스테인리스 스틸 파이프는 내식성이 우수하지만, 해양 환경에 설치된 스테인리스 스틸 파이프는 예상 사용 수명 동안 다양한 유형의 부식에 노출됩니다. 이러한 부식은 비산성 배출, 제품 손실 및 잠재적 위험으로 이어질 수 있습니다. 해양 플랫폼 소유주와 운영자는 초기부터 내식성을 높이기 위해 더 강한 파이프 재질을 적용하여 부식 위험을 줄일 수 있습니다. 또한, 화학 물질 주입 라인, 유압 및 임펄스 라인, 공정 계측기 및 계측기를 검사할 때 부식으로 인해 설치된 배관의 무결성이 위협받거나 안전이 저해되지 않는지 항상 주의를 기울여야 합니다.
국부 부식은 여러 플랫폼, 선박, 선박 및 해상 파이프라인에서 발견될 수 있습니다. 이러한 부식은 점식 부식이나 틈새 부식의 형태로 나타날 수 있으며, 이러한 부식은 파이프 벽을 침식시켜 액체가 누출되는 원인이 될 수 있습니다.
부식 위험은 적용 분야의 작동 온도가 증가함에 따라 증가합니다. 열은 튜브의 보호막인 외부 부동태 산화막의 열화를 가속화하여 피팅(pitting)을 유발할 수 있습니다.
안타깝게도 국부적인 공식 및 틈새 부식은 감지하기 어려워 이러한 유형의 부식을 식별, 예측 및 설계하는 데 어려움을 겪습니다. 이러한 위험을 고려하여 플랫폼 소유주, 운영자 및 지정자는 적용 분야에 가장 적합한 파이프라인 재료를 선택할 때 신중을 기해야 합니다. 재료 선택은 부식 방지의 최전선이므로 올바른 재료 선택이 매우 중요합니다. 다행히도 국부 부식 저항성을 측정하는 매우 간단하면서도 효과적인 지표인 공식 저항 등가수(PREN)를 사용할 수 있습니다. 금속의 PREN 값이 높을수록 국부 부식에 대한 저항성이 높아집니다.
이 기사에서는 침식 및 틈새 부식을 식별하는 방법과 재료의 PREN 값을 기반으로 해상 석유 및 가스 응용 분야에서 튜빙 재료 선택을 최적화하는 방법을 살펴보겠습니다.
국부 부식은 금속 표면 전체에 걸쳐 더 균일하게 발생하는 일반 부식에 비해 작은 영역에서 발생합니다. 316 스테인리스 스틸 튜브의 경우, 크롬이 풍부한 금속 외부의 부동태 산화 피막이 염분을 포함한 부식성 액체에 노출되어 파열되면 공식 및 틈새 부식이 발생하기 시작합니다. 염화물이 풍부한 해양 환경, 고온, 심지어 튜브 표면의 오염은 이러한 부동태 산화 피막의 열화 가능성을 높입니다.
공식(pitting)은 배관 단면의 부동태 피막이 파괴되어 배관 표면에 작은 구멍이나 패인 곳이 형성될 때 발생합니다. 이러한 패인 곳은 전기화학 반응이 진행됨에 따라 커질 가능성이 높으며, 그 결과 금속 내 철이 패인 곳 바닥에서 용액에 용해됩니다. 용해된 철은 패인 곳 위로 확산되어 산화철 또는 녹을 형성합니다. 패인 곳이 깊어질수록 전기화학 반응이 가속화되고 부식이 심해져 배관 벽에 천공이 발생하고 누수가 발생할 수 있습니다.
튜브의 외부 표면이 오염되면 피팅이 발생하기 쉽습니다(그림 1). 예를 들어, 용접 및 연삭 작업에서 발생하는 오염 물질은 파이프의 부동태화 산화층을 손상시켜 피팅을 형성하고 가속화할 수 있습니다. 단순히 파이프의 오염을 처리하는 경우에도 마찬가지입니다. 또한, 염분이 증발하면서 파이프에 형성되는 습한 염 결정이 산화층을 보호하여 피팅을 유발할 수 있습니다. 이러한 유형의 오염을 방지하려면 파이프를 정기적으로 깨끗한 물로 세척하여 깨끗하게 유지하십시오.
그림 1. 산, 염분 및 기타 침전물로 오염된 316/316L 스테인리스 스틸 파이프는 침식 발생 가능성이 매우 높습니다.
틈새 부식. 대부분의 경우, 점식은 작업자가 쉽게 감지할 수 있습니다. 그러나 틈새 부식은 감지하기 쉽지 않으며 작업자와 작업자에게 더 큰 위험을 초래합니다. 이는 일반적으로 클램프로 고정된 파이프나 서로 빽빽하게 밀집된 파이프와 같이 주변 재질 사이에 좁은 틈이 있는 파이프에서 발생합니다. 염수가 틈새로 스며들면 시간이 지남에 따라 화학적으로 공격적인 산성화된 염화제이철(FeCl3) 용액이 이 부분에 형성되어 틈새의 가속 부식을 유발합니다(그림 2). 틈새 부식은 본질적으로 부식 위험을 증가시키므로, 점식보다 훨씬 낮은 온도에서도 틈새 부식이 발생할 수 있습니다.
그림 2 – 틈새 부식은 파이프와 파이프 지지대 사이(위)에서 발생할 수 있으며, 파이프가 다른 표면에 가까이 설치된 경우(아래) 틈새에 화학적으로 공격적인 산성화된 염화제이철 용액이 형성되어 발생할 수 있습니다.
