[논문]해양구조물의 방식을 위한 알루미늄 합금의 희생양극적 부식 특성의 전기화학적 평가

이진호; 이재호

doi:10.5695/jkise.2015.48.2.68

해양구조물의 방식을 위한 알루미늄 합금의 희생양극적 부식 특성의 전기화학적 평가
Electrochemical Evaluation of Corrosion Properties of Aluminum Alloy as a Sacrificial Anode for Offshore Structure Protection 원문보기

한국표면공학회지 = Journal of the Korean institute of surface engineering, v.48 no.2, 2015년, pp.68 - 72

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The corrosion behavior of metals and alloys for the safety of offshore structures in seawater was investigated for the application of sacrificial anodes. The experiments were focused on the polarization behaviors and the surface morphology of each metal after experiments. Pure Zn, pure Al (Al1050), Al alloys (Al5052, Al6061), Mg alloys (AZ31, AZ91D) and steel (SCM440) were assessed in 3.5% sodium chloride solution by means of potentiodynamic polarization to verify the galvanic corrosion potential ($E_{couple}$). Potentiostat plots were plotted to compare the surface and corrosion current density ($i_{couple}$) of metals as sacrificial anodes in seawater to protect steel alloy as a cathode. Al alloys showed the best performance as a sacrificial anode, on the other hand, Mg alloys showed overprotection behavior. The surface morphologies of sacrificial anodes were observed by FESEM and compared.

주제어

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문제 정의

본 논문에서는 해양구조물의 기계재료로 사용되는 탄소강(SCM440)¹⁴⁾방식을 위한 6가지 희생양극 재료의 전기화학적 분석을 수행하였다. 마그네슘 합금은 일반적으로 해수에서 사용하지 않으나 해수와 인접한 환경인 해안가나 하구의 교량에 희생양극으로 쓰이기에 선택하였다.

제안 방법

Potentiodynamic 방법을 통해 양극과 음극이 분극 되어 전류값이 부식전류로 같아지는 전위인 갈바닉 전위를 1시간, 6시간 동안 potentiostatic 방법으로 인가하였다. 그 결과를 그림 3에 나타내었다.
5 M Ag/AgCl 전극, 대극으로는 Pt mesh를 사용하였다. Potentiodynamic 방법을 통해 희생양극 시편의 갈바닉 전위를 확인 후 이에 해당하는 전위를 1시간, 6시간 동안 가하였다. 이후 Field Emission Scanning Electron Microscope (FESEM)을 이용하여 표면을 분석하였다.
1 μm alumina powder로 polishing하여 표면의 산화막을 제거하고 증류수로 초음파 세척하였다. Potentiostat/galvanostat 장비와 노출 면적을 1 cm²로 고정한 flat cell기구를 이용하여 potentiodynamic 방법과 potentiostatic 방법을 이용해 부식 전류를 측정하였다. Potentiodynamic plot의 주사속도는 1 mV/ sec로 설정하였고 초기 딜레이 시간은 10초이다.
Potentiodynamic 방법은 전위를 일정한 주사속도로 변화시켜 전위에 따라 흐르는 전류밀도를 측정함으로써 각 재료의 부식전위와 분극 곡선을 나타낼 수 있다. 이를 통해 전체적인 분극 거동을 파악하여 금속의 부식특성을 비교하였다. Potentiostatic 방법은 일정 전위를 유지하며 시간에 따른 전류를 측정하는 것이다.
Potentiodynamic 방법을 통해 희생양극 시편의 갈바닉 전위를 확인 후 이에 해당하는 전위를 1시간, 6시간 동안 가하였다. 이후 Field Emission Scanning Electron Microscope (FESEM)을 이용하여 표면을 분석하였다.
Potentiostatic 방법은 일정 전위를 유지하며 시간에 따른 전류를 측정하는 것이다. 탄소강의 음분극 곡선과 희생양극 재료의 양분극 곡선의 교차 전위인 갈바닉 전위를 1시간, 6시간 동안 인가하여 부식전류를 측정하였다.

대상 데이터

3.5% NaCl 인공해수가 전해액으로 사용되었으며 상온(24.5 ± 0.2oC)에서 기준전극으로 3.5 M Ag/AgCl 전극, 대극으로는 Pt mesh를 사용하였다.
본 연구의 재료로 아연, 알루미늄, 마그네슘 합금과 알루미늄 합금을 희생양극 시편으로 사용하였으며 강구조물에 해당하는 탄소강은 음극으로 이용하였다. 각 시편의 화학적 조성은 아래 표 1에 나타 내었다.

이론/모형

마그네슘 합금은 일반적으로 해수에서 사용하지 않으나 해수와 인접한 환경인 해안가나 하구의 교량에 희생양극으로 쓰이기에 선택하였다. 전기화학적 분석방법으로는 potentiodynamic 방법과 potentiostatic 방법을 이용하였다. Potentiodynamic 방법은 전위를 일정한 주사속도로 변화시켜 전위에 따라 흐르는 전류밀도를 측정함으로써 각 재료의 부식전위와 분극 곡선을 나타낼 수 있다.

