2.2 해수 중 부식과 방식의 원리 및 종류
2.2.6 해수 중 음극방식의 원리 및 특징
증가하고 있다. 또한 이들의 대부분은 선체주위의 변동에 따라 자유롭게 방식전류 량을 조절하는 장치를 갖추고 있다.
선체의 방식전류밀도는 도장의 종류와 질, 선박의 속도 및 크기, 항해지역 등의 제 조건에 따라 크게 다르지만, 일반적으로 외부전원방식의 경우는 몇군데의 전극 으로부터 다량의 전류를 공급하기 때문에 전류분포가 불균일해지기 쉽다. 일반적으 로 30～40 mA/m2의 전류밀도로 제작되는 선박이 가장 많다.
외부전원방식은 유속의 변화가 있는 선체 및 해양구조물에 광범위하게 사용되고 있다. 외부전원방식이 설치된 선박의 예를 개략적으로 나타내 보면 Fig. 2.12와 같 다. 이러한 음극방식계의 가장 중요한 설계 문제는 노출된 모든 선체에 음극방식전 류를 가능한 한 균일하게 흘려주기 위한 기준전극의 배치라고 생각한다.
P r o p e lle r b o n d e d to h u ll b y s u ita b le b r u s h g e a r
A n o d e s : p la tin iz e d tita n iu m . le a d - p la t in u m. o r le a d - s ilv e r
D ie le c tr ic s h ie ld
R e fe r e n c e e le c tr o d e S e n s in g e le c tr o d e A u to m a tic a lly -
c o n tr o lle d
tr a n s fo r m e r - r e c tifie r
Fig. 2.12 The impressed current cathodic protection(ICCP) control and monitoring system
1) 음극방식의 개념 및 원리[15]
부식(corrosion) 이라고 하는 것은 앞서 2.2.1절에서 기술한 바와 같이, 금속표면 결정격자내의 원자가 이탈해서 환경성분과 전기화학 반응하는 것이라고 할 수 있 다. 즉, 용존산소가 있는 중성 용액 중 단일금속인 경우에는 그 금속 자체의 내외적 인 불균일 요인에 의해 미시적으로 보면 양극반응이 일어나는 영역과 음극반응이 일어나는 영역이 동시에 발생하면서 양극 영역을 중심으로 부식이 진행된다. 또한 서로 다른 금속(이종금속)이 접촉되어 있는 경우에는 각각 금속이 고유하게 지니고 있는 이온화 경향(M → Mn+ + ne- ; 금속이 전자와 이온으로 분리되는 경향, 또는 전위(Potential))의 차이에 따라서 양극반응이 일어나는 영역의 금속과 음극반응이 일어나는 영역의 금속으로 나누어지게 된다. 즉, 이온화 경향이 큰 금속(전위 (Potential ; E)가 작은 금속)은 접촉-연결되어 있는 이온화 경향이 작은 금속(전위 (Potential ; E)가 큰 금속)의 영향으로 이온화 경향이 더욱 커지면서 활성적으로 양 극반응이 진행하며 희생 부식(Sacrificial corrosion) 된다. 또한, 이와 동시에 이온 화 경향이 작은 금속(전위가 큰 금속)은 이온화 경향이 큰 금속(전위가 작은 금속) 의 양극반응으로부터 활성적으로 생성된 전자를 받음으로써 음극반응이 진행되는 방식(Protection)을 하게 된다. 즉, 음극 방식(Cathodic Protection, 전기방식)은 이와 같은 부식원리를 역으로 이용한 것으로 생각할 수 있다. 결국, 음극방식법은 피방식 체를 음극으로 분극(Polarization)해서 금속을 안정역(Immunity)으로 이동하여 방식 하는 방법인 셈이다. 이때, 양극측에는 피방식체보다 상대적으로 이온화 경향이 큰 금속(전위가 낮은 금속)을 연결하거나 혹은 이와 같은 원리로 외부전원을 이용하여 음극측에 전자를 공급할 수 있도록 하면 된다. 여기서 피방식체보다 이온화 경향이 큰 금속(전위가 낮은 금속)을 연결하는 방법은 희생양극법(Sacrificial anode method)이고, 피방식체에 외부전원을 이용하는 방법은 외부전원법(Impressed current method)이라고 한다.
