한국표면공학회지 J. Korean Inst. Surf. Eng.
Vol. 49, No. 5, 2016.
http://dx.doi.org/10.5695/JKISE.2016.49.5.431
<연구논문>
ISSN 1225-8024(Print) ISSN 2288-8403(Online)
해상풍력 하부 구조물용 강재의 정전류 부식 시험 시 전류밀도 인가 시간이 부식손상에 미치는 영향
이정형a, 박재철b, 한민수a, 장석기a, 김성종a,*
a목포해양대학교 기관시스템공학부, b(사)한국선급
Influence of Current Density Application Time on the Corrosion Damage of Offshore Wind Steel Substructure in Galvanostatic Corrosion Experiment
Jung-Hyung Leea, Jae-Cheul Parkb, Min-Su Hana, Seok-Ki Janga, Seong-Jong Kima,*
a
Division of Marine Engineering, Mokpo National Maritime University, 91, Haeyangdaehak-ro, Mokpo 58628, Korea
b
Korean Register, 36, Myeongji ocean city 9-ro, Gangseo-gu, Busan 46762, Korea (Received October 26, 2016 ; revised October 29, 2016 ; accepted October 30, 2016)
Abstract
This research investigated the relationship between the corrosion damage characteristics of offshore wind steel substructure and the time of current density application by electrochemical accelerated short-term cor- rosion test. The galvanostatic corrosion was conducted on the steel specimens in natural seawater with a constant current density ranging from 1 mA/cm
2to 200 mA/cm
2for 1 ~ 180 min. Macro and micro observation was carried out on the surface of the corrosion damaged area using SEM and 3-dimensional analysis micro- scope. The weight loss of the specimens before and after was calculated as the difference between the initial weight prior to corrosion and weight after removal of the corrosion product. It was shown that during gal- vanostaic corrosion process, the corrosion behavior could be characterized by the onset of pitting corrosion in the early stage and the uniform corrosion in the late stage, showing damage development in the depth direction with the time of current application. The result of the 3D analysis revealed that both damage depth and surface roughness increased with increasing time of current application. The weight loss curves with time showed that a coefficient of determination (R
2) was relatively high for the relationship between the time of current application and weight loss. As a result, the degree of corrosion can be controlled by simply varying the time of current application.
Keywords : Offshore wind substructure, Galvanostatic, Corrosion, Time of current application
1. 서 론
해상 풍력은 가장 주목받고 있는 해양 신재생 에 너지원 중에 하나이며, 전 세계적으로 해상풍력 단
지 조성 및 관련 기술 개발이 적극적으로 추진되고 있다[1]. 국내에서도 2.5 GW급 서남해 해상풍력 발 전 사업 추진을 시작으로 대규모 해상풍력단지 조 성을 위한 설치 기술 및 유지보수 기술 개발이 활 발히 진행되고 있다[2].
해상 풍력 발전기와 해양 환경에 의한 복합 하중 을 부담하는 해상풍력 하부 구조물은 발전기 전체 단가의 상당한 비중을 차지하므로 파손 사고에 의 해 유발되는 손실 비용이 매우 크다[3]. 또한 육상
*
Corresponding Author : Seong-Jong Kim
Division of Marine Engineering, Mokpo National Maritime University
Tel : +82-61-240-7226 ; Fax : +82-61-240-7201
E-mail : [email protected]
용 풍력발전 기초 구조물과 달리 유지보수를 위한 설비의 접근이 매우 어렵다. 따라서 경제성 있는 해 상풍력 하부 구조물 설계를 위해서는 해양환경에 대한 영향 평가가 충분히 이루어져야 한다.
부식은 강 구조물의 성능을 저하시키는 대표적인 요인 중의 하나로서, 해양환경 하에서 강재의 부식 은 온도, 염분농도, 용존산소, pH, 수중오염물질, 유 속 등의 다양한 인자들이 관여되는 전기화학적 기 구에 의해 진행된다[4]. 해상에 설치되는 강 구조물 은 염분에 의한 가혹한 부식 환경에 지속적으로 노 출되므로 이로 인해 내구 수명 단축과 부식 관리 비용이 필연적으로 발생하게 된다[5].
