[논문]전기화학적 가속 부식 평가법에서 강재의 부식 손상에 미치는 인가전류밀도의 영향

이정형; 박일초; 박재철; 김성종

doi:10.5695/jkise.2016.49.5.423

[국내논문] 전기화학적 가속 부식 평가법에서 강재의 부식 손상에 미치는 인가전류밀도의 영향
Effect of Applied Current Density on the Corrosion Damage of Steel with Accelerated Electrochemical Test 원문보기

한국표면공학회지 = Journal of the Korean institute of surface engineering, v.49 no.5, 2016년, pp.423 - 430

이정형 (목포해양대학교 기관시스템공학부) , 박일초 (목포해양대학교 기관시스템공학부) , 박재철 ((사)한국선급) , 김성종 (목포해양대학교 기관시스템공학부)

Abstract ▼ AI-Helper

In this study, we investigated the corrosion damage characteristics of steel for offshore wind turbine tower substructure using an accelerated electrochemical test. The galvanostatic corrosion test method was employed with a conventional 3 electrode cell in natural sea water, and the steel specimen was served as a working electrode to induce corrosion in an accelerated manner. Surface and cross-sectional image of the damaged area were obtained by optical microscope and scanning electron microscope. The weight of the specimens was measured to determine the gravimetric change before and after corrosion test. The result revealed that the steel tended to suffer uniform corrosion rather than localized corrosion due to active dissolution reaction under the constant current regime. With increasing galvanostatic current density, the damage depth and surface roughness of surface was increased, showing approximately 25 times difference in damage depth between the lowest current density ($1mA/cm^2$) and the highest current density ($200mA/cm^2$). The gravimetric observation showed that the weight loss was proportionally increased with increment of current density that has 75 times different according by experimental conditions. Consequently, uniform corrosion of the steel specimen was conveniently induced by the electrochemically accelerated corrosion technique, and it was possible to control the extent of the corrosion damage by varying the current density.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

1 Kcal로서 철 원자는 전자 2개를 잃어 Fe²⁺으로 이온화되기 쉽다. 또한, Fe²⁺ 이온의 구조는 안정하지 않으며 전자 하나를 잃어 Fe³⁺ 이온으로 되어 안정적인 전자배열을 유지하려고 한다. 따라서, 철은 상기와 같은 일련의 반응에 의해 Fe(OH)₂와 슬러지 형태의 Fe(OH)₃를 형성하게 된다.
전기화학적 가속 부식 평가 대상 소재는 S355ML 강으로, 기존 고장력강에 비해 강도 및 용접성이 우수하여 조선 및 해상구조용으로 널리 사용되는 강재이다[7]. 본 연구에서는 균일 부식을 주요 부식기구로 가정하여 정전류 가속 부식 시험을 통해 강재의 부식촉진을 유도하여 그에 따른 영향을 평가하였다. 시험편은 판재를 2 cm × 2 cm의 크기로 절단하여 사용하였으며, SiC 연마지를 이용하여 시험편 한 면을 #2000번까지 연마 후 아세톤과 증류수에서 초음파 세척을 실시하고 열풍에서 건조시켜 준비하였다.
본 연구에서는 해상풍력 지지구조물의 강재인 S355ML에 대하여 전기화학적으로 가속 부식을 유도할 수 있는 정전류 시험을 실시하였으며, 인가 전류밀도의 크기가 강재의 부식 특성에 미치는 영향을 규명하고자 하였다. 정전류 인가에 따라 지속적인 활성용해반응에 의해 국부부식보다는 균일 부식이 유도되었다.
본 연구에서는 해상풍력 지지구조물의 강재인 S355ML에 대하여 전기화학적으로 가속 부식을 유도할 수 있는 정전류 시험을 실시하였으며, 인가전류밀도에 따른 영향을 규명하여 해상풍력타워의 부식방지 유지관리 차원에서 유용한 자료로 활용하고자 한다.

