부식 과학 및 보호 기술의 주목할만한 개발 동향
출처: Material Protection 1999
1 서문
부식 과학은 응용 과학입니다 학문적 특성상 국가경제 및 국방건설과 밀접하게 연관되어 있으며, 화학(전기화학), 물리학, 기계공학, 금속공학, 미생물학 등 여러 관련 학문이 상호침투/교차되는 가장자리이기도 합니다. , 여러 면에서 환경 과학과 많은 유사점을 가지고 있습니다. 기술적으로는 광학, 전자광학, 표면과학기술 등 관련기술의 지속적인 발전에 따라 부식과학 및 보호기술의 발전이 촉진되어 왔다. 이 기사에서는 최근 몇 년간 부식 과학 및 보호 기술 분야의 몇 가지 주목할만한 발전에 대해 논의할 것입니다.
2 개발 동향
2.1 금속/부식 매체 계면 반응의 현장 연구
EIS 및 AFM, STM, SERS 및 QCM과 같은 전기화학적 방법을 사용합니다. 등 관련 과학/기술의 최신 성과, 특히 부식 전기화학, 고온 산화/부식성 마모 및 금속/부식성 환경 매체 경계면에서 발생하는 금속 표면 반응의 과정과 빠른 단계에 대한 현장 종합 연구 열 부식, 응력 부식 균열, 부식 피로 및 수소 부식과 같은 부식 과정에 대한 연구에서 광범위한 주목을 받아 왔습니다.
예를 들어, 최근 몇 년 동안 금속 부식 및 보호에 관한 국가 핵심 연구소와 스웨덴 왕립 공과 대학은 이 분야에서 광범위한 공동 연구를 수행했으며 대기 부식 메커니즘에서 큰 성과를 거두었습니다. 얇은 전해질 필름 아래의 금속에 대한 많은 연구 결과가 얻어졌습니다.
2.2 부식성 환경에서의 구조적 신뢰성
산업이 발전함에 따라 점점 더 많은 대규모 산업용 장치/장비가 고온, 고압, 높은 부하 응력 및 환경에 노출되고 있습니다. 높음 뜨거운 흐름/높은 질량 흐름/다상 흐름 및 부식성이 높은 환경과 같은 가혹하고 집중적인 작동 조건에서 작동합니다.
위 요소들의 시너지 효과로 인한 부식 손상은 사용 중인 산업용 장치/장비의 신뢰성을 크게 좌우합니다. 따라서 미국 휴스턴에서 개최되는 국제 부식 컨퍼런스의 주제는 "저비용으로 신뢰성을 보장하기 위한 부식 제어"이며, 영국 케임브리지와 미국 호놀룰루에서 개최되는 국제 부식 컨퍼런스의 주제는 "부식성 환경에서의 구조물의 수명 예측" 국제 회의를 통해 부식성 환경에서 산업용 장치/장비의 신뢰성이 대중의 뜨거운 관심사로 대두되고 있는 것으로 나타났습니다.
산업 장비의 신뢰성이 부식 손상으로 인해 결정적으로 제한되는 사례는 일반적으로 군사 장비의 신뢰성에도 영향을 미치며, 이는 전투 능력에 직접적인 영향을 미치거나 심지어 상실하기도 합니다. 예를 들어, 1990년에는 미 공군 전자 장비의 20%가 부식으로 인해 고장났습니다. 같은 해 전 세계적으로 부식 관련 전자 장비를 수리하는 데 드는 비용은 50×108 미국 달러에 달했으며 이 수치는 날로 증가할 것입니다[1]. 비교적 최적의 작업 환경을 갖고 있는 공군 전자 장비의 부식은 여전히 이렇다. 더욱 가혹한 환경 조건에서 산업 장비의 부식이 미치는 심각성은 짐작할 수 있다.
실제로 대기 중 오염 성분이 환경 보호 규정을 충족하는 것보다 훨씬 낮을 경우 전자 장비는 부식으로 인해 손상될 수 있습니다. 예를 들어, 환경 보호 규정에 의해 대기 중 이산화황과 황화수소의 상한선은 각각 1,000×10-9와 10,000×10-9인 반면, 이산화황과 황화수소의 안전한 농도 상한치는 각각 1,000×10-9입니다. 부식되지 않는 전자 장비는 각각 30×10-9 및 10×10-9[1]에 불과합니다. 전자 장비의 정상적인 작동을 보장하기 위한 환경 부식 요구 사항은 인간의 건강을 보장하기 위한 환경 요구 사항을 훨씬 능가합니다.