틈새 부식은 일반적으로 배관 단면과 배관 지지 칼라 사이에 형성된 틈새에서 먼저 점식(pitting)을 유발합니다. 그러나 균열 내부 유체의 Fe++ 농도가 증가함에 따라 초기 깔때기는 균열 전체를 덮을 때까지 점점 더 커집니다. 궁극적으로 틈새 부식은 배관 천공으로 이어질 수 있습니다.
치밀한 균열은 부식 위험이 가장 높습니다. 따라서 파이프 둘레의 상당 부분을 감싸는 파이프 클램프는 파이프와 클램프 사이의 접촉면을 최소화하는 개방형 클램프보다 더 위험한 경향이 있습니다. 서비스 기술자는 정기적으로 고정 장치를 열고 파이프 표면의 부식 여부를 검사하여 틈새 부식으로 인한 손상이나 고장 가능성을 줄일 수 있습니다.
특정 용도에 적합한 금속 합금을 선택하면 공식 및 틈새 부식을 방지할 수 있습니다. 설계자는 작동 환경, 공정 조건 및 기타 변수에 따라 부식 위험을 최소화하기 위해 최적의 배관 재료를 선택할 때 충분한 주의를 기울여야 합니다.
설계자는 재료 선택을 최적화하기 위해 금속의 PREN 값을 비교하여 국부 부식에 대한 저항성을 확인할 수 있습니다. PREN은 합금의 화학적 조성, 즉 크롬(Cr), 몰리브덴(Mo), 질소(N) 함량을 통해 다음과 같이 계산할 수 있습니다.
PREN은 합금 내 크롬, 몰리브덴, 질소와 같은 내식성 원소의 함량에 따라 증가합니다. PREN 비율은 화학 조성에 따라 다양한 스테인리스강의 임계 공식 온도(CPT, pitting이 발생하는 최저 온도)를 기준으로 합니다. 기본적으로 PREN은 CPT에 비례합니다. 따라서 PREN 값이 높을수록 공식 저항성이 높음을 나타냅니다. PREN 값이 약간 증가하면 합금 대비 CPT가 약간만 증가하는 것과 같지만, PREN 값이 크게 증가하면 훨씬 높은 CPT 대비 성능이 크게 향상됨을 나타냅니다.
표 1은 해양 석유 및 가스 산업에서 일반적으로 사용되는 다양한 합금의 PREN 값을 비교합니다. 더 높은 품질의 파이프 합금을 선택함으로써 내식성을 크게 향상시킬 수 있음을 보여줍니다. PREN은 316 SS에서 317 SS로 약간 증가합니다. Super Austenitic 6Mo SS 또는 Super Duplex 2507 SS는 상당한 성능 향상을 위해 이상적입니다.
스테인리스강의 니켈(Ni) 농도가 높을수록 내식성도 향상됩니다. 그러나 스테인리스강의 니켈 함량은 PREN 방정식에 포함되지 않습니다. 어쨌든, 니켈 함량이 높은 스테인리스강을 선택하는 것이 유리한 경우가 많습니다. 니켈은 국부 부식 징후가 나타나는 표면을 재부동태화하는 데 도움이 되기 때문입니다. 니켈은 오스테나이트를 안정화하고 1/8 강관의 굽힘 또는 냉간 인발 시 마르텐사이트 형성을 방지합니다. 마르텐사이트는 금속에서 바람직하지 않은 결정상이며, 국부 부식 및 염화물 유도 응력 균열에 대한 스테인리스강의 저항성을 감소시킵니다. 316/316L 강은 최소 12% 이상의 높은 니켈 함량을 갖는 것이 고압 수소 가스 응용 분야에도 바람직합니다. ASTM 316/316L 스테인리스강에 필요한 최소 니켈 농도는 10%입니다.
국부 부식은 해양 환경에서 사용되는 파이프라인 어디에서나 발생할 수 있습니다. 그러나 점식 부식은 이미 오염된 지역에서 발생할 가능성이 더 높고, 틈새 부식은 파이프와 설치 장비 사이의 간격이 좁은 지역에서 발생할 가능성이 더 높습니다. 설계자는 PREN을 기준으로 최적의 파이프 등급을 선택하여 국부 부식 위험을 최소화할 수 있습니다.
그러나 부식 위험에 영향을 줄 수 있는 다른 변수도 있다는 점을 명심해야 합니다. 예를 들어, 온도는 스테인리스 강의 공식(pitting) 저항성에 영향을 미칩니다. 더운 해양 기후에서는 초오스테나이트 6몰리브덴강 또는 초듀플렉스 2507 스테인리스강 파이프를 신중하게 고려해야 합니다. 이러한 소재는 국부 부식 및 염화물 균열에 대한 내성이 우수하기 때문입니다. 서늘한 기후에서는 특히 성공적으로 사용되어 온 사례가 있다면 316/316L 파이프로도 충분할 수 있습니다.
해양 플랫폼 소유주와 운영자는 튜빙 설치 후 부식 위험을 최소화하기 위한 조치를 취할 수 있습니다. 배관을 깨끗하게 유지하고 정기적으로 깨끗한 물로 세척하여 부식 위험을 줄여야 합니다. 또한 정기 점검 시 유지보수 기술자가 클램프를 열어 틈새 부식 여부를 점검하도록 해야 합니다.
위의 단계를 따르면 플랫폼 소유자와 운영자는 해양 환경에서 파이프 부식 및 관련 누출 위험을 줄이고, 안전성과 효율성을 개선하고, 제품 손실이나 휘발성 배출 가능성을 줄일 수 있습니다.
Brad Bollinger is the Oil and Gas Marketing Manager for Swagelok. He can be contacted at bradley.bollinger@swagelok.com.
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