2.2 해수 중 부식과 방식의 원리 및 종류
2.2.4 해수 중 강구조물의 부식과 방식
1) 해수 중 강구조물의 부식반응
해양 환경중의 강구조물은 육상구조물에 비하여 가혹한 부식환경하에 놓여져 있 다. 해양환경중의 물이나 산소가 강 표면에 부착하면 전지(Cell)와 유사한 전기화학 적 반응에 의해 다음과 같이 녹(Rust)이 발생하는 부식(Corrosion)이 진행한다.
Fe → Fe2+ + 2e- (8) 1
2 O2 + H2O + 2e- → 2OH- (9) Fe2+ + 2OH- → Fe(OH)2 (10)
여기서, (8)식에서 나타내는 강의 산화용해반응을 부식의 양극(Anode)반응이라고 하고, (9)식에서 나타내는 산소의 환원반응을 부식의 음극(Cathode)반응이라고 한 다. (10)식의 Fe(OH)2는 (8)식과 (9)식이 합쳐져 반응한 부식부산물(초기녹)로써 강 의 표면에서 생성된 후 시간경과와 더불어 주변환경 인자의 영향에 의해 산화 등 의 과정을 거쳐서 여러 가지 형태의 복잡한 수화 산화철(녹)로 변환된다.
2) 해수 환경 중 강구조물의 부식특성
해수환경 중 설치되어 있는 강구조물의 방식 조치를 하지 않은 상태에서의 부식 율은 Table. 2.5[16]에 나타낸 바와 같다. 또한, Fig. 2.7은 해상대기부(In marine atmosphere), 비말대(Splash zone), 간만대(Tidal zone), 해중부(Submerged zone) 및 해저토부(Below the sea bottom)의 5개 환경영역에서 부식녹이 생성됨에 따라 원래의 강 두께가 감소해가는 부식속도(Corrosion rate, 부식율) 경향을 모식적으로
Table 2.5 Standard corrosion rate of steel
Corrosive environment Corrosion rate(mm/y)
1) Above H.W.L 0.3
2) H.W.L～L.W.L-1.0m 0.1～0.3
3) Submerged Zone 0.1～0.2
4) Below the sea bottom 0.03 5) In the backfill soil
a. Adove the residual water level b. Below the residual water level
0.03 0.02
In marine atmosphere
(0.1 mm/year)
Splash zone ( 0.3 mm/year)
Tidal zone
(0.2 ~ 0.3 mm/year)
Submerged zone (0.1 ~ 0.2 mm/year)
Below the sea bottom (0.03 mm/year)
Corrosion rate
De pt h
M.H.W.L
M.S.L
M.L.W.L
Sea bottom level
In marine atmosphere
(0.1 mm/year)
Splash zone ( 0.3 mm/year)
Tidal zone
(0.2 ~ 0.3 mm/year)
Submerged zone (0.1 ~ 0.2 mm/year)
Below the sea bottom (0.03 mm/year)
Corrosion rate
De pt h
M.H.W.L
M.S.L
M.L.W.L
Sea bottom level
Fig. 2.7 Effect of seawater depth on corrosion of port and harbor steel structure.
나타낸 것이다.
이들 5개영역의 부식특성을 살펴보면 다음과 같다. 즉, 해상대기부(In marine atmosphere)는 바람에 의해 미세한 해염입자가 날아들어 해면으로부터의 거리에 따 라 이 환경의 부식성은 항상 변화하고 있다. 또한 풍속, 풍향, 강우, 기온, 입사량, 계절, 오염 등의 부식인자에도 영향을 받으며, 비․바람을 맞는 부위가 맞지 않는 부위보다 부식속도가 크다.
비말대(Splash zone)는 부식속도가 가장 큰 영역으로서, 강 표면은 풍부한 산소 (O2)와 더불어 흡습성이 강한 해염입자가 부착되면서 얇은 수막(H2O)이 생성되어 있으며, 생물의 부착이 어려운 환경을 가지고 있다.
