Ⅰ.서 론
보일러를 운전하는 동안 스케일 부착과 캐리오버 발생은 열효율 및 터빈효율 저하 등에 의하여 어느정도 감지할 수는 있으나, 부식은 보일러 운전 중에 발생을 감지 하기 곤란하므로 부식의 예방에 특히 주의하여야 한다.
따라서, 보일러의 주요 재료인 강(鋼)을 중심으로, 수질에 의한 부식 발생 원인과 진행은 기구(mechanism) 및 각 부분에서 발생하는 부식의 특징 등을 알아보고, 그에 대한 대책으로 보일러 공급수의 수처리 방안을 기술한다.
Ⅱ. 부 식
2.1 부식의 형태
보일러 설비에 발생하는 부식은 그 형태별로 다음과 같이 나누어진다.
(1) 일반부식
금속면에 일정한 형태로 발생되는 부식으로서 부식 생성물의 성상과 환경조건에 따라 부식 생성물이 부식 발생면에 부착하는 경우와 부착하지 않고 탈락되어 부식 금속면이 노출되는 경우가 있다.
이 형태의 부식은 특히 격렬하게 발생하지 않는한, 부식부의 기능 및 기계적 강도를 직접 저하시키는 경우는 드물지만, 그 부식 생성물로 인하여 2차 장해의 원인이 될 위험성이 있다.
(2) 알카리 부식
유리 알카리 농도가 높은 고온수에 의해 강에 발생하는 부식의 형태로 내처리로서 주로 알카리 처리를 실시하는 보일러의 전열면 등에 발생한다.
(3) 점식
국부적인 곳에 깊이 발생하는 부식으로 한정된 범위에 약간 발생하더라도 부식부의 기능과 기계적 강도를 직접 저하시킬 위험성이 큰 부식이다.
또한 점식은 적은 면적에 깊고 둥근 모양으로 발생되므로 공식이라고도 한다.
2.2 알카리 부식
고온수에서 pH가 어느 한도 이상 높게 유지되면 철의 산화물을 용해하는 경향이 강하게 되어 알카리 부식을 일으키게 된다. 이 형태의 부식은, 주로 보일러 내부 혹은 과열기 관내면에 발생되기 쉽고, 그 기구는 다음 보일러 설비 각 부의 부식에서 설명 한다.
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2.3 점식 (Pitting)
점식은 국부전지의 작용에 의해서 발생 진행된다.
즉, 물이 전해액이 되고, 한정된 면적의 강면이 양극, 양극 주변의 강면이 음극으로 되어서 국부전지가 구성이 된다. 그런데 강면으로부터 철의 용출이 양극에서 집중적으로 일어나기 때문에 양극의 강면이 깊게 부식되며 점식의 형태로 발전하게 된다.
이와 같이 점식의 직접 원인은 국부전지의 구성이라 할 수 잇으나 보일러 설비의 수측에서 국부전지가 생성되는 주요 원인은 용존산소이다. 용존산소가 존재하지 않는 다면 국부전지가 일시적으로 발생되었다 하더라도, 계속적으로 전지가 유지되지 않는 수가 많다.
따라서 보일러수의 온도가 높고 낮음, 보일러 설비를 운전중 혹은 휴전중 등의 조건에 상관없이 용존산소를 제거함이 점식방지에 가장 효과적인 대책이라 할 수 있다. 그러나, 점식은 수중에 용존산소가 존재하는 것만으로 발생되는 것이 아니라 鋼자체, 특히 강면의 상태, 강면에 접촉하는 물의 성상, 강면에서 발생되는 응력의 유무 등의 여러 조건과 결부되어서도 발생되기 때문에 특히 주의하여야 한다.
2.4 보일러 설비 각 부의 부식
(1) 급수계통의 부식
급수가열기 등이 부착된 설비에서 급수가열기의 관에 부식이 발생하면, 부식 부분의 문제뿐만 아니라, 부식생성물이 보일러 내부로 유입해서 보일러 부식의 원인과 증발관에 부착하여 열효율 저하의 원인도 된다.
