공식(Pitting corrosion) vs. 틈새 부식(Crevice corrosion)

공식(Pitting corrosion) 및 틈새 부식(Crevice corrosion)의 차이점 식별

부식, 즉 환경과 화학적인 상호 작용에 의한 설계 재질의 열화 현상(劣化現象, deterioration)을 처리하려면 비용이 매우 많이 소요됩니다. 튜빙 시스템에서 스테인리스강 부식을 확인하지 못하는 것이 해양 및 연안 환경에서 수익 손실의 주요 원인입니다. 국제 부식 엔지니어링 협회(NACE: National Association of Corrosion Engineers)의 연구에 따르면, 이로 인한 손실이 연간 10억 달러가 넘습니다.    NACE에 따르면, 이 수치 중 "5억 8900만 달러는 지상 파이프라인 및 설비 비용, 연간 4억 6300만 달러는 다운홀 튜빙 비용, 추가로 3억 2000만 달러는 부식과 관련된 자본적 지출"에 해당합니다.

다행인 점은, 일반적인 유형의 부식이라면 오일 및 가스 유체 시스템에 중대하고 비용이 많이 드는 손상을 초래하기 전에 비교적 간단한 조치로 완화하거나 예방할 수 있다는 것입니다.

선제적인 조치를 취하려면 부식 유형의 범위를 식별하고 구분하며, 적절한 솔루션을 구현할 수 있는 역량이 필요합니다. 공식(Pitting corrosion)과 틈새 부식(Crevice corrosion)은 오일 및 가스 산업 전반에서 가장 흔하고 많은 비용을 초래하는 부식 유형입니다. 이를 염두에 두고, 부식 발생 이유, 공식(Pitting corrosion)과 틈새 부식(Crevice corrosion)의 차이를 발생시키는 요소, 부식과 관련된 고장으로부터 자산을 보호할 수 있는 방법을 분석해보겠습니다.

부식에 대한 심층 분석

스테인리스강의 부식 발생 양상

우리가 사용하는 거의 모든 금속은 특정 환경에서 부식이 발생합니다. 하지만, 특히 해양을 포함하여 오일 및 가스가 사용되는 환경에서 스테인리스강 부식을 예방하는 데 사용할 수 있는 몇 단계 조치가 있습니다. 이러한 조치를 취하려면 부식의 유형과 원인을 근본적으로 이해하는 것이 필수입니다. 부식이 어디에서 발생하는지 아는 것만으로도 오일 굴착 및 정제 과정에서 위험을 최소화할 수 있고, 이는 곧 상당한 시간과 비용의 절감을 의미합니다.

가장 기본적인 차원에서, 부식은 양극에서 산화(전자를 잃음), 음극에서 환원(전자를 얻음)이 일어나는 일련의 전기화학 반응입니다. 예를 들어, 튜빙 내의 철이 산화되어 전자 2개를 방출하고 Fe₂+ 양이온으로 물에 용해될 수 있습니다. 동시에, 산화 중인 철에서 나온 전자가 H₂O에 용해된 O₂를 사용하는 환원 반응에 관여하여 OH- 음이온을 형성할 수 있습니다.

메탈 튜빙 시스템은 주로 분석 및 공정 계장, 유압 라인, 제어 및 유틸리티 애플리케이션에 사용됩니다. 오일 및 가스 환경에서 사용되는 대부분의 가공 금속(Engineered metal)은 크롬이 10% 이상 함유된 스테인리스강으로 제조됩니다. 크롬은 금속의 부식을 방지하는 산화막(oxide layer)을 형성하는 데 기여합니다. 하지만, 이 산화막을 파괴하는 환경 조건 또는 기계적 손상이 발생하면 스테인리스강에 부식이 일어날 수 있습니다. 일정한 해결책으로 보호 산화막을 개선할 수 없다면, 부식 반응이 빠르게 진행될 수 있습니다.

다시 말하자면, 조건에 따라 거의 모든 금속에 부식이 일어날 수 있습니다. 예컨대, 녹(rust)은 탄소강이 부식될 때 일반적으로 생기는 부산물이며, 철이 부식되어 산화철이 형성될 때 생깁니다. 이외에도 부식의 유형은 매우 다양합니다. 애플리케이션에 최적의 재질을 선택하려면 각 부식 유형에 따라 어떤 고유한 위험성이 있는지 이해해야 합니다.

공식(Pitting corrosion) 및 틈새 부식(Crevice corrosion)의 차이점이 무엇입니까?

