캐비테이션 부식 (Cavitation Corrosion) 의 개념과 원리

캐비테이션 부식(Cavitation Corrosion)

캐비테이션 부식(Cavitation Corrosion)은 침식 부식(Erosion Corrosion)의 특수한 형태로 금속 표면 주변에 있는 액체에서 증기포(Vapor Bubble)가 생성되고 소멸되는 것과 관련된 부식이다. 즉, 유체 중 압력변동에 의해 금속표면에는 기포가 생기게 되고, 이 기포가 붕괴될 때 압력 변화를 수반하여 충격파가 피막을 파괴하는 과정에서 발생하는 부식이다.

 

여기서 캐비테이션(Cavitation)이란 유체의 속도 변화로 인한 압력 변화로 공동이 생기는 현상으로 정의할 수 있다. 계 내부에 빠른 속도로 액체가 운동하게 되면 압력이 증기압보다 낮아지며 액체 사이에 기포가 생기는 현상으로 이 기포가 관 또는 벽에 닿으면 소음이 생기거나 부식의 원인이 되어 주의해야 한다.

 

Fig.1 캐비테이션 부식(Cavitation Corrosion) 예시

 

캐비테이션 부식(Cavitation Corrosion)은 유체의 속도가 빨라지면 증기압이 낮아져 공동(Cavity)이 생기게 되는데, 다시 유체의 압력이 포화 수증 기압보다 높아질 경우 급격히 액체로 변하게 된다. 이때 높아진 압력에 의해 약 35kgf/mm^2 정도의 충격파(Shock Wave)가 발생하게 되는데 이 충격파가 피막을 파괴하며 진행한다.

 

이 부식은 유속이 크고 압력 변화가 심한 곳에서 발생하다 보니 수압 터빈, 배의 프로펠러, 펌프의 임펠러 등에 충격을 주게 되며, 소음과 진동, 마모 현상을 동반한 부식이 발생하는 것이 특징이다.

 

캐비테이션 부식(Cavitation Corrosion) 메커니즘

캐비테이션 부식의 메커니즘은 다음과 같다.

fig.2 캐비테이션부식의 매커니즘

1. 보호 피막 위에 캐비테이션 기포(Cavitation Bubble)가 생성.

2. 기포가 소모되며 피막을 파괴

3. 피막이 파괴되어 접하게된 금속 표면이 부식되며 다시 피막 생성

4. 같은 지점에 캐비테이션 기포 재생성

5. 기포 파괴, 3번과 같은 현상 반복

6. 결국 접하는 면적이 부식되며 2~5번 반복하여 결국 구멍이 생기거나 두께가 감소됨.

 

Fig.3 Bubble 파괴과정 메커니즘

Fig.2의 Step.1과 Step.2에서 보이는 메커니즘은 다음과 같다.

캐비테이션(Cavitation)에 의해 초기 상태의 Bubble이 생성되고, Bubble이 붕괴되어 충격파를 만들어 금속 표면에 충격을 가하고, 충격당한 금속은 압출되는 상황이 만들어지며 금속 표면에 접하게 된 부분은 다시 부식된다.

 

 

Fig.4 Cavitation 방지 영역에서의 설계 필요

캐비테이션 부식(Cavitation Corrosion)을 방지하기 위해 액체 압력이 변동되지 않도록 설계하는 것이 중요하며, 내 Cavitation 재료를 사용하도록 한다. 또한 Inhibitor를 첨가하거나 금속 표면을 Coating, PVC Lining에 의한 피복을 실시하고 음극 방식을 실시한다.