천연가스 공급용 고압 지하 매설배관에 교류가 유도될 때 쿠폰과 전기저항형 박막센서를 이용하여 교류에 의한 부식속도를 평가하고 주요한 인자를 규명하고자 하였다. 전국에 걸쳐 조사된 교류전압 측정결과를 바탕으로 쿠폰과 전기저항형 박막센서를 설치하고, 주요인자를 고찰하기 위하여 다양한 인자들 (교류전압, 교류전류, 토양 비저항, 주파수, 방식전위)을 정기적으로 기록하였다. 황산동 전극기준 -850mV의 방식전위를 충분히 만족하는 상황에서도 교류에 의한 부식이 진행하였으며, 교류에 의한 부식속도는 교류전압과는 관계없이 교류전류밀도와 주파수에 의존하는 것으로 나타났다. 교류에 의한 부식속도는 유효교류전류밀도에 따라 직선적으로 증가하였으며, 쿠폰에 의한 평가결과 직선의 기울기는 0.619, 전기저항형 센서에 의한 직선의 기울기는 0.885로 나타났다.
천연가스 공급용 고압 지하 매설배관에 교류가 유도될 때 쿠폰과 전기저항형 박막센서를 이용하여 교류에 의한 부식속도를 평가하고 주요한 인자를 규명하고자 하였다. 전국에 걸쳐 조사된 교류전압 측정결과를 바탕으로 쿠폰과 전기저항형 박막센서를 설치하고, 주요인자를 고찰하기 위하여 다양한 인자들 (교류전압, 교류전류, 토양 비저항, 주파수, 방식전위)을 정기적으로 기록하였다. 황산동 전극기준 -850mV의 방식전위를 충분히 만족하는 상황에서도 교류에 의한 부식이 진행하였으며, 교류에 의한 부식속도는 교류전압과는 관계없이 교류전류밀도와 주파수에 의존하는 것으로 나타났다. 교류에 의한 부식속도는 유효교류전류밀도에 따라 직선적으로 증가하였으며, 쿠폰에 의한 평가결과 직선의 기울기는 0.619, 전기저항형 센서에 의한 직선의 기울기는 0.885로 나타났다.
An alternating current (AC) corrosion using coupon and electric resistance (ER) probe has been studied. Coupon coupled with ER probe were applied in terms of AC voltage from high value to low value through the survey of AC voltages on buried gas transmission pipeline over the country. Parameters suc...
An alternating current (AC) corrosion using coupon and electric resistance (ER) probe has been studied. Coupon coupled with ER probe were applied in terms of AC voltage from high value to low value through the survey of AC voltages on buried gas transmission pipeline over the country. Parameters such as AC current density of coupon, AC voltage, cathodic protection potential, soil resistivity and frequency were monitored continually. Corrosion induced by AC was observed even under cathodically protected condition that met cathodic protection criterion (below -850mv vs. CSE). Corrosion rate was affected mainly not by AC voltage but by both of frequency and AC current density. An experimental corrosion rate relationship could be obtained statistically, In which AC corrosion rate increased linearly with effective AC current density and its slope was 0.619 in case of coupon and 0.885 in case of ER probe.
An alternating current (AC) corrosion using coupon and electric resistance (ER) probe has been studied. Coupon coupled with ER probe were applied in terms of AC voltage from high value to low value through the survey of AC voltages on buried gas transmission pipeline over the country. Parameters such as AC current density of coupon, AC voltage, cathodic protection potential, soil resistivity and frequency were monitored continually. Corrosion induced by AC was observed even under cathodically protected condition that met cathodic protection criterion (below -850mv vs. CSE). Corrosion rate was affected mainly not by AC voltage but by both of frequency and AC current density. An experimental corrosion rate relationship could be obtained statistically, In which AC corrosion rate increased linearly with effective AC current density and its slope was 0.619 in case of coupon and 0.885 in case of ER probe.
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문제 정의
따라서 본 연구에서는 전기방식조건은 만족되면서 교류가 유도되는 매설된 배관에 쿠폰과 부식속도 측정용 전기저항 센서를 이용하여 교류간섭에 따른 부식속도를 측정하고자 하였다. 또한 배관과 쿠폰사이에 흐르는 교류전류를 일정기간 연속적으로 측정하여 전류밀도를 모니터링 하였으며, 주파수, 쿠폰 면적의 영향 등을 평가하여 부식속도에 미치는 영향인자를 규명하고자 하였다.
매설된 천연가스 수송배관은 폴리에틸렌 피복이 되어 있으며, 피복 결함 형태는 핀홀 형태의 국부적 피복 결함보다는 건설시 건설장비에 의한 충격으로 생긴 큰 손상부가 대부분이다. 따라서 실제 배관의 상태에서와 같이 1cm2 보다 큰 피복 손상부의 크기를 모사하여 평가해 보고자 하였다. 이러한 평가를 위한 장소로써 CH1 지점을 선정하였데 이 지점에서는 배관과 인접한 지역에서 교통 신호등의 접지로부터 누설전류가 배관주변의 토양으로 유출됨을 확인하였다.