제안 방법

또한, 3D 분석 현미경(3D analysis microscope, Shinhan Scientific Optics Nextop 3D, Korea)을 이용하여 인가전류밀도의 크기에 따른 표면 형상 변화를 관찰하여 이로부터 부식 손상깊이 및 거칠기의 변화를 측정하였다. 또한 표면의 미시적 변화를 관찰하기 위해 주사전자현미경(Scanning Electron Microscope, Hitachi S-2150, Japan)을 이용하여 부식 표면을 관찰하였다. 정전류 가속 부식에 따른 무게 감소량은 고정밀 저울을 이용하여 10⁻⁴g의 정밀도로 측정하였다.
부식에 의한 표면 변화를 분석하기 위해 표면 및 단면을 디지털 카메라(Digital camera, Canon EOS 500D, Japan)를 이용하여 관찰하였으며, 단면 사진으로부터 부식 손상깊이를 측정하였다. 또한, 3D 분석 현미경(3D analysis microscope, Shinhan Scientific Optics Nextop 3D, Korea)을 이용하여 인가전류밀도의 크기에 따른 표면 형상 변화를 관찰하여 이로부터 부식 손상깊이 및 거칠기의 변화를 측정하였다. 또한 표면의 미시적 변화를 관찰하기 위해 주사전자현미경(Scanning Electron Microscope, Hitachi S-2150, Japan)을 이용하여 부식 표면을 관찰하였다.
인가된 정전류밀도의 크기는 1 ~ 200 mA/cm²으로 60분 동안 인가하였으며, 정전류 시험 중 시간에 따른 전위변화를 측정하고 기록하였다. 부식에 의한 표면 변화를 분석하기 위해 표면 및 단면을 디지털 카메라(Digital camera, Canon EOS 500D, Japan)를 이용하여 관찰하였으며, 단면 사진으로부터 부식 손상깊이를 측정하였다. 또한, 3D 분석 현미경(3D analysis microscope, Shinhan Scientific Optics Nextop 3D, Korea)을 이용하여 인가전류밀도의 크기에 따른 표면 형상 변화를 관찰하여 이로부터 부식 손상깊이 및 거칠기의 변화를 측정하였다.
정전류 부식시험은 전위와 전류를 일정하게 변화시킬 수 있는 포텐쇼/갈바노 스타트(Potentiostat/Galvanostat, Won-A Tech WMPG-1000, Korea)를 이용하여 일정 크기의 양극전류밀도를 작업전극에 인가함으로서 용해반응을 유도하였다. 인가된 정전류밀도의 크기는 1 ~ 200 mA/cm²으로 60분 동안 인가하였으며, 정전류 시험 중 시간에 따른 전위변화를 측정하고 기록하였다. 부식에 의한 표면 변화를 분석하기 위해 표면 및 단면을 디지털 카메라(Digital camera, Canon EOS 500D, Japan)를 이용하여 관찰하였으며, 단면 사진으로부터 부식 손상깊이를 측정하였다.
정전류 가속 부식에 따른 무게 감소량은 고정밀 저울을 이용하여 10−4g의 정밀도로 측정하였다.
정전류 부식시험을 위해 천연해수를 전해액으로 하고 작업전극(시험편), 보조전극(Pt mesh) 그리고 기준전극(Ag/AgCl 전극)으로 구성되는 통상적인 3전극 전기화학 셀을 사용하였다. 정전류 부식시험은 전위와 전류를 일정하게 변화시킬 수 있는 포텐쇼/갈바노 스타트(Potentiostat/Galvanostat, Won-A Tech WMPG-1000, Korea)를 이용하여 일정 크기의 양극전류밀도를 작업전극에 인가함으로서 용해반응을 유도하였다. 인가된 정전류밀도의 크기는 1 ~ 200 mA/cm²으로 60분 동안 인가하였으며, 정전류 시험 중 시간에 따른 전위변화를 측정하고 기록하였다.