2.3 온라인 부식 감지/평가/장비 유지보수
부식 손상, 특히 막대한 경제적 손실과 심각한 사회적 결과를 초래하는 악성 부식 손상 사고를 신속하게 감지하기 위해 수행합니다. 온라인으로 실시간 비파괴 검사(모니터링) 모니터링/평가 및 부식 예측을 수행하고, 이를 바탕으로 산업용 기기/장비의 적시 유지보수를 수행하기 위해서는 대규모 장비가 혹독한 환경 및 환경에서 작동되도록 보장하는 것이 필요합니다 집중적인 작동 조건 산업 플랜트/장비 신뢰성의 핵심입니다.
지난 10년 동안 저자가 이끄는 연구실에서는 일련의 온라인, 실시간, 비파괴 검사(모니터링) 탐지/평가 및 부식 예측 기술을 연구 개발하고 있다[2, 3]. 이와 관련하여 국제 사회의 요구 사항과 일치해야 합니다.
글로벌 통계에 따르면 해양 운영 수수료는 해양 석유 및 가스 개발 수수료의 20%를 차지합니다. 이 수치의 연간 성장률은 11%이며, 해양 운영비의 30%는 주로 부식 손상을 방지하는 검사/수리/유지보수(IRM) 비용을 충당하는 데 사용됩니다[4]. 이 통계는 생산의 기술적 경제적 측면과 안전 측면에서 IRM의 중요한 위치를 보여줍니다.
2.4 새로운 재료 선택 방법 - LCC [5]
새로운 재료 선택 방법 - 산업용 장치/장비의 수명 동안 비용 전체 분석, LCC(Life Cycle Costs) ) 기존의 자재 선정 방식과 달리 LCC는 기기/장비가 완전히 갱신될 때까지 장치/장비의 전체 수명주기 동안 모든 비용을 고려합니다. 여기에는 자재 구매 비용, 운임, 건설 및 설치 비용, 마모 부품의 작동, 유지 관리, 정지, 마모 및 교체 비용과 장치/장비의 잔존 가치가 포함되며, 후자는 주로 자재 구입 비용을 고려합니다. .
LCC는 다음 공식으로 계산할 수 있습니다.
여기서 AC——자재 구매 및 운임을 포함한 자재 구입 비용
IC——건설 및 설치 비용
Cj - 생산, 가동 중지 시간 및 유지 관리 비용을 포함한 i번째 해의 운영 비용
Rj - 더 이상 사용할 수 없는 i번째 시스템의 교체 비용
r——실질 이자율을 100으로 나눈 값
a——전체 수명주기 동안 교체 횟수
N——생명주기 수 특정 연도에 설치된 장비
고급 내부식성 합금으로 제작된 장비는 단지 몇 배 더 비싸다는 것을 표 1~3[6]에 인용된 일부 예에서 분명히 볼 수 있습니다. 재료비는 저급 탄소강이나 저합금강에 비해 10배, 심지어는 거의 10배에 달하지만 건설 및 설치 비용은 비슷합니다. 전자는 기본적으로 유지보수가 필요 없는 장비로 많은 후속 비용이 필요하지 않습니다. 위에 나열된 후자의 기타 비용은 초기 투자 비용 절감액보다 높은 경우가 많습니다.
표 1 정유소의 관형 응축기 LCC 계산(탄소강이 완전히 부식됨)
재질 CS 316L SAF2304 SAF2205 SAF2507
각 응축기 튜브 세트 비용 1.0 6.5 5.5 7.0 9.5
응축관 구조 1세트 및 설치 비용 3.0 3.5 3.5 3.5 4.0
총 설치 비용 4.0 10.0 9.0 10.5 13.5
수명 ( 상온) 10개월>5년>5년>5년>5년
Cl- 함유, 150℃<10개월<1년>5년>5년>5년
p >
Cl- 사용 시 180℃ <10개월<1년<1년>5년>5년
Cl- 사용 시 300℃<10개월<1년<1년 <1년 >5년
Cl-(SCC 포함) 5년마다 교체 수량 6.0 <1.0 <1.0 <1.0 <1.0
5년마다 교체 수량(Cl-(SCC 포함)) ) 6.0 5.0 <1.0
t<150℃ <1.0
t<180℃ <1.0
t<300℃
5 년 비용, Cl- 제외 28.0 10.0 9.0 10.5 13.5
5년 비용, Cl-(SCC) 포함 28.0 60.0 9.0
t<150 ℃ 10.5
t<180 ℃ 13.5
t<300 ℃
참고: CS는 탄소강이고 SAF는 Sandvik 오스테나이트/페라이트 이중상 강철입니다. 콘덴서 탄소강 파이프 세트는 상대값 1입니다(아래 동일).
