KR 웹진 175호

1. 배경

지구 온난화가 진행됨에 따라 북극해의 접근성이 향상되어, 북극지역 내 매장된 오일가스에 관한 시설투자가 지속적으로 증가하고 있다. 이에 따라, 북극지역의 가혹한 환경에서 장기간 유지 및 운용이 가능한 극지 해양플랜트에 관한 정확한 설계 기술이 요구된다. 재료적 관점에서 가장 우선적으로 저온환경에서의 강재 취성화를 고려해야 하며, 해당 강재는 설계온도에서 충분한 인성치를 만족하여야 한다.

이에 따라, 국내외 많은 연구기관에서는 극지 환경 조건에 대한 강재의 기계적 특성을 평가하고 있으나[1, 2], 아직까지 저온 강재의 부식적 특성에 관한 정보는 부족한 실정이다. 특히 해양구조물은 운용 중 강재의 중간 교체 또는 보강이 어려운 점을 고려할 때, 초기에 정확한 부식 방지에 관한 설계가 이뤄져야 한다.

통상적으로 저온 환경에서의 부식현상은, 비록 용존산소량이 저온에서 증가함에도, 해수 또는 대기층에서

모두 감소하는 것으로 알려져 있다[3,4].

또한 극지 구조물은 낮은 대기온도와 높은 풍속에 의해 생성되는 표면 착빙은 금속표면의 산소 및 수분의

전달을 방해하여 부식속도를 저하시키는 것으로 알려져 있다. 그러나 일부 연구에서는 표면 내 염분층의

흡착으로 결빙이 지연되어 -5℃ 조건에서도 부식이 발생한다고 보고하였다[5, 6]. 일부 연구에서는 착빙층

안에서도 전기화학적 부식 활성이 존재함을 확인하였다[7].

또한 극지 지역에서는 평균 강수량이 낮아, 염분의 자연 씻김이 이뤄지지 못하고 부식이 지속적으로 이뤄지는 특성을 갖는다. 더욱이, 비말대 구역에서는 파랑 및 동하계간 착빙-해빙 순환에 의한 건습 반복이 이뤄져 심각한 부식 현상을 유발할 수 있다. 또한 극지 지역의 잦은 이동성 저기압으로 기상에 불규칙성이 해양구조물 강재에 상당한 부담으로 작용한다.

이에 따라, 극지 해양구조물의 안전한 설계를 위하여 설치·운용 환경에 관한 조사를 토대로 적절한 부식 관리 방안을 마련해야 한다. 그러나 동하계간 반복되는 착빙-해빙에 대응하여 정확한 전기방식 시스템을 설계함은 매우 어려운 기술이며, 보호도장의 경우 저온에서의 취성화, 빙충격에 의한 마모 및 탈락, 온도변화에 따른

열팽창 등에 의하여 장기 내구성을 유지하기가 상당히 어렵다.

따라서, 극지 해양플랜트의 부식설계 시, 사전에 강재 자체에 관한 부식성 파악이 요구된다. 본 연구에서는

저온 환경에서 극지 해양플랜트 강재의 부식 특성을 확인하고, 주요 부식 요인에 관하여 분석하고자 한다.

 

2. 실험방법

본 연구에서는 극지 해양플랜트용 고장력 구조용강재 2종(항복강도 460MPa, 두께 100mm, TMCP강)을 이용하여 모재 및 용접부(FCAW, SAW)에 대하여 아래 표와 같이 침지부식시험, 전기화학적 부식시험, 중성염수분무시험(SST), 복합가속촉진 부식시험(CCT)을 실시하고, 소재의 용접 조건별 부식속도 및 내식성을 비교·분석하고자 하였다.

해당 부식시험 조건은 국제 시험규격을 기반으로 극지 해양플랜트 수중부(submerged zone) 및 비말대부(splash zone) 환경조건을 모사하여 결정하였다. 용접재 시험편의 경우, 용착부(FZ)-열영향부(HAZ)-모재부(PM)이 모두 포함되도록 하여, 두께 방향 1/4 지점에서 시험편을 채취·가공하였다.