대상 데이터

시험편은 판재를 2 cm × 2 cm의 크기로 절단하여 사용하였으며, SiC 연마지를 이용하여 시험편 한 면을 #2000번까지 연마 후 아세톤과 증류수에서 초음파 세척을 실시하고 열풍에서 건조시켜 준비하였다. 가공된 시험편은 1 cm²의 면적만 노출되도록 하여 작업전극(Working Electrode, WE)으로 사용하였다. 정전류 부식시험을 위해 천연해수를 전해액으로 하고 작업전극(시험편), 보조전극(Pt mesh) 그리고 기준전극(Ag/AgCl 전극)으로 구성되는 통상적인 3전극 전기화학 셀을 사용하였다.
시험편은 판재를 2 cm × 2 cm의 크기로 절단하여 사용하였으며, SiC 연마지를 이용하여 시험편 한 면을 #2000번까지 연마 후 아세톤과 증류수에서 초음파 세척을 실시하고 열풍에서 건조시켜 준비하였다.
전기화학적 가속 부식 평가 대상 소재는 S355ML 강으로, 기존 고장력강에 비해 강도 및 용접성이 우수하여 조선 및 해상구조용으로 널리 사용되는 강재이다[7]. 본 연구에서는 균일 부식을 주요 부식기구로 가정하여 정전류 가속 부식 시험을 통해 강재의 부식촉진을 유도하여 그에 따른 영향을 평가하였다.
가공된 시험편은 1 cm²의 면적만 노출되도록 하여 작업전극(Working Electrode, WE)으로 사용하였다. 정전류 부식시험을 위해 천연해수를 전해액으로 하고 작업전극(시험편), 보조전극(Pt mesh) 그리고 기준전극(Ag/AgCl 전극)으로 구성되는 통상적인 3전극 전기화학 셀을 사용하였다. 정전류 부식시험은 전위와 전류를 일정하게 변화시킬 수 있는 포텐쇼/갈바노 스타트(Potentiostat/Galvanostat, Won-A Tech WMPG-1000, Korea)를 이용하여 일정 크기의 양극전류밀도를 작업전극에 인가함으로서 용해반응을 유도하였다.

이론/모형

이론적 무게 감소량은 패러데이 법칙(Faraday’s Law)에 의해 계산된 값이며, 실제 무게 감소량은 3회 시험 시 측정된 무게 감소량의 평균값을 나타낸다.

