스테인리스강 파이프는 본래 내식성이 우수하지만, 해양 환경에 설치될 경우 예상 수명 동안 다양한 유형의 부식이 발생할 수 있습니다. 이러한 부식은 유해 물질 유출, 제품 손실 및 잠재적 위험으로 이어질 수 있습니다. 해양 플랫폼 소유주와 운영자는 내식성이 뛰어난 고강도 파이프 재질을 선택함으로써 부식 위험을 줄일 수 있습니다. 또한, 화학 물질 주입 라인, 유압 및 임펄스 라인, 공정 계측 장비 및 감지 장비 등을 정기적으로 점검하여 부식이 설치된 배관의 건전성을 위협하고 안전을 저해하지 않도록 주의해야 합니다.
국부 부식은 해양 설비의 많은 플랫폼, 선박, 배관에서 발견될 수 있습니다. 이러한 부식은 점식 부식이나 틈새 부식의 형태로 나타날 수 있으며, 두 가지 모두 배관 벽을 침식시켜 유체 누출을 유발할 수 있습니다.
작동 온도가 상승할수록 부식 위험이 커집니다. 열은 튜브의 외부 보호 산화막을 빠르게 파괴하여 공식 부식 발생을 촉진할 수 있습니다.
불행히도 국부적인 점식 및 틈새 부식은 감지하기 어려워 이러한 유형의 부식을 식별, 예측 및 설계하는 데 어려움을 초래합니다. 이러한 위험을 고려하여 플랫폼 소유주, 운영자 및 설계자는 용도에 맞는 최적의 배관 재료를 선택할 때 신중을 기해야 합니다. 재료 선택은 부식 방지의 첫 번째 방어선이므로 올바른 선택이 중요합니다. 다행히도 국부 부식 저항성을 측정하는 매우 간단하지만 효과적인 방법인 점식 저항 등가 번호(PREN)를 사용하여 선택할 수 있습니다. 금속의 PREN 값이 높을수록 국부 부식에 대한 저항성이 높습니다.
이 글에서는 점식 및 틈새 부식을 식별하는 방법과 재료의 PREN 값을 기반으로 해양 석유 및 가스 분야에 적합한 튜빙 재료를 최적화하는 방법에 대해 검토합니다.
국부 부식은 금속 표면 전체에 걸쳐 균일하게 발생하는 일반 부식과는 달리 작은 영역에서 발생합니다. 316 스테인리스강 파이프에서 점식 및 틈새 부식은 금속의 외부 크롬 함유 산화막이 염수와 같은 부식성 유체에 노출되어 파괴될 때 발생하기 시작합니다. 염화물이 풍부한 해양 및 육상 환경, 고온, 심지어 배관 표면의 오염은 이러한 산화막의 열화 가능성을 높입니다.
점식 부식은 파이프의 보호막이 파괴되어 파이프 표면에 작은 구멍이나 공동이 생기는 현상입니다. 이러한 구멍은 전기화학 반응이 일어나면서 점점 커지는데, 이때 금속 속의 철이 구멍 바닥의 용액에 녹아들어 갑니다. 녹은 철은 구멍 위쪽으로 확산되어 산화되어 산화철 또는 녹을 형성합니다. 구멍이 깊어질수록 전기화학 반응이 가속화되고 부식이 심화되어 파이프 벽에 구멍이 뚫리고 누수가 발생할 수 있습니다.
배관 표면이 오염되면 점식 부식이 발생하기 쉬워집니다(그림 1). 예를 들어, 용접 및 연삭 작업으로 인한 오염은 배관의 산화 보호층을 손상시켜 점식 부식을 유발하고 가속화할 수 있습니다. 배관 자체의 오염을 처리하는 것도 마찬가지입니다. 또한, 염수 방울이 증발하면서 배관 표면에 형성되는 젖은 소금 결정도 산화 보호층을 손상시켜 점식 부식을 유발할 수 있습니다. 이러한 오염을 방지하려면 배관을 정기적으로 깨끗한 물로 세척하여 청결하게 유지해야 합니다.
그림 1 – 산, 염수 및 기타 침전물로 오염된 316/316L 스테인리스강 파이프는 공식 부식에 매우 취약합니다.
틈새 부식. 대부분의 경우, 점식 부식은 작업자가 쉽게 식별할 수 있습니다. 그러나 틈새 부식은 감지하기 어렵고 작업자와 직원에게 더 큰 위험을 초래합니다. 틈새 부식은 일반적으로 클립으로 고정된 배관이나 서로 밀착하여 설치된 배관처럼 주변 재료 사이에 좁은 틈이 있는 배관에서 발생합니다. 염수가 틈새로 스며들면 시간이 지남에 따라 화학적으로 부식성이 강한 산성 염화제2철(FeCl3) 용액이 형성되어 틈새 부식을 가속화합니다(그림 2). 틈새 자체가 부식 위험을 증가시키기 때문에 틈새 부식은 점식 부식보다 훨씬 낮은 온도에서도 발생할 수 있습니다.
그림 2 – 파이프와 파이프 지지대 사이(상단) 및 파이프가 다른 표면에 가깝게 설치된 경우(하단) 틈새에 화학적으로 부식성이 강한 산성 염화제2철 용액이 형성되어 틈새 부식이 발생할 수 있습니다.
틈새 부식은 일반적으로 파이프와 파이프 지지 클립 사이에 형성된 틈새에서 처음에는 공식 부식과 유사한 형태로 나타납니다. 그러나 균열 내부 유체의 Fe++ 농도가 증가함에 따라 초기 크레이터는 점점 커져 결국 균열 전체를 덮게 됩니다. 궁극적으로 틈새 부식은 파이프에 구멍을 뚫을 수 있습니다.