표 2 해양 플랫폼 고압 배관 시스템의 LCC 계산
재질 CuNi
90/10 오스테나이트
6MoN 탄소강
콘크리트 SAF
2507
밀도(g/cm3) 8.9 8.0 7.9 7.8
탄성계수(kN/mm2) 132 200 203 200
0.2Y.S., 20℃(N/mm2) 90 300 241 550
UTS, 20℃(N/mm2) 290 650 414 800
0.2 Y.S(무게) 10.1:1.0 37.5:1.0 30.5:1.0 70.5:1.0
내식성 없음 있음 없음 있음
20년 이내 교체 횟수 1 - 4 -
설치비(m) 4.0 1.5 1.0 1.1
총비용 비교 3.00 0.75 1.00 0.50
표 3 고압배관시스템(염화물함유, 140℃)
재질 코팅
탄소강 316L
SAF
2304
파이프 비용(1G) 1.0 6.5 6.0
파이프 비용(m) 1.0 6.5 3.0
연장 링 브래킷 1.3 1.4 1.1
페인트
설치
총 설치 비용(m) 3.3 7.9 4.1
사용 수명<10개월<12개월>5년
5년마다 교체 횟수 6 5 -
5년 이내 비용(m) 23.0 47.0 4.1
LCC를 기반으로 한 새로운 재료 선택 방법은 기존 방법보다 확실히 더 합리적이고 기술적으로 경제적이라는 것을 알 수 있습니다.
2.5 보호 시스템 엔지니어링(Terotechnology)
최근 산업 발전과 함께 대규모 엔지니어링 시설의 장기적인 안전과 생산을 보장하기 위해 높은 매개변수와 열악한 환경 조건 / 사용 프로세스의 자동화를 위해서는 문제를 초기에 차단하고 심각한 부식 및 악성 손상 사고를 예방할 수 있도록 포괄적인 보호 조치가 완벽하게 제공되어야 합니다. 이를 위해 현대 설계 유지 관리 엔지니어링 및 과학적 관리의 새로운 분야인 보호 시스템 엔지니어링이 개발되었습니다. 이 학문은 부식 과학 및 보호 기술을 기반으로 하며 경영 과학, 야금학, 물리학, 기계 공학, 수학 및 기타 학문 분야를 결합하여 합리적인 설계, 올바른 재료 선택, 신중한 구성 및 전체 구조의 적절한 건설을 제공합니다. 우리는 포괄적인 보호 기술, 부식에 대한 비파괴 테스트, 지속적이고 자동적인 부식 모니터링 및 적시 유지 관리, 최적화된 재무/운영 관리를 사용하는 완전한 기술 세트를 제공합니다. 예를 들어, 해외에서는 영국 맨체스터 공과대학(UMIST)의 부식 및 보호 센터에서 고위 비즈니스 관리자를 교육하기 위해 이 주제에 대한 대학원 학위를 설립했습니다.
보호 시스템 엔지니어링을 위한 전체 기술 세트는 프로젝트마다 크게 다릅니다. 이 기술은 국제적으로 광범위한 주목을 받고 있으며 석유화학, 항공우주, 에너지 공학 및 기타 분야에서 널리 사용되고 있습니다. 최소한의 투자로 높은 출력을 내는 대규모 완성장비의 신뢰성에 크게 기여합니다.
2.6 부식 방지 및 환경 보호
공학 구조물 자재의 이탈, 분출, 낙하 및 누출로 인한 부식 손상은 환경 오염을 유발할 뿐만 아니라 다음과 같은 부식 생성물도 발생합니다. 금속 물 공급 파이프라인, 물과 토양에 유입되는 희생 양극 및 부식 방지/오염 방지 생물학적 접착 첨가제의 일부 용해 제품도 생물학적 사슬에 영향을 미치므로 직간접적으로 인체에 유입됩니다. 건축자재(구리, 아연도금강판, 스테인리스강 지붕 등)와 차량의 부식 생성물도 빗물 침식으로 인해 토양과 지표수에 유입되어 인간 생태 환경에도 영향을 미칩니다. 따라서 유럽 공동체 국가들은 다양한 건물 부식 생성물로 인한 오염이 인간 생태 환경에 미치는 영향에 대한 특별 연구를 포함하는 대규모 국제 협력 프로젝트를 조직했습니다.