성능/효과

8 µm가 측정되어 최대 전류밀도와 최소 전류밀도 간에 약 25배에 이르는 차이를 나타냈다. 3D 분석에 의한 손상 깊이의 측정값은 앞서 횡단면 관찰 결과와 유사한 경향을 나타냈으며, 적용 전류 밀도가 증가 할수록 손상 깊이가 증가하였다. 표면 거칠기는 손상 깊이와 마찬가지로 인가 전류밀도가 클수록 높은 값을 나타냈다.
인가 전류밀도 증가에 따라 무게감소량이 비례적으로 증가하는 경향이 나타났으며, 조건별로 최대 75배의 무게 감소량의 차이를 나타냈다. 결론적으로 정전류 시험에서 전류밀도 크기를 조절함으로써, 원하는 정도의 균일 부식 유도가 가능하였다.
인가 전류밀도 증가함에 따라 실제 무게 감소량이 비례적으로 증가하는 경향이 관찰되었다. 또한, 전류밀도 별 이론적 무게감소량과 실제 무게감소량 간의 차이는 1 mA/cm²에서는 180%을 나타내었으며, 전류밀도가 증가함에 따라 현저히 감소하여 최대 인가 전류밀도인 200 mA 일때는 2%의 차이를 나타냈다. 일반적으로 정전류시험에서 패러데이 법칙에 따라 인가되는 전류밀도 100%가 강의 용해에 소모된다고 가정하게 되지만, 통상적으로 전류 인가 시 발열 반응에 의한 손실이나 도선 고유 저항에 의해 유실되는 전류로 인해 그 효율은 100%에 이르지 못한다[15].
전류밀도가 상대적으로 큰 경우(50, 100, 200 mA/cm²), 활성용해 반응에 의해 입자 단위로 탈락됨을 확인하였으며, 탈락된 상 경계 주위로 미세균열도 관찰되었다. 또한, 지속적인 입자 제거로 인해 표면에 거칠기가 발생되는 것을 확인할 수 있었으며, 표면 거칠기는 전류밀도 증가에 따라 증가하는 경향을 나타냈다. 높은 전류밀도에서는 특정한 상, 즉 페라이트 상이 주로 부식되는 것으로 관찰되었는데, 이는 금속의 미세조직을 구성하는 상 간에 발생하는 갈바닉 부식으로부터 기인한 것으로 판단된다.
따라서 시험편의 양극 용해 뿐만 아니라 표면 주변부의 화학적 상태 변화, 즉 산성화를 야기할 수도 있다[9]. 모든 인가 전류밀도 조건에서 전류 인가와 동시에 전위는 급격히 상승한 이후 하강하여 정상 상태(steady state)에 이르는 경향을 나타냈다. 또한 부동태 피막의 파괴와 재생으로 인해 부동태 금속이 나타내는 전위의 요동 현상[10]은 관찰되지 않았다.
8 g/mol) 그리고 t는 시간(초)이다. 무게 감소량 측정 결과, 최소 전류 밀도인 1 mA/cm² 인가 시 2.8 mg 의 무게 감소량을 나타내고, 최대 전류밀도인 200 mA/cm² 인가 시 212.5 mg 의 무게 감소량을 가져와 약 75배의 차이를 나타냈다. 인가 전류밀도 증가함에 따라 실제 무게 감소량이 비례적으로 증가하는 경향이 관찰되었다.
그러나 해수와 같이 염화물 환경에서는 이들 대부분은 염소이온의 공격이나 전기화학적 분극시험에 의해 증가된 전위에 의해 대부분 용해된다[12]. 본 연구에서는 정전류 실험 종료 시 다량의 침전된 부식생성물이 확인되었으며, 전류밀도가 증가할수록 부식생성물의 양이 증가하였다. 이러한 녹은 실험 후 시험편 표면에서는 부착되지 않았는데, 이는 양극 용해반응에 의해 녹이 지속적으로 제거되기 때문으로 판단된다.
실험종료 시 전위 값은 인가 전류밀도가 높을수록 더 높은 값이 측정되었으며, 인가 전류밀도에 따라–0.559 V ~ 4.520 V의 전위 값을 나타냈다.
정전류 시험 시, 전류밀도 크기에 따라 노출부위에 대한 거칠기와 손상 깊이가 증가하였으며, 최저 전류밀도(1 mA/cm²)와 최고 전류밀도(200 mA/cm²) 간의 약 25배의 손상 깊이 차이가 나타났다. 인가 전류밀도 증가에 따라 무게감소량이 비례적으로 증가하는 경향이 나타났으며, 조건별로 최대 75배의 무게 감소량의 차이를 나타냈다. 결론적으로 정전류 시험에서 전류밀도 크기를 조절함으로써, 원하는 정도의 균일 부식 유도가 가능하였다.
