3-4. 배관 스케일(Scale)의 종류 및 생성 원인, 장애, 생성 방지에 대하여 설명하시오.

배관 스케일(Scale)의 종류, 생성 원인, 장애 및 생성 방지

배관 스케일(Scale)은 유체가 흐르는 배관 내벽에 침착되는 단단한 비금속성 무기물 또는 유기물 형태의 침전물을 총칭합니다. 이는 주로 유체 내에 용해되어 있던 물질들이 물리적, 화학적 변화에 의해 결정화되거나 고체화되어 배관 표면에 부착되면서 형성됩니다.

 

1. 배관 스케일의 종류

배관 스케일은 유체의 성분과 시스템의 조건에 따라 다양하며, 주요 종류는 다음과 같습니다.

• 탄산칼슘 스케일 (Calcium Carbonate, CaCO3​): 가장 흔하게 발생하는 스케일로, 물의 경도(칼슘, 마그네슘 이온)와 알칼리도(탄산염, 중탄산염)가 높을수록 잘 생성됩니다. 온도가 상승하거나 압력이 낮아지면 용해도가 감소하여 침전되기 쉽습니다. 단단하고 치밀한 흰색 또는 회백색의 침전물 형태로 나타납니다. (방해석, 아라고나이트 등 결정 구조 다양)
• 황산칼슘 스케일 (Calcium Sulfate, CaSO4​): 물에 용해된 황산칼슘의 농도가 높거나 증발이 심하게 일어나는 경우(예: 보일러, 냉각탑) 생성될 수 있습니다. 온도가 높아질수록 용해도가 감소하는 경향이 있으며, 매우 단단한 스케일을 형성합니다. (석고, 반수석고, 무수석고 등)
• 마그네슘 스케일 (Magnesium Hydroxide, Mg(OH)2​ 등): 마그네슘 이온이 포함된 물에서 pH가 높아지거나 온도가 상승할 때 주로 생성됩니다. 비교적 부드러운 스케일 형태를 띨 수 있습니다.
• 실리카 스케일 (Silica, SiO2​ 등): 규산염 성분이 높은 물에서 고온 고압 조건에서 생성되기 쉽습니다. 매우 단단하고 유리처럼 투명하거나 반투명한 스케일을 형성하며, 제거가 어렵습니다.
• 철산화물 스케일 (Iron Oxides/Hydroxides): 배관 자체의 부식 생성물(녹)이거나, 유체 내에 용해 또는 부유하던 철 성분이 침전되어 형성됩니다. 붉은색, 갈색 또는 검은색을 띠며, 슬러지 형태나 단단한 스케일 형태로 나타날 수 있습니다.
• 기타: 인산염(Phosphates), 황화물(Sulfides), 유기물 등이 혼합된 형태의 스케일도 존재합니다.

2. 스케일의 생성 원인

스케일은 주로 다음과 같은 조건에서 유체 내 용존 성분의 용해도 변화와 관련하여 생성됩니다.

• 온도 변화: 많은 스케일 유발 성분(특히 탄산칼슘)은 온도가 상승할수록 용해도가 감소합니다. 따라서 열교환기, 보일러 등 고온 설비의 열 전달 면에서 스케일 생성이 활발합니다.
• 압력 변화: 압력 감소(특히 감압 밸브 후단 등)는 유체 내 용존 기체(특히 CO2​)의 방출을 유도하고 pH를 상승시켜 스케일 생성을 촉진할 수 있습니다.
• 농도 증가: 물의 증발(보일러, 냉각탑)이나 특정 성분의 지속적인 유입으로 유체 내 용존 성분의 농도가 포화 농도 이상으로 증가하면 침전이 발생합니다.
• pH 변화: pH가 상승하면 탄산칼슘, 마그네슘 수산화물 등의 용해도가 감소하여 침전이 촉진됩니다.
• 유속 감소 또는 정체: 유속이 느리거나 정체되는 구간에서는 성분들이 배관 표면에 접촉할 시간이 길어지고, 침전된 입자들이 다시 유체에 휩쓸려 가지 않아 스케일이 쌓이기 쉽습니다.
• 배관 표면 상태: 거칠거나 이미 부식 또는 스케일이 형성된 표면은 결정 성장을 위한 핵 생성 부위(Nucleation Site) 역할을 하여 새로운 스케일 생성을 촉진합니다.
• 이종 금속 접촉 또는 부식 생성물: 갈바닉 부식 등으로 인해 발생한 금속 이온이나 부식 생성물이 스케일 형성을 유도할 수 있습니다.

