갈바닉 양극

갈바닉 양극(galvanic anode) 또는 희생 양극은 매립되거나 침수된 금속 구조물이 부식되지 않도록 보호하는 데 사용되는 갈바닉 음극 보호(CP) 시스템의 주요 구성 요소다.

그것들은 구조의 금속보다 더 "활성" 전압(더 많은 음의 감소 전위/더 많은 양의 전기 화학적 전위)을 가진 금속 합금으로 만들어진다. 두 금속의 전위차이는 갈바닉 양극이 부식되어 양극 물질이 구조물에 우선하여 소비된다는 것을 의미한다.

양극 물질의 손실(또는 희생)은 희생 양극이라는 대체 명칭을 낳는다.

이론

간단히 말해서, 부식은 전기 화학적 메커니즘에 의해 발생하는 화학 반응이다(redox 반응이다.^[1] 부식 중에는 두 가지 반응, 즉 전자가 금속을 떠나는 산화(등분 1)와 감소가 있으며, 전자는 물이나 산소를 수산화물(등분 2와 3)으로 변환하는 데 사용된다.^[2]

Fe → Fe2+ + 2e−

(1)

O2 + 2H2O + 4e− → 4OH−

(2)

2H2O + 2e− → H2 + 2OH−

(3)

대부분의 환경에서는 수산화물 이온과 철이온이 결합하여 철화수산화물을 형성하며, 이는 결국 친숙한 갈색 녹이 된다.^[3]

Fe2+ + 2OH− → Fe(OH)2

(4)

부식이 일어나면 산화·감소반응이 일어나고 금속 표면에 전기화학세포가 형성되어 일부 부위는 음극(산화)이 되고 일부 음극(감소)이 된다. 금속이 부식하면서 전자는 양극 영역에서 전해질로 흐른다. 반대로 전자가 전해질에서 음극 영역으로 흐를수록 부식 속도가 감소한다.^[4] (전자의 흐름은 전류의 흐름과 반대방향이다.)

금속이 계속 부식됨에 따라 금속 표면의 국소 전위가 변화하고 음극 및 음극 영역이 변화하여 이동하게 된다. 그 결과 철금속에서는 녹의 일반적인 덮개가 전체 표면에 형성되어 결국 모든 금속을 소비하게 된다. 이것은 부식 과정을 단순화시킨 것인데, 이는 여러 가지 다른 형태로 발생할 수 있기 때문이다.^[5]

CP는 양극 표면이 훨씬 더 많은 다른 금속(아연도금 양극)을 도입하여 작동하므로 유입된 양극에서 모든 전류가 흐르며 보호될 금속은 양극에 비해 음극이 된다. 이렇게 하면 금속 표면의 산화반응을 효과적으로 차단할 수 있으며, 이를 아연도금 양극으로 전달하여 보호 중인 구조물에 유리하게 된다.^[6]

이를 위해서는 보호될 양극과 금속 사이에 전자 경로(예: 전선 또는 직접 접촉)가 있어야 하며 산화제(예: 물 또는 습한 토양)와 양극, 그리고 산화제 및 보호될 금속 사이에 이온 경로가 있어야 하며, 따라서 단순히 폐쇄 회로를 형성해야 한다.아연과 같은 아연과 같이 공기 중의 연강과 같은 덜 활동적인 금속(부실한 도체 때문에 폐쇄 회로가 없음)에 대한 ctive 금속은 어떠한 보호도 제공하지 않는다.

양극재

갈바닉 양극, 마그네슘, 알루미늄, 아연으로 사용되는 3가지 주요 금속이 있다. 그것들은 모두 블록, 로드, 플레이트 또는 압출 리본으로 이용 가능하다. 재료마다 장단점이 있다.

마그네슘은 세 가지(갈바닉 시리즈 참조) 중에서 가장 음의 전극성을 가지며 전해질(토양 또는 물) 저항성이 높은 부위에 더 적합하다. 이것은 보통 육지 파이프라인과 다른 매립 구조물이지만, 민물이나 온수기에 있는 배에서도 사용된다. 어떤 경우에는 마그네슘의 음전위가 단점이 될 수 있는데, 보호 금속의 전위가 너무 음전성이 되면 음극 표면에서 수소 이온이 진화하여 수소 부서짐이나 코팅의 해체로 이어질 수 있다.^[7][8] 이것이 가능한 경우 아연 양극을 사용할 수 있다. 그러한 알루미늄-진크-틴 합금 중 하나는 KA90이라고 불리며, 해양 및 온수기 용도에 흔히 사용된다.^[9]

아연과 알루미늄은 일반적으로 소금물에 사용되는데, 일반적으로 저항성이 낮다. 대표적인 용도는 선박과 보트의 선체, 해상 파이프라인 및 생산 플랫폼, 소금물로 냉각된 해양 엔진, 소형 보트 프로펠러 및 방향타, 저장 탱크의 내부 표면 등이다.