부식에 대한 방식 대책으로 도장이나 음극방식과 같은 적극적인 방법이 고려하기도 하지만, 부재의 부식 여유(corrosion allowance)를 산정하는 것이 방 식의 기본이다[6]. 부식 여유는 부재 표면이 균일하 게 부식된다는 가정 하에 부식속도에 내용연수를 곱하여 계산한다. 강재의 부식속도는 일반적으로 해 당 해역과 유사한 조건에서의 기설치된 강구조물의 조사결과를 바탕으로 결정하게 된다[7]. 대기노출시 험법은 실제 환경에 의한 노화수명에 대한 신뢰성 높은 데이터 취득이 가능하지만, 강재를 자연 상태 에서 부식시키는 데는 짧게는 수년에서 길게는 수 십 년의 상대적으로 장시간을 필요로 한다. 따라서 구조물의 수명예측이나 재료개발을 위해서는 자연 부식환경에서의 부식인자의 작용기구를 재현할 수 있는 가속 부식 시험법 개발이 강구되어야 한다. 현 재 가속시험법으로 널리 실시되고 있는 염수분무시 험이나 복합부식시험은 부식 시험편에 대한 육안 검 사나 무게 감소량 확인 등에 의해 평가가 이루어지 므로 부식도 평가과정에서 부정확성이 유발될 가능 성이 있다[8]. 또한 목표량 만큼 부식 발생을 유도 할 수 없으므로 부식의 정도에 따른 체계적인 실험 을 수행하기 어렵다.
본 연구에서는 강재를 해수 중에서 전기화학적으 로 가속 부식시킬 수 있는 정전류 부식 촉진 시험 을 실시하였으며, 전류밀도 크기에 따른 인가 시간 이 강재의 부식 손상 정도에 미치는 영향을 정량적 으로 평가하였다. 본 연구 결과는 해상풍력 하부 구 조물용 강재의 부식 내구 연한 추정을 위한 가속시 험법 개발에 기초 자료로 활용하고자 한다.
2. 실험방법
시험에 사용된 소재는 해상 구조용으로 사용되 는 S355ML 강(C: 0.16, Si:0.55, Mn:1.70, P:0.03, S:0.025, Al:0.015, N:0.017, Nb:0.06, V:0.12, Ti:0.06,
Cu:0.60, Cr:0.35, Ni:0.55, Mo:0.13, Fe:bal. wt.%) 으로 5 mm 두께를 갖는 무도장 상태의 강판을 사 용하였다. 시험편은 강판을 2cm x 2cm의 크기로 가공하여 사용하였으며, 시험면을 #600, #1000,
#2000번 SiC 연마지로 연마하였다. 연마된 시험편 은 아세톤과 증류수에서 초음파 세척을 실시한 후 열풍에서 건조시켰다.
본 연구에서 실시된 정전류 부식 촉진 시험은 강 재를 전해액 내에 위치시키고 외부 전원으로부터 일정 크기의 전류를 흘려 강재 표면에서 양극용해 반응을 일으켜 부식을 유도하는 방법이다. 어떤 부 식전류밀도에 상응하는 부식속도로 부식이 진행되 는 부식계가 존재한다고 가정하면, 부식으로 인해 1년 동안 이동되는 총 전하량은 전하 보존의 원리 및 전류와 반응물질 간의 관계를 나타내는 패러데 이의 법칙에 의해 다음과 같이 산출할 수 있다.
여기서, Q는 총 전하량(C), icorr는 부식전류밀도 (A/cm2), t는 시간(s), w는 무게 감소량(g), F는 패 러데이 상수, M은 분자량, n은 산화수이다. 온도 15oC의 유동이 없는 해수 중 S355ML강의 부식전 류밀도는 6.57 × 10−6 A/cm2 [9]이므로, 이를 상기 식 에 대입하면 부식으로 인해 1년 동안 이동되는 총 전하량인 207.3 C/cm2을 계산할 수 있다. 또한 정전류 가속 부식 시험에서 인가되는 총 전하량을 207.3 C/
cm2으로 나누면 해당 부식 환경에서 가속되는 부식 년수가 된다.
