Fe
Al with Rusted
Fe
Fig. 3.17 Weight loss rate of Al anode as a function of specimen
surfaces conditions and no stirring (stirring, 3 cm/s) in
sea water (sacrificial anode method, area ratio Al : Fe =
1 : 400).
3. 용액
용액용액의용액의의의 유동유무와유동유무와유동유무와 공급유동유무와 공급공급 전류밀도변화에공급 전류밀도변화에전류밀도변화에전류밀도변화에 따른따른따른 음극의따른 음극의음극의음극의 분극전위변화분극전위변화분극전위변화분극전위변화 및및및및 방식상태방식상태방식상태방식상태 고찰고찰고찰 고찰
Photo. 3.6은 공급 전류밀도(100, 150, 200, 250mA/m2)의 변화와 유동 유무에 따 른 음극의 전위변화와 음극의 방식상태를 조사하기 위한 실험장치도이다. DC power supply를 이용해 전류밀도를 달리하여 9일 동안 조사하였다. 실험에 사 용된 양극은 탄소봉(d : 0.5cm)이며, 유동속도는 전 실험과 마찬가지로 3cm/s로 고정하였다. 해수는 1일 1회 전위 측정 후 교환하였다.
Fig. 3.18은 방식전류밀도 100mA/m2를 공급하였을 경우 rusted Fe 시험편과 Fe 시험편의 음극분극 전위변화를 나타내고 있다. 용액이 유동하지 않는 Fe 시험편의 경우가 음극의 분극전위가 가장 비(卑)한 전위 값을 나타내었으며, 유동이 있는 rusted Fe 시험편의 경우가 가장 귀(貴)한 값을 나타내었다. 그리 고 Fe 시험편의 유동이 없는 경우를 제외하고는 모두 부식영역 즉 -770 mV(SCE) 이상에 있음을 알 수 있었다.
Fig. 3.19는 150mA/m2의 전류밀도를 공급했을 경우의 음극분극 전위변화이다.
100mA/m2의 경우와 비슷한 양상을 나타내고 있다. 정지 중 Fe 시험편의 경우 만 방식영역 이하에 있음을 알 수 있다.
Fig. 3.20은 200mA/m2의 전류밀도를 공급했을 경우의 음극분극 전위변화를 나타내고 있다. 정지 중 Fe 시험편에서는 1일 경과 후부터 방식영역 이하에 있음을 알 수 있고, 유동이 있는 경우는 약 6일 이후부터 방식영역 이하를 나 타내었다. rusted Fe 시험편의 경우 8일째 방식영역 이하를 나타내었지만 다시 전위가 귀 방향으로 이행하는 경향을 나타내었다.
Fig. 3.21은 250mA/m2의 전류밀도를 공급했을 경우의 음극분극 전위변화를 나타내고 있다. rusted Fe 시험편의 유동 용액의 경우만 제외하고 모두 방식영 역 이하가 됨을 알 수 있다. Photo. 3.7, 3.8은 전류밀도 100mA/m2에서 250 mA/m2까지 변화시켰을 경우의 Fe 시험편 표면의 방식상태를 나타내고 있다.
(a) No stirring & stirring, Fe specimen
(b) No stirring & stirring, rusted Fe specimen
100 mA/m
2150 mA/m
2200 mA/m
2250 mA/m
2Photo. 3.6 Experimental apparatus supplying the cathodic current.
Fig. 3.18 Variation of cathodic polarization potential of Fe (rusted
Fe) as a function of no stirring (stirring, 3 cm/s) with
supplied current density of 100 mA/m
2.
Fig. 3.19 Variation of cathodic polarization potential of Fe (rusted
Fe) as a function of no stirring (stirring, 3 cm/s) with
supplied current density of 50 mA/m
2.
Fig. 3.20 Variation of cathodic polarization potential of Fe (rusted
Fe) as a function of no stirring (stirring, 3 cm/s) with
supplied current density of 200 mA/m
2.
Fig. 3.21 Variation of cathodic polarization potential of Fe (rusted
Fe) as a function of no stirring (stirring, 3cm/s) with
supplied current density of 250 mA/m
2.