부식방지, 환경보호를 주제로 한 국제회의 등 학술교류 활동도 활발하다.
2.7 미생물 부식
미생물 영향 부식(MIC)은 금속에 미생물 피막이 있을 때 금속 표면/미생물 피막 사이 경계면의 pH 값을 의미합니다. 표면, 용존 산소 농도, 무기 및 유기 물질의 종류 및 농도 등은 모두 배경 용액과 크게 다릅니다. 이렇게 생성된 국부적인 부식 환경은 부식 과정의 메커니즘과 속도를 근본적으로 변화시킵니다. MIC는 일반적으로 국부적인 부식으로 나타납니다. 이때 미생물의 대사산물인 이산화탄소, 황화수소, 메르캅탄, 티오에테르, 이황화물, 암모니아, 유기산, 무기산 등이 부식 탈분극제 역할을 하여 국부 부식 과정을 가속화합니다. [7]. 동시에 금속 산화환원 또는 금속 증착이 있습니다.
통계[8]에 따르면 많은 심각한 부식 손상(70~80)은 박테리아에 의해 직접적으로 발생하거나 박테리아와 관련되어 있습니다. 그 중 특히 중요한 세균종으로는 황산염환원세균(SRB), 철세균, 부생균, 황세균 등이 있다.
MIC는 토양, 해수, 물 공급 시스템, 석유 및 가스 환경에 널리 존재하기 때문에 다양한 정도의 부식 손상을 일으켰습니다. 따라서 MIC는 많은 관심을 받고 연구에 많은 노력을 투자해 왔습니다. 지금까지 MIC는 부식 연구의 또 다른 핫스팟이 되었으며, 국제적으로 MIC에 관한 많은 특별 컨퍼런스가 개최되었습니다.
2.8 컴퓨터를 이용한 부식 방지 설계
부식 방지 사양 및 전문가 경험을 바탕으로 제공되는 설계 기준/평가 기준을 바탕으로 구축된 전문가 시스템에 전산 역학을 활용하여/ 컴퓨터 기술 연구 부식 방지에 대한 CAD(컴퓨터 지원 설계)가 확립되었습니다. 예를 들어, CP-CAD(음극 보호 컴퓨터 지원 설계)는 해양 플랫폼 및 해저 장거리 파이프라인과 같은 대규모 엔지니어링 구조물의 부식 방지 설계를 최적화하는 데 사용되었습니다. 일부 주요 부품의 과잉 보호 또는 과잉 보호로 인해 보호가 부족하다는 단점이 있습니다.
이 기술의 도움으로 플랫폼의 각 노드 또는 특정 양극 구성에 해당하는 장거리 파이프라인의 각 핵심 지점의 음극 보호 잠재력을 다양한 숫자와 색상으로 표시할 수 있습니다. 이러한 방식으로 각 부품이 최적의 보호 전위에 도달하도록 극의 배열을 변경할 수 있으므로 전체 구조의 음극 보호 설계가 최적화됩니다. 우리나라의 해저 파이프라인 CP-CAD 기술은 저자가 주도한 부처간 연구그룹에 의해 5년 전 완성되었으며, 이후 많은 해저 파이프라인의 CP-CAD에 성공적으로 사용되었다.
2.9 철근콘크리트 구조물의 부식방지 [10, 12]
철근콘크리트는 중요한 구조재료로서 교량, 건축물, 고가도로, 댐, 해저건설 등에 널리 사용된다. 터널 및 대형 해양 플랫폼. 실제 상황을 보면 철근 콘크리트는 해양이나 지하 환경 조건뿐만 아니라 사용 전 대기나 물의 침식에 의해서도 손상되는 것으로 나타났습니다. 수에즈, 홍콩 등에서는 철근 콘크리트로 만들어진 해저터널이 사용 후 불과 몇 년 만에 심각한 부식 사고가 발생했다는 보고가 있다. 온대지역에서는 해안 철근콘크리트 구조물의 심각한 부식사고가 해풍에 의해 발생하는 경우가 대부분이며, 철근의 부식으로 인해 발생하는 경우가 많다.
