[논문]물분사 추진기 임펠러 부식에 대한 원인분석

이형신; 정운화

doi:10.5762/kais.2020.21.6.545

[국내논문] 물분사 추진기 임펠러 부식에 대한 원인분석
The Cause Analysis of Pitting Corrosion on the Waterjet Impeller 원문보기

한국산학기술학회논문지 = Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society, v.21 no.6, 2020년, pp.545 - 551

이형신 (국방기술품질원) , 정운화 (국방기술품질원)

초록
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이 연구는 함정 건조 중 국외도입된 물분사 추진기 임펠러 전체에 표면 점식이 확인되어 이에 대한 원인규명을 위하여 수행하였다. 물분사 추진기 임펠러의 재질은 듀플렉스 2205로 일반적인 스테인리스강인 316l 및 317L보다 부식 및 공식에 대한 저항성이 우수하며 높은 기계적 강도를 가지고 있어 각종 해양 구조물 및 해수 담수화 설비에 사용되는 재질이다. 물분사 추진기 임펠러에 표면 점식에 대한 원인분석을 위해 주사전자현미경 관찰 및 분자생태학적 분석 결과를 통해 다음과 같은 결론을 얻었다. 첫 번째로 주사전자현미경을 통하여 표면 점식이 일어난 부위에서 "S" 성분을 발견할 수 있었고, 두 번째로 분자생태학적 연구결과 부식된 물분사 추진기 임펠러에서 채취한 샘플에 "dsrAB" 유전자가 검출되어, 임펠러 부식은 황산염 환원균에 의한 것으로 판단할 수 있었다. 향후 황산염 환원균에 의한 제품의 손상을 방지하기 위해선 함정 운항 전, 후에 황산염 환원균이 활동하기 어려운 환경인 65℃ 이상의 고온처리 실시, pH5이하 또는 pH9이상 유지, 선체와 추진기의 절연을 통한 과잉전자 생성 방지 등 예방적 관리가 필요하다.

Abstract ▼ AI-Helper

Cause analysis of surface pitting crack on a waterjet impeller was conducted. The waterjet impeller was made from stainless steel duplex 2205, which is more resistant to corrosion and local corrosion than typical stainless steel 316L and 317L, and has high mechanical strength, making it a useful material in various marine structures and seawater desalination facilities. The measurements were taken by scanning electron microscopy (SEM) and molecular ecological detection. The chemical composition of S was examined by SEM in the area of pitting corrosion. The dsrAB gene was detected on the sample of the pitting corrosion of the impeller through molecular ecological detection. Therefore, pitting corrosion on the surface of a waterjet impeller was caused by sulphite-reducing bacteria (SRB). To prevent the spread of SRB, management is required through high temperature treatments (over 65℃), pH management, or the insulation of a hull and waterjet.

Keyword

표/그림 (14)

그림 Fig. 1. Waterjet Driving method and propulsion
그림 Fig. 2. Shape of waterjet impeller
그림 Fig. 3. Pitting corrosion on waterjet impeller
그림 Fig. 4. A schematic diagram of MIC by sulfate reducing bacterias(SRB)
그림 Fig. 5. Specimen point of impeller
표 Table 1. Visual inspection results of pitting corrosion on the surface of waterjet impeller
그림 Fig. 6. Genomic DNA
표 Table 2. Summary of SEM record from the 'corrosion' and 'non-corrosion'
그림 Fig. 7. 16S rRNA gene
그림 Fig. 8. Result of dsrAB to PCR
그림 Fig. 9. Blast of dsrAB
표 Table 3. dsrAB of sequence analysis
표 Table 4. Cause analysis result table for experimental results
그림 Fig. 10. A schematic diagram of MIC by sulfate reducing bacteria