정전류 부식 촉진 시험을 위해 작업 전극(강재) 은 전용 홀더를 사용하여 노출면적을 1 cm2로 제한 시키고 상대전극은 백금 망(Pt mesh)을 이용하여 천 연 해수(온도 15oC, 정적 상태) 내에 침지시키고, 각 전극을 직류전원장치의 (+)극과 (−)극에 연결시켰다.
정전류 부식을 위해 인가된 전류밀도의 크기는 1 ~ 200 mA/cm2이며, 인가 시간은 1 ~ 180분으로 하 였다. 전류밀도 별 인가시간에 따른 부식년수를 계 산하여 표 1에 나타냈다.
부식에 의한 표면 변화를 분석하기 위해 손상부 를 디지털 카메라를 이용하여 촬영하였다. 정전류 밀도 인가에 따른 손상부에 대하여 3차원 표면 형 상을 얻고, 손상깊이와 표면 거칠기와 같은 파라미 터를 정량적으로 측정하기 위해 3D 광학 현미경을 이용한 이미지 분석을 실시하였다. 또한 부식 손상 부 표면의 미시적 변화를 관찰하기 위해 주사전자 현미경을 이용한 관찰을 실시하였다.
정전류 가속 부식 시험 후 초음파 세척을 통하여 Q icorr×t nFω
---M
= =
시험 부위의 부식생성물을 완전히 제거한 후 무게 를 측정하여 시험 전 무게와 비교하여 무게감소량 을 기록하였다. 무게 측정은 시험편을 진공건조기 에서 24시간 이상 건조 후 고정밀 저울을 이용하 여 10−4 g의 정밀도로 측정하였으며, 무게 감소량은 동일 조건의 시험을 3회 실시한 측정값의 평균으로 정의하였다.
3. 실험결과 및 고찰
그림 1은 해상풍력 하부 구조물용 강재인 S355ML 강에 대하여 해수용액에서 다양한 크기의 양극 정 전류밀도(1, 10, 50, 100 및 200 mA/cm2)를 1분 ~ 180분 동안 인가 후 디지털 카메라를 이용하여 촬 영한 사진이다. 전반적으로 활성용해반응에 의한 표 면의 균일 부식이 관찰되며, 시간 경과에 따라 부 식 손상의 정도가 증가하는 경향을 나타냈다. 상대
적으로 낮은 전류밀도인 1 mA/cm2와 10 mA/cm2에 서는 국부적인 부식인 공식이 관찰되었으며, 이는 인가 시간 증가에 따라 균일 부식으로 확장되었다.
가장 낮은 전류밀도인 1 mA/cm2의 경우 1분 경과 후 공식이 관찰된 후 시간 증가에 따라 공식의 수가 증가하였으며, 인가 시간 10분에서는 공식과 공식이 합체되어 더 큰 공식이 발생하였다. 이후 표면은 균 일 부식의 경향을 나타내었으며, 부식 손상 영역이 점차 확대되어 120분에서는 노출 면적 전면으로 균 일 부식이 진행되었다. 전류밀도 10 mA/cm2인 경우, 인가 시간 1분에서는 무수히 많은 공식이 발생하였 으며 이후 시간 증가에 따라 공식과 공식이 합체되 어 더 큰 공식이 발생하였다. 인가 시간 10분에서 는 부식 형태가 국부부식에서 균일 부식으로 완전 히 전환되었다. 부식형태의 전환이 1 mA/cm2보다 비교적 짧은 시간에 이루어짐을 확인하였다. 이후 지속적인 용해반응에 의해 균일부식이 계속 진행되
Table 1 Calculated accelerated aging time with different applied current densities and times.
Exposure time (min) Accelerated aging time (year)
1 mA/cm
210 mA/cm
250 mA/cm
2100 mA/cm
2200 mA/cm
230 0.01 0.09 0.43 0.87 1.74
60 0.02 0.17 0.87 1.74 3.47
120 0.03 0.35 1.74 3.47 6.95
180 0.05 0.52 2.60 5.21 10.42
Fig. 1. Macro-observation for surface of S355ML steel after galvanostatic experiment in seawater applying different
current densities with various times.