급수계통 부식의 주요 원인은 pH의 낮음과 용존산소에 있다. 급수의 pH는 보일러수에 농축이 일어나더라도 보일러 수의 pH가 너무 올라가지 않을 정도로 높여주는 것이 바람직하지만, 이때 동 합금 등이 부식이 될 수 있으므로 주의 하여야 한다.
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(2) 보일러의 부식
운전중의 보일러는 온도가 높을 뿐 아니라, 보일러수는 다른 계통의 물보다도 농도가 높기 때문에 가장 부식을 일으키기 쉬운 조건을 구비하고 있다.
수중의 용존산소를 원인으로 하는 보일러의 점식에 대해서는 앞의 항에서 서술하였으므로, 기타 보일러의 부식의 원인 및 기구에 대해서 다음과 같이 서술한다.
1) 부식 생성물 유입에 의한 보일러 본체의 부식급수ㆍ보급수ㆍ복수의 각 계통에 부식이 발생하면, 보일러 본체 내부로 Fe2+, Cu2+, 철산화물 등이 유입되어 보일러 본체에서도 부식이 발생되기가 쉽다.
예를 들자면, 유입물질 중 Fe2+는 보일러수 중의 OH-와 결합해서 Fe(OH)2로 되고, 분해하여 Fe3O4가 보일러수를 순환하는 동안 수관의 굴곡부에 부분적으로 부착되고 또는 드럼 밑부분에 침강 퇴적되면, 앞에서 서술한 바와 같이 산소농담 전지가 구성 (용존산소가 존재하는 경우)되어 점식이 발생된다.
2) 염화마그네슘에 의한 부식
보일러수 중에 염화마그네슘(MgCl2)이 용존되어 있으면, MgCl2는 고온의 전열면에서 다음 식(3)과 같이 가수 분해된다.
MgCl2 + 2H2O → 2Mg(OH)2 + 2HCl (3)
염산(HCl)은 강산이므로 전열강면을 식(4)와 같이 용해한다.
Fe + 2HCl → FeCl2 + H2 (4)
MgCl2와 FeCl2는 식(5)와 같이 반응하여 MgCl2를 재생한다.
Mg(OH)2 + FeCl2 → MgCl2 + Fe(OH)2 (5)
따라서 식(3)∼식(5)의 반응이 반복되어 전열강면이 부식된다.
식(3)의 가수분해는 일반적으로 180℃ 이상의 온도에서 일어나기가 쉽다. 따라서 이와 같은 반응에 의한 부식을 방지하기 위해서는 급수 중에 Mg2+을 존재시키지 않음이 근본 대책이지만, 보일러수의 pH를 적당히 높혀두면 MgCl2가 불용성의 Mg(OH)2로 변화되어 강을 용해시키는 HCl의 생성이 방지될 수 있다.
3) 알카리에 의한 부식
증발관과 같이 열부하가 높은 관의 내면 온도는 보일러수의 평균온도 보다도 높을 뿐 아니라, 관 내면의 표면상태 등에 따라 어느 특정 위치에서 보일러수의 증발이 집중되 어 그 부분의 온도가 대단히 높아지는 수가 있다.
이와 같은 위치를 일반적으로 집중 과열점(Hot Spot)라 하며, 집중과열점 부근의 보일러수는 아주 심하게 농축된다.
따라서 보일러수중에 산화나트륨이 함유되어 있으면, 수산화나트륨의 농도도 집중 과열점 부근에서 대단히 높아져서, pH가 이상 상태로 상승되기 때문에, [그림2.1]에서 나타난 바와 같이 강의 부식이 심해진다.
즉, pH가 11∼12(순수한 물에 수산화나트륨 만을 용해하는 경우를 가정하면, 수산화나트륨의 농도가 40∼400ppm일 때의 pH)로 유지되면 강의 부식은 가장 적게 되지만 수산화나트륨 농도가 너무 높으면 위의 식과 같 이 반응하여 생성된 Fe(OH)2가 식(6)과 같이 가용성의 NaFeO2(Sodium Ferroite)를 생 성하여, 알카리 부식이 발생된다.