AI 본문요약
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문제 정의

손상 부위의 일부를 채취하여 주사전자현미경을 통하여 부식 전, 후 임펠러 원재료의 화학적 변화를 고찰하고자 하였고, 분자생태학적 검출을 통하여 황산염 환원균의 존재 여부를 확인하고자 하였다.
따라서, 이러한 부식 메커니즘에 의해 물분사 추진기 임펠러 표면 점식이 진행되었다면 황(S) 성분이 검출될 것으로 판단됨에 따라 주사전자현미경(SEM)을 통하여 부식 전, 후 임펠러 원재료의 화학적 변화를 고찰하고자 하였다.
분자생태학적 방법으로 샘플내의 미생물의 성분을 배양을 거치지 않고 분석하고자 하였다. 기존의 미생물배양법으로는 생태계의 약 99%의 미생물은 검출할 수 없지만, 배양에 의존하지 않고 환경에서 직접 DNA 또는 RNA를 추출하여 Polymerase Chain Re-action1)이라는 분자생물학 기법을 사용하면 환경에 존재하는 거의 모든 세균을 검출할 수 있다.
이를 통하여 존재하는 각각의 미생물의 특성(기능)을 유추할 수 있다. (병원성 세균, 암모니아 산화균, 혐기성 미생물, 고새균등의 존재 여부를 판단) 이를 근거로 각종 해양미생물의 분리 및 배양에 의존하지 않고 자연계로부터 지놈의 획득을 통해 그로부터 특정 기능을 지닌 유전자를 PCR 증폭하여 시료 내의 황산염 환원균의 존재 여부에 대한 기초자료로 활용하고자 하였다.
본 연구는 물분사 추진기 임펠러에 표면 점식이 확인되어 원인분석을 위하여 수행하였으며, 주사전자현미경 분석 및 분자생태학적 분석 결과 Table 4와 같은 결론을 얻었다.

제안 방법

균체를 포함할 것으로 추정되는 면봉을 이용하여 유전물질을 추출·정제하였다.
부식된 임펠러의 미생물 조성을 배양에 의한 편견(Bias)을 제거하는 방법(분자생태학)을 통하여 분석하였다. 이를 통하여 존재하는 각각의 미생물의 특성(기능)을 유추할 수 있다.
실험방법으로는 Extraction buffer를 멸균된 면봉에 묻혀 부식된 임펠러의 표면 점식과 그 주변으로부터 시료를 확보하였다. 균체를 포함할 것으로 추정되는 면봉을 이용하여 유전물질을 추출·정제하였다.
균체를 포함할 것으로 추정되는 면봉을 이용하여 유전물질을 추출·정제하였다. 정제한 유전물질로부터 PCR 기법을 이용하여 16S rRNA2) 유전자에 대하여 PCR 증폭을 시도하여 시료로부터 확보된 DNA를 분자생태학적 연구에 대한 기초적 실험 결과로 활용하였다.
16S rRNA 유전자가 증폭된 DNA로부터 황산염 환원균의 기능 유전자인 dsrAB 유전자를 특이적으로 증폭하는 Primer를 이용하여 PCR 증폭하였다. 이를 통하여 증폭된 PCR 산물을 전기연동을 통하여 확인하였으며, 밴드의 유전자 염기서열 분석을 통하여 검출된 각 미생물의 Phylogenetic를 구축하는 순서로 진행하였다.
16S rRNA 유전자가 증폭된 DNA로부터 황산염 환원균의 기능 유전자인 dsrAB 유전자를 특이적으로 증폭하는 Primer를 이용하여 PCR 증폭하였다. 이를 통하여 증폭된 PCR 산물을 전기연동을 통하여 확인하였으며, 밴드의 유전자 염기서열 분석을 통하여 검출된 각 미생물의 Phylogenetic를 구축하는 순서로 진행하였다.
첫 번째로 기준으로 사용되는 제한효소인 Lambda/Hind III Plus Maker3)를 확인하여 23 kbp, 6 kbp등의 밴드를 확인하였고, 16S rRNA과 dsrAB 유전자를 PCR법을 이용한 결과 Fig. 6과 같이 각각의 샘플별로 증폭을 시도하였다.
미생물의 존재 흔적만 남아있을 것이라 예상한 바와 같이 지노믹 DNA가 전기영동 상에서 보이지 않았다. 그러나 미량의 DNA 시료를 이용하여 PCR을 통한 유전자 증폭이 가능함으로 16S rRNA 유전자를 각각 증폭하였다. 그 결과 모든 샘플에서 Fig.
이를 바탕으로 황산염 환원균의 분자계통학적 마커 중 하나인 dsrAB 유전자를 특이적으로 증폭하는 primer를 이용하여 PCR 증폭을 시도하였다.
얻어진 dsrAB 유전자 PCR 산물을 적정한 방법을 통하여 정제 후 시컨싱하였다. 시컨싱 된 서열은 NCBI(National Center for Biotechnology Information)의 Blast(Basic Local Alignment and Search Tool)을 이용하여 검색한 결과 Fig.

