[논문]지역난방 시스템의 순환수에 따른 보일러 튜브의 부식 특성

홍민기; 조정민; 송민지; 김우철; 하태백; 이수열

doi:10.14773/cst.2018.17.6.287

지역난방 시스템의 순환수에 따른 보일러 튜브의 부식 특성
Corrosion Behavior of Boiler Tube under Circulation Water Conditions in District Heating System 원문보기

Corrosion science and technology, v.17 no.6, 2018년, pp.287 - 291

홍민기 (충남대학교 신소재공학과) , 조정민 (충남대학교 신소재공학과) , 송민지 (충남대학교 신소재공학과) , 김우철 (한국지역난방공사 미래개발원) , 하태백 (한국지역난방공사 미래개발원) , 이수열 (충남대학교 신소재공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

In this study, corrosion behavior of a SA178-A alloy used in the boiler tube of a district heating system was investigated in different environments where it was exposed to pure water, district heating (DH) water, and filtered district heating (FDH) water. After the corrosion test, the surface morphology was examined for observation of the number of pitting sites and pitting area fraction, using a scanning electron microscope. The DH water and FDH water conditions resulted in a lower corrosion potential and pitting potential, and revealed a significantly higher corrosion rate than the pure water condition. The pitting sites in the DH water (pH 9.6) were approximately eighteen times larger than those in the pure water (pH 9.6). Compared to the DH water, the corrosion potential became more noble in the FDH water condition, where iron ions were reduced through filtration. However, the corrosion rate increased in the FDH water due to an increased concentration of chloride ions, which deteriorated the stability of passive film.

주제어

표/그림 (8)

그림 Fig. 1 Schematic view of the direct supply and recovery district heating system.
그림 Fig. 2 Specimen preparation for the corrosion test.
표 Table 1 Chemical composition of SA178-A (wt%)
그림 Fig. 3 Potentiodynamic polarization behavior in pure water and district heating water conditions.
표 Table 2 Water conditions for potentiodynamic polarization
표 Table 3 Potentiodynamic polarization results using Tafel extrapolation
그림 Fig. 4 Surface morphology of the tested samples: (a) before electrochemical test, (b) pure water at pH 9.6, (c) pure water at pH 10.5, (d) district heating (DH) water at pH 9.6, (e) filtered district heating (FDH) water at pH 9.6, (f) filtered district heating (FDH) water at pH 10.5.
$Table 4 Pitting sites and pitting area fraction for the tested samples after potentiodynamic polarization$ 표 Table 4 Pitting sites and pitting area fraction for the tested samples after potentiodynamic polarization

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 지역난방에서 실제로 사용되고 있는 순환수를 이용하여 보일러 튜브 재료의 부식 특성을 평가하였다. 순수를 사용하는 시설이 아닌, 지역 난방 수가 사용 시설에 직접적으로 공급 및 회수가 되는 생산 시설의 설비들은 부식에 더 취약한 환경을 가지고 있으며 이를 증명하기 위해 동전위 분극 실험을 통해 부식 전위 (E_corr), 부식 전류 밀도(부식 속도, I_corr), 피팅 전위 (E_pit)를 비교하였다.

제안 방법

본 연구에서는 지역난방에서 실제로 사용되고 있는 순환수를 이용하여 보일러 튜브 재료의 부식 특성을 평가하였다. 순수를 사용하는 시설이 아닌, 지역 난방 수가 사용 시설에 직접적으로 공급 및 회수가 되는 생산 시설의 설비들은 부식에 더 취약한 환경을 가지고 있으며 이를 증명하기 위해 동전위 분극 실험을 통해 부식 전위 (E_corr), 부식 전류 밀도(부식 속도, I_corr), 피팅 전위 (E_pit)를 비교하였다. 그 결과 지역 난방 수는 순수에 비해 부식 전위 및 피팅 전위를 낮춰주었고, 부식 전류와 양극 산화 전류의 상당한 증가를 가져왔다.

대상 데이터

본 연구에 사용된 시편은 보일러 튜브로 현재 쓰여지고 있는 강종 SA178-A 튜브를 가공하여 제작하였으며, Certified Material Test Report (CMTR)에 명시된 조성과 American Society for Testing and Materials(ASTM)에 명시된 조성을 Table 1에 나타내었다. 전기 저항 용접 (Electric Resistance Welding)로 제작된 SA178-A의 심 라인(Seam line)의 효과를 피하고자 Fig.
이온크로마토그래프 (Ion chromatograph, 881 CompactlC pro)와 유도결합플라즈마방출분광기 (Inductively Coupled Plasma Atomic Emission Spectrometer, OPTIMA 7300 DV)를 사용하여 분석한 용액의 이온 농도를 Table 2에 나타내었다. 실험에 사용된 용액은 크게 세 종류로써,(1)순수를 사용하는 보일러 시설의 순환수를 모사하기 위한 증류수, (2)실제로 사용되고 있는 지역 난방 수 (District Heating water, DH water), (3)지역난방 순환수에 주로 포함되어 있는 철 이온을 여과시킨 지역 난방 수 (Filtered District Heating water, FDH water)가 실험에 사용되었다. 여과된 지역 난방 수는 2달 동안 설비 가동과 함께 철 이온을 여과시킨 용액이며, 이에 대한 용액 성분 조사를 Table 2에 나타내었다.