  
표1. 부식시험 항목, 시험조건 및 적용 기준

시험 항목	시험편 종류	조건 및 확인 사항	시험 규격
침지부식	- Bare Metal  - FCAW  - SAW	- 시험 용액 : 3.5% NaCl Solution  - 용액 온도 : 2, 15, 30 ℃ (3조건)  - 침지 시간 : 10일 (240 시간)  - 시험 전·후 중량 감량, 외관 관찰  - 중량 감량에 의한 부식속도 확인	ASTM G 31
전기화학적 분극시험	- Bare Metal  - FCAW  - SAW	- 시험 용액 : 3.5% NaCl Solution  - 용액 온도 : 2, 15 ℃ (2조건)  - Exposed Area : 1 ㎠  - Tafel외삽, Ecorr및 부식속도 확인	ISO 17475:2005 ASTM G 3
중성염수 분무시험 (SST)	- Bare Metal  - FCAW  - SAW	- 중성염수분무 240시간 (10일)  - 중량감량 평가, 부식속도 확인  - 용접부, 열영향부 부식경향성 확인	KS D 9502
복합반복 부식시험 (CCT)	- Bare Metal  - FCAW  - SAW	- 1 Cycle 조건 : 염수분무-강제건조-습윤-자연건조-저온*  - 1 Cycle 12시간, 총 20 Cycle 240시간 (10일)  - 중량감량 평가, 부식속도 확인  - 용접부, 열영향부 부식경향성 확인	MS-600-66
* CCT-B 조건에 따른 복합싸이클 부식시험 실시 (MS-600-66 규격 참고), 1 Cycle 12시간, 총 20 Cycle (10일) * Cycle 조건 : 염수분무(35℃, 95% R.H.) 4시간 → 강제건조(70℃, 30% R.H.) 2시간 → 습윤 (50℃, 95% R.H.) 2시간 → 자연건조(25℃, 60% R.H.) 1.5시간 → 저온(-40℃) 2.5 시간

   

3. 실험결과

 

 

그림 1. 극지 해양플랜트 강재 2종(Sample A, B)에 대한 침지시험, 전기화학분극시험 결과 데이터

극지 해양플랜트 수중부 환경에서 강재의 부식영향성을 평가하기 위하여 침지실험과 전기화학분극 실험을 진행하였다. 특히, 모재 및 용접재간 부식적 차이를 비교하고, 해수의 온도가 낮아짐에 따른 강재의 부식적

변화를 관찰하고자 하였다.

그림 1에서는 2종의 강재를 활용한 모재 및 용접재에 대한 침지시험 및 전기화학분극 시험 결과를 보여준다. 침지시험(폐위조건)에서 모두 부식속도가 0.035 mm/yr 이하 수준으로 양호하게 나타났으며, 모재와 용접재간 부식속도의 차이가 적었다.

시험결과 해수온도가 낮을수록 부식속도가 떨어짐을 확인할 수 있었다. 다만 전기화학분극시험에서는 해수 온도에 따른 부식속도 감소 경향성이 나타나지 않았다. 이는 용존산소량의 영향으로 보여진다. 해수 온도가 낮은 조건에서 상대적으로 용존산소량이 높음에 따라 부식속도가 유지되는 것으로 추측된다. 이는 유속과도 관련되어, 유속이 높을 경우 해수 내 반응할 수 있는 산소가 빠르게 공급되어 부식속도가 높아진다. 따라서, 일정 유속이 존재하는 실제 극지 해수 환경에서는 극지 수중부 구조물의 부식성이 온대 및 아열대 지방 내

해양구조물과 비교하여 특별히 떨어지지 않음을 고려해야 한다.

그림 2. 극지 해양플랜트 강재 2종(Sample A, B)에 대한 중성염수분무시험(SST), 복합반복부식시험(CCT) 결과 데이터

그림 2에서는 강재 2종에 대한 SST 및 CCT 시험결과를 보여준다. 해당 실험은 해양구조물 내 비말대 구역을 모사하여 강재가 염수에 노출되고 건습되는 현상을 반복하는 조건에 대한 부식변화를 확인하는 것이다.