Fig. 2.13은 음극방식법의 원리[20]를 도시한 것이며 (a)는 음극방식시의 전류의 유 출입량과 방향을 표시하고, (b)와 (c)는 외부전원법과 희생양극법으로 방식하였을 때의 전위-전류관계를 표시하는 Evans 분극도이다. (a)의 ①와 같이 수중에서 전위 EA의 A 금속과 전위 EB의 B 금속이 전기적으로 연결되어 있을 때는 부식전지가
형성되어 (b) 및 (c)의 ①과 같이 Ecor의 부식전위에서 icor의 부식전류로 A가 부식된 다. 그러나 이 부식전지에 불용성양극에서 혹은 희생양극을 취부해서 방식전류 i1이 흐르도록 할 때는 (b)와 (c)의 ②와 같이 이 전지의 음극전위는 E2로 내려가고 그 때의 방식전류는 i2로 감소된다. 또 이 전지에 충분한 방식전류인 ip가 흐르도록 할 때는 그 전지의 음극전위가 ③과 같이 A 금속의 전위, 즉 그 평형전위 EA와 동일 하게 되고 부식전류가 0이 되므로 완전방식이 이루어진다. 그러나 이 전지에 과대 한 (ip1 + ip2)의 방식전류를 흘릴 때는 ④와 같이 음극전위가 E4로 내려가므로 ip2만 큼 과방식 된다. 그러므로 음극방식은 피방식체 A에 적정한 방식전류 ip를 공급해서 그 금속의 평형전위인 E4까지 음분극시키는 것이다. 그러나 실제방식에는 이보다 상당히 높은 전위에서도 충분한 방식이 이루어질 때가 많다.
2) 음극방식의 응용기준
어떤 금속을 음극방식 할 경우에는 그 방식전위를 얼마로 유지하여야 하는지 또 한 이 방식전위를 유지하려면 방식전류 밀도를 얼마로 설계하여야 하는지 적절히 결정한다고 하는 것은 음극방식에 있어서 방식효율과 경제성을 동시에 높이는데 상 당히 중요한 일이다. 그러나 이들에 관해서 이론적으로 연구가 충분히 이루어져 있 지 않기 때문에 주로 경험적인 면에 의존하고 있는 실정이다.
지금까지 보고된 각종 금속에 대한 경험적인 방식기준전위를 조사하여 보면 다음 과 같다. 즉, 철강의 방식기준전위는 천연수중이나 산성용액중에서 -0.77 V(이하 전 위는 SCE로 표시)이고, 혐기성의 황산염 환원균이 번식하는 지중이나 해수중에서는 -0.87 V로 알려져 있으며, 스테인레스강의 방식기준전위도 탄소강과 같고 아연도금 강은 -1.0 V이다. 또한 동합금의 방식기준전위는 -0.35 V와 -0.6 V로 보고되고 있 고, 황화물이 존재하는 곳에서는 -0.8 V이다. 알루미늄합금의 방식기준전위는 -0.9 V 전후이며, 토중에서 -1.1 V이하가 되면 알칼리 축적으로 음극부식이 일어날 염려 가 있다.
한편 이상에서 언급한 내용들은 어디까지나 경험적인 수치이am로 실제적으로 음 극방식을 하게 되는 경우에는 사용환경은 물론 방식대상물의 복잡한 구조 등의 조 건을 충분히 고려하여 설정하지 않으면 안된다. 또한 만약 방식기준전위를 결정하 였다 하더라도 방식대상물에 적합한 방식법을 선정하기 위한 준비가 필요하다.
C
C
C
C
A B
A B
A ; Non protection
A B
③ A ; Full protection (EA-EB’)
A B
ip1 C
C
C C
①
②
C
C
C
C
A B
A B
①
A B
A B
ip2
④
C
C
C C
② A ; Lack of protection
ip i1
i2
icor
A ; Over protection
A : Anode B : Cathode C : Insoluble anode
icor
EB
E2
④ EA ③
ip2
ip1
ip
E4
i1
i2 Ecor
(a) Current in/out cathodic protection (b) Impressed current method
Ep
Fe
3+
Zn2
+
Zn
2++Fe
3+
Fe
3+
2+
2+'
+ 3+
Zn (Zn2+) icor
Ecor
EFe
i1
① Fe ; Non protection
② Fe ; Lack of protection
Ep
Ecor
EFe
ip1
ip icor
ip2
Ezn
Ezn
i2
Zn2++Fe3+
③ Fe ; Full protection
④ Fe ; Over protection
(c) Sacrificial anode method
Fig. 2.13 The principle diagram of cathodic protection method
더구나 방식법을 설정하였다 하더라도 그 방법을 검증하는 기간 등의 중요한 절차 가 요구되어진다. 이를테면, 일반적으로 일정한 방식전류밀도를 적용하여도 방식초 기는 적게 음분극 되나 시간 경과와 더불어 음분극 되는 정도가 증가한다. 즉, 이것 은 그 분극정도가 방식대상물이나 방식환경 등의 조건에 따라 달라지므로 그 변화 에 주의하여 적정설계를 결정해야 하는 어려운 점이 있다.