구성 재질의 조성, 사용 환경, 프로세스 유체에 따라 다양한 유형의 부식이 오일 및 가스 시설에 막대한 피해를 유발할 수 있습니다. 하지만, 두 가지 형태의 국소적 스테인리스강 부식이 다른 부식보다 더 빈번하게 발생하며, 바로 공식(Pitting corrosion)과 틈새 부식(Crevice corrosion)입니다.

공식(Pitting corrosion).

공식(Pitting corrosion)은 스테인리스강 표면에 있는 크롬이 다량 함유된 보호 산화막이 파괴되어, 그 아래에 있는 나금속이 부식성 용액의 지속적인 공격에 노출될 때 발생합니다. 이러한 국소적인 전기화학 부식으로 인해 작은 구멍, 즉 "피트(pit)"가 형성되기 시작합니다.

철저한 육안 검사를 통해 피트(pit)의 진입점은 탐지할 수 있지만, 표면 아래에 손실된 재질의 망상 조직이 깊숙이 잠복하여 있을 수 있습니다. 확인하지 않고 방치하면, 피트(pit)가 튜브 벽을 완전히 뚫을 정도로 커질 수 있으며, 그러면 비용이 많이 드는 누설과 환경 및 안전 위험이 발생하며 예기치 못한 고비용 유지보수 이벤트가 필요하게 됩니다. 공식(Pitting corrosion)은 또한 인장 하중 하에서 부품에 균열의 생성과 진전을 촉진할 수도 있습니다. 침전된 염수 물방울이 증발하여 생긴 것을 포함하여 고농축 염화물이 있는 환경, 특히 고온에서는 공식(Pitting corrosion)이 발생하기 쉽습니다.

스테인리스강 튜빙의 공식(Pitting corrosion) 발생 여부를 확인할 때, 금속 표면에 형성되었을 수 있는 피트(pit)뿐 아니라 적갈색 산화철 침전물이 있는지도 확인하십시오. 염화물이 있는 물(예: 바닷물)이 모여 증발할 수 있는 위를 바라보는 표면에 특히 주의하십시오. 물이 증발하면서 나머지 물에 있는 염화물의 농도가 높아지면 부식성이 증가합니다.

적절한 재질로 부식 예방

틈새 부식(Crevice corrosion).

틈새 부식(Crevice corrosion)은 공식(Pitting corrosion)과 마찬가지로 스테인리스강의 보호 산화물 필름이 파괴되면서 시작합니다. 하지만 틈새 부식은 그 이름이 암시하는 것처럼 눈에 띄는 곳이 아니라 틈새에서 발생합니다. 틈새 부식(Crevice corrosion)은 일단 시작되면 넓고 비교적 얕은 피트(pit)가 커지면서 계속됩니다.

일반적인 유체 시스템의 경우, 튜빙과 튜브 지지대 또는 클램프 사이, 인접한 튜빙 런(tubing runs) 사이, 표면에 퇴적될 수 있는 오물 및 침전물 아래에 틈새가 존재합니다. 튜빙을 설치할 때 틈새를 피하는 것은 현실적으로 어려우며, 좁은 틈새는 스테인리스강의 무결성에 가장 큰 위협 요소 중 하나입니다. 해안 또는 해양 애플리케이션에서, 바닷물이 틈새 안으로 확산되어 부식을 일으키는 이온이 틈새 밖으로 쉽게 빠져나갈 수 없게 되면서, 화학적 반응이 일어나기 쉬운 환경이 될 때 흔히 틈새 부식(Crevice corrosion)이 발생합니다. 이 경우, 틈새 안쪽 표면 전체가 빠른 속도로 부식될 수 있습니다.

설치된 튜빙에서 튜브 클램프를 분리해야만 틈새 부식(Crevice corrosion)을 육안으로 확인할 수 있습니다. 틈새 부식(Crevice corrosion)은 공식(Pitting corrosion)보다 낮은 온도에서 발생할 수 있으며, 이는 더 쉽게 기하학적 틈새(예: 튜브 클램프) 아래에 "피트(pit)"가 생길 수 있기 때문임을 기억해야 합니다.

공식(Pitting corrosion) 및 틈새 부식(Crevice corrosion) 예방 방법

대부분의 경우, 작업 인력에게 기본적인 재질 지식을 교육하고 부식 예방 모범 사례를 적용함으로써 부식을 최소화할 수 있습니다.

