스테인리스강 파이프는 본래 내식성이 우수하지만, 해양 환경에 설치된 경우 예상 사용 수명 동안 다양한 유형의 부식이 발생할 수 있습니다. 이러한 부식은 유해 물질 누출, 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 등을 정기적으로 점검하여 부식이 설치된 배관의 건전성을 위협하거나 안전을 저해하지 않도록 주의해야 합니다.
국부 부식은 많은 플랫폼, 선박, 해저 파이프라인에서 발견될 수 있습니다. 이러한 부식은 점식 부식이나 틈새 부식의 형태로 나타날 수 있으며, 두 가지 모두 파이프 벽을 침식시켜 액체 누출을 유발할 수 있습니다.
작동 온도가 높아질수록 부식 위험이 증가합니다. 열은 튜브의 외부 보호 산화막의 열화를 가속화하여 피팅 부식을 촉진할 수 있습니다.
불행히도 국부적인 점식 및 틈새 부식은 감지하기 어렵기 때문에 이러한 유형의 부식을 식별, 예측 및 설계하는 데 어려움이 있습니다. 이러한 위험을 고려하여 플랫폼 소유주, 운영자 및 지정자는 용도에 맞는 최적의 파이프라인 재료를 선택할 때 신중을 기해야 합니다. 재료 선택은 부식 방지의 첫 번째 방어선이므로 올바른 선택을 하는 것이 매우 중요합니다. 다행히 국부 부식 저항성을 측정하는 매우 간단하지만 효과적인 방법인 점식 저항 등가 지수(PREN)를 사용할 수 있습니다. 금속의 PREN 값이 높을수록 국부 부식에 대한 저항성이 높습니다.
이 글에서는 점식 부식과 틈새 부식을 식별하는 방법과 재료의 PREN 값을 기반으로 해양 석유 및 가스 시추 설비에 적합한 튜빙 재료를 최적화하는 방법에 대해 살펴보겠습니다.
국부 부식은 금속 표면 전체에 걸쳐 균일하게 발생하는 일반 부식과는 달리 작은 영역에서 발생합니다. 316 스테인리스강 튜브에서 점식 및 틈새 부식은 금속 표면의 크롬이 풍부한 산화막이 염수와 같은 부식성 액체에 노출되어 파괴될 때 발생하기 시작합니다. 염화물이 풍부한 해양 환경, 고온, 그리고 튜브 표면의 오염은 이러한 산화막의 열화 가능성을 높입니다.
점식 부식은 파이프 표면의 부동태 피막이 파괴되어 파이프 표면에 작은 구멍이나 움푹 패인 곳이 생기는 현상입니다. 이러한 구멍은 전기화학 반응이 진행됨에 따라 점점 커지는데, 그 결과 금속 속의 철이 구멍 바닥의 용액에 용해됩니다. 용해된 철은 구멍 위쪽으로 확산되어 산화되어 산화철 또는 녹을 형성합니다. 구멍이 깊어질수록 전기화학 반응 속도가 빨라지고 부식이 심화되어 파이프 벽에 구멍이 뚫리고 누수가 발생할 수 있습니다.
배관 표면이 오염되면 부식에 더 취약해집니다(그림 1). 예를 들어, 용접 및 연삭 작업에서 발생하는 오염 물질은 배관의 산화 보호층을 손상시켜 부식을 유발하고 가속화할 수 있습니다. 배관 오염을 처리하는 것 자체도 마찬가지입니다. 또한, 염분 방울이 증발하면서 배관 표면에 형성되는 젖은 염분 결정은 산화 보호층을 보호하여 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 부식에 매우 취약합니다.
틈새 부식. 대부분의 경우, 점식 부식은 작업자가 쉽게 감지할 수 있습니다. 그러나 틈새 부식은 감지하기 어렵고 작업자와 직원에게 더 큰 위험을 초래합니다. 이는 일반적으로 클램프로 고정된 배관이나 서로 빽빽하게 붙어 있는 배관처럼 주변 재료 사이에 좁은 틈이 있는 배관에서 발생합니다. 염수가 틈새로 스며들면 시간이 지남에 따라 이 부분에 화학적으로 부식성이 강한 산성 염화제2철 용액(FeCl3)이 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 파이프 단면과 파이프 지지 칼라 사이에 형성된 틈에서 처음에는 점식 부식과 유사한 형태로 나타납니다. 그러나 균열 내부 유체에서 Fe++ 이온 농도가 증가함에 따라 초기 깔때기 모양의 부식 구멍이 점점 커져 결국 균열 전체를 덮게 됩니다. 최종적으로 틈새 부식은 파이프의 천공으로 이어질 수 있습니다.