간만대(Tidal zone)는 해수의 조석간만 차에 의해 건습이 반복되는 영역이며, 간만 대에서 해중부에 연속해 있는 강구조물에서는 평균간만수위(M.S.L) 부근이 산소농 담전지의 음극(Cathode)으로써 작용하므로, 도막의 손상부에서의 부식속도는 상당히 크다.
해중부(Submerged zone)의 경우는 생물의 부착이나 유속 등이 부식인자로써 작 용하므로 간만대에서 해중부에 연속해 있는 강구조물에서는 평균간조면(L.W.L) 바 로 밑 부분이 산소농담전지의 양극(Anode)으로 작용해서 부식속도가 크다. 그 밖의 해중부분은 부식속도가 그다지 크지는 않다.
해저토중부(Below the sea bottom)는 해중부보다 산소의 공급이 어렵기 때문에 부식속도가 가장 낮은 지역이며, 오염 등의 영향에 따라 황산염 박테리아 등이 존 재하는 경우가 있다. 한편, 황화물 등이 존재하는 경우에는 강의 부식 및 전기방식 특성에 영향을 주게 된다.
3) 해수 중 강구조물의 방식법 고찰[11]
해수중 강구조물을 방식하는 방법에는 여러 종류가 있으며 이들의 방법을 대별하 면 다음과 같다.
(1) 양극방식법 : 피방식제를 양극으로 하여 방식체 표면에 부동태피막을 형성시 켜 방식하는 방법
(2) 외부전원법 : 외부전원을 인가하여 방식하고자하는 피방식체를 음극화하여 방식하는 방법
(3) 희생양극법 : 방식하고자하는 피방식체보다 전위가 낮은 비금속 아연, 알루 미늄, 마그네슘 합금 등을 연결하여 방식하는 방법
(4) 피복방식법 : 피복방식법은 피방식체의 표면을 여러 가지 방법에 의해서 부 식 매질인 물과 산소의 공급을 차단하는 방법이며, 그 종류는 다음과 같다.
① 무기라이닝법 ② 금속용사법 ③ 도장법 ④ 유기라이닝법
⑤ 페트로라텀라이닝법 ⑥ 금속표면처리법(도금법)
해양환경의 강구조물은 대기중, 비말대, 간만대, 해수중, 해저토부 등 각각의 부식 조건이 다르므로 방식법도 이에 적합한 방법을 택하지 않으면 안된다. 각각의 방식 법을 채용하는데 있어서는 사용재료의 특성, 시공방법, 보수대책, 경제성 등을 충분 히 검토하여 가장 적합한 방식을 선택해야 한다. 이들 중 일반적으로 가장 많이 사 용하고 있는 방식법은 수상부의 피복방식과 수중부의 전기방식이다. 이들 방식법의 특성을 고찰함으로써 항만 구조물 방식에 가장 경제적이고 내구성 있는 방식법에 적용할 수 있을 것으로 사료된다.
우선, 수상부는 해상 대기부, 비말대, 간만대 등에 대한 수상부의 부식은 피복방 식법이 가장 널리 사용되고 있으며, 이것은 해수와 피복방식체인 강을 산소로부터 차단하는 것이다. 그 종류는 여러 가지가 있으며 작업성과 경제성을 고려하여 선정 해야 한다.
해중부의 경우, 항만구조물의 대표적 해중부 방식법은 음극방식법이며, 이 음극 방식법은 해수중과 해저토에서 방식효과가 크고, 경제성도 좋으며, 신설과 기존 구 조물에 관계 없이 방식이 가능하다. 그리고 이 방식 시스템은 양극의 종류와 크기 에 따라 수명을 폭넓게 선택할 수 있어, 종합적으로 신뢰성 있는 유리한 공법이라 고 할 수 있다. 이러한 음극 방식법을 크게 세분하면 두 종류가 있으며, 이들의 원 리와 특징은 2.2.6절에서 상세히 나타내고 있다.
2.2.5 해수 중 선박의 부식과 방식