No stirring Stirring (3 cm/s)
100 mA/m
2150 mA/m
2Photo. 3.7 Fe specimen surfaces as a function of supplied current
density.
No stirring Stirring (3 cm/s)
200 mA/m
2250 mA/m
2Photo. 3.8 Fe specimen surfaces as a function of supplied current
density.
용액의 유동이 없는 경우 100mA/m2에서부터 완전 방식 되었음을 알 수 있 으며, 용액이 유동하는 경우에는 200mA/m2에서 거의 방식 됨을 알 수 있었다.
한편 Photo. 3.9 및 3.10은 rusted Fe 시험편의 공급전류밀도 변화에 대한 표면 방식상태를 나타내고 있다. Rusted Fe 시험편의 경우 용액이 유동하지 않는 경 우에는 공급전류밀도 150mA/m2에서 거의 방식상태를 나타내었으며 용액이 유 동하는 경우에는 250mA/m2에서 방식 되고 있음을 알 수 있었다. 그러나 이때 의 음분극전위는 이론적 방식전위(-770 mV, SCE) 보다 높은 전위 값이었다.
No stirring Stirring (3 cm/s)
100 mA/m
2150 mA/m
2Photo. 3.9 Rusted Fe specimen surfaces as a function of supplied
current density.
No stirring Stirring (3 cm/s)
200 mA/m
2250 mA/m
2Photo. 3.10 Rusted Fe specimen surfaces as a function of supplied
current density.
4.
4. 4. 4. 정전위법에정전위법에정전위법에정전위법에 의한의한의한 의한 유동유동유동 유동 유유유유···무에·무에무에무에 따른따른따른 따른 방식전류밀도방식전류밀도방식전류밀도방식전류밀도 조사조사조사조사정전위법에 의한 유동 유무에 따른 방식전류밀도를 조사하기 위해 2ℓ의 비이 커에 해수를 채우고, 시험편의 노출면적은 1cm2, 대극은 백금(Pt)을 사용하였다.
설정전위는 -870mV(SCE), -770mV(SCE), -700mV(SCE)이었으며, 정지 중 용액과 유동속도 1cm/s일 때 5일간 potentiostat 장비를 이용하여 시험편을 음분극 시킨 상태에서 방식전류를 측정하여 mA/m2으로 단위를 환산하였다.
Fig. 3.22는 정지 중인 경우의 5일간 방식전류밀도 변화를 나타내고 있다.
-870mV의 rusted Fe 시험편의 경우가 658mA/m2로 가장 높았으며, -700mV의 Fe 시험편의 경우가 152mA/m2을 나타내었다. 같은 일정전위에서 rusted Fe 시험편 이 Fe 시험편 보다 -870mV(SCE)에서는 98mA, -770mV(SCE)에서는 22mA, -700 mV(SCE)에서는 28mA 더 높았다. 이는 rusted Fe 시험편의 부식전위가 높기 때 문에 일정 음극분극 전위 값을 유지하는데 더 많은 공급전류가 소요되기 때문 으로 사료된다.
Fig. 3.23은 유동속도가 1cm/s인 경우 5일간의 방식전류밀도의 변화를 나타내 고 있다. 그림에서 알 수 있듯이 -870mV의 rusted Fe 시험편의 경우가 1,170 mA/m2로 정지중의 경우에 비해 훨씬 높았으며, -700mV Fe 시험편의 경우가 550mA/m2를 나타내었다. 이는 유동에 의해 농도분극이 감소되었기 때문으로 사료된다.
Rusted Fe 시험편의 -770mV 경우 950mA/m2로서 일반적인 방식전류밀도 100 mA/m2 까지는 정지중 용액보다는 훨씬 시간이 많이 소요 될 것으로 예상된다.