이론/모형

3과 Table 3에 나타내었다. 타펠외삽법을 사용하여 부식 전위 (E_corr)와 부식 전류 밀도 (부식 속도, I_corr)를 측정하였다. 또한 각 실험의 양극 산화 반응에서 산화막이 피팅에 의해 부식이 진행되면서 전류 밀도의 변화량이 급격히 변하는 변곡점, 피팅 전위 (E_pit)를 측정하였다.

성능/효과

순수를 사용하는 시설이 아닌, 지역 난방 수가 사용 시설에 직접적으로 공급 및 회수가 되는 생산 시설의 설비들은 부식에 더 취약한 환경을 가지고 있으며 이를 증명하기 위해 동전위 분극 실험을 통해 부식 전위 (E_corr), 부식 전류 밀도(부식 속도, I_corr), 피팅 전위 (E_pit)를 비교하였다. 그 결과 지역 난방 수는 순수에 비해 부식 전위 및 피팅 전위를 낮춰주었고, 부식 전류와 양극 산화 전류의 상당한 증가를 가져왔다. 철 이온을 2달 동안 여과하면서 부식 전위가 귀 방향(+)로 이동하였지만, 2달 동안 실제로 가동된 발전 시설에서 염소 농도가 상승하면서 전체적인 부식 속도의 증가를 가져왔다.
그 결과 지역 난방 수는 순수에 비해 부식 전위 및 피팅 전위를 낮춰주었고, 부식 전류와 양극 산화 전류의 상당한 증가를 가져왔다. 철 이온을 2달 동안 여과하면서 부식 전위가 귀 방향(+)로 이동하였지만, 2달 동안 실제로 가동된 발전 시설에서 염소 농도가 상승하면서 전체적인 부식 속도의 증가를 가져왔다.

후속연구

또한 순수와 지역난방수 모두 pH를 증가시키면 부식속도가 빨라지는 것을 알 수 있었다. 발전 시설 내에서 현재 관리하고 있는 수질 관리 항목은 pH, 철 이온, 구리 이온, 경도를 규정하고 있지만, 본 연구 결과로부터 염소 이온과 같은 부식 민감성을 증가시킬 수 있는 이온을 추가적으로 관리해야 할 것으로 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	지역난방이란?	지역 난방 시스템은 차세대 에너지 생산 시설 중 하나로 태양열 에너지, 풍력 에너지 등의 친환경 에너지가 과소비되었을 때 대체될 수 있는 생산 시스템이다 [1]. 지역난방이란 에너지 수요가 많은 대규모 사용 시설을 위해 생산시설에서 생산한 열을 일괄적으로 공급하는 시설을 말한다 [2]. 지역난방 시스템은 친환경적이고 경제적이기 때문에 다른 국가에서도 많이 사용하고 있으며 [3-5], 최근에는 화석연료를 사용하지 않고 전량 재활용 가능한 연료를 사용하는 4세대 지역난방 시스템을 연구하고 있어 [6] 현재 친환경에너지 생산기술의 선두주자로 손꼽히고 있다.
	지역 난방 시스템이란?	지역 난방 시스템은 차세대 에너지 생산 시설 중 하나로 태양열 에너지, 풍력 에너지 등의 친환경 에너지가 과소비되었을 때 대체될 수 있는 생산 시스템이다 [1]. 지역난방이란 에너지 수요가 많은 대규모 사용 시설을 위해 생산시설에서 생산한 열을 일괄적으로 공급하는 시설을 말한다 [2].
	지역난방 시스템의 파손의 원인 두가지는?	파손의 원인으로는 크게 두가지 원인이 있다. 첫째, 지역난방시스템은 에너지 수요에 따라 기동 및 정지가 일정하지 않은 일일기동정지(Daily Start and Stop, DSS)를 하기 때문에 생산 설비에서 사용되는 재료는 피로 환경에 노출되고 이로 인해 파손이 종종 발생한다. 둘째, 지역난방 시스템의 배열회수 보일러 및 첨두 부하 보일러 등 온수 시설은 튜브 내부에서 보일러 수가 순환하면서 열 교환을 하게 되는데, 이 보일러 수의 오염도에 따라 부식이 발생한다. 대부분의 보일러 시설은 탄소강을 사용하고 있기 때문에 알칼리 처리를 한 보일러 수를 사용하여 탄소강 튜브의 내부 표면에 부동태 피막을 형성시켜 내식성을 증가시킨다 [8].

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