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선영 마
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1 Journal of the Korean Society of Safety, Vol. 32, No. 6, pp , December 2017 by The Korean Society of Safety (pissn , eissn ) All right reserved. 희생양극법을이용한레일부식저감방안에관한연구 최정열 김준형 이규용 * 김영기 * 박종윤 * 송봉환 * 설진웅 ( 주 ) 모든텍 * 공항철도 ( 주 ) ( 접수 / 수정 / 채택 ) A Study on Mitigation of Rail Corrosion using Sacrificial Anode Cathodic Protection Method Jung-Youl Choi Jun-Hyung Kim Kyu-Yong Lee * Young-Ki Kim * Jong-Yoon Park * Bong-Hwan Song * Jin-Woong Seol Modern Tech, Co., Ltd. * Airport Railroad, Co., Ltd. (Received October 27, 2016 / Revised January 24, 2017 / Accepted December 13, 2017) Abstract : A railway rail will be corroded by the repetitive sea wind and fog in the splash and tidal zone such as Youngjong grand bridge. And these rusts of rail could be increased by increasing service period, and it frequently occurred the safety accidents or disorders in electrical problem. In this study, the sacrificial anode cathodic protection method was proposed as a measures for reducing the corrosion of the railway rails in the oceanic climate conditions. As the results of immersion test using the salt water during four months, the sacrificial anode cathodic protection method using the aluminum anode(al-anode) was evaluated that a distinct effect on corrosion reduction in the rails. Therefore the sacrificial anode cathodic protection method was experimentally proven that a disorders in aspects electric and signal of railway operation condition such as direct fixation track system in Youngjong grand bridge could be prevented by reducing rust falling from the rail. In addition, the installation conditions of the anodes directly affect the transmission range of corrosion potential, the sectional loss of anode, and the corrosion reduction effect. Therefore, to expect the corrosion reduction effect of rails under the oceanic climate conditions for railway track, it was important to adopted the appropriate spacing of anode installation by considering the actual field conditions. Key Words : oceanic climate condition, sacrificial anode cathodic protection method, Al-anode, rust, rail, corrosion 1. 서론 비말대 (Splash zone) 및조수간만대 (Tidal zone) 구간의해양환경에있는구조물의경우해수의건습반복으로주요부식인자인물과산소의침투율이높아부식 (Corrosion) 이가속화된다 1,2). 부식이시작된금속의경우시간경과와함께부식생성물의부피가팽창하면서모재와의분리가발생되어탈락된다 1,2). 현재영종대교교량상강직결궤도구조에부설된레일은해양성기후조건에의해차륜 - 레일접촉면을제외한대부분의레일단면에서상당한수준의부식이진행되었으며부피팽창된부식생성물인녹층이레일주변으로떨어져나가고있는실정이다 3). 또한해수요인에의한부식메커니즘과대기부식조건에서의부식상태는그발생수준과범위, 패턴이매우상이하며금 속모재의단면손실에미치는영향도해수요인에의한부식이상대적으로클수있어녹층의박리를최소화하여탈락된녹층에의한전기신호적인문제발생을사전에예방하여야한다 3). 이에본연구에서는염해에노출된영종대교레일의부식저감방안을도출하고자부식의원인과부식상태에대한분석을위해레일두부조직검사및녹시료성분분석을수행하였다. 또한레일부식저감방안으로전기방식법인희생양극을이용한방식기법을제시하고희생양극적용에따른레일부식저감효과를실험적으로입증하였다. 2. 레일부식상태평가및원인분석 2.1 레일부식현황조사 Fig. 1 은해양기후조건및자연부식 ( 습도차 ) 조건에 Corresponding Author : Jun-Hyung Kim, Tel : , jun83@hanmai.net Railway Infra Institute, Modern Tech. Co., Ltd., 19 Yangpyeong-ro 21ga-gil, Yeongdeungpo-gu, Seoul 07207, Korea 54

희생양극법을 이용한 레일부식 저감 방안에 관한 연구 (a) Under oceanic climate (in Youngjong grand bridge) (a) Position of specimens extract (b)

(b) Upper (c) Gauge corner (d) Side Fig. 2. Specimens for SEM test. 3) 의해 부식된 레일의 전경을 나타낸다.