하였다. 또한 배관과 쿠폰사이에 흐르는 교류전류를 일정기간 연속적으로 측정하여 전류밀도를 모니터링 하였으며, 주파수, 쿠폰 면적의 영향 등을 평가하여 부식속도에 미치는 영향인자를 규명하고자 하였다.
제안 방법
쿠폰의 전처리는 SiC paper #600을 이용하여 연마되고, 아세톤 초음파 세척 후 len?의 노출면적만을 남기고 상업용 에폭시 (Araldite) 를 코팅되도록 하였다. Lead선은 무게감량을 통한 부식속도 측정을 위하여 coupon의 모서리에 직경 2mm의 구멍을 내고 단선의 구리선을 연결하여 전기적인 접촉이 이루어지도록 하였다.
굴착된 쿠폰은 dark 용액중에서 에칭하여 표면산화물을 제거한 후 무게를 측정하여 매설 전 무게 (O.lmg 단위)와의 차이를 구하여 부식속도를 계산하였다.
즉, Randle 회로로 단순화하여 전극표면을 고려해 본다면 교류전류가쿠폰의 전극표면에서 흐를 때 주파수가 크면 capacitance의 리액턴스가 작아져서 전기적 이중증을 통한 교류전류 흐름이 증가하고 반면에 전자 전달반웅을 수반하여 부식반웅에 참여하는 전류는 상대적으로 감소하기 때문이다. 따라서 부식속도에 대한 전류밀도의 영향은 Table 1에 제시하는 바와 같이 즉정되는 주파수의 harmonics를 분석하여 60Hz 및 60Hz의 정수배에 해당하는 성분들의 구성비율을 나누어 고려하였다. 즉, 다음의 관계식으로부터 얻어진 유효전류밀도에 의하여 부식속도에 미치는 영향을 평가하는 것이 타당하다고 판단된다.
교류전위, 방식전위 및 주파수 측정은 portable oscilloscope (Fluke 105B)를 이용하였으며, 전위측정용 기준전극은 포화 황산동 기준전극 (이하 전위기준은 CSE 기준)을 사용하였다. 또한 교류전류밀도 측정은 배관과 쿠폰의 리드선 사이에 자체 제작되어 교류전류를 직류전위로 변환하는 convertor (1 ~ 99mA 범위)를 사용하였으며, 출력된 직류전위는 DC 전위측정용 로거를 이용하였다. 교류전위 및 방식전위는 교류로거를 이용하고 기준전극은 매설된 아연을 이용하였다.
부식속도에 미치는 여러가지 영향인자를 조사하기 위하여 교류전위, 방식전위, 교류전류밀도, 유도전위 주파수, 토양 비저항 등을 측정하였다. 교류전위, 방식전위 및 주파수 측정은 portable oscilloscope (Fluke 105B)를 이용하였으며, 전위측정용 기준전극은 포화 황산동 기준전극 (이하 전위기준은 CSE 기준)을 사용하였다.
이러한 평가를 위한 장소로써 CH1 지점을 선정하였데 이 지점에서는 배관과 인접한 지역에서 교통 신호등의 접지로부터 누설전류가 배관주변의 토양으로 유출됨을 확인하였다. 즉, 신호등과 가까운 지점의 배관 위치로부터 점차 교류전압이 낮아지는 지점에 대하여 3개의 시험장소 (A, B, C site) 각각에 면적을 달리한 세 종류의 쿠폰 (각각 1, 4, 9cm2)을 6개월간 매설하여 면적의 영향을 평가하였다. Fig.
매설시 쿠폰의 노출면에는 굴착된 토양중에서 진흙에 까까운 고운 흙만을 선별하여 접촉시키기고 물을 적당히 부으면서 다져 주었다. 최대 교류전위 유도지점에서부터 거의 유도되지 않는 지점을 선정하여 매설하였다.
2개의 Icm?쿠폰을 매설하였으며, 6개월과 1년 경과 후 각각 한 개의 쿠폰을 굴착하였다. 굴착된 쿠폰은 dark 용액중에서 에칭하여 표면산화물을 제거한 후 무게를 측정하여 매설 전 무게 (O.
대상 데이터
쿠폰과 박막센서는 배관의 통상적인 매설깊이인 지하 L5m에 매설하였다. 매설시 쿠폰의 노출면에는 굴착된 토양중에서 진흙에 까까운 고운 흙만을 선별하여 접촉시키기고 물을 적당히 부으면서 다져 주었다.
쿠폰은 API 5L X65에서 규정되어 있는 탄소강을 절단하여 가로, 세로 각각 L5cm에 두께 0.5mm로 준비되었다. 쿠폰의 전처리는 SiC paper #600을 이용하여 연마되고, 아세톤 초음파 세척 후 len?의 노출면적만을 남기고 상업용 에폭시 (Araldite) 를 코팅되도록 하였다.
