고온 부식 (High Temperature Corrosion) 의 개념과 원리

고온 부식(High Temperature Corrosion)

고온 부식이란 금속이 고온에서 산화성을 띈 기체나 용융 액체에 접할 경우 표면이 산화하는 현상을 말한다. 예를 들어 중유 중 존재하는 V, Na, S 등이 융점이 낮은 회분이 고온부에 부착하게 되고, 축적하게 되어 구성 재료를 가속 산화(Catastrophic Oxidation)하는 현상을 말한다. 종류로는 바나듐 부식(Vanadium Attack), 수증기 산화, 침탄(탄화수소 가스), 질화(질소산화물), 가속 산화(할로겐화합물), 용융 염부식(고온 황화 부식 등) 등이 있다.

 

고온 부식은 주로 바나듐 부식, 황산 소다(Na2SO4)에 의한 바나듐 부식 촉진, 황산소다(Na2SO4) 자신에 의한 고온 황화 부식, 오산화바나듐(V2O5), 황산소다(Na2SO4)가 섞여 재료를 부식하는 현상을 통틀어 말한다.

 

고온 부식은 보일러의 과열기나 재 가열기 등의 증기온도 및 피폭 가스온도가 높은 배관과 그와 부착된 버너, 디퓨저, 터빈 브레이드 등에 발생하기 쉽다. 바나듐(V) 화합물에 의한 V부식과 중유 중 포함한 NaCl, SO2가 화합하여 Na2SO4계 화합물에 의한 고온 황화 부식이 대표적이다.

 

바나듐 부식은 주로 중유에 미량 포함되어 고온부식의 원인이 된다.

 

바나듐 부식(Vanadium Attack)

바나듐 부식이란 중유 중 불순물인 바나듐(V)이 연소할 때 오산화바나듐(V2O5)이 생성되고, 이 물질에 의해 강을 심하게 부식시키는 현상이다.

 

바나듐 부식의 반응식에서 발생하는 오산화바나듐(V2O5)은 낮은 융점(약 685℃)을 가지고 있으며, 금속산화물과 공존하는 경우 융점은 더 낮아지는 특성을 갖는다. 따라서 연소실 내의 고온부에 부착될 경우 융점이 더 낮아지게 되어 승화되는 과정을 거치게 된다.

 

그 결과 금속표면의 산화물 보호 피막에 피해를 입히게 되고, 그렇게 접하게 된 금속의 표면은 다시 산화되는 과정을 통해 해당 부위의 침식이 가속된다. 그 결과 스커핑(Scuffing)이 발생해 화학적인 부식을 유도하게 되어 금속의 침식이 더욱 가속되는 결과를 낳는다.

바나듐부식(Vanadium Attack)의 반응식

바나듐 부식(Vanadium Attack)을 방지하기 위해서는 내식 재료(Al, Si를 첨가한 Cr23% 강 또는 25% Si-Fe)를 도포하거나, 고온 부식을 방지하기 위해 설계 온도 이하로 유지시키는 방법, 바나듐이 산화하지 않도록 융점 아래의 온도를 유지하는 방법이 있다. 또한, 중유에 미량의 바나듐이 포함되어 있어 사전에 바나듐 성분을 제거하고, 고융점 화합물(MgO, CaO 등)을 연료에 첨가하여 바나듐 산화물의 녹는점을 높이는 방법이 있다.

 

황화 부식(Sulfidizing Corrosion)

고온 부식 중 하나인 황화 부식은 황을 함유한 분위기에서 발생하는 부식을 말한다. 황을 함유한 연료와 염화나트륨(NaCl)에 의해 황산소다(Na2SO4)를 생성하고, 이렇게 생성된 황산염 화합물이 재료에 퇴적하여 부식시킨다.

 

NaCl은 Na2SO4를 생성할 수 있어 생성될 경우 고온 황화 부식이 진행될 수 있기 때문에 고온 부식에 영향을 미치게 되며, V2O5와 반응하여 NaVO3을 생산해 바나듐 부식을 촉진하기도 한다.

 

이를 방지하기 위해 Ni(40~50)-Cr(50~60)계 합금 등의 내식성 재료를 사용하거나, Cr, Al 등 도장하여 표면 처리하기도 하며, 관벽 온도를 관리하여 고온 황화 부식이 진행되지 않도록 하기도 한다. 또한 드로마이드, SiO2 등 고융점 화합물을 주입하여 부착물의 융점을 상승시켜 방지하기도 한다.