현장조사결과, 현재 영종대교 교량상 강직결 궤도구조에 부설된 레일은 해수 및 해양성 기 후조건에 의해 Fig. 1(a)와 같이 레일두부를 제외한 대 부분의 단면에서 심각한 부식이 진행되고 있었다.

1(b) 참조)는 그 발생수준과 범위, 패턴이 매우 상이하며 금속모재의 단면손실에 미치는 영향도 염분에 의한 부식이 상대적으로 크므로 해양성 기후조건에 노출되어 있는 영종대교의 경우 레일부식 에 대한 방식 대책이 필요할

이러한 도포형 방식대책은 도포 면의 균일성, 도포상태 등에 방식 효과가 직접적인 영 향을 받는다3).

따라서 표면처리를 하지 않고 불균일 한 단면을 갖는 레일을 운행선에서 효과적으로 도포하 기에는 기술적인 제약요건이 수반되며 표면처리가 확 실하지 않은 조건이라면 방식효과 역시 미비할 것으로 예상된다3). 2.

실내시험 항목으로는 녹층의 두께와 녹층과 모재 간의 경계면 등의 상태분석을 위한 조직검사(Scanning electron microscope, SEM)를 수행하였다.

부식레일의 상태 분석을 위한 실내시험에 사용된 시편은 Fig. 2와 같다.

2 희생양극법을 이용한 레일부식 저감 방안에 관한 연구 (a) Under oceanic climate (in Youngjong grand bridge) (a) Position of specimens extract (b) Under high humidity (in tunnel) Fig. 1. Photographs of corrosion rails under different condition. (b) Upper (c) Gauge corner (d) Side Fig. 2. Specimens for SEM test. 3) 의해 부식된 레일의 전경을 나타낸다. 본 연구에서는 영종대교의 레일부식상태에 대한 현 장조사를 수행하여 레일에서 부식되어 탈락된 녹시료 를 채취하였다. 현장조사결과, 현재 영종대교 교량상 강직결 궤도구조에 부설된 레일은 해수 및 해양성 기 후조건에 의해 Fig. 1(a)와 같이 레일두부를 제외한 대 부분의 단면에서 심각한 부식이 진행되고 있었다. 해 양성 기후조건에서의 부식메커니즘과 자연부식상태에 서의 부식상태(Fig. 1(b) 참조)는 그 발생수준과 범위, 패턴이 매우 상이하며 금속모재의 단면손실에 미치는 영향도 염분에 의한 부식이 상대적으로 크므로 해양성 기후조건에 노출되어 있는 영종대교의 경우 레일부식 에 대한 방식 대책이 필요할 것으로 판단되었다3). 현재까지 영종대교 레일부식에 대한 방식조치로는 방청재를 도포한 사례가 있었으나 그 효과는 미비한 것으로 분석되었다3). 이러한 도포형 방식대책은 도포 면의 균일성, 도포상태 등에 방식 효과가 직접적인 영 향을 받는다3). 또한 영종대교의 경우 교량과 교량상 궤 도구조가 모두 강구조물로써 부식방지를 위한 도색이 되어 있는 상태이므로 레일 방청재 도포를 위한 레일 의 표면처리(샌드블라스팅)에는 상당한 위험부담이 있 는 실정이었다. 따라서 표면처리를 하지 않고 불균일 한 단면을 갖는 레일을 운행선에서 효과적으로 도포하 기에는 기술적인 제약요건이 수반되며 표면처리가 확 실하지 않은 조건이라면 방식효과 역시 미비할 것으로 예상된다3). 2.2 부식레일의 상태 분석 본 연구에서는 영종대교 교량상에 약 4년 동안 자연 한국안전학회지, 제32권 제6호, 2017년 방치시킨 부식레일을 이용하여 실내시험을 진행하였 다. 실내시험 항목으로는 녹층의 두께와 녹층과 모재 간의 경계면 등의 상태분석을 위한 조직검사(Scanning electron microscope, SEM)를 수행하였다. 또한 영종대 교의 레일에서 탈락된 녹시료를 현장 레일에서 채취하 여 녹시료 성분분석(EDS, Energy Dispersive X-ray Spectrometer)을 수행하였다. 부식레일의 상태 분석을 위한 실내시험에 사용된 시편은 Fig. 2와 같다. 본 연구에서 수행한 전자주사현미경을 이용한 레일 두부 조직검사는 레일두부 표면에 발생된 녹층(Rust layer)의 두께측정과 모재부의 건전성 및 모재부와 녹 층의 경계면 분석을 위한 목적으로 수행하였다. 부식 된 레일을 이용한 조직검사는 Fig. 2(a)와 같이 레일 시 편의 상면, 게이지코너, 측면에서 각각 2개씩 총 6개의 시편으로 절단 가공하여 레일 절단면의 조직에 대해서 100배율로 촬영하였다3). 레일두부 조직검사결과, Fig. 3과 같이 녹층의 두께는 평균 216 (=0.216 mm)로 분 석되었으며 녹층과 모재부의 경계면은 불규칙한 요철 형상으로 서로 이격되어 있어 녹층의 부피팽창에 의한 박리현상이 일부 진행되기 시작한 것으로 분석되었다. 그러나 공용중인 영종대교의 부식레일과 동일한 환경 조건에서 약 4년 동안 자연방치된 레일시편의 경우 녹 층의 두께가 1 mm를 초과하지 않고 모재와 녹층이 완 전히 분리되어 탈락한 현상이 발생되지 않은 것을 감 안할 때, Fig. 4와 같이 현장 사용레일에서 채취한 부식 녹층이 모재에서 탈락되기 까지는 상당한 시간(약 16 년 이상)이 필요한 것으로 검토되었다. 본 연구에서는 Fig. 4와 같이 약 16년 동안 영종대교 55