었다. 인가 전류밀도가 50 mA/cm2 이상인 경우 앞 서 상대적으로 낮은 전류밀도인 1 mA/cm2와 10 mA/cm2에서 관찰되었던 공식은 더 이상 관찰되지 않고 균일 부식이 지속적으로 진행되었다.
그림 2는 해상풍력 하부 구조물용 강재인 S355ML 강에 대하여 해수용액에서 10 mA/cm2와 200 mA/cm2 의 전류밀도를 각각 60, 120, 180분 인가 후 비이 커 내부에 형성된 부식생성물을 촬영한 사진이다.
인가 전류밀도에 관계없이 인가시간 증가에 따라 부식 생성물의 양이 증가하고 있음을 확인할 수 있 다. 또한, 인가 전류밀도가 큰 200 mA/cm2인 경우 10 mA/cm2보다 더 많은 양의 부식 생성물이 관찰 되며, 침전물과 함께 부유물도 생성되었다. 특히, 인 가 전류밀도의 크기는 형성되는 부식생성물의 뚜렷한 색상 차이를 나타내었다. 전류밀도가 낮은 10 mA/cm2 경우 적갈색의 부식생성물이 생성된 데 반해, 높은 경우(200 mA/cm2) 초기 적갈색 부식생성물과 함께 청녹색의 부식생성물이 생성되었음을 알 수 있다.
이 같은 색상 차이는 부식생성물을 구성하는 성분 의 차이를 나타내는 것으로서, 일반적으로 철이 부 식되는 과정에서 Fe(OH)2, Fe(OH)3, FeOOH, 또는 Fe2O3·H2O가 형성된다[10].
그림 3은 해상풍력 하부 구조물용 강재인 S355ML 강에 대하여 해수용액에서 각각 1 mA/cm2, 10 mA/cm2, 50 mA/cm2, 100 mA/cm2 및 200 mA/cm2의 정전류밀 도 인가 후 정상부와 손상부 경계면에 대한 3차원 형상을 나타낸 것이다. 3D 이미지 분석에 의해 측 정된 손상깊이는 손상부와 정상부 경계를 중심으로
촬영된 이미지에서 정상부로부터 손상부에 이르는 최대 손상깊이로 정의하였다. 앞서 외관 관찰 결과 와 유사하게 인가 시간 증가에 따라 대체적으로 손 상깊이가 깊어지고 거칠기가 증가하는 경향이 관찰 되었다. 이와 같이 정전류 부식 시험에서 전류밀도 를 고정하고 인가시간을 조절하는 방법을 통해 강 재의 인위적인 부식 손상량 제어가 용이함을 알 수 있었다. 금속소재의 가속 부식 노화를 위해 전류밀 도 인가시간을 제어하는 방법은 전류밀도 크기를 제어하는 방법에 비해 부식 년수 경과에 따른 자연 상태의 부식 거동과 유사한 부식 환경 조성이 가능 할 것으로 판단된다.
그림 4(a)는 3D 분석에 의해 측정된 손상 깊이를 인가전류밀도와 인가시간에 따라 비교한 것이다.
분석 결과 모든 전류밀도에 대해 인가시간 증가에 따라 손상깊이가 증가하는 경향을 나타냈다. 전반 적으로 시간에 따라 손상깊이가 증가하는 비율은 전류밀도가 클수록 커졌다. 가장 낮은 전류밀도인 1 mA/cm2의 경우 인가 시간에 따른 경향성은 나타 나지 않았다. 상대적으로 낮은 값의 전류밀도로 인 해 정상부와 손상부 간 단차를 유발시킬만한 용 해 반응이 발생하지 않은 것으로 판단된다. 그러 나 10 mA/cm2 보다 큰 전류밀도 인가 시에는 인 가 시간에 따라 손상깊이가 증가하는 경향이 뚜렷 하게 나타났다. 그림 4(b)는 3D 분석에 의해 측정 된 손상부 중앙에 대한 표면 거칠기를 인가전류밀 도와 인가시간에 따라 비교한 것이다. 표면 거칠기 는 동일한 전류밀도 인가 시 인가 시간 증가에 따
Fig. 2. Photos of corrosion product released from S355ML steel after galvanostatic experiment in seawater with
different current densities and times.