틈새 부식은 가장 큰 위험 요소입니다. 따라서 파이프 둘레 대부분을 감싸는 파이프 클램프는 파이프와 클램프 사이의 접촉면을 최소화하는 개방형 클램프보다 부식 위험이 더 큽니다. 유지보수 기술자는 정기적으로 클램프를 열고 파이프 표면의 부식 여부를 검사하여 틈새 부식으로 인한 손상이나 고장 발생 가능성을 줄일 수 있습니다.
점식 및 틈새 부식을 방지하는 가장 좋은 방법은 용도에 맞는 적절한 금속 합금을 선택하는 것입니다. 설계자는 작동 환경, 공정 조건 및 기타 변수를 고려하여 부식 위험을 최소화하는 최적의 배관 재료를 신중하게 선택해야 합니다.
설계자는 재료 선택을 최적화하기 위해 금속의 PREN 값을 비교하여 국부 부식 저항성을 판단할 수 있습니다. PREN은 크롬(Cr), 몰리브덴(Mo), 질소(N) 함량을 포함한 합금의 화학적 조성으로부터 다음과 같이 계산할 수 있습니다.
PREN은 합금 내 내식성 원소인 크롬, 몰리브덴, 질소의 함량이 증가함에 따라 증가합니다. PREN 관계는 다양한 스테인리스강의 화학 조성에 따른 임계 공식 온도(CPT, 공식 부식이 관찰되는 가장 낮은 온도)를 기준으로 합니다. 기본적으로 PREN은 CPT에 비례합니다. 따라서 PREN 값이 높을수록 공식 저항성이 우수함을 나타냅니다. PREN의 소폭 증가는 합금 대비 CPT의 소폭 증가에 불과하지만, PREN의 큰 폭 증가는 훨씬 높은 CPT에서도 성능이 크게 향상됨을 의미합니다.
표 1은 해양 석유 및 가스 시추 분야에 일반적으로 사용되는 다양한 합금의 PREN 값을 비교합니다. 이 표는 더 높은 등급의 파이프 합금을 선택함으로써 내식성을 크게 향상시킬 수 있음을 보여줍니다. 316 스테인리스강에서 317 스테인리스강으로 전환할 때 PREN 값은 약간만 증가합니다. 성능을 크게 향상시키려면 6Mo 초오스테나이트 스테인리스강 또는 2507 초듀플렉스 스테인리스강을 사용하는 것이 이상적입니다.
스테인리스강의 니켈(Ni) 함량이 높을수록 내식성이 향상됩니다. 그러나 스테인리스강의 니켈 함량은 PREN 공식에 포함되지 않습니다. 어쨌든 니켈 함량이 높은 스테인리스강을 사용하는 것이 유리한 경우가 많은데, 이는 니켈이 국부 부식 흔적이 보이는 표면을 재부동태화하는 데 도움이 되기 때문입니다. 니켈은 오스테나이트를 안정화시키고 1/8인치 경질 파이프를 굽히거나 냉간 인발할 때 마르텐사이트 생성을 방지합니다. 마르텐사이트는 금속에서 바람직하지 않은 결정상으로, 스테인리스강의 국부 부식 저항성과 염화물 유발 응력 균열 저항성을 저하시킵니다. 고압 수소 가스를 사용하는 용도에서는 316/316L 스테인리스강의 니켈 함량이 최소 12% 이상인 것이 바람직합니다. ASTM 표준 규격에서 316/316L 스테인리스강에 요구되는 최소 니켈 함량은 10%입니다.
해양 환경에서 사용되는 파이프는 어느 곳에서든 국부 부식이 발생할 수 있습니다. 특히 점식 부식은 이미 오염된 부위에서 발생할 가능성이 높고, 틈새 부식은 파이프와 고정 장치 사이의 틈이 좁은 부위에서 발생할 가능성이 높습니다. PREN(압력-저항-수치 관계)을 기준으로 설계자는 모든 종류의 국부 부식 위험을 최소화하는 최적의 파이프 합금을 선택할 수 있습니다.
하지만 부식 위험에 영향을 미칠 수 있는 다른 변수들이 있다는 점을 명심해야 합니다. 예를 들어, 온도는 스테인리스강의 공식 저항성에 영향을 미칩니다. 고온의 해양 환경에서는 국부 부식 및 염화물 응력 균열에 대한 저항성이 뛰어난 6 몰리브덴 슈퍼 오스테나이트 스테인리스강 또는 2507 슈퍼 듀플렉스 스테인리스강 파이프를 진지하게 고려해야 합니다. 서늘한 기후에서는 특히 성공적인 사용 이력이 입증된 경우 316/316L 파이프로도 충분할 수 있습니다.
해상 플랫폼 소유주와 운영자는 튜빙 설치 후 부식 위험을 최소화하기 위한 조치를 취할 수 있습니다. 파이프를 깨끗하게 유지하고 정기적으로 깨끗한 물로 세척하여 점식 부식 위험을 줄여야 합니다. 또한 정기 점검 시 유지보수 기술자가 튜빙 클램프를 열어 틈새 부식 발생 여부를 확인해야 합니다.
위에 설명된 단계를 따르면 플랫폼 소유주와 운영자는 해양 환경에서 튜빙 부식 및 관련 누출 위험을 줄여 안전과 효율성을 향상시키고 제품 손실이나 유해 물질 유출 가능성을 줄일 수 있습니다.
Brad Bollinger is the Oil and Gas Marketing Manager for Swagelok Company.He can be reached at bradley.bollinger@swagelok.com.
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