최정열 김준형 이규용 김영기 박종윤 송봉환 설진웅 (a) #1(242 μm =0.242 mm) (b) #2(324 μm =0.

C O Mg Al Si S Cl K Ca Fe Total #1 10.15 34.50 0.91 3.08 6.99 1.56 0.87 0.78 3.

67 9.77 0.93 0.75 1.24 2.51 34.22 #4 9.79 32.03-3.35 7.61 1.64 0.83 0.69 3.

All results in weight % (SO 2 ), 해양성기후에서의공기중에포함된염분및염해속에녹아있는염분이전해질로작용한다

132 mm) (e) #5(228 μm =0.228 mm) (f) #6(122 μm =0.122 mm) Fig. 3.

(a) #1 (b) #2 녹성분분석결과, Table 1 과같이영종대교교량상부식된레일에서직접채취한녹시료에서식 (1) 과같이녹의주요성분인철

에의해부식이가속화되고이로인해부식생성물인녹의부피가팽창되어모재에서박리 ( 탈락 ) 되고있는것으로분석되었다 10,11).

강직결궤도인점을감안할때염해로인한녹층의박리현상에서기인하여발생가능한전기 신호적인장애예방측면에서레일방식대책의수립이필요할것으로판단되었다. 3.

Photographs of an extract rust from corrode rail.

금속 ( 철, Fe) 의부식은산소 (O 2 ) 와물 (H 2 O) 그리고전해질과의전기화학적반응 ( 산화와환원전극반응 ) 으로진행되며식 (1)

