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영학 방
5 years ago
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1 조선해양의 전기방식기준및 국제코드

2 부식전지 Ionic Current cathode Electronic Current anode

3 음극방식 음극의전위가가장활성화된양극의전위와같도록만들어줄때부식은멈추게된다. 전류는음극지점에우선적으로유입된다. Ionic Corrosion Current Cathodic protection Current cathode anode cathode cathode -0.5V 05V -0.8V -1.0V -1.0V Electronic Current 전기방식없을때 전기방식있을때

4 음극방식원리 E OCV cathode E corr Potential E OCV anode I I corr cp Current (log)

5 음극방식 E OCV cathode ential Pot E OCV anode E corr sacrificial anode polarization I I corr cp Current (log)

6 희생양극시스템의분극곡선 Es/cocv s/c,ocv E s,corr E s/a,ocv Poten ntial E cpanode, corr Structure corrosion cell Galvanic anode corrosion cell log I

7 실용적인방식상태의판정법 구조물에서 OCV가가장낮은부분을찾기어려움 이를대체할수있는방식기준은? ( 매설또는수중구조물 ) V on 전위기준 ( 황산동기준전극기준 ) V 분극전위기준 100 mv ( 음 ) 분극기준

8 -850mV 전위기준의의미 E OCV cathode Potenti ial E OCV anode E corr -850mV (vs. CSE), most active anode potential sacrificial anode polarization I corr I cp Current (log)

9 -100mV 분극기준의의미 E OCV cathode Potenti ial E OCV anode E corr sacrificial anode polarization structure potential polarized more than -100mV I corr I cp Current (log)

10 전기방식시스템

11 전기방식시스템의종류 희생양극식 (Galvanic anodes) 전위가낮은활성금속을이용 활성금속의우선산화 ( 부식 ) 알루미늄, 마그네슘, 아연 외부전원식 (Impressed current anodes) 불용성양극을이용 ( 내식성금속 ) 외부전원을이용 양극반응은가스발생 고규소주철, 흑연, 백금, MMO(mixed metal oxide, 고분자 )

12 알루미늄양극 순수알루미늄 : 부동태형성 표면활성화성분 : 치밀한산화물피막을변화 활성화성분 vs. 자기부식 (self corrosion) 아연 : 초기활성화역할 Cd, Ir, Hg, Sn: 장기적인활성화효과 In: 낮은염분농도에서용량감소방지 불순물 Fe, Cu: 효율과전위불량을발생 Si, Mn, Ti: 철불순물의효과를제어

13 알루미늄양극과염소이온농도 알루미늄양극의운전을위해서는적정염소이온농도가필요 해수농도 ( 염분농도 3.5%, ppm) 이하에서 전위가상승전류용량 ( 효율 ) 감소 염분농도 0.4% (4000 ppm, 해수환산 12%) 최소전위 1.0 V SSC/sea 에도달 효율이급격하게감소하기시작함 Type III (In): 1800 ppm( 해수환산 5%) 까지작동 전류밀도가감소하면효율이감소 ( 자기부식 )

14 순수마그네슘 마그네슘양극 매우활성이높음 효율낮음 6% Al + 3% Zn 합금 높은전위 효율의현저한개선 아연이불순물에의한영향을감소시킴 아연에의한균일한소모조장 Cu, Ni, Si, Fe 불순물 효율감소 더욱귀한전위 Ni 0.001%, Cu 0.05% 이하로제한 03% 0.3% 의 Mn 함유시철을격리시키는효과 (Fe 0.01% 까지허용 ) 주요규격 High Potential(M1): 1% Mn AZ-63(H1): Al+Zn

15 마그네슘양극의효율 토양및담수환경 환경요인과효율 ph 감소시효율감소 ( ph < 5) 염소이온농도증가시효율감소 황산염이온농도증가시효율증가 양극전류밀도 최대 50% 효율 20uA/cm 2 이하에서급격한감소

16 아연양극 철불순물에의한부동태화가능 High purity 와 Al/Cd 합금 0.5% Al, 0.15% Cd 합금 입계미세화 -> 균일한부식발생 철허용량확보 균일한소모조장 T > 50 C 에서입계부식발생가능 효율 넓은전류밀도범위에서균일한효율 (90% 이상 ) 고온에서약간의효율저하

17 환경요인 온도가상승할수록전위상승 탄산염, 중탄산염, 질산염 부동태피막을형성 매우높은전위 고온에서상황이악회됨 황산염, 염산염 온도에무관하게부동태형성하지않음 부동태화된양극이황산염에의하여활성화될수있음

18 희생양극법의적용대상 소규모, 피복구조물 소규모절연대상물 ( 밸브, 부속시설물 ) 전기적연속성이불확실한구조물 소형용기의내부방식 해수환경 구조물의형태상균일전류분포를얻기 어려운지점 폭발의위험이있는곳