아연은 신뢰할 수 있는 물질로 여겨지지만, 더 높은 온도에서 사용하기에 적합하지 않다. (산화물 형성 방패가 더 이상 산화되지 않도록 방패) 이렇게 되면 전류가 흐르지 않고 양극이 작동을 멈출 수 있기 때문이다.^[10] 아연은 상대적으로 낮은 구동 전압을 가지고 있는데, 이는 저항성이 높은 토양이나 물에서는 충분한 전류를 공급하지 못할 수 있다는 것을 의미한다. 그러나, 예를 들어, 수소 부서짐의 위험이 있는 일부 상황에서는 과보호하지 않기 때문에 이 낮은 전압이 유리하다.^[11]

알루미늄 양극은 가벼운 무게와 아연보다 훨씬 높은 용량과 같은 몇 가지 장점을 가지고 있다. 그러나, 그들의 전기 화학적 행동은 아연만큼 신뢰할 수 있는 것으로 간주되지 않으며, 그것들이 어떻게 사용되는지에 더 많은 주의를 기울여야 한다. 염화물 농도가 백만개당 1,446ppm 이하일 경우 알루미늄 양극이 통과된다.^[12]

알루미늄의 단점 중 하나는 녹슨 표면에 부딪힐 경우 큰 열마이트 스파크가 발생할 수 있기 때문에 폭발 대기가 있을 수 있고 양극이 떨어질 위험이 있는 탱크에서는 사용이 제한된다는 점이다.^[8]

갈바닉 양극의 작동은 양극과 음극 사이의 전기적 전위차이에 의존하기 때문에, 실제로 어떤 금속도 전위차이가 충분하다면 다른 금속을 보호하기 위해 사용될 수 있다. 예를 들어, 철 양극은 구리를 보호하는 데 사용될 수 있다.^[13]

설계 고려사항

갈바닉 양극 CP 시스템의 설계는 구조물의 유형, 작동될 전해질(토양 또는 물)의 저항성, 코팅 유형 및 사용 수명을 포함한 많은 요인을 고려해야 한다.

주요 계산은 필요한 시간 동안 구조물을 보호하기 위해 얼마나 많은 양극 재료가 필요한가이다. 너무 적은 재료는 당분간 보호를 제공할 수 있지만 정기적으로 교체해야 한다. 너무 많은 재료는 불필요한 비용으로 보호를 제공할 것이다. kg 단위의 질량은 등식 (5)에 의해 주어진다.^[14]

질량 = (현재 필요 x 설계 수명 x 8760) ÷ (이용률 x 양극 용량)

(5)

• 설계 수명은 년(1년 = 8760시간)이다.
• 양극의 활용인자(UF)는 양극의 형태와 양극이 어떻게 부착되는가에 따라 일정한 값으로, 양극이 효력을 멈추기 전에 얼마만큼의 음극을 소비할 수 있는지를 나타낸다. 값이 0.8이면 양극을 교체하기 전에 음극의 80%를 소비할 수 있음을 나타낸다. 긴 가느다란 스탠드 오프 양극(구조물에서 양극을 멀리하기 위해 다리에 설치)은 UF 값이 0.9인 반면, 짧은 평활 장착 양극의 UF는 0.8이다.^[14]
• 양극 용량은 시간이 지남에 따라 전류가 흐를 때 얼마나 많은 물질이 소비되는지를 나타내는 것이다. 바닷물의 아연 값은 780Ah/kg이지만 알루미늄은 2000Ah/kg으로 ^[14]이론상 알루미늄은 고갈되기 전에 아연보다 중량 당 훨씬 더 많은 전류를 생산할 수 있으며 이는 특정 재료를 선택할 때 고려해야 할 요인 중 하나이다.

필요한 전류의 양은 토양이나 물에 노출된 금속의 표면적에 직접 해당하므로 코팅의 적용으로 필요한 양극재의 질량이 현저히 감소한다. 코팅이 잘될수록 양극재가 덜 필요하다.

