3-1. 부식의 개요, 종류, 방지대책에 대하여 설명하시오.

1. 부식의 개요

부식(Corrosion)은 금속 재료(때로는 비금속 재료도 포함)가 주변 환경과의 화학적 또는 전기화학적 반응에 의해 점진적으로 열화(deteriorate)되거나 손상되는 자연적인 과정입니다. 금속은 제련 과정을 통해 불안정한 에너지 상태가 되며, 자연 상태의 안정된 화합물(광석 형태 등)로 돌아가려는 경향이 있습니다. 이러한 과정에서 산소, 물, 산, 염분, 화학 물질 등 주변 환경의 요소와 반응하여 산화물, 수산화물 등의 형태로 변질됩니다.

부식은 재료의 강도 저하, 형상 변화, 기능 상실, 제품 수명 단축, 안전 사고(누설, 파손 등), 미관 손상, 유지보수 비용 증가 등 다양한 문제를 야기하므로 공학 및 산업 분야 전반에서 중요한 관리 대상입니다.

 

2. 부식의 종류

부식은 발생하는 형태나 메커니즘에 따라 다양하게 분류됩니다. 주요 부식의 종류는 다음과 같습니다.

• 전면 부식 (Uniform Corrosion): 가장 흔한 형태의 부식으로, 금속 표면 전체에 걸쳐 거의 균일하게 부식이 진행되는 현상입니다. 녹(Rust)이 슬거나 표면이 변색되는 것이 대표적입니다. 부식 속도가 비교적 일정하여 예측 및 관리가 용이한 편입니다.
• 공식 (Pitting Corrosion): 금속 표면에 작은 구멍(Pit)이나 점 형태의 부식이 집중적으로 발생하는 국부 부식의 한 형태입니다. 표면적 손상은 작지만 깊게 파고들 수 있어 구조적인 문제를 야기하기 쉽고, 발견하기 어려운 경우가 많습니다. 보호피막(Passive Film)이 파괴되기 쉬운 염소 이온(Cl⁻) 등이 존재하는 환경에서 스테인리스강이나 알루미늄과 같은 부동태 금속에서 흔히 발생합니다.
• 틈새 부식 (Crevice Corrosion): 개스킷 아래, 볼트 머리 밑, 겹쳐진 판재 사이 등 좁고 밀폐된 틈새에서 발생하는 국부 부식입니다. 틈새 내부의 환경(산소 농도 차이, 이온 농도 증가 등)이 외부와 달라지면서 부식이 가속화됩니다.
• 갈바닉 부식 (Galvanic Corrosion) / 이종 금속 접촉 부식: 전위차가 다른 두 종류의 금속이 전기적으로 접촉하고 전해질 용액(물 등)에 노출될 때 발생합니다. 전위가 낮은(활성적인) 금속이 양극이 되어 우선적으로 부식되고, 전위가 높은(비활성적인) 금속(음극)은 보호됩니다. (예: 철 배관에 구리 밸브 연결 시 철 배관 부식 가속)
• 입계 부식 (Intergranular Corrosion): 금속 결정립(Grain)의 경계면을 따라 부식이 집중적으로 발생하는 형태입니다. 합금 성분의 편석이나 석출물(예: 스테인리스강의 크롬 탄화물) 때문에 입계면이 주변 결정립보다 부식에 취약해져 발생합니다. 표면 손상이 크지 않더라도 재료의 강도가 급격히 저하될 수 있습니다.
• 응력 부식 균열 (Stress Corrosion Cracking, SCC): 특정 부식 환경과 금속에 가해지는 인장 응력(외부 하중 또는 잔류 응력)이 복합적으로 작용하여 금속에 균열이 발생하고 전파되는 현상입니다. 연성 재료에서도 취성 파괴와 유사한 형태로 갑작스러운 파손을 유발할 수 있어 매우 위험합니다.
• 침식 부식 (Erosion Corrosion): 부식과 유체의 기계적인 침식 작용이 동시에 일어나는 경우입니다. 유속이 빠르거나 난류가 심하거나 유체 내부에 마모성 입자가 포함되어 있을 때, 유체가 금속 표면의 보호피막이나 부식 생성물을 제거하여 부식이 계속 진행되도록 가속화합니다. 펌프 임펠러, 밸브, 곡관부 등에서 발생하기 쉽습니다.
• 캐비테이션 부식 (Cavitation Corrosion): 펌프나 프로펠러 등에서 유속 변화에 의해 증기 기포가 생성되고 소멸(붕괴)되는 과정에서 발생하는 충격과 부식이 복합적으로 작용하여 재료를 손상시키는 현상입니다.
• 미생물 부식 (Microbiologically Influenced Corrosion, MIC): 특정 미생물의 활동이 금속 표면의 국부적인 환경을 변화시켜 부식을 유발하거나 가속시키는 현상입니다.

