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종문 운
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담수화설비에서의스테인리스스틸 (Desalination in Stainless Steel) 번역 : 한국철강협회스테인리스스틸클럽 여는말 최근대두되고있는깨끗한물부족현상을해결하기위해많은사람들의관심이쏠려있다. 이같은관심은우리가살고있는곳을더욱지속가능한곳으로만들고자하는노력과맞물려큰주목을받고있다.

1 담수화설비에서의스테인리스스틸 (Desalination in Stainless Steel) 번역 : 한국철강협회스테인리스스틸클럽 여는말 최근대두되고있는깨끗한물부족현상을해결하기위해많은사람들의관심이쏠려있다. 이같은관심은우리가살고있는곳을더욱지속가능한곳으로만들고자하는노력과맞물려큰주목을받고있다. 때문에믿을수있는깨끗한물공급을가능케하는담수화공장은우리생활에없어서는안될것이다. 성공적인담수처리작업을위해서는바닷물과소금물이가지고있는공격적인부식성에대해뛰어난저항성을갖는소재확보가필수적이다. 스테인리스스틸을적용한정수처리시스템은뛰어난내구성과최소유지비용이라는강점을내세우며담수화처리과정의지속가능성에그효율을더해줄것이다. 스테인리스스틸이가지고있는높은수준의재활용성과 100% 에육박하는재사용가능성은우리모두가추구하는친환경생활에훌륭한초석이될것이다. 때문에듀플렉스강을포함한고성능스테인리스스틸은담수화시설소재의적합한선택이라할수있다. 사우디아라비아에설치된 MED( 다중효용증발법 ) Marafiq IWPP 건조기

2 스테인리스스틸담수화설비 담수화설비의역사물은인류가가진가장귀중한자원이다. 세계의많은곳에서의물부족현상은심각한문제로인식되고있다. 지구의인구가늘어나고, 물의사용량이늘어남에따라깨끗한수자원은점차줄어들기때문이다. 사우디아라비아의 Shuaibah 담수공장 담수처리된물생산량은전세계적으로꾸준한증가세를보이고있다. 그러나 120개국에걸쳐, 1만 2,500개이상의담수공장이있음에도담수처리시스템을거친약 1% 의담수만이음용수로쓰이고있다. 47% 의담수처리시설은중앙아시아에집중되어있다. 세계인구 4분의 1이해안가 25Km 반경안에거주한다는사실을고려했을때, 바닷물은머지않아깨끗한물로바뀔수있는자원으로활용될것이다. 왜스테인스리스틸인가? 열 ( 熱 ) 과막 ( 幕 ) 은담수화기술에주된두가지방법이다. 열을이용한담수처리기술에는다단증발법 (MSF: Multi-Stage Flash Distillation) 과다중효용증발법 (MED: Multi-Effect Distillation) 이있다. 그리고막을이용한담수처리기술에는역삼투압법 (RO: Reverse Osmosis) 과전기투석법 (ED/EDR: Electro-dialysis/Electrodialysis Reversal) 이있다. 스테인리스스틸이위에서언급한다양한처리기술에서두루적용되는가장큰이유는뛰어난내식성때문이다. 모든담수화과정은소금물이유입된후, 처리와농축 이라는두가지단계를 거친다. 처리된물의소금농도는농축된물의소금의농도에비해매우낮은반

3 면, 농축된물의소금농도는바닷물의농도에비해훨씬높다. 위와같은작업을완벽하게수행하기위해서담수공장의설비는뛰어난내식성을띠어야한다. 소재선택과설계표준은설비의수명이다하는순간까지부식환경에노출되는소재에대해엄격한기준을세운다. 그리고스테인리스스틸은제작자들이요구하는대부분의기준에적합하다. 왜냐하면스테인리스의강점인고내식성과뛰어난내구성은설계와제작시설비가갖추어야하는필수조건이기때문이다. 선 ( 先 ) 처리시스템펌핑, 검수, 저장, 프리컨디셔닝 (pre-conditioning) 과선-염소처리 (pre-chlorination) 과정을통해고체와유기물제거 역삼투압법과정높은압력을통해소금을고농축함으로써탈염한물을얇은반투막으로통과시킴 안정화 후처리과정을통해물을안정화 시키고배급을준비함