5 mg 의 무게 감소량을 가져와 약 75배의 차이를 나타냈다. 인가 전류밀도 증가함에 따라 실제 무게 감소량이 비례적으로 증가하는 경향이 관찰되었다. 또한, 전류밀도 별 이론적 무게감소량과 실제 무게감소량 간의 차이는 1 mA/cm²에서는 180%을 나타내었으며, 전류밀도가 증가함에 따라 현저히 감소하여 최대 인가 전류밀도인 200 mA 일때는 2%의 차이를 나타냈다.
또한 국소부위에 공식이 발견되는데 이는 페라이트 상 부위에 주로 발생하였다. 전류밀도가 상대적으로 큰 경우(50, 100, 200 mA/cm²), 활성용해 반응에 의해 입자 단위로 탈락됨을 확인하였으며, 탈락된 상 경계 주위로 미세균열도 관찰되었다. 또한, 지속적인 입자 제거로 인해 표면에 거칠기가 발생되는 것을 확인할 수 있었으며, 표면 거칠기는 전류밀도 증가에 따라 증가하는 경향을 나타냈다.
그림 3은 해상풍력타워 재료인 S355ML 강에 대하여 해수용액에서 60분 동안 정전류밀도 인가 후 전류밀도 변화에 따른 횡단면 사진이다. 전반적으로 양극 정전류 밀도 인가에 따라 활성용해반응에 의해 부식이 깊이방향으로 진행됨이 확인되었으며, 노출된 부위를 따라 비교적 균일한 깊이로 부식이 진행됨을 알 수 있다. 측정된 손상깊이는 낮은 전류밀도인 1 mA/cm²와 10 mA/cm²에서는 노출부위와 비노출부위의 경계가 모호하여 측정이 어려웠다.
그림 6은 해상풍력타워 재료인 S355ML 강에 대하여 해수용액에서 60분 동안 정전류 실험 실시 후 주사전자현미경을 이용하여 촬영한 표면 사진이다. 전반적으로 인가 전류밀도 증가에 따라 부식 손상 정도가 증가하였으며, 국부 부식보다는 전면부식의 형태로 부식이 진행됨을 확인할 수 있었다. 부동태 금속의 정전류 시험 시 나타나는 입계 부식 경향은 관찰되지 않았다.
정전류 인가에 따라 지속적인 활성용해반응에 의해 국부부식보다는 균일 부식이 유도되었다. 정전류 시험 시, 전류밀도 크기에 따라 노출부위에 대한 거칠기와 손상 깊이가 증가하였으며, 최저 전류밀도(1 mA/cm²)와 최고 전류밀도(200 mA/cm²) 간의 약 25배의 손상 깊이 차이가 나타났다. 인가 전류밀도 증가에 따라 무게감소량이 비례적으로 증가하는 경향이 나타났으며, 조건별로 최대 75배의 무게 감소량의 차이를 나타냈다.
본 연구에서는 해상풍력 지지구조물의 강재인 S355ML에 대하여 전기화학적으로 가속 부식을 유도할 수 있는 정전류 시험을 실시하였으며, 인가 전류밀도의 크기가 강재의 부식 특성에 미치는 영향을 규명하고자 하였다. 정전류 인가에 따라 지속적인 활성용해반응에 의해 국부부식보다는 균일 부식이 유도되었다. 정전류 시험 시, 전류밀도 크기에 따라 노출부위에 대한 거칠기와 손상 깊이가 증가하였으며, 최저 전류밀도(1 mA/cm²)와 최고 전류밀도(200 mA/cm²) 간의 약 25배의 손상 깊이 차이가 나타났다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	가속 부식시험법의 역할은 무엇인가?	가속 부식시험법은 자연 상태의 부식 환경에 있어 다양한 부식인자의 작용 기구를 재현할 목적으로 고안한 것으로서, 재료의 수명예측, 부식환경 재현시험 등 제품의 내식성 평가 및 품질 관리에 중요한 역할을 한다. 가속 부식시험법 중 염수분무시험은 산업계에서 폭 넓게 사용되는 시험법 중의 하나로, 시험편을 미세한 염수분무 환경 하에 노출하여 부식을 촉진하는 방법이다.
	해상풍력발전의 장단점은?	최근 육상 풍력발전이 갖는 입지 고갈 문제, 환경적 영향 등의 한계를 극복하기 위한 대안으로 해상풍력발전단지 조성이 전세계적으로 활발히 추진되고 있다[1]. 해상풍력발전의 경우 육상에 비해 입지 선정 문제에 비교적 자유롭고 풍황 자원이 우수하여 대단위 풍력단지 조성에 유리한 반면, 설치 및 유지보수 비용이 증가하는 단점이 있다[2].
	염수분무시험의 한계는 무엇인가?	염수분무시험은 해양대기 또는 해수 중에서의 부식시험결과와 유사한 결과를 도출하기도 한다. 그러나 해양 환경하의 부식 인자를 모두 사용하기 어렵고, 부식의 정도를 인위적으로 조절하기 힘든 단점이 있다.