3 최정열 김준형 이규용 김영기 박종윤 송봉환 설진웅 (a) #1(242 μm =0.242 mm) (b) #2(324 μm =0.324 mm) Table 1. Result of rust components No. C O Mg Al Si S Cl K Ca Fe Total # # % # # Ref. All results in weight % (SO 2 ), 해양성기후에서의공기중에포함된염분및염해속에녹아있는염분이전해질로작용한다 1,2,5,11). (1) (c) #3(250 μm =0.250 mm) (d) #4(132 μm =0.132 mm) (e) #5(228 μm =0.228 mm) (f) #6(122 μm =0.122 mm) Fig. 3. Results of rust thickness measured by SEM. (a) #1 (b) #2 녹성분분석결과, Table 1 과같이영종대교교량상부식된레일에서직접채취한녹시료에서식 (1) 과같이녹의주요성분인철 (Fe) 과산소 (O) 가가장많은비중을차지하는것으로나타났으며, 그밖에도염해의주요성분인마그네슘 (Mg), 황 (S), 염소 (Cl), 칼륨 (K) 및칼슘 (Ca) 이검출되었다 4). 따라서영종대교레일의부식특성은염해 ( 염분 ) 와같은전해질및무기물질 (Inorganic dissolved substance) 에의해부식이가속화되고이로인해부식생성물인녹의부피가팽창되어모재에서박리 ( 탈락 ) 되고있는것으로분석되었다 10,11). 영종대교레일의부식에의한단면손실이레일의구조적인측면 ( 휨강도 ) 에미치는영향은매우미소할것으로예상되나, 강직결궤도인점을감안할때염해로인한녹층의박리현상에서기인하여발생가능한전기 신호적인장애예방측면에서레일방식대책의수립이필요할것으로판단되었다. 3. 희생양극법에의한레일방식의원리 (c) #3 (d) #4 Fig. 4. Photographs of an extract rust from corrode rail. 에서사용중인레일에서채취한녹시료의성분분석 (EDS) 을통해해양성기후조건에있는영종대교레일의부식원인을파악하고자하였다. 금속 ( 철, Fe) 의부식은산소 (O 2 ) 와물 (H 2 O) 그리고전해질과의전기화학적반응 ( 산화와환원전극반응 ) 으로진행되며식 (1) 로요약될수있다 1,2,5,10,11,13). 철의부식에영향을미치는전해질은공기중의아황산가스 영종대교강직결궤도의부식레일에이미발생된녹을화학적으로안정시키거나도장 (Painting) 을하는것보다는부식발생을사전에예방하고이미발생된녹은더이상부식이진전되어탈락되지않도록방식전류를공급하는전기방식법 (Cathodic protection system) 이적절할것으로판단되었다. 이에본연구에서는부식환경에노출된금속구조물 ( 각종지하배관, 선박, 항만설비, 교각내부철근등 ) 에일반적으로적용되고있는전기방식법을레일부식저감을위한방식기법으로적용하기위한검토를수행하였다 1,2). 일반적으로전기방식법은방식전류의공급방식에따라크게외부전원법 (Impressed current cathodic protection method, ICCP) 과희생양극법 (Sacrificial anode cathodic protection method, 56 J. Korean Soc. Saf., Vol. 32, No. 6, 2017

희생양극법을이용한레일부식저감방안에관한연구 SACP) 으로구분된다 1,2,6-8,9,10). 외부전원법은방식효과의유지및방식효율측면에서효과적일수있으나설비구축을위한초기비용투자가불가피하며, 무엇보다레일에일정수준의전압이부하되어직류전류를레일을통해전달시켜야한다 9).

반면희생양극법은양극 (Anode) 의전위차를이용하여전기분해적인방법으로피방식체 ( 음극, Cathodic) 의부식을방지하는전기방식법으로써소형제작이가능하고다양한양극의종류 ( 마그네슘, 아연, 알루미늄등 ) 로제작이가능하며레일복부에손쉽게설치가가능한방법이다 10).

따라서철도레일이라는설치공간적인제약조건 ( 레일복부 ) 을감안하고주기적인교체가가능하며설치방법이볼팅, 에폭시, 용접등다양한방법을적용할수있어야하는철도현장의조건을만족하는양극의종류는알루미늄 (Al) 인것으로검토되었다. 이에본연구에서는레일에부착이용이하며형상가공및크기조절이가장적합한알루미늄양극 (Al-Anode) 을적용한레일의방식효과를검토하였다. Fig.