3. 스케일로 인한 장애

배관 내 스케일은 설비의 성능 저하 및 다양한 문제를 야기합니다.

• 유량 감소 및 압력 강하 증가: 배관 내경이 좁아져 동일 압력에서 유량이 감소하거나, 동일 유량을 보내기 위해 더 높은 압력이 필요하게 되어 펌프 동력이 증가합니다.
• 열 전달 효율 저하: 스케일은 금속에 비해 열 전도율이 매우 낮습니다. 열교환기, 보일러, 응축기 등의 열 전달 면에 스케일이 끼면 열 전달 효율이 급격히 떨어져 냉난방 성능 저하 및 에너지 소비량 증가의 주원인이 됩니다.
• 부식 촉진: 스케일 밑에 농담 전지(Differential Aeration Cell)를 형성하여 국부적인 부식(Under-Deposit Corrosion)을 유발하거나, 스케일 내부에 부식성 물질이 농축되어 배관 손상을 가속화할 수 있습니다.
• 설비 손상 및 수명 단축: 보일러 튜브의 스케일은 국부 과열을 유발하여 튜브가 파열되는 심각한 사고를 초래할 수 있습니다. 또한 밸브, 노즐 등 정밀 부품에 스케일이 끼어 고장을 일으키고 설비의 전반적인 수명을 단축시킵니다.
• 잦은 유지보수 및 수리 비용 증가: 스케일 제거를 위한 화학적 세관 또는 물리적 청소 작업이 필요하며, 이와 관련된 비용과 가동 중단 손실이 발생합니다. 심한 경우 배관이나 설비 자체를 교체해야 합니다.
• 공정 효율 저하: 필요한 유량이나 온도를 맞추기 어려워져 전체 공정의 생산성 및 효율이 저하될 수 있습니다.

4. 스케일 생성 방지

스케일 생성 방지는 주로 유체의 성분을 조절하거나 시스템의 운전 조건을 제어함으로써 이루어집니다.

• 수처리(Water Treatment): 가장 근본적이고 효과적인 방법입니다.
  • 연수화(Softening): 이온 교환 수지 등을 사용하여 스케일 주성분인 칼슘, 마그네슘 이온을 제거합니다.
  • 탈염/순수 제조: 역삼투압(RO), 전기투석(ED), 이온 교환 등 다양한 방법을 통해 물 속 대부분의 용존 성분을 제거하여 스케일 생성을 원천적으로 방지합니다. (보일러 용수, 초순수 제조 등에 사용)
  • 스케일 억제제 주입: 결정 핵 생성 및 성장을 방해하거나, 생성된 미세 스케일 입자를 분산시켜 배관 표면에 부착되지 않도록 하는 화학 약품(폴리인산염, 포스포네이트, 고분자 등)을 주입합니다.
  • pH 조절: 산(예: 황산)을 소량 주입하여 pH를 낮춤으로써 탄산칼슘 등의 용해도를 증가시켜 침전을 억제합니다. (단, 부식 가능성 고려 필요)
  • 탈기(Degassing): 용해된 CO2​ 등 스케일 생성에 영향을 주는 기체를 제거합니다.
• 시스템 설계 및 운전 개선:
  • 적정 유속 유지: 스케일 성분이 침전되지 않도록 충분한 유속을 유지합니다.
  • 정체 구간 최소화: Dead Leg 등 유체가 고이거나 흐름이 느려지는 구간을 최소화하도록 배관을 설계합니다.
  • 블로우다운(Blowdown): 특히 보일러나 냉각탑에서는 농축된 물의 일부를 주기적으로 배출하고 새로운 물을 보충하여 스케일 유발 성분의 농도가 과도하게 높아지는 것을 방지합니다.
  • 여과(Filtration): 물 속에 부유하는 미세 입자를 제거하여 스케일 핵 생성을 줄입니다.
• 물리적 처리:
  • 자력/전자/초음파 처리: 물리적인 에너지를 가하여 스케일 유발 성분의 결정 구조나 부착 특성을 변화시켜 스케일 생성을 억제하려는 시도가 있으나, 효과에 대해서는 적용 분야 및 조건에 따라 논란이 있을 수 있습니다.
• 배관 재질 및 코팅: 스케일 부착이 적은 재질을 사용하거나, 내부에 스케일 방지 코팅을 적용하는 것을 고려할 수 있습니다.

스케일 방지는 단일 방법보다는 여러 방법을 조합한 통합적인 수처리 및 시스템 관리 방안을 통해 가장 효과적으로 이루어질 수 있습니다.