3. 부식의 방지 대책

부식을 방지하거나 속도를 늦추기 위해서는 부식 반응의 세 가지 주요 요소(금속, 환경, 전위/응력) 중 하나 이상을 제어해야 합니다.

• 재료 선정:
  • 부식 환경에 대해 내식성이 우수한 금속이나 합금(예: 스테인리스강, 니켈 합금, 티타늄 합금 등)을 선정합니다.
  • 비금속 재료(플라스틱, 세라믹, 복합재료)를 사용하는 것도 대안이 될 수 있습니다.
• 환경 제어:
  • 수처리: 수배관 시스템 등에서는 물의 성분을 조절하여 부식성을 낮춥니다. (예: 용존 산소 제거, pH 조절, 염분/염소 이온 농도 감소, 경도 성분 제거)
  • 억제제(Inhibitor) 사용: 부식 환경에 소량의 화학 물질(부식 억제제)을 첨가하여 금속 표면에 보호 피막을 형성하거나 부식 반응 속도를 늦춥니다.
  • 온도 및 속도 조절: 시스템 운전 온도나 유속을 조절하여 부식 발생을 억제합니다 (특히 침식 부식 등 유속 관련 부식).
• 보호 코팅 및 라이닝:
  • 금속 표면에 페인트, 고분자 코팅, 에나멜, 고무 라이닝 등 보호층을 형성하여 금속과 부식 환경의 접촉을 물리적으로 차단합니다.
  • 다른 금속으로 코팅하기도 합니다 (예: 철강재에 아연 도금 - 갈바나이징).
• 음극 방어 (Cathodic Protection):
  • 금속을 전기화학적 셀의 음극으로 만들어 부식 반응(양극 반응)이 일어나지 않도록 하는 방법입니다.
  • 희생양극법: 부식 대상 금속보다 전위가 낮은(활성적인) 다른 금속(예: 아연, 마그네슘, 알루미늄 합금)을 전기적으로 연결하여, 이 금속이 희생적으로 부식되면서 보호 대상 금속을 보호합니다.
  • 외부 전원법: 외부 직류 전원 장치를 이용하여 보호 대상 금속에 음의 전위를 인위적으로 가해 부식 전류를 상쇄시키는 방법입니다.
• 설계적 고려:
  • 부식에 취약한 구조(틈새, 액체 고임 부위, 급격한 유속 변화 부위)를 피하여 설계합니다.
  • 배수 및 환기가 용이하도록 하여 습기가 정체되지 않도록 합니다.
  • 이종 금속 접촉 시에는 절연 조치를 하거나 전위차가 작은 금속 조합을 사용합니다.
  • 응력 집중을 피하고 잔류 응력을 최소화합니다.
• 유지보수 및 감시:
  • 정기적인 육안 검사 및 비파괴 검사를 통해 부식 발생 여부를 확인합니다.
  • 보호 코팅 손상 부위를 보수합니다.
  • 시스템 내부 환경(수질 등)을 지속적으로 모니터링합니다.

부식 방지는 설비의 수명 연장, 안전성 확보, 운영 효율성 유지 및 환경 보호를 위해 매우 중요하며, 효과적인 부식 관리를 위해서는 부식의 종류와 발생 원인을 정확히 이해하고 상황에 맞는 복합적인 방지 대책을 적용해야 합니다.