시험결과, 습윤/건조/온도변화를 반복하는 조건에서 상당한 부식이 발생함을 확인하였다. 특히 샘플 A 강재의 경우, 모재 및 용접재 모두 -40℃의 온도변화에 따라 급격한 부식이 진행됨이 확인되었다. 용접재 시험편의 경우 모재 대비 부식이 더 잘 이뤄졌으며, 일부 시험편(샘플 A)에서는 모재부의 부식성 역전 현상이 관찰되었다. 해당 현상은 모재의 용접부 대비 상대적 높은 열팽창율에 기인하는 것으로 예측된다[8].

 

4. 고찰

강재의 부식성은 노출환경 내 다양한 요소에 의해 결정되며, 극지 해양구조물의 경우 온도변화, 건습조건,

염분잔류, 착빙-해빙, 용존산소량 등에 의하여 다양한 형태로 부식이 진행된다. 또한 강재 내부적으로 열팽창변화, 미세조직변화, 화학성분 등 요소에 의하여 부식성이 다르게 나타난다. 따라서 해당 환경 및 강재 화학성분·미세구조에 관한 복합적 관계를 분석해야 한다.

 

5. 결론

본 연구에서는 극지 해양플랜트용 강재 2종에 대하여 모재 및 용접재의 부식성을 침지부식시험, 전기화학분극시험, SST, CCT를 통하여 확인하였다. 주요 결과는 다음과 같다.

(1) 극지 시험결과, 저온 해수환경에서 부식성이 뚜렷이 감소하지 않는다. 용존산소량이 충분할 경우, 저온에서 부식성은 특별히 감소하지 않는다.

(2) 비말대 구역에서는 상당한 수준의 부식이 발생한다. 일반적으로 모재 대비 용접부에서 부식이 더 잘 진행되나, 동하계간 온도변화에 따른 일정 열팽창율 차이가 존재하는 경우 모재부의 부식성이 가속화 될 수 있다.

극지 해양플랜트는 설치 후 구조물 강재의 중간 교체 및 보완이 어려운 점을 고려하여 정확한 부식 관리 설계가 이뤄져야 한다. 따라서 사용환경 조건(온도변화, 유속, 강수량, 착빙/해빙 정도 등)을 조사하여 정확한 부식속도의 산출이 필요하다.

6. 기대효과

본 연구는 극지 해양구조물의 장기 내구성 및 안전성 확보를 위한 부식적 관점에서 중요 검사요소를 도출하고, 해당 부식 시험 데이터 분석을 통하여 적합한 KR 선급규칙을 제정하고자 하는데 목적이 있다.

 

7. 참고문헌

1. Petroleum and natural gas industries-Arctic operations-Material requirements for arctic operations,

   ISO/TS 35105, 2018, 4.
2. A. M. Horn and M. Hauge, Twenty-first Int. Offshore Polar Eng. Conf., 2011.
3. Melchers R.E., Effect of temperature on the marine immersion corrosion of carbon steels, Corrosion,

   2002, 58, p.768.
4. Mikhailov A.A., Strekalov P.V., Panchenko Y.M., Atmospheric corrosion of metals in regions of cold and

   extremely cold climate (a review), Prot. Met., 2008, 44, p.644.
5. Barton K., Bartonova S., Beranek E., Die Kinetik des Rostens von Eisen in der Atmosphäre, Werkstoffe

   und Korrosion, 1974, 25, p.659.
6. Brass G.W., Freezing point depression by common salts: implications for corrosion in cold climates. In:

   Perrigo L.D., Byars H.G., Divine, J.R., Cold climate corrosion: special topics. NACE International, 1999,

   p.29.
7. Gonza´lez J.A., Control de la corrosio´n. Estudio y medida porte´cnicas electroquı ´micas. CSIC, Madrid,

   1989.
8. Y. Y. Choi and M. H. Kim, Corrosion behaviour of welded low-carbon steel in the Arctic marine

   environment, RSC Adv., 2018, 8, 30155