철 그리고 비철의 노화, 부식 이론 도장의 필요성

1.부식의 정의

부식은 주변 환경과의 화학 반응으로 인해 물질이 구성 원자로 분해되는 현상을 말합니다. 일반적으로 이 용어는 산소와 같은 산화체와 반응하여 금속이 전기화학적으로 산화되는 것을 가리킵니다. 대한민국의 일반 사전에서 부식은 대개 "금속이 주변의 화학 작용에 따라 변질되는 현상"으로 정의하지만, 실제로는 금속뿐만 아니라 다른 물질과도 관련이 있을 수 있습니다. 예를 들어, 세라믹이나 중합체도 부식을 일으킬 수 있습니다.

부식은 화학 작용으로 인해 금속이 벗겨지는 것을 의미하기도 합니다. 많은 화학 합금은 공기의 수분에 노출되기만 해도 부식되지만, 이러한 과정은 특정한 물질들에 노출되어 일어납니다. 부식이 일어나면 물질에 구멍이 생기거나 갈라지면서 그 정도가 심화될 수 있습니다. 부식이 일어나기 어려운 성질을 내식성이 좋다라고 표현합니다.

부식방지 도장

2.부식의 요소

부식은 일반적으로 다음의 세 가지 요소에 의해 발생합니다

(1)양극 (Anode): 부식 반응 (산화)이 발생하는 곳입니다. 금속이 전해질에 녹아들어 전류가 전해질로 흘러 들어갑니다.
(2)음극 (Cathode): 부식 반응이 일어나지 않는 곳입니다. 여기서는 환원반응이 발생하며, 전자가 소모됩니다.
(3)전해질 (Electrolyte): 액체 상태의 전류의 도체 역할을 합니다. 주성분은 물이며 이온을 포함하고 있습니다.

 

이 세 가지 요소가 모두 존재할 때, 부식이 발생할 수 있습니다. 이러한 요소들은 부식의 형태와 진행 속도에 영향을 미칩니다. 예를 들어, 이종 금속이 접촉하거나 전기적으로 연결될 때, 두 금속 간의 전위차로 인해 전류가 흐르게 되고, 이로 인해 부식이 발생할 수 있습니다. 이와 같은 부식을 '전위차 부식' 또는 '갈바닉 부식'이라고 합니다¹. 다른 예로는 '틈새부식'이 있는데, 이는 작은 틈새에서 일어나는 부식을 말합니다¹. 이러한 부식은 금속 표면에 홀을 만들어 매우 파괴적일 수 있습니다.

3.철이 부식되는 과정

철과 부식의 관계는 매우 중요합니다. 부식은 원하지 않는 금속의 산화를 가리키는 것으로, 그 주 원인은 물과 산소입니다. 철이 부식되면 철의 표면이 떨어져 나오면서 부식이 계속 진행되고, 전체 구조의 안정성이 떨어져 커다란 사고 발생 원인이 될 수 있습니다.

철의 부식은 다음과 같은 과정을 거칩니다

(1)철은 양극으로 작용하여 철 이온으로 산화됩니다

철이온 산화

(2)여기에서 생긴 전자는 산소에 노출된 철의 다른 부분으로 이동하여 산소가 환원되는 반응이 일어납니다

산소환원 반응

(3)동시에 철 이온은 표면의 습기를 타고 이동하여, 전체 반응은 두 반쪽 반응을 합한 것과 같습니다

철 산화

철의 부식은 물리적, 화학적 작용에 의해 발생하며, 이로 인해 철근의 표면에 곰팡이나 구멍이 생겨 단면적을 감소시키고 결과적으로 강도를 감소시키게 됩니다. 이러한 부식을 방지하기 위한 방법으로는 양질의 재료 사용, 밀실한 콘크리트 타설 및 양생 철저, 철근표면에 아연 도금, 에폭시 코팅 처리, 철근 피복 두께 증가 등이 있습니다.

4.부식이 발생되는 환경

부식이 발생하는 환경은 다양합니다. 주요한 부식 환경에는 다음과 같은 것들이 있습니다

(1)습기가 많은 환경: 습도가 높거나 금속 표면에 수증기가 응결되는 환경에서 부식이 주로 발생합니다. 이는 물과 산소가 부식 반응에 필요하기 때문입니다.

(2)염소나 부식성 가스가 있는 환경: 염소, 산화수소, 암모니아, 황산화물 등과 같은 부식성 가스가 있는 환경에서는 전자 장비 등의 부품이 부식될 수 있습니다.

(3)해수 환경: 특히 해수 환경에서는 염분이 높아 금속의 부식이 촉진될 수 있습니다.

(4)미생물이 존재하는 환경: 토양이나 물 중에 존재하는 미생물의 작용에 의해 부식이 발생할 수 있습니다². 이를 미생물 부식(Microbiologically Induced Corrosion, MIC)이라고 합니다.

(5)고온 환경: 200℃ 이상 가열된 상태에서는 건식부식이 발생할 수 있습니다.