19 주반응 외부전원법의양극반응 물의전기분해염화물의산화탄소의산화 부반응 금속수화물형성산생성 C H 2 O = 4 H + O Cl 2H 2 - O = Cl 2 = 4H e 2 e + CO 2 + C 2 Me 4e + + H 2O = 2H + CO + e n + + noh = Me ( OH ) Cl + H O = HCl n HOCl

20 외부전원양극 질량양극 용해성또는반용해성 대규모, 벌크형 사용에따라길이, 직경의감소 철, 흑연, 고규소주철 Dimensionally Stable Anodes (DSA) 소형 시간에따라크기변화없음 백금, 희토류산화물피복전극 (Mixed-metal Oxide,MMO), 고분자전극

21 외전시스템의분극 Pote ential E a,ocv Es,ocv Anode ir drop (linear) Anode polarization (exponential) structure polarization (exponential) Anode ir drop (linear) log I

22 외부전원법의정류기 변압기형정류기 다이오드브릿지형 SCR 형 스위칭형 태양광발전기 풍력발전기 축전기 열기전력 연료전지

23 조선해양의음극방식

24 관련코드 German Lloyd RP Chapter VI 9 Materials and Welding -6 Guidelines for Corrosion Protection and Coating Systems DNV-RP-B401 Cathodic Protection Design NACE RP0176 Corrosion Control of Steel Fixed Offshore Structure Associated with Petroleum Production

25 해양환경의특성 용존산소농도 해류 온도 해서생물 염도 Calcareous layer ph, carbonate 농도 해저 ( 海底 ) 온도, 박테리아, 염도, 퇴적물입도

26 방식전위 방식기준 -0.8V vs. Ag/AgCl/ / 해수 과방식기준 -1.15V vs. Ag/AgCl/ 해수 Al, Zn 양극사용시에는발생하지않음 전위거동 운전중 -0.9~-1.05V 범위 수명완료시 -0.8V 로급격하게상승

27 해수에서의방식기준 German Lloyd VI part 9 section 7

28 해양방식의특징 Calcareous deposit 수백마이크론정도 음극방식전류소요를감소시킴 수치정밀도을요규하는부품의경우절연피복을적용하거나내식성재질을적용하고선체와절연 양극에의한 drag force 증가 구리합금의 anti-fouling 특성이사라짐

29 피복의적용 심해의 calcareous doposit 형상에의하여방식전류유입장애시피복 자주검사가필요한부분은피복이부적절 아연함량이높은프라이머금지 HISC 에민감한재질

30 CP 의위해요인 음극박리 화학적용해와전기화학적환원 내식성재질표면에서많이발생 PU 또는에폭시의경우양호 수소취성 -1.1V에가까와지면서급격한수소발생증가 HISC(Hydrogen induced stress cracking) 석출경화형오스테나이트계니켈기합금이취약 경도 300HV이하 : 위험도낮음 300~350 HV: 구조상항복응력에도달하지않도록주의 350 HV: 회피

31 CP 의위해요인 수소취성 페라이트, 페라이트-펄라이트강 500MPa 이하에서 OK 마르텐사이트계탄소강, 저합금강, 스테인레스강 YS 700MPa, 350 HV에서 HISC 발생 마르텐사이트형성이가능한재질의경우용접후열처리가필요 듀프렉스스테린레스강 강도와경도에무관하게 HISC 가능성 용접부 HAZ의페리이트함량을제한 (60~70%) 단조는위험성을증가시킴시험법 시험법 SSRT(slow strain rate testing) ti

32 해양구조물전기방식 ( 희생양극 ) 고정식해양구조물의양극교체비용은매우높아구조물의설계수명을기준함 양극교체가경제적인경우에는설계단계에서교체를고려

33 해양용희생양극의특성 DNV-RP-B401 연평균온도 30 이하에서적용

34 희생양극의형태 Slender stand-off 대용량, 이용율높음, 유체저항이큼, 해양구조물 Elongated, flush mount 선박, 뒷면에피복하여부식생성물생성방지 Bracelet 해저배관

35 설계전류밀도 1 소요방식전류밀도 초기치 (i ci )> 최종치 (i cf ) 초기치 초기의높은전류밀도 표면의칼슘질부착물을급속하게형성 최종치 표면의부착물상태에서의값 일부부착물이탈락될경우재형성고려 설계수명동안 ~1.05V 범위

36 해양구조물의위치에따른 소요전류밀도변화 (NACE) 0~-10 m 150mA/m 2-10~bottom 60mA/m 2 mud 10mA/m 2

37 피방식면적 Current drain: 피방식체는아니지만방식전류를소모하는부착물고려 방식대상물의구분 : 피방식체를구획하여방식설계실시가능 ( 수심, 물리적구획 ) 피방식면적산정 : 소요전류밀도가다른부위별로구하여합산 ( 피복여부, 표면온도등 )