4 희생양극법을이용한레일부식저감방안에관한연구 SACP) 으로구분된다 1,2,6-8,9,10). 외부전원법은방식효과의유지및방식효율측면에서효과적일수있으나설비구축을위한초기비용투자가불가피하며, 무엇보다레일에일정수준의전압이부하되어직류전류를레일을통해전달시켜야한다 9). 그러나전기철도에서열차운행을위해필수적인전력과신호를전달하는역할을하는레일에외부전원을이용한전류를공급하는것은궤도회로의전기 신호적인교란및간섭을초래할소지가있어적절하지못한것으로검토되었다. 반면희생양극법은양극 (Anode) 의전위차를이용하여전기분해적인방법으로피방식체 ( 음극, Cathodic) 의부식을방지하는전기방식법으로써소형제작이가능하고다양한양극의종류 ( 마그네슘, 아연, 알루미늄등 ) 로제작이가능하며레일복부에손쉽게설치가가능한방법이다 10). 희생양극의재료를선정하는측면에서마그네슘의경우일반적으로지중구조물에대한방식처리에주로사용되며분말형태로제작된다 10). 또한아연의경우기본적인양극의크기가크며일정크기의양극이확보되어야방식효과가구현될수있는것으로분석되어마그네슘및아연양극을철도레일에적용하는것은적합하지않다고판단하였다. 따라서철도레일이라는설치공간적인제약조건 ( 레일복부 ) 을감안하고주기적인교체가가능하며설치방법이볼팅, 에폭시, 용접등다양한방법을적용할수있어야하는철도현장의조건을만족하는양극의종류는알루미늄 (Al) 인것으로검토되었다. 이에본연구에서는레일에부착이용이하며형상가공및크기조절이가장적합한알루미늄양극 (Al-Anode) 을적용한레일의방식효과를검토하였다. Fig. 5 는레일에적용한희생양극법의원리를나타낸다. 음극인레일과희생양극을철근을이용하여연결하면레일과희생양극간의전위차에의해전류 (Current, i) 가이동하고희생양극인알루미늄에서는부식전류가흐르면서분극 (Polarization) 이일어나는반면, 음극인레일에서는복극 (Depolarization) 되어부식전류가감소하면서방식이되는원리이다 7-8,10). 영종대교교량상레일은산소와공기중에포함된 염분, 그리고안개등에포함된물에의해식 (1) 과같이부식이진전되는전기화학반응을일으킨다. 이때식 (1) 과같이철의전극반응과정 (Electrochemical) 에서전자 (Electron, e - ) 를잃게되어부식이진전된다. 그러나알루미늄양극은산소와의반응력 ( 환원력 ) 이높아피방식체인레일로부터부식의필수요소인산소를빼앗고, Fig. 5 와같이알루미늄의환원반응을통해생성되는전자를피방식체인레일에공급함으로써레일의부식발생을지연또는저감시키게된다 1,2,5). 즉, 알루미늄양극을이용한레일방식기법은레일보다부식반응속도가빠른알루미늄을먼저희생적으로부식시킴으로써피방식체인레일의부식을방지하는자연방식법이다 10). 또한알루미늄양극은시간이경과됨에따라지속적인환원반응으로단면손실이발생되고환원반응력이떨어지게되어방식효과가영구적이라할수는없다. 따라서정기적인방식전위측정으로방식전위를관리하거나양극의표면에발생된단면손실수준을보고양극의교체시기를결정하여야한다. 4. 희생양극법에의한레일방식효과분석 희생양극법적용에따른레일의부식저감효과를분석하기위해실내시험을수행하였으며실내시험을위해제작한알루미늄양극이설치된레일은 Fig. 6 과같다. 알루미늄양극의설치위치는설치된양극이차량주행에간섭되지않으면서, 일정간격으로배치되는레일체결장치와의간섭도피해야하며레일의휨거동에영향을받아떨어지지않아야하므로레일복부의중립축에설치하였다. 설치방법은알루미늄양극의중심을관통하는금속봉을삽입하고양끝을절곡하여레일의복부중립축에용접으로설치하였다. 본연구에서는실내시험을통해희생양극적용에따른레일방식효과를분석하고자 Fig. 7 과같이총 5 개의레일시편 (0.3 m 3 ea, 1.0 m 2 ea) 을사용하여시험체를구성하였다. 길이 0.3 m 의레일시편 3 개는희생 Fig. 5. Schematic of rail with Al-anode. Fig. 6. Photograph of rail with Al-anode. 한국안전학회지, 제 32 권제 6 호, 2017 년 57

최정열 김준형 이규용 김영기 박종윤 송봉환 설진웅 Fig. 7. Corrosion test under salt water. 양극설치유무및양극설치조건에따른방식효과의차이를비교하기위해사용되었으며, 길이 1.0 m 의레일시편 2 개는희생양극에서방출되는방식전류의영향범위 ( 방식전류의전달범위 ) 를분석하는데에활용하였다.

7 과같이모든레일은일정한농도의염수가채워진각기독립적인수조에서약 4 개월동안침수 (1 개월 )- 건조 (1 일 )- 침수 (1 개월 ) 를반복하는조건으로시험을실시하였다. 또한레일을건조시킬때마다새로운염수로교체하는과정을거치면서가급적염수의농도가일정하게유지될수있도록시험조건을설정하였다.

희생양극이설치되지않은레일은 Fig. 8(a) 와같이영종대교현장의부식레일과매우유사한부식상태 ( 녹층의박리및탈락현상 ) 를나타내어본연구에서수행한실내시험의부식환경이실제현장에서의해양성부식환경조건을적절하게모사한것으로분석되었다. 또한희생양극이설치된레일의경우 Fig.