(6)전류가 흐르는 환경: 금속체나 토양 등의 양극과 음극 형성이 불균일하게 이루어지거나 외부의 직류전원에 의해 발생되는 부식 작용도 있습니다.

이러한 환경에서 금속을 보호하기 위해 코팅, 도장, 폴리에틸렌 슬리브 피복, 음극 방식 적용 등 다양한 방법을 사용하여 부식을 예방할 수 있습니다.

5.부식으로 인해 발생되 문제들

(1)경제적 손실: 부식으로 인해 장비나 구조물이 파손되면, 그것을 수리하거나 교체하는 데 큰 비용이 들 수 있습니다.
(2)안전 문제: 부식으로 인해 중요한 구조물이나 장비가 약화되면, 사고의 위험이 증가하게 됩니다. 이는 인명 피해를 초래할 수 있습니다.
(3)환경적 영향: 부식 과정에서 발생하는 부산물은 환경에 해를 끼칠 수 있습니다¹. 예를 들어, 금속 부식으로 인해 중금속이 토양이나 물에 유출될 수 있습니다.
(4)자원의 낭비: 부식으로 인해 금속 재료가 손상되면, 그 재료를 대체하기 위해 더 많은 자원을 사용해야 합니다¹. 이는 자원의 낭비를 초래합니다.

따라서, 부식을 예방하고 관리하는 것은 매우 중요합니다. 이를 위해 다양한 방법이 사용되며, 이에는 재료 선택, 표면 처리, 코팅, 음극 보호 등이 포함됩니다.

6.부식을 관리하고자 한다면

부식 관리는 다양한 방법을 통해 이루어집니다

(1)재료 선택: 부식에 잘 견디는 재료를 선택하는 것이 중요합니다. 예를 들어, 스테인리스 스틸이나 알루미늄과 같은 금속은 부식에 대한 저항성이 높습니다.

(2)표면 처리: 금속 표면에 코팅을 적용하거나 도장을 칠하여 부식을 방지할 수 있습니다. 이러한 처리는 금속 표면을 부식 요인으로부터 보호하는 역할을 합니다.

(3)음극 보호: 음극 보호는 금속을 음극으로 만들어 부식을 방지하는 방법입니다. 이는 외부 전원을 사용하여 금속의 전위를 조절하고, 부식 반응이 일어나지 않도록 합니다.

(4)부식 관리 기술 지침 준수: 산업안전보건기준에 따라 사업장 내 기기 및 배관의 부식 관리를 위한 지침을 준수하는 것이 중요합니다. 이 지침은 외관 관찰과 두께 측정, 전기 저항법, 부식 전위의 측정 등 다양한 부식 진단 방법을 포함하고 있습니다.

(5)정기적인 점검 및 유지보수: 정기적인 점검과 유지보수를 통해 부식의 진행 상황을 모니터링하고, 필요한 경우 적절한 조치를 취할 수 있습니다.

(6)환경 조건 관리: 가능한 한 부식을 유발하는 환경 조건을 제어하는 것이 좋습니다³. 예를 들어, 습도가 높은 환경에서는 제습기를 사용하여 공기 중의 수분 함량을 줄일 수 있습니다.

이러한 방법들은 부식의 발생을 최소화하고, 그로 인한 손상과 비용을 줄이는 데 도움이 됩니다.

7.부식을 방지하기 위한 재료 선정 방법

부식을 방지하기 위한 코팅 재료 선정은 매우 중요한 과정입니다. 다음은 부식 방지를 위한 코팅 재료 선정에 대한 몇 가지 주요 사항입니다

(1)내부식성: 코팅 재료는 부식에 대한 저항성이 높아야 합니다. 예를 들어, 무전해 니켈 도금 코팅은 나노입자가 분산되어 있어 고온/고압의 부식성 유체가 배관 내에서 흐를 때 발생하는 부식을 억제하는 기능을 가집니다.

(2)코팅의 균일성: 코팅은 배관 내에 균일하게 형성되어야 합니다. 이를 위해 간단한 루프 시스템을 통해 배관 내에 무전해 니켈 도금 용액을 지속적으로 순환시키는 방법이 사용될 수 있습니다.

(3)기능성 코팅조성물: 부식 및 전식방지를 위한 기능성 코팅조성물은 절연성이 있는 페놀수지 (C6H5OH)와, 내연성, 내부식성 기능이 있는 실리콘수지 (Si), 산화철 (FeO)을 함유하고, 산화알루미늄 (AlO2), 산화티타늄 (TiO2), 유기산마그네슘 (C18H35O2), 유화몰리브덴 (MoS2) 중에서 하나 이상을 선택하여 보조원료로서 더 함유하여 이루어집니다.

(4)환경적 고려사항: 부식 방지 코팅의 환경 친화성은 특히 중요합니다. 일부에서는 밀폐된 환경에서 사용되는 강력한 부식 방지 방법을 사용하는 것이 더 낫다고 주장합니다.

이러한 방법들은 부식의 발생을 최소화하고, 그로 인한 손상과 비용을 줄이는 데 도움이 됩니다.