부식 및 온도 상관관계는 수도관 재질, 수질화학적 특성따라 다르다
< 부식에 영향을 미치는 인자 >
부식에 영향을 미치는 인자는 물리적인 인자, 화학적인 인자, 미생물학적인 인자로 구분된다. 물리적인 인자는 접촉면적, 온도, 유속 등이 있고, 화학적인 인자는 pH, 염소이온, 용존 염, 용존가스(CO2, O2, NH3, H2S 등) 등이 있으며, 미생물학적인 인자는 미생물의 생성적인 인자들이 있다.
물리적인 인자
이종 금속 및 금속의 접촉면적 전도성 용액에서 상이한 두 금속을 직접 접촉시키면 이들 사이에 전위차가 발생한다. 낮은 전위의 금속이 양극이 되어 galvanic cell이 형성되어 부식이 발생한다. 이때 부식율은 음극과 양극의 상대적인 접촉면적의 비율에 의해 좌우된다.
온도 부식과 온도의 상관관계는 수도관의 재질과 수질화학적 특성에 따라 다르며 일반적으로 온도가 상승할수록 부식이 촉진된다. 예를 들어 수온이 10℃ 상승되면 부식은 2배로 증가되고 전극전위도 절대온도에 비례하므로 부식반응속도도 증가한다.
일반적으로 온도가 상승하면 확산도 잘 되기 때문에 과전압(overvoltage)과 점도를 감소시킨다. 확산이 잘 되면 용존산소가 음극 표면에 쉽게 도달하여 부식 전지를 감극화(depolarizing)하기 쉽다. 과전압이 감소되면 수소 방출에 의한 감극화도 잘 발생한다. 점도의 감소는 대기 중에 있는 산소의 용해도를 증가시키고 수소 방출을 촉진하므로 감극작용 메카니즘을 도와주는 역할을 한다.
급수시스템에서 온도가 상승하면 산소의 용해도와 용존 산소의 양이 감소함에도 불구하고 부식율은 증가한다. 이는 확산 속도가 더 빨리 증가하기 때문이다. 전체적인 효과는 금속 표면에 도달하는 용존산소의 양이 증가하기 때문이다. 이러한 경향은 76.7℃까지는 계속되지만 그 후에는 용존산소의 손실이 확산에 의해 증가하는 양을 초과하기 때문에 부식율은 다시 감소한다.
같은 금속 조각 내에서도 뜨거운 부분이 차가운 부분보다 쉽게 양극화하게 된다. 이러한 조건은 온도가 불균일하게 분포되는 시스템에서 부식이 쉽게 발생되는 원인이 된다.
일부 금속이나 합금들은 온도가 상승함에 따라 전기적인 전위(potential)를 바꾸기도 한다. galvanized steel에 코팅된 아연(zinc)은 약 65.6℃에서는 철부분에 대해 음극이 되기 때문에 더 이상 부식 방지 역할을 하지 못한다.
또한, 탄산칼슘은 온도가 높아지면 고체로 침전되는 특징을 갖고 있어 온도가 높을수록 탄산칼슘의 침전이 잘 이루어져 보호막이 형성될 수 있다. 이에 따라 방식 효과가 있지만 반면에 과도한 탄산칼슘 침전이 이루어져 관 폐쇄현상을 일으키게 한다.
유 속 수도관의 부식속도는 금속표면에 대한 용존산소의 확산속도에 지배되어, 보통 유속이 증대되면 금속의 부식속도는 상승한다. 유속이 빠르면 희석작용이 활발해지기 때문에 다른 금속들이 유입되지 않아도 부식생성물과의 결합이 촉진되어 관 표면의 부식이 빠르게 진행된다.
또한 유속이 증가하면 관 내면의 보호막이나 관표면을 기계적으로 침식시켜 부식을 증가시킬 수 있다. 반면에 방청제를 사용하는 경우 유속을 증가시키면 방청제의 확산속도도 증가하기 때문에 방청제가 보호막을 형성하는데 도움을 주어 양호한 방청효과를 얻을 수 있다.
반면에 물이 정체되거나 유속이 느려지면 정상적인 방청제 농도로는 부식방지가 곤란하다. 또한, 물이 정체되면서 결절과 홈을 형성하고 미생물의 성장을 촉진시켜 관의 수명을 감소시킨다. 적수 문제도 물이 정체되는 곳에서 발생한다. 방청제의 농도가 저 농도일 때 유속을 증가시키면 방식효과는 개선된다. 방청제가 충분히 첨가된 경우에도 양호한 방식효과를 기대하기 위해서는 최소 0.5m/sec 이상의 유속은 유지되어야 한다.
화학적인 인자
pH 수도관의 부식은 양극 반응에 의하여 생성되는 금속 이온이 수돗물에서 쉽게 용해될수록 그 속도가 증가한다. 많은 종류의 수도관은 일정한 조건에서는 산화물 피막을 형성하여 부동태화 되어 부식이 감소된다. 그러나 pH가 낮아지면 부동태 산화 피막은 용해도가 증가하여 그 형성이 방해되고 그에 따른 수도관 부식이 진행된다. 자연 상태의 물은 pH가 4.3∼10이며 이 범위에서는 부식에 심각한 영향을 미치지 않는다. 최적의 부식방지를 위해서는 pH를 6 이상으로 유지할 필요가 있다.