38 Documentation ti 상세한 Engineering documentation 수록항목 목적 제 3 자검토 설계전제 표면적계산 전류소요량계산 ( 최초 / 최종 / 평균 ) 전류유실계산 (current drain) 최소소요양극량 양극저항계산 최소소요수량 초기 / 최종에대한양극전류출력및양극용량 소요수량에서산출된양극무게 수량과형태로부터산출한양극출력전류 잠정적인양극설계 양극배치도 전기적연속성확보방법 향후의수명연장계산

39 선박전기방식의특징 전기방식구역 : 구역별설계적용 선박의외면 프로펠러 Rudder 내부 Sea chest 등 Ballast tank Water tank Fuel storage Pipework(condenders and heat exchangers) 설계최소수명 : 드라이도킹주기이상 (2 년 )

40 Korea 소요전류밀도 The Corrosion Science Society of GL

41 양극선택 규격을만족하는알루미늄및아연전극만을사용 온도가섭씨 25도를초과하는경우용량과효율을감소하여감안하여야한다. 연료탱크인근의격벽등에적용 강재의방식에서상용아연은 50 도를초과하여서는안된다. 양극의형태는선체의저항을최소화하여야한다. 알루미늄양극의사용온도범위는 20~80도이며고온에서는다음의식과같이용량을적용한다. Q ( T ) = ( T 20 C )[ Ah / kg ] o

42 해양용희생양극의특성 German Lloyd

43 소요전류의산출 방식면적산출 선박의외면의수면에잠기는면적산출 프로펠러등은개별적으로도면으로부터산출 방식전류산출 소요전류 = 피방식면적 x 소요전류밀도 양극무게산출 [ 소요전류 (A)x 설계수명 (h)]/ 전기화학효율 (Ah/kg)

44 양극의배치 양극과선체의통전을위하여용접적용 Shadowing 효과를최소화하도록배치 선체에구멍이있는부위는추가적인고려가필요 ( 직경의 1~2배까지만방식이가능 ) 양극을붙여서는안되는부위 : 프로펠러인근, 선수추진기, 소나돔등

45 선체외부의외부전원방식 희생양극방식과같은원칙이적용 ( 금지위치 ) Ideal 한배치는전류밀도측면에서균형, 쇄빙선등에서채용 Fischer,OTC, 1980

46 설계특징 ` 좌현과우현의대칭 엔진룸좌우측에하나이상의양극 양측에각각기준전극설치 기준전극위치 : 양극으로부터선체길이의 10% 이상이격 양극주위의피복손상 ( 음극박리 ) 를방지하고전류균일도를확보하기위하여양극주위에보호실드설치 양극끝으로부터 0.8m 까지를피복 양극측 3mm 이상, 끝단 2mm 이상으로시공하고나머지영역은 0.5mm 이상으로시공 보호피복은양극주위의전위구배 ( 염소가스등 ) 를견딜수있어야함 보호피복의내구기간은 10년 정류기 : 1.5 배이상의용량 선체의구멍내부나전도성이확보되지않은부위는별도희생양극으로방식

47 외부전원의개념도

48 of Korea 상세개념도 Corrosion Science Society The

49 선박용정류기 모듈형정류기 -compact type Thyrister 형정류기 -high current

50 양극과기준전극 원형전극선형전극 타원형전극기준전극 ( 아연 / 염화은 )

51 Korea 양극의설치 H.Bones,B. Richter CP handbook The Corrosion Science Society of

52 축접지 축의윤활제에의하여전기적으로축과프로펠러등에방식전류차단가능 브러시시스템으로전류공급 Corrosion Science Society of Korea The

53 정류기와제어장치 좌우현에독립적인전위측정과출력전류조절이가능해야한다. Slow control 특성의정전위정류기 자동 / 수동전환기능 양극단선및쇼트경고및자동출력차단장치 과전류차단장치및제어용송수진장치 10mV 이내조절기능 출력전류전압및슬립링전위차기록기능

54 점검및유지보수 드라이도킹시희생양극의잔여중량및손 상여부확인 희생양극의부동태화및균일한소모확인 외부전원양극과보호실드, 기준전극등점 검 슬립링점검

55 Anti pouling system 해수냉각시스템보호 구리이온과알루미늄이온을용출시켜부착생물억제

56 선체내부의희생양극방식 설계수명 : 통상 5 년 양극설치시음영효과고려 수위를고려하여아래쪽에설치 소수의대형양극보다는다수의소형양극이유리 낮은수위, 복잡한형태에의한음영효과, 귀한금속의혼재등으로양극의수량을증가시킬필요가있을수있다. 부하인자 (f:loading fator) 구조물이전해질과접촉하는분율

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