이에 따라 철근콘크리트 구조물의 부식 발생과 전개, 주요 영향요인과 영향규칙, 부식방지 대책 및 IRM은 국제적으로 광범위한 관심과 집중적인 연구가 이슈가 되고 있다. 가혹한 부식 환경에서 해양 교량, 대형 댐, 해저 터널 및 대형 해양 플랫폼과 같은 엔지니어링 구조물의 신뢰성을 보장하기 위해 포괄적인 부식 방지 조치를 취하는 방법은 부식 방지 기술 연구 개발의 초점 중 하나였습니다. 최근 몇 년.
2.10 해양 공학 구조물의 부식 방지
바다는 자원의 보고이자 국방의 전초기지이며 해양 및 국내 운송의 중요한 통로이자 산업 발전의 중요한 단계입니다. 21세기의 자원개발과 국제경쟁.
해양 환경은 금속 구조물에 대한 부식성이 매우 높다는 점에서 해양 석유 생산 플랫폼, 선박, 항만 및 해안 엔지니어링 구조물에 대한 안정적인 부식 방지는 해양 개발과 국방 강화를 위한 가장 중요한 전제 조건이 되었습니다. 그러나 심각한 초기 부식 손상은 여전히 때때로 발생합니다. 예를 들어, 국제 규범 및 표준에 따라 상당히 보수적인 구조 역학 설계를 채택하고 제조 및 사용 과정에서 일련의 엄격한 품질 보증(QA) 및 품질 관리(QC) 조치를 채택하며 정기적인 안전 테스트를 실시합니다. 국제 규범에 따라 적시에 유지 관리를 수행하더라도 국내외 강철 플랫폼의 가장 중요한 부분인 노드에서 조기 부식 균열이 여전히 흔합니다[12].
사실 현재의 사양과 표준은 단순화된 모델을 기반으로 하고 있어 실제 근무 조건과 거리가 멀다. 이 경우 초기 부식 손상이 필연적으로 발생합니다. 따라서 시뮬레이션 연구를 수행하는 것이 이 분야의 향후 작업의 초점이 되어야 합니다.
2.11 보호 코팅(도금)층 및 부식 방지제의 새로운 개발
보호 코팅(도금)층 및 부식 방지제의 새로운 개발은 주로 다음 측면에 반영됩니다.
(1) 고온/고압 저항, 높은 부하 응력 저항, 다상 흐름과 같은 혹독한 환경 조건에 적용하기에 적합한 고효율, 긴 수명 및 우수한 기술-경제적 성능을 갖춘 보호 코팅을 연구 및 개발합니다. 저항성, 강력한 부식성 매체 저항성(도금)층 및 부식 억제제
(2) 재료의 생산, 보관, 운송 및 사용은 엄격한 환경 보호 요구 사항을 충족할 수 있습니다.
부식 과학 및 보호 기술 분야의 발전 추세는 학제간 특성과 강력한 적용 가능성을 강조하며, 그 발전은 생산 개발의 요구에 달려 있을 뿐만 아니라 다음과 같은 혜택도 많이 받습니다. 다양한 관련 기술의 성과.
(편집자 잔샤오링)■
저자소개: 두위안롱(Du Yuanlong)은 1936년생으로 푸단대학교 화학과를 졸업하고 현재 금속연구소에서 근무하고 있다. , 중국과학원 및 국립 금속 부식 및 보호 연구소
국가중점연구소 연구원 및 박사과정 감독자, 동시에 중국석유석유화공공학연구회 연구원 및 기록 전문가로 활동하고 있습니다. 유엔에서
국내외에서 100개 이상의 논문을 발표했으며 중국으로부터 2개의 국가 과학 기술 연구 평가 결과를 얻었습니다. 과학원과 성 및 장관급, 전국 과학 회의 및 장관급에서 2개의 주요 과학 기술 성과
중국 인민 해방군 2위 및 3위 상; 과학 기술 발전상 2개, 국제 발명 특허상 3개, 신규 기술 및 신제품 금상 1개, UN TIPS 발명 혁신 과학 기술 스타상 1개, 랴오닝성 발명 부문 1등상 5개 업적 등
저자 소속: Du Yuanlong(금속 부식 및 보호 국가 핵심 연구소, 심양 110015)
Kirk(금속 및 보호 연구소, 중국과학원, 심양 110015)
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참고 자료:
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키워드: 과학적 부식 방지 및 손상