4 어떤스테인리리스틸을이용할것인가? 현재의스테인리스스틸에는 200개이상의종류가있지만, 담수화시설에적용할수있는강종은많지않다. 담수처리시설에쓰이는물질은여러종류의수용액이접촉되는상황에서도고내식성을유지해야한다. ASTM300 시리즈의오스테나이트계스테인리스스틸 (316L / En1.4404, 317L / EN1.4438) 은담수처리시설의소재로가장많이채택되고있다. 316L 강종은해양 환경에서유용하나, 바닷물에닿으면공식이나틈새부식이생길수있다. 고온의농축된바닷물을다루는담수처리설비에염소가포함됐다고해서공장설비에공식이생겨서는안된다. 뜨거운바닷물에는산소가부족하여, 공식이생길가능성이줄어든다고는하나, 대부분의최신식다단증발법 (MSF) 공장은 316L/1.4404을사용하지않는다. 전통적으로 316L/ 강종은건조기에사용되고있으며, 최근의담수화처리설비는기술의발전으로듀플렉스강으로대체되고있다. 스테인리스스틸강종의한종류인듀플렉스강이담수화산업에서적용된지는그리오래되지않았다. 듀플렉스강은고내식성을갖췄으며, 특히응력부식균열 (Stress Corrosion Cracking) 에강하다. 응력부식균열은연성을가진금속이부식되기쉬운환경에서장력의영향을받아생기는것으로온도가상승하고있는곳이라면부식될확률이더높아진다. 듀플렉스강은오스테나이트계에비해약두배의강성을가지고있으며특유의역학적성질때문에비용절감의장점도갖추고있다. 이때문에듀플렉스강은최적의공학소재로알려져있다. 그때문에 2205/ 강종은다단증발법 (MSF) 의몸체로사용되고있다. 2004년에완공된리비아의 Melittah 공장과 2005년완공된알제리의 Skikada 공장모두 2205/ 강종을채택했다. 이탈리아에서담수화공장건설을전문으로하고있는 FISIA에의해고안된대형공장에도듀플렉스강이적용되고있다. 아부다비의 Taweelah B 증축건물과두바이의 Jebel Ali L 공장그리고카타르의 Ras Abu Fontas 담수화공장등이듀플렉스강으로건설된예이다. dual duplex 를적용한프로젝트는부식이생기기쉬운까다로운환경에서 2205/ 강종을사용하는반면 lean duplex 는비교적부

5 식이생길확률이적은곳에서사용된다. Lean duplex는 2205/ 강종에비하여니켈과몰리브덴이적게함유되어비용절감의효과를볼수있다. Lean duplex의내식성은 316L/1.4404과매우흡사하고, 300계오스테나이트강종과비교하였을때특유의높은강성으로최고 50% 까지그치수를줄일수있다. 하지만, 디자인코드제한으로실제적용되는범위는약 35~40% 정도이다. 듀플렉스강 2205 를이용한 Melittah 플래시증류 (MSF) 공장 듀플렉스강 2205 를이용한 Skikada 플래시증류 (MSF) 공장 듀얼듀플렉스컨셉은이미대형 MED 공장에적용되어있다. Sidem 에의해건립 된아랍에미레이트의 Sharjah 에위치한공장이그첫예이다. 이공장건립에사 용된듀플렉스강은 2205/ 와 2034/ 이다. 현재가동중인 27 해수역삼투압 (SWRO) 공장의경험을통해, 전문가들은부적절한강종이고압의파이프에쓰여졌을때부식이생기기쉽다는것을알게되었다. 316L/ 혹은 317L/1.4438충분한내식성을확보하지못하였다. 심지어고합금강종 2205/1.4404와 904L/ 역시공장소재로채택되기적합치않다고나타났다. 하지만 30기이상의 SWRO 공장과높은염도를포함한물의담수화공장에서사용되고있는슈퍼-오스테나이트계스테인리스 S32154/ 강종은아직까지어떤부식사례도보고되지않았다.