일정전위 -770mV와 유동 유무에 따른 방식전류실험 결과 Fe 시험편의 경우 표면에 부식층이 형성되어 있고, 특히 유동이 있는 경우가 더 심함을 알 수 있었다. Rusted Fe 시험편의 경우 실험 전 적색 녹 층은 사라지고 실험 후 흑색 녹 층이 관찰되었다. 이것은 수중에서 녹 층의 박리 또는 여러 환원반응이 일 어났기 때문으로 사료된다. 그리고 일정전위 -770mV와 유동 유무에 따른 방식 전류실험 결과 -770mV와 유사한 경향을 나타내었다. 그런데 -770mV에서 표면
기간 방식전류실험은 무리라고 판단되며, 실제 해상에서 장기간 실험하는 것 이 바람 직 하다고 사료된다. 현장실험 결과는 후에 기술하였다.
Fig. 3.22 Variation of supplied current density of Fe (rusted Fe) specimen at a constant cathodic polarization potential in no stirring sea water.
mA/m mA/mmA/m mA/m2222
in no stirring sea water
Fig. 3.23 Variation of supplied current density of Fe (rusted Fe) specimen at a constant cathodic polarization potential in stirring sea water.
mA/m mA/mmA/m mA/mmA/m2222 mA/mmA/m mA/m2222
3.1.
3.1.
3.1.
3.1.4 4 4 4 결과 결과 결과 결과 요약 요약 요약 요약
지금까지 실험실 실험에서 유동해수 중 피 방식체의 표면 부식에 따른 자연 전위의 변화, 희생양극법에 의한 양극소모량 및 분극전위변화, 항구 해수 별 양극소모량 변화, 외부전원법에 의한 분극전위변화, 정전위법에 의한 방식전류 밀도 등을 조사하였다. 이상의 실험 결과 다음과 같은 결론을 얻었다.
1) Rusted Fe 시험편은 Fe 시험편에 비해서 표면에 산화피막 등의 형성에 의해 서 해수 중 부식전위가 더 귀한 값을 나타내었다.
2) 희생양극법에 의한 음극방식시 Al 희생양극의 발생전류와 양극소모율은 rusted Fe시험편이 Fe 시험편에 비해서 그리고 용액의 유동이 있는 경우가 없는 경우에 비해서 증가하였다.
3) 각 항구 별 해수 중 울산항 제2부두의 해수가 pH와 용존산소농도가 가장 낮고, 이러한 오염된 환경에서 심한 부식으로 인해 양극소모율이 가장 컸으 며 다음이 광양 코스모스 관리부두였고, 그리고 부산항 제2부두가 가장 양 극소모율이 적었다.
4) 외부전원법에 의한 음극방식시 Fe 시험편은 해수의 유동이 없는 경우 100 mA/m2 이상에서 방식가능 하였으나, 3㎝/s의 유동용액에서는 200 mA/m2 의 방식전류밀도가 필요하였다. Rusted Fe 시험편의 경우에는 유동이 없을 때 150 mA/m2 이상에서 방식가능 하였으나, 3㎝/s의 유동용액에서는 250mA/m2 이상의 방식전류밀도가 필요하였다.
5) 정전위법에 의한 공급전류밀도 실험에서 설정전위 별 그리고 음극표면 상 태 등에 따라 공급전류밀도 값은 달랐으며 녹슨 시험편의 경우가 깨끗한 시
3.2 3.2
3.2 3.2 강 강 강 강 파일의 파일의 파일의 파일의 표면상태에 표면상태에 표면상태에 표면상태에 따른 따른 따른 따른 희생양극소모량과 희생양극소모량과 희생양극소모량과 희생양극소모량과 방식 방식 방식 방식 전 전 전 전 류밀도변화
류밀도변화 류밀도변화 류밀도변화
3.2.1 3.2.1 3.2.1
3.2.1 연구배경 연구배경 연구배경 연구배경 및 및 및 및 목적 목적 목적 목적
지금까지 희생양극법과 외부전원법을 적용할 경우 최적의 방식설계를 위한 방식전위와 공급전류 밀도 계산을 위한 해수의 부식특성과 강의 표면상태 등 을 변수로 하여 실험실 실험을 통하여 고찰하여 보았다. 그러나 실험실 실험 의 결과를 그대로 현장의 방식설계에 적용한다는 것은 많은 오차가 야기될 수 있다.