참고문헌 (17)

S. P. Breton and G. Moe, Status, plans and technologies for offshore wind turbines in Europe and North America, Renew. Energ., 34 (2009) 646-654.

상세보기
B. Snyder and M. J. Kaiser, Ecological and economic cost-benefit analysis of offshore wind energy, Renew. Energ., 34 (2009) 1567-1578.

상세보기
X. Sun, D. Huang and G. Wu, The current state of offshore wind energy technology development, Energy, 41 (2012) 298-312.

상세보기
S. J. Kim, Apparatus on corrosion protection and marine corrosion of ship, J. Kor. Inst. Surf. Eng., 44 (2011) 105-116.

원문보기 상세보기
Ministry of ocean and fisheries, Design standards for harbor and fishery port (2014) 402.
S. K. Chang, Evaluation of atmospheric corrosion for metals, J. Kor. Inst. Surf. Eng., 30 (1997) 69-82.
S. K. Jang, S. J. Lee, J. C. Park and S. J. Kim, Evaluation of corrosion tendency for S355ML steel with seawater temperature, Corros. Sci. Technol., 14 (2015) 232-238.

원문보기 상세보기
B. Ingham, M. Ko, G. Kear, P. Kappen, N. Laycock, J. A. Kimpton and D. E. Williams, In situ synchrotron X-ray diffraction study of surface scale formation during $CO_2$ corrosion of carbon steel at temperatures up to $90^{\circ}C$ , Corros. Sci., 52 (2010) 3052-3061.

상세보기
A. Poursaee and C. M. Hansson, Potential pitfalls in assessing chloride-induced corrosion of steel in concrete, Cement. Concrete Res., 39 (2009) 391-400.

상세보기
Z. Shi, J. Jia and A. Atrens, Galvanostatic anodic polarisation of WE43, J. Magnesium Alloys, 2 (2014) 197-202.

상세보기
R. W. Revie and H. H. Uhlig, Corrosion and corrosion control, John Wiley & Sons, Hoboken, New Jersey (2008) 68.
E. S. M. Sherif, A comparative study on the electrochemical corrosion behavior of iron and X-65 steel in 4.0 wt% sodium chloride solution after different exposure intervals, Molecules, 19 (2014) 9962-9974.

상세보기
P. K. Srivastava, R. Srivastava and P. K. Barhai, High rate of anodic dissolution of iron work piece during electrochemical machining, Int. J. Mech. Eng., 41 (2013) 1110-1116.
I. M. Dmytrakh and O. A. Ezers'ka, Mechanism and stages of the electrochemical dissolution of metals in the vicinity of the crack tip, Mater. Sci., 31 (1996) 337-342.

상세보기
C. Alonso, C. Andrade, J. Rodriguez and J. M. Diez, Factors controlling cracking of concrete affected by reinforcement corrosion, Mater. Struct., 31 (1998) 435-441.

상세보기
K. Videm, A. Dugstad and L. Lunde, Parametric study of CO2 corrosion of carbon steel, Corrosion/94, paper no. 14 (1994).
T. D. Clark, An analysis of microstructure and corrosion resistance in underwater friction stir welded 304L stainless steel, Brigham Young University, (2005).

저자의 다른 논문 :

LOADING...

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증