6 스테인리스담수화공장가동창원에위치한두산중공업은전세계에서몇안되는 3종류의담수화설비 (MSF: 다단증발법, MED: 다중효용증발법, RO: 역삼투압법 ) 기술을보유하고있는회사이다. 수처리파이프부서의김경구씨는 두산은최근사우디아라비아에세계최대규모의담수화공장을건설했습니다. Shuaibah Phase 3로알려진이공장은하루에 880,000톤의물을처리할수있는규모를갖추었습니다. 또한아랍에미레이트의 Fujairah에는세계최초하이브리드담수화공장을건설했습니다. 이공장은다단증발법과역삼투압법을함께채택하고있습니다. 라고말했고, 파이프와다양한정수시스템의부품으로듀플렉스강을사용중이며, 담수처리시설의약 30% 가듀플렉스강으로이루어져있다고전했다. 듀플렉스강은공장주의요구사항과맞아떨어짐은물론니켈베이스의합금과피복소재보다더욱경쟁력있는가격을제시합니다. 또한듀플렉스강은공식과틈새부식에강하며고농도의염화물환경에도적합합니다. 오스테나이트계보다더높은강성을자랑하고있어서, 높은압력을견뎌야하는파이프소재로도널리쓰이고있습니다. 듀플렉스강의배송시간이 300계만큼유지되고, 니켈베이스금속에대비해가격적이점이유지될수있다면, 저희들은공장설비에사용되는듀플렉강의적용을확대할것입니다. 두산중공업의담수화건조기 사우디아라비아 Marafiq IWWP 다중효용증발법건조기 울산에위치한성진지오텍은해양및발전소부분공장의주요생산업체이다. 영업기술분야의이영호씨는회사가 lean duplex 에대해거는기대가크다고전하며담수화공장건설시 lean duplex 사용에대해고려중이라고했다. 전통적인 300계강종을적용과비교해보았을때, 가격경쟁력은물론다른금속보다짧은리드타임을필요로하기때문에공사기간역시단축될수있습니다. lean

7 duplex 사용을전통적피복방법과비교할때주목해야할점은낮은비용과높 은품질일것입니다. lean duplex 를적용해프로젝트의완성도가높아질수있다 면, lean duplex 는앞으로도다양한영역에서사용될것이라확신합니다. 사우디아라비아 Marafiq IWPP 다중효율증발법건조기 사례연구 : 담수화공장사사쿠라엔지니어링의다중효율증발법공장과미쯔비시중공업의역삼투압법공장은일본의담수화설비를이끄는주요기업들이다. 두기업모두시공하고있는담수화설비에스테인리스스틸은적용하고있다. 그리고관계자들은스테인리스스틸의장점에대해다음과같이이야기했다. 스테인리스스틸은펌프, 건조기, 고온에노출되는파이프등에쓰이고있고, 이러 한부품과파트는설비의약 20~30% 를차지하고있다. 그렇지만이수치는클라 이언트의요구에따라서변동가능하다. 탄소강은습도가높은해수의환경에서쓰이고있지않는다. 에폭시합성수지혹 은고무안을댄탄소강이설비의부품과파트가간혹바닷물에노출이되는환경 에서쓰였지만, 합성수지코팅과고무안은정기적인유지보수를요했다.