따라서 본 연구에서는 대형 실험조와 실제의 해상에서 전술한 실험실결과와 현장실험의 결과에 대한 일치성 여부를 재 확인하는 차원에서 연구고찰 하였 다. 본 실험결과는 실험실결과를 현장실험을 통하여 재현시켰다는 점에서 실 제 현장에서 방식설계를 위한 참고자료로서 활용할 수 있는 것으로 사료된다.
3.2.
3.2. 3.2.
3.2.2 2 2 2 대형 대형 대형 대형 실험조 실험조 실험조 실험조 제작 제작 제작 제작 및 및 및 및 해상 해상 해상 해상 실험장 실험장 실험장 실험장 제작 제작 제작 제작
본 연구에서는 가능한 현장 실험의 재현을 위하여 Fig. 5.1과 같이 대형 수조 를 제작하였다. 수조는 240×240×120cm의 크기이며 외판과 골격은 목재와 합 판을 이용해 제작하였다. 수조 내부는 해수의 누수를 막기 위해 FRP를 이용해 0.5cm의 두께로 코팅하였다. 또한 해수의 지속적인 공급에 따른 일정수위를 유지하기 위해 유량 조절용 드레인 밸브(Drain valve)를 설치하였다. 해수 공급 은 해수용 펌프(1HP)를 이용하여 실험 기간 중 바다에서 직접 지속적으로 공 급하였다. 또한 해수 공급 시 수조 내 시편주위의 유속편차에 따른 영향을 최 소화하기 위해 해수 공급용 호스를 수조 바닥에 원형으로 배치하고, 호스 바 깥 방향에 10cm 간격으로 구멍을 뚫어 유속 차를 최소화하였다.
Fig. 3.24 Schematic diagram of experimental apparatus with sea
water vessel.
그리고 수조 내 시험편 장치는 시험편(Steel pile, rusted steel pile) 내부에 리드 선 연결 후 에폭시 코팅하였다. 그리고 그림과 같이 목재를 이용하여 틀을 만 들었으며, 우측에 양극을 음극의 중간에 고정시킨 상태에서 양극으로부터 음 극사이의 거리는 30 cm로 고정하였다. 이 때 음극의 리드선 2개 중 하나는 전 위 측정용으로 기준전극과 함께 멀티메타에 연결하여 음극 및 양극분극 거동 을 측정 하였고, 다른 하나는 양극과 음극 사이에 흐르는 발생전류를 측정하 도록 하였다. 이때 사용된 기준전극은 해수염화은전극(Ag/AgCl/해수, SCE전극 보다 +0.0088 V귀함)을 사용하였으며 그래프 상에서는 SCE전극으로 변환시켜 도식하였다.
그리고 해상부유물은 가로 10m, 세로 20m의 크기로 인공양식장과 유사하며 내부에는 4개의 방으로 구성되어 있으며 육지에서 10m의 떨어진 곳에 설치하 였다. 시험편을 수심 2m에 침지시키고 약 100일 동안 방식전류밀도를 조사하 였다. 그리고 양극과 음극의 거리를 50㎝로 고정시키고, 기준전극은 음극의 후 면 부 중앙지점에 고정시켰다. 양극은 크기 5×10㎝, 두께 1㎝ 강판에 Clad welding하고 이 부분을 에폭시로 도포하였다.
3.2. 3.2.
3.2. 3.2.3 3 3 3 실험방법 실험방법 실험방법 실험방법
현장 실험용 Steel pile 시험편은 강 파일 제조 후 표면에 흑피를 제거하지 않 은 상태로 사용하였다. Rusted steel pile 시험편은 기간, 장소, 방법은 rusted Fe 시험편의 경우와 동일하다. 시험편은 S사의 일반 배관용 흑관(D3507 SPP)을 사용하였고, 크기는 직경 22.36cm, 길이 76.3cm로 외부 표면적이 0.5m2가 되도 록 제작하였다. 시편 내부에 두 개(전류공급용, 전위측정용)의 전선(리드선)을 음극방식용 파이프에 연결하였다. 이 때 연결방법은 음극방식설비 연결에 널 리 사용되고 있는 Clad welding으로 알려진 Thermite welding을 사용하여 접속 저항이 최소가 되도록 하였다. 전선 연결 후 실험면적을 제외한 내부는 에폭 시 코팅처리 하였다