무엇보다도, 튜빙, 튜브 지지대, 클램프 등 튜빙용 재질을 선정할 때 재질과 환경의 특성을 신중하게 검토해야 합니다. 부식성 환경에서 사용할 재질을 비교할 때, ASTM G48 표준에 따른 임계 공식 온도(CPT, Critical Pitting Temperature) 및 임계 틈새 부식 온도(CCT, Critical Crevice Temperature)에 대한 실험실 테스트가 중요한 도구입니다. CPT 테스트는 특정 부식성 용액 내의 재질이 어떤 온도에서 공식이 일어나기 시작하는지 평가합니다. 이와 비슷하게, CCT 테스트는 부식성 용액에 사전 정의된 틈새가 있는 금속 샘플을 배치했을 때 어떤 온도에서 틈새 부식이 일어나기 시작하는지 평가합니다.

유사한 부식성 환경에서는 CPT 및 CCT 값이 높은 재질이 일반적으로 값이 낮은 재질보다 사용하기 더 적합합니다. 예를 들어, 위 그림에 표시된 재질 중에서 304L은 CPT 값이 가장 낮으며, 6Mo 및 2507은 CPT 및 CCT 온도가 가장 높은 두 재질입니다. 이는 염화물 함유 용액에서 6Mo 및 2507이 304L 및 316L보다 공식과 틈새 부식에 대한 내성이 더 클 가능성이 높음을 의미합니다. 이 테스트가 비교 및 재질 선정에는 유용하지만, 실제 애플리케이션에서 재질에 언제 문제가 발생할 것인지 예측하지는 못한다는 점에 유의해야 합니다.

316L 등급 스테인리스강(UNS S31603) 튜빙은 깨끗하게 유지되며 온도가 극도로 높지 않다면 대부분의 시설에서 잘 사용할 수 있습니다. 기후가 더운 지역, 특히 소금이 쌓이기 쉬운 장소나 탄소강 구조 보(carbon steel structural beam)와 바닥에서 나오는 녹(rust)이 스테인리스강 표면에 쌓이는 환경이라면 316 스테인리스 튜빙에 부식이 더 쉽게 발생합니다. 하지만, 몰리브덴이 추가된 316L은 일반적으로 이러한 부식성 환경에서 304L(UNS S30403) 스테인리스강보다 더 뛰어난 성능을 제공합니다.

재질 선택 가이드 보기

애플리케이션의 수명 조건을 316L로 충족할 수 없는 상황이라면, 슈퍼 오스테나이트계(super austenitic, 예: 6Mo 또는 6HN, UNS N08367) 또는 슈퍼 듀플렉스(예: 2507, UNS S32750) 스테인리스강으로 제조된 튜빙이 훨씬 뛰어난 내식성을 제공합니다. 또한, 슈퍼 오스테나이트계와 슈퍼 듀플렉스 스테인리스강은 항복 강도와 인장 강도도 더 높으므로 최대 허용 사용 압력(MAWP) 등급이 더 높은 시스템을 손쉽게 구축할 수 있습니다. 튜빙 및 튜브 피팅 공급자와 협력하면 비용이 많이 드는 오류를 피할 수 있는 적절한 제품과 재질을 선택하는 데 도움이 됩니다.

부식을 예방하고 틈새 부식(Crevice corrosion)이 발생할 수 있는 장소의 수를 최소화하려면 재질 선택 이외에 세심한 시스템 운영 실무도 필수입니다. 튜브 시스템에서 틈새 부식(Crevice corrosion)을 완화하는 한 가지 방법은 튜빙을 직접 벽에 또는 서로 맞닿지 않도록 배치하는 것입니다. 316L 스테인리스강에서 틈새 부식(Crevice corrosion)이 발견되면, 316L 튜빙을 6Mo와 같이 내식성이 더 뛰어난 튜빙으로 교체할 수 있습니다. 이는 비용 효율적인 316L 튜브 피팅과 함께 권장 혼합 재질 설계 조합으로 설치할 수 있습니다.

튜빙 시스템을 일상적으로 다루는 인력이 부식이 어떻게 생겼으며, 어디에 어떤 이유로 발생하는 지와 같은 기본 지식을 구축하면 재질 파손과 비용이 많이 드는 수리를 예방할 뿐 아니라 시스템 수명도 개선할 수 있습니다. 귀하와 팀원들은 이러한 기본 지식을 바탕으로 시스템을 더 잘 보호하고 최소한의 가동 중단으로 수익성 높게 운영할 수 있습니다.

더 자세히 알고 싶으십니까? 사용 가능한 여러 교육 프로그램을 통해 새로운 팀원과 업계 베테랑 모두 유용한 심층 지식을 습득할 수 있습니다. 더불어, Swagelok 참조 자료에서 부식 예방 방법과 항상 자산이 최적으로 운영되도록 유지하는 다른 방법에 대한 추가 인사이트를 찾아볼 수 있습니다.

부식 예방 방법 알아보기