8 그와반대로, 다양한타입의유리섬유강화플라스틱 (FRP) 은비교적낮은온도의해수가흐르는구역의파이프에서쓰이고있다. 이파이프들에서는부식이일어나지않기에설비적용에아무문제가없다고는하지만현재까지건조기몸체, 펌프, 대용량저장탱크등의설비에는한번도적용되지않고있다. 왜냐하면플라스틱파이프의내압과내열성은설비적용에충분치않기때문에고압파이프용으로는사용되지않고있다. 때문에스테인리스스틸이위에서언급한소재들을대신해서채택되고있다. 또한, 듀플렉스강을사용함으로써해수에대한내식성이더욱증가된다. 각기다른여 러종류의스테인리스스틸은각각의설비공장의부품으로쓰인다. 스테인리스스틸을덮은탄소강은과거에건조기몸체로쓰였으나, 최근에는 S32304/2304과 S31083/2205 강종의듀플렉스가널리쓰이고있다. 슈퍼오스테나이트강과슈퍼듀플렉스강은뛰어난고내식성을지니고있어서, 높은농도의해수에접촉하는파트에서사용되고있다. 때문에담수화처리공장이나역삼투압공장의이상적인소재로꼽힌다. 스테인리스스틸은높은수준의신뢰도와내구성, 청결, 심미성을자랑한다. 적절 한강종을채택하여알맞게사용한다면, 담수화공장의조업도는높은수준으로 끌어올라스테인리스스틸과함께시너지효과를낼수있으리라기대한다. 앞에서이미언급했던것과같이, 스테인리스스틸은담수화공장에서고온 고압의해수를운반하는펌프, 건조기, 열교환을위한압력용기, 탱크, 파이프등에사용되고있다. 이러한소재와부품으로적용되기위해서는내식성, 내구성그리고내압성을지녀야한다. 스테인리스스틸은높은염도를가진해수와담수모두에강한내식성을지니고있지만, 합성수지파이프는충분한내압성과내열성을지니고있지못하기때문에위에서언급한소재로채택되지못한다.

9 사우디아라비아 Rabigh 의담수화공장 담수화공장소재로서의스테인리스스틸은밝은전망을보이고있다. 담수화 처리시설중특히강한내식성을요하는부분에서의스테인리스스틸사용은더욱 늘어나게될것이다. 사례연구 : 싱가포르의 SingSpring 담수화공장싱가포르의 SingSpring 담수화공장은 Hyflux사가건설했고, 역삼투압법을이용해하루에 136,000m³ 의담수를생산하고있다. 2005년완공당시, 이공장은세계최대규모의해수담수화공장이었고, 에너지효율성에서도세계으뜸으로꼽혔다. 스테인리스스틸은싱가포르에서매일소비되는담수중약 10% 을담당하며맑은물공급에큰기여를하고있다. 유입된해수는첫번째로슈퍼듀플렉스강이고압력파이프로적용되는해수역삼투압법 (SWRO) 을거치게된다. 파이프에적용되기위한스테인리스강종은아주뛰어난내식성과높은압력을견딜수있어야한다. 해수역삼투압법을통해염도를낮춘해수는 BWRO(Brackish Water Reverse Osmosis: 염분이섞인물을이용한역삼투압법 ) 를통한다. BWRO 과정의파이프는 300계강종을사용하고있다. 에너지회수시스템을통해, 공장의에너지효율성을보장하기위해높은강성과고내식성을갖춘슈퍼듀플렉스강 2507/ 을채택했다. 공장관계자에따르면, 스테인리스스틸은지난 5 년간별다른문제는없이가동했 다고한다.

Characteristic of Stainless Steel 304 vs. 316 STS 비교 스테인리스강화학성분비교 (ASTM A 479 Standard) Type UNS No. C Si 304 S S max 0.08

Characteristic of Stainless Steel 304 vs. 316 STS 비교 스테인리스강화학성분비교 (ASTM A 479 Standard) Type UNS No. C Si 304 S S max 0.08 304 vs. 316 STS 비교 304 316 스테인리스강화학성분비교 (ASTM A 479 Standard) Type UNS No. C Si 304 S30400 316 S31600 0.08 0.08 1.00 1.00 Mn P S Cr 2.00 2.00 0.045 0.045 0.050 0.050 18.00 20.00 16.00 18.00 Ni 8.00 10.5