라 대체적으로 증가하는 경향을 나타냈다. 인가시 간 증가에 따른 거칠기의 변화는 활성용해 반응 중 금속 조직의 서로 다른 상 간의 마이크로 갈바닉 셀이 형성되어 활성 영역부터 국부적으로 먼저 부 식(용해)이 진행되는 표면 거칠기 과정이 유발되기 때문이다[11]. 이러한 표면 거칠기 과정은 해수와 같이 염소이온이 포함된 중성 수용액 환경에서는 자기 촉매 기구에 의해 가속화된다[12,13]. 전류밀 도 10 mA/cm2에서는 시간 경과에 따라 표면 거칠 기가 약 0.6 ~ 0.8 µm로 비교적 적은 폭으로 변화하 였다. 그러나 전류밀도 200 mA/cm2의 경우 시간 경 과에 따라 표면 거칠기가 증가와 감소를 반복하였
는데, 이는 상대적으로 큰 전류밀도 인가에 의해 조 대 입자의 탈락과 활성 용해반응에 의한 평탄화 과 정으로 이해된다.
그림 5는 해상풍력 하부 구조물용 강재인 S355ML 강에 대하여 해수용액에서 다양한 크기의 양극 정 전류밀도를 1분 ~ 180분 동안 인가하고 측정한 무 게감소량을 전류밀도별로 비교한 것이며, 각각의 그 래프에 대해 선형회귀분석을 통한 추세선을 그리고 회귀식과 결정계수를 나타내었다. 각 전류밀도별로 인가 시간 증가에 따라 무게감소량이 선형적으로 증가하였으며, 전류밀도가 클수록 더 큰 기울기 값 을 나타냈다. 1 mA/cm2의 전류밀도를 제외하고 모
Fig. 3. 3D microscopic image analysis for S355ML steel after galvanostatic experiment in seawater applying different current densities with various times.
Fig. 4. Comparison of damage depth(a) and surface roughness(b) for S355ML steel after galvanostatic experiment
in seawater with different applied current densities with various times.
든 인가 전류밀도에서 추세선의 결정계수(R2)가 1 에 가까운 값을 나타내어 전류밀도 인가 시간과 무 게감소량 간의 매우 높은 상관도를 나타내고 있음 을 알 수 있다. 1 mA/cm2에 대한 추세선의 결정계 수는 다른 전류밀도에 비해 다소 낮은 값인 0.88995 가 도출되었으나, 결정계수 값은 높은 통계적 유의 성을 갖는다고 판단된다. 그러나 1 mA/cm2보다 더 낮은 전류밀도가 인가될 경우 결정계수 값이 낮아 질 수 있기 때문에, 인가시간과 무게감소량 간의 의 미있는 상관관계를 얻기 위해서는 적절한 전류밀도 선정이 중요할 것으로 사료된다.
그림 6은 해상풍력 하부 구조물용 강재인 S355ML 강에 대하여 해수용액에서 다양한 크기의 양극 정 전류밀도를 1분 ~ 180분 동안 인가하여 측정한 무 게감소량으로부터 단위시간(min)당 무게감소비율을 계산하여 전류밀도별로 비교한 것이다. 전반적으로 인가 전류밀도 크기와 관계없이 전류밀도 인가 초기 에 높은 무게 감소비율을 나타낸 후 일정한 무게감 소비율을 나타냈다. 이는 전류밀도 인가 직후 활성 용해반응이 가장 활발하며, 이후 시간경과에 따라 용 해반응 속도가 안정화됨을 의미한다. 따라서 정전
류 가속화 부식시험에서 인가시간 변수 선정 시 안 정된 무게감소비율이 출현하는 이후의 시간을 선정 하는 것이 유효할 것으로 판단된다. 100 mA/cm2와 200 mA/cm2는 다른 전류밀도에 비해 상대적으로 큰 1 mg/min 이상의 무게감소비율의 하락을 나타내었 다. 이와 같이 인가시간 초기 전류밀도 간 상이한 무게감소비율 하락폭을 나타내고 있으므로, 짧은 시 간 동안 전류밀도 크기 제어에 의해 서로 다른 정 도의 부식손상을 구현 시 주의가 필요할 것으로 판 단된다.
