다.
- Intergranular corrosion(입자계부식)
결정 경계면을 따라 일어나는 부식으로 금속의 강도와 유연성을 감소시킨다. 오스테나이트 스테인레스강의 경우 450～843℃의 온도 영역에서 크롬 카바이드 (Chromium carbides)가 결정 경계면에서 형성되어 경계면의 크롬 함량이 낮아지므로 뜨거운 질산과 같은 부식환경에 민감하게 영향을 받는다. 이를 방지하기 위해서는 niobium이나 titanium을 첨가하여 안정화시킴으로써Carbide의 형성을 억제하거나, 탄소 함량이 0.03 wt.% 이하가 되도록 한다. 안정하되지 않거나 탄소량이 높은 오스테나이트 스테인레스강의 경우 Annealing처리가 요구된다.
- Stress-corrosion cracking(응력부식균열)
내부의 잔류 응력 혹은 외부에서 받는 힘에 의해 부식이 가속되는 것으로 잔류 응력은 주조(fabrication) 특히 용접 중의 변형, 불균일한 냉각, 내부구조의 재배열 및 리벳/볼트/프레스에 의해 유도된 응력 등을 들 수 있다. 표면에 작용하는 인장 응력의 경우에는 보통 항복 응력과 같은 수준의 힘이 작용되어야 하나 더 낮은 응력에서도 응력부식균열이 일어날 수 있다. 사실 모든 합금은 응력부식균열을 일으킬 수 있는 특별한 환경을 가질 수 있고 일어나는 시간은 수분에서 수년에 이른다. 이와 같은 예로 오스테나이트 스테인리스 강의 경우 50℃이상의 온도에서 주위의 염소농도가 수 ppm(염소를 포함하는 절연재 혹은 냉각수에 의해)이 넘을 경우 염소가 뜨거운 표면에 농축하여 부식 속도가 빨라지는 경우와, 열교환기 튜브의 Welled point crevice에 쌓인 scale에 의해 균열이 일어나는 경우가 있다. 이외 Caustic에 의한 철강재의 embrittlement로embrittlement 사용 온도50℃이상, caustic농도 30%30% 이상에서 철강재의 잔류 응력이 남아 있는 경우 발생하기 쉽고 기타 Hydrofluosilic acid중의 Monel 도 균열이 발생하기 쉽다.
- Liguid-Metal corrosion(액체 금속 부식)
수은과 같은 액체금속이 알루미늄 합금과 같은 모재의 결정 경계면(Grain Boundary)을 따라 침투하여 모재의 손상을 입히는 경우로 용융아연 혹은 알루미늄에 의한 스테인레스강의 손상도 이에 해당된다. 더 흔한 예로 Galvanized Steel이 스테인레스강에 용접된 후 260℃이상의 온도로 노출될 경우 모재의 손상이 일어난다. 따라서 이때에는 Galvanizing을 완전히 제거해야 한다.
- Erosion (침식)
금속표면이 빠른 속도로 움직이는 유체와의 마찰에 의해 침식되는 경우이다.
- Impingement corrosion(충격부식)
Erosion-corrosion혹은 velocity-accelerated corrosion이라고도 하며, 산화피막과 같이 금속표면을 보호하고 있는 막이 주위 유체와의 마찰에 의해 떨어져 나감으로써 부식이 가속화되는 것을 말한다.
- Corrosion fatigue(부식피로)
금속표면에 주기적으로 응력이 작용할 경우 금속표면을 보호하고 있는 산화피막이 쉽게 파괴되어 파괴된 부분에 응력이 집중됨으로써 부식이 시작되고 결국 균열의 원인이 된다.
- Cavitation corrosion
액체 중에 발생한 기포가 금속표면에 충돌하여 깨짐으로써 큰 충격이 발생하고 금속표면을 보호하고 있는 산화피막을 파괴하여 부식이 가속화된다.
- Fretting corrosion (마찰 부식)
금속면이 서로 미끄러질 경우 마찰열이 발생하여 금속표면을 산화시키고, 산화된 막이 떨어져 나가면서 부식이 촉진된다.
- Hydrogen Attack
온도가 높고 수소 분압이 높은 경우 수소가 철강재의 표면에 침투하여 탄소와 반응함으로써 메탄을 형성한다. 이는 철강재의 유연성을 떨어뜨리거나(Hydrogen Embrittlement) 균열의 발생 및 철강재의 표면에 수포를 형성하여 궁극적으로 소재의 강도를 떨어뜨린다. 높은 수소 분압 외에 H(2)S 혹은 HCN과 같은 약산(weak acid)용액 중에서 전기화학적 부식 반응이 일어날 경우 발생된 수소원자가 금속 내의 미소한 공간으로 확산되어 수소분자를 형성함으로써 금속의 유연성 감소, 균열 및 수포 형성의 원인이 된다.
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