Results of corrosion test under salt water(after 4 month). ( 편측설치, 양측설치 ) 을건조시킨후레일의 10 cm 간격으로방식전위를측정하였으며편측설치와양측설치시험체의측정결과는 Fig. 9(b) 와같으며시간경과에따른방식전위량변화를종합하여 Fig. 9(c) 에나타내었다.

5 m 범위에서는 NACE standard RP0290-90 에서제시한방식전위기준 100 mv 를만족하였으나 2,8,12), 단부로갈수록방식효과가뚜렷하게감소되는것으로나타났다. 반면양측설치의경우, 1.0 m 길이의레일시험체전체에걸쳐서방식기준을만족하면서일정한방식효과를확보하는것으로분석되었다.

5 최정열 김준형 이규용 김영기 박종윤 송봉환 설진웅 Fig. 7. Corrosion test under salt water. 양극설치유무및양극설치조건에따른방식효과의차이를비교하기위해사용되었으며, 길이 1.0 m 의레일시편 2 개는희생양극에서방출되는방식전류의영향범위 ( 방식전류의전달범위 ) 를분석하는데에활용하였다. 실내시험을통해희생양극법의적용유무에따른방식효과를입증하고희생양극의설치조건 ( 양측또는편측설치 ) 에따른방식효과를비교하였으며, 양극설치조건별로방식전위를측정하여양극설치조건에따른방식효과와방식전류의영향범위를평가하였다. Fig. 7 과같이모든레일은일정한농도의염수가채워진각기독립적인수조에서약 4 개월동안침수 (1 개월 )- 건조 (1 일 )- 침수 (1 개월 ) 를반복하는조건으로시험을실시하였다. 또한레일을건조시킬때마다새로운염수로교체하는과정을거치면서가급적염수의농도가일정하게유지될수있도록시험조건을설정하였다. 염수의농도는염수분무시험방법 (KSD 9502) 에의거 5±0.5% 를적용하였으며건조시간은레일표면의수분이완전히건조될수있도록 24 시간동안자연건조시켰다. Fig. 8 은약 4 개월간의침수시험이후의일반레일과방식레일의전경이다. 실내시험결과, Fig. 8 과같이희생양극이적용된레일의방식효과가뚜렷하게나타나는것으로확인되었다. 희생양극이설치되지않은레일은 Fig. 8(a) 와같이영종대교현장의부식레일과매우유사한부식상태 ( 녹층의박리및탈락현상 ) 를나타내어본연구에서수행한실내시험의부식환경이실제현장에서의해양성부식환경조건을적절하게모사한것으로분석되었다. 또한희생양극이설치된레일의경우 Fig. 8(b) 과같이상대적으로부식상태가양호하며녹층의탈락현상또한발견되지않았다. 따라서희생양극법은레일의부식저감에효과가있으며특히부식에따른녹의탈락을방지할수있음을실험적으로입증하였다. 방식전위의측정은 Fig. 9(a) 와같이 1.0 m 레일시편 (a) without Al-anode (b) with Al-anode Fig. 8. Results of corrosion test under salt water(after 4 month). ( 편측설치, 양측설치 ) 을건조시킨후레일의 10 cm 간격으로방식전위를측정하였으며편측설치와양측설치시험체의측정결과는 Fig. 9(b) 와같으며시간경과에따른방식전위량변화를종합하여 Fig. 9(c) 에나타내었다. 편측설치의경우, Fig. 9(b) 와같이레일중앙부에설치한희생양극에서발생되는방식전류가레일의단부까지충분히전달되지못하여희생양극이설치된중앙부를중심으로약 0.5 m 범위에서는 NACE standard RP 에서제시한방식전위기준 100 mv 를만족하였으나 2,8,12), 단부로갈수록방식효과가뚜렷하게감소되는것으로나타났다. 반면양측설치의경우, 1.0 m 길이의레일시험체전체에걸쳐서방식기준을만족하면서일정한방식효과를확보하는것으로분석되었다. 10 cm 간격으로측정된시간경과에따른방식전위측정결과를종합하여 Fig. 9(c) 에나타내었다. 양측설치의경우 4 개월평균 mv( 표준편차 12) 의일정한방식효과를유지하는것으로나타났으나, 편측설치의경우 4 개월평균방식전위가약 mv( 표준편차 31) 수준으로나타나방식기준을만족하지못하는것으로분석되었다. 또한편측설치의경우 100 mv 이하의방식전위가보다많이측정되었으며방식전위의변동수준이크게나타나안정적인방식효과를유지하지못하는것으로분석되었다. 본연구에서는희생양극의설치개수를편측설치와양측설치로구분하였으며이에따른희생양극의단면손실상태차이를분석하였다. 희생양극은양극이희생되어부식됨으로써일정기간이지나면양극의단면이손실되고이에따라방식효과도함께감소하게된다. 58 J. Korean Soc. Saf., Vol. 32, No. 6, 2017