Fe(OH)2 + 2NaOH → NaFeO2 + 2H2O (6)
또 유리알카리는
Fe + 2NaOH → NaFeO2 + H2 (7)
따라서 알카리 부식은 농축 알카리에 의해 발생되는 강의 부식이므로 보일러수에 유리 알카리를 존재 시키지 않으면 발생되지 않는다.
4) 증기분해에 의한 부식
수관 보일러의 과열관 등에서는 가열된 기체상의 증기가 강면과 접촉하는 기회가 많게 된다. 따라서 이 경우에는 고온의 증기는 일부 분해가 되어서 강면을 산화 부식하는 수가 있다.
증기와 강면과의 반응은 강과 고온수의 반응과 동일하게 나타낼 수 있다. 즉,
3Fe(고체) + 4H2O(기체) → Fe3O4(고체) + 4H2(기체) (8)
강면이 식(8)에서 생성된 Fe3O4로 피막되어 진다면, 보호피막의 역할을 한다고 할 수 있으나, 표면상태 및 온도변화 등에 의한 열응력, 기계적충격, 보일러수의 화학작용 등에 의해 피막이 파괴되면, 식(8)의 반응이 계속되어 부식이 발생된다.
보일러수 중에 용존산소가 존재하면 증기 중에도 산소가 함유되므로 강에 대한 산화력이 증가하여 부식이 발생된다.
5) 산세에 의한 부식
보일러 내부를 산으로 세척할 때에는 HCl과 같은 강산을 보일러 내부로 유입하기 때문에 산액의 조성, 조작 온도 등이 적절치 못하면 부식이 발생할 위험이 있다.
따라서 산액에는 보일러의 내면에 부착된 스케일 및 부식생성물에 대한 산의 용해 및 박리능력을 저하시키지 않고 강에 대한 부식작용을 억제시키는 부식억제제를 첨가 시켜 두어야 한다. 그러나 보일러 내부가 심하게 오염되어 있는 경우와 특히 산에 용 해되어 Fe3+(제2철 이온)과 Cu2+(제2동이온)를 생성하는 부식생성물이 다량으로 있는 경우에는, 부식억제제를 첨가하는 것만으로는 강의 부식을 충분히 방지할 수 없으므로 다른 억제제를 병용 사용하거나 전처리를 행하여야 한다.
(3) 증기계통의 부식
캐리오버가 발생하여 증기 중의 고형물 농도가 증가하면 과열기, 터빈 등에 고형물이 부착한다.
과열기의 관 내면에 고형물이 부착하면 증기유량 및 증기로의 열전달이 저 하되어 관벽온도가 상승하기 때문에, 관내면은 식(8)의 반응과 같이 증기분해의 부식을 받는다.
또 보일러의 휴전 또는 가동정지 시에는 부착물이 수분을 흡수하여 농도 가 높은 전해질 용액으로 되어서 관 내면을 부식한다. 특히 내처리 방식으로서 알카 리 처리를 한 보일러수에서 캐리오버가 일어나면 부착물 중 수산화나트륨 농도가 높아져서 보일러 운전 중 고온에 의한 알카리 부식이 발생될 수 있다.
터빈에서도 위와 유사한 부식이 발생된다고 할 수 있으나, 오히려 CO2와 SO2에 의 한 부식이 발생되기 쉽다. CO2는 단순 연화수를 보급수로 하는 경우와 탄산소다를 보일러 내처리제로 하여 사용하는 경우에 보일러내에서 중탄산염과 탄산염이 분해되어 생성되며, SO2는 고압보일러에서 아황산나트륨(NaSO3)를 탈산소제로 하여 사용하는 경우에 보일러 내에서 NaSO3가 분해하여 생성되는 기체이다.
그런데 이들 기체의 일부는 증기의 일부가 터빈 내에서 응축하는 경우에 응축수에 용해되어서 pH를 저하시키고 부식을 발생한다. 또한 캐리오버에 의해 증기중의 고형 물 농도가 증가하면 터빈날개에 고형물이 부착되고 물방울이 서로 충돌하여 기계적 손상을 받는 수가 있다.
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