그러나 pH 8 이상에서는 탄산칼슘이나 인산칼슘의 석출이 용이하기 때문에 스케일 방지제를 병용할 필요가 있다. 방청제에 의한 부식속도의 제어는 pH에 많은 영향을 받는다. 폴리인산염은 일반적으로 pH 6∼7 가장 효과가 좋고, 규산염은 유효 적정 pH 범위가 넓어 pH가 8까지 올라가기 때문에 부식방지에 효과가 크다.
전기전도도 수돗물 중 염소이온이나 황산이온 등과 같은 부식성 이온들은 산화피막의 파손을 초래한다. 또한 침적물 하부에 농축되는 이온은 국부부식을 유발한다. 마지막으로, 수돗물에 존재하는 이온은 수도관 표면의 각 장소에서 부식 반응시 요구되는 전기적인 중화를 빨리 만족시켜 부식을 촉진한다.
부식전지에서 전자는 금속을 통하여 음극 부위로 흐른다. 그러므로 음극 부위는 전기적으로 다른 표면보다 음으로 하전 된다. 양극 부위에서는 철이 양이온 형태로 수돗물에 녹아 나오게 된다. 그러므로 양극 부위는 다른 표면에 비하여 더욱 양의 값을 나타낸다. 이렇게 생기는 전기적 불균형은 수돗물 내의 양이온을 음극부위로, 그리고 음이온은 양극부위로 이동하여 전기적인 중화를 만족시켜야 한다. 수돗물에 존재하는 이온 농도가 높을수록 이러한 전기적 중화가 쉽게 이루어진다. 따라서 전도도가 높은 수돗물은 이온농도가 높으므로 부식성이 크게 된다.
염소이온 물중의 염소이온은 관 표면에 심각한 핏팅을 일으킬 수 있다. 스테인레스 강관은 염소이온의 농도에 비례해서 틈 부식(crevice corrosion)을 일으킨다. 응집침전 과정에서 알카리제로 첨가되는 수산화나트륨, 소석회는 주철관에서 염소이온의 부식성을 감소시켜 주지만, 인산염계나 규산염계의 부식방지제와 같이 양극을 보호하기 위해 투입되는 방청제가 불충분하게 되면 핏팅을 촉진하게 된다. 구멍(pit)의 저부에 수소이온과 결합된 염소이온의 작용과 강산의 형성에 대한 메카니즘은 아래와 같다. 염소이온은 용존산소가 부족한 구멍이나 틈으로 이동하여 강산상태에서 용존 금속과 결합하게 된다. 또한 강산은 금속의 용출속도를 증가시킨다. 금속이온의 농도는 염소이온에 있어서 틈이나 구멍으로의 이동속도를 증가시킴으로써, 틈이나 구멍 내의 염소이온의 농도는 수중의 농도보다도 3~10배 정도 높아지게 된다.
어떤 틈 내에서는 pH가 3~4까지 내려가게 된다. 내식성을 갖게 되는 부동태 층을 형성하고 있는 금속이나 합금은 특별히 틈 부식에 영향을 받는다. 스테인레스 강관의 표면에 형성된 보호막은 염산에 의해 파괴되어 틈 부식은 더욱 진행되게 된다. 이러한 부식은 염소이온의 농도가 50mg/L 이상이 되면 나타난다. 틈 부식의 부식성과 부식경향은 온도, 응력(stress)과 염소이온의 농도가 증가할수록 커지게 된다. 규산염계방청제는 성분 중의 알칼리도 때문에 틈 부식을 억제하는데 있어 인산염계보다 효과적인 것으로 알려져 있다.
알칼리도(Alkalinity) 물의 알칼리도는 산을 중화시킬 수 있는 능력의 크기를 말한다. 자연수의 알칼리도는 약한 염기나 센 염기에 의하여 나타날 때도 있으나, 주로 약한산의 염들에 기인한다. 자연수 중에 알칼리도를 나타내는 주요 물질은 중탄산염(HCO3-), 탄산염(CO32-)과 수산화물(OH-)이며 다음과 같은 식으로 나타낼 수 있다.
총알칼리도(mg/L) =
[HCO3-] + 2[CO32-] + [OH-] - [H+]
탄산염과 중탄산염의 농도는 부식에 많은 영향을 미치는데, 이것은 CaCO3, FeCO3, Cu2CO3(OH)2, Zn5(CO3)2 (OH)2, Pb(CO3)2(OH)2 등과 같은 피막을 형성하거나 제거할 수 있는 물의 능력을 나타내기 때문이다. 또한 납, 구리, 아연 등과 같은 금속과 용해도가 높은 착화물을 형성한다.
상수도 계통에서 알칼리도의 조절은 금속의 부식조절에 중요한 역할을 한다. 정수처리시 Ca(OH)2를 첨가하여 부식성이 강한 물의 칼슘과 알칼리도를 증가시켜 부식성을 감소시킨다. 음극 부위에서 생성된 OH-이온은 국부적인 pH 상승을 초래한다. 이러한 국부적인 pH 상승은 음극 부위에 탄산칼슘의 석출을 일으킨다.
이러한 스케일의 형성은 이 부위에 산소가 확산되어 접근하는 것을 도와서 더 이상의 음극 반응이 진행되는 것을 막아 수도관의 부식을 억제한다. 물의 pH가 7을 넘어 알칼리성을 나타낼 경우 수중에는 중탄산염이 증가하며 일부 탄산염이 생성된다. 중탄산염과 탄산염은 탄소강의 부식방지제 역할을 한다.
☞ 다음호에 계속
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