희생양극법을이용한레일부식저감방안에관한연구 (a) Photograph of specimen for corrosion potential test (a) One-side installed (b) Both-side installed Fig. 10. Photographs of sectional loss of Al-anode.

10 과같이양측설치의경우보다편측으로설치된양극의단면손실이뚜렷한것으로나타났다. 또한편측설치의경우, 희생양극의표면과주변으로흰색의알루미늄산화물이다량검출되었으며전반적인부식상태도양측설치의경우보다상대적으로심한것으로분석되었다. 따라서희생양극 1 개에서발생되는방식전류는 1.

(c) Results of corrosion potential test during 4 month Fig. 9. Results of corrosion potential test. 동일한부식환경인경우, 희생양극의개수가증가할수록방식효과는높아지고양극의희생부식량이분산되어단면손실은감소하게된다.

6 희생양극법을이용한레일부식저감방안에관한연구 (a) Photograph of specimen for corrosion potential test (a) One-side installed (b) Both-side installed Fig. 10. Photographs of sectional loss of Al-anode. (b) Variations of corrosion potential according to test case(after 2 month) 가능한현장여건을감안하여편측설치에따른방식효과와희생양극의단면손실수준을검토하여희생양극의적정설치간격을검토하였다. 희생양극의설치조건에따른양극의단면손실검토결과, Fig. 10 과같이양측설치의경우보다편측으로설치된양극의단면손실이뚜렷한것으로나타났다. 또한편측설치의경우, 희생양극의표면과주변으로흰색의알루미늄산화물이다량검출되었으며전반적인부식상태도양측설치의경우보다상대적으로심한것으로분석되었다. 따라서희생양극 1 개에서발생되는방식전류는 1.0 m 길이의레일에서발생되는부식조건을부담하기에충분하지못한것으로분석되었으며희생양극의수명역시단축될것으로예상되었다. 따라서추후편측으로만설치가가능한영종대교에희생양극을적용할경우희생양극의단면손실을최소화하고충분한방식효과를유지할수있도록희생양극의설치간격을 0.5 m 이내로설정하는것이적절할것으로판단된다. (c) Results of corrosion potential test during 4 month Fig. 9. Results of corrosion potential test. 동일한부식환경인경우, 희생양극의개수가증가할수록방식효과는높아지고양극의희생부식량이분산되어단면손실은감소하게된다. 그러나부식환경조건에비해희생양극이부족할경우방식효과도낮아지면서양극자체의단면손실도증가하게된다. 따라서적절한희생양극의설치간격과설치수량을결정하는것이안정적인방식효과를확보하면서희생양극의유지관리 ( 교체 ) 에도효과적일것으로판단된다. Fig. 9 와같이레일의복부양측면에각각희생양극을설치하면안정적인방식효과를기대할수있으나영종대교의경우궤간내측에는탈선방지가드레일이설치되어있어궤간외측에편측으로설치할수밖에없는실정이다. 따라서본연구에서는양측설치가불 5. 결론 본연구에서는해양성기후조건에있는철도레일의부식을저감시키기위한방식대책으로써희생양극법을제시하고방식효과를실험적으로입증하였으며, 그결과는다음과같다. 1) 본연구에서는해양성기후조건에따른부식환경을실험적으로모사하기위해염수를이용하여 4 개월동안침수시험을수행하였다. 희생양극이설치되지않은일반레일의경우, 영종대교현장의부식레일과매우유사한부식상태를나타내어본연구에서수행한실내시험의부식환경이실제현장에서의해양성부식환경조건을적절하게모사한것으로분석되었다. 2) 연구결과, 희생양극법 ( 알루미늄양극 ) 은레일의부식저감에뚜렷한효과가있으며특히부식에따른녹의탈락을방지할수있음을실험적으로입증하였다. 또한희생양극의설치수량에따라방식전류가전달되 한국안전학회지, 제 32 권제 6 호, 2017 년 59

