전면 부식 과 갈바니 부식 의 개념 및 원리

전면 부식(Uniform Attack)과 갈바니 부식(Galvanic Corrosion)

부식(Corrosion)

부식이란 어떤 물질이 주위 환경에 의해 의도하지 않은 화학 또는 전기반응으로 물질이 열화 되거나 파괴되는 현상을 말한다. 일반적으로 금속의 부식은 금속이 산소와 결합하여 산화되는 것을 의미하며, 철이 산소와 결합하여 산화 철이 되어 녹을 형성하는 것을 대표적인 부식이라고 한다.

 

전면부식(Uniform Attack), 균일 부식

금속 부식 중 가장 일반적인 부식으로 금속 표면이 전면에 걸쳐 균일하게 부식되는 것을 말한다. 일반적으로 수중이나 고온의 산소 등에 접해 있는 경우 균일하게 부식이 진행되며 다른 부식들과 다르게 금속의 부식 속도와 이를 이용하여 금속의 수명을 예측할 수 있기 때문에 부식 중에서는 그나마 고마운 존재다.

 

전면 부식은 주로 철이나 아연 등 표면에 안정된 산화피막이 존재하지 않는 금속표면에 발생하며, 위에 부분 아노드, 부분 캐소드 발생하여 일종의 전지가 형성되고 지속적인 반응으로 표면이 부식된다.

일반적인 전면부식의 원리

전면 부식은 가장 일반적인 부식이며 가장 넓은 범위로 부식이 진행되기 때문에 부식 중 피해가 가장 많다. 수중이나 산소 용액에서 발생되기 쉬우나 토양, 대기, 콘크리트 중에서도 발생하는 특징을 갖는다.

 

이를 방지하기 위해 구리, 스테인리스 강 등 전면 부식을 받지 않는 금속을 사용하여 예방하도록 하며, Inhibitor를 첨가하거나 Painting이나 PVC lining에 의한 피복, 음극 방식 또는 양극 방식을 실시하여 부식을 예방한다.

 

갈바니 부식(Galvanic Corrosion)

갈바니 부식은 부식성 분위기 중에서 두 종류 이상의 금속이 접촉한 경우 한쪽이 선택적으로 부식하는 것이다. 이러한 부식의 원리를 역이용하여 원하고자 하는 금속의 부식을 방지할 수 있으며, 이를 음극 보호 또는 음극 방식이라고 한다.

 

갈바니 부식은 두 개의 서로 다른 금속이 접촉할 경우 두 금속 사이에 전위차가 발생하여 전류가 흐르게 되고, 그 결과 내식성이 큰 금속(음극)의 부식은 억제되는 반면 활성이 큰 금속(양극)의 부식이 촉진된다.

 

갈바니부식 예시(해당 사진은 상부에는 갈바니부식 발생, 하단에는 CUI가 발생함)

 

예를 들어 강관 파이프와 동관 파이프를 물속에서 접촉하게 되면, 강관은 산화 환원에 대한 전극 전위가 낮아 부식하기 쉬우며, 동관은 그 반대로 강관의 부식을 도와주게 되며, 물과 함께 이상적인 전지를 이루게 된다.

갈바니 부식(Galvanic Corrosion)의 원리

이와 반대로 음극 보호 또는 음극 방식을 사용하기도 하는데, 지하에 매설하는 가스 관 등이 그 예이다. 가스관의 부식을 막기 위해 대신 부식되어주는 알루미늄이나 아연을 배관에 연결하여 같이 묻어주는데, 시간이 지나 땅속에서 부식이 발생하게 될 때 배관 대신 알루미늄 등이 대신 부식이 된다.

 

양극으로 사용되는 알루미늄, 아연이 대신 부식되어서 그런지 음극 방법의 이름도 [희생 양극법]이다. 저렴한 가격으로 배관을 보호하는 원리로 갈바니 부식을 역으로 활용하는 방법으로 많이 사용되고 있다.

 

금속의 전위서열

각 금속마다 각자의 전위 서열이 존재하며, 이종 금속 간 접촉이 불가피한 경우 가능하면 전위 서열에서 서로 가까운 위치에 있는 금속을 사용하여야 한다. 전위차에 따라 전위 서열의 차가 클수록 갈바니 부식이 심하게 일어나기 때문이다.

 

갈바니 부식의 변수 3가지

온도

온도는 갈바니 부식의 속도를 변화시키거나 부식 전위의 서열도에도 영양을 끼치는 것으로 알려져 있다. 예를 들면, [아연 – 강]의 갈바닉 대가 침전 시 아연이 양극 작용으로 아연이 부식되나 80℃ 이상인 경우 아연이 산화피막을 형성하게 되어 반대로 강이 양극이 되므로 부식된다.

 

거리 효과

거리 효과는 다음과 같다. 갈바닉대의 접합 부분에서 부식이 심하게 발생되나 멀리 떨어질수록 적어진다. 용액의 도전율에도 적용되어 도전율이 낮은 용액은 깊게 침식되며, 도전율이 높은 용액(바닷물) 넓게 침식된다.

 

면적비

양극과 음극의 면적비는 갈바니 부식에 큰 영향을 끼치게 된다. 동판과 강제 리베트 연결되면 면적비의 차이가 거서 전류가 집중적으로 흐르게 되어 리베트가 파손되는데, 음극의 면적이 양극보다 압도적으로 높다 보니 전류가 양극 쪽으로 급속도로 흐르게 되어 파손되는 원리이다. 따라서 양극은 음극보다 가급적이면 면적비가 높도록 관리되는 것이 중요하다.

갈바니 부식(Galvanic Corrosion)에서 면적비는 매우 중요하다.

 

예방대책

갈바니 부식을 방지하기 위해서는 가장 중요한 것이 부식 전위 서열 중에서 가까이 있는 금속/합금을 선택하는 것이다. 또한 면적비의 영향을 최소한으로 받도록 양극을 적게 하고, 음극을 크게 하는 면적비를 지양하도록 해야 한다. 불가피하게 이종 금속 간 접촉이 되는 경우 Isolation Flange Kit 등을 사용하여 양측을 절연시키는 방법이 있다.

 

또한, Coating 하거나 Inhibitor를 첨가하는 방법도 쓰이고 있으며, 양쪽 금속 중 양극에 제3의 금속을 부착하는 희생 양극법으로 이종금속의 부식을 지연시키는 방법도 있다.