이론/모형
교류전위, 방식전위 및 주파수 측정은 portable oscilloscope (Fluke 105B)를 이용하였으며, 전위측정용 기준전극은 포화 황산동 기준전극 (이하 전위기준은 CSE 기준)을 사용하였다. 또한 교류전류밀도 측정은 배관과 쿠폰의 리드선 사이에 자체 제작되어 교류전류를 직류전위로 변환하는 convertor (1 ~ 99mA 범위)를 사용하였으며, 출력된 직류전위는 DC 전위측정용 로거를 이용하였다.
교류전위 및 방식전위는 교류로거를 이용하고 기준전극은 매설된 아연을 이용하였다. 또한 토양비저항측정은 Wenner 4전극법을 이용하였으며, 전극간격을 2m로 하여 지표로부터 지하 2m까지의 평균 비저항값을 측정하였다.
성능/효과
1) 토양비저항이 3, 000Qcm로 낮고 전류가 높게 흐르는 지점에서 쿠폰을 통하여 실측된 교류전류밀도는 , 각 위치에서 측정된 교류전위 및 토양비저항을 고려한 이론적 관계식 弟二8Vac/(Q 兀①으로부터 큰 .차이를 나타내었다.
3) 교류부식속도는 주파수 파형을 고려한 유효 교류전류밀도에 의하여 평가하는 것이 타당하다고 판단되었으며, 유효 교류전류밀도(Ie)는 측정 전류밀도 (Im)과 ∑(주파수 구성비율/60Hz 기준 정수)의 곱으로 제안되었다.
4) 교류가 유도되는 배관에 쿠폰법을 적용한 결과 -1.0V 이하로 방식되고 있는 상태에서 교류에 의한 부식속도는 유효 교류전류 밀도에 따라 직선적으로 증가하였으며, 이때 기울기는 0.619를 나타내었다.
5) 전기저항형 박막센서는 전기방식이 행해지는 매설배관의 환경에서 교류간섭의 크기에 따라 단기간 내에 부식속도를 측정할 수 있었으며, 부식속도는 유효 교류전류밀도에 따라 선형적으로 증가하였다. 이는 간섭이 존재하는 환경에서 효과적인 방식진단 수단으로 활용될 수 있음을 제시한다.
교류전류밀도가 ImA/cn?내외로 아주 낮은 경우에도 1~3mpy의 부식속도를 보여주고 있는데 이러한 값은 부식 생성물 제거시 사용되는 에칭용액 침적중에 모재 자체가 부식되어 1~2 mpy 정도의 오차를 포함할 수 있는 것으로 확인되었다. 따라서 Table 1에 제시된 부식속도는 주어진 조건에서 교류에 의한 최대 부식속도를 나타내는 것으로 간주할 수 있으며, 쿠폰을 이용하여 낮은 부식속도를 측정하는데 있어서 쿠폰법의 한계를 보여주는 것이라 판단된다.
6에서는 교류에 의하여 생성된 부식생성물에 대한 SEM 사진을 보여주고 있는데, 표면에 부식 생성물이 치밀하게 형성되어 있음을 확인할 수 있다. 부식생성물에 대한 성분분석 결과 Fig. 7에서 확인할 수 있는 바와 같이 모재의 성분외에 산소만이 존재함을 알 수 있으며, 이들을 통하여 치밀한 철 산화물을 형성하면서 교류에 의한 부식이 진행함을 알 수 있다.
이러한 원인은 쿠폰 면적이 두 배증가한다고 하더라도 교류전류가 두 배로 증가하지 않는데 있다. 실제 측정 결과 1cm2 쿠폰의 교류전류에 비하여 9cm2 쿠폰의 교류전류가 최대 200% 이내로 증가되는 것이 관찰되었다. 따라서 쿠폰의 면적이'.
2) 쿠폰 면적이 Icm?에서 gem?으로 증가함에 따라 교류전류는 최대 200% 증가하는 것으로 관찰되었으며, 이에 따라 쿠폰면적이 커지면 단위 면적당 교류전류밀도는 현저히 감소하여 교류에 의한 부식속도는 크게 감소하였다.
따라서 실제 배관의 상태에서와 같이 1cm2 보다 큰 피복 손상부의 크기를 모사하여 평가해 보고자 하였다. 이러한 평가를 위한 장소로써 CH1 지점을 선정하였데 이 지점에서는 배관과 인접한 지역에서 교통 신호등의 접지로부터 누설전류가 배관주변의 토양으로 유출됨을 확인하였다. 즉, 신호등과 가까운 지점의 배관 위치로부터 점차 교류전압이 낮아지는 지점에 대하여 3개의 시험장소 (A, B, C site) 각각에 면적을 달리한 세 종류의 쿠폰 (각각 1, 4, 9cm2)을 6개월간 매설하여 면적의 영향을 평가하였다.
후속연구
14에 나타내었다. 이러한 결과로부터 매설배관과 같이 부식속도가 낮은 환경에서 외부의 간섭이 존재하는 경우 배관의 부식거동을 평가하는데 효과적인 진단수단으로 사용될 수 있을 것으로 판단된다.
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