7 최정열 김준형 이규용 김영기 박종윤 송봉환 설진웅 는영향범위와방식효과가상이할수있으며, 희생양극의설치수량은희생양극의단면손실 ( 희생부식량 ) 에직접적인영향을미치는것으로분석되었다. 3) 본연구에서는영종대교의부식환경과레일의사용조건을고려하여수행된실험결과를바탕으로양극의편측설치조건및단면손실수준을고려한희생양극의적정설치간격을제시하였다. References 1) S. J. Kim, Apparatus on Corrosion Protection and Marine Corrosion of Ship, The Korean Institute of Surface Engineering, Vol. 44, No. 3, pp , ) H. S. Mun, S. K. Lee, H. J. Song, and Y. S. Chung, Research of Steel Corrosion and Corrosion Protection System for Reinforcing Steels in Concrete Exposed to Chloride Environments, 2001 Proceedings of the Korea Concrete Institute Autumn Conference, Vol. 13, No. 1, pp , ) Airport railroad, Research for evaluation of track component damage and maintenance plan for direct fixation track of Yeongjong Grand Bridge, Final report, ) of seawater. 5) K. C. Ho and J. C. Chen, Spectroelectrochemical Studies of Indium Hexacyanoferrate Electrodes Prepared by the Sacrificial Anode Method, ECS, Journal of the Electrochemical Society, Vol. 145, No. 7, pp , ) H. C. Yoo and H. K. Choi, A Study on the Prevention of the Electric Corrosion by Leakage Current using the Life of Sacrificial Anode Method, Journal of the Korean Institute of Illuminating and Electrical Installation Engineers, Vol. 24, No. 8, pp , ) M. H. Han, J. H. Hyeong, Y. C. Lim and H. S. Lee, An Experimental Study on the Application of Cathodic Protection By Applying Zn-Al Metal Spray to an RC Structure, Journal of the Korea Institute of Building Construction, Vol. 10, No. 5, pp , ) K. J. Kim, J. A. Jeong and W. C. Lee, Cathodic Protection Characteristics and Effective Length of Protection Current of Concrete Pile using Zn-mesh Sacrificial Anode, 2008 Proceedings of the Korea Concrete Institute Autumn Conference, Vol. 20, No. 2, pp , ) H. Y. Moon, S. S. Kim and H. S. Kim, Effect of Impressed Current System for Corrosion Protection of Rebars in Concrete, Journal of the Korea Concrete Institute, Vol. 11, No. 2, pp , ) K. H. Kim, A Study on Comparison of Performance Test Methods for Cathodic Protection Sacrificial Anode in Natural Seawater, Korea Maritime and Ocean University, Master s thesis, ) B. Panda, R. Balasubramaniam and G. Dwivedi, On the Corrosion Behaviour of Novel High Carbon Rail Steels in Simulated Cyclic Wet-dry Salt Fog Conditions, Corrosion Science, Vol. 50, No. 6, pp , ) S. H. Hon, S. T. Park and S. C. Kim, The Analysis on the Electric Potential Distribution of Dry and Submerged Condition by Electric Leakage in Street Lamp, Journal of the Korean Society of Safety, Vol. 23, No. 6, pp , ) Y. S. Chae, I. Y. Choi and I. K. Min, An Experimental Study on Steel Bar Corrosion of Reinforced Concrete Structure, Journal of the Korean Society of Safety, Vol. 28, No. 6, pp , J. Korean Soc. Saf., Vol. 32, No. 6, 2017

THE JOURNAL OF KOREAN INSTITUTE OF ELECTROMAGNETIC ENGINEERING AND SCIENCE Dec.; 27(12),

THE JOURNAL OF KOREAN INSTITUTE OF ELECTROMAGNETIC ENGINEERING AND SCIENCE. 2016 Dec.; 27(12), 1036 1043. http://dx.doi.org/10.5515/kjkiees.2016.27.12.1036 ISSN 1226-3133 (Print) ISSN 2288-226X (Online)