대상 데이터

시편의 크기는 0.4mm × 0.4mm × 0.3mm로 부식된 부위와 부식되지 않은 부위가 공존하는 상태로 채취할 수 있었다.
주사전자현미경 관찰시 사용된 시편제작은 원제작사에서 송부한 조치 방안대로 손상부 제거 및 육성용접을하여 임펠러를 수리하였는데, 이 수리를 위해 제거되는 손상부위에서 제일 큰 것을 시편으로 활용하였다. 시편의 크기는 0.

성능/효과

첫 번째(1st) PCR을 통해서는 16S rRNA 유전자와는 달리 3, 4, 5번 샘플에서만 dsrAB 유전자가 증폭되었다. 그러나 증폭된 양은 매우 적어 Nested PCR법을 이용하
첫 번째(1st) PCR을 통해서는 16S rRNA 유전자와는 달리 3, 4, 5번 샘플에서만 dsrAB 유전자가 증폭되었다. 그러나 증폭된 양은 매우 적어 Nested PCR법을 이용하
여 증폭한 결과 첫 번째 PCR을 통해 증폭을 확인한 3, 4, 5번 샘플에서 시컨싱에 충분한 PCR 산물을 얻었다.
분자생태학적 연구결과 부식된 물분사 추진기의 임펠러에서 채취한 샘플에 dsrAB 유전자가 검출되어 황산염 환원균의 존재를 확인할 수 있었다.
첫 번째로 주사전자현미경을 통하여 표면 점식이 일어난 부위에서 ‘S’ 성분을 발견할 수 있었는데, 이는 황산염 환원균에 의한 임펠러의 부식과정에서 발생한 것으로 볼 수 있었다.
두 번째로 분자생태학적 연구결과 부식된 물분사 추진기 임펠러에서 채취한 샘플에서 dsrAB 유전자가 검출되어 황산염 환원균 존재를 확인할 수 있었다.

후속연구

국내의 경우 본격적으로 도입하게 된 것이 ‘98년 전후로 육군해안경비경, 항만경비정, 항만수송정 등에 소형의 물분사 추진기를 탑재하였으며, 중대형의 경우 ‘05년 PKX-A급에 설치하여 해안경비 등의 임무에 우수한 성능과 신뢰성을 보여주고 있다. 이들 중 PKX-A급의 선도함에는 네덜란드 Warsila Lips사에서 개발한 물분사 추진기(Model : LJ114E, LJ108E)을 탑재하였는데, 함정건조 중 물분사 추진기 임펠러 전체에 표면 점식이 확인되어 이에 대한 원인규명 및 후속조치를 위한 연구가 필요하였다.
향후 해군에서는 황산염 환원균에 의한 표면 점식은 환경(온도, pH 농도, 혐기성 상태)에 영향을 많이 받으므로, 이러한 환경을 조성하지 않기 위하여 함정운행 전, 후에 황산염 환원균이 활동하기 어려운 65℃ 이상의 고온처리 실시, pH 5 이하 또는 pH 9 이상을 유지하거나 선체와 추진기의 절연을 통해서 과잉전자가 발생하지 않도록 관리해주는 것이 중요하다.

참고문헌 (4)

Gi-Hyoun Kwon, "Effects of the Forge ability and the Mechanical Properties on Heat treatment Condition of Duplex Stainless Steels", Ph.D dissertation, Pusan National University, Korea, pp.11-12, 2013.
Geun-Hyun Park, "Electrochemical Analysis of Microbiologically Influence Corrosion of Steels by Sulfate-Reducing Bacteria", Master's thesis, Korea Maritime and Ocean University, Korea, pp.27-29, 2002.
P.J. Antony, R.K. Singh Raman, R. Mohanram, Pradeep Kumar & R. Raman, "Influence of Thermal Aging on Sulfate-Reducing Bacteria(SRB)-Influenced Corrosion Behavior of 2205 Duplex Stainless Steel", Corrosion Science, Vol.50, No.7, pp.1858-1864, July 2008. DOI: https://doi.org/10.1016/j.corsci.2008.03.009

상세보기
Bolwell R. "Understanding Royal Navy Gas Turbine Sea Water Lubricating Oil Cooler Failures When Caused by Microbial Induced Corrosion ("SRB")" Journal of engineering for gas turbines and power, Vol.128, No.1, pp.153-162, Jan. 2006. DOI: https://doi.org/10.1115/1.1926315

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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].

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