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문제 정의
- 본 연구는 지열발전 플랜트에 쓰이는 SUS316에 대하여 부식 환경에서의 전기화학적인 부식민감성을 평가하여 부식속도를 산출하고, 부식특성을 비교, 검토하였으며, 부식 환경과 증류수 환경하에서 부식피로 실험을 수행하여 부식환경이 피로한도에 미치는 영향을 평가하였다.
제안 방법
- 분극시험을 위해 전극은 보조전극으로 탄소봉 2개, 기준전극으로는 감홍전극(SCE)이 사용되었다. 또한 일정한 온도를 유지하기 위해 온도 조절기, 열전대, 밴드히터를 사용하였다.
- 5의 수평식 피로 시험기를 사용하였다. 부식조는 시험편 이외의 다른 금속이 부식용액과 접촉되어 발생하는 갈바닉 부식(galvanic corrosion)을 방지하기 위해 아크릴수지로 제작하고, 아크릴 수지와 시편이 닿는 부분은 리데너(retainer)를 이용해서 누수를 방지 하였다. 일정한 온도 유지는 온도 조절기, 열전대, 밴드히터를 사용하였으며, 밴드히터는 부식조에 직접 부착할 수 없어 유리로 제작된 수조를 이용해 일정한 온도를 유지시켰다.
- 부식피로 강도를 평가하기 위한 인가하중은 SUS 316의 극한강도 579.2 MPa를 최대하중으로 시작하여 5%씩 하중을 감소시키고, 하중비(R = Pmin/Pmax) 는 0.1로 부식피로실험을 실시하였다. 부식피로수명은 시험편이 완전히 파단 될 때까지의 사이클수로 하였고, 피로한도는 106사이클까지 재료파단이 일어나지 않는 하중으로 하였다.
- 분극실험은 부식시험편이 평형전위상태에서 분당 10 mV(0.166 mV/s)의 주사속도(scan rate)로 양극분극시켰으며, -250 mV까지 같은 주사속도로 역분극시켰다. 동전위 분극실험의 개요도는 Fig.
- 전기화학적 부식특성을 평가하기 위한 시험편은 SUS316으로 ASTM G5에 의거하여 10×10×10 mm의 정육면체로 제작하였다. 시험편은 에머리페이퍼 (#600)로 연마한 후, 에폭시수지를 사용하여 마운팅 하였고, 표면과 마운팅 간극사이의 틈부식(crevice corrosion)을 방지하기 위해 페인팅을 하여 24시간 상온에서 건조시켰다. 시험편의 화학적 성분과 기계적성질은 Table 1, Table 2와 같다.
- 시험편의 그립부는 나사가 부식액에 접촉하는 것을 방지하기 위해 암나사로 가공하였으며, 시험편의 표면은 유지성분이나 불순물 등이 균열진전속도에 영향을 미칠 수 있으므로, ASTM G102(7)에 의거하여 시험편의 표면을 에머리페이퍼(#1000)로 연마한 후 아세톤용액으로 초음파 세척을 하였다.
- 부식용액은 pH7인 1L의 증류수에 빙초산을 섞어 pH3으로 만들었고, 용존산소량을 제거하기 위해 질소가스를 200 ml/min로 120분간 주입하였다. 염소이온(Cl-)과 황산이온(SO4-2)의 농도에 따른 부식특성을 평가하고자 NaCl과 Na2SO4의 양을 각각 다르게 하였으며, 또한 온도에 따른 부식특성을 평가를 위해 온도에 변화를 주었다. 이상의 부식 특성 평가를 위한 실험 조건을 정리하여 Table 3에 나타냈다.
- 부식조는 시험편 이외의 다른 금속이 부식용액과 접촉되어 발생하는 갈바닉 부식(galvanic corrosion)을 방지하기 위해 아크릴수지로 제작하고, 아크릴 수지와 시편이 닿는 부분은 리데너(retainer)를 이용해서 누수를 방지 하였다. 일정한 온도 유지는 온도 조절기, 열전대, 밴드히터를 사용하였으며, 밴드히터는 부식조에 직접 부착할 수 없어 유리로 제작된 수조를 이용해 일정한 온도를 유지시켰다. 부식 용액은 실험기간중 화학적 평형이 일정하게 유지됨으로써 부식작용이 원활하게 진행될 수 있도록 순환장치와 유량계를 이용하여 일정속도(0.
- 지열발전 플랜트 분야의 재료로 이용되는 SUS316에 대해 전기화학적 부식특성실험과 부식피로 실험을 실시하여 얻은 결론은 다음과 같다.
- 부식피로수명은 시험편이 완전히 파단 될 때까지의 사이클수로 하였고, 피로한도는 106사이클까지 재료파단이 일어나지 않는 하중으로 하였다. 하중 반복속도는 시험 편과 수용액 간의 충분한 부식반응에 의해 피로균열이 발생하고 거동하도록 1 Hz로 하였으며, 증류수와 부식 용액조건에서 부식피로실험을 실시하였다.
대상 데이터
- , Model 273A)를 사용하였다. 분극시험을 위해 전극은 보조전극으로 탄소봉 2개, 기준전극으로는 감홍전극(SCE)이 사용되었다. 또한 일정한 온도를 유지하기 위해 온도 조절기, 열전대, 밴드히터를 사용하였다.
- 전기화학적 부식특성을 평가하기 위한 시험편은 SUS316으로 ASTM G5에 의거하여 10×10×10 mm의 정육면체로 제작하였다.
이론/모형
-
2. 전기화학적 부식특성
부식환경에 따른 SUS316의 부식평가는 ASTM G5(5)에 의거하여 동전위분극실험으로 실시하였다. 이 방법은 부식현상이 재료와 환경간의 전기화학적인 반응임을 감안해 인위적으로 전위를 가해주고 난후 부식전위(Ecorro), 부식전류밀도(icorro) 등을 측정하여 재료의 전기화학적인 부식특성을 평가하는 것이다.
성능/효과
- % 까지는 증가하나 그 이상에서는 오히려 감소하며, Na2SO4 부식환경과 온도영향의 경우, 농도나 온도가 증가할수록 부식속도는 증가함을 나타냈다.
- (2) 실험조건에서 부식환경에서의 부식속도는 증류수 환경에서의 부식속도에 비해 약 30배 빠르게 나타났다
- (3) 부식환경에서의 피로한도는 극한강도의 60%인 347.5 Mpa이며, 증류수에서의 피로한도는 극한 강도의 75%인 434.4 Mpa로 나타났다.
- 6은 부식환경과 증류수에서의 부식피로강도를 σmax - Nf의 관계를 나타낸 것이다. 부식환경과 증류수에서의 피로시험 결과를 비교해 보면 고하중 값에서는 비슷한 주파수값에서 피로파괴가 발생하였지만, 저하중값으로 갈수록 동일한 하중에 대해서 부식피로수명의 차이가 현저하게 나타나는 것을알 수 있다. 이는 고하중 범위 일수록 부식피로 파단이 전기화학적 부식작용 영향보다는 외력의 영향으로 발생하는 것으로 사료된다.
- 이는 고하중 범위 일수록 부식피로 파단이 전기화학적 부식작용 영향보다는 외력의 영향으로 발생하는 것으로 사료된다. 증류수에서의 피로 한도는 극한강도의 75%에 해당하는 434.4 Mpa이며, 부식환경에서의 피로한도는 극한강도의 60%에 해당하는 347.5 Mpa로 나타났으나 저하중 범위에서도 장시간 시험이 진행된다면, 부식의 영향으로 시편이 파단 될 가능성이 있음을 알 수 있다.
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