그림 7은 해상풍력 하부 구조물용 강재인 S355ML 강에 대하여 해수용액에서 각각 1 mA/cm2, 10 mA/
cm2, 50 mA/cm2, 100 mA/cm2 및 200 mA/cm2의 정 전류밀도를 1분 ~ 180분 동안 인가 후 표면을 SEM 을 이용하여 촬영한 것이다. SEM 관찰 결과 모든 전류밀도에서 인가 시간 증가에 따라 부식 손상이 증가함을 확인할 수 있었다. 전반적으로 국부부식 보다는 전면부식의 형태로 부식이 진행되며, 비교 적 낮은 전류밀도에서는 공식 부식이 관찰되었다.
전류밀도 1 mA/cm2인 경우, 인가 시간에 관계 없 이 공식이 관찰되었으며, 양극용해반응에 의해 펄 라이트 상(밝은 영역)과 페라이트 상(어두운 영역) 이 구분되었다. 120분부터는 전면으로 균일하게 부 식이 진행되어 연마흔이 더 이상 관찰되지 않았다.
10 mA/cm2인 경우 인가시간 초기부터 용해반응이 활 발히 진행되었으며, 인가시간 30분 이후 비교적 큰 결 정립 단위의 입자 탈락과 함께 페라이트 상을 중심으 로 일부 공식이 관찰되었다. 전류밀도 50 mA/cm2인 경우, 10 mA/cm2와 큰 경향의 차이는 없었으나 활발 한 용해반응에 의해 표면의 요철이 전체 표면에 고르 게 증가하였다. 한편, 100 mA/cm2 이상의 비교적
Fig. 5. Comparison of weight loss for S355ML steel
after galvanostatic experiment in seawater with different applied current densities with various times.
Fig. 6. Comparison of weight loss rate for S355ML steel
after galvanostatic experiment in seawater applying
different applied current densities with various times.
큰 전류밀도를 인가할 경우 인가시간 1분부터 용해 반응 급속히 진행되었으며, 조대 입자 탈락과 함께 탈락부 주위로 균열도 관찰되었다. 이러한 균열은 결정입계를 따라서 전파하고 있음을 확인할 수 있 었다. 그러나 결정립계가 우선적으로 부식이 되는 입계부식 양상은 관찰되지 않았다.
4. 결 론
본 연구에서는 해상풍력 하부 구조물용 강재에 대하여 강재를 해수 중에서 정전류 부식 촉진 시험 을 실시하였으며, 전류밀도 크기에 따른 인가 시간 이 강재의 부식 손상 정도에 미치는 영향을 평가하 였다.
1. 정전류 인가시간에 따른 부식 거동은 초기에 공식이 관찰되며, 이후 인가시간 경과에 따라 부식 이 깊이 방향으로 진행되는 균일 부식 양상을 나타 냈다.
2. 손상 부위에 대한 3D 현미경 분석 결과, 정전 류 인가시간에 비례하여 부식 부위의 손상 깊이와 표면 거칠기가 상승하는 경향이 나타났다.
3. 인가 전류밀도 별로 인가 시간이 증가함에 따 라 무게 감소량이 선형적으로 증가하였다. 또한 전 류밀도 인가시간과 무게 감소량 간의 결정계수가 1 에 가까운 매우 높은 정도의 상관도를 나타냈다. 따 라서 전류밀도 인가시간을 조절함으로써 다양한 부
식년수를 갖는 부식시험편 제작이 가능할 것으로 사료된다.
감사의 글
본 연구는 2014년도 산업통상자원부의 재원으로 한국에너지기술평가원(KETEP)의 지원을 받아 수행 한 연구과제 “해상풍력 구조물의 설계수명 확보를 위한 최적 부식관리기술 개발”의 연구결과로 수행 되었으며, 참여기관인 한국선급 연구용역의 결과로 작성되었음(Project No. 20143010021820).
References