촘촘한 균열은 부식 위험을 가장 크게 높입니다. 따라서 파이프 둘레의 더 넓은 부분을 감싸는 파이프 클램프는 파이프와 클램프 사이의 접촉면을 최소화하는 개방형 클램프보다 부식 위험이 더 큽니다. 서비스 기술자는 정기적으로 클램프를 열고 파이프 표면의 부식 여부를 점검함으로써 틈새 부식으로 인한 손상이나 파손 가능성을 줄일 수 있습니다.
점식 및 틈새 부식은 용도에 맞는 금속 합금을 선택함으로써 방지할 수 있습니다. 설계자는 공정 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.
PREN(내식성 지수)은 합금 내 크롬, 몰리브덴, 질소와 같은 내식성 원소 함량이 증가함에 따라 증가합니다. PREN 비율은 화학 조성에 따라 다양한 스테인리스강의 임계 공식 온도(CPT, 공식이 발생하는 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 CPT에 비해 성능이 크게 향상되었음을 의미합니다.
표 1은 해양 석유 및 가스 산업에서 일반적으로 사용되는 다양한 합금의 PREN 값을 비교합니다. 이 표는 고품질 파이프 합금을 선택함으로써 내식성을 크게 향상시킬 수 있음을 보여줍니다. PREN 값은 316 SS에서 317 SS로 갈수록 약간 증가합니다. 슈퍼 오스테나이트계 6 Mo SS 또는 슈퍼 듀플렉스 2507 SS는 성능을 크게 향상시키는 데 이상적입니다.
스테인리스강의 니켈(Ni) 함량이 높을수록 내식성이 향상됩니다. 하지만 스테인리스강의 니켈 함량은 PREN 공식에 포함되지 않습니다. 그럼에도 불구하고, 니켈은 국부 부식 흔적이 나타나는 표면을 재부동태화하는 데 도움을 주기 때문에 니켈 함량이 높은 스테인리스강을 선택하는 것이 유리한 경우가 많습니다. 니켈은 오스테나이트를 안정화시키고 1/8인치 강관을 굽히거나 냉간 인발할 때 마르텐사이트 생성을 방지합니다. 마르텐사이트는 금속에서 바람직하지 않은 결정상으로, 스테인리스강의 국부 부식 및 염화물 유발 응력 균열에 대한 저항성을 저하시킵니다. 316/316L 스테인리스강의 경우 최소 12% 이상의 높은 니켈 함량은 고압 수소 가스 응용 분야에도 적합합니다. ASTM 316/316L 스테인리스강에 요구되는 최소 니켈 함량은 10%입니다.
해양 환경에서 사용되는 배관은 어느 곳에서든 국부 부식이 발생할 수 있습니다. 특히, 점식 부식은 이미 오염된 부위에서 발생할 가능성이 높고, 틈새 부식은 배관과 설치 장비 사이의 좁은 틈에서 발생할 가능성이 높습니다. PREN(압력-저항 계수)을 기준으로 설계자는 모든 종류의 국부 부식 위험을 최소화하는 최적의 배관 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 해양성 기후에서는 국부 부식 및 염화물 균열에 대한 저항성이 뛰어난 초오스테나이트계 6 몰리브덴강 또는 초듀플렉스 2507 스테인리스강 파이프를 진지하게 고려해야 합니다. 서늘한 기후에서는 특히 기존에 성공적으로 사용된 사례가 있다면 316/316L 파이프로도 충분할 수 있습니다.
해상 플랫폼 소유주와 운영자는 배관 설치 후 부식 위험을 최소화하기 위한 조치를 취할 수 있습니다. 배관을 깨끗하게 유지하고 정기적으로 깨끗한 물로 세척하여 부식으로 인한 구멍 발생 위험을 줄여야 합니다. 또한 정기 점검 시 유지보수 기술자가 배관 클램프를 열어 틈새 부식 여부를 확인해야 합니다.
위의 단계를 따르면 플랫폼 소유주와 운영자는 해양 환경에서 파이프 부식 및 이로 인한 누출 위험을 줄이고, 안전과 효율성을 향상시키며, 제품 손실이나 유해 물질 유출 가능성을 줄일 수 있습니다.
Brad Bollinger is the Oil and Gas Marketing Manager for Swagelok. He can be contacted at bradley.bollinger@swagelok.com.
《석유 기술 저널(Journal of Petroleum Technology)》은 석유 엔지니어 협회(SPE)의 대표적인 학술지로, 상류 기술 발전, 석유 및 가스 산업 이슈, SPE 및 회원사에 대한 소식 등을 다룬 권위 있는 요약 기사와 논문을 게재합니다.