성능/효과

갈바닉 부식은 전위차 외에도 표면, 면적, 시편 가공 등 다양한 요소를 고려한 해석이 필요하나 대체로 양극이 활성값의 부식전위를 가질수록 전류 I는 증가한다. 따라서 희생양극 재료 중 큰 활성값의 부식전위를 가진 마그네슘 합금 AZ91D와 AZ31의 부식전류가 높다는 것을 예측할 수 있다.
마그네슘 합금(AZ31, AZ91D)은 다른 금속들보다 낮은 부식전위를 나타냈으며 특히 AZ91D는 6개의 시편들 중 가장 낮은 부식전위인 −1.55 V를 보여 활성값이 가장 컸다.
시간을 늘려 실험했을 때 아연을 제외한 희생양 극들은 부식전류 값의 차이가 크지 않았고 Al6061의 부식전류 값이 항상 낮았다. 갈바닉 전위를 인가한 후 시편 표면은 FESEM으로 분석하여 그 결과를 그림 5에 나타내었다.
표 2의 희생 양극 재료들 중 부식전위와 갈바닉 전위 간 차이가 38 mV로 가장 작았으나, 좁은 전위 변화에서 대략 10−6~10−3 A/cm2 까지 큰 폭으로 부식전류가 민감하게 변화하는 것을 확인하였다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	부식성 환경인 해수 중 해수면 근처의 비말대에서 가장 부식되기 쉬운 이유는?	해양플랜트, FPSO 등 해양구조물은 높은 부식성 환경인 해수에 노출되어 견고한 방식 설계가 요구된다. 특히 해수면 근처 비말대(splash zone)의 경우 해수 평균의 30배인 3mg/m3 의 염화물과 높은 용존산소량 때문에 부식되기 가장 쉬우며, 이 밖의 해류, 온도, 오염물질 등의 환경요인들이 부식에 영향을 미친다2). 음극방식(cathodic protection)법인 희생 양극법은 60여년 전부터 해양구조물에 적용되어 지속적으로 연구되고 있는 방식법이다3).
	아연의 장단점은?	아연, 마그네슘, 알루미늄은 희생양극 재료로서 적합한 전기화학적 성질을 지녀 사용되어 왔다. 아연은 적절히 낮은 부식전위(Ecorr)로 과방식 우려가 없고 높은 효율을 갖고 있어 폭넓은 분야에 사용되었고 수소 발생이 적은 장점이 있으나 침전물 생성에 따른 오염이 문제점으로 여겨진다5-8). 마그네슘은 큰 활성값의 부식전위를 지녀 해수에 사용하기 어렵기 때문에 합금원소를 첨가하거나 보조 트렌지스터 장치를 적용해 부식전류 출력을 낮춰 수명을 늘리는 연구 등이 진행되고 있다5,9).
	희생양극이란?	선박의 경우 선미와 선저에 분산배치하며 해양플랫폼의 경우 다리에 해당하는 자켓에 희생양극을 설치하는 식으로 널리 쓰인다4). 원리는 희생양극(anode) 금속을 음극 (cathode) 해양구조물에 연결해 전자를 공급함으로써 산화반응(부식) 속도를 낮추는 것이다. 갈바닉부식을 의도한 것으로 해수에 설치된 희생양극 모습을 그림 1에 나타내었다.

참고문헌 (14)

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S. K. Chang, "Evaluation of Atmospheric Corrosion for Metals, J. Kor. Inst. Surf. Eng., 30(1) (1997) 73.
W. H. Hartt, "2012 Frank Newman Speller Award: Cathodic Protection of Offshore Structures-History and Current Status", Corrosion, 68(12) (2012) 1063.

상세보기
S. J. Kim, "Apparatus on Corrosion Protection and Marine Corrosion of Ship", J. Kor. Inst. Surf. Eng., 44(3) (2011) 106.
D. A. Jones, "Principles and Prevention of Corrosion", 2nd ed, Prentice-Hall (1996)
X. G. Zhang, "Galvanic Corrosion of Zinc and Its Alloys", J. Electrochem. Soc., 143(4) (1996) 1482.
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C. Rousseau, F. Baraud, L. Leleyter, and O. Gil, "Cathodic protection by zinc sacrificial anodes: Impact on marine sediment metallic contamination", J. Hazard. Mater., 167 (2009) 958.
M. Narozny, K. Zakowski, and K. Darowicki, "Method of sacrificial anode transistor-driving in cathodic protection system", Corros. Sci., 88 (2014) 279.
S. M. A. Shibli, B. Jabeera, and R. Manu, "Development of high performance aluminum alloy sacrificial anodes reinforced with metal oxides", Matt. Lett., 61 (2007) 3000.

상세보기
T. M. Tsai, "Protection o steel using aluminum sacrificial anodes in artificial seawater", J. Marine Sci. Tech., 4(1) (1996) 20.
J. Ma, and J. Wen, "Corrosion analysis of Al-Zn- In-Mg-Ti-Mn sacrificial anode alloy", J. Alloy. Compd., 496 (2010) 115.
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