일단 물질의 질량이 알려지면, 특정한 형태의 양극을 선택한다. 다른 형태의 양극은 지구에 대한 저항이 다를 것이며, 이는 전류가 얼마나 많이 생성될 수 있는지를 좌우하기 때문에 양극의 저항은 충분한 전류를 사용할 수 있도록 계산된다. 양극의 저항이 너무 높으면 다른 형태 또는 크기의 양극을 선택하거나 더 많은 양의 양극을 사용해야 한다.^[14]

양극의 배치는 전체 구조물에 걸쳐 균일한 전류 분포를 제공하도록 계획된다. 예를 들어, 특정 설계가 10킬로미터(6.2 mi) 길이의 파이프라인이 10개의 양극을 필요로 한다는 것을 보여준다면, 10개의 양극을 모두 한 쪽 끝이나 중앙에 놓는 것보다 킬로미터당 약 1개의 양극이 더 효과적일 것이다.

갈바닉 양극 보호의 장단점

이점

• 외부 전원 필요 없음
• 비교적 쉽게 설치할 수 있음.
• 전압과 전류가 낮다는 것은 다른 구조물에 대해 표류 전류 간섭을 일으킬 위험이 낮다는 것을 의미한다.
• 기존 CP 시스템에 비해 모니터링 빈도가 낮음
• 상대적으로 과보호 위험이 낮음.
• 일단 설치되면, 시스템 구성 요소를 테스트하는 것은 훈련된 담당자에게 비교적 간단하다.

단점들

• 저전류 밀도에서의 양극 질량 및 자체 소비에 의해 제한된 전류 용량.
• 낮은 주행 전압은 양극이 높은 저항성 환경에서 작동하지 않을 수 있음을 의미한다.
• 종종 구조물을 다른 구조물 및 접지로부터 전기적으로 격리시켜야 한다.
• 양극은 무겁고 움직이는 구조물이나 파이프 내부에서의 내수성을 증가시킬 것이다.
• DC 전력을 이용할 수 있는 곳에서 전기 에너지는 아연도금 양극보다 더 저렴하게 얻을 수 있다.
• 큰 배열을 사용하는 경우, 높은 전류 흐름으로 인해 배선이 필요하며 저항 손실을 낮게 유지해야 한다.
• 프로펠러로 유입되는 물의 흐름에 방해가 되지 않도록 양극을 조심스럽게 배치해야 한다.
• 효과를 유지하려면 양극을 검사하거나 정상 유지보수의 일부로 교체해야 한다.

비용효과

일반적으로 사용되는 양극재는 철보다 비용이 더 많이 들기 때문에 철 금속 구조를 보호하기 위해 이 방법을 사용하는 것이 특별히 비용 효과적인 것으로 보이지는 않을 수 있다. 그러나 부식된 선체의 구조 건전성이 부식에 의해 손상되었기 때문에 부식된 선체를 수리하거나 강철 파이프라인 또는 탱크를 교체하는 데 드는 비용도 고려해야 한다.

단, 갈바닉 시스템의 비용 효과에는 한계가 있다. 더 큰 구조물 또는 긴 파이프라인에서는 감전된 전류 음극방지를 설치하는 것이 더 비용 효율적일 정도로 많은 양극이 필요할 수 있다.

희생 양극 생산

주조 공정을 통해 희생 양극을 생산하는 것이 기본이다. 그러나 두 가지 주조 방법은 구별할 수 있다.^[15]

희생 양극을 위한 고압 다이캐스팅 과정이 널리 퍼져 있다. 그것은 완전히 자동화된 기계 공정이다. 제조 공정이 안정적이고 반복 가능한 방식으로 진행되기 위해서는 가공된 희생 양극 합금의 수정이 필요하다. 또는 중력 주조 공정을 사용하여 희생 양극을 생성한다. 이 프로세스는 수동 또는 부분적으로 자동화된다. 합금은 제조 공정에 맞게 개조할 필요는 없지만 100% 최적의 부식 방지를 위해 설계되었다.

참고 항목

• 갈바닉 부식

메모들

참조

• A.W. Peabody, Peabody의 파이프라인 부식 제어, 2001년 2월 2일, NACE International. ISBN 1-57590-092-0
• 슈레이르 L.L. 외, 부식 제2권, 제3권, 1994년 ISBN 0-7506-1077-8
• 배크만, 슈웬크 & 프린츠, 음극 부식 방지 핸드북, 제3판 1997. ISBN 0-88415-056-9
• Det Norske Veritas 권장 음극 보호 설계 DNV RP-B401-2005